新聞主題	圖解無刷發電機的結構

 

摘要：康明斯柴油發電機組通常配備均為無刷發電機，其基本結構分靜止和轉動兩大部分。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；轉動部分包括轉子鐵芯、磁極繞組、電機軸（轉軸）、軸承、交流勵磁機的電樞、旋轉整流器和風扇等。

 

一、靜止部分

 

1、定子

定子由機座、定子鐵芯和定子繞組所組成。定子鐵芯及定子繞組是產生感應電勢和感應電流的部分，故亦稱其為電樞。

（1）機座

機座是發電機的整體支架，用來固定電樞并和前后兩端蓋一道支承轉子。發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面（從軸伸端看）或者位于機座上部，出線盒內裝有接線板，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節器，用于調節勵磁電壓。

鋼板焊接結構的機座是由幾塊罩式鋼板、端環和底腳焊接而成，具有省工省料、重量輕和造型新穎等特點。

（2）定子鐵芯

定子鐵芯是發電機磁路的一部分。為了減小旋轉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。較大容量的發電機鐵芯，為了增加散熱面積，通常沿軸向長度上留有數道通風溝。

有些發電機的定子和轉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CO₂氣體保護焊接成一體。這種結構具有材料利用率高，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，嵌入鐵芯槽中。線圈采用導線的規格、線圈匝數和并聯路數等由設計確定。繞線形式有雙層疊繞、單層鏈式及單雙層式等。三相繞組應對稱嵌放，彼此相互差120°電氣角度。

定子繞組嵌放在鐵芯槽中，必須要有對地絕緣、層間絕緣和相間絕緣，以免發電機在運行過程中對鐵芯出現擊穿或短路故障。主絕緣材料主要采用聚酯薄膜無紡布復合箔，槽絕緣通常采用云母帶。

由于定子線圈在鐵芯槽內受到交變電磁力及平行導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

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

發電機勵磁機的定子鐵芯通常有兩種做法。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制的框架上繞制，經浸漆絕緣處理后套在勵磁定子鐵芯上，并用銷釘固定。

發電機勵磁機的定子繞組也有多種做法。有的發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，具有電流復勵作用，以改善發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芯里埋設有三塊永久磁鋼。為防止漏磁，磁鋼與定子鐵芯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子，因此在端蓋的中心處應開有軸承室圓孔，以供安裝軸承。端蓋的端面有止口與機座配合，與內燃機專配發電機在軸伸出端的端蓋兩端面均有端面止口，以保證轉子裝配后同軸度的要求。一般來說，小功率發電機的端蓋用鑄鐵鑄造，而大功率發電機的端蓋則采用鋼板焊接而成。

 

圖1 無刷同步交流發電機的基本結構

 

二、轉動部分

 

1、轉子鐵芯

旋轉磁極式發電機的轉子鐵芯可分為兩種形式：凸極式和隱極式。其中凸極式轉子鐵芯又可分為分離凸極式和整體凸極式兩種。

分離凸極式轉子鐵芯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芯。磁極鐵芯套在磁極線圈上后，用磁極螺釘固定在磁軛上或者用特定的鋼制螺釘固定。

整體凸極式轉子鐵芯采用整體凸極式沖片，這種磁極結構，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、阻尼條及阻尼環焊接成一個整體形成轉子鐵芯。這種結構有以下三個特點：

（1）勵磁繞組直接繞在磁極上，散熱效果好，機械強度高；

（2）沒有第二氣隙，可減小勵磁的安匝數；

（3）制造時安放阻尼繞組方便。

隱極式轉子是將整圓的轉子沖片直接裝在轉軸上，其兩端有端板和支架來支承轉子線圈，并用環鍵固定。為了削弱發電機輸出電壓波形中出現的諧波分量，隱極式轉子鐵芯通常做成斜槽，并且在鐵芯齒部沖有阻尼孔，供埋設阻尼繞組，以提高并聯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

同步發電機轉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以后，相鄰磁極的極性必然呈N與S交替排列。根據轉子鐵芯的結構形式可分為隱極式磁極繞組和凸極式磁極繞組兩種。

（1）隱極式磁極一般采用單層同心式繞組，用漆包圓銅線繞制。制造時先在轉子鐵芯槽中放好絕緣材料，然后將磁極繞組嵌入槽內，并在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，最后整體浸漆烘干成為一個堅固的整體。

（2）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，但空間填充系數較差。

由于凸極式磁極繞組是集中式繞組，因此可在預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，然后連續繞制線圈，再浸烘絕緣漆，最后將成形磁極繞組套在磁極鐵芯上，再用螺釘固定在磁軛上。

