1、電機(jī)優(yōu)化設(shè)計 第五講 損耗與效率 發(fā)熱與冷卻,講課人：封海潮 2015年3月,提 要,損耗與效率,損耗的基本類型； 基本鐵耗； 空載時鐵芯的附加損耗； 電氣損耗； 負(fù)載時的附加損耗； 機(jī)械損耗； 效率。,發(fā)熱與冷卻,發(fā)熱； 冷卻方式； 電機(jī)中的溫度分布； 工作制。,1 損耗與效率,如何提高效率？,損耗效率,電磁負(fù)荷損耗 尺寸,效率材料性能、繞組類型、電機(jī)結(jié)構(gòu)等有關(guān)。,損耗的基本類型,基本損耗：主磁場在鐵芯內(nèi)變化而產(chǎn)生，基本鐵耗；,空載時附加損耗：由于定轉(zhuǎn)子開槽帶來的諧波磁場；,電氣損耗：主要是銅耗；,負(fù)載時附加損耗：由于工作電流產(chǎn)生的漏磁場；,機(jī)械損耗：風(fēng)阻、軸承摩擦損耗等。,不變損耗：基本損

2、耗+空載時雜散損耗+機(jī)械損耗 可變損耗：電氣損耗+負(fù)載時雜散損耗,基本損耗基本鐵耗,磁滯損耗系數(shù)ph,h取決于材料性質(zhì)的常數(shù)，材料越軟，該值越小。,渦流損耗系數(shù)pe,、Fe 、Fe硅鋼片電阻率、密度、厚度。,單位重量鐵磁物質(zhì)的磁滯損耗和渦流損耗,如何降低基本損耗？,基本損耗基本鐵耗,損耗系數(shù),電機(jī)的基本鐵耗計算,簡化公式,其中的p10/50表示當(dāng)B=1T，f=50Hz時的鋼單位損耗系數(shù)。,基本鐵耗,其中的ka表示經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。,基本損耗基本鐵耗,定子轉(zhuǎn)子軛的基本鐵耗,齒中的基本鐵耗,空載時鐵芯中的附加損耗（空載雜散損耗）,鐵芯開槽導(dǎo)致氣隙磁導(dǎo)不均勻； 空載勵磁磁動勢空間分布曲線中存在諧波。,氣隙中

3、諧波磁場引起的鐵芯表面損耗和齒中的脈振損耗,凸面間距遠(yuǎn)大于諧波波長時（如凸極同步電機(jī)）：諧波磁通集中于極弧表面一薄層內(nèi)，在極面感應(yīng)渦流，產(chǎn)生渦流損耗，也會在其中產(chǎn)生磁滯損耗，又稱表面損耗； 凸面間距比諧波波長小的多時（如齒距t小于諧波波長），則諧波將深入到齒部并經(jīng)由軛部形成閉合回路，則在齒中產(chǎn)生渦流及磁滯損耗，稱為脈振損耗。,空載雜散損耗：諧波波長、凸面間距有關(guān),空載時鐵芯中的附加損耗（雜散損耗）,磁極單位表面積的渦流損耗：,直流電機(jī)及同步電機(jī)實(shí)心磁極的表面損耗,渦流的頻率,總的表面損耗,空載時鐵芯中的附加損耗（雜散損耗）,直流電機(jī)和同步電機(jī)疊片磁極：減少渦流,疊片式磁極及感應(yīng)電機(jī)中的表面損耗

