电机设计--损耗与效率

第五章损耗与效率51概述一、损耗与效率的关系效率是电机的一个重要性能指标耗材尺寸,BAP效率高低取决损耗大小P材料性能、绕组型式、电机结构等高效电机就是设法降低电机的损耗、多用材料。二、电机损耗分类铁心中的基本损耗主要是主磁场在铁心中交变产生的磁滞、涡流损耗表面损耗定转子开槽而引起的气隙磁导谐波磁场在对方铁心表面产生的损耗空载铁心中附加损耗脉振损耗定、转子开槽使对方齿中磁通因电机旋损耗转而变化所产生的损耗电气损耗工作电机在绕组铜中产生的损耗，包括接触损耗负载时附加损耗漏磁场包括谐波磁场在定、转子绕组中、铁心及结构件中引起的各种损耗机械损耗通风损耗、轴承磨擦损耗、电刷和换向器（集电环）磨擦损耗52基本铁耗产生的原因由主磁场在铁心内发生变化时所产生的主磁场的变化交变磁化性质变压器铁心、定转子齿中发生旋转磁化性质定、转子铁轭中发生的一、磁滞损耗1、磁滞损耗系数单位质量铁磁物质内由交变磁化引起的磁滞损耗HP2、磁滞损耗耗系数计算在电机铁心内磁通密度时TB610磁密振幅交变磁化的频率下测在周波频率取决于材料性能的常数FHZFPHHH502与、有关，与材料有关HPFB任意频率下250BFPH3、旋转磁化引起的磁滞损耗一般较交变磁化放大4565（轭磁密一般在1015T）这在以后计算基本铁耗时用系数考虑。AK二、涡流损耗1、产生的原因铁心中的磁场发生变化时，在铁心中感应电势，会产生电流，这电流即涡流。由它引起的损耗为涡流损耗。2、涡流损耗系数计算电阻率钢片密度钢片厚度FEFEEEDDFBP622任意频率下250FPE涡流损耗系数与、及材料厚度平方成正比。EBFFE三、轭部及齿部的基本铁耗1、钢的损耗系数（比损耗）2250BFFPEHEHFE2、钢比损耗简便计算（瓦/公斤）312501FBPFE3、基本铁耗计算PBKGKPAFEFEAFE同使旋转磁化与交变磁化不随时间不按正弦变化分布不均匀接考虑钢片加工后钢自短量交变或旋转磁化的钢质4321定子或转子（齿联）轭中的基本铁耗轭中的损耗系数312501FPJFEJ轭中基本铁耗31105,633ANAJFEAEJKVAPKKWGKP异步机隐直流机齿中基本铁耗齿中的损耗系数312501FBPTFET齿中的基本铁耗71100284103ANATFEAETKVAPKKWGPKP同步机异步机直流机4、降低铁耗方法（使各部分磁密不要过高）；BB（）；FE501PE选用好材料501250125013PDPD53空载时铁心中的附加损耗（一）空载时铁心中的附加损耗指的是铁心表面损耗、齿中脉振损耗（二）附加损耗产生的原因气隙中谐波磁场电机铁心开槽导致气隙磁导不均匀空载励磁磁势空间分布曲线中有谐波脉振损耗表面损耗间凸凹面间距介于它们之损耗磁滞涡流脉振小得多比谐波波长异步齿距凸凹面间距涡流损耗表面损耗大得多比谐波波长同步极距凸凹面间距磁势谐波磁场更高次谐波磁场气隙不均匀高次谐波磁场气隙均匀齿谐波磁势相带谐波磁势谐波磁势气隙磁导齿谐波磁场匀铁心开槽气隙磁导不均基波磁势0FI气隙谐波磁通的路径A在极弧表面B深入齿部C在表面及齿中下面仅介绍由铁心开槽引起的空载表面损耗及脉振损耗的计算方法（空载励磁磁势谐波产生的这类损耗，一般在隐极同步机中方需考虑）一、直流机及同步机整块（或实心）磁极的表面损耗1、产生原因是由气隙磁导齿谐波磁场与磁极表面相对运动在磁极表面引起的涡流损耗。因为频率很高，基本上集中在表面一薄层内，称表面损耗。齿谐波（磁场）频率60ZNF齿谐波磁密最大值BKBKBMAXMAX01查取曲线由00AX0B2、磁极表面涡流损耗计算假设A谐波磁密在空间按正弦分布，其幅值为（忽略极面涡流对的削弱作用）；0B0BB磁极磁导为常数（不考虑饱和）；C磁极轴向长度较长，磁极表面仅有轴向电流。方法麦氏方程偏微分方程解方程通解代边界条件特解单位表面涡流损耗5120204ZNTBKBQZZ实际上考虑假设引起误差，忽略磁滞，要大（按表52）510604K0K如为正弦分布，则气隙磁导齿谐波也将作正弦变化。B2002512001SIN1BDXBZNTBKQ平均值表面损耗1030KWAQPPFE3、表面损耗与哪些因素有关与成正比20BFEPBBBBK,1000有关与大小有关与与（即磁密波长）有关2TEPTT,表面损耗与成正比51ZFFEPZZFNF,60与磁极材料的导磁导电性能有关FEPK,0二、叠片磁极及异步机中的表面损耗1、叠片磁极的表面损耗计算为了减小磁极的表面损耗，直流机、凸极机磁极常做成叠片，利用冲片表面形成的天然氧化膜绝缘层增加涡流回路的电阻，电流，RIP21030KWAQPPFE（叠片小，大）/2520MZNTBK0Q2、异步机中的表面损耗异步机定转子都有槽定子槽气隙磁导齿谐波磁场转子表面损耗；转子槽气隙磁导齿谐波磁场定子表面损耗。