广东井得电机股份有限公司 广东五华 514400
摘要：根据当前我国汽车运行情况来看，车用永磁发电机的谐波在一定程度上会影响电压品质，只有采取针对性的措施抑制谐波，才能够不断优化发电机的输出性能，最终提高汽车用电设备的安全性与稳定性，促使汽车用电设备的使用寿命得以延长。根据常规的抑制永磁发电机谐波结构参数来看，多数情况下都是理论分析所得，因此结构参数的准确度难以提高。想要提高永磁发电机结构参数的准确性，开展抑制谐波优化性能设计，就需要从永磁发电机谐波电动势的解析表达式入手，最终优化设计出最佳参数。为减少永磁发电机谐波对汽车用电设备电压带来的影响奠定坚实的基础。
关键词：永磁发电机；抑制谐波，性能设计
在汽车运行过程中，发电机性能的好坏直接影响了汽车的功能性以及用电设备的使用寿命。根据相关研究显示，永磁发电机具有高功率密度、高效率以及高可靠性等优点，在汽车行业的应用前景十分广阔。在永磁发电机使用过程中，因为定子齿槽、绕组分布等因素，导致永磁发电机在应用过程中会存在有较强的高次谐波。进而导致永磁发电机运行时影响电动机感应电动势波形的正弦性，使得电动机的供电质量难以提高。针对此类现象，只有采取针对性的措施抑制谐波带来的影响，才能促使电动机稳定运行，保证永磁发电机运行时的输出性能，为汽车用电设备的正常使用提供保障。
一、影响汽车永磁发电机谐波的因素
根据永磁汽车永磁发电机的运行情况来看，影响永磁发电机谐波的主要因素为发电机内容定子齿宽度以及定子槽中心宽度导致。永磁发电机在运行时，发电机谐波电动势的解析表达式如下所示。
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在该解析表达式中，
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代表的是永磁发电机运行时的定子斜槽系数，解析表达式中的
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、
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分别代表的是定子齿中心宽度以及每对级对应的槽数。这个表达式中的
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，其中
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代表的是永磁发动机运行时的定子槽数，
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为极对数。此外，解析式中的
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分别代表的是定子相对转子的相对速度，永磁发动机运行时的气隙磁通密度、谐波幅值、气息磁导n次谐波的幅值以及主气隙磁势n次谐波的幅值。
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代表的是转子角速度、
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代表的是定子坐标中的电角度。由该解析表达式可知，永磁发电机在运行时定子槽数与每对极对应的槽数有着正比关系，因此在探究影响永磁发电机谐波时，只需要考虑每对极对应的槽数S便可。当电动机里的定子内圆直径、气隙长度确定后，电动机运行时的永磁转子参数便可不再考虑。具体来看，影响汽车永磁发电机谐波的因素有每对极对应的槽数、定子槽深度、定子槽槽口宽度等[1]。相关人员需要从以上内容入手，探究谐波对永磁发电机运行时产生的影响，以便能够确定合适的数值，提高永磁发电机的运行质量与效率，为汽车稳定性、可靠性的提高奠定坚实的基础。
二、定子槽参数对谐波电动势的影响规律
根据永磁发电机的运行情况来看，对发电机谐波电动势有影响的电子槽参数有定子槽的槽口宽度、定子槽的中心宽度、定子槽深度、定子斜槽数以及每对极对应的槽数，这些参数的设置对于发电机谐波电动势有着较大影响。想要减轻谐波对发电机带来的影响，就要从这五方面入手，设置科学合理的参数。笔者根据自身多年经验，从下述内容详细论述了定子槽参数对谐波电动势带来的影响。
（一）定子槽槽口宽度
本文以表贴式永磁发电机为例，该发电机的型号规格为三相12极36槽，发动机运行时的额定功率、额定电压、额定转速分别为1000W、28V以及4000r/min。发动机在运动时，主气隙长度为0.4MM。相关人员在探究定子槽槽口宽度对永磁发电机的影响时，需要利用ANSYS有限元仿真软件建立相关模型[2]。仿真模型空载状态下的感应电动势曲线以及傅里叶变换得各次谐波幅值如下所示。
表1：发电机空载状态下感应电动势谐波幅值
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由上表可知，永磁发电机在运行过程中，发电机在空载的情况下，产生的感应电动势谐波，3、5、7、9次的谐波幅值最高。这些幅值基本上就是发电机运行时谐波电动势对发电机感应电动势造成的影响。具体来看，在空载状态下，永磁发电机在运行过程中，随着定子槽槽口宽度的增加，发电机的基波幅值逐渐下降。由此可见，定子槽槽口宽度对发电机的运行质量有一定影响。
（二）定子槽的中心宽度
永磁发电机在空载状态下运行时，定子槽中心宽度选择4.2~6.2mm，当步长为0.2mm时，此时仿真模型在运行过程中，永磁电动机的空载运行感应电动势如下图所示。
