第七章_机电能量转换原理
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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
电力电子技术概述
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
电阻 损耗 电感 储能 输入耦合 磁场的电能
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。
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。
车用驱动电机原理与控制基础(第2版)课件：机电能量转换与电磁转矩的生成
参考轴，电角度 为转子位置角，以转子逆时针旋转为正方向。电磁转
矩正方向定义为与转速正方向相同，也为逆时针方向（电动模式）。
AB r = BA r = AB cos r
图3-7 具有定、转子绕组和气
隙的机电装置
AB 为互感最大值(AB > 0)。当、轴线重合时（r = 0），绕组A和
逆时针方向。
在电机旋转过程中，一方面磁链发生变化，另一方面转子又有角位移，此时由角位移所引起的磁能变化将产
生电磁力，并使部分磁场储能释放出来变为机械能；由磁链变化所引起磁能变化，将通过线圈内的感应电动
势从电源输入等量的电能而不断地得到补充。这样，通过耦合磁场的作用，电能将不断地转换为机械能（或
反之）。电能变换与机械能变换同步进行。
0
《车用驱动电机原理与控制基础》 机电能量转换与电磁转矩的生成
A A′ , 0
dA′
B
+ න B A , B′ dB′
0
9
2．双线圈励磁
§ 3.2.2 磁路的磁能与磁共能
从数学上可以证明，磁能和磁共能满足如下关系
m A , B + c A , B = A A + B B
A = −
即：
若忽略漏磁场，则有
deA = −A A d = A dA
deA = A dmA
在没有任何机械运动情况下，由电源输入的净电能将全部变成磁场能量的
增量m ，于是
dm = deA = A dmA
积分后可以得到磁场能量为
mA
m = න
图3-4 双线圈励磁的铁心
90 的位置；
图a），当r = 0 时， e = 0，虽然气隙磁场轴线没有偏移，不会产生电磁转
矩正方向定义为与转速正方向相同，也为逆时针方向（电动模式）。
AB r = BA r = AB cos r
图3-7 具有定、转子绕组和气
隙的机电装置
AB 为互感最大值(AB > 0)。当、轴线重合时（r = 0），绕组A和
逆时针方向。
在电机旋转过程中，一方面磁链发生变化，另一方面转子又有角位移，此时由角位移所引起的磁能变化将产
生电磁力，并使部分磁场储能释放出来变为机械能；由磁链变化所引起磁能变化，将通过线圈内的感应电动
势从电源输入等量的电能而不断地得到补充。这样，通过耦合磁场的作用，电能将不断地转换为机械能（或
反之）。电能变换与机械能变换同步进行。
0
《车用驱动电机原理与控制基础》 机电能量转换与电磁转矩的生成
A A′ , 0
dA′
B
+ න B A , B′ dB′
0
9
2．双线圈励磁
§ 3.2.2 磁路的磁能与磁共能
从数学上可以证明，磁能和磁共能满足如下关系
m A , B + c A , B = A A + B B
A = −
即：
若忽略漏磁场，则有
deA = −A A d = A dA
deA = A dmA
在没有任何机械运动情况下，由电源输入的净电能将全部变成磁场能量的
增量m ，于是
dm = deA = A dmA
积分后可以得到磁场能量为
mA
m = න
图3-4 双线圈励磁的铁心
90 的位置；
图a），当r = 0 时， e = 0，虽然气隙磁场轴线没有偏移，不会产生电磁转
电机分析-3_机电能量转换
23
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
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
《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
应用
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。
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
