同步发电机的基本结构、额定值及其型号——柴油发电机组总体构造与维修基础

同步发电机根据容量和转速不同，其结构形式有较大的差别，我们以常见旋转磁极式(凸极)同步发电机为例说明同步发电机的基本结构。

1.有刷旋转磁极式同步发电机的结构

有刷旋转磁极式(凸极)同步发电机的结构主要由定子、转子、集电环以及端盖与轴承等部分组成。如图2-20所示为72-84-40D2/T2型交流同步发电机的结构。

(1)定子(电枢)

定子主要由铁心、绕组和机座三部分组成，是发电机电磁能量转换的关键部件之一。

①定子铁心

定子铁心一般用0.35～0.5mm厚的硅钢片叠成，冲成一定的形状，每张硅钢片都涂有绝缘漆以减小铁心的涡流损耗。为了防止在运转中硅钢片受到磁极磁场的交变吸引力发生交变移动，同时避免因硅钢片松动在运行中产生振动而将片间绝缘破坏引起铁心发热和影响电枢绕组绝缘，所以，在制造电机时电枢铁心通过端部压板在底座上进行轴向固定。

电枢铁心为一空圆柱体，在其内圆周上冲有放置定子绕组的槽。为了将绕组嵌入槽中并减小气隙磁阻，中小型容量发电机的定子槽一般采用半开口槽。

图2-20 72-84-40D2/T2型交流同步发电机的结构

文章出自《柴油发电机组实用技术技能》

作者：杨贵恒、张海呈、张寿珍、钟进 化学工业出版社出版

②电枢绕组

发电机的电枢绕组由线圈组成。线圈的导线都采用高强度漆包线，线圈按一定的规律连接而成，嵌入定子铁心槽中。绕组的连接方式一般都采用三相双层短距迭绕组。

③机座

机座用来固定定子铁心，并和发电机两端盖形成通风道，但不作为磁路，因此要求它有足够的强度和钢度，以承受加工、运输及运行中各种力的作用，两端的端盖可支撑转子，保护电枢绕组的端部。发电机的机座和端盖大都采用铸铁制成。

(2)转子

转子主要由电机轴(转轴)、转子磁轭、磁极和集电环等组成。

①电机轴

电机轴(转轴)主要用来传递转矩之用，并承受转动部分的重量。中小容量同步发电机的电机轴通常用中碳钢制成。

②转子磁轭

主要用来组成磁路并用以固定磁极。

③磁极

发电机的磁极铁心一般采用1～1.5mm厚的钢板冲片叠压而成，然后用螺杆固定在转子磁轭上。励磁绕组套在磁极铁心上，各个磁极的励磁绕组一般串联起来，两个出线头通过螺钉与转轴上的两个互相绝缘的集电环相接。

④集电环

集电环是用黄铜环与塑料(如环氧玻璃)加热压制而成的一个坚固整体，然后压紧在电机轴上。整个转子由装在前后端盖上的轴承支撑。励磁电流通过电刷和集电环引入励磁绕组。电刷装置一般装在端盖上。

对于中小容量的同步发电机，在前端盖装有风扇，使电机内部通风以利散热，降低电机的温度。中小型同步发电机的励磁机有的直接装在同一轴上;也有的装在机座上，而励磁机的轴与同步发电机的轴用皮带联接。前一种结构叫“同轴式”同步发电机，后一种结构叫“背包式”同步发电机。

2.无刷旋转磁极式同步发电机的基本结构

无刷同步发电机的基本结构如图2-21所示。其结构分静止和转动两大部分。静止部分包括机座、定子铁心、定子绕组、交流励磁机定子和端盖等;转动部分包括转子铁心、磁极绕组、电机轴(转轴)、轴承、交流励磁机的电枢、旋转整流器和风扇等。

