新聞主題	斯坦福無(wú)刷同步發(fā)電機的基本結構

 

摘要：康明斯公司旗下的斯坦福品牌（Stamford）無(wú)刷發(fā)電機由兩臺發(fā)電機構成，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）構成的旋轉整流器。無(wú)刷同步發(fā)電機的基本結構按照靜止和轉動(dòng)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；而轉動(dòng)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(fēng)扇等。除了了解發(fā)電機的基本結構組成外，康明斯公司在本文還對斯坦福發(fā)電機的按照和使用進(jìn)行了詳細的說(shuō)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，結構如圖1所示。定子鐵芯及定子繞組是產(chǎn)生感應電勢和感應電流的部分，故亦稱(chēng)其為電樞，其電路如圖2所示。

 

圖1    斯坦福無(wú)刷交流發(fā)電機結構圖

圖2    同步無(wú)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(lái)固定電樞并和前后兩端蓋一道支承轉子。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(xiàn)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(xiàn)盒內裝有接線(xiàn)板，以便于引出交流電源。位于機座上部的出線(xiàn)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(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。為了減小旋轉磁場(chǎng)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(kāi)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(gè)整圓形鐵芯，拼接時(shí)把每層硅鋼片的接縫互相錯開(kāi)。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(cháng)度上留有數道通有些發(fā)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C02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(diǎn)。

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(xiàn)圈組成，線(xiàn)圈采用高強度聚酯漆包圓銅線(xiàn)繞制，并按一定方式連接，嵌人鐵芯槽中。線(xiàn)圈采用導線(xiàn)的規格、線(xiàn)圈匝數和并聯(lián)路數等由設計確定。線(xiàn)繞形式有雙層疊繞、單層鏈式及單雙層式等。三相繞組應對稱(chēng)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(guò)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(wú)紡布復合箔，槽絕緣通常采用云母帶。

      由于定子線(xiàn)圈在鐵芯槽內受到交變電磁力及平行導線(xiàn)之間的電動(dòng)力作用，造成線(xiàn)圈移動(dòng)或振動(dòng)，因此，線(xiàn)圈必須堅固。一般用玻璃布板做槽楔在槽內壓緊線(xiàn)圈，并且在兩端部用玻璃纖維帶扎緊，然后把整個(gè)電樞進(jìn)行絕緣處理，使電樞成為一個(gè)堅固的整體。

2、端蓋

      端蓋與機座配合后用于支承轉子，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(zhuān)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)電機端蓋結構圖

 

 

二、轉動(dòng)部份（轉子）

 

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

1、轉軸

      轉軸一般由45號鋼加工而成。通過(guò)軸伸上的聯(lián)軸器與原動(dòng)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。轉軸根據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準。

2、轉子鐵心

      轉子鐵心（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(xiàn)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(wú)刷發(fā)電機采用整體凸極式?jīng)_片，這種結構，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(gè)整體形成轉子鐵心。

（3）隱極式

      把整圓的轉子沖片直接壓裝在轉軸上，兩端具有端板和支撐轉子線(xiàn)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，隱極式轉子鐵心做成斜糟。同時(shí)，為提高并聯(lián)運行性能和承受不平衡負載運行能力，在鐵心齒部沖有阻尼孔，埋設阻尼繞組。

3、轉子線(xiàn)圈

      轉子線(xiàn)圈亦稱(chēng)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(xiàn)繞制。在轉子槽中安好絕緣后嵌入轉子線(xiàn)圈，而后端部用玻璃纖維管與支架扎牢，再用無(wú)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(xiàn)繞制，亦有用聚醋漆包圓銅線(xiàn)繞制但其空間填充系數較差。

      凸極式磁極繞組為集中式繞組，對分離式凸極結構發(fā)電機，在預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，而后連續繞制線(xiàn)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，在預先鉚焊好的整體轉子上，在極身四周包好絕緣，而后整體用機械繞上線(xiàn)圈，最后經(jīng)F 級絕緣浸烘處理，形成一個(gè)堅固的磁極整體，最后用熱套法套入轉軸。這種線(xiàn)圈結構散熱條件好，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。根據受力情況，軸伸端（即傳動(dòng)端）用滾柱軸承，非傳動(dòng)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。軸承與轉軸是過(guò)盈配合，軸承用熱套法套入轉軸。軸承外圈與端蓋（或軸承套）采用過(guò)渡配合。為了減少振動(dòng)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(dòng)機可承載能力條件下，還有采用單軸承結構型式。此時(shí)僅在非傳動(dòng)端裝置一個(gè)軸承（自動(dòng)調心），這使電機節省了一個(gè)軸承，并使整機軸向長(cháng)度縮短。