第一章磁路与变压器§1-1 磁路的概念与计算P15（一）磁路的概念磁路：磁通经过的路径把导线绕成线圈，在套装或置放在铁芯上，当线圈内通有电流时，由于铁芯的导磁能力较好，大部分磁通被约束在铁芯内部，并按照一定的路径构成磁路。
另一方面，在构成磁路的铁芯和铁芯之间的工作气隙内，将会得到较强的磁场。
激磁电流（励磁电流）：载流线圈中通过的用以产生（激励）磁路的电流。
激磁电流为直流，磁路中磁通恒定不随时间变化，成为直流磁路/恒定磁通磁路。
激磁电流为交流，磁通随时间而变化，称为交流磁路。
主磁通：线圈中通有激磁电流时，铁芯磁路（包括工作气隙）中通过较多的磁通。
漏磁通：围绕着载流线圈，在部分铁芯和铁芯周围的空间，产生的一些分散的较弱的磁通。
（二）安培环路定律安培环路定律：沿着任何一条闭合回线L，磁场强度H的线积分值∮H·dl恰好等于被该闭合回线所包围的总电流值Σi（亦称为全电流）∮H·dl=Σi（若电流与闭合回线．．．．．．．．．．．．．．．．．）．．．．．．．．L．的循环方向符合右手螺旋关系，取正值若沿着长度l，磁场强度H处处相等，且闭合回路所包围的总电流是由通有电流i的N匝线圈（或导体）所产生，则Hl=Ni磁路的欧姆定律：穿过某一截面积的磁通量φ等于磁通密度B的面积分φ=∫B·dA若闭合铁芯磁路中，磁通均匀地通过各个截面，却磁通密度B垂直于各个截面，则φ= B·A or B=φ/A磁场强度H与磁通密度B之间有下列关系B=μH（μ为介质的磁导率，空气μ0≈4π*10-7H/mF=Ni=（B/μ）*l =φ*l /（μ*A）F=Ni 作用在磁路上的安匝数，磁路的磁通势，磁势R =l /（μ*A）磁路的磁阻作用在磁路上的磁通势等于磁路内的磁通量乘以磁路的磁阻。
F=φ* RE=I*R （磁势F对应于电路中电势E，磁通量φ对应于电流I，磁阻对应于电阻R）磁阻的倒数称为磁导．．匝数越多，激磁电流越大，磁势就越大。
四川大学电工学-——第七章机电能量转换原理_
质的磁性有关。
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3磁路的欧姆定律 磁路的欧姆定律是分析磁路的基本定律
1） 引例 环形线圈如图，其中媒质是均 匀的，磁导率
为， 试计算线圈内部 的磁通 。
解：根据安培环路定律，有
N匝
Hdl I
设磁路的平均长度为 l，则有
NIH l B l
Sl
x
Hx S I
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b •
B
a •
BJ
磁感应强度直线；
B0
B BJ曲线和B0直线的纵坐标相 加即磁场的 B-H 磁化曲线。
O
磁化曲线 H
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B-H 磁化曲线的特征：
B
Oa段：B 与H几乎成正比地增加；
b •B
ab段： B 的增加缓慢下来；
a •
BJ
b点以后：B增加很少，达到饱和。
有磁性物质存在时，B 与 H不成 O
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2 磁场强度H
磁场强度H ：计算磁场时引出的物理量。
磁场强度的计算：介质中某点的磁感应强度 B
与介质磁导率 之比。 H B
磁场强度H的单位 ：安培/米（A/m)
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3 磁通
磁通 ：穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总数。
磁通 的计算: 在均匀磁场中 = B S 或 B= /S
说明: 如果不是均匀磁场，则取B的平均值。
磁通 的单位:韦[伯](Wb) 1Wb =1V·s
注：磁感应强度B在数值上可以看成为与磁场方
向垂直的单位面积所通过的磁通,故又称磁感应强度 为磁通密度。
总目录 章目录 返回 上一页 下一页
3磁路的欧姆定律 磁路的欧姆定律是分析磁路的基本定律
1） 引例 环形线圈如图，其中媒质是均 匀的，磁导率
为， 试计算线圈内部 的磁通 。
解：根据安培环路定律，有
N匝
Hdl I
设磁路的平均长度为 l，则有
NIH l B l
Sl
x
Hx S I
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b •
B
a •
BJ
磁感应强度直线；
B0
B BJ曲线和B0直线的纵坐标相 加即磁场的 B-H 磁化曲线。
O
磁化曲线 H
