非接觸式車載發(fā)電器的原理 設(shè)計與實驗*①

金永貴 張 杰 張國軍

(貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 貴州 貴陽 550025)

劉艷輝

(貴州大學(xué)理學(xué)院 貴州 貴陽 550025)

1 引言

物理學(xué)是現(xiàn)代工程技術(shù)的基礎(chǔ).在高等工科大學(xué)物理教學(xué)中，恰當(dāng)?shù)刈龊美碚撆c實際間的聯(lián)系，不僅有利于學(xué)生加深對物理基本原理的理解，而且有利于培養(yǎng)他們分析問題、解決問題的能力，并促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提高[1,2].同時,物理學(xué)的基本特征及其重要性,也使大學(xué)物理教學(xué)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn).首先，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，學(xué)生中普遍存在“大學(xué)物理基本原理與現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)已經(jīng)脫節(jié)，大學(xué)物理學(xué)的基本內(nèi)容在工作中很難得到應(yīng)用”的看法,這要求在大學(xué)物理教學(xué)的過程中，要采用切實有效的方法糾正學(xué)生的錯誤認(rèn)知；其次,目前不同學(xué)科的交叉已經(jīng)成為學(xué)科發(fā)展的必然趨勢，例如，物理學(xué)、化學(xué)及生物學(xué)等學(xué)科的交叉融合,已經(jīng)引起相關(guān)學(xué)科理論及技術(shù)方面的突破.因此，有必要考慮如何在大學(xué)物理教學(xué)過程中逐漸培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，同時提高學(xué)生大學(xué)物理學(xué)習(xí)興趣，并能夠以物理學(xué)基本理論為工具解決相關(guān)學(xué)科面臨的問題.

鑒于此，在教學(xué)的過程中,嘗試開展本科生研究培訓(xùn)(student research training，SRT)計劃,嘗試引導(dǎo)學(xué)生分組運用物理學(xué)的基本理論去解決不同學(xué)科的問題,例如,利用接觸力學(xué)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(fā)電器設(shè)計等.“SRT”計劃的實施,已經(jīng)取得較好的效果,激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理學(xué)的積極性,使學(xué)生逐漸認(rèn)識到物理學(xué)基本理論學(xué)習(xí)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(xué)生完成的“非接觸式車載直流發(fā)電器設(shè)計”課題,并討論該設(shè)計的應(yīng)用前景.

2 非接觸式發(fā)電機(jī)器的原理及設(shè)計

2.1 傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)原理

對于傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)，電磁感應(yīng)原理是交流發(fā)電機(jī)的基本原理[3].轉(zhuǎn)子在產(chǎn)生磁場的定子中旋轉(zhuǎn)，使穿過轉(zhuǎn)子的磁通量發(fā)生變化，在轉(zhuǎn)子兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢.如圖1所示，當(dāng)轉(zhuǎn)子中ab邊向下切割磁感線時，電路中產(chǎn)生圖1中所示的電流，從而使兩并聯(lián)發(fā)光二極管中的紅色二極管發(fā)光；當(dāng)cd邊向下切割磁感線時，線路中產(chǎn)生與回路所示電流方向相反的電流，從而使藍(lán)色二極管導(dǎo)通.這是產(chǎn)生交流電最基本的原理.

圖1 傳統(tǒng)交流發(fā)電機(jī)示意圖

2.2 車載直流發(fā)電器的設(shè)計及基本原理

結(jié)合自行車車輪結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了圖2所示的車載發(fā)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(dāng)自行車行進(jìn)時,永磁鐵快速旋轉(zhuǎn)，永磁鐵的磁力線切割線圈，從而，導(dǎo)致穿過線圈的磁通量Φ發(fā)生變化.由電磁感應(yīng)定律[4]，感應(yīng)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(jié)構(gòu)示意圖

3 實驗結(jié)果

如圖3(a)，將54只發(fā)光二極管并聯(lián)接入車載發(fā)電器的電路中，二極管在電路中的極性方向相同.并聯(lián)接入主要基于兩個方面的考慮，首先，車載發(fā)電器的實現(xiàn)情況,主要考察車載發(fā)電器是否可以實現(xiàn)，并在發(fā)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(fā)電器效率的影響情況.

