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文档简介

1、2.7 参数计算 电机的参数是指绕组的电阻及电抗。电机参数的大小与电机的 经济性和性能有密切的关系。我们主要介绍稳态参数的计算。 2.7.1绕组电阻的计算 绕组中通以直流或交流电时,其电阻大小是不同的。通以直流 对应的电阻称直流电阻,通以交流对应的电阻称交流电阻或有 效电阻。直流电阻: , -导体材料的电阻率, -绕组 c l R A l 导体的长度, -绕组导体的截面积。电阻率的大小与温度有关, c A 0 15 C 6 15 0.0175 10m t 如温度 时铜的电阻率 ,在电机通常运 行温度范围内,温度为在电机通常运行温度范围内,温度为在 电机通常运行温度范围内,温度为 的电阻率 15

2、15 1() t a tt -导体电阻的温度系数,铜的 a 01 0.0043aC 0 15 15tC ,。 2.7 参数计算 按照国家标准GB755-81规定,用间接法测定效率时,电机各绕 组的电损耗要换算到相应的绝缘等级的基准工作温度。对于E 级及B级绝缘,基准工作温度为 ;对于F级及H级,基准工 作温度为 ,即计算电损耗所用的电阻为基准工作温度时的 电阻值。绕组中通以交流电时,由于集肤效应,使得其电阻值 较之通直流时的增大,用电阻增加系数 表示, 0 75 C 0 115 C F K 1 F K。 交流电阻 eF RK R。 1、直流电机:电枢并联支路 ,电枢绕组电阻 2a 2 (2 )

3、 a c aw c N l R Aa ; -基准工作温度时导体的电阻率; -绕组的导体总数; w a N -线圈或元件的半匝平均长度; -导体的截面积。直流电 机的其他绕组的电阻用类似方法计算。 c l c A 2.7 参数计算 2、感应电机:感应电机定子绕组每相的电阻 1 1 1 1 2 c Fw c N l RK A a ; -每相串联的匝数, -定子每相绕组的并联支路数, - 导体的截面积。感应电机转子每相电阻 :绕线式转子, 每相电阻的计算公式和定子的类似。但要注意,由于转子电 路中的频率很小,集肤效应可忽略,即 。折算到定子 边, 1c A 1 N 1 a 2 R 1 F K 22i

4、e RK K R 。 112 1 222 () dp ie dp N K m K K mN K 笼型转子,如图。 转子每一槽构成一相, ,每槽即一 22 mZ 相的导体数为1, 2.7 参数计算 即 2 1 2 N 2 1 dp K, 。 -转子槽数。由于一个端环的端环 2 Z 段数等于槽数,端环各段电流 有效值相等,相位依次相差 一个槽距角 ,转子各导条的电流 有效值相等, RI 2 2p a Z BI 相位依次相差一个槽距角, 2212321BRRIIIIII (图a及b), 得 2sin 2 B R I I a ,将端环阻抗折算到导条中,得等效转子绕组 (图c),根据折算前后的功率不变,

5、有: 22 22RRRR Z I ZZ I Z , RB II;得到 2 () R RR B I RR I , 2 R RR B I XX I ;考虑到笼型电机 有两个端环,故转子每相电阻: 2 2 BR RRR 电抗 ;又转子槽数较多,槽距角 很小, , 2 2 BR XXX 2 2p a Z 2.7 参数计算 22 sinsin 2 app ZZ 2 22 2 2 2 1 2222 2 2sin R BRBRBRBR B IZ RRRRRRRRR p Ip Z B BwB B l R A -分别是转子导条的长度及截面积; , BB lA、 2 R RwR R D R Z A -分别是端环的

6、平均直径及截面积。 , RR DA、 3、同步电机:同步电机的电枢绕组每相电阻的计算和感应电 机的一样。 2.7 参数计算 2.7.2 绕组电抗的一般计算方法 绕组的电抗分为主电抗和漏电抗(简称漏抗)两种。通常把它 们表示成标幺值形式。漏抗的标幺值 (但在感应电 机设计时,电流是以功电流 作为电流的基值, N N IX X U kW I kW N IX X U )。 电抗的计算方法有磁链法和能量法两种,以磁链法为多,主要 介绍用磁链法的计算:任何一个电路的电抗 2XLfL 。 -交流电流的角频率。 -电路的电感,包含自感和互感。 L 任何电路的电感等于交链该电路的磁链增量与电路里相应电流 增量

7、之比, 。若电路所处媒介的磁导率与磁场强度无 关,则磁链随电流成正比变化,即 , -电路中电流 L i L i i 2.7 参数计算 产生的与该电路交链的磁(通)链。电感的计算又归结为磁通链 的计算。若电路所处媒介的磁导率与磁场强度有关,则磁通链不 再随电流成正比变化,此时电感为电流变化一个周期内的电感平 均值。 2.7.3 主电抗计算 主电抗:相应于基波磁场的电抗。在感应电机中,主电抗又称 励磁或激磁电抗。在同步电机里,主电抗也称电枢反应电抗。 1、励磁电抗的计算 为便于计算,假定电枢槽部导体中的电流集中在槽中心线上; 铁磁材料磁导率为无穷大;槽开口的影响以气隙系数来记 及。 当多相对称绕组

