毕业设计（论文）-无刷同步发电机主发电机的设计.doc

毕 业 设 计题 目： 无刷同步发电机主发电机的设计 院： 电气信息学院 专业：电气工程及其自动化班级：0704学号：200701010437学生姓名： 马 浩 导师姓名： 邓 秋 玲 完成日期： 2011年6月12日 毕业设计（论文）任务书 题目： 无刷同步发电机主发电机的设计 姓名 马 浩 系 电气系 专业 电气工程及其自动化 班级 0704 学号 200701010437 指导老师 邓秋玲 职称 副教授 教研室主任 谢卫才 一、 基本任务及要求： 1）基本数据：额定容量 KVA 连接方式Y 额定电压 额定转速 相数 m=3 功率因数 绝缘等级 F 2) 性能要求：(1)线电压波形畸变率5%；(2)动态性能优良；(3)有过电压保护。 2、本毕业设计课题主要完成以下设计内容： (1)主发电机的电磁设计方案； (2)无刷励磁方案的设计； (3)主要零部件图（定子冲片、定子绕组、转子冲片、转子绕组、电机总装图等）的绘制； (4）说明书编制。 二、 进度安排及完成时间：2月19日3月7日：查阅资料、撰写文献综述、撰写开题报告3月8日3月31日：毕业实习、撰写实习报告4月1日4月7日：毕业设计（电磁设计）4月8日4月25日：毕业设计（无刷励磁方案的研究） 4月26日4月30日：电机主要零部件图的绘制 5月上旬：毕业设计中期抽查6月1日6月10日：撰写毕业设计说明书（论文） 6月11日6月12日：修改、装订毕业设计说明书（论文），并将电子文档上传FTP。6月13日6月14日：毕业设计答辩 目 录第1章 绪 论11.1 课题研究的意义11.2 无刷同步发电机的特点11.3 无刷同步发电机的发展现状和前景21.3.1 无刷同步发电机的发展现状21.3.2无刷同步发电机的发展前景31.4 主要工作内容31.5 基本数据和技术要求31.5.1 基本数据31.5.2 技术要求4第2章 无刷同步发电机的工作原理和结构52.1 无刷同步发电机的工作原理52.1.1 交流同步发电机的基本形式52.1.2 无刷的实现52.1.3 发电机的同步62.1.4无刷同步发电机的工作原理72.2 无刷同步发电机的基本结构72.2.1 发电机的定子结构72.2.2 发电机的转子结构82.2.3 发电机的端盖、轴承盖102.2.4 发电机的冷却系统102.3 无刷同步发电机的励磁系统102.3.1 励磁系统的组成、作用及要求102.3.2 励磁系统的分类及选择112.4 主发电机的性能要求122.4.1 较小的线电压波形畸变率122.4.2 动态性能132.4.3 维持短路电流的能力142.4.4 过电压保护14第3章 无刷同步发电机的电磁设计163.1 无刷同步发电机电磁设计说明163.1.1 主要尺寸及163.1.2 、决定163.1.3 定子每极每相槽。数q及槽宽决定173.1.4 决定、定子线规及最后决定槽高173.1.5 决定轭高183.1.6 决定齿磁密183.1.7 决定最小气隙与、励磁容量及附加损耗有较大关系183.1.8 决定磁极尺寸、193.1.9 决定磁极极身尺寸、193.1.10 决定转子绕组193.1.11 决定阻尼绕组193.2 性能调整203.2.1 定子温升203.2.2 转子温升203.2.3 最大转矩213.2.4 起动性能(、)213.3 无刷同步发电机的电磁设计21第4章 旋转整流装置的设计414.1 概 述414.2 旋转整流器的设计414.2.1 旋转整流器的并联支路数414.2.2旋转整流元件的选用424.2.3 整流线路的选择424.3 旋转整流元件的安装方式434.4 保护措施43结 束 语45致谢47附录A 定子铁芯冲片图48附录B 定子绕组图49附录C 磁极冲片图50附录D 转子绕组图51附录E 同步发电机总装图52湖南工程学院毕业设计(论文)无刷同步发电机主发电机的设计摘要:本设计主要是进行无刷同步发电机主发电机的设计,包括电机旋转方式、主要尺寸的确定、定转子槽数及选择槽结构、绕组设计、磁极结构和形状的选择、磁路计算、损耗及效率。