无刷同步发电机结构设计

摘要：旨在讨论无刷同步发电机的结构原理,结合实际,对其通风散热、绝缘、励磁系统等的设计进行了讨论,给相关人员进行设计加工提供参考。

关键词：无刷同步电机 结构原理 设计

目前以进口机组为主的市场经济环境,迫切的需要我国自行开发并拥有先进的科学技术,开发适合我国气候与地理条件的发电机组。因此本文对中小型中压无刷同步发电机进行设计研究,以供参考。

1、结构原理

中小型中压无刷同步发电机的结构原理如图1所示。

图1 刷同步发电机的结构原理

G―主发电机;GAC―励磁机;GP―副励磁机:TA、TV――信号取样装置。发电机的主机是旋转磁场式,通过电机的定子向外输出电能。发电机的转子往往有隐极与凸极两种结构型式。因为此类电机的运行工况一般均和电网并联运行,从而对发电机的电压品质要求较高。转子为隐极结构的发电机波形的畸变率小、正弦性好。主机励磁电流的由励磁机通过旋转的整流器来提供的,励磁机为旋转电枢式的三相同步发电机,励磁机的励磁是由发电机控制器来提供的。

2、通风散热设计

为了提高材料利用率,采用较高的电磁负荷,所以需要提高电机的散热能力。电机采用轴向的通风结构,大部分损耗所产生的热量从定子铁芯传给机座,再通过内部风扇与外部环境所带来的冷却气体进行冷却。而其余的损耗热量主要是转子损耗与部分定子绕组端部的损耗,都是由内部风扇所带来的冷却气流进行冷却。针对转子损耗产生的热量,可采取以下措施:

(1)中频铁芯的支架采用开槽结构,端部的线圈分别绑扎在前、后两个固定的环上,不仅能够紧固绕组线圈,防止电机在高速运转时线圈甩脱,而且还能够提高电机的通风、散热能力。

(2)工频转子的线圈采用分层方式进行绕制,在端部线圈的每层之间留一定的空间,从而使端部的散热面积增大,便于散热。

3、绝缘设计

电机的绝缘结构所采用的材料,在温度作用下,其机械、电气、物理等性能都将会逐渐变坏,且当温度升高到一定程度时,绝缘材料的特性将会发生本质的变化,导致失去绝缘能力。

为提高电机的绝缘等级,电机的电磁线采用漆膜厚度2级、耐热等级为200级的聚酯亚胺/聚酰亚胺复合漆包圆铜线;槽的绝缘为耐热等级为180级的聚酯亚胺薄膜聚芳酰胺纤维纸柔软复合材料;引接线采用铜芯交联聚烯烃绝缘电机绕组的引接线电缆、电线,连续运行导体的最高温度为125℃;槽楔为耐热等级为180级的聚胺酰亚胺层压的玻璃布板;l160无溶剂浸渍绝缘漆为连续真空压力绝缘。整体的绝缘耐热等级为H级,最高可允许的工作温度为180℃。所以,电机的绝缘性能优良可靠,防潮能力强,机械强度好。

4、励磁系统设计

中压无刷同步发电机通常采用单机励磁,励磁系统有三种方案:(1)可控相复励励磁:动态、稳态性能好;难于与高压发电机一体化,高低压导线混杂,可靠性差。(2)谐波励磁:动态性能好,稳态性能稍差;低压谐波绕组易被击穿,可靠性差。(3)副励磁机励磁:动态性能稍差,稳态性能好,增加副励磁机,使发电机轴向尺寸增大。第三种方案虽然动态性能稍差,但可靠性高,是最为可行的。因此一般在选择副励磁机励磁方案时,副励磁机为发电机控制器所提供的工作电源,以及励磁机用的励磁电源:信号取样装置TA、TV是发电机控制器所提供控制用的信号取样的输入。

5、冷却设计

发电机的冷却方式一般可分为自然冷却、强迫风循环冷却、自力通风冷却。自然冷却多用于lKW以下的电机,强迫风循环冷却需在电机和风机之间设置专门的风路,结构复杂、体积庞大,维护维修不便。中压发电机功率不是很大,选用自力通风冷却是最为合理的,将风扇安装在电机的转轴上,风扇所消耗的功率由转轴的机械功率进行供给。

图2 导体温度与冷却介质温度的热路简化图

可见。式中:T为导体、冷却介质之间的温差;Q为导体的发热量;R为导体、冷却介质之间的热阻。

因为绝缘层厚度和电压等级密切相关,。式中:U为额定电压;S为额定容量;I为额定电流。可见加厚绝缘层,热阻将增大,但是,其中r为电枢绕组电阻。又有,其中:N为电枢绕组串联匝数。因此 ,在外部散热条件类似的情况下,中低压发电机的值只和容量S有关。

6、三次谐波线圈设计的基本原则

在发电机系统中,三次谐波线圈具有传感器的功能,又可认为是辅助功率的输出元件。计算三次谐波线圈输出的平均直流电压值,会随不同定子冲片槽数、不同的极数、不同的额定电压等级的发电机,而出现种种的困难。设计三次谐波线圈有两个基本原则:(1)三次谐波线圈所感应的气隙磁场的三次谐波分量要求纯,所感应的基波分量为零,若不为零,就要求其值最小;(2)三次谐波线圈所感应的气隙磁场的三次谐波分量输出的电压值较大。为了获得较大的三次谐波所输出的量值,必须以串接的形式排布多段三次谐波线圈。三次谐波线圈以占用基波绕组排布后所余下的空槽。此外,由于定子铁心槽中的每一条导线均可以感应出基波电势,这就要求三次谐波线圈的排布要处处考虑成对的安排相应的基波环流导线段,从而使其相互抵消,无基波量出现。

7、结语

本文对中小型中压同步发电机的的通风散热、绝缘、励磁系统等设计进行了讨论,随着我国各项资源的进一步的合理利用,中压同步发电机将会得到越来越广泛的应用。

参考文献

[1]周红薇,徐剑萍.双频变频无刷同步发电机结构[J].电机技术,2011,(4):52-54.