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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(a)；(a) (b)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(a)。
4uf(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。
交流电机统一理论第1章机电能量转换的基本原理第章机电能量转换的基本原理第1章1‐1 保守系统和磁场能量1‐2 磁场能量和磁场力1‐3 电场能量和电场力机电装置的定义机电装置：9机械能与电能转换的装置9大小不一、品种繁多、功能多样大小不一品种繁多功能多样机电装置的分类•（1）机电信号变换器—实现机电信号变换的装置—在功率较小的信号下工作的传感器，通常用于测量和控制装置中测量和控制装置中。
z如旋转变压器、扬声器等。
•（2）动铁换能器通电流激磁产生力使动铁有限位移的装置—通电流激磁产生力，使动铁有限位移的装置。
z如继电器、电磁铁等。
机电装置的分类机电装置的分类（3）机电能量持续转换装置—如电动机、发电机等。
机电装置6直流电动机机电能量转换形式•电致伸缩与压电效应—功率小，不可逆•磁致伸缩—功率小，不可逆•电场力（静电式机电装置）—功率小•磁场力—功率大，如电机7耦合场•机电装置中—耦合电场、磁场—频率低，两者可以分开，彼此独立z电磁式：磁场耦合z静电式：电场耦合8分析方法•归纳为具有若干个电端口和机械端口的装置—大多数旋转电机有两个电端口和一个机械端口的装置9保守系统的能量和力•状态变量xx &,•能量),;,,(,2121L &&L x xx x W W =•保守力),;,,(,2121L &&L x xx x f f =磁能和磁共能•磁能磁能和磁共能衔铁静止输入净电能全部转化为磁能衔铁静止，输入净电能全部转化为磁能•磁能表达式（x=x1）磁能表达式11φψ∫∫==φψFd id W m （1-8）磁能和磁共能•磁链与磁场储能不同气隙时电磁铁磁化曲线磁场储能磁共能分步积分法化简（1‐8）式11i ψ∫∫−==110m di i id W ψψψ（1-13）•磁共能1i ∫=0'mdi Wψ11'ψi WW mm =+磁共能磁能和磁共能图1-2磁场能量和磁场力12 磁场能量和磁场力单边激励的机电装置磁场中的力和转矩•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电流在磁场中产生力铁磁材料在磁场中产生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)) (BvEqF×+=力()–电荷q(库仑)–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qEF =力方向场度方向致–与电荷的运动方向无关•纯磁场中)(B v q F ×=电磁力密度•3电荷密度ρ(C/m )：单位体积内的电荷•电磁力密度F V (N/m 3)：单位体积内产生的电磁力×=•电流密度)(B v E q F V +vJ ⋅=ρ•纯磁场中的电磁力密度BJ F V ×=磁性材料中的电磁力•磁性材料受力–详细计算十分复杂–需了解整体构件的磁场分布情况•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：磁场的旋转超前于转子磁场，定子牵引转子运动并做功–发电机：转子磁场超前于定子磁场，转子对定子做功发电机转子磁场超前于定子磁场转子对定子做功能量平衡•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+耦合场储能增量+转换为热能–在无损系统中heatf mec el dW dW dW dW ++=d •在将机械能转换成电能的系统中fmec el dW dW dt i e dW +=⋅⋅=–输入机械能=电能输出+耦合场储能增量+转换为热能heatf el mec dW dW dW dW ++=磁能产生电磁力•磁能产生力–Δt 时间内电源供给磁场的能量222ψt t ∫∫∫=−=−=Δ111)(2ψidt eidt dt R i ui W t t el磁能产生电磁力•输入电能磁能产生电磁力•A点磁能磁能产生电磁力•B点磁能•Δt时间内电磁力所做的机械功0磁能产生电磁力•情况2：–Δt时间内磁链为常量磁能产生电磁力输入电能•输入电能＝0–Δt 时间内磁链为常量，e=02t i )(12−=Δ∫t el dtR i ui W 2t 01=−=∫t eidt磁能产生电磁力•磁能增量磁能产生电磁力•一般情况。
