大型电机机械损耗计算分析
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用领 域 正 日益扩 大 。
基 金 项 目 ： 龙 江 省 教 育 厅 课 题 （ ２ １３ ３ 黑 １５ １５ ）
４ ４
爆 晓机
（ ＰＯＩＮ Ｐ Ｏ ＦＥＥ Ｔ Ｉ Ｍ Ｃ ＩＥ Ｅ Ｌ Ｓ —Ｒ Ｏ ＬＣ ＲＣ Ａ ＨＮ ） Ｘ Ｏ
第 ７ １ 第６ ４２（ ５ 卷 ２ １期） ０年 期 总 ８
渡状 态 时 ， 摩 阻 系数 计算 公 式为 其 Ａ ：１ ３ ４ ｅ。 ． ３ Ｒ Ｉ ・ 其 摩阻 系数 计算 公 式为
Ａ ＝０ ０ ６ Ｒ － ２ ．４ ５ ｅ ０ ． （） ６
ｆ
＼ ￡，
× 三
十 １
（） １
（） ５
ｌｒｅ ｍｏｏ ，ｉ ｓ ｏ ｌ ｅａ ｃ ｒｔｌ ａｃ ｌｔｄ．Ｔ ｅ ｍｅ ｈ ｎ ｃ ｌ ｏ ｓｉ ｉｉ ｅ ｎ ｏｂ ａ ｎ ｒｃ ａｇ ｔｒ ｔ ｈ ｕｄ ｂ ｃ ｕ ａｅｙｃ ｌｕａｅ ｈ ｃ ａ ｉａ ｓ ｓｄ ｖｄ ｄ ｉｔ ｅ ｒ ｇｆｉ— ｌ ｉ ｔ ｎ ｌｓ ｎ ｎ ａ ｅ ｌｓ ． Ａｃ ｏ ｄｎ ｏ ｔｅ ｆａｕ ｅ ｆｅｅ ｔｏ ｇ ｅｉ ｅ ｒ ｇ ｅ ｅａｌ ｓ ｄ ｉ ｏ ｓａ ｄ ｗｉ ｄ ｇ ｏ ｓ ｏ ｃ ｒｉ ｇ ｔ ｈ ｅ ｔｒ ｓｏ ｌｃｒ ｍａ ｎ ｔｃｂ ａ ｎ ｓｇ ｎ ｒｌｙｕ ｅ ｉ ｉ ａｇ ｔ ｒ ，ｔ ｉ ｐ ｐ ｒｆｒｔｙ ａ ａｙ ｅ ｈ ｄ ａ ｔｇ ｓｏ ｈ ｅ ｒｎ ｓａ ｄ ｐ ｔ ｏｗａｄ ｔａ ｎ ｌｒ ｅ ｍｏｏ ｓ ｈｓ ａ ｅ ｓｌ ｎ ｌｚ ｓｔ ｅ ａ ｖ ｎ ａ ｅ ｆｔ ｅｂ ａｉｇ ｎ ｕ ｓｆ ｒ ｒ ｈ ｔ ｉ
当电机 处于不同的工作状态时 ， 其冷却气体 的温度有所不同 ， 需要根 据当时的温度重新计算 气体 的黏 度 ， 据黏 度 与温 度 的关 系公 式 可 以 得 根
到 ￡＝ ｃ时气 体 的黏度 叼 Ｉ
：
当雷 诺数 Ｒ ≤２×１。 ｅ ０ 流体 处 于层 流 状 态 时 ，
该种情况基本不会出现在大型电机当中。 当 ２×１ ｅ ０ 诺 数 流体 处 于 过 ０ ≤Ｒ ≤４Ｘ１ 雷
过渡 状 态 。在 不 同 的流 动 状 态 下 ， 流体 的 运 动 规 律 、 速 的分 布等 都是 不 同的 ， 流 因此 雷诺 数 的大 小
决定 了 牿 陛流体 的流 动特 性 。
处于静止状态时并不能抵抗 剪切应力 ， 任何微小 的剪切应力都可以使流体产生任意大的形变。当 这种变形速度超过一定限值后 ， 流体将 会呈现 出
２ １ 流体 动 力学法 ． 流体 不 同于 固 体 ， 固体 具 有 保 持 一 定 形 状 的 能 力 ， 想要 固体 产 生变 形 ， 若 必须对 其施 加相 应 的 力 。而 流体 本 身不 具 有 保 持 形 状 的 能 力 ， 当流 体
