电动机的损耗分析

三相交流电动机的损耗可分为铜耗、铝耗、铁耗和杂散耗、风摩耗，前4种为发热损耗，其总和称为发热总损耗。阐述当功率从小到大变化时，铜耗、铝耗、铁耗、杂散耗对发热总损耗的比例变化。通过实例，铜耗和铝耗占发热总损耗的比例虽有波动，总体上由大变小，呈下降趋势。而铁耗杂散耗相反，虽有波动，总体上由小变大，呈上升趋势。功率足够大时，铁耗杂散耗超过了铜耗。有时杂散耗还超过了铜耗、铁耗，成为发热损耗的第一因素。再分析Y2电动机，以及观察各种损耗对总损耗的比例变化，揭示的规律类似。认识上述规律，得出不同功率电机降低温升和发热损耗的侧重点不同。对小电机，首先应降低铜耗；对中大功率电动机，应侧重降低铁耗杂散耗。认为“杂散耗比铜耗、铁耗要小得多”的观点是片面的。特别强调，电动机功率越大越要注意降低杂散损耗。中大容量电动机采用正弦绕组来降低谐波磁势及杂散耗，效果往往很好。而降低杂散损耗的各种措施，一般不需要增加有效材料。

引 言

三相交流电动机的损耗可分为铜耗PCu、铝耗PAl、铁耗PFe、杂散耗Ps、风摩耗Pfw，前4种为发热损耗，其总和称为发热总损耗PQ，其中杂散损耗是除了铜耗PCu、铝耗PAl、铁耗PFe、风摩耗Pfw4种以外的一切损耗，包括谐波磁势、漏磁场、斜槽横向电流等原因。

由于杂散损耗计算困难，测试也比较复杂，很多国家规定，杂散损耗按电动机输入功率的0.5%计算，将矛盾简化。但是这个数值非常粗糙，而且不同设计不同工艺，往往差异很大，由此也掩盖了矛盾，不能真实地反映电动机的实际工作状况。近来实测杂散耗呼声愈高。在全球经济一体化时代，如何与国际接轨，又要有一定的前瞻性，则为大势所趋。

本文研究三相交流电动机，当功率从小到大变化时，铜耗PCu、铝耗PAl、铁耗PFe、杂散耗Ps对发热总损耗PQ的比例变化规律，由此得出对策，以便将电动机设计制造得更合理更好。

1.电动机的损耗分析

1.1首先观察一个实例。某厂出口电动机的E系列产品，技术条件规定实测杂散损耗。为方便比较，先看2极电动机，功率范围从0.75kW到315kW。根据测试结果，求出铜耗PCu、铝耗PAl、铁耗PFe、杂散耗Ps对发热总损耗PQ的比例，见图1。图中纵坐标为各种发热损耗对发热总损耗的比例（%），横坐标为电动机功率（kW数），带菱形的折线为铜耗的比例，带正方形的折线为铝耗的比例，带三角的折线为铁耗比例，带叉的折线为杂散损耗的比例。

图1 E系列2极电动机铜耗铝耗铁耗杂散耗对发热总损耗的比例折线图

（1）当电机的功率从小到大变化时，铜耗的比例，虽有波动，总体上由大变小，呈下降趋势，0.75kW，1.1kW约占50%，而250kW，315kW已不到20%铝耗的比例变化，总体上也由大变小，呈下降趋势，但变化幅度不大。

（2）电机功率从小到大，铁耗的比例变化，虽有波动，总体上由小变大，呈上升趋势。0.75kW~2.2kW约为15%，而大于90kW时已超过30%，大于铜耗。

（3）杂散耗的比例变化，虽有波动，总体上也由小变大，呈上升趋势。0.75kW～1.5kW约10%，而110kW时已接近铜耗，大于132kW的各规格，杂散耗大多超过了铜耗。而250kW，315kW的杂散耗超过了铜耗铁耗，成了发热损耗中第一因素。

4极电机（折线图略）。110kW以上铁耗大于铜耗，250kW及315kW的杂散耗超过铜耗、铁耗，成了发热损耗中第一因素。该系列2～6极电动机的铜耗和铝耗之和，小电机约占发热总损耗的65%～84%，而大电机下降到35%～50%，而铁耗相反，小电机约占发热总损耗的10%～25%，而大电机增加到约26%～38%。杂散耗，小电机约占6%～15%，而大电机增加到21%～35%。功率足够大时，铁耗杂散耗超过了铜耗。有时杂散耗还超过了铜耗铁耗，成为发热损耗中第一因素。

