第五章 损耗与效率

1、第五章第五章 损耗损耗与效率与效率 5-1 概述概述 电机损耗可分为下列电机损耗可分为下列5 5类：类： （1 1）定、转子铁心中的基本铁耗，它是由主磁场在铁心中发生）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。变化时产生的。 （2 2）空载时铁心中的附加（或杂散）损耗，它是由定转子）空载时铁心中的附加（或杂散）损耗，它是由定转子开槽开槽 引起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表面损耗 及脉振损耗。及脉振损耗。 （3 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）电气损耗，是由工作电流在绕组

2、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。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。 B 铁心局部截面示意图铁心局部截面示意图 i （1 1）、（）、（2 2）、（）、（5 5）项损耗称为空载损耗或不变损耗，）项损耗称为空载损耗或不变损耗， （3 3）、（）、（4 4）项又称为负载损耗或可变损耗。）项又称为负载损耗或可变损耗。 （5 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）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。或换向器间的摩擦损耗。 （4 4）负载时的附加（或杂散）损耗，是由定

3、子或转子电流所产）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。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 5-2 基本基本铁耗铁耗 交交变的主磁场在铁心中所产生的损耗，它分为磁滞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损耗与涡流损耗两部分。 基本铁耗分为：交变磁化性质（变压器）和旋转磁基本铁耗分为：交变磁化性质（变压器）和旋转磁 化性质。化性质。 一、磁滞损耗一、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： 例常数为取决于材料性能的比 磁密幅

4、值为磁场交变频率式中 ba Bf fbBaBph , , )( 2 如果如果铁心内的磁通密度铁心内的磁通密度B1.6TB1.6T，则系数，则系数a0a0，可略去上式，可略去上式 中的第一项得：中的第一项得： fBfbBp hh 22 钢片的厚度为钢片的密度为钢片的电阻率 FeFe Fe Fe e Bfp , )( 6 2 2 经推导可得单位重量的钢片的涡流损耗经推导可得单位重量的钢片的涡流损耗为（如何推导？）：为（如何推导？）： 铁心铁心中的磁场发生变化时，在其中会感应电流，称之为中的磁场发生变化时，在其中会感应电流，称之为 涡流涡流，由该电流引起的，由该电流引起的损耗称为涡流损耗。损耗称为涡

5、流损耗。 Fe Fe e ee Bfp 6 )( 22 2 式中 有在厚度一定的情况下则 二、涡流损耗二、涡流损耗 三、轭部（齿连轭）及齿部的基本铁耗三、轭部（齿连轭）及齿部的基本铁耗 将将磁滞与涡流损耗系数合在一起，得到钢的磁滞与涡流损耗系数合在一起，得到钢的总损耗系数总损耗系数 （即单位重量的损耗）的计算式：（即单位重量的损耗）的计算式： 22 )(BffBppp ehehhe 对于对于不同的含硅量的硅钢片，可以通过查表不同的含硅量的硅钢片，可以通过查表5-15-1，得到，得到 h h，e e数值。数值。 为了计算方便，为了计算方便，如果如果在一般情况下在一般情况下(指不同的指不同的f)，

6、对不同，对不同 的的B值，或者不同的值，或者不同的f，则，则损耗系数损耗系数为：为： 3 . 12 50/10 ) 50 ( f Bpphe 因此因此，钢中的基本铁耗应为：，钢中的基本铁耗应为： FeheaFe Gpkp 利用上式可以求出电机轭中及齿中的基本利用上式可以求出电机轭中及齿中的基本铁耗（铁耗（k ka a经验系数经验系数）。）。 其中其中的的p p10/50 10/50表示当 表示当B=1TB=1T，f=50Hzf=50Hz时的时的钢单位损耗系数钢单位损耗系数, , 查表查表5-15-1得。得。 1、定子、转子轭的基本铁耗、定子、转子轭的基本铁耗 3 . 1 2 50/10 ) 5

