机电能量转换
§1.4 机电能量转换条件
§1.4 机电能量转换条件为了总结出机电能量转换条件，我们就首先要来研究转换功率，然后再通过对功率方程的总结来推导出机电能量转换条件。
一·转换功率和功率方程通过前面对双边激励机电装置的分析，我们得出了下面这样一组等式：e1=－[L11(θ)di1/dt－L12(θ)di2/dt] －[i1∂L11(θ)/∂θ+i2∂L12(θ)/∂θ]dθ/dte2=－[L21(θ)di1/dt－L22(θ)di2/dt] －[i1∂L21(θ)/∂θ+i2∂L22(θ)/∂θ]dθ/dt若系统为线性，从上面这两个式子可知，定、转子绕组的电压方程为：u1=i1R1+(L11di1/dt+L12di2/dt)+(i1∂L11/∂θ+i2∂L12/∂θ)dθ/dt u2=i2R2+(L21di/dt+L22di2/dt)+(i1∂L21/∂θ+i2∂L22/∂θ)dθ/dt上面的定、转子绕组的电压方程可以用矩阵的形式来简化表示：U=Ri+Ldi/dt+(∂L/∂θ)dθ/dt (式1.4.1)=Ri+ Ldi/dt+ EΩ在这个式子中U、i为绕组的电压、电流矩阵，R、L为电阻和电感矩阵。
EΩ为运动电动势矩阵。
U=(u 1, u 2)T, i=( i 1, i 2)T,R1 0 L11L12R= L=0 R2 L21 L22EΩ=[ i1∂L11/∂θ+i2∂L12/∂θ, i1∂L21/∂θ+i2∂L22/∂θ]T式1.4.1是对电端口考虑时所得出的。
对于机械端口可以得出转矩方程：T m=Jd2θ/dt2+RΩdθ/dt +T mech式中：J—转动惯量RΩ—旋转阻力系数T mech—轴上的机械（负载）转矩其中电磁转矩T m=1/2i T(∂L/∂θ)i (式1.4.2)=1/2(i12∂L11/∂θ+2 i1 i2∂L12/∂θ+ i22∂L22/∂θ)把式1.4.2两边同时乘以机械角速度Ω，有T mΩ=i T(∂L/∂θ)iΩ/2=i T EΩ/2 (式1.4.3)式（1.4.3）左端T mΩ表示电磁转矩在旋转时所作的机械功率，右端的i T EΩ/2表示由运动电动势引起的输入功率。
电机机电能量转换(0920-13：38更新)
201609201 推导线圈磁场能。
如何推导线圈磁场能？ 首先明确什么是线圈的磁场能？前人说，对于很多电磁系统来说磁场能是外部给电磁系统注入能量过程中，一部分转化为机械能，一部分转化为热能，另一部分能量则贮存在磁场中，这部分贮存在磁场中的能量称为磁场能。
比如我们给一个单线圈电磁系统充电，一部分电能可能转化成为了电磁系统的机械能，另一部分则贮存在磁场中称为磁场能。
而且前人研究，电磁系统磁场能是保守函数，只有状态变量各个线圈的电流和磁链当前值有关，而与建立过程无关。
注意这个性质非常要，这给了我们一个求取电磁系统磁场能的途径，就是我们知道了一个电磁系统当前时刻的电流和磁链，那么我们就可以这个性质和能量守恒的规律求取这个电磁系统的磁场能，方法就是找一个孪生空载电磁系统，让这个孪生电磁系统可动部件位置固定保持跟当前位置相同，从0i =，0ϕ=的状态开始，慢慢给这个孪生电磁系统充电，使之达到目标电磁系统各个线圈的当前电磁系统各个线圈电流相同，注意我们让电流相同，又保持了孪生电磁系统可动部件位置与目标电磁系统相同，自然保证了孪生电磁系统各个线圈自感互感与目标电磁系统相同，自然保证了磁链与目标电磁系统相同。
所以孪生电磁系统磁场能与目标电磁系统相同，而根据能量守恒，在充电过程中，孪生电磁系统只有电能与磁场能的转化，所以充电过程中注入孪生电磁系统的电能就等于目标电磁系统的磁场能。
具体可以参见A.1和A.2。
A 孙旭东老师课件（汤蕴缪老师）转矩理解小结A.1 先研究单线圈电磁系统的情形A.1.1 磁场能分析一个当前电流是1i 磁链是1ϕ的线圈的磁场能是这样的：当这个线圈电流是0，磁链是0时，外部电源给线圈充电，充到电流是1i ，磁链是1ϕ，这个过程中外部电源给这个线圈注入的电能，一部分转化为了机械能、一部分转化为了铜损，一部分转化成了涡轮损耗（铁损），剩下的能量就是这个线圈的磁场能，或者说剩下的能量就转化为了线圈的磁场能。
机电能量转换基础课件
电力电子技术是指利用电子器件进行电能转换和控制的技术。
电力电子器件
电力电子器件包括晶体管、可控硅整流器、可关断晶闸管等。
控制策略
电力电子技术的控制策略包括PWM控制、SVPWM控制等。
应用领域
电力电子技术广泛应用于电机驱动、可再生能源、智能电网等领域。
能量储存技术
能量储存技术概述
能量储存技术是指将能量转换为其他形式存 储起来，并在需要时释放的技术。
储能系统
储能系统包括电池储能系统、超级电容储能 系统、飞轮储能系统等。
储存方式
能量储存方式包括化学能储存、机械能储存 、电磁能储存等。
应用领域
能量储存技术广泛应用于可再生能源利用、 智能电网等领域。
PART 04
机电能量转换效率与优化
效率分析
转换效率定义
机电能量转换效率是指机械能转换为电能的效率，通常用百分比表 示。
