机电能量转换
§1.4 机电能量转换条件
§1.4 机电能量转换条件为了总结出机电能量转换条件，我们就首先要来研究转换功率，然后再通过对功率方程的总结来推导出机电能量转换条件。
一·转换功率和功率方程通过前面对双边激励机电装置的分析，我们得出了下面这样一组等式：e1=－[L11(θ)di1/dt－L12(θ)di2/dt] －[i1∂L11(θ)/∂θ+i2∂L12(θ)/∂θ]dθ/dte2=－[L21(θ)di1/dt－L22(θ)di2/dt] －[i1∂L21(θ)/∂θ+i2∂L22(θ)/∂θ]dθ/dt若系统为线性，从上面这两个式子可知，定、转子绕组的电压方程为：u1=i1R1+(L11di1/dt+L12di2/dt)+(i1∂L11/∂θ+i2∂L12/∂θ)dθ/dt u2=i2R2+(L21di/dt+L22di2/dt)+(i1∂L21/∂θ+i2∂L22/∂θ)dθ/dt上面的定、转子绕组的电压方程可以用矩阵的形式来简化表示：U=Ri+Ldi/dt+(∂L/∂θ)dθ/dt (式1.4.1)=Ri+ Ldi/dt+ EΩ在这个式子中U、i为绕组的电压、电流矩阵，R、L为电阻和电感矩阵。
EΩ为运动电动势矩阵。
U=(u 1, u 2)T, i=( i 1, i 2)T,R1 0 L11L12R= L=0 R2 L21 L22EΩ=[ i1∂L11/∂θ+i2∂L12/∂θ, i1∂L21/∂θ+i2∂L22/∂θ]T式1.4.1是对电端口考虑时所得出的。
对于机械端口可以得出转矩方程：T m=Jd2θ/dt2+RΩdθ/dt +T mech式中：J—转动惯量RΩ—旋转阻力系数T mech—轴上的机械（负载）转矩其中电磁转矩T m=1/2i T(∂L/∂θ)i (式1.4.2)=1/2(i12∂L11/∂θ+2 i1 i2∂L12/∂θ+ i22∂L22/∂θ)把式1.4.2两边同时乘以机械角速度Ω，有T mΩ=i T(∂L/∂θ)iΩ/2=i T EΩ/2 (式1.4.3)式（1.4.3）左端T mΩ表示电磁转矩在旋转时所作的机械功率，右端的i T EΩ/2表示由运动电动势引起的输入功率。
电机机电能量转换(0920-13：38更新)
201609201 推导线圈磁场能。
如何推导线圈磁场能？ 首先明确什么是线圈的磁场能？前人说，对于很多电磁系统来说磁场能是外部给电磁系统注入能量过程中，一部分转化为机械能，一部分转化为热能，另一部分能量则贮存在磁场中，这部分贮存在磁场中的能量称为磁场能。
比如我们给一个单线圈电磁系统充电，一部分电能可能转化成为了电磁系统的机械能，另一部分则贮存在磁场中称为磁场能。
而且前人研究，电磁系统磁场能是保守函数，只有状态变量各个线圈的电流和磁链当前值有关，而与建立过程无关。
注意这个性质非常要，这给了我们一个求取电磁系统磁场能的途径，就是我们知道了一个电磁系统当前时刻的电流和磁链，那么我们就可以这个性质和能量守恒的规律求取这个电磁系统的磁场能，方法就是找一个孪生空载电磁系统，让这个孪生电磁系统可动部件位置固定保持跟当前位置相同，从0i =，0ϕ=的状态开始，慢慢给这个孪生电磁系统充电，使之达到目标电磁系统各个线圈的当前电磁系统各个线圈电流相同，注意我们让电流相同，又保持了孪生电磁系统可动部件位置与目标电磁系统相同，自然保证了孪生电磁系统各个线圈自感互感与目标电磁系统相同，自然保证了磁链与目标电磁系统相同。
所以孪生电磁系统磁场能与目标电磁系统相同，而根据能量守恒，在充电过程中，孪生电磁系统只有电能与磁场能的转化，所以充电过程中注入孪生电磁系统的电能就等于目标电磁系统的磁场能。
具体可以参见A.1和A.2。
A 孙旭东老师课件（汤蕴缪老师）转矩理解小结A.1 先研究单线圈电磁系统的情形A.1.1 磁场能分析一个当前电流是1i 磁链是1ϕ的线圈的磁场能是这样的：当这个线圈电流是0，磁链是0时，外部电源给线圈充电，充到电流是1i ，磁链是1ϕ，这个过程中外部电源给这个线圈注入的电能，一部分转化为了机械能、一部分转化为了铜损，一部分转化成了涡轮损耗（铁损），剩下的能量就是这个线圈的磁场能，或者说剩下的能量就转化为了线圈的磁场能。
