第六章同步电机6.1
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凸极式转子：气隙不均匀，极弧下较小，极间 较大；机械强度比隐极机低，适用于低转速； 一般用于水轮发电机，外形扁盘形。
《电机学》 第六章 同步电机
12
二、隐极同步电机 （只有卧式支撑）
1、隐极式转子结构： 隐极式转子上没有凸出的磁极。沿着转 子本体圆周表面上，开有许多槽，槽中嵌放励磁绕组。在转 子表面约1/3部分没有开槽，构成所谓大齿，是磁极的中心区。 励磁绕组通入励磁电流后，沿转子圆周也会出现 N 极和 S 极。
《电机学》 第六章 同步电机
27
2.同步电机的运行状态
同步电机的三种运行状态 a)发电机(δ>0)b)补偿机(δ=0)c)电动机(δ<0)
6.1.2 同步电机的励磁方式
一、励磁方式分类
获得励磁电流的方法称为励磁方式。
目前采用的励磁方式分为两大类：
1.用直流发电机作为励磁电源的直流励磁机励磁系统； 2.用硅整流装置将交流转化成直流后供给励磁的整流器励
产。该水轮机主要应用于潮汐电站，近年来逐渐应用到江河上的低 水头电站。贯流式水电站是开发低水头水力资源较好的方式。
《电机学》 第六章 同步电机
25
3、定子
水轮发电机的直径很大，定子铁心由扇形硅钢片拼 装叠成。为了散热的需要，定子铁心中留有径向通风沟。
4、转子
水轮发电机由于水轮机的转速较低，要发出工频电能，发 电机的极数就比较多，做成凸极式转子结构工艺上较为简单。 凸极式转子上有明显凸出的成对磁极和励磁线圈。
磁系统。
《电机学》 第六章 同步电机
29
二、 直流励磁机励磁
直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励、他励 或永磁励磁方式。采用他励接法时，励磁机的励磁电 流由另一台被称为副励磁机的同轴的直流发电机供给。
《电机学》 第六章 同步电机
30
三、 静止整流器励磁： 同一轴上有三台交流发电机，即主发 电机、交流主励磁机和交流副励磁机。副励磁机的励磁电流开 始时由外部直流电源提供，待电压建立起来后再转为自励(有 时采用永磁发电机)。副励磁机的输出电流经过静止晶闸管整 流器整流后供给主励磁机，而主励磁机的交流输出电流经过静 止的三相桥式硅整流器整流后供给主发电机的励磁绕组。
《电机学》 第六章 同步电机
32
6.1.3 同步电机的冷却方式
大容量的电机发热问题严重，为了使温升不超过允许限 度，就要采用有效的冷却方法。对冷却方法的要求是能 够输送足够的冷却介质到各个发热的部位去，使电机各 部分温度比较均匀，而且不超过允许温升，同时所用的 冷却系统应尽可能结构简单，并且耗能小。
~
《电机学》 第六章 同步电机
7
这个交流电势的频率f决定于电机的极对数p和转子每 分钟的转数n(r/min)。由于每一转对应p对磁极，转 子每秒钟转数为n／60，因此每秒钟有pn/60个对磁极 切割定子导线，使它的感应电势交变pn/60个周期， 换句话说，该电势的频率为： f pn 60
当电机的极对数和转速一定时、它发出交流电势的频 率也是一定的。 我国电力系统规定，交流电的频率为50Hz，例：电机 为一对极，它的转速必定是3000r/min。
n 60 f p
《电机学》 第六章 同步电机
8
f与n之间这种固定关系，是同步电机的一个特征。 若定子三相电枢绕组与三相负载相连，则三相定子绕
组中流通三相电流，产生三相合成旋转电枢磁势，基 波转速n1
60 f n1 p n
即，电枢磁势与转子同转速、同转向——同步。 即，电枢磁势与转子磁势二者同步、相对静止。
一、同步电机分类：
旋转电枢式：电枢旋转，主极固定，因电枢 功率不易由滑动部分送出，只适于较小容量 发电机，实用少。
同步电机
旋转磁极式：磁极旋转，电枢固定，电枢 功率由静止部分送出，可传送较大功率， 实用广，是同步发电机的基本结构型式。
《电机学》 第六章 同步电机
11
旋转磁极式
隐极式转子：不计齿槽时气隙均匀；机械强度 高，适用于高转速；一般用于汽轮发电机；外 形细长。
《电机学》 第六章 同步电机
9
同步电机做电动机：
三相定子绕组与电源接通，产生三相合成基波磁势，
转速为同步速：
n1
60 f p
同时转子直流励磁产生恒定主极磁场；
两个磁场间有相互电磁力作用，使得电枢磁场拖着主 极磁场同步转动，转子转速n=n1。
