一款無刷勵磁同步發電機定子引線端固定方案改進

王 寧，高云霞

(成都南車電機有限公司,四川 成都 610051)

一款無刷勵磁同步發電機定子引線端固定方案改進

王 寧，高云霞

(成都南車電機有限公司,四川 成都 610051)

介紹了成都南車電機有限公司生產的3 300 kW機車配套無刷勵磁同步發電機引線端固定的改進方法。過去大部分的機車配套發電機引線端固定方法都是通過在定子鐵芯軸向固定一定數量的支承螺桿來固定整個引線端系統，然而由于發電機徑向的電磁振動，使該支承螺桿發生了不同程度的斷裂。對該發電機的電磁振動進行了詳細的分析，并提出了一種新的固定工藝方法，有效地解決了支承螺桿斷裂、斷裂后無法取出以及更換困難的缺點。

無刷勵磁同步發電機；引線端固定；電磁振動

1 故障現象和分析

成都南車電機有限公司生產的多種機車配套發電機中，都是采用在定子軛處伸出多根螺栓作為整個匯流環裝配的支承螺桿，然后用綁扎帶等固定繩與匯流環裝配綁緊的方法，固定定子引線端匯流環(見圖1)。

圖1 發電機引線端固定方式示意圖

支承螺桿的材料為冷拉圓鋼20-φ20(8.8級)，長度為287 mm，將其直接擰入定子鐵芯內部，同時在支承螺桿端部通過固定塊固定U、V、W和N環。定子浸漆后，由于高溫和絕緣漆的作用，各個部分都固化并粘接為一體，起到了很好的固定和支承作用。然而，在發電機出廠后不久，發生了不同程度的支承螺桿斷裂，在維修過程中也遇到了很大的困難。

簡要分析該結構，可以將整個支承體系簡化成為1根支承螺桿固定于定子鐵芯的懸臂梁結構。由于支承螺桿的長度相對較長，而且其上所附重物(固定塊和匯流環)在浸漆固化后質量更大，因此結構所受的靜力矩很大，加之受振動的影響，導致螺栓斷裂，對發電機正常工作造成了很大影響。導致該支承螺桿發生斷裂的最主要原因是發電機的振動，此時整個支承系統受到不同大小和方向的力，當支承螺桿受到徑向的剪切力時最容易發生斷裂。

發電機的振動主要分為機械振動、電磁振動和氣體通風振動[1]。本文以成都南車電機有限公司生產的3 300 kW無刷勵磁同步發電機為對象進行分析。發電機的詳細參數見表1。

表1 發電機的電器參數

該發電機的額定轉速為1 800 r/min，轉速相對不高，其氣體通風振動主要是由于氣體渦流使氣體受擾動以及氣體壓力的周期性波動引起，因此對于轉速不高的凸極發電機的氣體振動的影響可以忽略不計。發電機的機械振動主要是由于發電機軸承的機械摩擦或者轉子不平衡所導致，在出廠時對發電機的機械振動做了詳細的檢測，機械振動量不高，各項指標均符合要求，由此可知機械振動也并非該發電機振動的主要因素。發電機在試驗時噪聲較大，由此可以判定，該發電機的電磁振動可能是造成該支承螺桿斷裂的最主要原因。

2 發電機電磁振動的理論分析

發電機的電磁振動是由發電機氣隙磁場作用于發電機鐵芯產生的電磁力所激發。定轉子之間的相互作用會在發電機的氣隙中產生很多幅值和頻率都不相同的電磁力波，電磁力波的方向為徑向。發電機鐵芯受電磁力波所產生的形變不僅與其幅值有關，還和電磁力波的次數r有關，鐵芯振動的形變量和電磁力波次數的4次方成反比[2]；由此可見，在分析發電機鐵芯所受的電磁力時，不僅要分析幅值大小，還要對電磁力波的次數進行分析，r越小，發電機鐵芯的形變量就越大。凸極同步發電機鐵芯所受電磁力的形變示意圖如圖2所示。

圖2 電磁力波的徑向形變示意圖

根據麥克斯韋定律，發電機氣隙中單位面積的徑向力瞬時值公式為：

(1)

式中，b(θ,t)為氣隙磁密；μ0為空氣磁導率。

發電機電磁振動所產生的徑向電磁力波主要包括發電機主波磁場在定子軛部單位圓周面積所產生的電磁力波和諧波磁場產生的電磁力波。

徑向電磁力波幅值公式為：

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(2)