机电能量转换基础课件
电力电子技术是指利用电子器件进行电能转换和控制的技术。
电力电子器件
电力电子器件包括晶体管、可控硅整流器、可关断晶闸管等。
控制策略
电力电子技术的控制策略包括PWM控制、SVPWM控制等。
应用领域
电力电子技术广泛应用于电机驱动、可再生能源、智能电网等领域。
能量储存技术
能量储存技术概述
能量储存技术是指将能量转换为其他形式存 储起来，并在需要时释放的技术。
储能系统
储能系统包括电池储能系统、超级电容储能 系统、飞轮储能系统等。
储存方式
能量储存方式包括化学能储存、机械能储存 、电磁能储存等。
应用领域
能量储存技术广泛应用于可再生能源利用、 智能电网等领域。
PART 04
机电能量转换效率与优化
效率分析
转换效率定义
机电能量转换效率是指机械能转换为电能的效率，通常用百分比表 示。
结构设计
02
优化机械能与热能之间的转换结构，减少能量损失，提高转换
效率。
控制策略
03
采用先进的控制策略，如PID控制、模糊控制等，提高系电桩的机电能量转换效率分析，通过实验测量和理论计算，发现转换效率较低，主要原 因是散热不良和机械能损失较大。
案例二
某风力发电系统的机电能量转换效率优化，通过改进材料、结构和控制策略，提高了转换效率和稳定 性。
机电能量转换的发展趋势
高效率与紧凑化
提高能量转换效率和减小设备体积是未来发展的主要 方向。
多功能与智能化
结合多种能量转换方式，实现设备多功能化，并提高 智能化水平。
环境友好与可持续性
发展环保、可持续的机电能量转换技术，减少对环境 的负面影响。
机电能量转换原理
We eidt
-9-
将式（2-2）代入式（2-4），可知机械系统输入机械能的分布为
dx d x dx WM F dt M 2 D dt K x x0 dx Fedx dt dt dt
-3-
1 机电能量的转换装置
一般来说，电磁系统包括电气系统、机械系统和连接机电系 统的中间媒介，其作用是能量传递和转换。系统可以从机械系统 输入机械能，通过中间介质将机械能传递给电气系统，使之输出 电能；另一方面，也可以从电气系统输入电能，并由中间介质转 换为机械能，驱动机械系统运动。
Φm
R + u i _ K
a) 机电系统及联系 b) 理想的磁能储存系统
根据电磁系统机电装置的能量输入和输出的数量，可分为单 输入输出机电能量转换装置和多输入输出机电能量转换装置。
-5-
1.1 单输入输出机电能量转换装置 单输入和输出机电能量转换装置是一类简单的电磁系统，如 图2-3所示， 其具有单一的电气和机械装置通过耦合磁场进行机 电能量的转换，再由电气或机械装置输入或输出能量。这类电磁 系统具有广泛的工程应用，比如：电磁继电器和电磁铁等机电装 置。
质量储 能 摩擦 发热损耗 弹性 储能 输入耦合 磁场的机械能
2
2
Wm Fe dx
-10-
由此，机电系统耦合磁场输入的总能量应为电气系统与机械 系统输入能量之和，即为
Wf We Wm eidt Fe dx
（2-7）
电气系统
机械系统
-11-
1.2 多输入多输出机电能量转换装置 多输入和多输出机电能量转换装置是一类复杂的电磁系统， 如图2-4所示，其具有多路的电气和机械装置通过耦合磁场进行 机电能量的转换，再由电气或机械装置输入或输出能量。
机电能量转换
Te
T
单边激励
i Te u e Tmech dθmech
电源输入的总功率
P1 = ui
电压平衡方程
u = ri − e
法拉第电磁感应定律
dψ e=− dt
输入磁储能系统的电功率
Pe = ui − ri = (u − ri)i = −ei
2
在时间dt内，输入耦合场的净电能
输入耦合场的净电能
dWe = −(e1i1 + e2 i2 )dt = i1dψ 1 + i2 dψ 2
微分磁能增量
∂Wm ∂Wm ∂Wm dWm = dψ 1 + dψ 2 + dθ ∂θ ∂ψ 1 ∂ψ 2
能量平衡
dWm = dWe − Te dθ mech
磁能增量
dWm = i1dψ 1 + i2 dψ 2 − Te dθ mech
