非接触式车载发电器的原理 设计与实验*①

金永贵 张 杰 张国军

(贵州大学机械工程学院 贵州 贵阳 550025)

刘艳辉

(贵州大学理学院 贵州 贵阳 550025)

1 引言

物理学是现代工程技术的基础.在高等工科大学物理教学中，恰当地做好理论与实际间的联系，不仅有利于学生加深对物理基本原理的理解，而且有利于培养他们分析问题、解决问题的能力，并促进学生科学素养的提高[1,2].同时,物理学的基本特征及其重要性,也使大学物理教学面临严峻的挑战.首先，随着科学技术的快速发展，学生中普遍存在“大学物理基本原理与现代的科学技术已经脱节，大学物理学的基本内容在工作中很难得到应用”的看法,这要求在大学物理教学的过程中，要采用切实有效的方法纠正学生的错误认知；其次,目前不同学科的交叉已经成为学科发展的必然趋势，例如，物理学、化学及生物学等学科的交叉融合,已经引起相关学科理论及技术方面的突破.因此，有必要考虑如何在大学物理教学过程中逐渐培养学生的科学素养，同时提高学生大学物理学习兴趣，并能够以物理学基本理论为工具解决相关学科面临的问题.

鉴于此，在教学的过程中,尝试开展本科生研究培训(student research training，SRT)计划,尝试引导学生分组运用物理学的基本理论去解决不同学科的问题,例如,利用接触力学理论解决原子力显微镜与生物膜相互作用的问题,基于蒙特卡洛模拟方法研究DNA凝聚问题及非接触式车载直流发电器设计等.“SRT”计划的实施,已经取得较好的效果,激发了学生学习大学物理学的积极性,使学生逐渐认识到物理学基本理论学习的必要性.这里主要介绍由3名参与“SRT”计划的本科二年级学生完成的“非接触式车载直流发电器设计”课题,并讨论该设计的应用前景.

2 非接触式发电机器的原理及设计

2.1 传统发电机原理

对于传统发电机，电磁感应原理是交流发电机的基本原理[3].转子在产生磁场的定子中旋转，使穿过转子的磁通量发生变化，在转子两端产生感应电动势.如图1所示，当转子中ab边向下切割磁感线时，电路中产生图1中所示的电流，从而使两并联发光二极管中的红色二极管发光；当cd边向下切割磁感线时，线路中产生与回路所示电流方向相反的电流，从而使蓝色二极管导通.这是产生交流电最基本的原理.

图1 传统交流发电机示意图

2.2 车载直流发电器的设计及基本原理

结合自行车车轮结构特点，设计了图2所示的车载发电器.将线圈固定于自行车后上叉，而将永磁铁固定于自行车后轮辐条，当自行车行进时,永磁铁快速旋转，永磁铁的磁力线切割线圈，从而，导致穿过线圈的磁通量Φ发生变化.由电磁感应定律[4]，感应电动势ε为

回路中电阻为R,整个回路的电流则为

图2 线圈分布结构示意图

3 实验结果

如图3(a)，将54只发光二极管并联接入车载发电器的电路中，二极管在电路中的极性方向相同.并联接入主要基于两个方面的考虑，首先，车载发电器的实现情况,主要考察车载发电器是否可以实现，并在发电器工作的情况下，判定电动势方向变化情况(或者是电流方向)；其次，展示各个物理因素对发电器效率的影响情况.

3.1 车载发电器的实现

上面已经提到车载发电器的设计思路，以此为基础，将如图3(a)所示的发光二极管组接入回路.当自行车车轮转动起来后，发电器能够输出一定的电动势，调整好图3(a)中发光二极管组的接入方向，确保其能够正常工作.如图3(b)所示，4种颜色的发光二极管均发光.由此可以说明，车载发电器已经正常工作，输出了稳定、单一方向的电流.

(a)发光二极管以“SRT”形式并联接入回路

(b)以车载发电器为电源的“SRT”样式发光二极管的发光效果图

3.2 影响发电器的相关物理因素

实验发现影响发电器功率的因素主要有线圈的结构(铁芯的导磁性)、永磁铁强度、自行车车轮的旋转速度、安装距离(线圈和磁铁的感应距离)等.为了探究发电器的最优输出功率进行了一系列的实验，包括采用不同的线圈(不同半径的铜丝、不同的匝数、线圈的内径和外径、线圈高度)，改变永磁铁数目以及不同的安装距离(线圈与磁铁距离)等.实验采用两种线圈绕组，分别为绕组A及绕组B，线圈主要由铁芯(硅钢片)、铜丝绕阻组成.两种绕组均采用8块规格相同的永磁铁，等角度地附于自行车辐条上，距离轴心均为18 cm.

如表1,在其他条件均相同的情况下,考虑了线圈高度、线圈匝数及线圈与磁铁距离对发电器输出情况的影响.对于绕组A，对应的线圈高度、线圈匝数分别为18 mm,1 900匝,当改变线圈与磁铁距离，由3 mm增加到8 mm, 最大电压、最大电流、稳定电压等输出参量均显著降低.对于绕组B也具有同样的情形.当保持线圈与磁铁距离不变的情况下,改变线圈匝数及线圈高度,相应输出参量变化并不显著.对于以上实验，所有实验条件不变的情况下，仅将永磁铁数目减半，仍然等角度地附于车轮辐条之上，发电器输出功率减半.

表1 实验数据

4 结论

通过完成非接触式车载直流发电器设计工作，主要有两个方面的收获.

(1)该“SRT”计划主要由3名本科二年级非物理专业学生完成，通过实施该计划，学生不仅完成了基本的理论学习，还对基本物理理论有了进一步理解并在实践中进一步掌握，增强了动手能力，掌握科学研究的基本思路.

(2)通过调整并联发光二极管组方向，明确非接触车载发电器输出有效电动势及交流电，线圈与磁铁距离、永磁铁数目及分布对发电器输出功率影响显著.传统自行车车载发电器采用定子和转子间的相对运动来切割磁感线，其驱动采用车轮间的摩擦，因此影响行驶速度[5].非接触式车载发电器采用磁铁和线圈分离的方法，通过磁铁随车轮转动切割磁感线产生感应电动势，消除传统发电器带来的摩擦.该发电器有较好的应用前景，不仅可以作为夜间自行车行驶照明，通过进一步改进，还可以作为一种自行车骑行爱好者的便携式手机充电器，避免野外生存期间手机等小型IT产品断电的情形发生.

参考文献

1 马文蔚,苏惠惠,解希顺.物理学原理在工程技术中的应用(第三版).北京：高等教育出版社，2006

2 严燕来,叶庆好.大学物理拓展与应用.北京：高等教育出版社，2002

3 赵凯华,陈熙谋.电磁学(第二版).北京：高等教育出版社，1984

4 马文蔚.大学物理学(第二版).北京：高等教育出版社，1984

5 孙桓,陈作模,葛文杰.机械原理(第七版).北京：高等教育出版社，2006