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(山東省東營(yíng)市第一中學(xué))

一、前言

發(fā)電機(jī)是一種能夠?qū)⑵渌茉崔D(zhuǎn)化為電能的裝置，通常由一些動(dòng)力機(jī)械驅(qū)動(dòng)，把燃料、水流、風(fēng)等產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)的動(dòng)能，最后形成電能。發(fā)電機(jī)具有廣泛的作用，被應(yīng)用于科技、國(guó)防、日常生活中。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會(huì)對(duì)電能的需求不斷增加，發(fā)電機(jī)的效率也需要不斷提高。不過(guò)我國(guó)發(fā)電的能源雖多，但燃料能源會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的污染，而水流、風(fēng)力等自然能源產(chǎn)生的電能并不能滿(mǎn)足需求。為此，需要對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行重新研究，通過(guò)對(duì)機(jī)械的變形處理讓能量轉(zhuǎn)化。

二、在高中物理電學(xué)中看常見(jiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的原理

電能的需求增多導(dǎo)致對(duì)發(fā)電機(jī)的要求越來(lái)越高，只是現(xiàn)有的發(fā)電機(jī)的能源結(jié)構(gòu)除了燃料、太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能等就幾乎沒(méi)有了，這在場(chǎng)合和能量轉(zhuǎn)化上都有很多限制，降低了發(fā)電機(jī)對(duì)多樣性能源的利用。

如交流發(fā)電機(jī)，其分為線(xiàn)圈和磁極兩個(gè)部分。這種發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理可以利用高中物理電學(xué)進(jìn)行解釋。交流發(fā)電機(jī)的線(xiàn)圈和磁極兩部分遵守電磁感應(yīng)原理，線(xiàn)圈圍繞磁極產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，最后將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。其中不動(dòng)的部分被稱(chēng)為定子，轉(zhuǎn)動(dòng)的部分被稱(chēng)為轉(zhuǎn)子。于是這種發(fā)電機(jī)被稱(chēng)作旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)。

可以通過(guò)試驗(yàn)來(lái)模擬交流發(fā)電機(jī)的發(fā)電過(guò)程。準(zhǔn)備一塊蹄型磁鐵、一個(gè)金屬圓盤(pán)、一個(gè)手搖柄、若干導(dǎo)線(xiàn)，將這些部件組裝成一個(gè)能夠產(chǎn)生電流的模擬發(fā)電機(jī)。手搖柄穿過(guò)圓盤(pán)中心作為發(fā)電的轉(zhuǎn)軸，金屬圓盤(pán)放入蹄型磁鐵內(nèi)，導(dǎo)線(xiàn)和電流表連接，能夠顯示出產(chǎn)生的電流。金屬圓盤(pán)在磁鐵間轉(zhuǎn)動(dòng)，就像導(dǎo)線(xiàn)切割磁力線(xiàn)運(yùn)動(dòng)一樣，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，產(chǎn)生持續(xù)不斷的電流。利用手搖柄勻速轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(pán)，在電流表上可以顯示出產(chǎn)生的電流數(shù)。如果將設(shè)備進(jìn)行更換，如改變圓盤(pán)大小、磁鐵強(qiáng)度、轉(zhuǎn)動(dòng)速度等，會(huì)讓電流產(chǎn)生不同的變化。

三、在高中物理電學(xué)中看新型發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)

在高中物理電學(xué)中，能夠看出現(xiàn)有的交流電發(fā)電機(jī)發(fā)電原理比較單一，就是依靠電磁感應(yīng)原理，通過(guò)改變其中的部件來(lái)提升電流強(qiáng)度，讓電能得到提高。傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)難以應(yīng)對(duì)更加復(fù)雜的線(xiàn)路變化，應(yīng)該設(shè)計(jì)新的發(fā)電機(jī)，以應(yīng)對(duì)不斷增加的電能需求?？梢栽谖锢斫涣麟姷幕A(chǔ)上設(shè)計(jì)一種新型的抗短路發(fā)電機(jī)，利用高中物理電學(xué)部分解讀實(shí)現(xiàn)這種發(fā)電機(jī)的可行性。

