電動(dòng)機(jī)的損耗分析

三相交流電動(dòng)機(jī)的損耗可分為銅耗、鋁耗、鐵耗和雜散耗、風(fēng)摩耗，前4種為發(fā)熱損耗，其總和稱為發(fā)熱總損耗。闡述當(dāng)功率從小到大變化時(shí)，銅耗、鋁耗、鐵耗、雜散耗對(duì)發(fā)熱總損耗的比例變化。通過(guò)實(shí)例，銅耗和鋁耗占發(fā)熱總損耗的比例雖有波動(dòng)，總體上由大變小，呈下降趨勢(shì)。而鐵耗雜散耗相反，雖有波動(dòng)，總體上由小變大，呈上升趨勢(shì)。功率足夠大時(shí)，鐵耗雜散耗超過(guò)了銅耗。有時(shí)雜散耗還超過(guò)了銅耗、鐵耗，成為發(fā)熱損耗的第一因素。再分析Y2電動(dòng)機(jī)，以及觀察各種損耗對(duì)總損耗的比例變化，揭示的規(guī)律類似。認(rèn)識(shí)上述規(guī)律，得出不同功率電機(jī)降低溫升和發(fā)熱損耗的側(cè)重點(diǎn)不同。對(duì)小電機(jī)，首先應(yīng)降低銅耗；對(duì)中大功率電動(dòng)機(jī)，應(yīng)側(cè)重降低鐵耗雜散耗。認(rèn)為“雜散耗比銅耗、鐵耗要小得多”的觀點(diǎn)是片面的。特別強(qiáng)調(diào)，電動(dòng)機(jī)功率越大越要注意降低雜散損耗。中大容量電動(dòng)機(jī)采用正弦繞組來(lái)降低諧波磁勢(shì)及雜散耗，效果往往很好。而降低雜散損耗的各種措施，一般不需要增加有效材料。

引 言

三相交流電動(dòng)機(jī)的損耗可分為銅耗PCu、鋁耗PAl、鐵耗PFe、雜散耗Ps、風(fēng)摩耗Pfw，前4種為發(fā)熱損耗，其總和稱為發(fā)熱總損耗PQ，其中雜散損耗是除了銅耗PCu、鋁耗PAl、鐵耗PFe、風(fēng)摩耗Pfw4種以外的一切損耗，包括諧波磁勢(shì)、漏磁場(chǎng)、斜槽橫向電流等原因。

由于雜散損耗計(jì)算困難，測(cè)試也比較復(fù)雜，很多國(guó)家規(guī)定，雜散損耗按電動(dòng)機(jī)輸入功率的0.5%計(jì)算，將矛盾簡(jiǎn)化。但是這個(gè)數(shù)值非常粗糙，而且不同設(shè)計(jì)不同工藝，往往差異很大，由此也掩蓋了矛盾，不能真實(shí)地反映電動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作狀況。近來(lái)實(shí)測(cè)雜散耗呼聲愈高。在全球經(jīng)濟(jì)一體化時(shí)代，如何與國(guó)際接軌，又要有一定的前瞻性，則為大勢(shì)所趨。

本文研究三相交流電動(dòng)機(jī)，當(dāng)功率從小到大變化時(shí)，銅耗PCu、鋁耗PAl、鐵耗PFe、雜散耗Ps對(duì)發(fā)熱總損耗PQ的比例變化規(guī)律，由此得出對(duì)策，以便將電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)制造得更合理更好。

1.電動(dòng)機(jī)的損耗分析

1.1首先觀察一個(gè)實(shí)例。某廠出口電動(dòng)機(jī)的E系列產(chǎn)品，技術(shù)條件規(guī)定實(shí)測(cè)雜散損耗。為方便比較，先看2極電動(dòng)機(jī)，功率范圍從0.75kW到315kW。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，求出銅耗PCu、鋁耗PAl、鐵耗PFe、雜散耗Ps對(duì)發(fā)熱總損耗PQ的比例，見(jiàn)圖1。圖中縱坐標(biāo)為各種發(fā)熱損耗對(duì)發(fā)熱總損耗的比例（%），橫坐標(biāo)為電動(dòng)機(jī)功率（kW數(shù)），帶菱形的折線為銅耗的比例，帶正方形的折線為鋁耗的比例，帶三角的折線為鐵耗比例，帶叉的折線為雜散損耗的比例。

圖1 E系列2極電動(dòng)機(jī)銅耗鋁耗鐵耗雜散耗對(duì)發(fā)熱總損耗的比例折線圖

（1）當(dāng)電機(jī)的功率從小到大變化時(shí)，銅耗的比例，雖有波動(dòng)，總體上由大變小，呈下降趨勢(shì)，0.75kW，1.1kW約占50%，而250kW，315kW已不到20%鋁耗的比例變化，總體上也由大變小，呈下降趨勢(shì)，但變化幅度不大。