结构设计
02
优化机械能与热能之间的转换结构，减少能量损失，提高转换
效率。
控制策略
03
采用先进的控制策略，如PID控制、模糊控制等，提高系电桩的机电能量转换效率分析，通过实验测量和理论计算，发现转换效率较低，主要原 因是散热不良和机械能损失较大。
案例二
某风力发电系统的机电能量转换效率优化，通过改进材料、结构和控制策略，提高了转换效率和稳定 性。
机电能量转换的发展趋势
高效率与紧凑化
提高能量转换效率和减小设备体积是未来发展的主要 方向。
多功能与智能化
结合多种能量转换方式，实现设备多功能化，并提高 智能化水平。
环境友好与可持续性
发展环保、可持续的机电能量转换技术，减少对环境 的负面影响。
机电能量转换原理
We eidt
-9-
将式（2-2）代入式（2-4），可知机械系统输入机械能的分布为
dx d x dx WM F dt M 2 D dt K x x0 dx Fedx dt dt dt
-3-
1 机电能量的转换装置
一般来说，电磁系统包括电气系统、机械系统和连接机电系 统的中间媒介，其作用是能量传递和转换。系统可以从机械系统 输入机械能，通过中间介质将机械能传递给电气系统，使之输出 电能；另一方面，也可以从电气系统输入电能，并由中间介质转 换为机械能，驱动机械系统运动。
Φm
R + u i _ K
a) 机电系统及联系 b) 理想的磁能储存系统
根据电磁系统机电装置的能量输入和输出的数量，可分为单 输入输出机电能量转换装置和多输入输出机电能量转换装置。
-5-
1.1 单输入输出机电能量转换装置 单输入和输出机电能量转换装置是一类简单的电磁系统，如 图2-3所示， 其具有单一的电气和机械装置通过耦合磁场进行机 电能量的转换，再由电气或机械装置输入或输出能量。这类电磁 系统具有广泛的工程应用，比如：电磁继电器和电磁铁等机电装 置。
质量储 能 摩擦 发热损耗 弹性 储能 输入耦合 磁场的机械能
2
2
Wm Fe dx
-10-
由此，机电系统耦合磁场输入的总能量应为电气系统与机械 系统输入能量之和，即为
Wf We Wm eidt Fe dx
（2-7）
电气系统
机械系统
-11-
1.2 多输入多输出机电能量转换装置 多输入和多输出机电能量转换装置是一类复杂的电磁系统， 如图2-4所示，其具有多路的电气和机械装置通过耦合磁场进行 机电能量的转换，再由电气或机械装置输入或输出能量。
机电能量转换
Te
T
单边激励
i Te u e Tmech dθmech
电源输入的总功率
P1 = ui
电压平衡方程
u = ri − e
法拉第电磁感应定律
dψ e=− dt
输入磁储能系统的电功率
Pe = ui − ri = (u − ri)i = −ei
2
在时间dt内，输入耦合场的净电能
输入耦合场的净电能
dWe = −(e1i1 + e2 i2 )dt = i1dψ 1 + i2 dψ 2
微分磁能增量
∂Wm ∂Wm ∂Wm dWm = dψ 1 + dψ 2 + dθ ∂θ ∂ψ 1 ∂ψ 2
能量平衡
dWm = dWe − Te dθ mech
磁能增量
dWm = i1dψ 1 + i2 dψ 2 − Te dθ mech
1 1 2 2 Wm (i10 , i20 ,θ 0 ) = L11 (θ )i1 + L12 (θ )i1i2 + L22 (θ )i2 2 2
'
线性系统磁能与磁共能
Wm = W
' m
磁能密度
wm = ∫ H ⋅ dB
0
B0
线性系统磁能密度
1B 1 wm = = BH 2 µ 2
在一定的磁通密度下， 在一定的磁通密度下，磁能密度与介质磁 导率成反比。对于旋转电机而言， 导率成反比。对于旋转电机而言，大部分 磁能储藏在气隙中。 磁能储藏在气隙中。
= ∫ i1 (ψ 1 ,0,θ 0 )dψ 1
0
ψ 10
第三段路径c段
dθ = 0,ψ 1 = ψ 10 , dψ 1 = 0
电机分析-3_机电能量转换
ψ
δ
ψ2 c ψ1 d
b
x=x2 x=x1 a
0
i2 i1 i
24
z
磁能产生电磁力的物理概念
z
磁能产生电磁力的物理概念
b x=x2 x=x1 a
第一种理想情况：∆t内i＝const a点磁能 Wma＝面积0ad b点磁能 Wmb＝面积0bc 磁能增量 ∆Wm＝面积0bc－面积0ad
ψ2 i dψ＝i1 (ψ 2 ψ1 1
δ
dWe = ∫ (ui − i 2 R )dt = − ∫ eidt = ∫
t1 t1
t2
t2
ψ2
ψ1
i dψ
ψ1、ψ2对应不同位置x1、x2，磁化曲线不同，电流也 不同，因此积分路径与x＝const时不同。
其间产生平均电磁力fmav， 使衔铁位移 ∆ x 所做的机械 功为∆Wmec＝fmav ∆x。 ∆We ＝∆Wm＋∆Wmec
保守系统的特点
系统的瞬时状态可用一组独立的状态变量来描述 系统的储能以及与储能相联系的保守力都是状态 函数，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。
