性能特點(diǎn)和作用說明

有刷旋轉(zhuǎn)磁極式（凸極）同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

 

摘要：按發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，同步發(fā)電機(jī)可分為隱極式和凸極式兩種，其中隱極式轉(zhuǎn)子呈圓形，轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)子直徑小，但長度長。而凸極式轉(zhuǎn)子具有突出的磁極，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組繞在磁極上，轉(zhuǎn)速低。同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，外殼由前蓋、中殼、后蓋整體結(jié)構(gòu)件組成，起到構(gòu)建電機(jī)整體結(jié)構(gòu)的作用。但是外轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)的外殼同時(shí)也是磁鐵的磁路通路，所以外殼必須是導(dǎo)磁性的物質(zhì)構(gòu)成。內(nèi)轉(zhuǎn)子的外殼只是結(jié)構(gòu)件，所以不限定材質(zhì)。但是內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)比外轉(zhuǎn)子電機(jī)多一個(gè)轉(zhuǎn)子鐵芯，這個(gè)轉(zhuǎn)子鐵芯的作用同樣也是起到磁路通路的作用。

 

一、發(fā)電機(jī)工作原理

 

      同步發(fā)電機(jī)是一種常見的發(fā)電設(shè)備，其工作原理如下：

1、 電磁感應(yīng)

      同步發(fā)電機(jī)利用電磁感應(yīng)的原理來產(chǎn)生電能。當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子與定子相對(duì)旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)在定子的線圈中產(chǎn)生磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)會(huì)穿過線圈，導(dǎo)致線圈內(nèi)的導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電流。

2、動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)

      發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上通常有一組勵(lì)磁線圈，當(dāng)這些線圈通過電流時(shí)，會(huì)在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)。這個(gè)磁場(chǎng)與定子上的磁場(chǎng)相互作用，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子相對(duì)定子旋轉(zhuǎn)。

3、同步

      當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并且頻率與電源頻率相匹配時(shí)，轉(zhuǎn)子上的勵(lì)磁磁場(chǎng)與定子的磁場(chǎng)同步。這個(gè)同步狀態(tài)允許電能從轉(zhuǎn)子傳輸?shù)蕉ㄗ樱a(chǎn)生輸出電能。

4、無刷式同步發(fā)電

      許多現(xiàn)代的同步發(fā)電機(jī)是無刷式的，即轉(zhuǎn)子上沒有刷子和滑環(huán)。這些發(fā)電機(jī)通過在轉(zhuǎn)子上嵌入永磁體，產(chǎn)生一個(gè)恒定的磁場(chǎng)。這種無刷式的設(shè)計(jì)減少了能量損耗和維護(hù)成本。

      總的來說，同步發(fā)電機(jī)的工作原理是利用電磁感應(yīng)和磁場(chǎng)相互作用，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。通過控制勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度，可以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出電壓和頻率。這使得同步發(fā)電機(jī)成為一種重要的發(fā)電設(shè)備，廣泛應(yīng)用于發(fā)電站、柴油發(fā)電機(jī)組等領(lǐng)域。

 

圖1  無刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)工作原理圖

圖2  有刷和無刷發(fā)電機(jī)對(duì)比圖

 

二、定子結(jié)構(gòu)與作用

 

      發(fā)電機(jī)的定子是指發(fā)電機(jī)中的靜態(tài)部分，通常由鐵芯和繞組組成。與轉(zhuǎn)子不同的是，發(fā)電機(jī)的定子本身并不旋轉(zhuǎn)，但是卻起著至關(guān)重要的作用。發(fā)電機(jī)的定子通常接收外部電源的輸入，同時(shí)通過繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)，從而激勵(lì)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換。定子主要由鐵芯、繞組和機(jī)座三部分組成，是發(fā)電機(jī)電磁能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件之一。

1、定子鐵芯

      定子鐵芯一般用0.35~0.5mm厚的硅鋼片疊成，沖成一定的形狀，每張硅鋼片都涂有絕緣漆以減小鐵芯的渦流損耗。為了防止在運(yùn)轉(zhuǎn)中硅鋼片受到磁極磁場(chǎng)的交變吸引力發(fā)生交變移動(dòng)，同時(shí)避免因硅鋼片松動(dòng)在運(yùn)行中產(chǎn)生振動(dòng)而將片間絕緣破壞引起鐵芯發(fā)熱和影響電樞繞組絕緣，所以，在制造電機(jī)時(shí)電樞鐵芯通過端部壓板在底座上進(jìn)行軸向固定。

