电机设计课件之四 损耗和效率

在所示图中的两个不同的定转子齿的相对位置，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。
如果取电度 机 ,则轴 上向 述单 磁 2B 0位 s22通 1 2长 B 变 0s22 化 由此引起定子齿里的磁通密度脉振振幅为：
Bp1
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0.5~1%
§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
pf 2.3lj 50 50pjdj(1d ljj)v1j.51 010
§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：
ph (aBbB2)f 式中 f为磁场交变频 , 率 B磁密幅值
a,b为取决于材料性能例的常比数
如果铁心内的磁通密度B≤1.6T，则系数a≈0，可略去上式 中的第一项得：
定子铁心 定子绕组
交流电动机总体结构
机壳 端盖
转轴 转子
底座
它是由于漏磁场交变而引起的集肤效应，使交流电阻大于 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：
pCuad(KF' 1)pCu 式中 pCu绕组直流电阻损耗
KF' 绕组电阻增加,根 系据 数绕组型式的不 同取不同的.数值
§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
pCu(Al) Ix2Rx
Ix为绕组 x中的电;流 Rx换算到基准工作绕 温组 度电 的. 阻 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：
pCu(Al) mI2R
二、通风损耗
pw 1.75qvv2 式中qv为通过电机的空流气量 (m 体3 /积 s)
f

p (n1 n ) 60

f1 (
1)


为次谐波之极距
Bb 次相带谐波磁势所产生 的同次谐波磁密幅值
而
Bb
0Hb
0
Fb
ef
k
ef
其中
k

sh ef

为次谐波磁密衰减系 ， 也 数可查表k求
Fb
1

F1

Kdp Kdp1
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：
5
p3 10.7p10/50Bt34Gt1 式中Bt3 (A3mXd1.27A3dXad)Bt1为3次谐波磁场的磁密
Gt1 为定子齿重
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；
2、定子齿谐波磁势在磁极表面产生的附加损耗
由齿谐波磁场在 面磁 产极 生表 的附加损 算耗 公的 式计 为
p2tk
0.25k0' Ap02A12
t14
4 ef
(Z61n0)1.5kr2k2t
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）。
铁心局部截面示意图
i
（4）负载时的附加（或杂散）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）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。
（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。
式中 B0101K1B为定子开槽引 波起 磁的 密齿 的 , 谐 幅
β01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3~5； 对于含硅量较高的硅钢片，它等于0.7，加工后可达1.5~3。
三、感应电机齿中的脉振损耗
轭中的基本铁耗pF等 ej于kapheG j j
式中 Gj为轭的重量
ka为经验 . 对 系于 数直k流 a3电 .6; 对 机于交流 当 PN10k0V时 A,ka1.5,当容 PN量 10k0V时 A,ka1.3
2、齿中的基本铁耗 可仿轭部的计算式，得
损耗 ph系 e t p1/0 5 数 B 0t2(5f)0 1.3
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：
pcbUbI Ub为电刷接 ,对触 于压 石,电 降 墨化 电石 刷墨 Ub 电 1V刷 对于金属 ,U 石 b0墨 .3V电刷
§5-5 负载时的附加损耗 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。
p02pA2 D2lt'2
t2
b02 t2
式中t2 ,b02分别为转子 ,转齿 子距 槽;口宽
D2,lt'2分别为转子铁 ,长心 度外径
pA2由定子槽开口谐 引波 起磁 的场 齿在转面 子中 单产 位生 表.的
上式中的pA2的数值计算公式为： pA20.5k0(Z1n)1.5(B0t11)2
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。
B
（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。
面损耗为：p 2 k A p k 0 '(B b 2 )2f1 .5 k r 2
式中
5, 7, 11;
k
' 0

k0 (60 )1.5
Ap 转子磁极表面积
kr 考虑涡流反作用使原漏 磁场削弱而引入的系数 ,查曲线获得 ;
f 定子 次相带谐波在磁极表面 感应电势之频率 , 其计算公式为
（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
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。
p pl
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3
5Di1
(
f 50
)
2
pc'
103
式中 为极距 (m)
Di1为定子铁心内径 (m) f为频率 (Hz)
p
' 为损耗系数
c
,
pc'
齿中的基本铁耗 pFe等 tk于 apheG t t
式中 Gj为齿的重量
ka为经.验 对 系 于 数 直 ka 流 4.0;对 电于 机感 ka 应 1.8 电 对于同 ,当 P 步 N1电 0k0 V 机 时 A ,ka2.0,当容 P N1 量 0k0 V时 A ,ka1.7
§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：
磁极单位表面积 损的 耗涡 为流
pA k0(B0t)2(Zn)1.5
式中 k0 4
1

( 1)1.5
60
,B0为谐波磁密的幅值
Z为电枢槽 ,n为 数磁极的,转 为速钢的磁,导 为率钢的电阻率
将上式乘以所表 有面 磁积 极就 的可得表 出面 电损 机耗 的
pFeppAAp
二、叠片式磁极及感应电机中的表面损耗
式中e
22Fe 6Fe
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：
p h ep hp eh B 2fe(B)2f
对于不同的含硅量的硅钢片，可以通过查表5-1，得到 σh，σe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：

B02s2 2KFebt1
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；
pp1 0.0 7(Z2n)2Bp12Gt11 06 Gt1为定子;n齿 为重 转. 速 同理可得转子齿中脉振损为：
pp2 0.07(Z1n)2Bp22Gt2106 Gt2为转子;n齿 为重 转. 速 Bp2为转子齿里的 脉磁 振通 振密 幅
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。
• 一、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
phep10/50B2(5f0)1.3 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。
因此，钢中的基本铁耗应为： pFekaphG e Fe
利用上式可以求出电机轭中及齿中的基本铁耗。
1、定子、转子轭的基本铁耗 损耗 ph系 e j p1/0 5 数 B 0j2(5f)0 1.3
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；
1.15( A1
105
) 2.5
A1为定子绕组线负荷 ( A / m)
（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
pAk0(6f0 )1.5(2B )2
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
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，采用压力铸铝转子工艺的感应电机，其附加损耗约 占输出功率的2~3%。
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；
为了减少磁极表面损耗及工艺上的方便，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
pA k0(B0t)2(Zn)1.5 及 pFep pAAp
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：
phb2 B fhB2f
二、涡流损耗
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。
经推导可得单位重量的钢片的涡流损耗为：
pe62Fe(FB e )f2 为钢片的 ,F 电 为 e 阻 钢率 片的 ,F密 钢 e 度 片的厚
在厚度一定的有 情p况 e 下 e(B则f)2
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
1

2

A1Kdp
将以上各项代入可得次谐波的表面损耗为
p2k

8
2
4

2 ef
k0' 02 A12 f11.5 Ap( )kr2 k2
其中 () (12 Kdp )2 ( 1)1.5
是与绕组节距比有关的项,也可查曲线得到.
表面损耗的经验计算公式（相带谐波产生），见书P88。