1.3 同步电机结构
一、凸极同步电机
凸极同步电机从结构上可分为卧式和立式两大类。大多数同步电动机、调相机和用内燃机或冲击式、贯流式水轮机拖动的发电机都采用卧式结构，混流式和轴流（浆）式水轮机拖动的水轮发电机和少数同步电动机则采用立式结构型式。
（一）卧式凸极同步电机
图1-9为带直流励磁机的卧式小型防护式凸极同步电机。这种电机的基本特征是：卧式、机座带底脚、有两个端盖式轴承、单轴伸端、自扇冷通风系统等。
图1-9 带直流励磁机的卧式小型防护式凸极同步电机
1—转轴2—端盖3—风扇4—出线盒5—励磁绕组6—定子铁芯7—机座8—磁极9—定子绕组10—电刷装置11—端盖12—集电环13—励磁机定子14—励磁机电枢15—励磁机端盖16—风扇17—电话装置18—网罩
定子结构和异步电机的基本相同。转子由磁极、磁轭、励磁绕组、集电环、风扇和转轴等零部件组成，励磁机的电枢和换向器与同步电机转子同轴安装。同步电机的磁极用薄钢板冲制后以铆钉沿轴向铆紧，其两端有钢板制成的L型压板，用来防止励磁绕组在离心力作用下甩出。磁极用螺钉固定于圆筒形的铸钢磁轭上，磁轭则用热套或键固定在轴上。集电环用耐磨黄铜浇铸（也可用青铜、磷青铜或钢制成），两个集电环用玻璃酚醛塑料作绝缘，经热压成为一个整体。
轴伸端采用单列向心短圆柱滚子轴承，非轴伸端为单列向心球轴承。整个电机有两只风扇，分别安装于传动端和励磁机端的轴上。冷却空气由励磁机与前端盖（位于非传动端）上的进风孔进入电机，从后端盖的出风口逸出。
图1-10和图1-11分别为大型开启式低速同步电机和大型封闭式中高速同步电机的总装图。由于直径较大，两者的定子铁芯均用扇形片拼叠而成。绕组一边采用环氧粉云母绝缘（B级）的成型线圈双层叠绕组，槽电流大于100A时，改为条式线圈绕制。
图1-10 大型开启式低速同步电机的总装图
1—转轴2,10—座式轴承3—转子支架4,7—端罩5—定子6—机座8—转子9—刮板式风扇11—测温装置12—电刷装置13—底板
图1-11 大型封闭式中高速同步电机的总装图
1,12—座式轴承2—测温装置3—转轴4—转子5,10—挡风罩6,9—端罩7—机座8—定子11—风扇13—绝缘套14—电刷装置15—底板
图1-10中转子具有叠片磁极，用螺栓固定在铸钢的圆筒形磁轭上，有阻尼绕组。集电环为装配式，重量轻，加工容易，冷却条件好，但容易变形，因此只宜用于直径较大或低速情况下。风扇为刮板式或斗式，呈杓形，一般固定于转子轭的两端，这种风扇通常用于转子圆周速度低于45m/s的情况。图1-11中因转速和离心力大，采用了整块磁极，极靴两端装有阻尼端环，与极靴一起起着阻尼或起动绕组的作用。集电环为套筒式，零件少，结构简单，绝缘可靠性高。由于转子圆周速度大于45m/s，采用轴流式风扇。两图中励磁绕组均用裸铜线扁绕而成，匝间一般采用玻璃坯布绝缘，热压成整体，为B级绝缘。
图1-10中采用圆柱面座式滑动轴承。图1-11中为球面座式滑动轴承，这种轴承有自位作用，使用于转速高、转子长、绕较大或承受一定轴向冲击负荷的电机。由于电机容量较大，为了便于安装，并减轻基础承受的单位荷重，电机底板由钢板焊接。
（二）立式凸极同步电机
