有刷三相交流发电机的基本结构及工作原理

1.基本结构

国外交流发电机总体结构儿乎都是钢板壳式，我国目前自主开发的由柴油机或汽油机驱动的中小型三相交流发电机总体结构，也越来越多采用钢板壳式，如图3-3所示。有刷三相交流发电机主要由定子、转子、端盖、轴承、出线盒等组成，其主耍零部件如图3-4所示。

(1) 定子。定子由机座、定子铁心、定子绕组组 成，如图3-5所示。机座是发电机的整体支架，用以固定带绕组的定子铁心，并和前端盖、后端盖及轴承一道支承转子。新型发电机机座由钢板压制而成，机座内壁有沿圆周均匀分布的若干轴向筋条，用以支撑、 固定定子铁心。机座两端面加工有与端盖配合的止口及螺孔。机座下部有支撑定子及整机的底脚。机座顶 部或侧面一般装有出线盒，出线盒内装有接线板，从这里接出交流电输出引线、励磁绕组引线和定子副绕组引线。有的发电机出线盒中装有励磁调节器。

定子铁心是交流发电机磁路的组成部分，由一定数量的0.5mm厚硅钢片冲制成的铁心冲片叠装而成。靠近铁心内腔处沿圆周开有一定数量的均匀分布的槽，以嵌放定子绕组。 为了减少铁心的涡流损耗，冲片两由涂有绝缘漆。定子铁心按外压装和内压装两种方式之一固定于机座内圆上。外压装就是铁心冲片叠压成一定长度后，在一定压力下由压圈和扣片装成一个铁心整体，再经定子绕组嵌线、浸漆、烘干处理后，压人机座。内压装则是铁心冲片 直接叠压在机座内腔，并加以固定。较大容量交流发电机定子铁心，为了增加散热面积，常在沿轴向长度上把定子铁心分成若干段，每段之间设有通风沟。

定子绕组是交流发电机中感应电压、输出电能的部分，是发电机的核心。定子绕组按规定方法嵌人定子铁心梢内，并按规定方法连接成三相绕组。小型交流发电机定子绕组由离强度聚酯漆包圆铜线绕制而成，导线规格、绕组匝数、并绕根数、并联路数等由设计规定。绕组形式有双层叠式、单层链式、单双层式等。三相交流发电机一般为双层叠式绕组。定子绕组按设计规定的方式嵌于铁心槽中，嵌线之前必须在每个槽内放置槽绝缘。三相绕组还须有相间绝缘、层间绝缘。交流发电机运行时，定子绕组在铁心槽中受到交变电磁力及平行于导线的电动力的作用，可能使绕组振动和位移，因此绕组要紧固，不得松动，一般用玻璃布板加工成的槽楔打人槽内压紧绕组，同时在定子绕组两端部用玻璃纤维带把端部扎牢。

(2) 转子。转子一般由转轴、磁极铁心、磁极绕组、集电环、轴承及风扇等组成，如图 3-6所示。

① 转轴。转轴一般由35号或45号圆钢加工而成，转子的所有零部件都按设计规定压装在转轴上。交流发电机轴伸上装有联轴器，通过联轴器使交流发电机与柴油机或汽油机对接， 因此，转轴是将机械能变成电能的关键零件。小型交流发电机转 轴上—般热套有磁轭，它们一起经精加工后，再把其他各零部件压装于转轴上。

② 磁极铁心。磁极铁心一般 由1mm厚的低碳钢薄板冲制成的磁极冲片叠装而成。由国外引 进技术生产的发电机的整体式磁极冲片，则用0.5mm厚的硅钢片冲制而成。磁极铁心是发电机 转子磁路的主要组成部分。

