波浪能发电系统浮板的优化设计
波浪能利用发展历史与关键技术
波浪能利用发展历史与关键技术波浪能是一种可再生能源，它利用海洋波浪的动能来产生电力。
波浪能的利用历史可以追溯到19世纪末期，当时人们开始尝试利用波浪能来驱动机器。
但是，由于当时的技术水平有限，波浪能的利用并没有得到广泛应用。
直到20世纪末期，随着科技的进步和环保意识的增强，波浪能开始受到人们的重视。
波浪能的利用需要一些关键技术的支持。
其中最重要的技术是波浪能转换技术。
波浪能转换技术是指将海洋波浪的动能转换为电能的技术。
目前，波浪能转换技术主要分为以下几种：第一种是浮动式波浪能转换技术。
这种技术利用浮动装置来收集波浪能。
浮动装置可以是浮标、浮筒、浮板等。
当波浪经过浮动装置时，装置会随波浪上下浮动，从而产生机械能。
机械能可以通过液压装置或发电机转换为电能。
第二种是压力式波浪能转换技术。
这种技术利用波浪的压力差来产生机械能。
具体来说，波浪会使得水面上下起伏，从而形成压力差。
利用这种压力差，可以驱动液压装置或发电机产生电能。
第三种是振动式波浪能转换技术。
这种技术利用波浪的振动来产生机械能。
具体来说，波浪会使得装置上下振动，从而产生机械能。
机械能可以通过液压装置或发电机转换为电能。
以上三种技术都有各自的优缺点。
浮动式技术适用于波浪较大的海域，但是装置的稳定性较差；压力式技术适用于波浪较小的海域，但是装置的效率较低；振动式技术适用于波浪较强的海域，但是装置的制造成本较高。
总的来说，波浪能的利用历史虽然悠久，但是技术的发展还有很大的空间。
未来，随着科技的不断进步，波浪能的利用将会更加广泛，成为一种重要的可再生能源。
波浪能发电装置综述
长期以来袁世界各地出现了形形色色的海洋波能转换装置袁其种 类是各种海洋开发装置中最多的袁 因此对它们进行分类的标准也很 多遥 按照工作的场所袁可以分为海岸式波浪能转换装置和海洋式波浪 能装换装置曰按照波浪能转换装置吸收波浪能的方式来分的话袁大略 可以分为垂直摆荡式尧空腔共振式尧压力式等遥
渊员冤浮体 用于安装发电设备袁使装置能浮于海面袁为漂浮式的波浪能发电 装置所必须遥 浮体必须具有一定的容积与浮力袁结构要坚固袁能耐海水 腐蚀袁外形能适应波浪环境曰还要能承载全部发电设备袁使整个装置浮 动于海面之上遥 渊圆冤波浪能接收器 用于接收或吸收波浪的能量遥 由于波浪能是一种散布在海面的低 密度能量袁故该部件尺寸要足够大袁或组成阵列袁以吸收较多的波浪 能遥 波浪能接收器吸收波浪能力的效率低是衡量整个装置性能优劣的 主要指标遥 渊猿冤波力放大器 这是由波浪能接收器所吸收的分散波浪能变成集中能量的设备袁 其作用是把波浪能接收器接收的分散的波浪能变成集中地能量遥 通常 用气筒尧油压泵尧水压泵等来完成遥 例如在气柱振荡式波浪能发电装置 中袁 需要把流经空气涡轮的气流速度加大袁 最多从 lm/s 左右提高到 lOOm/s袁才能驱动空气涡轮高速旋转袁带动发电机发电遥 渊源冤原动机一发电机 它们的作用是完成波浪能向电能的装换遥 原动机可用空气涡轮尧 液压马达尧水轮机等遥 发电机可用交流发电机袁也可用直流发电机遥 渊缘冤电器控制与自动控制设备
专题3：海浪发电的发展现状与趋势
浮球式发电设备
集浪浮板发电原理 中国石油大学（华东）
二、国内外海浪能发电的现状
2、海浪能利用技术
根据一级能量转换系统的工作原理，可以将目前世界上的波浪能利用 技术大致划分为：振荡水柱、摆式、筏式、收缩波道、点吸收（振荡浮 子）、鸭式等技术。 （1）振动水柱技术 振荡水柱波浪能装臵利用空气作为转换的介质。其一级能量转换机构 为气室，其下部开口将水下与海水连通，上部也开口（喷嘴），与大气连 通；在波浪力的作用下，气室下部的水柱在气室内作上下振荡，压缩气室 的空气往复通过喷嘴，将波浪能转换成空气的压能和动能。二级能量转换 机构为空气透平，安装在气室的喷嘴上，空气的压能和动能可驱动空气透 平转动，再通过转轴驱动发电机发电。 优点：转动机构不与海水接触，防腐性能好，安全可靠，维护方便； 缺点：二级能量转换效率较低。
10W 航标灯用波浪能装置（左）运行中（右） 中国石油大学（华东）
二、国内外海浪能发电的现状（中国）
