电气技术|发电机原理图解

固定磁场交流发电机原理模型 发电机是根据电磁感应原理来发电的，发电机首先要有磁场，现在用一对磁铁来产生发电机的磁场，磁力线从北极到南极。 在磁场内放入矩形线圈，线圈两端通向两个滑环，滑环通过电刷连接到输出线上，输出线端连有负载电阻。    当线圈旋转时，根据电磁感应原理，线圈两端将会产生感应电动势，当磁场是均匀的，矩形线圈作匀速旋转时，感应电势按正弦规律变化，在负载电阻上有正弦交流电通过。动画中绿色小球运动的方向表示感应电流的方向、运动的速度表示感应电流的大小。

旋转磁场交流发电机原理模型

在这个模型中磁场是不动的，线圈在磁场中旋转产生感应电势。在实际发电机中产生感应电势的线圈是不运动的，运动的是磁场。产生磁场的是一个可旋转的磁铁，也就是转子，线圈在磁铁外围，与磁铁转轴同一平面。当磁铁旋转时产生旋转磁场，线圈切割磁力线产生感应电动势。 由于空气的磁导率太低，在旋转磁铁的外围安上环型铁芯，也就是定子，可大大加强磁铁的磁感应强度。在定子铁芯的内圆有一对槽，线圈嵌装在槽内。为了看清线圈电流与转子的运动关系，把定子变成半透明的。当磁铁旋转时，线圈切割磁力线感生交流电流。 真正发电机的转子是电磁铁，转子上绕有励磁线圈，通过滑环向励磁线圈供电来产生磁场。把定子与线圈安在转子外围，一个单相交流发电机原理模型就组成了。 转子作匀速旋转时，线圈就感生交流电流，画面中绿色小球运动的方向表示感应电流的方向、运动的速度表示感应电流的大小。

三相交流发电机原理模型

实际应用的都是三相交流发电机，其定子铁芯的内圆均匀分布着6个槽，嵌装着三个相互间隔120度的同样线圈，分别称之为A相线圈、B相线圈、C相线圈。装上转子就组成了一台三相交流发电机原理模型。 画面中的三相交流发电机采用星形接法，三个线圈的公共点引出线是中性线，每个线圈的引出线是相线。 当转子匀速旋转时三个线圈顺序切割磁力线，都会感生交流电动势，其幅度与频率相同。由于三个线圈相互间隔120度，它们感应电势的相位也相差120度。在画面上有每根相线的输出电势波形。

汽轮发电机的构造

这里介绍汽轮发电机的构造，是由蒸汽轮机或燃气轮机推动的发电机。发电机主要由转子与定子组成，由于汽轮机的转速很高，故汽轮发电机的转子是两极的，额定转速每分钟3000转，输出50赫兹的三相交流电。 这是转子铁芯构造示意图，在铁芯圆周上开有一些槽，嵌有励磁绕组，在圆周两侧各有一段槽距大的面称为大齿，就是磁极（图1所示）。励磁绕组两端通过集电环（滑环）接到励磁电源，在转子圆周两侧就形成北极与南极，旋转时就产生旋转磁场。 由于转子圆周上没有凸出的磁极（不像原理模型中的转子），称之为隐极式转子。 图2为嵌有励磁绕组的转子模型，为降低发电机的温度，在转子两端还装有风扇。 定子铁芯由导磁良好的硅钢片叠成，在铁芯内圆均匀分布着许多槽（图3所示）。 在槽内嵌放定子的三相绕组。每相绕组由多个线圈组成，按一定规律对称排列。（图4所示）。使定子铁芯透明可看清绕组的分布（图4所示）。 转子插在定子内部，定子与转子的相对位置如图5所示。 定子固定在发电机的机座（外壳）内，转子由机座两端的轴承支撑，可在定子内自由旋转。集电环在机壳外侧，和碳刷架一同装在隔音罩内。在发电机外壳下方有发电机出线盒，发出的三相交流电从这里引出（图6所示） 图7是发电机外观图

