發電機（Electrical Generator）是一種將其他形式的能源轉化為電能的機械設備。它通常由水輪機、汽輪機、柴油機或其他動力機械驅動，使用水流、氣流、燃料燃燒或原子核裂變產生能量轉化的機械能傳到發電機上，再經過發電機轉換為電能。發電機是現代社會中電力供應不可或缺的環節之一，在工農業生產、國防、科技及日常生活中有廣泛的用途。它的工作原理是基于電磁感應定律和電磁力定律，通過適當的導磁和導電材料構成互相進行電磁感應的磁路和電路，以產生電磁功率，達到能量轉換的目的。這種電能可以被進一步轉換為其他形式的能量，如照明、制冷、加熱和機械動力等。
發電機主要由發電機轉子、發電機定子、端蓋和軸承、整流器以及氫氣冷卻系統組成。按照發電機結構的不同可以分為交流發電機和直流發電機。交流發電機線圈兩端各接一個銅制圓環(滑環)即電刷；直流發電機線圈兩端有兩個彼此絕緣的銅制半環構成的換向器。交流發電機還可以分為同步發電機和異步發電機；按照產生電的方式上可分為汽輪發電機、水輪發電機、柴油發電機、汽油發電機等。發電機在日常生活用電和消費產品中有廣泛的用途。例如風力、水力、火力發電廠、汽車、手電等。
發電機的發明是人類社會進步的重要標志之一。1831年，英國物理學家邁克爾·法拉第（Michael Faraday）發現了電磁感應。他利用這個技術發明了第一臺能夠產生連續電流的發電機。1869年，比利時學者古拉姆（Ghoulam）對發電機進行了改進，經過改進的發電機是歷史上第一個能夠驅動許多電氣設備的發電機。1873年，德國西門子股份公司在古拉姆發電機的基礎上發明了交流發電機。1883 年，美國物理學家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）發明了小型交流電發電機。隨著科技的進步，科學家們陸續成功研制出了各種新型發電機。
歷史沿革
理論背景
公元前6世紀，希臘哲學家已經記錄了一種使用布摩擦后的珀能夠吸引毛發的現象。在中國古籍中也有類似的“琥珀拾芥”的記載。
1660年，德國物理學家、官員奧托·馮·格里克（德語：Otto von Guericke，1602年11月20日~1686年5月11日）建造了世界上第一個旋轉式摩擦發電機，但是它只產生靜電，很難在實際應用中使用。
18世紀，人們發現電分為兩種，即“正電”和“負電”，并確認了同性相斥、異性相吸的規律。
18世紀，美國的科學家本杰明·富蘭克林（Benjamin Franklin，1706年1月17日~1790年4月17日）進行的實驗證明了電和閃電是同樣的物質。
1780年，意大利醫生伽爾瓦尼(Galvani，1737年9月9日~1798年)開始研究化學反應。他通過觀察動物組織對電流的反應來探究這個領域，并將動物組織描述為能夠產生電的物質。雖然他的理論后來被證明是錯誤的，但他的實驗還是推動了電學的發展。
1785年，法國工程師、物理學家查利·庫侖（Charles-Augustin de Coulomb，1736年6月14日~1806年8月23日）使用實驗方法確定了電荷間相互作用的定律，并給出了電荷的定量意義，這被稱為庫侖定律。這些成果為靜電學打下了重要基礎。
1799年，意大利物理學家伏特(Alessandro Volta，1745年~1827年)發現了伽爾瓦尼實驗的問題，并得出結論，認為電流并不是源于動物，而是可以通過將不同金屬放置于潮濕物體之間來產生。這一重大發現促使伏特于1800年發明了世上第一塊電池，極大地推動了電學領域的發展。
實驗探究
1800年，伏特首次成功將化學能轉化為電能，這使得電流成為科學研究的重要對象。伏特的電池為人類帶來了動電時代，也揭示了電流的化學效應和熱效應。
1820年，丹麥物理學家漢斯·奧斯特（Hans Christian Oersted，1777年8月14日~1851年3月9日）發現了電流對磁針。
發明產生