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B-H 磁化曲线的特征：
B
Oa段：B 与H几乎成正比地增加；
b •B
ab段： B 的增加缓慢下来；
a •
BJ
b点以后：B增加很少，达到饱和。
有磁性物质存在时，B 与 H不成 O
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2 磁场强度H
磁场强度H ：计算磁场时引出的物理量。
磁场强度的计算：介质中某点的磁感应强度 B
与介质磁导率 之比。 H B
磁场强度H的单位 ：安培/米（A/m)
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3 磁通
磁通 ：穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总数。
磁通 的计算: 在均匀磁场中 = B S 或 B= /S
说明: 如果不是均匀磁场，则取B的平均值。
磁通 的单位:韦[伯](Wb) 1Wb =1V·s
注：磁感应强度B在数值上可以看成为与磁场方
向垂直的单位面积所通过的磁通,故又称磁感应强度 为磁通密度。
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。
第七章机电能量转换原理
两电磁转矩公式对线性和非线性情况均适用。
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
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i2
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对于线性系统 1 L11 i1 L12 i2
I
2
L2
si
n2
在线性情况下
Wm'
1 2
L11
i12
L12
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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
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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
机电能量转换原理课件
直流电机性能分析
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
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
机电能量转换原理分解课件
等优点。
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。
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。
机电能量转换复习课课件
用电设备是指各种电力用户使用的设 备，如电动机、电灯、电视和计算机 等。
电力负荷
电力负荷是指电力系统中的用电 设备消耗的功率或能量，一般分
为有功负荷和无功负荷两类。
有功负荷是指实际消耗的功率， 如各种电动机、电灯和电视等设
备消耗的功率。
无功负荷是指不消耗能量的负荷 ，如变压器、电动机的磁滞和涡
流损耗等。
4. 加强维护与保养：定期对电动机进行维护和保养， 确保其正常运行，延长使用寿命。
步进电机的优化与节能
总结词：步进电机是一种用于精确控制转动的装置，优化 步进电机运行可实现节能减排。
详细描述
1. 选择合适的驱动器：根据步进电机的型号和规格，选 择合适的驱动器，确保电机正常运行，提高运行效率。
2. 采用细分驱动技术：通过细分驱动技术将电机的转矩 波动降低到最小程度，提高电机的平稳性和精度。
04
机电能量转换过程分 析
直流电机能量转换过程分析
直流电机工作原理
直流电机是一种将电能转换为机械能的装置。它主要包括定子和转子两部分，定子通常包 括电枢和换向器，转子通常包括磁极和电枢。
能耗分析
直流电机的能耗主要包括铁损、铜损和机械损耗。铁损是指电枢反应磁场在铁芯中产生的 涡流损耗；铜损是指电枢绕组在电流通过时产生的电阻损耗；机械损耗是指轴承摩擦、风 阻等机械结构的损耗。
调速性能
直流电机的调速性能较好，可以通过改变电枢电压或励磁电流来实现调速。调速范围广， 响应速度快，适用于需要宽范围调速的场合。