1.2 R系列2极电动机，杂散损耗实测

根据测试结果，求出铜耗铁耗杂散耗等对发热总损耗PQ的比例。图2显示电机功率与杂散耗铜耗的比例变化。图中纵坐标为杂散耗铜耗对发热总损耗的比例（%），横坐标为电动机功率（kW数），带菱形的折线为铜耗的比例，带正方形的折线为杂散损耗的比例。图2清楚地显示，总体上电机功率愈大，杂散耗对发热总损耗的比例也愈大，呈上升趋势。图2还显示大于150kW的各规格，杂散耗超过了铜耗。有几个规格电机，杂散耗甚至是铜耗的1.5～1.7倍。

本系列2极电动机，功率从22kW到450kW，实测杂散损耗对PQ的比例由不足20%上升到接近40%，变化幅度很大。如用实测杂散损耗对额定输出功率的比例表示，则约为（1.1～1.3）%，如用实测杂散损耗对输入功率的比例表示，则约为（1.0～1.2）%，后两种表达方式其比例变化不大，也难以看出杂散损耗对PQ的比例变化。因此观察各发热损耗，特别是杂散损耗对PQ的比例，可以更好地认识各发热损耗的变化规律。

以上两例实测杂散损耗均采用美国的IEEE 112B方法

图2 R系列2极电动机铜耗杂散耗对发热总损耗的比例折线图

1.3 Y2系列电动机

技术条件规定杂散损耗取输入功率的0.5%，而GB/T1032-2005规定了杂散损耗推荐值，今取其中方法1，公式为Ps=（0.025－0.005×lg（PN））×P1式中PN—为额定功率；P1—为输入功率。

我们假设杂散损耗实测值等于该推荐值，重新进行电磁计算，并由此求出铜耗铝耗铁耗杂散耗四个发热损耗对发热总损耗PQ的比例。其比例变化，同样符合上述规律。

即：当功率从小到大变化时，铜耗、铝耗的比例总体上由大变小，呈下降趋势。而铁耗杂散耗的比例总体上由小变大，呈上升趋势。无论2极、4极、6极，大于某个功率，铁耗将超过铜耗；杂散耗的比例也由小变大，渐渐接近铜耗，甚至超过铜耗。2极110kW以上杂散耗成了发热损耗中第一因素。

图3为Y2系列4极电动机4种发热损耗对PQ的比例折线图（假设杂散损耗实测值等于上述推荐值，其它损耗按计算值）。纵坐标为各种发热损耗对PQ的比例（%），横坐标为电动机功率（kW数）。显然，90kW以上铁耗杂散耗已大于铜耗。

图3 Y2系列4极电动机铜耗铝耗铁耗杂散耗对发热总损耗的比例折线图

1.4 文献研究了各种损耗对总损耗（包括风摩耗在内）的比例

发现铜耗铝耗在小电机中占总损耗的60%～70%，而容量增大时下降到30%～40%，而铁耗相反，小电机比例小，而容量增大时要占30%以上。杂散损耗，小电机约占总损耗的5%～10%，而大电机约占15%以上。揭示的规律类似：即功率从小到大变化时，铜耗、铝耗的比例总体上由大变小，呈下降趋势，而铁耗及杂散耗的比例总体上由小变大，呈上升趋势。

1.5 根据GB/T1032-2005方法1规定的杂散损耗推荐值计算式

分子是实测杂散损耗值。电机功率从小到大，杂散损耗对输入功率的比例变化，递减下降，变化幅度不小，约2.5%～1.1%。如改分母为总损耗∑P，即Ps/∑P=Ps/P1/(1－η），若电机效率取0.667～0.967，则（1－η）的倒数为3～30，亦即实测杂散损耗对总损耗的比例相比对输入功率的比例，放大3～30倍，功率越大，折线越快速上升。显然，若取杂散损耗对发热总损耗的比例，则“放大倍数“更大。上例R系列2极450kW电机，杂散损耗对输入功率的比例Ps/P1稍小于上面推荐的计算值，而杂散损耗对总损耗∑P及对发热总损耗PQ的比例分别为32.8%，39.5%，相比对输入功率P1的比例，分别“放大”约28倍，34倍。

