发电机动画课件

发电机系列

本栏展示用3d绘制的发电机系列教学课件，通俗易懂、直观形象。这些课件为青少年科技爱好者而作，可作中学物理的参考读物，有些可作为电工参考读物。

发电机基础原理：课件通过一个发电机原理模型讲解了发电机的基本原理，动画显示了磁力线走向、旋转线圈中感应电流的方向与输出电压的波形。

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。（观看动画固定磁场交流发电机原理模型）

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。（观看动画旋转磁场交流发电机原理模型）

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。（观看动画三相交流发电机原理模型）

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

下载动画可观看汽轮发电机结构动画。

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。观看多磁极发电机原理模型动画。

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。