1821年，英國物理學家邁克爾·法拉第（Michael Faraday，1791年9月22日~1867年8月25日）發明了第一臺電動機，裝置雖然很簡單，但卻為現代使用的電動機定了基礎。這是一次重大的突破。
1831年，法拉第發現當一個四氧化三鐵穿過一個閉合電路時，這個線路內就會產生電流。這稱之為電磁感應。這項發現被認為是法拉第最偉大的貢獻之一。他利用這個技術發明了第一臺能夠產生連續電流的發電機。從那時起，發電機都是根據相同的電磁感應原理制成的。盡管當時電力的實際用處還受到限制（因為只有簡單的電池發電），但這個發現對于現代電力工業來說是至關重要的。
創新改進
1866 年，德國的工程師和發明家韋納·馮·西門子（Ernst Werner von Siemens，1816年12月13日~1892年12月6日）利用電磁鐵代替永久磁鐵來改良發電機，從而增強了磁性并產生了更為強大的電流。這項技術的應用從實驗階段成功地轉變成了實際應用。
1869年，比利時學者古拉姆（Ghoulam）對發電機進行了改進，經過古拉姆改良的發電機是歷史上第一個能夠驅動許多電氣設備的發電機，因此古拉姆被譽為“現代發電機之父”。
1873年，德國西門子股份公司在古拉姆發電機的基礎上發明了交流發電機。
1878年，法國建成了第一座水力發電站。
1882年，世界著名的發明家、物理學家、企業家托馬斯·愛迪生（Thomas Alva Edison，1847年2月11日~1931年10月18日）建造了第一座直流發電廠。
1882年，珍珠發電廠在美國曼哈頓運營，是世界上最早的發電廠之一。該發電廠擁有6臺120千瓦的蒸汽機發電機組。
1882年，英國人在上海建成了中國最早的發電廠，也是當時專門為電燈照明供電的。這家發電廠隸屬于上海電光公司。
1883 年，美國物理學家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla，1856年7月10日~1943年1月7日）發明了小型交流電發電機。
20世紀中葉，蘇聯制造了第一座原子能核電站。
科學家們一直在進行發電機的研究工作，陸續成功研制出了各種新型發電機，包括水力發電機、風力發電機、太陽能發電機等。這些發電機的出現為人類社會的生產力發展提供了巨大的動力，是人類社會進步的重要標志之一。
構造組成
發電機通常主要由五大部分組成，主要部件有發電機轉子、發電機定子、端蓋和軸承。
發電機轉子
發電機定子和轉子是由轉子鐵心（或磁極、磁扼）、繞組、護環、中心環、集電環、風扇及轉軸等件組成的。當轉子高速旋轉時，通入繞組中的直流電流會形成一個電磁鐵，其中包含有S極和N極，從而在周圍空間中產生強大的磁場。轉子也被稱為高速旋轉的電磁鐵。這種磁場的形成與傳統電磁鐵基本相同，只是它運行在發電機中，并產生能量。
發電機定子
發電機的定子是由鐵心、線包繞組、機座和固定這些部分的其他結構件等組成的。定子在發電過程中不會動，只是靜止地等待轉子旋轉。轉子在高速旋轉時，通過繞組中通入的直流電流產生一個強大的磁場，從而讓定子內的繞組也產生感應電勢。
端蓋和軸承
發電機端蓋的主要功能是保護定子端部繞組，并起到密封作用。為了方便安裝和檢修，端蓋通常分為兩個部分，并在上方設有檢查人孔。端蓋還具備防爆和密封的功能。
發電機軸承采用球面座自定位軸承，其具有可更換的帶巴氏合金內襯的軸瓦。后端的軸承安裝在端蓋內，而前端則安裝在軸承座內，可以在不需要排放氫氣的情況下對發電機后端軸承進行檢查。
定子與轉子通過軸承和端蓋連接在一起來實現發電機的組裝。當轉子運行時，它與定子間的切割磁力線的運動就能夠產生電流。這些電流可以通過接線端子傳輸出來，以供使用或儲存。
整流器
整流器的主要功能是將由三相定子繞組產生的交流電轉換成直流電，還可以防止蓄電池的電流流向發電機，保持系統的穩定性。
氫氣冷卻系統