全部由能存储和释放能量且无损耗的储能元件组 成的、与周围系统没有能量交换的自守物理系统。 保守系统的总能量是守恒的。 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 （如线圈、电容器、运动物体、被升高的静物） 对于机电系统，若将其损耗移出，电系统和机械 系统都不与外界能源相连，则成为一个保守系统。
第2部分 机电能量转换
¾ ¾ ¾
1. 机电能量转换的基本原理
1.1 概 述
¾ ¾ ¾ ¾
机电能量转换的基本原理 旋转电机机电能量转换的条件 总结
§1.5 机电能量转换(例题2)
§1.5 机电能量转换（例题1）机电能量转换过程是电磁场和运动的载电物体（通常为载流导体）相互作用的结果。
当机电装置的可动部分发生位移，使装置内部耦合电磁场的储能发生变化，并输出（输入）电能的电路系统内产生一定的反应时，电能就会转换成机械能或反之。
所以，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存储能量的电磁场，都有一个固定不分和一个可动部分。
机电能量转换过程又是一个可逆过程，所以大多数发电机都可以作为电动机来运行；反之，大多数电动机也第一作为发电机来运行。
本章将研究旋转电机能量转换的原理，能量转换的过程，耦合场的作用，并导出能量转换的条件，以及此条件在各种电机中的具体现；机电能量转换过程中的能量关系：｛由电源输入电能｝ = ｛耦合电磁场内储能的增加｝ + ｛机电系统内部的能量损耗｝ + ｛输出的机械能｝保守系统：由一些能够存储能量、释放能量、没有任何损耗的物体或元件所组成的，与周围系统没有能量交换的自守物理系统，就成为保守系统。
状态函数：描述系统即时所处状态的得以组独立变量，称为状态变量。
由一组状态变量所确定的、描述系统及时状态的单值函数，称为系统的状态函数。
特点：当系统的储能以及由储能的偏导数所确定的广义力，仅与系统的即时状态有关，而与系统的历史及达到此状态的路径无关。
机电能量的转换过程：在能量转换的过程中，作为耦合场的磁场有以下功能，它既可以从电系统输入或输出能量，还可以对机械系统输出或输入能量，主要取决于对取决于对磁链和可动部分角位移所加的约束。
机电能量转换的条件：机电能量转换必定在旋转过程中进行，运动电动势和电磁转矩不能为零。
例题 1θ。
的位置。
当磁路未饱有一单边激励的机电装置，转子位于ϕ-I曲线为以直线;当磁路开始饱和时, ϕ-I曲线永玲以和时，其直线ab去近似表示，如图所示。
试求系统的状态达到a点和b点时的磁场能和磁共能。
解：（1）a 点的磁能和磁共能 在0a 区间内，-I 曲线的方程式为ϕ=I ，于是磁能为W m=⎰a id ϕϕ0=⎰10ϕid =0.5J磁共能为W ’m=⎰ia di 0ϕ=⎰10di ϕ=0.5J由于这段ϕ=I 关系为线性，故磁能等于磁共能。
《机电能量转换原理》课件
新能源驱动的机电能量转换系统
风能转换系统
利用风能发电，通过高效的风力发电机组将风能转换 为电能。
太阳能转换系统
利用太阳能光伏发电，通过光伏电池将太阳能转换为 电能。
海洋能转换系统
利用海洋能发电，如潮汐能、海浪能等，通过相应的 技术将海洋能转换为电能。
人工智能在机电能量转换中的应用
智能诊断与维护
利用人工智能技术对机电设备进 行故障诊断和预测，提高设备维 护效率和可靠性。
智能优化控制
通过人工智能算法对机电设备的 运行参数进行优化控制，提高设 备运行效率和能源利用率。
智能设计与仿真
利用人工智能技术进行机电设备 的设计和仿真，加速产品研发进 程并降低研发成本。
THANKS
感谢观看
自适应控制
根据能量转换过程的变化自动调整控制参数 ，以适应不同工况。
最优控制
通过数学模型和优化算法找到最优的控制策 略，以实现最高效率。
04
机电能量转换的优化方法
新型电机设计总ຫໍສະໝຸດ 词通过改进电机设计，提高能量转换效率。
详细描述
新型电机设计采用先进的设计理念和材料，优化电机的磁场分布、转子结构等， 从而提高电机的转换效率和功率密度。
《机电能量转换原理 》PPT课件
目 录
• 机电能量转换原理概述 • 机电能量转换的基本元件 • 机电能量转换过程 • 机电能量转换的优化方法 • 机电能量转换的未来展望
01
机电能量转换原理概述
定义与原理
定义
机电能量转换是将电能转换为机械能 或将机械能转换为电能的过程。
原理
基于法拉第电磁感应定律和安培力定 律，通过磁场和导体的相对运动实现 能量的转换。
机电能量转换的应用
机电能量转换原理课件
$number {01}
目
• 机电能量转换概述 • 机电能量转换的基本原理 • 机电能量转换的电路模型 • 机电能量转换的实例分析 • 机电能量转换的优化设计方法 • 机电能量转换的发展趋势与挑战
01
机电能量转换概述
机电能量转换的定义
01
机电能量转换是指将电能转换为 机械能或机械能转换为电能的过程。
