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圖解無刷發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu) |
摘要：康明斯柴油發(fā)電機(jī)組通常配備均為無刷發(fā)電機(jī)，其基本結(jié)構(gòu)分靜止和轉(zhuǎn)動兩大部分。靜止部分包括機(jī)座、定子鐵芯、定子繞組、交流勵磁機(jī)定子和端蓋等；轉(zhuǎn)動部分包括轉(zhuǎn)子鐵芯、磁極繞組、電機(jī)軸（轉(zhuǎn)軸）、軸承、交流勵磁機(jī)的電樞、旋轉(zhuǎn)整流器和風(fēng)扇等。
一、靜止部分
1、定子
定子由機(jī)座、定子鐵芯和定子繞組所組成。定子鐵芯及定子繞組是產(chǎn)生感應(yīng)電勢和感應(yīng)電流的部分，故亦稱其為電樞。
（1）機(jī)座
機(jī)座是發(fā)電機(jī)的整體支架，用來固定電樞并和前后兩端蓋一道支承轉(zhuǎn)子。發(fā)電機(jī)的機(jī)座通常有鑄鐵鑄造和鋼板焊接兩種。
鑄鐵鑄造的機(jī)座內(nèi)壁一般分布有筋條用以固定電樞，兩端面加工有止口及螺孔與端蓋配合固定，機(jī)座下部鑄有底腳，以便將發(fā)電機(jī)固定。機(jī)座上一般有電源出線盒，其位置通常在機(jī)座的右側(cè)面（從軸伸端看）或者位于機(jī)座上部，出線盒內(nèi)裝有接線板，以便于引出交流電源。位于機(jī)座上部的出線盒一般均裝有勵磁調(diào)節(jié)器，用于調(diào)節(jié)勵磁電壓。
鋼板焊接結(jié)構(gòu)的機(jī)座是由幾塊罩式鋼板、端環(huán)和底腳焊接而成，具有省工省料、重量輕和造型新穎等特點(diǎn)。
（2）定子鐵芯
定子鐵芯是發(fā)電機(jī)磁路的一部分。為了減小旋轉(zhuǎn)磁場在定子鐵芯中所引起的渦流損耗和磁滯損耗，定子鐵芯采用導(dǎo)磁性能較好的0.5mm厚，兩面涂有絕緣漆的硅鋼片疊壓而成。鐵芯開有均勻分布的槽，以嵌放電樞繞組。為了提高鐵芯材料的利用率，定子鐵芯常采用扇形硅鋼片拼疊成一個整圓形鐵芯，拼接時把每層硅鋼片的接縫互相錯開。較大容量的發(fā)電機(jī)鐵芯，為了增加散熱面積，通常沿軸向長度上留有數(shù)道通風(fēng)溝。
有些發(fā)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子均采用硅鋼片沖制，其定子鐵芯是用整圓硅鋼片疊壓，再與壓圈一道用CO2氣體保護(hù)焊接成一體。這種結(jié)構(gòu)具有材料利用率高，容易加工等特點(diǎn)。
（3）定子繞組
定子繞組是發(fā)電機(jī)定子部分的電路。定子繞組由線圈組成，線圈采用高強(qiáng)度聚酯漆包圓銅線繞制，并按一定方式連接，嵌入鐵芯槽中。線圈采用導(dǎo)線的規(guī)格、線圈匝數(shù)和并聯(lián)路數(shù)等由設(shè)計(jì)確定。繞線形式有雙層疊繞、單層鏈?zhǔn)郊皢坞p層式等。三相繞組應(yīng)對稱嵌放，彼此相互差120°電氣角度。
定子繞組嵌放在鐵芯槽中，必須要有對地絕緣、層間絕緣和相間絕緣，以免發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中對鐵芯出現(xiàn)擊穿或短路故障。主絕緣材料主要采用聚酯薄膜無紡布復(fù)合箔，槽絕緣通常采用云母帶。
由于定子線圈在鐵芯槽內(nèi)受到交變電磁力及平行導(dǎo)線之間的電動力作用，造成線圈移動或振動，因此，線圈必須堅(jiān)固。一般用玻璃布板做槽楔在槽內(nèi)壓緊線圈，并且在兩端部用玻璃纖維帶扎緊，然后把整個電樞進(jìn)行絕緣處理，使電樞成為一個堅(jiān)固的整體。
2、交流勵磁機(jī)定子
