发电机（Electrical Generator）是一种将其他形式的能源转化为电能的机械设备。它通常由 水轮机 、 汽轮机 、柴油机或其他动力机械驱动，将水流、气流、燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能传给发电机，再经过发电机转换为电能。发电机是现代社会中电力供应不可或缺的环节之一， 在工农业生产、国防、科技及日常生活中有广泛的用途。 它的工作原理是基于电磁感应定律和电磁力定律，通过适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路，以产生电磁功率，达到能量转换的目的。这种电能可以被进一步转换为其他形式的能量，如照明、制冷、加热和机械动力等。
发电机主要由发电机转子、发电机定子、端盖和轴承、整流器以及 氢气 冷却系统组成。 按照发电机结构的不同可以分为交流发电机和 直流发电机 。 交流发电机线圈两端各接一个铜制圆环(滑环)即电刷；直流发电机线圈两端有两个彼此绝缘的铜制半环构成的换向器。 交流发电机还可以分为 同步发电机 和 异步发电机 ； 按照产生 电的 方式上可分为 汽轮发电机 、 水轮发电机 、 柴油发电机 、 汽油发电机 等。 发电机在日常生活用电和消费产品中有广泛的用途。 例如风力、水力、 火力发电厂 、汽车、手电等。
发电机的发明是人类社会进步的重要标志之一。 1831年， 英国 物理学家 迈克尔·法拉第 （Michael Faraday）发现了 电磁感应 。他利用这个技术发明了第一台能够产生连续电流的发电机。 1869年， 比利时 学者古拉姆（Ghoulam）对发电机进行了改进，经过改进的发电机是历史上第一个能够驱动许多电气设备的发电机。1873年，德国 西门子股份公司 在古拉姆发电机的基础上发明了交流发电机。 1883 年，美国物理学家 尼古拉·特斯拉 （Nikola Tesla）发明了小型交流电发电机。随着科技的进步，科学家们陆续成功研制出了各种新型发电机。
历史沿革
理论背景
公元前6世纪， 希腊 哲学家 已经记录了一种使用布摩擦后的珀能够吸引毛发的现象。在 中国 古籍中也有类似的“ 琥珀 拾芥”的记载。
1660年， 德国 物理学家、官员 奥托·冯·格里克 （ 德语 ：Otto von Guericke，1602年11月20日~1686年5月11日）建造了世界上第一个旋转式摩擦发电机，但是它只产生 静电 ，很难在实际应用中使用。
18世纪，人们发现电分为两种，即“正电”和“负电”，并确认了同性相斥、异性相吸的规律。
18世纪， 美国 的 科学家 本杰明·富兰克林 （Benjamin Franklin，1706年1月17日~1790年4月17日）进行的实验证明了电和闪电是同样的物质。
1780年， 意大利 医生 伽尔瓦尼 ( Galvani ，1737年9月9日~1798年)开始研究化学反应。他通过观察动物组织对电流的反应来探究这个领域，并将动物组织描述为能够产生电的物质。虽然他的理论后来被证明是错误的，但他的实验还是推动了 电学 的发展。
1785年， 法国 工程师、物理学家 查利·库仑 （Charles-Augustin de Coulomb ，1736年6月14日~1806年8月23日）使用实验方法确定了电荷间相互作用的定律，并给出了电荷的定量意义，这被称为 库仑定律 。这些成果为 静电学 打下了重要基础。
1799年， 意大利 物理学家 伏特 (Alessandro Volta，1745年~1827年)发现了 伽尔瓦尼 实验的问题，并得出结论，认为电流并不是源于动物，而是可以通过将不同金属放置于潮湿物体之间来产生。这一重大发现促使 伏特 于1800年发明了世上第一块电池，极大地推动了 电学 领域的发展。
实验探究
1800年，伏特首次成功将 化学能 转化为 电能 ，这使得电流成为科学研究的重要对象。伏特的电池为人类带来了动电时代，也揭示了电流的化学效应和热效应。
1820年， 丹麦 物理学家 汉斯·奥斯特 （Hans Christian Oersted，1777年8月14日~1851年3月9日）发现了电流对 磁针 。
