摘要：同步發(fā)電機(jī)是交流發(fā)電機(jī)的一種。普通同步發(fā)電機(jī)與異步發(fā)電機(jī)的根本區(qū)別是轉(zhuǎn)子側(cè)（特殊結(jié)構(gòu)時(shí)也可以是定子側(cè)）裝有磁極并通入直流電流勵(lì)磁，因而具有確定的極性。由于定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相對(duì)靜止及氣隙合成磁場(chǎng)恒定是所有旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的兩個(gè)前提條件，因此，同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度必須與定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度嚴(yán)格同步。如果定子側(cè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的交流電流頻率為f，發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)為P，則同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速n與電流頻率和極對(duì)數(shù)的關(guān)系為(60f/p)。

同步發(fā)電機(jī)主要用作發(fā)電機(jī)，全世界的發(fā)電量幾乎全部是由同步發(fā)電機(jī)發(fā)出。同步發(fā)電機(jī)也可用作恒速的發(fā)電機(jī)，雖然其結(jié)構(gòu)較異步發(fā)電機(jī)復(fù)雜，但它可以運(yùn)作在功率因數(shù)等于1或超前的功率因數(shù)下以改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。此外還有一種同步調(diào)相機(jī)，實(shí)質(zhì)上是不接機(jī)械負(fù)載的空載同步發(fā)電機(jī)，其目的是從電網(wǎng)吸取超前無(wú)功功率來(lái)補(bǔ)償其它電力用戶從電網(wǎng)吸取的滯后無(wú)功功率。

一、同步發(fā)電機(jī)的構(gòu)造型式

同步發(fā)電機(jī)可分為旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁極式兩種。

旋轉(zhuǎn)電樞式勵(lì)磁繞組在定子上，電樞繞組在轉(zhuǎn)子上。由于轉(zhuǎn)動(dòng)著的電樞繞組要通過(guò)滑動(dòng)接觸才能輸出或輸入電能，對(duì)于大容量電能則存在著諸多制約條件，因此旋轉(zhuǎn)電樞式結(jié)構(gòu)只適用于小容量同步發(fā)電機(jī)中。

旋轉(zhuǎn)磁極式是同步發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)形式。在旋轉(zhuǎn)磁極式中，又可分為隱極式和凸極式兩種。

（1）隱極式結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，氣隙均勻，轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度高，直流勵(lì)磁嵌放在槽中，兩個(gè)大齒分別形成N、S極，適用于少極高速的同步發(fā)電機(jī)。

（2）凸極式結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示，氣隙不均勻，構(gòu)造簡(jiǎn)單，勵(lì)磁繞組繞在磁極上通入直流電形成N、S極。但由于旋轉(zhuǎn)時(shí)的空氣阻力大，比較適合于多極中速或低速旋轉(zhuǎn)場(chǎng)合，是發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)型式。

圖1 電機(jī)結(jié)構(gòu)的主要類型

二、隱極式同步發(fā)電機(jī)

隱極式轉(zhuǎn)子適合于高速旋轉(zhuǎn)，而提高轉(zhuǎn)速可以提高發(fā)電機(jī)組的效率、減小尺寸并降低造價(jià)，因此柴油發(fā)電機(jī)大多做成具有較高同步速的兩極結(jié)構(gòu)。由于轉(zhuǎn)速高、離心力巨大，發(fā)電機(jī)的外形必然細(xì)長(zhǎng)?，F(xiàn)代發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度與直徑之比l/D=2.5~6.5，容量越大比值越大。發(fā)電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)部件有定子、轉(zhuǎn)子、端部和軸承等。

（1）定子

定子由鐵芯、繞組、機(jī)座以及固定這些部件的結(jié)構(gòu)件組成。

定子鐵芯一般采用0.5mm的含硅量較高的無(wú)取向冷軋硅鋼片（如D41）疊成，每疊厚度約3～6cm，各疊之間有10mm的通風(fēng)溝，整個(gè)鐵芯用拉緊螺桿或非磁性壓板壓緊后固定在定子機(jī)座上。

