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)：单位体
2、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+转换为热能在无
3、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 磁性材料磁导率的函数
4、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
5、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 每个电端选择自己的磁链和电流 磁场储能系统无损耗 如：具有2个绕组的励磁磁场系统,磁储能,选择磁链1、2和x为自变量 磁储能 全微分后对比可得,谢 谢 ！,
