1、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
2、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
3、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
4、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
5、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是发电机外观图下载动画可观看发电机结构动画。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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、，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，其他结构式样就不一一介绍了。有关爪极发电机的剖面旋转动画请到下面网址观看。变压器的工作原理变压器是利用电磁感应原理，从一个电路向另一个电路传递电能的一种电器设备，它可将一种电压的交流电能变换为同频率的另一种电压的交流电能。图1是单相变压器的原理模
11、型，由铁心与套在铁心上的两个绕组组成。与电源相连的线圈为一次绕组，与负载相连的线圈为二次绕组。 U1为输入一次绕组的电压，N1为一次绕组的匝数， U2为二次绕组输出的电压，N2为二次绕组的匝数。当这是一个理想变压器时，在一次绕组输入按正弦规律变化的交流电，根据变压器的基本原理有： U1/U2=N1/N2 =k k=电压比（匝数比） 即输出电压U2=U1N2/N1其输入电压，输出电压、铁芯磁通的波形图见图2，图中t表示波形移动方向。注意：在暴风影音的播放高级选项格式关联中，一定要钩选有关Flash的选项。 我们平常使用的都三相交流电，图3是三相变压器的原理模型，它由A相绕组、B相绕组、C相绕组与
12、铁芯组成。三对绕组完全相同，每对绕组包含一次绕组与二次绕组，其匝数比为k。 当这是一个理想变压器时，在一次绕组输入按正弦规律变化的三相交流电时，根据变压器的基本原理有： U1A、U1B、U1C分别为三相的输入电压，U2A、U2B、U2C分别为三相的输出电压。 U1A/ U2A =U1B/ U2B =U1C/U2C=k 三相变压器的输入输出电压波形图见图4，图中t表示波形移动方向。可下载三相变压器的输入输出电压波形动画观看。电力变压器的构造这是一个三相电力变压器的模型。从外观看主要由变压器的箱体、高压绝缘套管、低压绝缘套管、油枕、散热管组成。移去变压器箱体可看到变压器的铁芯与绕组。在铁芯上有A、
13、B、C三相绕组，每相绕组又分为高压绕组与低压绕组。左边是高压绕组引出线，右边是低压绕组引出线。把铁芯与绕组放入箱体，绕组引出线通过绝缘套管内的导电杆连到箱体外，导电杆外面是瓷套管，通过它固定在箱体上，保证导电杆与箱体绝缘。为减小因灰尘与雨水引起的漏电，瓷套管外型为多级伞形。右边是低压绝缘套管，左边是高压绝缘套管，由于高压端电压很高，高压绝缘套管比较长。变压器箱体（即油箱）里灌满变压器油，铁芯与绕组浸在油里。变压器油比空气绝缘强度大，可加强各绕组间、绕组与铁芯间的绝缘，同时流动的变压器油也帮助绕组与铁芯散热。在油箱上部有油枕，有油管与油箱连通，变压器油一直灌到油枕内，可充分保证油箱内灌满变压器油
14、，防止空气中的潮气侵入。油箱外排列着许多散热管，运行中的铁芯与绕组产生的热能使油温升高，温度高的油密度较小上升进入散热管，油在散热管内温度降低密度增加，在管内下降重新进入油箱，铁芯与绕组的热量通过油的自然循环散发出去。一些大型变压器为保证散热，装有专门的变压器油冷却器。冷却器通过上下油管与油箱连接，油通过冷却器内密集的铜管簇，由风扇的冷风使其迅速降温。油泵将冷却的油再打入油箱内，下图是一台容量为400000kVA的特大型电力变压器模型，其低压端电压为20kV，高压端电压为220kV。采用油冷却的变压器结构较复杂，由于油是可燃物，也就存在安全性问题。目前，在城市内、大型建筑内使用的变压器已逐渐采用干式电力变压器，变压器没有油箱，铁芯与绕组安装在普通箱体内。干式变压器绕组用环氧树脂浇注等方法保证密封与绝缘，容量较大的绕组内还有散热通道，大容量变压器并配有风机强制通风散热。由于材料与工艺的限制，目前多数干式电力变压器的电压不超过35kV，容量不大于20000kVA，大型高压的电力变压器仍采用油冷方式。
