同步發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、額定值及其型號——柴油發(fā)電機(jī)組總體構(gòu)造與維修基礎(chǔ)

同步發(fā)電機(jī)根據(jù)容量和轉(zhuǎn)速不同，其結(jié)構(gòu)形式有較大的差別，我們以常見旋轉(zhuǎn)磁極式(凸極)同步發(fā)電機(jī)為例說明同步發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。

1.有刷旋轉(zhuǎn)磁極式同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

有刷旋轉(zhuǎn)磁極式(凸極)同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)主要由定子、轉(zhuǎn)子、集電環(huán)以及端蓋與軸承等部分組成。如圖2-20所示為72-84-40D2/T2型交流同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)。

(1)定子(電樞)

定子主要由鐵心、繞組和機(jī)座三部分組成，是發(fā)電機(jī)電磁能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件之一。

①定子鐵心

定子鐵心一般用0.35～0.5mm厚的硅鋼片疊成，沖成一定的形狀，每張硅鋼片都涂有絕緣漆以減小鐵心的渦流損耗。為了防止在運(yùn)轉(zhuǎn)中硅鋼片受到磁極磁場的交變吸引力發(fā)生交變移動，同時(shí)避免因硅鋼片松動在運(yùn)行中產(chǎn)生振動而將片間絕緣破壞引起鐵心發(fā)熱和影響電樞繞組絕緣，所以，在制造電機(jī)時(shí)電樞鐵心通過端部壓板在底座上進(jìn)行軸向固定。

電樞鐵心為一空圓柱體，在其內(nèi)圓周上沖有放置定子繞組的槽。為了將繞組嵌入槽中并減小氣隙磁阻，中小型容量發(fā)電機(jī)的定子槽一般采用半開口槽。

圖2-20 72-84-40D2/T2型交流同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

文章出自《柴油發(fā)電機(jī)組實(shí)用技術(shù)技能》

作者：楊貴恒、張海呈、張壽珍、鐘進(jìn) 化學(xué)工業(yè)出版社出版

②電樞繞組

發(fā)電機(jī)的電樞繞組由線圈組成。線圈的導(dǎo)線都采用高強(qiáng)度漆包線，線圈按一定的規(guī)律連接而成，嵌入定子鐵心槽中。繞組的連接方式一般都采用三相雙層短距迭繞組。

③機(jī)座

機(jī)座用來固定定子鐵心，并和發(fā)電機(jī)兩端蓋形成通風(fēng)道，但不作為磁路，因此要求它有足夠的強(qiáng)度和鋼度，以承受加工、運(yùn)輸及運(yùn)行中各種力的作用，兩端的端蓋可支撐轉(zhuǎn)子，保護(hù)電樞繞組的端部。發(fā)電機(jī)的機(jī)座和端蓋大都采用鑄鐵制成。

(2)轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子主要由電機(jī)軸(轉(zhuǎn)軸)、轉(zhuǎn)子磁軛、磁極和集電環(huán)等組成。

①電機(jī)軸

電機(jī)軸(轉(zhuǎn)軸)主要用來傳遞轉(zhuǎn)矩之用，并承受轉(zhuǎn)動部分的重量。中小容量同步發(fā)電機(jī)的電機(jī)軸通常用中碳鋼制成。

②轉(zhuǎn)子磁軛

主要用來組成磁路并用以固定磁極。

③磁極

發(fā)電機(jī)的磁極鐵心一般采用1～1.5mm厚的鋼板沖片疊壓而成，然后用螺桿固定在轉(zhuǎn)子磁軛上。勵(lì)磁繞組套在磁極鐵心上，各個(gè)磁極的勵(lì)磁繞組一般串聯(lián)起來，兩個(gè)出線頭通過螺釘與轉(zhuǎn)軸上的兩個(gè)互相絕緣的集電環(huán)相接。

④集電環(huán)