多磁极发电机原理模型

多磁极发电机的转子有多对磁极， 图1是有3对磁极的转子模型。由于每个磁极都是从转子上明显凸起，称之为凸极式转子。每个磁极上都绕有励磁线圈，形成南北相间的6个磁极，励磁电源通过滑环向励磁线圈供电。 该模型的转子有3对磁极，旋转一周磁场将循环3个周期，每旋转120度磁场变化1个周期。定子内园周有18个槽 在120度机械角度里有6个槽，均匀分布A相、B相、C相3个线圈；另外两个120度里同样各自分布3个线圈。3个A相线圈串联起来即为整机的A相绕组，3个B相线圈串联起来即为整机的B相绕组，3个C相线圈串联起来即为整机的C相绕组，3个绕组按星形接法将三个绕组尾端连在一起引出即中性线，3个绕组的引出端为相线。 为看清线圈的分布与连接，图4中定子为半透明。 转子插在定子中，与定子有很小间隙，可自由旋转。 当转子匀速旋转时A、B、C相线圈顺序切割磁力线，都会感生交流电动势，其幅度与频率相同。由于三个线圈均匀分布，它们感应电势的相位也相差120度电角度（每周期为360度电角度）。 当转子旋转一周将感生出3个周期的三相交流电动势。当转子转速为每分钟1000转时，所感生交流电动势的频率为50赫兹。 本模型仅是个原理模型，定子线圈的分布与连接仅表示基本规律，实际发电机上定子的槽数要多得多，绕组分布也复杂得多。 通过动画可看到每根相线的输出电势波形。

水轮发电机的构造

水轮机的转速都比较低，特别是立式水轮机，所以水轮发电机采用多对磁极结构，这里介绍一个有12对磁极的水轮机发电机模型。 图1是该水轮机的转子模型，有南北相间的24个磁极，每个磁极上都绕有励磁线圈。 励磁电源通过集电环（滑环）向励磁线圈供电。集电环装在转子轴的端头。 发电机定子铁芯由导磁良好的硅钢片叠成，在铁芯内圆均匀分布着许多槽，  用来嵌放定子线圈。 定子线圈嵌放在定子槽内，组成三相绕组，每相绕组由多个线圈组成，按一定规律对称排列。 定子由机座固定，一同安装在水泥基础上。 转子插在定子中间，与定子有很小间隙，转子由下机架支撑，可以自由旋转。 安装好上机架，铺好上平台地板，在外罩内装好电刷装置，一台水轮机发电机模型就安装好了。 该水轮机发电机模型转子旋转一周将感生出12个周期的三相交流电动势。当转子转速为每分钟250转时，所发交流电的频率为50赫兹。

爪极发电机构造

爪极发电机具有制造简单、成本低廉的特点，主要用在小型发电场合，特别是在汽车发电机、小型风力发电机中得到广泛应用。其实它也是一种多极发电机，只不过转子励磁的磁极使用的是爪状磁极。下面介绍一种6对磁极的爪极发电机。 发电机定子铁芯由导磁良好的硅钢片叠成，在铁芯内圆均匀分布着36个槽，用来嵌放定子线圈。 在定子槽内嵌放着定子线圈，有多种绕法组成三相绕组，以产生三相交流电。 转子的磁极采用爪极结构，这是装在轴上的一个爪极，有六个极。 在爪极内装有产生磁场的磁軛与励磁线圈，在转子轴上有向励磁线圈供电的滑环。 在转轴上再装上另一个爪极，使两个爪极的磁极交错排列。 下图面说明爪极的磁场，先观看没有两边爪极的情况，在轴上装上滑环向励磁线圈供电，当励磁线圈通电后磁軛产生的磁场如下图。 装上两边爪极后，磁力线将沿爪极走动，为便于看清磁力线的走向，磁力线改为红色，爪极改为半透明。 从轴向可更清楚的看到6对磁极的磁力线走向。 如果把励磁线圈与磁軛换成永久磁铁，同样可以形成6对磁极。 为了发电机的散热，在轴上还要装上风扇，这就是一个完整的转子。 把转子放入定子内，装上向转子供电的电刷。 装上前后端盖，就是一台爪极发电机外观图。 从另一个角度看该爪极发电机外观 这是该爪极发电机的剖面图 以上是爪极发电机的典型结构。