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

同步發(fā)電機根據(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)電機為例說明同步發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)。

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

有刷旋轉(zhuǎn)磁極式(凸極)同步發(fā)電機的結(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)電機的結(jié)構(gòu)。

(1)定子(電樞)

定子主要由鐵心、繞組和機座三部分組成，是發(fā)電機電磁能量轉(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，同時避免因硅鋼片松動在運行中產(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，在制造電機時電樞鐵心通過端部壓板在底座上進行軸向固定。

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)電機的結(jié)構(gòu)

文章出自《柴油發(fā)電機組實用技術(shù)技能》

作者：楊貴恒、張海呈、張壽珍、鐘進 化學工業(yè)出版社出版

②電樞繞組

發(fā)電機的電樞繞組由線圈組成。線圈的導(dǎo)線都采用高強度漆包線，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機座

機座用來固定定子鐵心，并和發(fā)電機兩端蓋形成通風道，但不作為磁路，因此要求它有足夠的強度和鋼度，以承受加工、運輸及運行中各種力的作用，兩端的端蓋可支撐轉(zhuǎn)子，保護電樞繞組的端部。發(fā)電機的機座和端蓋大都采用鑄鐵制成。

(2)轉(zhuǎn)子

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

①電機軸

電機軸(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)電機的電機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。勵磁繞組套在磁極鐵心上，各個磁極的勵磁繞組一般串聯(lián)起來，兩個出線頭通過螺釘與轉(zhuǎn)軸上的兩個互相絕緣的集電環(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堅固整體，然后壓緊在電機軸上。整個轉(zhuǎn)子由裝在前后端蓋上的軸承支撐。勵磁電流通過電刷和集電環(huán)引入勵磁繞組。電刷裝置一般裝在端蓋上。

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

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

無刷同步發(fā)電機的基本結(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。靜止部分包括機座、定子鐵心、定子繞組、交流勵磁機定子和端蓋等;轉(zhuǎn)動部分包括轉(zhuǎn)子鐵心、磁極繞組、電機軸(轉(zhuǎn)軸)、軸承、交流勵磁機的電樞、旋轉(zhuǎn)整流器和風扇等。

(1)靜止部分

①定子

定子由機座、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)電機的基本結(jié)構(gòu)

機座是交流同步發(fā)電機的整體支架，用來固定電樞并和前后兩端蓋一道支承轉(zhuǎn)子。其機座通常有鑄鐵鑄造和鋼板焊接兩種。鑄鐵鑄造的機座內(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，機座下部鑄有底腳，以便將發(fā)電機固定。機座上一般有電源出線盒，其位置通常在機座的右側(cè)面(從軸伸端看)或者位于機座上部，出線盒內(nèi)裝有接線板，以便于引出交流電源。位于機座上部的出線盒一般均裝有勵磁調(diào)節(jié)器，用于調(diào)節(jié)勵磁電壓。鋼板焊接結(jié)構(gòu)的機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。

定子鐵心是交流同步發(fā)電機磁路的一部分。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整圓形鐵心，拼接時把每層硅鋼片的接縫互相錯開。較大容量發(fā)電機的鐵心，為了增加散熱面積，通常沿軸向長度上留有數(shù)道通風溝。有些發(fā)電機的定子和轉(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。

定子繞組是交流同步發(fā)電機定子部分的電路。定子繞組由線圈組成，線圈采用高強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)計確定。線繞型式有雙層迭繞、單層鏈式及單雙層式等。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)電機在運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，然后把整個電樞進行絕緣處理，使電樞成為一個堅固的整體。

②交流勵磁機定子

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

發(fā)電機勵磁機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，每個磁極均套有集中式的勵磁線圈，并用槽楔固定，然后進行浸漆烘干絕緣處理。另一種是用硅鋼片疊壓而成，其勵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磁定子鐵心上，并用銷釘固定。

發(fā)電機勵磁機的定子繞組也有多種做法。有的發(fā)電機勵磁機的定子繞組有兩套勵磁繞組，即電壓繞組和電流繞組，具有電流復(fù)勵作用，以改善發(fā)電機性能和增大過載能力。為了便于起勵，有的勵磁機勵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行磁隔離。勵磁機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座配合，與柴油發(fā)電機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)電機的端蓋用鑄鐵鑄造，而大功率發(fā)電機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)焊接成一個整體形成轉(zhuǎn)子鐵心。這種結(jié)構(gòu)的特點有三：

第一，勵磁繞組直接繞在磁極上，散熱效果好，機械強度高;

第二，沒有第二氣隙，可減小勵磁的安匝數(shù);