《电机学》 第六章 同步电机
10
§6.1 概述 6.1.1 同步电机的结构型式
35
同步电机的额定值
额定功率因数 cos N 是指同步电机在额定运行时的功率 因数。
额定效率 N 是指额定运行时的效率。
发电机 PN SN cosN 3UN IN cosN
电动机 PN P1NN 3UN IN cosNN
(P1N --额定输入功率）
额定转速 nN 和额定频率 f N 是指同步电机运行时的转速
扇形冲片
《电机学》 第六章 同步电机
15
《电机学》 第六章 同步电机
16
《电机学》 第六章 同步电机
17
(2)转子
采用隐极式转子，外形常做成一个细长的圆柱体。 •转子铁心：铬镍钼合金钢锻制而成，与转轴锻为一个整体。 •励磁绕组：励磁绕组为同心式绕组，以特制扁铜线绕制，并 用不导磁的槽楔将绕组紧固在槽内。 •护环、中心环和滑环：护环为一金属圆筒，共两只，用于保 护励磁绕组的两个端部，采用高强度非导磁合金钢制成。中 心环用于支撑护环，阻止励磁绕组的轴向移动。滑环实现励 磁绕组与励磁电源的连接，一方经引线接励磁绕组，另一方 经电刷接励磁电源。
《电机学》 第六章 同步电机
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2、隐极式转子特点
在大容量高转速汽轮发电机中，转子圆周线速度极高，最大可 达170米/秒。为了减小转子本体及转子上的各部件所承受的巨 大离心力，大型汽轮发电机都做成细长的隐极式圆柱体转子。 考虑到转子冷却和强度方面的要求，隐极式转子的结构和加工 工艺较为复杂。转子长度/直径=2.5~6.5，且容量愈大比值愈 大。
➢ 同步电机的特点与用途 ➢ 同步电机的结构形式 ➢ 同步电机的励磁方式 ➢ 同步电机的冷却方式 ➢ 同步电机的额定值
4
同步电机也是一种常用的交流电机。 与感应电机相比较，特点是，稳态运行时，转子的转
速n与极对数p和频率f之间具有固定不变的关系：
n 60 f p
同步转速 从原理上看，同步电机既可用作为发电机，也可用作
（r/min）和定子绕组中电流与电压的工作频率（Hz）。
额定励磁电压 U fN 和额定励磁电流 I fN 是指同步电机额
定运行时加到励磁绕组上的直流电压和电流。
36
同步电机的额定值
37
同步电机的额定值
38
小结
39
小结
40
6.1 同步电机的基本结构和运行状态 6.2 空载和负载时同步发电机的磁场 6.3 隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路 6.4 凸极同步发电机的电压方程和相量图 6.5 同步发电机的功率方程和转矩方程 6.6 同步电抗的测定 6.7 定子漏抗和电枢等效磁动势的测定 6.8 同步发电机的运行特性 6.9 同步发电机与电网的并联运行
为电动机或补偿机。现代发电站中的交流发电机几乎 全部都是同步发电机，在工矿企业和电力系统中，同 步电动机和补偿机也有使用。
《电机学》 第六章 同步电机
5
主要内容
以发电机为主进行分析 同步电机的基本结构、运行原理 空载运行；负载时的电枢反应；同步发电机的基本方
程； 同步电机内的能量转换 同步发电机并联运行
2、水轮发电机的特点：极数多，直径大，轴向长度短。
立式
卧式
《电机学》 第六章 同步电机
24
灯泡贯流式水轮机是贯流式水轮机的主要类型之一。1919年初，美
国工程师哈尔扎(Harza)首先提出其设计理念。经过瑞士爱舍维斯公 司(Escher Wyss)公司近20年的研究，于1936年研制成功，并开始生
同步发电机
同步电动机
同步调相机
额定 容量
额定 功率
发电机出线端的额 定视在功率（VA）
发电机输出的额定 转轴上输出的有 发电机出线端输出 有功功率（电功率） 效机械功率（W） 的无功功率（Var） （W）
额定电压UN 是指同步电机在额定运行时其定子三相的 线电压
额定电流 I N 是指同步电机在额定运行时流过其定子绕 组的线电流
与传统直流系统的区别：变直流励磁机为交流主磁机，解决了 换向器火花问题。
《电源自文库学》 第六章 同步电机
31
