直流電機損耗 – 鐵損、銅損和機械損耗
直流電機(發電機或電動機)的損耗可以分為三類:
- 鐵損或鐵芯損耗
- 銅損
- 機械損耗
直流電機中的損耗以熱的形式出現,從而提高了電機溫度。此外,損耗降低了電機的效率。
鐵損或鐵芯損耗
由於電樞鐵芯受到磁場反轉(即變化的磁場)的影響,鐵損發生在直流電機的電樞鐵芯中。鐵芯損耗分為兩種型別:
- 磁滯損耗
- 渦流損耗
磁滯損耗
當直流電機的電樞在連續磁極下旋轉時,會受到磁場反轉的影響。由於電樞鐵芯材料中的分子摩擦,會產生能量損失,即鐵芯材料的磁疇首先抵抗一個方向的轉動,然後抵抗另一個方向的轉動。因此,在克服這種阻力時,在電樞鐵芯材料中消耗了一些能量,並以熱量的形式出現。這種損耗稱為磁滯損耗。磁滯損耗的經驗公式為:
$$\mathrm{磁滯損耗,\:P_{h}\:=\:\eta B_{max}^{1.6}fV\:\:瓦特}$$
其中,
- η = 斯坦梅茨磁滯係數,
- Bmax = 鐵芯中的最大磁通密度,
- f = 磁場反轉頻率,
- V = 鐵芯體積。
為了減少磁滯損耗,電樞鐵芯採用具有較窄 B-H 曲線的材料製成,例如矽鋼。
渦流損耗
當直流電機的電樞在磁極產生的磁場中旋轉時,會在鐵芯中感應出電動勢,並且由於該感應電動勢,會在電樞鐵芯中產生渦流。由於這些渦流引起的功率損耗稱為渦流損耗。渦流損耗由下式給出:
$$\mathrm{渦流損耗,\:P_{e}\:=\:K_{e} B_{max}^{2}f^2t^2V\:\:瓦特}$$
為了減少渦流損耗,電樞鐵芯由薄層疊片構成,這些疊片透過一層清漆相互絕緣。
銅損
直流電機中的銅損是由於電流流經電機各個繞組而產生的。在典型的直流電機中,會發生以下銅損:
$$\mathrm{電樞銅損\:=\:I_{a}^{2}R_{a}}$$
$$\mathrm{串勵繞組銅損\:=\:I_{se}^{2}R_{se}}$$
$$\mathrm{並勵繞組銅損\:=\:I_{sh}^{2}R_{sh}}$$
重要 – 由於電刷和換向器接觸表面之間的電阻,還會產生電刷接觸壓降。通常,這種損耗包含在電樞銅損中。
機械損耗
機械損耗是由於直流電機運動部件的摩擦和風阻引起的。這些損耗也稱為旋轉損耗。機械損耗取決於電機的速度。在直流電機中,會發生兩種型別的機械損耗,如下所示:
- 摩擦損耗 – 例如軸承摩擦、電刷摩擦等。
- 風阻損耗 – 這種損耗是旋轉電樞的空氣摩擦。
重要 – 鐵損和機械損耗統稱為雜散損耗,即:
$$\mathrm{雜散損耗 \:= \:鐵損 \:+\: 機械損耗}$$
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