机电能量转换_卓忠疆.pdf-资料库

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绪论一研究机电能量转换的目的和意义《机电能量转换》是研究机电耦合系统中能量传递和转换规律的一门学科。机电能量转换装置种类很多，旋转电机是机电装置中较复杂的一类，本书在泛论一般装置的基础上对它着重分析，以达到触类旁通的目的。这门课程最早出现于美国麻省理工学院( MIT )。二十几年来，国外一些大学用它替代传统的《电机学》，结果是各有利弊：利的一面是统一性、系统的观点和动态分析有所增强；弊的— 面是物理概念、稳态运行和参数关系有所削弱。根据我国情况，把它作为《电机学》的一门选修课较为合适。在对电机有一般了解之后，用机电能量转换的基本原理加以概括，从而看出各种旋转电机在型式上略有差异而在原理上却无大不同，它们遵循着一些共同的规律，而这些规律还可推广到其他种类的机电装置中去。先了解个性继而概括出它们问的共性，会加深对个性的理解。先熟悉稳态运行并对动态问题有初步了解后再进行深入的分析，不但符合认识规律而且避免囫囵吞枣只知结论而不知其所以然的毛病。采用一个物理模型、一组方程和比较一致的分析方法，不但比《电机学》所用的方法较为新颖，而且更符合当前发展的电机控制等新技术。对电力专业来说，旋转电机是电力系统的重要元件。在学完《电机学》之后，选修这门课，可加强系统观点，并为深入分析旋转电机在电力系统运行中的问题打下坚实的基础。二机电能量转换理论的发展简史机电能量转换理论是传统电机学理论的发展。在 1920 至 1940 年间，由于美国和苏联建立了大型动力系统，使电机理论的发展达到了新的阶段。为了研究交流电机的暂态过程，不少学者创造了各种各样的坐标变换方法，其中最著名的有派克( .R H Park )的 0dq 变换，克拉克( . .E Clarke ) 的 0 变换，莱昂( .W V Lyon )的 0  变换和顾毓秀的 0fb 变换等。在三十年代初 .

.G Kron )首先提出分析电机的统一理论，三十多年中他发表了许多论文期，克朗( 和专著，使电机理论的发展达到一个新的水平。到五十年代末，美国麻省理工学院怀德( .D C White )和伍德森( . .H H Woodson ) . 的《机电能量转换》一书问世，该书用比较深入的基本概念和更具普遍性的原理论述各种机电能量转换装置，旋转电机仅作为这种装置的重要实例，使读者能从根本上洞悉机电装置的动力学，并为将来推广到其它领域奠定基础。在该书的影响下，六十年代以后，有关机电能量转换的这一类著作如雨后春笋，据统计约有三十种左右。到七十年代以后，有关的出版物虽处于饱和状态，但仍时有新著出现，这些新著约有以下几个特点： (1)动态系统多采用状态变量表示法； (2)对机电耦合系统的阐述，有些作者力求避免过多过繁的数学运算； (3)对无电机课题的分析，除综合论述共同性的问题外，仍按机种分别研究其稳态和动态性能； (4)除分析机电能量转换原理和装置外，也介绍动力电子学在机电系统中的应用； (5)还有一个各走极端的趋势，或是用十分简短的篇幅介绍几种常用的电机，或是用更概括更具普遍性的电贮巧理沦分析机电能量转换问题。总之，如前所述，根据国内情况，目前仍需要将《电机学》讲得细致些，再用这门少学时的选修课，加以概括，以提高综合和深入研究问题的能力。

第一章机电能量转换的基本原理现代人类的生产和生活中，最主要的动力能源是电能。实现机械能与电能转．．．．．．．．，以下简称机电装置。它们大小不一，品种繁换的装置统称为机电能量转换装置多，按其功能的不同可分为三大类： (1)机电信号变换器．．．．．．．。它们是实现机电信号变换的装置，是在功率较小的信号下工作的传感器，通常应用于测量和控制装置中。例如拾音器、扬声器、旋转变压器等； (2)动铁换能器．．．．．。它们是通电流激磁产生力，使动铁有限位移的装置。例如继电器、电磁铁等。常用继电器的原理图如图 1-1( a )； u x i mf i u i ( a ) (b ) 图 1—1 把继电器作为两端口装置  x mf (3)机电能量持续转换装置．．．．．．．．．．。例如电动机发电机等。直流电动机的原理图加图 1-2( a )。 3