中小型交流发电机不论是单 相还是三相，其磁极铁心都可分为凸极式和隐极式两种结构。凸 极式指磁极铁心每极的极身呈凸起状，磁极绕组就套装在极身上或直接绕制在绝缘极身上。凸极式磁极铁心有分体凸极式和锒 体凸极式之分，它由如图3-7所示的凸极式磁极铁心冲片叠装而成，图3-7a为分体凸极式磁极铁心，每个极铁心套装上磁极绕组后，用磁极螺钉固定在磁轭上；图3-7b为整体凸极式磁极铁心，每个极与磁轭部分为一体，磁极绕组直接绕制在已包扎好绝缘物的极身上。国外引进技术生产的发电机都采用整体凸极式结构，其磁极绕组散热条件好，机械强度高，转子无第二气隙，减少了励磁安匝，而且阻尼绕组布置方便，斜极方便，可用斜极结构消除齿谐波。

隐极式转子铁心由外圆均匀分布或大小槽分布线槽的整 张冲片叠装而成，如图3-8所示。铁心直接压装在转轴上， 两端设有端板和支撑磁极绕组的支架。为了削弱发电机电压波形中的齿谐波分量，转子铁心一般装成斜槽。为了提高发电机并机运行性能和承受不对称三相负载运行能力，在铁心齿部还冲有阻尼孔，用以埋设阻尼绕组。

③ 磁极绕组。磁极绕组安装于凸极式转子极身上或嵌放在隐极式转子铁心槽中。该绕组中通过励磁电流时，磁极铁心通过磁通，建立发电机主磁场。磁极绕组的形式因铁心结构不同，也有凸极式和隐极式之分，凸极式的一般采用高强度聚酯漆包圆铜线或扁铜线绕制而成。分体凸极式转子的每个极套装上一个预先绕制成形的磁极绕组，整体凸极式转子的磁极 绕组则直接绕在已包好绝缘的极身上，在相邻两磁极之间应装设极间撑块，以防止发电机运 行中绕组受离心力作用向外甩起变形而损坏。极间撑块应采用非导磁材料，如铸铝合金或铸 黄铜合金等。

隐极式转子绕组为单层同心式，用高强度漆包圆铜线绕制成形后，嵌人放好槽绝缘的转子铁心槽中，用玻璃纤维丝管把绕组端部与转子支架扎牢，再用无纬玻璃纤维带沿端部圆周绑扎，经转子浸溃烘干处理便固化定形。

④ 轴承。轴承支撑转子，使转子轻快运转。发电机一般在转轴两端装有轴承，轴承外圈 固定在前、后端盖的轴承室或轴承套内。由于受力不同，轴伸端（即传动端）常用滚柱轴承，非传动端则用滚珠轴承。轴承必须加装润滑脂，常用润滑脂为3号锂基脂。轴承两端用轴承盖密封。采用带防护盖密封的轴承，只要转轴和端盖有轴向止推措施的，可不装内轴承盖。轴承内圈与转轴采用过盈配合，用热套法把轴承加热膨胀后套到转轴轴承挡。轴承外圈与端盖（或轴承套）采用过渡配合，但加工端盖轴承室径向尺寸时，不宜出现与轴承外圈的间隙配合，以防发电机运转中轴承外圈打滑。

⑤ 风扇。发电机运行时，由于各种损耗会引起发热，必须进行通风冷却。通常在转轴上 装设风扇，发电机旋转时热时经风扇排出。为了降低噪声、提高效率，风扇常制成后倾离心式。风扇叶片有铸铝和钢板焊接两种。

⑥ 集电环。集电环由互相绝缘的两个导电环组合而成。发电机运行时，励磁电源输出的励磁电流经电刷、集电环输给转子绕组，因此，集电环起着把励磁电流从非旋转到旋转状态的传输作用。为了保证集电环工作状态良好，当它压到转轴上的规定位置后，必须进行圆周表面的精加工。在发电机总装配时，还必须对电刷工作面进行磨削，使电刷与集电环接触面不少于电刷横截面的70%。

