一種高速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

楊家國 萬雪輝

（江西清華泰豪三波電機(jī)有限公司 江西 南昌 330096）

0 前言

高速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速比普通發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速高，目前，普通發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1500r/min或3000r/min，高轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為8000r/min甚至更高。由于轉(zhuǎn)速升高，發(fā)電機(jī)各部分的結(jié)構(gòu)可靠性要求也相應(yīng)提高，特別是轉(zhuǎn)子部分，轉(zhuǎn)子做高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子上的零部件將受到離心力的巨大作用，因此各零部件需要可靠固定，否則，轉(zhuǎn)子上的零部件容易松動(dòng)從而導(dǎo)致故障的發(fā)生甚至造成安全事故。

1 高速發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)概述

高速發(fā)電機(jī)總體結(jié)構(gòu)見圖1。

作為高速發(fā)電機(jī)，結(jié)構(gòu)要可靠，要盡量減少各部件之間的物理連接，因此不能采用碳刷及滑環(huán)裝置，而采用無刷勵(lì)磁方式。為了保持發(fā)電機(jī)與原動(dòng)機(jī)的高同軸度，采用雙軸承支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，軸承采用兩面帶密封圈的深溝球軸承。由于焊接風(fēng)扇存在焊接應(yīng)力，還容易存在加工質(zhì)量問題，根據(jù)工作中長期的實(shí)踐，焊接風(fēng)扇長期工作后，容易出現(xiàn)裂現(xiàn)象，故而采用鑄鋁風(fēng)扇。此外采用鋼板結(jié)構(gòu)機(jī)殼、凸極整體轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、封裝結(jié)構(gòu)整流模塊，強(qiáng)制風(fēng)冷冷卻方式（IC01）。發(fā)電機(jī)通過彈性聯(lián)軸器與發(fā)動(dòng)機(jī)可靠聯(lián)接。

高轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)、非轉(zhuǎn)動(dòng)部分靜止不動(dòng)，因此，轉(zhuǎn)速的高低對(duì)其影響不大，和普通發(fā)電機(jī)沒太大區(qū)別，因此，在文章里不做說明。轉(zhuǎn)子部分作為旋轉(zhuǎn)部件，受很大的離心力作用，在高轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中要作為重點(diǎn)研究對(duì)象。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1 散熱設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)冷卻方式為強(qiáng)制風(fēng)冷冷卻，采用軸向通風(fēng)結(jié)構(gòu)，后端進(jìn)風(fēng)，風(fēng)通過定轉(zhuǎn)子之間的間隙，吸收電機(jī)定轉(zhuǎn)子線圈產(chǎn)生的熱量，再通過前端風(fēng)扇產(chǎn)生的離心力將風(fēng)甩出，以風(fēng)作為載體將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的熱量帶走。所需風(fēng)量根據(jù)電機(jī)的各種損耗來確定，一般電機(jī)損耗按額定功率的百分之十保守估算，進(jìn)風(fēng)量或出風(fēng)量除了和風(fēng)扇尺寸有關(guān)還和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，根據(jù)最大流量qvm=0.42AπDN/60，A為風(fēng)扇葉輪外徑處的圓柱形面積，D為風(fēng)扇葉輪外徑，N為轉(zhuǎn)速。選用高導(dǎo)磁和高導(dǎo)電材料、以較高的電密設(shè)計(jì)繞組，這些措施將增大電機(jī)的功率，減小電機(jī)的體積重量，但同時(shí)產(chǎn)生更多的熱量，此時(shí)電機(jī)的性能取決于自身的冷卻系統(tǒng)能否及時(shí)將熱量散去，由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高，通風(fēng)量相應(yīng)的增大，因此是可以滿足散熱要求的，并且能保證發(fā)電機(jī)的溫升。

2.2 動(dòng)平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 燕尾形溝道和燕尾形平衡塊示意圖

整個(gè)轉(zhuǎn)子作為旋轉(zhuǎn)部件高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速越高，對(duì)其動(dòng)平衡要求越高，轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡校正程度，直接影響到發(fā)電機(jī)的振動(dòng)等性能指標(biāo)，發(fā)電機(jī)的振動(dòng)性能又直接影響電機(jī)的使用壽命及本身的噪聲，為了提高動(dòng)平衡校正精度，滿足發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中對(duì)振動(dòng)的要求，在風(fēng)扇、主機(jī)轉(zhuǎn)子端部、旋轉(zhuǎn)整流模塊等多處設(shè)置平衡塊加載點(diǎn)，為了方便平衡塊的加載、調(diào)節(jié)，并且可靠固定，在每個(gè)平衡塊加載點(diǎn)都設(shè)置環(huán)形燕尾槽形加載溝道，溝道圓周可標(biāo)記角度，方便找到平衡塊的加載點(diǎn)，將平衡塊做成燕尾形。燕尾形溝道和燕尾形平衡塊，可以根據(jù)自身的結(jié)構(gòu)特性固定平衡塊，固定十分可靠，這種結(jié)構(gòu)特別適合高轉(zhuǎn)速的場合。見圖2。

