一款无刷励磁同步发电机定子引线端固定方案改进

王 宁，高云霞

(成都南车电机有限公司,四川 成都 610051)

一款无刷励磁同步发电机定子引线端固定方案改进

王 宁，高云霞

(成都南车电机有限公司,四川 成都 610051)

介绍了成都南车电机有限公司生产的3 300 kW机车配套无刷励磁同步发电机引线端固定的改进方法。过去大部分的机车配套发电机引线端固定方法都是通过在定子铁芯轴向固定一定数量的支承螺杆来固定整个引线端系统，然而由于发电机径向的电磁振动，使该支承螺杆发生了不同程度的断裂。对该发电机的电磁振动进行了详细的分析，并提出了一种新的固定工艺方法，有效地解决了支承螺杆断裂、断裂后无法取出以及更换困难的缺点。

无刷励磁同步发电机；引线端固定；电磁振动

1 故障现象和分析

成都南车电机有限公司生产的多种机车配套发电机中，都是采用在定子轭处伸出多根螺栓作为整个汇流环装配的支承螺杆，然后用绑扎带等固定绳与汇流环装配绑紧的方法，固定定子引线端汇流环(见图1)。

图1 发电机引线端固定方式示意图

支承螺杆的材料为冷拉圆钢20-φ20(8.8级)，长度为287 mm，将其直接拧入定子铁芯内部，同时在支承螺杆端部通过固定块固定U、V、W和N环。定子浸漆后，由于高温和绝缘漆的作用，各个部分都固化并粘接为一体，起到了很好的固定和支承作用。然而，在发电机出厂后不久，发生了不同程度的支承螺杆断裂，在维修过程中也遇到了很大的困难。

简要分析该结构，可以将整个支承体系简化成为1根支承螺杆固定于定子铁芯的悬臂梁结构。由于支承螺杆的长度相对较长，而且其上所附重物(固定块和汇流环)在浸漆固化后质量更大，因此结构所受的静力矩很大，加之受振动的影响，导致螺栓断裂，对发电机正常工作造成了很大影响。导致该支承螺杆发生断裂的最主要原因是发电机的振动，此时整个支承系统受到不同大小和方向的力，当支承螺杆受到径向的剪切力时最容易发生断裂。

发电机的振动主要分为机械振动、电磁振动和气体通风振动[1]。本文以成都南车电机有限公司生产的3 300 kW无刷励磁同步发电机为对象进行分析。发电机的详细参数见表1。

表1 发电机的电器参数

该发电机的额定转速为1 800 r/min，转速相对不高，其气体通风振动主要是由于气体涡流使气体受扰动以及气体压力的周期性波动引起，因此对于转速不高的凸极发电机的气体振动的影响可以忽略不计。发电机的机械振动主要是由于发电机轴承的机械摩擦或者转子不平衡所导致，在出厂时对发电机的机械振动做了详细的检测，机械振动量不高，各项指标均符合要求，由此可知机械振动也并非该发电机振动的主要因素。发电机在试验时噪声较大，由此可以判定，该发电机的电磁振动可能是造成该支承螺杆断裂的最主要原因。

2 发电机电磁振动的理论分析

发电机的电磁振动是由发电机气隙磁场作用于发电机铁芯产生的电磁力所激发。定转子之间的相互作用会在发电机的气隙中产生很多幅值和频率都不相同的电磁力波，电磁力波的方向为径向。发电机铁芯受电磁力波所产生的形变不仅与其幅值有关，还和电磁力波的次数r有关，铁芯振动的形变量和电磁力波次数的4次方成反比[2]；由此可见，在分析发电机铁芯所受的电磁力时，不仅要分析幅值大小，还要对电磁力波的次数进行分析，r越小，发电机铁芯的形变量就越大。凸极同步发电机铁芯所受电磁力的形变示意图如图2所示。

图2 电磁力波的径向形变示意图

根据麦克斯韦定律，发电机气隙中单位面积的径向力瞬时值公式为：

(1)