（2）電機(jī)功率從小到大，鐵耗的比例變化，雖有波動(dòng)，總體上由小變大，呈上升趨勢(shì)。0.75kW~2.2kW約為15%，而大于90kW時(shí)已超過(guò)30%，大于銅耗。

（3）雜散耗的比例變化，雖有波動(dòng)，總體上也由小變大，呈上升趨勢(shì)。0.75kW～1.5kW約10%，而110kW時(shí)已接近銅耗，大于132kW的各規(guī)格，雜散耗大多超過(guò)了銅耗。而250kW，315kW的雜散耗超過(guò)了銅耗鐵耗，成了發(fā)熱損耗中第一因素。

4極電機(jī)（折線圖略）。110kW以上鐵耗大于銅耗，250kW及315kW的雜散耗超過(guò)銅耗、鐵耗，成了發(fā)熱損耗中第一因素。該系列2～6極電動(dòng)機(jī)的銅耗和鋁耗之和，小電機(jī)約占發(fā)熱總損耗的65%～84%，而大電機(jī)下降到35%～50%，而鐵耗相反，小電機(jī)約占發(fā)熱總損耗的10%～25%，而大電機(jī)增加到約26%～38%。雜散耗，小電機(jī)約占6%～15%，而大電機(jī)增加到21%～35%。功率足夠大時(shí)，鐵耗雜散耗超過(guò)了銅耗。有時(shí)雜散耗還超過(guò)了銅耗鐵耗，成為發(fā)熱損耗中第一因素。

1.2 R系列2極電動(dòng)機(jī)，雜散損耗實(shí)測(cè)

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，求出銅耗鐵耗雜散耗等對(duì)發(fā)熱總損耗PQ的比例。圖2顯示電機(jī)功率與雜散耗銅耗的比例變化。圖中縱坐標(biāo)為雜散耗銅耗對(duì)發(fā)熱總損耗的比例（%），橫坐標(biāo)為電動(dòng)機(jī)功率（kW數(shù)），帶菱形的折線為銅耗的比例，帶正方形的折線為雜散損耗的比例。圖2清楚地顯示，總體上電機(jī)功率愈大，雜散耗對(duì)發(fā)熱總損耗的比例也愈大，呈上升趨勢(shì)。圖2還顯示大于150kW的各規(guī)格，雜散耗超過(guò)了銅耗。有幾個(gè)規(guī)格電機(jī)，雜散耗甚至是銅耗的1.5～1.7倍。

本系列2極電動(dòng)機(jī)，功率從22kW到450kW，實(shí)測(cè)雜散損耗對(duì)PQ的比例由不足20%上升到接近40%，變化幅度很大。如用實(shí)測(cè)雜散損耗對(duì)額定輸出功率的比例表示，則約為（1.1～1.3）%，如用實(shí)測(cè)雜散損耗對(duì)輸入功率的比例表示，則約為（1.0～1.2）%，后兩種表達(dá)方式其比例變化不大，也難以看出雜散損耗對(duì)PQ的比例變化。因此觀察各發(fā)熱損耗，特別是雜散損耗對(duì)PQ的比例，可以更好地認(rèn)識(shí)各發(fā)熱損耗的變化規(guī)律。

以上兩例實(shí)測(cè)雜散損耗均采用美國(guó)的IEEE 112B方法

圖2 R系列2極電動(dòng)機(jī)銅耗雜散耗對(duì)發(fā)熱總損耗的比例折線圖

1.3 Y2系列電動(dòng)機(jī)

技術(shù)條件規(guī)定雜散損耗取輸入功率的0.5%，而GB/T1032-2005規(guī)定了雜散損耗推薦值，今取其中方法1，公式為Ps=（0.025－0.005×lg（PN））×P1式中PN—為額定功率；P1—為輸入功率。

我們假設(shè)雜散損耗實(shí)測(cè)值等于該推薦值，重新進(jìn)行電磁計(jì)算，并由此求出銅耗鋁耗鐵耗雜散耗四個(gè)發(fā)熱損耗對(duì)發(fā)熱總損耗PQ的比例。其比例變化，同樣符合上述規(guī)律。

即：當(dāng)功率從小到大變化時(shí)，銅耗、鋁耗的比例總體上由大變小，呈下降趨勢(shì)。而鐵耗雜散耗的比例總體上由小變大，呈上升趨勢(shì)。無(wú)論2極、4極、6極，大于某個(gè)功率，鐵耗將超過(guò)銅耗；雜散耗的比例也由小變大，漸漸接近銅耗，甚至超過(guò)銅耗。2極110kW以上雜散耗成了發(fā)熱損耗中第一因素。