4、,感應(yīng)電機(jī)：定轉(zhuǎn)子均開槽，在各自的表面產(chǎn)生表面損耗,定子開槽齒諧波磁場在轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生的表面損耗為：,同樣方法，可計算轉(zhuǎn)子開槽齒諧波磁場在定子表面產(chǎn)生的表面損耗。,空載時鐵芯中的附加損耗（雜散損耗）,異步電機(jī)齒中的脈振損耗,定轉(zhuǎn)子相對位置的不同，導(dǎo)致進(jìn)入各自齒中的磁通發(fā)生變化，從而在各自的齒中，產(chǎn)生磁滯和渦流損耗，即脈振損耗。,定子齒中的脈振,定子齒中的脈振的振幅：,定子齒的脈振損耗,轉(zhuǎn)子齒的脈振損耗,電氣損耗,繞組中的電氣損耗（銅耗）,對于多相繞組，則總的電氣損耗應(yīng)為各相繞組的電氣損耗的總和,電刷接觸損耗（直流電機(jī)）,電刷與集電環(huán)或換向器間的接觸壓降與電刷種類有關(guān)，與電流大小無關(guān)，因此一個極性

5、下的電刷接觸損耗為：,負(fù)載時的附加損耗（負(fù)載雜散損耗）,形成原因分析,繞組漏磁場在繞組中以及在鄰近的金屬結(jié)構(gòu)件中感應(yīng)渦流損耗； 氣隙諧波磁場運(yùn)動過程中，在鐵芯和籠型繞組中產(chǎn)生附加損耗。,凸極同步電機(jī)負(fù)載時的附加損耗,額定電流情況下，附加損耗約等于短路試驗(yàn)時的附加損耗（四部分）。,一、短路時由于漏磁場在定子繞組中引起的附加損耗（漏磁場集膚效應(yīng)）,二、短路時漏磁場在定子繞組端部附近金屬部件中產(chǎn)生的附加損耗,端部電流分布較復(fù)雜，由經(jīng)驗(yàn)公式計算：,三、定子繞組磁勢諧波在轉(zhuǎn)子磁極表面引起的表面損耗,凸極同步電機(jī)負(fù)載時的附加損耗,相帶諧波磁勢產(chǎn)生的表面損耗：,齒諧波磁勢產(chǎn)生的表面損耗：,四、短路電流為額定

6、值時磁場的3次諧波在定子齒中產(chǎn)生的附加損耗,凸極同步電機(jī)負(fù)載時的附加損耗,在凸極同步電機(jī)里，轉(zhuǎn)子勵磁磁勢及電樞反應(yīng)磁勢的基波分量均會在氣隙里產(chǎn)生3次諧波磁場（由于氣隙的不均勻）。 由3次諧波磁場在定子齒中產(chǎn)生的附加損耗的經(jīng)驗(yàn)計算公式如下：,主要的構(gòu)成部分,感應(yīng)電機(jī)負(fù)載時的附加損耗,定子繞組漏磁場在繞組里及繞組端部附近的金屬部件中產(chǎn)生的附加損耗； 由定子磁勢諧波產(chǎn)生的磁場在籠型轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電流引起的附加損耗； 定子磁勢諧波產(chǎn)生的磁場在轉(zhuǎn)子鐵心表面引起的表面損耗； 在沒有槽絕緣的鑄鋁轉(zhuǎn)子中，由導(dǎo)條間的橫向電流產(chǎn)生的損耗。,由于組成項(xiàng)目復(fù)雜，因此感應(yīng)電機(jī)負(fù)載時的附加損耗通常不進(jìn)行詳細(xì)計算。一般是按

7、電機(jī)額定功率的百分比來估算。 例如采用壓力鑄鋁轉(zhuǎn)子工藝的感應(yīng)電機(jī)，其附加損耗約占輸出功率的23%。,降低感應(yīng)電機(jī)負(fù)載時附加損耗的措施,采用諧波含量少的定子繞組型式，例如采用雙層短距分布繞組，或單雙層繞組來替代單層繞組；,采用定子與轉(zhuǎn)子槽數(shù)的近槽配合；,采用斜槽。,直流電機(jī)負(fù)載時的附加損耗,直流電機(jī)負(fù)載時的附加損耗一般取功率的0.51%,機(jī)械損耗,機(jī)械損耗包括軸承損耗、電刷摩擦損耗、通風(fēng)損耗等。,軸承摩擦損耗,通風(fēng)損耗,機(jī)械損耗,軸承摩擦和通風(fēng)損耗pfw,在一般電機(jī)中，常把這兩種損耗綜合在一起計算。,直流電機(jī)：,對于電樞直徑Da0.5m，軸上沒有風(fēng)扇的電機(jī)，可按以下數(shù)值計算：,對于電樞直徑Da0

