一種高速發電機的結構設計

楊家國 萬雪輝

（江西清華泰豪三波電機有限公司 江西 南昌 330096）

0 前言

高速發電機的轉速比普通發電機的轉速高，目前，普通發電機的轉速為1500r/min或3000r/min，高轉速發電機的轉速為8000r/min甚至更高。由于轉速升高，發電機各部分的結構可靠性要求也相應提高，特別是轉子部分，轉子做高速旋轉，轉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，轉子上的零部件容易松動從而導致故障的發生甚至造成安全事故。

1 高速發電機結構概述

高速發電機總體結構見圖1。

作為高速發電機，結構要可靠，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裝置，而采用無刷勵磁方式。為了保持發電機與原動機的高同軸度，采用雙軸承支撐結構設計，軸承采用兩面帶密封圈的深溝球軸承。由于焊接風扇存在焊接應力，還容易存在加工質量問題，根據工作中長期的實踐，焊接風扇長期工作后，容易出現裂現象，故而采用鑄鋁風扇。此外采用鋼板結構機殼、凸極整體轉子結構、封裝結構整流模塊，強制風冷冷卻方式（IC01）。發電機通過彈性聯軸器與發動機可靠聯接。

高轉速發電機、非轉動部分靜止不動，因此，轉速的高低對其影響不大，和普通發電機沒太大區別，因此，在文章里不做說明。轉子部分作為旋轉部件，受很大的離心力作用，在高轉速發電機設計中要作為重點研究對象。

2 結構設計特點

2.1 散熱設計

發電機冷卻方式為強制風冷冷卻，采用軸向通風結構，后端進風，風通過定轉子之間的間隙，吸收電機定轉子線圈產生的熱量，再通過前端風扇產生的離心力將風甩出，以風作為載體將發電機產生的熱量帶走。所需風量根據電機的各種損耗來確定，一般電機損耗按額定功率的百分之十保守估算，進風量或出風量除了和風扇尺寸有關還和發電機轉速有關，根據最大流量qvm=0.42AπDN/60，A為風扇葉輪外徑處的圓柱形面積，D為風扇葉輪外徑，N為轉速。選用高導磁和高導電材料、以較高的電密設計繞組，這些措施將增大電機的功率，減小電機的體積重量，但同時產生更多的熱量，此時電機的性能取決于自身的冷卻系統能否及時將熱量散去，由于發電機轉速升高，通風量相應的增大，因此是可以滿足散熱要求的，并且能保證發電機的溫升。

2.2 動平衡結構設計

圖2 燕尾形溝道和燕尾形平衡塊示意圖

整個轉子作為旋轉部件高速旋轉，轉速越高，對其動平衡要求越高，轉子的動平衡校正程度，直接影響到發電機的振動等性能指標，發電機的振動性能又直接影響電機的使用壽命及本身的噪聲，為了提高動平衡校正精度，滿足發電機在運行過程中對振動的要求，在風扇、主機轉子端部、旋轉整流模塊等多處設置平衡塊加載點，為了方便平衡塊的加載、調節，并且可靠固定，在每個平衡塊加載點都設置環形燕尾槽形加載溝道，溝道圓周可標記角度，方便找到平衡塊的加載點，將平衡塊做成燕尾形。燕尾形溝道和燕尾形平衡塊，可以根據自身的結構特性固定平衡塊，固定十分可靠，這種結構特別適合高轉速的場合。見圖2。

2.3 主極轉子結構設計

主極轉子做高速旋轉，對其零部件要可靠固定，定轉子之間氣隙很小，零部件松動或是變形，很容易造成定轉子的摩擦，導致電機毀壞。線圈是轉子上主要的零件，線圈受到離心力的作用，容易發生變形，因此，線圈的每個部位都要可靠固定，轉子線圈槽部分的線圈由轉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，普通發電機，一般用撐塊做局部固定，但對于高轉速發電機來說，需要用加強撐塊做全局固定，確保線圈每個部位都可靠固定。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，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，在低轉速情況下，轉子部分受到的離心力不大，這種局部固定可以確保發電機的正常運行。但高轉速的電機這種固定不可靠，端部線圈受到的離心力比普通轉速的發電機大的多，這種固定會使線圈變形，與定子發生摩擦。高轉速電機線圈要求全局固定，在主極轉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，不會向外變形。見圖3。

圖3 轉子線圈固定示意圖

2.4 勵磁機轉子結構設計

勵磁機轉子線圈和主極轉子線圈之間，勵磁機轉子線圈和整流模塊之間有線的連接，連接線及勵磁機轉子線圈都需要可靠固定，要能承受高轉速情況下的離心力。勵磁機轉子線圈和轉子之間的連接線通過線圈支架中的過線槽固定，勵磁機轉子線圈和旋轉整流模塊之間的連接線通過線圈支架，再通過轉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，線圈支架用環氧酚醛層壓玻璃布板3240加工制成，勵磁機轉子端部線圈內部由線圈支架支撐，外部用鋼絲綁扎帶綁扎并用鋼套固定。

2.5 整流模塊結構設計

發電機為無刷勵磁方式，需要旋轉整流器，在高轉速情況下，普通發電機用的整流模塊已經不適用，需要設計一種固定牢固，質量分布均勻、動平衡性好、可靠性高的高速旋轉整流器，整流器采用圓盤形、封裝結構形式，整流管通過一個環形銅圈將負極連接在一起，整流管沿周向均布，徑向固定，這樣可減小離心力的影響，同時均布質量，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。為了提高電機整體的平衡特性，在整流器上開設平衡塊加載點，環形燕尾形溝道。整個整流器通過平鍵直接和轉軸可靠固定。

3 結論

發電機做高轉速旋轉，轉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，不能產生松動現象，零部件的松動會導致定轉子的摩擦，毀壞電機。根據上述方案，我公司設計制造了75kW中頻發電機，額定轉速8000r/min，運行正常，各項電氣性能指標良好，重量158kg。該種發電機體積小，重量輕，性能可靠，特別適合對重量和體積有嚴格要求的軍用，空用領域。

［1］陳世坤.電機設計[M].北京:機械工業出版社,2000.

［2］黃國治,傅豐禮.中小型旋轉電機手冊[M].北京:中國電力出版社, 2007.