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1、第五章 损耗与效率,5-1概述,5-2 基本铁耗,5-4电气损耗,5-3空载时铁心中的 附加损耗,5-5负载时的附加损耗,5-6机械损耗,5-7效率,5.1概述,效率是电机的重要性能指标。其大小取决于电机损耗的大小。损耗大，效率低；损耗小，效率高。损耗的大小不仅取决于电机的电磁负荷和电流密度，还与电机所用的材料、绕组的型式及电机的结构有关。因此，设计电机时，要清楚各种损耗产生的原因及相关因素，从而减小损耗，提高效率。,电机的损耗一般分为五大类： 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 。 空载铁心中附加损耗 ：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
2、 ；定、转子开槽使对方齿中磁通因电机旋转而变化所产生的损耗 。 电气损耗：工作电流在绕组铜中产生的损耗，包括接触损耗 。 负载时附加损耗：工作电流所产生的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 。 、为空载损耗，可在空载实验中测得；、为负载损耗。,5.2基本铁耗,主磁场在铁心所引起的磁场交变而产生的损耗。 主磁场的交变有两种： 交变磁化性质：如变压器铁心、定转子齿中发生的。 旋转磁化性质：如定、转子铁轭中发生的。,交变的主磁场在铁心中所产生的损耗分为： 磁滞损耗 涡流损耗,5.2基本铁耗,一、磁滞损
3、耗,铁心中磁场变化的原因是交变磁化时所引起的损耗。,(,、,5.2基本铁耗,二、涡流损耗,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。,5.2基本铁耗,三、轭部(齿联轭)及齿部的基本铁耗,5.2基本铁耗,三、轭部(齿联轭)及齿部的基本铁耗,5.2基本铁耗,三、轭部(齿联轭)及齿部的基本铁耗,5.2基本铁耗,三、轭部(齿联轭)及齿部的基本铁耗,5.2基本铁耗,三、轭部(齿联轭)及齿部的基本铁耗,注意：计算齿部、轭部铁耗时，ka取值不同。造成的原因是所用的磁密不同。 轭部选用的是最大磁密 齿部使用的是平均磁密 基本铁耗的大小在频率一定时，主要与： 铁心中的
4、磁密、 材料的厚度及性能 铁心冲叠的工艺水平高低及加工方法,5.3空载时铁心中的附加损耗,空载时铁心中的附加损耗主要是指： 铁心的表面损耗 齿中的脉振损耗。 引起空载附加损耗的原因是气隙磁场的高次谐波。 这些谐波磁场由两种原因造成： 电机铁心开槽导致气隙磁导不均匀(L) 空载励磁磁动势空间分布曲线中有谐波存在(F),5.3空载时铁心中的附加损耗,5.3空载时铁心中的附加损耗,5.3空载时铁心中的附加损耗,本节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,磁导不均匀，在气隙
5、主磁场中叠加了一个谐波磁场，当电枢相对于磁极表面运动时，就在磁极表面引起涡流损耗。因为频率高，基本上集中在表面一薄层内，称为表面损耗。,5.3空载时铁心中的附加损耗,一、直流机及同步机整块（或实心）磁极的表面损耗,假设： a)谐波磁密在空间按正弦分布，其幅值为B0（忽略极面涡流对B0的削弱作用）； b)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,5.3空载时铁心中的附加损耗,一、直流机及同步机整块（或实心）磁极的表面损耗,5.3空载时铁心中的附加损耗,二、叠片磁极及感应电机中的表面损耗,为了减小磁极的表面损耗
6、，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，减小涡流损耗。 叠片式磁极表面损耗仍可按前面推导的计算式计算，k0按表5-2确定：,装有阻尼绕组的凸极同步电机，空载附加损耗还包括由气隙磁导齿谐波磁场在阻尼笼中产生的损耗。,为了减小表面损耗，应该降低B0，也就是不使b0/d太大。 因为B0=b0KdBd=b0Bdmax，而b0=f(b0/d) 在加工时，叠片叠压好后，最好不要进行车削加工和打磨，以免在磁极表面造成低电阻的涡流通路。对于定、转子铁心也相同。,5.3空载时铁心中的附加损耗,二、叠片磁极及感应电机中的表面损耗,感应电机定转子铁心都由硅钢片叠压而成，
7、定转子都开槽： 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 感应电机机气隙小，转子半闭口槽在定子表面引起损耗小。 转子表面损耗：,5.3空载时铁心中的附加损耗,二、感应电机齿中的脉振损耗,感应电机中除了表面损耗，还有脉振损耗。产生的原因： 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 转子槽对定子齿 进入定子齿磁通最小 齿中磁通发生变化 脉振损耗,5.3空载时铁心中的附加损耗,二、感应电机齿中的脉振损耗,5.3空载时铁心中的附加损耗,二、感应电机齿中的脉振损耗,5.4电气损耗,电气损耗包括各部分绕组里的电气损耗以及电刷与换向器或集电环间的接触损
8、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：,电机为m相对称的多相绕组，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,负载时产生附加损耗的主要原因： 环绕着绕组存在漏磁场，在绕组中以及在所有邻近的金属结构件中产生涡流损耗。 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。 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
