從高中物理電學(xué)部分看新型發(fā)電機的設(shè)計

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(山東省東營市第一中學(xué))

一、前言

發(fā)電機是一種能夠?qū)⑵渌茉崔D(zhuǎn)化為電能的裝置，通常由一些動力機械驅(qū)動，把燃料、水流、風等產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為發(fā)電機的動能，最后形成電能。發(fā)電機具有廣泛的作用，被應(yīng)用于科技、國防、日常生活中。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，社會對電能的需求不斷增加，發(fā)電機的效率也需要不斷提高。不過我國發(fā)電的能源雖多，但燃料能源會產(chǎn)生過大的污染，而水流、風力等自然能源產(chǎn)生的電能并不能滿足需求。為此，需要對發(fā)電機進行重新研究，通過對機械的變形處理讓能量轉(zhuǎn)化。

二、在高中物理電學(xué)中看常見發(fā)動機的原理

電能的需求增多導(dǎo)致對發(fā)電機的要求越來越高，只是現(xiàn)有的發(fā)電機的能源結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)化上都有很多限制，降低了發(fā)電機對多樣性能源的利用。

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

可以通過試驗來模擬交流發(fā)電機的發(fā)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(dǎo)線，將這些部件組裝成一個能夠產(chǎn)生電流的模擬發(fā)電機。手搖柄穿過圓盤中心作為發(fā)電的轉(zhuǎn)軸，金屬圓盤放入蹄型磁鐵內(nèi)，導(dǎo)線和電流表連接，能夠顯示出產(chǎn)生的電流。金屬圓盤在磁鐵間轉(zhuǎn)動，就像導(dǎo)線切割磁力線運動一樣，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)動圓盤，在電流表上可以顯示出產(chǎn)生的電流數(shù)。如果將設(shè)備進行更換，如改變圓盤大小、磁鐵強度、轉(zhuǎn)動速度等，會讓電流產(chǎn)生不同的變化。

三、在高中物理電學(xué)中看新型發(fā)動機的設(shè)計

在高中物理電學(xué)中，能夠看出現(xiàn)有的交流電發(fā)電機發(fā)電原理比較單一，就是依靠電磁感應(yīng)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(tǒng)的發(fā)電機難以應(yīng)對更加復(fù)雜的線路變化，應(yīng)該設(shè)計新的發(fā)電機，以應(yīng)對不斷增加的電能需求?？梢栽谖锢斫涣麟姷幕A(chǔ)上設(shè)計一種新型的抗短路發(fā)電機，利用高中物理電學(xué)部分解讀實現(xiàn)這種發(fā)電機的可行性。

新型發(fā)電機在設(shè)計理念上要符合發(fā)電機的各項指標需求。同傳統(tǒng)發(fā)電機系統(tǒng)相比，新型發(fā)電機不僅要滿足應(yīng)有的各項指標，同時還要在轉(zhuǎn)速、功率密度上進行不斷創(chuàng)新。在對轉(zhuǎn)子的設(shè)計上，應(yīng)該具有抗短路的性能，能夠完善發(fā)電機的單一性能。考慮到發(fā)電機短路時繞組會產(chǎn)生短路電流，為更好地實現(xiàn)發(fā)電機的抗短路性能，就要根據(jù)發(fā)電機所能產(chǎn)生的電流值來設(shè)定短路電流值，并盡量降低發(fā)電機的短路電流。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，會通過增加繞組匝數(shù)的方式，以降低發(fā)電機的短路電流倍數(shù)，達到抗短路的需求，讓發(fā)電機更好地完成發(fā)電任務(wù)。但在實際的設(shè)計中，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現(xiàn)。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(fā)電機抗短路能力，這種方式是可行的。在電磁結(jié)構(gòu)參數(shù)不便的情況下，減少線圈的數(shù)量，讓單個線圈的匝數(shù)增多，從而提升了漏抗，可以降低電機的短路電流。

新型發(fā)電機在外形設(shè)計上也要具有創(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。發(fā)電機的密封性和安全性都要滿足設(shè)計要求，在工作過程中，內(nèi)部各部件可以在高溫狀態(tài)下運作，如承受160℃的高溫，發(fā)電機依然能夠正常運轉(zhuǎn)。發(fā)電機內(nèi)部配件要方便更換和維修，利于出現(xiàn)問題時及時解決。發(fā)電機數(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)速達到一定程度發(fā)生短路后不會產(chǎn)生其他不良影響。發(fā)電機要具有足夠的適航能力，能夠在運轉(zhuǎn)時滿足大多航線的要求。

設(shè)計后研制出發(fā)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(wěn)定性、抗短路性能等。通過測試，可見這種發(fā)動機的測試值同預(yù)算相差不大，具有一定的可靠性。

四、結(jié)束語

根據(jù)高中物理電學(xué)部分的知識，可以知道傳統(tǒng)的發(fā)電機發(fā)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(fā)電機需要不斷創(chuàng)新，應(yīng)對新型發(fā)電機進行設(shè)計。通過對新型抗短路發(fā)電機的設(shè)計進行分析，這樣的發(fā)電機具有一定的可行性，也有很高的可靠性，比傳統(tǒng)的發(fā)電機具有更好的應(yīng)用性能。加強發(fā)電機的革新，可以讓我們的日常生活更加方便。