发电机斜槽角度对高频谐波的影响

摘 要：高频谐波会引起发电机产生高频振动，影响机械强度，发电机斜槽角度可以有效消除高频谐波，故通过对于发电机斜槽角度进行研究也是为了发电机能够更加适应市场的需求。本文从探讨发电机斜槽的多方面内容入手，在阐述了发电机斜槽角度对高频谐波影响后，列举了部分对于优化发电机斜槽角度的实际方法。

关键词：发电机；斜槽角度；高频谐波

发电机斜槽角度对高频谐波的影响需要通过相应的计算和实验才能够获知。故在这一前提下技术人员可以采取试验的方式来对于发电机定子的斜槽角度进行更好的选择，这实际上为更进一步的量产优质发动机起到较为明显的正面效果。

1 发电机斜槽简析

发电机斜槽作为发电机铁芯结构设计的重要组成部分有着自身的特性，以下从斜槽应用的必要性、斜槽对发电机的负面影响、斜槽应用现存问题三方面出发，对于发电机斜槽进行了分析。

1.1 斜槽应用的必要性

发电机斜槽的应用有着很高的必要性。发电机运行过程中，由于定子齿槽的存在，感应磁场并非完全按照正弦规律分布，除了基波外还有一系列谐波，这些谐波的存在使线电压波形畸变，增加了发电机本身的损耗和噪声以及输电线路中的损耗，且某些高次谐波所产生的干扰频率会与机座的固有频率重合，引起共振，对整体机械强度造成损害。在实际应用中，对发电机的波形畸变率及振动均有一定的要求，设计中通常采用多种方法来消除这些谐波，通常3、5、7、9等次谐波可以通过转子冲片偏心、短距绕组、分布绕组等设计来进行消除，而消除23、25等高次谐波采用斜槽是一个有效方法[1]。斜槽后，定子线圈各微段分布在磁场中的不同位置，即形成了空间相位差，使得导体各微段的感应电势产生时间上的相位差，在一定程度上弥补了齿槽造成的气隙不均匀，从而达到消除高次谐波的作用[2]。

1.2 斜槽对发电机的负面影响

由于定子斜槽后，定子线圈相对转子绕组发生了扭转，使两者之间的电磁耦合系数降低，从而对于发电机产生了一定程度的负面影响。随着斜槽角度的增加，耦合系数越小，定子线圈有效切割的磁力线越少，使得基波感应电势下降，即空载电压和额定电压下降。由三相短路电流计算公式IK0=KUUN/Xd可以推出，由于额定电压UN随斜槽角度的增加而下降，而发电机的直轴电抗Xd几乎不受斜槽角度的影响，因此短路电流IK0也随着斜槽角度的增大而降低。同时，由于额定电压的下降，输出功率也随之减少，而发电机额定负载下的机械损耗和热损耗是基本不变的，因此效率也会随着斜槽角度的增加而降低。

1.3 斜槽应用现存问题

发电机斜槽的应用并不是完美无缺的。为了控制感应电势的下降，使其基本保持不变，減少高次谐波的感应电势，我们取斜槽距离在0～1/3极距之间。在实际应用中，由于斜槽距离比极距小很多，通常采用扭斜一个齿距的设计[3]。但由于生产工艺、材料等的影响，会出现实际斜槽角度小于一个齿距的现象，从而达不到设计目标，出现高次谐波偏高，引起发电机高频振动。

2 发电机斜槽角度对消除高频谐波的试验分析

我们在发电机设计中常规采用定子槽扭转一个齿距的斜槽角度设计，但通过实际应用过程中的反馈来看，这样的设计有时仍会使发电机出现高频振动的现象，因此实际设计中，我们通常会增加5%～10%的角度以弥补加工过程中的误差。下面是就不同斜槽弥补角度在两种功率发电机中对高频谐波的影响来进行分析。