交流勵磁機(jī)產(chǎn)生的交流電，經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器整流后，供同步發(fā)電機(jī)勵磁使用。為了避免勵磁機(jī)與旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)用電刷、集電環(huán)（滑環(huán)）提供勵磁電流，交流勵磁機(jī)的定子大多為磁極，而轉(zhuǎn)子為電樞。
發(fā)電機(jī)勵磁機(jī)的定子鐵芯通常有兩種做法。一種是用1mm厚的低碳鋼板疊壓制成，它有若干對磁極，每個磁極均套有集中式的勵磁線圈，并用槽楔固定，然后進(jìn)行浸漆烘干絕緣處理。另一種是用硅鋼片疊壓而成，其勵磁線圈先在玻璃布板預(yù)制的框架上繞制，經(jīng)浸漆絕緣處理后套在勵磁定子鐵芯上，并用銷釘固定。
發(fā)電機(jī)勵磁機(jī)的定子繞組也有多種做法。有的發(fā)電機(jī)勵磁機(jī)的定子繞組有兩套勵磁繞組，即電壓繞組和電流繞組，具有電流復(fù)勵作用，以改善發(fā)電機(jī)性能和增大過載能力。為了便于起勵，有的勵磁機(jī)勵磁的定子鐵芯里埋設(shè)有三塊永久磁鋼。為防止漏磁，磁鋼與定子鐵芯之間用厚絕緣紙板進(jìn)行磁隔離。勵磁機(jī)的定子均用緊固螺釘或環(huán)鍵固定在兩端間的鑄造筋條上或焊接在支承件上。
3、端蓋
端蓋用于與機(jī)座配合并支承轉(zhuǎn)子，因此在端蓋的中心處應(yīng)開有軸承室圓孔，以供安裝軸承。端蓋的端面有止口與機(jī)座配合，與內(nèi)燃機(jī)專配發(fā)電機(jī)在軸伸出端的端蓋兩端面均有端面止口，以保證轉(zhuǎn)子裝配后同軸度的要求。一般來說，小功率發(fā)電機(jī)的端蓋用鑄鐵鑄造，而大功率發(fā)電機(jī)的端蓋則采用鋼板焊接而成。
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圖1 無刷同步交流發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) |
二、轉(zhuǎn)動部分
1、轉(zhuǎn)子鐵芯
旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵芯可分為兩種形式：凸極式和隱極式。其中凸極式轉(zhuǎn)子鐵芯又可分為分離凸極式和整體凸極式兩種。
分離凸極式轉(zhuǎn)子鐵芯的磁極沖片疊壓緊后用鉚釘和壓板鉚合在一起制成磁極鐵芯。磁極鐵芯套在磁極線圈上后，用磁極螺釘固定在磁軛上或者用特定的鋼制螺釘固定。
整體凸極式轉(zhuǎn)子鐵芯采用整體凸極式?jīng)_片，這種磁極結(jié)構(gòu)，是磁極和磁軛為一體，用0.5mm厚硅鋼片整片沖出極身，然后直接與端板、鉚釘、阻尼條及阻尼環(huán)焊接成一個整體形成轉(zhuǎn)子鐵芯。這種結(jié)構(gòu)有以下三個特點(diǎn)：
（1）勵磁繞組直接繞在磁極上，散熱效果好，機(jī)械強(qiáng)度高；
（2）沒有第二氣隙，可減小勵磁的安匝數(shù)；
（3）制造時安放阻尼繞組方便。
隱極式轉(zhuǎn)子是將整圓的轉(zhuǎn)子沖片直接裝在轉(zhuǎn)軸上，其兩端有端板和支架來支承轉(zhuǎn)子線圈，并用環(huán)鍵固定。為了削弱發(fā)電機(jī)輸出電壓波形中出現(xiàn)的諧波分量，隱極式轉(zhuǎn)子鐵芯通常做成斜槽，并且在鐵芯齒部沖有阻尼孔，供埋設(shè)阻尼繞組，以提高并聯(lián)運(yùn)行性能和承受不平衡負(fù)載運(yùn)行及消除振蕩的能力。
2、磁極繞組
同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁極繞組用絕緣的銅線繞成，與極身之間有絕緣。各磁極上勵磁繞組間的連接通過勵磁電流以后，相鄰磁極的極性必然呈N與S交替排列。根據(jù)轉(zhuǎn)子鐵芯的結(jié)構(gòu)形式可分為隱極式磁極繞組和凸極式磁極繞組兩種。
