机电能量转换原理.ppt

1、机电能量转换原理,西南交通大学电气工程学院,本章内容,一、磁场系统中的力 二、能量平衡 三、单边励磁磁场系统中的能量 四、由磁储能确定力 五、由磁共能确定力 六、多变励磁磁场系统,一、磁场系统中的力和转矩,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,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) 电荷q(库仓) 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 与电荷的运动方向无关 纯磁场中,电磁力密度,电荷密度(C/m3)：单

2、位体积内的电荷 电磁力密度FV(N/m3)：单位体积内产生的电磁力 电流密度 纯磁场中的电磁力密度 （F=BLV ）,磁性材料中的电磁力,磁性材料受力 详细计算十分复杂 需了解整个构体的磁场分布情况 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：定子磁场的旋转超前于转子磁场，定于牵引转子运动并做功 发电机：转子磁场超前于前于定子磁场，转子对定子做功,电流在磁场产生力,铁磁材料在磁场中产生力,二、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+磁场储能的增量+转换为

3、热能 在无损系统中,在将机械能转换成电能的系统中 输入机械能=电能输出+磁场储能的增量+转换为热能 在无损系统中,能量法计算磁性材料的电磁力,假设 磁场无损耗 电损耗由电端电阻损耗表示 机械损耗由机械端损耗表示,磁场储能,由电系统输入的电功率 磁场储能系统输出的机械功率 单位时间磁场储能变化,三、单边励磁磁场系统中的能量,以电磁继电器为例,假设 线圈电阻用外接电阻R来表示 机械端变量包括力ffld和位移x 机械损耗表示成与机械端相连的外部元件 力ffld由磁场产生 运动磁臂无质量 铁心和磁臂构成一个无损磁储能系统,电磁继电器磁场储能,继电器的磁路可以表示成一个电感L 磁结构形状 尺寸 磁性材料

4、磁导率的函数 机电能量转换装置的磁路中包含有气隙 把运动部件隔离出来 多数情况下气隙的磁阻远大磁性材料的磁阻 能量主要存储于气隙中 磁路的性质主要由气隙的尺寸决定,忽略 磁路的非线性 铁心损耗 如需要，由近似所得的最终结果可用经验的方式加以校正，以减小因忽略某些因素而造成的误差 磁链和电流i是线性关系 电感由磁路的几何形状和位移x所决定,继电器的机械能输出 磁场储能 磁场储能系统是无损的 是一个保守系统 积分与路径无关 Wfld由变量和 x 唯一确定 和x的值唯一地决定了系统的状态，故称为状态变量,磁场储能,四、由储能确定磁场力,无损磁场储能系统，磁场储能是一个状态函数，唯一地由独立状态变量x确定 dWfld的全微分为 对比后得到,电磁继电器的电磁力,旋转机械端的转矩,输出机械能 磁场储能 转矩,例,单线圈，转子椭圆 气隙不均 电感随转子位置变 已知 其中L0=10.6mH, L2=2.7mH 转子位置角为定子线圈磁轴和转子长轴之间的夹角 求：i=2A时的转矩,解,电磁转矩 带入数值得,五、由磁共能确定力,定义：磁共能 用电流描述 所以,电磁力和转矩,全微分 对比得到 对旋转机械端,单边励磁系统的磁能,电磁继电器,六、多边励磁磁场系统,许多机电装置具有多个电端 每个电