摘要： 康明斯柴油发电机组通常配备均为无刷发电机，其基本结构分静止和转动两大部分。静止部分包括机座、定子铁芯、定子绕组、交流励磁机定子和端盖等；转动部分包括转子铁芯、磁极绕组、电机轴（转轴）、轴承、交流励磁机的电枢、旋转整流器和风扇等。本文从静止部分和转动部分两大维度，系统介绍无刷同步交流发电机各部件的结构特点、材料工艺与功能作用，为发电机的使用、维护和检修提供参考。
一、静止部分
1. 定子
定子由机座、定子铁芯和定子绕组所组成。定子铁芯及定子绕组是产生感应电势和感应电流的部分，故亦称其为电枢。
（1）机座
机座是发电机的整体支架，用来固定电枢并和前后两端盖一道支承转子。发电机的机座通常有铸铁铸造和钢板焊接两种。
铸铁铸造的机座内壁一般分布有筋条用以固定电枢，两端面加工有止口及螺孔与端盖配合固定，机座下部铸有底脚，以便将发电机固定。机座上一般有电源出线盒，其位置通常在机座的右侧面（从轴伸端看）或者位于机座上部，出线盒内装有接线板，以便于引出交流电源。位于机座上部的出线盒一般均装有励磁调节器，用于调节励磁电压。
钢板焊接结构的机座是由几块罩式钢板、端环和底脚焊接而成，具有省工省料、重量轻和造型新颖等特点。铸铁机座刚性好、减振能力强，适用于振动较大的场合；焊接机座重量轻、加工方便，适用于中小型机组。无论采用何种结构，机座都应具有足够的刚度和强度，以承受发电机运行时的电磁力和机械振动。
（2）定子铁芯
定子铁芯是发电机磁路的一部分。为了减小旋转磁场在定子铁芯中所引起的涡流损耗和磁滞损耗，定子铁芯采用导磁性能较好的0.5mm厚、两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。铁芯开有均匀分布的槽，以嵌放电枢绕组。为了提高铁芯材料的利用率，定子铁芯常采用扇形硅钢片拼叠成一个整圆形铁芯，拼接时把每层硅钢片的接缝互相错开。较大容量的发电机铁芯，为了增加散热面积，通常沿轴向长度上留有数道通风沟。
有些发电机的定子和转子均采用硅钢片冲制，其定子铁芯是用整圆硅钢片叠压，再与压圈一道用CO₂气体保护焊接成一体。这种结构具有材料利用率高、容易加工等特点。定子铁芯的叠压质量直接影响发电机的电磁性能和运行可靠性，叠压时应保证足够的压力，防止运行中因振动而松动。
（3）定子绕组
定子绕组是发电机定子部分的电路。定子绕组由线圈组成，线圈采用高强度聚酯漆包圆铜线绕制，并按一定方式连接，嵌入铁芯槽中。线圈采用导线的规格、线圈匝数和并联路数等由设计确定。绕线形式有双层叠绕、单层链式及单双层式等。三相绕组应对称嵌放，彼此相互差120°电气角度。
定子绕组嵌放在铁芯槽中，必须要有对地绝缘、层间绝缘和相间绝缘，以免发电机在运行过程中对铁芯出现击穿或短路故障。主绝缘材料主要采用聚酯薄膜无纺布复合箔，槽绝缘通常采用云母带。
由于定子线圈在铁芯槽内受到交变电磁力及平行导线之间的电动力作用，造成线圈移动或振动，因此线圈必须坚固。一般用玻璃布板做槽楔在槽内压紧线圈，并且在两端部用玻璃纤维带扎紧，然后把整个电枢进行绝缘处理，使电枢成为一个坚固的整体。定子绕组的绝缘性能直接影响发电机的安全运行，运行中应定期检测绝缘电阻，发现绝缘老化或受损应及时处理。
2. 交流励磁机定子
交流励磁机产生的交流电，经旋转整流器整流后，供同步发电机励磁使用。为了避免励磁机与旋转磁极式发电机用电刷、集电环（滑环）提供励磁电流，交流励磁机的定子大多为磁极，而转子为电枢。
发电机励磁机的定子铁芯通常有两种做法。一种是用1mm厚的低碳钢板叠压制成，它有若干对磁极，每个磁极均套有集中式的励磁线圈，并用槽楔固定，然后进行浸漆烘干绝缘处理。另一种是用硅钢片叠压而成，其励磁线圈先在玻璃布板预制的框架上绕制，经浸漆绝缘处理后套在励磁定子铁芯上，并用销钉固定。
