电机分析-3_机电能量转换

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1、电机分析讲义—20041.机电能量转换的基本原理第2部分机电能量转换1.1概述¾研究机电能量转换的目的与意义¾机电能量转换的基本原理¾机电能量转换方式¾旋转电机机电能量转换的条件¾机电能量转换装置的分类¾机电能量转换装置的基本构成¾总结12（1）研究机电能量转换的目的与意义（2）机电能量转换方式机电能量转换研究的是机电耦合系统中能量传递∑电致伸缩与压电效应和转换的规律。∑磁致伸缩在了解各种电机的个性的基础上，用机电能量转∑电场力换的基本原理概括其共性（共同规律）。静电式机电装置∑电磁力V建立各种电机能量转换机制的总体概念，进而加电磁式机电装置（如：旋转电机）深对各种

2、电机个性的理解实际中，绝大多数机电装置采用电磁力来实现机电V这些规律可推广到其他种类的机电装置中，并为今后研发分析各种特殊和新型电机提供理论基础能量转换。以下仅以电磁式机电装置为研究对象。34（3）机电能量转换装置的分类¢电磁铁按功能分类：¾机电信号变换器主要用于测量和控制装置中，如拾音器、扬声器、旋转变压器等¾动铁换能器电励磁产生力，使动铁产生有限位移。如继电器、电磁铁等¾机电能量持续转换装置如电动机、发电机等电磁铁由一个电端口和一个机械端口组成旋转电机是机电能量转换装置中较复杂的一类。561电机分析讲义—2004¢他励直流电动机（4）机电能量转换装置的基本构成组

3、成部分：ifiaΩ´载流的电系统ufua´可动的机械系统´作为耦合媒介和储存能量的电磁场Ω从总体看，有两大部分：固定部分、可动部分T在机电装置中，电频率较低，可动部件的运动远远低于光速，因此可以：直流电动机由两个电端口和一个机械端口组成（1）忽略电磁辐射，认为装置是质量守恒系统；（2）把磁场与电场分别考虑。781.2机电能量转换过程中的能量关系（1）机电装置的能量方程式ò能量方程式ò能量守恒原理是研究机电装置的基本出发点之一根据能量守恒原理，按照电动机惯例，可写出机质量守恒的物理系统遵循能量守恒原理电装置的能量方程式为ò耦合场及其储能的存在，是机电能量转换的关键机电

4、能量转换依赖于耦合场的作用来实现电磁场作为耦合媒介并储存能量©独立的磁场（电磁式）或者电场（静电式）对于发电机，©电系统的电阻损耗©耦合场的变化会引起电系统和机械系统的变电能、机械能©机械系统的机械损耗化，是机电能量转换的核心均为负值©介质损耗（如铁耗）910ò损耗的处理ò能量微分平衡式将各损耗归并到相应的系统中，能量方程式为2iRiΩ()xuReTT2(f)(f2)输入耦合场的耦合电磁场吸收转换为机械能净电能的总能量的全部能量对于此无损耗系统，在时间dt内，能量关系为能量转换过程是由耦合场的变化对电系统和机械系统的反应所引起。损耗不影响能量转换的基本过程。dWe＝

5、dWm＋dWmec把损耗分类并扣除，可得到无损耗的机电耦合系统dWe——在时间dt内输入耦合场的电能；（保守系统）——突出问题的核心（耦合场对电系dWm——在时间dt内耦合场储能的增量；统和机械系统的反应与作用）。dWmec——在时间dt内耦合场输出的机械能。11122电机分析讲义—2004（2）保守系统和状态函数（2）保守系统和状态函数ò保守系统ò保守系统的特点全部由能存储和释放能量且无损耗的储能元件组V系统的瞬时状态可用一组独立的状态变量来描述成的、与周围系统没有能量交换的自守物理系统。V系统的储能以及与储能相联系的保守力都是状态保守系统的总能量是守恒的。函数，

6、即两者都仅与系统的瞬时状态有关，而与系统的历史和到达该瞬时状态的路径无关。理想物理系统的储能元件——本身无损耗，在一定条件下能储存能量，当条件变化时又可释放能量状态函数——由一组状态变量所确定的、描述系统2（如线圈、电容器、运动物体、被升高的静物）即时状态的单值函数（如电容储能W＝f(q)＝）qC/2对于机电系统，若将其损耗移出，电系统和机械保守力——储能元件处于储能状态时对外表现出的系统都不与外界能源相连，则成为一个保守系统。广义力（如电容电压ufqqCWC===()/2/）13141.3机电能量转换基本原理（1）感应电动势和电能输入ò电能输入的必要条件以电磁铁为

7、例——最简单的、以磁场为耦合场、将衔铁固定在某一位置x；按规定的正方向单边激励的机电装置uiRe−=−=d/dψtt12δWue=−∫()iiRdtδ铁心C0衔铁At11ψ=−=∫∫eitddiψ00弹簧KddWee=−it=idψ正方向如图中所示通过磁场和线圈磁通量的变化，在线圈内感应电动势，从而给耦合场输入能量——产生感应电动势l为铁心磁路长度是耦合场从电源输入电能的必要条件。e1516（1）感应电动势和电能输入（1）感应电动势和电能输入ò感应电动势ò感应电动势机电能量转换装置中，磁链ψ随电流i和可动部分是否产生运动电动势，是运动电路与静止电路的的运动而变化