无刷交流同步发电机的结构和特点
|
新闻主题
|
无刷交流同步发电机的结构和特点
|
摘要：康明斯KTA系列或NT系列柴油发电机与西门子1FC5系列无刷交流同步发电机配套的机组；奔驰MTU系列与LSA系列无刷同步发电机组；三菱重工MGS系列柴油发电机组及道依兹风冷柴油发电机与IFC6系列无刷同步发电机配套的机组等。这些机组的无刷交流同步发电机，其结构大同小异，不论是凸极式还是隐极式可分为两大部分。即静止部分称为定子，它包括机座、定子铁心、定子绕组、端盖、轴承盖及交流励磁机的定子等组成；转动部分称为转子，它包括转子铁心、磁极绕组、转轴、轴承、风扇、交流励磁机的电枢及旋转整流器等组成。下面就述柴油发电机组配用的无刷交流同步发电机的结构和特点进行分析。
一、无刷同步发电机的结构
TFE系列和TFW系列无刷同步发电机与康明斯柴油发电机配套的机组，其结构如图1和图2所示。TFE系列和TFW 系列发电机结构分述如下。
1、静止部分
（1）定子
定子由机座、定子铁心、定子绕组所组成。定子铁心和定子绕组是产生感应电势、电流的部分，故又称为电枢。
① 机座
机座是发电机的整体支架，用来固定电枢和前后端盖一起支承转子。
发电机的机座通常有铸铁铸造和钢板焊接两种。LFW系列无刷发电机多为铸铁结构，机座内壁分布筋条用以固定电枢，两端面有止口和螺孔，与端盖配合固定，机座下部铸有底脚，以供发电机固定在底架或基础上。机座上一般都有出线盒，其位置通常在机座的右侧面（从轴伸出端看）或位于机座上部。出线盒内装有接线板，以便引出交流电等。位于机座上部的出线盒一般均装有励磁调节器。
TFE系列无刷发电机的机座是钢板焊接结构。它由几块罩式钢板、端环及底板焊接而成具有省工省料、重量轻、造型新颖等特点。
② 定子铁心
定子铁心是发电机磁路的一部分。为了减小涡流损耗，铁心采用0.5mm厚两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。铁心开有均匀分布的槽，以嵌放电枢绕组。
为了提高铁心材料的利用率，定子铁心常采用扇形硅钢片拼叠成一个整圆形铁心，拼接时把每层硅钢片的接缝互相错开。较大容量的发电机铁心，为增加散热面积，通常沿轴向长度上留有数道通风沟。
TEF系列发电机的定子和转子均采用硅钢片冲制，其定子铁心是用整圆硅钢片叠压，再与压圈一道用CO2气体保护焊接成一体。这种结构具有材料利用率高、容易加工的特点。
③ 定子绕组
定子绕组由线圈组成，线圈采用高强度聚酯漆包圆铜线绕制，并按一定的方式连接，嵌入铁心槽中。线圈采用导线的规格、线圈匝数、并联路数等由设计确定。绕组形式有双层叠绕、单层链式及单双层式等。三相绕组应对称嵌放，彼此相互差120°电角度。
定子绕组嵌放在铁心槽中，必须要有对地绝缘、层间绝缘和相间绝缘。主绝缘材料多采用B板材料即D.M.D聚酯薄膜无纺布复合箔，F级绝缘采用N.M.N材料。
由于定子线圈在铁心槽内受到交变电磁力及平行导线之间的电动力作用，造成线圈移动或振动，因此，线圈必须紧固。一般用玻璃布板做槽楔在槽内压紧线圈，并且在两端部用玻璃纤维带扎紧，然后把整个电枢进行绝缘处理，使电枢成为一个坚固的整体。
（2）端盖
由于端盖与机座配合后用来支承转子，因此，在端盖的中心处应开有轴承室圆孔，以供安装轴承。端盖的端面有止口与机座配合，与柴油发电机专配发电机在轴伸出端的端盖两端面，均有端面止口，以保证转子装配后同轴度的要求。TFW系列发电机的端盖用铸铁铸造，而TFE系列发电机的端盖则采用钢板焊接而成。
（3）交流励磁机定子
交流励磁机产生的交流电，是经旋转整流器整流后，供同步发电机励磁用的。为了免去励磁机与旋转磁极式发电机用电刷、滑环提供励磁电流，因此，交流励磁机的定子为磁极，而转子为电枢。对于TFW系列发电机励磁的定子铁心用1mm低碳钢板制成。它有若干对磁极，每个磁概均套有集中式的励磁线圈，并用槽楔固定，然后进行浸漆烘干绝缘处理。