集電環(huán)是用黃銅環(huán)與塑料(如環(huán)氧玻璃)加熱壓制而成的一個(gè)堅(jiān)固整體，然后壓緊在電機(jī)軸上。整個(gè)轉(zhuǎn)子由裝在前后端蓋上的軸承支撐。勵(lì)磁電流通過電刷和集電環(huán)引入勵(lì)磁繞組。電刷裝置一般裝在端蓋上。

對于中小容量的同步發(fā)電機(jī)，在前端蓋裝有風(fēng)扇，使電機(jī)內(nèi)部通風(fēng)以利散熱，降低電機(jī)的溫度。中小型同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁機(jī)有的直接裝在同一軸上;也有的裝在機(jī)座上，而勵(lì)磁機(jī)的軸與同步發(fā)電機(jī)的軸用皮帶聯(lián)接。前一種結(jié)構(gòu)叫“同軸式”同步發(fā)電機(jī)，后一種結(jié)構(gòu)叫“背包式”同步發(fā)電機(jī)。

2.無刷旋轉(zhuǎn)磁極式同步發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

無刷同步發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖2-21所示。其結(jié)構(gòu)分靜止和轉(zhuǎn)動兩大部分。靜止部分包括機(jī)座、定子鐵心、定子繞組、交流勵(lì)磁機(jī)定子和端蓋等;轉(zhuǎn)動部分包括轉(zhuǎn)子鐵心、磁極繞組、電機(jī)軸(轉(zhuǎn)軸)、軸承、交流勵(lì)磁機(jī)的電樞、旋轉(zhuǎn)整流器和風(fēng)扇等。

(1)靜止部分

①定子

定子由機(jī)座、定子鐵心和定子繞組所組成。定子鐵心及定子繞組是產(chǎn)生感應(yīng)電勢和感應(yīng)電流的部分，故亦稱其為電樞。

圖2-21 無刷同步交流發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

機(jī)座是交流同步發(fā)電機(jī)的整體支架，用來固定電樞并和前后兩端蓋一道支承轉(zhuǎn)子。其機(jī)座通常有鑄鐵鑄造和鋼板焊接兩種。鑄鐵鑄造的機(jī)座內(nèi)壁一般分布有筋條用以固定電樞，兩端面加工有止口及螺孔與端蓋配合固定，機(jī)座下部鑄有底腳，以便將發(fā)電機(jī)固定。機(jī)座上一般有電源出線盒，其位置通常在機(jī)座的右側(cè)面(從軸伸端看)或者位于機(jī)座上部，出線盒內(nèi)裝有接線板，以便于引出交流電源。位于機(jī)座上部的出線盒一般均裝有勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，用于調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓。鋼板焊接結(jié)構(gòu)的機(jī)座是由幾塊罩式鋼板、端環(huán)和底腳焊接而成，具有省工省料、重量輕和造型新穎等特點(diǎn)。

定子鐵心是交流同步發(fā)電機(jī)磁路的一部分。為了減小旋轉(zhuǎn)磁場在定子鐵心中所引起的渦流損耗和磁滯損耗，定子鐵心采用導(dǎo)磁性能較好的0.5mm厚，兩面涂有絕緣漆的硅鋼片疊壓而成。鐵心開有均勻分布的槽，以嵌放電樞繞組。為了提高鐵心材料的利用率，定子鐵心常采用扇形硅鋼片拼疊成一個(gè)整圓形鐵心，拼接時(shí)把每層硅鋼片的接縫互相錯(cuò)開。較大容量發(fā)電機(jī)的鐵心，為了增加散熱面積，通常沿軸向長度上留有數(shù)道通風(fēng)溝。有些發(fā)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子均采用硅鋼片沖制，其定子鐵心是用整圓硅鋼片疊壓，再與壓圈一道用CO2氣體保護(hù)焊接成一體。這種結(jié)構(gòu)具有材料利用率高，容易加工等特點(diǎn)。