7、0 ( f Bpp jhej 损耗系数 jhejaFej Gpkp轭中的基本铁耗等于 3 . 1,100,5 . 1,100 ; 6 . 3. aNaN aa j kkVAPkkVAP kk G 时当容量时当 对于交流电机对于直流电机为经验系数 为轭的重量式中 2、齿中的基本铁耗、齿中的基本铁耗 可仿轭部的计算式，得可仿轭部的计算式，得 3 . 1 2 50/10 ) 50 ( f Bpp thet 损耗系数 thetaFet Gpkp齿中的基本铁耗等于 7 . 1,100,0 . 2,100, 8 . 1; 0 . 4. aNaN aaa j kkVAPkkVAP kkk G 时当容量时当对

8、于同步电机 对于感应电机对于直流电机为经验系数 为齿的重量式中 5-3 空载时铁心中的附加损耗空载时铁心中的附加损耗 空载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，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：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，产生出磁场电机开槽引起气隙磁导不均匀，如图所示，产生出磁场的的 高次高次谐波；谐波； （2）、）、空载励磁磁势空间分布曲线中存在着谐波。空载励磁磁势空间分布曲线中存在着谐波。 由由谐波产生的表面损耗，根据谐波

9、的波长与凸面的间距的相谐波产生的表面损耗，根据谐波的波长与凸面的间距的相 对大小有不同的对大小有不同的情况情况：（见：（见P80页图页图5-3） 1）凸面的间距（如凸极同步电机）远大于谐波的波长，则谐波）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，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，又称也会在其中产生磁滞损耗，又称表面损耗表面损耗； 2）凸面间距要比谐波波长要小得多，如齿距）凸面间距要比谐波波长要小得多，如齿距t小于谐波波长小于谐波波长，则谐，则谐 波波将深入到齿部并经由轭部形成

10、闭合回路，则在齿中将深入到齿部并经由轭部形成闭合回路，则在齿中产生涡流产生涡流及磁滞及磁滞损损 耗耗，称为，称为脉振脉振损耗损耗； 3）介于上述两种情况之间，既有表面损耗又有脉振损耗。）介于上述两种情况之间，既有表面损耗又有脉振损耗。 为钢的电阻率为钢的磁导率为磁极的转速为电枢槽数 为谐波磁密的幅值式中 损耗为磁极单位表面积的涡流 , ,) 60 1 ( 4 1 )()( 0 5 . 1 0 5 . 12 00 nZ Bk ZntBkpA pAFep App 表面损耗表面积就可得出电机的将上式乘以所有磁极的 二、二、叠片式叠片式磁极及感应电机中的表面损耗磁极及感应电机中的表面损耗 为了为了减少

11、磁极表面损耗及工艺上的方便，直流机或同步机减少磁极表面损耗及工艺上的方便，直流机或同步机的的 磁极磁极常做成叠片式，以利用片间绝缘层来增加涡流回路电阻，常做成叠片式，以利用片间绝缘层来增加涡流回路电阻，减减 小小涡流损耗。涡流损耗。 一、直流电机及同步电机实心磁极的一、直流电机及同步电机实心磁极的表面损耗表面损耗 本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。方法。 叠片式磁极表面损耗的计算仍可按式叠片式磁极表面损耗的计算仍可按式 pAFep A App ZntBkp 及 5 . 12 00 )()( 来计算，但其中的来计算

12、，但其中的k0应按表应按表5-2加以确定。加以确定。 对于对于感应电机，其定子、转子均由硅钢片叠压而成，双边感应电机，其定子、转子均由硅钢片叠压而成，双边都有都有 开槽。因此由定子开槽引起的开槽。因此由定子开槽引起的气隙磁导变化所产生的谐波气隙磁导变化所产生的谐波磁场在磁场在转转 子表面产生的表面损耗为：子表面产生的表面损耗为： . , ;, 2 22 022 2 022 22202 面中产生的损耗谐波磁场在转子单位表由定子槽开口引起的齿 长度分别为转子铁心外径 转子槽口宽分别为转子齿距式中 A t tA p lD bt t bt lDpp 上式中的上式中的pA2的数值计算公式为：的数值计算公

