本发明涉及发电机/电动机转子的结构设计，具体涉及一种将气隙磁通的谐波含量降到最小的、凸极发电机（电动机）的新型转子结构设计。 当将一个发电机（电动机）的一个特定负荷点上的气隙磁通分布跟在无载情况下的来进行比较，即使在优良设计的发电机/电动机中，可观察到在负载点上的主要谐波的振幅有显著的增长。这将导致电压谐波、定子齿铁损与感生（磁致伸缩或其它）噪声。当发电机或电动机向诸如负载转换变换器（LCI-load commuted interverter）或循环变换器（CCV-cyclo-converter）的滤波不完全的功率调整装置输送功率或从其接收功率时，这些效应显得特别显著。根据本发明，确定将发电机（电动机）的转子按一个特定地负载点来进行设计而不是按无载条件来进行设计、使其对谐波的影响在该负载点上降到最低是最合乎需要的。
常规的凸极发电机（电动机）的转子相对于每个磁极的轴线是几何对称的。这种构形在发电机无载运行的情况下在磁性上是最佳的，因为磁场轴线与几何轴线重合。但是在有载情况下，这些轴线不重合，从而使转子的磁场分布不再对每个磁极的轴线对称，这使转子由于磁极材料的非线性磁化特性而不均匀地饱和（磁性）。
通过将头几个转子槽的磁极后沿（或前沿）向内移向磁极轴线使转子不对称的圆转子发电机是公知的，见例如美国专利4，902，941与3，634，707。另一方面，本发明人不知道有那一个现有技术曾经尝试按一个特定的负载点来对一个凸极电机的转子几何构形进行修整。
因此，本发明的主要目的在于在一个特定的负载点而不是在无载点将气隙磁通的谐波含量降到最低。这个最佳设计将（1）降低电压谐波，（2）降低定子齿铁损，和（3）降低在整个负载范围内、特别是在额定负载点产生结构噪声与空气噪声的电磁激发。
如前所述，如果气隙磁通的谐波含量降低了，就可以得到显著的益处。由于定子应当是对称的以便放置最紧凑及最有效的多相电枢绕组，实现本发明的目的的重点必然要转移到气隙和转子构形上。在常规的凸极发电机中，转子磁极对称地成形使之在磁极中心具有最小的气隙。气隙在磁极边缘、在磁极轴线两边逐渐增大（达50%）。这有助于改善由转子绕组形成的磁通分布的波形系数。
根据本发明，整个转子磁极要修整到使得出的磁场分布在同时考虑到转子绕组电流与电枢绕组电流的影响的情况下具有最小的谐波含量，即，谐波含量在一个特定的负载点上而不是在无载状态下降到最低。
在一个示范性的实施例中，将转子极靴的跟与其相联的定子形成一个气隙的外表面修整到使在极靴的后沿的气隙大于在极靴的前沿的气隙。但是，应当理解到极靴的最终形状并不限定于任何特定的非对称构形。而是，极靴的形状根据该发电机（电动机）在一个预定负载点的最小谐波含量来决定。换句话说，在本申请中公开的特定示范性实施例只是为了示范目的。
因此，根据本发明的宽一些的方面，提供了一种改进一个发电机（电动机）的运行特性的方法，该方法包含以下的步骤：
a）提供一个具有一个基本上是圆筒形的内表面的定子;
b）提供一个在定子内转动的转子，该转子具有至少一对极靴，每个极靴具有一条纵向磁极轴线和一个在定子与转子之间形成一个气隙或磁通间隙的径向外表面;和
c）对该径向外表面进行修整，以在一个预定的发电机负载的情况下达致最小的谐波含量。
在另一方面，本发明提供一种包含一个基本上是圆筒形的定子表面和一个设置成在定子内转动的多极转子的发电机;该多极转子包含多个极靴，每个极靴沿着一条相应的磁极轴线伸展，并且每个极靴具有一个邻近定子表面以在表面间形成一个磁通间隙的径向外表面;该外表面的形状根据发电机的在一个负载状态下、例如在额定负载状态下的谐波磁通密度来进行修整。
本发明的其它目的与优点，从下面的详细描述中将更显清楚。
图1是一个常规凸极电机的部分径向周向截面图;
图2示出本发明的一个凸极发电机，其中转子磁极的前沿逐渐增长地伸入空气隙内，而其后沿则沿径向内缩。
参阅图1，示出了一个公知的四极发电极机10，这个发电机具有设置成在极靴16（只示出一个）与定子14之间形成一个气隙G的一个转子12和一个定子14，定子14的内表面是基本上圆筒形的。可以看到，转子12相对于其磁极轴线20几何对称，气隙在磁极中心最小，分别朝前沿和后沿22、24增大（达50%）。这个构形对运行在无载状态下的发电机在磁性上是最佳的，在这种状态下，磁场轴线与几何轴线重合。
但是，在负载情况下，确定了磁场轴线跟几何轴线不重合，结果使转子磁场分布不再是相对于其磁极轴线对称。这使转子由于磁极材料的非磁性磁化而不均匀地饱和（磁性）。作为示例，对一个在负载情况下运行的过激发电机来说，转子磁极的后沿饱和更甚，因为它的磁通量比其前沿的大。
对一个特定的发电机，如果，例如，基波（一次谐波）电压设定为每单位1.0，所产生的电压波的无载数值计算出为1.14功率单位。在这里，1.14＝（1+0.552）0.5，其中0.55功率单位是除了基波以外的所有谐波的均方根值。在额定负载情况下，相应的均方根数从1.14增大到1.31功率单位。
根据本发明，确定了可以对转子磁极进行修整，使得出的磁场分布在同时考虑到转子绕组电流与电枢绕组电流的影响的情况下具有最小的谐波含量。
参看图2，示出的凸极发电机具有跟图1所示的相同标号，只是在前面加上“1”，以表示相应的部分。该四极发电机110包括有设置成在极靴116与定子114之间形成气隙G的一个转子112与一个定子114。该定子的内表面118也是基本上圆筒形的。
但是，根据本发明的这个示范性实施例，极靴116的外表面不是对磁极轴线120对称的。而是，在前沿区122处的间隙小于在后沿区114处的间隙。在磁极轴线处的间隙小于在后沿处的间隙而大于在前沿处的间隙。
这种在周缘上做成斜的磁极构形促使磁通密度在转子磁极表面上更为均匀，进而使气隙磁通密度分布更趋于正弦形。为了仅仅作为解说的目的，所示的发电机经受过激负载状态，以示出本发明的可能的优点。可比的谐波数值为1.27功率单位（谐波只有0.79功率单位）。对这个涉及磁极面的不对称成形的示范性实施例，总谐波磁通密度水平从19.2%降到13.8%，磁通密度降低了约28%。
应当理解到，本发明不受限于任何一个特定的气隙形状或构形。本发明在于实现磁通密度能够在有载状态下、而不是在无载状态下、减到最小，并且这个最小化可以通过改变磁极的形状直到对发电机（电动机）的一个给定负载、例如额定负载、达致最佳化来实现。
尽管本发明结合目前认为是最实用以及最优选的实施例来进行描述，但是应当理解到，本发明并不受所公开的实施例所限制，而是旨在包括所有包括在所附的权利要求书的精神与范围内的各种改进与等效的排列布置。