从高中物理电学部分看新型发电机的设计

马振庭

【摘要】在日常生活中，常见的发电机都是带有两套绕组的。这样设计的目的是为了避免出现故障或短路时，整个发电机陷入瘫痪状态。双绕组可以在一套出现问题时，另一套继续工作。不过双绕组依然存在一定的影响，一套短路，会因短路电流超过额定电流，产生的高温影响到另一套内部的转子，最后导致发动机受到损坏。

【关键词】高中物理电学 新型发电机 设计方法

一、前言

发电机是一种能够将其他能源转化为电能的装置，通常由一些动力机械驱动，把燃料、水流、风等产生的能量转化为发电机的动能，最后形成电能。发电机具有广泛的作用，被应用于科技、国防、日常生活中。随着社会经济的发展，社会对电能的需求不断增加，发电机的效率也需要不断提高。不过我国发电的能源虽多，但燃料能源会产生过大的污染，而水流、风力等自然能源产生的电能并不能满足需求。为此，需要对发电机进行重新研究，通过对机械的变形处理让能量转化。

二、在高中物理电学中看常见发动机的原理

电能的需求增多导致对发电机的要求越來越高，只是现有的发电机的能源结构除了燃料、太阳能、风能、水能等就几乎没有了，这在场合和能量转化上都有很多限制，降低了发电机对多样性能源的利用。

如交流发电机，其分为线圈和磁极两个部分。这种发电机的发电原理可以利用高中物理电学进行解释。交流发电机的线圈和磁极两部分遵守电磁感应原理，线圈围绕磁极产生转动，最后将机械能转化为电能。其中不动的部分被称为定子，转动的部分被称为转子。于是这种发电机被称作旋转磁极式发电机。

可以通过试验来模拟交流发电机的发电过程。准备一块蹄型磁铁、一个金属圆盘、一个手摇柄、若干导线，将这些部件组装成一个能够产生电流的模拟发电机。手摇柄穿过圆盘中心作为发电的转轴，金属圆盘放入蹄型磁铁内，导线和电流表连接，能够显示出产生的电流。金属圆盘在磁铁间转动，就像导线切割磁力线运动一样，根据电磁感应原理，产生持续不断的电流。利用手摇柄匀速转动圆盘，在电流表上可以显示出产生的电流数。如果将设备进行更换，如改变圆盘大小、磁铁强度、转动速度等，会让电流产生不同的变化。

三、在高中物理电学中看新型发动机的设计

在高中物理电学中，能够看出现有的交流电发电机发电原理比较单一，就是依靠电磁感应原理，通过改变其中的部件来提升电流强度，让电能得到提高。传统的发电机难以应对更加复杂的线路变化，应该设计新的发电机，以应对不断增加的电能需求。可以在物理交流电的基础上设计一种新型的抗短路发电机，利用高中物理电学部分解读实现这种发电机的可行性。

新型发电机在设计理念上要符合发电机的各项指标需求。同传统发电机系统相比，新型发电机不仅要满足应有的各项指标，同时还要在转速、功率密度上进行不断创新。在对转子的设计上，应该具有抗短路的性能，能够完善发电机的单一性能。考虑到发电机短路时绕组会产生短路电流，为更好地实现发电机的抗短路性能，就要根据发电机所能产生的电流值来设定短路电流值，并尽量降低发电机的短路电流。在常规状态下，根据电枢反应电抗同绕组匝数平方成正比的关系，会通过增加绕组匝数的方式，以降低发电机的短路电流倍数，达到抗短路的需求，让发电机更好地完成发电任务。但在实际的设计中，由于受到外形结构等多种因的限制，这种方式并不容易实现。如果减小空载电势、提升漏抗来改善电机的短路电流，能够降低短路电流的大小，提升发电机抗短路能力，这种方式是可行的。在电磁结构参数不便的情况下，减少线圈的数量，让单个线圈的匝数增多，从而提升了漏抗，可以降低电机的短路电流。

新型发电机在外形设计上也要具有创新性，不仅质量要轻，其外型也要更加符合工作原理和工作环境。新型发电机的质量可以在3.5千克左右，外形在113mm×125mm，方便携带和移动。发电机的密封性和安全性都要满足设计要求，在工作过程中，内部各部件可以在高温状态下运作，如承受160℃的高温，发电机依然能够正常运转。发电机内部配件要方便更换和维修，利于出现问题时及时解决。发电机数控系统转速能够在一定的控制范围内，具有最低化极限功率，这样的设定是为了降低转速达到一定程度发生短路后不会产生其他不良影响。发电机要具有足够的适航能力，能够在运转时满足大多航线的要求。

设计后研制出发动机样品，对样品进行实测，不仅要测定输出功率，还要测试其稳定性、抗短路性能等。通过测试，可见这种发动机的测试值同预算相差不大，具有一定的可靠性。

四、结束语

根据高中物理电学部分的知识，可以知道传统的发电机发电要求不高，具有一定的单一性。在不断增长的电量需求下，发电机需要不断创新，应对新型发电机进行设计。通过对新型抗短路发电机的设计进行分析，这样的发电机具有一定的可行性，也有很高的可靠性，比传统的发电机具有更好的应用性能。加强发电机的革新，可以让我们的日常生活更加方便。

参考文献：

[1]肖利，曹朝晖.一种新型抗短路发电机的设计[J].电子世界，2013，（17）：151.

[2]刘立轩.高中物理电学中电路与器材的选择分析[J].中外企业家，2015，（36）：224.