机电能量转换原理 ppt课件
第1节机电能量转换的基本原理
第一章机电能量转换的基本原理现代人类的生产和生活中，最主要的动力能源是电能。
实现机械能与电能转换的装置统称为机电能量转换装置．．．．．．．．，以下简称机电装置。
它们大小不一，品种繁多，按其功能的不同可分为三大类：(1)机电信号变换器．．．．．．．。
它们是实现机电信号变换的装置，是在功率较小的信号下工作的传感器，通常应用于测量和控制装置中。
例如拾音器、扬声器、旋转变压器等；(2)动铁换能器．．．．．。
它们是通电流激磁产生力，使动铁有限位移的装置。
例如继电器、电磁铁等。
常用继电器的原理图如图1-1(a)；(a) (b)图1—1把继电器作为两端口装置(3)机电能量持续转换装置．．．．．．．．．．。
例如电动机发电机等。
直流电动机的原理图加图1-2(a)。
4uf(a) (b)图1-2把直流电动机作为三端口装置机电装置实现机电能量转换的形式，大体有四种：①电致伸缩与压电效应：②磁致伸缩；③电场力；④电磁力。
前两种功率很小，又是不可逆的。
应用第三种形式——电场力来实现机电能量转换的装置称为静电式机电装置．．．．．．．，只能得到不大的力和功率。
实用上绝大多数的机电装置是应用第四种形式——电磁力来实现机电能量转换的，称为电磁式机电装．．．．．．置．。
本书以电磁式机电装置作为主要研究对象。
下面不加说明的机电装置仅指电磁式机电装置，或是电磁式与静电式两种机电装置。
它们都是由载流的电系统，可动的机械系统和作为耦合媒介与储存能量的电磁场三部分组成；队总体看，它们每个又都有固定的和可动的两大部件。
严格说，耦合电磁场应该是电场和磁场的综合体。
但在机电装置中，电频率较低，可动部件的运动速度大大低于光速，这样不仅可以忽略不计电磁辐射，认为机电装置是质量守恒的物理系统；而且可以把电场和磁场分别考虑，认为它们是彼此独立的。
因此在电磁式机电装置中耦合电磁场仅是磁场，但在静电式机电装置中耦合场仅是电场。
在分析研究时，机电装置总可以归纳成具有若干个电端5口和机械端口的装置。
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。
《电路中的能量转化》PPT优秀课件
两个电阻并联，电阻大的电功率？
有四盏灯，如图所示连接在电路中，L1和L2都标有“220V
W”字样，L3和L4都标有“220 V
100
40 W”字样，把电路接通后，
请把它们的功率从小到大进行排序。
额定电压都是110 V，额定功率PA＝100 W，PB＝40 W的电灯两
盏，若接在电压是220 V的电路上，使两盏电灯均能正常发光，
C．电炉和电动机两端电压相等
D．电炉两端电压小于电动机两端电压
如图所示，直流电动机线圈的电阻为R，当该电动机正常工作
时，电动机两端电压为U，通过电动机的电流为I，则（
）
A．电动机内部的发热功率为I2R
B．电动机的机械功率为IU
C．电动机的总功率为IU
D．电动机机械功率为IU－I2R
如图所示，是一提升重物用的直流电动机工作时的电路图．电动机内
且电路中消耗功率最小的电路是(
)
B.W＝UIt
2
适用于任何电路，而W＝I2Rt＝
C.在非纯电阻电路中，UI>I2R
D.焦耳热Q＝I2Rt适用于任何电路
只适用于纯电阻电路
（多选）一只电炉的炉丝和一台电动机的线圈电阻相同，都为R，
若把二者串联在电路中，电炉和电动机都正常工作，则 ABD
A．电炉和电动机的热功率相等
B．电动机的功率大于电炉功率
电阻r＝0.8 Ω，电路中另一电阻R＝10 Ω，直流电压U＝160 V，电压表
示数UV＝110 V．试求：
(1)通过电动机的电流；
(2)输入电动机的电功率；
(3)若电动机以v＝1 m/s匀速竖直向上提升重物，求该重物的质量个问题：在纯电阻电路中
七章节机电能量转换原理-PPT精品
双边激励的机电装置有两个电 端口和一个机械端口，系统可由三 个独立变量来描述。
取定子和转子磁链ψ1、ψ2和转 子转角θ为自变量，则装置的磁场 储能：
W m W m 1 ,2 ,
图7-5 双边激励的机电装置
定子和转子绕组分别接到电压为u1和u2的电源，绕组内的电 流为il和i2。则感应电动势为：
c i
上式表明，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开始上升时，
大部分磁场能量将储存在磁路气隙中；当磁通减少时，大部分磁能将