（一般异步机转子半闭口槽在定子表面引起损耗小，气隙小）转子表面损耗转子铁心外径及长度转子齿距及槽口宽2032002,1TTLDBKWBLDQP定子槽开口引起的齿谐波磁场在转子单位表面中损耗齿谐波磁场也近似正弦气隙磁导气隙主磁场正弦分布查图,505/5011011251202BKBFMNZTQ351701,00KK加工后高含硅量加工后低含硅量加工性能有关与材料三、异步机齿中的脉振损耗1、产生原因定转子齿槽旋转时定、转子之间相对位置不断变化齿对齿进入定子齿磁通最大齿中磁通发生变化脉振损耗转子槽对定子齿进入定子齿磁通最小定子齿中磁通的脉振2、计算单位轴向长度磁通变化量有关1022020220BFBKSBBKSB定子齿磁密脉振振幅理论推出阻尼系数21512020201BBKSBTFEP（脉振磁通在转子导条中引起环流，此环流产生相反磁场，力图阻尼脉振磁通穿过齿部，环流产生的其它次的谐波磁场也将产生阻尼作用。）022112102155BBTKTBKBBBTTTFEP定子齿中平均磁密上式是根据定转子齿槽尺寸关系最不利的情况下得出的；如果我们只考虑脉振损耗中的涡流损耗，而频率较高，齿钢片磁导率变化的影响，实际磁密脉振振幅要小一些，计算时可用来补偿。1K112TPB最后得出脉振损耗的计算公式磁密脉振振幅定子齿的质量频率定子齿脉振磁通的交变常数取决于材料规格及性能引入的损耗增加系数考虑加工及磁场非正弦化考虑脉振磁场按正弦变1121312112605050TPTZETPZEPBMNFKBFK近似以代入60,5,221NZFKE（定子）92107TPPB类似（转子）212TMN工厂实际计算空载附加损耗实验数据；用基本铁耗取大一点计算AK齿310TFEETMPP轭（取大点考虑空载附加损耗）310JFEAEJMPKPAK54电气损耗一、绕组中的电气损耗3210XCURIP交流M相R是换算到基准工作工作温度的绕组直流电阻3二、电刷接触损耗VUIUPBBC301103对金属对碳和石墨一个极下55负载时的附加损耗一、负载时附加损耗产生的原因电机带上负载后，绕组中通以电流，环绕着绕组存在漏磁场。漏磁场在绕组中附近所有的金属附件中产生涡流损耗；定子和转子绕组在气隙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运动，在铁心中和鼠笼绕组中产生涡流附加损耗。空载附加损耗主要讨论基波磁场气隙磁导齿谐波磁场负载时附加损耗一般难于精确计算，通常以额定功率的百分之几大约估算。二、凸极同步电机负载时的附加损耗由额定负载电流引起的同步电机的附加损耗，约略等于短路试验（电枢电流为额定值、转子堵转）时的附加损耗，所以又叫短路附加损耗。铁心中的基本损耗主要是主磁场在铁心中交变产生的磁滞、涡流损耗短路时由于漏磁场在定子绕组中引起的附加损耗短路时由于漏磁场在金属部件中引起的附加损耗相带谐波磁势短路附加定子谐波在转子表面引起表面损耗损耗齿谐波磁势磁场的三次谐波在定子齿产生的附加损耗（磁势中若含三次谐波磁势，但由于凸极机气隙分布不均匀，使直轴三次谐波分量与转子磁势三次谐波分量叠加在定子齿中产生附加损耗）（一）短路时由于漏磁场在定子绕组中引起的附加损耗短路漏磁场定子绕组挤流增加的这个电阻上的损耗直流电阻RMIPCU2交流电阻绕组电阻增加系数KIFP2FK附加损耗CUFCUAD1（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按经验公式计算定子电负荷损耗系数定子内径极距152112103APAPMDPFDCCICIPL（三）定子绕组磁势谐波在转子磁极表面引起的表面损耗一个槽中心而产生的而集中在电枢表面由于导体不均匀分布在齿谐波磁势相而大小不一产生导体中电流因属于不同使沿电枢圆周边分布的由于相带存在相带谐波磁势谐波磁势基波磁势,FI1、定子相带谐波磁势在磁极表面产生的附加损耗一般根据工厂经验公式计算5120032321ZNTBKQKWSPPKXQPPFEFEADK空载磁极表面损耗3表系数值纵轴电枢反应电抗标么XADMPZQK21短距系数A各相导体在槽中的分布情况B磁势曲线及其分解。