（3）端盖。端盖与机座配合后用于支撑转子。端盖中心有轴承室孔，用以安装轴承。与 柴油机连接的发电机，其轴伸端的端盖端面加工有端面止口，其与轴承室的间轴度要求很

高，以保证整机装配后能正常运行。端盖有铸铁铸造和钢板焊接两种。有的三相发电机端盖内孔不直接与轴承配合，而是经轴承套与轴承配合，轴承套材料为铸铁。

(4) 轴承盖。每个轴承两端均配备轴承盖，用以保护轴承，并阻止润滑脂外甩。轴承盖材料一般为铸铁，也有用钢材加工而成。

(5) 出线盒。出线盒包含接线板和外壳。接线板由U、V、W、N接线柱和绝缘体组装或压制而成。发电机定子绕组感应发出的三相交流电必须经接线板上的接线柱输出。新型发电机一般不设置出线盒的外壳，而是把接线板安装在励磁装置箱体内或小成套控制箱体内。

2. 工作原理

(1) 发电机基本工作原理。

图3-9是最简单的4极交流三相发电 机工作示意图。直流电源经电刷、集 电环向磁极绕组提供直流电流(即励磁电流)，根据通电线圈周围产生磁场的原理，4个磁极铁心便建立起极性分别为N、S、N、S的磁场。定子 铁心槽中分别嵌有U、V、W 三相定子绕组。发电机转子由发动机驱动，由于电磁感应作用，在定子绕组中便 感应出电动势，当定、转子铁心尺寸和绕组匝数设计合理时，在额定转速下发电机可发出额定电压。

(2) 交流电的产生。交流电指的是大小和方向随时间按正弦规律作周期性变化的电流或电压。图3-9所示发电机转子顺时针方向旋转，当磁极①、②这一对N、S极掠过定子绕组U1的导线时，该绕组导线感应的电压为：磁极①极性为N,当极弧表面上的点1、2、3三 个位置先后掠过绕组U1时，该绕组感应电压方向用右手定则判定为正；磁极②极性为S, 当极弧表面上的点4、5、6三个位置先后掠过绕组U1时，该绕组感应电压方向用右手定则判定为负。由于磁极铁心极弧表面与定子铁心之间的气隙大小设计成不均匀，中央气隙小， 两侧气隙大，通过气隙大小和极靴宽度的合理选取，使沿极弧表面各处的磁感应强度按正弦曲线分布。当磁极的不同点掠过绕组U1时，该绕组感应的电压大小也按正弦曲线分布,如图3-10所示，这就是单相交流电。交流发电机的转速、磁极对数和感应的 交流电频率之间的关系式为：ƒ=Pn/60 (式中ƒ为交流电频率，n为转速,P为极对数)。在图3-9中一个N极和一个S极组成1个极对数，该发电机为4极，即2 对极。

(3) 三相交流电的产生。图3-9所示发电机定子铁心梢中，沿圆周均匀安置彼此相隔 120°电角度的3个相同绕组U1U2、V1V2、W1W2,称为三相绕组。当转子旋转时，便可在三相绕组中感应出彼此相隔120°电角度的交流电动势印、eu、ev、ew，其向量和波形如图3-11 所示。

(4) 整机工作原理。有刷三相交流发电机原理电路如图3-12所示。由励磁电源输出的直流电(励磁电源可来自直流励磁机发出的直流电压、交流励磁机发出的交流电经整流成的直流电压、定子副绕组感应的电压经整流成的苜流电压、定子主绕组抽头电压经整流成的直流电压），经滑环、集电环向转子磁极绕组F1F2提供励磁电流。发电机由内燃机驱动至接近额定转速，依靠转子磁极铁心的剩磁磁场（新机或经大修的旧机须经充磁后，磁极铁心才有剩磁磁场），在定子绕组中感应出交流电。由于定子槽中嵌人的绕组按三相布置，因而感应出三相交流电压。调节磁场变阻器或自动电压调节器（AVR）的电位器，可使发电机空载电压整定在额定电压值。负载时，依靠自动电压调节器对转子励磁电流进行自动调节，以维持发电机电压恒定。未配备自动电压调节器的，则依靠手动调节磁场变阻器对转子励磁电流进行调节，以维持发电机电压接近额定值。

较大功率的发电机，应具有2台或多台机并列运行功能，为此要求配备的自动电压调节器（AVR）中设置有调差环节，其外部配备的调差互感器，接在发电机输出相线上，如图 3-12所示，在发电机并联运行中起自动调节无功负载电流作用。

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