8、通过多相对称电流,电流所建立的气隙基波 径向磁密的幅值 2.7 参数计算 101 1 ef BF , -有效气隙长度; ef K -每极电枢基波磁势幅值。 1 F 111 2 22 2 dpdp mNIm FKNKI pp -电枢相电流的有效值。每极基波磁通 , I 11 2 ef Bl 基波磁场产生的磁链 , 111mdp NK ,整理得: 2 101 22 () mdpef ef m NKIl p 。绕组每相主电抗: 2 1 0 24 2 m mefm N Xffl pqI 2 1 2 mdp ef mq K -主磁路的比磁导。 , 2.7 参数计算 2、电枢反应电抗 凸极同步电机,采用双

9、反应理论,主电抗分为直轴电枢反应电抗 与交轴电枢反应电抗 ad X aq X addmaqqm XK XXK X、, -电枢直轴磁场的基波幅值与电枢直轴磁场最大值之比; 1ad d ad B K B -电枢交轴磁场的基波幅值与电枢交轴磁场最大值之比; 1aq q aq B K B -由有关曲线查出p25图1-14。 dq KK、 隐极电机:气隙均匀,电枢反应电抗 am XX。 2.7 参数计算 2.7.4 漏电抗或漏抗的计算 漏电抗:相应于漏磁场的电抗。根据绕组电流在电机中不同位置 所建立的漏磁场情况及其产生的磁链情况不同。绕组的漏电抗通 常分为槽漏抗、谐波漏抗、齿顶漏抗及端部漏抗四部分。 由

10、于主电抗 2 1 0 24 2 m mefm N Xffl pqI ; 漏(电)抗也可对应的表示为: 2 0 4 ef N Xfl pq , stE , -槽比漏磁导; s -谐波比漏磁导; -齿顶比漏磁导; t -端部比漏磁导;即漏抗的计算可归 E 结是相应的比漏磁导的计算。 2.7 参数计算 1、槽漏抗 的计算 s X 单层整距绕组的槽漏抗 s X 为便于分析,以矩形开口槽为例,如图。设槽内有 根串联 导体,导体电流随时间按正弦变化, s N 有效值 。槽漏磁通可分为两部分计 I 算:a)通过 高度上的漏磁通; 0 h b)通过 高度上的漏磁通。计算时 假定:1)电流在在导体截面上均匀 分

11、布;2)铁心磁阻忽略不计;3)槽 内漏磁力线与槽底平行。 1 h 2.7 参数计算 a)高度 范围内的漏磁通和全部导体匝链,产生的漏磁链 (幅值,下同): 0 h 1 110000 2 ss ssssefsef ss FNI NNh lNh l bb b) 高度上的漏磁通:以距线圈底部 处取一根高度为 1 hxdx 的磁力管(见图),其中的磁通: 1 0 2 s xef s x NI h dl dx b ,式中括号内斜线上的值为产生 漏磁通的磁势, 与 根导体匝链,即 x d 1 s x N h 2 0 11 2 ef xx s l xx dNdNIdx hhb 。 2.7 参数计算 高度 范

12、围内槽中电流产生的漏磁链 : 1 h 11 2 0122 20 2 00 1 1 22 3 hh sefef sxs ss Nlhl dIx dxNI h bb 槽漏磁链总和为: 。 2 01 120 2 3 ssssef ss hh NIl bb 。 每槽漏感 2 01 0 32 s ssef ss hh LNl bbI ,每槽漏抗 2 01 0 22 3 sssef ss hh XfLfNl bb 。若绕组每相并联支路 数为 ,则每一条支路有 个槽中的导体串联组成故每一 a 2pq a 条支路的槽漏抗等于 2 s pq X a ,每相串联匝数 2 2 ss pqmNpqN N maa 2.

13、7 参数计算 代入上式整理得: 2 0 4 sefs N Xfl pq , 01 3 s ss hh bb -矩形 开口槽的槽比漏磁导。 故每槽漏感: 22 01 00 32 s ssefsefs ss hh LNlNl bbI , 槽漏磁链 2 0 2 ssefs INl 双层绕组的槽漏抗 仍以矩形开口槽为例,如图。槽内安 放有上、下层两个线圈边。令上、下 层线圈边中串联的导体数各为 ,即 2 s N 2 s asbs N NN, 上层线圈边的自感 a L, 2.7 参数计算 下层线圈边的自感 ,上、下层线圈边的互感 。则根 b L abba MM 据电磁场理论及上述推导结论,有: 2 2

14、00 2 s aasefaefa N LNll 2 2 00 2 s bbsefbefb N LNll , 13 hh , 2 00 2 s abbaasbsefabefba N MMN Nll -相应于上层边自感的比磁导, 01 3 a ss hh bb -相应于下层边自感的比磁导, 0123 3 b ss hhhh bb -相应于上、下层线圈边互感的比磁导。 abba 2.7 参数计算 对于 ,推导如下:下层边导体电流 产生交链上层边导交链上层边导 体的槽漏磁通或互感槽漏磁通体的槽漏磁通或互感槽漏磁通分为两部分计算:a)通过 高 度上的漏磁通;b)通过 高度上的漏磁通。 ab b I 0