VSBiblioteka 详细描述控制系统是机电能量转换的核心部分，它 可以实现对整个能量转换过程的精确控制。 优化控制系统设计，可以降低能量的浪费， 提高能量的利用效率。例如，可以通过调 整控制系统的参数，如PID控制器的比例、 积分和微分系数等，以优化控制系统的性 能。
06
机电能量转换的发展趋势与 挑战
新型材料在机电能量转换领域的应用
02
电动机是将电能转换为机械能的 典型装置，发电机则是将机械能 转换为电能的装置。
机电能量转换的类型
电动机按照电源类型、结构、工作原 理等不同可以分为多种类型，如直流 电动机、交流电动机、步进电动机等。
发电机同样也有多种类型，如直流发 电机、交流发电机、风力发电机、水 力发电机等。
机电能量转换的应用
变压器电路
变压器电路由初级线圈和次级线 圈组成，通过电磁感应实现电压
和电流的变换。
当交流电通过初级线圈时，会产 生交变磁场，这个磁场会感应次 级线圈，从而改变电压和电流。
变压器电路可以用来升高或降低 电压，以及改变电流的方向。
放大器电路
放大器电路是一种能够放大信号的电路，可以将微弱的信号放大成较强的信号。
要点一
总结词
要点二
详细描述
新型材料在机电能量转换领域的应用，有助于提高能量转 换效率和稳定性，促进机电能量转换技术的发展。
《机电能量转换原理》课件
用于制造压电陶瓷、压电传感器等。
VS
利用磁致伸缩材料的磁致伸缩效应，将磁场能转换为机械能或电能。
应用
用于制造磁致伸缩驱动器、磁致伸缩传感器等。
工作原理
机电能量转换的特性分析
机电转换效率是衡量能量转换过程中损失程度的指标，它表示了转换效率的高低。
在机电能量转换过程中，由于各种原因，如电阻、摩擦、磁滞等，输入的能量不可能全部转化为机械能或电能，因此需要用机电转换效率来评估转换性能。转换效率越高，说明能量损失越少，转换性能越好。
总结词
详细描述
总结词
能量密度是衡量单位体积或质量中能量存储或释放的能力，它反映了转换装置的储能或动力输出能力。
要点一
要点二
详细描述
在机电能量转换中，能量密度越大，意味着在相同体积或质量的条件下，装置能够存储或释放更多的能量。这对于小型化、轻量化的应用非常重要。提高能量密度是当前研究的重点之一。
总结词
热管理是提高机电能量转换装置可靠性和稳定性的重要手段。
总结词
热管理设计需要考虑装置在工作过程中的热产生、传递和散失，通过合理的热设计，降低装置的工作温度和提高散热效率，从而保证装置的稳定运行。常用的热管理技术包括散热器、液冷和热管技术等。
详细描述
机电能量转换的未来展望
总结词：新材料与新技术的应用是推动机电能电能量转换技术的核心要求，未来的发展将更加注重这两个方面。
总结词
随着能源需求的不断增加，高效能已成为机电能量转换技术的重要发展方向。通过改进设计、优化材料和工艺，可以提高转换器的效能和效率，从而减少能源浪费和环境污染。同时，高可靠性也是机电能量转换技术的重要指标，能够保证设备的长期稳定运行和降低维护成本。未来技术的发展将更加注重提高设备的可靠性和寿命，以满足不断增长的市场需求。
第02章-机电能量转换原理
2.4.2 电磁转矩的一般表达式 同理，可推导具有旋转运动的电磁系统的电磁转矩计算公式。 对于旋转运动来说，如果由于电磁转矩Te的作用，产生了相应的 机械角位移d ，则表示其作了机械功dWm ，即
-2-
第2章 机电能量转换原理 2.1 机电能量的转换装置
一般来说，电磁系统包括电气系统、机械系统和连接机电系 统的中间媒介，其作用是能量传递和转换。系统可以从机械系统 输入机械能，通过中间介质将机械能传递给电气系统，使之输出 电能；另一方面，也可以从电气系统输入电能，并由中间介质转 换为机械能，驱动机械系统运动。
Wf WfL We Wm
（2-22）
耦合磁场 能量损耗
为简便起见，忽略磁场损耗，将耦合磁场被看作是一个理想 的无损耗的磁能储存系统，并且耦合磁场的能量全部储存在气隙 中。即有
Wf We Wm
（2-23）
-22-
第2章 机电能量转换原理
上式可用微分方程表示为
dWe dWf dWm
数Wfc（i , x ），便于用来计算电磁力或电磁转矩，因此是一个 研究机电能量转换的重要的变量。
-19-
第2章 机电能量转换原理 2.3 机电能量转换
根据前两节对电磁系统机电能量关系的分析，一般来说，电 磁系统的机电能量的相互关系可以用图2-6来表达。
电气系统 WeL WE + WeS We + Wf 耦合磁场 WfL + Wm WmS 机械系统 WmL + WM
第2章 机电能量转换原理
输入耦合磁场的总能量为
Wf Wej Wmk
j =1 k =1
Jj j j j =1 j =1
J
J
W
k =1
电机学 第3章 机电能量转换,旋转电机原理
旋转机械端用电磁转矩T、角位移描述
3. 磁能和磁共能分析
机电装置中的能量守恒
✓ 能量守恒定理是分析机电能量转换过程的出发点。 其表述为：能量只能发生形式或形态上的转换， 而不会发生总量上的改变。