圖3為Y2系列4極電動(dòng)機(jī)4種發(fā)熱損耗對(duì)PQ的比例折線圖（假設(shè)雜散損耗實(shí)測(cè)值等于上述推薦值，其它損耗按計(jì)算值）?？v坐標(biāo)為各種發(fā)熱損耗對(duì)PQ的比例（%），橫坐標(biāo)為電動(dòng)機(jī)功率（kW數(shù)）。顯然，90kW以上鐵耗雜散耗已大于銅耗。

圖3 Y2系列4極電動(dòng)機(jī)銅耗鋁耗鐵耗雜散耗對(duì)發(fā)熱總損耗的比例折線圖

1.4 文獻(xiàn)研究了各種損耗對(duì)總損耗（包括風(fēng)摩耗在內(nèi)）的比例

發(fā)現(xiàn)銅耗鋁耗在小電機(jī)中占總損耗的60%～70%，而容量增大時(shí)下降到30%～40%，而鐵耗相反，小電機(jī)比例小，而容量增大時(shí)要占30%以上。雜散損耗，小電機(jī)約占總損耗的5%～10%，而大電機(jī)約占15%以上。揭示的規(guī)律類似：即功率從小到大變化時(shí)，銅耗、鋁耗的比例總體上由大變小，呈下降趨勢(shì)，而鐵耗及雜散耗的比例總體上由小變大，呈上升趨勢(shì)。

1.5 根據(jù)GB/T1032-2005方法1規(guī)定的雜散損耗推薦值計(jì)算式

分子是實(shí)測(cè)雜散損耗值。電機(jī)功率從小到大，雜散損耗對(duì)輸入功率的比例變化，遞減下降，變化幅度不小，約2.5%～1.1%。如改分母為總損耗∑P，即Ps/∑P=Ps/P1/(1－η），若電機(jī)效率取0.667～0.967，則（1－η）的倒數(shù)為3～30，亦即實(shí)測(cè)雜散損耗對(duì)總損耗的比例相比對(duì)輸入功率的比例，放大3～30倍，功率越大，折線越快速上升。顯然，若取雜散損耗對(duì)發(fā)熱總損耗的比例，則“放大倍數(shù)“更大。上例R系列2極450kW電機(jī)，雜散損耗對(duì)輸入功率的比例Ps/P1稍小于上面推薦的計(jì)算值，而雜散損耗對(duì)總損耗∑P及對(duì)發(fā)熱總損耗PQ的比例分別為32.8%，39.5%，相比對(duì)輸入功率P1的比例，分別“放大”約28倍，34倍。

本文觀察與分析的方法主要是取4種發(fā)熱損耗對(duì)發(fā)熱總損耗PQ的比例，比例數(shù)值大，能清楚地看到各種損耗的比例及變化規(guī)律，即功率從小到大，銅耗鋁耗的比例總體上由大變小，呈下降趨勢(shì)，而鐵耗、雜散耗的比例總體上由小變大，呈上升趨勢(shì)。特別是觀察到，電機(jī)功率越大，雜散損耗占PQ的比例反而越高，漸漸接近銅耗，超過(guò)銅耗，甚至成為發(fā)熱損耗中第一因素，因而能夠正確認(rèn)識(shí)其規(guī)律并重視降低大電機(jī)的雜散損耗。實(shí)測(cè)雜散耗對(duì)發(fā)熱總損耗的比例，相比于雜散耗對(duì)輸入功率的比例，只是換個(gè)方式來(lái)表達(dá)，并不改變其物理本質(zhì)。

2.措施

認(rèn)識(shí)上述這一規(guī)律，有助于電動(dòng)機(jī)的合理設(shè)計(jì)合理制造。電動(dòng)機(jī)功率大小不同，降低溫升降低發(fā)熱損耗采用何種措施，側(cè)重點(diǎn)不同。

2.1 對(duì)小功率電動(dòng)機(jī)，銅耗占發(fā)熱總損耗比例高

40%以上，甚至65%，因此降低溫升首先應(yīng)降低銅耗，如增大導(dǎo)線截面，減少每槽導(dǎo)體數(shù)，增大定子槽形，加長(zhǎng)鐵心等。工廠中往往以控制熱負(fù)荷AJ來(lái)控制溫升，這對(duì)小電機(jī)來(lái)說(shuō)，完全是正確的。控制AJ本質(zhì)上就是控制銅耗，根據(jù)AJ以及定子內(nèi)徑、線圈半匝長(zhǎng)、銅線電阻率等不難求出整臺(tái)電動(dòng)機(jī)的定子銅耗。

