同步电机的结构特点和分类

1、同步电机的结构、特点和分类2009年10月15日 同步电机是交流旋转电机的一种，因转速恒等于同步转速而得名，它与异步电动机的不同之处在于其转速与电流频率之间有着严格的对应关系。同步电机应用广泛，既可以做发电机，也可以做电动机以及调相机现代电力生产所使用的发电设备几乎都是采用同步发电机，例如汽轮发电讥、水轮发电机、内燃发电机等。同步电动机可以用呆拖动功率较大转速不要求调节的生产机械，或者要求恒疋转速运行的负载，如大型水泵、空气压缩机、矿井通风机等。由于同步电机具有功率因数可以调节的优点，故同步调相机可以对电网的无功功率进行调节，以改善电网的功军因数，提高电网的运行经济性及电压的稳定性。

2、此外小功率的同步电动机和微型同步电机在恒转速传动控制装置、自动记录仪表、家用电器以及自动控制系统中有着广泛的应用。  一、同步电机的特点  同步电机是由其极数与交流电频率决定的按一定转速运转的电机此转速称为同步转速。同步转速是由电网频率和极对数决定的，即式中，f-电网频率，HZ        P-极对数。  同步电机的主要功能是机械能与恒定频率交流电之间相互转换。现代工业交流电源，需要保持其频率恒定而采用同步发电机。将同步电动机接入交流电源作电动机运行便成为同步电动机。由于同步电动机其恒定的转速

3、特性和具有良好的功率因数等得到了广泛应用。同步电机还可以用来调节电力系统的无功功率和功率因率因数这1X种用途的同步电机称同步调相机。    和箕他电机一样，同步电机进行机电能量变换的过程是可逆的。当电磁转矩为驱动性时，同步电机运行于电动机状态；当电磁转矩为制动时，同步电机运行于发电机状态。但是需要说明，同步发电机或电动机从原理上说都可以逆运行，而实际上由于对同步发电机和同步电动机运行参数和性能要求是不同的，所以一台间步电机当改变运行状态时，除非专门设计，一般来说，其运行性能和参数往往不能完全满足运行需要。  二、同步电机的分类  同步电机可以按

4、运行方式、结构形式、原动机的类别等进行分类。  按运行方式分，同步电机可分为发电机、电动机和调相机三类。发电机把机械能转换为电能；电动机把电能转换为机械能；调相机基本上不转安有功功率，专门用来调节电网的无功功率，以改善电网的功率因数。    按结构形式分，同步电机可分为旋转电枢式(磁极固定)和旋转磁极式电枢固定)两种。通常三相同步电机的电枢绕组与三相电网联接，励磁绕组则与直流电源联接。对于高压、大中型同步电机，为了易于引出或引入电枢电流，一般都采用旋转磁极式，只有某些小型或特殊用途的同步电机，如无刷励磁同步电机励磁系统中用的交流发电机，才采用旋转电枢式。

5、    旋转磁极式同步电机又可以按照磁极的形状分为隐极式和凸极式，如图51所示。隐极式转了是圆柱形，励磁绕组为分布绕组，转了除小型电机用叠片结构外，一般都是整体的，气隙均匀，一般用于高速同步电机(2p一2)。凸极式转了有显露的磁极，励磁绕组为集中绕组，转子的磁乏和磁极一般不是整体的，气隙也是不均匀的，极弧底下气隙较小，极间部分气隙较大，一般用于低速同步电机(2p4)。     按原动机类别分，同步电机可分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机等。汽轮发电机由于转速高，转子各部分受到的离心力很大机械强主要求高，故一般采用隐极式；水轮发电机

6、转速低、极数多，所以采用结构和制造上比较简单的凸极式。同步电动机、柴油发电机和调相机一般也做成凸极式的。    除此之外，同步电机还可以按照极数分为三相和单相两种；按通风方式分为开启式、防护式、封闭式；按照磁路结构分为隐极式、凸极式、爪极式、感应子式、永磁式、磁滞式、磁阻式、电磁减速式等，如图52所示  感应子式耐步电机的转子做成齿轮形，一个转子齿距形成一对极，励磁绕组做在定子上，可做成单极式或多极式。感应了式间步电机可以用。作中频发甩机，其中小功率的用作超高速电动机、雷达装置的特种电源，弋功率的用作高频加热电源。  磁阻式同步电机的

