第五章-损耗与效率课件

第五章第五章 损耗与效率损耗与效率5-1 概述概述一、损耗与效率的关系一、损耗与效率的关系效率是电机的一个重要性能指标效率是电机的一个重要性能指标效率高低取决效率高低取决损耗大小损耗大小材料性能、绕组型式、电机结构等材料性能、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。高效电机就是设法降低电机的损耗、多用材料。二、电机损耗分类二、电机损耗分类损损耗耗铁心中的基本损耗铁心中的基本损耗主要是主磁场在铁心中交变主要是主磁场在铁心中交变产生的磁滞、涡流损耗产生的磁滞、涡流损耗空载铁心中空载铁心中附加损耗附加损耗电气损耗电气损耗：工作电机在绕组铜中产生的损耗，包括接触：工作电机在绕组铜中产生的损耗，包括接触 损耗损耗负载时附加损耗负载时附加损耗：漏磁场包括谐波磁场在定、转：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子绕组中、铁心及结构件中引起的各种损耗机械损耗机械损耗：通风损耗、轴承磨擦损耗、电刷：通风损耗、轴承磨擦损耗、电刷和换向器（集电环）磨擦损耗和换向器（集电环）磨擦损耗表面损耗：定转子开槽而引起的气隙磁表面损耗：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磁通因电机旋转而变化所产生的损耗5-2 基本铁耗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产生的原因：由主磁场在铁心内发生变化时所产生的主磁场的变化：主磁场的变化：交变磁化性质：变压器铁心、定转子齿交变磁化性质：变压器铁心、定转子齿 中发生中发生 旋转磁化性质：定、转子铁轭中发生的旋转磁化性质：定、转子铁轭中发生的一、磁滞损耗一、磁滞损耗1、磁滞损耗系数：单位质量铁磁物质内由交变磁化引起的、磁滞损耗系数：单位质量铁磁物质内由交变磁化引起的磁滞损耗磁滞损耗2、磁滞损耗耗系数计算、磁滞损耗耗系数计算 在电机铁心内磁通密度在电机铁心内磁通密度时：时：(与与、有关，与材料有关有关，与材料有关)任意频率下：任意频率下：3、旋转磁化引起的磁滞损耗一般较交变磁化放大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（轭磁密一般在1.0-1.5T）这在以后计算基本铁耗时用系数这在以后计算基本铁耗时用系数考虑。考虑。二、涡流损耗二、涡流损耗1、产生的原因：、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。流，这电流即涡流。由它引起的损耗为涡流损耗。2、涡流损耗系数计算涡流损耗系数计算任意频率下：任意频率下：涡流损耗系数涡流损耗系数与与、及材料厚度平方及材料厚度平方成正比。成正比。三、轭部及齿部的基本铁耗三、轭部及齿部的基本铁耗1、钢的损耗系数（比损耗）、钢的损耗系数（比损耗）2、钢比损耗简便计算、钢比损耗简便计算（瓦（瓦/公斤）公斤）3、基本铁耗计算、基本铁耗计算定子或转子（齿联）轭中的基本铁耗定子或转子（齿联）轭中的基本铁耗轭中的损耗系数：轭中的损耗系数：轭中基本铁耗：轭中基本铁耗：齿中基本铁耗齿中基本铁耗 齿中的损耗系数：齿中的损耗系数：齿中的基本铁耗：齿中的基本铁耗：4 4、降低铁耗方法、降低铁耗方法（使各部分磁密不要过高）（使各部分磁密不要过高）；（选用好材料选用好材料 ）；）；5-3 空载时铁心中的附加损耗空载时铁心中的附加损耗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、齿中脉振损耗气隙中谐波磁场气隙中谐波磁场电机铁心开槽导致气隙磁导不均匀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空载励磁磁势空间分布曲线中有谐波附加损耗产生的原因：附加损耗产生的原因：气隙谐波磁通的路径气隙谐波磁通的路径a)在极弧表面在极弧表面 b)深入齿部深入齿部 c)在表面及齿中在表面及齿中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（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）中方需考虑）一、一、直流机及同步机整块（或实心）磁极的表面损耗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。