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电机损耗机理——大家应该有的干货!

发布时间:2021年08月31 08:40

在春天,和朋友一起享受春天是很有趣的。

旅行驴友老M女士接到一位顾客的电话,眉宇间的喜色几乎超过了明媚的春光。她欣然同意,他将有一个很好的AA午餐。本来因为客户购买了老M供应的高效电机,电费降了不少,高效电机的应用实践开始获得丰厚的回报。

高效电机,顾名思义,效率高,符合规定的能耗标准。要达到这个目的,控制和减少电机损耗是关键,要了解损耗发生的机理。

电机损耗的重要性

考虑电机损耗非常重要,原因有三:

(1)损耗决定了电机的效率,很大程度上影响了电机的运行成本。

(2)损耗导致电机发热,对应的温升水平决定了能获得的最大功率输出。

(3)电机设计方案中必须合理考虑与这些损耗相关的压降或电流因素。

电机效率计算

电机的效率由以下公式给出:

效率=输出/输入……………(1)

或者表示为式(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

直接测量负载条件下的输入输出功率可以由公式(1)确定,电机效率通常通过测量损耗并使用公式(2)和公式(3)计算。如果采用相同的测量和计算方法,通过测量损耗确定的效率可用于比较竞争的电机产品。需要考虑的几个损耗是欧姆损耗、机械损耗、开路或空载铁芯损耗和负载杂散损耗。

欧姆损耗

欧姆损耗或I2R损耗,存在于电机的所有绕组中。虽然通常通过测量每个特定工作点的绕组温度来修正计算结果,但人们一致同意使用75时绕组的DC电阻来计算这些损耗。此外,交流下的绕组I2R损耗取决于绕组的有效(交流)电阻,该电阻与电机的工作频率和磁通量有关。直流电阻和有效电阻差引起的损耗偏差包含在负载杂散损耗中。

对于同步电机和DC电机的励磁系统,电机效率的计算只考虑励磁绕组的损耗;提供励磁的外部电源的损耗是将电机作为动力装置的一部分,计入动力装置的效率。

I2R损耗密切相关的是滑环和换向器上的电刷接触损耗。传统上,在感应电机和同步电机中,这种损耗通常被忽略。在工业DC电机中,当使用碳刷和石墨刷时,电刷的总接触压降被认为是2V的恒定值。

机械损耗

机械损失包括轴承上的电刷和摩擦损耗,风阻引起的损耗。如果有通风装置,无论是自带风扇还是外置风扇,还应包括电机和通风系统内空气循环所需的功率(管道通风时,通过电机外部的长管道或窄管道排除强制气流。

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)

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。

以上非官方发布内容,仅代表个人观点。

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