式中，Bσ為氣隙磁密，Bσ=0.961 T；R1為定子內圓半徑；Rj1為定子軛的平均半徑。

該螺栓的截面積S=πR2=0.031 4 m2，所受徑向剪切力F=PS=5 149.6 N。該電磁力波的頻率fr≈2fn=2×150=300 (Hz)。

本公司生產的發電機為凸極發電機，且q=整數(轉子無阻尼條)，由此可知，諧波電磁振動是由定子和轉子的諧波磁場相互作用所產生的。定子和轉子繞組磁勢在氣隙中所建立的磁場的極對數為：

v=(6k1+1)pk1=±1、±2、±3、…

(3)

μ=(2k2+1)pk2=1、2、3、4、…

(4)

電磁力波次數為：

r=μ±v

(5)

r=μ+v=2p[(k2+3k1)+1]

(6)

r=μ-v=2p(k2-3k1)

(7)

(8)

(9)

(10)

由上述的分析和計算可以得出以下結論。

1)該無刷勵磁同步發電機運行時受到主磁場和諧波磁場的作用，定子軛會產生幅值較大的徑向剪切力，且諧波的電磁力波極對數r=0，使發電機的振動形變較大。當r=0時，定子軛圓環的振動形式為一伸一縮的脈動，如圖3所示。

圖3 r=0時發電機振動示意圖

2)由于諧波磁場的頻率遠遠大于主磁場的頻率，因此由諧波產生的電磁力波的頻率也非常大。

3)由于螺栓擰入發電機的定子軛部，所以支承螺桿受到幅值和頻率很大的徑向剪切力，因此發電機的電磁振動可能是導致其斷裂的最主要原因。

3 新的引線端固定改進方案

由上述可知，無刷勵磁同步發電機的定子軛在運行時產生很大振動，可導致擰在定子軛部的支承螺桿的斷裂，以往解決該故障的方法是增加支承螺桿的數量。由于支承螺桿擰入定子軛內部，當其斷裂后，根部以內無法從定子軛中取出，給發電機維修帶來了很大的困難。針對上述情況，本文研究了一種新的發電機引線端結構，即將支承螺桿(長度為130 mm)的位置由定子軛部改為定子機座(見圖4)，以降低支承螺桿在發電機運行中的振動應力。

圖4 改進后引線端各支承螺桿的位置示意圖

采用新的徑向固定改進方案有以下優點。

1)減小了支承螺桿長度，使得螺桿所受力矩降低，以防止其由于受力太大而斷裂。

2)發電機的齒和磁極產生的振動幅值往往都小于發電機在定子軛部產生的振動，由于發電機的機座在設計之初都盡量避開與發電機定子產生簡諧振動，機座有降低振動的作用，因此把螺桿固定在機座上可以大大降低其振幅。

3)由于發電機振動大多為徑向，將支承螺桿固定在機座上可使原來支承螺桿所受的剪切應力變為對支承螺桿的拉力，這樣大大增加了支承螺桿的使用壽命。

4)支承螺桿發生故障時可以直接從機座上取下，便于更換和檢修。

4 結語

通過對無刷勵磁同步發電機的理論計算分析可知，由于發電機的電磁振動，導致擰在定子軛部的支承螺桿受到頻率和幅值較大的徑向剪切力，進而發生斷裂。改進后的方案大大增加了支承螺桿的使用壽命，可以為類似發電機故障處理提供一些借鑒。

[1] 王釘.基于有限元的異步電機電磁振動分析[J].振動與沖擊，2012(2):140-144.

[2] 陳世坤.電機設計[M].北京：機械工業出版社，2000.

責任編輯馬彤

ImprovingProjectoftheLeadTerminalsFasteningforaBrushlessSynchronousGenerator

WANG Ning, GAO Yunxia

(Chengdu CSR Electric Motor Co., Ltd.， Chengdu 610051, China)

The paper described a improving method of terminals fastening for a 3 300 kW brushless synchronous generator made in my company .In the past, most terminals fastening for the locomotive alternator is to fix some support rods in the axial to fasten the fixed system in the stator. Because of the radial electromagnetic vibration, the support rods always break in different degrees. The paper focused on analyzing the electromagnetic vibration in detail and come up with a new project. It can solve the problems effectively which the support rods often break but can not be taken out.

brushless synchronous generator, lead terminals fastening, electromagnetic vibration

TM 302

：A

王寧(1990-)，男，本科，助理工程師，主要從事電動機制造等方面的研究。

2014-08-12