手搖交直流發(fā)電機(jī)構(gòu)造原理及DIS拓展探究

鄭恬恬 張軼炳

摘? ?要：文章通過(guò)拆解交直流發(fā)電機(jī)，分析各個(gè)部件的構(gòu)造，對(duì)既能產(chǎn)生直流電又能產(chǎn)生交流電的集流環(huán)設(shè)計(jì)原理有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，討論設(shè)備為什么采用四塊磁鐵組合產(chǎn)生定子磁場(chǎng)，進(jìn)一步利用磁感應(yīng)傳感器探究其設(shè)計(jì)意圖，從理論的角度分析電樞鐵芯內(nèi)的磁場(chǎng)分布，也對(duì)軟磁材料磁化特性有了直觀的認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī);構(gòu)造原理;磁場(chǎng)分布;DIS

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2021）12-0046-5

普通高中教科書(shū)物理選擇性必修第二冊(cè)第三章第一節(jié)對(duì)手搖發(fā)電機(jī)理論分析時(shí)將磁場(chǎng)看成由兩個(gè)半圓弧的磁鐵產(chǎn)生，缺少磁鐵構(gòu)造的原理機(jī)制分析，將磁場(chǎng)簡(jiǎn)單地作為勻強(qiáng)磁場(chǎng)處理[1]。美國(guó)教材《物理原理與問(wèn)題》第25章第一節(jié)介紹發(fā)電機(jī)時(shí)提到鐵芯能夠增強(qiáng)磁感應(yīng)強(qiáng)度，理論分析時(shí)用一個(gè)沒(méi)有鐵芯的單圈發(fā)電機(jī)進(jìn)行推導(dǎo)，沒(méi)有關(guān)于帶鐵芯時(shí)磁場(chǎng)的剖析[2]。

本研究利用DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)，即磁感應(yīng)傳感器結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件，測(cè)量四塊磁鐵的磁場(chǎng)[3]，探究磁鐵的組裝優(yōu)勢(shì)，分析電樞鐵芯的作用，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)與工程實(shí)踐能力和高階思維能力。

1? ? 儀器構(gòu)造

1.1? ? 儀器組成

實(shí)驗(yàn)使用到的儀器有手搖交直流發(fā)電機(jī)、導(dǎo)線、數(shù)據(jù)采集器、USB數(shù)據(jù)線、計(jì)算機(jī)等。手搖交直流發(fā)電機(jī)的構(gòu)造及各部分名稱如圖1所示，定子磁場(chǎng)由兩塊鐵氧體材料并附一對(duì)極靴產(chǎn)生，電樞由線圈及固定線圈的鐵芯繞環(huán)構(gòu)成，線圈的兩端分別連接在兩個(gè)銅環(huán)上。整個(gè)裝置固定在木板底座上。

1.2? ? 儀器構(gòu)造原理

如圖1所示，手搖交直流發(fā)電機(jī)的各個(gè)構(gòu)造可以歸類為三部分：動(dòng)力系統(tǒng)、感應(yīng)系統(tǒng)和檢驗(yàn)系統(tǒng)。其中，動(dòng)力系統(tǒng)包括手搖大輪、皮帶和電樞;感應(yīng)系統(tǒng)包括磁塊、極靴、電刷和集流環(huán);檢驗(yàn)系統(tǒng)有燈泡。

（1）動(dòng)力系統(tǒng)：

動(dòng)力系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)的動(dòng)力來(lái)源，手搖輪是源動(dòng)力，皮帶具有傳動(dòng)的作用，帶動(dòng)電樞在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。

（2）感應(yīng)系統(tǒng)：

感應(yīng)系統(tǒng)輸出電流，發(fā)電機(jī)上有四塊磁鐵，包括兩個(gè)半圓弧極靴以及鐵氧體材料制成的磁塊，電樞在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中切割磁感線在閉合回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，通過(guò)集流環(huán)和電刷傳送到檢驗(yàn)系統(tǒng)。

