高平穩(wěn)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

熊園梅

（江西清華泰豪三波電機(jī)有限公司，江西 南昌330096）

0 前言

發(fā)電機(jī)是將其他形式的能源轉(zhuǎn)換成電能、為其他設(shè)備提供電源的機(jī)械設(shè)備。隨著數(shù)控設(shè)備的廣泛運(yùn)用于機(jī)加行業(yè)，產(chǎn)品的加工精度有了極大的提升，產(chǎn)品的質(zhì)量隨之提高，用戶對發(fā)電機(jī)性能的要求也越來越高；發(fā)電機(jī)與柴油機(jī)配合的精度愈發(fā)精密，從而要求轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡性能和配合精度越來越高。發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)實(shí)際就是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)時(shí)會產(chǎn)生巨大的離心力，使轉(zhuǎn)子上的零、部件受到巨大的沖擊，若轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡性能不好，旋轉(zhuǎn)時(shí)會產(chǎn)生重心偏離，使轉(zhuǎn)軸和柴油機(jī)配合不同軸、容易將花鍵套扭斷，損壞發(fā)電機(jī)本體。

1 高平穩(wěn)發(fā)電機(jī)的概述

高平穩(wěn)發(fā)電機(jī)主要由前端蓋、風(fēng)扇、主機(jī)定子、主機(jī)轉(zhuǎn)子、勵(lì)磁機(jī)定子、勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子、軸承和穩(wěn)速盤等組成，結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。

圖1 高平穩(wěn)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

為了排除勵(lì)磁系統(tǒng)與用電系統(tǒng)的相互干擾，進(jìn)一步提高輸出電壓波形的品質(zhì)，提升發(fā)電機(jī)電磁兼容性；以及勵(lì)磁源本身的復(fù)勵(lì)特性，提升動(dòng)態(tài)性能，高平穩(wěn)發(fā)電機(jī)（以下簡稱“發(fā)電機(jī)”）采用無刷正交凸極諧波勵(lì)磁。發(fā)電機(jī)工作環(huán)境靠近海邊，空氣潮濕溫度高，鹽霧濃度高，空氣對金屬的腐蝕性比內(nèi)陸強(qiáng)，發(fā)電機(jī)零、部件采用真空壓力浸漆工藝，具有防霉菌生長的能力，提高了發(fā)電機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性和防護(hù)性能。零、部件大多采用鋼板材料，后端蓋為鑄造成型、車工精加工保證裝配尺寸；箱體總成則為鋼板沖壓、形成需要的形狀，焊接在發(fā)電機(jī)機(jī)座上。由于文章主要介紹發(fā)電機(jī)工作時(shí)，如何更好的確保轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速平穩(wěn)升降，定子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒有轉(zhuǎn)子的影響那么顯著，故此次關(guān)于定子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不展開講解，將轉(zhuǎn)子的零、部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為重點(diǎn)研究對象。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1 轉(zhuǎn)子支撐設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)可以簡單的劃分為轉(zhuǎn)子和定子兩部分，其中定子靜止，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，在二者裝配區(qū)域添加一個(gè)過渡支撐零件——軸承。為了更好的與柴油機(jī)連接，保證裝配精度，發(fā)電機(jī)采用雙軸承支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，軸承分別位于定子的前端蓋和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸配合區(qū)域、定子的后端蓋與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸配合區(qū)域，分布在發(fā)電機(jī)重心的左右兩側(cè)，有效平衡轉(zhuǎn)軸的受力。與單軸承支撐結(jié)構(gòu)相比，雙軸承支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更合理的將轉(zhuǎn)子支撐起來，兩個(gè)軸承支撐點(diǎn)將轉(zhuǎn)子按水平方向支撐、放置，轉(zhuǎn)子接口的高度與柴油機(jī)接口高度一致，處于同一水平高度，轉(zhuǎn)軸永遠(yuǎn)與軸心平行；發(fā)電機(jī)工作時(shí)，前端蓋和后端蓋靜止不動(dòng)，確保與之裝配的軸承外圈保持靜止，軸承內(nèi)圈與轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子接口高度不發(fā)生偏移；軸承裝配簡單，性能穩(wěn)定，接口配合精度高。

