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1、第一章机电能量转换原理教学目的：①讲述机电能量转换的基本原理。②单边激励机电装置的基本原理。教学内容：①简单介绍一下机电装置的工作原理；②机电能量守恒的基本原理及能量关系；③单边激励电机装置的基本工作原理。教学时间：四学时。一、能量守恒原理各种机电能量转换装置的用途和结构是不同的，但工作基本原理都是相同。机电能量转换过程是电磁场和运动的载电物体相互作用的结果。任何机电能量转换装置中都有载流的电系统、机械系统和用作为耦合和储存能量的电磁场，都有一个固定部分和一个可动部分。同时，机电能量转换过程又是一个
2、可逆过程。下面给大家介绍一下能量守恒原理：在质量守恒的物理系统中，能量既不能产生、消灭，而仅能改变其存在形态，这就是能量守恒原理。能量守恒原理是我们研究机电装置的基本出发点之一。二、机电能量转换过程中的能量关系绝大多数机电装置都由电系统、机械系统和联系两者的耦合磁场组成。所以我们根据能量守恒原理可以得出这样一个能量转换关系式：由电源输入的电能由电源输入的电能＝．(1-1)对电动机，式中的电能和机械能均为正值；对发电机，两者均为负值。式(1-1)中的能量损耗通常分为三类：一类是电系统(绕组)内部的电阻
3、损耗；一类是机械部分的磨擦损耗、通风损耗，统称为机械损耗；一类是耦合电磁场在介质内产生的损耗，包括磁滞和涡流损耗等。为了研究方便，我们通常把电阻损耗和机械损耗从系统中移出，并且不计介质损耗，那么机电装置为一个“无损耗磁储能系统”，也可以看成是一个保守系统。对于无损耗磁储能系统，在时间dt内，其能量关系为：dWe=dWm+dWmech(１＿２)无损耗的磁储能系统电端口机械端口图1_1把损耗系统成为“无损耗磁储能系统”把损耗移出，使整个系统成为“无损耗系统”，这样做既便于导出磁场储能和相应的机电耦合项－
4、电磁转矩，使过程成为单值、可逆，给整个分析带来了很大方便。三、磁场储能主要介绍单边激励的机电装置的工作原理：在这里我们先研究一个最简单的机电装置中的磁场储能。该装置由定子铁心、转子铁心和气隙组成一个闭合磁路，定子铁心上装有线圈，可从电源输入电能。如图1-2所示。设电源电压为u，线圈中的电流为I，电阻为Ｒ；则在时间内，由电源输入装置的总电能应为ui消耗于电阻Ｒ上的电能为i2R。于是在时间内，输入耦合磁场的净电能为为＝－2＝(－)(1_3)耦合场通过电路输入电能的同时，磁场将发生变化，并对电路作出反应。
5、设线圈的磁链为Ψ，根据法拉第电磁感应定律，Ψ的变化将在线圈内产生感应电动势,=-(1-4)的正方向与电流i的正方向一致，I与Ψ之间符合左手螺旋关系。线圈的电压关系方程为=-(1-5)把上式代入式(1-3)，可得输入耦合场的净电能为为＝－(1-6)设作用在转子上的电磁转矩为,在内转子转过的角度为，机械角，则装置的微分总机械能输出为＝(1-7)把上式代入(1-2)，就有＝－(1-8)由于装置的磁储能系统是无损耗系统，是一个保守系统，磁场储能则是一个状态函数，故的值将由独立变量和(为电角)的即时值唯一确定
6、，而与如何达到该值无关；因此，可以从不同的路径中选取一条易于积分的路径，来确定某一磁链和转子位置(,)处的磁能(,)，图1_3示出了两条不同的积分路径，其中路径是一条任意的路径，按此路径积分十分困难；路径则是一条较易积分的路径，它由2α和2b两段组成，按此路径(,)＝＋(1-9)在路径2α上，由于＝０，所以电磁转矩＝０，故＝0，于是从(1-8)可知，＝0。在路径2b上，＝0，中的第二项等于零，仅剩下第一项；可得下式：(,)＝(1-10)上式就是单边激励机电装置的磁场能量公式，对于线性或非线性系统均适
7、用。从公式中可以看出如果要确定(,)，可先把转子位置固定于，再求出此位置下磁链从0增长到时，场从电源输入的净电能，此能量就是(,)。图(1-4)是磁场能量的图解表示，面积0ab0代表系统的磁场能量。①②图1-3确定(,)的不同路径图1-4磁能和磁共能若系统为线性，则磁链与电流成正比，＝(1-11)其中为线圈的电感，它与转子的位置有关；于是＝，而(,)＝＝＝(1-12)式(1-10)中，磁链是自变量。若以电流为自变量，对磁链进行积分，可得(,)就称为磁共能.从图１-４可见,磁共能可以用面积来代表;且即
8、磁能与磁共能这和可用图中的矩形面积来代表,“磁共能”的名称由此而得,而就成为磁共能的定义.不难看出,在一般情况下,磁能与磁共能互不相等.若装置的磁路为线性,曲线是一条直线,则不难看出,代表磁能和磁共能的两块面积相等,即:引入磁共能便于计算电磁转矩.实际上,磁场能量分布在磁场所在的整个空间.单位体积内的磁能为由于磁场气隙中有磁性介质,所以空间中的磁场密度为这公式表明,在一定的磁通密度下,介质的磁导率越大,磁场的储能密度就越小.所以对于通常的机电装置,当磁通量从０开始上升
