于文牮
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摘要：综合分析了交流电机定子绕组内的磁动势谐波和反电动势谐波这两类谐波的原理和性质。从谐波转矩、谐波漏抗和谐波损耗三个方面分析了谐波对交流电机性能的影响，阐述了谐波的抑制及用途。
关键词：谐波；磁动势；分数槽；电动势；齿谐波
0.引言
交流电机中的谐波与电机的损耗、噪声、转矩、绕组电抗等密切相关[1-5]。现有的文章多数仅专注于某一种特定谐波，而对交流电机定子绕组内谐波的综合概述还比较少。本文综合考虑交流电机定子绕组内的磁动势谐波和反电动势谐波，对这两种谐波的产生机理、特性，以及对电机的影响等方面进行了分析和总结，并讨论了谐波的危害和谐波的一些有利的用途。
1.定子绕组磁动势谐波
1.1 磁动势谐波的成因
磁动势谐波是一种空间上的谐波，由于每相绕组都是由有限个产生方波的绕组线圈去逼近正弦分布，电机中不可避免地产生磁动势谐波。
整数槽绕组基波磁动势的极对数与电机的极对数相等，谐波磁动势的极对数则为基波极对数的整数倍。分数槽绕组更复杂，绕组的特殊结构造成极数不明显，使绕组中明显包含多种极对数的谐波。分数槽绕组磁动势中与电机转子极对数相同的谐波成分称为“基波”；多于转子极对数的谐波称为“高次谐波”；少于转子极对数的谐波称为“次谐波”；多于转子极对数但又不能被它整除的谐波叫做“分数次谐波”。
1.2磁动势谐波的性质
定子绕组中的基波电流和谐波电流都会产生谐波磁动势，为得到普遍的多相绕组谐波合成磁动势表达式，需对文献[1]中通入正弦电流的三相绕组合成磁动势的公式加以修改。
2.定子绕组反电动势谐波
2.1 反电动势谐波的成因
反电动势谐波通常有两个成因：一方面，即使电机的气隙磁导均匀，气隙磁动势中的谐波成分仍会产生磁密谐波，感生出谐波电动势；另一方面，电机开有齿槽，导致磁导不均匀，磁动势与不均匀磁导作用，感应出齿谐波电动势。
2.2 反电动势谐波的性质
γ次转子磁动势谐波感应出的谐波电动势的电角频率是γω；而无论 的取值是多少，定子绕组 次谐波磁动势感应出的谐波电动势的电角频率都为 。可知，即使相同次数的定子和转子磁动势谐波，在定子绕组中感应出的电动势频率一般也是不同的。
3.谐波对电机性能的影响
3.1 谐波转矩
由谐波所产生的稳定的电磁转矩，依据其方向和基波所产生的电磁转矩相同或相反，则会使有效的电磁转矩增加或减小。而由谐波产生的不稳定电磁转矩不产生有效的平均转矩，反而会带来电磁转矩的脉振。极对数不同的磁密谐波在任何时刻都不产生电磁转矩。
3.2 谐波漏抗
当μ=1时，定子绕组磁动势的任意 次谐波的电角频率为ω，与基波的频率相同，将在绕组中感生出基波频率的反电动势，一般电机中，这些频率的磁动势谐波很少产生有效的电磁转矩，因此把这些谐波的效果作为漏抗处理，称为谐波漏抗。在电机设计过程中，谐波漏抗很难预先衡量，如果气隙磁密波形设计得不够好，会造成谐波漏抗较大。
3.3 谐波损耗
与基波产生的电磁转矩方向相反的谐波转矩，会产生损耗。定子磁动势谐波，也会在定转子铁心中产生损耗。表贴式永磁电机中的磁动势谐波，也会在永磁体表面产生涡流损耗。
定子绕组反电动势中的谐波，也会引起相应的电流谐波，从而引起额外的谐波铜耗。
3.4 谐波的抑制及用途
增加每极每相槽数，使用分布绕组，合理控制磁路饱和度等方法都可以使定子绕组的磁动势分布更接近正弦，从而抑制磁动势谐波。而为了抑制反电动势谐波，常采用短距绕组、分布绕组、改善主极磁场分布、采用斜槽和采用分数槽绕组等方法。
技术手段的进步使谐波也有了一些新用途。准方波磁场异步电机就是利用谐波扩充了有效的转矩输出。在同步发电机中，还有利用高次谐波励磁的应用。因此如何控制谐波，具有重要意义。
4.结语
本文综合讨论了交流电机定子绕组内的磁动势谐波和反电动势谐波，详细介绍了两类谐波的成因。在此基础上，分析了磁动势谐波的角速度、旋转方向等问题，具体分析了电动势谐波中的齿谐波的问题。从谐波转矩、谐波漏抗和谐波损耗三个方面，讨论了谐波对电机的影响，并讨论了谐波的抑制和用途。
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论文作者:于文牮
论文发表刊物:《电力设备》2015年5期供稿
论文发表时间:2015/12/22
标签：谐波论文; 绕组论文; 电动势论文; 定子论文; 转矩论文; 电机论文; 基波论文; 《电力设备》2015年5期供稿论文;