本文观察与分析的方法主要是取4种发热损耗对发热总损耗PQ的比例，比例数值大，能清楚地看到各种损耗的比例及变化规律，即功率从小到大，铜耗铝耗的比例总体上由大变小，呈下降趋势，而铁耗、杂散耗的比例总体上由小变大，呈上升趋势。特别是观察到，电机功率越大，杂散损耗占PQ的比例反而越高，渐渐接近铜耗，超过铜耗，甚至成为发热损耗中第一因素，因而能够正确认识其规律并重视降低大电机的杂散损耗。实测杂散耗对发热总损耗的比例，相比于杂散耗对输入功率的比例，只是换个方式来表达，并不改变其物理本质。

2.措施

认识上述这一规律，有助于电动机的合理设计合理制造。电动机功率大小不同，降低温升降低发热损耗采用何种措施，侧重点不同。

2.1 对小功率电动机，铜耗占发热总损耗比例高

40%以上，甚至65%，因此降低温升首先应降低铜耗，如增大导线截面，减少每槽导体数，增大定子槽形，加长铁心等。工厂中往往以控制热负荷AJ来控制温升，这对小电机来说，完全是正确的。控制AJ本质上就是控制铜耗，根据AJ以及定子内径、线圈半匝长、铜线电阻率等不难求出整台电动机的定子铜耗。

2.2 当功率从小到大变化时，铁耗渐渐接近铜耗

大于100kW时铁耗一般超过了铜耗。因此大电机应重视降低铁耗。具体措施，可采用低损耗硅钢片，定子磁密不要过高，还要注意各部分磁密要分布合理。

有些工厂对某些大功率电动机，重新设计，适当减小定子槽形。磁密分布较合理，适当调整了铜耗与铁耗的比例。虽然定子电流密度增加，热负荷增加，铜耗增加，但定子磁密降低，铁耗减少大于铜耗增加。性能与原设计相当，不但温升下降，还节约定子用铜量。

2.3 对降低杂散损耗

本文强调的是电机功率越大越要注重降低杂散损耗。认为“杂散损耗比铜耗要小得多”的观点，仅适用于小电机。显然，按上文的观察与分析，功率越大越不适合。认为“杂散损耗比铁耗要小得多”的观点，同样也是不适合的。

杂散损耗实测值对输入功率的比例，小电机高，而功率越大比例越低，但不能由此得出结论，小电机要重视降低杂散损耗，而大电动机则不大需要降低杂散损耗。正相反，根据上面实例及分析，电动机功率越大，杂散耗占发热总损耗的比例反而越高，杂散耗同铁耗都接近甚至超过了铜耗，所以电动机功率越大，越要注重降低杂散损耗。

2.4降低杂散损耗的措施

降低杂散损耗的办法，例如增大气隙，因为杂散耗近似与气隙两次方成反比；降低谐波磁势，例如采用正弦（低谐波）绕组；槽配合适当；减少齿槽效应，转子采用闭口槽，高压电机定子开口槽采用磁性槽楔；铸铝转子脱壳处理减低横向电流，等等。值得注意的是，以上措施一般都不需要增加有效材料。杂耗还与电机发热状态有关，如绕组散热好，电机内部温度低，杂耗也低。

举例：某厂修理一台电动机，6极250kW。修理后试验，75%额定负荷下温升已达125K。后将气隙加工到原尺寸的1.3倍。额定负荷下试验，温升竟降到了81K，充分说明了气隙增大，杂散耗已经大大降低。谐波磁势是杂散损耗重要因素，中大容量电动机采用正弦绕组降低谐波磁势，效果往往很好。设计较好的正弦绕组，用于中大功率电动机，当谐波幅值和比原设计降低45%～55%时，杂散损耗可降低32%～55%，不则温升降低，效率增高，噪声下降，还能节铜节铁。

3.结语

3.1 三相交流电动机

功率从小到大变化时，铜耗铝耗对发热总损耗的比例总体上从大到小，而铁耗杂散耗的比例总体上从小到大。对于小电机，铜耗占发热总损耗比例最高，随着电机容量增大，杂散耗及铁耗都接近及超过铜耗。

3.2 为降低发热损耗

电机功率不同，采取的措施侧重点也不同。对小电机，首先应降低铜耗。对中大功率电动机更要注重降低铁耗杂散耗。认为“杂散耗比铜耗铁耗要小得多”的观点是片面的。

3.3 杂散损耗占大电机发热总损耗的比例反而高

本文强调，电机功率越大越要重视降低杂散损耗。

审核编辑 ：李倩