機電能量轉(zhuǎn)換原理11

機電能量轉(zhuǎn)換原理教學目的：①講述機電能量轉(zhuǎn)換的根本原理。②單邊鼓勵機電裝置的根本原理。教學內(nèi)容：①簡單介紹一下機電裝置的工作原理；②機電能量守恒的根本原理及能量關系；③單邊鼓勵電機裝置的根本工作原理。教學時間：四學時。一、能量守恒原理各種機電能量轉(zhuǎn)換裝置的用途和結(jié)構是不同的，但工作根本原理都是相同。機電能量轉(zhuǎn)換過程是電磁場和運動的載電物體相互作用的結(jié)果。任何機電能量轉(zhuǎn)換裝置中都有載流的電系統(tǒng)、機械系統(tǒng)和用作為耦合和儲存能量的電磁場，都有一個固定局部和一個可動局部。同時，機電能量轉(zhuǎn)換過程又是一個可逆過程。下面給大家介紹一下能量守恒原理：在質(zhì)量守恒的物理系統(tǒng)中，能量既不能產(chǎn)生、消滅，而僅能改變其存在形態(tài)，這就是能量守恒原理。能量守恒原理是我們研究機電裝置的根本出發(fā)點之一。二、機電能量轉(zhuǎn)換過程中的能量關系絕大多數(shù)機電裝置都由電系統(tǒng)、機械系統(tǒng)和聯(lián)系兩者的耦合磁場組成。所以我們根據(jù)能量守恒原理可以得出這樣一個能量轉(zhuǎn)換關系式：由電源輸入的電能由電源輸入的電能＝．＝．(1-1)對電動機，式中的電能和機械能均為正值；對發(fā)電機，兩者均為負值。式(1-1)中的能量損耗通常分為三類：一類是電系統(tǒng)(繞組)內(nèi)部的電阻損耗；一類是機械局部的磨擦損耗、通風損耗，統(tǒng)稱為機械損耗；一類是耦合電磁場在介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生的損耗，包括磁滯和渦流損耗等。為了研究方便，我們通常把電阻損耗和機械損耗從系統(tǒng)中移出，并且不計介質(zhì)損耗，那么機電裝置為一個“無損耗磁儲能系統(tǒng)”，也可以看成是一個保守系統(tǒng)。對于無損耗磁儲能系統(tǒng)，在時間dt內(nèi)，其能量關系為：dWe=dWm+dWmech(１＿２)無損耗的磁儲能系統(tǒng)電端口無損耗的磁儲能系統(tǒng)電端口機械端口圖1_1把損耗系統(tǒng)成為“無損耗磁儲能系統(tǒng)”把損耗移出，使整個系統(tǒng)成為“無損耗系統(tǒng)”，這樣做既便于導出磁場儲能和相應的機電耦合項－電磁轉(zhuǎn)矩，使過程成為單值、可逆，給整個分析帶來了很大方便。三、磁場儲能主要介紹單邊鼓勵的機電裝置的工作原理：在這里我們先研究一個最簡單的機電裝置中的磁場儲能。該裝置由定子鐵心、轉(zhuǎn)子鐵心和氣隙組成一個閉合磁路，定子鐵心上裝有線圈，可從電源輸入電能。如圖1-2所示。設電源電壓為u，線圈中的電流為I，電阻為Ｒ；那么在時間內(nèi)，由電源輸入裝置的總電能應為ui消耗于電阻Ｒ上的電能為i2R。于是在時間內(nèi)，輸入耦合磁場的凈電能為為＝－2＝(－)(1_3)耦合場通過電路輸入電能的同時，磁場將發(fā)生變化，并對電路作出反響。設線圈的磁鏈為Ψ，根據(jù)法拉第電磁感應定律，Ψ的變化將在線圈內(nèi)產(chǎn)生感應電動勢,=-(1-4)的正方向與電流i的正方向一致，I與Ψ之間符合左手螺旋關系。線圈的電壓關系方程為=-(1-5)把上式代入式(1-3)，可得輸入耦合場的凈電能為為＝－(1-6)設作用在轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩為,在內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度為，機械角，那么裝置的微分總機械能輸出為＝(1-7)把上式代入(1-2)，就有＝－(1-8)由于裝置的磁儲能系統(tǒng)是無損耗系統(tǒng)，是一個保守系統(tǒng)，磁場儲能那么是一個狀態(tài)函數(shù)，故的值將由獨立變量和(為電角)的即時值唯一確定，而與如何到達該值無關；因此，可以從不同的路徑中選取一條易于積分的路徑，來確定某一磁鏈和轉(zhuǎn)子位置(,)處的磁能(,)，圖1_3示出了兩條不同的積分路徑，其中路徑是一條任意的路徑，按此路徑積分十分困難；路徑那么是一條較易積分的路徑，它由2α和2b兩段組成，按此路徑(,)＝＋(1-9)在路徑2α上，由于＝０，所以電磁轉(zhuǎn)矩＝０，故＝0，于是從(1-8)可知，＝0。在路徑2b上，＝0，中的第二項等于零，僅剩下第一項；可得下式：(,)＝(1-10)上式就是單邊鼓勵機電裝置的磁場能量公式，對于線性或非線性系統(tǒng)均適用。從公式中可以看出如果要確定(,)，可先把轉(zhuǎn)子位置固定于，再求出此位置下磁鏈從0增長到時，場從電源輸入的凈電能，此能量就是(,)。圖(1-4)是磁場能量的圖解表示，面積0ab0代表系統(tǒng)的磁場能量。①②圖1-3確定(,)的不同路徑圖1-4磁能和磁共能假設系統(tǒng)為線性，那么磁鏈與電流成正比，＝(1-11)其中為線圈的電感，它與轉(zhuǎn)子的位置有關；于是＝，而(,)＝＝＝(1-12)式(1-10)中，磁鏈是自變量。假設以電流為自變量，對磁鏈進行積分，可得(,)就稱為磁共能.從圖１-４可見,磁共能可以用面積來代表;且即磁能與磁共能這和可用圖中的矩形面積來代表,“磁共能”的名稱由此而得,而就成為磁共能的定義.不難看出,在一般情況下,磁能與磁共能互不相等.假設裝置的磁路為線性,曲線是一條直線,那么不難看出,代表磁能和磁共能的兩塊面積相等,即:引入磁共能便于計算電磁轉(zhuǎn)矩.實際上,磁場能量分布在磁場所在的整個空間.單位體積內(nèi)的磁能為由于磁場氣隙中有磁性介質(zhì),所以空間中的磁