定子繞組是交流同步發(fā)電機(jī)定子部分的電路。定子繞組由線圈組成，線圈采用高強(qiáng)度聚脂漆包圓銅線繞制，并按一定方式連接，嵌入鐵心槽中。線圈采用導(dǎo)線的規(guī)格、線圈匝數(shù)和并聯(lián)路數(shù)等由設(shè)計(jì)確定。線繞型式有雙層迭繞、單層鏈?zhǔn)郊皢坞p層式等。三相繞組應(yīng)對稱嵌放，彼此相互差120°電氣角度。定子繞組嵌放在鐵心槽中，必須要有對地絕緣、層間絕緣和相間絕緣，以免發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中對鐵心出現(xiàn)擊穿或短路故障。主絕緣材料主要采用聚酯薄膜無紡布復(fù)合箔，槽絕緣通常采用云母帶。由于定子線圈在鐵心槽內(nèi)受到交變電磁力及平行導(dǎo)線之間的電動力作用，造成線圈移動或振動，因此，線圈必須堅(jiān)固。一般用玻璃布板做槽楔在槽內(nèi)壓緊線圈，并且在兩端部用玻璃纖維帶扎緊，然后把整個(gè)電樞進(jìn)行絕緣處理，使電樞成為一個(gè)堅(jiān)固的整體。

②交流勵(lì)磁機(jī)定子

交流勵(lì)磁機(jī)產(chǎn)生的交流電，經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器整流后，供同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁使用。為了避免勵(lì)磁機(jī)與旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)用電刷、集電環(huán)(滑環(huán))提供勵(lì)磁電流，因此，交流勵(lì)磁機(jī)的定子大多為磁極，而轉(zhuǎn)子為電樞。

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁機(jī)的定子鐵心通常有兩種做法。一種是用1mm厚的低碳鋼板疊壓制成，它有若干對磁極，每個(gè)磁極均套有集中式的勵(lì)磁線圈，并用槽楔固定，然后進(jìn)行浸漆烘干絕緣處理。另一種是用硅鋼片疊壓而成，其勵(lì)磁線圈先在玻璃布板預(yù)制的框架上繞制，經(jīng)浸漆絕緣處理后套在勵(lì)磁定子鐵心上，并用銷釘固定。

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁機(jī)的定子繞組也有多種做法。有的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁機(jī)的定子繞組有兩套勵(lì)磁繞組，即電壓繞組和電流繞組，具有電流復(fù)勵(lì)作用，以改善發(fā)電機(jī)性能和增大過載能力。為了便于起勵(lì)，有的勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁的定子鐵心里埋設(shè)有三塊永久磁鋼。為防止漏磁，磁鋼與定子鐵心之間用厚絕緣紙板進(jìn)行磁隔離。勵(lì)磁機(jī)的定子均用緊固螺釘或環(huán)鍵固定在兩端間的鑄造筋條上或焊接在支承件上。

③端蓋

端蓋用于與機(jī)座配合并支承轉(zhuǎn)子，因此在端蓋的中心處應(yīng)開有軸承室圓孔，以供安裝軸承。端蓋的端面有止口與機(jī)座配合，與柴油發(fā)電機(jī)在軸伸出端的端蓋兩端面均有端面止口，以保證轉(zhuǎn)子裝配后同軸度的要求。一般來說，小功率發(fā)電機(jī)的端蓋用鑄鐵鑄造，而大功率發(fā)電機(jī)的端蓋則采用鋼板焊接而成。

(2)轉(zhuǎn)動部分

①轉(zhuǎn)子鐵心

旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵心可分為兩種形式：凸極式和隱極式。其中凸極式轉(zhuǎn)子鐵心又可分為分離凸極式和整體凸極式兩種。

