中小型中压无刷同步发电机的设计特点

随着中小型的风力发电越来越受到关注，与之配套的中小型中压同步发电机也就应运而生。由于风力发电机安装于几十米甚至上百米高的塔架上，使用环境特殊，必须方便维护，降低维护成本，无刷同步发电机在此显现出其优点。以进口机组为主的风电市场。迫切地需要我国自行开发拥有自主知识产权、技术先进、适合我国气候和地理条件的发电机组，因此我们对中小型中压无刷同步发电机进行设计研究。

1．结构原理
中小型中压无刷同步发电机的结构原理见图1。

发电机的主机为旋转磁场式，通过电机定子向外输出电能。发电机转子通常有隐极和凸极两种结构型式。由于此类电机的运行工况一般均与电网并联运行，对发电机的电压品质要求较高。转子为隐极结构的发电机(相对于凸极结构的发电机)波形的正弦性好、畸变率小。主机励磁电流由励磁机通过旋转整流器提供，励磁机为旋转电枢式的三相同步发电机。励磁机的励磁由发电机控制器提供。

2总体设计
2．1 结构设计
机座支撑定子铁芯迭片．承受定子扭矩，须对机座的刚度进行设计计算。电机转轴主要传递机械功率．受弯矩和扭矩作用，见图2。弯矩是由转子重量、单边磁拉

力和传动系统的反作用力产生的(砭+0和砟)；扭矩是由转轴传递机械功率产生的(砟，)。设计转轴时主要考虑：(1)对于同步发电机，轴的挠度厂必须小于电机气隙长度6的8％，即．厂<68％。(2)过载时，轴的应力不应超过许用应力。
由于弯矩和扭矩作用使转轴产生应力，转轴各截面上受到的弯矩和扭矩不同。各截面上的应力也不同，在计算轴的应力时．’一般只计算几个应力最大的危险截面，例如轴伸端轴承两侧和铁芯中部。

2．2冷却设计
发电机的冷却方式一般分为自然冷却、自力通风冷却、强迫风循环冷却三种。自然冷却多用于lkW以下的电机。强迫风循环冷却需在电机与风机之间设置专门风路，结构复杂、体积庞大，也给维护维修带来不便。中小型中压发电机功率不是很大，选用自力通风冷却最为合理，特点是风扇安装在电机转轴上，风扇消耗的功率由转轴的机械功率供给。为与中小型低压电机的通风冷却设计相比较．此处说明热阻R与绝缘厚度的关系(热阻R与绝缘厚度成正比)，导体与冷却介质的热路可简化为图3。可见p=QR。式中：卜导体与冷却介质之间的温差；Q——导体的发热量；



R——导体与冷却介质之间的热阻。

由于绝缘层厚度与等级密切相关，RoCU(S／，)。式中：￡7二—一额定电压；卜额定容量；，_额定电流。可见绝缘层加厚、热阻增大，但p oC厂r。其中卜电枢绕组电阻。又有roCⅣoc U(肌)。其中：忙电枢绕组串联匝数。所以锆叩oc厂r(跗)oc厂(跗)(跗)芘|s‘。在外部散热条件类似的情况下．中低压发电机的p值只与容量Js有关。因此。中压电机的冷却通风计算完全可以参考中小型低压电机的设计计算。
2．3绝缘设计
(1)对地绝缘设计。由于绝缘材料存在电老化、热老化、机械损伤等现象使其绝缘性能逐年下降，绝缘设计时必须考虑绝缘的长时间耐电强度，保证工作20～30年不出现绝缘的击穿。一般要求运行30年后仍能承受两倍额定电压的预防性交流试验电压，并考虑耐电强度的分散性、线棒结构等因素，绝缘厚度在耐压强度上的储备系数要求达到8左右。据此合理设计对地绝缘厚度。随着绝缘技术的发展和新的绝缘材料的不断涌现，对地绝缘厚度有逐渐减薄的趋势。目前，对于6．3 kV电压等级的电机。采用少胶粉云母带时单边绝缘厚度为1．7 mm左右；对于10．5 kV电压等级的电机，单边绝缘厚度为2．7 mm左右。

(2)匝间绝缘设计。中压电机的绕组是由多匝线圈串联而成。当操作过电压时匝问过电压比工作电压约高20倍以上。而且各线圈上分布的电压很不均匀。通常匝间遇到的最大过电压幅值很少超过0．35 u。，因此。据此设计匝间绝缘所需厚度。

(3)防电晕设计。发电机绝缘层中或绝缘之外不可避免的存在气隙，这些气隙在不太高的交流电压下，因分到的电场强度较高就开始局部放电或电晕．它们对绝缘材料有强烈的腐蚀作用，特别是在：1)槽部对地绝缘和槽壁之间的空气中；2)绕组靠近通风道处；3)绕组出槽口处；4)绕组端部相邻线圈的空隙中以及固定绕组用的支撑件与线圈绝缘相接触处。因此绝缘设计时必须针对电晕进行专门设计。

2．4励磁系统设计
中小型中压无刷同步发电机的励磁功率不是很大。一般多用单机励磁，励磁系统可有三种方案(见表1)。第三种方案虽动态性能稍差。但可靠性高，最为可行。所以一般选择副励磁机励磁方案。副励磁机为发电机控制器提供工作电源和励磁机用的励磁电源：信号取样装置TA、Tv为发电机控制器提供控制用的信号取样