设计的组成部分由主发电机（同步发电机），交流励磁机，旋转整流器等主要部分组成，主发电机转子、励磁机电枢和旋转整流器装在同一个转子上一起旋转，励磁机固定在定子内侧。主发电机结构大同小异，都是转场式的有隐极和凸极两种，交流励磁机为转枢式的。交流同步机由有刷进化到无刷是由于有交流励磁机和旋转整流器。无刷同步发电机的不断发展，将推动我国整体国民经济的发展。关键词：无刷励磁、同步发电机、交流励磁机、旋转整流器The Design of the Main Generatorin Brushless Synchronous GeneratorAbstract: This design primarily is the design of the main generator in brushless synchronous generator, includes the rotating fashion of dynamotor, fixing on the primary dimension, confirming the number of slots of stator and rotor, and selecting the tank-type of stator or rotor, magnetic pole road calculation of the shape, exhaust and efficiency. Design of constitute the part from the main generator (synchronous generator), exchanges magnetic pole machine revolve to commutate the main part in etc .In machine constitute, the main generator turns the son ,magnetic pole machine electricity vital point with revolve to commutate the machine turn to turn the son top to revolve together in same the machine of magnetic pole fix at settle the sub- seamy side .The main generator construction is alike with minor differences, is all to turns a type contain that do not show pole with convex very two kinds of, exchanges magnetic pole machine for turn the type of axis .Synchronous machine in exchanges from brush to evolve to have no to brush is because of having the exchanges magnetic pole machine with revolve to commutate the machine .Have no to brush the synchronous generator to develop continuously, will push our country the development of the whole national economy.Keywords： excitation brushless, synchronous generator, rotary rectifier, exciter of alternating currentI无刷同步发电机主发电机的设计第1章 绪 论1.1 课题研究的意义以往一直采用直流发电机来励磁，即直流发电机发出的直流电，通过滑环和碳刷引进同步发电机的转子绕组，但是无论是从高速发展电力工业以适应国民经济的飞速发展的需要或提高发电机的效率降低运行成本着眼，都需要增大发电机的容量，所以直流电机的换向已成为一大难题，并且需要碳刷和滑环，还要经过两次电刷的作用才可以引入到发电机中，又存在碳刷磨损和碳刷粉末玷污线圈和其他零部件的问题，这不仅增加了制造成本还减少了电机运行的可靠性，容易引起火花甚至环火。