發電機在運行過程中，由于繞組中不斷流過的電流、鐵心中存在有損耗和摩擦帶來的熱量等因素，必然會導致溫度的升高。所以需要通過外部提供冷卻物質來對發電機進行冷卻，以保證其正常運行。這些冷卻物質通過發電機繞組和鐵心等部位循環，有效地吸收和散發掉了熱量，確保了電機運轉溫度在安全范圍內。
工作原理
發電機的基本原理是利用電磁感應定律，用適當的導磁和導電材料構成互相進行電磁感應的磁路和電路。產生電磁功率，達到能量轉換的目的。
電磁感應定律
1831年，英國科學家邁克爾·法拉第(M.Faraday)在實驗中發現時變的磁場會產生電場。當一個由導線構成的閉合回路放在磁場中，在這個回路中接入檢流計，再用該回路所包圍的曲面來進行磁通量變化的實驗時，會出現感應電流，并帶來一定的感應電動勢(electromotive force)，即。這就是電磁感應現象。
公式為：
代表導電回路中的電阻，代表回路中的感應電流。
邁克爾·法拉第研究了電磁感應現象，并總結出了感應電動勢與穿過回路的磁通隨時間變化率之間的關系。即著當磁通隨時間變化時，電動勢也會隨之變化。根據楞次定律 (Lenz’s law) ，感應電動勢的方向會阻止回路中磁通量的變化。
交流發電機工作原理
發電原理：交流發電機的工作原理是基于電磁感應原理的。以三相交流發電機為例，當點火開關連接后，磁場繞組中開始流動電流，產生了軸向磁通，并且驅動兩個爪型磁極磁化。這樣就產生了6對相間排列的磁極。磁力線通過旋轉子和定子之間的氣隙，進入定子鐵芯，形成了一個完整的閉合磁路。
整流原理：通過利用二極管的單向導電特性，可以將交流電信號轉換為直流電信號。在交流發電機中，通過六個二極管的組合形成了一個三相橋式整流電路，將交流電信號轉換為直流電信號。正極連接三相繞組的起始上的正二極管，負極連接三相繞組的起始端上的負二極管。
直流發電機工作原理
在直流發電機內部，導體會在磁場中旋轉，由此產生感應電流，通過換向器的作用，導體上的電流總是從正極流出、負極流入，然后會通過電器設備進行使用。
分類
按發電機結構分類
發電機按結構可分為直流發電機和交流發電機兩大類。
交流發電機
交流發電機(alternating-current generator)是產生交流電流的設備。其線圈兩端各接一個銅制圓環(滑環)即電刷。交流發電機具有許多優點，例如發電能力強、體積小、重量輕、使用壽命長、低速輸出電流大和極限轉速高。其中重量輕、發電功率大和低速輸出電流大是其最突出的特點，也是它被廣泛應用的主要原因。
交流發電機分為同步發電機和異步發電機兩種。
同步發電機
同步發電機(synchronous generator)有多種類型，包括隱極式和凸極式等。隱極式同步發電機適用于高轉速環境，常用于汽輪電機，其氣隙磁場強度分布是通過轉子繞組在圓周上的同心分布而形成的正弦波；而凸極式同步發電機適用于水輪發電機等高轉速環境，其磁極氣隙強度正弦波分布則通過極靴形狀得到。
異步發電機
異步發電機(asynchronous generator)可以指雙饋異步發電機等多種類型，主要應用于風力發電系統中。在負載運行下，通過調整轉差率，將轉子側所加電壓的幅值相位大小保持在給定范圍內，從而實現定子電流與電網同步，并能夠控制發電機輸出的有功功率和無功功率。
直流發電機
直流發電機(direct-current generator)是將機械能轉換為直流電流。它是一種專用的電源設備，其線圈兩端有兩個彼此絕緣的銅制半環構成的換向器。可用于制造所需的直流電，包括電解、電鍍、電冶煉、充電等操作。它還可以用作交流發電機的電勵磁設備以及提供轉速或位置檢測信號的檢測。直流發電機具有容量較小，電壓較高以及轉速越高，發電性能越好的特點。
按產生方式分類
發電機按產生電的方式上可分為汽輪發電機、水輪發電機、柴油發電機、汽油發電機等。
汽輪發電機
汽輪發電機(steam turbine generator )是一種利用蒸汽驅動的發電設備。它通過將鍋爐中產生的高溫高壓蒸汽輸入到汽輪機中，使葉輪旋轉，帶動發電機發電。廢氣經過凝汽器、循環水泵等流程后回到鍋爐中再次使用。這種發電機常用于火力發電廠中，由汽輪機和勵磁器組成的設備。