发电机励磁机的定子绕组也有多种做法。有的发电机励磁机的定子绕组有两套励磁绕组，即电压绕组和电流绕组，具有电流复励作用，以改善发电机性能和增大过载能力。为了便于起励，有的励磁机励磁的定子铁芯里埋设有三块永久磁钢。为防止漏磁，磁钢与定子铁芯之间用厚绝缘纸板进行磁隔离。励磁机的定子均用紧固螺钉或环键固定在两端间的铸造筋条上或焊接在支承件上。
3. 端盖
端盖用于与机座配合并支承转子，因此在端盖的中心处应开有轴承室圆孔，以供安装轴承。端盖的端面有止口与机座配合，与内燃机专配发电机在轴伸出端的端盖两端面均有端面止口，以保证转子装配后同轴度的要求。一般来说，小功率发电机的端盖用铸铁铸造，而大功率发电机的端盖则采用钢板焊接而成。
端盖不仅起支承和定位作用，还起防护作用，防止灰尘、杂物进入发电机内部。端盖上的轴承室应保证轴承的安装精度，端盖与机座的配合面应保证密封性，防止润滑油泄漏。端盖的通风窗孔应设计合理，既要保证通风冷却效果，又要防止异物进入。
图1 无刷同步交流发电机的基本结构
二、转动部分
1. 转子铁芯
旋转磁极式发电机的转子铁芯可分为两种形式：凸极式和隐极式。其中凸极式转子铁芯又可分为分离凸极式和整体凸极式两种。
分离凸极式转子铁芯的磁极冲片叠压紧后用铆钉和压板铆合在一起制成磁极铁芯。磁极铁芯套在磁极线圈上后，用磁极螺钉固定在磁轭上或者用特定的钢制螺钉固定。
整体凸极式转子铁芯采用整体凸极式冲片，这种磁极结构是磁极和磁轭为一体，用0.5mm厚硅钢片整片冲出极身，然后直接与端板、铆钉、阻尼条及阻尼环焊接成一个整体形成转子铁芯。这种结构有以下三个特点：励磁绕组直接绕在磁极上，散热效果好，机械强度高；没有第二气隙，可减小励磁的安匝数；制造时安放阻尼绕组方便。
隐极式转子是将整圆的转子冲片直接装在转轴上，其两端有端板和支架来支承转子线圈，并用环键固定。为了削弱发电机输出电压波形中出现的谐波分量，隐极式转子铁芯通常做成斜槽，并且在铁芯齿部冲有阻尼孔，供埋设阻尼绕组，以提高并联运行性能和承受不平衡负载运行及消除振荡的能力。
2. 磁极绕组
同步发电机转子的磁极绕组用绝缘的铜线绕成，与极身之间有绝缘。各磁极上励磁绕组间的连接通过励磁电流以后，相邻磁极的极性必然呈N与S交替排列。根据转子铁芯的结构形式可分为隐极式磁极绕组和凸极式磁极绕组两种。
隐极式磁极一般采用单层同心式绕组，用漆包圆铜线绕制。制造时先在转子铁芯槽中放好绝缘材料，然后将磁极绕组嵌入槽内，并在后端部用玻璃纤维管与支架扎牢，再用无纺玻璃纤维带沿圆周捆扎，最后整体浸漆烘干成为一个坚固的整体。
凸极式磁极绕组一般采用矩形截面的高强度聚酯漆包扁铜线绕制或者用聚酯漆包圆铜线绕制，但空间填充系数较差。由于凸极式磁极绕组是集中式绕组，因此可在预先制好的铁板框架四周包好云母片、玻璃漆布等绝缘材料，上下放上玻璃布板衬垫，然后连续绕制线圈，再浸烘绝缘漆，最后将成形磁极绕组套在磁极铁芯上，再用螺钉固定在磁轭上。
对于整体凸极式是在预先铆焊好的整体转子上，将极靴四周包好绝缘，而后整体用机械方法绕制线圈，最后经F级绝缘浸烘处理，形成坚固的磁极整体，用热套方法套入转轴。这种线圈结构具有散热条件好，绝缘性能、机械强度和可靠性高等特点。
3. 转轴
同步发电机的转轴一般用特定规格的钢制作加工而成。在发电机的轴伸端，通过轴上的联轴器与发动机对接。由此可知，它是将机械能变为电能的关键零件，因而它必须具有很高的机械强度和刚度。有些发电机往往在轴上还热套有磁轭，用以装配磁极铁芯和绕组；有些发电机转轴焊有驱动盘和风扇安装板以便安装柔性连接盘和冷却风扇。
转轴的加工精度直接影响发电机的运行平稳性和轴承寿命。轴伸端的键槽应与联轴器配合良好，确保扭矩传递可靠。转轴的临界转速应远离工作转速，避免运行中发生共振。