✓ 以电动型旋转机电装置(输入电能、输出旋转机械 能)为例：输入到无损耦合场的净电能分为两部分： 一部分引起磁场储能的改变，即转换成了磁能的 增量（可正可负）；另一部分转换成了机械能， 实现机械功输出。。
✓ 通过本章学习，将建立起关于机电能量转换的总体概念，明确电机在机电装 置中的定位，为后续学习各种特定类型的电机打下基础。
2. 机电装置的物理模型
✓ 电磁式机电装置的组成：①电系统（1个或多个线圈）；②机械系统（直线或 旋转运动）；③磁场储能系统(包含气隙的主磁路)。
✓ 机电装置的无损理想模型：具有若干电端口（电端）和 1个机械端口（机械端） 的 “无损”磁场储能系统。
✓ 能变表量征(电函流数i或状磁态链的y独)和立机变械量端称变为量状(态角变位量移。q或W线m位函移数x有)。两组状态变量，电端
Wm 1, 2 n , (多电端、单旋转机械端磁场系统的磁能函数) Wm i, x(单电端、单线动机械端磁场系统的磁能函数)
单边激励机电装置分析
✓ 机电装置一般由固定部分(定子)和可动部分(转子或动子)构成。如果只是定 子或转子中的一边有绕组通电流，则称为单边激励机电装置；如果定、转 子两边均有绕组通电流，则为双边激励机电装置。
3. 磁能和磁共能分析
✓ 简单而典型的单边激励机电装置：电磁继电器。由固定铁心、可动铁心以 及气隙组成了一个闭合磁路。固定铁心上装有线圈，用来输入电能和激励 耦合场。
第1章机电能量转换的基本原理
交流电机统一理论第1章机电能量转换的基本原理第章机电能量转换的基本原理第1章1‐1 保守系统和磁场能量1‐2 磁场能量和磁场力1‐3 电场能量和电场力机电装置的定义机电装置：9机械能与电能转换的装置9大小不一、品种繁多、功能多样大小不一品种繁多功能多样机电装置的分类•（1）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，通常用于测量和控制装置中测量和控制装置中。
z如旋转变压器、扬声器等。
•（2）动铁换能器通电流激磁产生力使动铁有限位移的装置—通电流激磁产生力，使动铁有限位移的装置。
z如继电器、电磁铁等。
机电装置的分类机电装置的分类（3）机电能量持续转换装置—如电动机、发电机等。
机电装置6直流电动机机电能量转换形式•电致伸缩与压电效应—功率小，不可逆•磁致伸缩—功率小，不可逆•电场力（静电式机电装置）—功率小•磁场力—功率大，如电机7耦合场•机电装置中—耦合电场、磁场—频率低，两者可以分开，彼此独立z电磁式：磁场耦合z静电式：电场耦合8分析方法•归纳为具有若干个电端口和机械端口的装置—大多数旋转电机有两个电端口和一个机械端口的装置9保守系统的能量和力•状态变量xx &,•能量),;,,(,2121L &&L x xx x W W =•保守力),;,,(,2121L &&L x xx x f f =磁能和磁共能•磁能磁能和磁共能衔铁静止输入净电能全部转化为磁能衔铁静止，输入净电能全部转化为磁能•磁能表达式（x=x1）磁能表达式11φψ∫∫==φψFd id W m （1-8）磁能和磁共能•磁链与磁场储能不同气隙时电磁铁磁化曲线磁场储能磁共能分步积分法化简（1‐8）式11i ψ∫∫−==110m di i id W ψψψ（1-13）•磁共能1i ∫=0'mdi Wψ11'ψi WW mm =+磁共能磁能和磁共能图1-2磁场能量和磁场力12 磁场能量和磁场力单边激励的机电装置磁场中的力和转矩•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电流在磁场中产生力铁磁材料在磁场中产生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)) (BvEqF×+=力()–电荷q(库仑)–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qEF =力方向场度方向致–与电荷的运动方向无关•纯磁场中)(B v q F ×=电磁力密度•3电荷密度ρ(C/m )：单位体积内的电荷•电磁力密度F V (N/m 3)：单位体积内产生的电磁力×=•电流密度)(B v E q F V +vJ ⋅=ρ•纯磁场中的电磁力密度BJ F V ×=磁性材料中的电磁力•磁性材料受力–详细计算十分复杂–需了解整体构件的磁场分布情况•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：磁场的旋转超前于转子磁场，定子牵引转子运动并做功–发电机：转子磁场超前于定子磁场，转子对定子做功发电机转子磁场超前于定子磁场转子对定子做功能量平衡•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+耦合场储能增量+转换为热能–在无损系统中heatf mec el dW dW dW dW ++=d •在将机械能转换成电能的系统中fmec el dW dW dt i e dW +=⋅⋅=–输入机械能=电能输出+耦合场储能增量+转换为热能heatf el mec dW dW dW dW ++=磁能产生电磁力•磁能产生力–Δt 时间内电源供给磁场的能量222ψt t ∫∫∫=−=−=Δ111)(2ψidt eidt dt R i ui W t t el磁能产生电磁力•输入电能磁能产生电磁力•A点磁能磁能产生电磁力•B点磁能•Δt时间内电磁力所做的机械功0磁能产生电磁力•情况2：–Δt时间内磁链为常量磁能产生电磁力输入电能•输入电能＝0–Δt 时间内磁链为常量，e=02t i )(12−=Δ∫t el dtR i ui W 2t 01=−=∫t eidt磁能产生电磁力•磁能增量磁能产生电磁力•一般情况。