交流电机能量转换过程分析
01
交流电机工作原理
交流电机是一种将电能转换为机械能的装置。它主要包括 定子和转子两部分，定子通常由铁芯和绕组组成，转子通 常由铁芯和转子绕组组成。
电力负荷
电力负荷是指电力系统中的用电 设备消耗的功率或能量，一般分
为有功负荷和无功负荷两类。
有功负荷是指实际消耗的功率， 如各种电动机、电灯和电视等设
备消耗的功率。
无功负荷是指不消耗能量的负荷 ，如变压器、电动机的磁滞和涡
流损耗等。
4. 加强维护与保养：定期对电动机进行维护和保养， 确保其正常运行，延长使用寿命。
步进电机的优化与节能
总结词：步进电机是一种用于精确控制转动的装置，优化 步进电机运行可实现节能减排。
详细描述
1. 选择合适的驱动器：根据步进电机的型号和规格，选 择合适的驱动器，确保电机正常运行，提高运行效率。
2. 采用细分驱动技术：通过细分驱动技术将电机的转矩 波动降低到最小程度，提高电机的平稳性和精度。
04
机电能量转换过程分 析
直流电机能量转换过程分析
直流电机工作原理
直流电机是一种将电能转换为机械能的装置。它主要包括定子和转子两部分，定子通常包 括电枢和换向器，转子通常包括磁极和电枢。
能耗分析
直流电机的能耗主要包括铁损、铜损和机械损耗。铁损是指电枢反应磁场在铁芯中产生的 涡流损耗；铜损是指电枢绕组在电流通过时产生的电阻损耗；机械损耗是指轴承摩擦、风 阻等机械结构的损耗。
调速性能
直流电机的调速性能较好，可以通过改变电枢电压或励磁电流来实现调速。调速范围广， 响应速度快，适用于需要宽范围调速的场合。
交流电机能量转换过程分析
01
交流电机工作原理
交流电机是一种将电能转换为机械能的装置。它主要包括 定子和转子两部分，定子通常由铁芯和绕组组成，转子通 常由铁芯和转子绕组组成。
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在时间 dt 内，若磁链和转角都发生变化，则磁能的变化 （全微分）应为:
Wm Wm Wm dWm d 1 d 2 d 1 2
而:
dWm i1d 1 i2d 2 Te d mech
是由转子的角位移所引起
的磁能的变化，它是“动 态电路”所特有的项目。
2 D L11 L22 L12
2 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
1 1 ' 2 2 Wm Wm L11 i1 L12 i1i2 L22 i2
第二节 双边激励机电装置中的机电能量转换
Wm Wm i1, i2 所以： 1 2 从而：dWm i1d 1 i2 d 2 We d
相应地，由电流和转角的变化所引起的磁共能的变化为：
' ' ' Wm Wm Wm ' dWm di1 di2 d i1 i2
而
' dWm 1di1 2di2 Te d mech
d 线圈内感应电动势： e dt 线圈的电压方程为： u iR e
图7-2 单边激励的机电装置
设线圈的磁链为 ，根据法拉第电磁感应定律
输入装置的净电能为：dWe eidt id
设作用在转子上的电磁转矩 为 Te ，在 dt 内转子转过的角度 为 d mech，则装置的微分总机械能 输出为：
Wm 0 , 0 0 0 i , 0 d
磁场能量的图解表示：图中 i 曲线是 0 时磁路的磁化 曲线，面积oabo则代表系统的磁场能量。 若以电流
i 为自变量，对磁链
进行积分，可得
i0 ' Wm i0 , 0 0 i, 0 di
第一节 机电能量转换过程中的能量关系
能量守恒原理：在质量守恒的物理系统中，能量既不能产生、也不 能消灭，而仅能改变其存在的形态。 一、机电能量转换过程中的能量关系 对于由电系统、机械系统和联系两者的耦合磁场组成的机电装 置，根据能量守恒原理（电动机惯例）有：
由电源输 耦合磁场内 装置内部的 输出的 入的电能 储能的增加 能量损耗 机械能 电动机中，电能和机械能为正值； 发电机中，电能和机械能为负值。 能量损耗分分为三类： 1、电系统（绕组）内部的电阻损耗； 2、是机械部分的摩擦损耗、通风损耗，统称机械损耗； 3、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。
i1d 1 i2 d 2 1di1 2 di2 i1d 1 i2 d 2 Te d mech 1di1 2 di2 Te d mech
类似地：
i10 i20 ' Wm i10 , i20 , 0 0 1i1,0, 0 di1 0 2 i10 , i2 , 0 di2
e2t
由电流的变化所引起，称为变 压器电动势
