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《电机设计》
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第五章 损耗与效率,5-1 概述,电机损耗可分为下列5类：,（1）定、转子铁心中的基本铁耗，它是由主磁场在铁心中发生 变化时产生的。,（2）空载时铁心中的附加（或杂散）损耗，它是由定转子开槽 引起的气隙磁导变化而产生的谐波磁场在对方表面产生的表面 损耗及脉振损耗。,（3）电气损耗，是由工作电流在绕组中产生的损耗，对直流电 机或同步电机而言，也包括电刷在换向器或集电环上的接触电阻 损耗。,铁心局部截面示意图,（1）、（2）、（5）项损耗称为空载损耗或不变损耗，（3）、（4）项又称为负载损耗或可变损耗。,（5）机械损耗，它包括通风损耗，轴承摩擦损耗和电刷与集电环 或换向器间的摩擦损耗。,（4）负载时的附加（或杂散）损耗，是由定子或转子电流所产 生的漏磁场在定、转子绕组里和铁心及结构件里引起的各种损耗。,5-2 基本铁耗,交变的主磁场在铁心中所产生的损耗，它分为磁滞损耗与涡流损耗两部分。,一、磁滞损耗,单位重量的铁磁物质由交变磁场引起的磁滞损耗ph，即称 为磁滞损耗系数，即：,如果铁心内的磁通密度B1.6T，则系数a0，可略去上式 中的第一项得：,二、涡流损耗,经推导可得单位重量的钢片的涡流损耗为：,铁心中的磁场发生变化时，在其中会感应电流，称之为涡流， 由该电流引起的损耗称为涡流损耗。,三、轭部（齿连轭）及齿部的基本铁耗,将磁滞与涡流损耗系数合在一起，得到钢的总损耗系数 （即单位重量的损耗）的计算式：,对于不同的含硅量的硅钢片，可以通过查表5-1，得到 h，e数值。,如果在一般情况下(指不同的f)，对不同的B值，或者不同的f， 则损耗系数为：,因此，钢中的基本铁耗应为：,利用上式可以求出电机轭中及齿中的基本铁耗。,其中的p10/50表示当B=1T，f=50Hz时的钢单位损耗系数,查表5-1得。,1、定子、转子轭的基本铁耗,2、齿中的基本铁耗,可仿轭部的计算式，得,5-3 空载时铁心中的附加损耗,空载时的铁心附加损耗是指铁心表面损耗和齿中的脉振损耗， 它是由气隙中谐波磁场引起的。而谐波磁场又由两种原因造成：,1、电机开槽引起气隙磁导不均匀，如图所示，产生出磁场的高次谐波；,2、空载励磁磁势空间分布曲线中存在着谐波。,由谐波产生的表面损耗，根据谐波的波长与凸面的间距的相 对大小有不同的情况：,1）凸面的间距（如凸极同步电机）远大于谐波的波长，则谐波 磁通集中于极弧表面一薄层内，在极面感应涡流，产生涡流损耗， 也会在其中产生磁滞损耗，又称表面损耗；,2）凸面间距要比谐波波长要小得多，如齿距t小于谐波波长， 则谐波将深入到齿部并经由轭部形成闭合回路，则在齿中产生 涡流及磁滞损耗，称为脉振损耗。,3）介于上述两种情况之间，既有表面损耗又有脉振损耗。,本节只讨论由铁心开槽引起的空载表面损耗及脉振损耗的计算 方法。,一、直流电机及同步电机实心磁极的表面损耗,二、叠片式磁极及感应电机中的表面损耗,为了减少磁极表面损耗及工艺上的方便，直流机或同步机的 磁极常做成叠片式，以利用片间绝缘层来增加涡流回路电阻，减 小涡流损耗。,叠片式磁极表面损耗的计算仍可按式,来计算，但其中的k0应按表5-2加以确定。,对于感应电机，其定子、转子均由硅钢片叠压而成，双边都 有开槽。因此由定子开槽引起的气隙磁导变化所产生的谐波磁场 在转子表面产生的表面损耗为：,上式中的pA2的数值计算公式为：,01由图5-5查取。,K0为经验系数，主要与硅钢片的规格、性能以及加工质量有关。对于含硅量较低的硅钢片，它等于1.5 ，加工后可达35；对于含硅量较高的硅钢片，它等于0.7，加工后可达1.53。,三、感应电机齿中的脉振损耗,在所示图中的两个不同的定转子齿的相对位置，进入定子 齿中的磁通量不同；其差额为阴影所示的面积。困此，随着 电机的旋转，定子齿中的磁通将发生变化，导致附加铁损耗。