電機消耗電能,產生機械能。產生的機械能與消耗的電能之比,稱為“效率”。想最大限度提升效率,首先要明白能量損失在了哪里。
銅耗
銅耗是“寄生”在電流之上的,當電流通過電機的定子和轉子的時候,由于繞組電阻的存在,損耗就產生了。
這部分能量損失就是:
電流的平方×電阻 ×時間(I2Rt)
銅耗是電機所有損耗中最容易辨識(計算)的。它只與電流和繞線的電阻有關,當繞線里面通入電流的時候,銅耗就會產生。電流又與電機轉矩有關,電機的“勁”越大,銅耗越大。
鐵耗
若干條磁感線從磁鐵的N極“出發”到S極“終止”,與垂直穿過截面的面積乘積,稱之為磁通量(φ=BS)。單位面積的磁通量就是“磁通密度”。磁通在電機的鐵芯里“流動”,會產生熱量,“流動”過程產生的熱量損耗,就是“磁滯損耗”,這部分損耗其實就是鐵芯被電流“磁化”時吸收的能量。它的大小取決于鐵芯的材料(磁阻有多少),電流頻率(轉速)以及磁通密度(磁通)的大小。
電流變化形成變化的磁場,變化的磁場在鐵芯內部“引發”感應電動勢,電動勢找到閉合的回路,產生感應電流。閉合的“路徑”像一個“漩渦”,這些“漩渦”里的電流(渦流)引起鐵芯內部溫升增加。
由“渦流”引起的熱量損耗,就是“渦流損耗”。鐵芯長時間在電磁場的“輻射”下是會被磁化的,磁化是一個快速的過程,但退磁對于某些材料來說卻是一個緩慢的過程。磁場變強時,“磁滯”和“渦流”興奮,磁場變得很弱時,鐵芯的“剩磁”開始起作用,這部分“剩磁”產生的磁滯損耗,就是“剩磁損耗”。剩磁損耗主要"寄生"于容易被磁化的材料(鐵氧體),電機所采用的一般是不易被磁化的鐵芯材料,這部分損耗比較少。
“磁滯損耗”、“渦流損耗”和“剩磁損耗”,是鐵耗的三個組成部分,電流頻率夠大(轉速快),磁通量夠強,鐵耗就會大。
機械損耗
不管電機運行在什么樣的狀態,機械損耗至少能夠占據電機總損耗的20%。它們主要分為兩大類:
第一類,風摩損耗
當電機轉子轉起來的時候,由于空氣阻力的存在,風摩耗就出現了,轉的越快就越強。風摩耗的大小取決于轉子表面的粗糙程度和轉速,同類的個體也有很多,比如:軸承摩擦損耗,轉子引出與固定點(軸承)摩擦,電刷損耗(有刷直流電機),轉子換向器與電刷之間的摩擦等等,都與轉子的結構和轉速強相關。
第二類,雜散損耗
當定子繞組通入電流時會產生I2Rt的銅耗,它有可能會附帶“基頻雜散損耗”。 定、轉子繞組間“流蕩”的交流電,電流大小方向是變化的。變化的電流產生變化的磁場,當電機的轉速上升,電流的頻率升到一定程度,繞組導線的中心區域就會產生極大的感應電動勢,由于導線中心區域有閉合回路的存在,就會導致感應電流的產生,感應電流阻礙原電流的變化,在導線截面的中心部分就會形成一個“交通堵塞”區,電流“流動”的“軌跡”就會趨向導線截面的外側部分,就是“趨膚效應”。
帶來的結果就是,導線的截面積變向的減小了,導線的阻值變向的增加了,交流電流“貫穿”繞組導線的能量(熱量)損失(I2Rt),有了額外的加成,這個“加成”就是基頻雜散損耗。
還有一系列由于氣隙磁場諧波引起的損耗,當氣隙磁場諧波進入了鐵芯形成“渦流損耗”時,當氣隙磁場諧波被定、轉子“切割”感應諧波電流產生“銅耗”時,當氣隙磁場諧波由于磁阻變化引起“磁滯損耗”時,這一切的能量“浪費”,都叫作“高頻雜散損耗”。
最大損耗是什么,與電機運行狀態有關。當電機負載的時候“銅耗”大。當電機轉速提上來的時候“鐵耗”大。風摩耗和雜散耗比較穩定。當電機滿載滿速的運行,哪個損耗最大是不一定的。
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