e2
由转子的旋转运动所引起，称为 运动电动势
运动电动势是一项机电耦合项，是否存在运动电动势，是静止电路 与动态电路的主要差别之一。
对于线性系统 1 L11 i1 L12 i2 2 L22 i2 L21 i1
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Rdt 。于是在时 dt i2 间 内，输入装置的净电能 为： dWe
dWe uidt i 2 Rdt u iR idt
0
1a
1b
W 结果： m 10 , 20 , 0 0 10 i1 1,0, 0 d 1 0 20 i2 10 , 2 , 0 d 2
采用电流作为自变量，根据磁共能的定义
' Wm Wm i1 1 i2 2
微分磁共能：
' dWm d i1 1 i2 2 dWm
所 以
di1 di2 L11 L12 d e1 L11 L12 i2 i1 dt dt dt di1 di2 L21 L22 d e2 L21 L22 i2 i1 dt dt dt
在时间 dt 内，输入系统的微分净电能
dWe e1i1 e2i2 dt i1d 1 i2d 2
上式说明，电能的输入是通过线圈内的磁链发生变化，使线圈 产生感应电动势而实现；换言之，产生感应电动势是耦合场从电源输 入电能的必要条件。
二、磁场储能的变化
对两绕组系统，磁能: Wm Wm 1, 2 ,
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。 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：
图7-5 双边激励的机电装置
Wm Wm 1, 2 ,
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：
e1
d 1 d , e2 2 dt dt
在时间 dt内，由定、转子绕组输入 装置的净电能：
dWe e1i1 e2i2 dt i1d 1 i2d 2
图7-5 双边激励的机电装置
i
电端口 u
电阻损耗 i 2 R
机械损耗
R
无损耗的 Te e 磁储能系统
R
Tmech 机械端口
无损耗磁储能系统，在时间 dt 内，其能量关系为：
dWe dWm dWmech dWe ：系统的微分电能输入； dWm ：为微分储能增量， dWmech：系统的微分机械能输出。
把损耗移出，整个系统成为“无损耗系统”，便于导出磁场储能 和相应的机电耦合项——电磁转矩，又使过程成为单值、可逆，给整 个分析带来很大方便。
' ' 所以 Wm Wm 1, 2 i1 i2
' Wm 从而：dW ' di di d m 1 1 2 2
1 1 ' 2 2 Wm Wm L11 i1 L12 i1i2 L22 i2 2 2
对于线性系统，定、转子绕组的磁链可分别表示为
1 L11 i1 L12 i2 2 L22 i2 L21 i1
相应地
L L i1 22 1 12 2 D D L L i2 21 1 11 2 D D 分别代入磁能和磁共能的积分式，得到
在 lb段上，d 0, 2 0, d 2 0， 于是 10 1b dWm 0 i1 1,0, 0 d 1
2 20
Wm 10 , 20 ,0
o
1c
10
d 在 lc段上， 0, 1 0, 1 10 ， 于是 dWm 0 20 i2 10 , 2 , 0 d 2 1c
' Wm 称为磁共能。
0
d
b
Wm
' Wm
a
0时的 曲线 i
在图 7-4中，用面积 0ac0来代表
c
0
图7.4 磁能和磁共能
i
磁能与磁共能之和可用矩形面积 a b obac来代表，在一般情况下磁能和磁 0 共能互不相等。 Wm 0时的 曲线 d i 若磁路为线性，曲线是一条直线， ' 磁能和磁共能相等。 Wm L 为线圈的自感， L i. 1 1 ' c Wm Wm i L i 2 2 2 0 i 图7.4 磁能和磁共能 磁能密度： m B0 H dB w 0 1 1 B2 线性磁性介质，μ 为常值，则 wm 2 HB 2 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。
把电机作为一个具有电端口和机械喘口的两端口装置，把电阻损 耗和机械损耗移出，则装置的中心部分将成为一个由动态耦合线圈所 组成的“无损耗磁储能系统” 电阻损耗 i 2 R
i
电端口 u
机械损耗
R
e
无损耗的 T 磁储能系统 e
R
Tmech 机械端口
图7-1 把损耗抽出使系统成为“无损耗磁储能系统”