状态 ， 一般管道雷诺数 Ｒ ＜ １ 为层流状态 ， ｅ ２× ０ Ｒ ＞ ｅ ４×ｌ。为 紊流 状 态 ， ｅ： ０ Ｒ ２×１ 。～ ０ ４×ｌ。为 ０
ｔｏ ｏ ｓ ｓ ． ． ｆ ｉ ｙ ａ ｃ ｌｍｅｈ ｄ ａ ｄ ｆｕｄ ｓｍｕａｉｎ ｍｅｈ ｄ．Ｔ ｋｎ ５ ０ Ｗ ｔｒ ｉｎ ｌｓ ｅ ．ｉ ｅ ｌ ｄ ｄ ｎ ｍｉａ ｔ ｏ ｎ ｉ ｉ ｌｔｏ ｔ ｏ ｕ ｌ ａ ｉ ｇａ４ ０ ｋ ｍｏｏ ａ ｎｅ ａ ｌ ｓ ａ ｘ ｍｐ ｅ，ｔ ｉ ａ ｅ ｏ ａ ｅ ｎ ｎ ｌｚ ｓｔ ｅｏ ｔｉ ｅ ｅ ｕ ｔ ｎ ｏｎ ｓｏ ｔｔ ｅｆｃｏ ｓ ｈ ｓｐ ｐ ｒｃ ｍｐ ｒ ｓａ ｄ ａ ａｙ ｅ ｈ ｂａｎ ｄ ｒ ｓ ｌｓａ ｄ ｐ ｉｔ ｕ ｈ ａ ｔｒ
速高达 ３倍音速 ） 使 用寿命长 ， 构可多样化。 ， 结 静 电轴承 需要很 大 的电场 强度 ， 应用 受到 限 制 ， 只 能在少数仪表中使用。磁力轴承具有较大 的承载 能力和刚度 ， 已用于超高速 列车 、 超高速离心机 、
水轮 发 电机 、 间飞 行 器 的 角动 量 飞 轮 、 量 计 、 空 流
ｌｓ ｅ ｏｓｓ
由转 子 、 磁执 行 器 、 置传 感器 、 制 器 和 辅 助 轴 位 控
Ｕ 引 吾
承等 部分组成 。它借助 于永 久磁 铁或 电磁 铁 的磁 力使 转子悬 浮 ， 并在 控 制器 的控 制下 克 服 外 载 荷 的作 用 ， 转子 围绕其 惯 眭中心旋 转 。 使 电磁轴承 因轴与轴 承 无直接 接触 ， 需润滑 ， 不 能在 真空 中和 很 宽 的温 度 范 围 内工 作 ， 擦 阻 力 摩 小 ， 受速度 限 制 （ 的 转速 高 达 ２３０／ ｎ 线 不 有 ０ｒｍｉ，
摩损 耗 尤为 重要 。
流 体不 同的流动 状 态将会 具 有不 同 的运 动规 则 ， 此需要 对 流体 的流 动状 态进 行判 别 ， 因 在流 体
动力学 中引入了一个雷诺数 ， 它是 由黏度 、 密度 、
管 径 以及 相 对 速 度 四 个 物 理 量 所 组 成 的 无 量 纲 群 。雷 诺数 小 ， 味 着 流体 流 动 时各 质 点 间 的粘 意 性 力 占主要 地 位 ， 体 各 质 点 平 行 于管 路 内壁 有 流 规 则 地流 动 ， 呈层 流流动 状 态 。雷 诺 数大 ， 味 着 意 惯 性 力 占主要 地位 ， 体 呈 紊流 （ 称 湍 流 ） 动 流 也 流
由于 电磁 轴 承 具 有 以 上 的 优 点 ， 要 选 择 适 只
当的铁 心材 料 和 正确 的 制 片方 法 ， 机 械 损 耗 在 其 分析 计 算 时就可 以忽 略 不计 。故 大型 电机 机械 损
耗 主要 由风 摩损 耗所 组成 。
在工程计算 当中 ， 黏度与密度往往都是 同时 出现 的 ， 他 们 的 比 值 称 为 运 动 黏 度 ， 气 体 在 将 故
提 出了流 （动 力学法 与流体仿真法两种计算 方法 ， 本 以一 台 ４５０ Ｗ 的电机为例 ， ０ ｋ 对结果 进行 了对
