Losses in Electric Motors电机的损失

​

电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C(proportionality 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

您的邮箱地址不会被公开。 必填项已用 * 标注