从气隙通过电路释放出来。铁心中的磁能很少，常可忽略不计。
双边激励的机电装置
旋转电机定、转子绕组都接到电源，就成为定、转子双边激 励的机电装置。
二、磁场储能 单边激励的机电装置
设电源电压为 u，线圈中的电流
为 i ，电阻为R；则在时间dt内，由电 源输入装置的总电能应为 uidt，消耗 在电阻R上的电能为i2Rdt 。于是在时dt 间 内，输入装置的净d电W能e 为：
deW u ii2 d Rt d u tiR idt 图7-2 单边激励的机电装置
而 dm 'W 1 d1 i2 d2 iT ed mech
所以 Wi1m' 1,W i2m' 2
从而：dW m ' 1d1i2d2i W m ' d
W m W m ' 1 2 L 1 1 i 1 2 L 1 2 i 1 i2 1 2 L 2 2 i2 2
W m W m ' 1 2 L 1 1 i 1 2 L 1 2 i 1 i2 1 2 L 2 2 i2 2
以上研究的是两绕组系统的情况。对于具有n个绕组的系统， 可以 采用类似的方法来分析，并得到相应的表达式
《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
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。
机电能量转换原理分解课件
电磁感应定律及其实例解析
电磁感应定律
当导线切割磁力线或磁场发生变化时，导线两端会产生 感应电动势，从而产生电流。这一现象称为电磁感应。
实例解析
发电机是电磁感应定律的典型应用。当发电机转子在定 子磁场中旋转时，转子导线切割磁力线，从而在导线两 端产生感应电动势，输出电流。
永磁同步电机工作原理剖析
永磁同步电机结构
06
总结回顾与未来展望
关键知识点总结回顾
机电能量转换基本概念
阐述机械能、电能之间的转换原理及 其在工程实践中的应用场景。
电动机工作原理
分析电动机的结构、工作原理及其分 类，讨论其优缺点及应用范围。
电磁感应定律
解释电磁感应现象及其在工程实践中 的应用，如发电机、变压器等。
电力电子变换技术
介绍电力电子变换器的基本类型、工 作原理及其在能量转换系统中的作用 。
04
优化作用
传感器与执行器选型依据讲解
01
传感器选型依据
根据被测量类型、测量范围、精度要求、环境适 应性等因素进行选择。
02
执行器选型依据
根据驱动方式、控制精度、响应速度、负载能力 等因素进行选择。
PID调节策略在实际应用案例分析
PID调节原理
讲解比例、积分、微分三个调节环节的作用原理 及调节参数整定方法。
变压器原理
变压器是一种利用电磁感应原理改变交流电压的设备。它由 两个或多个线圈绕在同一个铁芯上组成。当原边线圈通电时 ，会在副边线圈产生感应电动势，从而实现电压变换。
变频器原理
变频器是一种能够改变交流电机供电频率的设备。它首先将 交流电转换为直流电，再通过逆变器将直流电转换为可控频 率的交流电。通过改变输出交流电的频率，可以实现对电机 的无级调速。
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。
机电能量转换原理课件
直流电机的性能主要受到电枢绕组、换向器、机械负载等因素的影响。其中，电 枢绕组的电阻和电感会影响电机的转速和转矩特性，换向器的质量会影响电机的 平稳性和噪音，机械负载的阻力和惯量则会影响电机的加速和减速特性。
交流电机的工作原理及性能分析
交流电机工作原理
交流电机是利用定子磁场和转子电流的相互作用，将电能转化为机械能的一种 电机。根据电源频率的不同，交流电机可以分为同步电机和异步电机。
01
机电能量转换广泛应用于工业、交通、能源、 航空航天等领域。
02
电动机可以用于各种机械设备中，如机床、泵 、风机等，实现电气传动和自动化控制。
03
发电机则可以用于电力生产、电力供应等方面 ，为各种用电设备提供电力支持。
02
机电能量转换的基本原理
电场与磁场的基本性质
1 2
3
电荷与电场
电荷在电场中受到电场力的作用，电场强度是描述电场性质 的重要物理量。
高性能计算在机电能量转换领域的应用
总结词
高性能计算在机电能量转换领域的应用，有 助于解决复杂工程问题，优化设计，提高运 行效率。
详细描述
高性能计算技术如超级计算机、云计算等， 能够处理海量数据和复杂计算，为机电能量 转换设备的优化设计提供支持。例如，通过 模拟仿真技术，可以在设计阶段预测和解决 设备可能遇到的问题，从而提高设备的运行 效率和稳定性。