第七章机电能量转换原理
在线性情况下
Wm'
1 2
L11
i12
L12
i1i2
1 2
L22
i22
所以
Te
p
1 2
i12
L11
i1i2
L12
1 2
i22
L22
是由定子、转子电流 和各自的自感随转角θ的 变化所引起的转矩，称 为磁阻转矩；
是由定、转子电流和 互感随转角的变化所引起， 称为主电磁转矩。
为 dmech，则装置的微分总机械能
输出为：
dWmech Tedmech
从而磁能增量 dWm dWe dWmech id Tedmech
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Wm
则是一个状态函数，Wm的值由独立变量 和 （ 为电角度 ）的瞬时值
唯一地确定，而与路径无关；
定子磁链为0，转子角度为 0 时的磁
L21
i1
L22
i2
i2
d
dt
dt
dWm dWm' L11i1 L12i2 di1 L21i1 L22i2 di2
1 2
L11
i1
L12
i2
i1
d
dt
dt
1 2
L21
i1
L22
i2
i2
d
dt
dt
1
2
e1ti1
e2ti2
dt
1 2
e1
i1
e2
i2
dt
对于线性系统 1 L11 i1 L12 i2
I
2
L2
si
n2
第三章 机电能量转换基础
输出的机械能 电源输入能量 = (耦合场内增加的储能) + − 电阻损耗能量 + 机械能量损耗
dWelec = dWm + dWmech
（3-33）
式中，dWelec为时间dt内电源输入的净能量；dWm为时 间dt内耦合场储能增量；dWmech为时间dt内转换为机 械能的总量。
3.2 变压器电势与速度电势 3.2.1 电磁感应定律与电动势
dφ u = −e = N dt
注意，只有线圈的 磁通和电势正方向 的规定符合右手螺 旋关系，上式才取 负号。这种电动势 正方向的规定被用 于本书的内容中。
图3-7 交流感应电动势的方向
3.2.2 变压器电势与运动电势
研究一个简单的,以磁场作为耦合场的机电装置—电磁铁, 如图3-8所示。该装置由固定铁心、可动衔铁组成,磁链 随电流和衔铁的位置而变化,即ψ=ψ(i,x)
3.4 机电能量转换的基本原理 3.4.1 典型的机电能量转换装置
通常把电能转换为机械能的装置称为电动机，把机械 能转换为电能的装置称为发电机。直流电机可作为一个三 端口装置(二电端口和一机械端口)对待,如图3-13所示,图 中T为转矩, 为角速度。电磁铁可作为一个两端口装置(一 电端口和一机械端口)对待,如图3-14所示,图中x为位移,f 为电磁力。 在以磁场作为耦合场的机电装置中,以电磁铁为例,机 电能量转换的过程大体为:当装置的可动部分发生位移x时, 气隙磁场将发生变化,由此引起线圈内磁链的变化,以及气 隙内磁场储能的变化。由位移引起的磁场储能的变化将产 生磁场力f,并使部分磁能释放出来变为机械能;由磁链变化 引起的的线圈内感应电势e将从电源吸收电能;这样,通过 耦合磁场的作用,电能将变为机械能或反之。
机电能量转换
∂i ∂i
∂x ∂x
无机械位移， 电流变化引起 的输入电能变
化
无机械位移， 电流变化引起 的磁能变化
机械位移引 机械位移引
起的输入电 起的磁能变
能能变化
化
机电能量转换
f m dx
= (i ∂ψ
∂i
di + i ∂ ψ
∂x
dx ) − ( ∂ W m ∂i
di + ∂ W m ∂x
dx )
= (i ∂ ψ − ∂ W m ) di + (i ∂ ψ − ∂ W m ) dx
f m ( av )
=
∆Wc ∆x
Ψ
Ψ2 S4 Ψ1
S2 S1
0
x x=0
fm
B x=x2 S3 x=x1
A
i i1
3、dt时间内磁链为常数
工作点从A到B，磁链不变， e=0。输入电能为零：
iR + ue -
机电能量转换 x x=0
fm
∫ ∫ t2 (ui − i 2 R )dt = ψ 2 id ψ = 0
0
∫ Wc =
i1ψdi
0
Wm + Wc = i1ψ1
iR + ue -
Ψ
Ψ1
0
磁路线性时： Wm
= Wc
=
1 2
i1ψ
1
机电能量转换
X1 X=0
δ
Wm Wc i1
x=x2 x=x1 x=0
i
机电能量转换
(七)磁能和磁共能 的一般表达形式