分離凸極式轉(zhuǎn)子鐵心的磁極沖片疊壓緊后用鉚釘和壓板鉚合在一起制成磁極鐵心。磁極鐵心套在磁極線圈上后，用磁極螺釘固定在磁軛上或者用特定的鋼制螺釘固定。

整體凸極式轉(zhuǎn)子鐵心采用整體凸極式?jīng)_片，這種磁極結(jié)構(gòu)，是磁極和磁軛為一體，用0.5mm厚硅鋼片整片沖出極身，然后直接與端板、鉚釘、阻尼條及阻尼環(huán)焊接成一個(gè)整體形成轉(zhuǎn)子鐵心。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)有三：

第一，勵(lì)磁繞組直接繞在磁極上，散熱效果好，機(jī)械強(qiáng)度高;

第二，沒有第二氣隙，可減小勵(lì)磁的安匝數(shù);

第三，制造時(shí)安放阻尼繞組方便。

隱極式轉(zhuǎn)子是將整圓的轉(zhuǎn)子沖片直接裝在轉(zhuǎn)軸上，其兩端有端板和支架來支撐轉(zhuǎn)子線圈，并用環(huán)鍵固定。為了削弱發(fā)電機(jī)輸出電壓波形中出現(xiàn)的諧波分量，隱極式轉(zhuǎn)子鐵心通常做成斜槽，并且在鐵心齒部沖有阻尼孔，供埋設(shè)阻尼繞組，以提高并聯(lián)運(yùn)行性能和承受不平衡負(fù)載運(yùn)行及消除振蕩的能力。

②磁極繞組

同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁極繞組用絕緣的銅線繞成，與極身之間有絕緣。各磁極上勵(lì)磁繞組間的連接通過勵(lì)磁電流后，相鄰磁極的極性必然呈N與S交替排列。根據(jù)轉(zhuǎn)子鐵心的結(jié)構(gòu)形式可分為隱極式磁極繞組和凸極式磁極繞組兩種。

隱極式磁極一般采用單層同心式繞組，用漆包圓銅線繞制。制造時(shí)先在轉(zhuǎn)子鐵心槽中放好絕緣材料，然后將磁極繞組嵌入槽內(nèi)，并在后端部用玻璃纖維管與支架扎牢，再用無緯玻璃纖維帶沿圓周捆扎，最后整體浸漆烘干成為一個(gè)堅(jiān)固的整體。

凸極式磁極繞組一般采用矩形截面的高強(qiáng)度聚酯漆包扁銅線繞制或者用聚酯漆包圓銅線繞制，但空間填充系數(shù)較差。由于凸極式磁極繞組是集中式繞組，因此可在預(yù)先制好的鐵板框架四周包好云母片、玻璃漆布等絕緣材料，上下放上玻璃布板襯墊，然后繞制線圈，再浸烘絕緣漆，最后將成形磁極繞組套在磁極鐵心上，再用螺釘固定在磁軛上。對于整體凸極式是在預(yù)先鉚焊好的整體轉(zhuǎn)子上，將極靴四周包好絕緣，而后整體用機(jī)械方法繞制線圈，最后經(jīng)F級絕緣浸烘處理，形成堅(jiān)固的磁極整體，用熱套方法套入轉(zhuǎn)軸。這種線圈結(jié)構(gòu)具有散熱條件好，絕緣性能、機(jī)械強(qiáng)度和可靠性高等特點(diǎn)。

③轉(zhuǎn)軸

同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸一般用特定規(guī)格的鋼制作加工而成。在發(fā)電機(jī)的軸伸端，通過軸上的聯(lián)軸器與發(fā)動機(jī)對接。由此可知，它是將機(jī)械能變?yōu)殡娔艿年P(guān)鍵零件，因而，它必須具有很高的機(jī)械強(qiáng)度和剛度。有些發(fā)電機(jī)往往在軸上還熱套有磁軛，用以裝配磁極鐵心和繞組;有些發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸焊有驅(qū)動盤和風(fēng)扇安裝板以便安裝柔性聯(lián)接盤和冷卻風(fēng)扇。

