专题二十八 三相同步电机的结构和铭牌数据（教案）-河南省对口招生《电压与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

专题二十八 三相同步电机的结构和铭牌数据（教案）-河南省对口招生《电压与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测 一、考纲解读 1.掌握三相同步电机结构分类，重点区分旋转电枢式与旋转磁极式的应用场景，理解旋转磁极式成为主流的原因，明确其电刷负荷小、可靠性高的特点。 2.理解隐极式与凸极式同步电机的结构差异，结合汽轮发电机（高速、隐极）与水轮发电机（低速、凸极）的应用，掌握两者在转速、磁极对数上的区别。 3.熟悉转子与定子的组成部件，如隐极转子的合金钢材料、护环作用，定子铁心的硅钢片叠压结构及通风设计，明确各部件的功能与必要性。 4.掌握铭牌数据的核心参数，包括额定电压、电流、容量、转速、频率等，理解额定容量公式的物理意义及各参数间的关联。 二、知识点梳理 同步电机的结构有两种基本形式：一种是旋转电枢式，即三相绕组装在转子上，磁极装在定子上，在小容量同步电动机中得到某些应用；另一种是旋转磁极式，它与前者相反，把磁极装在转子上，三相绕组装在定子上，广泛应用于大、中型容量的同步电机中，并成为同步电机的通常结构形式。这种结构形式有下列特点： (1)励磁电流比电枢电流小得多，励磁电压比电枢电压低得多，向转子输入励磁电流时，电刷与滑环负荷较小，工作较为可靠。 (2)同步电机容量较大，尤其是同步发电机，容量更大。电枢装在定子上，便于嵌线，加强绝缘，通风散热。强大的电流向负载输出时不经过电刷和滑环，可减少故障，保证供电的可靠性。旋转磁极式，从转子运行的机械强度和固定转子绕组来看，又可分为隐极式和凸极式，如图6-2所示。 一、隐极式同步发电机的结构 对于发电机来说，目前应用最广泛的是汽轮式发电机和水轮式发电机。汽轮机的转速都很高，理论和实践证明，汽轮机的转速不高则效率很低。这样，用汽轮机拖动的发电机的转速也要很高，否则，采用高转速汽轮机拖动低速发电机，中间还要采用减速机构，这就降低了传动效率。因此，汽轮发电机组，不需要中间减速机构，而采用高速同步电机。在规定的电源频率下，转子的磁极对数与转速有关，即 1.转子 如果汽轮机转速达3000 r/min,那么转子有一对磁极就够了。因此转子可以做得细一些，减少了转子圆周上的线速度，以免转子部件由于高速旋转的离心作用而损坏，造成事故。为此，转子做成隐极式，它的直径较小，要达到一定的功率，长度加长即可，形成了一个细长的圆柱体，如图6-3所示。 转子直径虽已尽量缩小，但大容量发电机的转子直径仍有1~1.5 m,显得十分庞大，圆周上的线速度仍可达到150~250 m/s。尤其在负载突然减小时，转子会出现短时增速，转子外围圆周上的线速度会更大，所以要求转子的材料要有很好的机械强度，以免被破坏。因此，转子采用整块的有良好导磁性能的合金钢锻成。并和轴锻成一个整体。沿转子铁心表面全长铣有凹槽，槽内放置励磁绕组。转子槽形有两种，一种为辐射排列，一种为平行排列，如图6-4所示。我国生产的电机都采用辐射形槽。 占转子1/3的不开槽部分形成一个大齿，大齿的中心部分实际为磁极中心。励磁绕组由矩形的扁铜线绕制成同心式线圈，各匝间相互绝缘，线圈和铁心间也有绝缘。为防止励磁绕组甩出，励磁绕组在槽内用不导磁的高强度的硬铝楔来压紧。 