比分析 ， 并给 出了影响风摩损耗的因素 。
关键词 大 型电机 ； 电磁轴承 ； 机械损耗 ； 风摩损耗
中 图 分 类 号 ：Ｍ３６ 文 献 标 识 码 ： 文章 编号 ：０ ８７８ （０ ２ ０ －０４０ Ｔ ０ Ａ １０ －２ １ ２ １ ）５０ ４ － ４
ｗｈ ｃ ｆｅ ｔｗｉｄ ｇ ｎ ｒｃｉｎ ｌｓｅ ． ｉｈ ａｆｃ ｎ ａ ｅ ａ ｄ ｆｉｔ ｏ ｓ ｓ ｏ Ｋ ｅ ｒ Ｌ ｒ ｅ ｍｏｏ ； ｌ ｃｒ ｍａ ｎ ｔｃ ｂ ａ ｉｇ； ｃ ａ ｉａ ｏ ｓ ｗｉ ｄ ｇ ｎ ｒｃｉｎ ｙ ｗｏ ｄｓ ａ ｇ ｔｒ ｅｅ ｔｏ ｇ ｅｉ ｅ ｒｎ ｍｅ ｈ ｎｃ ｌｌｓ ； ｎ ａ ｅ ａ ｄ ｆｉｔ ｏ
一
根 据流体 力 学 知 道 ，以 推 导 出 大 型 电机 气 可
隙 中的气 体 的雷 诺数 计算 公式 为
２
＝
（ ４）
Ｕ
种抵抗 能 力 ， 称之 为 内摩擦 力 。 当运 动 停 止时 ， 力作 用时抵 抗 变形 的能 力称 之 为黏性 。而剪 切 应
这种抵抗的能力也会随之消失 ， 流体受到剪切应 力与速度 梯度 或剪 切速 率 的比 值称 之 为黏度 ，
大型电机 的效率普遍较高 ， 一般均为 ９ ％以 ０
上 。 同普 通 中小 型 电机 一 样 ， 型 电机 的 总损 耗 大 由铁 心损 耗 、 铜耗 、 械 损耗 以及 杂散损 耗所 共 同 机
组成 ， 各种损 耗 所 占比例 不 同。 由于 大 型 电机 一
般 电压 也较高 ， 同时采 用高牌 号 的硅 钢 片 ， 使得 铁 心 损耗 与铜 耗 占总损 耗 比 例 下降 ， 机 械 损 耗 由 但 于 电机 尺寸 增加 ， 风摩 损耗 增加 ， 导致其 所 占总损 耗 比例 较大 ， 以 准确 的计 算 出 电机 的机 械 损 耗 所
Ｃａ ｃ ｌ ｔｏ ｎｄ Ａｎ ｌ ｓｓ ｏ ｅ ｈａ ｃ ｌＬｏ ｓ ｏ ｒ ｅ Ｍ ｏ ｏ ｓ ｌ ｕ ａ ｉ ｎ ａ ａ ｙ ｉ ｎ Ｍ ｃ ｎｉａ ｓ ｆＬａ ｇ ｔ ｒ
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℃ 、ＭＰ ｐ ａ的环 境 中 的运动黏 度 为
ｕ＝叼／ ｐＰ ｐ℃， ａ Ｍ （） ３
２ 风 摩 损 耗 计 算 分 析
大 型 电机 一般级 数较 少 ， 普遍 采 用两 极 电机 ， 这 种 电机 由变 频 器 供 电 ， 速 可 以 通 过 改 变变 频 转 器 频 率进 行调 节 ， 其最 大转 速 较大 ， 转子 表面 使 故 的空气 摩 擦损 耗 要 比 普 通 电机 大得 多 ， 电机 总 在 损耗 中 占有较 大 比 重 ， 与 电机 运 行 速 度 和 冷 却 且 气体 密切 相 关 ， 以准 确 的计 算 出大 型 电机 的 风 所
（ 黑龙 江八 一农 垦大 学 ， 黑龙 江 大庆 １ ３０ ） ６ ０ ０
