第五讲_损耗与效率 发热与冷却.ppt

1、电机优化设计 第五讲 损耗与效率 发热与冷却,讲课人：封海潮 2015年3月,提 要,损耗与效率,损耗的基本类型； 基本铁耗； 空载时铁芯的附加损耗； 电气损耗； 负载时的附加损耗； 机械损耗； 效率。,发热与冷却,发热； 冷却方式； 电机中的温度分布； 工作制。,1 损耗与效率,如何提高效率？,损耗效率,电磁负荷损耗 尺寸,效率材料性能、绕组类型、电机结构等有关。,损耗的基本类型,基本损耗：主磁场在铁芯内变化而产生，基本铁耗；,空载时附加损耗：由于定转子开槽带来的谐波磁场；,电气损耗：主要是铜耗；,负载时附加损耗：由于工作电流产生的漏磁场；,机械损耗：风阻、轴承摩擦损耗等。,不变损耗：基本损

2、耗+空载时杂散损耗+机械损耗 可变损耗：电气损耗+负载时杂散损耗,基本损耗基本铁耗,磁滞损耗系数ph,h取决于材料性质的常数，材料越软，该值越小。,涡流损耗系数pe,、Fe 、Fe硅钢片电阻率、密度、厚度。,单位重量铁磁物质的磁滞损耗和涡流损耗,如何降低基本损耗？,基本损耗基本铁耗,损耗系数,电机的基本铁耗计算,简化公式,其中的p10/50表示当B=1T，f=50Hz时的钢单位损耗系数。,基本铁耗,其中的ka表示经验系数。,基本损耗基本铁耗,定子转子轭的基本铁耗,齿中的基本铁耗,空载时铁芯中的附加损耗（空载杂散损耗）,铁芯开槽导致气隙磁导不均匀； 空载励磁磁动势空间分布曲线中存在谐波。,气隙中

3、谐波磁场引起的铁芯表面损耗和齿中的脉振损耗,凸面间距远大于谐波波长时（如凸极同步电机）：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； 凸面间距比谐波波长小的多时（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。,空载杂散损耗：谐波波长、凸面间距有关,空载时铁芯中的附加损耗（杂散损耗）,磁极单位表面积的涡流损耗：,直流电机及同步电机实心磁极的表面损耗,涡流的频率,总的表面损耗,空载时铁芯中的附加损耗（杂散损耗）,直流电机和同步电机叠片磁极：减少涡流,叠片式磁极及感应电机中的表面损耗

4、,感应电机：定转子均开槽，在各自的表面产生表面损耗,定子开槽齿谐波磁场在转子表面产生的表面损耗为：,同样方法，可计算转子开槽齿谐波磁场在定子表面产生的表面损耗。,空载时铁芯中的附加损耗（杂散损耗）,异步电机齿中的脉振损耗,定转子相对位置的不同，导致进入各自齿中的磁通发生变化，从而在各自的齿中，产生磁滞和涡流损耗，即脉振损耗。,定子齿中的脉振,定子齿中的脉振的振幅：,定子齿的脉振损耗,转子齿的脉振损耗,电气损耗,绕组中的电气损耗（铜耗）,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,电刷接触损耗（直流电机）,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

5、下的电刷接触损耗为：,负载时的附加损耗（负载杂散损耗）,形成原因分析,绕组漏磁场在绕组中以及在邻近的金属结构件中感应涡流损耗； 气隙谐波磁场运动过程中，在铁芯和笼型绕组中产生附加损耗。,凸极同步电机负载时的附加损耗,额定电流情况下，附加损耗约等于短路试验时的附加损耗（四部分）。,一、短路时由于漏磁场在定子绕组中引起的附加损耗（漏磁场集肤效应）,二、短路时漏磁场在定子绕组端部附近金属部件中产生的附加损耗,端部电流分布较复杂，由经验公式计算：,三、定子绕组磁势谐波在转子磁极表面引起的表面损耗,凸极同步电机负载时的附加损耗,相带谐波磁势产生的表面损耗：,齿谐波磁势产生的表面损耗：,四、短路电流为额定

6、值时磁场的3次谐波在定子齿中产生的附加损耗,凸极同步电机负载时的附加损耗,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：,主要的构成部分,感应电机负载时的附加损耗,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； 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； 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； 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

7、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,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；,采用定子与转子槽数的近槽配合；,采用斜槽。,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%,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。,轴承摩擦损耗,通风损耗,机械损耗,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。,直流电机：,对于电枢直径Da0.5m，轴上没有风扇的电机，可按以下数值计算：,对于电枢直径Da0

