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          電機的損耗跟什麼有關系?

          時間:2021-09-24 來源:豫通電機

          從廣義上講,電機損耗可分為機械損耗或電氣損耗,機械損耗主要來自軸承摩擦和與旋轉轉子相對的任何風阻,純粹的摩擦損耗是轉速的線性函數,并且是典型PM或感應交流牽引電機總損耗的一小部分。

          風阻即是電機中任何旋轉部件的空氣位移,往往是總損失的較大損耗之一,最小化有效正面面積可以在減少風阻損失方面帶來巨大的收益。具有平滑轉子的電機,例如電動汽車中偏愛的永磁和感應交流電機,其風阻損耗将比轉子中帶有繞組的同等尺寸電機少。


          電損耗也可以分為兩大類,傳統上被稱為“銅”和“鐵”,電機的導體由鋁制成,磁性結構/框架由鋼制成。銅損包括産生磁場所消耗的任何功率。這包括交流感應電機中的轉子,永磁交流電機中實現弱磁場所需的任何額外電樞電流,更明顯的電阻損耗,以及不太明顯的交流損耗(來自趨膚效應和鄰近效應)。

          電阻損耗,也稱為 I2R 損耗,往往電動汽車的電機中占主導地位,它們經常在高電流和低 RPM 下運行。在這種情況下,RPM 和扭矩的乘積即電機總功率非常低, I2R 不關心 RPM(電壓)分量,因此當從完全停止啟動負載時,電動汽車的電機的效率将是非常糟糕。


          從直流到光的頻率會産生純電阻損耗,而趨膚效應和鄰近效應可以被認為是随頻率增加的電阻損耗。趨膚效應是電流随着頻率升高而越來越受限于導體外周的趨勢,它流過導線的交流電在導線(渦流)中感應出的微小電流回路引起的。這種渦流回路與源電流的大小成正比,也與磁場的變化率(即源電流的頻率)成正比。這些渦流阻礙了導體中心的電流流動,并在外圍增加了電流,這就是電流越來越受外圍限制的原因。


          趨膚效應通常的解決方案是将一根大導線分成許多彼此絕緣但平行的小導線,但這會導緻鄰近效應的更多損耗,這與趨膚效應基本相同,隻是它是由來自附近其他導體的交流電流引起渦流,基本上,繞組的層數越多,鄰近效應損耗就越高。

          渦流的産生是因為任何時變磁場都會在任何附近的導體(包括源導體)中感應出電流。随時間變化的磁場會在附近的導體(包括其自身)中感應出電壓,并且該電壓會導緻電流在圍繞源導體的環路中流動。對于給定的間隔距離、回路面積和磁通量變化率,感應電壓是固定的,因此産生的電流将與回路電阻成反比,與回路面積和源電流頻率成正比。

          因此,在銀和銅等更好的導體中的渦流比在電工鋼或鐵氧體(幾乎是絕緣體)等較差的導體中的渦流更高。電工鋼是一種鐵矽合金,專門設計用于最大限度地提高體電阻率,而不會過度損害其磁性能,例如磁滞損耗和飽和磁通密度。


          電工鋼的絕對電阻率相當低,鐵素體的體電阻率非常高,但它的飽和極限也低得多(通常為 0.35 T,而 1.3-1.5 T),因此不太可行用于電機的電樞。幸運的是,通過簡單地将一個整體結構分解成一堆彼此絕緣的疊片(通常帶有薄漆或氧化物塗層),完全可以減少回路面積。使用的疊片越薄,渦流損耗越低,随着疊片變薄,它們的絕緣塗層在總厚度中所占的比例越來越大,因此對疊片的使用厚度有實際限制。


          鐵損的最後一個磁滞,它基本上是磁化方向或磁通密度變化的阻力,所有電機中的電樞都是由交流電流激發的,無論是由外部逆變器還是電刷和換向器提供,其磁路在相反極性之間反複經曆磁通密度的大幅波動。

          耐受此類操作的磁性材料需要“軟”,即易于磁化(低矯頑力),同時不保留磁矩(低剩磁)。相反,難以磁化(和退磁)的材料被歸類為“硬”材料,它們往往可以制成良好的永磁體。磁滞損耗基本上是衡量磁性材料有多軟的指标,它依賴于磁通密度。

          結論

          最後還有各種“雜散”損失,最顯著是漏磁,它基本上是沒有将轉子和定子連接在一起的任何磁通,它沒有做任何有用的工作,這種未連接的磁通也會從激勵電樞的有效交流電壓中減去,它轉化為電感。此處考慮的最後一個損耗機制是共模電容耦合電流,這些電流的實際功率損耗往往很小,但它們會腐蝕軸承并損壞相繞組上的絕緣,還會導緻車輛無法通過 EMI/RFI 輻射測試。



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