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
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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
x
x &,•
能量
),;,,(,2121L &&L x x
x x W W =•
保守力
),;,,(,2121L &&L x x
x 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
1
1
φψ
∫
∫
=
=
φ
ψFd 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
1
1
i ψ
∫∫
−==
1
10m di i id W ψψ
ψ（1-13）
•
磁共能
1
i ∫
=
0'm
di W
ψ1
1'ψ
i W
W m
m =+
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)
) (B
v
E
q
F×
+
=
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qE
F =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 +v
J ⋅=ρ•纯磁场中的电磁力密度
B
J 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
heat
f mec el dW dW dW dW ++=d •在将机械能转换成电能的系统中
f
mec 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
heat
f 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
2
22
ψt t ∫∫∫=−=−=Δ11
1)(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=0
2
t i )(1
2
−=Δ∫t el dt
R i ui W 2
t 0
1
=−=∫t eidt
磁能产生电磁力•磁能增量
磁能产生电磁力•一般情况。