发电机 结构「动力发电机的原理图」

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这里介绍汽轮发电机的构造，由于发电机大小不同，结构也不相同，但主要部分的结构与功能相同，本文就汽轮发电机的基本结构与组成进行介绍。为显示清楚，定子与转子槽数都较少，定子线圈外形按导线绕制的线圈绘制（不是用铜条或铜管连接成的线圈）。发电机主要部件结构则参考大中型汽轮发电机绘制。

汽轮发电机是同步发电机，主要由转子与定子组成。由于汽轮机的转速很高，故汽轮发电机的转子只有一对磁极，在额定转速每分钟3000转时输出50赫兹的三相交流电。下面通过一个汽轮发电机模型来介绍汽轮发电机的基本构造与组成。

转子

由于大型汽轮发电机转速高，转子磁极表面线速度达150m/s以上，离心力很大，故转子直径不能过大，大型发电机转子都为细长型。转子圆周上没有凸出的磁极（不像三相发电机模型中的转子），转子铁芯是一个在轴向上开有一些槽的圆柱，在圆柱两侧各有一段槽距大的面称为“大齿”，就是磁极（图1所示），称之为隐极式转子。在槽中嵌有励磁绕组，隐极式转子将励磁绕组分成多个线圈，便于安装与加固。

励磁绕组两端通过集电环（滑环）接到励磁电源，在转子圆周两侧就形成北极与南极，旋转时就产生旋转磁场。

图1--隐极式转子示意图

图2是汽轮发电机定子铁芯与转子铁芯截面图，中部是转子铁芯，外部是定子铁芯，转子铁芯采用隐极式结构。为了显示清晰，本模型定子铁芯与转子铁芯设为较少的槽数。

图2--定子铁芯与转子铁芯截面

图3是放大的定子铁芯与转子铁芯截面图，两铁芯间有气隙。定子铁芯的内圆周有嵌放定子线圈的槽，在槽口有固定槽楔的鸠尾槽，槽楔用途是压住定子线圈。转子铁芯的外圆周有嵌放转子线圈的槽，在槽口两侧有鸠尾槽，用来固定槽楔，在槽底有用于通风的副槽。

图3--定子铁芯与转子铁芯截面局部图

转子大轴用高强度高磁导率的合金钢材整体制作，在转子本体和绕组上有一些轴向与径向的孔隙，用来通风冷却。由于各种电机冷却方式不同，孔隙布置走向也不同，这里就不作介绍了，见图4。

图4--汽轮发电机转子

转子励磁绕组由多个线圈组成，嵌放在转子铁芯的槽中，多个线圈串联起来组成转子绕组，在转子轴的励磁端（简称励端）安装集电环，转子绕组的两个线端分别连接到两个集电环。见图5。

图5--嵌装好绕组的汽轮发电机转子

嵌放好线圈后在槽口打入槽楔，压住槽内线圈，线圈在槽外的端部用护环压住，防止线圈被离心力甩出，见图6。

为减小负序磁场的影响，在转子表面还装有阻尼装置，这里就不介绍了。

图6--转子线圈与护环

为降低发电机的温度，在转子两端装有轴流或离心风扇对机内气体进行强制循环。见图7，这是整个转子，是发电机中的旋转部件。

图7--安装好集电环与风扇的汽轮发电机转子

定子

因为定子铁芯内的磁通是在不停的变化，为防止涡流损耗，定子铁芯采用多层硅钢片叠成，硅钢片涂绝缘漆相互绝缘。硅钢片导磁良好。为通风冷却，定子铁芯分成多段，段间有缝隙实现径向通风。在定子铁芯的两端用压圈与穿心螺杆压紧定子铁芯，见图8。

图8--汽轮发电机定子铁芯

在定子铁芯槽内嵌放定子的三相绕组，绕组形式一般为双层叠绕。每相绕组由多个线圈组成，按一定规律对称排列，大型发电机的线圈只有几匝，是用一根根铜条或铜管弯成，在端部进行连接形成线圈。本模型简化处理，线圈是由表皮绝缘的导线绕成多匝的线圈。

在24槽电机模型有24个线圈，分为3组，组成三相绕组，6个引出线中3个是A、B、C相输出端，3个为中性线端，一同连接到到电机下方的出线盒的瓷套管端子。

图9为排列在一起的24槽绕组示意图。

图9--汽轮发电机定子绕组

这些线圈是嵌装在汽轮发电机定子铁芯的槽内，见图10。

图10--嵌装绕组的定子铁芯

嵌装好线圈还要在槽口插入槽楔，把线圈压紧固定。图11是嵌装好线圈的定子铁芯剖视图。

图11--定子与绕组剖视图

发电机的实际组装过程是定子铁芯先安装进机座，然后才进行线圈的嵌装工作。

定子与转子装入机座

机座（机壳）由钢板卷制焊接而成，为确保刚度，在机壳内壁焊有多圈圆环筋与轴向筋。本模型圆环筋较宽，为便于冷却气体流动，开有多个通气孔。在机座下方有发电机出线盒，发出的三相交流电从这里引出，见图12。安装好的机壳加端盖具有很好的气密性，以防止冷却介质泄露。