发明产生
1821年， 英国 物理学家 迈克尔·法拉第 （Michael Faraday，1791年9月22日~1867年8月25日）发明了第一台电动机，装置虽然很简单，但却为现代使用的电动机定了基础。这是一次重大的突破。
1831年， 法拉第 发现当一个 四氧化三铁 穿过一个闭合电路时，这个线路内就会产生电流。这称之为 电磁感应 。这项发现被认为是 法拉第 最伟大的贡献之一。他利用这个技术发明了第一台能够产生连续电流的发电机。从那时起，发电机都是根据相同的电磁感应原理制成的。尽管当时电力的实际用处还受到限制（因为只有简单的电池发电），但这个发现对于现代电力工业来说是至关重要的。
创新改进
1866 年， 德国 的工程师和发明家韦纳·冯·西门子（Ernst Werner von Siemens ，1816年12月13日~1892年12月6日）利用 电磁铁 代替永久磁铁来改良发电机，从而增强了磁性并产生了更为强大的电流。这项技术的应用从实验阶段成功地转变成了实际应用。
1869年， 比利时 学者 古拉姆 （Ghoulam）对发电机进行了改进，经过古拉姆改良的发电机是历史上第一个能够驱动许多电气设备的发电机，因此古拉姆被誉为“现代发电机之父”。
1873年，德国 西门子股份公司 在古拉姆发电机的基础上发明了交流发电机。
1878年， 法国 建成了第一座水力发电站。
1882年，世界著名的发明家、物理学家、企业家 托马斯·爱迪生 （Thomas Alva Edison，1847年2月11日~1931年10月18日）建造了第一座直流发电厂。
1882年，珍珠发电厂在美国 曼哈顿 运营，是世界上最早的发电厂之一。该发电厂拥有6台120千瓦的 蒸汽机 发电机组。
1882年，英国人在上海建成了中国最早的发电厂，也是当时专门为电灯照明供电的。这家发电厂隶属于上海电光公司。
1883 年， 美国 物理学家 尼古拉·特斯拉 （Nikola Tesla，1856年7月10日~1943年1月7日）发明了小型交流电发电机。
20世纪中叶， 苏联 制造了第一座原子能核电站。
科学家们一直在进行发电机的研究工作，陆续成功研制出了各种新型发电机，包括水力发电机、 风力发电机 、 太阳 能发电机等。这些发电机的出现为人类社会的生产力发展提供了巨大的动力，是人类社会进步的重要标志之一。
构造组成
发电机通常主要由定子、转子、端盖及轴承等部件组成。
发电机转子
发电机 定子和转子 是由转子铁芯（或磁极、磁扼）绕组、护环、中心环、集电环、风扇及转轴等件组成的。当转子高速旋转时，通入绕组中的直流电流会形成一个电磁铁，其中包含有S极和N极，从而在周围空间中产生强大的 磁场 。转子也被称为高速旋转的电磁铁。这种磁场的形成与传统电磁铁基本相同，只是它运行在发电机中，并产生能量。
发电机定子
发电机的定子是由铁心、线包绕组、机座和固定这些部分的其他结构件等组成的。电机的定子在发电过程中不会动，只是静止地等待转子旋转。转子在高速旋转时，通过绕组中通入的直流电流产生一个强大的磁场，从而让定子内的绕组也产生感应 电势 。
端盖和轴承
发电机端盖的主要功能是保护定子端部绕组，并起到密封作用。为了方便安装和检修，端盖通常分为两个部分，并在上方设有检查人孔。端盖还具备防爆和密封的功能。
发电机轴承采用球面座自定位轴承，其具有可更换的带 巴氏合金 内衬的轴瓦。后端的轴承安装在端盖内，而前端则安装在轴承座内，可以在不需要排放 氢气 的情况下对发电机后端轴承进行检查。
定子与转子通过轴承和端盖连接组装起来，使转子能在定子中旋转。当转子运行时，它与定子间的切割磁力线的运动就能够产生电流。这些电流可以通过接线端子传输出来，以供使用或储存。
整流器
整流器的主要功能是将由三相定子 绕组 产生的 交流电 转换成 直流电 ，还可以防止 蓄电池 的电流流向发电机，保持系统的稳定性。
氢气冷却系统
发电机在运行过程中，由于绕组中不断流过的电流、 铁心 中存在有损耗和摩擦带来的热量等因素，必然会导致温度的升高。所以需要通过外部提供冷却物质来对发电机进行冷却，以保证其正常运行。这些冷却物质通过发电机绕组和铁心等部位循环，有效地吸收和散发掉了热量，确保了电机运转温度在安全范围内。
