第02章-机电能量转换原理.ppt

-1-，2章机电能量转换原理，电机和拖动的基础，2.1机电能量转换装置，2.2磁场中的能量关系，2.3机电能量转换，2.4电磁力和电磁扭矩，-2-，引言从能量转换的观点出发，用电磁感应原理运行的机电例如，变压器是静止的电能转换装置，旋转电机是把机械能(发电机)或把电能转换成机械能(电机)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重要工具。 第二章机电能量转换原理、和第二.1机电能量转换装置一般来说，电磁系统包括连接电气系统、机械系统和机电系统的中间介质，其作用是能量的传递和转换。 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输到电气系统，并输出电能，而从电气系统输入电能，从中间介质转换为机械能，来驱动机械系统的运动。 因为第二章的机电能量转换原理，-4-、机械系统和电气系统是两种不同的系统，所以该能量转换需要一个中间介质，该任务通过由气隙构成的耦合磁场来实现，图2-2a是机电系统由耦合磁场来实现的。 第二章的机电能量转换原理根据电磁系统的机电装置的能量输入和输出的数量，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-、2.1.1单输入输出机电能量转换装置单输入输出机电能量转换装置是简单的电磁系统，如图2-3所示，单一电气和机械装置经由耦合磁场进行机电能量的转换，电气或机械装置输入输出能量。 这种电磁系统具有广泛的工程应用，如电磁继电器、电磁铁等电气机械装置等。第2章的机电能量转换原理，-6-，图2-1所示的电磁装置中，电气系统用电路式表示，第2章的机电能量转换原理，(2-1)，机械系统的运动是牛顿定律，(2-2)，-7-， 从电气系统输入的全部电源能量，记载为，第2章的电气机械能量转换原理，(2-4)从机械系统输入的总机械能量，是，8 -，第2章机械能量转换原理， 如果将式(2-1)代入式(2-3)，则从电系统输入的电能的分布是电阻损失、电感存储、输入耦合磁场的电能、-9-、第2章机械能转换原理，将式(2-2)代入式(2-4) 可知，机械系统输入的机械能的分布为质量储藏、弹性储藏、输入耦合磁场的机械能，摩擦发热损失，第2章机械能转换原理，由此，机械系统的耦合磁场输入的总能量是电气系统和机械系统输入的能量的(2-7)，电气系统，机械系统，-11-，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种复杂的电磁系统，如图2-4所示，电气和机械装置通过耦合磁场被电，第2章的机电能量转换原理，(2-8)，电气系统，机械系统，-13-，第2章的机电能量转换原理，(2-11 )，由此， 输入到耦合磁场的能量平衡方程式为，(2-12 )，也可以设为以下的微分形式，根据，(2-12 )以上的分析，多输入和多输出电磁系统的耦合磁场的总能量为，电气系统的各励磁线圈的感应电动势EJ (j=1，2，j )产生的电能、-14-、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重要环节，其作用很重要。 因此，有必要进一步分析磁场积累能量的机理和特性。首先，为了简单起见，可以将能量转换过程中的损失整合到输入的电能和输出的机械能中。 也就是说，耦合磁场把所有输入的电能转换成机械能，在转换过程中耦合磁场不会变化。 这样，如图2-2b所示，耦合磁场被认为是理想的无损磁能存储系统(losslessmagneticenergystoragesystem )。 在上述假设下，发现磁场能由磁能和磁共振能两种类型表示。，第2章机电能量转换原理，-15-，2.2.1磁能进一步分析了耦合磁场的能量平衡方程式(2-10 )，磁场能量是机电系统的状态变量的函数，磁场能量的大小在系统如何这个特征有利于磁场能量的计算。 特别是，在机械系统的位移不变的情况下，也就是说，如果机械运动部件位于某个一定位置，则式(2-10 )右边的第2项积分为零。 这表示机械系统输入耦合磁场的能量Wmk=0。 