④軸承

發(fā)電機(jī)一般采用兩支承式，即在轉(zhuǎn)軸兩端裝有軸承。根據(jù)受力情況，其傳動端采用滾柱軸承，非傳動端采用滾珠軸承。軸承與轉(zhuǎn)軸之間的配合為過盈配合，軸承用熱套法套入軸承。軸承外圈與端蓋(或軸承套)采用過渡配合，并固定在兩端蓋的軸承室或軸承套內(nèi)。軸承通常采用3號鋰基脂進(jìn)行潤滑，并在軸承兩邊用軸承蓋密封，平時(shí)維護(hù)檢修時(shí)應(yīng)注意清潔，以減小其振動和噪聲。

⑤交流勵(lì)磁機(jī)的電樞

無刷同步發(fā)電機(jī)是利用交流勵(lì)磁機(jī)產(chǎn)生的交流電，經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器整流變?yōu)橹绷麟姡┙涣靼l(fā)電機(jī)勵(lì)磁用。交流勵(lì)磁機(jī)電樞鐵心用硅鋼片疊壓而成，然后嵌以三相交流繞組，并經(jīng)絕緣處理形成電樞。有些發(fā)電機(jī)的交流勵(lì)磁機(jī)裝在后端蓋外部，靠電樞支架固定在轉(zhuǎn)軸上，這種結(jié)構(gòu)使發(fā)電機(jī)軸向長度加長;有些發(fā)電機(jī)的交流勵(lì)磁機(jī)電樞則裝在后端蓋內(nèi)部，直接套在轉(zhuǎn)軸上，可使整機(jī)軸向長度縮短。

⑥旋轉(zhuǎn)整流器

旋轉(zhuǎn)整流器是與交流勵(lì)磁機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)的裝置。其主要作用是將交流勵(lì)磁機(jī)電樞輸出的三相交流勵(lì)磁電流，通過整流器上的二極管轉(zhuǎn)換成直流電流，供給轉(zhuǎn)子繞組作為提供勵(lì)磁電流的電源。正是由于旋轉(zhuǎn)整流器的應(yīng)用，才使得交流同步發(fā)電機(jī)擺脫了電刷的束縛，不再有頻繁維修更換零件的麻煩，也使得交流同步發(fā)電機(jī)的應(yīng)用更加廣泛。有些交流同步發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)整流器安裝在交流勵(lì)磁機(jī)的外側(cè)，用螺釘固定在轉(zhuǎn)軸上，以便安裝與維修。有些發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)整流器則安裝在后端蓋的內(nèi)側(cè)，直接固定于勵(lì)磁機(jī)電樞鐵心伸出的螺栓上，使結(jié)構(gòu)更為緊湊。旋轉(zhuǎn)整流器電路有三相半波和三相橋式整流電路兩種。若采用三相橋式整流電路，為便于安裝，減小整流元件之間的連接線，提高發(fā)電機(jī)運(yùn)行的可靠性，其整流二極管用正、反燒兩種管型，兩者正負(fù)極正好相反，便于接線。

⑦風(fēng)扇

發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)將產(chǎn)生各種損耗并以熱量形式散發(fā)出去。如果沒有足夠的冷卻通風(fēng)量，將引起線圈和內(nèi)部器件過渡發(fā)熱，輕則將損壞內(nèi)部元器件，重則將破壞繞組絕緣，對機(jī)組甚至人身造成危險(xiǎn)。因此發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上通常裝有風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)冷卻。為了提高通風(fēng)效率，通常采用裝在前端蓋內(nèi)的后傾式離心風(fēng)扇。對專配的柴油發(fā)電機(jī)組也有裝在前端蓋外的，風(fēng)扇裝在軸伸的半聯(lián)軸器上。在發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中，冷空氣由后端蓋和機(jī)座兩側(cè)進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)部，吸收電樞繞組、磁極繞組、定子與轉(zhuǎn)子鐵心等部件的熱量，然后通過前端蓋蓋板上的窗孔將熱風(fēng)排出機(jī)外，以保證其溫升控制在允許范圍內(nèi)。

