發電機斜槽角度對高頻諧波的影響

徐文潔

摘 要：高頻諧波會引起發電機產生高頻振動，影響機械強度，發電機斜槽角度可以有效消除高頻諧波，故通過對于發電機斜槽角度進行研究也是為了發電機能夠更加適應市場的需求。本文從探討發電機斜槽的多方面內容入手，在闡述了發電機斜槽角度對高頻諧波影響后，列舉了部分對于優化發電機斜槽角度的實際方法。

關鍵詞：發電機；斜槽角度；高頻諧波

發電機斜槽角度對高頻諧波的影響需要通過相應的計算和實驗才能夠獲知。故在這一前提下技術人員可以采取試驗的方式來對于發電機定子的斜槽角度進行更好的選擇，這實際上為更進一步的量產優質發動機起到較為明顯的正面效果。

1 發電機斜槽簡析

發電機斜槽作為發電機鐵芯結構設計的重要組成部分有著自身的特性，以下從斜槽應用的必要性、斜槽對發電機的負面影響、斜槽應用現存問題三方面出發，對于發電機斜槽進行了分析。

1.1 斜槽應用的必要性

發電機斜槽的應用有著很高的必要性。發電機運行過程中，由于定子齒槽的存在，感應磁場并非完全按照正弦規律分布，除了基波外還有一系列諧波，這些諧波的存在使線電壓波形畸變，增加了發電機本身的損耗和噪聲以及輸電線路中的損耗，且某些高次諧波所產生的干擾頻率會與機座的固有頻率重合，引起共振，對整體機械強度造成損害。在實際應用中，對發電機的波形畸變率及振動均有一定的要求，設計中通常采用多種方法來消除這些諧波，通常3、5、7、9等次諧波可以通過轉子沖片偏心、短距繞組、分布繞組等設計來進行消除，而消除23、25等高次諧波采用斜槽是一個有效方法[1]。斜槽后，定子線圈各微段分布在磁場中的不同位置，即形成了空間相位差，使得導體各微段的感應電勢產生時間上的相位差，在一定程度上彌補了齒槽造成的氣隙不均勻，從而達到消除高次諧波的作用[2]。

1.2 斜槽對發電機的負面影響

由于定子斜槽后，定子線圈相對轉子繞組發生了扭轉，使兩者之間的電磁耦合系數降低，從而對于發電機產生了一定程度的負面影響。隨著斜槽角度的增加，耦合系數越小，定子線圈有效切割的磁力線越少，使得基波感應電勢下降，即空載電壓和額定電壓下降。由三相短路電流計算公式IK0=KUUN/Xd可以推出，由于額定電壓UN隨斜槽角度的增加而下降，而發電機的直軸電抗Xd幾乎不受斜槽角度的影響，因此短路電流IK0也隨著斜槽角度的增大而降低。同時，由于額定電壓的下降，輸出功率也隨之減少，而發電機額定負載下的機械損耗和熱損耗是基本不變的，因此效率也會隨著斜槽角度的增加而降低。

1.3 斜槽應用現存問題

發電機斜槽的應用并不是完美無缺的。為了控制感應電勢的下降，使其基本保持不變，減少高次諧波的感應電勢，我們取斜槽距離在0～1/3極距之間。在實際應用中，由于斜槽距離比極距小很多，通常采用扭斜一個齒距的設計[3]。但由于生產工藝、材料等的影響，會出現實際斜槽角度小于一個齒距的現象，從而達不到設計目標，出現高次諧波偏高，引起發電機高頻振動。

2 發電機斜槽角度對消除高頻諧波的試驗分析

我們在發電機設計中常規采用定子槽扭轉一個齒距的斜槽角度設計，但通過實際應用過程中的反饋來看，這樣的設計有時仍會使發電機出現高頻振動的現象，因此實際設計中，我們通常會增加5%～10%的角度以彌補加工過程中的誤差。下面是就不同斜槽彌補角度在兩種功率發電機中對高頻諧波的影響來進行分析。

