第五講_損耗與效率發(fā)熱與冷卻ppt課件

1、電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì) 第五講損耗與效率 發(fā)熱與冷卻講課人：封海潮2021年3月提 要損耗與效率損耗的根本類型；根本鐵耗；空載時(shí)鐵芯的附加損耗；電氣損耗；負(fù)載時(shí)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；任務(wù)制。1 損耗與效率如何提高效率？損耗效率電磁負(fù)荷損耗 尺寸效率資料性能、繞組類型、電機(jī)構(gòu)造等有關(guān)。損耗的根本類型根本損耗：主磁場(chǎng)在鐵芯內(nèi)變化而產(chǎn)生，根本鐵耗；空載時(shí)附加損耗：由于定轉(zhuǎn)子開槽帶來(lái)的諧波磁場(chǎng)；電氣損耗：主要是銅耗；負(fù)載時(shí)附加損耗：由于任務(wù)電流產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)；機(jī)械損耗：風(fēng)阻、軸承摩擦損耗等。不變損耗：根本損耗+空載時(shí)雜散損耗+機(jī)械損耗可變損耗：電氣損耗+負(fù)載時(shí)雜散

2、損耗根本損耗根本鐵耗磁滯損耗系數(shù)phh取決于資料性質(zhì)的常數(shù)，資料越軟，該值越小。渦流損耗系數(shù)pe、Fe 、Fe硅鋼片電阻率、密度、厚度。單位分量鐵磁物質(zhì)的磁滯損耗和渦流損耗如何降低根本損耗？根本損耗根本鐵耗損耗系數(shù)電機(jī)的根本鐵耗計(jì)算簡(jiǎn)化公式其中的p10/50表示當(dāng)B=1T，f=50Hz時(shí)的鋼單位損耗系數(shù)。根本鐵耗其中的ka表示閱歷系數(shù)。根本損耗根本鐵耗定子轉(zhuǎn)子軛的根本鐵耗齒中的根本鐵耗空載時(shí)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(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)空間分布曲線中存在諧波。氣隙中諧波磁場(chǎng)引起的鐵芯外表?yè)p耗和齒中的脈振損耗凸面間距遠(yuǎn)大于諧波波長(zhǎng)時(shí)如凸極同步電機(jī)：諧波磁通集中于極弧外表一

3、薄層內(nèi)，在極面感應(yīng)渦流，產(chǎn)生渦流損耗，也會(huì)在其中產(chǎn)生磁滯損耗，又稱外表?yè)p耗；凸面間距比諧波波長(zhǎng)小的多時(shí)如齒距t小于諧波波長(zhǎng)，那么諧波將深化到齒部并經(jīng)由軛部構(gòu)成閉合回路，那么在齒中產(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(zhǎng)、凸面間距有關(guān)空載時(shí)鐵芯中的附加損耗雜散損耗磁極單位外表積的渦流損耗：直流電機(jī)及同步電機(jī)實(shí)心磁極的外表?yè)p耗渦流的頻率總的外表?yè)p耗空載時(shí)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)中的外表?yè)p耗感應(yīng)電機(jī)：定轉(zhuǎn)子均開槽，在各自的外表產(chǎn)生外表?yè)p耗定子開槽齒諧波磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子外表產(chǎn)生的外表?yè)p耗為：同樣方法，可計(jì)算轉(zhuǎn)子開槽齒諧波磁場(chǎng)在定子外表產(chǎn)

4、生的外表?yè)p耗?？蛰d時(shí)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(duì)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(duì)于多相繞組，那么總的電氣損耗應(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(wú)關(guān)，因此一個(gè)極性下的電刷接觸損耗為：負(fù)載時(shí)的附加損耗負(fù)載雜散損耗構(gòu)成緣由分析繞組漏磁場(chǎng)在繞組中以及在臨近的金屬構(gòu)造件中感應(yīng)渦流損耗；氣隙諧波磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，在鐵芯和籠型繞組中產(chǎn)生附加損耗。凸極同步

5、電機(jī)負(fù)載時(shí)的附加損耗額定電流情況下，附加損耗約等于短路實(shí)驗(yàn)時(shí)的附加損耗四部分。一、短路時(shí)由于漏磁場(chǎng)在定子繞組中引起的附加損耗漏磁場(chǎng)集膚效應(yīng)二、短路時(shí)漏磁場(chǎng)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，由閱歷公式計(jì)算：三、定子繞組磁勢(shì)諧波在轉(zhuǎn)子磁極外表引起的外表?yè)p耗凸極同步電機(jī)負(fù)載時(shí)的附加損耗相帶諧波磁勢(shì)產(chǎn)生的外表?yè)p耗：齒諧波磁勢(shì)產(chǎn)生的外表?yè)p耗：四、短路電流為額定值時(shí)磁場(chǎng)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(shí)的附加損耗在凸極同步電機(jī)里，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁勢(shì)及電樞反響磁勢(shì)的基波分量均會(huì)在氣隙里產(chǎn)生3次諧波磁場(chǎng)由于氣隙的不均勻。由3次諧波磁場(chǎng)在定子齒中產(chǎn)生的附加損耗的閱歷計(jì)算公

6、式如下：主要的構(gòu)成部分感應(yīng)電機(jī)負(fù)載時(shí)的附加損耗定子繞組漏磁場(chǎng)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(shì)諧波產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(shì)諧波產(chǎn)生的磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子鐵心外表引起的外表?yè)p耗；在沒(méi)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。由于組成工程復(fù)雜，因此感應(yīng)電機(jī)負(fù)載時(shí)的附加損耗通常不進(jìn)展詳細(xì)計(jì)算。普通是按電機(jī)額定功率的百分比來(lái)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(shí)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(lái)替代單層繞組；采用定子與轉(zhuǎn)子槽數(shù)的近槽配合；

