新聞主題	斯坦福無刷同步發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)

 

摘要：康明斯公司旗下的斯坦福品牌（Stamford）無刷發(fā)電機由兩臺發(fā)電機構(gòu)成，一臺作為勵磁機，另一臺為主發(fā)電機，還有二極管（或晶閘管）構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)整流器。無刷同步發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)按照靜止和轉(zhuǎn)動分為兩大部分。其中靜止部分包括機座、定子鐵芯、定子繞組、交流勵磁機定子和端蓋等；而轉(zhuǎn)動部分包括轉(zhuǎn)子鐵芯、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(fēng)扇等。除了了解發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)組成外，康明斯公司在本文還對斯坦福發(fā)電機的按照和使用進行了詳細(xì)的說明。

 

一、發(fā)電機靜止部分

 

1、定子

      定子由機座、定子鐵芯和定子繞組所組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。定子鐵芯及定子繞組是產(chǎn)生感應(yīng)電勢和感應(yīng)電流的部分，故亦稱其為電樞，其電路如圖2所示。

 

圖1    斯坦福無刷交流發(fā)電機結(jié)構(gòu)圖

圖2    同步無刷發(fā)電機電路圖

 

① 機座

      機座是發(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。發(fā)電機的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

② 定子鐵芯

      定子鐵芯是發(fā)電機磁路的一部分。為了減小旋轉(zhuǎn)磁場在定子鐵芯中所引起的渦流損耗和磁滯損耗，定子鐵芯采用導(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。鐵芯開有均勻分布的槽，以嵌放電樞繞組。為了提高鐵芯材料的利用率，定子鐵芯常采用扇形硅鋼片拼疊成一個整圓形鐵芯，拼接時把每層硅鋼片的接縫互相錯開。較大容量的發(fā)電機鐵芯，為了增加散熱面積，通常沿軸向長度上留有數(shù)道通有些發(fā)電機的定子和轉(zhuǎn)子均采用硅鋼片沖制，其定子鐵芯是用整圓硅鋼片疊壓，再與壓圈一道用C02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。

③ 定子繞組

      定子繞組是發(fā)電機定子部分的電路。定子繞組由線圈組成，線圈采用高強度聚酯漆包圓銅線繞制，并按一定方式連接，嵌人鐵芯槽中。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。線繞形式有雙層疊繞、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。

      定子繞組嵌放在鐵芯槽中（如圖3所示），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芯出現(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。

      由于定子線圈在鐵芯槽內(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、端蓋

      端蓋與機座配合后用于支承轉(zhuǎn)子，因此在端蓋中心有軸承室圓孔，以便裝軸承（如圖4所示）。端蓋的端面有止口與機座配合，與柴油機專配的發(fā)電機在軸伸端的端蓋兩端面，均有端面止口。所有這些止口與軸承室的同軸度加工精度要求高，以便保證轉(zhuǎn)子裝配后的同軸度要求。

 

 

圖3    斯坦福發(fā)電機主機定子三維圖

圖4    發(fā)電機端蓋結(jié)構(gòu)圖

 

 

二、轉(zhuǎn)動部份（轉(zhuǎn)子）

 

      轉(zhuǎn)子一般包括轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵心（磁極鐵心）、轉(zhuǎn)子線圈（磁極繞組）、軸承、風(fēng)扇、交流勵磁機電樞、旋轉(zhuǎn)整流器等，其三維示意圖如圖5所示。

1、轉(zhuǎn)軸

      轉(zhuǎn)軸一般由45號鋼加工而成。通過軸伸上的聯(lián)軸器與原動機對接。它是將機械能變成電能的關(guān)鍵零件，因此要求具有一定的機械強度和剛度。轉(zhuǎn)軸根據(jù)各不同零部件的配合要求加工各部分的尺寸和精度，軸伸部分則按照國家標(biāo)準(zhǔn)。