图12--发电机机壳

把定子铁芯安装在发电机机座内，再进行定子线圈嵌装，把各相线圈连接起来组成Y型三相绕组。在定子铁芯的槽口插入定子槽楔，压紧槽内线圈，见图13。三相绕组的6个线端连接到出线盒的六个瓷套管端子，按三相四线输出。

图13--装入机座的发电机定子铁芯与绕组

把转子插入定子铁芯内是发电机安装的重要工序，要保证不损伤定子与转子的任何部分。图14是插入转子后的状态。

图14--发电机安装转子

本模型的两个转子轴承安装在机壳两侧的端盖上，称为端盖式轴承。每块端盖由上下两半组成，在端盖上安装轴承部件，轴承部件由轴瓦与轴承油密封等组成，循环的密封油可以润滑轴瓦、防止氢气泄露、降低轴瓦温度。

安装好机壳两侧的下端盖，在端盖上安装轴承部件，轴承把转子支撑起来，转子磁极与定子铁芯间留有气隙，转子可自由旋转，见图15。

图15--发电机安装轴承

安装电刷装置

转子的励磁电源连接到电刷，电刷与集电环紧密接触，励磁电流先通过电刷，再通过集电环导通到转子励磁绕组。电刷由天然石墨制成，有很好的自润滑特性，导电良好，电刷通过刷辫接到励磁端子。电刷装在刷盒内，可自由上下移动，压簧把电刷压向集电环。压簧采用恒压弹簧，在电刷整个行程中压力基本不变，恒压弹簧固定在弹簧夹上，弹簧夹上有楔形卡子，弹簧夹插在刷盒内，卡子进入卡孔就卡住了。图16左图是压簧，右图是较新的电刷在刷盒的状态，中图是磨损较多的电刷（待换电刷）在刷盒的状态。

图16--电刷盒结构

刷盒固定在刷握上，刷握固定在刷握架上，刷辫连接到励磁电源接线端子上，见图17左图，在图17右图中显示了电刷与集电环的相对位置（图中隐去了转子轴）。

图17--电刷装置与集电环

图17仅为发电机电刷示意图，实际大型发电机的励磁电流很大，每个集电环由几段组成，电刷组相应增多，电刷数量达数十个。集电环采用耐磨的优质合金钢制成，为降低集电环温度，集电环有通风孔，在两集电环之间还装有离心风扇。

电刷装置安装在发电机的励端集电环的圆周方向。在转子两端还要安装转子上的风扇，为了使风扇的气流按照指定路径流动，必须安装上导风罩，见图18。

图18--发电机安装电刷与风扇

发电机整机

把机座两端的上半端盖安装好，发电机就组装好了，图19是汽轮发电机的剖视图。

图19--汽轮发电机的剖视图

图20是汽轮发电机的励端（集电环与电刷端）外观图。

图20--汽轮发电机励端外观图

图21是汽轮发电机的汽端（接汽轮机端）外观图。

图21--汽轮发电机汽端外观图

冷却系统

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大型发电机产生的热量很大，必须有强有力的冷却措施，不同型号发电机的定子、转子、机座等主要结构基本一样，但冷却系统五花八门，也较复杂。

主要的冷却介质是氢气、水和空气。氢气比空气的密度小很多、导热系数大很多；水有很大的比热容、导热系数大、价格低廉。

冷却方式主要有：

全氢冷发电机，电机定子绕组、转子绕组、定子铁芯均用氢气冷却。

水氢氢发电机，电机定子绕组采用水内冷、转子绕组与定子铁芯用氢气冷却。

水水空发电机，电机定子绕组与转子绕组采用水内冷、定子铁芯用空气冷却。

水水氢发电机，电机定子绕组与转子绕组采用水内冷、定子铁芯用氢气冷却。

全水冷发电机，电机定子绕组、转子绕组、定子铁芯均用水内冷。

空冷发电机，电机定子绕组、转子绕组、定子铁芯均用空气冷却。

氢气或空气如何在电机内循环则有多种途径，根据循环路线在定子铁芯与转子铁芯上制作冷却介质的通道。绕组水冷采用空心铜管作导线，在管内通水冷却。

图22是全氢冷发电机的氢气流动示意图，机座完全密封，在机壳靠两端设有氢气冷却器，氢气冷却器就是排管式热交换器，管内是流动的水，水通过电机外设备冷却。在机壳内部充满氢气，风扇向两端抽出热氢气，热氢气经过氢气冷却器降温，再次进入定子与转子带走热量。图中浅蓝色箭头线示意氢气的流动路径。（编注：编者接触过的发电机组的冷却风路方向与此图相反。）

图22--全氢冷发电机氢气流动示意图

一些大型发电机将氢气冷却器设在机壳外部的上面，见图23。

图23 --600MW水氢冷发电机

除了上述的基本部件外，在定子、转子、绕组、轴承等部位分布着许多温度传感器；在一些部位还有压力传感器、振动传感器、位移传感器等，全面监视发电机的工作状态。

在机外还配有发电机的励磁系统、冷却水的净化装置与循环装置、氢气的储存与控制装置、密封油的循环系统等