摘 要 在大型 电机 中机械损耗所 占总损耗比例较大 ， 需要对其进行准确 计算 。机械损耗 分 为轴承损耗与风摩损耗 ， 首先根据 大型电机 一般 采用电磁轴承这 一特点 ， 分析 电磁轴承 的优点 ， 提
出只要选择适 当的铁心材料和正确 的制 片方 法 ， 轴承损耗 即可忽略 。针对于 风摩损耗 的计算 ， 其
对求解电机效 率起到了至关重要的作用。
１ 轴承损耗计算分析
大型电机 为了得 到更高 的效率 ， 一般采用电
磁 轴承 。电磁 轴 承 是 一 种全 新 的支承 形 式 ， 常 通
密度计 、 功率表 、 真空泵、 精密稳流器和陀螺仪等。
随 着磁 陛材料 和 电子技 术 的发 展 ， 电磁 轴承 的应
ｂ ａ ｎ ｏ ｓｃ ｎ ｂ ｇ ｏ ｅ ｓｌｎ ｓｃ ｏ ｓｎ ｈ ｒｐ ｒｍａｅ ａ ｆｃ ｒ ｎ ｏ ｒｃ ｒ ｄ ｃ ｅ ｒ ｇ ｌｓ ａ ｅ ｉｎ ｒｄ ａ ｏ ｇ ａ ｈ ｏ ｉ ｇｔ ｅ ｐ ｏ ｅ ｔｒ ｌｏ ｏ ｅ ａ ｄ ｃ ｒｅ ｔｐ ｏ ｕ — ｉ ｉ ｔ ｎ ｍｅｈ ｄ ｏ ｍｉ ａｉｎ ．Ｔｈｓｐ ｐ ｒａｓ ｒｓ ｎ ｓｔ ｔ ｏ ｓｔ ａｃ ｌｔ ｎ ａ ｅ ａ ｄｆｉ— ｉ ｔ ｏ ｆｌ ｎ ｔｏ ｓ ｏ ａ ｉ ａ ｅ ｌｏ ｐ ｅ ｅ ｔ ｗｏ ｍｅｈ ｄ ｏ ｃ ｌｕ ａｅｗｉ ｄ ｇ ｎ ｒｃ
用 叼 示。 表
式中 ，一 电机旋转角速 度 ， ｄ ｓｒ ｒ ／； ａ 一电机气 隙半
径 ， ；一 流体 的流速 ， ／ 。 Ｉ ｎ ｍ ｓ 根 据雷 诺数 的大 小 ， 以判 定 大 型 电机 中流 可
体 的流动 状 态 。针 对 于 不 同 的流 动 状 态 ， 阻 系 摩 数 的计 算 公式 有所 不 同 。
第卷 盖 １ （Ｐ ｓＮ Ｒ０Ｅ Ｃ ＩＭＣＮ） 第４ （ ） ４ 总 ７ 薯８ ７ 第期 ６ 嚣 Ｅ Ｌ １ — ０ＦＬ ＴＣ Ａ Ｉ ＸＯ ｘ ｏ０ Ｐ Ｅ Ｒ Ｈ Ｅ Ｓ
ｒ爆也机 万 ＇ｌ 啊艺
大 型 电机 机 械 损 耗 计 算分 析 水
石建飞 ， 汪东欣
基 金 项 目 ： 龙 江 省 教 育 厅 课 题 （ ２ １３ ３ 黑 １５ １５ ）
４ ４
爆 晓机
（ ＰＯＩＮ Ｐ Ｏ ＦＥＥ Ｔ Ｉ Ｍ Ｃ ＩＥ Ｅ Ｌ Ｓ —Ｒ Ｏ ＬＣ ＲＣ Ａ ＨＮ ） Ｘ Ｏ
第 ７ １ 第６ ４２（ ５ 卷 ２ １期） ０年 期 总 ８
渡状 态 时 ， 摩 阻 系数 计算 公 式为 其 Ａ ：１ ３ ４ ｅ。 ． ３ Ｒ Ｉ ・ 其 摩阻 系数 计算 公 式为
Ａ ＝０ ０ ６ Ｒ － ２ ．４ ５ ｅ ０ ． （） ６
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：
当雷 诺数 Ｒ ≤２×１。 ｅ ０ 流体 处 于层 流 状 态 时 ，
该种情况基本不会出现在大型电机当中。 当 ２×１ ｅ ０ 诺 数 流体 处 于 过 ０ ≤Ｒ ≤４Ｘ１ 雷