这不利于电机应用范围的扩大，还要增加制造和保养成本，为了降低电枢电流，使一些电气配套设备易于设计制造，或省去发电机的升压设备，这就要求把同步发电机的额定电压升高到20KV以上，因此相应的研究也就展开了。此外，同步机转动部件也需要承受很大的机械应力，这就需要研究出具有更高强度极限的转子部件、磁轭钢板部件等。提高电枢单位周长的安培导电系数A或气隙磁通密度B则可减少电机的尺寸，可降低电机成本。但是由于B受电机材料的限制无法提高，固需要研制出饱和系数更高的材料。所以同步发电机正朝着大型化、高压化、无刷励磁化、高效冷却和超导的方向发展。随着半导体技术的发展，推动了无刷电机的发展。1.2 无刷同步发电机的特点无刷同步发电机自发明以来，得到不断地完善和发展。具体表现在以下几个方面：电机向高速发展，属于高速电机。采用新型软磁材料，饱和磁感应强度高，电机的磁负荷大幅度提高。新型绝缘材料可使电机在高温下工作。因为不需要电刷、集电环或换向器等部件，没有磨损的碳粉和铜末所引起的污损，其绝缘的使用寿命比较长。没有带电接触情况，不会产生火花，所以它能适用于有易燃、易爆气体的恶劣环境中运行。省去了对电刷、集电环或换向器的繁琐维护工作，并且还提高了发电机的运行可靠性。1.3 无刷同步发电机的发展现状和前景1.3.1 无刷同步发电机的发展现状从60年代到90年代，无刷励磁方式发展很快。世界上各工业发达国家，均纷纷发展了自己的无刷励磁同步发电机系列。我国在60年代也开始了小型无刷发电机的研制工作。刚开始由于我国工业基础薄弱，无刷发电机所需元件跟不上要求，无刷励磁方式一直停留在试验阶段。近几年来，许多研究单位和工厂都在大力开展无刷励磁方式的研究，并已成功开发了系列的无刷发电机产品。现代发电机中的交流发电机几乎全部都是同步发电机，在工矿企业和电力系统中，同步电动机和补偿机用得也不少。美国西屋公司（Westing house）在励磁系统开发研究方面一个重要的成就是：在60年代处，首先研制成功了大型气轮发电机组无刷励磁系统。原型无刷励磁系统的功率为180KW。据不完全统计，从1968年到1973年期间，西屋公司为容量为220-600MW的24台无刷励磁系统。至今，西屋公司大约为500台气轮发电机组配置了无刷励磁系统。首台高起始响应无刷励磁系统设计于1977年7月，用于美国Utah Power and Light公司Hunter Nol机组。其气轮发电机组的容量为496MVA、24KV、3600r/min，无刷励磁机的功率为1720KW、500V。我国引进西屋公司的600MW气轮发电机组样机亦为高起始响应无刷励磁系统，其励磁功率达3250KW。而我国广东大亚湾核电站的两台900MW气轮发电机组无刷励磁系统均是由英国GEC公司研制和供货的。英国派生斯公司所开发的无刷励磁系统有两种方式：采用二极管的无刷励磁系统及采用晶闸管整流元件的无刷可控励磁系统。在无刷励磁系统中，整流器的接线方式一般均采用三相桥式接线方式，在理想的情况下，这种整流线路的能量变换比系数最高，整流线路每产生1KW直流输出功率所需的交流电源容量仅为1.05KVA。而前苏联在开发大型气轮发电机无刷励磁系统方面，研制了两种型式交流励磁，一种是三相交流励磁机，其旋转电枢具有正弦电动势波形；另一种是具有梯形电动势波形的多相交流励磁机。这种设计可进一步提高交流励磁机容量的利用率。除上述主要国家生产了二极管无刷励磁气轮发电机组外，瑞典ASEA、瑞士ABB、德国KWU、法国阿尔斯通、日本三菱公司、比利时ACEC和意大利马雷利公司均生产了大容量无刷励磁气轮发电机组。