（3）檢驗(yàn)系統(tǒng)：

檢驗(yàn)系統(tǒng)接收由感應(yīng)系統(tǒng)產(chǎn)生的電流，裝置中燈泡直觀地反映出了回路中是否有電流。

1.3? ? 挖掘集流環(huán)的設(shè)計(jì)原理

如圖2所示，線圈的兩端分別連接到兩個(gè)銅環(huán)上，銅環(huán)是集流和換向的聯(lián)用裝置。它的形狀是一頭削平，另一頭有一半凸起，兩個(gè)銅環(huán)凸起部分相互配合成為兩個(gè)半環(huán)作為換向器，兩端的圓環(huán)作為集流環(huán)。左半部分1與紅導(dǎo)線相連，右半部分2與藍(lán)導(dǎo)線相連，在集流環(huán)和電刷的共同作用下，通過(guò)電刷輸出電流，傳送到檢驗(yàn)系統(tǒng)。電刷夾在集流環(huán)兩端時(shí)，集流環(huán)的立體模型圖如圖2（b）（c）所示，可以直觀地看到1和2一半是完整的圓環(huán)，一半是半環(huán)。

1.3.1? ? 輸出交變電流

如圖2所示，當(dāng)兩電刷夾在集流環(huán)兩端時(shí)，線圈轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中兩個(gè)電刷與集流環(huán)相互接觸的部位始終沒(méi)有變，不改變電流的方向，回路中電流的方向與電動(dòng)勢(shì)的方向相同。

1.3.2? ? 輸出直流電

如圖3所示，當(dāng)兩電刷夾在集流環(huán)中間，分別順時(shí)針、逆時(shí)針勻速搖動(dòng)手輪，此時(shí)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向變化情況跟兩電刷夾在集流環(huán)兩端時(shí)一樣，但在線圈轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，每經(jīng)過(guò)一次中性面，即每遇凹槽一次，上下夾片接觸的半環(huán)改變一次，兩個(gè)半環(huán)交替地與兩個(gè)電刷接觸，電流方向會(huì)隨之改變，所以在電刷E與F間輸出的是方向不變的直流電。

2? ? 拓展探究——實(shí)驗(yàn)儀器中滲透的科學(xué)與工程實(shí)踐

在科學(xué)教育中滲透科學(xué)與工程實(shí)踐，可以幫助學(xué)生建構(gòu)、深化和應(yīng)用學(xué)科核心知識(shí)和跨學(xué)科概念，促進(jìn)意義學(xué)習(xí)的發(fā)生和科學(xué)世界觀的建立[4]。

2.1? ? 提出科學(xué)問(wèn)題

如圖4所示，觀察發(fā)電機(jī)磁鐵的構(gòu)造我們發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上發(fā)電機(jī)的定子磁場(chǎng)是由兩塊鐵氧體材料制成的磁塊并附一對(duì)極靴產(chǎn)生，由鐵基粉末冶金制成的電樞鐵芯也是發(fā)電機(jī)磁路的一部分，與教材理論分析時(shí)將磁場(chǎng)看成由兩個(gè)半圓弧磁極產(chǎn)生的不同，這樣的組裝優(yōu)勢(shì)是什么？

2.2? ? 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

2.2.1? ? 探究?jī)蓚€(gè)單磁塊磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值

如圖5所示，發(fā)電機(jī)的磁塊可以拆分成兩個(gè)單磁塊，用磁感應(yīng)傳感器分別測(cè)量它們磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值。

將LW-E861磁感應(yīng)傳感器接入數(shù)據(jù)采集器，并與電腦相連，先使傳感器預(yù)熱4分鐘。打開(kāi)“DISLab 8.0”專用軟件，在“物理”中選擇“磁感應(yīng)強(qiáng)度的測(cè)量”，點(diǎn)擊“開(kāi)始記錄”，將磁感應(yīng)傳感器放置在水平桌面上，對(duì)傳感器調(diào)零消除背景值的影響。將傳感器探頭對(duì)準(zhǔn)磁鐵1的下表面，移動(dòng)探頭找到磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值的位置，點(diǎn)擊“記錄數(shù)據(jù)”，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，傳感器的測(cè)量值在-29.30～

-29.50之間上下浮動(dòng)，這里我們記錄絕對(duì)值最大的數(shù)值-29.50。用同樣的方法測(cè)量磁鐵1的上表面和磁鐵2的上、下表面磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

2.2.2? ? 探究極靴的磁感應(yīng)強(qiáng)度

將極靴上方的磁鐵1和磁鐵2取下，將傳感器探頭對(duì)準(zhǔn)磁鐵3正表面，移動(dòng)探頭找到磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值的位置，點(diǎn)擊“記錄數(shù)據(jù)”，我們發(fā)現(xiàn)上半段的測(cè)量值為負(fù)，下半段的測(cè)量值為正。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，傳感器測(cè)量的絕對(duì)值在0.22～0.24之間上下浮動(dòng)，這里我們記錄最大值0.24。用同樣的方法測(cè)量磁鐵4，測(cè)量結(jié)果如表2所示。

