發電機原理簡述(一)

發電機分解圖

勵磁機分解圖

勵磁定子線圈：固定於發電機機殼(不隨軸心轉動)，引線兩端由 AVR 提供一直流電流(F+、F-1)，在定子鐵芯的磁極上會產生兩相鄰相異的磁極，如 N-S-N-S...。此磁場即為勵磁場。加入的直流電流與電壓稱為勵磁場電流與勵磁場電壓，而此線圈兩端的電阻值稱為勵磁場電阻。
勵磁轉子線圈：固定於發電機轉軸心上隨引擎轉動，轉動時此線圈切割勵磁場產生一組交流電源其功率大小與勵磁場成正比。此交流電源經整流器將交流轉換成直流電源。

主發電機

主磁場線圈：固定於發電機軸心上隨引擎轉動，線圈接受由勵磁機所提供之直流電源並在磁極上產生相鄰相異之磁極N-S-N-S。由於固定於引擎軸心上當引擎轉動時磁場跟著轉動，在空間上形成一旋轉磁場。如(電磁基本原理四)
定子線圈：於發電機機殼(不隨軸心轉動)，當主磁場產生旋轉磁場時磁力線與定子線圈切割產生一交流電源,這個電源就是發電機的輸出電源，其功率大小與勵磁場成正比。

發電機符號

發電機簡圖

發電機運作

基本電氣原理

在發電機運轉狀態下,從發電機勵磁機之勵磁定子線圈F+、F-加入一直流(DC) 電源，使勵磁定子磁極建立一相鄰相異磁場。勵磁轉子隨引擎軸心轉動，在轉子磁極面上則依序切割定子磁極 N-S-N-S…之磁力線，使勵磁轉子線圈得到一感應交流電源(三相)，再經整流器將交流(AC)轉換成直流(DC)。以勵磁機而言它是一部直流對直流的變換器(因為輸入是直流而輸出也是直流)，由於加入了機械能使輸出功率為輸入功率之數倍或數十倍，這是勵磁機的基本功能。

勵磁機產生的直流電源(+、－)傳送到主磁場線圈，在主磁場線圈的磁極面上亦產生了相鄰相異磁場。由於固定於引擎轉軸心上當引擎轉動時磁場跟著轉動，在空間上形成一旋轉磁場。如(電磁基本原理三、四)，當主磁場產生旋轉磁場時磁力線與定子線圈切割又產生了一交流電源，這個電源就是發電機的輸出電源。以主發電機而言其輸入端為直流輸出端爲交流，也由於加入了機械能使輸出功率為輸入功率之數倍或數十倍。

由以上得知，就整體發電機而言我們只要輸入一個小功率的直流電至勵磁線圈上即可由發電機定子線圈上得到一大功率交流電源(引擎轉動時)。

發電機運作

由於導磁材質及氣隙(轉子與定子間的間隙)的因數影響，使得輸入至勵磁線圈的電流\( I_f \)與發電機輸出端的電壓Vac成非等比例關係，如下圖所示。
圖中綠色線稱為發電機的空載勵磁曲線。氣隙線:即轉子與定子間的間隙，在空氣中磁力的傳導與距離的三次方成反比，間隙越大磁力傳導阻力越大傳導效率越低。圖中A點(過了與氣隙線重疊的轉彎處)爲一般發電機所設計的空載勵磁電流值，當勵磁電流大於B點時即便再增大勵磁電流發電機電壓也無法上昇,空載勵磁電流的控制就是在A、B點間。
勵磁曲線對於發電機設計者非常重要,它代表的是一條效能、結構、材料材質運用的曲線。

負載勵磁曲線

在發電機輸出端加上負載(設引擎轉速不變)後因為電樞反應、定子內部電抗、電阻等影響使得輸出電壓下降，藉由提高勵磁電流来保持發電機端電壓V不變，下圖中分別表示負載0、50、100、150%所對應的勵磁電流，其中150%曲線已超越電機容量即使勵磁電流\( I_d \)再大也無法提昇發電機輸出電壓至V點。