7、采用斜槽。直流電機(jī)負(fù)載時(shí)的附加損耗直流電機(jī)負(fù)載時(shí)的附加損耗普通取功率的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在普通電機(jī)中，常把這兩種損耗綜合在一同計(jì)算。直流電機(jī)：對(duì)于電樞直徑Da0.5m，軸上沒(méi)有風(fēng)扇的電機(jī)，可按以下數(shù)值計(jì)算：對(duì)于電樞直徑Da0.5m，采用滑動(dòng)軸承的電機(jī)，那么計(jì)算公式為：對(duì)于采用滾動(dòng)軸承且軸上裝有風(fēng)扇的中小型直流電機(jī)，損耗可按閱歷曲線來(lái)確定。機(jī)械損耗軸承摩擦和通風(fēng)損耗pfw異步電機(jī)：對(duì)于徑向通風(fēng)的大型電機(jī)， 可按以下數(shù)值方程計(jì)算：對(duì)于中小型電機(jī)，可按下式計(jì)算：機(jī)械損耗軸承摩擦和通風(fēng)損耗pfw凸極同步

8、電機(jī)：電刷與換向器或集電環(huán)間的摩擦損耗效率電動(dòng)機(jī)的效率可用下式計(jì)算：發(fā)電機(jī)額定負(fù)載時(shí)效率可用下式計(jì)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)轉(zhuǎn)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(shí)間常數(shù)。 溫升隨時(shí)間的變化關(guān)系t0分三個(gè)階段：起始階段、中間階段、穩(wěn)定階段。2 發(fā)熱與冷卻我國(guó)的電機(jī)溫升限制額定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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)迫冷卻可大大降低溫升。 對(duì)電機(jī)而言，其溫升極限根本上取決于絕緣資料所允許的最高溫度及冷卻介質(zhì)的溫度。耐熱分級(jí)AEBFH極限溫度/10512013015518

9、0冷卻介質(zhì)溫度/4040404040溫升限度/607580100125冷卻介質(zhì)溫度即為大氣溫度，我國(guó)取值為400C測(cè)試方法：溫度計(jì)法、電阻法、埋置檢溫計(jì)法，應(yīng)思索海拔的影響。2 發(fā)熱與冷卻冷卻方式風(fēng)扇強(qiáng)迫空氣流動(dòng)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，即不經(jīng)過(guò)絕緣資料，使導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量直接傳給冷卻介質(zhì)氫冷、水冷系統(tǒng)。2 發(fā)熱與冷卻空氣冷卻系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造簡(jiǎn)單、本錢低；缺陷：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(guò)構(gòu)

10、造件如機(jī)殼傳送給第二介質(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(dòng)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)子上可以產(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運(yùn)用。軸向通風(fēng)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)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)兼有軸向與徑向兩種通道。nn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)冷外冷即所謂外表冷卻方式；內(nèi)冷即從發(fā)熱件內(nèi)部直

11、接冷卻的方式，如水輪發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組可采用空氣內(nèi)冷。內(nèi)冷效果雖好，但系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜。電機(jī)中的溫度分布溫升的計(jì)算主要是計(jì)算繞組和鐵心的溫升。由于它們既是熱源，又是導(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(jì)算是從整體來(lái)處置，通常只計(jì)算發(fā)熱部件的平均溫升。采用對(duì)稱徑向通風(fēng)系統(tǒng)的電機(jī)中定子繞組沿軸向的溫度分布鐵芯有徑向通風(fēng)道，徑向風(fēng)量大體一樣；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。x02 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)的出口方向挪動(dòng)。x0外表冷卻的封鎖式交流電機(jī)中定子繞組溫度沿軸向分布損耗經(jīng)過(guò)鐵心、機(jī)座散出去，

12、而端部的散熱條件較差，端部損耗熱量主要部分經(jīng)過(guò)鐵心散出去。構(gòu)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x0硅鋼片疊片組的徑向熱導(dǎo)率要遠(yuǎn)大于軸向熱導(dǎo)率，可以近似地以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。假設(shè)兩側(cè)徑向通風(fēng)量不同，那么沿軸向的溫度分布也不對(duì)稱。0 x鐵心疊片組中的溫度分布電機(jī)中的溫度分布2 發(fā)熱與冷卻延續(xù)任務(wù)制S1OtP wPL運(yùn)用通風(fēng)機(jī)、水泵、紡織機(jī)、造紙機(jī)等。 電機(jī)的任務(wù)制2 發(fā)熱與冷卻短時(shí)任務(wù)制S2 規(guī)范運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間：15、30、60、90 min。 運(yùn)用水閘啟閉機(jī)、冶金用的電動(dòng)機(jī)、起重機(jī)中的電動(dòng)機(jī)。 OtP sMPLtgtg斷續(xù)周期任務(wù)制(S3)任務(wù)時(shí)間與停車時(shí)間輪番交替。OtP PLtg t0mm 假設(shè)改動(dòng)任務(wù)時(shí)間與停車時(shí)間的比率，將會(huì)影響允許溫升,是衡量電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)性能的重要目的。電機(jī)的任務(wù)制2 發(fā)熱與冷卻 負(fù)載繼續(xù)率暫載率 ZC %= 100% tgtgt0假設(shè)周期和負(fù)載功率不變，ZC%越大，溫升越大；或者同一臺(tái)電機(jī)，ZC%越小，任務(wù)時(shí)允許的負(fù)載功率越大。規(guī)范負(fù)載繼續(xù)率ZC% ：15%, 25%, 40%, 60% 周期：tgt0 10 min 運(yùn)用：起重機(jī)、電梯、軋鋼輔助機(jī)械中的電動(dòng)機(jī)。 斷續(xù)周期任務(wù)制(