机电能量转换能量关系

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机电能量转换
磁共能（伴随能）
改变磁场储能的积分变量 非线性
磁能
磁共能

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线性
机电能量转换
磁能和磁共能一般表达式
具有n个绕组的机电装置 非线性
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机电能量转换
5
机电能量转换
机电能量转换装置的分类


机电信号变换器：
实现机电信号变换的装置 在功率较小的信号下工作的传感器 通常用于测量与控制系统中， 如 旋转变压器，扬声器等
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机电能量转换
机电能量转换装置的分类


动铁换能器：
线圈通电流，激磁产生力，使动铁产生有限位 移的装置 如 继电器，电磁铁，接触器等
机械系统： 弹簧 静物
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机电能量转换
状态函数
状态变量： 描述系统即时所处状态的一组独立变量 状态函数： 由一组状态变量确定的，描述系统即时状态 的单值函数 把真实系统的损耗移出，构建保守系统，建 立系统状态函数，对研究机电能量转换过 程具有重要意义。
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机电能量转换
保守系统能量和力
状态变量
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机电能量转换
机电装置的能量方程
能量形式： 电能 机械能 电场或磁场储能 热能 能量方程：
电源输入
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电动机状态
＝
耦合场储 能增量
＋
机械能 输出
＋
转换成热的 能量损耗
机电能量转换
机电装置的能量损耗类型
电系统： 电流产生的铜耗（电阻损耗） 机械系统： 通风和摩擦产生的热损耗（机械损耗） 耦合电磁场： 铁心的涡流损耗和磁滞损耗（介质损耗）
主要内容
1. 研究电气与机械相互耦合系统中 能量转换规律 2. 建立机电系统运动方程的方法 3. 电机统一理论 4. 旋转电机能量转换的条件
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机电能量转换
1. 机电能量转换基本原理
Fundamental Principle of Electromechanical Energy Conversion
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机电能量转换
机电能量转换形式分类





电场力：静电式机电装置 功率小 磁场力：电磁式机电装置 功率大，如电机； 电致伸缩与压电效应 功率小，不可逆 磁致伸缩
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机电能量转换
机电能量转换装置中耦合场
耦合场： 耦合电场→机电式 耦合磁场→电磁式
作用： 耦合场和运动的载电物体相互作用，实现机 电能量转换。
2
本章主要内容
1. 2. 3. 4. 机电装置的能量关系 单边激励的机电装置模型 双边激励的机电装置模型 用电场作为耦合场的机电装置模 型
机电能量转换
3
本节主要内容
1. 机电能量转换装置定义和 分类 2. 机电装置的能量关系分析 3. 保守系统和磁场储能
4
机电能量转换
机电能量转换装置定义
定义：机械能和电能转换的装置； 原理：耦合场和运动的载电物体相互作用； 基本点： 载流的电系统（绕组）→固定部分 机械系统→可动部分 电磁场→用作机电耦合和存储能量介质 分类： 大小不一，种类繁多，功能多样
大多数电磁铁等变换器有一 个电端口和一个机械端口（ 两端口）。 大多数旋转电机有两个电端口 和一个机械端口的装置（三端 口）。
两端口
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三端口
机电能量转换
机电装置的能量分析
质量守恒系统： 遵循能量守恒原理 基本联系： 机电装置＝电系统＋机械系统＋耦合场 耦合场: 从输入系统吸收能量，补充储能 释放储能给输出系统 能量转换的关键。
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机电能量转换
保守系统
定义： 全部由储能元件所组成的，与周围系统没 有能量交换的自守物理系统 无能量损耗的物体和元件 不与周围系统能量交换 总能量守恒
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机电能量转换
储能元件
电系统： 电感 电容
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机电能量转换
储能元件
机械系统： 旋转体 平移体
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机电能量转换
储能元件
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机电能量转换
机电能量转换过程

机械能→电能：
机械可动部分发生位移→输入机械能→耦合场储 能变化→输出电能

电能→机械能：
输入电能→耦合场储能变化→机械可动部分发生 位移→输出机械能
特点： 载流电系统（绕组） 机械系统
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耦合场
机电能量转换
机电能量转换分析方法
归纳为具有若干个电端口和机械端口的装置：
耦合场吸收 总能量
＋
输出的总 机械能
机电能量转换
能量方程的微分形式
dW电＝dW场＋dW机
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机电能量转换
能量方程的微分形式
dW电＝dW场＋dW机
微分形式的能量方程，突出重点，把握实质： 重点研究能量的转换机理 耦合场对电系统和机械系统反应 考虑损耗，解决过程实际问题，损耗并 不影响机电能量转换过程
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机电能量转换
机电装置的能ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ方程
将三种损耗归类到相应的能量中，能量方程：
电源输入
＝
耦合场储 能增量
＋
机械能 输出
＋
转换成热的 能量损耗
电阻损耗 机械损耗 介质损耗
电源输入 － 电阻损耗
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＝
耦合场储能增量 ＋ 介质损耗
＋
机械能输出 ＋ 机械损耗
机电能量转换
机电装置的能量平衡
介质损耗
净电能
19
＝
7
机电能量转换
机电能量转换装置的分类


机电能量持续转换装置：
电动机，发电机
DC 电机
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机电能量转换
机电能量转换装置的分类


机电能量持续转换装置：
电动机，发电机
AC 电机
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机电能量转换
机电能量转换装置的分类


装置动作情况：
平移机电转换装置 如：继电器 旋转机电转换装置 如：电动机，发电机
电系统（i, q, u）;机系统（x, θ） 能量： 力：
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机电能量转换
磁场储能
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机电能量转换
磁场储能

电压方程 能量平衡方程式 衔铁静止于X1处时磁场储能
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机电能量转换
磁场储能

磁链和磁场储能关系
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机电能量转换
磁场储能密度
单位体积下的磁场储能 线性情况下：

Wm 1 m BH V 2