(1)静止部分

①定子

定子由机座、定子铁心和定子绕组所组成。定子铁心及定子绕组是产生感应电势和感应电流的部分，故亦称其为电枢。

图2-21 无刷同步交流发电机的基本结构

机座是交流同步发电机的整体支架，用来固定电枢并和前后两端盖一道支承转子。其机座通常有铸铁铸造和钢板焊接两种。铸铁铸造的机座内壁一般分布有筋条用以固定电枢，两端面加工有止口及螺孔与端盖配合固定，机座下部铸有底脚，以便将发电机固定。机座上一般有电源出线盒，其位置通常在机座的右侧面(从轴伸端看)或者位于机座上部，出线盒内装有接线板，以便于引出交流电源。位于机座上部的出线盒一般均装有励磁调节器，用于调节励磁电压。钢板焊接结构的机座是由几块罩式钢板、端环和底脚焊接而成，具有省工省料、重量轻和造型新颖等特点。

定子铁心是交流同步发电机磁路的一部分。为了减小旋转磁场在定子铁心中所引起的涡流损耗和磁滞损耗，定子铁心采用导磁性能较好的0.5mm厚，两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。铁心开有均匀分布的槽，以嵌放电枢绕组。为了提高铁心材料的利用率，定子铁心常采用扇形硅钢片拼叠成一个整圆形铁心，拼接时把每层硅钢片的接缝互相错开。较大容量发电机的铁心，为了增加散热面积，通常沿轴向长度上留有数道通风沟。有些发电机的定子和转子均采用硅钢片冲制，其定子铁心是用整圆硅钢片叠压，再与压圈一道用CO2气体保护焊接成一体。这种结构具有材料利用率高，容易加工等特点。

定子绕组是交流同步发电机定子部分的电路。定子绕组由线圈组成，线圈采用高强度聚脂漆包圆铜线绕制，并按一定方式连接，嵌入铁心槽中。线圈采用导线的规格、线圈匝数和并联路数等由设计确定。线绕型式有双层迭绕、单层链式及单双层式等。三相绕组应对称嵌放，彼此相互差120°电气角度。定子绕组嵌放在铁心槽中，必须要有对地绝缘、层间绝缘和相间绝缘，以免发电机在运行过程中对铁心出现击穿或短路故障。主绝缘材料主要采用聚酯薄膜无纺布复合箔，槽绝缘通常采用云母带。由于定子线圈在铁心槽内受到交变电磁力及平行导线之间的电动力作用，造成线圈移动或振动，因此，线圈必须坚固。一般用玻璃布板做槽楔在槽内压紧线圈，并且在两端部用玻璃纤维带扎紧，然后把整个电枢进行绝缘处理，使电枢成为一个坚固的整体。

②交流励磁机定子

交流励磁机产生的交流电，经旋转整流器整流后，供同步发电机励磁使用。为了避免励磁机与旋转磁极式发电机用电刷、集电环(滑环)提供励磁电流，因此，交流励磁机的定子大多为磁极，而转子为电枢。

发电机励磁机的定子铁心通常有两种做法。一种是用1mm厚的低碳钢板叠压制成，它有若干对磁极，每个磁极均套有集中式的励磁线圈，并用槽楔固定，然后进行浸漆烘干绝缘处理。另一种是用硅钢片叠压而成，其励磁线圈先在玻璃布板预制的框架上绕制，经浸漆绝缘处理后套在励磁定子铁心上，并用销钉固定。

发电机励磁机的定子绕组也有多种做法。有的发电机励磁机的定子绕组有两套励磁绕组，即电压绕组和电流绕组，具有电流复励作用，以改善发电机性能和增大过载能力。为了便于起励，有的励磁机励磁的定子铁心里埋设有三块永久磁钢。为防止漏磁，磁钢与定子铁心之间用厚绝缘纸板进行磁隔离。励磁机的定子均用紧固螺钉或环键固定在两端间的铸造筋条上或焊接在支承件上。

③端盖

端盖用于与机座配合并支承转子，因此在端盖的中心处应开有轴承室圆孔，以供安装轴承。端盖的端面有止口与机座配合，与柴油发电机在轴伸出端的端盖两端面均有端面止口，以保证转子装配后同轴度的要求。一般来说，小功率发电机的端盖用铸铁铸造，而大功率发电机的端盖则采用钢板焊接而成。

