气隙/气隙磁通量在电机中有什么作用?如何合理设计?

气隙是电机设计中的主要问题之一,电磁器件的磁路中含有低电阻的材料(如铁),这样可以最大限度地减少产生磁场所需的电能。磁路中的间隙通常是不可避免的,它们含有空气,这提供了对磁通量的高电阻,这样的间隙需要在磁化电流和相关的电损耗方面的是有害的。

气隙是磁路的非磁性部分,它通常与电路的其余部分串联在一起,这样就有很大一部分磁通量流过间隙。气隙可填充非磁性材料,如气体、水、真空、塑料、木材等,而不一定只填充空气。

气隙的影响

定子和转子是电机的两个主要部件,它们是磁耦合的,能量通过磁场从两边通过机器传递的,气隙小可以带来低噪音,较小的不平衡磁拉力。由于气隙磁阻的增加,磁通量扩散到周围介质中,会导致磁通边缘效应,这是一种不必要的现象,它会增加位于空气间隙附近的导体中的邻近和涡流损耗。气隙会引起转子与定子之间磁链的减少,被看作是一种损耗。由于定子和转子绕组之间的磁通量降低,从而削弱磁能的传递,大的气隙意味着更多的磁化电流和低的功率因数,大气隙的正侧对电动机的过载能力有较好的影响。

气隙可能是确保设备正确性能的一个组成部分,它应该尽可能小,气隙的形式、形状和大小取决于磁路的类型和形状,这由工作原理、性能、尺寸、效率和许多其他技术因素决定。在旋转机械中,由于定子和转子之间需要物理运动,气隙通常是不需要的,但不可避免,工业机器的最小实际气隙约为0.2毫米。在继电器中,气隙通常是一个不可分割的部分,有助于固定部分(如绕组和磁芯)和主动电枢之间的运动,机械地驱动主电触点的连接或断开。在传统的变压器中,通常避免气隙,变压器的作用是将一次绕组的能量瞬间输送到二次绕组,而无需储能。

电机的气隙

气隙是电机的转子和定子之间的间隙,一个“自由开放的空间”将两个电机部件物理分离,由于转子和定子不是磁耦合的,所以它们之间存在空气间隙。当适当的供给(取决于机器的类型)时,磁场被建立并连接定子和转子,由于存在气隙,某些部分磁场通过转子或定子,但不是两者都通过,这部分磁通被称为漏磁或气隙磁通(因为它单独通过气隙)。这种漏磁通在功率传输中不起作用,因为它与定子和转子都没有连接,为建立漏磁通而产生的电流使机器功率损失。

定子和转子都是由磁性材料(通常是硅钢)构成的,芯介质的磁导率越高,磁阻越小,空气的磁导率更低;磁阻越大,气隙越长,漏磁越大导致功率越小。因此,空气带长度保持在尽可能短的范围内,以便在转子和定子之间分离,并提供所需的机器机械平衡。一个自由旋转的转子预留大约2毫米的间隙,作为一个牺牲性的磁力损失,从而使电机或发电机能够正常的机械操作。

在同步电机和直流电机中,两个独立的磁场在气隙中相互作用,电枢产生的交流磁场(在同步电机中静止,在直流电机中旋转)扭曲了直流磁场的供应,降低了效率,降低了电机性能,增加气隙会减少“电枢反应”的影响,因此,这些机器的气隙将比感应电动机的气隙大几倍。在感应电动机中,转子绕组中感应的电动势是相互感应的电动势,当转子中感应的电动势是通过相互感应产生的时,感应电动机可以看作一个旋转变压器,如果气隙越大,漏磁通越大,相互磁通越小,从而降低转子的电动势、电流和转矩。

在同步电机中,磁通量是通过磁场绕组单独设置的,定子电枢绕组中感应的电动势不是通过相互感应产生的,而是由于磁场和导体之间的相对运动而产生的动态感应电动势,因此,不考虑气隙。对于凸极电机,在两极之间的区域,气隙会大得多。发电机中旋转转子与定子分离所需的气隙应尽可能小,以降低磁化功率要求,但应足够大,以防止两者之间的接触,制造公差在其尺寸上,或由于机械偏转和支承轴承松动而引起的移动。

结论

在任何情况下,间隙必须足够大,以确保转子相对于定子的偏心度不会导致轴刚度被不平衡磁拉力影响,这可能使转子撞击定子。常用的经验计算包括转子圆周速度、堆芯长度和转子直径,增加气隙会增加磁化电流,也会减少杂散负载损耗。很少有设计准则来选择最适合于任何旋转机器的气隙尺寸,对于感应电动机,在3/4到750千瓦的额定功率范围内,0.2到5毫米的实际值是典型的,电动机转速越高,间隙越大。

来源:老赵说制造

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