一种高速发电机的结构设计

杨家国 万雪辉

（江西清华泰豪三波电机有限公司 江西 南昌 330096）

0 前言

高速发电机的转速比普通发电机的转速高，目前，普通发电机的转速为1500r/min或3000r/min，高转速发电机的转速为8000r/min甚至更高。由于转速升高，发电机各部分的结构可靠性要求也相应提高，特别是转子部分，转子做高速旋转，转子上的零部件将受到离心力的巨大作用，因此各零部件需要可靠固定，否则，转子上的零部件容易松动从而导致故障的发生甚至造成安全事故。

1 高速发电机结构概述

高速发电机总体结构见图1。

作为高速发电机，结构要可靠，要尽量减少各部件之间的物理连接，因此不能采用碳刷及滑环装置，而采用无刷励磁方式。为了保持发电机与原动机的高同轴度，采用双轴承支撑结构设计，轴承采用两面带密封圈的深沟球轴承。由于焊接风扇存在焊接应力，还容易存在加工质量问题，根据工作中长期的实践，焊接风扇长期工作后，容易出现裂现象，故而采用铸铝风扇。此外采用钢板结构机壳、凸极整体转子结构、封装结构整流模块，强制风冷冷却方式（IC01）。发电机通过弹性联轴器与发动机可靠联接。

高转速发电机、非转动部分静止不动，因此，转速的高低对其影响不大，和普通发电机没太大区别，因此，在文章里不做说明。转子部分作为旋转部件，受很大的离心力作用，在高转速发电机设计中要作为重点研究对象。

2 结构设计特点

2.1 散热设计

发电机冷却方式为强制风冷冷却，采用轴向通风结构，后端进风，风通过定转子之间的间隙，吸收电机定转子线圈产生的热量，再通过前端风扇产生的离心力将风甩出，以风作为载体将发电机产生的热量带走。所需风量根据电机的各种损耗来确定，一般电机损耗按额定功率的百分之十保守估算，进风量或出风量除了和风扇尺寸有关还和发电机转速有关，根据最大流量qvm=0.42AπDN/60，A为风扇叶轮外径处的圆柱形面积，D为风扇叶轮外径，N为转速。选用高导磁和高导电材料、以较高的电密设计绕组，这些措施将增大电机的功率，减小电机的体积重量，但同时产生更多的热量，此时电机的性能取决于自身的冷却系统能否及时将热量散去，由于发电机转速升高，通风量相应的增大，因此是可以满足散热要求的，并且能保证发电机的温升。

2.2 动平衡结构设计

图2 燕尾形沟道和燕尾形平衡块示意图

整个转子作为旋转部件高速旋转，转速越高，对其动平衡要求越高，转子的动平衡校正程度，直接影响到发电机的振动等性能指标，发电机的振动性能又直接影响电机的使用寿命及本身的噪声，为了提高动平衡校正精度，满足发电机在运行过程中对振动的要求，在风扇、主机转子端部、旋转整流模块等多处设置平衡块加载点，为了方便平衡块的加载、调节，并且可靠固定，在每个平衡块加载点都设置环形燕尾槽形加载沟道，沟道圆周可标记角度，方便找到平衡块的加载点，将平衡块做成燕尾形。燕尾形沟道和燕尾形平衡块，可以根据自身的结构特性固定平衡块，固定十分可靠，这种结构特别适合高转速的场合。见图2。

2.3 主极转子结构设计

主极转子做高速旋转，对其零部件要可靠固定，定转子之间气隙很小，零部件松动或是变形，很容易造成定转子的摩擦，导致电机毁坏。线圈是转子上主要的零件，线圈受到离心力的作用，容易发生变形，因此，线圈的每个部位都要可靠固定，转子线圈槽部分的线圈由转子铁芯自身的槽形固定径向位置，每极线圈之间也要可靠固定，普通发电机，一般用撑块做局部固定，但对于高转速发电机来说，需要用加强撑块做全局固定，确保线圈每个部位都可靠固定。铁芯为了减少涡流损耗，一般不用加工的方法制造，而是由一片片的冲片迭压而成，对于端部的线圈，是无法用铁芯自身的槽形来固定的，需要外加装置来辅助固定。普通电机，一般通过穿过铁芯的定位棒来固定，每极线圈用一到两根定位棒固定，这种固定属于局部固定，在低转速情况下，转子部分受到的离心力不大，这种局部固定可以确保发电机的正常运行。但高转速的电机这种固定不可靠，端部线圈受到的离心力比普通转速的发电机大的多，这种固定会使线圈变形，与定子发生摩擦。高转速电机线圈要求全局固定，在主极转子铁芯端部各加一块防甩板，防甩板与铁芯通过铆钉固定，线圈端部完全由防甩板固定，不会向外变形。见图3。

图3 转子线圈固定示意图

2.4 励磁机转子结构设计

励磁机转子线圈和主极转子线圈之间，励磁机转子线圈和整流模块之间有线的连接，连接线及励磁机转子线圈都需要可靠固定，要能承受高转速情况下的离心力。励磁机转子线圈和转子之间的连接线通过线圈支架中的过线槽固定，励磁机转子线圈和旋转整流模块之间的连接线通过线圈支架，再通过转轴上的中心孔从后端引出，然后再和整流模块连接。连接线通过线圈支架的过线槽后，用填料剂421A填平过线槽，线圈支架用环氧酚醛层压玻璃布板3240加工制成，励磁机转子端部线圈内部由线圈支架支撑，外部用钢丝绑扎带绑扎并用钢套固定。

2.5 整流模块结构设计

发电机为无刷励磁方式，需要旋转整流器，在高转速情况下，普通发电机用的整流模块已经不适用，需要设计一种固定牢固，质量分布均匀、动平衡性好、可靠性高的高速旋转整流器，整流器采用圆盘形、封装结构形式，整流管通过一个环形铜圈将负极连接在一起，整流管沿周向均布，径向固定，这样可减小离心力的影响，同时均布质量，提高平衡性，整流管与外部接线通过接线柱引出，将整流器上所有零部件用树脂胶封装，形成一整体。为了提高电机整体的平衡特性，在整流器上开设平衡块加载点，环形燕尾形沟道。整个整流器通过平键直接和转轴可靠固定。

3 结论

发电机做高转速旋转，转子上的各零部件受离心力的作用，因此，各零部件要可靠固定，不能产生松动现象，零部件的松动会导致定转子的摩擦，毁坏电机。根据上述方案，我公司设计制造了75kW中频发电机，额定转速8000r/min，运行正常，各项电气性能指标良好，重量158kg。该种发电机体积小，重量轻，性能可靠，特别适合对重量和体积有严格要求的军用，空用领域。

［1］陈世坤.电机设计[M].北京:机械工业出版社,2000.

［2］黄国治,傅丰礼.中小型旋转电机手册[M].北京:中国电力出版社, 2007.