2.2 高平穩(wěn)設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)工作時(shí)轉(zhuǎn)子處于高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，可靠性指標(biāo)要求平均故障間隔時(shí)間MTBF≥20000h，轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡能力和旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性能有著極高的要求。轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡校正程度直接影響到發(fā)電機(jī)的振動(dòng)等性能指標(biāo)，而發(fā)電機(jī)的振動(dòng)性能又直接影響電機(jī)使用壽命及本身的噪聲，為了提高動(dòng)平衡校正精度，根據(jù)轉(zhuǎn)子運(yùn)行不平衡量計(jì)算公式其中mper：允許不平衡量；M：轉(zhuǎn)子自身重量；r：轉(zhuǎn)子的校正半徑；n：轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速；G：精度等級；計(jì)算出轉(zhuǎn)子不平衡量數(shù)值，在風(fēng)扇、主機(jī)轉(zhuǎn)子平衡環(huán)等處設(shè)置平衡塊加載點(diǎn)，確保轉(zhuǎn)子作動(dòng)平衡試驗(yàn)時(shí)不平衡實(shí)測值低于公式計(jì)算的數(shù)字。同時(shí)，為了讓轉(zhuǎn)子運(yùn)行的更平穩(wěn)，在轉(zhuǎn)子右端增加穩(wěn)定檔——安裝穩(wěn)定盤，穩(wěn)定盤可以增大發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量主要決定發(fā)電機(jī)的機(jī)械相應(yīng)速度，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，響應(yīng)速度快，一般用于高速響應(yīng)的場合；而轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大有利于轉(zhuǎn)子抗外界干擾，即轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，相應(yīng)速度相對較慢，但是受外界擾動(dòng)影響小，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)更平穩(wěn)。根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式I=mr2，穩(wěn)定盤質(zhì)量增加，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量隨之增加；但是穩(wěn)定盤質(zhì)量增加，轉(zhuǎn)矩亦隨之增大，轉(zhuǎn)軸的剪切力也增大，根據(jù)轉(zhuǎn)軸，一定要確保穩(wěn)定盤增加后轉(zhuǎn)子總質(zhì)量在轉(zhuǎn)軸可承受的范圍內(nèi)。

2.3 花鍵套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

花鍵套是發(fā)電機(jī)和柴油機(jī)聯(lián)接的零件?；ㄦI套有效將發(fā)電機(jī)和柴油機(jī)轉(zhuǎn)軸聯(lián)接，保持二者同頻率、同向旋轉(zhuǎn)，花鍵套機(jī)加精度的等級決定了與二者的配合精度，特別是內(nèi)花鍵的加工精度和硬度直接決定了花鍵套使用壽命?；ㄦI套設(shè)計(jì)初期，我們參考了很多齒輪配合案例，第一時(shí)間請工藝人員審圖、提意見，為了提高臺階孔與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的配合精度，增大受力能力，防止二者在工作中產(chǎn)生相對旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)軸和臺階孔上增開了鍵槽，引入平鍵配合；內(nèi)花鍵的規(guī)格為DIN 5480/(N45×2×30×21×9g)，不是國際通用標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)上查詢不到花鍵參數(shù)，客戶只有一臺配套的柴油機(jī)，通過走訪、咨詢多家制造廠家，決定采用投影制造法。通過一臺高精度投影設(shè)備，投影與花鍵套配合的連接套，用設(shè)備采集連接套外花鍵的投影參數(shù)，推算出花鍵套內(nèi)花鍵的參數(shù)，通過半精加工——高頻淬火——精加工，并將精加工之后的花鍵套與連接套裝夾、檢驗(yàn)。在后期產(chǎn)品跟蹤中，發(fā)電機(jī)噪音小，花鍵套的使用效果良好。

