第五章第二节感应子励磁电机的设计.doc

第五章 辅助电机的设计第二节 感应子励磁机设计2.1感应子励磁机的作用及其结构特点2.1.1感应子励磁机的作用 感应子励磁机是各类电传动内燃机车（包括交-直-交传动）的同步主发电机或主副发电机的励磁机，它发出中频三相交流电，经励磁整流柜三相桥式全波整流变成直流电进入同步主发电机或主副发电机的转子，供给励磁绕组的励磁电流。 由于感应子励磁机转子上没有绕组，只由转子铁心构成，也不需要滑环和电刷，电枢绕组和励磁绕组都嵌在定子铁心上，定子和转子之间没有任何机械和电的联系。因而运行可靠，维修简单，属于无故障无维护电机。2.1.2感应子励磁机的结构特点（以GQL-45电机为例）（1）它的励磁绕组与电枢绕组集中嵌放在定子铁心部分。定子铁心用50W360冷轧硅钢片叠成，定子冲片上共有4个大槽和48个小槽（请特别注意电枢绕组的槽数Z1=72而不是48），如图5-1所示。图5-1 定子冲片大槽嵌放励磁绕组，小槽嵌放电枢绕组。励磁绕组的输入和三相电枢绕组的输出均在定子上。（2）转子铁心由50W360冷轧硅钢片冲叠而成，转子冲片上共有12个齿和12个槽，如图5-2所示。与凸极同步电机相类似，它的每一对齿槽相当于一对等效磁极，转子上总共有12对磁极。请特别注意感应子牵引励磁机的磁极对数P等于转子的齿数Z2，即P=Z2，与励磁线圈的个数无关。GQL-45电机是一个24极电机而不是4极电机，否则一切有关参数的计算均将发生原则性错误。转子的齿和槽沿转子轴表面倾斜1，这是为了减小谐波电势的影响以改善电压波形。图5-2 转子冲片（3）由于转子上仅有转子冲片叠成的转子铁心，与一般同步电机相比，转子上既没有绕组，又没有滑环与电刷的滑动接触部分，从而大大提高了电机运行的可靠性，减少了检修维护的工作量。2.2感应子励磁机的工作原理2.2.1转子齿与定子铁心相对时得到最大磁通max 当转子齿与定子铁心相对时，空气隙最小min（min约为0.7mm），此时的磁阻Rm相应为最小Rmin，因而产生的磁通为最大值max。2.2.2转子槽与定子铁心相对时得到最小磁通min 当转子槽与定子铁心相对时，空气隙最大max（max约为40mm），此时的磁阻Rm相应为最大Rmax，因而产生的磁通为最小值min。2.2.3穿过电枢绕组是交变的有效磁通u 由于电机转子的高速旋转，电机磁路的磁阻不断的交变，因而将得到有效的交变磁通为最大磁通max与最小磁通min之差的平均值。即u=（max-min）。2.2.4交变的有效磁通u切割电枢绕组产生交流感应电势 当电枢绕组布置成三相对称交流绕组时，感应子励磁机就可以发出中频三相交流电。2.3感应子励磁机的特殊性问题（以GQL-45电机为例）2.3.1感应子励磁机的磁极对数 感应子励磁机的磁极对数P等于转子的齿数Z2，P=Z2。与励磁线圈的数目无关，一般励磁线圈的数目与电枢绕组的并联支路数有关。如GQL-45电机，P=Z2=12，是一个24极电机。有4个励磁线圈，电枢绕组的并联支路数为4，而不是4极电机。2.3.2感应子励磁机的电枢绕组槽数为保证电枢绕组为60相带，其电枢绕组槽数Z1等于6倍的转子槽数Z2，即Z1=6 Z2。因为转子一齿一槽，相当于一对极，一对极为360电角度，对应定子槽为6时，每小槽相应60电角度。GQL-45电机转子槽数Z2=12，其定子槽数Z1=6 Z2=72，其电枢小槽数是按72等分，由于定子铁心内除了嵌入电枢绕组之外，还要嵌入励磁绕组，因此电枢绕组实际槽数Z1=48，其定子铁心利用系数K1=，也就是说定子铁心利用了来嵌放电枢绕组，利用了来嵌放励磁绕组。但定子槽数Z1=72而不是Z1=48。2.3.3 GQL-45电机的电枢绕组计算 由于上述两个参数理解的错误，将导致计算的错误。如GQL-45电机，认为2P=4，Z1=48；得每极每相槽数。得出GQL-45电机为分布绕组的错误结论。 正确的结论应当是GQL-45电机，2P=2 Z2=212=24，Z1=6 Z2=612=72，得每极每相槽数，电枢绕组是集中绕组，极距,电枢绕组节距y=14槽，y= 。GQL-45电机的电枢绕组是单层、集中、整距绕组。2.4 GQL-45和JGL405B电机的主要技术参数 DF4、DF5、DF7、DF8内燃机车上采用的是GQL-45感应子励磁机。DF11内燃机车上采用的是JGL405B感应子励磁机。两种型号的感应子励磁机在结构上大同小异，只是在电枢绕组和励磁绕组的匝数和线径上稍有差别。