手摇交直流发电机构造原理及DIS拓展探究

郑恬恬 张轶炳

摘   要：文章通过拆解交直流发电机，分析各个部件的构造，对既能产生直流电又能产生交流电的集流环设计原理有了进一步的认识，讨论设备为什么采用四块磁铁组合产生定子磁场，进一步利用磁感应传感器探究其设计意图，从理论的角度分析电枢铁芯内的磁场分布，也对软磁材料磁化特性有了直观的认识。

关键词：发电机;构造原理;磁场分布;DIS

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2021）12-0046-5

普通高中教科书物理选择性必修第二册第三章第一节对手摇发电机理论分析时将磁场看成由两个半圆弧的磁铁产生，缺少磁铁构造的原理机制分析，将磁场简单地作为匀强磁场处理[1]。美国教材《物理原理与问题》第25章第一节介绍发电机时提到铁芯能够增强磁感应强度，理论分析时用一个没有铁芯的单圈发电机进行推导，没有关于带铁芯时磁场的剖析[2]。

本研究利用DIS数字化信息系统，即磁感应传感器结合计算机软件，测量四块磁铁的磁场[3]，探究磁铁的组装优势，分析电枢铁芯的作用，培养学生的科学与工程实践能力和高阶思维能力。

1    仪器构造

1.1    仪器组成

实验使用到的仪器有手摇交直流发电机、导线、数据采集器、USB数据线、计算机等。手摇交直流发电机的构造及各部分名称如图1所示，定子磁场由两块铁氧体材料并附一对极靴产生，电枢由线圈及固定线圈的铁芯绕环构成，线圈的两端分别连接在两个铜环上。整个装置固定在木板底座上。

1.2    仪器构造原理

如图1所示，手摇交直流发电机的各个构造可以归类为三部分：动力系统、感应系统和检验系统。其中，动力系统包括手摇大轮、皮带和电枢;感应系统包括磁块、极靴、电刷和集流环;检验系统有灯泡。

（1）动力系统：

动力系统是发电机的动力来源，手摇轮是源动力，皮带具有传动的作用，带动电枢在磁场中转动起来。

（2）感应系统：

感应系统输出电流，发电机上有四块磁铁，包括两个半圆弧极靴以及铁氧体材料制成的磁块，电枢在磁场中转动，转动过程中切割磁感线在闭合回路中产生感应电流，通过集流环和电刷传送到检验系统。

（3）检验系统：

检验系统接收由感应系统产生的电流，装置中灯泡直观地反映出了回路中是否有电流。

1.3    挖掘集流环的设计原理

如图2所示，线圈的两端分别连接到两个铜环上，铜环是集流和换向的联用装置。它的形状是一头削平，另一头有一半凸起，两个铜环凸起部分相互配合成为两个半环作为换向器，两端的圆环作为集流环。左半部分1与红导线相连，右半部分2与蓝导线相连，在集流环和电刷的共同作用下，通过电刷输出电流，传送到检验系统。电刷夹在集流环两端时，集流环的立体模型图如图2（b）（c）所示，可以直观地看到1和2一半是完整的圆环，一半是半环。

1.3.1    输出交变电流

如图2所示，当两电刷夹在集流环两端时，线圈转动过程中两个电刷与集流环相互接触的部位始终没有变，不改变电流的方向，回路中电流的方向与电动势的方向相同。

1.3.2    输出直流电

如图3所示，当两电刷夹在集流环中间，分别顺时针、逆时针匀速摇动手轮，此时线圈产生的感应电动势的方向变化情况跟两电刷夹在集流环两端时一样，但在线圈转动过程中，每经过一次中性面，即每遇凹槽一次，上下夾片接触的半环改变一次，两个半环交替地与两个电刷接触，电流方向会随之改变，所以在电刷E与F间输出的是方向不变的直流电。

2    拓展探究——实验仪器中渗透的科学与工程实践

在科学教育中渗透科学与工程实践，可以帮助学生建构、深化和应用学科核心知识和跨学科概念，促进意义学习的发生和科学世界观的建立[4]。

2.1    提出科学问题

如图4所示，观察发电机磁铁的构造我们发现，实际上发电机的定子磁场是由两块铁氧体材料制成的磁块并附一对极靴产生，由铁基粉末冶金制成的电枢铁芯也是发电机磁路的一部分，与教材理论分析时将磁场看成由两个半圆弧磁极产生的不同，这样的组装优势是什么？

