Losses in Electric Motors电机的损失

机的损失可分为欧姆损失(ohmic losses、铁损iron losses、杂散损失(stray losses和机械损失(mechanical losses。欧姆损失也叫铜损copper losses和铁损iron losses,通常也叫铁芯损失(core losses

 

电机的损失发生在定子层(stator laminations)、转子层(rotor laminations)和绕组(windings)中,也发生在永磁体(permanent magnets。电机的损失越低,其效率就越高。

 

1. Ohmic Losses欧姆损失

 

欧姆损失主要发生在定子的绕组(in the windings of the stator,取决于电阻(resistance)和电流(current)。欧姆损失可分为与频率有关(frequency dependent)和与频率无关(frequency independent)的损失。

 

与频率无关的损失取决于尺寸(dimensions),即电线的长度和横截面积(cross-sectional area),以及材料,例如铜。电机温度大幅上升也会增加电阻,因此也会增加损失。确保电机得到良好的冷却十分重要,否则绕组的温度会迅速上升(rise quickly)。

 

由于趋肤效应(skin effect),与频率有关的欧姆损失(frequency dependent ohmic losses)随着频率的增加而增加。趋肤效应减少了电流可以流过的面积。为了减少这种效应,大直径的导线分成几条独立的导线(several separate wires)。然而,分的导线太多dividing into too many wires)也会因邻近效应(proximity effect)而增加电阻。所以要找到最佳的平行线(parallel wires)数量并不容易。

 

感应电机(Induction motors)的转子也有很高的欧姆损失,所以转子很快就会发热(the rotor gets hot quickly)。从转子上清除热量是非常困难的,所以特斯拉在感应电机中使用液体冷却轴(liquid cooling of the shaft)。

 

2. Iron Losses铁损失

 

铁损失可分为磁滞损失(hysteresis losses)、涡流损失(eddy current losses)和额外损失(additional losses)。铁损是按重量给出的,取决于频率(depend on the frequency)和最大磁通密度(the maximum flux density)。这意味着电机旋转得越快,铁损就越高(the faster the motor rotates, the higher the iron losses)。  

 

电机设计得越小,留给磁通的空间就越小,磁通密度(flux density)就越高。

 

比例常数Cproportionality constants C)取决于材料和其制造。铁损主要发生在定子(stator)和转子(rotor)中,但涡流损失也可能发生在永磁permanent magnets。磁铁中的损失通常很小,但很关键,因为磁铁通常没有良好的耐温性(temperature resistance)。

 

3. Hysteresis Losses磁滞损失

 

磁性材料被分为许多小磁畴(small domains),每个磁畴都有不同的磁向(magnetic orientation)。当磁畴的磁向发生变化时,就会发生损失。这些再磁化损失(remagnetization losses)被称为磁滞损失,因为材料在磁化过程中会通过磁滞现象。损失取决于材料在再磁化过程中通过的磁滞面积(the area of hysteresis the material passes through)。为了保持低损失,使用软磁材料(soft magnetic materials),如具有小磁滞曲线的电板(electrical sheets with a small hysteresis curve)。

 

4. Eddy Current Losses涡流损失

 

当定子中的磁通量(magnetic flux)发生变化时就会出现涡流。涡流在定子中产生损失并使其发热。为了减少损失,定子被分为相互绝缘的独立薄片(separate laminations insulated from each other)。这大大减少了涡流损失。片材做得越薄,片内的涡流损失就越低。

 

5. Additional Losses额外损失

 

如上所述,磁性材料由壁隔开的区域组成。磁场的变化会引起壁的位移(a displacement of the walls),从而导致损失。这些损失被称为额外损失或超额损失(excess losses)。

 

6. Stray losses杂散损失

 

杂散损失是指元件和材料的散射(the scattering of components and materials),也包括生产过程中的散射和与设计的极小偏差(small deviations)。因此,杂散损失很难估计,对于处于峰值负载(at peak load)的电机,杂散损失可能在1%左右。

 

7. Mechanical Losses机械损失

 

机械损失可分为摩擦损失(friction losses)和通风损失(ventilation losses)。摩擦损失取决于速度,例如发生在轴承上(in the bearings)。为了使摩擦损失尽可能的低,轴承应始终保持适当的润滑(properly lubricated)。因此,轴承不能变得太热,否则润滑剂会消散(dissipate)。

 

摩擦损失也发生在单独激励的同步电机的电刷(the brushes of separately excited synchronous motors)和直流电机的换向器(commutators of DC motors)上。通风损失(Ventilation losses)发生在非圆形转子(non-round rotors)的电机中,也取决于速度。例如,同步电机或单独激励的同步电机的转子不是圆形的。

 

通过铸造定子和捆绑转子(casting the stator and banding the rotor),可以减少通风。如果用合适的材料铸造,这也可以改善散热heat dissipation)。电机的通风也可用于将热量从电机的中心移出。这可以使热量在电机中更好地分布distributes the heat better,减少热点reduces hotspots


8. Power Loss Flow Chart功率损失流程图

 

电动机和发电机(generators)的功率转换借助于功率流图来说明。在电动机中,该图显示有多少电输入功率,以及在功率损失后还有多少机械输出功率。

在发电机中,功率耗散的流向是相反的。这意味着,如果轴承有太多的摩擦,那么剩下的可以转化为电能的功率就会减少。

发表评论

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用 * 标注