电机主要结构参数对附加损耗影响的研究.docx

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电机主要结构参数对附加损耗影响的研究

电机主要结构参数对附加损耗影响的研究

二Ο一六年十二月

1电机主要结构参数对附加损耗影响的研究

IEC60034-30标准规定：

效率的测试方法应参照IEC60034-2-1（2007版），对于IE2及以上等级效率指标的三相异步电机，对于附加损耗必须采用低不确定度的测试方法，即美国的IEEE112B法。

由于影响附加损耗的因素很多，三相异步电动机的不同结构，如定转子内外径、气隙大小、槽配合及斜槽等均会对附加损耗产生影响，附加损耗的降低已经变成高效、超高效电机效率提高的一项重要的因素。

本文主要从电机的槽配合和气隙着手，寻求更多的降低附加损耗的合理措施，又避免影响电机的其他性能，如电磁噪声。

2、附加损耗的产生原理

按照三相异步电动机附加损耗产生的原因不同，一般可分为基频附加损耗和高频附加损耗两类。

基频附加损耗主要由基波电流产生，由绕组端部漏磁通在铁心表面、端盖及风扇等结构中所产生的磁滞损耗和涡流损耗，这部分损耗占总附加损耗比例较小；总附加损耗以高频附加损耗为主，下面主要分析高频附加损耗产生的原理。