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
《电动机与发电机》工作原理与能量转化课件
智能化：实现发电机的远程监 控和智能管理
环保化：采用清洁能源，减少 对环境的污染
定制化：根据不同需求，定制 不同规格和性能的发电机
高效能转换：提高 电动机和发电机的 能效，降低能源消 耗
轻量化设计：采用 新型材料和优化结 构，减轻电动机和 发电机的重量
智能化控制：结合物联 网和人工智能技术，实 现电动机和发电机的远 程监控和智能控制
电动工具：电动机是电动工具和电 动玩具的核心部件，为它们提供动 力。
发电机工作原理
同步发电机的基本 结构和工作原理
同步发电机的励磁 系统
同步发电机的并网 运行
同步发电机的有功 和无功调节
异步发电机利 用电磁感应原 理将机械能转
化为电能。
转子在原动机 的带动下旋转， 旋转速度为n， 产生旋转磁场。
发电机的工作原 理是将机械能转 化为电能，通过 转子磁场和定子 绕组的相对运动 产生电流。
电动机与发电机 的比较：电动机 是将电能转换为 机械能，而发电 机是将机械能转 换为电能。
电动机与发电机 的相同点：都需 要磁场和电流的 作用来产生电能 或机械能。
电动机能量转化：电能转化为机械 能
电动机与发电机效率比较：电动机 效率较高
行，且维护成本较高。
电动机与发电机的 未来发展
高效能：提高电动机的效率和性能，降低能耗和排放 智能化：实现电动机的远程控制和监测，提高自动化和智能化水平 环保化：采用环保材料和工艺，降低电动机对环境的影响 多样化：开发适用于不同领域的电动机，满足多样化的需求
高效能：提高发电机的效率， 降低能源消耗
电动机与发电机的工 作原理与能量转化
汇报人：XXX
目录
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电动机工作原理
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。
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e ji jdt
j =1
（2-13）
-15-
第2章 机电能量转换原理
为了简化起见，我们先从简单电磁系统入手， 假定图2-1所
示的磁路中所获得的能量是由线圈输入的电能提供的，由电功率
的概念可知
P ie i d
dt
-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。
Φm
K
R
Lσ
+
u
i
_
+
e
N
_
F Fe
D
x
x0
图2-1 电磁铁的工作原理示意图
-3-
第2章 机电能量转换原理
由于机械系统和电气系统是两种不同的系统，其能量转换必 须有一个中间媒介，这个任务就是由气隙构成的耦合磁场来完成 的，图2-2a是机电系统通过耦合磁场相联系的示意图。
电气 系统
耦合 磁场
机械 系统
We
Wm
Wf
a)
b)
图2-2 机电能量转换关系
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。
-4-
第2章 机电能量转换原理
2.1.1 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
J
J
Wej ejijdt
j =1
j =1
电气系统
K
K
Wmk Fekdxk
k=1
k=1
机械系统
-12-
第2章 机电能量转换原理
由此，多输入耦合磁场的能量平衡方程为
J
K
Wf ejijdt fekdxk
j=1
k=1
也可以写成如下微分形式
J
K
dWf ejijdt fekdxk
j=1
将式（2-1）代入式（2-3），可知电气系统输入电能的分布为
W E u d t iR i2 d t L σ id
储
耗
能
We eidt
输入耦合 磁场的电能
-8-
第2章 机电能量转换原理
将式（2-2）代入式（2-4），可知机械系统输入机械能的分布为
W M F d d x td t M d d 2 tx 2 D d d x t 2 d t K x x 0 d x F e d x
uRiLσ
di dt
e
（2-1）
机械系统的运动由牛顿定律描述为
