交流发电机分数槽绕组的优缺点

摘要：交流发电机的分数槽绕组（Fractional-Slot Winding）是指每极每相槽数（q）为一个分数的绕组形式（q = Z / (2pm)，其中 Z 是总槽数， p 是极对数， m 是相数）。与传统的整数槽绕组（q 为整数）相比，分数槽绕组具有一系列独特的优点和缺点：

主要优点

显著削弱齿谐波电动势：

齿谐波是电机电动势波形畸变的主要来源之一，其次数与槽数直接相关（次数为 2mq ±1）。

在分数槽绕组中，由于 q 是分数，这些特定的齿谐波次数（2mq ±1）不再是整数。这意味着这些特定的谐波不能被定子绕组有效地感应出来（绕组系数很小或为零），从而大大削弱了齿谐波电动势。

结果是发电机的电动势波形正弦性更好，总谐波畸变率（THD）更低，电能质量更高。

减少电磁振动和噪声：

齿谐波不仅影响电动势波形，也是引起电磁振动和噪声的主要根源。削弱了齿谐波，自然就降低了由这些谐波引起的径向电磁力。

分数槽绕组本身产生的磁动势谐波次数更高、幅值更低，产生的径向力波次数也更高、幅值更低，更不容易激发结构共振。

因此，采用分数槽绕组可以有效降低发电机的电磁振动和噪声水平，提高运行平稳性。

提高设计灵活性：

在给定极数和相数的前提下，分数槽绕组允许选择更广泛的总槽数范围。不必拘泥于 q 必须是整数。

这使得设计者能够：

在保持性能的前提下，减少总槽数（Z），从而简化制造（冲片模具成本、下线工时）、减小槽口宽度（降低齿槽转矩）、提高槽满率。

更容易实现少槽多极的设计，这对于直驱式风力发电机、低速大转矩电机等应用非常有利。

更好地优化槽型和磁路设计。

缩短绕组端部长度：

分数槽绕组通常需要采用短距绕组（节距 y < τ， τ 是极距）。较短的节距意味着线圈两个有效边在端部跨越的距离更短。

因此，分数槽绕组的端部长度通常比等效的整数槽绕组更短。这带来了多重好处：

节省铜材： 减少端部用铜量，降低成本。

降低铜耗： 减少端部电阻损耗，提高效率。

改善散热： 端部更紧凑，有利于通风散热。

减小电机轴向长度： 对于空间受限的应用尤其重要。

降低铁芯损耗：

削弱齿谐波意味着气隙磁场中的高次谐波含量减少。

这些高次谐波会在定转子铁芯中产生高频涡流损耗和磁滞损耗。

因此，分数槽绕组有助于降低发电机的铁芯损耗，提高效率。

主要缺点

可能引入分数次谐波（次谐波）：

分数槽绕组的磁动势中除了整数次谐波外，还可能包含次数为基波次数 ± 2k/d 的分数次谐波（k=1,2,3...， d 是 q 的分母）。

这些分数次谐波（尤其是次数较低的次谐波）虽然幅值通常不大，但如果其频率较低，可能：

在电动势中引入低频纹波（通常很小）。

产生额外的谐波转子损耗（涡流损耗），特别是在实心转子或阻尼绕组中，可能导致转子局部过热，需要仔细评估。

在特定情况下可能与结构固有频率耦合产生振动噪声（但通常比整数槽的齿谐波问题轻）。

转子附加损耗可能增加：

虽然定子侧的齿谐波被削弱了，但分数槽绕组产生的某些较低次（但仍然是整数次）的磁动势谐波（如 5 次、 7 次）的绕组系数可能不为零，其转速相对于转子是异步的（次数越低，相对于转子的转速差越大）。

这些异步的空间谐波磁场会在转子铁芯、永磁体（如果是永磁电机）或阻尼绕组/实心磁极中感应出较大的涡流，导致转子附加损耗增加。这在高速电机中尤其需要注意。

设计时需要仔细计算和优化，或采取措施（如采用分段永磁体、优化转子结构）来抑制这些损耗。

绕组系数计算复杂，设计难度增加：

分数槽绕组的基波绕组系数和谐波绕组系数的计算比整数槽复杂得多。

需要仔细分析槽电势星形图来确定绕组的对称性和各次谐波的分布。

设计时需要更仔细地考虑对称性条件（确保绕组是平衡的）、并联支路数的选择（受对称性限制）以及槽极配合的合理性（避免产生过大的低次谐波或振动问题）。这增加了设计的复杂度和工作量。

并联支路数受到限制：

为了保持三相绕组的对称性，分数槽绕组允许的最大并联支路数（a_max）通常小于整数槽绕组。a_max 必须能整除 q 的分母 d 或者与 d 有特定的关系（具体取决于槽极配合）。

这限制了通过增加并联支路数来降低支路电流、适应更高电流等级的设计灵活性。

可能存在较大的谐波异步转矩：

分数槽绕组产生的某些低次空间谐波磁场（如 5 次、 7 次）与转子之间可能产生较大的异步转矩。这主要影响电机的启动性能（启动过程中的最小转矩、牵入转矩）和运行稳定性。

虽然对稳态运行的同步发电机影响较小，但在电动机启动或发电机遭遇扰动时需要注意分析。

总结

分数槽绕组在现代交流发电机（尤其是永磁同步发电机和高效感应发电机）设计中应用越来越广泛，其主要优势在于显著改善电动势波形（削弱齿谐波）、降低电磁振动噪声、缩短端部、提高设计灵活性。这些优点对于追求高效率、高功率密度、低噪声和良好电能质量的现代电机至关重要。

然而，它也存在潜在的缺点：可能引入分数次谐波、增加转子附加损耗（需重点管理）、设计计算更复杂、并联支路数受限、可能产生较大的谐波异步转矩。

是否选择分数槽绕组，需要在具体的设计目标（性能、成本、噪音振动要求）、槽极配合的仔细选择以及深入的电磁分析和优化之间进行权衡。 对于中高速、对振动噪声和波形要求高的发电机，分数槽绕组的优点往往更为突出，其缺点可以通过合理的设计和优化得到有效控制。随着设计软件和分析方法的进步，分数槽绕组的设计复杂性已不再是主要障碍。

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