正弦交流电是怎么产生的？
闭合线圈在匀强磁场中匀速转动，就产生正弦交流电，但大范围的匀强磁场并不容易获得。以旋转线圈式单相交流发电机为例，它的线圈绕在圆柱形铁芯（转子铁芯）的凹槽内，磁场是由绕在定子铁芯凹槽中的通电线圈产生，线圈的绕法特殊，使得定子铁芯与转子铁芯间的缝隙中产生幅向磁场，而该磁场的磁感应强度在空间上按正弦规律分布，这样线圈在匀速转动过程中，处处都垂直切割磁感线，但磁感应强度随时间按正弦规律变化，因此线圈中产生的就是正弦交流电。
在人类的生产和社会活动中，使用最多的是正弦交流电。正弦交流电是怎么产生的，它的变化规律是怎样的，这是交变电流首先要解决的问题。
一、两种产生正弦交流电的方式
（1）线圈在匀强磁场中匀速转动
中学物理教科书上介绍的就是这种方法。如图 1 所示，在磁感应强度为 B 的匀强磁场中，线圈 abcd 绕其中心轴 OOʹ 匀速转动，设转动角速度为 ω，线圈长为 l1，宽为 l2。
线圈的 ab 边和 cd 边做切割磁感线的运动，从图示位置开始计时，产生的感应电动势为
E = 2Bl1ω·\(\frac{1}{2}\)l2cosωt = BSω·cosωt = Φmω·cosωt
式中 Φm = BS，为穿过线圈的最大磁通量，由于 Φm 及 ω 都是常量，因此产生的感应电动势随时间按余弦规律变化，即产生的感应电动势是正弦交流电动势。
在理论上这种计算感应电动势的方式没有任何问题，并且便于学生理解和接受，但实际中的正弦交流电大多数是由交流发电机产生的，而交流发电机并不采用这种方法，原因是空间大范围的匀强磁场不容易获得。
（2）线圈在幅向不均匀磁场中匀速转动
如图 2 所示是最简单的交流发电机的结构原理示意网，其中图 2（a）是结构图，它的线圈绕在圆柱形铁芯上，为了简便，只画了一匝（abcd）示意，它随铁芯一起在外部机器的带动下绕轴匀速转动，线圈的两端分别连接到两个滑环 A 和 B 上，再通过固定的电刷与外电路连接。转动的线圈及铁芯合称转子。图 2（b）是磁极和线圈的简化正视图，图中画出了从 N 极出发经过铁芯后到 S 极的磁感线分布的大致情况，这些磁感线与铁芯表面都垂直相交，线圈 ab 边及 cd 边紧贴着铁芯表面，因此在 ab 边及 cd 边所经过的圆柱面上，线圈的运动方向都与磁场方向垂直，但各处的磁场强弱不同，因此称之为幅向不均匀磁场。
要保证产生的感应电动势按正弦规律变化，该磁场在 a、d 所经过的圆周上的分布必须满足正弦或余弦规律：设 ad 连线与图中 OOʹ 成 θ 角，a 点的磁感应强度 Ba = Bmsinθ，而 θ = ωt，那么线圈中产生的感应电动势 E(t) = BSω·sinωt = Em·sinωt。
二、发电机如何产生满足要求的幅向不均匀磁场
如图 2 所示的发电机由固定在定子上的两个磁极产生磁场，线圈则在磁场中匀速转动，这种发电机称为旋转线圈式发电机；也可以把磁极安置在电枢上，而线圈则绕在定子铁芯上，这种称为旋转磁场式发电机，简称为转场式发电机，一般的大型发电机都采用转场式。如图 3 所示是一个四磁极的转场式交流发电机，它的转子铁芯上绕了两组线圈，通以由安装在同一转轴上的励磁机发出的直流电，产生两对磁极，产生交变电流的线圈则绕在定子铁芯上，称为电枢。由于产生磁场的线圈要随转轴旋转，给它供电必须使用滑环和电刷。滑环和电刷间通过的电流不宜过大，否则容易产生电火花，而励磁电流总是小于发电机发出的电流，这正是发电机更多采用转场式的原因。
像图 3 这种有两对磁极的发电机，只要能保证转速为 1 500 r/min（这由带动它转动的动力机器控制），产生的交流电的频率就是 50 Hz，但波形是否是正弦的，则要看磁场的分布情况是否满足相应的要求。
像图 2 那样的旋转线圈式发电机，定子上两个面积不大的永磁铁的磁极，产生不了真正能满足产生正弦交流电要求的幅向不均匀磁场，也就不能真正得到按正弦规律变化的交流电。
对于应用广泛的转场式发电机，为了得到能满足产生正弦交流电要求的幅向不均匀磁场，工程师们从两个方面想办法：①从磁极的形状上想办法，如图 4（a）所示，定子铁芯的磁极部分制成极弧形状，使得它与转子铁芯间的气隙不均匀，相距较近的地方磁场强，而相距较远的地方磁场弱，只要设计得合理，就可以得到如图 4（b）所示的磁场分布。
②从励磁绕组上想办法，磁极与定子铁芯间的气隙保持均匀，但转子的磁场是由通电线圈产生的，精心设计励磁绕组，例如可以设计几组不同的线圈，每个线圈中通的电流强度不相同，使得有的地方电流强而有的地方电流弱，这样在定子和转子铁芯间的气隙中的磁场就不是均匀的了。
但不论用哪种方法，也不可能真正得到严格符合要求的磁场分布，而只能得到基本满足需要的磁场分布，从而产生的感应电动势近似符合正弦规律。
文件下载（已下载 6 次）发布时间：2024/9/19 下午7:35:50 阅读次数：839