15、h 1 h a)高度 范围内的漏磁通和上层边全部导体匝链,产生的磁 链(幅值,下同): 0 h 2 10 110000 2 2 2 sbsbs abassasefasefb ef sss FNINh NNh lNh lI l bbb b)通过 高度上的漏磁通:以距上层线圈边底部 处,下层边 1 h 导体电流 ,在 高度内产生的磁通为 x b I dx 0 2 bsb xef s NI dl dx b ,括号内斜线上的值为下层边电 流产生漏磁通的磁势, 与上 x d 2.7 参数计算 层边 根导体匝链,即 。高度 范围 1 as x N h 1 xasx x dNd h 1 h 内下层边电流产生

16、匝链上层边的磁链 : 11 2 0 1 20 00 1 22 22 hh asbsef s abxbbef ss N Nl Nh dIxdxIl hbb 故总的互感磁链 2 01 120 2 22 s abababbef ss Nhh Il bb 相应于上、下层线圈边互感的比磁导 01 2 ab ss hh bb 。 。 槽中上层边的电流 和下层边的电流 不一定同相位,槽槽 aIbI 中上层边的总磁链(用相量表示)中上层边的总磁链(用相量表示) 22ab asaab LIMI 2.7 参数计算 槽中下层边的总磁链槽中下层边的总磁链 22 ba bsbba LIMI ; 1)双层整距绕组的槽漏抗

17、 整距时,每槽中上、下层线圈边属于同一相,电流同相位,即 abII ,则每槽中的磁链 22 a sasbsabab ILLM (注意,槽中上、下层线圈边属于同一相,上层边和下层边的磁 链才能叠加),用幅值表示 22 saabab ILLM。 所以每槽漏感 2 0 22 22 ss sababefabab a N LLLMl I 每相槽漏抗 2 2 2 ss pq XfL a ,又每槽导体数 2 2 s Nam N pqm , 代入整理得: 2 0 4 sefs N Xfl pq 。 2.7 参数计算 槽比漏磁导 0 3 s ss hh bb , 123 hhhh; 和单层绕组的槽比漏磁导算式一

18、样。 2)双层短距绕组的槽漏抗 交流电机中,常采用双层短距绕组,这时,有的槽内上、下层 线圈边属于同一相,有的不属于同一相。设每极每相绕组有 个槽,则每极每相绕组有 个上层线圈边和 个下层线圈边(对 应一个线圈组)。绕组节距比 ,在 时,三相电机 q qq y 2 1 3 在一个极距范围内,每相有 个上层线圈边中的电流与 其同槽的下层线圈边的电流不属于同一相,同样每相有 个下层线圈边中的电流与其同槽的上层线圈边的电流不属于同 一相。其余 个上、下层线圈边电流属 31q 31q 3132qqq 2.7 参数计算 于同一相,如图。因此,在一个极距范围内,一相(如图中A相) 绕组(相等一个线圈组)的

19、总磁链: 2 0 2 0 3122 2 3122 2 s A efaCab s A efbBba N lqII N lqII 2.7 参数计算 2 0 2 0 3222 2 3222 2 s AA efaab s AA efbba N l qII N l qII -A相线圈边中的电流; AI -与A相线圈边处于同槽的B相线圈边中的电流; B I -与A相线圈边处于同槽的C相线圈边中的电流;其相量如图。 C I 2.7 参数计算 3 00 3 00 cos60sin60; cos60sin60 j BA A j CA A II e Ij II e Ij 且 ; abba 。 代入表达式得一相在每

20、极 下的磁链 : 2 0 231 2 s Aefabab N Ilqq 。 2.7 参数计算 每相在每极下的一个线圈组中的 个上层边和 个下层边是串 联的,故一相在每极下的槽漏磁电感等效地看成是一个线圈组 的的槽漏磁电感为 2 0 31 22 s qsefabab A N Llqq I qq , 若各极极距范围内的线圈互相串联,则一相如A相绕组的槽漏磁 电感 。若绕组并联支路数 ,则每相每条支路的槽漏 2 sqs LpLa 2 qs p L a 磁电感为;该相槽漏磁电感 2 22 / sqsqs pp LLaL aa 又每槽导体数 , 2 2 s Nam N pqm ,整理得: 2.7 参数计

21、算 2 0 2 221 /231 4 sqsqsefabab ppN LLaLl aapq 故每相槽漏抗 , 2 0 24 ssefs N XfLfl pq -双层短距绕组的槽比漏磁导, 。 s 0 13197 31 44316 sababUULL ss hh KK bb -槽口比漏磁导, 0 U s h b -安放导体的槽下部比漏磁导; 3 L s h b -由于短距对槽口比漏磁导引入的节距漏抗系数, 31 4 U K -由于短距对槽下部比漏磁导引入的节距漏抗系数。 97 16 L K 2.7 参数计算 当 12 33 时, 11 61 ,181 416 UL KK 双层整距绕组, 。单层及

22、 1 UL KK ;工程上绘出 与 关系曲 UL KK、 线,便于查取,如图p154图2B-12。 2、谐波漏抗 计算 X 多相对称的交流电机绕组(如感应电机定子绕组)通以多相对 称电流时,在气隙中产生的旋转磁场,除基波( )外,还 有各次谐波磁场。第 次谐波,其极对数 ,同步转速 1v v v pvp -基波的同步转速,极距 ,在定子绕组中感应 1 v n n v , 1 n v v 谐波电势,电势的频率 1 1 6060 vv v p npn ff,即所有谐波磁场 在定子绕组中感应谐波电势, 电势的频率都为 等于基波电势的 1 f 频率。所以谐波电势可以在定子电路中和基波电势串联,又谐 波

