第五讲_损耗与效率发热与冷却

电机优化设计第五讲损耗与效率发热与冷却讲课人：封海潮2015年3月提要损耗与效率损耗的基本类型；基本铁耗；空载时铁芯的附加损耗；电气损耗；负载时的附加损耗；机械损耗；效率。发热与冷却发热；冷却方式；电机中的温度分布；工作制。1损耗与效率如何提高效率？损耗↓→效率↑电磁负荷↓→损耗↓→尺寸↑效率—材料性能、绕组类型、电机结构等有关。损耗的基本类型基本损耗：主磁场在铁芯内变化而产生，基本铁耗；空载时附加损耗：由于定转子开槽带来的谐波磁场；电气损耗：主要是铜耗；负载时附加损耗：由于工作电流产生的漏磁场；机械损耗：风阻、轴承摩擦损耗等。不变损耗：基本损耗+空载时杂散损耗+机械损耗可变损耗：电气损耗+负载时杂散损耗基本损耗—基本铁耗磁滞损耗系数phσh取决于材料性质的常数，材料越软，该值越小。fBfBfbBphh222涡流损耗系数peρ、ρFe、△Fe硅钢片电阻率、密度、厚度。2222)()()(6BfBfBfpeFeFee单位重量铁磁物质的磁滞损耗和涡流损耗如何降低基本损耗？基本损耗—基本铁耗损耗系数电机的基本铁耗计算22)(BffBpppehehhe3.1250/10)50(fBpphe简化公式其中的p10/50表示当B=1T，f=50Hz时的钢单位损耗系数。FeheaFeGpkp基本铁耗其中的ka表示经验系数。基本损耗—基本铁耗定子转子轭的基本铁耗jhejaFejGpkp。时当容量时当对于交流电机对于直流电机为经验系数其中：3.1,100,5.1,100;6.3.aNaNaakkVAPkkVAPkk3.1250/10)50(fBppjhej齿中的基本铁耗3.1250/10)50(fBppthetthetaFetGpkp。时当容量时当对于同步电机对于感应电机对于直流电机为经验系数其中：7.1,100,0.2,100,8.1;0.4.aNaNaaakkVAPkkVAPkkk空载时铁芯中的附加损耗（空载杂散损耗）铁芯开槽导致气隙磁导不均匀；空载励磁磁动势空间分布曲线中存在谐波。气隙中谐波磁场引起的铁芯表面损耗和齿中的脉振损耗凸面间距远大于谐波波长时（如凸极同步电机）：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；凸面间距比谐波波长小的多时（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。空载杂散损耗：谐波波长、凸面间距有关空载时铁芯中的附加损耗（杂散损耗）磁极单位表面积的涡流损耗：直流电机及同步电机实心磁极的表面损耗为钢的电阻率为钢的磁导率为磁极的转速为电枢槽数为谐波磁密的幅值式中,,,,)601(41)()(005.105.1200nZBKBkZntBkpA60ZnfZ涡流的频率总的表面损耗为所有磁极的表面积。ppAFepAApp空载时铁芯中的附加损耗（杂散损耗）直流电机和同步电机叠片磁极：减少涡流叠片式磁极及感应电机中的表面损耗应根据经验给予修正。其中05.1200)()(kAppZntBkppAFepA感应电机：定转子均开槽，在各自的表面产生表面损耗小一些。的大一些；含硅量高的为经验数值，含硅量低波磁密的幅值为定子开槽引起的齿谐面中产生的损耗。谐波磁场在转子单位表由定子槽开口引起的齿长度分别为转子铁心外径转子槽口宽分别为转子齿距式中01010121015.11022'220222022'22202;)()(5.0,,;,,kBKBtBnZkpplDbttbtlDppAAttA定子开槽齿谐波磁场在转子表面产生的表面损耗为：同样方法，可计算转子开槽齿谐波磁场在定子表面产生的表面损耗。空载时铁芯中的附加损耗（杂散损耗）异步电机齿中的脉振损耗定转子相对位置的不同，导致进入各自齿中的磁通发生变化，从而在各自的齿中，产生磁滞和涡流损耗，即脉振损耗。定子齿中的脉振120212021tFettFeefpbKsBlbKlsBB定子齿中的脉振的振幅：.;10)(07.016121221为转速为定子齿重nGGBnZpttpp脉振振幅为转子齿里的磁通密度为转速为转子齿重226222212.;10)(07.0pttppBnGGBnZp定子齿的脉振损耗转子齿的脉振损耗电气损耗绕组中的电气损耗（铜耗）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绕组电阻。换算到基准工作温度的中的电流为绕组xxxxAlCuRxIRIp;2)(RmIpAlCu2)(电刷接触损耗（直流电机）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：VUVUUIUpbbbbcb3.0,1,,对于金属石墨电刷电化石墨电刷等对于石墨电刷为电刷接触压降负载时的附加损耗（负载杂散损耗）形成原因分析绕组漏磁场在绕组中以及在邻近的金属结构件中感应涡流损耗；气隙谐波磁场运动过程中，在铁芯和笼型绕组中产生附加损耗。凸极同步电机负载时的附加损耗额定电流情况下，附加损耗约等于短路试验时的附加损耗（四部分）。一、短路时由于漏磁场在定子绕组中引起的附加损耗（漏磁场集肤效应）二、短路时漏磁场在定子绕组端部附近金属部件中产生的附加损耗不同的数值。