由于端部绕组需要很大的向心力，采用保护环和中心环来可靠地固定，如图6-5所示。护环把转子励磁绕组的端部套紧，中心环用来支持护环和防止端部的轴向移动。 直流励磁电流是通过电刷和集电环引入转子励磁绕组的。集电环一般装在定子外壳与轴承之间。集电环一般用碳钢制成，热套于隔有云母绝缘的转轴上，两极空冷汽轮发电机转子结构分解图如图6-6所示。 2.定子 它是由定子铁心、定子绕组、机座、端盖和挡风装置等部件组成。定子铁心一般由0.38 mm厚的硅钢片叠压而成，每叠厚30~60 mm,各叠之间留10 mm宽的通风槽，以增加定子铁心的散热面积。在定子铁心两端用非磁性材料的压板压紧，整个铁心固定在机座上。在定子铁心槽中安放定子绕组，为了便于嵌放绕组和保证绕组的绝缘的质量，一般均做成开口槽，汽轮发电机的绕组一般为双层叠绕组。 为了减少由于趋肤效应引起的附加损耗，导线都由许多相互绝缘的多股线并绕组成，在绕组的直线部分还要换位，使绕组中每一股线在槽内沿轴线的各个长度上，占有不同的位置，以减小因漏磁通而引起的各股线间的电势差和涡流。整个线圈外面包有对地绝缘，其厚度决定于电机的额定电压。为了防止由于突然短路时绕组端部导线之间的巨大机械应力而引起的端部变形，定子绕组端接部分需要用细绳绑紧在用非磁性钢做成的端箍上。 定子机座应有足够的强度和刚度，以承受加工、运输及运行过程中的各种作用力，另外要满足通风散热的要求。一般机座都是用钢板焊接而成，机座和铁心外圆之间还留有空间，加上隔板形成风道。外壳、端盖和护板构成空间，加上风道、冷却风室以及风扇等构成密闭的通风冷却系统。汽轮发电机结构总图如图6-7所示。 二、凸极式同步发电机的结构 由于水轮机的转速远没有汽轮机的转速高，要使水轮发电机发出50 Hz的交流电，必须增加同步发电机的磁极对数。由于转子磁极对数的增加，导致转子变粗，因此，将同步发电机做成凸极式更适合水轮机或其他低速动力机的要求。 同步发电机与水轮机、励磁机一起组成水轮发电机组。一般大型低速水轮发电机为立式安装，中速以上的中、小型水轮发电机为卧式安装。立式水轮发电机可分为悬式和伞式两种。图6-8所示为悬式水轮发电机结构图。 悬式是指推力轴承装在转子上面的机架上，整个转子处于悬吊状态中转动，如图6-9(a)所示。伞式是把推力轴承装在转子下面的机架上，整个转子处于被托着的状态中转动。通常转速较高的电机(转速150 r/min以上)采用伞式结构，如图6-9(b)所示。 水轮发电机主要由转子、定子、机架和推力轴承等组成。 1.定子 定子主要由定子铁心、定子绕组和机座组成。定子铁心由扇形硅钢片叠成，并留有通风沟(孔),铁心两端放置夹板，然后用双头螺杆从背部夹紧成为一整体。整个铁心固定在机座内圆的定位筋上，同时机座外壳与铁心内圆留有通风道。 铁心内圆槽中，安放定子绕组并用槽楔压紧。水轮发电机多采用双层波绕组和棒形线圈。水内冷时，采用每槽一个线棒的单层绕组。绕组端部线棒间夹有垫块，用线绳绑于环架上固定，如图6-8所示。 2.转子 转子主要由转轴、转子支架、轮环(磁轭)和磁极等组成。磁极由1～1.5mm厚的钢板冲片叠成，在磁极的两端面上加上磁极压板，用铆钉铆成一个整体。磁极上装有励磁绕组，励磁绕组由扁铜线绕成，匝间用石棉纸板绝缘。线圈绕好后进行浸胶热压处理，使其成为一个坚固的整体，便于整体组装。 在水轮发电机的磁极上，一般装有阻尼绕组，和笼型感应电动机的笼型绕组相似。