专题三十一 三相同步电机的结构和铭牌数据（教案）-河北省对口升学《电机与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

专题三十一 三相同步电机的结构和铭牌数据（教案）-河北省对口升学《电机与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

一、考纲解读

1.能准确描述隐极式同步发电机的定子（定子铁芯、定子绕组、机座）和转子（转子铁芯、励磁绕组）的组成部件。

2.明确各部件的材料特性（如转子采用整块高强度合金钢、定子铁芯采用硅钢片叠压）及核心功能。

3.能清晰区分凸极式同步发电机与隐极式同步发电机在转子结构、气隙分布及适用场景。

二、知识点梳理

一、三相同步电机的结构

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,向转子输人励磁电流时,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。

二、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p=60f/n

1.转子

如果汽轮机转速达3 000r/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1~1.5m,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0.38mm厚的硅钢片叠压而成,每叠厚 30~60mm,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。

三、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50Hz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企式两种图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150r/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。