2.2 當(dāng)功率從小到大變化時(shí)，鐵耗漸漸接近銅耗

大于100kW時(shí)鐵耗一般超過(guò)了銅耗。因此大電機(jī)應(yīng)重視降低鐵耗。具體措施，可采用低損耗硅鋼片，定子磁密不要過(guò)高，還要注意各部分磁密要分布合理。

有些工廠對(duì)某些大功率電動(dòng)機(jī)，重新設(shè)計(jì)，適當(dāng)減小定子槽形。磁密分布較合理，適當(dāng)調(diào)整了銅耗與鐵耗的比例。雖然定子電流密度增加，熱負(fù)荷增加，銅耗增加，但定子磁密降低，鐵耗減少大于銅耗增加。性能與原設(shè)計(jì)相當(dāng)，不但溫升下降，還節(jié)約定子用銅量。

2.3 對(duì)降低雜散損耗

本文強(qiáng)調(diào)的是電機(jī)功率越大越要注重降低雜散損耗。認(rèn)為“雜散損耗比銅耗要小得多”的觀點(diǎn)，僅適用于小電機(jī)。顯然，按上文的觀察與分析，功率越大越不適合。認(rèn)為“雜散損耗比鐵耗要小得多”的觀點(diǎn)，同樣也是不適合的。

雜散損耗實(shí)測(cè)值對(duì)輸入功率的比例，小電機(jī)高，而功率越大比例越低，但不能由此得出結(jié)論，小電機(jī)要重視降低雜散損耗，而大電動(dòng)機(jī)則不大需要降低雜散損耗。正相反，根據(jù)上面實(shí)例及分析，電動(dòng)機(jī)功率越大，雜散耗占發(fā)熱總損耗的比例反而越高，雜散耗同鐵耗都接近甚至超過(guò)了銅耗，所以電動(dòng)機(jī)功率越大，越要注重降低雜散損耗。

2.4降低雜散損耗的措施

降低雜散損耗的辦法，例如增大氣隙，因?yàn)殡s散耗近似與氣隙兩次方成反比；降低諧波磁勢(shì)，例如采用正弦（低諧波）繞組；槽配合適當(dāng)；減少齒槽效應(yīng)，轉(zhuǎn)子采用閉口槽，高壓電機(jī)定子開口槽采用磁性槽楔；鑄鋁轉(zhuǎn)子脫殼處理減低橫向電流，等等。值得注意的是，以上措施一般都不需要增加有效材料。雜耗還與電機(jī)發(fā)熱狀態(tài)有關(guān)，如繞組散熱好，電機(jī)內(nèi)部溫度低，雜耗也低。

舉例：某廠修理一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，6極250kW。修理后試驗(yàn)，75%額定負(fù)荷下溫升已達(dá)125K。后將氣隙加工到原尺寸的1.3倍。額定負(fù)荷下試驗(yàn)，溫升竟降到了81K，充分說(shuō)明了氣隙增大，雜散耗已經(jīng)大大降低。諧波磁勢(shì)是雜散損耗重要因素，中大容量電動(dòng)機(jī)采用正弦繞組降低諧波磁勢(shì)，效果往往很好。設(shè)計(jì)較好的正弦繞組，用于中大功率電動(dòng)機(jī)，當(dāng)諧波幅值和比原設(shè)計(jì)降低45%～55%時(shí)，雜散損耗可降低32%～55%，不則溫升降低，效率增高，噪聲下降，還能節(jié)銅節(jié)鐵。

3.結(jié)語(yǔ)

3.1 三相交流電動(dòng)機(jī)

功率從小到大變化時(shí)，銅耗鋁耗對(duì)發(fā)熱總損耗的比例總體上從大到小，而鐵耗雜散耗的比例總體上從小到大。對(duì)于小電機(jī)，銅耗占發(fā)熱總損耗比例最高，隨著電機(jī)容量增大，雜散耗及鐵耗都接近及超過(guò)銅耗。

3.2 為降低發(fā)熱損耗

電機(jī)功率不同，采取的措施側(cè)重點(diǎn)也不同。對(duì)小電機(jī)，首先應(yīng)降低銅耗。對(duì)中大功率電動(dòng)機(jī)更要注重降低鐵耗雜散耗。認(rèn)為“雜散耗比銅耗鐵耗要小得多”的觀點(diǎn)是片面的。

3.3 雜散損耗占大電機(jī)發(fā)熱總損耗的比例反而高

本文強(qiáng)調(diào)，電機(jī)功率越大越要重視降低雜散損耗。

審核編輯 ：李倩