5、風(fēng)扇

      發(fā)電機運行時(shí)，由于各種損耗而發(fā)熱，因此必須進(jìn)行通風(fēng)冷卻。中小型發(fā)電機采用在軸上裝風(fēng)扇進(jìn)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，對專(zhuān)配柴油機組的也有裝于前端蓋外的，此時(shí)風(fēng)扇裝在電機軸伸上的半聯(lián)軸器上。發(fā)電機運行過(guò)程中，冷空氣由后端蓋和機座兩側進(jìn)入電機內部，冷卻電樞繞組、磁極繞組、定轉子鐵心等，而后通過(guò)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。

6、交流勵磁機電樞

      無(wú)刷同步發(fā)電機利用交流勵磁機的電樞，經(jīng)旋轉整流器變成直流供給發(fā)電機磁場(chǎng)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軸上，這種結構使電機軸向長(cháng)度加長(cháng)；而TFE系列交流勵磁機電樞則裝在后端蓋內部，它直接套在轉軸上，使整機軸向長(cháng)度縮短、緊湊。

7、旋轉整流器

       TFW系列發(fā)電機的旋轉整流器裝置于交流勵磁機外側，用螺釘固定在轉軸上，便于維修與安裝。旋轉整流器有三相半波或三相全波兩種。三相半波有三個(gè)旋轉硅二極管，三相全波有六個(gè)旋轉整流管，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(jiàn)，三相全波用的旋轉整流管有正反燒兩種管型，即兩種正負極剛好相反，這種接法可以減少彼此之間的連線(xiàn)，可靠性好。為了保護旋轉硅整流管在運行中偶然因過(guò)電壓擊穿而損壞，在旋轉整流器上還并有壓敏電阻，以吸收線(xiàn)路上可能的過(guò)電壓。TFE系列發(fā)電機的旋轉整流器安裝在后端蓋內側，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)電機主機轉子三維圖

圖6    斯坦福發(fā)電機整流盤(pán)接線(xiàn)圖.

 

三、斯坦福發(fā)電機使用說(shuō)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(jià)單。發(fā)電機的基礎設計是開(kāi)路冷卻、無(wú)刷、低壓、頂部安裝勵磁控制裝置的同步發(fā)電機。發(fā)電機非驅動(dòng)端端蓋內側軸上裝有勵磁機。勵磁機產(chǎn)生的交流電被整流并供給主機的轉子繞組。軸帶勵磁機的勵磁電流是由主機通過(guò)頂部安裝的勵磁控制裝置和可控硅電壓調節器供給的。

1、技術(shù)標準和規范

      斯坦福發(fā)電機符合DIN標準的VDE0530的要求，同時(shí)也符合不同船級社的要求及國外的標準和規則。除非有另外聲明，否則發(fā)電機的持續輸出功率是指在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標準中的發(fā)電機基礎設計的防護等級是IP23。這類(lèi)發(fā)電機只適合在室內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）結構型式

      通常，可提供雙軸承（DIN42950標準的B3或B20結構）或單軸承（DIN42950標準的B2或B16結構）的發(fā)電機。發(fā)電機的結構型式在尺寸圖中表示。

2、冷卻和通風(fēng)

（1）發(fā)電機的基礎設計是通過(guò)安裝在發(fā)電機內部驅動(dòng)端軸上的風(fēng)扇自通風(fēng)。

（2）冷卻空氣進(jìn)入頂部（在非驅動(dòng)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(xiàn)

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

（1）內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(jìn)線(xiàn)口用螺旋塞封死。

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

      為滿(mǎn)足規定的防護等級，檢查出線(xiàn)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(cháng)期存放后或備機時(shí)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(lái)說(shuō)，這種過(guò)程可能要持續一分鐘）。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(shí)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，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(shí)，則要找出原因并將繞組烘干。

