電機損耗機理——大家應該有的干貨！

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旅行驢友老M女士接到一位顧客的電話，眉宇間的喜色幾乎超過了明媚的春光。她欣然同意，他將有一個很好的AA午餐。本來因為客戶購買了老M供應的高效電機，電費降了不少，高效電機的應用實踐開始獲得豐厚的回報。

高效電機，顧名思義，效率高，符合規定的能耗標準。要達到這個目的，控制和減少電機損耗是關鍵，要了解損耗發生的機理。

電機損耗的重要性

考慮電機損耗非常重要，原因有三：

(1)損耗決定了電機的效率，很大程度上影響了電機的運行成本。

(2)損耗導致電機發熱，對應的溫升水平決定了能獲得的最大功率輸出。

(3)電機設計方案中必須合理考慮與這些損耗相關的壓降或電流因素。

電機效率計算

電機的效率由以下公式給出：

效率=輸出/輸入……………(1)

或者表示為式(2)和式(3)

效率=（輸入一損耗）/輸入=1-損耗/輸入……………(2)

效率=輸出/（輸出+損耗）……………（3）

損耗類型及其產生機理

直接測量負載條件下的輸入輸出功率可以由公式(1)確定，電機效率通常通過測量損耗并使用公式(2)和公式(3)計算。如果采用相同的測量和計算方法，通過測量損耗確定的效率可用于比較競爭的電機產品。需要考慮的幾個損耗是歐姆損耗、機械損耗、開路或空載鐵芯損耗和負載雜散損耗。

歐姆損耗

歐姆損耗或I2R損耗,存在于電機的所有繞組中。雖然通常通過測量每個特定工作點的繞組溫度來修正計算結果，但人們一致同意使用75時繞組的DC電阻來計算這些損耗。此外，交流下的繞組I2R損耗取決于繞組的有效(交流)電阻，該電阻與電機的工作頻率和磁通量有關。直流電阻和有效電阻差引起的損耗偏差包含在負載雜散損耗中。

對于同步電機和DC電機的勵磁系統，電機效率的計算只考慮勵磁繞組的損耗；提供勵磁的外部電源的損耗是將電機作為動力裝置的一部分，計入動力裝置的效率。

與I2R損耗密切相關的是滑環和換向器上的電刷接觸損耗。傳統上，在感應電機和同步電機中，這種損耗通常被忽略。在工業DC電機中，當使用碳刷和石墨刷時，電刷的總接觸壓降被認為是2V的恒定值。

機械損耗

機械損失包括軸承上的電刷和摩擦損耗，風阻引起的損耗。如果有通風裝置，無論是自帶風扇還是外置風扇，還應包括電機和通風系統內空氣循環所需的功率(管道通風時，通過電機外部的長管道或窄管道排除強制氣流。

●開路或者空載鐵心損耗

開路或者空載鐵心損耗包活磁滯和渦流損耗，是僅在主勵磁繞組激勵的情況下，由電機鐵心中時變磁通密度所引起的損耗。

在直流電機和同步電機中，盡管由于開槽所引起的磁通變化也會在磁極鐵心，特別是在磁極鐵心的極靴和極面中引起損耗，但鐵心損耗主要還是局限在電樞鐵心中，或者說只計算電樞鐵心損耗。

在感應電機中，鐵芯損耗主要局限在定子鐵心中，轉子中的鐵芯損耗因磁場交變頻率為非常低的轉差頻率，通常忽略不計。通過使電機不帶載，運行在額定轉速或者頻率、并且適當的磁通或者電壓條件下，測出電機的輸入功率，然后扣除摩擦和風阻損耗，并且如果測試中電機是自驅的，還要加除空載電樞I2R損耗（感應電動機的空載定子I2R損耗），就可以得到開路鐵芯損耗。

通常，在額定電壓附近，測取空載鐵心損耗隨電樞電壓變化的函數曲線數據。可以認為，用負載下電樞電阻壓降對額定電壓時進行修正（對交流電動機要用相量修正），負載下的鐵芯損耗取電壓等于修正值時抽測得的損耗值。然而對于感應電機，通常省卻這一修正，一般采用額定電壓下的鐵芯損耗。如果僅僅為了確定效率，就沒有必要將開路锨芯損耗與摩擦及風阻損耗分離，將這二者之和統稱為空載旋轉損耗。

●負載雜散損耗

負載雜散損耗包括：銅導體中電流分布的不均勻所引起的損耗、負載電流使得磁場畸變而引起的附加鐵心損耗，等等。這類損耗難以精確確定。根據慣例，對直流電機一般取輸出功率的1.0%。對同步電機和感應電機，負載雜散損耗一般通過多個標準試驗來確定。

關于渦流和磁滯損耗的計算

渦流損耗隨磁密、頻度及疊片厚度等的平方變化。正常運行條件下，渦流損耗可以足夠準確地近似表示為

Pe=Ke(Bmax fδ)2……………（4）

式中，為疊片厚度；Bmax為磁密最大值；f為頻率；Ke為比例系數。系數Ke取決于所采用單位、鐵心體積和鐵芯電阻率。

磁滯損耗的變化規律只能用基于經驗的公式來表示。最常用的關系式見式（5）

式(5)中：Ks是比例系數，取決于鐵心的特性和體積以及所采用的單位；指數n在1.5~2.5之間，電機中估算時經常所取的值為2.0。在式（4）和式（5）中，頻率可以用速度來替代，磁通密度可以換成電壓，但比例系數要做相應改變。

當電機負載時，負載電流產生的磁勢會嚴重影響磁通密度的空間分布，實際的鐵心損耗可能會顯著增大。例如，諧波磁勢會在氣隙附近的鐵心中產生可觀的損耗。所增大的總的鐵耗通常被歸為負載雜散損耗的一部分。

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