第1章机电能量转换的基本原理.doc

 PAGE \* MERGEFORMAT 36 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换的装置统称为机电能量转换装置，以下简称机电装置。它们大小不一，品种繁多，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()； () () 图1—1把继电器作为两端口装置 (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()。 4 () () 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 \* GB3 ④电磁力。前两种功率很小，又是不可逆的。应用第三种形式——电场力来实现机电能量转换的装置称为静电式机电装置，只能得到不大的力和功率。实用上绝大多数的机电装置是应用第四种形式——电磁力来实现机电能量转换的，称为电磁式机电装置。本书以电磁式机电装置作为主要研究对象。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 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()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()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： （1-1） 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： (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。 图1—3 机电装置中的能量干衡 把式(1-2)各项能量写成时间内的微分形式，则得机电装置能量微分平衡式为：