2.1 试验用发电机基本参数

试验采用了40kW和1800kW两种功率的四台同步无刷发电机，同一功率下的两台发电机除定子斜槽角度分别为1.05齿距和1.1齿距，其他参数完全一致。发电机基本参数如表1。

2.2 试验系统

试验系统原理图如图1（a）所示，被测电机与原动机通过联轴器对接，由原动机驱动被测电机转动，通过控制台调整原动机后端直流马达的转速来控制原动机转速，当被测电机达到额定电压后，通过测试控制台中的波形记录仪测得被测电机的相电压波形。

2.3 相电压波形测试

空载状态下，启动试验系统，调整转速使被测电机到达额定转速和额定电压，测试斜槽角度分别为1.05齿距和1.1齿距的发电机相电压波形，并通过傅里叶分析得到不同频次谐波分量的幅值。

表2是40kW两种不同斜槽角度的谐波分量数据。可以看出，当角度增大时，总波形畸变率从1.24%下降到了1.13%，但基波幅值从259.88V下降到了259.75V，除3次、5次、13次谐波略有下降外，其他均出现上升，其中23次、25次的增幅最为明显。

表3是1800kW两种不同斜槽角度的谐波分量数据。1.1齿距相对1.05齿距的数据，总波形畸变率从1.8%下降到了1.62%，各次谐波均出现了下降，其中23次谐波从0.79降到了0.46，25次谐波从0.25降到了0.24。由于测试系统的限制，1800kW发电机的基波测试数据为通过变压器变比得到的数据，不具备参考值。

2.4 谐波数据分析结论

从上述数据对比分析，可以看出，增大斜槽角度确实能改善波形畸变率，但不同功率的发电机适用的斜槽角度的大小是不同的。当发电机功率较小，即铁芯长度较短时，过多的增大定子斜槽角度虽然降低了波形畸变率，但降低了基波幅值，即降低了感应电势，同时23次、25次谐波的幅值大幅上升，反而不利于高次谐波的消除，达到减少高频振动的目的。而当发电机功率较大，铁芯较长时，较大的斜槽角度对于高频谐波的消除是非常有利的，从1800kW数据上可以看出，23次的谐波幅值下降了42%，25次下降了4%。因此，在设计不同功率的发电机时，需要通过模拟分析及实验来确定最优的斜槽角度。

3 优化发电机斜槽角度的方法

优化发电机斜槽角度的方法有很多，以下从利用有限元模拟分析、确定发电机模型基本参数、做好测试数据整理等方面出发，对于优化发电机斜槽角度的方法进行了列举。

3.1 利用有限元模拟分析

技术人员在计算斜槽角度时可以合理的应用Ansys -Maxwell等有限元分析软件来对于发电机不同斜槽角度进行模拟计算，得到趋于真实的电压波形模拟数据，用傅里叶变换将得到波形数据进行谐波含量的分析，以选取最优的斜槽角度设计值。

3.2 确定发电机模型基本参数

技术人员在确定发电机模型基本参数的过程中首先应当避免引起较大程度的定子漏抗情况，从而能够规避发电机效率受损情况的出现。其次，技术人员在确定发电机模型基本参数的过程中还应当接着在计算所得到的理论角度范围内选择数个不同的斜槽角度的参数来进行定子的制作，从而能够在此基础上更加精确的测试不同定子的波形畸变率。

3.3 做好测试数据整理

优化发电机斜槽角度测试整理需要工作人员在日常工作中进行努力。即工作人员在做好测试数据整理的过程中同时应当对于相电压波形曲线试验数据进行持续性的整理与统计，通过数据分析就可以发现最优的斜槽角度并且将其用于合理的批量生产中去。

4 结束语

斜槽角度的选用应当同时考虑对感应电势和高频谐波的影响，要将对两者的影响控制在一个合理的平衡点上。这需要通过大量的模拟计算和试验对比来达到。总的来说，不同功率段的发电机适用于不同大小的斜槽角度，功率大铁芯长的选择偏大的斜槽角度，功率小铁芯短的选择偏小的斜槽角度。

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