同步发电机的结构分析

【学习任务】（1）正确说出同步发电机的基本结构。

（2）正确说出同步发电机各主要组成部分的作用。

（3）正确理解隐极式和凸极式发电机结构上的差异。

1.隐极式汽轮发电机的结构

现代汽轮发电机磁极数均为2极，转速为3 000 r/min，这是因为提高转速可以提高汽轮机的运行效率，减少机组的尺寸和造价。同时由于转速高，汽轮发电机的直径较小，在容量一定的情况下，电机转子的长度要加长，且均为卧式结构，故一般汽轮发电机的转子长度L和定子内径D之比为2～6.5。汽轮发电机由定子、转子、端盖及轴承组成，如图13－4和图13－5所示。

图13－4　汽轮发电机结构

1—定子机座；2—定子铁芯；3—外壳；4—吊起定子的装置；5—防火导水管；6—定子绕组；
7—定子的压紧环；8—外护板；9—里护板；10—通风壁；11—导风屏；12—电刷架；
13—电刷握；14—电刷；15—轴承；16—轴承衬；17—油封口；
18—汽轮机边的油封口；19—基础板；20—转子；21—端线；22—励磁机

图13－5　汽轮发电机主要结构部件

1—发电机外端盖；2—发电机内端盖；3—定子绕组；4—定子铁芯；5—冷却水管；
6—发电机内端盖；7—发电机外端盖；8—氢气冷却器；9—转子

1）定子

定子由定子铁芯、定子绕组、机座、端盖和挡风装置等部件组成。

定子铁芯的作用是作为电机磁路的一部分及放置定子绕组，如图13－6所示。为了减少铁芯中由交变磁势引起的涡流和磁滞损耗，定子铁芯由厚度为0.35 mm或0.5 mm的涂漆硅钢片叠成，沿轴向叠成多段形式，每段叠片厚为3～6 cm，各叠之间留有1 cm的通风槽，以利于铁芯散热。

图13－6　汽轮发电机定子铁芯

在定子铁芯内圆槽内嵌放定子三相线圈，按一定规律连接成三相对称绕组，一般均采用三相双层短距叠绕组。定子绕组的作用是切割转子旋转磁场磁力线感应电动势，将机械能转变成电能输出。为了减小由于集肤效应引起的附加损耗，绕组导线常由若干股相互绝缘的并联多股扁铜线组成，并且在槽内线圈的直线部分还应按一定方式进行换位，如图13－7所示。

图13－7　汽轮发电机定子绕组

定子机座应有足够的强度和刚度。除支撑定子铁芯外，还要满足通风散热的需要。一般机座都是由钢板焊接而成的。

2）转子

转子由转子铁芯、励磁绕组、护环、中心环、滑环及风扇等部件组成。

转子铁芯既是电机磁路的主要组成部分，又承受着由于高速旋转产生的巨大离心力，因而其材料既要求有良好的导磁性能，又需要有很高的机械强度。一般采用整块的含铬、镍和钼的合金钢锻成，与转轴锻成一个整体，如图13－8所示。

在转子铁芯表面铣有槽，槽内嵌放励磁绕组，也称转子绕组，其作用主要是建立转子磁场。槽的排列形状有辐射式和平行式两种，如图13－9（a）和图13－9（b）所示，前者用得较普遍。由图13－9可见，沿转子外圆在一个极距内约有1/3部分没有开槽，叫作大齿，即主磁极。

励磁绕组是由扁铜线绕成的同心式线圈，两圈边分别放置在大齿两侧所开出的槽内，所有线圈串联组成励磁绕组，构成转子的直流电路，且利用不导磁、高强度材料的硬铝或铝青铜制成的槽楔将励磁绕组在槽内压紧，如图13－10所示。

励磁绕组引出的两个线端接在滑环上，滑环装在转轴一端，直流励磁电流经电刷与滑环的滑动接触而引入励磁绕组。励磁绕组的各线匝间垫有绝缘，线圈和铁芯之间也有可靠的“对地绝缘”。

图13－8　两极空冷汽轮发电机转子

1—轴向风扇；2—径向风扇；3—中心环；4—护环；5—槽契；6—护环；7—风扇；8—励磁机电枢；
9—励磁机风扇；10—滑环；11—转子绕组；12—槽契；13—转子绕组；14—转子槽；15—槽绝缘（对地绝缘）；
16—槽口保护套；17—励磁引线；18—滑环；19—轴头；20—联轴器

图13－9　隐极式转子槽的两种排列

（a）辐射式；（b）平行式

护环用以保护励磁绕组的端部不致因离心力而甩出；中心环用以支持护环，并阻止励磁绕组的轴向移动。

某些大型汽轮发电机转子上还装有阻尼绕组，它是一种短路绕组，由放在槽下的铜条和转子两端的铜环焊接成闭合回路。阻尼绕组的主要作用是在同步发电机短路或不对称运行时，利用其感应电流来削弱负序旋转磁场的作用，以及同步发电机发生振荡时起阻尼的作用，使振荡衰减。