4 fu fi ei eu T J ei eu i fu fi T ( a ) (b ) 图 1-2 把直流电动机作为三端口装置机电装置实现机电能量转换的形式，大体有四种：①电致伸缩与压电效应： ②磁致伸缩；③电场力；④电磁力。前两种功率很小，又是不可逆的。应用第三．．．．．．．，只能得到不种形式——电场力来实现机电能量转换的装置称为静电式机电装置大的力和功率。实用上绝大多数的机电装置是应用第四种形式——电磁力来实现．．．．．．置．。本书以电磁式机电装置作为主要研究对机电能量转换的，称为电磁式机电装象。下面不加说明的机电装置仅指电磁式机电装置，或是电磁式与静电式两种机电装置。它们都是由载流的电系统，可动的机械系统和作为耦合媒介与储存能量的电磁场三部分组成；队总体看，它们每个又都有固定的和可动的两大部件。严格说，耦合电磁场应该是电场和磁场的综合体。但在机电装置中，电频率较低，可动部件的运动速度大大低于光速，这样不仅可以忽略不计电磁辐射，认为机电装置是质量守恒的物理系统；而且可以把电场和磁场分别考虑，认为它们是彼此独立的。因此在电磁式机电装置中耦合电磁场仅是磁场，但在静电式机电装置中耦合场仅是电场。在分析研究时，机电装置总可以归纳成具有若干个电端 4

5 口和机械端口的装置。在示意图上常用一个圆来表示机电装置的杜本，从圆周上向圆外作若干对线段表示装置的输入和输出端口。例如继电器、电磁铁那样的动铁换能器可作为一对电端口和一对机械端口的两端口装置来对待，如图 1-1(b )所示；大多数旋转电机可作为有两对电端口和一对机械端口的三端口装置，如图 1-2(b )所示。本章将叙述机电装置的能量转换过程。着重讨沦耦合磁场的作用，要求学会用机电能量转换关系求出电磁转矩的普遍公式。对极少见的静电式机电装置仅在章末作简略介绍。 1‐1 机电装置中的能量平衡在质量守恒的物理系统中，能量守恒原理是一个必须遵守的普遍规律。它也是分析研究机电装置的一个基本出发点。在机电装置中电能与机械能的转换是依赖于耦合场的作用来实现的。耦合场一方面从输入系统吸收电能(或机械能)，对它的储能进行补充；另一方面又释放储能给输出系统，使后者输出机械能(或电能)。所以耦．合场及其储能的存在时机．．．．．．．．．．．电能量转换的关键．．．．．．．．。此外，在能量转换过程中，总会产生一些损耗，并以热能的形式散发出来。于是在机电装置中略去电磁辐射能量，存在着电能、机械能、电磁场储能和热能这四种形式的能量。根据能量守恒原理，按电动机惯例写出机电装置酌能量方程式为：  电源输入耦合场储   的电能               能的增量机械能的能量损耗输出的转换成热        （1-1）    5

式中最右边一项能量损耗，按其起因的不同可分为三类： (1)电系统(如绕组)通电流时产生的电阻损耗； (2)机械系统由于通风和摩擦使一部分机械能转换成热能的损耗，称为机械损耗； (3)耦合电磁场在介质中产生的损耗，即磁场耦合时铁心磁滞和涡流损耗，或电场耦合时在绝缘材料内产生的介质损耗。如果把损耗按上述三项分类，并分别归并到相应的能量项目中去，式(1-1) 可以化力如下形式：    输出的电能耦合场储能的增量输出的机械能  电阻损耗相应的介质损耗机械损耗                 (1-2)    与上式对应的能量平衡图如图 1-3，其中电阻损耗和机械损耗已从机电耦合系统中移出；而介质损耗归并为耦合场吸收的能量，因此在图中用虚线表示，仍与机电耦合系统相连。在分析机电能量转换的机理时，还可进一步忽略不计耦合场的介质损耗。介质损耗电阻损耗 i u R e 机械损耗  x mf f 图 1—3 机电装置中的能量干衡把式(1-2)各项能量写成 dt 时间内的微分形式，则得机电装置能量微分平衡．．．．．．．．．．式．为： dW dW dW   el f mec （1-3）式中， el dW 表示扣除电阻损耗后在 dt 时间内输入耦合场的 6