(2)转动部分

①转子铁心

旋转磁极式发电机的转子铁心可分为两种形式：凸极式和隐极式。其中凸极式转子铁心又可分为分离凸极式和整体凸极式两种。

分离凸极式转子铁心的磁极冲片叠压紧后用铆钉和压板铆合在一起制成磁极铁心。磁极铁心套在磁极线圈上后，用磁极螺钉固定在磁轭上或者用特定的钢制螺钉固定。

整体凸极式转子铁心采用整体凸极式冲片，这种磁极结构，是磁极和磁轭为一体，用0.5mm厚硅钢片整片冲出极身，然后直接与端板、铆钉、阻尼条及阻尼环焊接成一个整体形成转子铁心。这种结构的特点有三：

第一，励磁绕组直接绕在磁极上，散热效果好，机械强度高;

第二，没有第二气隙，可减小励磁的安匝数;

第三，制造时安放阻尼绕组方便。

隐极式转子是将整圆的转子冲片直接装在转轴上，其两端有端板和支架来支撑转子线圈，并用环键固定。为了削弱发电机输出电压波形中出现的谐波分量，隐极式转子铁心通常做成斜槽，并且在铁心齿部冲有阻尼孔，供埋设阻尼绕组，以提高并联运行性能和承受不平衡负载运行及消除振荡的能力。

②磁极绕组

同步发电机转子的磁极绕组用绝缘的铜线绕成，与极身之间有绝缘。各磁极上励磁绕组间的连接通过励磁电流后，相邻磁极的极性必然呈N与S交替排列。根据转子铁心的结构形式可分为隐极式磁极绕组和凸极式磁极绕组两种。

隐极式磁极一般采用单层同心式绕组，用漆包圆铜线绕制。制造时先在转子铁心槽中放好绝缘材料，然后将磁极绕组嵌入槽内，并在后端部用玻璃纤维管与支架扎牢，再用无纬玻璃纤维带沿圆周捆扎，最后整体浸漆烘干成为一个坚固的整体。

凸极式磁极绕组一般采用矩形截面的高强度聚酯漆包扁铜线绕制或者用聚酯漆包圆铜线绕制，但空间填充系数较差。由于凸极式磁极绕组是集中式绕组，因此可在预先制好的铁板框架四周包好云母片、玻璃漆布等绝缘材料，上下放上玻璃布板衬垫，然后绕制线圈，再浸烘绝缘漆，最后将成形磁极绕组套在磁极铁心上，再用螺钉固定在磁轭上。对于整体凸极式是在预先铆焊好的整体转子上，将极靴四周包好绝缘，而后整体用机械方法绕制线圈，最后经F级绝缘浸烘处理，形成坚固的磁极整体，用热套方法套入转轴。这种线圈结构具有散热条件好，绝缘性能、机械强度和可靠性高等特点。

③转轴

同步发电机的转轴一般用特定规格的钢制作加工而成。在发电机的轴伸端，通过轴上的联轴器与发动机对接。由此可知，它是将机械能变为电能的关键零件，因而，它必须具有很高的机械强度和刚度。有些发电机往往在轴上还热套有磁轭，用以装配磁极铁心和绕组;有些发电机转轴焊有驱动盘和风扇安装板以便安装柔性联接盘和冷却风扇。

④轴承

发电机一般采用两支承式，即在转轴两端装有轴承。根据受力情况，其传动端采用滚柱轴承，非传动端采用滚珠轴承。轴承与转轴之间的配合为过盈配合，轴承用热套法套入轴承。轴承外圈与端盖(或轴承套)采用过渡配合，并固定在两端盖的轴承室或轴承套内。轴承通常采用3号锂基脂进行润滑，并在轴承两边用轴承盖密封，平时维护检修时应注意清洁，以减小其振动和噪声。

⑤交流励磁机的电枢

无刷同步发电机是利用交流励磁机产生的交流电，经旋转整流器整流变为直流电，供交流发电机励磁用。交流励磁机电枢铁心用硅钢片叠压而成，然后嵌以三相交流绕组，并经绝缘处理形成电枢。有些发电机的交流励磁机装在后端盖外部，靠电枢支架固定在转轴上，这种结构使发电机轴向长度加长;有些发电机的交流励磁机电枢则装在后端盖内部，直接套在转轴上，可使整机轴向长度缩短。