1987年开始研发3kW岸式振荡水柱波浪能装臵（图左），1989年在广东 省珠海市大万山岛建成。1992年至1996年，我国建成了一台20kW岸式振荡 水柱装臵（图右）和一台5kW漂浮式后弯管振荡水柱发电船。
左：悬挂摆，右：400 kW 浮力摆Oyster 中国石油大学（华东）
二、国内外海浪能发电的现状
（3）筏式技术 筏式装臵由铰接的筏体以及液压系统组成。筏式装臵顺浪方向布臵， 筏体随波运动，将波浪能转换为筏体运动的机械能（一级转换）；然后驱 动液压泵，将机械能转换为液压能；后者驱动液压马达转动，转换为旋转 机械能（二级转换）；再通过轴驱动电机发电，将旋转机械能转换为电能 （三级转换）。优点是筏体之间仅有角位移，即使在大浪下，该位移也不 至于过大，抗浪性能较好；缺点是装臵顺浪方向布臵，单位功率下材料的 用量比垂直浪方向布臵的装臵大，可能造成装臵成本较高。
波浪能发电装置输出功率的微分方程模型
Advances in Applied Mathematics 应用数学进展, 2023, 12(4), 1698-1703 Published Online April 2023 in Hans. https:///journal/aam https:///10.12677/aam.2023.124176波浪能发电装置输出功率的微分方程模型马家耀1，吴彬睿1，吕 平2*1杭州师范大学经亨颐教育学院，浙江 杭州 2杭州师范大学数学学院，浙江 杭州收稿日期：2023年3月24日；录用日期：2023年4月18日；发布日期：2023年4月27日摘要波浪能是当今社会一种十分具有前景的清洁可再生能源，提高波浪能发电装置的转化效率尤为重要。
针对波浪能发电装置只做垂荡运动的情况，本文建立基于微分方程的垂荡模型。
以垂荡模型为基础，本文进一步计算波浪能发电装置的平均输出功率，并建立以波浪能发电装置平均输出功率最大为目标的最优阻尼系数模型。
最后，本文通过多重搜索算法，遍历求解得到最大输出功率及对应的最优阻尼系数。
关键词微分方程，多重搜索法，波浪能发电装置，阻尼系数The Differential Equation Model for the Output Power of Wave Energy ConverterJiayao Ma 1, Binrui Wu 1, Ping Lv 2*1Jing Hengyi School of Education, Hangzhou Normal University, Hangzhou Zhejiang 2School of Mathematics, Hangzhou Normal University, Hangzhou ZhejiangReceived: Mar. 24th, 2023; accepted: Apr. 18th, 2023; published: Apr. 27th, 2023AbstractNowadays wave energy as the clean and renewable energy resource has a promising future, so it is particularly significant to enhance the conversion efficiency of wave energy converter. Aiming at the situation that the wave energy converter only does vertical motion, this paper establishes a vertical oscillation model based on differential equation. In terms of this model, the paper further calculates the average output power of wave energy converter, and establishes an optimal damp-ing coefficient model with the goal of the maximum average output power. Finally, the maximum output power and the corresponding optimal damping factor are obtained by traversing the solu-tion through multiple search algorithms.*通讯作者。
