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1、第五章 损耗与效率,5-1 概述,电机损耗可分为下列5类：,（1）定、转子铁心中的基本铁耗，它是由主磁场在铁心中发生变化时产生的。,（2）空载时铁心中的附加（或杂散）损耗，它是由定转子开槽引起的气隙磁导变化而产生的谐波磁场在对方表面产生的表面损耗及脉振损耗。,（3）电气损耗，是由工作电流在绕组中产生的损耗，对直流电机或同步电机而言，也包括电刷在换向器或集电环上的接触电阻损耗。,铁心局部截面示意图,（1）、（2）、（5）项损耗称为空载损耗或不变损耗，（3）、（4）项又称为负载损耗或可变损耗。,（5）机械损耗，它包括通风损耗，轴承摩擦损耗和电刷与集电环或换向器间的摩擦损耗。,（4）负载时的附加（或
2、杂散）损耗，是由定子或转子电流所产生的漏磁场在定、转子绕组里和铁心及结构件里引起的各种损耗。,5-2 基本铁耗,交变的主磁场在铁心中所产生的损耗，它分为磁滞损耗与涡流损耗两部分。,一、磁滞损耗,单位重量的铁磁物质由交变磁场引起的磁滞损耗ph，即称为磁滞损耗系数，即：,如果铁心内的磁通密度B1.6T，则系数a0，可略去上式中的第一项得：,二、涡流损耗,经推导可得单位重量的钢片的涡流损耗为：,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。,三、轭部（齿连轭）及齿部的基本铁耗,将磁滞与涡流损耗系数合在一起，得到钢的总损耗系数（即单位重量的损耗）的计算式：,对于
3、不同的含硅量的硅钢片，可以通过查表5-1，得到h，e数值。,如果在一般情况下(指不同的f)，对不同的B值，或者不同的f，则损耗系数为：,因此，钢中的基本铁耗应为：,利用上式可以求出电机轭中及齿中的基本铁耗。,其中的p10/50表示当B=1T，f=50Hz时的钢单位损耗系数,查表5-1得。,1、定子、转子轭的基本铁耗,2、齿中的基本铁耗,可仿轭部的计算式，得,5-3 空载时铁心中的附加损耗,空载时的铁心附加损耗是指铁心表面损耗和齿中的脉振损耗，它是由气隙中谐波磁场引起的。而谐波磁场又由两种原因造成：,1、电机开槽引起气隙磁导不均匀，如图所示，产生出磁场的高次谐波；,2、空载励磁磁势空间分布曲线中
4、存在着谐波。,由谐波产生的表面损耗，根据谐波的波长与凸面的间距的相对大小有不同的情况：,1）凸面的间距（如凸极同步电机）远大于谐波的波长，则谐波磁通集中于极弧表面一薄层内，在极面感应涡流，产生涡流损耗，也会在其中产生磁滞损耗，又称表面损耗；,2）凸面间距要比谐波波长要小得多，如齿距t小于谐波波长，则谐波将深入到齿部并经由轭部形成闭合回路，则在齿中产生涡流及磁滞损耗，称为脉振损耗。,3）介于上述两种情况之间，既有表面损耗又有脉振损耗。,本节只讨论由铁心开槽引起的空载表面损耗及脉振损耗的计算方法。,一、直流电机及同步电机实心磁极的表面损耗,二、叠片式磁极及感应电机中的表面损耗,为了减少磁极表面损耗
5、及工艺上的方便，直流机或同步机的磁极常做成叠片式，以利用片间绝缘层来增加涡流回路电阻，减小涡流损耗。,叠片式磁极表面损耗的计算仍可按式,来计算，但其中的k0应按表5-2加以确定。,对于感应电机，其定子、转子均由硅钢片叠压而成，双边都有开槽。因此由定子开槽引起的气隙磁导变化所产生的谐波磁场在转子表面产生的表面损耗为：,上式中的pA2的数值计算公式为：,01由图5-5查取。,K0为经验系数，主要与硅钢片的规格、性能以及加工质量有关。对于含硅量较低的硅钢片，它等于1.5，加工后可达35；对于含硅量较高的硅钢片，它等于0.7，加工后可达1.53。,三、感应电机齿中的脉振损耗,在所示图中的两个不同的定转
6、子齿的相对位置，进入定子齿中的磁通量不同；其差额为阴影所示的面积。困此，随着电机的旋转，定子齿中的磁通将发生变化，导致附加铁损耗。,由此引起定子齿里的磁通密度脉振振幅为：,将上式代入下式就得到定子齿中脉振损耗的数值计算公式；,同理可得转子齿中脉振损为：,5-4 电气损耗,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：,如果电机为m相对称的多相绕组，则各相电流数值相等，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：,5-5 负载时的附加损耗,一、凸极同步电机负载时
