康明斯动力（深圳）有限公司

 

新闻主题	斯坦福无刷同步发电机的基本结构

 

摘要：康明斯公司旗下的斯坦福品牌（Stamford）无刷发电机由两台发电机构成，一台作为励磁机，另一台为主发电机，还有二极管（或晶闸管）构成的旋转整流器。无刷同步发电机的基本结构按照静止和转动分为两大部分。其中静止部分包括机座、定子铁芯、定子绕组、交流励磁机定子和端盖等；而转动部分包括转子铁芯、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。除了了解发电机的基本结构组成外，康明斯公司在本文还对斯坦福发电机的按照和使用进行了详细的说明。

 

一、发电机静止部分

 

1、定子

      定子由机座、定子铁芯和定子绕组所组成，结构如图1所示。定子铁芯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，其电路如图2所示。

 

图1    斯坦福无刷交流发电机结构图

图2    同步无刷发电机电路图

 

① 机座

      机座是发电机的整体支架，用来固定电枢并和前后两端盖一道支承转子。发电机的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

② 定子铁芯

      定子铁芯是发电机磁路的一部分。为了减小旋转磁场在定子铁芯中所引起的涡流损耗和磁滞损耗，定子铁芯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。铁芯开有均匀分布的槽，以嵌放电枢绕组。为了提高铁芯材料的利用率，定子铁芯常采用扇形硅钢片拼叠成一个整圆形铁芯，拼接时把每层硅钢片的接缝互相错开。较大容量的发电机铁芯，为了增加散热面积，通常沿轴向长度上留有数道通有些发电机的定子和转子均采用硅钢片冲制，其定子铁芯是用整圆硅钢片叠压，再与压圈一道用C02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。

③ 定子绕组

      定子绕组是发电机定子部分的电路。定子绕组由线圈组成，线圈采用高强度聚酯漆包圆铜线绕制，并按一定方式连接，嵌人铁芯槽中。线圈采用导线的规格、线圈匝数和并联路数等由设计确定。线绕形式有双层叠绕、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。

      定子绕组嵌放在铁芯槽中（如图3所示），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芯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。

      由于定子线圈在铁芯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、端盖

      端盖与机座配合后用于支承转子，因此在端盖中心有轴承室圆孔，以便装轴承（如图4所示）。端盖的端面有止口与机座配合，与柴油机专配的发电机在轴伸端的端盖两端面，均有端面止口。所有这些止口与轴承室的同轴度加工精度要求高，以便保证转子装配后的同轴度要求。

 

 

图3    斯坦福发电机主机定子三维图

图4    发电机端盖结构图

 

 

二、转动部份（转子）

 

      转子一般包括转轴、转子铁心（磁极铁心）、转子线圈（磁极绕组）、轴承、风扇、交流励磁机电枢、旋转整流器等，其三维示意图如图5所示。

1、转轴

      转轴一般由45号钢加工而成。通过轴伸上的联轴器与原动机对接。它是将机械能变成电能的关键零件，因此要求具有一定的机械强度和刚度。转轴根据各不同零部件的配合要求加工各部分的尺寸和精度，轴伸部分则按照国家标准。

2、转子铁心

      转子铁心（磁极铁心）一般用1mm厚的低碳钢板冲制的磁极冲片迭压成的。

（1）分离凸极式

       磁极冲片迭压紧后用铆钉和压板铆合在一起制成磁极铁心。磁极铁心套上磁极线圈后，用磁极螺钉固定在磁扼上。磁极螺钉也用45号钢制造。

（2）整体凸极式

      TFE系列无刷发电机采用整体凸极式冲片，这种结构，磁极和磁轭为一体，用0.5mm硅钢片整片冲出，然后直接与端板、铆钉以及阻尼条、阻尼环焊成一个整体形成转子铁心。

（3）隐极式

      把整圆的转子冲片直接压装在转轴上，两端具有端板和支撑转子线圈的支架，采用环键固定。为了削弱发电机电压波形中的齿谐波分量，隐极式转子铁心做成斜糟。同时，为提高并联运行性能和承受不平衡负载运行能力，在铁心齿部冲有阻尼孔，埋设阻尼绕组。

