中频发电机主机转子磁极形式的设计

摘要：中频发电机主机转子磁极形式决定着发电机的频率、转速和波形等重要参数和性能，通过主机转子隐极式磁极结构和凸极式磁极结构的设计、生产及样机试验对比，分析两种磁极形式的优缺点，给出具体应用的建议。

关键词：中频发电机;磁极 ;隐极式;凸极式; 电压谐波曲线

1引言

我国电力系统规定以50Hz作为标准频率。但变压器类设备的耐压试验、局部试验和空负载试验均需频率接近100～400Hz，电压0～800V三相中频电源作为测试电源。因此三相中频发电机具有良好的市场需求。

通常三相同步发电机的定子是电枢，在定子铁心上开有槽，槽内安放绕组的导体，转子是磁极（磁极冲片按设计要求叠压至特定高度即为磁极铁心），并装有励磁绕组。磁极为发电机产生磁场的核心部件，决定着发电机的频率、转速、波形等主要参数和性能，因此中频发电机的磁极形式对发电机的性能有着重大影响，值得研究分析。

2隐极式磁极冲片的设计

为便于分析，以下表1中决定数据的中频发电机转子磁极设计为例。

磁极冲片的轮廓尺寸均由电磁设计中决定，根据决定的数据及电机结构上的要求来进行磁极冲片的设计。

一般发电机按照磁极的形状可分为隐极式和凸极式两类。隐极式磁极（如图1）的气隙是均匀的，转子做成圆柱型;凸极式（如图2）的气隙是不均匀的，极弧底下气隙较小，极间部分较大。

按表1中发电机决定数据要求，采用中心高200mm的机座设计此电机，因此按照发电机标准定子外径系列确定定子外径Dy=350mm。确定定子外径后，初步估算确定极距τ。

初步估算确定极距τ=90cm，计算定子内径Dil=290mm。

确定子内外径尺寸后，电机极数p =10，

按一般电机单边气隙取δ=0.8mm，

因此确定主机转子磁极外径Dm= Dil-2δ=288.4mm

按三相同步发电机隐极式电磁计算程序磁极磁场计算如下：

预设磁极虚槽数 Qm1 =  54.00

预设磁极实槽数 Qm =  40.00

则每极实槽数 qm= Qm/ p =  4.00

每极空槽数 Qo= （Qm1- Qm）/ p =  1.40

饱和系数（预设） KS =  1.11

磁场分布系数（预设） fd 0.5695

波形系数（预设） fb 1.145

则磁极冲片槽形设计如下，槽形尺寸图形见图3：

本例发电机磁极冲片采用1毫米厚普通钢板材料;采用轴向通风系统，冲片上的轴向通风孔直径，一般根据冲片直径磁通密度的大小及通风结构的需要来决定，采用的直径有φ15、φ20、φ25、φ30、φ35、φ40、φ45、φ50毫米等8种。本例采用φ15通风孔直径。

则磁极整体冲片如下图4。

磁极沖片按设计要求叠压至特定高度即为磁极铁心，确定装配方式为对轴装，磁极铁心轴孔过渡配合冷压在机轴上，两端磁极压板固定。

按以上设计磁极铁心成型后，嵌放励磁绕组。按设定数据嵌放励磁绕组时，因其跨槽嵌放时槽肩处跨距大，槽底处跨距小，转子绕线模具尺寸差较大，因此为本磁极设计了两套绕线模具，但在实际嵌线时因其槽口较小，嵌线时仍较困难。

采用本结构的发电机样机成型后，做测试试验，见下表2满载特性测定数据列表。

其电压谐波波形试验如下图4：

结论：本例发电机数据测试温升在规定范围内，额定参数输出满足设计要求;但发电机电压波形呈锯齿状，波形不理想。

3凸极式磁极冲片的设计

鉴于以上隐极式磁极形式电压波形不理想，在保证发电机机座及主机定子结构尺寸均不变的情况下，重新更改设计采用凸极式磁极形式设计磁极冲片。

极距τ仍保持不变，τ≈91mm;鉴于隐极式磁极装配经验，将本例凸极式单边气隙增大为δ=1mm，则按三相同步发电机凸极式电磁计算程序磁极磁场计算如下：

则磁极冲片槽形尺寸图形见图5：

磁极铁心仍采用对轴装的装配方式，磁极铁心轴孔过渡配合冷压在机轴上，两端磁极压板固定，并于各凸极极身处设计有磁极螺栓孔，磁极叠压成型后，穿入磁极螺栓，两端铆焊拉紧铁心，有效改善磁极铁心齿涨的问题。

按以上设计磁极铁心成型后，嵌放励磁绕组。因磁极形状，仍设计了两套绕线模具，实际嵌线时较轻松。因10个凸极槽口较宽，采用了40×40mm不锈钢槽楔以使磁极绕组更加可靠。

采用凸极结构的发电机样机做测试试验，见下表3满载特性测定数据列表。

凸极式磁极结构发电机电压谐波波形试验如下图5：

结论：采用凸极式磁极形式发电机数据测试温升在规定范围内，额定参数输出满足设计要求;发电机电压波形平滑，波形理想。

4结论

通过主机转子隐极式磁极结构和凸极式磁极结构的设计、生产及样机试验对比，两种形式额定参数输出均可满足设计要求;隐极式机械结构方面比凸极式可靠，但嵌线困难，波形不理想;凸极式嵌放励磁绕组轻松，电枢反应小，省铜且通风良好，并且波形理想。因此凸极式磁极形式更适合类似于本例中频发电机的生产制造。

参考文献：

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[2]孙敏政.电机学[M].哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，1996.

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[4]GB/T 755-2008.《 旋转电机 定额和性能》

[5]GB/T 14711-1993.《中小型旋转电机安全通用要求》

[6]GB/T 1029-2005.《三相同步电机试验方法》

作者简介：

刘翠娟，女，汉族，山东泰安人，泰安伊万福动力科技有限公司研发工程师，从事三相同步发电机、高压电机、中频电机等特种电机及相关电力工程、发电机组设计研发等专业技术工作20年。