2.4 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子分為主機(jī)轉(zhuǎn)子和勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子，均是由沖片迭壓、線圈繞制而成。此次沖片采用整體式?jīng)_片，取消轉(zhuǎn)子支架，通過平鍵與轉(zhuǎn)軸固定，提升轉(zhuǎn)子沖片與轉(zhuǎn)軸的配合精度，減少空間占有率。主機(jī)轉(zhuǎn)子為了確保沖片間線圈之間不干涉，保持一定的形狀和間距，待線圈繞制在沖片上結(jié)束后，在線圈之間安裝3個(gè)撐塊裝置，4個(gè)沖片槽之間均需安裝，通過撐塊裝置中的撐桿將兩瓣撐塊逐步撐開，保持一定的角度和距離，使線圈張開，導(dǎo)線不會相互接觸。勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子上設(shè)有通風(fēng)孔，并且安裝有旋轉(zhuǎn)整流模塊。主機(jī)轉(zhuǎn)子和勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子之間的導(dǎo)線通過Φ70喉箍固定在轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，導(dǎo)線和轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)，避免在離心力的作用下出現(xiàn)不規(guī)則的甩動(dòng)，消除安全隱患。

2.5 防護(hù)罩防水設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)技術(shù)要求外殼防護(hù)等級為IP23，外殼需能防止手指或長度不超過80mm的類似物體觸及或接近殼內(nèi)帶電或轉(zhuǎn)動(dòng)部件，能防止直徑大于12mm的固體異物進(jìn)入殼內(nèi)，并與垂直線成60°角范圍內(nèi)的淋水應(yīng)無有害影響，即垂直線成60°范圍內(nèi)防淋雨進(jìn)入。發(fā)電機(jī)的鋼板外殼除了防護(hù)罩有通孔，其余部位均為實(shí)體，所以外殼的防護(hù)等級依靠防護(hù)罩保證。為了防止異物進(jìn)入，我們將防護(hù)罩上最小槽口設(shè)計(jì)為11×30，并通過專用模具沖壓防護(hù)罩形成局部百葉窗，以防護(hù)罩安裝在前端蓋上為例，水平上方部位不開槽；水平方向下面百葉窗單側(cè)形成夾角為70°，其余部位均勻開小槽口，可以防止垂直線成60°范圍內(nèi)防淋雨進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，并經(jīng)雨淋試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)電機(jī)外殼防護(hù)等級滿足IP23的要求。

2.6 風(fēng)扇設(shè)計(jì)

風(fēng)扇放置在前端蓋內(nèi)，為了有效的提高發(fā)電機(jī)的散熱速度，我們將風(fēng)葉按一定角度擺放，這種設(shè)計(jì)不僅使發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊，也有利于散熱風(fēng)道的流暢，有效提高散熱速度。發(fā)電機(jī)中風(fēng)扇最大的作用就是降低發(fā)電機(jī)的溫度，最大流量qvm=0.42AπDN/60，風(fēng)扇的尺寸越大，最大流量越大，散熱速度越快；同理轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越快，散熱速度越快。由于發(fā)電機(jī)技術(shù)要求明確了轉(zhuǎn)速為1500r/min,所以在轉(zhuǎn)軸承受范圍內(nèi)，我們將風(fēng)扇的尺寸設(shè)計(jì)偏大，并將葉片下部鏤空，降低風(fēng)扇重量，增大風(fēng)扇散熱效率。由于焊接風(fēng)扇存在焊接應(yīng)力，容易產(chǎn)生加工質(zhì)量問題，并且長期工作后易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，故而發(fā)電機(jī)采用鑄鋁風(fēng)扇。

3 結(jié)論

通過上述方案的實(shí)施，我公司設(shè)計(jì)制造了30kW三相無刷同步發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)平穩(wěn)性能明顯優(yōu)于同類型產(chǎn)品，噪聲小，振動(dòng)小，防雨淋效果好，與柴油機(jī)配合精度高，承受突加突減能力突出，各項(xiàng)電氣性能指標(biāo)良好，抗腐蝕性能好，環(huán)境適應(yīng)性和防護(hù)性能強(qiáng)，市場應(yīng)用領(lǐng)域廣闊。

［1］陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［2］楊萬青,陳興衛(wèi).電機(jī)實(shí)用設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

［3］黃國治.傅豐禮.中小型旋轉(zhuǎn)電機(jī)手冊[S].北京：中國電力出版社，2007.