合肥工业大学 电机设计基础-5,10

1、 5-1 概述电机的损耗分五大类：（1）基本铁耗；（2）空载附加损耗；（3）电气损耗；（4）负载附加损耗（由漏磁场引起）；（5）机械损耗（包括通风损耗、轴承摩擦损耗等）。 对于低速电机和变压器，损耗以1、3为主；对于高速电机，损耗以1、3、5为主。5-1 概述概述5-2 基本铁耗 基本铁耗是由主磁场在铁心中交变引起的。磁化的性质按照磁畴运动的轨迹可以分为旋转磁化和交变磁化。如交流电机的定子轭的磁化属于旋转磁化；定子齿和变压器铁心的磁化属于交变磁化。 旋转磁化，交变磁化5-2 基本铁耗 一、磁滞损耗一、磁滞损耗 磁滞损耗系数ph=hfB2，意义是单位重量的铁磁材料在下的磁滞损耗。当铁心中的磁密小

2、于1.7T的情况下，旋转磁化的磁滞损耗系数要大于交变磁化的磁滞损耗系数。见图5-1。5-2 基本铁耗 二、涡流损耗二、涡流损耗 涡流损耗系数pe=e(fB)2，意义是单位重量的磁材料在情况下的涡流损耗。 三、轭部及齿部的基本铁耗三、轭部及齿部的基本铁耗 损耗系数phe=ph+pe=hfB2+e(fB)23 . 1250/1050fBpphe5-2 基本铁耗或近似为故，铁心中的基本铁耗为：pFe=kapheGFe其中，ka经验系数。对于定子或转子轭，有 pFej=kaphejGj 其中，ka取下列值： 直流电机 ka=3.6 同步和感应电机 ka=1.31.55-2 基本铁耗 对于齿部，有 pF

3、et=kaphetGt 其中，ka取下列值 直流电机 ka=4.0 感应电机 ka=1.8 同步电机 ka=1.72.0 5-2 基本铁耗 【补】一台变压器，额定频率50赫兹。现把它接在60赫兹的电源上运行，假定铁心中磁通的幅值不变。该变压器的基本铁耗有什么变化？ 【补】热轧硅钢片表面涂漆，冷轧硅钢片表面生成氧化膜，是为了减少哪种损耗？ 【补】凸极同步电机的主极铁心中有没有基本铁耗？为什么可以忽略感应电机转子中的基本铁耗？【补】一台感应电机，【补】一台感应电机，UN=380V,fN=60Hz，现把它，现把它接在接在380V,50Hz的电源上运行，问电机的基本铁耗的电源上运行，问电机的基本铁耗和

4、励磁电流有什么变化？和励磁电流有什么变化？【补】一台凸极同步电机，电枢铁心硅钢片的牌号【补】一台凸极同步电机，电枢铁心硅钢片的牌号为为DR510-50（D23），），p10/50=2.1w/kg。已知该电。已知该电机电枢齿部磁密幅值为机电枢齿部磁密幅值为1.42T，电枢轭部磁密幅值，电枢轭部磁密幅值为为1.42T，电枢重量为，电枢重量为60kg，设，设ka=1.5，求该电机，求该电机的基本铁耗。的基本铁耗。(4.23w/kg,4.36w/kg,392w) 5-2 基本铁耗5-3 空载时铁心中的附加损耗 空载时铁心中的附加损耗包括：铁心表面损耗和齿中脉振损耗。主要由铁心表面开槽引起。凹凸面间距与

5、谐波波长之比决定是表面损耗还是脉振损耗. 一、直流电机及同步电机磁极的表面损一、直流电机及同步电机磁极的表面损耗耗 由于电枢开槽，磁极表面感应涡流，频率为60Znfz5-3 空载时铁心中的附加损耗磁极表面脉振磁密幅值 B0=Bmax-B=(k-1)B B0=0Bmax=0kB 其中，0可查图5-5。对图5-4的表面涡流列出电磁场方程： 解此方程，得 其中ZzZZJjyJxJ22225-3 空载时铁心中的附加损耗2)()1(0zxtjyjZzzeJJ 设Je是J0的有效值，则磁极单位表面积的涡流损耗为 其中 也可以查表5-2求k05 . 1005 . 1200260141)()(kZntBkdy

6、JpeA5-3 空载时铁心中的附加损耗 上式适用于气隙磁密为平顶波。如果为正弦波，则有 pA（正弦波）=0.5k0(B0t)2(Zn)1.5 总的表面损耗为pFep=pAAp 表面损耗与B02和Z1.5次方成正比。5-3 空载时铁心中的附加损耗5-3 空载时铁心中的附加损耗 二、叠片磁极及感应电机的表面损耗二、叠片磁极及感应电机的表面损耗 叠片磁极有利于减少表面损耗（片表面的天然氧化膜有一定的绝缘作用），其单位面积的表面损耗仍然可用下式计算： pA=k0(B0t)2(Zn)1.5 只不过k0要比整块磁极的情况下要小些。 另外，除采用叠片磁极外，采用半闭口槽也可另外，除采用叠片磁极外，采用半闭口

