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。
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