电机学第五章

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→耗材尺寸,,,:,BApBA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：①交变磁化性质：变压器铁心、定转子齿中发生②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hp在电机铁心内磁通密度时：TB6.10.12(50)hhhhHZfBpfB取决于材料性能的常数在周波频率下测交变磁化的频率磁密振幅(与、有关，与材料有关)hpfB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222()6FeFeFeeeeFedpfBd钢片厚度钢片密度电阻率涡流损耗系数与、及材料厚度平方成正比。epBfFe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）22()FehehepppfBfB2、钢比损耗简便计算3.125010)50(fBppFe（瓦/公斤）3、基本铁耗计算:1.2.3.4.FeaaFeFeFeGBkBpPkpG交变或旋转磁化的钢质量考虑钢片加工后钢自短接分布不均匀随时间不按正弦变化旋转磁化与交变磁化不同使5.2基本铁耗①定子或转子（齿联）轭中的基本铁耗轭中的损耗系数：3.125010)50(fBppjFej轭中基本铁耗：3.11005.1100:,6.3:)(103aNaNajFejaFejkkVAPkkVAPkkWGpkP异步机隐直流机5.2基本铁耗②齿中基本铁耗齿中的损耗系数：3.125010)50(fBpptFet齿中的基本铁耗：7.11000.2100:8.1:0.4:)(103aNaNaatFetaFetkkVAPkkVAPkkkWGpkP同步机异步机直流机4、降低铁耗方法5.2基本铁耗↓（使各部分磁密不要过高）→↓；BB↓→↓（↓）；Fe5010pep选用好材料501012501022501031pDpDpD5.3空载时铁心中的附加损耗一、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空载时铁心中的附加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空载时铁心中的附加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：60ZnfZ5.3空载时铁心中的附加损耗2、磁极表面涡流损耗计算①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0B②单位表面涡流损耗5.12002222200)()(24ZntBkBqZZZ5.10)601(41k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。0kB200205.1200021)sin(1)()(21BdxxBZntBkq平均值5.3空载时铁心中的附加损耗2、磁极表面涡流损耗计算5.3空载时铁心中的附加损耗3、表面损耗与哪些因素有关：③表面损耗)(1030kWAqppFep2、磁极表面涡流损耗计算与成正比：20B00(1),,,FepBKBBBBp与大小有关与（即磁密波长）有关：2tFepptt,,,表面损耗与成正比：5.1ZfFepZZpfZnf,60与磁极材料的导磁导电性能有关Feppk,,021.50001()()2qkBtZn5.3空载时铁心中的附加损耗二、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RIp2)(1030kWAqppFep)/()()(25.12000mWZntBkq采用相应的经验系数K0给与修正，表5-25.3空载时铁心中的附加损耗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：转子铁心外径及长度转子齿距及槽口宽2202232022220202,,)(10ttlDbtkWtbtlDqp5.3空载时铁心中的附加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：21.5201020011101010110.5,0.5()()(/)()55bqkBtZnWmfBkB气隙主磁场正弦分布气隙磁导齿谐波磁场也近似正弦查图35.17.0:535.1:,00000kkkkk加工后高含硅量加工后低含硅量加工性能有关与材料为由定子开槽引起的齿谐波磁密幅值01B5.3空载时铁心中的附加损耗二、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空载时铁心中的附加损耗5.3空载时铁心中的附加损耗2、计算：①单位轴向长度磁通变化量：有关)(1022020202022202202202bfBkBbSBbkSB②定子齿磁密脉振振幅：02022102020212512pFetbBSBbkb理论推出阻尼系数（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空载时铁心中的附加损耗022022111211021020215)(212)5(1bbBBtktbkbtBkbbBtttFep定子齿中平均磁密1112tpBtB5.3空载时铁心中的附加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。1k5.3空载时铁心中的附加损耗③最后得出脉振损耗的计算公式：2111110.5602eZtptkZnfGBBt考虑脉振磁场按正弦变化考虑加工及磁场非正弦引入的损耗增加系数取决于材料规格及性能常数定子齿脉振磁通的交变频率定子齿的质量磁密脉振振幅2311110.5()10peZptpkfBG5.3空载时铁心中的附加损耗912122110)()(07.0tppMBnZp922221210)()(07.0tppMBnZp近似以60,5.0,5.221nZfkZe代入：（定子）类似（转子）工厂实际计算空载附加损耗：①实验数据；②用基本铁耗取大一点计算ak齿：310tFetaFetMpkP轭：310jFejaFejMpkP5.4电气损耗一、绕组中的电气损耗3210)(xxcuRIp交流m相：3210RmIpcuR是换算到基准工作温度的绕组直流电阻二、电刷接触损耗3()10:0.3:1cbbbbpuIuVuV一个极下对金属石墨电刷对碳-石墨、石墨及电化石墨电刷5.4电气损耗5.5负载时的附加损耗一、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②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③定子谐波在转子表面引起表面损耗④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负载时的附加损耗（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：RmIpcu2交流电阻：22cupFpmIRmIKRFK——绕组电阻增加系数附加损耗：(1)cuadFcupKp5.5负载时的附加损耗（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：31121102.515()()35()501.15()10icciplcmDmpAfpDpAp极距定子内径损耗系数定子电负荷（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负载时的附加损耗:,:,IF基波磁势相带谐波磁势由于相带存在使沿电枢圆周边分布的导体中电流因属于不同相而大小不一，谐波磁势以致磁势曲线在相带相邻处发生突变齿谐波磁势由于导体不均匀分布在电枢表面而集中在一个槽中心而产生的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：3021.5000*22310()()2.1()1pFepadFepkpqSkWqkBtZnkxppqk空载磁极表面损耗*(53)adxk纵轴电枢反应电抗标么值系数表12pkZqmp短距系数5.5负载时的附加损耗5.5负载时的附加损耗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负载时的附加损耗（2）相带谐波损耗与哪些因素有关？a)与短距系数β有关。当β=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