上集中在表面一薄层内，称表面损耗。齿谐波（磁场）频率：齿谐波（磁场）频率：齿谐波磁密最大值：齿谐波磁密最大值：2、磁极表面涡流损耗计算、磁极表面涡流损耗计算假设：假设：a)谐波磁密在空间按正弦分布，其幅值为谐波磁密在空间按正弦分布，其幅值为（忽略极面涡流对（忽略极面涡流对的削弱作用）；的削弱作用）；b)磁极磁导为常数（不考虑饱和）；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。磁极轴向长度较长，磁极表面仅有轴向电流。方法：麦氏方程方法：麦氏方程偏微分方程偏微分方程解方程解方程通解通解代边界条件代边界条件特解特解单位表面涡流损耗单位表面涡流损耗实际上考虑假设引起误差，忽略磁滞，实际上考虑假设引起误差，忽略磁滞，要大（按表要大（按表5-2）如如为正弦分布，则气隙磁导齿谐波也将作正弦变化。为正弦分布，则气隙磁导齿谐波也将作正弦变化。表面损耗表面损耗3、表面损耗与哪些因素有关：、表面损耗与哪些因素有关：与与成正比：成正比：与与（即磁密波长）有关：（即磁密波长）有关：与与成正比：成正比：与磁极材料的导磁导电性能有关：与磁极材料的导磁导电性能有关：二、叠片磁极及异步机中的表面损耗二、叠片磁极及异步机中的表面损耗1 1、叠片磁极的表面损耗计算、叠片磁极的表面损耗计算为了减小磁极的表面损耗，直流机、凸极机磁极常做成叠片，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，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，电流电流，（叠片（叠片小，小，大）大）2、异步机中的表面损耗、异步机中的表面损耗 异步机定转子都有槽：定子槽异步机定转子都有槽：定子槽气隙磁导齿谐波磁场气隙磁导齿谐波磁场转转子表面损耗；子表面损耗；转子槽转子槽气隙磁导齿谐波磁场气隙磁导齿谐波磁场定子表面损耗。定子表面损耗。（一般异步机转子半闭口槽在定子表面引起损耗小，气隙小）（一般异步机转子半闭口槽在定子表面引起损耗小，气隙小）转子表面损耗：转子表面损耗：定子槽开口引起的齿谐波磁场在转子单位表面中损耗：定子槽开口引起的齿谐波磁场在转子单位表面中损耗：三、异步机齿中的脉振损耗三、异步机齿中的脉振损耗1、产生原因：、产生原因：定转子齿槽定转子齿槽 旋转时定、转子之间相对位置不断变化旋转时定、转子之间相对位置不断变化齿对齿齿对齿 进入定子齿磁通最大进入定子齿磁通最大转子槽对定子齿转子槽对定子齿 进入定子齿磁通最小进入定子齿磁通最小 齿中磁通发生变化齿中磁通发生变化 脉振损耗脉振损耗定子齿中磁通的脉振定子齿中磁通的脉振2、计算：、计算：单位轴向长度磁通变化量：单位轴向长度磁通变化量：定子齿磁密脉振振幅：定子齿磁密脉振振幅：（脉振磁通在转子导条中引起环流，此环流产生相反磁场，（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。）场也将产生阻尼作用。）上式是根据定转子齿槽尺寸关系最不利的情况下得出的；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，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，齿钢片磁导率变化的影响，实际磁密脉振振幅要小一些，计算时可用计算时可用来补偿。来补偿。最后得出脉振损耗的计算公式：最后得出脉振损耗的计算公式：近似以近似以代入：代入：类似：类似：（定子）（定子）（转子）（转子）工厂实际计算空载附加损耗：工厂实际计算空载附加损耗：实验数据；实验数据；用基本铁耗取大一点用基本铁耗取大一点计算计算齿：齿：轭：轭：(取大点考虑空载附加损耗）取大点考虑空载附加损耗）5-4 电气损耗电气损耗一、绕组中的电气损耗一、绕组中的电气损耗交流交流m相：相：R是换算到基准工作工作温度的绕组直流电阻是换算到基准工作工作温度的绕组直流电阻二、电刷接触损耗二、电刷接触损耗5-5 负载时的附加损耗负载时的附加损耗一、一、负载时附加损耗产生的原因负载时附加损耗产生的原因电机带上负载后，绕组中通以电流，环绕着绕组存电机带上负载后，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；流损耗；定子和转子绕组在气隙的谐波磁势所产生的谐波磁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。