交流发电机的工作原理用一句话说就是，变化的磁场在线圈中产生感应电动势。如图3-7所示，发电机定子的三相绕组按一定规律分布在发电机的定子槽中，相差120°电位角，内部有一个转子，转子上安装着爪极和励磁绕组。当电源通过电刷、集电环使励磁绕组通电时，励磁绕组周围便产生磁场，使爪极被磁化为N极和S极。当转子旋转时，定子绕组与磁力线有相对的切割运动，磁通交替地在定子绕组中变化。根据电磁感应原理可知，定子的三相绕组中便产生频率相同、幅值相等、相位互差120°电位角的正弦感应电动势eU、eV和eW，这些电动势是交变的电动势。这就是交流发电机的发电原理。
图3-7 交流发电机发电原理示意图
1—定子铁心 2—定子绕组 3—转子 4—励磁绕组 5—整流二极管 6—电刷
在交流发电机中，由于转子磁极呈鸟嘴形，其磁场的分布近似正弦规律，所以交流电动势的波形也近似正弦规律。如果发电机定子的三相绕组是对称绕制的，则产生的三相电动势也是对称的。
交流发电机的磁路是：转子爪极的磁力线从转子的N极出发，穿过转子与定子之间很小的气隙进入定子铁心，最后又经过空气隙回到相邻的S极，并通过磁轭构成磁回路。转子磁极呈鸟嘴形，可使定子绕组感应的交流电动势的波形近似于正弦曲线的波形。
1）交流电动势的变化频率f和转速、磁极对数成正比。
式中 p——磁极对数；
n——发电机转速，单位为r/min。
2）三相交流发电机的感应电动势瞬时值表达式：
式中 Em——每相电动势的最大值；
Eϕ——每相电动势的有效值；
ω——电角速度。
3）定子每相电动势有效值的表示：
Eϕ=4.44KfNΦ=CeΦn
式中 K——绕组系数（和发电机定子绕组的绕线方式有关）；
N——每相绕组的匝数，单位为匝；
f——频率，单位为Hz；
Φ——每极磁通，单位为Wb；(www.xing528.com)
Ce——发电机结构常数，Ce=4.44KNp/60；
Eϕ——相电动势。
交流发电机的工作特点是转速变化范围大，对于一般汽油发动机来说，其转速变化约为1∶8，柴油机约为1∶5，因此分析汽车用交流发电机的特性必须以转速的变化为基础。交流发电机的特性有输出特性、空载特性和外特性，其中以输出特性最为重要。
1.输出特性
输出特性是指在发电机端电压U不变（对12V系列的交流发电机规定为14V，对24V系列的交流发电机规定为27V）时输出电流与转速之间的关系，即U为常数时，I=f（n）的函数关系，如图3-8所示。
（1）空载转速n1 发电机转速小于一定值n1时，对外输出电流为零。当发电机达到额定电压并能对外输出电流时的最小转速为n1，称n1为空载转速。空载转速常用来作为测试发电机性能的参数之一。
图3-8 交流发电机的输出特性曲线
（2）最大电流Imax 发电机输出电流的能力随转速的升高而增大，但曲线越来越平坦，当转速达到一定值时，无论转速增加多少，电流都不再增加，即一定结构的发电机的最大输出电流Imax有一定限制。由此可见，交流发电机自身具有限制输出电流防止过载的能力，又称为自我保护能力。交流发电机定子绕组具有一定的阻抗Z，它由绕组的电阻R及感抗XL两部分组成，由于XL与n成正比，故发电机定子绕组的阻抗Z随发电机的转速升高而增加。高速时，由于R与XL相比可忽略不计，故阻抗Z约等于XL，定子阻抗Z与转速n成正比，其值越大，就产生越大的内压降；定子电流增加时，由于电枢反应的增强，也会使感应电动势下降。两者共同作用的结果是，当发电机的转速升高且负载电流达到最大值时，输出电流几乎不随负载电阻的减小或转速的增加而增大。
结论：发电机电压（输出）一定时，发电机电流存在最大值（无论转速多高），即发电机功率存在最大值。限制发电机输出功率，只要限制发电机输出电压即可。限制输出电压后，即使发电机转速增加，也不会出现由于电流过高，烧坏发电机的情况；如果发电机电压过高通常会损坏用电设备。
输出特性：指额定转速n2和额定电流IA这两项指标。发电机出厂时，通过试验，规定了空载转速n1与额定转速n2的值。在使用过程中，可通过检测这两个数据来判断发电机性能的好坏。发电机达到额定电流IA时的转速定为额定转速，图中用n2表示，额定电流一般定为最大输出电流的2/3。
2.空载特性
空载特性是研究发电机在空载运行时，其端电压随转速变化的关系，即I=0时，U=f（n）的曲线，如图3-9所示。
3.外特性
外特性是研究当发电机转速一定时，其端电压与输出电流的关系，即n为常数时，U=f（I）的曲线，如图3-10所示。从外特性曲线可以看出发电机电压受负载影响的程度：如果发电机在高速运转时，突然失去负载，发电机电压会突然升高，致使发电机及调节器等内部电子元件有被击穿的危险。
图3-9 交流发电机的空载特性曲线
图3-10 交流发电机的外特性曲线
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