在无刷励磁系统中，将旋转的二极管整流器代以晶闸管整流元件，将会显著地提高励磁系统控制的快速性，但是在实现这一控制方式时，在技术上存在很大难点，因为在晶闸管无刷励磁系统中，需将处于静止侧的触发脉冲供给旋转的晶闸管整流元件，即要求在静止部分和旋转部分之间建立一个控制联系。英国派生斯公司所采用的方法是在无刷主励磁机的主轴上装一台极数与主励磁机相同的小型旋转电枢控制用励磁机，其电枢各相的末端接于旋转晶闸管整流器的控制极，从而提供了与主励磁机电枢电压波形同步的触发脉冲。控制励磁机的电压与主励磁机电压之间的相位移，决定于它们之间固定磁场系统之间的物理角。改变此角度既改变了晶闸管整流器的触发角。前苏联在开发大型气轮发电机的晶闸管无刷励磁系统方面也取的了举世瞩目的成就。在解决怎样由静止侧将触发脉冲信号传梯到旋转晶闸管整流器侧的问题时，采用了简单、可靠的无触电控制系统，以装在与旋转晶闸管元件同一轴上的旋转脉冲变压器来传送控制脉冲。脉冲变压器定子和转子的磁路为环形，定转子间有一小气隙。变压器的一次和二次绕组相应地置于定子和转子槽中。1.3.2无刷同步发电机的发展前景随着技术的发展，人们对永磁材料的机构、构成和制造技术有了深入的研究，相续发现了多种永磁材料。现在随着技术的不断完善，永磁电机中所采用的永磁体越来越向高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线形退磁曲线的优异性能发展。无刷同步发电机将会越来越重要，应用范围也会越来越广。1.4 主要工作内容无刷同步发电机主发电机的设计主要是按照独立电源系统要求，设计出满足系统性能指标通用性好的电机部件，根据容量、频率和体积等要求，结合技术实际情况和生产实际要求情况，计算出电机的结构参数，并进行电机磁路计算和电机性能参数计算。从而使设计出来的产品性能优良、体积小、结构简单、运行可靠、制造和使用方便。总体设计内容包括以下两个方面：主发电机的电磁设计无刷励磁方案的设计1.5 基本数据和技术要求1.5.1 基本数据额定容量： KVA 功率因数： 额定电压： 绝缘等级：F相数： 额定转速：连接方式：Y连接1.5.2 技术要求线电压波形畸变率2的电机要特别注意通风问题。机构：与的选择还要受到结构上的限制。由于机械强度的限制，不能过大(当=50，=转子外圆周速)。一般说来，当接近60cm，各处机械应力已接近允许值，当大于70cm时需采用实心磁极结构。铁心长度有时受到轴极限长及地坑长等限制。参考数据选择见交流电机设计手册。3.1.2 、决定、值大小对电机参数、起动性能、温升、损耗、经济等方面均有较大影响。电机参数、等基本上皆与/成正比。当/增加时，所有及r均增加，反之则减少。电机起动电流当/增加时，也减小。而、等，皆随起动电流增减而增减。最大转矩=1/，当/g一定时,故随/增加而减小。一般说来，对相近的二台电机，如/也相近的话，则所有参数及起动性能等也是相近的，因此在新设计时，可找一个相近的电机，根据其性能、参数为所设计的电机性能参考，利用上面所介绍的规律就可初步确定所设计的电机的(/)值了。、值对电机发热也有影响，当定子槽面积不变时，当电机用铁量不变时，、，故当、增加时电机发热将增加。对较大的电机可取较大的值。主要是限制(18000高斯时，齿部大大饱和了)，故一般与关系不大。此外，当增加时/减小，因此为了维持在一定水平下也需增加值。、值大小影响电机的用铜量与用铁量。当它们增加时，电机材料消耗就减少。具体数据参考交电手册。标准定子外径：应采用标准定子外径以利生产，因此选择一般不是任意的，数据参考。3.1.3 定子每极每相槽。数q及槽宽决定q主要与有关，越大q越多。此外，q值对电机温升，绝缘消耗量，附加损耗等皆有影响，当采用较大的q值时，由于高次谐波减小，故附加损耗减小，由于槽高宽比(/)增加，故温升降低，绝缘消耗量增加。此外当q值大时，嵌线及制造线圈工时要增加。定子槽宽主要与及电压有关。在重新设计的新系列电机中为了减少铜线规格及工具，采用了标准槽宽。其适用范围如下：30cm, =17.2mm。