定子機(jī)座用鋼板焊成，它除了支撐鐵芯外還構(gòu)成所需的通風(fēng)路徑。要求它有足夠的鋼度和強(qiáng)度。

定子繞組一般采用三相雙層短距疊繞組。為了限制電流密度，繞組導(dǎo)體的截面積都比較大，為了減少渦流損耗，每根導(dǎo)體由多股截面為15mm2以下的扁銅線并聯(lián)組成，并且在槽內(nèi)直線部分進(jìn)行特殊的循環(huán)換位方式，使電流密度的分布趨于均勻。

圖2 發(fā)電機(jī)定子繞組槽內(nèi)換位方式

（2）轉(zhuǎn)子

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖，可看出各部件結(jié)構(gòu)和組裝情況。由于高速下轉(zhuǎn)子受到強(qiáng)大的離心力，故轉(zhuǎn)子直徑較多為1.5m。轉(zhuǎn)子的主要部件有鐵心、勵(lì)磁繞組、護(hù)環(huán)、中心環(huán)和滑環(huán)等。

轉(zhuǎn)子鐵芯（也稱轉(zhuǎn)子本體）是發(fā)電機(jī)較關(guān)鍵的部件之一。既是轉(zhuǎn)子磁極的主體也是巨大離心力的受體。因此要求它具有高導(dǎo)磁性能和高機(jī)械強(qiáng)度。轉(zhuǎn)子鐵芯一般采用整塊的具有良好導(dǎo)磁性能的高強(qiáng)度合金鋼鍛件。并與轉(zhuǎn)軸鍛為一體。在轉(zhuǎn)子鐵芯表面，沿轉(zhuǎn)子鐵芯表面約2/3部分（對(duì)于每個(gè)半圓）銑出轉(zhuǎn)子槽并嵌放轉(zhuǎn)子繞組。不開(kāi)槽的部分形成“大齒”，而大齒的中心線即為主極軸線。轉(zhuǎn)子槽形一般采用開(kāi)口槽。

勵(lì)磁繞組由扁銅線繞成同心式線圈。各線匝之間墊有絕緣，線圈與槽壁之間用可靠的槽絕緣隔開(kāi)?？紤]承受高速旋轉(zhuǎn)離心力的要求，在槽口嵌入非磁性低電阻率高強(qiáng)度的金屬槽鍥，如硬質(zhì)鋁合金和鋁鐵鎳青銅。大容量發(fā)電機(jī)為了降低可能的不平衡運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子的發(fā)熱，在每一槽楔與轉(zhuǎn)子導(dǎo)體之間放置一條細(xì)長(zhǎng)銅片，其兩端接到轉(zhuǎn)子兩端的阻尼端環(huán)上形成一個(gè)短路繞組，稱為阻尼繞組。

護(hù)環(huán)、中心環(huán)和滑環(huán)護(hù)環(huán)是一個(gè)厚壁的金屬圓筒，共兩只，用來(lái)保護(hù)勵(lì)磁繞組的端部不會(huì)因離心力而甩出。中心環(huán)用來(lái)支持護(hù)環(huán)并阻止勵(lì)磁繞組端部沿軸向移動(dòng)。運(yùn)行中護(hù)環(huán)的應(yīng)力十分巨大，可達(dá)590N/mm²，因此要求采用高強(qiáng)度無(wú)磁性合金鋼制成。滑環(huán)（也稱集電環(huán)）裝在轉(zhuǎn)子軸上，用引線連通勵(lì)磁繞組，并經(jīng)電刷接到勵(lì)磁電源。