7 净电能； mec dW 表示 dt 时间内转换为机械能的总能量； fdW 表示 dt 时间内耦合场吸收的总能量。忽略不计耦合场的介质（1）损耗，在电磁式机电装置中 fdW 就是耦合磁场储能的增量，即 fdW mdW ；在静电式机电装置中就是耦合电场储能的增量，即 f dW dW 。 e 式(1-3)是本章的分析出发点。这里应当指出，式(1-1)是机电装置中能量关系的客观描述，它表明了在机电能量转换过程中，机电装置实际是一个有损耗系统。但如直接用式(1-1)去分析研究问题，主次不分，往往难于求解。由于机电能量转换过程是通过耦合场的变化给电系统和机械系统带来的反应与作用来实现的，而能量损耗对机电能量转换过程并无实质性的影响，所以我们把损耗分类并进行归并和扣除，使式(1-1)化为式(1-3)。这体现了把握主要矛盾的科学分析方法，表明对待一个实际机电装置，可先将该装置抽象成无损耗的机电系统，只着眼于依赖耦合场储作中间媒介来实现机电能量转换的过程，突出问题的核心— ——耦合场对电系统和机械系统的反应和作用，来明确机电能量转换的基本机理，以便进行深入的分析。核心问题清楚了，只要再加上能量损耗，就能很方便地求得实际机电装置的全部工作情况。 1‐2 保守系统和磁场储能一、保守系统和状态函数在理想的物理系统中，有许多无损耗、可储能的元件， --------------------------------------------------------- （1）某些机电装置，其铁耗不允许忽略不计时，可以根据铁耗的作用，把它作为等效机械损耗或作为等效电阻损耗，归并到真实的机械损耗或电阻损耗中去，并移出机电耦合系统，使 dW dW m f 。 7

8 如表 1-1 所示。在电系统中：线圈通过电流时，会产生磁场来储存一定的磁能；电容器充电时，会产生电场来储存一定的电场能。在机械系统中：旋转体或平移运动的物体会储存一定的动能；弹簧被外力 f 压缩 x 长度时，所加的能量 fx 会以位能形式诸存起来；被升高的静物储存着位能；……。这些元件在一定条件下可以储存能量，当条件变化时又可以部分或全部释放所储能量，它自身并不消耗能量，故称为储能元。全部由储能元件所组成的，与周围系统没有能量交换的自守物理系统称为保守系统．．．．。  当我们把决定储能元件储能大小的变量全部用 x 或 x 来表示时，如表 1-1 中的磁能改写成 W   L x 2 1 2 ，电场能改写成 xW 2 C 2  等等，则整个保守系统的能量W 可表示为 W=W( f  1   x x , ，··· 1 2  由式可见，保守系统．．．．的全部储能W 是 ix 和 ix f x x ( , 2   x x , 1 ,?·· ,?·· ； 2 , ···) （1-4）（i=1，2，…)的函数，它仅与  x x ，的即时状态有关，而与达到 ,i i  状态的经过无关。对于这些 ix 值，即描 x x ,i i 述系统即时状态的一组独立变量，称为状态变量．．．．。由一组状态变量所确定的、描述系统即时状态的单值函数，例如储能W ，称为系统的状态函数．．．．。正如磁场对铁磁物质或载流导体有力的作用，使其运动做功以显示磁场具有储能那样，储能元件处于储能状态时，对外会表现出力或电压(广义力)的作用。 f Kx K   W 2 K  2 KW ；电容器上的电压 u  W C 2 / 。例如弹簧力 8

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