電氣技術|發電機原理圖解

旋轉磁場交流發電機原理模型

在這個模型中磁場是不動的，線圈在磁場中旋轉產生感應電勢。在實際發電機中產生感應電勢的線圈是不運動的，運動的是磁場。產生磁場的是一個可旋轉的磁鐵，也就是轉子，線圈在磁鐵外圍，與磁鐵轉軸同一平面。當磁鐵旋轉時產生旋轉磁場，線圈切割磁力線產生感應電動勢。

由于空氣的磁導率太低，在旋轉磁鐵的外圍安上環型鐵芯，也就是定子，可大大加強磁鐵的磁感應強度。在定子鐵芯的內圓有一對槽，線圈嵌裝在槽內。為了看清線圈電流與轉子的運動關系，把定子變成半透明的。當磁鐵旋轉時，線圈切割磁力線感生交流電流。

真正發電機的轉子是電磁鐵，轉子上繞有勵磁線圈，通過滑環向勵磁線圈供電來產生磁場。把定子與線圈安在轉子外圍，一個單相交流發電機原理模型就組成了。

轉子作勻速旋轉時，線圈就感生交流電流，畫面中綠色小球運動的方向表示感應電流的方向、運動的速度表示感應電流的大小。

三相交流發電機原理模型

實際應用的都是三相交流發電機，其定子鐵芯的內圓均勻分布著6個槽，嵌裝著三個相互間隔120度的同樣線圈，分別稱之為A相線圈、B相線圈、C相線圈。裝上轉子就組成了一臺三相交流發電機原理模型。

畫面中的三相交流發電機采用星形接法，三個線圈的公共點引出線是中性線，每個線圈的引出線是相線。

當轉子勻速旋轉時三個線圈順序切割磁力線，都會感生交流電動勢，其幅度與頻率相同。由于三個線圈相互間隔120度，它們感應電勢的相位也相差120度。在畫面上有每根相線的輸出電勢波形。

汽輪發電機的構造

這里介紹汽輪發電機的構造，是由蒸汽輪機或燃氣輪機推動的發電機。發電機主要由轉子與定子組成，由于汽輪機的轉速很高，故汽輪發電機的轉子是兩極的，額定轉速每分鐘3000轉，輸出50赫茲的三相交流電。

這是轉子鐵芯構造示意圖，在鐵芯圓周上開有一些槽，嵌有勵磁繞組，在圓周兩側各有一段槽距大的面稱為大齒，就是磁極（圖1所示）。勵磁繞組兩端通過集電環（滑環）接到勵磁電源，在轉子圓周兩側就形成北極與南極，旋轉時就產生旋轉磁場。

由于轉子圓周上沒有凸出的磁極（不像原理模型中的轉子），稱之為隱極式轉子。

圖2為嵌有勵磁繞組的轉子模型，為降低發電機的溫度，在轉子兩端還裝有風扇。

定子鐵芯由導磁良好的硅鋼片疊成，在鐵芯內圓均勻分布著許多槽（圖3所示）。

在槽內嵌放定子的三相繞組。每相繞組由多個線圈組成，按一定規律對稱排列。（圖4所示）。使定子鐵芯透明可看清繞組的分布（圖4所示）。

轉子插在定子內部，定子與轉子的相對位置如圖5所示。

定子固定在發電機的機座（外殼）內，轉子由機座兩端的軸承支撐，可在定子內自由旋轉。集電環在機殼外側，和碳刷架一同裝在隔音罩內。在發電機外殼下方有發電機出線盒，發出的三相交流電從這里引出（圖6所示）

圖7是發電機外觀圖

多磁極發電機原理模型

多磁極發電機的轉子有多對磁極，

圖1是有3對磁極的轉子模型。由于每個磁極都是從轉子上明顯凸起，稱之為凸極式轉子。每個磁極上都繞有勵磁線圈，形成南北相間的6個磁極，勵磁電源通過滑環向勵磁線圈供電。

