直流发电机工作原理

直流发电机的工作原理是基于法拉第电磁感应定律。根据该定律，当导体或线圈的磁通量发生变化时，导体或线圈中就会感应出电动势。该感应电动势的大小由下式给出：

$$\mathrm{\mathit{e}\:=\:\mathit{N}\frac{\mathit{d\phi }}{\mathit{dt}}\:\cdot \cdot \cdot (1)} $$

其中，$\phi$ 是线圈的磁链，N 是线圈的匝数。

对于直流发电机，磁通量 ($\phi$) 保持静止，线圈旋转。线圈旋转且磁通静止时感应的电动势称为动态感应电动势。

工作准则

为了理解直流发电机的工作原理，我们考虑单回路直流发电机（即N = 1），如上图所示。在这里，线圈由一些原动机（机械能源）旋转，并且线圈的磁通链发生变化。

令 $\phi$ 为电机每个磁极产生的平均磁通量，则发电机中的平均感应电动势由下式给出：

$$\mathrm{\mathit{E_{av}}\:=\:\frac{\mathit{d\phi }}{\mathit{dt}}\:=\:\mathrm{通量\: 割\:每秒通过线圈}}$$

$$\mathrm{\Rightarrow \mathit{E_{av}}\:=\:\mathrm{一次旋转中的通量\:切割\:\:次数\:旋转次数\: 每\: 秒}}$$

$$\mathrm{\Rightarrow \mathit{E_{av}}\:=\:\mathrm{\left (每极通量\乘以极数 \right )}\:\次\:\mathrm{每\:秒旋转次数}}$$

$$\mathrm{\因此 \mathit{E_{av}}\:=\:\mathit{\phi \:\times P\:\times \:n}\:\cdot \cdot \cdot (2)} $$

其中，P是发电机的极总数，n是线圈每秒旋转的速度。方程（2）中的表达式给出了单回路直流发电机中的平均感应电动势。

以下几点解释了直流发电机的工作原理 -

  • 位置 1 - 感应电动势为零，因为线圈侧面的运动平行于磁通量。

  • 位置 2 - 线圈侧面与磁通量成一定角度移动，因此在环路中会产生小的 EMF。

  • 位置 3 - 线圈侧面与磁通量成直角移动，因此感应电动势最大。

  • 位置 4 - 线圈侧面以一定角度切割磁通量，因此线圈侧面感应出的 EMF 减少。

  • 位置 5 - 线圈侧没有磁链，并且线圈侧平行于磁通量移动。因此，线圈中不会感应出电动势。

  • 位置 6 - 线圈侧在相反极性的磁极下移动，因此感应电动势的极性反转。最大电动势将在位置 7 处沿该方向感应，而在位置 1 处则为零。随着线圈的旋转，该循环会重复进行。

这样，直流发电机中就会感应出电动势。然而，这种感应电动势本质上是交变的，然后通过使用称为换向器的装置将其转换为单向电动势。

直流发电机电枢导体中感应电动势的方向由我们在本教程的模块 1（基本概念）中讨论的弗莱明右手定则 (FRHR)确定。