dWmech Te d mech
从而磁能增量 dWm dWe dWmech id Te d mech 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
W 则是一个状态函数， m 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 场储能，通过积分来求得。 在图7-3所示的路径 2上积分：
0
1
Wm 0 ,0
2b
Wm 0 ,0 路径 2a dWm 路径 2b dWm
2
2a
图7.3 确定Wm 0 ,0 的不同路径
0
在路径 2a上，由于 0 ，所以 Te 0 ，由于 d 0 ，
故 dWm 0 。在路径 2b上，由于 d 0 ，所以 Te d 0 ， 于是: Wm 0 , 0 0 0 i , 0 d 单边激励机电装置的磁场能量公式，对线性或非线性系统均适用。
d 2 e2 dt
所以
e1
e1t
e1
Wm Wm Wm dWm d 1 d 2 d 1 2
而:
dWm i1d 1 i2d 2 Te d mech
是由转子的角位移所引起
的磁能的变化，它是“动 态电路”所特有的项目。
2 D L11 L22 L12
2 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
1 1 ' 2 2 Wm Wm L11 i1 L12 i1i2 L22 i2
第二节 双边激励机电装置中的机电能量转换
Wm Wm i1, i2 所以： 1 2 从而：dWm i1d 1 i2 d 2 We d
相应地，由电流和转角的变化所引起的磁共能的变化为：
' ' ' Wm Wm Wm ' dWm di1 di2 d i1 i2
而
' dWm 1di1 2di2 Te d mech
d 线圈内感应电动势： e dt 线圈的电压方程为： u iR e
图7-2 单边激励的机电装置
设线圈的磁链为 ，根据法拉第电磁感应定律
输入装置的净电能为：dWe eidt id
设作用在转子上的电磁转矩 为 Te ，在 dt 内转子转过的角度 为 d mech，则装置的微分总机械能 输出为：
Wm 0 , 0 0 0 i , 0 d
磁场能量的图解表示：图中 i 曲线是 0 时磁路的磁化 曲线，面积oabo则代表系统的磁场能量。 若以电流
i 为自变量，对磁链
进行积分，可得
i0 ' Wm i0 , 0 0 i, 0 di
第一节 机电能量转换过程中的能量关系
能量守恒原理：在质量守恒的物理系统中，能量既不能产生、也不 能消灭，而仅能改变其存在的形态。 一、机电能量转换过程中的能量关系 对于由电系统、机械系统和联系两者的耦合磁场组成的机电装 置，根据能量守恒原理（电动机惯例）有：
由电源输 耦合磁场内 装置内部的 输出的 入的电能 储能的增加 能量损耗 机械能 电动机中，电能和机械能为正值； 发电机中，电能和机械能为负值。 能量损耗分分为三类： 1、电系统（绕组）内部的电阻损耗； 2、是机械部分的摩擦损耗、通风损耗，统称机械损耗； 3、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。
i1d 1 i2 d 2 1di1 2 di2 i1d 1 i2 d 2 Te d mech 1di1 2 di2 Te d mech
类似地：
i10 i20 ' Wm i10 , i20 , 0 0 1i1,0, 0 di1 0 2 i10 , i2 , 0 di2
e2t
由电流的变化所引起，称为变 压器电动势
e2
由转子的旋转运动所引起，称为 运动电动势
运动电动势是一项机电耦合项，是否存在运动电动势，是静止电路 与动态电路的主要差别之一。
对于线性系统 1 L11 i1 L12 i2 2 L22 i2 L21 i1
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Rdt 。于是在时 dt i2 间 内，输入装置的净电能 为： dWe
dWe uidt i 2 Rdt u iR idt
0
1a
1b
W 结果： m 10 , 20 , 0 0 10 i1 1,0, 0 d 1 0 20 i2 10 , 2 , 0 d 2
采用电流作为自变量，根据磁共能的定义
' Wm Wm i1 1 i2 2
微分磁共能：
' dWm d i1 1 i2 2 dWm
所 以
di1 di2 L11 L12 d e1 L11 L12 i2 i1 dt dt dt di1 di2 L21 L22 d e2 L21 L22 i2 i1 dt dt dt