3.1 車載發(fā)電器的實現(xiàn)

上面已經(jīng)提到車載發(fā)電器的設(shè)計思路，以此為基礎(chǔ)，將如圖3(a)所示的發(fā)光二極管組接入回路.當(dāng)自行車車輪轉(zhuǎn)動起來后，發(fā)電器能夠輸出一定的電動勢，調(diào)整好圖3(a)中發(fā)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(fā)光二極管均發(fā)光.由此可以說明，車載發(fā)電器已經(jīng)正常工作，輸出了穩(wěn)定、單一方向的電流.

(a)發(fā)光二極管以“SRT”形式并聯(lián)接入回路

(b)以車載發(fā)電器為電源的“SRT”樣式發(fā)光二極管的發(fā)光效果圖

3.2 影響發(fā)電器的相關(guān)物理因素

實驗發(fā)現(xiàn)影響發(fā)電器功率的因素主要有線圈的結(jié)構(gòu)(鐵芯的導(dǎo)磁性)、永磁鐵強(qiáng)度、自行車車輪的旋轉(zhuǎn)速度、安裝距離(線圈和磁鐵的感應(yīng)距離)等.為了探究發(fā)電器的最優(yōu)輸出功率進(jìn)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(shù)、線圈的內(nèi)徑和外徑、線圈高度)，改變永磁鐵數(shù)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(guī)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(shù)及線圈與磁鐵距離對發(fā)電器輸出情況的影響.對于繞組A，對應(yīng)的線圈高度、線圈匝數(shù)分別為18 mm,1 900匝,當(dāng)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(wěn)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(dāng)保持線圈與磁鐵距離不變的情況下,改變線圈匝數(shù)及線圈高度,相應(yīng)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(shù)目減半，仍然等角度地附于車輪輻條之上，發(fā)電器輸出功率減半.

表1 實驗數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

通過完成非接觸式車載直流發(fā)電器設(shè)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(yè)學(xué)生完成，通過實施該計劃，學(xué)生不僅完成了基本的理論學(xué)習(xí)，還對基本物理理論有了進(jìn)一步理解并在實踐中進(jìn)一步掌握，增強(qiáng)了動手能力，掌握科學(xué)研究的基本思路.

(2)通過調(diào)整并聯(lián)發(fā)光二極管組方向，明確非接觸車載發(fā)電器輸出有效電動勢及交流電，線圈與磁鐵距離、永磁鐵數(shù)目及分布對發(fā)電器輸出功率影響顯著.傳統(tǒng)自行車車載發(fā)電器采用定子和轉(zhuǎn)子間的相對運動來切割磁感線，其驅(qū)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(fā)電器采用磁鐵和線圈分離的方法，通過磁鐵隨車輪轉(zhuǎn)動切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，消除傳統(tǒng)發(fā)電器帶來的摩擦.該發(fā)電器有較好的應(yīng)用前景，不僅可以作為夜間自行車行駛照明，通過進(jìn)一步改進(jìn)，還可以作為一種自行車騎行愛好者的便攜式手機(jī)充電器，避免野外生存期間手機(jī)等小型IT產(chǎn)品斷電的情形發(fā)生.

參考文獻(xiàn)

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

2 嚴(yán)燕來,葉慶好.大學(xué)物理拓展與應(yīng)用.北京：高等教育出版社，2002

3 趙凱華,陳熙謀.電磁學(xué)(第二版).北京：高等教育出版社，1984

4 馬文蔚.大學(xué)物理學(xué)(第二版).北京：高等教育出版社，1984

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