汽輪發電機具有以下特點：
水輪發電機
水輪發電機(hydraulic generator)能夠有效地將水流能量轉換為旋轉機械能量，驅動同步發電機產生電能。通常情況下，水輪機和發電機相連，構成水輪發電機。該設備通常為立式低轉速型，極數較多，每極每相槽數較少。為了提高電壓波形，定子常采用分數槽繞組，而轉子通常制成顯極式。
水輪發電機具有以下特點：
柴油發電機
柴油發電機(diesel generator)是由柴油機和發電機組成，是以柴油機為原動力拖動同步發電機組發電的一種電源設備。柴油發電機主要用于應備用電源。在電網不足或者電力不可靠的農村、小城鎮及邊遠地區，柴油機發電機組可以被廣泛應用于照明、廣播電視、電影放、醫療衛生、教學、農副產品加工機械、排灌機械以及鄉鎮企業生產等領域。
柴油發電機具有以下特點：
汽油發電機
汽油發電機(gasoline generator)是一種由汽油機與發電機組成的發電裝置。在缺電或供電不足的情況下，它可以作為應急供電的重要工具。通常被用于驅動小型電器、野外操作機器、以及運輸車輛等場合提供緊急用電。
汽油發電機具有以下特點：
配套設備
發電機、發動機、勵磁調節裝置和配電盤共同組成發電機組。
發動機
發動機是一種轉換能量的設備，它將某種形式的能量化為機械能，作為發電設備的驅動力。其功能需要滿足調速性、機動性和適應環境變化的特點。對于發電機組，發動機需要具有重量輕、功率高等特點。
勵磁調節裝置
勵磁調節裝置是發電機勵磁系統的重要組成部分。它通過反饋控制調整發電機輸出電壓、電流、功率因數、功角和角頻率等參數，以實現對勵磁輸出變量（如機端電壓或無功功率）的調節。通常發電機的勵磁調節裝置被安裝在配電盤內或發電機附近，以適應不同的線路結構和需求。
配電盤
配電盤也稱為分電盤，是移動電站的重要組成部分，用于向用電設備輸送和分配電能，并能讓操作人員及時了解發電機組的運行狀態。配電盤上裝有各種電器元件、開關、指示燈、插座、保險絲、電壓調節器、斷電器、照明燈和其他配件，同時還包括燃油箱、蓄電池、工具箱和電纜等，這些都是發電機組的必要部分。
性能指標
交流發電機的性能指標
額定電壓
交流發電機的電壓會通過電壓調節器進行控制，保持相對穩定。只有在起動階段稍有變化，當發動機達到恒定轉速時，發電機的輸出電壓應該能夠穩定在一個特定的數值上，這個數值被稱為發電機的額定電壓。12V系統的發電機，其額定電壓為14V；24V系統的發電機，其額定電壓為28V左右。
空載轉速
交流發電機沒有接上電子負載時，它可以在達到額定電壓的情況下開始轉動，并且它的初始轉速被稱為空載轉速。空載轉速是在發電機生產時通過測試并在說明書中列出的。例如汽車設計時，選擇發動機和發電機之間的速度比是根據發電機的空載轉速來確定的，它也是用來評價發電機性能是否下降的一個重要指標。
額定電流和額定轉速
發電機對外輸出電流的能力受到多種因素的制約，比如結構和轉速等。為了評估發電機的電流輸出能力，通常會將其輸出最大電流的2/3作為額定電流。而且也需要確定發電機達到額定電流時所對應的轉速，這個轉速會被定義為額定轉速。在出廠前，發電機會經過試驗來確定其額定轉速和額定電流，并將這些參數記錄在產品說明書中。所以發電機的額定轉速和額定電流可以作為評估其性能的重要指標。
直流發電機的性能指標
標準規范
中國的標準規范
根據中國行業標準規范QC/T 73-1993，交流發電機的型號應由五個部分組成。
產品代號：由字母表示，共有JF、JFZ、JFB、JFW四種類型，JF表示普通交流發電機，JFZ表示整體式交流發電機，JFB表示帶泵交流發電機，JFW表示無刷交流發電機。
電壓等級代號：交流發電機的電壓等級代號用1位阿拉伯數字表示。
電流等級代號：交流發電機的電流等級代號用1位阿拉伯數字表示。
設計序號：按照產品設計的先后順序排列，由1到2位阿拉伯數字組成。