工作原理
发电机构造的一般原则是：利用 电磁感应定律 。用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路，产生电磁功率，达到能量转换的目的。
电磁感应定律
1831年， 英国 科学家 迈克尔·法拉第 (M.Faraday)在实验中发现时变的 磁场 会产生 电场 。当一个由 导线 构成的闭合回路 放在磁场中，在这个回路中接入 检流计 ，再用该回路所包围的 曲面 来进行 磁通量 变化的实验时，会出现感应电流，并带来一定的感应 电动势 (electromotive force)，即 。这就是 电磁感应 现象。
公式为：
代表导电回路中的 电阻 ， 代表回路中的感应电流。
迈克尔·法拉第 研究了电磁感应现象，并总结出了感应电动势与穿过回路的 磁通 随时间变化率之间的关系。即着当磁通 随时间变化时， 电动势 也会随之变化。根据 楞次定律 (Lenz’s law ) ，感应电动势的方向会阻止回路中 磁通量 的变化。
交流发电机工作原理
发电原理： 交流发电机的工作原理是基于 电磁感应 原理的。以三相交流发电机为例，当 点火开关 连接后， 磁场 绕组 中开始流动电流，产生了轴向磁通，并且驱动两个爪型 磁极 磁化。这样就产生了6对相间排列的磁极。 磁力线 通过旋转子和 定子 之间的气隙，进入定子铁芯，形成了一个完整的闭合 磁路 。
整流原理： 通过利用 二极管 的单向导电特性，可以将 交流电 信号转换为 直流电 信号。在交流发电机中，通过六个二极管的组合形成了一个三相 桥式整流 电路，将交流电信号转换为直流电信号。正极连接三相绕组的起始 上的正 二极管 ， 负极 连接三相绕组的起始端 上的负二极管 。
直流发电机工作原理
在直流发电机内部， 导体 会在 磁场 中旋转，由此产生感应电流，通过 换向器 的作用，导体上的电流总是从正极流出、负极流入，然后会通过电器设备进行使用。
分类
按发电机结构分类
发电机按结构可分为直流发电机和交流发电机两大类。
交流发电机
交流发电机(alternating-current generator)是产生交流电流的设备。 其 线圈 两端各接一个铜制 圆环 ( 滑环 )即 电刷 。 交流发电机具有许多优点，例如发电能力强、体积小、重量轻、使用寿命长、低速输出电流大和极限 转速高 。其中重量轻、发电功率 大和 低速输出电流大是其最突出的特点，也是它被广泛应用的主要原因。
交流发电机分为 同步发电机 和 异步发电机 两种。
同步发电机
同步发电机(synchronous generator)有多种类型，包括隐极式和凸极式等。隐极式同步发电机适用于高转速环境，常用于汽轮电机，其气隙 磁场 强度分布是通过 转子绕组 在 圆周 上的同心分布而形成的 正弦波 ；而凸极式同步发电机适用于 水轮发电机 等高转速环境，其 磁极 气隙强度 正弦波 分布则通过 极靴 形状得到。
异步发电机
异步发电机(asynchronous generator)是利用定子与转子间气隙旋转磁场与转子绕组中感应电流相互作用的一种交流发电机，可指双馈异步发电机等多种类型，主要应用于风力发电系统中。在负载运行下，通过调整转差率，将转子侧所加电压的幅值 相位 大小保持在给定范围内，从而实现定子电流与电网同步，并能够控制发电机输出的有功功率和 无功功率 。
直流发电机
直流发电机(direct-current generator)是将 机械能 转换为直流电流。 它是一种专用的电源设备，其 线圈 两端有两个彼此绝缘的铜制半环构成的 换向器 。 可用于制造所需的 直流电 ，包括 电解 、 电镀 、电 冶炼 、充电等操作。它还可以用作交流发电机的电 励磁 设备以及提供转速或位置检测信号的检测。 直流发电机具有容量较小，电压较高以及转速越高，发电性能越好的特点。
按产生方式分类
发电机按产生电的方式上可分为 汽轮发电机 、 水轮发电机 、 柴油发电机 、 汽油发电机 等。
汽轮发电机
