機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理11

機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理教學(xué)目的：①講述機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的根本原理。②單邊鼓勵(lì)機(jī)電裝置的根本原理。教學(xué)內(nèi)容：①簡單介紹一下機(jī)電裝置的工作原理；②機(jī)電能量守恒的根本原理及能量關(guān)系；③單邊鼓勵(lì)電機(jī)裝置的根本工作原理。教學(xué)時(shí)間：四學(xué)時(shí)。一、能量守恒原理各種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置的用途和結(jié)構(gòu)是不同的，但工作根本原理都是相同。機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過程是電磁場和運(yùn)動的載電物體相互作用的結(jié)果。任何機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置中都有載流的電系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)和用作為耦合和儲存能量的電磁場，都有一個(gè)固定局部和一個(gè)可動局部。同時(shí)，機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過程又是一個(gè)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(jī)電裝置的根本出發(fā)點(diǎn)之一。二、機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過程中的能量關(guān)系絕大多數(shù)機(jī)電裝置都由電系統(tǒng)、機(jī)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(gè)能量轉(zhuǎn)換關(guān)系式：由電源輸入的電能由電源輸入的電能＝．＝．(1-1)對電動機(jī)，式中的電能和機(jī)械能均為正值；對發(fā)電機(jī)，兩者均為負(fù)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(jī)械局部的磨擦損耗、通風(fēng)損耗，統(tǒng)稱為機(jī)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(jī)械損耗從系統(tǒng)中移出，并且不計(jì)介質(zhì)損耗，那么機(jī)電裝置為一個(gè)“無損耗磁儲能系統(tǒng)”，也可以看成是一個(gè)保守系統(tǒng)。對于無損耗磁儲能系統(tǒng)，在時(shí)間dt內(nèi)，其能量關(guān)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(jī)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(gè)系統(tǒng)成為“無損耗系統(tǒng)”，這樣做既便于導(dǎo)出磁場儲能和相應(yīng)的機(jī)電耦合項(xiàng)－電磁轉(zhuǎn)矩，使過程成為單值、可逆，給整個(gè)分析帶來了很大方便。三、磁場儲能主要介紹單邊鼓勵(lì)的機(jī)電裝置的工作原理：在這里我們先研究一個(gè)最簡單的機(jī)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(gè)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(shè)電源電壓為u，線圈中的電流為I，電阻為Ｒ；那么在時(shí)間內(nèi)，由電源輸入裝置的總電能應(yīng)為ui消耗于電阻Ｒ上的電能為i2R。于是在時(shí)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(shí)，磁場將發(fā)生變化，并對電路作出反響。設(shè)線圈的磁鏈為Ψ，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，Ψ的變化將在線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)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(guān)系。線圈的電壓關(guān)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(shè)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(jī)械角，那么裝置的微分總機(jī)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(gè)保守系統(tǒng)，磁場儲能那么是一個(gè)狀態(tài)函數(shù)，故的值將由獨(dú)立變量和(為電角)的即時(shí)值唯一確定，而與如何到達(dá)該值無關(guān)；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(xiàng)等于零，僅剩下第一項(xiàng)；可得下式：(,)＝(1-10)上式就是單邊鼓勵(lì)機(jī)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(shí)，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(shè)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(guān)；于是＝，而(,)＝＝＝(1-12)式(1-10)中，磁鏈?zhǔn)亲宰兞?。假設(shè)以電流為自變量，對磁鏈進(jìn)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(shè)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(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩.實(shí)際上,磁場能量分布在磁場所在的整個(gè)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