7、槽也可以减少表面损耗。以减少表面损耗。 对于感应电机，转子表面的总损耗为202222202tbtlDpptA5-3 空载时铁心中的附加损耗其中，pA2=0.5k0(B01t1)2(Z1n)1.5。表面损耗也与B02和Z1.5成正比。对于感应电机，定子表面也有表面损耗。5-3 空载时铁心中的附加损耗 三、感应电机齿中的脉振损耗三、感应电机齿中的脉振损耗 直流电机和凸极同步电机的空载附加损耗只有表面损耗，感应电机的空载附加损耗既包括表面损耗，也包括齿中脉振损耗。脉振损耗与Bp2和Z2成正比。 工厂常常不单独计算感应电机的空载附加铁心损耗，而是在计算基本铁耗时对ka取较大的值。5-3 空载时铁心中的

8、附加损耗 【补】小功率电机采用半闭口槽，大功率电机采用磁性槽楔，是为了减少哪种损耗？5-4 电气损耗 一、绕组中的电气损耗一、绕组中的电气损耗 对交流电机的m相绕组，一般是完全对称的，则 pCu=mI2R 其中，R是直流电阻。5-4 电气损耗 二、电刷接触损耗二、电刷接触损耗 pcb=2UbI 其中，Ub一般取1.0V或0.3V。5-5 负载时的附加损耗 负载时的附加损耗包括由于集肤效应所增加的电气损耗，由于漏磁通感应的铁耗，还有由谐波磁势所产生的损耗。 一、凸极同步电机负载时的附加损耗一、凸极同步电机负载时的附加损耗 （一）负载时由于集肤效应在定子绕组中产生的附加损耗 pCuad=(kF-1

9、)pCu(二）负载时由漏磁场在定子绕组端部金属部件中产生的附加损耗为(长度单位米,功率单位瓦)5 . 2513211015. 1105035AppfDpccipl5-5 负载时的附加损耗其中pc为损耗系数5-5 负载时的附加损耗 （三）定子绕组磁势谐波在转子表面引起的表面损耗 定子谐波磁势转速与基波不同，与转子间存在相对运动，当然会在转子表面感应涡流，产生损耗。 定子谐波磁势分为相带谐波和齿谐波。相带谐波频率等于基波频率：f=f1，齿谐波频率等于：fz=Z1n/60。 相带谐波可以理解成5,7,11等次谐波. 工厂中采用经验公式： k可由表5-3查得。当kp=0.96时，k=0.01最小。此时

10、线圈相当于短距五分之一。FepadkpkXkqp2*3211 . 25-5 负载时的附加损耗1.相带谐波磁势在磁极表面产生的附加损耗 2.齿谐波磁势在磁极表面产生的附加损耗5-5 负载时的附加损耗FepadtkpkZpXkp21*2) 1(2工厂中采用经验公式：其中，k为比例系数，与max/有关。5-5 负载时的附加损耗 （四）三次谐波磁场在定子齿中产生的附加损耗 由于凸极同步电机气隙不均匀，即使电枢反应磁势是理想的正弦波，所产生的电枢反应磁场也不是正弦波，而是略呈尖顶形，其中有基波磁场和三次谐波磁场。再，主极励磁绕组是集中绕组，它产生的主极磁场是略呈平顶的正弦波，其中也有基波和三次谐波。在直

11、轴电枢反应去磁的情况下，这两个三次谐波磁场叠加。1*3*33)(tadddmtBXAXAB14/5350/1037 .10ttGBpp 5-5 负载时的附加损耗其中，A3m磁极三次谐波磁场系数；A3d电枢反应三次谐波磁场系数。可查图4-11。三次谐波磁场将在定子齿中产生附加损耗：三次谐波磁场也有用处，比如利用三次谐波励磁。5-5 负载时的附加损耗 补凸极同步电机的电枢绕组一般不采用D接,而功率稍大的异步电机的定子绕组都采用D接,为什么?5-5 负载时的附加损耗 二、感应电机负载时的附加损耗二、感应电机负载时的附加损耗 一般有以下几个部分： 1.定子绕组漏磁场在绕组中产生的附加损耗 2.定子绕组

