电机的体格越大,效率越高?
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公众号EV技研作者1900 2019-5-21 电动汽车

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电机的容量与体格“电机容量”与“输出功率”相同?
在表示电机规格的术语中,我们会使用到“电机容量”这个词。一般情况下,电机容量被认为是电机的输出功率。但是,输出功率的单位是 W(瓦特),而电机容量的单位是kV·A(千伏安)。严格意义上讲,这两个术语所包含的意义是不同的。在本书中也曾经提到,改变施加给电机的电压和线圈导线规格,会导致电机的输出功率发生很大的变化。例如,“CQ 无刷电机和逆变器套件”中的电机,其输出功率的可调节范围是50W ~ 3kW。这个范围虽然也是电机的一个指标,但我们需要另一个指标来表示电机本身所具备的潜力。这个指标就
是电机容量。电机比容量= 电机容量÷ 转速有的文献中使用了“(电机)比容量”一词(《电气工程学手册》,欧姆社)。电机容量除以电机转速就得到电机比容量[kV·A/$ r/min$]。我们用电机比容量来表示刚才提到的电机本来具备的潜力,理解起来会更容易一些。
综上所述,即使是同样的电机,通过调整参数,它的输出功率就会发生很大的变化。而且,无一例外都提高了转速。这里顺便提一下,电机的体格(大小)也决定了电机的转矩。因为提高电机功率就是要提高电机转速。也就是说,无论怎么调整,使得电机的输出功率增加或减少,但平均到每转上的容量,如果用“比容量”来考虑,电机的潜能几乎是不变的。举例来说,就像发动机的排气量。即使是排气量相同的发动机,也可以通过调整改变其输出功率。从大的方面来理解,就是排气量与发动机特性的关系。改变电机的体格(大小),电机容量会发生什么样的变化?电机所具有的潜能究竟是什么?如果这个潜能真的存在,它与电机的体格又是怎样的关系?接下来,我们来研究电机容量与电机体格之间的关系。关于电机体格与电机容量的关系,可以在很多文献或书籍中找到相应的讲解(如:《电机设计学》,竹内寿太郎,欧姆社)。
在这里,笔者以上述书籍中多达两三页的内容进行整理,并在此基础上加入前面反复提到的“电负荷”“磁负荷”,以期能让读者更清楚明了地理解相关的内容。改变电机的体格:将各部分的尺寸变为原来的2 倍我们来看看改变电机体格的具体实例。首先,我们将电机各个组成部分的尺寸(长、宽、高)变为原来的2 倍(图3)。

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电负荷铁心尺寸变为原来的2 倍,也就是说铁心面积为原来的4 倍,可以用于绕线的空间也变成了原来的4 倍。假设线圈匝数保持不变,线圈截面积变成原来的4 倍,在电流密度不变的情况下,流过线圈的电流是原来的4 倍。也就是说,电机的电负荷为原来的4 倍。磁负荷电机尺寸变为原来的2 倍,铁心的截面积变为原来的4 倍。如果电流密度和通过铁心的磁通密度不变,则铁心通过磁通的能力为原来的4 倍。电机的磁负荷也为原来的4 倍。由以上可知,与原来相比,尺寸变为2 倍的电机,它的输出功率(准确来说应为电机具备的输出功率的潜力,即容量)为4×4=16 倍。也就是说,10kW的电机,如果尺寸变为原来的2 倍,输出功率就会变成160kW。当然,电机各部分的尺寸变为原来的2 倍的话,它的体积为原来的2×2×2=8 倍。电机的体积变为原来的8 倍,在各个部分材料不变的情况下,电机的质量、材料成本应该也是原来的8 倍。也就是说,我们用8 倍的材料,获得了16 倍的电机容量。这很划算吧?为什么电机的体格越大,效率越高?电机的体格变为原来的8 倍,那么它的损耗会发生什么样的变化? 假设它的铜损和铁损不变(因为电流密度、磁通密度没变),则电机的损耗与质量也是原来的8 倍。到这里,我们知道:电机容量(功率)增加到16 倍,电机损耗增加了8 倍。因此,电机的体格越大,效率就越高。这也是工业电机大部分又大又重的原因。同时也可以解释为,电机越大、越重,就越容易获得高效率。EV 用电机并不具备体格优势?电机的体格越大,效率越高。那么,EV 上使用尺寸更大的电机不就可以了吗?这里,汽车用电机与EV 用电机的区别就出现了。前面我们就提到过,搭载在汽车上的电机,它本身的质量会消耗能量。因此,就算电机的效率再高,质量增加导致能量消耗增加,大体格的电机并不适合搭载在汽车上。电机的种类有很多,在某种意义上也可以说,汽车用电机都是经过特别设计的。也可以说,正是因为汽车用电机存在体格、形状、质量等诸多限制,才在这诸多限制中获得了进化。大体格电机的发热问题电机体格越大,效率越高。同时,也存在发热的问题。各部分尺寸为原来2 倍的电机,其表面积为原来的2×2=4 倍,散热面积也是原来的4 倍。这是一个严峻的问题。想一想看,电机容量为原来的16 倍,损耗(发热)为原来的8 倍,而散热面积只有原来的4 倍。很明显,电机的冷却是不充分的,电机温度会升得更高。因此,为了应对电机的发热,就需要增加散热风机或者水冷设备等。尽管如此,电机的散热问题依然是一个课题。电机的外径、轴长、容量外径与轴长以及D 2L 说与D 3L 说电机是一个拥有悠久历史的装置,但直到现在仍然有很多谜题未解。与天文学中的“三体问题”一样,电机涉及电、磁、力学三大与能量相关的问题,它们之间的关系错综复杂。在这里,我们来探讨一下与电机体格/ 容量相关的话题。说到电机体格,重要的并不是体积容量。因为,即使体积容量相同,也还存在外径与轴长两个影响要素。在电机领域,存在着D 2L 说:电机的容量与直径(准确地说,应该是电机的转子与定子之间存在
的气隙的直径)平方成正比,与轴长(准确地说,应该是铁心的长度)成正比。实际上,还存在着D 3L说。笔者认同的是后者。但是,这又与电机的种类和容量有关,并不能断言哪种说法正确,哪种说法不正确。从笔者使用过的电机来看,更接近D 3L 说。这是一个很有趣的话题,下面结合电机的体格问题(直径、轴长)进行简单说明。改变电机的体格:改变直径与轴长● 直径为原来的2 倍,轴长不变时

