高平穩發電機的結構設計

熊園梅

（江西清華泰豪三波電機有限公司，江西 南昌330096）

0 前言

發電機是將其他形式的能源轉換成電能、為其他設備提供電源的機械設備。隨著數控設備的廣泛運用于機加行業，產品的加工精度有了極大的提升，產品的質量隨之提高，用戶對發電機性能的要求也越來越高；發電機與柴油機配合的精度愈發精密，從而要求轉子的動平衡性能和配合精度越來越高。發電機旋轉實際就是轉子旋轉，旋轉時會產生巨大的離心力，使轉子上的零、部件受到巨大的沖擊，若轉子的動平衡性能不好，旋轉時會產生重心偏離，使轉軸和柴油機配合不同軸、容易將花鍵套扭斷，損壞發電機本體。

1 高平穩發電機的概述

高平穩發電機主要由前端蓋、風扇、主機定子、主機轉子、勵磁機定子、勵磁機轉子、軸承和穩速盤等組成，結構簡圖見圖1。

圖1 高平穩發電機結構簡圖

為了排除勵磁系統與用電系統的相互干擾，進一步提高輸出電壓波形的品質，提升發電機電磁兼容性；以及勵磁源本身的復勵特性，提升動態性能，高平穩發電機（以下簡稱“發電機”）采用無刷正交凸極諧波勵磁。發電機工作環境靠近海邊，空氣潮濕溫度高，鹽霧濃度高，空氣對金屬的腐蝕性比內陸強，發電機零、部件采用真空壓力浸漆工藝，具有防霉菌生長的能力，提高了發電機的環境適應性和防護性能。零、部件大多采用鋼板材料，后端蓋為鑄造成型、車工精加工保證裝配尺寸；箱體總成則為鋼板沖壓、形成需要的形狀，焊接在發電機機座上。由于文章主要介紹發電機工作時，如何更好的確保轉子轉速平穩升降，定子的結構設計沒有轉子的影響那么顯著，故此次關于定子的結構設計不展開講解，將轉子的零、部件結構設計作為重點研究對象。

2 結構設計特點

2.1 轉子支撐設計

發電機可以簡單的劃分為轉子和定子兩部分，其中定子靜止，轉子旋轉，在二者裝配區域添加一個過渡支撐零件——軸承。為了更好的與柴油機連接，保證裝配精度，發電機采用雙軸承支撐結構設計，軸承分別位于定子的前端蓋和轉子的轉軸配合區域、定子的后端蓋與轉子的轉軸配合區域，分布在發電機重心的左右兩側，有效平衡轉軸的受力。與單軸承支撐結構相比，雙軸承支撐結構設計更合理的將轉子支撐起來，兩個軸承支撐點將轉子按水平方向支撐、放置，轉子接口的高度與柴油機接口高度一致，處于同一水平高度，轉軸永遠與軸心平行；發電機工作時，前端蓋和后端蓋靜止不動，確保與之裝配的軸承外圈保持靜止，軸承內圈與轉軸一起旋轉，轉子接口高度不發生偏移；軸承裝配簡單，性能穩定，接口配合精度高。

2.2 高平穩設計

發電機工作時轉子處于高速旋轉的狀態，可靠性指標要求平均故障間隔時間MTBF≥20000h，轉子的動平衡能力和旋轉穩定性能有著極高的要求。轉子動平衡校正程度直接影響到發電機的振動等性能指標，而發電機的振動性能又直接影響電機使用壽命及本身的噪聲，為了提高動平衡校正精度，根據轉子運行不平衡量計算公式其中mper：允許不平衡量；M：轉子自身重量；r：轉子的校正半徑；n：轉子的轉速；G：精度等級；計算出轉子不平衡量數值，在風扇、主機轉子平衡環等處設置平衡塊加載點，確保轉子作動平衡試驗時不平衡實測值低于公式計算的數字。同時，為了讓轉子運行的更平穩，在轉子右端增加穩定檔——安裝穩定盤，穩定盤可以增大發電機的轉動慣量。發電機的轉動慣量主要決定發電機的機械相應速度，轉動慣量小，響應速度快，一般用于高速響應的場合；而轉動慣量大有利于轉子抗外界干擾，即轉動慣量大，相應速度相對較慢，但是受外界擾動影響小，轉子旋轉更平穩。根據轉動慣量計算公式I=mr2，穩定盤質量增加，轉動慣量隨之增加；但是穩定盤質量增加，轉矩亦隨之增大，轉軸的剪切力也增大，根據轉軸，一定要確保穩定盤增加后轉子總質量在轉軸可承受的范圍內。