,由此引起定子齿里的磁通密度脉振振幅为：,将上式代入下式就得到定子齿中脉振损耗的数值计算公式；,同理可得转子齿中脉振损为：,5-4 电气损耗,一、绕组中的电气损耗,对于多相绕组，则总的电气损耗应为各相绕组的电气损耗的总和，即：,如果电机为m相对称的多相绕组，则各相电流数值相等，电阻 也相同，则电气损耗为：,二、电刷接触损耗,电刷与集电环或换向器间的接触压降与电刷种类有关，与电流 大小无关，因此一个极性下的电刷接触损耗为：,5-5 负载时的附加损耗,一、凸极同步电机负载时的附加损耗,负载时产生的附加损耗的主要原因是由于环绕着绕组存在 有漏磁场。这些漏磁场在绕组中以及在所有邻近的金属结构件 中感应涡流损耗。,另外，气隙中的谐波磁势所产生的谐波磁场以不同的速度相 对转子和定子在运动，在铁心中和在笼型绕组中也会感应涡流， 产生附加损耗。,由额定负载电流引起的同步电机的附加损耗，约等于短路 试验时的附加损耗，因此又称之为短路附加损耗。它包括以下 分量：,（一）短路时由于漏磁场在定子绕组中引起的附加损耗,交流电动机总体结构,机壳,底座,端盖,定子铁心,定子绕组,转子,转轴,（二）短路时漏磁场在定子绕组端部附近的金属部件中产生的 附加损耗,它是由于漏磁场交变而引起的集肤效应，使交流电阻大于 直流电阻，增加的电阻部分的损耗即是漏磁场在绕组中引起的 附加损耗。它等于：,由于绕组端部电流空间分布比较复杂，准确计算这些附加损耗 比较困难，一般用经验公式进行计算。,（三）定子绕组磁势谐波在转子磁极表面引起的表面损耗,1、定子相带谐波磁势在磁极表面产生的附加损耗,单位表面积的附加损耗系数的计算公式为,将各次相带谐波磁场的磁密幅值、极距、频率代入上式， 然后相加再乘以面积，即得所有这些谐波在磁极表面产生的表 面损耗为：,表面损耗的经验计算公式（相带谐波产生），见书P88。,2、定子齿谐波磁势在磁极表面产生的附加损耗,相应的经验计算公式见书P89。,（四）短路电流为额定值时磁场的3次谐波在定子齿中产生的 附加损耗,在凸极同步电机里，转子励磁磁势及电枢反应磁势的基波分量 均会在气隙里产生3次谐波磁场（由于气隙的不均匀）。,由3次谐波磁场在定子齿中产生的附加损耗的经验计算公式如下：,二、感应电机负载时的附加损耗,主要由以下几部分组成 1、定子绕组漏磁场在绕组里及绕组端部附近的金属部件中产生的 附加损耗； 2、由定子磁势谐波产生的磁场在笼型转子绕组中感应电流引起的 附加损耗； 3、定子磁势谐波产生的磁场在转子铁心表面引起的表面损耗；,4、在没有槽绝缘的铸铝转子中，由导条间的横向电流产生的损耗,由于组成项目复杂，因此感应电机负载时的附加损耗通常 不进行详细计算。一般是按电机额定功率的百分比来估算。 例如，采用压力铸铝转子工艺的感应电机，其附加损耗约 占输出功率的23%。,降低感应电机负载时附加损耗的措施,1、采用谐波含量少的定子绕组型式，例如采用双层短距分布 绕组，或单双层绕组来替代单层绕组；,2、采用定子与转子槽数的近槽配合；,3、采用斜槽。,三、直流电机负载时的附加损耗,直流电机负载时的附加损耗一般取功率的0.51%,5-6 机 械 损 耗,机械损耗包括轴承损耗、电刷摩擦损耗、通风损耗等。,一、轴承摩擦损耗,二、通风损耗,三、轴承摩擦和通风损耗pfw,在一般电机中，常把这两种损耗综合在一起计算。,（一）直流电机,1、对于电枢直径Da0.5m、轴上没有风扇的电机，pfw可按 以下数值计算：,2、对于电枢直径Da0.5m、采用滑动轴承的电机，则pfw计算 公式为：,3、对于采用滚动轴承且轴上装有风扇的中小型直流电机， 损耗pfw可按图5-14的曲线来确定。,（二）感应(异步)电机,1、对于径向通风的大型电机， pfw可按以下数值方程计算：,2、对于中小型电机，可按下式计算pfw,（三）凸极同步电机,电动机的效率可用下式计算：,发电机额定负载时效率可用下式计算：,5-7 效 率,（四）电刷与
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