整个阻尼绕组由插入极靴阻尼孔内的裸铜条和端部铜环焊接而成。阻尼绕组可以减小并联运行时转子振荡的幅值，对同步电动机主要作为启动绕组用，如图6-10所示。 磁极固定在轮环(磁轭)上，有各种固定方式。有在磁极下做成T形尾或燕尾，轮环上开有同样形状的槽，装配时两者用钢键楔紧。还有用螺栓固定的。大型电机的轮环是用厚2～5mm的钢板冲成扇形片叠成，并留有风沟，最后用螺杆把各层夹紧，形成一个整体。在中小型电机中，磁轭常用整块钢板冲成或用铸钢做成，轮环与转轴间用转子支架撑着，由于要通过轴传递力矩，所以转子支架必须有足够的强度。 三、三相同步电机的铭牌数据 同步电机同其他电机一样，制造厂将电机正常运行的条件、各种规定的数据都刻印在铭牌上，这些数据是使用电机时应遵守的技术规定。 同步发电机的主要数据： (1)额定电压U、指发电机在正常运行时，定子绕组的线电压，单位是V(伏)或kV(千伏)。 (2)额定电流I、指发电机在额定运行时，定子绕组的线电流，单位是A(安)或kA(千安)。 (3)额定容量P、指发电机在额定运行时输出的电功率，它与额定电压及额定电流的关系为 (4)额定转速nɴ指转子正常运行时的转速，单位是r/min。在一定的极数和频率下运行，转子的转速就是同步转速，即 三、真题练讲 1.（2022年河南省统一考试）三相同步电机中，广泛应用于大、中型容量设备的结构形式是（ ） A.旋转电枢式 B.旋转磁极式 C.隐极式 D.凸极式 答案：B 解析：旋转磁极式将磁极装在转子、三相绕组装在定子，励磁电流小、电刷负荷低，且便于电枢嵌线和散热，适合大、中型容量同步电机，是主流结构形式。 2.（2023年河南省统一考试）下列发电机中，通常采用隐极式结构的是（ ） A.低速水轮发电机 B.高速汽轮发电机 C.中型水轮发电机 D.小型同步电动机 答案：B 解析：汽轮发电机因汽轮机转速高，需匹配高速同步电机，转子磁极对数少（如3000r/min时1对磁极），采用细长圆柱体的隐极式结构，可减少离心力影响。 3.（2021年湖南省统一考试）凸极式同步发电机的特点是（ ） A.转速高、磁极对数少 B.转子直径小、长度长 C.适用于水轮机等低速动力机 D.转子采用整块合金钢锻制 答案：C 解析：凸极式同步电机因磁极对数多，转子较粗，适合低速运行，与水轮机（转速低）匹配，而高速设备多采用隐极式，故其适用于低速动力机驱动场景。 4.（2024年河南省统一考试）三相同步发电机额定容量的计算公式为（ ） A.PN=UNIN B.PN=√3UNINcosφiN C.PN=√3UNIN D.PN=UNINcosφiN 答案：B 解析：额定容量是发电机额定运行时输出的电功率，考虑三相电路及功率因数影响，其计算公式为线电压、线电流、√3及功率因数的乘积，即PN=√3UNINcosφiN。 5.（2025年广东省统一考试）水轮发电机转子上的阻尼绕组主要作用是（ ） A.引入励磁电流 B.减小并联运行时转子振荡幅值 C.固定励磁绕组 D.增强转子机械强度 答案：B 解析：阻尼绕组由裸铜条和端部铜环组成，类似笼型绕组，在同步发电机中可抑制并联运行时的转子振荡，在同步电动机中还可作为启动绕组使用。 四、限时练讲 1.隐极式同步发电机转子采用整块材料锻制，其材料通常为（ ） A.铸铁 B.硅钢片 C.合金钢 D.铜 答案：C 解析：隐极式转子需承受高速旋转的离心力，要求材料机械强度高且导磁性能好，整块合金钢锻制可满足此要求，兼顾强度与导磁需求。 