8、.5m，采用滑動軸承的電機(jī)，則計算公式為：,對于采用滾動軸承且軸上裝有風(fēng)扇的中小型直流電機(jī)，損耗可按經(jīng)驗(yàn)曲線來確定。,機(jī)械損耗,軸承摩擦和通風(fēng)損耗pfw,異步電機(jī)：,對于徑向通風(fēng)的大型電機(jī)， 可按以下數(shù)值方程計算：,對于中小型電機(jī)，可按下式計算：,機(jī)械損耗,軸承摩擦和通風(fēng)損耗pfw,凸極同步電機(jī)：,電刷與換向器或集電環(huán)間的摩擦損耗,效率,電動機(jī)的效率可用下式計算：,發(fā)電機(jī)額定負(fù)載時效率可用下式計算：,2 發(fā)熱與冷卻,溫升的產(chǎn)生,溫升：電機(jī)部件的溫度與周圍介質(zhì)溫度之差； 電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生損耗變?yōu)闊崮茈姍C(jī)各部分溫度升高。,電機(jī)的初始溫升。,電機(jī)的穩(wěn)定溫升。,電機(jī)的發(fā)熱和冷卻時間常數(shù)。,溫升隨時間的變化

9、關(guān)系,分三個階段：起始階段、中間階段、穩(wěn)定階段。,2 發(fā)熱與冷卻,我國的電機(jī)溫升限度（額定運(yùn)行時最高溫升）,溫升首先損傷繞組絕緣，加速絕緣老化； 提高效率、減少損耗，強(qiáng)制冷卻可大大降低溫升。,對電機(jī)而言，其溫升極限基本上取決于絕緣材料所允許的最高溫度及冷卻介質(zhì)的溫度。,冷卻介質(zhì)溫度即為大氣溫度，我國取值為400C,測試方法：溫度計法、電阻法、埋置檢溫計法，應(yīng)考慮海拔的影響。,2 發(fā)熱與冷卻,冷卻方式,風(fēng)扇強(qiáng)迫空氣流動的冷卻方式； 氫氣為冷卻介質(zhì)的冷卻方式：同樣尺寸的電機(jī)采用氫冷后，可提高容量2025% ，且效率也能提高； 內(nèi)冷方式，即不通過絕緣材料，使導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量直接傳給冷卻介質(zhì)（氫冷、水冷

10、系統(tǒng)）。,2 發(fā)熱與冷卻,空氣冷卻系統(tǒng),優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、成本低； 缺點(diǎn)：效果差，高速電機(jī)中引起的摩擦損耗大。,開路冷卻或閉路冷卻,開路式：外部空氣進(jìn)入電機(jī)回到周圍環(huán)境中去,閉路式：電機(jī)內(nèi)部空氣在電機(jī)內(nèi)部循環(huán)冷卻介質(zhì)產(chǎn)生的熱量經(jīng)過結(jié)構(gòu)件如機(jī)殼傳遞給第二介質(zhì)（水）。,2 發(fā)熱與冷卻,空氣冷卻系統(tǒng),徑向、軸向和混合式通風(fēng)系統(tǒng),按電機(jī)內(nèi)部冷卻空氣的流動方向，分為徑向、軸向與混合三種：,徑向通風(fēng)系統(tǒng)便于利用轉(zhuǎn)子上能夠產(chǎn)生風(fēng)壓的部件，如風(fēng)道片、鑄鋁散熱片等的鼓風(fēng)作用，產(chǎn)生散熱效果而得到廣泛應(yīng)用。,軸向通風(fēng)系統(tǒng)通過軸流式風(fēng)扇的作用，使空氣沿著軸向從一端流入進(jìn)入電機(jī)，另一端流出。,混合式通風(fēng)系統(tǒng)兼有軸向與徑向