3、转子线圈

      转子线圈亦称磁极绕组。

（1）隐极式绕组

      采用单层同心式绕组，一般用漆包圆铜线绕制。在转子槽中安好绝缘后嵌入转子线圈，而后端部用玻璃纤维管与支架扎牢，再用无纺玻璃纤维带沿圆周捆扎，最后整体浸烘绝缘漆，成一坚固的整体。

（2）凸极式绕组

      一般采用矩形截面的高强度聚酯漆包扁铜线绕制，亦有用聚醋漆包圆铜线绕制但其空间填充系数较差。

      凸极式磁极绕组为集中式绕组，对分离式凸极结构发电机，在预先制好的铁板框架四周包好云母板、玻璃漆布等绝缘，上下放上玻璃布板衬垫，而后连续绕制线圈，再浸烘绝缘漆，最后直接套在磁极铁心上，再用磁极螺钉固定在磁轭上。对整体凸极式而言，在预先铆焊好的整体转子上，在极身四周包好绝缘，而后整体用机械绕上线圈，最后经F 级绝缘浸烘处理，形成一个坚固的磁极整体，最后用热套法套入转轴。这种线圈结构散热条件好，绝缘和机械强度高，可靠性好。

4、轴承

发电机一般是两支承式，在转轴两端装有轴承。轴承外圈固定在两端盖的轴承室或轴承套内。根据受力情况，轴伸端（即传动端）用滚柱轴承，非传动端用滚珠轴承。轴承加有轴承润滑脂。所有轴承两边都用轴承盖密封，润滑脂常用3号锂基脂。轴承与转轴是过盈配合，轴承用热套法套入转轴。轴承外圈与端盖（或轴承套）采用过渡配合。为了减少振动和噪声，装配轴承切忌敲打，并注意保持清洁。TFE系列发电机，在原动机可承载能力条件下，还有采用单轴承结构型式。此时仅在非传动端装置一个轴承（自动调心），这使电机节省了一个轴承，并使整机轴向长度缩短。

5、风扇

      发电机运行时，由于各种损耗而发热，因此必须进行通风冷却。中小型发电机采用在轴上装风扇进行冷却。风扇采用离心式，为了提高效率，风扇常采用后倾式离心风扇。风扇有铸铝和钢板焊接两种。一般装在前端盖内，对专配柴油机组的也有装于前端盖外的，此时风扇装在电机轴伸上的半联轴器上。发电机运行过程中，冷空气由后端盖和机座两侧进入电机内部，冷却电枢绕组、磁极绕组、定转子铁心等，而后通过前端盖的盖板窗孔把热风排出机外，使电机的温升控制在允许的范围内。

6、交流励磁机电枢

      无刷同步发电机利用交流励磁机的电枢，经旋转整流器变成直流供给发电机磁场使用。交流励磁机电枢铁心用硅钢片迭压而成，然后嵌以三相交流绕组，并经绝缘处理形成电枢。TFW系列发电机交流励磁机电枢一般装在后端盖的外部，靠电枢支架固定在转轴上，这种结构使电机轴向长度加长；而TFE系列交流励磁机电枢则装在后端盖内部，它直接套在转轴上，使整机轴向长度缩短、紧凑。

7、旋转整流器

       TFW系列发电机的旋转整流器装置于交流励磁机外侧，用螺钉固定在转轴上，便于维修与安装。旋转整流器有三相半波或三相全波两种。三相半波有三个旋转硅二极管，三相全波有六个旋转整流管，装在一块公共的绝缘安装板上。如图6所示，为安装方便起见，三相全波用的旋转整流管有正反烧两种管型，即两种正负极刚好相反，这种接法可以减少彼此之间的连线，可靠性好。为了保护旋转硅整流管在运行中偶然因过电压击穿而损坏，在旋转整流器上还并有压敏电阻，以吸收线路上可能的过电压。TFE系列发电机的旋转整流器安装在后端盖内侧，它直接固定于励磁机电枢铁心伸出的螺栓上，布置紧凑。

 

图5    斯坦福发电机主机转子三维图

图6    斯坦福发电机整流盘接线图.

