直流发电机的原理

直流发电机的运行原理基于法拉第电磁感应定律。根据该定律，当穿过导体或线圈的磁通量发生变化时，导体或线圈中就会感应产生电动势。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，$\phi$ 是线圈的磁通链，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。当线圈旋转而磁通量静止时，产生的感应电动势称为动态感应电动势。

为了理解直流发电机的运行原理，我们考虑一个单回路直流发电机（即N = 1），如上图所示。此处，线圈由某个原动机（机械能量源）旋转，并且线圈的磁通链发生变化。

设$\phi$ 为机器每个磁极产生的平均磁通量，则发电机中产生的平均感应电动势由下式给出：

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

$$\mathrm{\Rightarrow \mathit{E_{av}}\:=\:\mathrm{一次旋转切割的磁通\:\times \:每秒旋转次数}}$$

$$\mathrm{\Rightarrow \mathit{E_{av}}\:=\:\mathrm{\left ( 每极磁通\times 磁极数 \right )}\:\times \:\mathrm{每秒旋转次数}}$$

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

其中，P 是发电机中的磁极总数，n 是线圈的转速（每秒转数）。公式 (2) 给出了单回路直流发电机中产生的平均感应电动势。

以下几点解释了直流发电机的运行原理：

• 位置 1 - 感应电动势为零，因为线圈边的运动方向与磁通量平行。

• 位置 2 - 线圈边与磁通量成一定角度运动，因此回路中产生小的电动势。

• 位置 3 - 线圈边与磁通量垂直运动，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，因此线圈边中产生的感应电动势减小。

• 位置 5 - 线圈边与磁通量没有磁通链，并且线圈边与磁通量平行运动。因此，线圈中没有感应电动势。

• 位置 6 - 线圈边在相反极性的磁极下运动，因此感应电动势的极性反转。感应电动势在此方向上在位置 7 达到最大值，并在位置 1 达到零。此循环随着线圈的旋转重复。

这样，在直流发电机中感应产生电动势。虽然该感应电动势本质上是交变的，但随后可以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。