23、磁场虽然也同时交链定、转子绕组,但产生的转矩是无用的 转矩。这样所有的谐波电势用一个漏抗压降表示(注意基波电 势用阻抗压降表示),相应的电抗称谐波漏抗。谐波磁场是气 隙磁场与基波磁场之差,相应于所有谐波磁场的谐波漏抗也称 差别漏抗。 2.7 参数计算 计算谐波漏抗时假定:1)各槽线圈边中的电流集中在槽中心线 上;2)铁磁材料的磁导率为无穷大;3)气隙是均匀的,并且 较小,气隙谐波磁场只有径向分量。开口槽对各次谐波的影响 以气隙系数来计及,即 ;4)忽略各次谐波磁场在对 方绕组中所感应的电流对它本身的削弱作用。 ef K 2.7 参数计算 第 次谐波磁场 :磁势幅值 v 2 2 2 vdpv m

24、NI FK vp ,磁密幅值 ,每极磁通 0 , v vef ef F BK 2 , vv efvv B l v -电枢电流有效值, I , - 次谐波绕组系数。 dpv Kv 谐波磁场与绕组本身的磁链 vvdpv NK 。第 次谐波的谐波 漏抗 v 2 2 v v Xf I 。每相的谐波漏抗 2 0 4 vef N XXfl pq 谐波比漏磁导 2 ef m q s 。实际上磁路饱和,考虑饱和时, 谐波比漏磁导 2 sef mq s K s K ,-饱和系数。 2 dpv K s v 工程上已绘制好 曲线,见p155-156。 sf 2.7 参数计算 对感应电机及隐极同步电机的定子绕组、绕线

25、转子感应电机 的转子绕组,每相的谐波漏抗: 2 0 4 ef N Xfl pq ; 对凸极同步电机,由于气隙不均匀,定子谐波漏抗 2 10 4 ddef N Xk Xkfl pq 1ad d ad B K B , 基波幅值与电枢直轴磁场最大值之比(见2.7.3)。 -电枢直轴磁场的 对感应电机笼型转子绕组:笼型转子绕组通以电流产生的谐 波磁场的次数 2 22 11 2 3 Z kk p 、自然数1 dp K , 2 1 2 N , , 22 ,mZ 2 2 1 , 22 Z qpq pm 。笼型转子绕组谐波漏抗 2.7 参数计算 2 2 20202 42 efef N Xflfl pq , 2

26、 2 2 2 sef Z R pK 2 2 2 1 1 R Z K p ,可直接从曲线查找p156。 3、齿顶漏抗 的计算 t X 对感应电机,气隙较小, 0 t X 对同步电机,气隙较大,气 隙磁场不是完全沿径向方向穿 过气隙,有一部分磁力线经由 2.7 参数计算 一个齿顶进入另一个齿顶形成闭合回路如图。这些磁通称齿顶 漏磁通,对应的漏抗称齿顶漏抗。 2 0 4 teft N Xfl pq , 1 tUptdptq Kaa 极弧系数 , , p p b a -极弧长度。 p b 0 0 0.22840.07960.25(1) td b b , : 根据许瓦兹 克利斯多菲尔变换 当槽口面对极靴

27、时 相应于齿顶漏磁场 的比漏磁导为 2 1 00 2 0 2 :tanln(1) 24 bb b 式中 当槽口面对极间区域时,齿顶比漏磁导的计算式为: 0.5 0 0.21640.3184(): t tqt b b b 式中齿顶宽度 2.7 参数计算 对于隐极式同步电机,由于气隙是均匀的,则有: t Ut d K 4、端部漏抗 计算 E X 绕组端部漏抗是相对应于绕组端部匝链的漏磁场的电抗。由 于端部形状不同,相应的漏磁场分布极为复杂,从理论上很 难推导出端部漏抗的计算公式。工程上在通过理论分析和试 验研究的基础上采用经验公式: 2 0 4 EefE N Xfl pq 对于不分组的单层同心式绕

28、组:和双层绕组的线圈组一样, 不分组的单层同心式绕组中的串联成线圈组中的线圈,其对 应的线圈边依次相距一个槽距角,图 的线圈组示意图。 , E -端部比漏磁导。 3q 2.7 参数计算 0.670.64 EE ef q l l 对于分组的单层绕组 为了节省原材料,三相电机单层绕组中线 圈组分成两组,形成链式绕组( )、交 叉式绕组( )及同心式绕组( ) 。 2q 3q 4q 链式绕组: 0.2 EE ef q l l ; 交叉式及同心式绕组: 0.470.64 EE ef q l l 。 双层绕组 叠绕组: 31 0.57 2 E ef q l ;波绕组: 0.57 E ef q l 。 2

29、.7 参数计算 -半匝线圈的端部长度。线圈尺寸如图, E l 单层绕组: 1 2 Ecy lldK ; 双层绕组: 1 22 Es lldC 。 -铁心长度; -线圈直线部分伸出 铁心的长度; -经验系数, 2极取 1 dl -线圈跨距的弧长; y c K 1.16, 4、6极取1.2,8极取1.25。 2cos y s C a 。 2.7 参数计算 2.7.5漏抗标幺值 为了便于设计,参数转为标幺值表示。 漏抗标幺值: b b I X X U -电流基值 。 , b I 对同步电机, bN II ; 对感应电机, b kW II 。功电流 N kW N P I mU 电压基值 ; bN UU