四、 旋转整流器励磁： 静止整流器的直流输出必须经电刷和 集电环输送到旋转的励磁绕组，对大容量的同步发电机其励磁 电流达到数千安培，使得集电环严重过热。因此，在大容量的 同步发电机中，常采用不需要电刷和集电环的旋转整流器励磁 系统。主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机，旋转电枢的交 流电流经与主轴一起旋转的硅整流器整流后，直接送到主发电 机的转子励磁绕组。交流主励磁机的励磁电流由同轴的交流副 励磁机经静止的晶闸管整流器整流后供给。由于这种励磁系统 取消了集电环和电刷装置，故又称为无刷励磁系统。
《电机学》 第六章 同步电机
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同步发电机的工作原理：
同步电机的构造图，在定子铁芯上开槽槽内放置导线， 转子上装有磁极及励磁绕组。当励磁绕组通以直流电 流时，电机内就会产生磁场，如果转动转子使磁场与 定子导线之间有相对运动，就会在定子导线中感应出 交流电势。加把这些导线按一定规律联成三相的电枢 绕组，即可以从该绕组中引出三相交流电势。
(3)端盖和轴承
《电机学》 第六章 同步电机
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《电机学》 第六章 同步电机
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图6-3典型汽轮发电机转子结构散件示意图
《电机学》 第六章 同步电机
20
《电机学》 第六章 同步电机
21
定子
汽轮发电机组
《电机学》 第六章 同步电机
22
三、凸极同步电机
《电机学》 第六章 同步电机
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1、支撑：卧式、立式支撑。大多数同步电动机、调相机 和内燃机或冲击式水轮机拖动的发电机采用卧式结构。低 速、大型水轮发电机采用立式结构。
《电机学》 第六章 同步电机
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3、汽轮发电机
主要结构部件有：定子、转子、端盖和轴承。 (1)定子
定子大体上与异步电机相同，定子铁心由0.35mm,0.5mm 或其它厚度的硅钢片叠成。
定子外径较小时，采用圆形冲片，当定子外径大于1m 时，采用扇形冲片。定子铁心固定在机座上，机座常由 钢板焊接而成，它必须有足够的强度和刚度，同时还必 须满足通风和散热的需要。汽轮发电机的电压较高，要 求定子绕组有足够的绝缘强度，一般采用 B 级或 F 级绝 缘。
汽轮发电机的冷却最困难。水轮发电机由于直径大，体 积大，而轴向长度短，冷却问题比较容易解决。
冷却方式主要有以下几种：空气冷却、氢外冷却、水冷 却、超导发电机。
《电机学》 第六章 同步电机
33
同步电机的额定值
34
同步电机的额定值
同步电机的额定值（铭牌值）由以下几种：
额定容量 SN 或额定功率 PN
1
电能输出
超热高压蒸汽
3 000 r/min
燃
升压变
烧
压器
室
发电机
汽轮机
燃 料
锅炉的 炉膛
循环水
电能的产生
热电厂
1 煤传送带 2 加煤机 3 粉碎机 4 锅炉 5 煤渣 6 空气预热器 7 静电除尘 8 烟囱 9 汽轮机 10 冷凝器 11变压器 12 冷却塔 13 发电机 14 输电线
6.1 同步电机的工作原理及结构特点
转子铁心：由厚度为1～3mm的钢片叠成；磁极两端有磁 极压板，用来压紧磁极冲片和固定磁极绕组。有些发电机磁 极的极靴上开有一些槽，槽内放上铜条，并用端环将所有铜 条连在一起构成阻尼绕组，其作用是用来抑制短路电流和减 弱电机振荡，在电动机中作为起动绕组用。
《电机学》 第六章 同步电机
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10000kw水轮机转子
《电机学》 第六章 同步电机
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二、隐极同步电机 （只有卧式支撑）
1、隐极式转子结构： 隐极式转子上没有凸出的磁极。沿着转 子本体圆周表面上，开有许多槽，槽中嵌放励磁绕组。在转 子表面约1/3部分没有开槽，构成所谓大齿，是磁极的中心区。 励磁绕组通入励磁电流后，沿转子圆周也会出现 N 极和 S 极。
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2.同步电机的运行状态