（1）用暖氣爐烘干時(shí)：打開(kāi)軸承蓋抽出轉子，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：熱量應該慢慢地供給，達到所需溫度的時(shí)間不能低于6小時(shí)。加熱之前必須測量絕緣電阻，此后每隔6至8小時(shí)測量一次。

表2    發(fā)電機絕緣烘干溫度

備注："F"級和"H"級絕緣設備必須在溫度升至絕緣烘干溫度之前，用70%的規定溫度烘烤大約6 小時(shí)（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，當溫度升高50K時(shí)（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(shí)，絕緣電阻的臨界值可通過(guò)額定電壓（KV）與表格內的臨界電阻值的比值（MΩ/kV）相乘來(lái)得出。

      例如：額定電壓為660V時(shí)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值，則發(fā)電機可以繼續運行。但是若測得的值達到或低于臨界電阻值時(shí)，就要將繞組烘干，或取出轉子，徹底擦凈繞組并且烘干。如果測得的值接近臨界電阻值時(shí)，那就需要在較短的時(shí)間間隔里多次檢查絕緣電阻值。對于低壓發(fā)電機來(lái)說(shuō)，如果絕緣電阻先前已經(jīng)用最大測量電壓500V測量過(guò)且未見(jiàn)降低到低于容許值，這才可允許用1000V的測量電壓來(lái)測量絕緣電阻。

6、振動(dòng)

      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(dòng)強度如表3所列。

表3    發(fā)電機軸承端允許的振動(dòng)強度

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

7、安裝

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

（2）百葉窗開(kāi)口應朝下以確保防護等級。移開(kāi)軸承座（適宜的時(shí)候）。遵照附在軸伸端或接線(xiàn)盒上的說(shuō)明。在軸伸嵌入的半個(gè)導向鍵以使轉子達到動(dòng)態(tài)平衡。

（3）將發(fā)電機仔細地進(jìn)行對中，對軸上的部件精確地進(jìn)行平衡校驗，以確保能平穩無(wú)振動(dòng)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(zhuān)用工具，才能拆裝發(fā)電機的傳動(dòng)部件。導向鍵在船運的時(shí)候需扎牢防止脫落。如果傳輸部件沒(méi)有安裝，發(fā)電機不允許起動(dòng)。

8、維護

      為防止觸及旋轉部件和帶電部件以及為進(jìn)行適當導風(fēng)（以使冷卻效果更好）而裝設的各種蓋子，在發(fā)電機運行過(guò)程中是不允許打開(kāi)的。在進(jìn)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(kāi)，并有防止發(fā)電機被意外起動(dòng)的防范措施。

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

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

（3）如果灰塵或潮氣滲入端子盒內，應仔細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(shí)之后需要進(jìn)行第一次檢查。根據污染程度決定在適當的時(shí)期清理冷卻風(fēng)道。下列檢查同時(shí)進(jìn)行：

（1）機器運行要平穩轉子校準應該在公差之內地基無(wú)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（與前面所述的數據比較）軸承絕緣無(wú)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(dòng)而變臟的部件的檢修周期視當地的運行環(huán)境而定。應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(jiàn)發(fā)電機上的潤滑銘牌或軸承的補充說(shuō)明。

（4）拆卸發(fā)電機的時(shí)候必須做下列檢查：定子和轉子鐵芯的楔形塊緊固；繞組、連接導線(xiàn)和絕緣部分符合要求無(wú)污漬；按照說(shuō)明書(shū)中的安裝要求重新組裝。

 

圖7  發(fā)電機接線(xiàn)盒結構示意圖

圖8  發(fā)電機絕緣測試儀檢測示意圖.

 

總結：

      無(wú)刷同步發(fā)電機是一種采用電子換向技術(shù)實(shí)現自激勵的同步發(fā)電機。與傳統的同步發(fā)電機相比，無(wú)刷同步發(fā)電機最大的優(yōu)勢在于無(wú)需用機械刷子來(lái)?yè)Q向，因此可以避免機械刷子帶來(lái)的摩擦和噪音，并大幅度提高了發(fā)電機的可靠性?？傊?，無(wú)刷同步發(fā)電機是目前新型發(fā)電技術(shù)中較為先進(jìn)的一種，它有著(zhù)可靠性高、噪音低、效率高等優(yōu)點(diǎn)。隨著(zhù)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的同步發(fā)電機，成為未來(lái)柴油發(fā)電機組行業(yè)的主導技術(shù)之一。

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