发电机是一种将机械能量转化为电能的机器。大多数发电机利用电磁感应原理工作：导体与磁场之间的相对运动产生电压。发电机用于发电厂、车辆、便携式设备及备用供电设施。其工作原理与电动机密切相关，后者进行相反的转换，将电能转化为机械能。这两种机器都不会创造能量，而只是将能量从一种形式转化为另一种形式。(eia.gov)
工作原理
发电机的工作是电磁学原理的一种应用。当与电路交链的磁通量发生变化时，就会产生感应电动势。对于各匝磁通量相同、匝数为 (N) 的线圈，法拉第电磁感应定律给出
[ \mathcal{E}=-N\frac{d\Phi_B}{dt}, ]
其中，(\mathcal{E}) 为感应电动势，(\Phi_B) 为穿过每一匝线圈的磁通量。即使周围的磁场保持不变，转动也能使这一磁通量发生变化。未接通的接线端之间也可以存在电压，但要使电流持续流过外部负载，就必须形成导电回路。(openstax.org)
在理想化的发电机模型中，面积为 (A) 的平面线圈以恒定角速度 (\omega) 在磁感应强度为 (B) 的匀强磁场中转动。适当选取初始朝向后，其电压为
[ \mathcal{E}(t)=NBA\omega\sin(\omega t). ]
这一模型解释了转动为何会产生交变电压，以及电压幅值为何随磁场强度、线圈面积、匝数和转速的增加而增大。实际发电机使用分布式绕组和特定形状的磁路结构，而不是单个矩形线圈。(openstax.org)
这一转换过程需要通过机械方式做功。当发电机向负载供电时，电磁力会阻碍驱动运动。输入的机械能既用于提供有效的电能输出，也用于补偿机器的损耗；因此，当电气负载增加时，要维持稳定运行，就必须增加输入。(openstax.org)
结构
旋转式发电机有两个主要机械部件：转动的转子和保持静止的定子。这些名称描述的是运动状态，而不是电气功能。电枢包含产生输出感应电压的绕组，而励磁系统则建立磁通。根据设计不同，电枢或励磁系统都可以设置在转子或定子上。(energy.gov)
大型交流发电机通常采用旋转的电磁场和静止的电枢。这种布置使主输出接线能够保持静止，也便于实现高电压绝缘。励磁绕组由励磁电流供电；在某些设计中，这一电流通过与轴上连续滑环接触的电刷传入。滑环在转动过程中保持电气连接，而不改变连接的极性。(energy.gov)
交流发电机与直流发电机
交流电发电机产生的电压，其极性会周期性反转。电力系统中的发电机通常提供三相电，使用三组电枢绕组，各组感应电压之间相差 120 电角度。绕组的连接方式决定了相电压与端电压之间的关系。(energy.gov)
传统的直流电发电机使用换向器而非连续滑环来引出电流。这种分段式接触组件在电枢转动时切换连接，使外部电压保持单一方向，尽管各个旋转线圈中的感应电压会反向。单线圈模型产生的是脉动输出；使用多个线圈和换向片可使输出更平稳。这类机器在英语中常称为 dynamo。(openstax.org)
对于同步交流发电机，电频率与转子转速及磁极数之间的关系为：
[ f=\frac{Pn}{120}, ]
其中，(f) 为频率，单位为赫兹；(P) 为磁极总数；(n) 为转速，单位为转每分钟。因此，四极发电机以每分钟 1,800 转运行时，会产生频率为 60 赫兹的电压。磁极数更多的机器可以在较低转速下产生相同的频率。(energy.gov)
机械驱动与应用
提供机械输入的机器称为原动机。许多热力发电厂采用汽轮机驱动发电机，其中包括通过燃料燃烧或利用核能发电过程中的热量来产生蒸汽的电厂。水轮机从流动的水中获取能量，风力机则从空气运动中获取能量。这些系统的能量来源不同，但都采用相同的机械能转化为电能的基本原理。(eia.gov)
内燃机可以直接驱动发电机。发动机与发电机组成的装置通常称为发电机组，用于偏远地区、建筑工地以及应急或备用供电设施。发动机与发电机是不同的部件：发动机将燃料的能量转化为轴功率，发电机则将轴功率转化为电功率。相比之下，太阳能电池直接将光转化为电，无须使用旋转式发电机。(eia.gov)
并网运行与效率
同步发电机接入已带电的电网之前，其端电压、频率和相位必须与电网匹配。不正确的同步并网可能产生大电流并损坏设备。接入电网后，发电机参与维持电力供需平衡。频率响应、供需平衡和电压控制是电网运行中各不相同但又相互关联的功能。(energy.gov)
发电机效率是有效输出电功率与总输入功率之比。损耗包括绕组电阻损耗、磁滞损耗以及机械摩擦损耗，后者包括轴承摩擦和空气阻力。这些损耗大多转化为热，因此冷却也是机器设计的一部分。额定参数规定了电压、电流、转速、功率和允许温升等运行限值。发电机效率不同于发电厂的整体效率，后者还包括为发电机提供机械输入的能量转换过程。(energy.gov)
历史发展
迈克尔·法拉第于 1831 年演示了电磁感应现象，并制成了法拉第圆盘。这是一种早期发电机，通过使导电圆盘在磁场中转动来产生电。法拉第的实验为后来的电磁发电机奠定了物理基础。法拉第圆盘不同于后来电力系统中使用的绕线式交流发电机和带换向器的直流发电机，但它证明了机械运动能够产生电能输出。(eia.gov)