同步电机的三种运行状态 a)发电机(δ>0)b)补偿机(δ=0)c)电动机(δ<0)
6.1.2 同步电机的励磁方式
一、励磁方式分类
获得励磁电流的方法称为励磁方式。
目前采用的励磁方式分为两大类：
1.用直流发电机作为励磁电源的直流励磁机励磁系统； 2.用硅整流装置将交流转化成直流后供给励磁的整流器励
产。该水轮机主要应用于潮汐电站，近年来逐渐应用到江河上的低 水头电站。贯流式水电站是开发低水头水力资源较好的方式。
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3、定子
水轮发电机的直径很大，定子铁心由扇形硅钢片拼 装叠成。为了散热的需要，定子铁心中留有径向通风沟。
4、转子
水轮发电机由于水轮机的转速较低，要发出工频电能，发 电机的极数就比较多，做成凸极式转子结构工艺上较为简单。 凸极式转子上有明显凸出的成对磁极和励磁线圈。
磁系统。
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二、 直流励磁机励磁
直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励、他励 或永磁励磁方式。采用他励接法时，励磁机的励磁电 流由另一台被称为副励磁机的同轴的直流发电机供给。
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三、 静止整流器励磁： 同一轴上有三台交流发电机，即主发 电机、交流主励磁机和交流副励磁机。副励磁机的励磁电流开 始时由外部直流电源提供，待电压建立起来后再转为自励(有 时采用永磁发电机)。副励磁机的输出电流经过静止晶闸管整 流器整流后供给主励磁机，而主励磁机的交流输出电流经过静 止的三相桥式硅整流器整流后供给主发电机的励磁绕组。
《电机学》 第六章 同步电机
32
6.1.3 同步电机的冷却方式
大容量的电机发热问题严重，为了使温升不超过允许限 度，就要采用有效的冷却方法。对冷却方法的要求是能 够输送足够的冷却介质到各个发热的部位去，使电机各 部分温度比较均匀，而且不超过允许温升，同时所用的 冷却系统应尽可能结构简单，并且耗能小。
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这个交流电势的频率f决定于电机的极对数p和转子每 分钟的转数n(r/min)。由于每一转对应p对磁极，转 子每秒钟转数为n／60，因此每秒钟有pn/60个对磁极 切割定子导线，使它的感应电势交变pn/60个周期， 换句话说，该电势的频率为： f pn 60
当电机的极对数和转速一定时、它发出交流电势的频 率也是一定的。 我国电力系统规定，交流电的频率为50Hz，例：电机 为一对极，它的转速必定是3000r/min。
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f与n之间这种固定关系，是同步电机的一个特征。 若定子三相电枢绕组与三相负载相连，则三相定子绕
组中流通三相电流，产生三相合成旋转电枢磁势，基 波转速n1
60 f n1 p n
即，电枢磁势与转子同转速、同转向——同步。 即，电枢磁势与转子磁势二者同步、相对静止。
一、同步电机分类：
旋转电枢式：电枢旋转，主极固定，因电枢 功率不易由滑动部分送出，只适于较小容量 发电机，实用少。
同步电机
旋转磁极式：磁极旋转，电枢固定，电枢 功率由静止部分送出，可传送较大功率， 实用广，是同步发电机的基本结构型式。
《电机学》 第六章 同步电机
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旋转磁极式
隐极式转子：不计齿槽时气隙均匀；机械强度 高，适用于高转速；一般用于汽轮发电机；外 形细长。
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同步电机做电动机：
三相定子绕组与电源接通，产生三相合成基波磁势，
转速为同步速：
n1
60 f p
同时转子直流励磁产生恒定主极磁场；
两个磁场间有相互电磁力作用，使得电枢磁场拖着主 极磁场同步转动，转子转速n=n1。
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§6.1 概述 6.1.1 同步电机的结构型式
