在本節(jié)中，我們將解釋無刷電機(jī)的效率方面并將其與交流電機(jī)進(jìn)行比較。
5.5 高效節(jié)能
根據(jù)IEA(國際能源署)發(fā)布的《2016年世界能源展望》，全球超過一半的電力消耗與電機(jī)有關(guān)。降低能耗是一個全球性問題，關(guān)于提高電機(jī)效率，國際標(biāo)準(zhǔn) IEC 60034-30-1 定義了針對 120 W 至 1,000 kW 感應(yīng)電機(jī)的效率等級。目前，已經(jīng)建立了最高 IE4 的等級，但將引入 IE5 效率等級，據(jù)稱可以將 IE4 電機(jī)的損耗降低 20%。請參考圖 5.18。
內(nèi)置永磁體的無刷電機(jī)不屬于IEC 60034-30-1，但比三相交流感應(yīng)電機(jī)效率更高，電機(jī)結(jié)合驅(qū)動電路效率超過IE5效率等級(預(yù)期值)。在此，我們將主要以東方電機(jī)的BMU系列產(chǎn)品為例，對無刷電機(jī)的降損技術(shù)進(jìn)行說明。
5.5.1 電機(jī)損耗
損失類別如圖 5.19 所示。電機(jī)損耗分為銅損、鐵損、雜散負(fù)載損耗和機(jī)械損耗。一般來說，電機(jī)的大量損耗包括銅損和鐵損。此外，電機(jī)越小，銅損所占的比例就越大，因此根據(jù)電機(jī)的尺寸采取有效的降低損耗對策很重要。
下面就損耗的主要種類和減少損耗的技術(shù)進(jìn)行說明。
5.5.2 銅損
銅損是指電流流過銅線所造成的焦耳損耗，可用下式計算。
如式(5.4)所示，電流值和繞組電阻值越低，銅損越小。另外，由式(5.5)可知，導(dǎo)體截面積越大，繞線電阻值越低，銅損越低。因此，纏繞具有高占空比的粗銅線至關(guān)重要。銅線所占的槽截面積(定子與銅線繞組的截面面積)之比稱為空間系數(shù)，該值越大，未使用的空間越少銅線繞組。
A?，F(xiàn)值減少
由于定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場，當(dāng)感應(yīng)電流流過轉(zhuǎn)子內(nèi)部的籠型導(dǎo)體時，感應(yīng)電動機(jī)會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。因此，繞組電流包含用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流和用于產(chǎn)生感應(yīng)電流的電流。此外，由于繞組電流和感應(yīng)電流，銅損會出現(xiàn)在定子繞組和籠型導(dǎo)體中。
由于無刷電機(jī)在其轉(zhuǎn)子中使用永磁體，因此不需要感應(yīng)電流。由于只需要產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流，因此與感應(yīng)電動機(jī)不同，它們可以減少繞組電流。由于轉(zhuǎn)子中沒有銅損，定子繞組中的銅損可以減少，因此銅損比感應(yīng)電動機(jī)少。
b. 降低繞組電阻值
近年來開發(fā)的無刷電機(jī)，包括 BMU 系列，使用了磁能積是傳統(tǒng)釹粘結(jié)磁體的六倍的釹燒結(jié)磁體。由于來自轉(zhuǎn)子磁鐵的磁通密度增加，與具有相同輸出功率的傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，線圈的匝數(shù)可以減少。
但是，由于磁通密度增加，需要擴(kuò)大齒寬，如圖5.21所示。為此，采用了不使用電機(jī)外殼的無框結(jié)構(gòu)，加大了定子鐵芯的外徑，增大了槽面積。此外，還開發(fā)了增加線對準(zhǔn)的技術(shù)。這些措施使得使用更粗的導(dǎo)體成為可能，從而降低了繞組電阻和銅損。