1 1 2 2 Wm (i10 , i20 ,θ 0 ) = L11 (θ )i1 + L12 (θ )i1i2 + L22 (θ )i2 2 2
'
线性系统磁能与磁共能
Wm = W
' m
磁能密度
wm = ∫ H ⋅ dB
0
B0
线性系统磁能密度
1B 1 wm = = BH 2 µ 2
在一定的磁通密度下， 在一定的磁通密度下，磁能密度与介质磁 导率成反比。对于旋转电机而言， 导率成反比。对于旋转电机而言，大部分 磁能储藏在气隙中。 磁能储藏在气隙中。
= ∫ i1 (ψ 1 ,0,θ 0 )dψ 1
0
ψ 10
第三段路径c段
dθ = 0,ψ 1 = ψ 10 , dψ 1 = 0
电机分析-3_机电能量转换
ψ
δ
ψ2 c ψ1 d
b
x=x2 x=x1 a
0
i2 i1 i
24
z
磁能产生电磁力的物理概念
z
磁能产生电磁力的物理概念
b x=x2 x=x1 a
第一种理想情况：∆t内i＝const a点磁能 Wma＝面积0ad b点磁能 Wmb＝面积0bc 磁能增量 ∆Wm＝面积0bc－面积0ad
ψ2 i dψ＝i1 (ψ 2 ψ1 1
δ
dWe = ∫ (ui − i 2 R )dt = − ∫ eidt = ∫
t1 t1
t2
t2
ψ2
ψ1
i dψ
ψ1、ψ2对应不同位置x1、x2，磁化曲线不同，电流也 不同，因此积分路径与x＝const时不同。
其间产生平均电磁力fmav， 使衔铁位移 ∆ x 所做的机械 功为∆Wmec＝fmav ∆x。 ∆We ＝∆Wm＋∆Wmec
保守系统的特点
系统的瞬时状态可用一组独立的状态变量来描述 系统的储能以及与储能相联系的保守力都是状态 函数，即两者都仅与系统的瞬时状态有关，而与 系统的历史和到达该瞬时状态的路径无关。
全部由能存储和释放能量且无损耗的储能元件组 成的、与周围系统没有能量交换的自守物理系统。 保守系统的总能量是守恒的。 理想物理系统的储能元件 —— 本身无损耗，在一 定条件下能储存能量，当条件变化时又可释放能量 （如线圈、电容器、运动物体、被升高的静物） 对于机电系统，若将其损耗移出，电系统和机械 系统都不与外界能源相连，则成为一个保守系统。
第2部分 机电能量转换
¾ ¾ ¾
1. 机电能量转换的基本原理
1.1 概 述
¾ ¾ ¾ ¾
机电能量转换的基本原理 旋转电机机电能量转换的条件 总结
§1.5 机电能量转换(例题2)
§1.5 机电能量转换（例题1）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，并输出（输入）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、机械系统和用作为耦合和存储能量的电磁场，都有一个固定不分和一个可动部分。
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，大多数电动机也第一作为发电机来运行。
本章将研究旋转电机能量转换的原理，能量转换的过程，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现；机电能量转换过程中的能量关系：｛由电源输入电能｝ = ｛耦合电磁场内储能的增加｝ + ｛机电系统内部的能量损耗｝ + ｛输出的机械能｝保守系统：由一些能够存储能量、释放能量、没有任何损耗的物体或元件所组成的，与周围系统没有能量交换的自守物理系统，就成为保守系统。
状态函数：描述系统即时所处状态的得以组独立变量，称为状态变量。
由一组状态变量所确定的、描述系统及时状态的单值函数，称为系统的状态函数。
特点：当系统的储能以及由储能的偏导数所确定的广义力，仅与系统的即时状态有关，而与系统的历史及达到此状态的路径无关。
机电能量的转换过程：在能量转换的过程中，作为耦合场的磁场有以下功能，它既可以从电系统输入或输出能量，还可以对机械系统输出或输入能量，主要取决于对取决于对磁链和可动部分角位移所加的约束。
机电能量转换的条件：机电能量转换必定在旋转过程中进行，运动电动势和电磁转矩不能为零。