南鲲号漂浮式波浪发电_环境保护措施_概述及解释说明
南鲲号漂浮式波浪发电环境保护措施概述及解释说明1. 引言1.1 概述南鲲号漂浮式波浪发电是一种利用海洋波浪能源进行发电的先进技术。
随着全球对可再生能源的需求不断增加以及对传统能源的环境危害日益关注，波浪发电作为一种清洁、可持续的能源形式受到了广泛关注和研究。
南鲲号作为中国自主研制并投入实际运行的大型漂浮式波浪发电装置，具备较高的技术水平和丰富的应用经验，成为该领域中的一个重要代表。
本文将对南鲲号漂浮式波浪发电及其环境保护措施进行概述与解释说明。
首先介绍文章结构和目标，然后详细描述南鲲号漂浮式波浪发电的技术原理和设备特点。
接下来将重点讨论波浪发电对环境产生的影响，并提出减少生态风险和促进生态恢复的措施。
最后阐述南鲲号漂浮式波浪发电在环境保护方面所起到的积极作用，并探讨其对环境保护的意义和影响。
1.2 文章结构本文分为五个部分，分别是引言、南鲲号漂浮式波浪发电、环境保护措施、概述及解释说明以及结论。
在引言部分，我们将简要概述文章的主要内容以及研究目标。
在第二部分，我们将具体介绍南鲲号漂浮式波浪发电的概念、技术原理以及设备介绍。
第三部分将重点关注波浪发电对环境的影响，并提出减少生态风险和促进生态恢复的措施。
在第四部分中，我们将详细解释南鲲号漂浮式波浪发电如何实现环境保护措施的目标，并讨论其对环境保护的意义和影响。
最后，在结论部分，我们将总结文章要点和观点，并提出展望和建议。
1.3 目的本文旨在全面了解南鲲号漂浮式波浪发电及其环境保护措施，并深入探讨它对环境保护所起到的积极作用和意义。
通过对南鲲号漂浮式波浪发电的研究，我们能够更好地认识波浪发电技术在解决能源供应和环境保护方面的重要性，并为进一步推广和应用这项技术提供参考和借鉴。
同时，本文也旨在引起人们对可再生能源开发和利用以及环境保护问题的关注，推动科学社会的可持续发展。
2. 南鲲号漂浮式波浪发电2.1 概述南鲲号漂浮式波浪发电是一种利用海洋波浪能量进行发电的创新技术。
波浪能的转换方法及装置与流程
波浪能的转换方法及装置与流程波浪能作为一种可再生能源，日益受到全球各地的重视和关注。
利用波浪能进行能源转换的方法和装置也随着技术的发展逐渐成熟。
本文将介绍波浪能的转换方法及装置与流程。
一、波浪能转换方法波浪能转换方法主要分为机械转换和电磁转换两种。
机械转换：机械转换是指将海浪的机械能直接转化为其他形式的能量。
目前主要的机械转换方式有：1. 海浪式风力发电机。
该发电机由一些浮标组成，这些浮标会随着波浪的起伏而移动，驱动一个涡轮发电机，使其产生电能。
2. 压缩空气式海浪发电机。
该发电机是由一个大型的气压水箱、一个减压器和一个涡轮发电机组成。
当海浪把水箱充满后，压缩空气被存储在气压水箱中。
随着海浪的起伏，压缩空气被释放，流入减压器。
减压器将空气压力降低，使空气在涡轮发电机中旋转，进而发电。
3. 吸收能海浪风力发电机。
该发电机由一个浮标和吸收能装置组成。
当波浪在浮标上形成压力时，装置会定义形变，驱动联合发电机，最终产生电能。
电磁转换：电磁转换是指将海浪的机械能转化为电能。
目前常用的电磁转换方式有：1. 线圈发电机。
当海浪把浮标和滑轮抬高时，一根弹簧被压缩，拉紧一个线圈。
随着海浪的下降，这个线圈会突然打开，产生电流。
2. 线圈发电机/换能器组合。
该组合由一个线圈发电机和一个装有磁体的换能器组成。
当波浪驱动浮标上下起伏时，线圈通过换能器产生交流电。
3. 电场效应发电机。
该发电机由一个磁场、涂有带电涂料的浮标和一个水槽组成。
当海浪形成涟漪时，涟漪会在浮标上造成电荷分离，并通过电场效应来捕捉电荷。
这个电荷然后被收集并转化为电能。
二、波浪能转换装置波浪能转换装置的设计应该符合机械特性和电学特性的要求。
适当的减小损耗并且增加转换效率可以提高波浪能的利用效率。
目前主流的波浪能转换装置有以下几种：1. 海浪式风力发电机。
该设备由一些浮标、互相相连的液压缸以及涡轮发电机组成。
当海浪启动整个系统时，浮标会相应地上下起伏，释放出高压油液并使行程缸向上升。