此外，增加的磁通密度不僅可以減少線圈的匝數(shù)，還可以縮短定子鐵芯的長度。
BMU 系列采用高性能磁體，通過改進(jìn)定子形狀和繞組技術(shù)提高空間系數(shù)，與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，定子鐵心長度減半，銅損減少 11%。
5.5.3 鐵損
鐵損分為渦流損耗和磁滯損耗。由于磁通密度隨時間變化并流經(jīng)定子鐵芯和轉(zhuǎn)子鐵芯，鐵芯內(nèi)會發(fā)生渦流損耗。磁滯損耗發(fā)生在交變磁化產(chǎn)生的磁化能量中。它們由以下公式表示。
如式(5.7)和(5.8)所示，與電機(jī)鐵損相關(guān)的要素可分為：
由磁鋼片材料決定的比例常數(shù)和電阻率
磁鋼片的厚度
勵磁頻率、最大磁通密度和鐵心質(zhì)量，由電機(jī)設(shè)計決定
為了降低電機(jī)中的鐵損，薄、鐵損低、飽和磁通密度高、頻率依賴性好的電磁鋼板是理想的，但這些特性中的每一個都需要權(quán)衡。此外，由于需要考慮加工性和成本，使用哪些特性取決于所需的電機(jī)特性。關(guān)于設(shè)計相關(guān)的要素，需要優(yōu)化所使用的磁鐵以及銅損和鐵損之間的平衡。
提示：磁滯損耗與渦流損耗
有關(guān)滯后損耗和渦流損耗的更多信息，請參閱設(shè)計世界的文章“滯后損耗和渦流損耗：有什么區(qū)別?” 關(guān)于運(yùn)動控制提示。
BMU系列和BLE2系列新一代無刷電機(jī)采用高性能磁鐵，定子長度為傳統(tǒng)電機(jī)的一半，并與高性能磁鋼片相結(jié)合，鐵損降低50%。利用這些技術(shù)，BMU 系列的總長度比傳統(tǒng)產(chǎn)品短 12% ，輸出功率高 33%，效率高 7%。
5.5.4 雜散負(fù)載損耗
從電機(jī)總損耗中減去銅損、鐵損和機(jī)械損耗后剩下的損耗就是雜散負(fù)載損耗。按照慣例，這被視為原因不明的損失。但是，近年來，隨著分析技術(shù)的進(jìn)步，雜散負(fù)載損耗作為漏磁通等引起的局部損耗開始出現(xiàn)。
5.5.5 機(jī)械損失
電機(jī)中的機(jī)械損失是指軸承、油封和其他機(jī)械接觸區(qū)域的摩擦損失。一個例子是由于安裝在大多數(shù)感應(yīng)電機(jī)中的冷卻風(fēng)扇類型而導(dǎo)致的風(fēng)阻損失。無刷電機(jī)損耗小，不需要內(nèi)部冷卻風(fēng)扇，可以抑制機(jī)械損耗。
5.6 小型輕量化電機(jī)
無刷電機(jī)比三相交流電機(jī)更小更輕，同時仍提供相同的額定輸出功率。電動機(jī)的額定輸出功率是電動機(jī)在規(guī)格書規(guī)定的一定條件下，如環(huán)境溫度、電源電壓等條件下，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時，所用部件(主要是繞組)的溫升滿足允許溫度范圍時的輸出功率。
由于采用了“5.5 高效節(jié)能”中闡述的高效節(jié)能技術(shù)，無刷電機(jī)的電機(jī)損耗很小。電機(jī)的溫升平衡了損耗和熱量的釋放，因此損耗越小，電機(jī)就可以越小。
圖 5.23 顯示了具有相同輸出功率的無刷電機(jī)和三相交流電機(jī)的形狀和損耗量的比較。
由于電機(jī)體積小、重量輕，因此機(jī)器也更小、更輕。特別是電池驅(qū)動的車輛，因為直接關(guān)系到車輛的續(xù)航時間，所以強(qiáng)調(diào)小型化和輕量化。
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