发电机的原理和运行机制基于电磁感应定律，通过机械能转化为电能，核心过程如下：

　　一、基本原理：电磁感应

　　法拉第电磁感应定律

　　当导体（如导线）在磁场中做切割磁感线运动，或穿过闭合回路的磁通量发生变化时，导体中会产生感应电动势（电压）；若回路闭合，则形成感应电流。这是发电机发电的根本依据。

　　核心物理关系

　　感应电动势公式：$E = -N cdot frac{dPhi}{dt}$

　　（$E$为电动势，$N$为线圈匝数，$Phi$为磁通量，负号表示方向遵循楞次定律）

　　机械能与电能转换：通过外力（如蒸汽、水流、风力等）驱动发电机转子旋转，改变定子（或转子）线圈中的磁通量，从而产生电能。

　　二、运行机制：分类型解析

　　发电机分为直流发电机和交流发电机（主流），其运行机制的核心差异在于磁场与导体的相对运动方式及电流输出形式。

　　1. 交流发电机（同步发电机为主）

　　结构组成

　　定子：固定不动，嵌有三相交流绕组（输出端），产生旋转磁场或接受转子磁场切割。

　　转子：由原动机（如汽轮机、水轮机）驱动旋转，装有励磁绕组（通直流电产生恒定磁场）或永磁体。

　　工作过程

　　励磁系统：向转子绕组通入直流电，形成恒定磁场（N/S极）。

　　机械驱动：原动机带动转子高速旋转（如3000转/分钟对应50Hz电网频率），磁场随之旋转。

　　切割磁感线：定子三相绕组静止，被旋转的转子磁场切割，每相绕组中产生交变电动势（频率与转子转速和磁极对数相关，如 $f = frac{n cdot p}{60}$，$n$为转速，$p$为磁极对数）。

　　三相电输出：三相绕组空间对称分布（互差120°），产生相位差120°的三相交流电，经定子接线端输出至电网。

　　关键特点：输出为交流电，频率由转子转速和磁极对数决定，需严格匹配电网要求（如中国50Hz）。

　　2. 直流发电机

　　结构组成

　　定子：提供恒定磁场（通常由电磁铁或永磁体产生）。

　　转子（电枢）：嵌有电枢绕组，通过原动机驱动旋转，端部连接换向器（铜制半圆环与电刷接触）。

　　工作过程

　　磁场与旋转：定子磁场恒定，转子绕组在磁场中旋转，切割磁感线产生交变电动势。

　　换向器作用：旋转的电枢绕组通过换向器和电刷，将交变电动势转换为单向脉动直流电（电刷始终与换向器的正负极接触，保证外电路电流方向不变）。

　　输出直流电：经电刷引出的电流为直流，但含脉动成分，可通过滤波电路平滑。

　　关键特点：通过换向器解决交变电流方向问题，输出为直流电，但结构复杂，现代多被可控整流技术替代。

　　三、辅助系统与运行保障

　　励磁系统

　　交流发电机需向转子提供稳定的直流励磁电流（通过励磁机或静止励磁装置），调节励磁电流可控制输出电压。

　　直流发电机的励磁电流同样决定磁场强度，进而影响输出电压。

　　冷却系统

　　发电过程中，导体因电阻发热（铜损）和铁芯因涡流/磁滞发热（铁损），需通过风冷、水冷或氢冷散热，保障设备安全。

　　调速与稳频（交流）

　　原动机（如汽轮机）需配备调速器，维持转子转速恒定（如50Hz对应3000转/分钟），确保输出频率稳定。

　　保护机制

　　包括过载保护、短路保护、温度监测等，防止设备因异常工况损坏。

　　四、能量转换流程总结

　　原动机机械能（蒸汽/水/风/燃料燃烧推动转子旋转） → 磁场旋转或导体运动（切割磁感线） → 电磁感应产生电动势 → 闭合回路形成电流 → 输出电能（交流/直流）。

　　五、不同类型发电机的差异

　　同步发电机（主流交流）：转子磁场与定子旋转磁场同步，输出频率严格匹配电网。

　　异步发电机：依赖电网提供励磁，常用于小型风电，需从电网吸收无功功率。

　　永磁发电机：转子用永磁体替代励磁绕组，简化结构（如小型风力发电机、电动车电机）。

　　通过上述机制，发电机将自然界的水能、风能、化石燃料化学能等转化为广泛应用的电能，是现代电力系统的核心设备。