變型代號：變形代碼用字母表示，交流發電機以調整臂位置作為變形代號，從驅動端看，Y表示右邊，Z表示左邊，沒有字母則表示在中間位置。
例如：
汽車使用的JFZ1913Z型交流發電機表示采用12V的電壓等級，具有大于90A的電流等級，第13次設計，調整臂位于左側的整體式交流發電機。
型號為JF152的發電機表示電壓等級為12V，電流等級為50~59A，第2次設計普通型交流發電機。
其他國家和地區的標準規范
日本的標準規范
歐洲的標準規范
2016年12月31日，歐洲標準委員會(CEN)正式發布發電機的最新版歐盟通用安全標準《EN ISO 8528-13:2016》。此標準適用于由往復式內燃機引擎驅動的交流發電機，并規定與該標準不符的歐盟成員國國家標準必須在2017年6月30日前廢止。ISO 8528-13:2016是基于之前的版本進行修訂的。
新版標準增加了對手柄、控制件拉力、最大功率、雨淋后耐壓、銘牌、警告標志的要求。
應用領域
生活發電
風力發電機
風力發電機是一種利用自然能源的動力機械，通過使用扇葉將風能轉換為機械能，再進一轉化為電能。這種發電方式不依賴于任何化石燃料，也不會產生污染或輻射問題。其運行過程中以太陽為能源，以大氣為工作介質。
火力發電廠
火力發電機是一種利用燃燒加熱水蒸氣推動渦輪機、將化學能轉化為電能的裝置。它通過高溫蒸汽推動汽輪機旋轉，帶動電樞進行運轉，電樞上的導線切割磁力線，產生感應電動勢，從而產生電能。
水力發電站
水力發電機是利用水的勢能使渦輪機旋轉，進而產生機械能并轉化為電能的設備。相比于熱力發電設備而言，它不需要升溫降溫，因此操作較為只需開啟或關閉水閘即可實現起動和停車操作。此外，針對不同地區的用電需求，也可以采用其他配合方式。
消費產品
汽車
汽車發電機是汽車必備的電器設備，它能夠利用發動機運轉時產生的能量為起動機以及其他的用向蓄電池充電來保證電力的持續供應。發電機的工作原理就是利用發動機運轉時的動力來產生電能，由于車輛上的蓄電池以及使用的電器設備標稱電壓不同，發電機的輸出電壓需要稍微高一些。現代汽車都采用12V的發電機來提供電力。
手電簡
按壓式自發電手電簡采用按壓式設計，可自己發電，不需要污染環境的電池。它內置了小型發電機，通過前后按壓往復運動來產生動力，從而供電。在制造商的努力和人機工程學的顧慮下，這個具有槍形設計的手電非常易于操作和把握。這種環保設計代表了綠色生態理念的典范，可以避免廢棄電池對環境造成的污染。
發展趨勢
發電機控制技術
發電機控制技術在發電機組的運行中起著關鍵作用，并能夠提高整個發電機組的運行效率、穩定性和可靠性。它能夠幫助減少發電機組在運行期間的故障風險，并將發電機的輸出功率最大化，從而提高發電量。但是發電機控制技術所涉及的領域很廣，包括計算機技術、網絡技術和機電技術等，需要集合多種技術的優點來進行優化創新，以提高風力發電的效率。
發電機冷卻技術
發電機冷卻技術在發電系統中扮演著重要角色，由于發電機的工作溫度較高并且散熱面積相對狹窄，需要冷卻以提高其工作效率。蒸發冷技術和高溫超導技術是應用較為廣泛的兩種技。蒸發冷技術能夠有效減少電機銅耗，避免影響其正常工作；而高溫超導技術則得到了廣泛的關注和開發較強的市場競爭力和良好的發展前景。 通過采用創新的冷卻技術方法，能夠進一步提高整個發電系統的效率和穩定性，實現更大程度獲。
發電機的結構型式
發電機的結構需要優化和改善，應該對其進行一系列的改動和升級。主要包括增加通氣直徑來提高冷卻效果，采用輕量化的裝置材料來減少整個發電機的質量，同時在設計過程中也應考慮如何降低材料損耗量。還需要合理地設置鐵心定子比例來降低噪音和振動，并以材料學為指導，在優化材料的同時減少永磁材料的使用量，以降低發電機的生產成本。
參考資料 >
小功率發電機組出口日本PSE認證介紹. 中國TBT研究中心.2023-10-09
歐盟發電機組大標準更換. 中國TBT研究中心.2023-10-09