电机设计及其CAD-第5章.pptx

School of Electrical Engineering,#,2020年1月28日星期二,School of Electrical Engineering,1,05 四月 2025,第一节 概述,效率是电机的重要指标,取决于运行时电机产生的损耗。,效率与所选择的电磁负荷、材料性能、绕组形式、电机结构有关。,第五章,损耗和效率,提高效率,：,降低电磁负荷和电流密度,，选用,损耗低的导磁材料,。增大了电机体积和材料用量，成本增加。,要设计性能良好且经济的电机，必须熟悉损耗产生的原理、影响效率的因素等。,目前：有为节约能源而在设计时多用材料的趋势。,School of Electrical Engineering,2,05 四月 2025,损耗分类：,1.,定子和转子铁心中的基本铁耗,：主磁场在铁心中发生变化产生。,2.,空载时铁心中的附加损耗（杂散损耗，杂耗）：,定转子开槽引起气隙磁场脉动，在对方铁心表面产生的,表面损耗,、开槽而使对方齿中磁通因电机旋转而变化所产生的,脉振损耗,3.,电气损耗：,电流在绕组中产生损耗，电流在换向器上的接触损耗,School of Electrical Engineering,3,05 四月 2025,5.,机械损耗：,（,1,）,通风损耗,（转子表面与冷却介质之间的摩擦，风扇驱动功率）,（,2,）,轴承摩擦损耗,（,3,）电刷换向器之间的,摩擦损耗,（直流电机）,（,4,）电刷与,集电环,之间的,摩擦损耗,（同步电机）,空载损耗,：,基本铁耗,、,空载时铁心的,附加损耗,、,机械损耗,4.,负载时的附加损耗（杂散损耗）：,定转子工作电流产生的漏磁场（包括谐波磁场）在绕组和铁心及结构件中产生的损耗,School of Electrical Engineering,4,05 四月 2025,在铁心中产生磁滞损耗和涡流损耗，统称,铁耗,第二节 基本铁耗,产生原因,：主磁场在铁心中发生变化产生的。,磁通不变化的铁心中不产生铁耗。,交变磁化：,变压器铁心 定转子齿,旋转磁化,：电机定子轭和转子轭,负载损耗,：电气损耗、负载时的附加损耗。同步电机中，这些损耗可由短路试验测得，称为,短路损耗,。,可在空载实验中获得。运行时电压固定，转速变化不大的电机，从空载到负载变化很小。,School of Electrical Engineering,5,05 四月 2025,一、磁滞损耗,磁滞回线,在磁场变化的一个周期内，单位体积铁心消耗的能量等于磁滞回线的面积,一秒内单位体积铁心消耗的功率,磁畴相互摩擦产生的,School of Electrical Engineering,6,05 四月 2025,与频率、磁密平方成正比,由交变磁化引起的单位重量铁磁物质磁滞损耗，称磁滞损耗系数,=1.62.2,取决于材料性能的常数,磁滞损耗系数可以更准确地用下式表示：,电机铁心内磁通密度通常为,，,a,接近于零,School of Electrical Engineering,7,05 四月 2025,磁密小于,1.7T,时，旋转磁化引起的损耗大,磁密大于,1.7T,时，旋转磁化引起的损耗小,电机轭部磁密,1,1.5T,，旋转磁化引起的磁滞损耗比交变磁化大,45,65,旋转磁化引起的磁滞损耗，与交变磁化不同：,工程计算中不区分旋转磁化和交变磁化引起的磁滞损耗，甚至不区分磁滞损耗和涡流损耗,School of Electrical Engineering,8,05 四月 2025,铁心中的磁场发生变化时，在铁心中感应电势，会产生电流，即涡流。由它引起的损耗为涡流损耗。,二、涡流损耗,单位重量铁心内涡流损耗：,涡流损耗与磁密、频率、材料厚度的平方成正比，与材料的密度,Fe,、,电阻率,成反比,School of Electrical Engineering,9,05 四月 2025,损耗系数：,1,、减小涡流损耗，采用彼此绝缘的磁钢片：,0.35mm 0.5mm,2,、,Fe,一定时，单位重量内涡流损耗与,B,、,f,的平方成正比,3,、,故加硅提高电阻率,三、齿联轭及齿部基本损耗,上式没有考虑涡流对磁场的反作用。涡流使磁通出现集肤效应。,50Hz,时一般不考虑,School of Electrical Engineering,10,05 四月 2025,表中常数针对交变磁化，且没有计及因加工及磁密在钢片中分布不均匀而产生的影响。,一般用下面公式：,其中 为,B=,1T,f=,50Hz,时单位重量内损耗，可在材料损耗特性中查出,钢中基本铁耗计算用经验公式,k,a,:,经验系数，计及加工工艺（冲压和车削后的钢片短接）,、,磁密在钢片中分布不均匀,、,磁密不随时间正弦变化,、,旋转磁化和交变磁化产生损耗的差异。