4. 轴承
发电机一般采用两支承式，即在转轴两端装有轴承。根据受力情况，其传动端采用圆柱滚子轴承，非传动端采用滚珠轴承。轴承与转轴是过盈配合，轴承用热套法套入轴承。轴承外圈与端盖（或轴承套）采用过渡配合，并固定在两端盖的轴承室或轴承套内。
轴承通常采用3号锂基脂进行润滑，并在轴承两边用轴承盖密封，平时维护检修时应注意清洁，以减小其振动和噪声。检查方法：根据箭头方向转动轴承，检查是否有异常噪声、松动和卡住的现象，如果出现异常情况必须更换轴承。
轴承是发电机中最容易磨损的部件之一，其寿命直接影响发电机的维护周期。运行中应定期检查轴承温度、振动和噪声，发现异常应及时处理。轴承润滑脂应定期更换，更换时应将旧脂清除干净，避免不同牌号润滑脂混用。
图2 发电机轴承
5. 交流励磁机的电枢
无刷发电机是利用交流励磁机产生的交流电，经旋转整流器整流变为直流电，供交流发电机励磁用。交流励磁机电枢铁芯用硅钢片叠压而成，然后嵌以三相交流绕组，并经绝缘处理形成电枢。有些发电机的交流励磁机装在后端盖外部，靠电枢支架固定在转轴上，这种结构使发电机轴向长度加长；有些发电机的交流励磁机电枢则装在后端盖内部，直接套在转轴上，可使整机轴向长度缩短。
6. 旋转整流器
旋转整流器是与交流励磁机同轴旋转的装置。其主要作用是将交流励磁机电枢输出的三相交流励磁电流，通过整流器上的二极管转换成直流电流，供给转子绕组作为提供励磁电流的电源。正是旋转整流器的应用，才使得交流发电机摆脱了电刷的束缚，不再有频繁维修更换零件的麻烦，也使得交流发电机的应用更加广泛。有些交流发电机的旋转整流器安装在交流励磁机的外侧，用螺钉固定在转轴上，以便于安装和维修。有些发电机的旋转整流器则安装在后端盖的内侧，直接固定于励磁机电枢铁芯伸出的螺栓上，使结构更为紧凑。
旋转整流器电路有三相半波和三相桥式整流电路两种。三相桥式整流电路一般由六只整流二极管和散热板组成。交流发电机用的整流二极管分为正极二极管和负极二极管两种。正极二极管的中心引线为正极，外壳为负极，管壳底部一般有红字标记。三只正极管的外壳压装或者焊接在铝合金散热板的三个孔中，共同组成发电机的正极。由固定散热板的螺栓通至外壳外（注意元件板与外壳绝缘），作为交流发电机的输出接线柱“B”。负极二极管的中心引线为负极，外壳为正极，管壳底部一般有黑字标记。三只负极二极管的外壳压装或焊接在另一散热板上（此板与后端盖相接），或者直接压装在后端盖的三个孔中，和发电机的外壳共同组成发电机的负极。
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图3 发电机二极管安装示意图 |
图4 发电机散热板总成 |
7. 风扇
发电机运行时将产生各种损耗并以热量形式散发出去。如果没有足够的冷却通风量，将引起线圈和内部器件过度发热，轻则将损坏内部元器件，重则将破坏绕组绝缘，对机组甚至人身造成危险。因此发电机转轴上通常装有风扇进行通风冷却。
为了提高通风效率，通常采用装在前端盖内的后倾式离心风扇。对专配的发电机组也有装在前端盖外的，风扇装在轴伸的半联轴器上。在发电机运行过程中，冷空气由后端盖和机座两侧进入发电机内部，吸收电枢绕组、磁极绕组、定子与转子铁芯等部件的热量，然后通过前端盖盖板上的窗孔将热风排出机外，以保证其温升控制在允许范围内。
图5 发电机的风扇散热示意图
三、无刷励磁系统的工作原理与特点
1. 无刷励磁系统的基本原理
（1）励磁系统的构成
无刷励磁系统由交流励磁机、旋转整流器和自动电压调节器（AVR）三大部分组成。交流励磁机的定子为磁极，转子为电枢，电枢输出的三相交流电经旋转整流器整流后，直接供给主发电机的转子绕组作为励磁电流。自动电压调节器通过控制交流励磁机定子磁极的励磁电流，间接调节主发电机的励磁电流，从而实现电压的自动调节。