35
同步电机的额定值
额定功率因数 cos N 是指同步电机在额定运行时的功率 因数。
额定效率 N 是指额定运行时的效率。
发电机 PN SN cosN 3UN IN cosN
电动机 PN P1NN 3UN IN cosNN
(P1N --额定输入功率）
额定转速 nN 和额定频率 f N 是指同步电机运行时的转速
扇形冲片
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(2)转子
采用隐极式转子，外形常做成一个细长的圆柱体。 •转子铁心：铬镍钼合金钢锻制而成，与转轴锻为一个整体。 •励磁绕组：励磁绕组为同心式绕组，以特制扁铜线绕制，并 用不导磁的槽楔将绕组紧固在槽内。 •护环、中心环和滑环：护环为一金属圆筒，共两只，用于保 护励磁绕组的两个端部，采用高强度非导磁合金钢制成。中 心环用于支撑护环，阻止励磁绕组的轴向移动。滑环实现励 磁绕组与励磁电源的连接，一方经引线接励磁绕组，另一方 经电刷接励磁电源。
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2、隐极式转子特点
在大容量高转速汽轮发电机中，转子圆周线速度极高，最大可 达170米/秒。为了减小转子本体及转子上的各部件所承受的巨 大离心力，大型汽轮发电机都做成细长的隐极式圆柱体转子。 考虑到转子冷却和强度方面的要求，隐极式转子的结构和加工 工艺较为复杂。转子长度/直径=2.5~6.5，且容量愈大比值愈 大。
➢ 同步电机的特点与用途 ➢ 同步电机的结构形式 ➢ 同步电机的励磁方式 ➢ 同步电机的冷却方式 ➢ 同步电机的额定值
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同步电机也是一种常用的交流电机。 与感应电机相比较，特点是，稳态运行时，转子的转
速n与极对数p和频率f之间具有固定不变的关系：
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同步转速 从原理上看，同步电机既可用作为发电机，也可用作
（r/min）和定子绕组中电流与电压的工作频率（Hz）。
额定励磁电压 U fN 和额定励磁电流 I fN 是指同步电机额
定运行时加到励磁绕组上的直流电压和电流。
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同步电机的额定值
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同步电机的额定值
38
小结
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小结
40
6.1 同步电机的基本结构和运行状态 6.2 空载和负载时同步发电机的磁场 6.3 隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路 6.4 凸极同步发电机的电压方程和相量图 6.5 同步发电机的功率方程和转矩方程 6.6 同步电抗的测定 6.7 定子漏抗和电枢等效磁动势的测定 6.8 同步发电机的运行特性 6.9 同步发电机与电网的并联运行
为电动机或补偿机。现代发电站中的交流发电机几乎 全部都是同步发电机，在工矿企业和电力系统中，同 步电动机和补偿机也有使用。
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5
主要内容
以发电机为主进行分析 同步电机的基本结构、运行原理 空载运行；负载时的电枢反应；同步发电机的基本方
程； 同步电机内的能量转换 同步发电机并联运行
2、水轮发电机的特点：极数多，直径大，轴向长度短。
立式
卧式
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灯泡贯流式水轮机是贯流式水轮机的主要类型之一。1919年初，美
国工程师哈尔扎(Harza)首先提出其设计理念。经过瑞士爱舍维斯公 司(Escher Wyss)公司近20年的研究，于1936年研制成功，并开始生
同步发电机
同步电动机
同步调相机
额定 容量
额定 功率
发电机出线端的额 定视在功率（VA）
发电机输出的额定 转轴上输出的有 发电机出线端输出 有功功率（电功率） 效机械功率（W） 的无功功率（Var） （W）