在时间 dt 内，输入系统的微分净电能
dWe e1i1 e2i2 dt i1d 1 i2d 2
上式说明，电能的输入是通过线圈内的磁链发生变化，使线圈 产生感应电动势而实现；换言之，产生感应电动势是耦合场从电源输 入电能的必要条件。
二、磁场储能的变化
对两绕组系统，磁能: Wm Wm 1, 2 ,
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。 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：
图7-5 双边激励的机电装置
Wm Wm 1, 2 ,
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：
e1
d 1 d , e2 2 dt dt
在时间 dt内，由定、转子绕组输入 装置的净电能：
dWe e1i1 e2i2 dt i1d 1 i2d 2
图7-5 双边激励的机电装置
i
电端口 u
电阻损耗 i 2 R
机械损耗
R
无损耗的 Te e 磁储能系统
R
Tmech 机械端口
无损耗磁储能系统，在时间 dt 内，其能量关系为：
dWe dWm dWmech dWe ：系统的微分电能输入； dWm ：为微分储能增量， dWmech：系统的微分机械能输出。
把损耗移出，整个系统成为“无损耗系统”，便于导出磁场储能 和相应的机电耦合项——电磁转矩，又使过程成为单值、可逆，给整 个分析带来很大方便。
' ' 所以 Wm Wm 1, 2 i1 i2
' Wm 从而：dW ' di di d m 1 1 2 2
1 1 ' 2 2 Wm Wm L11 i1 L12 i1i2 L22 i2 2 2
对于线性系统，定、转子绕组的磁链可分别表示为
1 L11 i1 L12 i2 2 L22 i2 L21 i1
相应地
L L i1 22 1 12 2 D D L L i2 21 1 11 2 D D 分别代入磁能和磁共能的积分式，得到
在 lb段上，d 0, 2 0, d 2 0， 于是 10 1b dWm 0 i1 1,0, 0 d 1
2 20
Wm 10 , 20 ,0
o
1c
10
d 在 lc段上， 0, 1 0, 1 10 ， 于是 dWm 0 20 i2 10 , 2 , 0 d 2 1c
' Wm 称为磁共能。
0
d
b
Wm
' Wm
a
0时的 曲线 i
在图 7-4中，用面积 0ac0来代表
c
0
图7.4 磁能和磁共能
i
磁能与磁共能之和可用矩形面积 a b obac来代表，在一般情况下磁能和磁 0 共能互不相等。 Wm 0时的 曲线 d i 若磁路为线性，曲线是一条直线， ' 磁能和磁共能相等。 Wm L 为线圈的自感， L i. 1 1 ' c Wm Wm i L i 2 2 2 0 i 图7.4 磁能和磁共能 磁能密度： m B0 H dB w 0 1 1 B2 线性磁性介质，μ 为常值，则 wm 2 HB 2 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。
把电机作为一个具有电端口和机械喘口的两端口装置，把电阻损 耗和机械损耗移出，则装置的中心部分将成为一个由动态耦合线圈所 组成的“无损耗磁储能系统” 电阻损耗 i 2 R
i
电端口 u
机械损耗
R
e
无损耗的 T 磁储能系统 e
R
Tmech 机械端口
图7-1 把损耗抽出使系统成为“无损耗磁储能系统”
dWmech Te d mech
从而磁能增量 dWm dWe dWmech id Te d mech 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
W 则是一个状态函数， m 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 场储能，通过积分来求得。 在图7-3所示的路径 2上积分：
0
1
Wm 0 ,0
2b
Wm 0 ,0 路径 2a dWm 路径 2b dWm
2
2a
图7.3 确定Wm 0 ,0 的不同路径
0
在路径 2a上，由于 0 ，所以 Te 0 ，由于 d 0 ，
故 dWm 0 。在路径 2b上，由于 d 0 ，所以 Te d 0 ， 于是: Wm 0 , 0 0 0 i , 0 d 单边激励机电装置的磁场能量公式，对线性或非线性系统均适用。
d 2 e2 dt
所以
e1
e1t
e1