30、 。 2.7 参数计算 2.7.6 集肤效应对电机参数的影响 电机槽中的整块导体组成的线棒,当通以交流电时,导体沿槽 高上截面各部分的漏磁通匝链数不相同,感应电势也不一样。 从而导致在导体内部形成涡流,使得电流在导体截面上的分布 不均匀,导体中的电流密度由槽底逐渐向槽口增加,使导体中 的电流趋向表面 ,这种现象称之为集肤效应。这种效应相当于 导体的有效截面减少了。其结果是使线棒的交流电阻比直流电 阻大,同时也使导体的槽漏抗减少。以系数 来计及电阻的增 加,以系数 来计及电抗的减少。 F K x K 导体中形成的涡流将产生附加涡流损耗,导致效率降低,温升 升高。为减少涡流损耗:大型交流电机,其定

31、子绕组中尺寸 较大的单根导体由很多股细导线并联组成,这些细导线在槽中 2.7 参数计算 分成并列两排进行编织换位,如图。使得组成线棒的每根细导 2.7 参数计算 线轮流处于所在槽内不同位置,并在端部处整体焊接成单根线 棒。大型交流电机的定子绕组的线圈为单匝,由单匝线棒组成 的线圈称条式线圈。 中型交流电机,定子绕组采用圈式 线圈,每个线圈有多匝导体串联组成, 每根导体由数根导线并联组成,在其端 部进行扭转换位,如图。使得组成每根 导体的并联的数根导线在两个槽中错位, 感应电势相等。 小型交流电机,其定子绕组采用圏式 线圈,每个线圈由带绝缘漆的圆铜线组 成的多根导体串联组成 ,线圈中多根 2.7

32、 参数计算 串联的导体截面积小,散嵌在定子槽中,线圈也称散嵌线圈。 集肤效应对笼型感应电动机起动时笼型转子参数影响显著。 在计算电阻及电抗时,集肤效应使转子导条的高度等效的变化 了,转子导条的相对高度 0B B s fb h b -转子导条高度, B h -转子导条宽 B b -转子槽宽,铸铝转子 。 s b 1 B s b b 。 -转子导条电阻率。 2sin222sin2 , 2cos232cos2 Fx shsh KK chch 工程上绘制了 曲线,以便查取,p157-158, 1 2 , Fx b KKf b 00 , Fx rX KK rX 。 2.7 参数计算 2.7.7 饱和对电

33、机参数的影响 磁路饱和时,铁磁材料的磁阻增加,从而使感应电机的励磁电 抗、同步电机的电枢反应电抗比不饱和时的要小。感应电机的 励磁电抗: 2 1 0 4 dp msef sef NK m Xl K p 式子用饱和系数 来考虑饱和的影响。饱和对感应电动机起动 时电抗也有影响,后面介绍。 s K 2.7 参数计算 2.7.8 斜槽漏抗计算 在感应电机里,为削弱由齿谐波磁场引起的附加转矩及噪音, 一般笼型转子常采用斜槽(也可在定子方面),即将转子槽相 对定子槽沿轴向扭斜一个角度,如图。 这时,定、转子绕组之间 的电磁耦合系数减少了,即 定子电流产生的基波磁场比 转子直槽时交链转子绕组的 2.7 参数

34、计算 磁链减少。同理,转子电流产生的基波磁场交链定子绕组的磁 链也减少。其结果相当与主磁通减少,漏磁通增加。斜槽引起 的附加漏抗称为斜槽漏抗。这时感应电机的主电抗减小由 m X 变为 skm K X ,定、转子漏抗里分别增加了一个斜槽漏抗 1 skm KX 。斜槽系数 22 22 sin sk sk sk bp tZ K bp tZ -转子齿距, 2 t , -转子斜槽宽 sk b。 此时感应电机的等效 电路如图 2.7 参数计算 为了便于分析计算,将定子的斜槽漏抗都归入转子回路内,经 过变换(推导过程忽略),得最终的等效电路,如图。 感应电机的励磁电抗又变换为 ,转子电路中的斜槽漏抗 m X

35、 2 2 0.5 sk sk b XX t -折算到定子边的转子谐波漏抗。 , X 2.8 损耗和效率 效率是电机的一个重要性能指标,它的高低取决于运行时电机 中所产生的损耗。 电机的损耗有:1、定、转子铁心中的基本铁耗,它主要是主 磁场在铁心中发生变化时产生的;2、空载时铁心中的附加或杂 散损耗,它主要是指由定子和转子开槽引起的气隙磁导谐波磁 场在对方铁心表面产生的表面损耗和因开槽而使对方齿中磁通 因旋转而变化所产生的脉振损耗。3、电气损耗,它指由工作电 流在绕组铜或铝中产生的损耗,也包括电刷在换向器或集电环 上的接触损耗;4、负载时的附加或杂散损耗,这是由于定子或 转子的工作电流所产生的漏

