爪极发电机产生轴电流的原因及对策

D 设计分析e s i g n a n d a n a l y s i s

2008年第12期

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极发电机产生轴电流的原因及对策

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　收稿日期:2008-03-27

改稿日期:2008-05-19

爪极发电机产生轴电流的原因及对策

李立群,李　明

(山东理工大学,山东淄博255049)

摘　要:介绍了爪极发电机轴电流产生的原因及其危害,提出了解决这一问题的方法,并通过样机进行了验证,对改进和优化爪极发电机的工程设计具有一定的参考价值。

关键词:爪极发电机;漏磁;轴电势;气隙磁场

中图分类号:T M 359.9 文献标识码:A 文章编号:1004-7018(2008)12-0020-02

Rea son s and Coun term ea sures of Ax is Electr i c Curren t Crea ted by C l aw -Pole A lterna tor

L I L i -qun,L I M ing

(Shandong University of Technol ogy,Zibo 255049,China )

Abstract:The reas ons and hazard of axis electric current created by cla w -pole alternat or were mainly intr oduced .A p r oof sa mp le alternat or was designed and p r oduced,and s ome measures t o s olve this p r oblem were taken,which had a cer 2tain reference value t o i m p r oving on and op ti m izing the engineering design of cla w -pole alternat or .

Key words:claw -pole alternat or;magnetic leakage;axis electric potential;air -gap magnetic field

0引　言

爪极发电机因其转子磁极是爪形而得名,其特点是:结构简单、体积小、重量轻、省材料、易于批量生产,相应的制造成本较低。此外爪极发电机容易维护,运行可靠,且不受使用环境的限制,因此被广泛地应用在汽车、航空以及国民经济的其它领域,发挥着十分重要的作用。

1轴电流的产生及危害

目前,爪极发电机主要为有刷或无刷硅整流发电机。它们在使用中都有一个共同的特点,即有轴电流产生。这个电流使轴承滚道及与主机连接的轴伸表面均产生严重的电腐蚀痕迹,其深度可达0108mm 左右。它严重地影响了轴承的寿命和轴伸配合的紧密程度,因此有必要对轴电流产生的原因和抑

制方法加以探讨[1]

。

爪极式电机是凸极式电机的一种。但有自身的特点,其与凸极电机的区别在于励磁绕组是轴向安

放的,其结构如图1所示[2]

。

当励磁线圈有电流通过时,产生的磁通是轴向的,该磁通由磁轭经过极身到爪极,经定子后再回到另一端的爪极。此轴向磁通沿图中虚线闭合,这是电机的主磁通,它要经过定子的齿部和两个气隙,由于定子的齿槽作用而造成主磁通的脉动,其频率为:

f 1=

Q n

60

(1)

式中:Q 为定子槽数;n 为转数;f 1为齿槽造成的脉动磁通频率。

图1　有刷电机结构图

可见,此主磁通在定子中为脉动的旋转磁通,其脉动频率与转子的转速和槽数有关。由于定子中的磁场脉动使转轴中的磁通量发生变化,这就是转轴中产生轴电势的主要原因。除此之外,转轴在励磁线圈的中心,因此在转轴中必然会有漏磁通通过,它与主磁通是并联的,因此在主磁通脉动时漏磁通同样会发生变化,并且因漏磁通的变化而产生波动,这也是产生转轴电势的原因。该电势所产生的轴电流便会流经两个轴承,从而使电机的轴承接触面和与主机相连接的轴伸表面产生电腐蚀,这两个零件的表面遭到损坏,严重时使发电机不能继续工作。

2样机实例分析

2.1有刷爪极发电机

本文以履带车辆所用的6k W 整流发电机为

例,它的转子磁极即为爪极结构,额定电压28V ,转速为2100～4000r/m in,靠电压调节器使电压稳定在28V 。试验时发电机空载,经过滑环电刷向励磁

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　绕组通以24V 电压,电机底座与托架绝缘,机座与端盖之间的止口绝缘,轴伸与联轴器绝缘,用高内阻电压表测出的轴电势为1.8～2.7mV 。而当负载为221A 时,即发电机满负载工作时,其定子绕组虽然采用了六相全波整流,抵消了部分高次谐波,但是电枢反应所造成的磁场波形畸变大于一般的凸极电机,因此更增强了轴向电势,负载下所测得的轴电势为3.3～4.8mV,该电势的平均值较空载时电势增大了45%。