汽轮发电机(steam turbine generator )是一种利用蒸汽驱动的发电设备。它通过将锅炉中产生的高温高压蒸汽输入到汽轮机中，使 叶轮 旋转，带动发电机发电。废气经过 凝汽器 、 循环水泵 等流程后回到锅炉中再次使用。 这种发电机常用于 火力发电厂 中，由汽轮机和 励磁 器组成的设备。
汽轮发电机具有以下特点：
水轮发电机
水轮发电机 (hydraulic generator)能够有效地将水流能量转换为旋转机械能量，驱动同步发电机产生电能。通常情况下， 水轮机 和发电机相连，构成水轮发电机。该设备通常为立式低转速、大容量型，极数较多，每极每相槽数较少。为了提高电压 波形 ，定子常采用分数槽绕组，而由于转速较低，转子通常制成凸极式，这种转子对材料和制造工艺要求较低。
水轮发电机具有以下特点：
柴油发电机
柴油发电机( diesel generator)是由柴油机和发电机组成，是以柴油机为原动力拖动同步发电机组发电的一种电源设备。柴油发电机主要用于应备用电源。在电网不足或者电力不可靠的农村、小城镇及边远地区，柴油机发电机组可以被广泛应用于照明、广播电视、电影放、医疗卫生、教学、农副产品加工机械、排灌机械以及乡镇企业生产等领域。
柴油发电机具有以下特点：
汽油发电机
汽油发电机( gasoline generator)是一种由汽油机与发电机组成的发电装置。在缺电或供电不足的情况下，它可以作为应急供电的重要工具。通常被用于驱动小型电器、野外操作机器、以及运输车辆等场合提供紧急用电。
汽油发电机具有以下特点：
配套设备
发电机、 发动机 、 励磁 调节装置和配电盘共同组成发电机组。
发动机
发动机是一种转换能量的设备，它将某种形式的能量化为 机械能 ，作为发电设备的驱动力。其功能需要满足调速性、机动性和适应环境变化的特点。对于发电机组，发动机需要具有重量轻、功率高等特点。
励磁调节装置
励磁调节装置是发电机励磁系统的重要组成部分。它通过反馈控制调节各发电机的励磁电流，并调整发电机输出电压、电流、功率因数、功角和 角频率 等参数，以实现对励磁输出变量（如机端电压或 无功功率 ）的调节，进而改变各发电机无功功率分配并调节电网的电压。通常发电机的励磁调节装置被安装在配电盘内或发电机附近，以适应不同的线路结构和需求。
配电盘
配电盘也称为分电盘，是 移动电站 的重要组成部分，用于向用电设备输送和分配 电能 ，并能让操作人员及时了解发电机组的运行状态。配电盘上装有各种 电器元件 、开关、指示灯、插座、 保险丝 、 电压调节器 、 断电器 、照明灯和其他配件，同时还包括燃油箱、 蓄电池 、工具箱和 电缆 等，这些都是发电机组的必要部分。
性能指标
交流发电机的性能指标
额定电压
交流发电机的电压会通过电压调节器进行控制，保持相对稳定。只有在起动阶段稍有变化，当 发动机 达到恒定转速时，发电机的输出电压应该能够稳定在一个特定的数值上，这个数值被称为发电机的额定电压。12V系统的发电机，其额定电压为14V；24V系统的发电机，其额定电压为28V左右。
空载转速
交流发电机没有接上 电子负载 时，它可以在达到额定电压的情况下开始转动，并且它的初始转速被称为空载转速。空载转速是在发电机生产时通过测试并在说明书中列出的。例如 汽车设计 时，选择发动机和发电机之间的速度比是根据发电机的空载转速来确定的，它也是用来评价发电机性能是否下降的一个重要指标。
额定电流和额定转速
发电机对外输出电流的能力受到多种因素的制约，比如结构和转速等。为了评估发电机的电流输出能力，通常会将其输出最大电流的2/3作为额定电流。而且也需要确定发电机达到额定电流时所对应的转速，这个转速会被定义为额定转速。在出厂前，发电机会经过试验来确定其额定转速和额定电流，并将这些参数记录在产品说明书中。所以发电机的额定转速和额定电流可以作为评估其性能的重要指标。
直流发电机的性能指标
标准规范
中国的标准规范
根据中国行业标准规范QC/T 73-1993，交流发电机的型号应由五个部分组成。
产品代号： 由字母表示，共有JF、JFZ、JFB、JFW四种类型，JF表示普通交流发电机，JFZ表示整体式交流发电机，JFB表示带泵交流发电机，JFW表示无刷交流发电机。