9、精确计算，通常以额定功率的百分之几大约估算。,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,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。,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,1、短路时由于漏磁场在定子绕组中引起的附加损耗 由于集肤效应，使绕组的交流电阻大于直流电阻，对应所增加的电阻损耗即是漏磁场在绕组中引起的附加损耗。,2、短路时漏磁场在结构件中引起的附加损耗 这部分损耗主要是涡流损耗。 由于绕组端部电流的空间分布比较复杂，结构件形状各异、距端部的距离也各不相同，要准确计算比较困难。一
10、般用经验公式计算。,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,3、定子绕组磁势谐波在转子磁极表面引起的表面损耗,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,3、定子绕组磁势谐波在转子磁极表面引起的表面损耗,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,3、定子绕组磁势谐波在转子磁极表面引起的表面损耗,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,3、定子绕组磁势谐波在转子磁极表面引起的表面损耗,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,4、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,凸极机气隙不均匀，转子励磁磁
11、势Ff与电枢反应磁势Fa的基波分量均在气隙中产生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,5.5负载时的附加损耗,二、感应电机负载时的附加损耗,感应电机负载时的附加损耗通常不详细计算。一般规定为电机输出或输入的0.5%，对于压力铸铝的转子为2-3%。,笼型转子感应电机附加损耗包括下列部分： 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附加(表面)损耗，忽略脉振损耗； 没有槽绝缘的铸铝转子中，
12、由泄漏电流产生的损耗。 其中是由基频电流产生，称为基频附加损耗。其余各项均由高频电流产生，称为高频附加损耗。 第项计算与同步电机相类似。下面简单分析。,5.5负载时的附加损耗,二、感应电机负载时的附加损耗,(一)、直槽时，由定子磁势谐波在笼型转子内产生的附加损耗,5.5负载时的附加损耗,二、感应电机负载时的附加损耗,(一)、直槽时，由定子磁势谐波在笼型转子内产生的附加损耗,5.5负载时的附加损耗,二、感应电机负载时的附加损耗,(二)、斜槽时，由定子磁势谐波在笼型转子中产生的损耗 如果绝缘良好，则可削弱齿谐波产生的附加损耗。 如果绝缘不好，则会产生泄漏电流，产生附加损耗。 与谐波磁场的频率、磁密
13、幅值、导条与铁心的接触电阻有关。 很难准确计算。目前没有一个成熟且简易的方法来计算。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%。,5.5负载时的附加损耗,二、感应电机负载时的附加损耗,(三)、减小附加损耗的方法 虽然负载时附加损耗只占每台电机输入功率的很小一部分，但是由于笼型转子感应电机用量大，因此此项损耗消耗的总电能仍然十分可观。 对于中小型感应电机，负载时的附加损耗中，占较大比例的是高频损耗，基频附加损耗所占比例不大，为降低高频附加损耗，可以采取下列措施：,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、单双层、正弦、-
14、Y混合来替代单层绕组； 采用定子与转子槽数的少槽近槽配合； 采用斜槽，增大导条与铁心间接触电阻； 适当增大气隙； 采用磁性槽楔或闭口槽。,5.5负载时的附加损耗,三、直流电机负载时的附加损耗,一般不进行详细计算。 对于没有补偿绕组的，一般取为输出(发电机)或输入(电动机)功率的1%； 对于有补偿绕组的，一般分别取为0.5%。,5.6机械损耗,机械损耗包括： 轴承摩擦损耗：与摩擦面上的压力、摩擦系数及相对运动速度有关。摩擦系数影响因素较多，如摩擦面的光滑程度、润滑油的种类、品质及工作温度、电机零部件的加工质量及总装质量等，难以准确确定。 电刷摩擦损耗：与速度有关； 通风损耗：与电机结构、风扇型式
15、、通风系统中的风阻速度有关，与电机转速的立方成正比即pwv3,通常把轴承摩擦损耗和通风损耗综合在一起，称为风摩损耗。,5.7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：,几个问题讨论,一、什么是“可变损耗” 随电机负载而变化的损耗称之为“可变损耗”。 电气损耗 负载附加损耗 二、什么是“不变损耗” 不随电机负载而变化的损耗称之为“不变损耗”。 基本铁耗 空载附加损耗 机械损耗 三、如何降低损耗，提高电机效率 无非从两方面入手： 选用好的材料； 提高电机制造工艺水平；电机制造工艺主要有：冲制、叠装、嵌线、焊接、整形、车、磨、镗、铣、钻、铸。,电机定、转子硅钢片冲制过程示意图,下模,硅钢片,上模,叠装,叠装工艺示意图,毛刺,理想叠片,实际叠片,湘潭电机厂数据 1、改变气隙d (JS138-4，300kW，6kV),2、减小槽口宽度b0(用磁性槽楔代替非磁性槽楔),3、增加涡流回路电阻 1)、转子有铸铝转子改为铜排转子(JS136-4，220kW) 2)、铸铝转子片间或槽壁涂耐800高温的漆膜(JS148-4，440kW),作业： 第96页复习思考题 1-3、5、8,
