伺服电机的损耗到底有哪些?能量损失在了哪里?

发布时间:2024-06-14  

电机消耗电能,产生机械能。产生的机械能与消耗的电能之比,称为“效率”。想最大限度提升效率,首先要明白能量损失在了哪里。


铜耗

铜耗是“寄生”在电流之上的,当电流通过电机的定子和转子的时候,由于绕组电阻的存在,损耗就产生了。

这部分能量损失就是:

电流的平方×电阻 ×时间(I²Rt)

铜耗是电机所有损耗中最容易辨识(计算)的。它只与电流和绕线的电阻有关,当绕线里面通入电流的时候,铜耗就会产生。电流又与电机转矩有关,电机的“劲”越大,铜耗越大。


铁耗

若干条磁感线从磁铁的N极“出发”到S极“终止”,与垂直穿过截面的面积乘积,称之为磁通量(φ=BS)。单位面积的磁通量就是“磁通密度”。磁通在电机的铁芯里“流动”,会产生热量,“流动”过程产生的热量损耗,就是“磁滞损耗”,这部分损耗其实就是铁芯被电流“磁化”时吸收的能量。它的大小取决于铁芯的材料(磁阻有多少),电流频率(转速)以及磁通密度(磁通)的大小。

电流变化形成变化的磁场,变化的磁场在铁芯内部“引发”感应电动势,电动势找到闭合的回路,产生感应电流。闭合的“路径”像一个“漩涡”,这些“漩涡”里的电流(涡流)引起铁芯内部温升增加。

由“涡流”引起的热量损耗,就是“涡流损耗”。铁芯长时间在电磁场的“辐射”下是会被磁化的,磁化是一个快速的过程,但退磁对于某些材料来说却是一个缓慢的过程。磁场变强时,“磁滞”和“涡流”兴奋,磁场变得很弱时,铁芯的“剩磁”开始起作用,这部分“剩磁”产生的磁滞损耗,就是“剩磁损耗”。剩磁损耗主要"寄生"于容易被磁化的材料(铁氧体),电机所采用的一般是不易被磁化的铁芯材料,这部分损耗比较少。

“磁滞损耗”、“涡流损耗”和“剩磁损耗”,是铁耗的三个组成部分,电流频率够大(转速快),磁通量够强,铁耗就会大。

机械损耗

不管电机运行在什么样的状态,机械损耗至少能够占据电机总损耗的20%。它们主要分为两大类:

第一类,风摩损耗

当电机转子转起来的时候,由于空气阻力的存在,风摩耗就出现了,转的越快就越强。风摩耗的大小取决于转子表面的粗糙程度和转速,同类的个体也有很多,比如:轴承摩擦损耗,转子引出与固定点(轴承)摩擦,电刷损耗(有刷直流电机),转子换向器与电刷之间的摩擦等等,都与转子的结构和转速强相关。

第二类,杂散损耗

当定子绕组通入电流时会产生I²Rt的铜耗,它有可能会附带“基频杂散损耗”。 定、转子绕组间“流荡”的交流电,电流大小方向是变化的。变化的电流产生变化的磁场,当电机的转速上升,电流的频率升到一定程度,绕组导线的中心区域就会产生极大的感应电动势,由于导线中心区域有闭合回路的存在,就会导致感应电流的产生,感应电流阻碍原电流的变化,在导线截面的中心部分就会形成一个“交通堵塞”区,电流“流动”的“轨迹”就会趋向导线截面的外侧部分,就是“趋肤效应”。

带来的结果就是,导线的截面积变向的减小了,导线的阻值变向的增加了,交流电流“贯穿”绕组导线的能量(热量)损失(I²Rt),有了额外的加成,这个“加成”就是基频杂散损耗。

还有一系列由于气隙磁场谐波引起的损耗,当气隙磁场谐波进入了铁芯形成“涡流损耗”时,当气隙磁场谐波被定、转子“切割”感应谐波电流产生“铜耗”时,当气隙磁场谐波由于磁阻变化引起“磁滞损耗”时,这一切的能量“浪费”,都叫作“高频杂散损耗”。

最大损耗是什么,与电机运行状态有关。当电机负载的时候“铜耗”大。当电机转速提上来的时候“铁耗”大。风摩耗和杂散耗比较稳定。当电机满载满速的运行,哪个损耗最大是不一定的。


文章来源于:电子工程世界    原文链接
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