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其中 l=1,2…,为导磁系数的谐波次数;导磁系数各次谐波分量的计算参见文献[1]。 将式(5)、式(7)代入式(6),并根据机械角度和电角度的关系进行适当的变量置换,经整理后得:
(8)
式中 ; ,为k次谐波的短距系数,θy′为线圈跨距的电角度;αs′为定子槽距角的电角度。 对于式(8)中
(9)
(10)
式(9)中第1项积分为0;第2项只有当k=k′时,积分不为0,且有式(11)成立。
(11)
式(10)中第1项积分为0;第2项只有当k+k′=2l时积分才不为0,且有式(12)成立。
(12)
式中 。 因为式(12)中第2项和为0,所以
(13)
式(10)中的第3项、第4项只有当|k-k′|=2l时积分才不为0,且有
(14)
式中 。 对式(14)进行和差化积后可得:
(15)
由式(11)、式(13)和式(15)可得定子绕组两线圈主互感的表达式为:
(16)
式中
(17)
(18)
其中 ,为极距。 由式(16)可知,定子绕组单个线圈间主互感的表达式为一偶次项余弦级数。当转子磁极轴线处于2个线圈的中间位置时,即 ,互感的绝对值最大,这是符合物理意义的。当i=j时,式(16)就是单个线圈自感的表达式。转子绕组的电感和定、转子之间的互感按照以上方法可以得出,限于篇幅,这里不再详述。有了单个线圈的电感,根据电机故障或正常运行时回路绕组的连接关系组成相应的回路参数,可用于分析电机各种运行状态下的性能。
3 定子单个线圈电感的计算实例分析及简化表达式
根据式(17)和式(18)可以分析各次谐波对电感参数的影响程度,以SF125—96/15600凸极同步发电机为例,图3给出了只计基波(k=1,P对极)时定子第0号线圈与顺序第i号线圈互感常数项与槽号的关系曲线,该电机为分数槽绕组,每极每相槽数为2+3/4。此时互感常数项随槽号的变化关系呈余弦函数形式,这与物理概念是相符的。

图3 只计基波时定子第0号线圈 与顺序i(0~32)个线圈互感的常数项 Fig.3 Constant terms of mutual inductances between the 0-th and the i-th coil of stator only considering the space first-harmonic of magnetomotive force
由式(17)和式(18)可知2个线圈间互感的常数项和各偶次项系数为一无穷级数,谐波次数取值的多寡将直接影响到互感计算的精度。图4为定子第0号线圈与第y号线圈的互感常数项与最高谐波计算次数取值的关系,其中y为定子线圈节距(以槽数表示),该凸极电机y=7。从图中可见,互感表达式级数相应项随谐波计算次数的增加衰减较慢,所以,为了保证电感的计算精度,必须计算到较高次谐波。同时,经过分析发现在一定的精度要求下不同的电感参数其最高谐波计算次数的取值也不同。这就产生了一个问题,在实际计算中谐波计算次数究竟取到多少才算满足参数计算精度,换句话说,有没有一种方法能把所有次谐波都考虑进去。答案是肯定的,下面我们以定子单个线圈间互感常数项的计算为例进行说明。

图4 第0号定子线圈与第y号线圈的气隙互感常数项 和最高谐波计算次数取值nmax的关系 Fig.4 The relationship of constant terms of mutual inductances between the 0-th and the y-th coil of stator with the given highest space harmonics nmax of magnetomotive force
根据前面绕组函数的定义,定子第i号线圈的绕组函数也可以写成如下形式:
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