性能特點(diǎn)和作用說(shuō)明

有刷旋轉磁極式（凸極）同步發(fā)電機的結構

 

摘要：按發(fā)電機轉子結構的不同，同步發(fā)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(cháng)度長(cháng)。而凸極式轉子具有突出的磁極，發(fā)電機的勵磁繞組繞在磁極上，轉速低。同步發(fā)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(wú)刷電機的外殼同時(shí)也是磁鐵的磁路通路，所以外殼必須是導磁性的物質(zhì)構成。內轉子的外殼只是結構件，所以不限定材質(zhì)。但是內轉子電機比外轉子電機多一個(gè)轉子鐵芯，這個(gè)轉子鐵芯的作用同樣也是起到磁路通路的作用。

 

一、發(fā)電機工作原理

 

      同步發(fā)電機是一種常見(jiàn)的發(fā)電設備，其工作原理如下：

1、 電磁感應

      同步發(fā)電機利用電磁感應的原理來(lái)產(chǎn)生電能。當發(fā)電機的轉子與定子相對旋轉時(shí)，會(huì )在定子的線(xiàn)圈中產(chǎn)生磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)會(huì )穿過(guò)線(xiàn)圈，導致線(xiàn)圈內的導體產(chǎn)生感應電流。

2、動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)

      發(fā)電機的轉子上通常有一組勵磁線(xiàn)圈，當這些線(xiàn)圈通過(guò)電流時(shí)，會(huì )在轉子上產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)。這個(gè)磁場(chǎng)與定子上的磁場(chǎng)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(shí)，轉子上的勵磁磁場(chǎng)與定子的磁場(chǎng)同步。這個(gè)同步狀態(tài)允許電能從轉子傳輸到定子，產(chǎn)生輸出電能。

4、無(wú)刷式同步發(fā)電

      許多現代的同步發(fā)電機是無(wú)刷式的，即轉子上沒(méi)有刷子和滑環(huán)。這些發(fā)電機通過(guò)在轉子上嵌入永磁體，產(chǎn)生一個(gè)恒定的磁場(chǎng)。這種無(wú)刷式的設計減少了能量損耗和維護成本。

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

 

圖1  無(wú)刷勵磁發(fā)電機工作原理圖

圖2  有刷和無(wú)刷發(fā)電機對比圖

 

二、定子結構與作用

 

      發(fā)電機的定子是指發(fā)電機中的靜態(tài)部分，通常由鐵芯和繞組組成。與轉子不同的是，發(fā)電機的定子本身并不旋轉，但是卻起著(zhù)至關(guān)重要的作用。發(fā)電機的定子通常接收外部電源的輸入，同時(shí)通過(guò)繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)，從而激勵旋轉的轉子，實(shí)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(fā)電機電磁能量轉換的關(guān)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(chǎng)的交變吸引力發(fā)生交變移動(dòng)，同時(shí)避免因硅鋼片松動(dòng)在運行中產(chǎn)生振動(dòng)而將片間絕緣破壞引起鐵芯發(fā)熱和影響電樞繞組絕緣，所以，在制造電機時(shí)電樞鐵芯通過(guò)端部壓板在底座上進(jìn)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(fā)電機的定子槽一般采用半開(kāi)口槽。

2、電樞繞組

      發(fā)電機的電樞繞組由線(xiàn)圈組成。線(xiàn)圈的導線(xiàn)都采用高強度漆包線(xiàn)，線(xiàn)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(lái)固定定子鐵芯，并和發(fā)電機兩端蓋形成通風(fēng)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(fā)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(fā)電機的轉子是指發(fā)電機中的旋轉部分，同時(shí)也是發(fā)電機中將機械能轉化為電能的主要部分。發(fā)電機的轉子通常使用導體（如銅等）制成，包裹著(zhù)磁芯（如鋼等）。當轉子不斷旋轉時(shí)，磁場(chǎng)就會(huì )被導體切割，并產(chǎn)生電動(dòng)勢，從而實(shí)現將機械能轉化為電能的目的。

1、磁鐵

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

2、硅鋼片

      硅鋼片是有槽無(wú)刷電機的重要組成部分，當然，無(wú)槽無(wú)刷電機是沒(méi)有硅鋼片的，但是目前絕大多數的無(wú)刷電機都是有槽的。它在整個(gè)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(mǎn)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(dòng)軸承和滾動(dòng)軸承，而滾動(dòng)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(lèi)，而目前大多數的無(wú)刷電機都是采用深溝球軸承。

 

P80發(fā)電機主轉子總成結構圖（單軸承）

P80發(fā)電機主轉子總成結構圖（雙軸承）

 

總結：

      發(fā)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(fā)電機中的旋轉部分，而定子則是發(fā)電機中的靜態(tài)部分。同時(shí)，轉子是將機械能轉化為電能的主要部分，而定子則是通過(guò)產(chǎn)生磁場(chǎng)來(lái)激勵轉子的轉動(dòng)，實(shí)現電能的轉換。另外，發(fā)電機的轉子和定子工作時(shí)需要相互配合并協(xié)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(shí)可以高效地轉換電能，是發(fā)電機設計中的重要考慮因素。綜上所述，發(fā)電機的轉子和定子是發(fā)電機中至關(guān)重要的兩個(gè)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(fā)電機。

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