直流发电机的工作原理

直流发电机的工作原理基于法拉第电磁感应定律。根据该定律，当导体或线圈中磁通量发生变化时，导体或线圈中会产生感应电动势。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，$\phi$ 是线圈的磁通量，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产生的 EMF 称为动态感应 EMF。

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。这里，线圈由某个原动机（机械能的来源）旋转，并且线圈的磁通量链发生变化。

设 $\phi$ 为机器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：

$$\mathrm{\mathit{E_{av}}\:=\:\frac{\mathit{d\phi }}{\mathit{dt}}\:=\:\mathrm{线圈每秒切割的通量}}$$

$$\mathrm{\Rightarrow \mathit{E_{av}}\:=\:\mathrm{一次旋转中切割的通量 \:No.\:of\: 旋转次数/次sec}}$$

$$\mathrm{\Rightarrow \mathit{E_{av}}\:=\:\mathrm{\left ( Flux\:per\:pole imes No.\:of\:poles ight )}\: imes \:\mathrm{No.\:of \:rotations \:per\: sec}}$$

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

其中，P 是发电机中的总极数，n 是线圈每秒旋转的速度。公式 (2) 中的表达式给出了单环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，因为线圈边的运动与磁通量平行。

• 位置 2 − 线圈边与磁通量成一定角度移动，因此在环路中产生较小的电动势。

• 位置 3 − 线圈边与磁通量成直角移动，因此感应电动势最大。

• 位置 4 −线圈边以一定角度切割磁通量，因此线圈边中感应出的 EMF 减小。

• 位置 5 − 线圈边没有磁通量，线圈边平行于磁通量移动。因此，线圈中不会感应出 EMF。

• 位置 6 − 线圈边在相反极性的极点下移动，因此感应出的 EMF 极性反转。在位置 7 处感应出的 EMF 最大，在位置 1 处感应出的 EMF 为零。随着线圈的旋转，此循环重复进行。

这样，直流发电机中就会感应出 EMF。不过，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设备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弗莱明右手定则 (FRHR)确定，我们在本教程的模块 1（基本概念）中讨论过该定则。