同步發(fā)電機(jī)的額定值及其型號

1.同步發(fā)電機(jī)的額定值

同步發(fā)電機(jī)在出廠前經(jīng)嚴(yán)格的技術(shù)檢查鑒定后，在發(fā)電機(jī)定子外殼明顯位置上有一塊銘牌，上面規(guī)定了發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)數(shù)據(jù)和運(yùn)行方式。這些數(shù)據(jù)就是同步發(fā)電機(jī)的額定值，為了保證發(fā)電機(jī)可靠運(yùn)行，我們在使用過程中必須嚴(yán)格遵守。

(1)額定容量S_N 與額定功率P_N發(fā)電機(jī)的額定容量是指在額定運(yùn)行條件(長期安全運(yùn)行情況)下，發(fā)電機(jī)出線端輸出的最大允許視在功率。單位為千伏安(kVA)。發(fā)電機(jī)的額定功率是指在額定運(yùn)行條件下，發(fā)電機(jī)出線端輸出的最大允許有功功率。單位為千瓦(kW)。

對于單相發(fā)電機(jī)而言，額定容量(其中，U_N與I_N分別為發(fā)電機(jī)的額定電壓和額定電流)，額定功率 (其中，為發(fā)電機(jī)的額定功率因數(shù));對于三相發(fā)電機(jī)而言，。

(2)額定電壓U_N

三相同步發(fā)電機(jī)的額定電壓是指在額定運(yùn)行條件下，定子繞組三相線間的電壓值;單相同步發(fā)電機(jī)的額定電壓是指繞組的相電壓值。單位為伏(V)或千伏(kV)。

(3)額定電流I_N 三相同步發(fā)電機(jī)的額定電流是指在額定運(yùn)行條件下，流過定子的線電流;單相同步發(fā)電機(jī)的額定電流指流過定子的相電流。單位為安(A)或千安(kA)。在此值運(yùn)行，發(fā)電機(jī)線圈的溫升不會超過允許范圍。

(4)功率因數(shù) 在額定運(yùn)行條件下，發(fā)電機(jī)的有功功率和視在功率的比值，即額定運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)每相定子電壓和電流之間的相角的余弦值：

一般而言，在發(fā)電機(jī)的銘牌上標(biāo)有其額定功率(有功功率) P_N和功率因數(shù)，或者其額定容量(視在功率) S_N功率因數(shù)。一般電機(jī)的。

(5)額定頻率f_N 在額定運(yùn)行條件下，發(fā)電機(jī)輸出的交流電頻率。單位為赫茲(HZ)。我國交流供電系統(tǒng)的頻率規(guī)定為50HZ 。

(6)額定轉(zhuǎn)速N_N 在額定運(yùn)行條件下發(fā)電機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)，單位為轉(zhuǎn)/分()。

(7)相數(shù)m

即發(fā)電機(jī)的相繞組數(shù)。6kW以上的柴油發(fā)電機(jī)組通常采用三相交流發(fā)電機(jī)。6kW以下的柴油發(fā)電機(jī)組通常采用單相交流發(fā)電機(jī)。

在發(fā)電機(jī)的銘牌上，除了上述額定值外還有其它運(yùn)行數(shù)據(jù)，例如發(fā)電機(jī)額定負(fù)載時(shí)的溫升( )、額定勵(lì)磁電壓(U_FN)和額定勵(lì)磁電流(I_FN)等。

2.同步發(fā)電機(jī)的型號

與柴油機(jī)配套的交流工頻同步發(fā)電機(jī)的型號含義目前沒有統(tǒng)一的規(guī)定，不同電機(jī)廠生產(chǎn)的產(chǎn)品型號有不同的形式，常見的有以下幾種：

(1)自帶同軸直流勵(lì)磁機(jī)的同步發(fā)電機(jī)型號如下：