發(fā)電機(jī)斜槽角度對(duì)高頻諧波的影響

徐文潔

摘 要：高頻諧波會(huì)引起發(fā)電機(jī)產(chǎn)生高頻振動(dòng)，影響機(jī)械強(qiáng)度，發(fā)電機(jī)斜槽角度可以有效消除高頻諧波，故通過(guò)對(duì)于發(fā)電機(jī)斜槽角度進(jìn)行研究也是為了發(fā)電機(jī)能夠更加適應(yīng)市場(chǎng)的需求。本文從探討發(fā)電機(jī)斜槽的多方面內(nèi)容入手，在闡述了發(fā)電機(jī)斜槽角度對(duì)高頻諧波影響后，列舉了部分對(duì)于優(yōu)化發(fā)電機(jī)斜槽角度的實(shí)際方法。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)；斜槽角度；高頻諧波

發(fā)電機(jī)斜槽角度對(duì)高頻諧波的影響需要通過(guò)相應(yīng)的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)才能夠獲知。故在這一前提下技術(shù)人員可以采取試驗(yàn)的方式來(lái)對(duì)于發(fā)電機(jī)定子的斜槽角度進(jìn)行更好的選擇，這實(shí)際上為更進(jìn)一步的量產(chǎn)優(yōu)質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)起到較為明顯的正面效果。

1 發(fā)電機(jī)斜槽簡(jiǎn)析

發(fā)電機(jī)斜槽作為發(fā)電機(jī)鐵芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要組成部分有著自身的特性，以下從斜槽應(yīng)用的必要性、斜槽對(duì)發(fā)電機(jī)的負(fù)面影響、斜槽應(yīng)用現(xiàn)存問(wèn)題三方面出發(fā)，對(duì)于發(fā)電機(jī)斜槽進(jìn)行了分析。

1.1 斜槽應(yīng)用的必要性

發(fā)電機(jī)斜槽的應(yīng)用有著很高的必要性。發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，由于定子齒槽的存在，感應(yīng)磁場(chǎng)并非完全按照正弦規(guī)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(fā)電機(jī)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(chǎn)生的干擾頻率會(huì)與機(jī)座的固有頻率重合，引起共振，對(duì)整體機(jī)械強(qiáng)度造成損害。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)發(fā)電機(jī)的波形畸變率及振動(dòng)均有一定的要求，設(shè)計(jì)中通常采用多種方法來(lái)消除這些諧波，通常3、5、7、9等次諧波可以通過(guò)轉(zhuǎn)子沖片偏心、短距繞組、分布繞組等設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行消除，而消除23、25等高次諧波采用斜槽是一個(gè)有效方法[1]。斜槽后，定子線圈各微段分布在磁場(chǎng)中的不同位置，即形成了空間相位差，使得導(dǎo)體各微段的感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生時(shí)間上的相位差，在一定程度上彌補(bǔ)了齒槽造成的氣隙不均勻，從而達(dá)到消除高次諧波的作用[2]。

1.2 斜槽對(duì)發(fā)電機(jī)的負(fù)面影響

由于定子斜槽后，定子線圈相對(duì)轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生了扭轉(zhuǎn)，使兩者之間的電磁耦合系數(shù)降低，從而對(duì)于發(fā)電機(jī)產(chǎn)生了一定程度的負(fù)面影響。隨著斜槽角度的增加，耦合系數(shù)越小，定子線圈有效切割的磁力線越少，使得基波感應(yīng)電勢(shì)下降，即空載電壓和額定電壓下降。由三相短路電流計(jì)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(fā)電機(jī)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(shí)，由于額定電壓的下降，輸出功率也隨之減少，而發(fā)電機(jī)額定負(fù)載下的機(jī)械損耗和熱損耗是基本不變的，因此效率也會(huì)隨著斜槽角度的增加而降低。

1.3 斜槽應(yīng)用現(xiàn)存問(wèn)題

發(fā)電機(jī)斜槽的應(yīng)用并不是完美無(wú)缺的。為了控制感應(yīng)電勢(shì)的下降，使其基本保持不變，減少高次諧波的感應(yīng)電勢(shì)，我們?nèi)⌒辈劬嚯x在0～1/3極距之間。在實(shí)際應(yīng)用中，由于斜槽距離比極距小很多，通常采用扭斜一個(gè)齒距的設(shè)計(jì)[3]。但由于生產(chǎn)工藝、材料等的影響，會(huì)出現(xiàn)實(shí)際斜槽角度小于一個(gè)齒距的現(xiàn)象，從而達(dá)不到設(shè)計(jì)目標(biāo)，出現(xiàn)高次諧波偏高，引起發(fā)電機(jī)高頻振動(dòng)。

2 發(fā)電機(jī)斜槽角度對(duì)消除高頻諧波的試驗(yàn)分析

我們?cè)诎l(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中常規(guī)采用定子槽扭轉(zhuǎn)一個(gè)齒距的斜槽角度設(shè)計(jì)，但通過(guò)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的反饋來(lái)看，這樣的設(shè)計(jì)有時(shí)仍會(huì)使發(fā)電機(jī)出現(xiàn)高頻振動(dòng)的現(xiàn)象，因此實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們通常會(huì)增加5%～10%的角度以彌補(bǔ)加工過(guò)程中的誤差。下面是就不同斜槽彌補(bǔ)角度在兩種功率發(fā)電機(jī)中對(duì)高頻諧波的影響來(lái)進(jìn)行分析。

