专题三十一 三相同步电机的结构和铭牌数据（课件）-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

《电机与变压器》（第5版） 高教社 专题三十一 三相同步电机的结构和铭牌数据 目录 01 考纲解读 04 内容归纳小结 02 知识点梳理和重点概念复习 03 真题或常考题讲解 2 考纲解读—常见考点 03 02 01 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。 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。 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。 考纲解读—考试要求 能完整列举三相同步电机铭牌上的关键数据，包括额定功率、额定电压、额定电流、额定效率、额定温升，明确每一项数据的标准单位。 能对比隐极式同步发电机定子，指出凸极式同步发电机定子结构（定子铁芯、定子绕组、机座）的相似性，明确其定子各部件功能与隐极式的一致性。 能准确说出隐极式同步发电机定子的组成部件，明确各部件的材料（定子铁芯采用硅钢片叠压、机座多为铸铁或钢板焊接）。 4 考纲解读—易考题型 可准确阐述各项铭牌数据的具体定义，如额定功率（发电机在额定运行条件下输出的电功率）、额定电压、额定电流。 简答题 可清晰区分凸极式与隐极式同步发电机转子的差异，准确描述凸极式转子的结构特点。 论述题 可完整描述隐极式同步发电机转子的组成（转子铁芯、励磁绕组），知晓转子铁芯的材料特性。 选择题 5 知识点梳理和重点概念复习—知识点思维导图 知识点梳理和重点概念复习 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。 一、三相同步电机的结构 知识点梳理和重点概念复习 这种结构形式有下列特点: 一、三相同步电机的结构 (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。 知识点梳理和重点概念复习 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、三相同步电机的结构 知识点梳理和重点概念复习 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 二、隐极式同步发电机的结构 知识点梳理和重点概念复习 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。 二、隐极式同步发电机的结构 知识点梳理和重点概念复习 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。 二、隐极式同步发电机的结构 知识点梳理和重点概念复习 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。 二、隐极式同步发电机的结构 知识点梳理和重点概念复习 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。 二、隐极式同步发电机的结构 知识点梳理和重点概念复习 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。 二、隐极式同步发电机的结构 知识点梳理和重点概念复习 2.定子 二、隐极式同步发电机的结构 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。 知识点梳理和重点概念复习 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。 二、隐极式同步发电机的结构 知识点梳理和重点概念复习 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。 二、隐极式同步发电机的结构 知识点梳理和重点概念复习 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。 三、凸极式同步发电机的结构 知识点梳理和重点概念复习 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。 三、凸极式同步发电机的结构 知识点梳理和重点概念复习 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。 三、凸极式同步发电机的结构 知识点梳理和重点概念复习 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。 三、凸极式同步发电机的结构 知识点梳理和重点概念复习 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。 三、凸极式同步发电机的结构 知识点梳理和重点概念复习 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。 三、凸极式同步发电机的结构 知识点梳理和重点概念复习 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、凸极式同步发电机的结构 知识点梳理和重点概念复习 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UN (2)额定电流IN 四、三相同步电机的铭牌数据 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)。 