能量的行踪:电机损耗发生在哪里
EV技研
公众号EV技研作者19002019/07/03 电动汽车 IP:北京

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从电机的特性图中可以找到损耗的所在

关于图1 所示计算公式中的系数k ,

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   图1

如果提高它的值,电机效率就会提高,这当然很重要。同时,我们也必须致力于减少电机的损耗。实际上,电机驱动时会产生各种各样的损耗。这些损耗会影响电机特性图中的哪些区域?这也会对电机的效率产生很大的变化。我们曾经对电机的损耗进行过讲解。在这里,我们来看看在电机内部,能量的行踪又是怎样的。电机是一个能量转换装置(电能⇔机械能),我们参照图2 了解一下这些能量都是怎么变化的。

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                                           图2

图中的横轴为电流值。

输入能量- 输出能量= 损耗

图2 表示的是恒定电压条件下的能量使用情况。横轴为输入电流(I ),纵轴为转速(N ),转矩(T q)、效率(η )、输出功率(P )也都分别表示了出来。另外,右侧纵轴表示输入功率(P i)。

·输入能量为向右上方倾斜的直线

输入能量为电压× 电流,即

P (W)=E (V)×I a(A)

这在图中为通过原点的斜率为E 的直线。它代表的是输入到电机的能量(右侧纵轴)。电机的效率为100%的话,输入到电机的所有能量都将全部转化为机械能。在这种情况下,电机的基本特性(对输入电流)如下:

·转速为向右下方倾斜的直线

·转矩为向右上方倾斜的直线

(纵轴的刻度与表示能量的刻度是不同的) 

输出能量与转速和转矩的乘积成正比:

P (W)=2×π×N (r/min)×T (kgf·cm)/612

看到这里,有人可能会问,为什么上式中出现了“612”这个数字?该公式中采用的单位不是N·m,而是kgf·cm;r/min 不是每秒,而是每分钟的转速。

为了统一单位,就出现了“612”这个数字。即:

1kgf=9.8N,1r/min=1/60 r/s,1m=100cm

P =9.8×F ×2×π×r ×N /(60×100)

F ×r =T

通过单位转换,就导出了上式。在这里:

·输出能量的曲线是以堵转电流(转速为0 时的电流值)的1/2 处为顶点的抛物线

·损耗就是刚才说到的输入功率(通过原点的斜率为E 的直线)和抛物线之间的差距(图中灰色区域)下面,我们对损耗进行进一步的分解。


能量损耗的再考察

电机中较大的能量损耗是铜损和铁损。对于这一点,我们曾经说过,重要的是它们之间的比例。究竟哪个大、哪个小,很难简单说清楚。如图2所示,负载电流(I a)的变化会引起各类损耗的变化。

电机堵转时,能量100%以铜损的形式被消耗

举个极端的例子,电机堵转时,转矩达到最大值,但转速为0。也就是说,即使转矩达到最大值,电机的输出功率也为0。那么,此时电机的输入功率又是怎样的呢?通过图2,我们得知,因为电流为最大值,输入功率也达到最大(电机无法消费更多的功率时,则为最大值)。

输入能量为最大,输出能量为0,这是怎么一回事呢?这就是说,电机的效率为0,输入到电机的能量,100%都以热的形式被白白浪费掉了。而这里的热,100%都是铜损所产生的,也就是电机线圈产生的焦耳热(严格意义上讲,包括线路在内的整个电路产生的焦耳热)。电机堵转或电机过载时产生的热,最终导致电机烧坏,都是因为这里提到的焦耳热。

电机无负载时的损耗中,铁损占据主导地位

相反,电机无负荷时又会怎样呢?无负荷时的状况正好与堵转时相反,电流I a 为最小值(无负荷电流),转速最大(无负荷转速)。因为电流为最小值,输入到电机的电能也为最小值。这时,电机损耗并不为0。电机输出的转矩虽然为0,也没有做功,但是消耗了维持其自身转动的能量。这个能量就是“无负荷损耗”。

在这个损耗中,铁损占据了绝大部分。前面提过,频率越高,电机的铁损越大;频率为0(堵转)时,铁损也为0。铁损的变化趋势与铜损正好相反。

其他损耗

在电机的损耗中,铜损与铁损是最具代表性的。除此之外,还有消耗输入到电机能量的损耗,虽然它的值很小。例如,轴承上产生的机械摩擦导致的损耗(机械损耗);转子转动时,与空气之间摩擦而产生的“风损”。

这里的研究对象为无刷电机,无刷电机的损耗大概就是这些。如果是有刷电机,则还存在电刷与换向器之间的摩擦阻力,这也是产生损耗的一个重大要素。在电刷部位,为了控制换流时产生的火花,使用弹簧压迫电刷,使之与换向器紧接触,这时产生的摩擦阻力会变得很大。有刷电机的缺点,除了电刷(有机械磨损)的寿命和电刷粉末的影响之外,还有刚才讲到的摩擦阻力引起的损耗,导致电机效率降低。


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