2.2.3? ? 探究四塊磁鐵整體的磁場(chǎng)分布

將磁鐵1和磁鐵2放回原位，從極靴的頂端開(kāi)始往下取六個(gè)研究點(diǎn)，用磁感應(yīng)傳感器從上往下測(cè)量各研究點(diǎn)所在位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度，測(cè)量結(jié)果如圖6所示。總體上，越遠(yuǎn)離磁鐵磁感應(yīng)強(qiáng)度越弱。

2.2.4? ? 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差

（1）兩塊磁鐵的磁場(chǎng)大小不一樣，極靴的磁場(chǎng)也存在差異，導(dǎo)致兩邊極靴磁化后的磁場(chǎng)大小相差較大。

（2）磁感應(yīng)傳感器的測(cè)量值會(huì)在一定范圍內(nèi)上下浮動(dòng)。

2.3? ? 四塊磁鐵構(gòu)造原理機(jī)制

當(dāng)磁感應(yīng)傳感器探頭指向磁鐵S極，即傳感器指向與磁感線方向相同時(shí)，測(cè)量值呈正值，當(dāng)磁感應(yīng)傳感器探頭指向磁鐵N極，即傳感器指向與磁感線方向相反時(shí)，測(cè)量值呈負(fù)值。測(cè)量值的絕對(duì)值即為所測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。由此，可以得到磁鐵、極靴和極靴磁化后的極性模型圖（圖7）。

通過(guò)上面的測(cè)量，我們發(fā)現(xiàn)磁鐵的磁場(chǎng)比極靴的要強(qiáng)得多，當(dāng)將磁鐵疊放在極靴上時(shí)，磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)使極靴磁化。對(duì)比圖7（b）（c），弱磁性的極靴磁化后極性改變，產(chǎn)生的磁場(chǎng)大大增強(qiáng)。在單獨(dú)測(cè)量極靴的磁場(chǎng)時(shí)，我們將其上方的磁鐵取下，測(cè)得的磁場(chǎng)仍然很弱，說(shuō)明極靴采用的是軟磁材料，它的矯頑力很小，剩磁容易被消除，去掉外磁場(chǎng)后，極靴所保留的磁場(chǎng)很小。

由此我們可以得到，實(shí)際上裝置的定子磁場(chǎng)是由磁化后的兩半圓弧極靴產(chǎn)生的，定子磁場(chǎng)越往下越弱，不是均勻的。

2.4? ? 理論分析電樞鐵芯的作用

下面從磁感線在兩種不同磁介質(zhì)界面上的折射來(lái)分析極靴和鐵芯間的磁場(chǎng)分布情況[5]。

兩種磁介質(zhì)界面上的邊界條件：

如圖8所示，設(shè)磁感應(yīng)線與界面法線的夾角分別為θ1和θ2，則

即磁介質(zhì)界面兩側(cè)磁感應(yīng)線與法線夾角的正切之比等于兩側(cè)磁導(dǎo)率之比。

將極靴內(nèi)的磁場(chǎng)方向近似為水平向右，極靴和鐵芯的磁感線在邊界上的“折射”如圖9所示，設(shè)極靴和鐵芯的磁導(dǎo)率為μ1，空氣的磁導(dǎo)率為μ2，磁感應(yīng)線在極靴與空氣的分界面上的偏折角分別為θ1和θ2，磁感線在空氣與鐵芯的分界面上的偏折角分別為θ3和θ4，此時(shí)

極靴和鐵芯的磁導(dǎo)率μ1≈102～104，空氣的磁導(dǎo)率μ2≈1， μ1>>μ2，則tanθ1>>tanθ2，tanθ4>>tanθ3，θ2≈θ3≈0，即AO與BO幾乎重合，空氣一側(cè)的磁感線幾乎與界面垂直。此時(shí)θ4≈θ1，說(shuō)明磁感應(yīng)線折射入鐵芯后的方向與極靴內(nèi)的磁感線相同，都是水平向右[6]。由B2n=B1n，B2ncosθ2=B2，則B2=B1cosθ1，由于θ1在極靴圓弧的不同位置上大小不同，定子磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B1也從上往下逐漸減小，因此B2的大小也會(huì)隨著變化，即極靴和鐵芯間的空氣隙磁場(chǎng)并非勻強(qiáng)磁場(chǎng)，并且是垂直于極靴和鐵芯的圓弧。同樣，可以推得鐵芯內(nèi)的磁場(chǎng)雖然近似是水平向右，但也不是勻強(qiáng)磁場(chǎng)。由于線圈是繞在鐵芯中間的，所以在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，線圈切割的是鐵芯這個(gè)“磁感應(yīng)管”內(nèi)非均勻的磁感線，但在線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中磁通量的變化率受到的影響較小，因此在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中我們?nèi)阅艿玫捷^為均勻變化的交變電流和脈動(dòng)直流電。