第三，制造時安放阻尼繞組方便。

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)運行性能和承受不平衡負載運行及消除振蕩的能力。

②磁極繞組

同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子的磁極繞組用絕緣的銅線繞成，與極身之間有絕緣。各磁極上勵磁繞組間的連接通過勵磁電流后，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堅固的整體。

凸極式磁極繞組一般采用矩形截面的高強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，而后整體用機械方法繞制線圈，最后經(jīng)F級絕緣浸烘處理，形成堅固的磁極整體，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、機械強度和可靠性高等特點。

③轉(zhuǎn)軸

同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)軸一般用特定規(guī)格的鋼制作加工而成。在發(fā)電機的軸伸端，通過軸上的聯(lián)軸器與發(fā)動機對接。由此可知，它是將機械能變?yōu)殡娔艿年P(guān)鍵零件，因而，它必須具有很高的機械強度和剛度。有些發(fā)電機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)電機轉(zhuǎn)軸焊有驅(qū)動盤和風扇安裝板以便安裝柔性聯(lián)接盤和冷卻風扇。

④軸承

發(fā)電機一般采用兩支承式，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號鋰基脂進行潤滑，并在軸承兩邊用軸承蓋密封，平時維護檢修時應(yīng)注意清潔，以減小其振動和噪聲。

⑤交流勵磁機的電樞

無刷同步發(fā)電機是利用交流勵磁機產(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)電機勵磁用。交流勵磁機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)電機的交流勵磁機裝在后端蓋外部，靠電樞支架固定在轉(zhuǎn)軸上，這種結(jié)構(gòu)使發(fā)電機軸向長度加長;有些發(fā)電機的交流勵磁機電樞則裝在后端蓋內(nèi)部，直接套在轉(zhuǎn)軸上，可使整機軸向長度縮短。

⑥旋轉(zhuǎn)整流器

旋轉(zhuǎn)整流器是與交流勵磁機同軸旋轉(zhuǎn)的裝置。其主要作用是將交流勵磁機電樞輸出的三相交流勵磁電流，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)電機的應(yīng)用更加廣泛。有些交流同步發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)整流器安裝在交流勵磁機的外側(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)，直接固定于勵磁機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)電機運行的可靠性，其整流二極管用正、反燒兩種管型，兩者正負極正好相反，便于接線。

⑦風扇

發(fā)電機運行時將產(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，對機組甚至人身造成危險。因此發(fā)電機轉(zhuǎn)軸上通常裝有風扇進行通風冷卻。為了提高通風效率，通常采用裝在前端蓋內(nèi)的后傾式離心風扇。對專配的柴油發(fā)電機組也有裝在前端蓋外的，風扇裝在軸伸的半聯(lián)軸器上。在發(fā)電機運行過程中，冷空氣由后端蓋和機座兩側(cè)進入發(fā)電機內(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排出機外，以保證其溫升控制在允許范圍內(nèi)。

同步發(fā)電機的額定值及其型號

1.同步發(fā)電機的額定值

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

(1)額定容量S_N 與額定功率P_N發(fā)電機的額定容量是指在額定運行條件(長期安全運行情況)下，發(fā)電機出線端輸出的最大允許視在功率。單位為千伏安(kVA)。發(fā)電機的額定功率是指在額定運行條件下，發(fā)電機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)電機而言，額定容量(其中，U_N與I_N分別為發(fā)電機的額定電壓和額定電流)，額定功率 (其中，為發(fā)電機的額定功率因數(shù));對于三相發(fā)電機而言，。

(2)額定電壓U_N

三相同步發(fā)電機的額定電壓是指在額定運行條件下，定子繞組三相線間的電壓值;單相同步發(fā)電機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)電機的額定電流是指在額定運行條件下，流過定子的線電流;單相同步發(fā)電機的額定電流指流過定子的相電流。單位為安(A)或千安(kA)。在此值運行，發(fā)電機線圈的溫升不會超過允許范圍。

(4)功率因數(shù) 在額定運行條件下，發(fā)電機的有功功率和視在功率的比值，即額定運行時發(fā)電機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)電機的銘牌上標有其額定功率(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)。一般電機的。

(5)額定頻率f_N 在額定運行條件下，發(fā)電機輸出的交流電頻率。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 在額定運行條件下發(fā)電機每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)，單位為轉(zhuǎn)/分()。

(7)相數(shù)m

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

在發(fā)電機的銘牌上，除了上述額定值外還有其它運行數(shù)據(jù)，例如發(fā)電機額定負載時的溫升( )、額定勵磁電壓(U_FN)和額定勵磁電流(I_FN)等。

2.同步發(fā)電機的型號

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

(1)自帶同軸直流勵磁機的同步發(fā)電機型號如下：