非接觸式車載發電器的原理 設計與實驗*①

金永貴 張 杰 張國軍

(貴州大學機械工程學院 貴州 貴陽 550025)

劉艷輝

(貴州大學理學院 貴州 貴陽 550025)

1 引言

物理學是現代工程技術的基礎.在高等工科大學物理教學中，恰當地做好理論與實際間的聯系，不僅有利于學生加深對物理基本原理的理解，而且有利于培養他們分析問題、解決問題的能力，并促進學生科學素養的提高[1,2].同時,物理學的基本特征及其重要性,也使大學物理教學面臨嚴峻的挑戰.首先，隨著科學技術的快速發展，學生中普遍存在“大學物理基本原理與現代的科學技術已經脫節，大學物理學的基本內容在工作中很難得到應用”的看法,這要求在大學物理教學的過程中，要采用切實有效的方法糾正學生的錯誤認知；其次,目前不同學科的交叉已經成為學科發展的必然趨勢，例如，物理學、化學及生物學等學科的交叉融合,已經引起相關學科理論及技術方面的突破.因此，有必要考慮如何在大學物理教學過程中逐漸培養學生的科學素養，同時提高學生大學物理學習興趣，并能夠以物理學基本理論為工具解決相關學科面臨的問題.

鑒于此，在教學的過程中,嘗試開展本科生研究培訓(student research training，SRT)計劃,嘗試引導學生分組運用物理學的基本理論去解決不同學科的問題,例如,利用接觸力學理論解決原子力顯微鏡與生物膜相互作用的問題,基于蒙特卡洛模擬方法研究DNA凝聚問題及非接觸式車載直流發電器設計等.“SRT”計劃的實施,已經取得較好的效果,激發了學生學習大學物理學的積極性,使學生逐漸認識到物理學基本理論學習的必要性.這里主要介紹由3名參與“SRT”計劃的本科二年級學生完成的“非接觸式車載直流發電器設計”課題,并討論該設計的應用前景.

2 非接觸式發電機器的原理及設計

2.1 傳統發電機原理

對于傳統發電機，電磁感應原理是交流發電機的基本原理[3].轉子在產生磁場的定子中旋轉，使穿過轉子的磁通量發生變化，在轉子兩端產生感應電動勢.如圖1所示，當轉子中ab邊向下切割磁感線時，電路中產生圖1中所示的電流，從而使兩并聯發光二極管中的紅色二極管發光；當cd邊向下切割磁感線時，線路中產生與回路所示電流方向相反的電流，從而使藍色二極管導通.這是產生交流電最基本的原理.

圖1 傳統交流發電機示意圖

2.2 車載直流發電器的設計及基本原理

結合自行車車輪結構特點，設計了圖2所示的車載發電器.將線圈固定于自行車后上叉，而將永磁鐵固定于自行車后輪輻條，當自行車行進時,永磁鐵快速旋轉，永磁鐵的磁力線切割線圈，從而，導致穿過線圈的磁通量Φ發生變化.由電磁感應定律[4]，感應電動勢ε為

回路中電阻為R,整個回路的電流則為

圖2 線圈分布結構示意圖

3 實驗結果

如圖3(a)，將54只發光二極管并聯接入車載發電器的電路中，二極管在電路中的極性方向相同.并聯接入主要基于兩個方面的考慮，首先，車載發電器的實現情況,主要考察車載發電器是否可以實現，并在發電器工作的情況下，判定電動勢方向變化情況(或者是電流方向)；其次，展示各個物理因素對發電器效率的影響情況.

3.1 車載發電器的實現

上面已經提到車載發電器的設計思路，以此為基礎，將如圖3(a)所示的發光二極管組接入回路.當自行車車輪轉動起來后，發電器能夠輸出一定的電動勢，調整好圖3(a)中發光二極管組的接入方向，確保其能夠正常工作.如圖3(b)所示，4種顏色的發光二極管均發光.由此可以說明，車載發電器已經正常工作，輸出了穩定、單一方向的電流.

(a)發光二極管以“SRT”形式并聯接入回路

(b)以車載發電器為電源的“SRT”樣式發光二極管的發光效果圖

3.2 影響發電器的相關物理因素

實驗發現影響發電器功率的因素主要有線圈的結構(鐵芯的導磁性)、永磁鐵強度、自行車車輪的旋轉速度、安裝距離(線圈和磁鐵的感應距離)等.為了探究發電器的最優輸出功率進行了一系列的實驗，包括采用不同的線圈(不同半徑的銅絲、不同的匝數、線圈的內徑和外徑、線圈高度)，改變永磁鐵數目以及不同的安裝距離(線圈與磁鐵距離)等.實驗采用兩種線圈繞組，分別為繞組A及繞組B，線圈主要由鐵芯(硅鋼片)、銅絲繞阻組成.兩種繞組均采用8塊規格相同的永磁鐵，等角度地附于自行車輻條上，距離軸心均為18 cm.

如表1,在其他條件均相同的情況下,考慮了線圈高度、線圈匝數及線圈與磁鐵距離對發電器輸出情況的影響.對于繞組A，對應的線圈高度、線圈匝數分別為18 mm,1 900匝,當改變線圈與磁鐵距離，由3 mm增加到8 mm, 最大電壓、最大電流、穩定電壓等輸出參量均顯著降低.對于繞組B也具有同樣的情形.當保持線圈與磁鐵距離不變的情況下,改變線圈匝數及線圈高度,相應輸出參量變化并不顯著.對于以上實驗，所有實驗條件不變的情況下，僅將永磁鐵數目減半，仍然等角度地附于車輪輻條之上，發電器輸出功率減半.

表1 實驗數據

4 結論

通過完成非接觸式車載直流發電器設計工作，主要有兩個方面的收獲.

(1)該“SRT”計劃主要由3名本科二年級非物理專業學生完成，通過實施該計劃，學生不僅完成了基本的理論學習，還對基本物理理論有了進一步理解并在實踐中進一步掌握，增強了動手能力，掌握科學研究的基本思路.

(2)通過調整并聯發光二極管組方向，明確非接觸車載發電器輸出有效電動勢及交流電，線圈與磁鐵距離、永磁鐵數目及分布對發電器輸出功率影響顯著.傳統自行車車載發電器采用定子和轉子間的相對運動來切割磁感線，其驅動采用車輪間的摩擦，因此影響行駛速度[5].非接觸式車載發電器采用磁鐵和線圈分離的方法，通過磁鐵隨車輪轉動切割磁感線產生感應電動勢，消除傳統發電器帶來的摩擦.該發電器有較好的應用前景，不僅可以作為夜間自行車行駛照明，通過進一步改進，還可以作為一種自行車騎行愛好者的便攜式手機充電器，避免野外生存期間手機等小型IT產品斷電的情形發生.

參考文獻

1 馬文蔚,蘇惠惠,解希順.物理學原理在工程技術中的應用(第三版).北京：高等教育出版社，2006

2 嚴燕來,葉慶好.大學物理拓展與應用.北京：高等教育出版社，2002

3 趙凱華,陳熙謀.電磁學(第二版).北京：高等教育出版社，1984

4 馬文蔚.大學物理學(第二版).北京：高等教育出版社，1984

5 孫桓,陳作模,葛文杰.機械原理(第七版).北京：高等教育出版社，2006