立式结构主要用于水轮发电机中，根据推力轴承的位置，立式水轮发电机可分为悬式（图1-12）和伞式（图1-13）两种基本机构形式。悬式的推力轴承位于电机上机架上部或中部，整个机组的转动部分“悬吊”在推力轴承上；伞式的推力轴承则位于电机下机架或水轮机的顶盖上。一般来说，低速电机多采用伞式，其优点是机组总高度和电站厂房高度均可降低，负重机架的尺寸较小，因而机组总重量较轻。中高速电机多采用悬式，这种结构推力轴承损耗小、维护方便。和伞式相比，在转速较高、铁芯直径和长度的比值较小时，悬式结构运行较为稳定。
图1-12 悬式水轮发电机总装图
1—外壳2—集电环3—镜板4—推力头5—永磁发电机6—副励磁机7—励磁机8—推力瓦9—推力轴承油槽10—上导轴承11—上导轴承油槽12—上机架13—转子支架14—风扇叶片15—机座16—转子17—定子18—制动块19—空气冷却器20—下导轴承21—制动器22—底板23—轴承润滑油冷却器24—下机架25—转轴
图1-13 伞式水轮发电机总装图
1—永磁发电机2—集电环3—上导轴承4—电机转轴上端5—上机架6—转子支架中心体7—转子8—定子9—空气冷却器10—制动器11—推力轴承12—下机架13—水轮机转轴
图1-14与1-15分别表示发电机定子和转子，图1-12与图1-13分别为悬式和伞式水轮发电机的总装图。由图可见，立式水轮发电机的基本部件有定子、转子、推力轴承、导轴承、上机架、下机架和制动器等。此外，还附有永磁发电机、励磁机以及副励磁机（如图1-12所示），或半导体励磁装置（如图1-13所示），自动励磁调节装置。
图1-14 发电机定子
图1-15 发电机转子
定子通常由钢板焊接机座、铁芯和绕组等组成。大型水轮发电机的定子尺寸很大，例如机座外径可达20m以上，为了运输方便，常做成分瓣式，全部下线和部分接线后分瓣运送到电站再安装。由于机座尺寸很大，无法在装配后加工，因此，结构设计时应考虑机座上各零部件能事先进行加工，然后再精确地焊至机座上，以保证铁芯在机座中的正确位置。定子绕组一般采用双层波式或叠式，水内冷电机中，有时也用单层绕组，以减少水接头数目。
转轴通常用锻件，但大型转轴有时也采用电渣焊的空心轴结构。转子若要求在工地进行装配，则设计时必须采用轴、转子支架、磁轭与磁极能分开的结构。
上、下机架相当于普通卧式电机端盖，一般做成辐射式，以增强其负重能力。悬式电机的上机架和伞式电机的下机架（当推力轴承位于下机架上时）均为负重机架，因此尤应保证其结构具有足够的强度和刚度。推力轴承是水轮发电机组中最复杂、最重要和加工要求最高的部件，它由推力头、镜板、推力轴瓦和支柱等部分组成。推力轴承承受整个机组转动部分的重量和作用于水轮机转子上的水推力，大型水轮发电机中，这一轴向负荷可到达上万牛顿力。导轴承承受径向推力，无论悬式或伞式电机，导轴承可以只有一个。通常位于上机架中，称为上导轴承；伞式有时也位于下机架中，称为下导轴承。也可以有两个，分别位于上机架和下机架中，并相应地称为上导轴承与下导轴承。前者使电机结构较为简单，后者则增加了机组运行时的机械稳定性，因此该结构价格更宜缺点是转轴较长，其与主发电机同轴还可装有气隙较小的辅助发电机，即交流励磁机。