,School of Electrical Engineering,11,05 四月 2025,对直流电机,k,a,=3.6,1.,齿联轭中基本铁耗,B,用轭磁路长度上最大磁密,B,j,轭中的基本铁耗：,对同步和异步电机P,N,100kVA,时，,k,a,=1.3,School of Electrical Engineering,12,05 四月 2025,直流电机：,k,a,=4.0,感应 电机：,k,a,=1.8,2.,齿中基本损耗,B,t,用齿磁路长度上磁密平均值,对同步电机：,P,N,谐波波长,谐波磁场路径与气隙圆周方向凹凸的间隙有关,School of Electrical Engineering,15,05 四月 2025,2,、凹凸面间距,谐波波长,如凸极同步电机的励磁磁场谐波与定子齿之间,谐波磁通深入齿部并经由齿轭形成闭合回路，在整个齿中产生涡流和磁滞损耗，称脉振损耗,School of Electrical Engineering,16,05 四月 2025,一部分在表面：表面损耗,一部分进入内部：脉振损耗,3,、介于二者之间,School of Electrical Engineering,17,05 四月 2025,1.,直流机及同步机整块（或实心）磁极的表面损耗,二、计算,本节只计算由铁心开槽引起的空载表面损耗及脉振损耗，由空载励磁磁势谐波产生的损耗，,只在隐极同步电机中计算,。,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，基本上集中在表面一薄层内，为表面损耗。,磁极单位表面积的涡流损耗,:,School of Electrical Engineering,18,05 四月 2025,2.,叠片磁极中的表面损耗,叠片磁极：冲片表面形成的天然氧化膜增加涡流回路电阻。与整体式磁极不同，但仍按整体式计算，再用系数修正（表,5-2,的,k,0,）,磁极表面损耗：,B,0,为谐波磁密最大值，,t,为齿距，,n,为转速，,z,为槽数,表面损耗与磁密的平方、磁密的波长,(,齿距,),的平方和频率的,1.5,次方成正比，并与磁极材料的导磁、导电性能有关。,推导中进行了一系列假设，且没有考虑谐波磁场产生的磁滞损耗，实际使用时，,k,0,需要修正，见表,5-2,。,School of Electrical Engineering,19,05 四月 2025,为降低表面损耗，,B,0,应不太大，即,b,0,/,值不大。叠片磁极时，不要叠压后车削加工，造成低电阻涡流回路,3.,感应电机中的表面损耗和脉振损耗,凹凸面间距,与谐波波长,相差不大,定转子均由硅钢片制成，都有槽，定子开槽引起转子表面损耗 ，转子开槽引起定子表面损耗,定转子都有齿槽，开槽引起的气隙磁导齿谐波磁场会在对方产生脉振损耗。,（,1,）在定子铁心中产生的表面损耗,旋转时定、转子之间相对位置不断变化。,School of Electrical Engineering,20,05 四月 2025,转子齿对定子齿 进入定子齿磁通最大,转子槽对定子齿 进入定子齿磁通最小,随着电机旋转，进入定子齿的磁通量不同，定子齿中磁通变化，产生附加铁耗,School of Electrical Engineering,21,05 四月 2025,（,2,）转子中的脉振损耗,与上同理,感应电机中，不单独计算空载附加铁心损耗，通过试验，对式（,5-15,）和（,5-17,）中的,k,a,取更高值,School of Electrical Engineering,22,05 四月 2025,第四节 电气损耗,一、绕组中电气损耗,包括：绕组电阻损耗、电刷与换向器间接触损耗,电阻需要换算到基准工作温度下。计算电气损耗时，假定电流在导体截面均匀分布，故为,直流电阻,。,国标规定：电机正常工作时做调节用的变阻器、调压装置和永久连接不调节的电阻、电抗线圈、辅助变压器等的损耗也要计算在电机损耗内。,School of Electrical Engineering,23,05 四月 2025,电刷与换向器之间接触压降与电流关系不大，主要与所选电刷种类有关。,二、电刷接触损耗,一个极性下的电刷损耗：,每一极性（直流）所有电刷接触压降为：,碳,-,石墨、石墨及电化石墨电刷,1V,金属石墨电刷,0.3V,School of Electrical Engineering,24,05 四月 2025,第五节 负载时附加损耗,一、产生原因：,1.,由于环绕着绕组存在,漏磁场,，这些磁场在绕组以及附近的金属结构件中感应涡流损耗,2.,定转子绕组产生的气,隙谐波磁势所产生的谐波磁场,以不同速度相对于定、转子运动，在铁心和鼠笼绕组中也产生涡流，产生附加损耗,负载时附加损耗一般难于精确计算。