2、轉(zhuǎn)子鐵心

      轉(zhuǎn)子鐵心（磁極鐵心）一般用1mm厚的低碳鋼板沖制的磁極沖片迭壓成的。

（1）分離凸極式

       磁極沖片迭壓緊后用鉚釘和壓板鉚合在一起制成磁極鐵心。磁極鐵心套上磁極線圈后，用磁極螺釘固定在磁扼上。磁極螺釘也用45號鋼制造。

（2）整體凸極式

      TFE系列無刷發(fā)電機采用整體凸極式?jīng)_片，這種結(jié)構(gòu)，磁極和磁軛為一體，用0.5mm硅鋼片整片沖出，然后直接與端板、鉚釘以及阻尼條、阻尼環(huán)焊成一個整體形成轉(zhuǎn)子鐵心。

（3）隱極式

      把整圓的轉(zhuǎn)子沖片直接壓裝在轉(zhuǎn)軸上，兩端具有端板和支撐轉(zhuǎn)子線圈的支架，采用環(huán)鍵固定。為了削弱發(fā)電機電壓波形中的齒諧波分量，隱極式轉(zhuǎn)子鐵心做成斜糟。同時，為提高并聯(lián)運行性能和承受不平衡負(fù)載運行能力，在鐵心齒部沖有阻尼孔，埋設(shè)阻尼繞組。

3、轉(zhuǎn)子線圈

      轉(zhuǎn)子線圈亦稱磁極繞組。

（1）隱極式繞組

      采用單層同心式繞組，一般用漆包圓銅線繞制。在轉(zhuǎn)子槽中安好絕緣后嵌入轉(zhuǎn)子線圈，而后端部用玻璃纖維管與支架扎牢，再用無紡玻璃纖維帶沿圓周捆扎，最后整體浸烘絕緣漆，成一堅固的整體。

（2）凸極式繞組

      一般采用矩形截面的高強度聚酯漆包扁銅線繞制，亦有用聚醋漆包圓銅線繞制但其空間填充系數(shù)較差。

      凸極式磁極繞組為集中式繞組，對分離式凸極結(jié)構(gòu)發(fā)電機，在預(yù)先制好的鐵板框架四周包好云母板、玻璃漆布等絕緣，上下放上玻璃布板襯墊，而后連續(xù)繞制線圈，再浸烘絕緣漆，最后直接套在磁極鐵心上，再用磁極螺釘固定在磁軛上。對整體凸極式而言，在預(yù)先鉚焊好的整體轉(zhuǎn)子上，在極身四周包好絕緣，而后整體用機械繞上線圈，最后經(jīng)F 級絕緣浸烘處理，形成一個堅固的磁極整體，最后用熱套法套入轉(zhuǎn)軸。這種線圈結(jié)構(gòu)散熱條件好，絕緣和機械強度高，可靠性好。

4、軸承

發(fā)電機一般是兩支承式，在轉(zhuǎn)軸兩端裝有軸承。軸承外圈固定在兩端蓋的軸承室或軸承套內(nèi)。根據(jù)受力情況，軸伸端（即傳動端）用滾柱軸承，非傳動端用滾珠軸承。軸承加有軸承潤滑脂。所有軸承兩邊都用軸承蓋密封，潤滑脂常用3號鋰基脂。軸承與轉(zhuǎn)軸是過盈配合，軸承用熱套法套入轉(zhuǎn)軸。軸承外圈與端蓋（或軸承套）采用過渡配合。為了減少振動和噪聲，裝配軸承切忌敲打，并注意保持清潔。TFE系列發(fā)電機，在原動機可承載能力條件下，還有采用單軸承結(jié)構(gòu)型式。此時僅在非傳動端裝置一個軸承（自動調(diào)心），這使電機節(jié)省了一個軸承，并使整機軸向長度縮短。

5、風(fēng)扇

      發(fā)電機運行時，由于各種損耗而發(fā)熱，因此必須進行通風(fēng)冷卻。中小型發(fā)電機采用在軸上裝風(fēng)扇進行冷卻。風(fēng)扇采用離心式，為了提高效率，風(fēng)扇常采用后傾式離心風(fēng)扇。風(fēng)扇有鑄鋁和鋼板焊接兩種。一般裝在前端蓋內(nèi)，對專配柴油機組的也有裝于前端蓋外的，此時風(fēng)扇裝在電機軸伸上的半聯(lián)軸器上。發(fā)電機運行過程中，冷空氣由后端蓋和機座兩側(cè)進入電機內(nèi)部，冷卻電樞繞組、磁極繞組、定轉(zhuǎn)子鐵心等，而后通過前端蓋的蓋板窗孔把熱風(fēng)排出機外，使電機的溫升控制在允許的范圍內(nèi)。