端蓋和軸承端蓋將發(fā)電機(jī)本體的兩端封蓋起來(lái)，并與機(jī)座、定子鐵芯和轉(zhuǎn)子一起構(gòu)成發(fā)電機(jī)內(nèi)完整的通風(fēng)系統(tǒng)。端蓋通常用無(wú)磁性硅鋁合金鑄成。軸承需承受巨大的轉(zhuǎn)子重量和離心力，采用油膜液體潤(rùn)滑的座式結(jié)構(gòu)，并配有油循環(huán)系統(tǒng)。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)軸降低轉(zhuǎn)速的情況下，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速能保持不變，即旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速保持不變，可以保證發(fā)電機(jī)的頻率保持不變，降低了化學(xué)能源的消耗；如果轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速不降低，在轉(zhuǎn)子的數(shù)量和轉(zhuǎn)速均增加的情況下，發(fā)電機(jī)的輸出電能也會(huì)增加。

圖3 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

三、凸極式同步發(fā)電機(jī)

從支撐角度看，隱極式同步發(fā)電機(jī)只有臥式結(jié)構(gòu)，而凸極式同步發(fā)電機(jī)有臥式和立式兩類。大多數(shù)同步發(fā)電機(jī)、調(diào)相機(jī)以及柴油機(jī)拖動(dòng)的發(fā)電機(jī)采用臥式結(jié)構(gòu)，容量一般從幾個(gè)千瓦到上萬(wàn)千瓦。

（1）臥式凸極同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

臥式凸極同步發(fā)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與隱極同步發(fā)電機(jī)或異步發(fā)電機(jī)基本相同，但其繞組大都采用波繞組。其轉(zhuǎn)子如圖4所示。

轉(zhuǎn)子由磁極、磁軛、勵(lì)磁繞組、集電環(huán)、風(fēng)扇和轉(zhuǎn)軸等部件組成，并采用同軸的直流勵(lì)磁機(jī)。磁極用1mm～3mm的鋼板疊壓而成，用鉚釘沿軸向鉚緊，兩端用L形的鋼壓板以防止勵(lì)磁繞組在離心力作用下甩出。磁軛可用鑄鋼，也可用沖片疊壓。勵(lì)磁繞組多數(shù)為同心式線圈套裝結(jié)構(gòu)。集電環(huán)用耐磨黃銅澆注（也可用青銅、磷青銅和鋼制成），兩個(gè)集電環(huán)與轉(zhuǎn)軸間用玻璃酚醛作絕緣，經(jīng)熱壓成為一個(gè)整體。當(dāng)發(fā)電機(jī)容量較大時(shí)，磁極中須裝阻尼繞組以抑制轉(zhuǎn)子的機(jī)械振蕩，在同步發(fā)電機(jī)和調(diào)相機(jī)中作為起動(dòng)繞組用。阻尼繞組和異步發(fā)電機(jī)的籠形結(jié)構(gòu)相似，由若干插在極靴槽中的鋼條經(jīng)兩端環(huán)短接而成。

圖4 凸極同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的典型結(jié)構(gòu)圖

（2）立式凸極同步發(fā)電機(jī)

在立式發(fā)電機(jī)中，整個(gè)機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重量和水流的軸向推力均由推力軸承負(fù)擔(dān)，再通過(guò)機(jī)架傳遞到地基上，其總負(fù)荷可達(dá)數(shù)千噸。推力軸承是發(fā)電機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵部件。按照它的安放位置，立式發(fā)電機(jī)可分為懸式和傘式兩種結(jié)構(gòu)，懸式的推力軸承裝在轉(zhuǎn)子上面，整個(gè)轉(zhuǎn)子懸掛在上機(jī)架上；傘式的推力軸承裝在轉(zhuǎn)子下面，狀如傘式。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的磁極、勵(lì)磁繞組、磁軛和阻尼繞組等結(jié)構(gòu)和臥式凸極同步發(fā)電機(jī)相似。由于大容量發(fā)電機(jī)直徑很大，為了便于運(yùn)輸，通常將定子分成二、四或六瓣，分別制造好運(yùn)到水電站后再拼裝成一整體。又因轉(zhuǎn)子外徑很大而磁極和磁軛的徑向尺寸有限，故在轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)子磁軛間增添了一個(gè)輪輻式支架作為過(guò)渡結(jié)構(gòu)。