由于鐵芯的磁導(dǎo)率很大，磁阻相較于空氣而言很小，鐵芯具有使磁感應(yīng)通量集中到自己內(nèi)部的作用，將線圈繞在鐵芯上，不僅能使磁通量的數(shù)值大大增加，而且磁感應(yīng)線幾乎是沿著鐵芯邊界構(gòu)成的磁感應(yīng)管。因此，鐵芯能給磁力線提供通路，它與磁鐵、磁鐵與電樞之間的空氣隙構(gòu)成發(fā)電機(jī)的磁路。

2.5? ? 工程設(shè)計(jì)思想

理論上，磁鐵的磁性越強(qiáng)越好，用永磁材料制成大的強(qiáng)磁鐵來(lái)產(chǎn)生定子磁場(chǎng)效果會(huì)更好。但實(shí)際工程制作時(shí)永磁材料加工困難，成本高，再考慮成本和工藝性的問(wèn)題，在小型價(jià)廉的小功率發(fā)電機(jī)上用一對(duì)永久磁鐵和一對(duì)弧形極靴產(chǎn)生定子磁場(chǎng)，永久磁鐵可以選擇磁綜合性能不太高且價(jià)格便宜的鐵氧體材料，電樞鐵芯可以選擇成本低、制造工藝簡(jiǎn)單、磁感應(yīng)強(qiáng)度較高的鐵基粉末冶金材料[7]。另外，因?yàn)榛⌒螛O靴安裝方便，又貼合電樞的形狀，便于操作，所以極靴是弧形的。

手搖發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，發(fā)電廠里的交流發(fā)電機(jī)的構(gòu)造要復(fù)雜得多，但基本組成部分也是兩部分：產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的電樞和產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁體。電樞轉(zhuǎn)動(dòng)，磁極不動(dòng)的發(fā)電機(jī)，叫作旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī);磁極轉(zhuǎn)動(dòng)，電樞不動(dòng)的發(fā)電機(jī)，叫作旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)。旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的電流必須要經(jīng)過(guò)集流環(huán)和電刷引到外電路，如果電壓很高，可能發(fā)生火花放電，滑環(huán)和電刷很快就會(huì)燒壞。同時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)的電樞無(wú)法做得很大，線圈匝數(shù)也不可能很多，所以產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也不能很高。旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)克服了上述缺點(diǎn)，能夠產(chǎn)生幾千伏到幾萬(wàn)伏的電壓，輸出功率可達(dá)幾百兆瓦。因此，旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī)一般用于小型的發(fā)電機(jī)，旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)主要用于大型的發(fā)電機(jī)。

3? ? 結(jié)束語(yǔ)

手搖交直流發(fā)電機(jī)功能較為齊全，在實(shí)驗(yàn)中可以引領(lǐng)學(xué)生經(jīng)歷“觀察發(fā)電機(jī)的磁鐵—提出科學(xué)問(wèn)題—設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)—分析解釋數(shù)據(jù)—建構(gòu)理想模型—解釋科學(xué)問(wèn)題”6個(gè)階段，使學(xué)生真正清楚發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)的產(chǎn)生原理以及磁鐵的組裝優(yōu)勢(shì)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到實(shí)際發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)不是勻強(qiáng)磁場(chǎng)，認(rèn)識(shí)到理論是會(huì)被新的證據(jù)不斷推翻和修正的，所有物理結(jié)論都必須接受實(shí)踐的檢驗(yàn)，科學(xué)技術(shù)對(duì)人類社會(huì)進(jìn)步起著巨大的作用，潛移默化地讓學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)的本質(zhì)，養(yǎng)成不迷信權(quán)威，敢于質(zhì)疑創(chuàng)新的科學(xué)精神。

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（欄目編輯? ? 劉? ?榮）