13、式为： , )()(5 . 0 10101 2 101 5 . 1 102 波磁密的幅值为定子开槽引起的齿谐式中 BKB tBnZkpA 01由图由图5-5查取。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。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，它等于对于含硅量较低的硅钢片，它等于1.5 ，加工后可达，加工后可达35；对于含硅量；对于含硅量 较高的硅钢片，它等于较高的硅钢片，它等于0.7，加工后可达，加工后可达1.53。 三、感应电机齿中的脉振损耗三、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，进入在所示图中的

14、两个不同的定转子齿的相对位置，进入定子齿定子齿中中 的磁通量不同；其差额为阴影所示的面积。困此，的磁通量不同；其差额为阴影所示的面积。困此，随着电机随着电机的旋的旋 转，定子齿中的磁通将发生变化，导致附加铁损耗。转，定子齿中的磁通将发生变化，导致附加铁损耗。 202202 2 1 2,sBsB则上述磁通变化为度如果取电机轴向单位长 由此引起定子齿里的磁通密度脉振振幅为：由此引起定子齿里的磁通密度脉振振幅为： 1 202 1 2 tFe p bK sB B 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；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； .; 10)(07. 0 1 6

15、1 2 1 2 21 为转速为定子齿重 nG GBnZp t tpp 同理可得转子齿中脉振损为：同理可得转子齿中脉振损为： 脉振振幅为转子齿里的磁通密度为转速为转子齿重 22 6 2 2 2 2 12 .; 10)(07. 0 pt tpp BnG GBnZp 5-4 电气损耗电气损耗 一、绕组中的电气损耗一、绕组中的电气损耗 对于对于多相绕组，则总的电气损耗应为各相绕组的电气损耗的多相绕组，则总的电气损耗应为各相绕组的电气损耗的总总 和和，即：，即： . ; 2 )( 绕组电阻换算到基准工作温度的 中的电流为绕组 x x xxAlCu R xI RIp 如果电机为如果电机为m相对称的多相绕组

16、，则各相电流数值相等，电阻相对称的多相绕组，则各相电流数值相等，电阻 也相同，则电气损耗为：也相同，则电气损耗为： RmIp AlCu 2 )( 二、电刷接触损耗二、电刷接触损耗 电刷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：大小无关，因此一个极性下的电刷接触损耗为： VU VUU IUp b bb bcb 3 . 0, 1, 对于金属石墨电刷 电化石墨电刷等对于石墨电刷为电刷接触压降 5-5 负载时的附加损耗负载时的附加损耗 一、凸极同步电机负载时的附加损耗一、凸极同步电机负载时的附加损

17、耗 负载负载时产生的附加损耗的主要原因是由于环绕着绕组时产生的附加损耗的主要原因是由于环绕着绕组存在有存在有漏漏 磁场。这些漏磁场在绕组中以及在所有邻近的金属结构磁场。这些漏磁场在绕组中以及在所有邻近的金属结构件中件中感应涡感应涡 流损耗。流损耗。 另外另外，气隙中的谐波磁势所产生的谐波磁场以不同的速度，气隙中的谐波磁势所产生的谐波磁场以不同的速度相对相对 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，产生 附加损耗。附加损耗。 由由额定负载电流引起的同步电机的附加损耗，额定负载电流引起的同步电机的附加损耗，约等于约等于短路试短

18、路试 验验时的附加损耗，时的附加损耗，因此又称之为短路附加损耗。它包括因此又称之为短路附加损耗。它包括以下分量以下分量： （一）短路时由于漏磁场在定子绕组中引起的附加损耗（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（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 附加损耗附加损耗 . , ) 1( 同取不同的数值 根据绕组型式的不绕组电阻增加系数 绕组直流电阻损耗式中 F Cu CuFCuad K p pKp 它是由于漏磁场交变而引起的集肤效应，使交流电阻大于

19、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：附加损耗。它等于： 由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。比较困难，一般用经验公式进行计算。 )/( ) 10 (15. 1, )( )( )( 10) 50 (35 1 5 . 2 5 1 1 32 1 mAA A pp Hzf mD m p f Dp cc i cipl 为定子绕组线负荷 为损耗系数 为频率