36、磁场(包括谐波磁场)在定、转子 绕组里和铁心及结构件里引起的各种损耗;5、机械损耗,它包 括通风损耗、轴承摩擦损耗和电刷与换向器或集电环间的摩擦 2.8 损耗和效率 损耗。其中1、2、5项称为空载损耗,是因为它们可在空载试验 中测得。3、4项是在负载情况下产生的,称为负载损耗。 2.8.1 基本铁耗 是主磁场在铁心内发生变化时产生的,分为磁滞损耗和涡流损耗 两部分。 1、磁滞损耗:铁磁材料在磁场进行磁化,由于铁磁材料磁畴存 在,磁场中磁密的变化滞后磁场强度的变化即磁滞,磁畴相互 摩擦等产生的损耗称磁滞损耗。单位重量铁磁物质内由交变磁 化引起的磁滞损耗 ,称为磁滞损耗系数。它与交变磁化的频 率

37、和磁通密度振幅 有关, h p f B a hh pfB -取决于材料性能的常数;电机铁心内磁通密度通常在 h 1.62.2a , 2.8 损耗和效率 1.01.6T范围内, 2a hhh pfBfB。 2、涡流损耗:铁心中的磁场发生变化时,会在铁心中感生涡流, 引起损耗,称涡流损耗。铁心采用硅钢片材料,单位重量钢片 内的涡流损耗(涡流损耗系数) 2 22 6 eFee Fe pBffB d -取决于材料规格及性能的常数; 22 6 Fe e Fe d -硅钢片的电 阻率; -硅钢片的体积密度; Fe d-硅钢片的厚度。 Fe 为减少涡流损耗,电机的铁心采用彼此绝缘厚为 的硅钢片沿轴向叠压而成

38、。 0.50.35mmmm或 3、轭部(齿联轭)及齿部的基本铁耗 :钢单位重量的损耗,也 称钢的损耗系数 he p 2 2 hehehe pppfBfB , 。 2.8 损耗和效率 常数 可查表得出(见p38表)。考虑到钢片的加工、 磁通密度在钢片中的分布不均匀以及计算方便,钢的损耗系数 he 、 (单位 ), W kg 1.3 21 10/50 50 he f ppBW kg 。 10/50 p -当 1 ,50BT fHz 时,钢单位重量内的损耗,其值可按硅钢片 型号从表中查出(见p38表)。 钢中基本铁耗的一般表达式为: Fe aheFe pk p G, -受交流磁化或旋转磁化作用的钢的

39、重量; -经验系数, Fe G 考虑到钢片的加工及磁密分布不均匀等原因引入的系数。 a k 1)定子或转子(齿联)轭中的基本铁耗:轭中的损耗系数 2.8 损耗和效率 1.3 2 10/50 50 hejj f ppB 由于铁耗是空载中的损耗, 为空载时的磁密。轭中的基本 , -定子或转子轭中最大磁密。 j B j B 铁耗 Fejahejj pk p G。 -轭的重量。对直流电机: j G3.6 a k ; 对于同步和感应电机, 时, 100 N PkVAkW或1.5 a k ; 100 N PkVAkW或时, 1.3 a k 。 2)齿中的基本铁耗:齿中的损耗系数 1.3 2 10/50 5

40、0 hett f ppB , -齿磁路长度的磁密平均值。齿的基本铁耗: t B Fetahett pk p G , -齿的重量。对于直流电机: t G4.0 a k ;对于感应电机: 1.8 a k 对于同步电机: 100 N PkVA时, 2.0 a k ; 100 N PkVA时, 1.7 a k 。 2.8 损耗和效率 2.8.2 空载时铁心中的附加损耗 空载时铁心中的附加损耗主要是指铁心表面损耗和齿中的脉振 损耗,它是由气隙中的谐波磁场引起的。这些谐波磁场有1)电 机铁心开槽导致气隙磁导不均匀;2)空载励磁磁势空间分布曲 线中有谐波存在,而引起的。这些谐波磁通一部分会在铁心表 面一薄层

41、内产生涡流和磁滞损耗-表面损耗;另一部分谐波磁 通会渗入铁心齿中经轭部构成回路,在齿中产生涡流和磁滞损 耗-脉振损耗。其中空载励磁磁势谐波产生的附加损耗,一般 只在隐极同步电机里才计算。 1、直流机及同步机整块(或实心)磁极的表面损耗 直流机及同步机里,由于电枢开槽,使得气隙主磁场上叠加了 2.8 损耗和效率 一个气隙磁导齿谐波磁场,其极对数等于电枢槽。在磁极表面 引起涡流,磁极单位表面积的涡流损耗: 21.5 00A pkB tZn -齿谐波磁密幅值; , 0 B -齿距; t-电枢槽; Z -电枢与磁极相对转速; n 1.5 0 11 604 k -电阻率。 ; 若气隙主磁场在极距范围内作

42、正弦分布,则 21.5 00 0.5 A pkB tZn。电机表面损耗 FepAp pp A; -所有磁极的表面积。注意表面损耗还应包含磁滞损耗, p A 但磁滞损耗相对太小,忽略不计,故表面损耗只考虑涡流损耗。 2.8 损耗和效率 2、叠片磁极及感应电机中的表面损耗 为减少表面损耗,直流机及凸极同步电机的磁极做成叠片式。此 时叠片磁极的表面损耗 ,只是 大小不同了。 FepAp pp A 0 k 感应电机定、转子铁心都开槽,在定、转子铁心表面都产生表面 损耗。定子开槽引起的齿谐波磁场在转子表面产生的表面损耗 02 p 202 02222 2 At tb ppD l t -转子齿距,槽口宽;