6、交流勵磁機電樞

      無刷同步發(fā)電機利用交流勵磁機的電樞，經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器變成直流供給發(fā)電機磁場使用。交流勵磁機電樞鐵心用硅鋼片迭壓而成，然后嵌以三相交流繞組，并經(jīng)絕緣處理形成電樞。TFW系列發(fā)電機交流勵磁機電樞一般裝在后端蓋的外部，靠電樞支架固定在轉(zhuǎn)軸上，這種結(jié)構(gòu)使電機軸向長度加長；而TFE系列交流勵磁機電樞則裝在后端蓋內(nèi)部，它直接套在轉(zhuǎn)軸上，使整機軸向長度縮短、緊湊。

7、旋轉(zhuǎn)整流器

       TFW系列發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)整流器裝置于交流勵磁機外側(cè)，用螺釘固定在轉(zhuǎn)軸上，便于維修與安裝。旋轉(zhuǎn)整流器有三相半波或三相全波兩種。三相半波有三個旋轉(zhuǎn)硅二極管，三相全波有六個旋轉(zhuǎn)整流管，裝在一塊公共的絕緣安裝板上。如圖6所示，為安裝方便起見，三相全波用的旋轉(zhuǎn)整流管有正反燒兩種管型，即兩種正負(fù)極剛好相反，這種接法可以減少彼此之間的連線，可靠性好。為了保護旋轉(zhuǎn)硅整流管在運行中偶然因過電壓擊穿而損壞，在旋轉(zhuǎn)整流器上還并有壓敏電阻，以吸收線路上可能的過電壓。TFE系列發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)整流器安裝在后端蓋內(nèi)側(cè)，它直接固定于勵磁機電樞鐵心伸出的螺栓上，布置緊湊。

 

圖5    斯坦福發(fā)電機主機轉(zhuǎn)子三維圖

圖6    斯坦福發(fā)電機整流盤接線圖.

 

三、斯坦福發(fā)電機使用說明

 

      發(fā)電機的供貨范圍有效性的完全取決于康明斯公司樣本和報價單。發(fā)電機的基礎(chǔ)設(shè)計是開路冷卻、無刷、低壓、頂部安裝勵磁控制裝置的同步發(fā)電機。發(fā)電機非驅(qū)動端端蓋內(nèi)側(cè)軸上裝有勵磁機。勵磁機產(chǎn)生的交流電被整流并供給主機的轉(zhuǎn)子繞組。軸帶勵磁機的勵磁電流是由主機通過頂部安裝的勵磁控制裝置和可控硅電壓調(diào)節(jié)器供給的。

1、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

      斯坦福發(fā)電機符合DIN標(biāo)準(zhǔn)的VDE0530的要求，同時也符合不同船級社的要求及國外的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則。除非有另外聲明，否則發(fā)電機的持續(xù)輸出功率是指在50Hz，冷卻空氣溫度為40℃以及海拔高度1000m情況下。

（1）防護等級

      DIN 40050或IEC34-5標(biāo)準(zhǔn)中的發(fā)電機基礎(chǔ)設(shè)計的防護等級是IP23。這類發(fā)電機只適合在室內(nèi)運行并且可以帶濾器盒或通風(fēng)管連接。閉路冷卻的發(fā)電機防護等級按照防護等級IP54要求。

（2）結(jié)構(gòu)型式

      通常，可提供雙軸承（DIN42950標(biāo)準(zhǔn)的B3或B20結(jié)構(gòu)）或單軸承（DIN42950標(biāo)準(zhǔn)的B2或B16結(jié)構(gòu)）的發(fā)電機。發(fā)電機的結(jié)構(gòu)型式在尺寸圖中表示。

2、冷卻和通風(fēng)