20、为定子铁心内径 为极距式中 （三）定子绕组磁势谐波在转子磁极表面引起的表面损耗（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、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单位表面积的附加损耗系数的计算公式为 2 0 5 . 1 0 )2()60(BfkpA 2 5 . 1 2 02 )2( rbpk kfBkAp 将将各次相带谐波磁场的磁密幅值、极距、频率代入上式各次相带谐波磁场的磁密幅值、极距、频率代入上式，然后，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相加再乘以面积，即得所有这些谐波在磁极表面

21、产生的表面表面损耗为：损耗为： 的同次谐波磁密幅值次相带谐波磁势所产生 次谐波之极距为 其计算公式为感应电势之频率次相带谐波在磁极表面定子 查曲线获得磁场削弱而引入的系数考虑涡流反作用使原漏 转子磁极表面积 式中 b r p B f nnp f f k A kk ) 1( 60 )( , ;, )60( ;11, 7, 5 1 1 5 . 1 0 0 dp dp dp b ef ef ef b bb KA K K FF k， sh k k F HB 1 1 1 00 211 也可查表求次谐波磁密衰减系数为其中 而 ., ) 1() 1 ()( )( 8 5 . 12 2 225 . 1 1 2

22、 1 2 0 0 2 4 2 2 也可查曲线得到有关的项是与绕组节距比 其中 次谐波的表面损耗为将以上各项代入可得 dp rp ef k K kkAfAkp 表面损耗的经验计算公式（相带谐波产生），见书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、定子齿谐波磁势在磁极表面产生的附加损耗 225 . 1 1 4 4 1 2 1 2 0 02 ) 60 (25. 0 tr ef ptk kk nZt AAkp 算公式为面产生的附加损耗的计由齿谐波磁场在磁极表 相应的经验计算公式见书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四）

23、短路电流为额定值时磁场的3次谐波在定子齿中产生的次谐波在定子齿中产生的 附加损耗附加损耗 在在凸极同步电机里，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 均会在气隙里产生均会在气隙里产生3次谐波磁场（由于气隙的不均匀）。次谐波磁场（由于气隙的不均匀）。 由由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：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： 为定子齿重 次谐波磁场的磁密幅值为式中 1 1333 1 4 5 350/103 3)27. 1( 7 .10 t tadddmt tt G BXAXAB GBpp 二、感应电机负载时

24、的附加损耗二、感应电机负载时的附加损耗 主要由以下几部分组成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、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；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、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；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；、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、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 由于由于组成项

25、目复杂，因此感应电机负载时的附加损耗通常组成项目复杂，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。不进行详细计算。一般是按电机额定功率的百分比来估算。 例如例如，采用压力铸铝转子工艺的感应电机，其附加损耗约，采用压力铸铝转子工艺的感应电机，其附加损耗约 占输出功率的占输出功率的23%。 降低感应电机负载时附加损耗的措施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、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；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

26、槽配合；、采用定子与转子槽数的近槽配合； 3、采用斜槽。、采用斜槽。 三、直流电机负载时的附加损耗三、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直流电机负载时的附加损耗一般取功率的0.51% 5-6 机机 械械 损损 耗耗 机械机械损耗包括轴承损耗、电刷摩擦损耗、通风损耗等。损耗包括轴承损耗、电刷摩擦损耗、通风损耗等。 一、轴承摩擦损耗一、轴承摩擦损耗 105 . 1 50 10)1 ( 50 3 . 2 j j j jjjf v l d dplp 二、通风损耗二、通风损耗 )/( )/( 75. 1 3 2 smv smq vqp v vw 为风扇外圆的圆周速度 流量为通过电机的空气体积式中 三、轴承摩擦和通风损耗三、轴承摩擦和通风损耗pfw 在在一般电机中，常把这两种损耗综合在一起计算。一般电机中，常把这两种损耗综合在一起计算。 （一）直流电机（一）直流电机 1、对于电枢直径、对于电枢直径Da0.5m、轴上没有风扇的电机，、轴上没有风扇的电机，pfw可按可按 以下数值计算：以下数值计算： 为电枢圆周速度式中 a N a fw vK P v Kp ; 3 . 19 . 0 10) 10 ( 35 . 1 2、对于电枢直径、对于电枢直径Da0.5m、采用滑动轴承的电机，则、采用滑动轴承的电机，则pfw计算计算 公式为：公式为： j N javfw gp n