43、202 ,t b, -转子铁心的外径,长度; 22 , t D l -转子齿的 202 22 2 t tb D l t 表面积; 1.52 20101 1 0.5 A pkZ nB t 01011 BK B , -定子开槽 引起的齿谐波磁场磁密的幅值; 可查表查出。 01 在定子铁心表面产生的表面损耗和上述一样,不再介绍。 同理转子开槽 2.8 损耗和效率 3、感应电机齿中的脉振损耗 感应电机运行时,定、转子齿槽关系不断改变,有时定、转子齿 中心线重合,有时定子齿和转子槽中心线重合,从而导致定、转 子齿中的磁通发生变化,产生附加铁损耗-脉振损耗。定子齿中 脉振损耗 2 26 1211 0.07

44、10 ppt pZ nB GW -定子齿的重量; , 1t G -气隙主磁场的转速 n; 2 11 1 2 pt r BB t ; 2 02 2 02 5 b r b -转子槽口宽; 02 b -定子齿中平均磁密。 1t B 转子齿中的脉振损耗同定子的表达式,不再介绍。 注意,工厂里计算时,是将空载时附加铁心损耗放在基本铁 耗中处理,将经验系数取大些。 2.8 损耗和效率 2.8.3 电气损耗 若电机有多个绕组,则绕组中的电气损耗是各绕组的电气损耗 之和,即 ; -绕组 中的电流; -换算到基 准工作温度的绕组 的电阻。对于交流 相绕组, 1、绕组中的电气损耗 2 cuxx pI R x I

45、x x R xm 2 Cu pmI R; -相电流; -相电阻,是指直流电阻,在计算电气损耗时,I 认为电流在导体截面均匀分布。至于集肤效应使得交流电阻增 大引起的电气损耗增大部分放在负载附加损耗中处理。 R 2、电刷接触损耗 电刷与集电环或换向器间的接触压降主要与所选的电刷种类有 关,与电流大小无关。一个极性下的电刷接触损耗 Cubb pU I , -电刷接触压降,对碳-石墨、石墨及电化石电刷 b U 1 b UV。 2.8 损耗和效率 2.8.4负载时的附加损耗 这是由于定子或转子的工作电流所产生的漏磁场(包括谐波磁 场)在定、转子绕组里和铁心及结构件里引起的各种损耗。负 载时的附加损耗难

46、于准确计算。中小型电机的负载时的附加损 耗,按规定为其额定功率的一定百分数处理。介绍凸极同步电 机及笼型感应电机的负载时的附加损耗。 1、凸极同步电机负载时的附加损耗 由额定负载电流引起的同步电机的附加损耗,约略等于短路电 流等于额定电流时短路试验时的附加损耗,故又称短路附加损 耗。具体包含下列各量: 1)短路时由于漏磁场在定子绕组(电枢绕组)中引起的附加损耗 由于交流电流的集肤效应,使得绕组的交流电阻大于直流电阻, 2.8 损耗和效率 对应于所增加的电阻的损耗即为由漏磁场在绕组中引起的附 加损耗 , -绕组的直流电阻损耗; - 绕组电阻的增加系数,根据绕组类型(圈式线圈绕组或条式 线圈绕组)

47、可查相关的图表得到。 1 CuadFCu pKp Cu p F K 2)短路时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 绕组端部电流产生漏磁场会在绕组端部部件如压板、端盖等金属 件产生附加损耗 2 3 1 3510 50 plic f pDpW , -定子铁心内径; 1 i D -损耗系数 2.5 1 5 1.15 10 c A p ; -定子线负荷。 1 A 3)定子绕组磁势谐波在转子磁极表面引起的表面损耗 对称的定子绕组通以对称的电流在气隙中产生基波和谐波磁势。 2.8 损耗和效率 谐波磁势中次数 等的称为相带谐波磁势;次数 5 7 11v 、 的称为齿谐波磁势, 1 1 Z v

48、k p 1 2k 、分别称一阶齿谐波、 二阶齿谐波 。 定子相带谐波磁势在磁极表面产生的附加损耗:就是定子各 次相带谐波磁势在磁极表面产生的附加损耗之和。 2 1.52 20 2 vkvbvvrvp pkBfk A 5 7 11v 、 ,相带谐波次数; 1.5 00 60kk , -转子磁极表面积; p A -考虑涡流反作用使磁场 rv k 而引入的系数; -定子 次相带谐波在磁极表面感应电势的频率; v f v 对于 谐波磁场,其相对定子的旋转转速 ,相对转 5v 1 5 5 n n 2.8 损耗和效率 子磁极的转速为 11 11 55 nn nn ; 1 1 1 1 1 6060 vv v

49、 n vp n pnn v ffv - 次谐波的极距; v v ; v - 次相带谐波磁势产生的同次谐波磁密幅值 v vb B。 工厂对上式整理修正得 2 1.52 20 2 vkvbvvrvp pkBfk A 2 3 2.1 1 ad Fep k X p Kq = ; -空载磁极表面损耗。 Fep p-系数, k 与绕组的短距系数 有关, p K 可从有关图表查出。 2.8 损耗和效率 定子齿谐波磁势在磁极表面产生的附加损耗 定子齿谐波磁势在磁极表面产生的附加损耗: 1.5 4 2222 11 2001 2 0.25 60 tkprvr ef tZ n pk AAk k 。工厂对该式整理修正

