直流發電機的原理

直流發電機的執行原理基於法拉第電磁感應定律。根據該定律，當穿過導體或線圈的磁通量發生變化時，導體或線圈中就會感應產生電動勢。該感應電動勢的大小由下式給出：

$$\mathrm{\mathit{e}\:=\:\mathit{N}\frac{\mathit{d\phi }}{\mathit{dt}}\:\cdot \cdot \cdot (1)}$$

其中，$\phi$ 是線圈的磁通鏈，N 是線圈的匝數。

對於直流發電機，磁通量 ($\phi$) 保持靜止，線圈旋轉。當線圈旋轉而磁通量靜止時，產生的感應電動勢稱為動態感應電動勢。

為了理解直流發電機的執行原理，我們考慮一個單迴路直流發電機（即N = 1），如上圖所示。此處，線圈由某個原動機（機械能量源）旋轉，並且線圈的磁通鏈發生變化。

設$\phi$ 為機器每個磁極產生的平均磁通量，則發電機中產生的平均感應電動勢由下式給出：

$$\mathrm{\mathit{E_{av}}\:=\:\frac{\mathit{d\phi }}{\mathit{dt}}\:=\:\mathrm{線圈每秒切割的磁通}}$$

$$\mathrm{\Rightarrow \mathit{E_{av}}\:=\:\mathrm{一次旋轉切割的磁通\:\times \:每秒旋轉次數}}$$

$$\mathrm{\Rightarrow \mathit{E_{av}}\:=\:\mathrm{\left ( 每極磁通\times 磁極數 \right )}\:\times \:\mathrm{每秒旋轉次數}}$$

$$\mathrm{\therefore \mathit{E_{av}}\:=\:\mathit{\phi \:\times P\:\times \:n}\:\cdot \cdot \cdot (2)}$$

其中，P 是發電機中的磁極總數，n 是線圈的轉速（每秒轉數）。公式 (2) 給出了單迴路直流發電機中產生的平均感應電動勢。

以下幾點解釋了直流發電機的執行原理：

• 位置 1 - 感應電動勢為零，因為線圈邊的運動方向與磁通量平行。

• 位置 2 - 線圈邊與磁通量成一定角度運動，因此迴路中產生小的電動勢。

• 位置 3 - 線圈邊與磁通量垂直運動，因此感應電動勢最大。

• 位置 4 - 線圈邊以一定角度切割磁通量，因此線圈邊中產生的感應電動勢減小。

• 位置 5 - 線圈邊與磁通量沒有磁通鏈，並且線圈邊與磁通量平行運動。因此，線圈中沒有感應電動勢。

• 位置 6 - 線圈邊在相反極性的磁極下運動，因此感應電動勢的極性反轉。感應電動勢在此方向上在位置 7 達到最大值，並在位置 1 達到零。此迴圈隨著線圈的旋轉重複。

這樣，在直流發電機中感應產生電動勢。雖然該感應電動勢本質上是交變的，但隨後可以使用稱為換向器的裝置將其轉換為單向電動勢。

直流發電機電樞導體中感應電動勢的方向由弗萊明右手定則 (FRHR) 確定，我們在本教程的模組 1（基本概念）中討論過。