2.凸极式水轮发电机的结构

由于水轮发电机的转速远没有汽轮发电机的转速高，故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，在容量一定的情况下，发电机的长度便可缩短，故水轮发电机的转子长度L和定子内径D之比为0.125～0.07。因此，将同步发电机做成凸极式更适合水轮发电机或其他低速动力机的要求。

图13－10　汽轮发电机励磁绕组

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、中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，如图13－11所示。下面以立式水轮发电机为例介绍其基本结构。

图13－11　水轮发电机

（a）立式水轮发电机；（b）卧式水轮发电机

立式水轮发电机的结构又分为悬式和伞式，如图13－12（a）和图13－12（b）所示。图13－13所示为悬式水轮发电机结构。悬式的推力轴承装在转子上部的上机架中，整个转子悬吊在上机架上，这种结构在运行时稳定性好，适用于转速较高的水轮发电机（150 r/min以上）。伞式的推力轴承装在转子下部的下机架中，整个转子形同被撑起的伞，这种结构运行时稳定性较差，适用于转速较低的水轮发电机（125 r/min以下）。

水轮发电机主要由定子、转子、机架和推力轴承等组成。

图13－12　立式水轮发电机的基本结构形式

（a）悬式；（b）伞式

图13－13　悬式水轮发电机结构图

1—励磁机换向器；2—端盖；3—励磁机主极；4—推力轴承；5—冷却水进、出水管；
6—上端盖；7—定子绕组；8—磁极线圈；9—主轴；10—靠背轮；11—油面高度指示器；
12—出线盒；13—磁极装配支架；14—定子铁芯；15—风罩；16—发电机机座；
17—碳刷；18—集电环；19—制动环；20—端部撑架

1）定子

定子主要由机座、定子铁芯、定子绕组组成。

定子铁芯的基本结构与汽轮发电机相同，大、中型容量的水轮发电机定子铁芯由扇形硅钢片叠成，留有通风沟。沿铁芯内圆表面的槽内放置三相对称定子绕组，并用槽锲压紧。(www.xing528.com)

定子绕组多采用双层波绕组，可节省极间连接线，并多采用分数槽绕组，以便改善电动势波形。

2）转子

转子主要由转轴、转子支架、励磁绕组、阻尼绕组、磁轭和磁极组成，如图13－14所示。

磁极采用1～1.5 mm厚的钢板冲片叠成；励磁绕组多采用绝缘扁铜线绕制而成，经浸胶热压处理，套装在磁极上；大、中型容量的凸极同步发电机的阻尼绕组一般装在极靴部位，用以减少并联运行时转子振荡的振幅，整个阻尼绕组由插入极靴阻尼孔中的铜条和端部铜环焊接而成。某些中、小型容量凸极同步发电机，磁极铁芯是整体的，一般不另装阻尼绕组。

图13－14　转子

3）轴承

水轮发电机有导轴承和推力轴承两种。导轴承的作用是约束轴线位移和防止轴摆动。推力轴承承受水轮发电机转动部分（包括电机转子和水轮机）的全部重量及轴向水推力，是水轮发电机组中心的关键部件。

自测题

一、填空题

1.同步电机的运行方式有__________、__________和__________三种。

2.同步发电机的冷却方式一般有__________和__________两种类型。

3.同步旋转磁场的转速n1、极对数p、电流频率f之间的关系为f＝__________。

4.旋转磁极式同步电机按磁极的形状，可分为________和________两种类型。

5.按结构形式，同步电机可分为__________和__________两种。

二、选择题

1.同步发电机的（　　）是电机磁路的主要组成部分。

A.转子　　　　　　B.转子铁芯　　　　　　C.定子铁芯　　　　　　D.定子

2.现代汽轮发电机的磁极为（　　）极。

A.1　B.2　C.3　D.4

3.励磁绕组是转子的（　　）部分，一般用来建立旋转的转子磁场。

A.电路　B.磁路　C.油路　D.气路

4.同步调相机的作用是（　　）。

A.补偿电网电力不足

B.作为同步发电机的励磁电源

C.补偿电网无功功率的不足，改善电网的功率因数

D.作为用户的备用电源

5.一台同步发电机的电动势频率为50 Hz，转速为300 r/min，其磁极对数为（　　）。

A.2　B.5　C.10　D.20

三、判断题

1.同步电机同步的含义是转子转速与定子旋转磁场转速相同。（　　）

2.同一台同步电机，只要改变外部条件既可作发电机运行，也可作电动机运行。（　　）

3.隐极式同步电机气隙均匀、转速高、磁极对数少。（　　）

4.同步电动机、柴油发电机和调相机一般也都做成隐极式。（　　）

5.悬式结构适用于转速较高的水轮发电机。（　　）

四、简答题

1.同步发电机的定子由哪些部件组成？

2.为什么汽轮发电机一般采用隐极式，而水轮发电机采用凸极式结构？

3.请简述水轮发电机组阻尼绕组的作用。

4.请简述同步发电机和同步电动机的工作原理。

5.为什么大容量同步电机采用磁极旋转式而不用电枢旋转式？

答案13.1