一种基于压电材料的波浪能发电装置
Science and Technology &Innovation ┃科技与创新2020年第05期·87·文章编号：2095－6835（2020）05－0087－01一种基于压电材料的波浪能发电装置＊陈凯，何依然，郑聪聪（嘉兴南洋职业技术学院，浙江嘉兴314000）摘要：波浪能指海洋表面波浪所具有的动能和势能，其具有能量密度高、分布面广等优点。
它是一种最易于直接利用、取之不竭的可再生清洁能源。
尤其是在能源消耗较大的冬季，可以利用的波浪能能量也最大。
装置以压电材料为主，利用海浪推动压电材料发生形变产生电能。
关键词：波浪能；压电材料；发电装置；水轮机中图分类号：P743.3文献标识码：A DOI ：10.15913/ki.kjycx.2020.05.0331前言在常规能源日益枯竭的今天，有必要将目光转向可再生能源，海洋波浪能是最易于利用、取之不竭的一种新能源。
在现有理论与技术下，研究并开发了这套装置。
波浪能技术目前还处于发散状态，但发展趋势是不断地向高效率、高可靠性、低造价方向发展，以形成低成本的成熟技术，最后通过规模化生产和应用，大幅度降低发电成本。
目前已经研究开发了多种波量能技术，实现波浪能转换。
波浪能发电技术主要分为振荡水柱式、震荡浮子式和越浪式三种。
本装置以压电材料为主，利用海浪推动压电材料发生形变产生电能。
2装置设计思路本装置设计目的是将波浪能转换成机械能，再将机械能转换成电能。
装置在海上应用如图1所示。
图1装置在海上应用示意图2.1波浪能→装置产生形变：类似船体的中拱中垂现象装置中拱中垂现象如图2所示。
在波浪状态下，装置内产生的总纵弯矩比静水中大，当波浪与装置长相等或接近时，装置弯曲最严重。
当相邻两个波峰分别位于装置两侧，波谷位于装置中部时，装置两侧排水量增大，所受浮力也随之增大，装置中部排水量减小，所受浮力也随之减小，这样就导致装置两侧所受浮力远大于中部所受浮力，即装置受力不均匀从而发生中垂弯曲；反之当波峰位于装置中部时，装置的中部所受浮力远大于装置两侧，装置受力不均匀从而发生中拱弯曲。
哈尔滨工程大学科技成果——梳式防波堤-波浪能装置集成系统
哈尔滨工程大学科技成果——梳式防波堤-波浪能装
置集成系统
项目概述
面对岛礁工程电力缺乏的现状，考虑岛礁附近蕴含丰富的波浪能资源，针对现有波浪能转化装置转化效率偏低、生存性能低和发电成本高的不足，基于梳式防波堤结构收缩聚波效应有益提高聚波室内波高幅值，提出一种浮子式波能装置——梳式防波堤集成系统，系统主要包括：沉箱、翼板和振荡浮子。
集成系统的主体为梳式防波堤，两相邻沉箱和翼板构成消浪室，振荡浮子布置于消浪室内，采用垂直导桩限制浮子的运动，使得浮子仅做垂荡运动，能量输出系统位于浮子的上部。
在波浪的作用下振荡浮子做垂荡运动，进而驱动能量输出系统，实现波能捕获。
集成系统在目标海域迎浪侧阵列布置，形成兼具防波堤功能的波浪能发电场。
集成系统与海岛之间采用海底电缆连接，以保证对海岛的能量输出。
将浮子式波能装置置于聚波室内，提高波浪能转化效率，实现多功能海工结构物的空间共享和成本共享，并为波浪能转化装置提供庇护，提高波浪能转化装置的生存性能，从而可促进波浪能开发的工程化应用，为岛礁工程解决电力匮乏等问题提供解决思路。
项目成熟情况实验室验证阶段
应用范围
（1）该系统可应用于独立海岛开发、离岸水产养殖和海上作业等电力能源供给，可应用于中国海能流密度较低领域的波浪能开发，
为沿海经济发展提供电能。
（2）该系统可促进集成系统的波浪发电功能和防波堤功能可为偏远岛屿建设提供支持，为防波发电系统的设计规范的编写，提供基础数据支撑，从而更好服务于岛礁建设，促进国防事业的发展。
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波浪能发电系统浮板的优化设计 向健平，凌永志，沈 尧 （长沙理工大学 能源与动力工程学院，长沙 410114）
摘 要：针对波浪能发电系统设计中浮板能量转换效率低的问题，基于海南省某地现有波浪能发电实验站的波浪能采集装置，采用Fluent软件进行建模仿真的方法对其进行优化设计，提出一种优化摆式浮板的设计方案。比较原浮板和优化浮板在吸收波浪水平方向动能的能力、能量损耗、浮板积水问题等方面的差异，结果表明这种优化的摆式浮板能成功实现浮板在收集波浪水平动能能力上的提升，并且解决浮板积水问题，减小能量损耗，从而提高浮板能量转换效率。 关键词：波浪能；浮板；能量转换；水动力分析 中图分类号： 文献标志码：A 【DOI】10.13788/j.cnki.cbgc.2017.07.037
Study on Optimal Design of Floating Plate for Wave Energy Generation System
XIANG Jianping, LING Yongzhi, SHEN Yao (School of Energy and Power Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, China)
Abstract: This paper proposes a design method of optimizing an existing tilted floating plate to raise its efficiency in generating power. Modeling of both original floating plate and optimized floating plate has been developed to compare the differences in the aspects of energy dissipation and wave energy absorption capacity in the horizontal direction. The results of simulation show that the design method has improved the ability of collecting wave horizontal kinetic energy and raised the conversion efficiency of the floating plate and reduced energy loss, thus improved the wave energy conversion efficiency. Key words: wave energy; floating plate; energy conversion; hydrodynamic analysis
0 引言 人类的生存发展离不开能源，为了解决能源困境，越来越多的新能源被开发利用。波浪能作为近年新兴的清洁能源，在国内外都受到了广泛关注[1-3]。波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能，与波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比，是海洋能源中能量最不稳定的一种能源。 我国海域辽阔，蕴藏着丰富的海洋能。调查统计表明，我国沿海波浪能理论装机容量约1 285万千瓦。但是我国海洋能源的能量密度普遍较低，大部分沿海地区的年平均波浪功率密度仅为2 kW/m～7 kW/m。因此，从波浪能开发利用技术的角度而言，提高能量转换效率是衡量发电系统优劣的关键性指标之一[4]。 波浪能的发电装置多种多样，有点头鸭式、波面筏式、摆式、振荡水柱式、收缩水道式等十余种[5]。然而，波浪能发电的能量转换效率过低，成为限制其发展和推广的关键因素。其中，浮板的设计优劣会直接影响到波浪能发电系统的发电效率和生产成本。浮板的主体是一个大型的基本上密封的中空箱型装置，制造材料为轻薄钢材，可以随波浪起伏而浮动。目前，浮板能量转换效率低是亟待解决的一个问题。 本文主要分析波浪能发电系统使用的摆式浮板，找出其能量转换效率较低的原因，结合计算机仿真技术和现场考察，设计出可以提高浮板能量转换效率的新型浮板。该研究将为波浪能资源的利用提供理论依据和技术支持。