组中产生涡流附加损耗。空载附加损耗主要讨论基波磁场空载附加损耗主要讨论基波磁场 气隙磁导齿谐波磁场气隙磁导齿谐波磁场负载时附加损耗一般难于精确计算，通常以额定功率的百负载时附加损耗一般难于精确计算，通常以额定功率的百分之几大约估算。分之几大约估算。二、二、凸极同步电机负载时的附加损耗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，约略等于短路由额定负载电流引起的同步电机的附加损耗，约略等于短路试验（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。又叫短路附加损耗。铁心中的基本损耗铁心中的基本损耗主要是主磁场在铁心中交变产生主要是主磁场在铁心中交变产生的磁滞、涡流损耗的磁滞、涡流损耗（磁势中若含三次谐波磁势，但由于凸极（磁势中若含三次谐波磁势，但由于凸极机气隙分布不均匀，使直轴三次谐波分量机气隙分布不均匀，使直轴三次谐波分量与转子磁势三次谐波分量叠加在定子齿中与转子磁势三次谐波分量叠加在定子齿中产生附加损耗）产生附加损耗）短短路路附附加加损损 耗耗 短路时由于漏磁场在定子绕组中引起的附加损耗短路时由于漏磁场在定子绕组中引起的附加损耗短路时由于漏磁场在金属部件中引起的附加损耗短路时由于漏磁场在金属部件中引起的附加损耗定子谐波在转子定子谐波在转子表面引起表面损耗表面引起表面损耗相带谐波磁势相带谐波磁势齿谐波磁势齿谐波磁势 磁场的三次谐波在定子齿产生的附加损耗磁场的三次谐波在定子齿产生的附加损耗（一）短路时由于漏磁场在定子绕组中引起的附加损耗（一）短路时由于漏磁场在定子绕组中引起的附加损耗短路短路 漏磁场漏磁场 定子绕组挤流定子绕组挤流 增加的这个电阻增加的这个电阻上的损耗上的损耗 直流电阻：直流电阻：交流电阻：交流电阻：绕组电阻增加系数绕组电阻增加系数 附加损耗：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（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中产生的附加损耗 按经验公式计算：按经验公式计算：（三）定子绕组磁势谐波在转子磁极表面引起的表面损耗（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、定子相带谐波磁势在磁极表面产生的附加损耗一般根据工厂经验公式计算：一般根据工厂经验公式计算：a)各相导体在槽中的分布各相导体在槽中的分布情况情况 b)磁势曲线及其分解。其磁势曲线及其分解。其中阶梯形曲线表示当中阶梯形曲线表示当A相相电流达最大值时的三相合电流达最大值时的三相合成磁势曲线成磁势曲线 c)齿谐波磁势曲线齿谐波磁势曲线 d)相带谐波磁势曲线相带谐波磁势曲线 相带谐波损耗与哪些因素有关？相带谐波损耗与哪些因素有关？a)与短距系数与短距系数有关。谐波次数是有关。谐波次数是5、7、11当当=0.8 相带谐相带谐波中的较低次分量（波中的较低次分量（5次及次及7次）因绕组短距而被大大削弱次）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。采用短距绕组可以降低转子表面损耗。b)表面损耗还与电负荷表面损耗还与电负荷有关。有关。，谐波磁势大，损耗大。谐波磁势大，损耗大。，c)与与相对气隙相对气隙有关。谐波磁势有关。谐波磁势谐波磁通是经过气隙而与转子交链的谐波磁通是经过气隙而与转子交链的大大磁阻越小磁阻越小同样磁势同样磁势磁通大磁通大损耗大。损耗大。2、定子齿谐波磁势在表面产生的附加损耗、定子齿谐波磁势在表面产生的附加损耗一般工厂计算方法：一般工厂计算方法：推导公式：推导公式：与哪些因素有关？与哪些因素有关？a)与与值有关。值有关。，齿谐波磁势，齿谐波磁势，表面损耗，表面损耗（有关）。有关）。b)与与有关。有关。，谐波磁势大，损耗大。谐波磁势大，损耗大。，c)与与有关。有关。（四）短路电流为额定值时磁场的三次谐波在定子齿中产（四）短路电流为额定值时磁场的三次谐波在定子齿中产生的附加损耗生的附加损耗1、凸极机气隙不均匀，转子励磁磁势凸极机气隙不均匀，转子励磁磁势与电枢反应磁势与电枢反应磁势短路时，定、转子短路时，定、转子3次谐波磁场互相叠加。次谐波磁场互相叠加。的基波分量均在气隙中产生的基波分量均在气隙中产生3次谐波磁场。次谐波磁场。