      空?qǐng)A柱體，在其內(nèi)圓周上沖有放置定子繞組的槽。為了將繞組嵌入槽中并減小氣隙磁阻，中小型容量發(fā)電機(jī)的定子槽一般采用半開口槽。

2、電樞繞組

      發(fā)電機(jī)的電樞繞組由線圈組成。線圈的導(dǎo)線都采用高強(qiáng)度漆包線，線圈按一定的規(guī)律連接而成，嵌人定子鐵芯槽中。繞組的連接方式一般都采用三相雙層短距疊繞組。

3、機(jī)座

      機(jī)座用來固定定子鐵芯，并和發(fā)電機(jī)兩端蓋形成通風(fēng)道，但不作為磁路，因此要求它有足夠的強(qiáng)度和剛度，以承受加工、運(yùn)輸及運(yùn)行中各種力的作用，兩端的端蓋可支承轉(zhuǎn)子，保護(hù)電樞繞組的端部。發(fā)電機(jī)的機(jī)座和端蓋大都采用鑄鐵制成。

 

三、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與作用

 

      發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是指發(fā)電機(jī)中的旋轉(zhuǎn)部分，同時(shí)也是發(fā)電機(jī)中將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的主要部分。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子通常使用導(dǎo)體（如銅等）制成，包裹著磁芯（如鋼等）。當(dāng)轉(zhuǎn)子不斷旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁場(chǎng)就會(huì)被導(dǎo)體切割，并產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的目的。

1、磁鐵

      安裝在轉(zhuǎn)子上，是無刷電機(jī)的重要組成部分，無刷電機(jī)的絕大部分性能參數(shù)都與磁鐵相關(guān)，包括功率、轉(zhuǎn)速、扭矩等。

2、硅鋼片

      硅鋼片是有槽無刷電機(jī)的重要組成部分，當(dāng)然，無槽無刷電機(jī)是沒有硅鋼片的，但是目前絕大多數(shù)的無刷電機(jī)都是有槽的。它在整個(gè)系統(tǒng)中的作用主要是降低磁阻、參與磁路運(yùn)轉(zhuǎn)。

3、轉(zhuǎn)軸

      轉(zhuǎn)軸是電機(jī)轉(zhuǎn)子的直接受力部分，轉(zhuǎn)軸的硬度必須能滿足轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的要求。

4、軸承

      軸承是電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)順暢的保證，軸承可以分為滑動(dòng)軸承和滾動(dòng)軸承，而滾動(dòng)軸承又可以細(xì)分為深溝球軸承、滾針軸承和角接觸軸承等十大類，而目前大多數(shù)的無刷電機(jī)都是采用深溝球軸承。

 

P80發(fā)電機(jī)主轉(zhuǎn)子總成結(jié)構(gòu)圖（單軸承）

P80發(fā)電機(jī)主轉(zhuǎn)子總成結(jié)構(gòu)圖（雙軸承）

 

總結(jié)：

      發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子在工作原理和結(jié)構(gòu)上有很大的差別。轉(zhuǎn)子是發(fā)電機(jī)中的旋轉(zhuǎn)部分，而定子則是發(fā)電機(jī)中的靜態(tài)部分。同時(shí)，轉(zhuǎn)子是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的主要部分，而定子則是通過產(chǎn)生磁場(chǎng)來激勵(lì)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換。另外，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子工作時(shí)需要相互配合并協(xié)同工作。如何保證轉(zhuǎn)子和定子的緊密配合和相互作用，使其在工作時(shí)可以高效地轉(zhuǎn)換電能，是發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中的重要考慮因素。綜上所述，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子是發(fā)電機(jī)中至關(guān)重要的兩個(gè)部分，其結(jié)構(gòu)和工作原理都非常復(fù)雜。只有深入理解轉(zhuǎn)子和定子的相互配合和作用，才能設(shè)計(jì)出更高效、更可靠的發(fā)電機(jī)。

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