【技术】电机效率的劲敌——铜损、铁损
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电机效率的劲敌“发热”




效率的劲敌“发热”是哪里产生的?

● 效率恶化的元凶是“发热”

在评价电机性能的指标中,还有本文未提及的“效率”。效率值高的,就可认定为高性能。所谓效率,就是输出功率与输入功率的比值。例如,消耗了100W 的电功率,而(单位时间内)做了90W 的功时, 效率就是90%。那么, 剩下的10%——10W 功率哪里去了?实际上,它的大部分都变成“热能”散发掉了。其原因是能量没有用于本来的工作,而是变成某些热量损失了。反过来说,为了提高效率,就要关心如何减少无用的发热。

● 发热是哪里产生的?是电机内部,还是电子电路部分?

提到电子技术里令人满意的方面,不由得联想到电机控制电路( 控制器) 中常用的MOSFET 或IGBT 等功率器件。这些器件在很多应用场合都实施了空冷或水冷等散热措施。这是因为半导体器件到了一定温度以上就不能发挥作用,或者受到损坏。在无刷电机的场合,控制器也有功率损失,但是远小于10%。前述10W 的损失几乎都消耗在电机内部,也就是变成了热。

● 电机内部哪里发热呢?

那么,电机内部哪里发热呢?大家可能会想到“大电流流过的线圈”在发热。这种电路(铜线)上的发热损失叫做“铜损”。此外还有“铁损”。它是在电机使用磁力的系统中,因磁力的变化在电机的铁(或铝)的部分产生涡流而导致的热损失(焦耳热)。严格地说,还有其他方面的损失,如“机械损失”(如在轴承上的损失)、“风损”(空气阻力)等,但在整体中是极少的,这里忽略不计。


为什么产生铁损?

● 是电机中的铁的部分吗?

所谓铁损,就是电机中的铁的部分发热而引起的损失。电机磁路的铁的部分由以下三部分构成。

(1)铁心(Core)

电磁铁(线圈)的铁心部分,一般是由叠层电磁钢片构成的。

(2)磁铁(Magnet)

有永久磁铁、铁氧体磁铁、铝镍钴合金磁铁、钕磁铁等。

(3)磁轭(Yoke)

用铁板连接并覆盖磁铁,磁通有沿着铁板集中的特性。磁通集中,磁力就增强。因为电机中使用了数个磁铁,所以,用铁板把它们覆盖连接成罩状,使磁通集中。这个铁罩就叫磁轭。这三部分都有产生铁损的可能。那么,铁损是怎样产生的呢?

● 铁损也有2 种

实际上,铁损大致分为2 种:

·磁滞损耗

·涡流损耗

磁滞损耗是磁性材料内部因磁场的方向反转时所消耗的能量。在磁性材料内部,有一种叫做磁畴的小单位。这些磁畴的磁场方向(磁畴的取向)一致。通过外部磁场改变这些磁畴的方向时,就需要能量。铁磁体也有很多种类,大体上说,高级材料所需的这种能量就很小。其次是涡流损耗。在磁路(也是电的导体)中,如果改变磁通量的强弱或方向,就必定会形成阻碍。这种变化的磁通,因而产生涡流(圆电流)。涡流引起的发热(焦耳热)就是涡流损耗。

● 如何降低铁损

为了降低磁滞损耗,必须选择或改善磁性材料。不过,低损耗材料的价格较高。为了减小涡流损耗,应当提高材料的电阻(调整硅钢片中的硅含量等),或者把电机的铁心做成薄片层叠结构(层间做电气绝缘处理),以减小涡流。

此外:

磁滞损耗与频率的一次方成正比,与磁通密度的平方成正比涡流损耗分别与频率的平方、磁通密度的平方成正比因此,在设计电机时,必须对极数(与频率有关)和磁路(有效磁通与磁通密度等)进行缜密的设计。

● 消除铁损

如果取消铁心、永久磁铁和磁轭这些产生铁损的部件,就不会产生铁损了。正如本文所述,不使用永久磁铁的电机也有数个种类。有一种没有铁心的“空心杯电机”。这种没有铁心的电机,具有小型、轻量、启动性能好的优点;也没有齿槽效应,可以更加顺畅地旋转。在无线遥控模型上经常可以看到这种电机。经常用稀土元素制成磁力强大的永久磁铁,构成昂贵的稀土电机。磁轭在决定磁通路径方面极其重要。有些电机不称之为磁轭,而叫做磁极罩(使磁路闭合的铁制外壳)。


为什么产生铜损?

● 铜损是线圈上产生的焦耳热

顾名思义,铜损是指电机的铜材部分,也就是线圈部分的损失。线圈有电阻,流入电机的电流(相电流)在电阻上产生损耗。铜损可以表示为i 2×r式中,i 表示电流(A);r 表示电阻(Ω)。由此式可以计算出焦耳热。

● 如何降低铜损

为了减少铜损,可采取以下措施:

·减小i ,也就是减少相电流

·减小r ,也就是减少线圈电阻

因此,应当尽量使用较粗的导线,并尽可能使填充系数达到最大值。即便如此也难以抑制发热时,线圈的冷却就是必需的。用风扇进行强制冷却,效果好且结构简单,但电机的结构必须是开放式的。从防尘、防水的角度看,强制风冷不适合EV用电机。一般来说,作为EV 用电机,主流方案是在与铁心接触的外壳上通水的水冷方式。这种水冷方式的本意是冷却发热体的线圈,却成为通过外壳对铁心的间接冷却。电机的工作范围从无负荷状态直到堵转状态(受阻停转),在无负荷区域的损失以铁损为主;反之,在堵转状态的损失100% 是铜损。正常工作的电机中,铁损和铜损都导致发热。


降低铁损和铜损的对策

使用无刷电机时,设法降低铁损和铜损非常关键。这也是设计电机时深入研究的重点。





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