2.2

无刷爪极发电机

为了进一步提高爪极电机运行的可靠性,减少维护的工作量,我们多采用无刷结构。此类电机没有电刷和滑环的接触,因而更加适合应用在有轻微腐蚀性的介质中和对高低温有一定要求的场合,也为进一步提高转速、减小体积,创造了条件。无刷爪极发电机结构如图2所示。

图2　无刷电机结构图

该发电机一侧的爪极通过极身与转轴配合,另

一侧的爪极没有极身,只用一个环把各爪极相连。两侧的爪极交叉安放,并在爪极间用非导磁材料焊牢。这样,当转轴转动时,两侧的爪极与转轴同时旋转。磁场线圈放在转子不转动的支架上,可直接通入电流,进行励磁。它与转动的爪极环和转轴之间形成了两个气隙,所形成的这个磁场,在空间是不转动的,但是经过旋转的爪极组在定子中便形成了旋转磁场。这种电机的磁路特点就是主磁通又多通过两个气隙,空间不转动的磁通通过转动的转轴,产生单极效应,增强了轴电势。

实践中,我们也制造了无刷爪极发电机样机,样机容量为6k W ,电压28V,有电压调节器稳压,发电机转速范围为2100～4000r/m in 。通过对其测试,在空载运行时,其轴电势为2～2.2mV,而在负载221A 时,其轴电势为3.8～5.8mV,由此结果来看,无刷爪极硅整流发电机的轴电势明显高于有刷爪极硅整流发电机,同在负载下,两者的平均值相差16%。无刷爪极发电机的轴电势的提高与电机结构中的气隙增多有关。另外,在旋转转轴中切割了不

转动的磁力线,因而形成了一个单极性发电机,其电势的频率为f =n

60

。这也是造成轴电势较大的主要原因。

3发电机安装方式的影响

为了说明轴电流流过的路线,首先要了解发电

机的安装方式,如图3所示。

图3　发电机安装示意图

该发电机安装在12缸V 型柴油机的侧面,由

柴油机主轴引出平衡轴,经过联轴器与发电机相连。发电机无底脚,外壳放在柴油机的弧形托架上,有吊带紧固。发电机为钢板机壳,前后两个端盖为铸铝件,当发电机产生轴电流时,电流有两个通道:一条是通过轴承到端盖,而后通过电机外壳或柴油机托架到另一端盖,再经过轴承而闭合;第二条通路自轴伸至联轴器、平衡轴而后至柴油机机体,经柴油机机体托架再回到端盖、轴承而后闭合。这两条路径中,第一条路径要经过两个轴承,轴承中用的是锂基润滑脂,滚珠上有油膜,故它有一定的绝缘性能。但是,在较大的压强下,它还是能导电。第二条路径上,电流流经轴伸,轴伸为锥柱体与联轴器配合紧密,接触良好,再经过一个轴承,其余均为良好的导电金属。经过两条路线的电流,在无特殊的绝缘情况下均无法测量,只有根据运行后在轴承和轴伸表面造成电腐蚀的痕迹来判断。轴电流的路径如图3中的虚线所示。

该发电机大修时,发现在轴承的滚珠表面和滚道上有电腐蚀的麻点,麻点的深度可达0.005～0101mm 。由以上的情况可见,爪极式发电机,特别是无刷爪极发电机,其轴电势的产生是不可避免的,这与它的结构有关,而这个电势腐蚀了导电体的表面,严重时会使轴承无法工作,也会造成联轴器的松脱。在单线制的电系中此情况会更严重。

4防治对策

鉴于爪极发电机的优点,在很多场合我们仍需要采用这种结构的发电机。针对这种情况,我们应当扬长避短,在关键的产品上可以考虑采用有绝缘套的轴承和带绝缘衬套的联轴器。除此之外,应在电机结构上考虑抵消磁场脉振和产生单极性的因素,比如可以考虑采用双爪极结构,由一组爪极变为两组爪极,其结构如图4所示。

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