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图2：不同定子槽中心宽度情况下发电机感应电动势的变化曲线
由上图可知，永磁发电机在空载状态下运行时，定子槽中心宽度的增加，在一定程度上会导致感应电动势的波形波峰顶部凹陷越高。发电机感应电动势的顶部高度逐渐会出现降低现象。总的来说，在永磁发电机空载运行状态下，定子槽的中心宽度对于发电机的谐波电动势有着直接影响。当定子槽的中心宽度选择在基波幅值合理的情况下，需要考虑发电机的谐波幅值降低情况。在本文中，永磁发电机在运行时，定子槽的中心宽度选择5.2mm最合适，。因此在永磁发电机运行时，定子槽的中心宽度要选择5.2mm，为提高发电机的运行效率提供保障[3]。
（三）定子槽深度
在本文中，探究定子槽深度对永磁发电机带来的影响时，定子槽深度选择10~14.8mm，步长选择0.4mm。相关人员在方阵求解不同定子槽深度的过程中，空载状态下，不同定子槽深度，发电机的感应电动势变化情况如下图所示。
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图3：不同定子槽深度时发电机感应电动势的变化曲线
由上图可知，在永磁发电机运行过程中，定子槽深度变化直接会影响发电机感应电动势。根据上图来看，定子槽深度的增加会导致发电机运行时波峰顶部的凹陷由原先的矩形变成V形。具体来看，永磁发电机在运行过程中，定子槽深度的增加会导致发电机基波幅值产生变化，在本文中，定子槽深度取14mm最合适。
（四）定子斜槽数
永磁发电机在运行过程中，谐波电动势的矢量相加的。此时相关人员如果将定子槽倾斜一定程度，那么槽内的电枢绕组轴极有可能向周边感应的谐波电动势相位不同。因此，电动机运行时的部分谐波电动势极有可能会出现相互抵消的现象。当定子槽的倾斜程度设置为0.1~1.6的槽距，步长为0.1槽距时，永磁发电机空载时感应电动势的谐波幅值变化曲线如下所示。
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图4不同定子斜槽个数时发电机谐波幅值变化曲线
由上图可知，定子斜槽个数的增加会导致7次与9次的谐波幅值整体呈现出下降趋势。在此过程中，3次与5次的谐波幅值呈现出先下降后上升的变化。当定子斜槽的槽距设置为1.2个槽距时，我们可以发现，发电机运行时的5次谐波幅值最低，当钉子斜槽的槽距为1.4个槽距时，发动机的基波幅值呈现出下降趋势。根据这一现象我们可知，在永磁发电机运行过程中，定子斜槽的槽距选择1.2个最为合适。
（五）每对极对应的槽数
影响永磁发电机感应电动势较为强烈的高次谐波齿谐波的K阶谐波次数可以通过以下公式表达：
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由上式可得，发电机在运行过程中，可以通过改变每对极对应的槽数S，来将发电机中的齿谐波次数进行改变。根据运行情况来看，槽数越大，发电机的齿谐波次数越高[4]。
三、优化结果分析
根据文中上述分析内容来看，在永磁发电机运行过程中，确定每对极对应的槽数时，需要对发电机的定子槽参数尺寸进行优化。优化后的定子槽参数如下表所示。
表5：优化后的定子槽参数表
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在将永磁电动机定子槽参数设置为以上内容后，我们可以发现优化后的永磁电动机各次谐波幅值全部出现了降低现象。具体表现如下图所示。
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图6：永磁发电机空载感应电动势优化前后曲线图
由上图可知，参数经过优化后的永磁发动机在运行过程中，空载状态下感应电动势曲线波峰顶部的平滑度明显提高，并且整个曲线的正弦性明显增强。根据国家标准以及行业标准来看，永磁发电机在运行过程中，电压波形正弦型的畸变率不能大于5%。因此相关人员在对发电机进行优化时，一定要使得发电机线电压波形畸变率满足上述标准。根据本文中的参数优化结果来看，优化后的永磁发电机在运行过程中谐波抑制效果十分显著，发电机的输出性能明显提高。
四、结语
综上所述，永磁发电机作为汽车运行安全性、可靠性的重要保障，直接影响了汽车用电设备的运行情况。根据相关研究显示，定子槽深度、槽口宽度、中心宽度以及定子斜槽个数、每对极对应的槽数都直接影响了发电机的正常运行，通过实验将上述参数进行优化后发现，永磁发电机在运行过程中，空载状态下电动势波形平滑度明显提高，并且发电机的各次谐波幅值均出现了较大幅度的降低。根据相关数据显示，经过参数优化后的发电机，电压波形正弦性畸变率低于5%，满足国家以及相关行业的标准要求，谐波抑制效果十分明显，永磁电动机运行时的输出特性明显提高。
参考文献：
[1]耿慧慧，张学义，张羽丰等.汽车永磁发电机抑制谐波优化性能设计[J].计算机仿真，2019，036（005）：144-149.
[2]苗磊，张勇军，童朝南等.基于模型预测直接转矩控制的永磁同步发电机效率优化研究[J].电工技术学报，2018，033（015）：3535-3546.
[3]周荔丹，李杏，姚钢等.MP-MMC驱动六相永磁风力发电机建模及控制研究[J].电机与控制学报，2019，023（005）：84-92.
[4]邓隐北，王雷，彭晓艳等.永磁同步发电机、风轮机、蓄电池的风电系统中，为最佳能量管理设计的新型控制器[J].电源世界，2018，000（001）：P.30-38.