过渡 状 态 。在 不 同 的流 动 状 态 下 ， 流体 的 运 动 规 律 、 速 的分 布等 都是 不 同的 ， 流 因此 雷诺 数 的大 小
决定 了 牿 陛流体 的流 动特 性 。
处于静止状态时并不能抵抗 剪切应力 ， 任何微小 的剪切应力都可以使流体产生任意大的形变。当 这种变形速度超过一定限值后 ， 流体将 会呈现 出
２ １ 流体 动 力学法 ． 流体 不 同于 固 体 ， 固体 具 有 保 持 一 定 形 状 的 能 力 ， 想要 固体 产 生变 形 ， 若 必须对 其施 加相 应 的 力 。而 流体 本 身不 具 有 保 持 形 状 的 能 力 ， 当流 体
状态 ， 一般管道雷诺数 Ｒ ＜ １ 为层流状态 ， ｅ ２× ０ Ｒ ＞ ｅ ４×ｌ。为 紊流 状 态 ， ｅ： ０ Ｒ ２×１ 。～ ０ ４×ｌ。为 ０
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摩损 耗 尤为 重要 。
流 体不 同的流动 状 态将会 具 有不 同 的运 动规 则 ， 此需要 对 流体 的流 动状 态进 行判 别 ， 因 在流 体
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管 径 以及 相 对 速 度 四 个 物 理 量 所 组 成 的 无 量 纲 群 。雷 诺数 小 ， 味 着 流体 流 动 时各 质 点 间 的粘 意 性 力 占主要 地 位 ， 体 各 质 点 平 行 于管 路 内壁 有 流 规 则 地流 动 ， 呈层 流流动 状 态 。雷 诺 数大 ， 味 着 意 惯 性 力 占主要 地位 ， 体 呈 紊流 （ 称 湍 流 ） 动 流 也 流
由于 电磁 轴 承 具 有 以 上 的 优 点 ， 要 选 择 适 只
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耗 主要 由风 摩损 耗所 组成 。
在工程计算 当中 ， 黏度与密度往往都是 同时 出现 的 ， 他 们 的 比 值 称 为 运 动 黏 度 ， 气 体 在 将 故
提 出了流 （动 力学法 与流体仿真法两种计算 方法 ， 本 以一 台 ４５０ Ｗ 的电机为例 ， ０ ｋ 对结果 进行 了对
比分析 ， 并给 出了影响风摩损耗的因素 。
关键词 大 型电机 ； 电磁轴承 ； 机械损耗 ； 风摩损耗
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根 据流体 力 学 知 道 ，以 推 导 出 大 型 电机 气 可
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种抵抗 能 力 ， 称之 为 内摩擦 力 。 当运 动 停 止时 ， 力作 用时抵 抗 变形 的能 力称 之 为黏性 。而剪 切 应
这种抵抗的能力也会随之消失 ， 流体受到剪切应 力与速度 梯度 或剪 切速 率 的比 值称 之 为黏度 ，