8、.5m，采用滑动轴承的电机，则计算公式为：,对于采用滚动轴承且轴上装有风扇的中小型直流电机，损耗可按经验曲线来确定。,机械损耗,轴承摩擦和通风损耗pfw,异步电机：,对于径向通风的大型电机， 可按以下数值方程计算：,对于中小型电机，可按下式计算：,机械损耗,轴承摩擦和通风损耗pfw,凸极同步电机：,电刷与换向器或集电环间的摩擦损耗,效率,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：,2 发热与冷却,温升的产生,温升：电机部件的温度与周围介质温度之差； 电机运行产生损耗变为热能电机各部分温度升高。,电机的初始温升。,电机的稳定温升。,电机的发热和冷却时间常数。,温升随时间的变化

9、关系,分三个阶段：起始阶段、中间阶段、稳定阶段。,2 发热与冷却,我国的电机温升限度（额定运行时最高温升）,温升首先损伤绕组绝缘，加速绝缘老化； 提高效率、减少损耗，强制冷却可大大降低温升。,对电机而言，其温升极限基本上取决于绝缘材料所允许的最高温度及冷却介质的温度。,冷却介质温度即为大气温度，我国取值为400C,测试方法：温度计法、电阻法、埋置检温计法，应考虑海拔的影响。,2 发热与冷却,冷却方式,风扇强迫空气流动的冷却方式； 氢气为冷却介质的冷却方式：同样尺寸的电机采用氢冷后，可提高容量2025% ，且效率也能提高； 内冷方式，即不通过绝缘材料，使导体产生的热量直接传给冷却介质（氢冷、水冷

10、系统）。,2 发热与冷却,空气冷却系统,优点：结构简单、成本低； 缺点：效果差，高速电机中引起的摩擦损耗大。,开路冷却或闭路冷却,开路式：外部空气进入电机回到周围环境中去,闭路式：电机内部空气在电机内部循环冷却介质产生的热量经过结构件如机壳传递给第二介质（水）。,2 发热与冷却,空气冷却系统,径向、轴向和混合式通风系统,按电机内部冷却空气的流动方向，分为径向、轴向与混合三种：,径向通风系统便于利用转子上能够产生风压的部件，如风道片、铸铝散热片等的鼓风作用，产生散热效果而得到广泛应用。,轴向通风系统通过轴流式风扇的作用，使空气沿着轴向从一端流入进入电机，另一端流出。,混合式通风系统兼有轴向与径向

11、两种通道。,离心式风扇,轴流式风扇,2 发热与冷却,空气冷却系统,抽出式和鼓入式,抽出式：冷空气先和电机的发热部件接触变为热空气由风扇送出；,鼓入式：冷空气由风扇鼓入再与电机发热部件接触变为热空气关出。,外冷与内冷,外冷即所谓表面冷却方式； 内冷即从发热件内部直接冷却的方式，如水轮发电机的励磁绕组可采用空气内冷。内冷效果虽好，但系统结构复杂。,电机中的温度分布,温升的计算主要是计算绕组和铁心的温升。因为它们既是热源，又是导热介质。,温度在空间总是按一定规律呈曲线分布，因此有最高温升与平均温升之别。但在计算是从整体来处理，通常只计算发热部件的平均温升。,采用对称径向通风系统的电机中定子绕组沿轴向

12、的温度分布,铁芯有径向通风道，径向风量大体相同；热量一部分由风道散到空气中，另一部分由端部散到空气中。,2 发热与冷却,采用轴向通风系统或混合式通风系统,最高温度位置向热风逸出电机的出口方向移动。,表面冷却的封闭式（交流）电机中定子绕组温度沿轴向分布,损耗通过铁心、机座散出去，而端部的散热条件较差，端部损耗热量主要部分通过铁心散出去。形成中间低两端高的温度分布,电机中的温度分布,2 发热与冷却,硅钢片叠片组的径向热导率要远大于轴向热导率，可以近似地认为在铁心中沿着径向的温度分布是均匀的，而沿着轴向分布是不均匀的。如果两侧径向通风量不同，则沿轴向的温度分布也不对称。,铁心叠片组中的温度分布,电机

13、中的温度分布,2 发热与冷却,连续工作制（S1）,应用 通风机、水泵、 纺织机、造纸机等。,电机的工作制,2 发热与冷却,短时工作制（S2） 标准运行时间：15、30、60、90 min。,应用 水闸启闭机、 冶金用的电动机、 起重机中的电动机。,断续周期工作制(S3),工作时间与停车时间轮流交替。,若改变工作时间与停车时间的比率，将会影响允许温升,是衡量电机运行性能的重要指标。,电机的工作制,2 发热与冷却,负载持续率（暂载率）,若周期和负载功率不变，ZC%越大，温升越大；或者同一台电机，ZC%越小，工作时允许的负载功率越大。 标准负载持续率ZC% ：15%, 25%, 40%, 60% 周期：tgt0 10 min 应用：起重机、电梯、轧钢辅助机械中的电动机。,断续周期工作制(S3),电机