为了保护推力轴承，在额定功率大于300kVA的立式水轮发电机中，通常均装有制动器。其作用是在发电机停电时，通进压缩空气，顶起制动阀，使其和转子支架上的制动板（块）产生接触摩擦，而使机组迅速停转，从而避免推力轴承的镜板在低速下运转时间过长，因油膜太薄而受损。在安装维修时，制动器中可通入高压油，作为顶起转子油压千斤顶的动能。
主发电机顶部装有作为水轮机调速器中电动机电源用的永磁发电机，其定子主绕组向调速器供电，副绕组是转速继电器的信号电源。在机械调速系统中，一般采用三相永磁式同步发电机；在电液调速系统中，采用单相永磁式感应发电机。1000kVA以下的中小型低速水轮发电机，一般无此种永磁发电机，而采用较简单的由主发电机出线端的电压互感器向调速器的飞摆电动机供电的方式，但这时调速系统的电压讯号将受发电机励磁系统运行情况的影响，且在主机发生三相短路或甩负荷时，调速机构将失去电源，不能正常动作。主发电机顶部通常还装有直流励磁机和副励磁机，作为主发电机的励磁电源。但因直流励磁机维护工作量大，反应速度慢，而且由于换向问题，使高速大容量直流励磁机的制造受到限制，已逐渐被交流励磁机和半导体励磁装置所代替。采用交流励磁机时，主、副励磁机均为交流发电机；通常主励磁机为同步发电机，主发电机同轴，其电压与电流能在很大范围内调节，并具有高的反应速度，输出交流经硅整流器整流后供电给主发电机的励磁绕组。主励磁机本身的励磁由副励磁机供给，副励磁机一般为永磁发电机或感应子发电机；有时省去副励磁机，而采用自励方式。
图1-12和1-13所示结构均采用封闭循环式通风系统，利用转子本身的风扇作用使空气循环，转子两端不另装风扇。空气冷却器在发电机机座外的机坑中，冷却器中通入冷却循环水，去冷却通风系统中的热空气，保持电机内部温升。
二、隐极同步电机
同步电机的基本结构见图1-16，系定子绕组水内冷、转子绕组氢内冷、定子铁芯氢冷的大型汽轮发电机组的总装和外形图。
图1-16 定子绕组水内冷、转子绕组氢内冷定子铁芯氢冷的大型汽轮发电机组的总装和外形图
1—端盖2—端罩3—冷却器4—机座5—轴向弹簧板6—转子7—定子铁芯8—定子出线罩9—定子引线10—定子线圈11—油密封12—轴承13—定子引出线14—电刷装置15—交流励磁机16—中频副励磁机
机座沿轴向分成三段，其两端部分称为端罩，均为钢板焊接结构；机座中段的长度和定子铁芯长度相近，两侧各有两个吊攀，供吊装用。为减少运行时定子铁芯产生的双倍频率振动对发电机与基础的影响，铁芯和机座间采用了轴向弹簧板隔振结构。端罩呈方形，作用是罩住定子绕组的端部。电机内部充氢，为防止因氢气爆炸危及人员、厂房和设备安全，机座、端罩连同端盖应能承受7log/cm2的水压试验，而不产生有害变形，并具有足够的气密性。此外，两个端罩中还装有四个直立的氢气冷却器，通过循环水以冷却电机内部的氢气。
定子铁芯由冷轧硅钢片叠成。为防止铁芯端部过热，除采用T形非磁性铸钢压圈压紧，以减少漏磁引起的损耗外，还应满足：（1）定子铁芯比转子本体稍短，以降低压圈上最热处的温升；（2）将两端铁芯做成阶梯型，冲片齿部中间开有径向小槽，以降低边端铁芯中由漏磁场轴向分量引起的涡流损耗；（3）定子绕组端部的各种紧固用构件及与其邻近的其他部件都用非磁性材料制成；（4）定子线棒端部具有22.5k（下层）与15.5k（上层）的倾角。同时为提高可靠性，边端铁芯冲片采用B级绝缘漆涂刷。