在选择q及时，应注意，=/(为定子齿距)它对及合理分配有影响，过去同步电机在0.360.55范围内，一般为0.380.6。同步电机的q值不能随意决定，还应考虑下列要求：绕组对称要求：设q=bc/d，则要求及3的倍数，p/d=a=整数(但对q=b1/3者，当3时，基本上以对称了)。a为电机最大并联支路数，本设计取值6。容易分扇形片。电压波形：发电机应保证3，或采用分母大于2的分数槽，本设计q值为4。避免噪音：只了解针对分数槽的分析，参考交流电机手册。 考虑通用冲片。在选择q值时，应尽可能考虑到该冲片用于相邻极数时的q值还能满足上述要求。3.1.4 决定、定子线规及最后决定槽高为了减少匝数，并联路数应尽量少。但以下情况可以增加其值。当=1时，=2，则最好能增加，最好使能大于3，因为=2时，一方面每匝中股线过多，线圈制造困难，另一方面附加损耗将增加。如必须用=2时，线圈最好能换位。有时为了得到合适的值，可以增加值，以增加值，而便于调整。根据所选定的q，及为偶数这一条件，可以适当改变一下初步选定的值，如不合适可以增加值使便于调整，有时甚至可以改变q值，以取得合适的值。当最后决定了、值及选定后，就可以决定线规及槽高了。定子电密主要与电机发热(温升)及损耗大小有关。定子温升与及大小有关。所以要特别注意这两个数值。同步电机在3.326.28范围内。一般在3.55.5内，值在12003100范围内，其值可随增加而增加。具体参考数值查书。在选择导线规格()时应注意下面两点：需要在1.165倍范围之内(过去最大用过6)；(大了不好制造线圈和接线)。在确定后应注意/值不宜太大及太小，同步机/值在2.857.54范围内，一般在46.5范围内。3.1.5 决定轭高确定轭高时，应注意以下几点轭磁密要合适，过去同步电机在1010015700高斯范围内，一般在1200014500高斯内。为了使齿部易压紧，/应70%。考虑通用冲片，使该冲片用于相邻极数时，仍能通过。考虑材料充分利用，最好能使一大张硅钢片正好冲完。在最后确定、后，就可以确定内径及和值，如不合适可以适当调整。确定了后，就可以确定(铁心长)了。3.1.6 决定齿磁密同步电机的齿磁密在1300016100高斯范围内。一般为1400016000高斯。若不合适，可以适当改变值或值。3.1.7 决定最小气隙与、励磁容量及附加损耗有较大关系如前所述除决定于/以外，还决定于增加时，也增加，故要求大的电机也大。此外，为了维持在一定水平上，应随增加而增加，当减少时，由于高次谐波和齿谐波增大，附加损耗增加，有时会使因减小而减少的励磁容量，还抵偿不了附加损耗的增加值。对实心磁极同步电机要特别注意不要太小，以避免出现过大的磁极边面损耗，这个损耗主要决定于/值，因此应控制这个数值。一般对于实心磁极电机，/应尽量使其小于1，如不可能，也必须要保证/1.51.6。从机械上来看，也不宜过小，尤其对两半机座电机，机座易变形，更应注意。3.1.8 决定磁极尺寸、值主要决定于值，对及漏磁大小、大小等皆有关，过去用过值如下：=0.660.775，一般在0.680.72。大型同步电机新系列设计采用0.650.75。值决定于极靴的机械强度，过去同步电机用过值，当为30时，/取0.110.14。其值最后由强度计算确定。值决定于(/)之比，当/=1.5时，波形最好，但为了考虑冲片通用/不一定要等于1.5，过去用过的/值如下：/=1.222.27；新系列/=1.352。3.1.9 决定磁极极身尺寸、极身宽决定于极身磁密，在1030016500高斯范围内，一般在1100015000高斯内。值初步可由/值确定。过去用过的/值在0.3860.547范围内，一般在0.450.5范围内。值决定于励磁绕组是否能放下，及对的影响，当一定时，为放下励磁绕组，可以有好几个方案。在初步选定时，可依靠/值确定，过去用过的如下，当取30时，/取0.40.551。3.1.10 决定转子绕组由上面可知、与基本上无关，因此，为减少匝间绝缘出发，少一些(铜线用厚一些好)。但减少励磁电流增大，使电流引入困难，此外少励磁电压低，会给励磁机