自制旋转磁极式交流发电机模型

黄春如 熊小兰

（樟树第三中学 江西 樟树 331200）

交流发电机广泛应用于生产、生活之中，它利用电磁感应将机械能转变为电能．交流发电机分旋转电枢式和旋转磁极式两类．在中学物理教学和大学物理课程中，交流发电机常用线圈在固定磁场中旋转的方式来描述，这类发电机称为旋转电枢式发电机；实验室教学用交流发电机也采用此种方式产生交流电［1～2］，其工作原理这里不再赘述．实际的发电机构造都比较复杂，线圈的匝数很多，它们嵌在硅钢片制成的铁芯上，组成电枢．大型发电机产生的电压较高，电流也很大，若仍采用旋转电枢式，用集流环和电刷将电流输出则很困难，所以实际工业生产中的发电机一般采用转动磁极式，电枢不动，磁极转动．为了解决教学与实际生产应用相脱节的问题，现就旋转磁极式交流发电机模型的原理和制作，及其在实际生活中的应用作一介绍，供参考．

1 旋转磁极式交流发电机教学模型

图1

图1 为旋转磁极式交流发电机教学模型原理图，其中，有一个转动的杆状磁铁和一个集中磁场的硅铁，线圈绕在硅铁上形成供电电路．由于采用硅铁导磁，使旋转磁极式发电机的构造变得简单而又容易制作，且解决了旋转电枢式发电机用集流环和电刷将电能输出的难题．容易分析出磁铁每转一周，电流方向就发生2次改变，即ab两端输出的为交流电．

2 旋转磁极式发电机教学模型的制作

制作创意来源于上菱牌风冷式家用电冰箱冷冻室风扇电机的启发．一次家里的风扇电机坏了；通过检测，发现是电机线圈烧了．仔细观察这种电机，发现它不像家用排风扇或家用吊扇的结构，没有副绕组等移相启动电路．查找资料，弄清了这是一种罩极式单相电机．罩极式电动机只有主绕组，没有启动绕组，但在定子的两极处各设有一副短路环，也称为“电极罩极圈”，当电动机通电后，主磁极部分产生了磁场，这磁场是脉动的，电机不会旋转．但是在短路环中产生短路电流，从而使磁极上被罩部分产生的磁场，比未罩住部分的磁场滞后些，因而磁极构成旋转磁场，电动机转子便旋转启动工作了．实际上，此短路环相当于电机的启动绕组．这就是罩极电机的由来．

线圈坏了，这个电机就成废物了，按照物理中的电磁感应原理，一个电动机也可以变成一个发电机，能不能废旧利用，把这个电动机改制成一个旋转磁极式发电机，以弥补实际教学中的缺失．本着这种思路，拆掉废旧电机原绕组，选用线径0．5 mm左右绝缘漆包线在原绕组位置绕200圈，制作发电机定子线圈．拆除电动机转子固定件，取出转子，如图2．用一块永久磁铁在转子所在空间试旋转，发现连在线圈上的电流计指针发生了左右摇摆，交流电产生了，旋转磁极式发电机的构想实现了．

将手边使用的玻璃清洗器中的磁铁取出，按照电机转子尺寸，通过钻孔、打磨、封装，一个旋转磁极式发电机自制成功，如图3．

图2 电机实物分解图

图3 自制发电机模型

3 旋转磁极式发电机的实际应用

旋转磁极式发电机由于不用集电环向外输电，因而设备制作工艺的难度大大降低，优化了设备结构，在实际生产中广泛使用．

日常生活中少儿广泛使用的滑冰鞋和滑板上的滑轮闪光装置，其核心部件即为一旋转磁极式交流发电机．当滑轮旋转时，带动圆环型磁铁转动，通过导磁铁的导磁作用，引起线圈中磁通量的交替变化，在线圈中产生出交流电，驱动LED发出彩色光芒．如图4为轮滑去掉填充物解剖后的实物照片．

图4 滑轮发电装置解剖照片

1 普通高中课程标准实验教科书·物理选修3－2（第2版）．北京：人民教育出版社，2006．31～34

2 赵凯华，陈熙谋．电磁学（下册）．北京：高等教育出版社，1994．25～28