电压等级代号： 交流发电机的电压等级代号用1位阿拉伯数字表示。
电流等级代号： 交流发电机的电流等级代号用1位阿拉伯数字表示。
设计序号： 按照 产品设计 的先后顺序排列，由1到2位阿拉伯数字组成。
变型代号： 变形代码用字母表示，交流发电机以调整臂位置作为变形代号，从驱动端看，Y表示右边，Z表示左边，没有字母则表示在中间位置。
例如：
汽车使用的JFZ1913Z型交流发电机表示采用12V的电压等级，具有大于90A的电流等级，第13次设计，调整臂位于左侧的整体式交流发电机。
型号为JF152的发电机表示电压等级为12V，电流等级为50~59A，第2次设计普通型交流发电机。
其他国家和地区的标准规范
日本的标准规范
欧洲的标准规范
2016年12月31日， 欧洲 标准委员会(CEN)正式发布发电机的最新版 欧盟 通用安全标准《EN ISO 8528-13:2016》。此标准适用于由 往复式内燃机 引擎驱动的交流发电机，并规定与该标准不符的欧盟 成员国 国家标准必须在2017年6月30日前废止。ISO 8528-13:2016是基于之前的版本进行修订的。
新版标准增加了对 手柄 、控制件拉力、最大功率、雨淋后耐压、铭牌、 警告标志 的要求。
应用领域
生活发电
风力发电机
风力发电机 是一种利用自然能源的动力机械，通过使用扇叶将 风能 转换为 机械能 ，再带动发电机运转进一步转化为电能。这种发电方式不依赖于任何化石燃料，也不会产生污染或辐射问题。其运行过程中以 太阳 为能源，以大气为工作介质。
火力发电厂
火力发电机是一种利用燃烧加热 水蒸气 推动涡轮机、将 化学能 转化为电能的装置。 它通过高温蒸汽推动汽轮机旋转，带动 电枢 进行运转，电枢上的 导线 切割磁力线，产生感应 电动势 ，从而产生电能。
水力发电站
水力发电机是利用水的动能和重力势能使涡轮机旋转，进而产生机械能并转化为电能的设备（如中国的三峡）。 相比于热力发电设备而言，它不需要升温降温，因此操作较为只需开启或关闭水闸即可实现起动和停车操作。此外，针对不同地区的用电需求，也可以采用其他配合方式。
消费产品
汽车
汽车发电机 是汽车必备的电器设备，它能够利用 发动机 运转时产生的能量为 起动机 以及其他的用向 蓄电池 充电来保证电力的持续供应。发电机的工作原理就是利用发动机运转时的动力来产生 电能 ，由于车辆上的蓄电池以及使用的电器设备标称电压不同，发电机的输出电压需要稍微高一些。 现代汽车 都采用12V的发电机来提供电力。
手电简
按压式自发电手电简采用按压式设计，可自己发电，不需要污染环境的电池。它内置了 小型发电机 ，通过前后按压往复运动来产生动力，从而供电。在制造商的努力和人机工程学的顾虑下，这个具有枪形设计的手电非常易于操作和把握。这种环保设计代表了绿色生态理念的典范，可以避免废弃电池对环境造成的污染。
发展趋势
发电机控制技术
发电机控制技术在发电机组的运行中起着关键作用，并能够提高整个发电机组的运行效率、稳定性和可靠性。它能够帮助减少发电机组在运行期间的故障风险，并将发电机的输出功率最大化，从而提高发电量。但是发电机控制技术所涉及的领域很广，包括 计算机 技术、网络技术和机电技术等，需要集合多种技术的优点来进行优化创新，以提高 风力发电 的效率。
发电机冷却技术
发电机冷却技术在发电系统中扮演着重要角色，由于发电机的工作温度较高并且散热面积相对狭窄，需要冷却以提高其工作效率。蒸发冷技术和 高温超导 技术是应用较为广泛的两种技。蒸发冷技术能够有效减少电机铜耗，避免影响其正常工作；而高温超导技术则得到了广泛的关注和开发较强的市场竞争力和良好的发展前景。 通过采用创新的冷却技术方法，能够进一步提高整个发电系统的效率和稳定性，实现更大程度获。
发电机的结构型式
发电机的结构需要优化和改善，应该对其进行一系列的改动和升级。主要包括增加通气直径来提高冷却效果，采用轻量化的装置材料来减少整个发电机的质量，同时在设计过程中也应考虑如何降低材料损耗量。还需要合理地设置 铁心 定子 比例来降低噪音和振动，并以材料学为指导，在优化材料的同时减少永磁材料的使用量，以降低发电机的生产成本。