新型發(fā)電機(jī)在設(shè)計(jì)理念上要符合發(fā)電機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)需求。同傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)相比，新型發(fā)電機(jī)不僅要滿(mǎn)足應(yīng)有的各項(xiàng)指標(biāo)，同時(shí)還要在轉(zhuǎn)速、功率密度上進(jìn)行不斷創(chuàng)新。在對(duì)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)上，應(yīng)該具有抗短路的性能，能夠完善發(fā)電機(jī)的單一性能?？紤]到發(fā)電機(jī)短路時(shí)繞組會(huì)產(chǎn)生短路電流，為更好地實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的抗短路性能，就要根據(jù)發(fā)電機(jī)所能產(chǎn)生的電流值來(lái)設(shè)定短路電流值，并盡量降低發(fā)電機(jī)的短路電流。在常規(guī)狀態(tài)下，根據(jù)電樞反應(yīng)電抗同繞組匝數(shù)平方成正比的關(guān)系，會(huì)通過(guò)增加繞組匝數(shù)的方式，以降低發(fā)電機(jī)的短路電流倍數(shù)，達(dá)到抗短路的需求，讓發(fā)電機(jī)更好地完成發(fā)電任務(wù)。但在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，由于受到外形結(jié)構(gòu)等多種因的限制，這種方式并不容易實(shí)現(xiàn)。如果減小空載電勢(shì)、提升漏抗來(lái)改善電機(jī)的短路電流，能夠降低短路電流的大小，提升發(fā)電機(jī)抗短路能力，這種方式是可行的。在電磁結(jié)構(gòu)參數(shù)不便的情況下，減少線(xiàn)圈的數(shù)量，讓單個(gè)線(xiàn)圈的匝數(shù)增多，從而提升了漏抗，可以降低電機(jī)的短路電流。

新型發(fā)電機(jī)在外形設(shè)計(jì)上也要具有創(chuàng)新性，不僅質(zhì)量要輕，其外型也要更加符合工作原理和工作環(huán)境。新型發(fā)電機(jī)的質(zhì)量可以在3.5千克左右，外形在113mm×125mm，方便攜帶和移動(dòng)。發(fā)電機(jī)的密封性和安全性都要滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，在工作過(guò)程中，內(nèi)部各部件可以在高溫狀態(tài)下運(yùn)作，如承受160℃的高溫，發(fā)電機(jī)依然能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。發(fā)電機(jī)內(nèi)部配件要方便更換和維修，利于出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)及時(shí)解決。發(fā)電機(jī)數(shù)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)速能夠在一定的控制范圍內(nèi)，具有最低化極限功率，這樣的設(shè)定是為了降低轉(zhuǎn)速達(dá)到一定程度發(fā)生短路后不會(huì)產(chǎn)生其他不良影響。發(fā)電機(jī)要具有足夠的適航能力，能夠在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)滿(mǎn)足大多航線(xiàn)的要求。

設(shè)計(jì)后研制出發(fā)動(dòng)機(jī)樣品，對(duì)樣品進(jìn)行實(shí)測(cè)，不僅要測(cè)定輸出功率，還要測(cè)試其穩(wěn)定性、抗短路性能等。通過(guò)測(cè)試，可見(jiàn)這種發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試值同預(yù)算相差不大，具有一定的可靠性。

四、結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)高中物理電學(xué)部分的知識(shí)，可以知道傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)發(fā)電要求不高，具有一定的單一性。在不斷增長(zhǎng)的電量需求下，發(fā)電機(jī)需要不斷創(chuàng)新，應(yīng)對(duì)新型發(fā)電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)新型抗短路發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，這樣的發(fā)電機(jī)具有一定的可行性，也有很高的可靠性，比傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)具有更好的應(yīng)用性能。加強(qiáng)發(fā)電機(jī)的革新，可以讓我們的日常生活更加方便。