性能特點和作用說明

有刷旋轉磁極式（凸極）同步發電機的結構

 

摘要：按發電機轉子結構的不同，同步發電機可分為隱極式和凸極式兩種，其中隱極式轉子呈圓形，轉速高，轉子直徑小，但長度長。而凸極式轉子具有突出的磁極，發電機的勵磁繞組繞在磁極上，轉速低。同步發電機的結構主要由定子和轉子兩部分組成，外殼由前蓋、中殼、后蓋整體結構件組成，起到構建電機整體結構的作用。但是外轉子無刷電機的外殼同時也是磁鐵的磁路通路，所以外殼必須是導磁性的物質構成。內轉子的外殼只是結構件，所以不限定材質。但是內轉子電機比外轉子電機多一個轉子鐵芯，這個轉子鐵芯的作用同樣也是起到磁路通路的作用。

 

一、發電機工作原理

 

      同步發電機是一種常見的發電設備，其工作原理如下：

1、 電磁感應

      同步發電機利用電磁感應的原理來產生電能。當發電機的轉子與定子相對旋轉時，會在定子的線圈中產生磁場，這個磁場會穿過線圈，導致線圈內的導體產生感應電流。

2、動態磁場

      發電機的轉子上通常有一組勵磁線圈，當這些線圈通過電流時，會在轉子上產生一個磁場。這個磁場與定子上的磁場相互作用，導致轉子相對定子旋轉。

3、同步

      當轉子旋轉并且頻率與電源頻率相匹配時，轉子上的勵磁磁場與定子的磁場同步。這個同步狀態允許電能從轉子傳輸到定子，產生輸出電能。

4、無刷式同步發電

      許多現代的同步發電機是無刷式的，即轉子上沒有刷子和滑環。這些發電機通過在轉子上嵌入永磁體，產生一個恒定的磁場。這種無刷式的設計減少了能量損耗和維護成本。

      總的來說，同步發電機的工作原理是利用電磁感應和磁場相互作用，將機械能轉化為電能。通過控制勵磁電流和轉子的旋轉速度，可以調節發電機的輸出電壓和頻率。這使得同步發電機成為一種重要的發電設備，廣泛應用于發電站、柴油發電機組等領域。

 

圖1  無刷勵磁發電機工作原理圖

圖2  有刷和無刷發電機對比圖

 

二、定子結構與作用

 

      發電機的定子是指發電機中的靜態部分，通常由鐵芯和繞組組成。與轉子不同的是，發電機的定子本身并不旋轉，但是卻起著至關重要的作用。發電機的定子通常接收外部電源的輸入，同時通過繞組產生磁場，從而激勵旋轉的轉子，實現電能的轉換。定子主要由鐵芯、繞組和機座三部分組成，是發電機電磁能量轉換的關鍵部件之一。

1、定子鐵芯

      定子鐵芯一般用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芯的渦流損耗。為了防止在運轉中硅鋼片受到磁極磁場的交變吸引力發生交變移動，同時避免因硅鋼片松動在運行中產生振動而將片間絕緣破壞引起鐵芯發熱和影響電樞繞組絕緣，所以，在制造電機時電樞鐵芯通過端部壓板在底座上進行軸向固定。

      空圓柱體，在其內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，中小型容量發電機的定子槽一般采用半開口槽。

2、電樞繞組

      發電機的電樞繞組由線圈組成。線圈的導線都采用高強度漆包線，線圈按一定的規律連接而成，嵌人定子鐵芯槽中。繞組的連接方式一般都采用三相雙層短距疊繞組。

3、機座

      機座用來固定定子鐵芯，并和發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剛度，以承受加工、運輸及運行中各種力的作用，兩端的端蓋可支承轉子，保護電樞繞組的端部。發電機的機座和端蓋大都采用鑄鐵制成。

 

三、轉子結構與作用

 

      發電機的轉子是指發電機中的旋轉部分，同時也是發電機中將機械能轉化為電能的主要部分。發電機的轉子通常使用導體（如銅等）制成，包裹著磁芯（如鋼等）。當轉子不斷旋轉時，磁場就會被導體切割，并產生電動勢，從而實現將機械能轉化為電能的目的。

1、磁鐵

      安裝在轉子上，是無刷電機的重要組成部分，無刷電機的絕大部分性能參數都與磁鐵相關，包括功率、轉速、扭矩等。

2、硅鋼片

      硅鋼片是有槽無刷電機的重要組成部分，當然，無槽無刷電機是沒有硅鋼片的，但是目前絕大多數的無刷電機都是有槽的。它在整個系統中的作用主要是降低磁阻、參與磁路運轉。

3、轉軸

      轉軸是電機轉子的直接受力部分，轉軸的硬度必須能滿足轉子高速旋轉的要求。

4、軸承

      軸承是電機運轉順暢的保證，軸承可以分為滑動軸承和滾動軸承，而滾動軸承又可以細分為深溝球軸承、滾針軸承和角接觸軸承等十大類，而目前大多數的無刷電機都是采用深溝球軸承。

 

P80發電機主轉子總成結構圖（單軸承）

P80發電機主轉子總成結構圖（雙軸承）

 

總結：

      發電機的轉子和定子在工作原理和結構上有很大的差別。轉子是發電機中的旋轉部分，而定子則是發電機中的靜態部分。同時，轉子是將機械能轉化為電能的主要部分，而定子則是通過產生磁場來激勵轉子的轉動，實現電能的轉換。另外，發電機的轉子和定子工作時需要相互配合并協同工作。如何保證轉子和定子的緊密配合和相互作用，使其在工作時可以高效地轉換電能，是發電機設計中的重要考慮因素。綜上所述，發電機的轉子和定子是發電機中至關重要的兩個部分，其結構和工作原理都非常復雜。只有深入理解轉子和定子的相互配合和作用，才能設計出更高效、更可靠的發電機。

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