50、得: 2 2 1 2 1 ad tkFep pX pkp ZK 。 -定子槽数; 1 Z-比例系数。 k max 1.0,0.3;k maxmax 1.5,0.2;2.0,0.15kk 。 -极尖处的气隙; max -极靴中心处的气隙。 4)短路电流为额定电流时磁场的3次谐波在定子齿中产生的附 加损耗 2.8 损耗和效率 凸极同步电机气隙不均匀,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。短路时,定、转子3 次谐波磁场相互叠加,在定子齿中产生附加损耗: 5/4 10/501 10.7 tt ppBG , -定子齿中3次谐波磁场的磁密幅值 t B ; -定子齿的重量

51、。 1t G 2、感应电机负载时的附加损耗 感应电机负载时的附加损耗通常按电机额定功率的百分比数估 算。现分析笼型转子感应电机负载时的附加损耗。笼型转子感 应电机负载时的附加损耗主要有下列几项:1)定子绕组的漏磁 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。其 分析及计算和同步电机类似,不再介绍。2)定子磁势谐波产生 2.8 损耗和效率 的磁场在笼型转子绕组中感生电流引起的附加损耗;3)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,其分析及 计算和同步电机类似,不再介绍。转子磁势谐波在定子铁心中 产生的附加损耗很小,可忽略不计。4)没有槽绝缘的铸铝转子 中,由泄漏电流产生的损耗

52、。 其中第1项的损耗由基频电流产生,又称基频附加损耗;第2、 3及4项都由高频电流产生,称高频附加损耗。 一、在直槽的情况下,定子磁势谐波在笼型转子绕组中产生的 附加损耗定子相带谐波磁势在笼型转子绕组里产生的附加损 耗:由 次相带谐波产生的该项损耗 v 2224 1122 221 2 4 dpvv vv m N KK pR I Z -对应于 次谐波频率的转子导体交流电阻; v 2v R 2.8 损耗和效率 2 2 2 sin v vp Z K vp Z 计算时只考虑 的各次谐波的叠加。 。 2 0.8 Z v p 次数更高的产生的损耗很小,可忽略。 定子齿谐波磁势在笼型转子绕组中产生的附加损耗

53、: 2 21 12zmz pC m I R-损耗系数, m C 。与定、转子槽数之比有关, 接近1,则 2 1 Z Z m C最小,即损耗最小。故笼型感应电机,在直 槽时,采用近槽配合。 -相应于一阶齿谐波频率折算到定子边 的转子导条的交流电阻。 2z R 2.8 损耗和效率 二、在斜槽的情况下,如果导体未绝缘,定子磁势谐波在转子 笼型中产生的损耗 转子斜槽,若转子导体绝缘的较好,定子相带谐波磁势在笼 型绕组中产生的损耗: 2224 11222 221 2 4 dpvv vvskv m N KK pR I K Z -笼型转子绕组对 次谐波的斜槽系数; v skv K 转子斜槽,若转子导体与铁心

54、没有良好的绝缘,定子磁势各 次谐波在笼型绕组中感生电势,会通过铁心硅钢片在相邻导体 间形成“横向”电流-泄漏电流,产生附加损耗。 3、降低感应电动机负载时附加损耗的措施 采用谐波含量较少的定子绕组;采用近槽配合;采用斜 槽,增大导体和铁心间的接触电阻。 2.8 损耗和效率 2.8.5 机械损耗 机械损耗包括轴承摩擦损耗、电刷摩擦损耗和通风损耗。机械 损耗涉及的各种因素很多,很难用公式准确表示。一般情况下, 工厂是根据已造好的电机试验数据来近似计算或估算所设计的 电机的机械损耗。 2.8.6 效率 2 12 1 p P PPp 电机的效率 -电机总损耗。 p 。 2.9 电机的冷却与发热 1、电

55、机的冷却方式 目前电机的单机容量正逐渐增大,为此必须改进电机的冷却系 统,提高电机的散热能力,以适应设计的要求。冷却系统中的 冷却介质有空气、氢气等气体和水、油等液体两种。大部分电 机都是采用风扇强迫空气流动来冷却电机的,即电机制造中最 广泛采用的是以空气为冷却介质的空气冷却系统。主要介绍的 是该类。 1)空气冷却系统 采用空气冷却的电机结构简单,成本较低,但空气的冷却效 果较差。按空气冷却的通风系统的结构类型可分为四种: 开路冷却(或自由循环)或闭路冷却(或封闭循环) 开路冷 却的电机,其冷却空气由电机周围抽取,空气通过电机后, 2.9 电机的冷却与发热 再回到周围环境中去。 闭路冷却的电机,其冷却介质通过电机 沿着闭合线路进行循环。冷却介质中的热量经结构件或冷却器 传递给第二冷却介质;径向、轴向和混合式通风系统 按电 机冷却空气流动的方向,空气冷却系统分为径向、轴向和混合 (径向及轴向的混合)式三种。径向通风系统便于利用转子上 能够产生风压的零部件(如风道片、磁极等)的鼓风作用,而 得到广泛的应用; 轴向通风系统便于安装直径较大的风扇, 以提高通风量。用在中小型直流电机中; 混合式通风系统兼有 径向和轴向两种通道,而普遍采用;抽出式和鼓入式 抽 出式:冷却空气先

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