從高中物理電學部分看新型發電機的設計

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(山東省東營市第一中學)

一、前言

發電機是一種能夠將其他能源轉化為電能的裝置，通常由一些動力機械驅動，把燃料、水流、風等產生的能量轉化為發電機的動能，最后形成電能。發電機具有廣泛的作用，被應用于科技、國防、日常生活中。隨著社會經濟的發展，社會對電能的需求不斷增加，發電機的效率也需要不斷提高。不過我國發電的能源雖多，但燃料能源會產生過大的污染，而水流、風力等自然能源產生的電能并不能滿足需求。為此，需要對發電機進行重新研究，通過對機械的變形處理讓能量轉化。

二、在高中物理電學中看常見發動機的原理

電能的需求增多導致對發電機的要求越來越高，只是現有的發電機的能源結構除了燃料、太陽能、風能、水能等就幾乎沒有了，這在場合和能量轉化上都有很多限制，降低了發電機對多樣性能源的利用。

如交流發電機，其分為線圈和磁極兩個部分。這種發電機的發電原理可以利用高中物理電學進行解釋。交流發電機的線圈和磁極兩部分遵守電磁感應原理，線圈圍繞磁極產生轉動，最后將機械能轉化為電能。其中不動的部分被稱為定子，轉動的部分被稱為轉子。于是這種發電機被稱作旋轉磁極式發電機。

可以通過試驗來模擬交流發電機的發電過程。準備一塊蹄型磁鐵、一個金屬圓盤、一個手搖柄、若干導線，將這些部件組裝成一個能夠產生電流的模擬發電機。手搖柄穿過圓盤中心作為發電的轉軸，金屬圓盤放入蹄型磁鐵內，導線和電流表連接，能夠顯示出產生的電流。金屬圓盤在磁鐵間轉動，就像導線切割磁力線運動一樣，根據電磁感應原理，產生持續不斷的電流。利用手搖柄勻速轉動圓盤，在電流表上可以顯示出產生的電流數。如果將設備進行更換，如改變圓盤大小、磁鐵強度、轉動速度等，會讓電流產生不同的變化。

三、在高中物理電學中看新型發動機的設計

在高中物理電學中，能夠看出現有的交流電發電機發電原理比較單一，就是依靠電磁感應原理，通過改變其中的部件來提升電流強度，讓電能得到提高。傳統的發電機難以應對更加復雜的線路變化，應該設計新的發電機，以應對不斷增加的電能需求。可以在物理交流電的基礎上設計一種新型的抗短路發電機，利用高中物理電學部分解讀實現這種發電機的可行性。

新型發電機在設計理念上要符合發電機的各項指標需求。同傳統發電機系統相比，新型發電機不僅要滿足應有的各項指標，同時還要在轉速、功率密度上進行不斷創新。在對轉子的設計上，應該具有抗短路的性能，能夠完善發電機的單一性能。考慮到發電機短路時繞組會產生短路電流，為更好地實現發電機的抗短路性能，就要根據發電機所能產生的電流值來設定短路電流值，并盡量降低發電機的短路電流。在常規狀態下，根據電樞反應電抗同繞組匝數平方成正比的關系，會通過增加繞組匝數的方式，以降低發電機的短路電流倍數，達到抗短路的需求，讓發電機更好地完成發電任務。但在實際的設計中，由于受到外形結構等多種因的限制，這種方式并不容易實現。如果減小空載電勢、提升漏抗來改善電機的短路電流，能夠降低短路電流的大小，提升發電機抗短路能力，這種方式是可行的。在電磁結構參數不便的情況下，減少線圈的數量，讓單個線圈的匝數增多，從而提升了漏抗，可以降低電機的短路電流。

新型發電機在外形設計上也要具有創新性，不僅質量要輕，其外型也要更加符合工作原理和工作環境。新型發電機的質量可以在3.5千克左右，外形在113mm×125mm，方便攜帶和移動。發電機的密封性和安全性都要滿足設計要求，在工作過程中，內部各部件可以在高溫狀態下運作，如承受160℃的高溫，發電機依然能夠正常運轉。發電機內部配件要方便更換和維修，利于出現問題時及時解決。發電機數控系統轉速能夠在一定的控制范圍內，具有最低化極限功率，這樣的設定是為了降低轉速達到一定程度發生短路后不會產生其他不良影響。發電機要具有足夠的適航能力，能夠在運轉時滿足大多航線的要求。

設計后研制出發動機樣品，對樣品進行實測，不僅要測定輸出功率，還要測試其穩定性、抗短路性能等。通過測試，可見這種發動機的測試值同預算相差不大，具有一定的可靠性。

四、結束語

根據高中物理電學部分的知識，可以知道傳統的發電機發電要求不高，具有一定的單一性。在不斷增長的電量需求下，發電機需要不斷創新，應對新型發電機進行設計。通過對新型抗短路發電機的設計進行分析，這樣的發電機具有一定的可行性，也有很高的可靠性，比傳統的發電機具有更好的應用性能。加強發電機的革新，可以讓我們的日常生活更加方便。