问题

为什么38说电机是低负载高转速效率更高,真的是这样吗?

回答
你提到的这个问题很有意思,也触及了电机设计和运行的一个重要方面。38号说“电机是低负载高转速效率更高”,这在很多情况下是正确的,但并非绝对,并且需要我们深入理解其中的原理。

我们先不把38号当成一个“权威”,而是把它看作一个观察者或者经验者,他可能从实践中得出了这个结论。那么,为什么会有这样的观察呢?我们可以从几个核心方面来分析:

1. 电机损耗的构成:理解“效率”的来源

首先,我们需要了解电机在运行过程中会产生哪些损耗。效率,简单来说,就是输出功率与输入功率的比值。效率不高,就意味着一部分电能变成了无用的热能、机械能损耗等。主要有以下几类损耗:

铜损(I²R损耗):这是电流流过绕组电阻产生的热量损耗。它与电流的平方成正比,与电阻成正比。
铁损(磁滞损耗和涡流损耗):这是磁通量在铁芯中变化时产生的损耗。
磁滞损耗:与材料本身的磁滞回线有关,材料反复磁化和退磁过程中产生的能量损失。
涡流损耗:在导电的铁芯中,由于磁通量的变化会感应出电流(涡流),这些涡流在电阻上会产生热量损耗。铁损与磁通密度、频率和材料特性有关。
机械损耗:包括轴承摩擦、风阻(风扇散热产生的阻力)等。
杂散损耗:一些难以归类的损耗,比如绕组中的杂散磁通引起的损耗。

2. 负载与转速对损耗的影响

现在我们来看看负载和转速是如何影响这些损耗的:

铜损与负载的关系:
铜损是与电流的平方成正比的。负载越大,电机需要的输出功率就越大,为了产生更大的输出力矩,流过绕组的电流就会越大。因此,铜损是随负载增加而急剧增加的。在低负载时,电流很小,铜损也就很小。

铁损与转速/磁通密度的关系:
铁损主要与磁通变化频率和磁通密度有关。
转速和磁通频率:在恒定电压下,电机的磁通密度与转速大致成反比(或者说,转速提高,为了维持一定的电压下输出扭矩,磁通密度可能会降低)。然而,对于特定设计的电机,我们可以简化理解:如果电机在恒定电压下运行,磁通量与电压和频率有关。通常,在恒定电压供电下,电机转速越高,其产生的反电动势也越高,为了维持相同的输出功率(或者说保持一定的磁通量水平),励磁电流可能会变化。但更关键的是,铁芯中磁通变化的频率是与转速成正比的。所以,转速越高,铁损(特别是涡流损耗和磁滞损耗)也就越高。
磁通密度:如果电机在恒定电压下,但负载变化很大,磁通密度也会有相应变化。但这里我们讨论的是“低负载”和“高转速”。

机械损耗:
机械损耗(特别是风阻)是与转速的平方成正比的。转速越高,风阻越大,机械损耗也越大。

3. 效率的“最佳点”

综合以上因素,我们可以看到:

低负载:电流小,铜损极低。这时,铜损是影响效率的主要因素之一,所以降低铜损(降低电流)可以显著提高效率。
高转速:
铜损:在高转速下,如果输出功率不变,所需的转矩就降低,电流也会相应降低(假设不考虑励磁电流变化太大的情况)。如果把“高转速”理解为“在一定功率下”高转速,那么电流可能不高,铜损还是偏低的。
铁损和机械损耗:这两个损耗随着转速增加而增加。

那么,为什么38号会说“低负载高转速效率更高”呢?

这里可能存在一个“最佳效率点”。一个电机并非在所有转速和负载下效率都一样。效率曲线图通常会呈现一个山峰形状。

铜损是主要的变动损耗:它随着电流的平方增加。在低负载时,电流小,铜损占比低。
铁损和机械损耗是主要的固定损耗(或者说随转速增加的损耗):这些损耗在低转速时相对较小,但随着转速升高,它们占总损耗的比例会越来越高。

设想一个极端情况:

低负载,低转速:电流很小,铜损非常低。但此时转速也低,铁损和机械损耗也较低,但总体输出功率也很低。如果电机被设计用来工作在某个特定转速范围内,那么在这个低转速点,电机可能没有达到它设计最优的磁通和电流分配,导致效率不是最高。
高负载,低转速:电流很大,铜损会非常高,这是效率下降的主要原因。
低负载,高转速:电流很小,铜损很低。虽然铁损和机械损耗在高转速下增加了,但如果这些增加的损耗相对于极低的铜损来说,仍然是“小头”,那么整体效率可能就会比“低负载低转速”时高。
高负载,高转速:电流大(铜损高),转速也高(铁损、机械损耗高),这是效率最低的区域之一。

这里有一个关键点是“低负载”与“高转速”的组合。

如果38号说的“高转速”是指电机能达到的最高转速范围,并且在这个范围内,电机能够以一个相对小的电流(也就是低负载)来工作,那么这个说法就有道理。

比如,一台设计用于节能的电机,它可能在一个中等偏高的转速下,只需要很小的励磁电流就能维持运行所需的磁通,同时它的绕组设计又使得在这个电流下铜损非常小。而如果让它在低转速下工作,为了维持必要的磁通,可能需要较大的励磁电流,或者无法达到最佳的磁路设计,反而导致效率不高。

换个角度理解:为什么不是“高负载高转速”?