（1）發(fā)電機的基礎(chǔ)設(shè)計是通過安裝在發(fā)電機內(nèi)部驅(qū)動端軸上的風(fēng)扇自通風(fēng)。

（2）冷卻空氣進入頂部（在非驅(qū)動端）冷卻勵磁裝置隨后冷卻勵磁機和主機的繞組及鐵芯。

3、接線

      核實銘牌上的電壓等級數(shù)據(jù)，選擇與額定電流相匹配的電纜規(guī)格。按照工作圖中的原理圖接線，接線盒外形如圖7所示。在蓋上接線盒之前，請檢查：

（1）內(nèi)部清潔及任何電纜上脫落的碎屑。

（2）連接電纜的螺栓及螺絲是否緊固，不使用的進線口用螺旋塞封死。

（3）最小維修空間（500V時>10mm，1千伏時>14mm，6千伏時>60mm；檢查所有電纜的端部）。

      為滿足規(guī)定的防護等級，檢查出線盒的各密封面是否都完好。如果在密封處只是金屬相互接觸，接觸表面應(yīng)該擦拭干凈，并涂上一薄層潤滑脂。

4、絕緣測試

      使用之前和長期存放后或備機時必須用測量發(fā)電機的絕緣，檢測方法如圖8所示。在尚未顯示出最終的絕緣電阻之前，不要停止通電測量工作（對于高壓發(fā)電機來說，這種過程可能要持續(xù)一分鐘）。最小絕緣電阻和臨界絕緣電阻的極限值（在繞組溫度為25℃時測量）和測量電壓的極限值可從表1中得出。

表1     發(fā)電機絕緣測試

 

5、發(fā)電機受潮烘干方法

      新的、干燥的繞組的絕緣電阻值在100MΩ至2000MΩ之間或更高。如果絕緣電阻處于最小值范圍內(nèi)，那么可能是由于受潮或有灰塵的緣故。如果絕緣電阻降到低于最小值時，則要找出原因并將繞組烘干。

（1）用暖氣爐烘干時：打開軸承蓋抽出轉(zhuǎn)子，拆下二極管變阻器和勵磁裝置部分。

（2）按照表2中的溫度烘烤：熱量應(yīng)該慢慢地供給，達(dá)到所需溫度的時間不能低于6小時。加熱之前必須測量絕緣電阻，此后每隔6至8小時測量一次。

表2    發(fā)電機絕緣烘干溫度

備注："F"級和"H"級絕緣設(shè)備必須在溫度升至絕緣烘干溫度之前，用70%的規(guī)定溫度烘烤大約6 小時（消除繞組中的蒸汽）。

      干凈的繞組的絕緣電阻主要取決于溫度：溫度每升高10K，絕緣電阻降低一半。例如，當(dāng)溫度升高50K時（從25℃至75℃），絕緣電阻值降至原有值的三十分之一。在運行期間繞組的絕緣電阻可能因為環(huán)境及運行條件而降低。在繞組溫度為25℃時，絕緣電阻的臨界值可通過額定電壓（KV）與表格內(nèi)的臨界電阻值的比值（MΩ/kV）相乘來得出。

      例如：額定電壓為660V時的臨界電阻為：

0.66KV×0.5MΩ/kV=0.33MΩ

      在運行期間如果測得的絕緣電阻值高于計算出的臨界數(shù)值，則發(fā)電機可以繼續(xù)運行。但是若測得的值達(dá)到或低于臨界電阻值時，就要將繞組烘干，或取出轉(zhuǎn)子，徹底擦凈繞組并且烘干。如果測得的值接近臨界電阻值時，那就需要在較短的時間間隔里多次檢查絕緣電阻值。對于低壓發(fā)電機來說，如果絕緣電阻先前已經(jīng)用最大測量電壓500V測量過且未見降低到低于容許值，這才可允許用1000V的測量電壓來測量絕緣電阻。

6、振動

      用作柴油發(fā)電機組的電機，由于輸出脈沖力矩傳給發(fā)電機。軸承端允許的振動強度如表3所列。

表3    發(fā)電機軸承端允許的振動強度

      滾柱軸承、角面接觸滾珠軸承和雙滑動軸承的發(fā)電機用軸承座定位，以在運輸過程中保護軸承。在傳輸元件裝好之前不要移開軸承座。如果傳輸元件裝好不得不再運輸發(fā)電機時，必須配置其它適當(dāng)尺寸的軸承座。如果發(fā)電機到達(dá)后不立即使用，應(yīng)貯藏在干燥沒有振動的室內(nèi)。