2.2    设计实验

2.2.1    探究两个单磁块磁感应强度的最大值

如图5所示，发电机的磁块可以拆分成两个单磁块，用磁感应传感器分别测量它们磁感应强度的最大值。

将LW-E861磁感应传感器接入数据采集器，并与电脑相连，先使传感器预热4分钟。打开“DISLab 8.0”专用软件，在“物理”中选择“磁感应强度的测量”，点击“开始记录”，将磁感应传感器放置在水平桌面上，对传感器调零消除背景值的影响。将传感器探头对准磁铁1的下表面，移动探头找到磁感应强度最大值的位置，点击“记录数据”，在实验过程中，传感器的测量值在-29.30～

-29.50之间上下浮动，这里我们记录绝对值最大的数值-29.50。用同样的方法测量磁铁1的上表面和磁铁2的上、下表面磁感应强度最大值，测量结果如表1所示。

2.2.2    探究极靴的磁感应强度

将极靴上方的磁铁1和磁铁2取下，将传感器探头对准磁铁3正表面，移动探头找到磁感应强度最大值的位置，点击“记录数据”，我们发现上半段的测量值为负，下半段的测量值为正。在实验过程中，传感器测量的绝对值在0.22～0.24之间上下浮动，这里我们记录最大值0.24。用同样的方法测量磁铁4，测量结果如表2所示。

2.2.3    探究四块磁铁整体的磁场分布

将磁铁1和磁铁2放回原位，从极靴的顶端开始往下取六个研究点，用磁感应传感器从上往下测量各研究点所在位置的磁感应强度，测量结果如图6所示。总体上，越远离磁铁磁感应强度越弱。

2.2.4    实验系统误差

（1）两块磁铁的磁场大小不一样，极靴的磁场也存在差异，导致两边极靴磁化后的磁场大小相差较大。

（2）磁感应传感器的测量值会在一定范围内上下浮动。

2.3    四块磁铁构造原理机制

当磁感应传感器探头指向磁铁S极，即传感器指向与磁感线方向相同时，测量值呈正值，当磁感应传感器探头指向磁铁N极，即传感器指向与磁感线方向相反时，测量值呈负值。测量值的绝对值即为所测磁场的磁感应强度值。由此，可以得到磁铁、极靴和极靴磁化后的极性模型图（图7）。

通过上面的测量，我们发现磁铁的磁场比极靴的要强得多，当将磁铁叠放在极靴上时，磁铁产生的磁场会使极靴磁化。对比图7（b）（c），弱磁性的极靴磁化后极性改变，产生的磁场大大增强。在单独测量极靴的磁场时，我们将其上方的磁铁取下，测得的磁场仍然很弱，说明极靴采用的是软磁材料，它的矫顽力很小，剩磁容易被消除，去掉外磁场后，极靴所保留的磁场很小。

由此我们可以得到，实际上装置的定子磁场是由磁化后的两半圆弧极靴产生的，定子磁场越往下越弱，不是均匀的。

2.4    理论分析电枢铁芯的作用

下面从磁感线在两种不同磁介质界面上的折射来分析极靴和铁芯间的磁场分布情况[5]。

两种磁介质界面上的边界条件：

如图8所示，设磁感应线与界面法线的夹角分别为θ1和θ2，则

即磁介质界面两侧磁感应线与法线夹角的正切之比等于两侧磁导率之比。

将极靴内的磁场方向近似为水平向右，极靴和铁芯的磁感线在边界上的“折射”如图9所示，设极靴和铁芯的磁导率为μ1，空气的磁导率为μ2，磁感应线在极靴与空气的分界面上的偏折角分别为θ1和θ2，磁感线在空气与铁芯的分界面上的偏折角分别为θ3和θ4，此时