11、兩種通道。,離心式風(fēng)扇,軸流式風(fēng)扇,2 發(fā)熱與冷卻,空氣冷卻系統(tǒng),抽出式和鼓入式,抽出式：冷空氣先和電機(jī)的發(fā)熱部件接觸變?yōu)闊峥諝庥娠L(fēng)扇送出；,鼓入式：冷空氣由風(fēng)扇鼓入再與電機(jī)發(fā)熱部件接觸變?yōu)闊峥諝怅P(guān)出。,外冷與內(nèi)冷,外冷即所謂表面冷卻方式； 內(nèi)冷即從發(fā)熱件內(nèi)部直接冷卻的方式，如水輪發(fā)電機(jī)的勵磁繞組可采用空氣內(nèi)冷。內(nèi)冷效果雖好，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。,電機(jī)中的溫度分布,溫升的計算主要是計算繞組和鐵心的溫升。因?yàn)樗鼈兗仁菬嵩?，又是?dǎo)熱介質(zhì)。,溫度在空間總是按一定規(guī)律呈曲線分布，因此有最高溫升與平均溫升之別。但在計算是從整體來處理，通常只計算發(fā)熱部件的平均溫升。,采用對稱徑向通風(fēng)系統(tǒng)的電機(jī)中定子繞組沿軸向

12、的溫度分布,鐵芯有徑向通風(fēng)道，徑向風(fēng)量大體相同；熱量一部分由風(fēng)道散到空氣中，另一部分由端部散到空氣中。,2 發(fā)熱與冷卻,采用軸向通風(fēng)系統(tǒng)或混合式通風(fēng)系統(tǒng),最高溫度位置向熱風(fēng)逸出電機(jī)的出口方向移動。,表面冷卻的封閉式（交流）電機(jī)中定子繞組溫度沿軸向分布,損耗通過鐵心、機(jī)座散出去，而端部的散熱條件較差，端部損耗熱量主要部分通過鐵心散出去。形成中間低兩端高的溫度分布,電機(jī)中的溫度分布,2 發(fā)熱與冷卻,硅鋼片疊片組的徑向熱導(dǎo)率要遠(yuǎn)大于軸向熱導(dǎo)率，可以近似地認(rèn)為在鐵心中沿著徑向的溫度分布是均勻的，而沿著軸向分布是不均勻的。如果兩側(cè)徑向通風(fēng)量不同，則沿軸向的溫度分布也不對稱。,鐵心疊片組中的溫度分布,電機(jī)

13、中的溫度分布,2 發(fā)熱與冷卻,連續(xù)工作制（S1）,應(yīng)用 通風(fēng)機(jī)、水泵、 紡織機(jī)、造紙機(jī)等。,電機(jī)的工作制,2 發(fā)熱與冷卻,短時工作制（S2） 標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行時間：15、30、60、90 min。,應(yīng)用 水閘啟閉機(jī)、 冶金用的電動機(jī)、 起重機(jī)中的電動機(jī)。,斷續(xù)周期工作制(S3),工作時間與停車時間輪流交替。,若改變工作時間與停車時間的比率，將會影響允許溫升,是衡量電機(jī)運(yùn)行性能的重要指標(biāo)。,電機(jī)的工作制,2 發(fā)熱與冷卻,負(fù)載持續(xù)率（暫載率）,若周期和負(fù)載功率不變，ZC%越大，溫升越大；或者同一臺電機(jī)，ZC%越小，工作時允許的負(fù)載功率越大。 標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載持續(xù)率ZC% ：15%, 25%, 40%, 60% 周期：tgt0 10 min 應(yīng)用：起重機(jī)、電梯、軋鋼輔助機(jī)械中的電動機(jī)。,斷續(xù)周期工作制(S3),電機(jī)