FMd d2 t2 xDd dx tKxx0F e
（2-2）
-6-
第2章 机电能量转换原理
由电气系统输入的全部电源能量为
WE uidt
由机械系统输入的总机械能为 dx
WMFdxFdt dt
（2-3） （2-4）
-7-
第2章 机电能量转换原理
首先为简便起见，可将能量转换过程中的损耗分别归并到输 入的电能和输出的机械能中，即认为耦合磁场将全部输入的电能 转换为机械能，在转换过程中耦合磁场没有发生变化。这样，如 图2-2b所示，耦合磁场被看作是一个理想的无损耗的磁能储存系 统（lossless magnetic energy storage system）。
质量
摩擦
弹
储能 发热损耗
性
储
能
输入耦合 磁场的机械能
Wm Fedx
-9-
第2章 机电能量转换原理
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
W f W e W m e id tF ed x
（2-7）
电气系统
机械系统
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第2章 机电能量转换原理
2.1.2 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，
在上述假定条件下，研究分析发现磁场储能可以表示成磁能 （magnetic energy）和磁共能（magnetic co-energy）两种类型。
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第2章 机电能量转换原理
2.2.1 磁能
进一步分析耦合磁场的能量平衡方程式（2-10）， 可以看出
磁场能量是机电系统状态变量的函数，即磁场能量的大小完全由
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。
We
Wm
耦合磁场
图2-3 单输入输出机电能量转换装置
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第2章 机电能量转换原理
在图2-1所示的电磁装置中，电气系统由电路回路方程表示为
电机及拖动基础
第2章 机电能量转换原理
2.1 机电能量的转换装置 2.2 磁场中的能量关系 2.3 机电能量转换 2.4 电磁力与电磁转矩
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第2章 机电能量转换原理 引言
从能量转换的观点，我们可以把依靠电磁感应原理运行的 机电设备看作是一类机电转换装置，比如变压器是一种静止的 电能转换装置，而旋转电机是一种将机械能转换成电能（发电 机）或将电能转换成机械能（电动机）的运动装置。因此，机 电能量转换原理也是学习和研究电机理论的一个重要工具。
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。
We1 We2
耦合磁场
WeL
Wm1 Wm2
WmK
图2-4 多输入多输出机电能量转换装置
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第2章 机电能量转换原理
输入耦合磁场的总能量为
J
K
Wf Wej Wmk
j=1
k=1
（2-8）
k=1
（2-11） （2-12）
由上分析，多输入和多输出电磁系统的耦合磁场的总能量是
电气系统各个励磁线圈感应电动势ej（j =1，2，∙∙∙，J）所产生的 电能与机械系统各个电磁力 fek（k=1，2，∙∙∙，K） 所产生的机 械能之和。
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第2章 机电能量转换原理
2.2 磁场中的能量关系
由上述分析可知，在电磁系统中耦合磁场是机电能量转换的 关键环节，其作用至关重要。因此，有必要进一步分析磁场储存 能量机理及特性。
系统当时的状态决定，而与系统如何达到这种状态无关。这种特
征有利于磁场能量的计算。特别是，如果机械系统的位移不变，
即假定机械运动部件处于某一固定位置，则式（2-10）中右边的
第2项积分为零。 这说明， 机械系统输入耦合磁场的能量
Wmk=0。 此时，耦合磁场的储能全部来自于电气系统的输入电 能，即
J
Wf