电机设计第五章_李景灿.

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：①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。②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；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。③电气损耗：工作电流在绕组铜中产生的损耗，包括接触损耗。④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。⑤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。①、②、⑤为空载损耗，可在空载实验中测得；③、④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、磁滞损耗铁心中磁场变化的原因是交变磁化时所引起的损耗。hp。大损耗一般比交变磁化放、旋转磁化引起的磁滞及材料有关。、磁通密度与频率磁密振幅。交变磁化的频率；；下测在频率取决于材料性能的常数式中：时在铁心磁通密度、磁滞损耗系数的计算。耗交变磁化引起的磁滞损单位质量铁磁物质内由、磁滞损耗系数%65453)50(:6.10.1212BfpBfHfBpTBTphZhhhhh(、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。流损耗。阻碍涡流通过，减小涡。这样做主要就是为了硅钢片沿轴向叠压起来缘的薄做成整块，而由彼此绝么电机的铁心通常不是这里从理论上说明为什的平方成正比。及材料厚度、频率磁通密度可见：涡流损耗系数与电阻率。钢片密度；钢片厚度；能的常数；是取决于材料规格及性式中：、磁滞损耗系数的计算。涡流损耗单位质量铁磁物质内的、涡流损耗系数FeFeFeFeFeeeeefBBfpp6)(212225.2基本铁耗三、轭部(齿联轭)及齿部的基本铁耗中查取。从表。按硅钢片型号时，钢单位重量的损耗、当式中：，损耗系数为：值或不同的频率便计算，对于不同的在一般情况下，为了方的值。、，得到钢片，可以查表对于不同的含硅量的硅、损耗系数的计算：。损耗单位质量铁磁物质内的损耗、钢的损耗系数或称比15501)50(15)(2150/103.1250/1022HzfTBpfBppfBBffBppppheehehehheeh5.2基本铁耗三、轭部(齿联轭)及齿部的基本铁耗耗。电机轭及齿中的基本铁利用该公式就可以计算之间的损耗差异、旋转磁化与交变磁化化随时间不按正弦规律变、磁密分布不均匀、磁密、加工后钢片间的短接经验系数，主要考虑：作用的钢的重量；受交变磁化或旋转磁化式中：、基本铁耗计算4B3B213aFeFeheaFekGGpkp5.2基本铁耗三、轭部(齿联轭)及齿部的基本铁耗3.11005.11006.3)50()()1(3.125010aNaNaajjhejaFejjjhejkkVAPkkVAPkkGGpkpbBfBppa时，容量时，容量同步或感应电机：直流电机：经验系数平均值：定子或转子轭的重量；式中：、轭中的基本铁耗：磁密；定子或转子轭中的最大式中：：、轭中损耗系数的计算轭中的基本铁耗齿联、定子或转子5.2基本铁耗三、轭部(齿联轭)及齿部的基本铁耗7.11000.21008.10.4)50()2(3.125010aNaNaaatthetaFettthetkkVAPkkVAPkkkGGpkpbBfBppa时，容量时，容量同步电机：感应电机：直流电机：经验系数平均值：齿的重量；式中：、轭中的基本铁耗：密；齿磁路长度上的平均磁式中：：、齿中损耗系数的计算、齿中的基本铁耗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磁滞损耗）涡流损耗（占主要部分表面损耗面损耗。磁滞损耗，所以称为表就会在上面产生涡流和，相对于铁心表面运动时在铁心的表面，当磁场此时谐波磁通主要集中远大于谐波波长同步极距、凸凹面间距。心界面的凹凸间距有关过的路径与气隙圆周铁这些高次谐波磁通所经)(a5.3空载时铁心中的附加损耗。生表面损耗和脉振损耗波波长相当，会同时产此时凹凸面的间距与谐两种情况之间、、凸凹面间距介于磁滞损耗涡流损耗脉振损耗为脉振损耗。生磁滞和涡流损耗，称生运动时，会在齿中产当谐波磁场相对铁心产。经由轭部形成闭合回路谐波磁通将深入齿部，远小于谐波波长同步极距、凸凹面间距bacb)(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。有关。，其大小与或，则：值为假设其谐波磁场的最大其频率：00max00max00)1(60bBkBBBkBBBBnZfZ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pAFeppZAAppABdxxBnZfttBnkZtnZtBkp耗：，就得到电机的表面损表面积将上式乘以所有磁极的）。（平均值，则上式应乘以若气隙磁场是正弦变化导磁性能、导电性能磁极材料的特性次方成正比磁通密度的变化频率的的平方成正比即齿距长磁通密度空间分布的波幅值的平方成正比产生该损耗的磁通密度因素有关可见，表面损耗与下列钢的电阻率钢的磁导率；磁极的转速；；，实际值查表槽数；齿距；式中：位表面的损耗：根据分析，可得磁极单200205.15.12205.105.120021)sin(15.0)(5.1:25)601(41)()(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，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：pAFeppAAppAnZtBkp耗：，就得到电机的表面损面积上式乘以所有磁极的表5.1200)()(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/太大。因为B0=0·K·B=0·Bmax，而0=f(b0/)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，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：35.17.0:535.1:5.055)()()(5.0000000101101015.11210102222022202222202kkkkkbfBkBnZtBkpplDbttbtlDppAAttA，加工后高含硅量，加工后低含硅量与材料性能、加工有关的系数；值也近似正弦分布引入气隙磁导齿谐波磁场幅气隙主磁场正弦分布，；查图，式中：，则：若齿谐波磁场正弦变化面积产生的损耗。波磁场在转子表面单位定子槽开口引起的齿谐转子铁心外径、长度；、转子齿距、槽口宽；、式中：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下得到的。尺寸关系最不利的情况这是根据定转子齿、槽有关。与式中：系数经变换得：有关。与、定子齿宽；式中：幅为：定子齿中的磁通密度振。：单位轴向长度变化为图中两种情况磁通量的02211210220211202120220222212)(bBtkBbSBbbkSBBSBSBtpttFep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取更高的值。中的系数和求齿的基本铁耗式式铁耗，将求定、转子轭基本心损耗，而是根据实验感应电机的空载附加铁工厂中常常不单独计算振损耗：量即可求出转子齿中脉将上式各量换为转子的振损耗：代入上式得定子齿部脉频率。定子齿脉振磁通的交变；，查表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式中：损耗为：所以，定子齿中的脉振。作为近似补偿：取为于是将磁密脉振振幅要小些，齿中率变化的影响等，实际率较高、齿硅钢片磁导要是涡流损耗，而且频若考虑这种附加损耗主atpptppZetpZeptpkGBnZpGBnZpnZfkGBfkpBtBk175155)(07.0)(07.060155.0212222121212212112121111215.4电气损耗绕组电阻。换算到基准工作温度的中的电流；绕组式中：--2)(xxxxAlCuRxIRIpRmIpAlCu2)(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：VUVUUIUpbbbbcb3.0,1-；对于金属石墨电刷墨电刷等对于石墨电刷，电化石定：电刷接触压降，国标规式中：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