7、的附加损耗,负载时产生的附加损耗的主要原因是由于环绕着绕组存在有漏磁场。这些漏磁场在绕组中以及在所有邻近的金属结构件中感应涡流损耗。,另外，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。,由额定负载电流引起的同步电机的附加损耗，约等于短路试验时的附加损耗，因此又称之为短路附加损耗。它包括以下分量：,（一）短路时由于漏磁场在定子绕组中引起的附加损耗,交流电动机总体结构,机壳,底座,端盖,定子铁心,定子绕组,转子,转轴,（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,它是由于漏磁场交变而引起的集肤效应，使交流电阻
8、大于直流电阻，增加的电阻部分的损耗即是漏磁场在绕组中引起的附加损耗。它等于：,由于绕组端部电流空间分布比较复杂，准确计算这些附加损耗比较困难，一般用经验公式进行计算。,（三）定子绕组磁势谐波在转子磁极表面引起的表面损耗,1、定子相带谐波磁势在磁极表面产生的附加损耗,单位表面积的附加损耗系数的计算公式为,将各次相带谐波磁场的磁密幅值、极距、频率代入上式，然后相加再乘以面积，即得所有这些谐波在磁极表面产生的表面损耗为：,表面损耗的经验计算公式（相带谐波产生），见书P88。,2、定子齿谐波磁势在磁极表面产生的附加损耗,相应的经验计算公式见书P89。,（四）短路电流为额定值时磁场的3次谐波在定子齿中产
9、生的附加损耗,在凸极同步电机里，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（由于气隙的不均匀）。,由3次谐波磁场在定子齿中产生的附加损耗的经验计算公式如下：,二、感应电机负载时的附加损耗,主要由以下几部分组成1、定子绕组漏磁场在绕组里及绕组端部附近的金属部件中产生的附加损耗；2、由定子磁势谐波产生的磁场在笼型转子绕组中感应电流引起的附加损耗；3、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；,4、在没有槽绝缘的铸铝转子中，由导条间的横向电流产生的损耗,由于组成项目复杂，因此感应电机负载时的附加损耗通常不进行详细计算。一般是按电机额定功率的百分比来估算。例如，采用压力
10、铸铝转子工艺的感应电机，其附加损耗约占输出功率的23%。,降低感应电机负载时附加损耗的措施,1、采用谐波含量少的定子绕组型式，例如采用双层短距分布绕组，或单双层绕组来替代单层绕组；,2、采用定子与转子槽数的近槽配合；,3、采用斜槽。,三、直流电机负载时的附加损耗,直流电机负载时的附加损耗一般取功率的0.51%,5-6 机 械 损 耗,机械损耗包括轴承损耗、电刷摩擦损耗、通风损耗等。,一、轴承摩擦损耗,二、通风损耗,三、轴承摩擦和通风损耗pfw,在一般电机中，常把这两种损耗综合在一起计算。,（一）直流电机,1、对于电枢直径Da0.5m、轴上没有风扇的电机，pfw可按以下数值计算：,2、对于电枢直
11、径Da0.5m、采用滑动轴承的电机，则pfw计算公式为：,3、对于采用滚动轴承且轴上装有风扇的中小型直流电机，损耗pfw可按图5-14的曲线来确定。,（二）感应(异步)电机,1、对于径向通风的大型电机，pfw可按以下数值方程计算：,2、对于中小型电机，可按下式计算pfw,（三）凸极同步电机,电动机的效率可用下式计算：,发电机额定负载时效率可用下式计算：,5-7 效 率,（四）电刷与换向器或集电环间的摩擦损耗,几个问题的讨论,一、什么是“可变损耗”,随电机负载而变化的损耗称之为“可变损耗”。,二、什么是“不变损耗”,不随电机负载而变化的损耗称之为“不变损耗”。,三、如何降低损耗，提高电机效率,无非从两方面入手：,1、选用好的材料；,2、提高电机制造工艺水平；,电气损耗,负载附加损耗,基本铁耗,空载附加损耗,机械损耗,电机制造工艺主要有：冲制、叠装、嵌线、焊接、整形、车、磨、镗、铣、钻、铸。,上模,电机定、转子硅钢片冲制过程示意图,下模,毛刺,叠装,叠装工艺示意图,
