第五章 损耗与效率 5 1 概述 5 2 基本铁耗 5 3 空载时铁心中的附加损耗 5 4 电气损耗 5 5 负载时的附加损耗 5 6 机械损耗 5 7 效率 5 1 概述 一 损耗与效率的关系 效率是电机的一个重要性能指标 效率高低取决 损耗大小 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 5 1 概述 二 电机损耗分类 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 空载铁心中附加损耗 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 脉振损耗 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 磨擦耗 5 2 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 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 不论是交变磁化还是旋转磁化 它们均会在铁心中引 起磁滞和涡流损耗 一 磁滞损耗 5 2 基本铁耗 磁滞损耗耗系数计算 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 在电机铁心内磁通密度 时 与 有关 与材料有关 旋转磁化引起的磁滞损耗一般较交变磁化放大45 65 轭磁密一 般在1 0 1 5T 5 2 基本铁耗 二 涡流损耗 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 涡流损耗系数计算 涡流损耗系数 与 及材料厚度 平方成正比 5 2 基本铁耗 三 轭部及齿部的基本铁耗 1 钢的损耗系数 比损耗 2 钢比损耗简便计算 瓦 公斤 3 基本铁耗计算 5 2 基本铁耗 定子或转子 齿联 轭中的基本铁耗 轭中的损耗系数 轭中基本铁耗 5 2 基本铁耗 齿中基本铁耗 齿中的损耗系数 齿中的基本铁耗 4 降低铁耗方法 5 2 基本铁耗 使各部分磁密不要过高 选用好材料 5 3 空载时铁载时铁 心中的附加损损耗 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 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 5 3 空载时铁载时铁 心中的附加损损耗 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 5 3 空载时铁载时铁 心中的附加损损耗 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 5 3 空载时铁载时铁 心中的附加损损耗 2 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 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 单位表面涡流损耗 实际上考虑假设引起误差 忽略磁滞 要大 按表5 2 如 为正弦分布 则气隙磁导齿谐波也将作正弦变化 5 3 空载时铁载时铁 心中的附加损损耗 2 磁极表面涡流损耗计算 5 3 空载时铁载时铁 心中的附加损损耗 3 表面损耗与哪些因素有关 表面损耗 2 磁极表面涡流损耗计算 与 成正比 与 即磁密波长 有关 与 成正比 与磁极材料的导磁导电性能有关 5 3 空载时铁载时铁 心中的附加损损耗 二 叠片磁极及异步机中的表面损耗 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 1 叠片磁极的表面损耗计算 采用相应的经验系数K0给与修正 表5 2 5 3 空载时铁载时铁 心中的附加损损耗 2 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 转子表面损耗 5 3 空载时铁载时铁 心中的附加损损耗 定子槽开口引起的齿谐波磁场在转子单位表面中损耗 为由定子开槽引起的齿谐波磁密幅值 5 3 空载时铁载时铁 心中的附加损损耗 二 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 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 定子齿中磁通的脉振 5 3 空载时铁载时铁 心中的附加损损耗 5 3 空载时铁载时铁 心中的附加损损耗 2 计算 单位轴向长度磁通变化量 定子齿磁密脉振振幅 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 5 3 空载时铁载时铁 心中的附加损损耗 5 3 空载时铁载时铁 心中的附加损损耗 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 5 3 空载时铁载时铁 心中的附加损损耗 最后得出脉振损耗的计算公式 5 3 空载时铁载时铁 心中的附加损损耗 近似以 代入 定子 类似 转子 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 齿 轭 5 4 电电气损损耗 一 绕组中的电气损耗 交流m相 R是换算到基准工作温度的绕组直流电阻 二 电刷接触损耗 5 4 电电气损损耗 5 5 负载时负载时 的附加损损耗 一 负载时附加损耗产生的原因 1 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 2 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 负载时附加损耗一般难于精确计算 在中小型电机里 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 负载时负载时 的附加损损耗 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 短路附加损 定子谐波在转子表面引起表面损耗 磁场的三次谐波在定子齿产生的附加损耗 二 凸极同步电机负载时的附加损耗 5 5 负载时负载时 的附加损损耗 由于凸极同步电机气隙的不均匀 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 5 5 负载时负载时 的附加损损耗 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 交流电阻 绕组电阻增加系数 附加损耗 5 5 负载时负载时 的附加损损耗 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 三 定子绕组磁势谐波在转子磁极表面引起的表面损耗 5 5 负载时负载时 的附加损损耗 1 定子相带谐波磁势在磁极表面产生的附加损耗 1 一般根据工厂经验公式计算 5 5 负载时负载时 的附加损损耗 5 5 负载时负载时 的附加损损耗 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 5 5 负载时负载时 的附加损损耗 2 相带谐波损耗与哪些因素有关 a 与短距系数 有关 当 0 8 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 c 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 b 表面损耗还与电负荷有关 谐波磁势大 损耗 大 2 定子齿谐波磁势在磁极表面产生的附加损耗 1 一般工厂计算方法 推导公式 5 5 负载时负载时 的附加损损耗 2 定子齿谐波磁势在磁极表面产生的附加损耗 5 5 负载时负载时 的附加损损耗 2 与哪些因素有关 a 与 值有关 齿谐波磁势 表面损耗 有关 b 与 有关 谐波磁势大 损耗大 c 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 5 5 负载时负载时 的附加损损耗 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 负载时负载时 的附加损损耗 2 计算 5 5 负载时负载时 的附加损损耗 3 与哪些因素有关 5 5 负载时负载时 的附加损损耗 尽量使励磁磁势分布接近正弦 电枢反应磁势 5 5 负载时负载时 的附加损损耗 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 5 Pe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2 3 有的甚至达4 5 该损耗对电机的经济性 启动性能影响很 大 造成温升过高 5 5 负载时负载时 的附加损损耗 三 异步机负载时的附加损耗 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 5 5 负载时负载时 的附加损损耗 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 定子谐波磁势 相带磁势 齿磁势 1 5 5 负载时负载时 的附加损损耗 2 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 与谐波次数有关 与定转子槽数比值有关 一般采用近槽配合 与转子槽数有关 少槽 5 5 负载时负载时 的附加损损耗 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 三 降低异步电动机负载附加损耗的措施 5 5 负载时负载时 的附加损损耗 节能 损耗 附加损耗 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 采用少槽近槽配合 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 6 机械损损耗 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 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 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 一 轴承摩擦损耗 5 6 机械损损耗 滑动轴承的摩擦损耗 5 6 机械损损耗 滚动轴承的摩擦损耗 5 6 机械损损耗 二 通风损耗 在自通风的电机中通风损耗可用以下数值方程计算 在一般电机中 常把轴承摩擦损耗和通风损耗综合在一起计算 5 6 机械损损耗 三 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 5 6 机械损损耗 对于电枢直径为 采用滑动轴承的电机 1 直流机 对于采用滚动轴承且轴上装有风扇的中小型电机损耗 按图5 14的曲线确定 5 6 机械损损耗 2 异步电机 对径向通风的大型电机 5 6 机械损损耗 对中小型异步电机 2极防护式 4极以上防护式 2极封闭型自扇冷式 4极以上封闭型自扇冷式 3 凸极同步电机 径向通风的卧式同步电机的轴承摩擦和通风损耗 5 6 机械损损耗 5 6 机械损损耗 四 电刷摩擦损耗 5 7 效率 发电机额定负载时的效率 电动机的效率 5 7 效率 。