第02章机电能量转换原理ppt课件.ppt

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。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。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。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。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由电气系统输入的全部电源能量为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。
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（losslessmagneticenergystoragesystem）。
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（magneticenergy）和磁共能（magneticco-energy）两种类型。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上述推导结果可以推广到多输入输出电磁系统中，但由于多个励磁线圈除了其自感外，还有互感存在，因此，用电感计算磁场储能的公式与式（2-14）相比要复杂许多。但对于线性电磁系统，由于2.2.2磁共能
磁能公式（2-14）说明，磁能是励磁电流i在-i曲线（励磁磁路的磁化曲线）沿轴的积分。在图2-5中，-i曲线的左侧区域O-a-b即为磁能Wf。我们把在图2-5中-i曲线的右边区域O-a-c所表示的能量称为磁共能Wfc，即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。由上图的能量关系，电气系统和机械系统的能量关系分别表示为根据能量守恒原理，在耦合磁场中应满足下列机电能量转换上式可用微分方程表示为2.4电磁力与电磁转矩
根据机电能量转换公式可以推导出电磁力和电磁转矩的表达式。
2.4.1电磁力的一般表达式
如果电磁系统的机械运动部件在电磁力的作用下作位移运动，其电磁力可以由式推导过程如下。由于电气系统输入耦合磁场的能量可用微分形式表示为代入式（2-25）和（2-26），上式可写成比较式（2-28）和（2-29），可以看出下面等式成立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，即小结
本章从机电能量转换的角度分析了电机的能量传递和转换过程，着重指出了气隙磁场在电机机电能量转换中的重要作用。在忽略耦合磁场损耗的条件下，给出了耦合磁场储能与机电系统能量的平衡关系，在此基础上推导出计算电磁系统电磁力和电磁转矩的通用公式，为后面各章节奠定了重要的理论基础。此课件下载可自行编辑修改，供参考！
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