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)。 知识点梳理和重点概念复习 (3)额定容量PN 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nN 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 四、三相同步电机的铭牌数据 知识点梳理和重点概念复习 (5)额定效率 指发电机在额定状态下运行的效率。 (6)额定频率 指我国规定的交流电标准频率为50Hz。此外还有极数、功率因数、温升、绝缘等级、励磁容量和励磁电压等,也是需要考虑的数据。 四、三相同步电机的铭牌数据 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B​ 解析：隐极式同步发电机的转子因转速高，为减小离心力，转子设计为圆柱形，表面光滑且无明显磁极凸起，转子绕组采用分布绕组；而凸极式转子有明显磁极凸起，绕组多为集中绕组，故 A、C 错误。 1.隐极式同步发电机的转子结构最显著的特点是？（ ）​ A. 转子上有明显的磁极凸起​ B. 转子表面光滑，无明显磁极凸起​ C. 转子绕组为集中绕组​ D. 转子铁芯采用硅钢片叠压而成 29 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B​ 解析：电机铁芯采用硅钢片叠压，核心原因是硅钢片具有较低的磁滞损耗和涡流损耗（统称铁损耗）。叠片结构可将涡流限制在薄片内部，减小涡流回路的截面积，从而显著降低涡流损耗。 2.凸极式同步发电机的定子铁芯通常采用硅钢片叠压而成，其主要目的是？（ ）​ A. 提高机械强度​ B. 减小铁损耗​ C. 降低绕组电阻​ D. 增大气隙磁阻 30 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B​ 解析：隐极式同步发电机因转子结构适合高转速运行，通常与高速原动机（如汽轮机，转速一般为 3000r/min 或 1500r/min）配套；而水轮发电机、柴油发电机、风力发电机的原动机转速较低（如水轮机转速通常低于 1000r/min），需采用凸极式转子以适应低速运行，故 A、C、D 错误。 3.下列设备中，通常采用隐极式同步发电机的是？（ ）​ A. 水轮发电机​ B. 汽轮发电机​ C. 柴油发电机​ D. 风力发电机 31 常考习题练习与讲解—选择题 答案：A​ 解析：三相同步电机的定子绕组通入三相对称交流电后，会在气隙中产生旋转磁场，这是电机实现机电能量转换的核心环节；B 选项 “通入直流电流励磁” 是转子绕组的作用（同步发电机转子励磁产生主磁场）；C 选项 “承受离心力” 由转子铁芯和转轴承担。 4.三相同步电机定子绕组的主要作用是？（ ）​ A. 产生旋转磁场​ B. 通入直流电流励磁​ C. 承受转子的离心力​ D. 输出机械转矩 32 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B​ 解析：凸极式同步发电机的阻尼绕组由嵌在磁极表面的短接铜条组成，当电机出现转速波动（如负载突变导致的转子振荡）时，阻尼绕组中会感应涡流，产生与转子运动方向相反的阻尼转矩，从而抑制振荡，保证电机稳定运行。 5.凸极式同步发电机转子上的阻尼绕组主要作用是？（ ）​ A. 增强励磁磁场​ B. 抑制转子振荡（振荡阻尼）​ C. 减小定子铁损耗​ D. 提高电机转速 33 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B​ 解析：电机铭牌的 “额定功率” 是指电机在额定工况下的额定输出功率：对于同步发电机，额定功率是定子绕组输出的有功电功率（单位为 kW 或 MW）；对于同步电动机，额定功率是转子输出的机械功率（单位为 kW）。 6.三相同步电机铭牌上标注的 “额定功率” 指的是？（ ）​ A. 输入的电功率​ B. 输出的机械功率（同步电动机）或输出的电功率（同步发电机）​ C. 定子绕组的损耗功率​ D. 转子励磁回路的功率 34 常考习题练习与讲解—选择题 答案：A​ 解析：三相同步电机（包括发电机和电动机）铭牌标注的 “额定电压” 均指定子绕组的额定线电压（即三相绕组端线之间的电压，单位为 V 或 kV），符合电力系统中 “线电压为标称电压” 的惯例。 7.三相同步发电机铭牌上的 “额定电压” 指的是？（ ）​ A. 定子绕组的线电压​ B. 定子绕组的相电压​ C. 转子励磁绕组的电压​ D. 气隙中的感应电动势 35 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B​ 解析：凸极式转子磁极的 “鸟嘴形” 设计（磁极极靴处逐渐变窄）可使气隙磁密在圆周方向的分布更接近正弦波，从而减小定子绕组感应电动势中的谐波分量，提高电能质量。 8.凸极式同步发电机的转子磁极通常采用 “鸟嘴形” 设计，其主要目的是？（ ）​ A. 便于安装阻尼绕组​ B. 使气隙磁密分布更接近正弦波​ C. 减小转子的重量​ D. 提高转子的机械强度 36 常考习题练习与讲解—填空题 答案：线电压 解析：在三相电路中，电压分为相电压和线电压，电机铭牌标注的额定电压需明确基准。