2.同步电机定子铁心通常采用的硅钢片厚度为（ ） A.0.1mm B.0.38mm C.1mm D.5mm 答案：B 解析：定子铁心需减少涡流损耗，采用薄硅钢片叠压，文档中明确提及一般使用0.38mm厚的硅钢片，且叠间留通风槽增强散热。 3.汽轮发电机的定子绕组一般采用（ ） A.单层绕组 B.双层叠绕组 C.双层波绕组 D.单层波绕组 答案：B 解析：汽轮发电机定子绕组为便于嵌放和保证绝缘质量，通常采用开口槽设计，绕组形式为双层叠绕组，可适应其结构与性能需求。 4.大型低速水轮发电机的常见安装方式为（ ） A.卧式 B.悬挂式 C.立式 D.伞式 答案：C 解析：大型低速水轮发电机因结构特点，多采用立式安装，分为悬式（推力轴承在上）和伞式（推力轴承在下），中速以下中小型才用卧式。 5.同步电机额定转速与磁极对数的关系公式为（ ） A.nN=60f/p B.nN=60p/f C.nN=f/(60p) D.nN=p/(60f) 答案：A 解析：在规定电源频率下，转子转速与磁极对数成反比，公式为nN=60f/p（f为频率，p为磁极对数），体现了转速、频率与磁极对数的关联。 6.隐极式转子中，护环的主要作用是（ ） A.支撑定子绕组 B.固定励磁绕组端部 C.增强转子绝缘 D.传导励磁电流 答案：B 解析：励磁绕组端部受离心力大，护环可套紧绕组端部，防止其甩出，配合中心环共同固定，保障高速旋转时的结构稳定。 7.同步电机定子机座的常用制造材料为（ ） A.铸铁 B.钢板焊接 C.铸钢 D.铝合金 答案：B 解析：定子机座需具备足够强度、刚度及散热能力，钢板焊接结构可满足这些要求，且便于设计风道，形成密闭冷却系统。 8.直流励磁电流引入转子励磁绕组的部件是（ ） A.护环 B.中心环 C.电刷和集电环 D.阻尼绕组 答案：C 解析：集电环装在转轴上，通过电刷与外部电路连接，可将直流励磁电流稳定引入转子励磁绕组，是励磁系统的关键连接部件。 9.简述隐极式与凸极式同步发电机的主要区别。 答案：隐极式适用于高速（如汽轮发电机），转速高、磁极对数少，转子为细长圆柱体，用整块合金钢锻制；凸极式适用于低速（如水轮发电机），转速低、磁极对数多，转子有明显磁极，磁极由钢板冲片叠成，常含阻尼绕组。 10.三相同步发电机的铭牌数据包含哪些核心参数？简述其含义。 答案：核心参数有额定电压（定子绕组线电压）、额定电流（定子绕组线电流）、额定容量（额定输出电功率）、额定转速（同步转速）、额定频率（我国为50Hz），还有效率、功率因数等，反映电机正常运行的技术指标。 五、学法建议 重点复习知识点： 1.先理清同步电机的结构分类逻辑，从“旋转电枢式vs旋转磁极式”到“隐极式vs凸极式”，结合应用场景（容量大小、转速高低）记忆，避免混淆。 2.对比记忆隐极式与凸极式的细节：汽轮发电机（高速、隐极、少磁极、合金钢转子）与水轮发电机（低速、凸极、多磁极、钢板叠磁极）的差异，用表格梳理更清晰。 3.掌握铭牌数据的公式与物理意义，尤其是额定容量公式PN=√3UNINcosφiN，明确各参数的单位及关联，通过例题练习加深理解。 4.关注关键部件的功能，如隐极转子的护环、定子的硅钢片、凸极转子的阻尼绕组等，结合“结构决定功能，功能适应场景”的逻辑记忆，避免死记硬背。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $$