机电能量转换原理

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1、机电能量转换原理西南交通大学电气工程学院本章内容一、磁场系统中的力二、能量平衡三、单边励磁磁场系统中的能量四、由磁储能确定力五、由磁共能确定力六、多变励磁磁场系统一、磁场系统中的力和转矩电荷的洛伦兹电磁力电场中的洛伦兹力磁场中洛伦兹力载流导体的电磁力磁性材料中的电磁力洛伦兹电磁力定律处于电磁场中电荷q所受到的电磁力F电磁力F(N)电荷q(库仓)电场强度E(V/m)磁通密度B(T)电荷在电磁场中的运动速度v(m/s)电场和磁场中的洛伦兹电磁力纯电场中力的方向和电场强度的方向一致与电荷的运动方向无关纯磁场中电磁力密度电荷密度ρ(C/m3)：单位体积内的电荷电磁力密度FV(

2、N/m3)：单位体积内产生的电磁力电流密度纯磁场中的电磁力密度（F=BLV）磁性材料中的电磁力磁性材料受力详细计算十分复杂需了解整个构体的磁场分布情况简化成：只计算整体净力多数机电能量转换装置采用刚性结构很少要求详细计算内部应力分布旋转电机中电动机：定子磁场的旋转超前于转子磁场，定于牵引转子运动并做功发电机：转子磁场超前于前于定子磁场，转子对定子做功电流在磁场产生力铁磁材料在磁场中产生力二、能量平衡能量守恒：能量既不能产生也不能消亡，只能发生形式的转换在将电能转换成机械能的系统中电源输入=机械能输出+磁场储能的增量+转换为热能在无损系统中在将机械能转换成电能的系统中输

3、入机械能=电能输出+磁场储能的增量+转换为热能在无损系统中能量法计算磁性材料的电磁力假设磁场无损耗电损耗由电端电阻损耗表示机械损耗由机械端损耗表示磁场储能由电系统输入的电功率磁场储能系统输出的机械功率单位时间磁场储能变化三、单边励磁磁场系统中的能量以电磁继电器为例假设线圈电阻用外接电阻R来表示机械端变量包括力ffld和位移x机械损耗表示成与机械端相连的外部元件力ffld由磁场产生运动磁臂无质量铁心和磁臂构成一个无损磁储能系统电磁继电器磁场储能继电器的磁路可以表示成一个电感L磁结构形状尺寸磁性材料磁导率的函数机电能量转换装置的磁路中包含有气隙把运动部件隔离出来多数情况下

4、气隙的磁阻远大磁性材料的磁阻能量主要存储于气隙中磁路的性质主要由气隙的尺寸决定忽略磁路的非线性铁心损耗如需要，由近似所得的最终结果可用经验的方式加以校正，以减小因忽略某些因素而造成的误差磁链λ和电流i是线性关系电感由磁路的几何形状和位移x所决定继电器的机械能输出磁场储能磁场储能系统是无损的是一个保守系统－积分与路径无关Wfld由变量λ和x唯一确定λ和x的值唯一地决定了系统的状态，故称为状态变量磁场储能四、由储能确定磁场力无损磁场储能系统，磁场储能是一个状态函数，唯一地由独立状态变量x确定dWfld的全微分为对比后得到电磁继电器的电磁力旋转机械端的转矩输出机械能磁场储能

5、转矩例单线圈，转子椭圆气隙不均电感随转子位置变已知其中L0=10.6mH,L2=2.7mH转子位置角θ为定子线圈磁轴和转子长轴之间的夹角求：i=2A时的转矩解电磁转矩带入数值得五、由磁共能确定力定义：磁共能用电流描述所以电磁力和转矩全微分对比得到对旋转机械端单边励磁系统的磁能电磁继电器六、多边励磁磁场系统许多机电装置具有多个电端每个电端选择自己的磁链和电流磁场储能系统无损耗如：具有2个绕组的励磁磁场系统磁储能选择磁链λ1、λ2和x为自变量磁储能全微分后对比可得谢谢！