由于工业生产和电力传输中，三相设备通常以线电压作为主要运行参数，因此三相同步电机铭牌上的额定电压定义为定子绕组出线端的线电压有效值，而非相电压或电压最大值。 1.三相同步电机铭牌上的额定电压，指的是电机额定运行时定子绕组出线端的___________有效值。 37 常考习题练习与讲解—填空题 答案：减少铁损 解析：电机运行时，铁芯会因磁场变化产生磁滞损耗和涡流损耗（统称铁损）。硅钢片具有低磁滞损耗和高电阻率的特性，能有效减少涡流损耗，而叠压结构可进一步限制涡流的流通路径，降低涡流损耗。提高机械强度、增加导磁性能是次要作用，降低成本并非该结构的主要设计目标。 2.隐极式同步发电机定子铁芯采用硅钢片叠压结构，最主要的目的是___________。 38 常考习题练习与讲解—填空题 答案：低 解析：凸极式转子存在明显的磁极凸极，转动惯量较大，且高速旋转时凸极处会产生极大的离心力，对转子机械强度要求极高，难以承受高速运行。因此凸极式同步发电机多用于低速场景，如水轮发电机（由水力驱动，转速较低）；而高速电机多采用隐极式结构。 3.由于转子结构特性，凸极式同步发电机通常适用于___________转速的电机，如水轮发电机。 39 常考习题练习与讲解—填空题 答案：定子绕组 解析：三相同步电机的电流分为定子电流和转子电流，转子电流为直流电，主要用于励磁，且数值相对稳定，不作为额定电流的标注对象。定子电流是电机能量转换的关键电流，与输出功率、电压等参数直接相关，因此铭牌上的额定电流定义为定子绕组的线电流有效值。 4.三相同步电机铭牌上的额定电流，是指电机额定运行时___________的线电流有效值。 40 常考习题练习与讲解—判断题 答案：错误 解析：工业生产与电力传输中，三相设备通常以线电压作为主要运行参数，因此三相同步电机铭牌上的额定电压，定义为 “定子绕组出线端的线电压有效值”，而非相电压有效值；相电压需通过线电压与连接方式换算得出，并非铭牌直接标注的额定电压，故该说法错误。 1.三相同步电机铭牌上的额定电压，是指电机额定运行时定子绕组的相电压有效值。（ ） 41 常考习题练习与讲解—判断题 答案：正确 解析：电机运行时，铁芯会因磁场变化产生磁滞损耗和涡流损耗（统称铁损）。硅钢片具有低磁滞损耗和高电阻率的特性，可减少涡流损耗，叠压结构能进一步限制涡流流通路径，大幅降低铁损；这是定子铁芯采用该结构的核心目的，故该说法正确。 2.隐极式同步发电机定子铁芯采用硅钢片叠压结构，最主要的目的是减少铁损。（ ） 42 常考习题练习与讲解—判断题 答案：错误 解析：凸极式同步发电机转子有明显凸极，转动惯量较大，且高速旋转时凸极处会产生极大离心力，对转子机械强度要求极高，难以承受高速运行；因此凸极式通常适用于低速电机（如水轮发电机），高速电机多采用隐极式结构，故该说法错误。 3.凸极式同步发电机转子转动惯量大，且高速时凸极离心力大，因此适用于高速电机。（ ） 43 常考习题练习与讲解—判断题 答案：错误 解析：三相同步电机的额定电流是衡量定子侧能量转换的关键参数，定义为 “额定运行时定子绕组的线电流有效值”；转子绕组的直流电流是励磁电流，用于产生励磁磁场，数值相对稳定，不作为铭牌标注的额定电流，故该说法错误。 4.三相同步电机铭牌上的额定电流，指的是额定运行时转子绕组的直流电流有效值。（ ） 44 常考习题练习与讲解—简答题 答案：额定功率指三相同步发电机在额定运行条件下输出的电功率（单位：kW/MW）；额定效率指电机在额定运行时，输出功率与输入功率的比值（通常用百分数表示，η= 输出功率 / 输入功率 ×100%）。 1.三相同步发电机铭牌上的 “额定功率” 和 “额定效率” 分别指什么？ 45 常考习题练习与讲解—简答题 答案：额定电压指电机额定运行时，定子绕组出线端的线电压有效值（单位：V/kV）；额定电流指电机额定运行时，定子绕组的线电流有效值（单位：A）。 2.说明三相同步电机铭牌上 “额定电压” 和 “额定电流” 的定义。 46 常考习题练习与讲解—简答题 答案：两者定子的共同组成包括定子铁芯、定子绕组和机座，各部件功能如下：①定子铁芯：由硅钢片叠压而成，构成磁路，降低磁阻，减少铁损；②定子绕组：多为三相均匀分布绕组，切割转子旋转的励磁磁场，感应产生交流电，是电能输出的核心部件。 3.凸极式同步发电机定子与隐极式同步发电机定子结构基本一致，简述其定子的共同组成及各组成部件的功能。 47 常考习题练习与讲解—简答题 答案：凸极式同步发电机转子磁极设计为梯形的原因是：梯形磁极能使电机气隙磁密分布更接近正弦波。积极影响：气隙磁密的正弦波分布可减少定子绕组感应交流电中的谐波成分，使输出电压波形更规整，降低谐波对电网或负载的干扰（如避免谐波导致的电机发热、设备损耗增加），同时提高电机输出电能的质量，满足工业用电对电压波形的要求。 4.为何凸极式同步发电机转子磁极常设计为梯形？该形状对电机运行有何积极影响？ 48 重点复习知识点： 1.隐极式同步发电机结构定子铁芯：采用硅钢片叠压制成，核心功能是构成电机磁路，降低磁阻，为磁场流通提供路径，同时减少磁滞损耗与涡流损耗（铁损）； 2.转子铁芯：采用整块高强度合金钢锻造而成，因隐极式电机多用于高速场景（如汽轮发电机），需承受巨大离心力，高强度材料可保证转子稳定运行； 3.凸极式同步发电机结构核心特点：与隐极式同步发电机定子结构基本一致，由定子铁芯、定子绕组、机座组成，各部件材料、功能完全相同，无需额外特殊设计。 阅读相关教材和课堂笔记，梳理重点知识点和关键概念。制作复习提纲或思维导图，以帮助理清知识框架和内部逻辑。进行练习题和例题的练习，加深对知识的理解和应用。 课堂小结 49 $