2.1 試驗(yàn)用發(fā)電機(jī)基本參數(shù)

試驗(yàn)采用了40kW和1800kW兩種功率的四臺(tái)同步無(wú)刷發(fā)電機(jī)，同一功率下的兩臺(tái)發(fā)電機(jī)除定子斜槽角度分別為1.05齒距和1.1齒距，其他參數(shù)完全一致。發(fā)電機(jī)基本參數(shù)如表1。

2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖如圖1（a）所示，被測(cè)電機(jī)與原動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器對(duì)接，由原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)被測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)控制臺(tái)調(diào)整原動(dòng)機(jī)后端直流馬達(dá)的轉(zhuǎn)速來(lái)控制原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)被測(cè)電機(jī)達(dá)到額定電壓后，通過(guò)測(cè)試控制臺(tái)中的波形記錄儀測(cè)得被測(cè)電機(jī)的相電壓波形。

2.3 相電壓波形測(cè)試

空載狀態(tài)下，啟動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，調(diào)整轉(zhuǎn)速使被測(cè)電機(jī)到達(dá)額定轉(zhuǎn)速和額定電壓，測(cè)試斜槽角度分別為1.05齒距和1.1齒距的發(fā)電機(jī)相電壓波形，并通過(guò)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(shù)據(jù)。可以看出，當(dāng)角度增大時(shí)，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(xiàn)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(shù)據(jù)。1.1齒距相對(duì)1.05齒距的數(shù)據(jù)，總波形畸變率從1.8%下降到了1.62%，各次諧波均出現(xiàn)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(cè)試系統(tǒng)的限制，1800kW發(fā)電機(jī)的基波測(cè)試數(shù)據(jù)為通過(guò)變壓器變比得到的數(shù)據(jù)，不具備參考值。

2.4 諧波數(shù)據(jù)分析結(jié)論

從上述數(shù)據(jù)對(duì)比分析，可以看出，增大斜槽角度確實(shí)能改善波形畸變率，但不同功率的發(fā)電機(jī)適用的斜槽角度的大小是不同的。當(dāng)發(fā)電機(jī)功率較小，即鐵芯長(zhǎng)度較短時(shí)，過(guò)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(yīng)電勢(shì)，同時(shí)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(dá)到減少高頻振動(dòng)的目的。而當(dāng)發(fā)電機(jī)功率較大，鐵芯較長(zhǎng)時(shí)，較大的斜槽角度對(duì)于高頻諧波的消除是非常有利的，從1800kW數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)不同功率的發(fā)電機(jī)時(shí)，需要通過(guò)模擬分析及實(shí)驗(yàn)來(lái)確定最優(yōu)的斜槽角度。

3 優(yōu)化發(fā)電機(jī)斜槽角度的方法

優(yōu)化發(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)模型基本參數(shù)、做好測(cè)試數(shù)據(jù)整理等方面出發(fā)，對(duì)于優(yōu)化發(fā)電機(jī)斜槽角度的方法進(jìn)行了列舉。

3.1 利用有限元模擬分析

技術(shù)人員在計(jì)算斜槽角度時(shí)可以合理的應(yīng)用Ansys -Maxwell等有限元分析軟件來(lái)對(duì)于發(fā)電機(jī)不同斜槽角度進(jìn)行模擬計(jì)算，得到趨于真實(shí)的電壓波形模擬數(shù)據(jù)，用傅里葉變換將得到波形數(shù)據(jù)進(jìn)行諧波含量的分析，以選取最優(yōu)的斜槽角度設(shè)計(jì)值。

3.2 確定發(fā)電機(jī)模型基本參數(shù)

技術(shù)人員在確定發(fā)電機(jī)模型基本參數(shù)的過(guò)程中首先應(yīng)當(dāng)避免引起較大程度的定子漏抗情況，從而能夠規(guī)避發(fā)電機(jī)效率受損情況的出現(xiàn)。其次，技術(shù)人員在確定發(fā)電機(jī)模型基本參數(shù)的過(guò)程中還應(yīng)當(dāng)接著在計(jì)算所得到的理論角度范圍內(nèi)選擇數(shù)個(gè)不同的斜槽角度的參數(shù)來(lái)進(jìn)行定子的制作，從而能夠在此基礎(chǔ)上更加精確的測(cè)試不同定子的波形畸變率。

3.3 做好測(cè)試數(shù)據(jù)整理

優(yōu)化發(fā)電機(jī)斜槽角度測(cè)試整理需要工作人員在日常工作中進(jìn)行努力。即工作人員在做好測(cè)試數(shù)據(jù)整理的過(guò)程中同時(shí)應(yīng)當(dāng)對(duì)于相電壓波形曲線試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行持續(xù)性的整理與統(tǒng)計(jì)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析就可以發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的斜槽角度并且將其用于合理的批量生產(chǎn)中去。

4 結(jié)束語(yǔ)

斜槽角度的選用應(yīng)當(dāng)同時(shí)考慮對(duì)感應(yīng)電勢(shì)和高頻諧波的影響，要將對(duì)兩者的影響控制在一個(gè)合理的平衡點(diǎn)上。這需要通過(guò)大量的模擬計(jì)算和試驗(yàn)對(duì)比來(lái)達(dá)到。總的來(lái)說(shuō)，不同功率段的發(fā)電機(jī)適用于不同大小的斜槽角度，功率大鐵芯長(zhǎng)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。