（2）励磁过程
当柴油机带动发电机转子旋转时，交流励磁机的电枢在定子磁场中旋转，产生三相交流电动势。该交流电动势经旋转整流器整流后变为直流电，通过转子绕组产生主磁场。主磁场旋转切割定子绕组，在定子绕组中感应出三相交流电动势，向外输出电能。
（3）电压调节过程
自动电压调节器实时监测发电机输出电压，当输出电压偏离额定值时，AVR调节交流励磁机定子磁极的励磁电流，改变交流励磁机的输出电压，进而改变主发电机的励磁电流，使主发电机输出电压恢复到额定值附近。这一调节过程持续进行，确保发电机输出电压稳定。
2. 无刷励磁系统的特点
（1）无电刷和集电环
无刷励磁系统取消了传统的电刷和集电环结构，消除了电刷磨损和火花问题，减少了维护工作量，提高了运行可靠性。这是无刷励磁系统相比有刷励磁系统最显著的优势。
（2）维护简便
由于没有电刷和集电环，无刷励磁系统不需要定期更换电刷、清理集电环，维护工作量大为减少。同时，无刷励磁系统不受电刷粉尘污染，有利于保持发电机内部清洁。
（3）响应速度
无刷励磁系统的响应速度相对有刷励磁系统略慢，因为励磁电流需要经过交流励磁机和旋转整流器两级传递。但对于大多数柴油发电机组而言，这一响应速度完全能够满足使用要求。
（4）可靠性高
无刷励磁系统结构简单、部件少、故障率低，具有较高的运行可靠性。特别是旋转整流器采用冗余设计时，即使个别二极管损坏，仍能维持发电机正常运行。
3. 旋转整流器的维护要点
（1）二极管检查
定期检查旋转整流器上的二极管是否损坏，可用万用表测量二极管的正反向电阻，判断其是否正常。发现损坏的二极管应及时更换，更换时应选用同型号、同规格的二极管。
（2）散热板检查
检查散热板是否清洁、有无松动，确保二极管散热良好。散热板上的灰尘和油污应及时清除，防止散热不良导致二极管过热损坏。
（3）连接检查
检查旋转整流器各连接螺栓是否紧固，连接线是否完好。运行中的振动可能导致连接松动，应定期检查和紧固。
（4）绝缘检查
检查旋转整流器与转轴之间的绝缘是否良好，防止因绝缘损坏造成励磁系统故障。绝缘电阻应符合规定要求，发现绝缘下降应及时处理。
4. 自动电压调节器的维护要点
（1）参数检查
定期检查AVR的整定参数是否正确，包括电压整定值、稳定性参数、保护参数等。参数设置不当可能导致电压波动或保护误动作。
（2）接线检查
检查AVR的接线是否牢固、正确，防止因接线松动或错误导致AVR工作异常。AVR的电源线、检测线和输出线应分别检查。
（3）散热检查
AVR在工作过程中会产生热量，应确保其散热良好。AVR安装位置应通风良好，避免阳光直射和热源辐射。
（4）备件管理
AVR是发电机的关键部件，应配备必要的备件。备件应存放在干燥、通风的环境中，避免受潮和损坏。
总结
康明斯无刷柴油发电机由静止和转动两大部分构成。静止部分包括机座、定子铁芯、定子绕组、交流励磁机定子和端盖，其中定子铁芯采用0.5mm硅钢片叠压以减小涡流和磁滞损耗，定子绕组采用高强度聚酯漆包圆铜线绕制并经过绝缘处理。转动部分包括转子铁芯、磁极绕组、转轴、轴承、交流励磁机电枢、旋转整流器和风扇，其中整体凸极式转子具有散热好、机械强度高、无第二气隙等优点，旋转整流器使发电机摆脱电刷束缚，风扇保证机组温升控制在允许范围内。无刷励磁系统由交流励磁机、旋转整流器和自动电压调节器组成，具有无电刷、维护简便、可靠性高等特点，日常维护中应重点做好旋转整流器二极管、散热板和连接的检查，以及AVR参数、接线和散热的检查，确保励磁系统稳定可靠运行。
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