1 摆式浮板发电技术 波浪能开发利用的设想可以追溯到一个多世纪之前，但是真正有应用价值的研究是从上世纪60年代才开始的。摆式波浪能发电技术最早由渡部富治教授提出；而日本室兰工业大学在其基础上进行了进一步的深入研究，并于1983年在北海道的一处港湾建造了一座5 kW小型摆式波浪能发电站。该电站的发电装置通过摆式结构从波浪中获取能量，然后通过用一台单向作用的液压泵将能量转换为液压能并驱动发电机发电，但是电站在一次暴风雨中被毁；在此基础上，日本又于1987年建造了一座20 kW摆式波浪能发电站，该电站在投入运行后3个月又被摧毁。摆式结构的波浪能发电装置很适合波浪低频率的特性，总体效率可以达到20%～30%。我国也早已着力开发波浪能，并取得了一定的研究成果[6]。
2 浮板能量转换效率分析 波浪能是海洋能源中能量最不稳定的一种能源。浮板能量转换效率与自然环境、浮板设计等因素相关。 2.1 自然环境方面 波浪能是由风把能量传递给海洋而产生的，其实质是吸收风能而形成。能量传递速率与风速有关，也与风、水相互作用的距离有关。波浪能可以用波高、波长和波周期等特征来描述。单位波前宽度上的波浪功率计算公式为 2220.564πgPHTHT （1）
式中：P为单位波前宽度上的波浪功率，kW/m；H为波高，m；T为波浪周期，s；ρ为海水密度，取1.025×103 kg/m3；g为重力加速度，取10 m/s2。 由式（1）可知，每米海岸线生产电能的大小，与波浪波高的平方成正比，与波浪周期成正比。 以摆式浮板为例，建立简化的数学模型进行采集效率估算，如图1所示。波浪能按正弦波区域的势能近似可得：
11
11
1
sin2100sin220022120211ddd2sind28THwtTHwt
T
PgyytgytgHwttgHT
（2）
式中：P1为单位波前宽度上浮板采集的波浪功率，kW/m；H1为正弦波波高，m；T1为正弦波波浪周期，s；ω为角频率，rad/s；t为时间，s；y为位移，m。
图1 浮板的采集效率 未能利用的能量按矩形区域的势能近似可得： 2
22
2200
220022022ddd2d24ThTh
T
PgyytgytghtghT
（3）
式中：P2为单位波前宽度上未能利用的波浪功率，kW/m；h为矩形区域波高，m；T2为矩形区域波浪周期（与T1
相等），s。 因此，采集效率η估算为 11221221
100%100%2PPPHHh
（4）
由以上分析可知：浮板的采集效率与浮板前后的波浪波高有关。当矩形区域波高h不变时，若浮板后正弦波高H1越大，则浮板采集效率越高；当正弦波波高H1不变时，若浮板前矩形区域波高h越小，则浮板采集效率越高。因此，提高浮板采集效率不仅需要选择合适的装置安装位置，还需要设计合理的浮板高度。本文所选波浪能发电装置安装在海南省，该处海域波浪能资源丰富，可以提高浮板采集效率。浮板的设计高度将会在后续内容中进行说明。 2.2 浮板设计方面 图2为系统能量流程图，由图可以看出，由于机械损耗和水力损失的影响，浮板能量转换功率从P0降为P1。因此，浮板的能量转换效率与机械损耗和水力损失有关，若能通过设计浮板结构减少水流在浮板上产生摩擦、撞击和漩涡等损失，则可以提高浮板的能量转换效率。此外，通过设计浮板结构增强浮板吸收波浪水平方向动能的能力，以及对正面来波的拦截和吸收能力，也将会提高浮板的能量转换效率。
图2 系统能量流程图 3 浮板性能分析与优化 图3所示的波浪能发电系统位于海南省，是2013年从以色列引进的一台样机。其浮板设计厚度约为0.6 m，实际吃水深度为0.118 m。若考虑到内部支撑结构及液压杆对浮板的作用力，则浮板吃水深度约为0.16 m～0.18 m，原浮板质量为1 174.9 kg。
图3 波浪能采集子系统左视图 图4为原浮板CAD三视图，由图可知，原浮板整体为水平状，其宽度约为3.8 m，长度为4.0 m，厚度约为0.6 m。根据国家海洋监测资料和实地记录数据可知：南海海域发电站处平均浪高为1.2 m，远高于浮板厚度；原浮板整体为水平状，一旦较大的浪涌通过浮板，大量海水将积聚在浮板上并抑制浮板向上的浮力，从而产生很大的能量损耗｡此外，浮板末端铰链结构与堤岸基础相连接，连结位置因考虑到浮板回收等问题而设置在较高位置。当海面处于低潮时，浮板会向下倾斜，则铰链位置悬空，此时浮板只有部分受到浮力作用，而且铰链位置应力会发生变化，从而加重波浪能损耗；当海面处于高潮位时，波浪通过时容易淹没浮板，造成巨大的波浪能损耗｡
波浪能集
浪浮板
液压传输
发电机
电能
机械损耗水力损
失局部压
力损失沿途压
力损失油压
马达损失铜损
铁损机械
损失
P0P
1P
2P
3