例题 1θ。
的位置。
当磁路未饱有一单边激励的机电装置，转子位于ϕ-I曲线为以直线;当磁路开始饱和时, ϕ-I曲线永玲以和时，其直线ab去近似表示，如图所示。
试求系统的状态达到a点和b点时的磁场能和磁共能。
解：（1）a 点的磁能和磁共能 在0a 区间内，-I 曲线的方程式为ϕ=I ，于是磁能为W m=⎰a id ϕϕ0=⎰10ϕid =0.5J磁共能为W ’m=⎰ia di 0ϕ=⎰10di ϕ=0.5J由于这段ϕ=I 关系为线性，故磁能等于磁共能。
《机电能量转换原理》课件
新能源驱动的机电能量转换系统
风能转换系统
利用风能发电，通过高效的风力发电机组将风能转换 为电能。
太阳能转换系统
利用太阳能光伏发电，通过光伏电池将太阳能转换为 电能。
海洋能转换系统
利用海洋能发电，如潮汐能、海浪能等，通过相应的 技术将海洋能转换为电能。
人工智能在机电能量转换中的应用
智能诊断与维护
利用人工智能技术对机电设备进 行故障诊断和预测，提高设备维 护效率和可靠性。
智能优化控制
通过人工智能算法对机电设备的 运行参数进行优化控制，提高设 备运行效率和能源利用率。
智能设计与仿真
利用人工智能技术进行机电设备 的设计和仿真，加速产品研发进 程并降低研发成本。
THANKS
感谢观看
自适应控制
根据能量转换过程的变化自动调整控制参数 ，以适应不同工况。
最优控制
通过数学模型和优化算法找到最优的控制策 略，以实现最高效率。
04
机电能量转换的优化方法
新型电机设计总ຫໍສະໝຸດ 词通过改进电机设计，提高能量转换效率。
详细描述
新型电机设计采用先进的设计理念和材料，优化电机的磁场分布、转子结构等， 从而提高电机的转换效率和功率密度。
《机电能量转换原理 》PPT课件
目 录
• 机电能量转换原理概述 • 机电能量转换的基本元件 • 机电能量转换过程 • 机电能量转换的优化方法 • 机电能量转换的未来展望
01
机电能量转换原理概述
定义与原理
定义
机电能量转换是将电能转换为机械能 或将机械能转换为电能的过程。
原理
基于法拉第电磁感应定律和安培力定 律，通过磁场和导体的相对运动实现 能量的转换。
机电能量转换的应用
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微分磁共能
dm W ' 1d1 i 2d2 iT edmec
d m W ' W i1 m' d1 i W i2 m' d2i W m' d
积分路径的选择
1. i1 i2 0 ,T e 0 ;d 1 id 2 i0θ从0到θ0
2. d0 ,i20 ,d2 i0i1从0到i10
3. d0,i1i1,0 d1 i0 i2从0到i20
Te
Wm' i
mech
const
双边激励
i1 u1
Te e1
dmech
Tmech i2 e2 u2
电压平衡方程式
u1 r1i1 e1 u2 r2i2 e2
绕组感应电动势
e1
d dt
1
e2
d dt
2
输入耦合场的净电能
de W ( e 1 i1 e 2 i2 ) d i1 td1 i2 d2
含气隙的铁心线圈磁能
• 设：铁心平均长度
100mm，气隙长度
1mm，磁路的磁通
i
密度B=1T，铁心的 u
磁导率是空气的
1000倍。能密度
1 B2 w m 2 0
w mFe
1 B2 2 Fe
磁能密度之比
wm Fe 1000 wmFe 0
储存的磁能之比
dW mechTed mech
能量平衡
dW e dW mdW mech
微分磁能增量
dW mi dTedmech
磁场储能
W m (0 ,0 )0 0i(,)d 0 0 T e (,)d
积分路径选择
• 磁场储能是一个状态函数，其值由独立变 量ψ和θ的即时值唯一地确定。
• 可以选取一条易于积分的路径求得磁能值。 先把转子固定在θ0，ψ=0,Te=0, 再求出此 位置下磁链从0增长到ψ0时，耦合场的净电 能输入。
W m w m A Fe10 0100 W mFew mF AeFle 0lFe 100
双边激励机电装置的机电能量转换
e1
d dt
1
e2
