第六篇电机的共同问题3.docVIP

第三章 机电能量转换原理* 各种机电能量转换装置——从尺寸最大的旋转电机(例如水轮发电机)，到最小的机电信号变换器，其用途和结构虽然各有差别，但其基本原理却是相同的。机电能量转换过程是电磁场和运动的载电物体(通常为载流导体)相互作用的结果。当机电装置的可动部分发生位移，使装置内部耦合电磁场的储能发生变化，并在输入(或输出)电能的电路系统内产生一定的反应时，电能就会转换成机械能或反之。所以，任何机电能量转换装置中都有载流的电系统(绕组)、机械系统和用作耦合和储存能量的电磁场，都有一个固定部分和一个可动部分。 机电能量转换过程又是一个可逆过程，所以大多数发电机都可以作为电动机来运行；反之，大多数电动机也可以作为发电机来运行。 前几篇分析了四种经典电机的原理和稳态运行性能，本章将进一步研究旋转电机中机电能量转换的原理；能量转换过程，耦合场的作用，并导出能量转换的条件，以及此条件在各种电机中的具体体现；使读者对各种电机中的能量转换机制有一个总体概念，并为今后分析各种特殊和新型电机提供理论基础。 第一节 机电能量转换过程中的能量关系 在质量守恒的物理系统中，能量既不能产生、也不能消灭，仅能改变其存在形态，这就是能量守恒原理。能量守恒原理对所有的物理系统是普遍适用的，它也是研究机电装置的基本出发点之一。 一、机电能量转换过程中的能量关系 绝大多数机电装置都由电系统、机械系统和联系两者的耦合磁场组成。根据能量守恒原理，有 （6-3-1） 对电动机，式中的电能和机械能均为正值；对发电机，两者均为负值。 式(6-3-1)中的能量损耗，通常分为三类；一类是电系统(绕组)内部的电阻损耗；一类是机械部分的摩擦损耗、通风损耗，统称机械损耗；一类是耦合电磁场在介质内产生的损耗，包括磁滞和涡流损耗等。把电机作为一个具有电端口和机械端口的两端口装置，把电阻损耗和机械损耗移出，其效果分别在电路和机械回路中用电阻R和机械阻力系数RΩ。来表示，并不计介质损耗，则装置的中心部分将成为一个由动态耦合线圈所组成的“无损耗磁储能系统”，如图6-3-l所示。 对于此无损耗磁储能系统，在时间dt内，其能量关系为： (6-3-2) 式中，dWe为系统的微分电能输入；dWm为微分磁能增量，dWmech为系统微分机械能输出。 电阻损耗i2R 机械损耗 i Ω 电端口 u e Te Tmech 机械端口 图6-3-l 把损耗移出使系统成为“无损耗系统” 把损耗移出，使整个系统成为“无损耗系统”，这样做既便于导出磁场储能和相应的机电耦合项—电磁转矩，又使过程成为单值、可逆，给整个分析带来很大方便。 二、单边激励的机电装置 先研究一个最简单的机电装置中的磁场储能。该装置由定子铁芯、转子铁芯和气隙组成一个闭合磁路，定子铁芯上装有线圈，可从电源输入电能，如图6-3-2所示。 图6-3-2 单边激励的机电装置 设电源电压为u，线圈中的电流为i，电阻为R；则在时间dt内，由电源输入装置的总电能应为uidt，消耗于电阻R上的电能为i2Rdt。于是在时间dt内，输入耦合磁场的净电能dWe为 (6-3-3) 耦合场通过电路输入电能的同时，磁场将发生变化，并对电路作出反应。设线圈的磁链为ψ，根据法拉第电磁感应定律，ψ的变化将在线圈内产生感应电动势e (6-3-4) e的正方向与电流i的正方向一致，i与ψ之间符合右手螺旋关系。线圈的电压方程为 (6-3-5) 把上式代人式(6-3-3)，可得输入耦合场的净电能 (6-3-6) 设作用在转子上的电磁转矩为Te，在dt内转子转过dθmech机械角度，则装置的微分总机械能输出为 (6-3-7) 把式(6-3-6)和式(6-3-7)代人式(6-3-2)，就有 (6-3-8) 由于装置的磁储能系统是无损耗系统，它是一个保守系统，磁场储能Wm则是一个状态函数，故Wm的值将由独立变量ψ和θ(θ为电角)的即时值唯一地确定，而与如何达到该值无关；因此，可以从不同的路径中选取一条易于积分的路径，来确定某一磁链和转子位置(ψ0，θ0)处的磁能Wm (ψ0，θ0