7、定子与一般交流电机的定子相似，转子无励磁绕组并有反应槽，可用来驱动和控制小功率电动机、高速发电机。  爪极式是凸极式的一种耍型，N、s极各一组，并做成爪状，交错插合。用永磁体或励磁绕组励磁。一般用于车辆中的交流发电机或中频发电机。 三、同步电机的基本结构  同步电机与其他旋转电机一样，主要由定子(静止)部分和转子(旋转)部分构成。    1定子    定了主要由疋子铁芯、定子绕组、机座和端盖等构成。疋予铁芯由厚度为0.35mm或o5mm的硅钢片叠装而成。定子铁芯叠片时，一般每叠厚36 cm，留1 cm作为

8、通风槽用，以利于铁芯散热。为减少铁芯损耗，硅钢片I一涂有绝缘漆。冲片内圆均匀地冲出一定形状的槽，用于嵌放定子绕组。定于绕组的作用、要求、结构形式与三相异步电动机定了绕组相似。疋子绕组采用波绕组。叠绕组。  一般采用三相双层短距叠叠绕组和双层分数槽绕组，以利于改善电压波形。为减小由于集肤效应起的附加损耗，绕组导线经常由许多相互绝缘的扁铜线并联，并且在槽内直线部分还要按一定的方式进行编织换位。机座采川厚钢板焊接结构，用于固定定子铁芯，要求有足够的强度和刚度并满足通风散热雩要。  2转子  转子铁芯是汽轮同步发电机最关键的部件之一，也是电机磁路的主要组成部分。高速旋转时

9、转子承受着很大的离心力，故转子一般采用整块具有高机械强度和良好导磁性能的合金钢锻体。转子有隐极式和凸极式两种类型。  隐极式转子沿转子铁芯表面的全长铣有一定数量的槽，以便于放置励磁绕组。槽的形状有两种，一种为辐射型排列，一种是平行排列，前者用得较为普遍，如图5 3所示。在一个极距内约有l3的部分没有开槽，叫做大齿，大齿的中心实际二就是磁极的中心。我国生产的电机多用辐射型槽。励磁绕组用矩形的扁铜线绕制成同心式线圈，并且利用不导磁、高强度的槽楔将励磁绕组在槽内压紧，匝之间及线圈与铁芯间均有绝缘。护环、中心环、滑环和风扇护环是一个厚壁金属圆筒，用于保护励磁绕组的端部不因离心力而甩出。中心环

10、用于支撑护环并阻止励磁绕组端部辅向移动。护环、中心环、励磁绕组端部排列如图54所示。滑环装在转子轴上，通过电刷将励磁电流引进励磁绕组。    凸极式转了有明显的磁极，主要由转轴、磁极、磁轭、励磁绕组、槽环和阻尼绕组等组成，其外形见图5-5。磁极铁芯一般用厚l15 mm的钢板冲片由柳钉装成一体，也有采用整体锻钢或铸钢件制成的买心磁极，磁极铁芯上套装有励磁绕组。励磁绕组一般由扁钢线绕成，匝间粘贴玻璃丝布或石棉纸绝缘。各励磁绕组串联后接到同轴的滑环上。磁极的极靴上一般还装有类似于异步电机笼型绕组的阻尼绕组，对于发电机，阻尼绕组可以减小并联运行时转子振荡的幅值；对于电动机

11、，其主要作为届动绕组用。由于实心磁极本身有较好的阻尼作用，故不另外装阻尼绕组。铁轭主要用来组成磁路，并作为固定磁极的轮缘。大型电机的铁轭是由厚25mm的钢板冲成的扇形片叠成，各层间错开接缝，最后用螺杆把各层夹紧，形成一个整体。在中小型电机中，铁轭常用整块钢板或铸铁制或。铁轭于转轴间用转子支架支撑着。转子支架由于要传递轴上的转矩，必须要有足够的强度。主磁极  四、同步电机的额定值  1额定电压LN  指在额定运行时，定子三相绕组的线电压，单位为V或kV。  2额定电流IN  指在额定运行时，定子三相绕组的线电流，单位为A。  3额定功率

12、PN  指在额定运行时，电机输出的有功功率，对于发电机是指输出的电功率；对于电动机是指轴上输出的机械功率。PN与uN、IN之间有如下关系        PN的单位为kw。    对于同步发电机，额定功率也可用额定容量sN表示，sN指输出的视在功率，计算公式为       sN的单位为kV-A。  上述PN、sN的公式中，UN的单位均为V。  4额定功率fn  我国标准工频为，50 Hz。  5额定功率固数c