TFE系列发电机的励磁机定子铁心是用硅钢片叠压而成，其励磁线圈先在玻璃布板预制的框架上绕制，经浸漆绝缘处理后套在励磁定子铁心上，并用销钉固定。此系列发电机的励磁机定子绕有两套的励磁绕组，即电压绕组和电流绕组，具有电流复励作用，以改善发电机调压性能和增大过载能力。为便于起励，该励磁机励磁的定子铁心里埋设三块永久磁钢。为防止漏磁，磁钢与定子铁心之间用绝缘纸板进行磁隔离。励磁机的定子均用紧固螺钉或环键固定在后端后的铸造临条上或焊接在支承件上。
2、转动部分
发电机的转动部分称为转子。它包括转子铁心、磁极绕组、转轴、轴承、风扇、交流励磁机电枢和旋转整流器等组成。
（1）转子铁心
对于TFW系列转子铁心是用1mm厚的低碳钢板冲制的磁极冲片叠压而成的。
① 分离凸极式
磁极冲片叠压紧后用铆钉和压板铆合在一起制成磁极铁心。磁极铁心套上磁极线圈后，用磁极螺钉固定在磁轭上或者用45号钢制的螺钉固定。
② 整体凸极式
PFE系列无刷发电机采用整体凸极式冲片，这种磁极结构，是磁极和磁瓶为一体，用0.5mm硅钢片整片冲出，然后直接与端板、铆钉及阻尼条、阻尼环焊接成一个整体形成转子铁心。这种结构的特点如下。
♦ 励磁绕组直接绕在磁极上，散热好，而且机械强度高。
♦ 没有第二气隙，可减少励磁的匝数。
♦ 制造时安放阻尼绕组方便。
③ 隐极式转子
这种结构是将整圆的转子冲片直接装在转轴上，其两端有端板和支架来支排转子线圈，并用环键固定。为了削弱发电机输出的电压波形中出现的齿谐波分量，隐极式转子铁心通常做成斜槽，并且在铁心齿部冲有阻尼孔，供埋设阻尼绕组，以提高并联运行性能和承受不平衡负载运行及消除振荡的能力。
（2）磁极绕组
① 隐极式磁极绕组
隐极式磁极一般均采用单层同心式绕组，用漆包圆铜线绕制。制造时先在转子铁心槽中放好绝缘材料，然后将磁极绕组放入槽内，并在后端部用玻璃纤维管与支架扎牢，再用无纬玻璃纤维带沿圆周捆扎，最后整体浸漆烘干成为一个坚固的整体。
② 凸极式磁极绕组
凸极式磁极绕组一般采用矩形截面的高强度聚酯漆包扁铜线绕制或者用聚酯漆包圆铜线绕制，但空间填充系数较差。
由于凸极式磁极绕组是集中式绕组，因此，可在预先制好的铁板框四周包好云母板、玻璃涞布等绝缘材料，上下放上玻璃布板衬垫，然后连续绕制线圈，再浸烘绝缘漆，最后将成形磁极线组套在磁极铁心上，再用螺钉固定在磁轭上。
对于整体凸极式是在预先铆焊好的整体转子上，将极身四周包好绝缘，而后整体用机械方法绕制线圈，最后经F级绝缘浸烘处理，形成坚固的磁极整体，用热套方法套入转轴。这种线结构，散热条件好，绝缘性能佳，机械强度和可靠性高。
（3）转轴
同步发电机的转轴一般用45号钢制作加工而成。在发电机的轴伸端，通过轴上的联轴器与动机对接。由此可知，它是将机械能变为电能的关键零件，因而，它必须具有很高的机械强度和刚度。
TFW系列50kW以下的发电机，往往在轴上还热套有磁轭，用以装配磁极铁心和绕组。TFE系列无刷发电机转轴焊有驱动盘和风扇安装板以便安装柔性连接盘和冷却风扇。
（4）轴承
发电机一般采用两支承式，即在转轴两端装有轴承。根据受力情况，其传动端采用滚柱轴承，非传动端采用滚珠轴承。轴承与转轴是过盈配合，轴承用热套法套入转轴。轴承外圈与端盖（或轴承套）采用过渡配合，并固定在两端盖的轴承室或轴承套内。
轴承通常采用3号锂基脂进行润滑，并在轴承两边用轴承盖密封，注意清洁以减小振动和噪声。
（5）风扇
发电机运行时将产生各种损耗并以热量散发而引起发热，通常中小型发电机在转轴上装有风扇进行通风冷却。为了提高通风效率，采用后倾式离心风扇，一般装在前端盖内。对专配的柴油发电机组也有装在前端盖外的，风扇装在轴伸的半联轴器上。这样在发电机运行过程中，冷空气由后端盖和机座两侧进入发电机内部，吸收电枢绕组、磁极绕组、定子与转子铁心等的热量，然后通过前端盖盖板上的窗孔将热风排出机外，以保证发电机的温升控制在允许范围内。