2.3 花鍵套結構設計

花鍵套是發電機和柴油機聯接的零件?；ㄦI套有效將發電機和柴油機轉軸聯接，保持二者同頻率、同向旋轉，花鍵套機加精度的等級決定了與二者的配合精度，特別是內花鍵的加工精度和硬度直接決定了花鍵套使用壽命?；ㄦI套設計初期，我們參考了很多齒輪配合案例，第一時間請工藝人員審圖、提意見，為了提高臺階孔與發電機轉軸的配合精度，增大受力能力，防止二者在工作中產生相對旋轉，在轉軸和臺階孔上增開了鍵槽，引入平鍵配合；內花鍵的規格為DIN 5480/(N45×2×30×21×9g)，不是國際通用標準，網上查詢不到花鍵參數，客戶只有一臺配套的柴油機，通過走訪、咨詢多家制造廠家，決定采用投影制造法。通過一臺高精度投影設備，投影與花鍵套配合的連接套，用設備采集連接套外花鍵的投影參數，推算出花鍵套內花鍵的參數，通過半精加工——高頻淬火——精加工，并將精加工之后的花鍵套與連接套裝夾、檢驗。在后期產品跟蹤中，發電機噪音小，花鍵套的使用效果良好。

2.4 轉子結構設計

該發電機轉子分為主機轉子和勵磁機轉子，均是由沖片迭壓、線圈繞制而成。此次沖片采用整體式沖片，取消轉子支架，通過平鍵與轉軸固定，提升轉子沖片與轉軸的配合精度，減少空間占有率。主機轉子為了確保沖片間線圈之間不干涉，保持一定的形狀和間距，待線圈繞制在沖片上結束后，在線圈之間安裝3個撐塊裝置，4個沖片槽之間均需安裝，通過撐塊裝置中的撐桿將兩瓣撐塊逐步撐開，保持一定的角度和距離，使線圈張開，導線不會相互接觸。勵磁機轉子上設有通風孔，并且安裝有旋轉整流模塊。主機轉子和勵磁機轉子之間的導線通過Φ70喉箍固定在轉軸上，當轉子高速旋轉時，導線和轉軸一起旋轉，避免在離心力的作用下出現不規則的甩動，消除安全隱患。

2.5 防護罩防水設計

發電機技術要求外殼防護等級為IP23，外殼需能防止手指或長度不超過80mm的類似物體觸及或接近殼內帶電或轉動部件，能防止直徑大于12mm的固體異物進入殼內，并與垂直線成60°角范圍內的淋水應無有害影響，即垂直線成60°范圍內防淋雨進入。發電機的鋼板外殼除了防護罩有通孔，其余部位均為實體，所以外殼的防護等級依靠防護罩保證。為了防止異物進入，我們將防護罩上最小槽口設計為11×30，并通過專用模具沖壓防護罩形成局部百葉窗，以防護罩安裝在前端蓋上為例，水平上方部位不開槽；水平方向下面百葉窗單側形成夾角為70°，其余部位均勻開小槽口，可以防止垂直線成60°范圍內防淋雨進入電機內部，并經雨淋試驗驗證發電機外殼防護等級滿足IP23的要求。

2.6 風扇設計

風扇放置在前端蓋內，為了有效的提高發電機的散熱速度，我們將風葉按一定角度擺放，這種設計不僅使發電機的結構緊湊，也有利于散熱風道的流暢，有效提高散熱速度。發電機中風扇最大的作用就是降低發電機的溫度，最大流量qvm=0.42AπDN/60，風扇的尺寸越大，最大流量越大，散熱速度越快；同理轉子轉速越快，散熱速度越快。由于發電機技術要求明確了轉速為1500r/min,所以在轉軸承受范圍內，我們將風扇的尺寸設計偏大，并將葉片下部鏤空，降低風扇重量，增大風扇散熱效率。由于焊接風扇存在焊接應力，容易產生加工質量問題，并且長期工作后易出現開裂現象，故而發電機采用鑄鋁風扇。

3 結論

通過上述方案的實施，我公司設計制造了30kW三相無刷同步發電機，該發電機平穩性能明顯優于同類型產品，噪聲小，振動小，防雨淋效果好，與柴油機配合精度高，承受突加突減能力突出，各項電氣性能指標良好，抗腐蝕性能好，環境適應性和防護性能強，市場應用領域廣闊。

［1］陳世坤.電機設計[M].北京：機械工業出版社，2004.

［2］楊萬青,陳興衛.電機實用設計技術[M].北京：機械工業出版社，2014.

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