式中，b(θ,t)为气隙磁密；μ0为空气磁导率。

发电机电磁振动所产生的径向电磁力波主要包括发电机主波磁场在定子轭部单位圆周面积所产生的电磁力波和谐波磁场产生的电磁力波。

径向电磁力波幅值公式为：

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(2)

式中，Bσ为气隙磁密，Bσ=0.961 T；R1为定子内圆半径；Rj1为定子轭的平均半径。

该螺栓的截面积S=πR2=0.031 4 m2，所受径向剪切力F=PS=5 149.6 N。该电磁力波的频率fr≈2fn=2×150=300 (Hz)。

本公司生产的发电机为凸极发电机，且q=整数(转子无阻尼条)，由此可知，谐波电磁振动是由定子和转子的谐波磁场相互作用所产生的。定子和转子绕组磁势在气隙中所建立的磁场的极对数为：

v=(6k1+1)pk1=±1、±2、±3、…

(3)

μ=(2k2+1)pk2=1、2、3、4、…

(4)

电磁力波次数为：

r=μ±v

(5)

r=μ+v=2p[(k2+3k1)+1]

(6)

r=μ-v=2p(k2-3k1)

(7)

(8)

(9)

(10)

由上述的分析和计算可以得出以下结论。

1)该无刷励磁同步发电机运行时受到主磁场和谐波磁场的作用，定子轭会产生幅值较大的径向剪切力，且谐波的电磁力波极对数r=0，使发电机的振动形变较大。当r=0时，定子轭圆环的振动形式为一伸一缩的脉动，如图3所示。

图3 r=0时发电机振动示意图

2)由于谐波磁场的频率远远大于主磁场的频率，因此由谐波产生的电磁力波的频率也非常大。

3)由于螺栓拧入发电机的定子轭部，所以支承螺杆受到幅值和频率很大的径向剪切力，因此发电机的电磁振动可能是导致其断裂的最主要原因。

3 新的引线端固定改进方案

由上述可知，无刷励磁同步发电机的定子轭在运行时产生很大振动，可导致拧在定子轭部的支承螺杆的断裂，以往解决该故障的方法是增加支承螺杆的数量。由于支承螺杆拧入定子轭内部，当其断裂后，根部以内无法从定子轭中取出，给发电机维修带来了很大的困难。针对上述情况，本文研究了一种新的发电机引线端结构，即将支承螺杆(长度为130 mm)的位置由定子轭部改为定子机座(见图4)，以降低支承螺杆在发电机运行中的振动应力。

图4 改进后引线端各支承螺杆的位置示意图

采用新的径向固定改进方案有以下优点。

1)减小了支承螺杆长度，使得螺杆所受力矩降低，以防止其由于受力太大而断裂。

2)发电机的齿和磁极产生的振动幅值往往都小于发电机在定子轭部产生的振动，由于发电机的机座在设计之初都尽量避开与发电机定子产生简谐振动，机座有降低振动的作用，因此把螺杆固定在机座上可以大大降低其振幅。

3)由于发电机振动大多为径向，将支承螺杆固定在机座上可使原来支承螺杆所受的剪切应力变为对支承螺杆的拉力，这样大大增加了支承螺杆的使用寿命。

4)支承螺杆发生故障时可以直接从机座上取下，便于更换和检修。

4 结语

通过对无刷励磁同步发电机的理论计算分析可知，由于发电机的电磁振动，导致拧在定子轭部的支承螺杆受到频率和幅值较大的径向剪切力，进而发生断裂。改进后的方案大大增加了支承螺杆的使用寿命，可以为类似发电机故障处理提供一些借鉴。

[1] 王钉.基于有限元的异步电机电磁振动分析[J].振动与冲击，2012(2):140-144.

[2] 陈世坤.电机设计[M].北京：机械工业出版社，2000.

责任编辑马彤

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

王宁(1990-)，男，本科，助理工程师，主要从事电动机制造等方面的研究。

2014-08-12