此时，耦合磁场的积蓄全部是来自电气系统的输入电力，即，第2章机电能量转换原理，(2-13 )，-16-， 为了简单，首先从简单的电磁系统开始，假设由图2-1所示的磁路得到的能量是由线圈输入的电力供给的话，从电力的概念可以知道，式中，p是电力，其负值在电路中I和e的正方向的规定不同现在，通过将能量从右传递到耦合磁场的方向设为正方向，规定了积蓄在磁路中的电能We 为， (2-14 )，积蓄在磁路中的电能与电感和电流的大小相关。 电感主要由气隙决定，也就是说磁场的积蓄主要在气隙中积蓄。 我们常常把气隙磁场称为耦合磁场，是机电能量转换的主要介质。 第2章机电能量转换原理、-17-，上述的导出结果可以推广到多输入输出电磁系统中，但是多个励磁线圈除了自感以外还存在互感，因此，使用电感计算磁场储藏的公式与式(2-14 )相比非常复杂但是，关于线性电磁系统，通过将、(2-16 )，(1-45 )代入上式，(2-17 )，18，2.2.2磁共振磁能量式(2-14 )表示磁能量为励磁电流I的-i曲线(励磁磁路的磁化曲线在图2-5中，-i曲线左侧的区域O-a-b是磁能Wf。 第2章的机电能量变换原理，-19-，我们将图2-5中-I曲线右侧的区域O-a-c表示的能量称为磁共振能量Wfc，即第2章的机电能量变换原理，(2-18 )、(2-19 )也称为磁共振能量但是，磁共振能量Wfc是电流I和机械位移x的函数Wfc(i，x )，便于电磁力和电磁扭矩的计算，因此是研究机电能量转换的重要变量。 根据电磁系统的机电能量关系的分析，-20-、2.3机电能量转换一般来说，电磁系统的机电能量的相互关系可以用图2-6来表示。，第二章的电气机械能量转换原理，-21-，上图的能量关系，电气系统和机械系统的能量关系分别为，电气损失，机械损失，机械储藏， 根据-22-，能量保存的原理，耦合磁场中应该满足以下的机电能量转换，为了简单，无视磁场损失，把耦合磁场看作没有理想损失的磁能储存系统，把耦合磁场的能量全部储存在气隙中即，第2章的机电能量转换原理，(2-22 )，耦合磁场能量损失，(2-23 )，-23-，上式用微分方程式表示，(2 在能量传递方向的约束下，对电动机来说，输入电能取正负符号，输出机械能取负号，发电机输入机械能取正负符号，输出电力取负号。 第二章机电能量转换原理，其中dWf在时间dt内耦合磁场吸收能量的增加dWe在时间dt内输入耦合磁场的净功率的增加，dWm在时间dt内转换为机械能的增加。-24-、2.4电磁力和电磁转矩可以从机电能量转换式导出电磁力和电磁转矩的式。 2.4.1电磁力的通用式电磁系统的机械运动部件在电磁力的作用下进行位移运动时，该电磁力可以从式导出。 从电气系统输入的耦合磁场的能量为微分形式，对于位移运动，如果通过电磁力Fe的作用产生了对应的机械位移dx的话，(2-26 )，第2章机械能量转换原理，现在的电动机为参考系统，其能量、，第2章的电气机械能转换原理，此时，耦合磁场的磁能为输入电能和输出机械能，从式(2-24 )开始，(2-27 )，-26-，代入式(2-25 )和(，26 第2章机电能量转换原理，(2-28 )，由上式可知， 耦合磁场的磁能是电磁系统的交链磁通和机械位移x的函数，交链磁通和机械位移x是两个独立变量，可以对其求全微分，、等式成立， 可以得到作用于机械系统的电磁力的共同计算式的第2章机电能量转换原理，-28-，2.4.2与电磁扭矩的通式一样，可以导出具有旋转运动的电磁系统的电磁扭矩计算式。 关于旋转运动，当通过电磁扭矩Te的作用产生对应的机械角位移d时，机械功dWm，即，(2-31 )，第2章的机电能量转换原理在这里也以电动机的能量传递为基准方向，因此，式(2-24 )表示， 可以写为(2-32 )，可知磁场储藏是交链磁通和角位移的函数，求出其全微分后，-29-，第2章的机电能量转换原理，磁场储藏是交链磁通和角位移的函数，(2-33 )，对比度式(2) (2-34 )、-30-、第2章的机电能量转换原理，(2-33 )，表示根据磁场储藏计算旋转电机的电磁扭矩的通式。 由于磁场储藏Wf是和的函数，所以有时用电动机难以求出，但磁共振Wfc是励磁电流I和机械角位移的函数Wfc(i )，因此可以用于电磁扭矩的计算。 根据式(2-19 )、(2-35 )、(2-37 )，将函数Wfc(i )以全微分形式展开，(2-38 )、-31-，第二章机电能量转换原理，(2-39 )， 如果