對于整體凸極式是在預先鉚焊好的整體轉子上，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，用熱套方法套入轉軸。這種線圈結構具有散熱條件好，絕緣性能、機械強度和可靠性高等特點。

3、轉軸

同步發電機的轉軸一般用特定規格的鋼制作加工而成。在發電機的軸伸端，通過軸上的聯軸器與發動機對接。由此可知，它是將機械能變為電能的關鍵零件，因而，它必須具有很高的機械強度和剛度。有些發電機往往在軸上還熱套有磁軛，用以裝配磁極鐵芯和繞組；有些發電機轉軸焊有驅動盤和風扇安裝板以便安裝柔性連接盤和冷卻風扇。

4、軸承

發電機一般采用兩支承式，即在轉軸兩端裝有軸承。根據受力情況，其傳動端采用圓柱滾子軸承，非傳動端采用滾珠軸承。軸承與轉軸是過盈配合，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。

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，平時維護檢修時應注意清潔，以減小其振動和噪聲。

檢查方法：根據箭頭方向轉動軸承，檢查是否有異常噪聲、松動和卡住的現象，如果出現異常情況必須更換軸承

圖2 發電機軸承

 

5、交流勵磁機的電樞

無刷發電機是利用交流勵磁機產生的交流電，經旋轉整流器整流變為直流電，供交流發電機勵磁用。交流勵磁機電樞鐵芯用硅鋼片疊壓而成，然后嵌以三相交流繞組，并經絕緣處理形成電樞。有些發電機的交流勵磁機裝在后端蓋外部，靠電樞支架固定在轉軸上，這種結構使發電機軸向長度加長；有些發電機的交流勵磁機電樞則裝在后端蓋內部，直接套在轉軸上，可使整機軸向長度縮短。

6、旋轉整流器

旋轉整流器是與交流勵磁機同軸旋轉的裝置。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換成直流電流，供給轉子繞組作為提供勵磁電流的電源。正是旋轉整流器的應用，才使得交流發電機擺脫了電刷的束縛，不再有頻繁維修更換零件的麻煩，也使得交流發電機的應用更加廣泛。有些交流發電機的旋轉整流器安裝在交流勵磁機的外側，用螺釘固定在轉軸上，以便于安裝和維修。有些發電機的旋轉整流器則安裝在后端蓋的內側，直接固定于勵磁機電樞鐵芯伸出的螺栓上，使結構更為緊湊。

旋轉整流器電路有三相半波和三相橋式整流電路兩種，以下主要介紹三相橋式整流電路：

為便于安裝，減小整流元件之間的連接線，提高發電機運行的可靠性，其整流二極管用正、反向兩種管型，兩者正負極正好相反，便于接線。

 

三相橋式整流電路一般由六只整流二極管和散熱板（如圖3）組成。交流發電機用的整流二極管分為正極二極管和負極二極管兩種。正極二極管的中心引線為正極，外殼為負極，管殼底部一般有紅字標記。三只正極管的外殼壓裝或者焊接在鋁合金散熱板的三個孔中，共同組成發電機的正極。由固定散熱板的螺栓通至外殼外（注意元件板與外殼絕緣），作為交流發電機的輸出接線柱"B"（或標"+"或"電樞"字樣的）。負極二極管的中心引線為負極，外殼為正極，管殼底部一般有黑字標記。三只負極二極管的外殼壓裝或焊接在另一散熱板上（此板與后端蓋相接），或者直接壓裝在后端蓋的三個孔中，和發電機的外殼共同組成發電機的負極，如圖2所示。

圖3 發電機二極管安裝示意圖

圖4 發電機散熱板總成

 

7、風扇

發電機運行時將產生各種損耗并以熱量形式散發出去。如果沒有足夠的冷卻通風量，將引起線圈和內部器件過度發熱，輕則將損壞內部元器件，重則將破壞繞組絕緣，對機組甚至人身造成危險。因此發電機轉軸上通常裝有風扇進行通風冷卻。

 

圖5 發電機的風扇散熱示意圖

 

為了提高通風效率，通常采用裝在前端蓋內的后傾式離心風扇。對專配的發電機組也有裝在前端蓋外的，風扇裝在軸伸的半聯軸器上。在發電機運行過程中，冷空氣由后端蓋和機座兩側進入發電機內部，吸收電樞繞組、磁極繞組、定子與轉子鐵芯等部件的熱量，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。

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