两种感应子励磁机的主要技术参数列于表5-1中：表5-1 感应子励磁机的主要技术参数 型 号JGL405BGQL-45额定容量（KVA）4145/36额定电压 （V）77105/94额定电流 （A）297248/221额定转速（r/min）26962625/1175额定频率（Hz）539.2525/235相 数33额定功率因数0.950.95电枢绕组接法YY额定励磁电压（V）59.255.9/81额定励磁电流（A）5.476.81/9.86励磁方式他励他励绝缘等级B级B级效 率0.890.89/0.93电机质量（Kg）3553482.5感应子励磁机的主要特性2.5.1感应子励磁机的空载特性感应子励磁机属于同步发电机的一种，因此大多数的运行特性与同步发电机一样。由于感应子励磁机的特殊性，其空载特性E0=f（IL）与同步发电机有明显的区别，如图5-3所示:图5-3 感应子牵引励磁机的空载特性 前面介绍感应电势E0是由有效磁通u=1/2（max-min）当磁路饱和之后最大磁通max将保持不变，而最小磁通min由于气隙最大，而永远不会饱和；它将随励磁电流IL的增加而正比例的增加。从有效磁通u的表达式中可以看出，当励磁电流IL大到一定值时磁路饱和，最大磁通max不变，而最小磁通min正比例增大，有效磁通u反而下降，感应电势E0也将随之而下降。由此可知，感应子电机的磁路应处于弱饱和状态。2.5.2 感应子励磁机的短路特性感应子励磁机的短路特性是指三相电枢绕组全部短路时，电枢短路电流IK与励磁电流IL之间的关系，即IK=f (IL)。它与同步主发电机的短路特性一样，是一条直线且与转速无关。2.6 感应子励磁机主要参数的选择2.6.1 感应子励磁机的主要运用范围感应子励磁机主要运用于DF4DF11交-直流传动内燃机车的同步主发电机或主副发电机的励磁。交-直-交传动内燃机车同步主发电机基本上全部采用无刷励磁同步主发电机，励磁机与旋转二极管与同步主发电机的励磁绕组处于同一轴上。因此不需要感应子励磁机。从DF4DF11机车的励磁功率决定了感应子励磁机的额定容量Pi=45KVA，基本上能满足上述机车的要求。因此额定容量的变化较小。2.6.2感应子励磁机设计时只计算高转速工况在GQL-45电机设计时按两种额定工况计算：即最高转速nmax=2625r/min和最低转速nmin=1175r/min。对应于nmax，其励磁电流最小ILmin=6.81A，对应于nmin，其励磁电流最大ILmax=9.86A，当时的这种看法是错误的。因为柴油机的装车功率近似与柴油机的转速成三次方的关系。当柴油机最低转速时其装车功率很小，只有额定装车功率的1/8，因而其最大励磁电流ILmax只能出现在最高转速nmax工况，而不会出现在最低转速nmin工况。因此感应子励磁机设计时只计算高转速工况，高转速工况能够满足，低转速工况自然能够满足。在后来设计的GQL-45D和JGL405B电机均只计算高转速工况。这是设计感应子励磁机时应具有的重要概念。2.6.3 感应子励磁机额定电压和额定电流的选取感应子励磁机的额定容量PN大约在45KVA左右，几乎保持不变。其额定电压UN和额定电流IN的选取主要决定于配套的同步主发电机励磁电压和励磁电流的大小。当额定电压UN较大，其额定电流IN相应较小，当额定电压UN较小，其额定电流IN相应较大。如GQL-45电机：UN=105v，IN=248A；JGL405B电机：UN =77v，IN =297A； GQL-45D电机：UN =75v，IN =346A。这三种电机实际上属于同一种系列的电机，其基本结构没有变化，改变的只是电枢绕组的并联导体数和匝数。对应于额定电压UN较大，额定电流IN较小的电机，电枢绕组的并联导体数较少，匝数较多。2.6.4感应子励磁机绕组系数的计算前面分析过感应子励磁机采用的是集中、整距电枢绕组。为改善输出电压的波形，在转子上采用了斜槽，在机械角度上倾斜了1。在电角度上倾斜了=55.2， =27.6由于转子冲片采用斜槽，其作用相当于电枢绕组采用分布绕组，以改善电压的波形。其斜槽系数其绕组系数2.7双磁通感应子励磁机概述双磁通感应子励磁机的结构特点是：在一台感应子电机上，在磁轴线相互垂直的磁极上分别安装两套独立的励磁绕组和三相电枢绕组,同时保持同一个定子和转子铁心。如图5-4所示。一台双磁通感应子发电机，在电传动内燃机车上同时作为励磁和充电机使用。我国从法国进口的ND4内燃机车的定子发电机和我国出口缅甸的CKD7内燃机车的JGL405C和JGL405D励磁机，均为双磁通感应子励磁机。它同时给主发电机励磁和作蓄电池充电以及其他辅助电路的电源。图 5-4 双磁通感应子励磁机磁路图2.8双机组感应子励磁机概述 双磁通感应子励磁机存在两个缺点：第一，两台电机的磁