2.1 試驗用發電機基本參數

試驗采用了40kW和1800kW兩種功率的四臺同步無刷發電機，同一功率下的兩臺發電機除定子斜槽角度分別為1.05齒距和1.1齒距，其他參數完全一致。發電機基本參數如表1。

2.2 試驗系統

試驗系統原理圖如圖1（a）所示，被測電機與原動機通過聯軸器對接，由原動機驅動被測電機轉動，通過控制臺調整原動機后端直流馬達的轉速來控制原動機轉速，當被測電機達到額定電壓后，通過測試控制臺中的波形記錄儀測得被測電機的相電壓波形。

2.3 相電壓波形測試

空載狀態下，啟動試驗系統，調整轉速使被測電機到達額定轉速和額定電壓，測試斜槽角度分別為1.05齒距和1.1齒距的發電機相電壓波形，并通過傅里葉分析得到不同頻次諧波分量的幅值。

表2是40kW兩種不同斜槽角度的諧波分量數據。可以看出，當角度增大時，總波形畸變率從1.24%下降到了1.13%，但基波幅值從259.88V下降到了259.75V，除3次、5次、13次諧波略有下降外，其他均出現上升，其中23次、25次的增幅最為明顯。

表3是1800kW兩種不同斜槽角度的諧波分量數據。1.1齒距相對1.05齒距的數據，總波形畸變率從1.8%下降到了1.62%，各次諧波均出現了下降，其中23次諧波從0.79降到了0.46，25次諧波從0.25降到了0.24。由于測試系統的限制，1800kW發電機的基波測試數據為通過變壓器變比得到的數據，不具備參考值。

2.4 諧波數據分析結論

從上述數據對比分析，可以看出，增大斜槽角度確實能改善波形畸變率，但不同功率的發電機適用的斜槽角度的大小是不同的。當發電機功率較小，即鐵芯長度較短時，過多的增大定子斜槽角度雖然降低了波形畸變率，但降低了基波幅值，即降低了感應電勢，同時23次、25次諧波的幅值大幅上升，反而不利于高次諧波的消除，達到減少高頻振動的目的。而當發電機功率較大，鐵芯較長時，較大的斜槽角度對于高頻諧波的消除是非常有利的，從1800kW數據上可以看出，23次的諧波幅值下降了42%，25次下降了4%。因此，在設計不同功率的發電機時，需要通過模擬分析及實驗來確定最優的斜槽角度。

3 優化發電機斜槽角度的方法

優化發電機斜槽角度的方法有很多，以下從利用有限元模擬分析、確定發電機模型基本參數、做好測試數據整理等方面出發，對于優化發電機斜槽角度的方法進行了列舉。

3.1 利用有限元模擬分析

技術人員在計算斜槽角度時可以合理的應用Ansys -Maxwell等有限元分析軟件來對于發電機不同斜槽角度進行模擬計算，得到趨于真實的電壓波形模擬數據，用傅里葉變換將得到波形數據進行諧波含量的分析，以選取最優的斜槽角度設計值。

3.2 確定發電機模型基本參數

技術人員在確定發電機模型基本參數的過程中首先應當避免引起較大程度的定子漏抗情況，從而能夠規避發電機效率受損情況的出現。其次，技術人員在確定發電機模型基本參數的過程中還應當接著在計算所得到的理論角度范圍內選擇數個不同的斜槽角度的參數來進行定子的制作，從而能夠在此基礎上更加精確的測試不同定子的波形畸變率。

3.3 做好測試數據整理

優化發電機斜槽角度測試整理需要工作人員在日常工作中進行努力。即工作人員在做好測試數據整理的過程中同時應當對于相電壓波形曲線試驗數據進行持續性的整理與統計，通過數據分析就可以發現最優的斜槽角度并且將其用于合理的批量生產中去。

4 結束語

斜槽角度的選用應當同時考慮對感應電勢和高頻諧波的影響，要將對兩者的影響控制在一個合理的平衡點上。這需要通過大量的模擬計算和試驗對比來達到。總的來說，不同功率段的發電機適用于不同大小的斜槽角度，功率大鐵芯長的選擇偏大的斜槽角度，功率小鐵芯短的選擇偏小的斜槽角度。