大型电机 的效率普遍较高 ， 一般均为 ９ ％以 ０
上 。 同普 通 中小 型 电机 一 样 ， 型 电机 的 总损 耗 大 由铁 心损 耗 、 铜耗 、 械 损耗 以及 杂散损 耗所 共 同 机
组成 ， 各种损 耗 所 占比例 不 同。 由于 大 型 电机 一
般 电压 也较高 ， 同时采 用高牌 号 的硅 钢 片 ， 使得 铁 心 损耗 与铜 耗 占总损 耗 比 例 下降 ， 机 械 损 耗 由 但 于 电机 尺寸 增加 ， 风摩 损耗 增加 ， 导致其 所 占总损 耗 比例 较大 ， 以 准确 的计 算 出 电机 的机 械 损 耗 所
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２ 风 摩 损 耗 计 算 分 析
大 型 电机 一般级 数较 少 ， 普遍 采 用两 极 电机 ， 这 种 电机 由变 频 器 供 电 ， 速 可 以 通 过 改 变变 频 转 器 频 率进 行调 节 ， 其最 大转 速 较大 ， 转子 表面 使 故 的空气 摩 擦损 耗 要 比 普 通 电机 大得 多 ， 电机 总 在 损耗 中 占有较 大 比 重 ， 与 电机 运 行 速 度 和 冷 却 且 气体 密切 相 关 ， 以准 确 的计 算 出大 型 电机 的 风 所
（ 黑龙 江八 一农 垦大 学 ， 黑龙 江 大庆 １ ３０ ） ６ ０ ０
摘 要 在大型 电机 中机械损耗所 占总损耗比例较大 ， 需要对其进行准确 计算 。机械损耗 分 为轴承损耗与风摩损耗 ， 首先根据 大型电机 一般 采用电磁轴承这 一特点 ， 分析 电磁轴承 的优点 ， 提
出只要选择适 当的铁心材料和正确 的制 片方 法 ， 轴承损耗 即可忽略 。针对于 风摩损耗 的计算 ， 其
对求解电机效 率起到了至关重要的作用。
１ 轴承损耗计算分析
大型电机 为了得 到更高 的效率 ， 一般采用电
磁 轴承 。电磁 轴 承 是 一 种全 新 的支承 形 式 ， 常 通
密度计 、 功率表 、 真空泵、 精密稳流器和陀螺仪等。
随 着磁 陛材料 和 电子技 术 的发 展 ， 电磁 轴承 的应
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用 叼 示。 表
式中 ，一 电机旋转角速 度 ， ｄ ｓｒ ｒ ／； ａ 一电机气 隙半
径 ， ；一 流体 的流速 ， ／ 。 Ｉ ｎ ｍ ｓ 根 据雷 诺数 的大 小 ， 以判 定 大 型 电机 中流 可
体 的流动 状 态 。针 对 于 不 同 的流 动 状 态 ， 阻 系 摩 数 的计 算 公式 有所 不 同 。
第卷 盖 １ （Ｐ ｓＮ Ｒ０Ｅ Ｃ ＩＭＣＮ） 第４ （ ） ４ 总 ７ 薯８ ７ 第期 ６ 嚣 Ｅ Ｌ １ — ０ＦＬ ＴＣ Ａ Ｉ ＸＯ ｘ ｏ０ Ｐ Ｅ Ｒ Ｈ Ｅ Ｓ
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