1.4.Потери мощности в электрических машинах

Процесс преобразования энергии в ЭМ сопровождается потерями энергии (мощности). Эти потери можно разделить на:

механические потери, обусловленные трением в подшипниках, трением вращающихся частей о воздух;

электрические потери, обусловленные протеканием токов по обмоткам;

магнитные потери, обусловленные изменениями магнитного потока в магнитопроводах ЭМ.

Кроме того, потери можно разделить на основные, непосредственно связанные с процессом преобразования энергии, и дополнительные, непосредственно с этим процессом не связанные.

При расчете электрических потерь необходимо учитывать поверхностный эффект, вызванный потоками рассеяния. Последствием этого является неравномерное распределение тока по сечению проводников. Особенно сильно это проявляется в проводниках, расположенных в пазах, т.е. окруженных ферромагнитной средой. Для обмоток, по которым протекает постоянный ток, или переменный ток малой частоты, электрические потери рассчитываются по омическому сопротивлению . В остальных случаях необходимо рассчитать активное сопротивление:

где - коэффициент вытеснения тока.

Причиной вытеснения тока для обмоток, расположенных в пазах ЭМ, является неравенство индуктивных сопротивлений элементарных проводников, расположенных на разном расстоянии от дна паза. Элементарные проводники, расположенные ближе к нему, сцеплены с большим магнитным потоком рассеивания, поэтому обладают большим сопротивлением. Вследствие этого ток вытесняется к поверхности ротора (якоря).

Поверхностный эффект зависит от приведенной высоты проводника:

где - условная глубина проникновения электромагнитного поля в проводник:

где - удельное сопротивление проводника при рабочей температуре; - ширина паза; - частота; - магнитная проницаемость вакуума; - ширина проводника.

Коэффициент вытеснения тока может быть рассчитан по формуле:

Для уменьшения потерь, вызванных вытеснением тока, проводники разбивают на элементарные в направлении изменения магнитного поля рассеивания. При этом появляются добавочные потери от вихревых токов в пределах одного проводника и от токов, протекающих между отдельными элементарными проводниками, соединенными параллельно. Для уменьшения последних может быть применена транспозиция.

Магнитные потери связаны с изменением во времени магнитного потока, проходящего через различные участки магнитопровода. В различных элементах ЭМ магнитное поле изменяется по-разному. Например, в зубцах статора направление потока не изменяется, а изменяется его величина (так называемое пульсационное перемагничивание).

В сердечнике ротора поле не изменяется по величине, а изменяет свое направление (вращательное перемагничивание). В общем случае магнитные потери складываются из потерь на гистерезис и вихревые токи, зависящие от частоты перемагничивания и магнитной индукции :

Магнитные потери при пульсационном перемагничивании:

где - удельные потери при индукции 1 Тл и частоте 50 Гц; - показатель степени, зависящий от марки материала ( ); - масса магнитопровода.

При вращательном перемагничивании магнитные потери также зависят от частоты перемагничивания и магнитной индукции . Так как вращающееся поле можно представить суммой двух пульсирующих по взаимно перпендикулярным осям, амплитуда которых равна амплитуде вращающегося поля, магнитные потери можно представить как сумму потерь от каждого из этих полей, поэтому при одной и той же величине поля потери на гистерезис при вращательном перемагничивании будут вдвое больше, чем при пульсационном. При магнитной индукции больше 0,7 Тл вследствие насыщения магнитопровода такой принцип наложения неприемлем. Соотношение между потерями изменится, потери при вращательном перемагничивании останутся большими, но уже не в два раза. При индукциях около 1,7 Тл потери на гистерезис при вращательном перемагничивании будут максимальны. При дальнейшем увеличении магнитной индукции потери на гистерезис начинают уменьшаться и при индукции около 2 Тл они становятся равными нулю, т.к. области спонтанного намагничивания (домены) не будут успевать переориентироваться по магнитному полю.

Потери на вихревые токи зависят только от квадрата магнитной индукции, поэтому при вращательном перемагничивании они всегда вдвое больше, чем при пульсационном при той же амплитуде магнитной индукции.

Добавочные потери можно разделить на три группы:

потери в активной стали и короткозамкнутой обмотке от паразитных магнитных потоков, проходящих через воздушный зазор;

потери в обмотках от потоков рассеивания;

потери в конструктивных элементах.