凸极同步电机的三次谐波磁场凸极同步电机的三次谐波磁场a)直轴电枢反应磁场曲线直轴电枢反应磁场曲线 b)励磁磁场曲线励磁磁场曲线2、计算：、计算：磁极及电枢反应磁极及电枢反应3次谐波磁场系数计算次谐波磁场系数计算3、与哪些因素有关：与哪些因素有关：尽量使励磁磁势分布接近正弦，电枢反应磁势尽量使励磁磁势分布接近正弦，电枢反应磁势。三、三、异步机负载时的附加损耗异步机负载时的附加损耗1、影响：影响：异步机负载时的附加损耗不进行详细计算，一般按异步机负载时的附加损耗不进行详细计算，一般按0。5%Pe计算，这是很不精确的。对于采用压力铸铝工艺的计算，这是很不精确的。对于采用压力铸铝工艺的小型异步机，达小型异步机，达2-3%，有的甚至达，有的甚至达4-5%。该损耗对电机。该损耗对电机的经济性、启动性能影响很大，造成温升过高。的经济性、启动性能影响很大，造成温升过高。2、笼型转子异步电机附加损耗包括哪几部分：、笼型转子异步电机附加损耗包括哪几部分：定子绕组的漏磁场在绕组内及端部附近金属部件中产生定子绕组的漏磁场在绕组内及端部附近金属部件中产生的附加损耗；的附加损耗；定子磁势谐波产生的磁场在转子绕组中感应电流引起的定子磁势谐波产生的磁场在转子绕组中感应电流引起的附加损耗；附加损耗；定子磁势谐波产生的磁场在转子铁心表面引起的表面损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，忽略脉振损耗；耗，忽略脉振损耗；没有槽绝缘的铸铝转子中，由泄漏电流产生的损耗。没有槽绝缘的铸铝转子中，由泄漏电流产生的损耗。（一）在直槽的情况下，由定子磁势谐波在笼型转子内（一）在直槽的情况下，由定子磁势谐波在笼型转子内产生的附加损耗产生的附加损耗 1、相带磁势相带磁势定子谐定子谐波磁势波磁势齿磁势齿磁势2、与哪些因素有关：、与哪些因素有关：与定子绕组谐波绕组系数与定子绕组谐波绕组系数，转子绕组假想绕组系数，转子绕组假想绕组系数有关。有关。与谐波次数有关；与谐波次数有关；与定转子槽数比值有关；与定转子槽数比值有关；一般采用近槽配合。一般采用近槽配合。与转子槽数有关；与转子槽数有关；少槽。少槽。，（二）斜槽情况下，如导条未绝缘，由定子磁势谐波在转（二）斜槽情况下，如导条未绝缘，由定子磁势谐波在转子中产生的损耗子中产生的损耗（三）降低异步电动机负载附加损耗的措施（三）降低异步电动机负载附加损耗的措施节能节能 损耗损耗附加损耗附加损耗1、采用谐波含量较少的各种定子绕组型式（双层短距分采用谐波含量较少的各种定子绕组型式（双层短距分布、单双层、正弦、布、单双层、正弦、-Y混合）混合）谐波磁势谐波磁势 损耗损耗；2、采用少槽近槽配合；采用少槽近槽配合；3、采用斜槽，增大导条与铁心间接触电阻；采用斜槽，增大导条与铁心间接触电阻；4、适当增大气隙；适当增大气隙；5、采用磁性槽楔或闭口槽。采用磁性槽楔或闭口槽。5-6 机械损耗机械损耗机械损耗机械损耗轴承摩擦损耗轴承摩擦损耗与摩擦面上压力、摩擦系与摩擦面上压力、摩擦系数及相对运动速度有关数及相对运动速度有关电刷摩擦损耗电刷摩擦损耗与速度有关与速度有关通风损耗通风损耗与电机结构、风扇型式、通风与电机结构、风扇型式、通风系统中的风阻速度有关系统中的风阻速度有关机械损耗也难以准确计算，一般以已制好的试验数据机械损耗也难以准确计算，一般以已制好的试验数据估取，或按经验公式估算。估取，或按经验公式估算。四、轴承摩擦损耗四、轴承摩擦损耗 滑动轴承的摩擦损耗：滑动轴承的摩擦损耗：滚动轴承的摩擦损耗：滚动轴承的摩擦损耗：五、通风损耗五、通风损耗六、六、轴承摩擦和通风损耗的实际计算方法轴承摩擦和通风损耗的实际计算方法1.直流机直流机对于直径为，轴上没有风扇的电机对于直径为，轴上没有风扇的电机对于电枢直径为，采用滑动轴承的电机对于电枢直径为，采用滑动轴承的电机对于采用滚动轴承且轴上装有风扇的中小型电机损耗对于采用滚动轴承且轴上装有风扇的中小型电机损耗按图按图5-14的曲线确定的曲线确定2.异步电机异步电机对径向通风的大型电机对径向通风的大型电机对中小型异步电机对中小型异步电机 2极防护式：极防护式：4极以上防护式：极以上防护式：2极封闭型自扇冷式：极封闭型自扇冷式：4极上封闭型自扇冷式：极上封闭型自扇冷式：3.凸极同步电机凸极同步电机 径向通风的卧式同步电机的轴承摩擦和通风损耗：径向通风的卧式同步电机的轴承摩擦和通风损耗：4.立式水轮发电机立式水轮发电机通风损耗：通风损耗：推力轴承摩擦损耗：推力轴承摩擦损耗：导轴承摩擦损耗：导轴承摩擦损耗：七、电刷摩擦损耗七、电刷摩擦损耗5-7 效率效率发电机额定负载时的效率：发电机额定负载时的效率：电动机的效率：电动机的效率：