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电机损耗产生原理。

内容简介:高效电机顾名思义效率要高,符合规定水准的能耗标准。为达此目的,控制和降低电机损耗是关键,必须搞清楚损耗发生机理。机械损耗包括电刷及轴承上的摩擦损耗,风阻引起的损耗等。
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      高效电机顾名思义效率要高,符合规定水准的能耗标准。为达此目的,控制和降低电机损耗是关键,必须搞清楚损耗发生机理。
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电机损耗的重要性
      对电机损耗的考虑之所以重要,有以下三方面原因:

      (1)损耗决定电机效率,且在很大程度上影响电机运行成本。

      (2)损耗引起电机发热,且相应的温升水平决定所能得到的最大功率输出。

      (3)与这些损耗相关的压降或者电流因素必须在电机设计方案中给予合理考虑。

电机效率计算
      电机的效率由下式给出:

      效率=输出/输入……………(1)

      或表示为式(2)和式(3)

      效率=(输入一损耗)/输入=1-损耗/输入……………(2)

      效率=输出/(输出+损耗)……………(3)

损耗类型及其产生机理
      直接测量负载情况下的输人和输出功率用式(1)来确定电机效率受限制或制约因素较多,通常通过测量损耗,采用式(2)和式(3)来计算电机效率。如果采用完全相同的测量和计算方法,则通过测量损耗所确定的效率,可以用来比较相互竞争的电机产品。几种通常需要考虑的损耗有欧姆损耗、机械损耗、开路或者空载铁心损耗及负载杂散损耗。

欧姆损耗

      欧姆损耗也即I2R损耗,存在于电机的所有绕组中。尽管一般会通过测量每一具体运行点的绕组温度对计算做修正,但约定计算这些损耗时采用的是绕组在75℃时的直流电阻。另外,交流下的绕组I2R损耗取决于绕组的有效(交流)电阻,而有效电阻与运行频率和电机磁通情况有关。由直流电阻和有效电阻的差别所引起的损耗偏差被计入到负载杂散损耗。

      对同步电机和直流电机的励磁系统,只将励磁绕组内的损耗计入电机效率计算;提供励磁的外部电源内的损耗,是将电机作为电厂的一部分,计入到电厂的效率中。

      与I2R损耗紧密相关的还有滑环和换向器上的电刷接触损耗。习惯上,在感应电机和同步电机中,这一损耗通常被忽略不计,在工业用直流电机中,当采用有引线(线瓣)的碳和石墨电刷时,认为电刷总接触压降为2V的恒值。
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机械损耗

      机械损耗包括电刷及轴承上的摩擦损耗,风阻引起的损耗等。如果有通风装置,不管是自带风扇还是外风扇,还应包括使空气在电机和通风系统中循环所需的功率(管道通风时,除去强迫气流通过电机外部的长管道或狭窄管道所需的功率),摩擦和风阻损耗可以通过测量电机的输入功率来确定,此时电机以适当转速运转但不带载且不励磁。通常,摩擦和风阻损耗与铁心损耗合并在一起并同时确定。

开路或者空载铁心损耗

      开路或者空载铁心损耗包活磁滞和涡流损耗,是仅在主励磁绕组激励的情况下,由电机铁心中时变磁通密度所引起的损耗。

在直流电机和同步电机中,尽管由于开槽所引起的磁通变化也会在磁极铁心,特别是在磁极铁心的极靴和极面中引起损耗,但铁心损耗主要还是局限在电枢铁心中,或者说只计算电枢铁心损耗。

      在感应电机中,铁芯损耗主要局限在定子铁心中,转子中的铁芯损耗因磁场交变频率为非常低的转差频率,通常忽略不计。通过使电机不带载,运行在额定转速或者频率、并且适当的磁通或者电压条件下,测出电机的输入功率,然后扣除摩擦和风阻损耗,并且如果测试中电机是自驱的,还要加除空载电枢I2R损耗(感应电动机的空载定子I2R损耗),就可以得到开路铁芯损耗。

      通常,在额定电压附近,测取空载铁心损耗随电枢电压变化的函数曲线数据。可以认为,用负载下电枢电阻压降对额定电压时进行修正(对交流电动机要用相量修正),负载下的铁芯损耗取电压等于修正值时抽测得的损耗值。然而对于感应电机,通常省却这一修正,一般采用额定电压下的铁芯损耗。如果仅仅为了确定效率,就没有必要将开路锨芯损耗与摩擦及风阻损耗分离,将这二者之和统称为空载旋转损耗。

负载杂散损耗

      负载杂散损耗包括:铜导体中电流分布的不均匀所引起的损耗、负载电流使得磁场畸变而引起的附加铁心损耗,等等。这类损耗难以精确确定。根据惯例,对直流电机一般取输出功率的1.0%。对同步电机和感应电机,负载杂散损耗一般通过多个标准试验来确定。

关于涡流和磁滞损耗的计算
      涡流损耗随磁密、频度及叠片厚度等的平方变化。正常运行条件下,涡流损耗可以足够准确地近似表示为

      Pe=Ke(Bmax fδ)2……………(4)

      式中,为叠片厚度;Bmax为磁密最大值;f为频率;Ke为比例系数。系数Ke取决于所采用单位、铁心体积和铁芯电阻率。

      磁滞损耗的变化规律只能用基于经验的公式来表示。最常用的关系式见式(5)
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      式(5)中:Ks是比例系数,取决于铁心的特性和体积以及所采用的单位;指数n在1.5~2.5之间,电机中估算时经常所取的值为2.0。在式(4)和式(5)中,频率可以用速度来替代,磁通密度可以换成电压,但比例系数要做相应改变。

      当电机负载时,负载电流产生的磁势会严重影响磁通密度的空间分布,实际的铁心损耗可能会显著增大。例如,谐波磁势会在气隙附近的铁心中产生可观的损耗。所增大的总的铁耗通常被归为负载杂散损耗的一部分。


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