⑥旋转整流器

旋转整流器是与交流励磁机同轴旋转的装置。其主要作用是将交流励磁机电枢输出的三相交流励磁电流，通过整流器上的二极管转换成直流电流，供给转子绕组作为提供励磁电流的电源。正是由于旋转整流器的应用，才使得交流同步发电机摆脱了电刷的束缚，不再有频繁维修更换零件的麻烦，也使得交流同步发电机的应用更加广泛。有些交流同步发电机的旋转整流器安装在交流励磁机的外侧，用螺钉固定在转轴上，以便安装与维修。有些发电机的旋转整流器则安装在后端盖的内侧，直接固定于励磁机电枢铁心伸出的螺栓上，使结构更为紧凑。旋转整流器电路有三相半波和三相桥式整流电路两种。若采用三相桥式整流电路，为便于安装，减小整流元件之间的连接线，提高发电机运行的可靠性，其整流二极管用正、反烧两种管型，两者正负极正好相反，便于接线。

⑦风扇

发电机运行时将产生各种损耗并以热量形式散发出去。如果没有足够的冷却通风量，将引起线圈和内部器件过渡发热，轻则将损坏内部元器件，重则将破坏绕组绝缘，对机组甚至人身造成危险。因此发电机转轴上通常装有风扇进行通风冷却。为了提高通风效率，通常采用装在前端盖内的后倾式离心风扇。对专配的柴油发电机组也有装在前端盖外的，风扇装在轴伸的半联轴器上。在发电机运行过程中，冷空气由后端盖和机座两侧进入发电机内部，吸收电枢绕组、磁极绕组、定子与转子铁心等部件的热量，然后通过前端盖盖板上的窗孔将热风排出机外，以保证其温升控制在允许范围内。

同步发电机的额定值及其型号

1.同步发电机的额定值

同步发电机在出厂前经严格的技术检查鉴定后，在发电机定子外壳明显位置上有一块铭牌，上面规定了发电机的主要技术数据和运行方式。这些数据就是同步发电机的额定值，为了保证发电机可靠运行，我们在使用过程中必须严格遵守。

(1)额定容量S_N 与额定功率P_N发电机的额定容量是指在额定运行条件(长期安全运行情况)下，发电机出线端输出的最大允许视在功率。单位为千伏安(kVA)。发电机的额定功率是指在额定运行条件下，发电机出线端输出的最大允许有功功率。单位为千瓦(kW)。

对于单相发电机而言，额定容量(其中，U_N与I_N分别为发电机的额定电压和额定电流)，额定功率 (其中，为发电机的额定功率因数);对于三相发电机而言，。

(2)额定电压U_N

三相同步发电机的额定电压是指在额定运行条件下，定子绕组三相线间的电压值;单相同步发电机的额定电压是指绕组的相电压值。单位为伏(V)或千伏(kV)。

(3)额定电流I_N 三相同步发电机的额定电流是指在额定运行条件下，流过定子的线电流;单相同步发电机的额定电流指流过定子的相电流。单位为安(A)或千安(kA)。在此值运行，发电机线圈的温升不会超过允许范围。

(4)功率因数 在额定运行条件下，发电机的有功功率和视在功率的比值，即额定运行时发电机每相定子电压和电流之间的相角的余弦值：

一般而言，在发电机的铭牌上标有其额定功率(有功功率) P_N和功率因数，或者其额定容量(视在功率) S_N功率因数。一般电机的。

(5)额定频率f_N 在额定运行条件下，发电机输出的交流电频率。单位为赫兹(HZ)。我国交流供电系统的频率规定为50HZ 。

(6)额定转速N_N 在额定运行条件下发电机每分钟的转数，单位为转/分()。

(7)相数m

即发电机的相绕组数。6kW以上的柴油发电机组通常采用三相交流发电机。6kW以下的柴油发电机组通常采用单相交流发电机。

在发电机的铭牌上，除了上述额定值外还有其它运行数据，例如发电机额定负载时的温升( )、额定励磁电压(U_FN)和额定励磁电流(I_FN)等。

2.同步发电机的型号

与柴油机配套的交流工频同步发电机的型号含义目前没有统一的规定，不同电机厂生产的产品型号有不同的形式，常见的有以下几种：

(1)自带同轴直流励磁机的同步发电机型号如下：