（1）隱極式磁極一般采用單層同心式繞組，用漆包圓銅線繞制。制造時先在轉(zhuǎn)子鐵芯槽中放好絕緣材料，然后將磁極繞組嵌入槽內(nèi)，并在后端部用玻璃纖維管與支架扎牢，再用無紡玻璃纖維帶沿圓周捆扎，最后整體浸漆烘干成為一個堅(jiān)固的整體。
（2）凸極式磁極繞組一般采用矩形截面的高強(qiáng)度聚酯漆包扁銅線繞制或者用聚酯漆包圓銅線繞制，但空間填充系數(shù)較差。
由于凸極式磁極繞組是集中式繞組，因此可在預(yù)先制好的鐵板框架四周包好云母片、玻璃漆布等絕緣材料，上下放上玻璃布板襯墊，然后連續(xù)繞制線圈，再浸烘絕緣漆，最后將成形磁極繞組套在磁極鐵芯上，再用螺釘固定在磁軛上。
對于整體凸極式是在預(yù)先鉚焊好的整體轉(zhuǎn)子上，將極靴四周包好絕緣，而后整體用機(jī)械方法繞制線圈，最后經(jīng)F級絕緣浸烘處理，形成堅(jiān)固的磁極整體，用熱套方法套入轉(zhuǎn)軸。這種線圈結(jié)構(gòu)具有散熱條件好，絕緣性能、機(jī)械強(qiáng)度和可靠性高等特點(diǎn)。
3、轉(zhuǎn)軸
同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸一般用特定規(guī)格的鋼制作加工而成。在發(fā)電機(jī)的軸伸端，通過軸上的聯(lián)軸器與發(fā)動機(jī)對接。由此可知，它是將機(jī)械能變?yōu)殡娔艿年P(guān)鍵零件，因而，它必須具有很高的機(jī)械強(qiáng)度和剛度。有些發(fā)電機(jī)往往在軸上還熱套有磁軛，用以裝配磁極鐵芯和繞組；有些發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸焊有驅(qū)動盤和風(fēng)扇安裝板以便安裝柔性連接盤和冷卻風(fēng)扇。
4、軸承
發(fā)電機(jī)一般采用兩支承式，即在轉(zhuǎn)軸兩端裝有軸承。根據(jù)受力情況，其傳動端采用圓柱滾子軸承，非傳動端采用滾珠軸承。軸承與轉(zhuǎn)軸是過盈配合，軸承用熱套法套入軸承。軸承外圈與端蓋（或軸承套）采用過渡配合，并固定在兩端蓋的軸承室或軸承套內(nèi)。
軸承通常采用3號鋰基脂進(jìn)行潤滑，并在軸承兩邊用軸承蓋密封，平時維護(hù)檢修時應(yīng)注意清潔，以減小其振動和噪聲。
檢查方法：根據(jù)箭頭方向轉(zhuǎn)動軸承，檢查是否有異常噪聲、松動和卡住的現(xiàn)象，如果出現(xiàn)異常情況必須更換軸承
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圖2 發(fā)電機(jī)軸承 |
5、交流勵磁機(jī)的電樞
無刷發(fā)電機(jī)是利用交流勵磁機(jī)產(chǎn)生的交流電，經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器整流變?yōu)橹绷麟?，供交流發(fā)電機(jī)勵磁用。交流勵磁機(jī)電樞鐵芯用硅鋼片疊壓而成，然后嵌以三相交流繞組，并經(jīng)絕緣處理形成電樞。有些發(fā)電機(jī)的交流勵磁機(jī)裝在后端蓋外部，靠電樞支架固定在轉(zhuǎn)軸上，這種結(jié)構(gòu)使發(fā)電機(jī)軸向長度加長；有些發(fā)電機(jī)的交流勵磁機(jī)電樞則裝在后端蓋內(nèi)部，直接套在轉(zhuǎn)軸上，可使整機(jī)軸向長度縮短。
6、旋轉(zhuǎn)整流器