 

三、斯坦福发电机使用说明

 

      发电机的供货范围有效性的完全取决于康明斯公司样本和报价单。发电机的基础设计是开路冷却、无刷、低压、顶部安装励磁控制装置的同步发电机。发电机非驱动端端盖内侧轴上装有励磁机。励磁机产生的交流电被整流并供给主机的转子绕组。轴带励磁机的励磁电流是由主机通过顶部安装的励磁控制装置和可控硅电压调节器供给的。

1、技术标准和规范

      斯坦福发电机符合DIN标准的VDE0530的要求，同时也符合不同船级社的要求及国外的标准和规则。除非有另外声明，否则发电机的持续输出功率是指在50Hz，冷却空气温度为40℃以及海拔高度1000m情况下。

（1）防护等级

      DIN 40050或IEC34-5标准中的发电机基础设计的防护等级是IP23。这类发电机只适合在室内运行并且可以带滤器盒或通风管连接。闭路冷却的发电机防护等级按照防护等级IP54要求。

（2）结构型式

      通常，可提供双轴承（DIN42950标准的B3或B20结构）或单轴承（DIN42950标准的B2或B16结构）的发电机。发电机的结构型式在尺寸图中表示。

2、冷却和通风

（1）发电机的基础设计是通过安装在发电机内部驱动端轴上的风扇自通风。

（2）冷却空气进入顶部（在非驱动端）冷却励磁装置随后冷却励磁机和主机的绕组及铁芯。

3、接线

      核实铭牌上的电压等级数据，选择与额定电流相匹配的电缆规格。按照工作图中的原理图接线，接线盒外形如图7所示。在盖上接线盒之前，请检查：

（1）内部清洁及任何电缆上脱落的碎屑。

（2）连接电缆的螺栓及螺丝是否紧固，不使用的进线口用螺旋塞封死。

（3）最小维修空间（500V时>10mm，1千伏时>14mm，6千伏时>60mm；检查所有电缆的端部）。

      为满足规定的防护等级，检查出线盒的各密封面是否都完好。如果在密封处只是金属相互接触，接触表面应该擦拭干净，并涂上一薄层润滑脂。

4、绝缘测试

      使用之前和长期存放后或备机时必须用测量发电机的绝缘，检测方法如图8所示。在尚未显示出最终的绝缘电阻之前，不要停止通电测量工作（对于高压发电机来说，这种过程可能要持续一分钟）。最小绝缘电阻和临界绝缘电阻的极限值（在绕组温度为25℃时测量）和测量电压的极限值可从表1中得出。

表1     发电机绝缘测试

 

5、发电机受潮烘干方法

      新的、干燥的绕组的绝缘电阻值在100MΩ至2000MΩ之间或更高。如果绝缘电阻处于最小值范围内，那么可能是由于受潮或有灰尘的缘故。如果绝缘电阻降到低于最小值时，则要找出原因并将绕组烘干。

（1）用暖气炉烘干时：打开轴承盖抽出转子，拆下二极管变阻器和励磁装置部分。

（2）按照表2中的温度烘烤：热量应该慢慢地供给，达到所需温度的时间不能低于6小时。加热之前必须测量绝缘电阻，此后每隔6至8小时测量一次。

表2    发电机绝缘烘干温度

备注："F"级和"H"级绝缘设备必须在温度升至绝缘烘干温度之前，用70%的规定温度烘烤大约6 小时（消除绕组中的蒸汽）。

      干净的绕组的绝缘电阻主要取决于温度：温度每升高10K，绝缘电阻降低一半。例如，当温度升高50K时（从25℃至75℃），绝缘电阻值降至原有值的三十分之一。在运行期间绕组的绝缘电阻可能因为环境及运行条件而降低。在绕组温度为25℃时，绝缘电阻的临界值可通过额定电压（KV）与表格内的临界电阻值的比值（MΩ/kV）相乘来得出。