7、安裝

（1）發(fā)電機安裝場所必須是冷卻空氣進口和出口都暢通無阻，排出的熱廢氣不能再重新吸入。

（2）百葉窗開口應(yīng)朝下以確保防護等級。移開軸承座（適宜的時候）。遵照附在軸伸端或接線盒上的說明。在軸伸嵌入的半個導(dǎo)向鍵以使轉(zhuǎn)子達(dá)到動態(tài)平衡。

（3）將發(fā)電機仔細(xì)地進行對中，對軸上的部件精確地進行平衡校驗，以確保能平穩(wěn)無振動地運行。如有需要，可在底腳下面放些薄墊片，以防發(fā)電機扭曲變形。

（4）只有使用適合的專用工具，才能拆裝發(fā)電機的傳動部件。導(dǎo)向鍵在船運的時候需扎牢防止脫落。如果傳輸部件沒有安裝，發(fā)電機不允許起動。

8、維護

      為防止觸及旋轉(zhuǎn)部件和帶電部件以及為進行適當(dāng)導(dǎo)風(fēng)（以使冷卻效果更好）而裝設(shè)的各種蓋子，在發(fā)電機運行過程中是不允許打開的。在進行發(fā)電機的任何維修工作之前，務(wù)必使發(fā)電機與電源脫開，并有防止發(fā)電機被意外起動的防范措施。

（1）定期凈化冷卻空氣通道，根據(jù)臟污的程度，用無油膩的壓縮空氣將灰塵吹掉。

（2）常規(guī)的檢修期間只需對全封閉風(fēng)扇冷卻式發(fā)電機的內(nèi)部進行凈化就可以了。

（3）如果灰塵或潮氣滲入端子盒內(nèi)，應(yīng)仔細(xì)地擦凈并烘干端子盒，尤其是絕緣部件的表面，檢查密封部件并排除密封不良的原因。

9、檢查

      發(fā)電機運行大約500小時之后需要進行第一次檢查。根據(jù)污染程度決定在適當(dāng)?shù)臅r期清理冷卻風(fēng)道。下列檢查同時進行：

（1）機器運行要平穩(wěn)轉(zhuǎn)子校準(zhǔn)應(yīng)該在公差之內(nèi)地基無凹陷和破裂。

（2）所有機械和電氣連接螺栓都已緊固繞組絕緣良好（與前面所述的數(shù)據(jù)比較）軸承絕緣無任何損壞。對失效的螺栓和舊緊固件必須更換。

（3）第一次檢查之后，所有由于冷卻空氣流動而變臟的部件的檢修周期視當(dāng)?shù)氐倪\行環(huán)境而定。應(yīng)使用干燥的壓縮空氣清潔部件。更換油脂，重新注油等要求見發(fā)電機上的潤滑銘牌或軸承的補充說明。

（4）拆卸發(fā)電機的時候必須做下列檢查：定子和轉(zhuǎn)子鐵芯的楔形塊緊固；繞組、連接導(dǎo)線和絕緣部分符合要求無污漬；按照說明書中的安裝要求重新組裝。

 

圖7  發(fā)電機接線盒結(jié)構(gòu)示意圖

圖8  發(fā)電機絕緣測試儀檢測示意圖.

 

總結(jié)：

      無刷同步發(fā)電機是一種采用電子換向技術(shù)實現(xiàn)自激勵的同步發(fā)電機。與傳統(tǒng)的同步發(fā)電機相比，無刷同步發(fā)電機最大的優(yōu)勢在于無需用機械刷子來換向，因此可以避免機械刷子帶來的摩擦和噪音，并大幅度提高了發(fā)電機的可靠性。總之，無刷同步發(fā)電機是目前新型發(fā)電技術(shù)中較為先進的一種，它有著可靠性高、噪音低、效率高等優(yōu)點。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，特別是永磁發(fā)電機將逐漸取代傳統(tǒng)的同步發(fā)電機，成為未來柴油發(fā)電機組行業(yè)的主導(dǎo)技術(shù)之一。

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