旋轉(zhuǎn)整流器是與交流勵磁機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)的裝置。其主要作用是將交流勵磁機(jī)電樞輸出的三相交流勵磁電流，通過整流器上的二極管轉(zhuǎn)換成直流電流，供給轉(zhuǎn)子繞組作為提供勵磁電流的電源。正是旋轉(zhuǎn)整流器的應(yīng)用，才使得交流發(fā)電機(jī)擺脫了電刷的束縛，不再有頻繁維修更換零件的麻煩，也使得交流發(fā)電機(jī)的應(yīng)用更加廣泛。有些交流發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)整流器安裝在交流勵磁機(jī)的外側(cè)，用螺釘固定在轉(zhuǎn)軸上，以便于安裝和維修。有些發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)整流器則安裝在后端蓋的內(nèi)側(cè)，直接固定于勵磁機(jī)電樞鐵芯伸出的螺栓上，使結(jié)構(gòu)更為緊湊。
旋轉(zhuǎn)整流器電路有三相半波和三相橋式整流電路兩種，以下主要介紹三相橋式整流電路：
為便于安裝，減小整流元件之間的連接線，提高發(fā)電機(jī)運(yùn)行的可靠性，其整流二極管用正、反向兩種管型，兩者正負(fù)極正好相反，便于接線。
三相橋式整流電路一般由六只整流二極管和散熱板（如圖3）組成。交流發(fā)電機(jī)用的整流二極管分為正極二極管和負(fù)極二極管兩種。正極二極管的中心引線為正極，外殼為負(fù)極，管殼底部一般有紅字標(biāo)記。三只正極管的外殼壓裝或者焊接在鋁合金散熱板的三個孔中，共同組成發(fā)電機(jī)的正極。由固定散熱板的螺栓通至外殼外（注意元件板與外殼絕緣），作為交流發(fā)電機(jī)的輸出接線柱"B"（或標(biāo)"+"或"電樞"字樣的）。負(fù)極二極管的中心引線為負(fù)極，外殼為正極，管殼底部一般有黑字標(biāo)記。三只負(fù)極二極管的外殼壓裝或焊接在另一散熱板上（此板與后端蓋相接），或者直接壓裝在后端蓋的三個孔中，和發(fā)電機(jī)的外殼共同組成發(fā)電機(jī)的負(fù)極，如圖2所示。
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圖3 發(fā)電機(jī)二極管安裝示意圖 |
圖4 發(fā)電機(jī)散熱板總成 |
7、風(fēng)扇
發(fā)電機(jī)運(yùn)行時將產(chǎn)生各種損耗并以熱量形式散發(fā)出去。如果沒有足夠的冷卻通風(fēng)量，將引起線圈和內(nèi)部器件過度發(fā)熱，輕則將損壞內(nèi)部元器件，重則將破壞繞組絕緣，對機(jī)組甚至人身造成危險。因此發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上通常裝有風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)冷卻。
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圖5 發(fā)電機(jī)的風(fēng)扇散熱示意圖 |
為了提高通風(fēng)效率，通常采用裝在前端蓋內(nèi)的后傾式離心風(fēng)扇。對專配的發(fā)電機(jī)組也有裝在前端蓋外的，風(fēng)扇裝在軸伸的半聯(lián)軸器上。在發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中，冷空氣由后端蓋和機(jī)座兩側(cè)進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)部，吸收電樞繞組、磁極繞組、定子與轉(zhuǎn)子鐵芯等部件的熱量，然后通過前端蓋蓋板上的窗孔將熱風(fēng)排出機(jī)外，以保證其溫升控制在允許范圍內(nèi)。
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