該模型的轉子有3對磁極，旋轉一周磁場將循環3個周期，每旋轉120度磁場變化1個周期。定子內園周有18個槽

在120度機械角度里有6個槽，均勻分布A相、B相、C相3個線圈；另外兩個120度里同樣各自分布3個線圈。3個A相線圈串聯起來即為整機的A相繞組，3個B相線圈串聯起來即為整機的B相繞組，3個C相線圈串聯起來即為整機的C相繞組，3個繞組按星形接法將三個繞組尾端連在一起引出即中性線，3個繞組的引出端為相線。

為看清線圈的分布與連接，圖4中定子為半透明。

轉子插在定子中，與定子有很小間隙，可自由旋轉。

當轉子勻速旋轉時A、B、C相線圈順序切割磁力線，都會感生交流電動勢，其幅度與頻率相同。由于三個線圈均勻分布，它們感應電勢的相位也相差120度電角度（每周期為360度電角度）。

當轉子旋轉一周將感生出3個周期的三相交流電動勢。當轉子轉速為每分鐘1000轉時，所感生交流電動勢的頻率為50赫茲。

本模型僅是個原理模型，定子線圈的分布與連接僅表示基本規律，實際發電機上定子的槽數要多得多，繞組分布也復雜得多。

通過動畫可看到每根相線的輸出電勢波形。

水輪發電機的構造

水輪機的轉速都比較低，特別是立式水輪機，所以水輪發電機采用多對磁極結構，這里介紹一個有12對磁極的水輪機發電機模型。

圖1是該水輪機的轉子模型，有南北相間的24個磁極，每個磁極上都繞有勵磁線圈。

勵磁電源通過集電環（滑環）向勵磁線圈供電。集電環裝在轉子軸的端頭。

發電機定子鐵芯由導磁良好的硅鋼片疊成，在鐵芯內圓均勻分布著許多槽，
 用來嵌放定子線圈。

定子線圈嵌放在定子槽內，組成三相繞組，每相繞組由多個線圈組成，按一定規律對稱排列。

定子由機座固定，一同安裝在水泥基礎上。

轉子插在定子中間，與定子有很小間隙，轉子由下機架支撐，可以自由旋轉。

安裝好上機架，鋪好上平臺地板，在外罩內裝好電刷裝置，一臺水輪機發電機模型就安裝好了。

該水輪機發電機模型轉子旋轉一周將感生出12個周期的三相交流電動勢。當轉子轉速為每分鐘250轉時，所發交流電的頻率為50赫茲。

爪極發電機構造

爪極發電機具有制造簡單、成本低廉的特點，主要用在小型發電場合，特別是在汽車發電機、小型風力發電機中得到廣泛應用。其實它也是一種多極發電機，只不過轉子勵磁的磁極使用的是爪狀磁極。下面介紹一種6對磁極的爪極發電機。

發電機定子鐵芯由導磁良好的硅鋼片疊成，在鐵芯內圓均勻分布著36個槽，用來嵌放定子線圈。

在定子槽內嵌放著定子線圈，有多種繞法組成三相繞組，以產生三相交流電。

轉子的磁極采用爪極結構，這是裝在軸上的一個爪極，有六個極。

在爪極內裝有產生磁場的磁軛與勵磁線圈，在轉子軸上有向勵磁線圈供電的滑環。

在轉軸上再裝上另一個爪極，使兩個爪極的磁極交錯排列。

下圖面說明爪極的磁場，先觀看沒有兩邊爪極的情況，在軸上裝上滑環向勵磁線圈供電，當勵磁線圈通電后磁軛產生的磁場如下圖。

裝上兩邊爪極后，磁力線將沿爪極走動，為便于看清磁力線的走向，磁力線改為紅色，爪極改為半透明。

從軸向可更清楚的看到6對磁極的磁力線走向。

如果把勵磁線圈與磁軛換成永久磁鐵，同樣可以形成6對磁極。

為了發電機的散熱，在軸上還要裝上風扇，這就是一個完整的轉子。

把轉子放入定子內，裝上向轉子供電的電刷。

裝上前后端蓋，就是一臺爪極發電機外觀圖。

從另一個角度看該爪極發電機外觀

這是該爪極發電機的剖面圖

以上是爪極發電機的典型結構。