当机电装置具有n个绕组时，磁场储能和磁共能为：
ψ1 ,..ψ n n
∂i ∂i
∂x ∂x
机电能量转换原理分解课件
磁场调制技术
通过磁场调制实现电机转矩的高 效控制，具有高转矩密度、高效
率等特点。
混合式电机技术
结合永磁同步电机和感应电机的 优点，具有高效率、高转矩密度
和低噪音等特点。
机电能量转换在新能源领域的应用
风能发电
利用风能驱动风力发电机组，将风能转换为电能 。
太阳能发电
利用太阳能电池板将太阳能转换为电能。
02
机电能量转换是现代能源利用和 转换的重要手段，广泛应用于发 电、电动机驱动、能源回收等领 域。
机电能量转换的种类
01
02
03
电能转换为机械能
如电机、发电机等，将电 能转换为机械能以驱动机 械设备。
机械能转换为电能
如各种能量回收装置，将 机械能转换为电能进行储 存或再利用。
热能转换为电能
如热电偶、热电堆等，将 热能转换为电能。
机电能量转换的应用
电动车辆
利用电动机将电能转换为 机械能，驱动车辆行驶。
风力发电
利用风力驱动风力发电机 ，将机械能转换为电能。
能量回收系统
在电梯、车辆、机械设备 中，将原本浪费的机械能 转换为电能储存或再利用 。
02
机电能量转换的基本 原理
机械能转换为电能
总结词
通过物理或化学过程，将机械能 转换为电能。
电动机的基本工作原理是利用电流在磁场中受力的作用，通过通电的线圈产生磁场，与定子中的主磁场相互作用 产生转矩，驱动电机旋转，将电能转换为机械能。
热力发电的工作原理
总结词
利用热能转换为机械能，再转换为电能
详细描述
热力发电的基本工作原理是将热能转换为机械能，再通过发电机将机械能转换为电能。具体过程包括 燃烧燃料产生热能、加热蒸汽轮机产生机械能、驱动发电机产生电能等步骤。
§1.6 机电能量转换(例题)
§1.6 机电能量转换（例题2）无论直流电机 异步电机 同步电机都是以磁场为媒介，实现机电能量的转换。
同一台电机即可做发电机运行，也可做电动机运行，实现机电能量的转换。
电机内部的机电能量转换是通过电机内部的磁场做媒介进行，通过磁的关系，把电能转为机械能或把机械能转为电能。
如不考虑损耗最简单的转换关系就是：输入电（-损耗）=耦合磁场储能+输出机械能+机损 输入机械能（-机损）=耦合磁场储能+输出电（+损耗）二 转换条件1.转换功率在一个工作周期内的平均值不等于零，即-(21i T e Ω)平均≠0 如果转换功率为零就是说我们这个过程对能量没有进行转化。
这个过程研究就没意义了。
2． 稳态运行时，即正常完成能量转换时，一个工作周期内磁场储能平均值不变，即（dtnd w ）平均=0。
如果平均值减少，则储能会消失，不能完成能量转换，如果储能增加，一方面转化率会降低，另一方面会危协电机的安全，严重时会烧毁电机。
三 转换过程机电能量转换的物理过程是通过两组方程描述的：①电压平衡方程；②功率平衡方程：电压平衡方程：Ω--=e e r Ri u ＝i l p dt di lRi +∂∂++Ωθ电压平衡方程左右各乘向量 t i ,得到：功率平衡方程: )21()21(ΩΩ---+=e i e i e i Ri i u i t t T t t t 功率平衡方程由以下几部分组成：I ：[]j nj j n i u u u u i i i iu ∑==⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=132121输入的电功率II:][∑==⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=n j j j n i R i i i R R R i i i iRi 12321321210电机内的电阻损耗 III ：Ω∂∂=∂∂==-=ΩΩ)2(2121i li p i l p i T e i p t t t T θθ 为电磁转矩旋转过程中，运动电势从电源吸收的功率的二分之一，即电功率转换为机械功率。
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微分磁共能
dm W ' 1d1 i 2d2 iT edmec
d m W ' W i1 m' d1 i W i2 m' d2i W m' d
积分路径的选择
1. i1 i2 0 ,T e 0 ;d 1 id 2 i0θ从0到θ0
2. d0 ,i20 ,d2 i0i1从0到i10
3. d0,i1i1,0 d1 i0 i2从0到i20
Te
Wm' i
mech
const
双边激励
i1 u1
Te e1
dmech
Tmech i2 e2 u2
电压平衡方程式
u1 r1i1 e1 u2 r2i2 e2
绕组感应电动势
e1
d dt
1
e2
d dt
2
输入耦合场的净电能
de W ( e 1 i1 e 2 i2 ) d i1 td1 i2 d2
含气隙的铁心线圈磁能
• 设：铁心平均长度
100mm，气隙长度
1mm，磁路的磁通
i