定子绕组为双层叠式，由条形线棒连接而成，线棒内部通水冷却。每根线棒由两排导体组成，每排导体在高度方向分为四组，每组由一根空心导体和三根实心导体组成。绕组在槽内采用编织换位，以减少附加损耗。绕组槽部及端部均采用环氧粉云母带连续绝缘。线棒表面采取防晕处理，端部还具有外屏蔽措施，并在端部渐开线间留有适当间隙，以保证发电机正常运行时不产生电晕。由于定子电流较大，为防止由电磁振动产生的绝缘磨损和电腐蚀，对线棒在槽内和端部采取了以下的固定方式：（1）槽内固定（以径向固紧为主，侧面固紧为辅）——槽底和层间垫以半导体垫条，径向固紧采用对斜组合槽楔，楔下采用半导体波纹垫条，侧面采用分段半导体波纹斜楔固紧，对线圈和槽壁之间其他部分的间隙则用半导体玻璃布板填充。（2）端部固定——用强度高、加热固化、收缩量较大并经处理过的无纬玻璃丝带绑扎，绑扎处打斜楔；端部由内外数个绑环箍紧，经绝缘支架固定在压圈上（绝缘支架由环氧玻璃布板制成，绑环由非磁性钢环外包无纬玻璃丝带制成）；端部线棒和绑环及垫块间垫以适形材料；在线圈鼻端及槽口的线棒之间加设支撑块等；这样，使绕组端部联成一个整体，结构整密。
水冷定子绕组的每根线棒为一条水路，由不锈钢制成的进、出水汇流管分别布置于绕组两端，线棒和汇流管间用聚四氟乙烯绝缘引水管连通，运行时汇流管应接地。定子水电连接采用分开结构。电气连接由实心导线用银焊对接；水路连接由每根线棒的空心导线套入过渡接头，后者每两个用一个三通接头联通，并与绝缘引水管相连。定子引出线由空心铜线组成，通常用水冷却，在它附近的其他零部件要用非磁性材料制成。
发电机转子和铁芯采用多流式通风系统。转子绕组为气隙铣孔斜流式氢内冷系统。转子槽楔材料为高强度杜拉铝，其上铣有特殊的进出风孔，通过楔下垫条和铜线的风道相通，每个进出风孔联通两个流向相反的斜流风道。转子端部铜线铣有凹槽和进出风口，每两根铜线上的凹槽分别组成轴向（转子铜线伸出铁芯的直线部分）和轴向（连接上述直接部分的接线中）风道。转子绕组的对地绝缘采用环氧粉云母聚酰亚胺薄膜和玻璃布复合绝缘压制成的槽衬。转子两端的槽楔（称为端头槽楔）用特种铝青铜制成，在其底部和护环下装有梳齿式半阻尼绕组（大齿上开槽装设阻尼条或大齿上无阻尼条），以保护护环塔接面，提高承受不平衡负荷的能力，并可减少转子附加损耗，提高效率。
转子本体两端采用悬挂式护环和中心环。护环由高强度非磁性合金钢制成，它与转子本体间除用热套法箍紧外，还另用一只开口环作轴向锁紧。中心环和护环间用热套法装配，中心环和转子绕组端部轴向间则设置弹性支撑结构。风扇为轴流式，叶片用高强度铝模锻造而成，安装角可以调节，但不影响整体结构。
转子引出线经本体中心孔接至集电环，导电螺钉采用高强度库巴合金，并设置两道密封。集电环表面开有螺旋沟，以减少电刷磨损，并有利于冷却。为加强集电环的冷却，其中部件还铣有轴向月牙槽，槽中开有贯通的斜孔，可以让热空气流动。
为了防止端盖在高氢压下产生过大的轴向变形和提高轴承刚度，端盖采用内圆锥体形状，并加焊若干辐板。滑动轴承的轴瓦采用油膜刚度较好的球面镶块式三油楔瓦，瓦上设有高压油顶起装置。氢气密封采用双流环式密封装置，励磁机端的油密封有对地绝缘。发电机的励磁由同轴的交流励磁机组产生。