高频附加损耗主要是气隙谐波磁通在定、转子铁心及转子导条中所造成的附加损耗。

这部分损耗可分为下列三种：

（1）表面损耗

当谐波磁场对铁心表面发生相对运动时，就在铁心钢片的表面层附近产生涡流损耗和磁滞损耗。

因此称为表面损耗。

其中主要是涡流损耗。

（2）齿部脉振损耗

在异步电动机中，当气隙谐波磁场与相对部分的齿部发生相对位移时，齿部磁密的大小要发生周期性的脉动。

如图1所示。

图3-22（a）表示当转子齿中心线与定子谐波磁场的最大值重合时的情况。

图1（b）表示转子齿中心线与定子谐波磁场的零点重合时的情况。

在前一种情况下，进入齿体中的磁通为最大。

而在后一种情况下，进入齿体中的磁通为零。

当转子齿与定子谐波磁场发生相对运动时，转子齿体中的磁通就在此最大值与零之间脉动，因而产生涡流及磁滞损耗。

称为齿部脉振损耗。

同理，转子谐波磁通可在定子齿体中产生齿部脉振损耗。

由推导可知：

由定子槽口所引起的磁导谐波磁通及定子磁势谐波磁通在空间的旋转速度与其次数成反比。

因此，定子谐波磁通与定子铁心间的相对运动速度很小。

在定子铁心中产生的交变磁通的频率很低（等于电源频率）。

它们在定子铁心中产生的谐波铁耗（表面损耗和脉振损耗）也很小。

当电机在正常运行时，定子谐波磁场与转子间的相对转速却较高。

所以在转子中产生较大的谐波损耗。

同理，转子谐波磁通在转子上产生的谐波铁耗数值很小。

而当电机在正常运行时，它们在定子铁心上产生较大的谐波铁耗。

图转子齿与定子谐波磁场重合情况

（3）鼠笼转子中的谐波电流损耗

在鼠笼型电动机中，定子谐波磁场与转子间的相对运动在转子中感应出谐波电流。

因而产生谐波电流

损耗。

其中可分为下列几种情况：

a、转子导条与铁心间是绝缘的。

在此情况下谐波电流只在转子导条及端环中产生。

b、转子导条与铁心间不绝缘，转子直槽。

在此情况下如果忽略端环电阻不计时，则在转子导条上任意一段

上（图3-23），由定子谐波磁场所感应的电势等于其中的电流压降。

因此相邻导条的对应点

、

间的电势为零。

相邻导条间没有横向电流通过。

图3-23直槽图3-24斜槽

c、转子导条与铁心间不绝缘，转子斜槽。

在此情况下相邻导条的对应点间存在电势。

因此会产生横向电流损耗。

其情况可说明如下：

如图3-24中所示。

段导条上的电流压降其相位与

整根导条上感应电势相位是一致的。

因此它与

段导条上的感应电势不是同相的。

它们之间相差一个电角度。

因此在

间有一个剩余电势。

同理相邻导条的

段之间也有一个剩余电势。

这二个剩余电势一般说来也是不同相的。

因此在

、

二点之间就产生电势。

从而造成横向电流及

损耗。

本文以下主要分析表面损耗、脉振损耗、横向泄漏引起的损耗与电机槽配合、斜槽、气隙关系，找出降低这些附加损耗合理的电机结构，而又不影响电机的电磁噪声。

3、降低附加损耗的措施

1）槽配合和槽斜度对附加损耗的影响

异步电机的槽配合及槽斜度对电机的附加损耗及电磁噪声影响很大。

高效率电机要提高效率，降低电机附加损耗很重要，根据前面附加损耗产生原理，可以通过采用合适的槽配合，降低附加损耗。

但是电机的噪声振动出于环境保护的考虑，已经成为电机性能强制认定的指标之一，与电机的槽配合及槽斜度同样具有很大关系。

电磁噪声是由于气隙磁场产生的力波在定子铁芯产生的激振引起的，应尽量避免选取产生力波阶次小于或等于4次的槽配合。

同时，一般认为转子一次齿谐波所引起的力波影响较大，所以本系列高效率电机也采用斜槽为一个转子槽距，削弱转子的一阶齿谐波抑制电机的噪声。

诚然，这样斜槽的选择对附加损耗不太有利。

（1）槽配合与附加损耗的关系

表面损耗与槽数关系如下式，可以看出来表面涡流损耗随着定转子槽数的增多成反比。

（m=1～1.5）（3-14）

式中：

Q为定子或转子槽数。

由定转子开槽引起的脉振损耗与脉振磁场大小有关，而脉振磁场与对应的齿节距有关，而齿节距又和槽数有关，脉振磁场会在对应得齿部产生脉振损耗，所以脉振损耗也同样和定转子损耗有关，下图3-23为脉振损耗与槽配合关系。

（3-15）

式中：

Q1为定子槽数，Q2为转子槽数。

定子脉振损耗；B—转子脉振损耗；

Q1—定子槽数；Q2—转子槽数

图3-25脉振损耗与与槽配合关系

谐波磁场在转子和定子齿部所产生的脉振损耗随槽数比例增加的示意图如图3-25所示。

由图可知，在定、转子槽数相等时，脉振损耗才会最小，因此为降低脉振损耗，定、转子槽数应尽量接近。

转子导条谐波电流损耗根据odok推荐的谐波电流损耗公式，简化后得到近似图3-26关系，由图3-26可以看出来，采用少槽近槽配合，谐波电流损耗也较小。

图3-26谐波电流损耗与槽配合关系

综上所述，表面损耗、脉振损耗、谐波电流损耗均与槽数有关，而且后两种损耗又与定、转子槽配合密切相关。

表3-15不同槽配合的附加损耗实测值对比

编号

1#

2#

3#

4#

5#

6#

7#

8#

槽配合

36/28

36/28

48/38

48/38

36/28

36/28

54/44

54/44

槽数比

1.286

1.286

1.263

1.263

1.286

1.286

1.227

1.227

附加损耗（W）

134.1

139.7

129.7

104.9

258.9

254.6

104.7

108.5

IEC推荐值

178.9

178.9

178.9

178.9

180.9

180.9

180.9

180.9

以上数据表明：

同一规格的电动机采用增加槽数和近槽配合以后附加损耗有所下降，且均比IEC推荐值低。

由于影响附加损耗的因素很多，导致样机附加损耗下降幅度不同。

总的来说，通过多槽、近槽配合，可以达到改善气隙磁场波形，有效的减少电动机的表面损耗和脉振损耗的作用。

2）气隙对附加损耗的影响

根据前面的槽配合及斜槽对电机附加损耗的分析，降低电机的附加损耗要尽量采用直槽和多槽近槽配合，降低电磁噪声要求槽配合避免产生一阶、二阶齿谐波且斜槽，而斜槽增大谐波电流损耗，附加损耗和电磁噪声对电机槽配合及斜槽的要求是矛盾的，我们只能在降低电磁的前提下选择多槽近槽配合，为进一步降低电机的由于斜槽引起附加损耗增加的这一问题，我们进一步从气隙这方面降低电机的附加损耗，对电机设计某些方面不利的。

当谐波磁场对铁心表面发生相对运动时，就在铁心硅钢片的表面层附近产生涡流损耗和磁滞损耗。

称为表面损耗。

其中主要是涡流损耗。

这部分损耗与谐波磁场的幅值和频率有关，适当的增大气隙长度，可以有效的削弱谐波磁场的幅值，降低表面损耗。

这部分损耗与气隙的关系为：

（3-16）

式中：

δ：

气隙长度

由式3式可知，适当增大电动机的气隙，减小定、转子谐波磁通的幅值，可以有效的减少杂散损耗。

本次试制了两个规格共2台的模样电动机，同一规格的模样采用不同气隙值，并按112B法测试杂散损耗值，具体试验数据见表3-16所示。

表3-16气隙对比试验数据

试验条件

气隙

效率

功率因数

附加损耗实测值

IEC推

荐值

（mm）

（%）

（W）

（W）

原气隙

0.7

92.74%

0.8724

397

406

增大气隙

0.75

92.81%

0.8687

325.8

406

原气隙

0.5

90.21%

0.8311

328.4

275

增大气隙

0.55

90.66%

0.809

251.5

275

原气隙

0.5

91.01%

0.8283

316.5

317

增大气隙

0.55

91.25%

0.8142

264.3

317

表3-16的数据表明：

放大气隙后，附加损耗有所下降，低于IEC推荐值，效率有所上升。

这主要是放大气隙可以使定转子谐波磁通幅值减小，附加损耗下降。

但放大气隙使电动机的激磁电流增大，因而使功率因数下降，这需要综合考虑效率与功率因数二者的关系。

4、结论

根据以上分析的结果，制定了电磁设计的原则，在有利于降低电机电磁电磁噪声的槽配合下选择多槽近槽配合，适当的放大电机的气隙，可以适当降低附加损耗，选择合适的电磁方案，通过样机的试制，收到了较好的效果。