12、漏磁场在端部金属件中产生的附加损耗 3.定子谐波磁势在笼型绕组中感生电流产生的附加损耗5-5 负载时的附加损耗 4.定子谐波磁势在转子铁心表面引起的附加损耗 5.没有槽绝缘的铸铝转子中，由泄漏电流产生的损耗。 上述1、2、4的计算方法与同步电机相同，下面着重分析3、5。 （一）在直槽的情况下，上述第3项损耗的计算 定子谐波磁势包括相带谐波磁势、齿谐波磁势 由次相带谐波产生的损耗2122422212124IRZkkNmpdp5-5 负载时的附加损耗其中，k2：假想的转子绕组对定子次谐波的绕组因数。5-5 负载时的附加损耗 由齿谐波磁场产生的损耗 p2z=Cmm1I12R2z 其中，Cm损耗系数，

13、可查图5-12。 (二）在斜槽的情况下，上述第5项损耗的计算 一般斜一个齿距，此时一根导条沿其长度方向齿谐波电势相互抵消。但相邻的两半根之间会形成横向电流，产生附加5-5 负载时的附加损耗 损耗。 （三）降低感应电机负载时附加损耗的措施 上述感应电机负载时的附加损耗很难计算，一般取其额定功率的0.5%-3.0%，即 pad=0.5%-3.0%PN 降低负载时附加损耗的措施：5-5 负载时的附加损耗 1.采用谐波含量较少的绕组型式。如双层短距绕组，正弦绕组等。 2.采用斜槽，同时增大导条和铁心间的接触电阻。 三、直流电机负载时的附加损耗三、直流电机负载时的附加损耗 一般也是估计，pad=0.5%

14、1%PN5-6 机械损耗 一、轴承摩擦损耗一、轴承摩擦损耗 滑动轴承的摩擦损耗如下式，单位是w，表示油温。其它物理量单位都是国际单位105 . 150101503 . 2jjjjjjfvlddplp 滚动轴承的摩擦损耗如右式，单位也是w。 简单地说，轴承损耗与转速、载荷正相关。51015. 0vdFpf5-6 机械损耗【补】高速电机采用磁悬浮轴承。5-6 机械损耗 二、通风损耗二、通风损耗 仅针对自带风扇的电机 pw=1.75qvv2 (w) 其中qv是风量。由于风量与转速成正比，因此通风损耗与转速的立方成正比。 【补】两台自带风扇电机，功率相同，转速不同，则风扇外径不同。5-6 机械损耗 三

15、、轴承摩擦损耗和通风损耗三、轴承摩擦损耗和通风损耗 把轴承损耗，自带风扇或没有风扇时的通风损耗综合考虑。 下面以中小型异步电机为例。以下公式单位为w。 2极防护式（IP23) 4极及以上防护式(IP23) 2极封闭型自扇冷(IP44) 4极及以上封闭型自扇冷 (IP44)33221035 . 5Dppfw5-6 机械损耗33221035 . 6Dppfw34121103)1 (13DpDpfw4412103Dppfw5-6 机械损耗 简单地说，通风摩擦损耗与转子外径或定子外径的高次方成正比；与转速的平方成正比。 四、电刷摩擦损耗四、电刷摩擦损耗 pfb=bpbAbv (w) 其中，Ab是电刷总

16、工作面积。5-7 效率%100pPPNN【补】旋转电机的损耗包括：1.基本铁耗；2.电气损耗；3.空载时的附加损耗；4.负载时的附加损耗；5.机械损耗。说明下列措施与减少哪种损耗有关：a.用银导线代替铜导线；b.高速电机内部抽成真空;c.硅钢片表面涂绝缘漆;d.凸极同步电机采用叠片磁极.e.用多股换位导线组成导体.10-1 概述 二、感应电动机的主要性能指标和额定二、感应电动机的主要性能指标和额定数据数据 主要性能指标包含7项，最主要的是效率、功率因数cos和最大转矩倍数Tm/TN。 额定数据主要指额定功率PN、额定电压UN、额定频率fN和额定转速nN。 基准值为UN、PN、Ikw、Zkw=U

17、N/Ikw、TN。NNNNNkwNkwNNkwnPnPTIUZUmPI9550602110-1 概述计算例题 Y160M-4的计算结果如下： PN=11kw，UN=380V，IN=22.6A，D1/Di1/D2=260/170/60，l=155，g=0.5，Q1/Q2=36/26，定子线规2-1.3，Ns=28，单层交叉式绕组，1接法，Sf=0.735，槽型尺寸（略）， B=0.70T，Bt1=1.49T，Bt2=1.37T，By1=1.30T By2=1.26T，J1=4.81A/mm2，J2B=3.14A/mm2，J2R=2.14A/mm2，A=24000A/m，R1=0.91，I0=4.8A，pCu1=449w，pCu2=298w，pFe=254w，pad=220w，pfw=160w，=88.8%， cos=0.85，Tm/TN=2.45，Tst/TN=2.2，Is