d dt
2
磁链函数
1 1(i1,i2) 2 2(i1,i2)
变压器电动势和运动电动势
e1dd 1t(dd11id d1itdd21idd2itdd i1dd)t(e1t e1) e2dd 2t(dd12id d1itdd22idd2itdd i2dd)t(e2t e2)
θ从0到θ0。
第二段路径b段
d 0 ,2 0 ,d 2 0
ψ1从0到ψ10
dW m010i1(1,0,0)d1
b
第三段路径c段
d 0 ,1 1,0 d 10
ψ2从0到ψ20
dW m0 20 i2(10 ,2,0)d2
c
磁场能量
W m (1 ,0 2 ,0 ) 0 1 i 1 0 (1 , 0 ,0 ) d 1 0 2 i 2 0 (1 ,0 2 ,0 ) d 2
磁功能函数
W m '( i1,i 0 2,0 0 ) 1 2 L 1(1 ) i1 2 L 1(2 ) i1 i2 1 2 L 2(2 ) i2 2
线性系统磁能与磁共能
Wm Wm'
磁能密度
B0
wm H dB
0
线性系统磁能密度
wm
1 B2
2
1BH 2
在一定的磁通密度下，磁能密度与介质磁 导率成反比。对于旋转电机而言，大部分 磁能储藏在气隙中。
[12i12
L11
i1i2
L12
1 2
i22
L22]d
[L11
di1 dt
L12
积分路径
Wm(
0
b
a
0
磁能计算
W m(0,0)0 0i(,0)d
磁共能计算
W m'(i0,0)0i0(i,0)di
磁能与磁共能的关系
Wm
Wm' 0
WmWm' i
i
线性系统
WmWm ' 1 2i1 2L2i
电磁转矩--磁能计算
Te
Wm const m ech
电磁转矩--磁共能计算
电能输入
de W ( e 1 i1 e 2 i2 ) d i1 td1 i2 d2
磁场储能的变化
dm W i1d1i2d2 W md
dW m' 1d1i2d2i W m ' d
线性系统
dWm dWm' [L11()i1 L12()i2]di1 [L21()i1 L22()i2]di2
磁共能
W m '( i 1 ,i2 0 ,0 0 ) 0 i 10 1 ( i 1 ,0 ,0 ) d 1 i 0 i20 2 ( i 1 ,i2 0 ,0 ) d 2 i
线性系统
1 L11()i1L12()i2 2 L21()i1L22()i2
电流为磁链的函数
i1 L2D2()1 L1D2()2 i2 L2D1()1 L1D1()2
能量守恒原理
• 质量守恒的系统中，能量不能产生，也不 能消灭。
能量关系
• 电源输入的电能=磁场储能的增加+内部能 量损耗+机械能的输出
• 三类能量损耗：电阻损耗、铁耗、机械损 耗
• 将损耗移出，得到一个无损耗磁储能系统， 成为保守系统，能量转换过程为单值、可 逆。
无损耗磁储能系统
电阻损耗
机械损耗
分析
• 第一项、第二项由电流的变化所引起的， 称为变压器电动势；第三项由转子旋转运 动所引起，称为运动电动势。感应电动势 是电磁能量转换的必要条件，运动电动势 的存在是机电能量转换的必要条件。
线性系统
e1[L1(1)d d1i tL1(2)d d2i]t[i1L 1(1)i2Ld 1(2)]d dt e2[L2(1)d d1i tL2(2)d d2i]t[i1L 2(1)i2Ld 2(2)]d dt
u
e
无损耗磁
Te
T
储能系统
单边激励
i u
Te e
dmech Tmech
电源输入的总功率
P1 ui
电压平衡方程
ur i e
法拉第电磁感应定律
e d
dt
输入磁储能系统的电功率
P eu ir2i(ur)ii ei
在时间dt内，输入耦合场的净电能
deW P ed t ei d i d t
在dt时间内总机械能的输出
微分磁能增量
dm W W m 1d1 W m 2d2 W md
能量平衡
dW mdW eTedmech
磁能增量
dm W i1 d1 i2 d2 T edmec
积分路径的选择
2 20
0 a 0
b
Wm(10, 20,0)
10 1 c
第一段路径a段
1 2 0 ,T e 0 ;d1 d2 0