其中阶梯形曲线表示当A相电流达最大值时的三相合成磁势曲线C齿谐波磁势曲线D相带谐波磁势曲线相带谐波损耗与哪些因素有关A与短距系数有关。谐波次数是5、7、11当08相带谐波中的较低次分量（5次及7次）因绕组短距而被大大削弱采用短距绕组可以降低转子表面损耗。B表面损耗还与电负荷有关。，谐波磁势大，损耗大。1A1IC与有关。谐波磁势谐波磁通是经过气隙而与转子交链的相对气隙大磁阻越小同样磁势磁通大损耗大。2、定子齿谐波磁势在表面产生的附加损耗一般工厂计算方法极靴中心处气隙极尖处气隙比例系数定子槽数空载磁极表面损耗MAXAX1512003212023KKZNTBKQKWSPPKZXPPFEFEADTK推导公式2512410265KNZTAKPEFPTK与哪些因素有关A与值有关。，齿谐波磁势，表面损耗（有关）。1Q141TB与有关。，谐波磁势大，损耗大。AIC与有关。（四）短路电流为额定值时磁场的三次谐波在定子齿中产生的附加损耗1、凸极机气隙不均匀，转子励磁磁势与电枢反应磁势的基波分量均在气隙中FFAF产生3次谐波磁场。短路时，定、转子3次谐波磁场互相叠加。凸极同步电机的三次谐波磁场A直轴电枢反应磁场曲线B励磁磁场曲线2、计算,15327150,10710311501345BAABBXAFPGKWGBPDMTTADDTTTT查图电枢反应谐波磁场系数次谐波磁场系数磁极平均磁密空载额定电压时定子齿单位质量损耗定子齿重量磁极及电枢反应3次谐波磁场系数计算3、与哪些因素有关尽量使励磁磁势分布接近正弦，电枢反应磁势。三、异步机负载时的附加损耗1、影响异步机负载时的附加损耗不进行详细计算，一般按0。5PE计算，这是很不精确的。对于采用压力铸铝工艺的小型异步机，达23，有的甚至达45。该损耗对电机的经济性、启动性能影响很大，造成温升过高。2、笼型转子异步电机附加损耗包括哪几部分定子绕组的漏磁场在绕组内及端部附近金属部件中产生的附加损耗；定子磁势谐波产生的磁场在转子绕组中感应电流引起的附加损耗；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，忽略脉振损耗；没有槽绝缘的铸铝转子中，由泄漏电流产生的损耗。（一）在直槽的情况下，由定子磁势谐波在笼型转子内产生的附加损耗1、相带磁势2124124IRZKNMPDP定子谐波磁势齿磁势ZMZICP212有关与查由图损耗系数对应于一阶齿谐波频率条交流电阻折算到定子边的转子导定子谐波绕组系数次谐波的绕组系数假设转子绕组对转子导条交流电阻定子相电流12221,5,ZCRKIMZDP2、与哪些因素有关与定子绕组谐波绕组系数，转子绕组假想绕组系数有关。DPK2K2KDP与谐波次数有关；2,B与定转子槽数比值有关；一般采用近槽配合。,1Z与转子槽数有关；，少槽。42122,750,ZKPIEFPZ（二）斜槽情况下，如导条未绝缘，由定子磁势谐波在转子中产生的损耗0,4214212接触电阻决定于导条与铁心间的损耗横向电流导条绝缘不好如斜一齿距齿谐波磁势矢量相加导条中相带谐波磁势导条绝缘很好斜槽ZSKDPEEIRKNMP（三）降低异步电动机负载附加损耗的措施节能损耗附加损耗1、采用谐波含量较少的各种定子绕组型式（双层短距分布、单双层、正弦、Y混合）谐波磁势损耗；2、采用少槽近槽配合；3、采用斜槽，增大导条与铁心间接触电阻；4、适当增大气隙；5、采用磁性槽楔或闭口槽。56机械损耗轴承摩擦损耗与摩擦面上压力、摩擦系数及相对运动速度有关机械损耗电刷摩擦损耗与速度有关通风损耗与电机结构、风扇型式、通风系统中的风阻速度有关机械损耗也难以准确计算，一般以已制好的试验数据估取，或按经验公式估算。四、轴承摩擦损耗滑动轴承的摩擦损耗/0215050/101503225023550SMVMSNLDPKWVLDPLJJJJJJJF轴颈的圆周速度度时油的粘度工作温度轴颈长度轴颈直径压强轴颈投影面上的压力或滚动轴承的摩擦损耗/1058SMVDNFKWVDFPF滚珠中心处圆周速度滚珠中心处的直径轴承的速度负荷五、通风损耗/1075332SVKWVPW风扇外圆的圆周速度通过电机的通风量六、轴承摩擦和通风损耗的实际计算方法1直流机对于直径为，轴上没有风扇的电机/31901036SMVKKWPVKPA