13、osN  指电机在额定运行时的功率因数。  除上述额足值外，铭牌上还列出额定效率N、额定转速nx(：即同步速)、额定励磁电流Ifm额定励磁电压ufn和额定温升等    五、同步发电机与同步电动机    1同步发电机    现代工业和生活的电源，几乎全部为恒定频率(50 Hz或60 Hz)的三相交流电，这种交流电全部是由同步发电机提供的。由于同步发电机拖动机械的种类不同，其结构形式和运行特点有很大差异。同步发电机主要有下列几种主要形式：  (1)汽轮发电机  由高速汽

14、轮机或燃气轮机驱动，主要用于火力发电或核能发电。这种发电机都是卧式结构，在高速下运行，几乎全为隐极式结构圆柱形转子。    近30年来，汽轮电动机的单机容量有了很火的提高。大功率的两极汽轮发电机单机容量已达1000 MW。而用于核能发电的汽轮发电机因蒸汽条件，汽轮机为低速机，发电机为四极，最大单机容量已达1 500 Mw。汽轮发电机单机容量的提高，主要依靠改进冷却技术，如采用了绕组内部冷却技术，并用氢和水为冷却介质，以及各种组合冷却方式等。图56是氧冷却汽轮发电机的结构图。    由于大容量的汽轮发电机采用了很高的电磁负荷，设计得较细

15、长，因而也带来了由端部漏磁引起的杂散损耗和端部发热、定予和转子绕组在槽内和端部的固定万式、转子强度和振动等问题。  (2)水轮发电机  水轮发电机是由水轮机驱动的同步发电机。其结构形式有立式和卧式两种。    卧式水轮发电机通常由冲击式或贯流式水轮机驱动，常用于特殊水路条件，容量较小，转子为凸极式结构。    立式水轮发电机主要由混流式或轴流式水轮机驱动，这种发电机组有水轮机结构比较合理，机组占地面积小等特点。最大水轮发电机窬量已达700Mw，图5-7是是5.7MVA、428 rmln立式水轮发电机。水轮发鬯机启动

16、、并网所需时间很短，运行调度较灵活，因而在电力系统除担负基荷外，还常用作调峰、调相和事故备用电源。    水轮发电机运行和设计中，具有下面几个特点：    要求发电机有较大的转动惯量，同时由于转速较低，而极数较多，因此，水轮发电机转子直径和外形尺寸较大，而铁芯艮度往往较短，外形正与汽轮发电机相反，多数是扁平的。    水电站通常远离负荷中心，需通过长距离高压输电至负荷中心，因而，电力系统对水轮发电机有较高的动态稳定和稳态稳定的要求。  为了防止水轮发电机出现飞逸转速对电机造成破坏，其机构强度必须

17、能承受逸速时的离心力，在逸速下保持可靠性。（3）柴油发电机柴油发电机是由活塞式内燃机驱动的同步发电机，其容量范围一般为几千瓦至几兆瓦。柴油发电机组的特点是启动迅速，操作方便，但其发电成本较高，通常作为应急备用电源，或一些流动工作单位照明，动力和通信电源。     柴油发电机般安装在户内或电源车内，其结构为凸极式。大型柴油发电机结构与卧式水轮发电机相同，小型柴油发电机除转子为凸极式外，其余结构与异步电机相同。    为了改善发黾机运行性能，提高技术经济指标和运行可靠性，柴油发电机通常采用自励恒压励磁系统。  

18、;  由于活塞式内燃机轴上输出的是周期性脉动力矩，使柴油发电机在振动较大的条件下工作，因此，要求其机座、端盖、风扇等设计要具有足够的强度和刚度，特别是发电机组轴系统设计要注意扭振问题。为使转速均匀和避免出现共振，柴油发电机组必须具有合适的飞轮力矩，在飞轮力矩过小的情况，必须加设飞轮。    2同步电动机    同步电动机是一种将三相交流电变换成恒疋转速的输出机械功率的电机。在同步电机定子上，齿槽冲片叠成的铁芯上嵌装了三相绕组，而转子上装有直流励磁的磁极。定子铁芯内的三相绕组是这样设置的：各相绕组是对称的，在定子表面各相相差120°电角度，而各相电势相位也相差