额定电压UN 是指同步电机在额定运行时其定子三相的 线电压
额定电流 I N 是指同步电机在额定运行时流过其定子绕 组的线电流
与传统直流系统的区别：变直流励磁机为交流主磁机，解决了 换向器火花问题。
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四、 旋转整流器励磁： 静止整流器的直流输出必须经电刷和 集电环输送到旋转的励磁绕组，对大容量的同步发电机其励磁 电流达到数千安培，使得集电环严重过热。因此，在大容量的 同步发电机中，常采用不需要电刷和集电环的旋转整流器励磁 系统。主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机，旋转电枢的交 流电流经与主轴一起旋转的硅整流器整流后，直接送到主发电 机的转子励磁绕组。交流主励磁机的励磁电流由同轴的交流副 励磁机经静止的晶闸管整流器整流后供给。由于这种励磁系统 取消了集电环和电刷装置，故又称为无刷励磁系统。
《电机学》 第六章 同步电机
6
同步发电机的工作原理：
同步电机的构造图，在定子铁芯上开槽槽内放置导线， 转子上装有磁极及励磁绕组。当励磁绕组通以直流电 流时，电机内就会产生磁场，如果转动转子使磁场与 定子导线之间有相对运动，就会在定子导线中感应出 交流电势。加把这些导线按一定规律联成三相的电枢 绕组，即可以从该绕组中引出三相交流电势。
(3)端盖和轴承
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19
图6-3典型汽轮发电机转子结构散件示意图
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21
定子
汽轮发电机组
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三、凸极同步电机
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1、支撑：卧式、立式支撑。大多数同步电动机、调相机 和内燃机或冲击式水轮机拖动的发电机采用卧式结构。低 速、大型水轮发电机采用立式结构。
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3、汽轮发电机
主要结构部件有：定子、转子、端盖和轴承。 (1)定子
定子大体上与异步电机相同，定子铁心由0.35mm,0.5mm 或其它厚度的硅钢片叠成。
定子外径较小时，采用圆形冲片，当定子外径大于1m 时，采用扇形冲片。定子铁心固定在机座上，机座常由 钢板焊接而成，它必须有足够的强度和刚度，同时还必 须满足通风和散热的需要。汽轮发电机的电压较高，要 求定子绕组有足够的绝缘强度，一般采用 B 级或 F 级绝 缘。
汽轮发电机的冷却最困难。水轮发电机由于直径大，体 积大，而轴向长度短，冷却问题比较容易解决。
冷却方式主要有以下几种：空气冷却、氢外冷却、水冷 却、超导发电机。
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同步电机的额定值
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同步电机的额定值
同步电机的额定值（铭牌值）由以下几种：
额定容量 SN 或额定功率 PN
1
电能输出
超热高压蒸汽
3 000 r/min
燃
升压变
烧
压器
室
发电机
汽轮机
燃 料
锅炉的 炉膛
循环水
电能的产生
热电厂
1 煤传送带 2 加煤机 3 粉碎机 4 锅炉 5 煤渣 6 空气预热器 7 静电除尘 8 烟囱 9 汽轮机 10 冷凝器 11变压器 12 冷却塔 13 发电机 14 输电线
6.1 同步电机的工作原理及结构特点
转子铁心：由厚度为1～3mm的钢片叠成；磁极两端有磁 极压板，用来压紧磁极冲片和固定磁极绕组。有些发电机磁 极的极靴上开有一些槽，槽内放上铜条，并用端环将所有铜 条连在一起构成阻尼绕组，其作用是用来抑制短路电流和减 弱电机振荡，在电动机中作为起动绕组用。
《电机学》 第六章 同步电机
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10000kw水轮机转子