中頻發電機主機轉子磁極形式的設計

摘要：中頻發電機主機轉子磁極形式決定著發電機的頻率、轉速和波形等重要參數和性能，通過主機轉子隱極式磁極結構和凸極式磁極結構的設計、生產及樣機試驗對比，分析兩種磁極形式的優缺點，給出具體應用的建議。

關鍵詞：中頻發電機;磁極 ;隱極式;凸極式; 電壓諧波曲線

1引言

我國電力系統規定以50Hz作為標準頻率。但變壓器類設備的耐壓試驗、局部試驗和空負載試驗均需頻率接近100～400Hz，電壓0～800V三相中頻電源作為測試電源。因此三相中頻發電機具有良好的市場需求。

通常三相同步發電機的定子是電樞，在定子鐵心上開有槽，槽內安放繞組的導體，轉子是磁極（磁極沖片按設計要求疊壓至特定高度即為磁極鐵心），并裝有勵磁繞組。磁極為發電機產生磁場的核心部件，決定著發電機的頻率、轉速、波形等主要參數和性能，因此中頻發電機的磁極形式對發電機的性能有著重大影響，值得研究分析。

2隱極式磁極沖片的設計

為便于分析，以下表1中決定數據的中頻發電機轉子磁極設計為例。

磁極沖片的輪廓尺寸均由電磁設計中決定，根據決定的數據及電機結構上的要求來進行磁極沖片的設計。

一般發電機按照磁極的形狀可分為隱極式和凸極式兩類。隱極式磁極（如圖1）的氣隙是均勻的，轉子做成圓柱型;凸極式（如圖2）的氣隙是不均勻的，極弧底下氣隙較小，極間部分較大。

按表1中發電機決定數據要求，采用中心高200mm的機座設計此電機，因此按照發電機標準定子外徑系列確定定子外徑Dy=350mm。確定定子外徑后，初步估算確定極距τ。

初步估算確定極距τ=90cm，計算定子內徑Dil=290mm。

確定子內外徑尺寸后，電機極數p =10，

按一般電機單邊氣隙取δ=0.8mm，

因此確定主機轉子磁極外徑Dm= Dil-2δ=288.4mm

按三相同步發電機隱極式電磁計算程序磁極磁場計算如下：

預設磁極虛槽數 Qm1 =? 54.00

預設磁極實槽數 Qm =? 40.00

則每極實槽數 qm= Qm/ p =? 4.00

每極空槽數 Qo= （Qm1- Qm）/ p =? 1.40

飽和系數（預設） KS =? 1.11

磁場分布系數（預設） fd 0.5695

波形系數（預設） fb 1.145

則磁極沖片槽形設計如下，槽形尺寸圖形見圖3：

本例發電機磁極沖片采用1毫米厚普通鋼板材料;采用軸向通風系統，沖片上的軸向通風孔直徑，一般根據沖片直徑磁通密度的大小及通風結構的需要來決定，采用的直徑有φ15、φ20、φ25、φ30、φ35、φ40、φ45、φ50毫米等8種。本例采用φ15通風孔直徑。

則磁極整體沖片如下圖4。

磁極沖片按設計要求疊壓至特定高度即為磁極鐵心，確定裝配方式為對軸裝，磁極鐵心軸孔過渡配合冷壓在機軸上，兩端磁極壓板固定。

按以上設計磁極鐵心成型后，嵌放勵磁繞組。按設定數據嵌放勵磁繞組時，因其跨槽嵌放時槽肩處跨距大，槽底處跨距小，轉子繞線模具尺寸差較大，因此為本磁極設計了兩套繞線模具，但在實際嵌線時因其槽口較小，嵌線時仍較困難。

采用本結構的發電機樣機成型后，做測試試驗，見下表2滿載特性測定數據列表。

其電壓諧波波形試驗如下圖4：

結論：本例發電機數據測試溫升在規定范圍內，額定參數輸出滿足設計要求;但發電機電壓波形呈鋸齒狀，波形不理想。

3凸極式磁極沖片的設計

鑒于以上隱極式磁極形式電壓波形不理想，在保證發電機機座及主機定子結構尺寸均不變的情況下，重新更改設計采用凸極式磁極形式設計磁極沖片。

極距τ仍保持不變，τ≈91mm;鑒于隱極式磁極裝配經驗，將本例凸極式單邊氣隙增大為δ=1mm，則按三相同步發電機凸極式電磁計算程序磁極磁場計算如下：

則磁極沖片槽形尺寸圖形見圖5：

磁極鐵心仍采用對軸裝的裝配方式，磁極鐵心軸孔過渡配合冷壓在機軸上，兩端磁極壓板固定，并于各凸極極身處設計有磁極螺栓孔，磁極疊壓成型后，穿入磁極螺栓，兩端鉚焊拉緊鐵心，有效改善磁極鐵心齒漲的問題。

按以上設計磁極鐵心成型后，嵌放勵磁繞組。因磁極形狀，仍設計了兩套繞線模具，實際嵌線時較輕松。因10個凸極槽口較寬，采用了40×40mm不銹鋼槽楔以使磁極繞組更加可靠。

采用凸極結構的發電機樣機做測試試驗，見下表3滿載特性測定數據列表。

凸極式磁極結構發電機電壓諧波波形試驗如下圖5：

結論：采用凸極式磁極形式發電機數據測試溫升在規定范圍內，額定參數輸出滿足設計要求;發電機電壓波形平滑，波形理想。

4結論

通過主機轉子隱極式磁極結構和凸極式磁極結構的設計、生產及樣機試驗對比，兩種形式額定參數輸出均可滿足設計要求;隱極式機械結構方面比凸極式可靠，但嵌線困難，波形不理想;凸極式嵌放勵磁繞組輕松，電樞反應小，省銅且通風良好，并且波形理想。因此凸極式磁極形式更適合類似于本例中頻發電機的生產制造。

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[6]GB/T 1029-2005.《三相同步電機試驗方法》

作者簡介：

劉翠娟，女，漢族，山東泰安人，泰安伊萬福動力科技有限公司研發工程師，從事三相同步發電機、高壓電機、中頻電機等特種電機及相關電力工程、發電機組設計研發等專業技術工作20年。