中小型电机中，负载时附加损耗的值较小，通常不详细计算，而是规定为额定功率的一定百分数。,二、凸极同步电机负载时的附加损耗,School of Electrical Engineering,25,05 四月 2025,空载试验：测铁耗、机械损耗、空载时的附加损耗,短路试验：电枢电流为额定值。测电气损耗、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，约略等于短路试验时的附加损耗，所以又叫短路附加损耗。,1,短路时由于漏磁场在定子绕组中引起的附加损耗,短路 漏磁场 定子绕组集肤效应 交流电阻大于直流电阻增加的这个电阻上的损耗,直流电阻：,交流电阻：,附加损耗：,School of Electrical Engineering,26,05 四月 2025,2,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,按经验公式计算：,3,定子绕组磁势谐波在转子磁极表面引起的表面损耗,定子绕组通电，产生基波和谐波，谐波与转子之间有相对运动，在转子表面产生表面损耗，在阻尼条中产生附加损耗,School of Electrical Engineering,27,05 四月 2025,4,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,School of Electrical Engineering,28,05 四月 2025,凸极机气隙不均匀，转子励磁磁势与电枢反应磁势的基波分量均在气隙中产生,3,次谐波磁场。,短路时，电枢反应为直轴电枢反应，定、转子,3,次谐波磁场互相叠加。,3,次谐波磁场在定子齿中产生附加损耗。,三、感应电机负载时的附加损耗：,异步机负载时的附加损耗不进行详细计算，一般按输入或输出功率的,0.5%,计算，非常粗略。,1,、定子绕组磁场在绕组及绕组附近金属件中产生的附加损耗,2,、定子磁势谐波产生的磁场在笼形转子绕组中感应电流引起的附加损耗，图,5-12School of Electrical Engineering,29,05 四月 2025,3,、定子磁势谐波产生的磁场在转子表面产生表面损耗和脉振损耗。,由于转子绕组的去磁作用，只有少许谐波进入转子齿部，故不计脉振损耗。,转子磁势谐波在定子铁心中产生的附加损耗较小，不计,4,、铸铝转子没有槽绝缘，泄漏电流产生的附加损耗,5,、降低感应电动机负载附加损耗的措施,：,附加损耗虽小，但电机量大。节能 损耗附加损耗,中小型电机：基波产生的附加损耗小，负载附加损耗主要为高频损耗,（,1,）采用谐波含量较少的各种定子绕组型式（双层短距分布、单双层、正弦、,-Y,混合）谐波磁势 损耗；,School of Electrical Engineering,30,05 四月 2025,四、直流电机负载时附加损耗,一般较小，不详细计算,无补偿绕组：输出（发电机）或输入（电动机）的,1%,有补偿绕组：输出（发电机）或输入（电动机）的,0.5%,（,2,）采用少槽近槽配合：定转子槽数相近时最小；,（,3,）采用斜槽，同时改进铸铝工艺，增大导条与铁心间接触电阻；,（,4,）适当增大气隙；,（,5,）采用,磁性槽楔,或闭口槽。,School of Electrical Engineering,31,05 四月 2025,第六节 机械损耗,机械损耗也难以准确计算，一般以已制好的试验数据估计，或按经验公式估算不具体讨论,轴承摩擦损耗,与摩擦面上压力、摩擦,系数及相对运动速度有关,机械损耗 电刷摩擦损耗,与电刷压力、速度有关,通风损耗,与电机结构、风扇型式、,通风系统中的风阻、风速有关,School of Electrical Engineering,32,05 四月 2025,P,1,为额定负载时的输入功率,第七节 效率,一、发电机,二、电动机,School of Electrical Engineering,33,05 四月 2025,思考题：,1,、电机损耗一般分哪几类？,2,、空载铁心损耗主要和哪些因素有关？,3,、直流电机磁极表面损耗与哪些因素有关？,4,、为什么直流机磁极一般采用叠片式？,5,、叠片磁极在叠压后车削加工，会导致表面损耗增大，为什么？,6,、直流电机负载时的附加损耗如何计算？,