直流电机中的损耗
在直流电机(发电机或电动机)中,损耗可分为三类,即:
铜损
铁损或磁芯损耗
机械损耗
所有这些损耗都以热量的形式出现,因此会提高机器的温度。它们还会降低机器的效率。
铜损
在直流电机中,由于机器各个绕组的电阻而发生的损耗称为铜损。铜损也称为I2R损耗,因为这些损耗是由于电流流过绕组的电阻而发生的。
直流电机中发生的主要铜损是如,
$$\mathrm{\mathrm{电枢铜损}\:=\:\mathit{I_{a}^{\mathrm{2}}R_{a}}}$$
$$\mathrm{\mathrm{串联场铜损}\:=\:\mathit{I_{se}^{\mathrm{2}}R_{se}}}$$
$$\mathrm{\mathrm{分流场铜损}\:=\:\mathit{I_{sh}^{\mathrm{2}}R_{sh}}}$$
在直流电机中,由于电刷接触电阻,也存在电刷接触损耗。在实际计算中,该损耗一般计入电枢铜损。
铁损
直流电机电枢在磁场中旋转时,电枢铁芯中会产生铁损。由于这些损耗发生在电枢铁芯中,因此也称为铁损。
铁损或铁损有两种类型,即磁滞损耗和涡流损耗。
磁滞损耗
直流电机电枢铁芯在不同极性的连续磁极下通过时,由于磁场反转而产生的铁损称为磁滞损耗。磁滞损耗由以下经验公式给出,
$$\mathrm{\mathrm{磁滞损耗,}\mathit{P_{h}}\:=\:\mathit{k_{h}B_{max}^{\mathrm{1.6}}fV}}$$
其中,$\mathit{k_{h}}$ 为 Steinmetz 磁滞系数,$\mathit{B_{max}}$ 为最大磁通密度,f 为磁反转频率,V 为电枢铁芯体积。
直流电机中的磁滞损耗可通过使用具有较低 Steinmetz 磁滞系数值的材料(如硅钢)来制造电枢铁芯来降低。
涡流损耗
当直流电机的电枢在磁极磁场中旋转时,电枢铁芯中会产生感应电动势,从而产生涡流。这些涡流造成的功率损耗称为涡流损耗。涡流损耗由下式给出:
$$\mathrm{\mathrm{Eddy\:current\:loss,}\mathit{P_{e}}\:=\:\mathit{k_{e}B_{max}^{\mathrm{2}}f^{\mathrm{2}}t^{\mathrm{2}}V}}$$
其中,$\mathit{K_{e}}$ 是比例常数,t 是叠片厚度。
从涡流损耗表达式可以清楚地看出,涡流损耗取决于叠片厚度的平方。因此,为了减少这种损耗,电枢铁芯由薄叠片构成,这些叠片之间通过一层薄清漆绝缘。
机械损耗
直流电机中因摩擦和风阻而产生的功率损耗称为机械损耗。在直流电机中,摩擦损耗以轴承摩擦、电刷摩擦等形式出现,而风阻损耗则因旋转电枢的空气摩擦而产生。
机械损耗取决于电机的速度。但这些损耗对于给定的速度实际上是恒定的。
注意−铁损或铁芯损耗和机械损耗合称为杂散损耗。
恒定损耗和可变损耗
在直流电机中,我们可以将上述损耗分为以下两类 −
恒定损耗
可变损耗
直流电机中在所有负载下保持恒定的损耗称为恒定损耗。这些损耗包括 − 铁损、并联场铜损和机械损耗。
直流电机中随负载变化的损耗称为可变损耗。直流电机中的可变损耗包括 − 电枢铜损和串联场铜损。
直流电机中的总损耗 = 恒定损耗 + 可变损耗