自制旋轉磁極式交流發電機模型

黃春如 熊小蘭

（樟樹第三中學 江西 樟樹 331200）

交流發電機廣泛應用于生產、生活之中，它利用電磁感應將機械能轉變為電能．交流發電機分旋轉電樞式和旋轉磁極式兩類．在中學物理教學和大學物理課程中，交流發電機常用線圈在固定磁場中旋轉的方式來描述，這類發電機稱為旋轉電樞式發電機；實驗室教學用交流發電機也采用此種方式產生交流電［1～2］，其工作原理這里不再贅述．實際的發電機構造都比較復雜，線圈的匝數很多，它們嵌在硅鋼片制成的鐵芯上，組成電樞．大型發電機產生的電壓較高，電流也很大，若仍采用旋轉電樞式，用集流環和電刷將電流輸出則很困難，所以實際工業生產中的發電機一般采用轉動磁極式，電樞不動，磁極轉動．為了解決教學與實際生產應用相脫節的問題，現就旋轉磁極式交流發電機模型的原理和制作，及其在實際生活中的應用作一介紹，供參考．

1 旋轉磁極式交流發電機教學模型

圖1

圖1 為旋轉磁極式交流發電機教學模型原理圖，其中，有一個轉動的桿狀磁鐵和一個集中磁場的硅鐵，線圈繞在硅鐵上形成供電電路．由于采用硅鐵導磁，使旋轉磁極式發電機的構造變得簡單而又容易制作，且解決了旋轉電樞式發電機用集流環和電刷將電能輸出的難題．容易分析出磁鐵每轉一周，電流方向就發生2次改變，即ab兩端輸出的為交流電．

2 旋轉磁極式發電機教學模型的制作

制作創意來源于上菱牌風冷式家用電冰箱冷凍室風扇電機的啟發．一次家里的風扇電機壞了；通過檢測，發現是電機線圈燒了．仔細觀察這種電機，發現它不像家用排風扇或家用吊扇的結構，沒有副繞組等移相啟動電路．查找資料，弄清了這是一種罩極式單相電機．罩極式電動機只有主繞組，沒有啟動繞組，但在定子的兩極處各設有一副短路環，也稱為“電極罩極圈”，當電動機通電后，主磁極部分產生了磁場，這磁場是脈動的，電機不會旋轉．但是在短路環中產生短路電流，從而使磁極上被罩部分產生的磁場，比未罩住部分的磁場滯后些，因而磁極構成旋轉磁場，電動機轉子便旋轉啟動工作了．實際上，此短路環相當于電機的啟動繞組．這就是罩極電機的由來．

線圈壞了，這個電機就成廢物了，按照物理中的電磁感應原理，一個電動機也可以變成一個發電機，能不能廢舊利用，把這個電動機改制成一個旋轉磁極式發電機，以彌補實際教學中的缺失．本著這種思路，拆掉廢舊電機原繞組，選用線徑0．5 mm左右絕緣漆包線在原繞組位置繞200圈，制作發電機定子線圈．拆除電動機轉子固定件，取出轉子，如圖2．用一塊永久磁鐵在轉子所在空間試旋轉，發現連在線圈上的電流計指針發生了左右搖擺，交流電產生了，旋轉磁極式發電機的構想實現了．

將手邊使用的玻璃清洗器中的磁鐵取出，按照電機轉子尺寸，通過鉆孔、打磨、封裝，一個旋轉磁極式發電機自制成功，如圖3．

圖2 電機實物分解圖

圖3 自制發電機模型

3 旋轉磁極式發電機的實際應用

旋轉磁極式發電機由于不用集電環向外輸電，因而設備制作工藝的難度大大降低，優化了設備結構，在實際生產中廣泛使用．

日常生活中少兒廣泛使用的滑冰鞋和滑板上的滑輪閃光裝置，其核心部件即為一旋轉磁極式交流發電機．當滑輪旋轉時，帶動圓環型磁鐵轉動，通過導磁鐵的導磁作用，引起線圈中磁通量的交替變化，在線圈中產生出交流電，驅動LED發出彩色光芒．如圖4為輪滑去掉填充物解剖后的實物照片．

圖4 滑輪發電裝置解剖照片

1 普通高中課程標準實驗教科書·物理選修3－2（第2版）．北京：人民教育出版社，2006．31～34

2 趙凱華，陳熙謀．電磁學（下冊）．北京：高等教育出版社，1994．25～28