根据绕组型式的不同取绕组电阻增加系数绕组直流电阻损耗式中,)1(''FCuCuFCuadKppKp5.251''3'21)10(15.1,10)50(35ApppfDpcccipl为损耗系数式中端部电流分布较复杂，由经验公式计算：三、定子绕组磁势谐波在转子磁极表面引起的表面损耗凸极同步电机负载时的附加损耗25.12'02)2(rbpkkfBkAp的同次谐波磁密幅值次相带谐波磁势所产生次谐波之极距为其计算公式为感应电势之频率次相带谐波在磁极表面定子查曲线获得磁场削弱而引入的系数考虑涡流反作用使原漏转子磁极表面积式中brpBfnnpffkAkk)1(60)(,;,)60(;11,7,5115.10'011001dpdpbefbbbKKFFk，kkFHB也可查表求次谐波磁密衰减系数为相带谐波磁势产生的表面损耗：齿谐波磁势产生的表面损耗：225.114412120'02)60(25.0trefptkkknZtAAkp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凸极同步电机负载时的附加损耗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）。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：为定子齿重次谐波磁场的磁密幅值为式中11333145350/1033)27.1(7.10ttadddmtttGBXAXABGBpp主要的构成部分感应电机负载时的附加损耗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；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；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；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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；采用定子与转子槽数的近槽配合；采用斜槽。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%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。轴承摩擦损耗度时油的黏度。为为工作油温；为轴颈的直径和长度；、或压强；为轴颈投影面上的压力式中：5010)1(503.250105.150jjjjjjjjjfldpvlddplp)/()/(75.132smvsmqvqpvvw为风扇外圆的圆周速度流量为通过电机的空气体积式中通风损耗机械损耗轴承摩擦和通风损耗pfw在一般电机中，常把这两种损耗综合在一起计算。直流电机：为电枢圆周速度式中aNafwvKPvKp;3.1~9.010)10(35.1轴颈圆周速度。度电枢圆周或风扇外圆速电枢重量；式中：-;--10575.142jajNjavfwvvGgpnvGqvp对于电枢直径Da≥0.5m，轴上没有风扇的电机，可按以下数值计算：对于电枢直径Da0.5m，采用滑动轴承的电机，则计算公式为：对于采用滚动轴承且轴上装有风扇的中小型直流电机，损耗可按经验曲线来确定。机械损耗轴承摩擦和通风损耗pfw异步电机：对于径向通风的大型电机，可按以下数值方程计算：3310)11(4.2vfwNpp对于中小型电机，可按下式计算：3322332210)()3(5.6410)()3(5.52DppDppjwjw极及以上防护式极防护式44123412110)()3(410)()3)(1(132DppDpDpjwjw式极及以上封闭型自扇冷极封闭型自扇冷式机械损耗轴承摩擦和通风损耗pfw凸极同步电机：3131019)40(16tjwlvpp速度。换向器或集电环的圆周电刷面积；电刷压力；摩擦系数；式中：----vApvAppbbbbbbfb电刷与换向器或集电环间的摩擦损耗效率电动机的效率可用下式计算：%100)1(%100)1(1NNaPppPp%100)1(pPpNa发电机额定负载时效率可用下式计算：2发热与冷却温升的产生温升：电机部件的温度与周围介质温度之差；电机运行→产生损耗→变为热能→电机各部分温度升高。※/0()tTwwe0wQACmTA电机的初始温升。电机的稳定温升。电机的发热和冷却时间常数。温升随时间的变化关系t0ΔτΔτ∞分三个阶段：起始阶段、中间阶段、稳定阶段。2发热与冷却我国的电机温升限度（额定运行时最高温升）温升首先损伤绕组绝缘，加速绝缘老化；提高效率、减少损耗，强制冷却可大大降低温升。对电机而言，其温升极限基本上取决于绝缘材料所允许的最高温度及冷却介质的温度。耐热分级AEBFH极限温度/℃105120130155180冷却介质温度/℃4040404040温升限度/℃607580100125冷却介质温度即为大气温度，我国取值为400C测试方法：温度计法、电阻法、埋置检温计法，应考虑海拔的影响。2发热与冷却冷却方式风扇强迫空气流动的冷却方式；氢气为冷却介质的冷却方式：同样尺寸的电机采用氢冷后，可提高容量20~25%，且效率也能提高；内冷方式，即不通过绝缘材料，使导体产生的热量直接传给冷却介质（氢冷、水冷系统）。2发热与冷却空气冷却系统优点：结构简单、成本低；缺点：效果差，高速电机中引起的摩擦损耗大。开路冷却或闭路冷却开路式：外部空气→进入电机→回到周围环境中去闭路式：电机内部空气→在电机内部循环→冷却介质产生的热量→经过结构件如机壳→传递给第二介质（水）。2发热与冷却空气冷却系统径向、轴向和混合式通风系统按电机内部冷却空气的流动方向，分为径向、轴向与混合三种：径向通风系统便于利用转子上能够产生风压的部件，如风道片、铸铝散热片等的鼓风作用，产生散热效果而得到广泛应用。轴向通风系统通过轴流式风扇的作用，使空气沿着轴向从一端流入进入电机，另一端流出。混合式通风系统兼有轴向与径向两种通道。nn离心式风扇轴流式风扇2发热与冷却空气冷却系统