密度B=1T，铁心的 u
磁导率是空气的
1000倍。能密度
1 B2 w m 2 0
w mFe
1 B2 2 Fe
磁能密度之比
wm Fe 1000 wmFe 0
储存的磁能之比
dW mechTed mech
能量平衡
dW e dW mdW mech
微分磁能增量
dW mi dTedmech
磁场储能
W m (0 ,0 )0 0i(,)d 0 0 T e (,)d
积分路径选择
• 磁场储能是一个状态函数，其值由独立变 量ψ和θ的即时值唯一地确定。
• 可以选取一条易于积分的路径求得磁能值。 先把转子固定在θ0，ψ=0,Te=0, 再求出此 位置下磁链从0增长到ψ0时，耦合场的净电 能输入。
W m w m A Fe10 0100 W mFew mF AeFle 0lFe 100
双边激励机电装置的机电能量转换
e1
d dt
1
e2
d dt
2
磁链函数
1 1(i1,i2) 2 2(i1,i2)
变压器电动势和运动电动势
e1dd 1t(dd11id d1itdd21idd2itdd i1dd)t(e1t e1) e2dd 2t(dd12id d1itdd22idd2itdd i2dd)t(e2t e2)
θ从0到θ0。
第二段路径b段
d 0 ,2 0 ,d 2 0
ψ1从0到ψ10
dW m010i1(1,0,0)d1
b
第三段路径c段
d 0 ,1 1,0 d 10
ψ2从0到ψ20
dW m0 20 i2(10 ,2,0)d2
c
磁场能量
W m (1 ,0 2 ,0 ) 0 1 i 1 0 (1 , 0 ,0 ) d 1 0 2 i 2 0 (1 ,0 2 ,0 ) d 2
磁功能函数
W m '( i1,i 0 2,0 0 ) 1 2 L 1(1 ) i1 2 L 1(2 ) i1 i2 1 2 L 2(2 ) i2 2
线性系统磁能与磁共能
Wm Wm'
磁能密度
B0
wm H dB
0
线性系统磁能密度
wm
1 B2
2
1BH 2
在一定的磁通密度下，磁能密度与介质磁 导率成反比。对于旋转电机而言，大部分 磁能储藏在气隙中。
[12i12
L11
i1i2
L12
1 2
i22
L22]d
[L11
di1 dt
L12
积分路径
Wm(
0
b
a
0
磁能计算
W m(0,0)0 0i(,0)d
磁共能计算
W m'(i0,0)0i0(i,0)di
磁能与磁共能的关系
Wm
Wm' 0
WmWm' i
i
线性系统
WmWm ' 1 2i1 2L2i
电磁转矩--磁能计算
Te
Wm const m ech
电磁转矩--磁共能计算
电能输入
de W ( e 1 i1 e 2 i2 ) d i1 td1 i2 d2
磁场储能的变化
dm W i1d1i2d2 W md
dW m' 1d1i2d2i W m ' d
线性系统
dWm dWm' [L11()i1 L12()i2]di1 [L21()i1 L22()i2]di2
磁共能
W m '( i 1 ,i2 0 ,0 0 ) 0 i 10 1 ( i 1 ,0 ,0 ) d 1 i 0 i20 2 ( i 1 ,i2 0 ,0 ) d 2 i
线性系统
1 L11()i1L12()i2 2 L21()i1L22()i2
电流为磁链的函数
i1 L2D2()1 L1D2()2 i2 L2D1()1 L1D1()2
能量守恒原理
• 质量守恒的系统中，能量不能产生，也不 能消灭。
能量关系
• 电源输入的电能=磁场储能的增加+内部能 量损耗+机械能的输出
• 三类能量损耗：电阻损耗、铁耗、机械损 耗
• 将损耗移出，得到一个无损耗磁储能系统， 成为保守系统，能量转换过程为单值、可 逆。
无损耗磁储能系统
电阻损耗
机械损耗
分析
• 第一项、第二项由电流的变化所引起的， 称为变压器电动势；第三项由转子旋转运 动所引起，称为运动电动势。感应电动势 是电磁能量转换的必要条件，运动电动势 的存在是机电能量转换的必要条件。
线性系统
e1[L1(1)d d1i tL1(2)d d2i]t[i1L 1(1)i2Ld 1(2)]d dt e2[L2(1)d d1i tL2(2)d d2i]t[i1L 2(1)i2Ld 2(2)]d dt
u
e
无损耗磁
Te
T
储能系统
单边激励
i u
Te e
dmech Tmech
电源输入的总功率
P1 ui
电压平衡方程
ur i e
法拉第电磁感应定律
e d
dt
输入磁储能系统的电功率
P eu ir2i(ur)ii ei
在时间dt内，输入耦合场的净电能
deW P ed t ei d i d t
在dt时间内总机械能的输出
微分磁能增量
dm W W m 1d1 W m 2d2 W md
能量平衡
dW mdW eTedmech
磁能增量
dm W i1 d1 i2 d2 T edmec
积分路径的选择
2 20
0 a 0
b
Wm(10, 20,0)
10 1 c
第一段路径a段
1 2 0 ,T e 0 ;d1 d2 0