（6）交流励磁机的电枢
无刷同步发电机是利用交流励磁机的电枢产生的交流电，经旋转整流器整流变成直流电，供交流发电机励磁用。
交流励磁机电枢铁心用硅钢片叠压而成，然后嵌以三相交流绕组，并经绝缘处理形成电枢。TFW系列发电机交流励磁机装在后端盖的外部，靠电枢支架固定在转轴上，这种结构使发电机轴向长度加长；TFE系列交流励磁机电枢则装在后端盖内部，直接套在转轴上，可使整机轴向长度缩短。
（7）旋转整流器
旋转整流器与交流励磁机同轴旋转的装置。TFW系列发电机旋转整流器装在交流励磁机外侧，用螺钉固定在转轴上，便于安装和维修。TFE系列发电机的旋转整流器则装在后端盖的内侧，直接固定于励磁机电枢铁心伸出的螺栓上，使结构更为紧凑。
旋转整流器电路有三相半波和三相桥式整流两种。无论哪种电路，其旋转的硅二极管均安装在公用的绝缘板上。若采用三相桥式整流电路，为便于安装，减少整流元件之间的连接线，提高发电机运行的可靠性，其整流二极管用正、反两种管型，两者正负极正好相反，便于接线。
图1 TFE系列无刷交流同步发电机的结构
图2 TFW系列无刷交流同步发电机的结构
二、无刷发电机的核心优势
1、低维护需求
（1）无电刷和滑环：传统有刷发电机依赖电刷与滑环传输励磁电流，长期运行会导致磨损，需定期更换。无刷设计消除了这些易损件，大幅降低维护频率和成本。
（2）长寿命：减少机械磨损部件，延长设备整体使用寿命，尤其适用于难以频繁维护的偏远或严苛环境。
2、高可靠性
（1）无接触火花风险：电刷与滑环接触可能产生火花，在易燃易爆环境（如石油平台、化工厂）存在安全隐患。无刷设计完全避免此类风险，提升安全性。
（2）抗污染能力强：无裸露接触点，灰尘、油污或潮湿环境对其影响较小，适合矿山、船舶等恶劣工况。
3、效率提升
① 减少能量损耗：电刷与滑环的接触电阻会导致能量损失（通常占1%-3%），无刷结构消除这部分损耗，提升整体效率。
② 低温运行：减少摩擦生热，降低散热需求，尤其在高负载或持续运行时表现更优。
4、结构紧凑与轻量化
（1）简化设计：移除电刷装置后，发电机结构更简洁，体积和重量相对减小，便于集成到空间受限的系统中（如车载发电、航空电源）。
（2）高功率密度：优化后的磁路和冷却设计可实现更高的功率输出与体积比。
5、低噪音与振动
电刷与滑环的持续接触会产生噪音和振动，无刷设计显著降低此类机械干扰，适合对噪音敏感的环境（如医院、住宅区备用电源）。
6、电磁兼容性（EMC）优化
电刷与滑环接触可能产生电弧，导致高频电磁噪声。无刷系统抑制此类干扰，适合精密电子设备供电或通信设施。
7、先进的励磁控制
（1）快速动态响应：通过旋转整流器和静态励磁机的组合，励磁调节更迅速，提升电网或负载突变时的稳定性。
（2）自动电压调节（AVR）：现代无刷发电机常集成智能AVR系统，确保输出电压精准，适应复杂负载需求。
8、宽适用范围
（1）高转速兼容性：无机械接触限制，适合与燃气轮机、高速柴油机等原动机直连，扩展应用至航空、高速机车等领域。
（2）恶劣环境适应：无需担心电刷氧化或腐蚀，在高温、高湿、盐雾等环境下性能更稳定。
总结：
无刷同步发电机通过消除电刷-滑环结构，在维护成本、可靠性、效率及环境适应性方面表现卓越，尤其适合对安全性、耐久性和运行稳定性要求苛刻的领域。尽管初期成本可能较高，但其长期运营效益显著，是现代化电力系统的优选解决方案。因此，无刷同步发电机因其独特的设计和运行原理，在多个应用场景中展现出显著优势。
---------------
■ 质量量方针
以最低的成本及时向用户提供产品和服务，始终如一地满足或超出客户提出的标准和要求。
■ 获取资讯
了解更多柴油发电机组的产品动态和资讯，请关注康明斯官网，官方互联网发布渠道：https://www.sgfdj.com
- 上一篇：配备柴油发电机组的目的、设置要求及标准
- 下一篇：同步发电机的电枢反应的性质
