直流电机损耗 – 铁损、铜损和机械损耗
直流电机(发电机或电动机)的损耗可以分为三类:
- 铁损或铁芯损耗
- 铜损
- 机械损耗
直流电机中的损耗以热的形式出现,从而提高了电机温度。此外,损耗降低了电机的效率。
铁损或铁芯损耗
由于电枢铁芯受到磁场反转(即变化的磁场)的影响,铁损发生在直流电机的电枢铁芯中。铁芯损耗分为两种类型:
- 磁滞损耗
- 涡流损耗
磁滞损耗
当直流电机的电枢在连续磁极下旋转时,会受到磁场反转的影响。由于电枢铁芯材料中的分子摩擦,会产生能量损失,即铁芯材料的磁畴首先抵抗一个方向的转动,然后抵抗另一个方向的转动。因此,在克服这种阻力时,在电枢铁芯材料中消耗了一些能量,并以热量的形式出现。这种损耗称为磁滞损耗。磁滞损耗的经验公式为:
$$\mathrm{磁滞损耗,\:P_{h}\:=\:\eta B_{max}^{1.6}fV\:\:瓦特}$$
其中,
- η = 斯坦梅茨磁滞系数,
- Bmax = 铁芯中的最大磁通密度,
- f = 磁场反转频率,
- V = 铁芯体积。
为了减少磁滞损耗,电枢铁芯采用具有较窄 B-H 曲线的材料制成,例如硅钢。
涡流损耗
当直流电机的电枢在磁极产生的磁场中旋转时,会在铁芯中感应出电动势,并且由于该感应电动势,会在电枢铁芯中产生涡流。由于这些涡流引起的功率损耗称为涡流损耗。涡流损耗由下式给出:
$$\mathrm{涡流损耗,\:P_{e}\:=\:K_{e} B_{max}^{2}f^2t^2V\:\:瓦特}$$
为了减少涡流损耗,电枢铁芯由薄层叠片构成,这些叠片通过一层清漆相互绝缘。
铜损
直流电机中的铜损是由于电流流经电机各个绕组而产生的。在典型的直流电机中,会发生以下铜损:
$$\mathrm{电枢铜损\:=\:I_{a}^{2}R_{a}}$$
$$\mathrm{串励绕组铜损\:=\:I_{se}^{2}R_{se}}$$
$$\mathrm{并励绕组铜损\:=\:I_{sh}^{2}R_{sh}}$$
重要 – 由于电刷和换向器接触表面之间的电阻,还会产生电刷接触压降。通常,这种损耗包含在电枢铜损中。
机械损耗
机械损耗是由于直流电机运动部件的摩擦和风阻引起的。这些损耗也称为旋转损耗。机械损耗取决于电机的速度。在直流电机中,会发生两种类型的机械损耗,如下所示:
- 摩擦损耗 – 例如轴承摩擦、电刷摩擦等。
- 风阻损耗 – 这种损耗是旋转电枢的空气摩擦。
重要 – 铁损和机械损耗统称为杂散损耗,即:
$$\mathrm{杂散损耗 \:= \:铁损 \:+\: 机械损耗}$$