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图4(a)与(b)显示了电机体格的差别。首先,我们从电负荷与磁负荷的角度来推理。直径为原来的2 倍时,电负荷为原来的4 倍。再来看磁负荷,直径变为原来的2 倍,铁心的截面积(磁路的截面积)在径向上变为原来的2 倍,在轴向上面积不变。也就是说,磁负荷变成了原来的2 倍。电机容量变为4×2=8 倍。直径不变,轴长为原来的2 倍时接下来,我们让直径保持不变,将轴长变为原来的2 倍[图4(c)]。这就是笔者制作电机时经常使用的“积厚向上”方法。这种情况下,电机容量会发生怎样的变化?首先,电负荷因直径不变而不会发生改变(因为绕线空间不变)。磁负荷因轴长变为原来的2 倍(磁路截面积为原来的2 倍)增至原来的2 倍。因此,电机容量为原来的1×2=2 倍。综上所述,电机容量与D 3L 成正比。当然,我们也同样要考虑电机的散热措施。对D 2L 说的考察:对象电机不一样?前面提到,电机容量与D 3L 成正比。而一般情况下,D 2L 说更占主流。推测其原因,就在于电负荷的计算方法不同。在以往的有刷电机及感应电机上,绕线空间在某种意义上是被限定的。例如,在有刷电机上,即使直径变成了原来的2 倍,绕线空间也不会简单地就变成原来的4 倍。因为在有刷电机上,铁心圆周方向上的尺寸虽然可以变成原来的2 倍,但是径向尺寸几乎是改变不了的。另外,感应电机也一样。在分布式线圈中,嵌线深度过大导致连接线增加。这除了会引起的弊害(质量、体积增加,效率降低),还会引起线圈感应出现差异(距离铁心中心越近的线圈比距离表面越近的线圈的感应更强)等问题。还有,工业领域中使用的大型电机也是一样的。即使加大了转子的直径,线圈还是安装在靠近其表面的位置为好。这就使得电机在圆周方向上变大,而在径向上几乎不变。这样一来,电负荷就不是与D 2 成正比,而是与D 成正比了。同时,磁负荷也与D 成正比。因此,变成了容量N 与D 2L 成正比.就电机的规模(体格)而言,如果以笔者使用过的无刷电机(同心绕线)为考察对象,则D 3L 说更有说服力。电机容量与电机体格的关系有着诸多学说《电气工程学手册》(日本电气学会编)记载的名为输出功率方程的公式中,也有关于电机容量的内容。详情如下:

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式中,N 表示输出功率(kW)或容量(kVA);D 、L 分别表示电枢铁心直径、长度(m);K 、K '、K "表示各种学说的输出系数。关于输出系数,其变化趋势如图5 所示。

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式(1) 为D 2L 说, 式(2) 为D 3L 说。通过对图5 中两种学说的比较可知,比容量小的区域内(小型电机)D 3L 的系数基本不变,D 2L 的系数变化幅度大;相反,在比容量大的区域(大型电机)内,D2L的系数变化幅度反而变小了。式(3)是对两种学说进行改良后得到的,它能套用在不同的电机上,可
以认为在某一区域内具有通用性。这段描述也是笔者推荐D 3L 说的根据所在。
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[修改于 6 天前 - 2019-06-18 17:27:49]

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