极靴和铁芯的磁导率μ1≈102～104，空气的磁导率μ2≈1， μ1>>μ2，则tanθ1>>tanθ2，tanθ4>>tanθ3，θ2≈θ3≈0，即AO与BO几乎重合，空气一侧的磁感线几乎与界面垂直。此时θ4≈θ1，说明磁感应线折射入铁芯后的方向与极靴内的磁感线相同，都是水平向右[6]。由B2n=B1n，B2ncosθ2=B2，则B2=B1cosθ1，由于θ1在极靴圆弧的不同位置上大小不同，定子磁场的磁感应强度B1也从上往下逐渐减小，因此B2的大小也会随着变化，即极靴和铁芯间的空气隙磁场并非匀强磁场，并且是垂直于极靴和铁芯的圆弧。同样，可以推得铁芯内的磁场虽然近似是水平向右，但也不是匀强磁场。由于线圈是绕在铁芯中间的，所以在转动过程中，线圈切割的是铁芯这个“磁感应管”内非均匀的磁感线，但在线圈转动的过程中磁通量的变化率受到的影响较小，因此在实验过程中我们仍能得到较为均匀变化的交变电流和脉动直流电。

由于铁芯的磁导率很大，磁阻相较于空气而言很小，铁芯具有使磁感应通量集中到自己内部的作用，将线圈绕在铁芯上，不仅能使磁通量的数值大大增加，而且磁感应线几乎是沿着铁芯边界构成的磁感应管。因此，铁芯能给磁力线提供通路，它与磁铁、磁铁与电枢之间的空气隙构成发电机的磁路。

2.5    工程设计思想

理论上，磁铁的磁性越强越好，用永磁材料制成大的强磁铁来产生定子磁场效果会更好。但实际工程制作时永磁材料加工困难，成本高，再考虑成本和工艺性的问题，在小型价廉的小功率发电机上用一对永久磁铁和一对弧形极靴产生定子磁场，永久磁铁可以选择磁综合性能不太高且价格便宜的铁氧体材料，电枢铁芯可以选择成本低、制造工艺简单、磁感应强度较高的铁基粉末冶金材料[7]。另外，因为弧形极靴安装方便，又贴合电枢的形状，便于操作，所以极靴是弧形的。

手摇发电机结构简单，发电厂里的交流发电机的构造要复杂得多，但基本组成部分也是两部分：产生感应电动势的电枢和产生磁场的磁体。电枢转动，磁极不动的发电机，叫作旋转电枢式发电机;磁极转动，电枢不动的发电机，叫作旋转磁极式发电机。旋转电枢式发电机，转子产生的电流必须要经过集流环和电刷引到外电路，如果电压很高，可能发生火花放电，滑环和电刷很快就会烧坏。同时，转动的电枢无法做得很大，线圈匝数也不可能很多，所以产生的感应电动势也不能很高。旋转磁极式发电机克服了上述缺点，能够产生几千伏到几万伏的电压，输出功率可达几百兆瓦。因此，旋转电枢式发电机一般用于小型的发电机，旋转磁极式发电机主要用于大型的发电机。

3    结束语

手摇交直流发电机功能较为齐全，在实验中可以引领学生经历“观察发电机的磁铁—提出科学问题—设计实验—分析解释数据—建构理想模型—解释科学问题”6个阶段，使学生真正清楚发电机磁场的产生原理以及磁铁的组装优势，根据实验数据得到实际发电机的磁场不是匀强磁场，认识到理论是会被新的证据不断推翻和修正的，所有物理结论都必须接受实践的检验，科学技术对人类社会进步起着巨大的作用，潛移默化地让学生领悟科学的本质，养成不迷信权威，敢于质疑创新的科学精神。

参考文献：

[1]人民教育出版社， 课程教材研究所， 物理课程教材研究开发中心. 普通高中教科书物理选择性必修第二册[M]. 北京： 人民教育出版社，2020.

[2][美]齐泽维茨. 物理原理与问题（下册）[M]. 钱振华，译.杭州： 浙江教育出版社，2008.

[3]王华. DIS实验室在磁学教学领域的应用初探[J]. 物理教师，2004，25（10）： 45-46.

[4]陈钱钱，赵国庆，王晓静. 科学工程实践、跨学科概念与学科核心知识的整合——从《下一代科学教育标准》视角看WISE项目[J].远程教育杂志，2018，36（02）： 29-36.

[5]赵凯华，陈熙谋.电磁学[M].北京：高等教育出版社， 2003：256-260.

[6]方林.关于辐向磁场的几处疑难问题释疑[J].中学物理教学参考，2014，43（10）： 26-28.

[7]Kalathur Narasi mhan， Francis Hanejko，Michael L.Marucci. 粉末冶金铁基软磁材料的发展与应用[J].粉末冶金工业，2010，20（02）：43-46.

（栏目编辑    刘   荣）