      例如：额定电压为660V时的临界电阻为：

0.66KV×0.5MΩ/kV=0.33MΩ

      在运行期间如果测得的绝缘电阻值高于计算出的临界数值，则发电机可以继续运行。但是若测得的值达到或低于临界电阻值时，就要将绕组烘干，或取出转子，彻底擦净绕组并且烘干。如果测得的值接近临界电阻值时，那就需要在较短的时间间隔里多次检查绝缘电阻值。对于低压发电机来说，如果绝缘电阻先前已经用最大测量电压500V测量过且未见降低到低于容许值，这才可允许用1000V的测量电压来测量绝缘电阻。

6、振动

      用作柴油发电机组的电机，由于输出脉冲力矩传给发电机。轴承端允许的振动强度如表3所列。

表3    发电机轴承端允许的振动强度

      滚柱轴承、角面接触滚珠轴承和双滑动轴承的发电机用轴承座定位，以在运输过程中保护轴承。在传输元件装好之前不要移开轴承座。如果传输元件装好不得不再运输发电机时，必须配置其它适当尺寸的轴承座。如果发电机到达后不立即使用，应贮藏在干燥没有振动的室内。

7、安装

（1）发电机安装场所必须是冷却空气进口和出口都畅通无阻，排出的热废气不能再重新吸入。

（2）百叶窗开口应朝下以确保防护等级。移开轴承座（适宜的时候）。遵照附在轴伸端或接线盒上的说明。在轴伸嵌入的半个导向键以使转子达到动态平衡。

（3）将发电机仔细地进行对中，对轴上的部件精确地进行平衡校验，以确保能平稳无振动地运行。如有需要，可在底脚下面放些薄垫片，以防发电机扭曲变形。

（4）只有使用适合的专用工具，才能拆装发电机的传动部件。导向键在船运的时候需扎牢防止脱落。如果传输部件没有安装，发电机不允许起动。

8、维护

      为防止触及旋转部件和带电部件以及为进行适当导风（以使冷却效果更好）而装设的各种盖子，在发电机运行过程中是不允许打开的。在进行发电机的任何维修工作之前，务必使发电机与电源脱开，并有防止发电机被意外起动的防范措施。

（1）定期净化冷却空气通道，根据脏污的程度，用无油腻的压缩空气将灰尘吹掉。

（2）常规的检修期间只需对全封闭风扇冷却式发电机的内部进行净化就可以了。

（3）如果灰尘或潮气渗入端子盒内，应仔细地擦净并烘干端子盒，尤其是绝缘部件的表面，检查密封部件并排除密封不良的原因。

9、检查

      发电机运行大约500小时之后需要进行第一次检查。根据污染程度决定在适当的时期清理冷却风道。下列检查同时进行：

（1）机器运行要平稳转子校准应该在公差之内地基无凹陷和破裂。

（2）所有机械和电气连接螺栓都已紧固绕组绝缘良好（与前面所述的数据比较）轴承绝缘无任何损坏。对失效的螺栓和旧紧固件必须更换。

（3）第一次检查之后，所有由于冷却空气流动而变脏的部件的检修周期视当地的运行环境而定。应使用干燥的压缩空气清洁部件。更换油脂，重新注油等要求见发电机上的润滑铭牌或轴承的补充说明。

（4）拆卸发电机的时候必须做下列检查：定子和转子铁芯的楔形块紧固；绕组、连接导线和绝缘部分符合要求无污渍；按照说明书中的安装要求重新组装。

 

图7  发电机接线盒结构示意图

图8  发电机绝缘测试仪检测示意图.

 

总结：

      无刷同步发电机是一种采用电子换向技术实现自激励的同步发电机。与传统的同步发电机相比，无刷同步发电机最大的优势在于无需用机械刷子来换向，因此可以避免机械刷子带来的摩擦和噪音，并大幅度提高了发电机的可靠性。总之，无刷同步发电机是目前新型发电技术中较为先进的一种，它有着可靠性高、噪音低、效率高等优点。随着技术的不断发展和成熟，特别是永磁发电机将逐渐取代传统的同步发电机，成为未来柴油发电机组行业的主导技术之一。

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