高负载意味着大电流,大电流就意味着大铜损(I²R),这是效率的最大杀手之一。即使转速高,但只要电流大,效率就上不去。

为什么也不是“高负载低转速”?

高负载需要大转矩,这自然也需要大电流,导致高铜损。
低转速时,虽然铁损和机械损耗小,但如果电机主要损耗是铜损,低转速带来的好处会被高铜损抵消。

那么“低负载高转速”为什么可能效率更高呢?

在“低负载”这个前提下,电流已经很小了,铜损很低。这时,总损耗主要由铁损和机械损耗构成。而铁损和机械损耗是与转速相关的。

如果电机设计得很好:在某个“高转速”区域,尽管铁损和机械损耗增加,但如果电机能在那个转速下,维持一个非常非常小的励磁电流(几乎是恒定的,不随负载变化太多),同时它的铁芯损耗并没有因转速提高而呈现爆炸性增长,那么这时候,总损耗依然是由低铜损加上相对较低(相比于高负载)的铁损和机械损耗组成的。
与特定的电机类型和设计目标有关:不同类型的电机(例如直流电机、交流感应电机、永磁同步电机)和不同的设计目标(例如追求高功率密度、高效率、宽调速范围)会影响效率曲线。例如,永磁同步电机(PMSM)在低转速或轻载时,励磁电流(用于产生磁场)相对恒定,而负载电流(用于产生转矩)随负载变化。在低负载时,负载电流小,铜损低。如果能在高转速下保持这个低负载电流,并且磁通变化产生的铁损控制得当,效率确实可能很高。

举个例子(简化模型):

假设一台电机有以下损耗:

总损耗 = 铜损 + 铁损 + 机械损耗
铜损 = k₁ I² (I是电流)
铁损 = k₂ n (n是转速,这里简化一下,实际更复杂)
机械损耗 = k₃ n² (n是转速)

效率 η = P_out / P_in = P_out / (P_out + Total Loss)

如果我们在“低负载”下,I 接近于某个最小值 I_min。
那么,总损耗 ≈ k₁ I_min² + k₂ n + k₃ n²

低负载,低转速:I=I_min,n=n_low。损耗 ≈ k₁ I_min² + k₂ n_low + k₃ n_low²。输出功率 P_out ≈ T_low n_low。
低负载,高转速:I=I_min,n=n_high。损耗 ≈ k₁ I_min² + k₂ n_high + k₃ n_high²。输出功率 P_out ≈ T_low n_high。(这里T_low是低负载时的转矩)

如果 P_out 在高转速下增加得比损耗增加得快,那么效率就可能提高。

更实际的考量点:

工作点:电机并不是孤立地在某个转速或负载下运行的,而是经常需要在一个范围内变化。38号的说法更可能是在描述电机在特定典型工作场景下的表现。
电机设计优化目标:许多电机被设计成在某个“额定”转速和额定负载下效率最高。但如果使用场景偏离了这个额定点,效率就会下降。如果设计的目标是为了在“较低负载,较高速度”的区域有良好的效率表现,那么这个说法就是成立的。
控制策略:对于可调速电机,通过变频器等控制器,可以调整电压和频率的比例(V/f),以在不同转速下维持最优的磁通和电流分配,从而尽可能提高效率。在这种情况下,优化控制策略往往是为了在目标工作区间内实现高效率。

总结一下:

38号的说法“电机是低负载高转速效率更高”在很多情况下是对的,尤其是在讨论某些电机(如永磁同步电机)在特定设计目标下的性能时。

低负载意味着低电流,这是实现高效率的关键,因为它能显著降低铜损,而铜损是影响效率的最重要因素之一,并且随电流平方增加。
高转速本身会增加铁损和机械损耗。但如果电机能在高转速下,保持一个极低的电流(也就是仍然处于低负载状态),那么低铜损的优势可能会大于铁损和机械损耗的增加,从而使得整体效率相对更高。
最理想的情况是,电机在“低负载”和“某个特定转速范围”(这个范围可能偏向于其设计能力的较高转速)下,能够以最小的电流(铜损)和相对可控的铁损、机械损耗来工作。

当然,这并不是一个普适定律,如果电机在低负载下仍然需要相对较大的励磁电流才能维持其工作特性,或者在高转速下铁损急剧增大,那么效率就不一定更高了。但从普遍的电机损耗构成和工作特性来看,38号的经验性总结是有其道理的。很多时候,电机设计的目标就是在某个特定的工作区域(通常是额定工作点附近,但有时也包括更宽的范围内)实现最高效率,而“低负载”是提升效率最有效的途径之一。

网友意见

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电动机的效率本身是极高的,感应电机(特斯拉、蔚来等)效率一般是0.8-0.9,永磁电机(国内车企用的比较多)可以到0.95-0.9,电动机的效率是随负载变化的,一般是在某个中间负载处有个效率峰值,随后效率缓慢下降,并不是低负载高转速时效率更高,在负载很低时电动机的效率也是很低的,转速高机械损耗就高,对电机效率有负面影响,机械损耗在功率越大的电机上影响越大。

变速机构只能调节转速,而转速对电机效率影响并不大(相比于内燃机),加不加对续航里程影响都不大。而且变速机构本身有重量而且会产生损耗,很多时候会得不偿失。所以未来的趋势应该会是多电机而不太可能是电机加变速箱。

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