交流发电机jiaoliu fadianji

利用电磁感应原理获得交变电动势的机器。1831年10月28日，科学家法拉第使圆盘在大型磁铁的磁场中转动，由此获得了连续的电流，用电磁感应原理制成了世界上第一台发电机。
中学物理教材中的发电机模型只能用于演示，没有实用价值。实际应用中为了提高发电机的电动势从而提高输出电压，需要采取两点措施：第一必须增强发电机内的磁场，因此总是把产生电动势的线圈绕在铁心上，并用磁性较强的电磁铁代替永磁铁产生磁场；第二为了提高电动势必须用多匝线圈代替单匝线圈。图1是发电机横截面示意图。

图 1

它主要由转子、定子两部分构成。图中甲是由原动机（汽轮机或水轮机等）带动转动的部分，称为转子。转子中小圆圈部分是线圈导线截面，这个线圈的作用是切割磁感应线产生感应电动势。该线圈又称电枢绕组，它与铁心合在一起称为电枢。电枢转动时，电枢绕组的两个引出线端通过滑环、电刷与外电路相接。图中乙是发电机的不动部分称为定子。它是绕有多匝线圈的电磁铁，其中的线圈称为激磁绕组，激磁绕组与外部的直流电源相接。由于图1中发电机的转动部分是电枢，所以这种发电机称为旋转电枢式发电机。发电机定、转子之间的空气缝隙简称气隙。气隙中的磁感应强度既垂直于定子铁心表面又垂直于转子铁心表面。设计使气隙中B的大小沿气隙圆周正弦分布，表述为B=Bmsinα，式中α角是线圈平面与中性面MM′的夹角，如图2所示。

图2

当转子以匀角速ω(v=ωr,r是转子的半径)转动时，每匝线圈有两个边切割磁感应线，所以1匝（每一圈叫一匝）线圈产生的感应电动势为e1=2vBl=2vBmlsinα。式中l为线圈在磁场中的边长；若t=0时线圈平面与中性面夹角为ᵠe，则a=ωt+ᵠe)。e₁＝2vBmlsin(ωt+ᵠe)。当线圈绕组为N匝时，则发电机的总电动势为e=Ne₁＝2NvB_mlsin(ωt+ᵠe)，令εm=2NvBml,e=ε_msin(ωt+ᵠe)。 可见发电机的电动势是随时间作正弦变化的。
交流发电机是把机械能变成电能的装置。在能量转换过程中安培力起着重要作用。由安培定律可知，载流导线在磁场中要受到安培力。安培力对电枢绕组提供的是电磁阻力矩。当外电路不带负载时（外电路开路），电枢绕组中没有电流，此时电枢绕组不受安培力。为了维持电枢匀角速ω转动，外力矩只需等于摩擦阻力矩，外力矩的功全部转化为摩擦所生的热量，这种情况称为空载运行。当发电机带负载（外电路接通）后，则有电流通过电枢绕组，它将受到安培力的电磁阻力矩，这时为保持电枢绕组仍以匀角速ω转动，外力矩必须等于摩擦阻力矩与电磁阻力矩之和。外力矩的功除变为摩擦所生热的部分外将全部转变为负载所消耗的电能。可见在能量转化过程中安培力起了关键作用。一般对发电机提供外力矩的装置主要有汽轮机、水轮机等，相应地就有火力发电及水力发电等形式。近代发电机为了有强大的功率输出，电枢绕组的电压高达几千伏乃至上万伏，电流达几千安培。为了避免由于高电压、大电流在滑环与电刷间造成的严重火花，功率在几十千瓦以上的发电机一般都把电枢和电磁铁互换位置，让电枢固定而磁极旋转，如图3所示。这样改造后电枢绕组就可以直接与负载相接，而让电压和电流都较小的电磁铁的激磁绕组通过滑环、电刷与外部直流电源相接。这样的发电机称为旋转磁极式发电机。现代发电厂中的发电机一般都是这种发电机。

图3

交流发电机

alternating current generator;alternator

交流发电机

alternating current generator;alternator