2.3 主極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主極轉(zhuǎn)子做高速旋轉(zhuǎn)，對(duì)其零部件要可靠固定，定轉(zhuǎn)子之間氣隙很小，零部件松動(dòng)或是變形，很容易造成定轉(zhuǎn)子的摩擦，導(dǎo)致電機(jī)毀壞。線圈是轉(zhuǎn)子上主要的零件，線圈受到離心力的作用，容易發(fā)生變形，因此，線圈的每個(gè)部位都要可靠固定，轉(zhuǎn)子線圈槽部分的線圈由轉(zhuǎn)子鐵芯自身的槽形固定徑向位置，每極線圈之間也要可靠固定，普通發(fā)電機(jī)，一般用撐塊做局部固定，但對(duì)于高轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)來說，需要用加強(qiáng)撐塊做全局固定，確保線圈每個(gè)部位都可靠固定。鐵芯為了減少渦流損耗，一般不用加工的方法制造，而是由一片片的沖片迭壓而成，對(duì)于端部的線圈，是無法用鐵芯自身的槽形來固定的，需要外加裝置來輔助固定。普通電機(jī)，一般通過穿過鐵芯的定位棒來固定，每極線圈用一到兩根定位棒固定，這種固定屬于局部固定，在低轉(zhuǎn)速情況下，轉(zhuǎn)子部分受到的離心力不大，這種局部固定可以確保發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行。但高轉(zhuǎn)速的電機(jī)這種固定不可靠，端部線圈受到的離心力比普通轉(zhuǎn)速的發(fā)電機(jī)大的多，這種固定會(huì)使線圈變形，與定子發(fā)生摩擦。高轉(zhuǎn)速電機(jī)線圈要求全局固定，在主極轉(zhuǎn)子鐵芯端部各加一塊防甩板，防甩板與鐵芯通過鉚釘固定，線圈端部完全由防甩板固定，不會(huì)向外變形。見圖3。

圖3 轉(zhuǎn)子線圈固定示意圖

2.4 勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子線圈和主極轉(zhuǎn)子線圈之間，勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子線圈和整流模塊之間有線的連接，連接線及勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子線圈都需要可靠固定，要能承受高轉(zhuǎn)速情況下的離心力。勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子線圈和轉(zhuǎn)子之間的連接線通過線圈支架中的過線槽固定，勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子線圈和旋轉(zhuǎn)整流模塊之間的連接線通過線圈支架，再通過轉(zhuǎn)軸上的中心孔從后端引出，然后再和整流模塊連接。連接線通過線圈支架的過線槽后，用填料劑421A填平過線槽，線圈支架用環(huán)氧酚醛層壓玻璃布板3240加工制成，勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子端部線圈內(nèi)部由線圈支架支撐，外部用鋼絲綁扎帶綁扎并用鋼套固定。

2.5 整流模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)為無刷勵(lì)磁方式，需要旋轉(zhuǎn)整流器，在高轉(zhuǎn)速情況下，普通發(fā)電機(jī)用的整流模塊已經(jīng)不適用，需要設(shè)計(jì)一種固定牢固，質(zhì)量分布均勻、動(dòng)平衡性好、可靠性高的高速旋轉(zhuǎn)整流器，整流器采用圓盤形、封裝結(jié)構(gòu)形式，整流管通過一個(gè)環(huán)形銅圈將負(fù)極連接在一起，整流管沿周向均布，徑向固定，這樣可減小離心力的影響，同時(shí)均布質(zhì)量，提高平衡性，整流管與外部接線通過接線柱引出，將整流器上所有零部件用樹脂膠封裝，形成一整體。為了提高電機(jī)整體的平衡特性，在整流器上開設(shè)平衡塊加載點(diǎn)，環(huán)形燕尾形溝道。整個(gè)整流器通過平鍵直接和轉(zhuǎn)軸可靠固定。

3 結(jié)論

發(fā)電機(jī)做高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子上的各零部件受離心力的作用，因此，各零部件要可靠固定，不能產(chǎn)生松動(dòng)現(xiàn)象，零部件的松動(dòng)會(huì)導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子的摩擦，毀壞電機(jī)。根據(jù)上述方案，我公司設(shè)計(jì)制造了75kW中頻發(fā)電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速8000r/min，運(yùn)行正常，各項(xiàng)電氣性能指標(biāo)良好，重量158kg。該種發(fā)電機(jī)體積小，重量輕，性能可靠，特別適合對(duì)重量和體積有嚴(yán)格要求的軍用，空用領(lǐng)域。

［1］陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

［2］黃國治,傅豐禮.中小型旋轉(zhuǎn)電機(jī)手冊(cè)[M].北京:中國電力出版社, 2007.