第2章 机电能量转换基础

机电液系统控制技术—机电能量转换基础

哈尔滨工业大学(威海)机器人研究所

本章内容电机中的能量转换与磁路 电机中能量转换的两个实例 能量转换装置中的磁场与磁路 磁场的建立 安培环路定律及其简化形式 磁路的欧姆定律 磁路中铁心的作用 铁磁材料及其磁化特性

电机中能量转换的两个实例电机是一种进行能量传递或机电能量转换的电磁机械装置。 电机是一种进行能量传递或机电能量转换的电磁机械装置。 根据电机是否旋转，将电机分为静止电机和旋转电机。 根据电机是否旋转，将电机分为静止电机和旋转电机。 静止电机(变压器) 静止电机(变压器)l(磁路) 铁芯 输入电能N1 N2

输出电能

线圈 图 2.1.1 单相变压器示意图

电能 I

磁场

电能 II

能量转换示意图

电机中能量转换的两个实例旋转电机电能 磁场 机械能

能量转换示意图C 转子 A N

S B 定子绕组 机械端口 (a) 图 2.1.2 旋转电机示意图 (b) 定子铁心

能量转换装置中的磁场与磁路电能为什么能在变压器的两个彼此绝缘的线圈之间传递？ 电能为什么能在变压器的两个彼此绝缘的线圈之间传递？ 电动机中，从定子部分输入的电能， 电动机中，从定子部分输入的电能，为什么能转换为机 在变压器中，电能之所以 在变压器中， 械能从转子输出？ 械能从转子输出？ l(磁路) 能实现能量传递， 能实现能量传递， 一个基 铁芯 本条件是两个线圈被磁场 N N 耦合起来。 线圈 在电机中， 在电机中，电能之所以会 转换为机械能， 转换为机械能，一个重要 图 2.1.1 单相变压器示意图 N 条件也是因为其中存在一 个耦合磁场， 个耦合磁场，它把输入电 S l l 能的定子部分与输出机械 能的转子部分耦合在一起。 能的转子部分耦合在一起。 图 2.1.3 旋转电机的一种磁路1 2

1

2

能量转换装置中的磁场与磁路电能为什么能在变压器的两个彼此绝缘的线圈之间传递？ 电能为什么能在变压器的两个彼此绝缘的线圈之间传递？ 电动机中，从定子部分输入的电能， 电动机中，从定子部分输入的电能，为什么能转换为机 械能从转子输出？ 械能从转子输出？变压器和旋转电机中的磁路l(磁路) 铁芯N1 N2

主要由铁磁材料构成。在变压器 中，沿着图2.1.1所示磁路上，可 以没有空气隙，即磁路可以完全

线圈 图 2.1.1 单相变压器示意图

N

由铁磁材料构成，称为铁心磁路； 在旋转电机中，在定子磁路与转l1

S

l2

子磁路之间，总是有一个空气隙图 2.1.3 旋转电机的一种磁路

存在，这是带气隙的铁心磁路。

安培环路定律及其简化形式i1 i2 i3

l

δ

H

dl

图 2.2.1

r 沿空间任意一条闭合回

路 l,磁场强度 H (magnetic field density)的安培环路定律 螺管线圈

图 2.2.2

图 2.2.3 带气隙的铁心磁路

线积分等于该闭合回路所包围的电流的代数和

r l H 处处相等，总电流由通有电流 i 的 N 匝线圈提供： Hl = Ni 。 r 气隙长度 δ 远远小于铁心截面的边长， 认为, 沿 δ, 各处的磁场强度 H 相等的，于是，定律可以简化为： F = Ni = H Fe l Fe + H δ δ 。

r r ∫ H dl = ∑ i

安培环路定律及其简化形式l(磁路) 铁芯 输入电能N1 N2

输出电能

对于图 2.1.1 所示 铁心上绕有匝数分别 为 N1 与 N2 两个绕组， 分别通入电流 i1 与 i2 的

线圈 图 2.1.1 单相变压器示意图

情况， 作用于磁路上的 总磁动势则为两个线 磁动势或磁势F( 磁动势或磁势 ( magneto 圈安匝数的代数和， 全 motive force, MMF),单位为 电流定律的形式相应 ) 安匝(AN) 是一个非常重要的物 地变为 安匝 理量。 理量。 F = ± N1i1 ± N 2i2 = Hl

磁路的欧姆定律均匀磁路的欧姆定律铁心柱的横截面积 A 相等，且铁心柱的长度远远大于其横截面的边 长，于是可以近似认为在铁心横截面上的磁通密度 B (magnetic flux density) 处处相等且磁力线垂直于铁心横截面， 则该铁心磁路为均匀磁路， 有

Φ = BAB = µH

Ni =

B

Hl = Ni

µ Fe

l=Φ

l

µ Fe A

图 2.2.4 铁心磁路

磁路的欧姆定律Rm 1 µA (单位：A/Wb) Λ m = , = (单位：Wb/A) µ Fe A Rm l l F = Rm Φ或

则可得到磁路的欧姆定律：

Φ = FΛ m

注 ： 磁 材 料 的 磁 导 率 µ Fe 通 常 不 是 常 数 ，所 以 由 铁 磁 材 料 构 成 的 磁 路 的 磁 阻 和 磁 导 通 常 也 不 是 常 数 ，它 随磁通密度大小的变化而具有不 同 的 数 值 ，这 种 情 况 称 为 磁 路 的 非 线性。

u=Ri

图 2 .2 .8 磁 滞 回 线

磁路的欧姆定律

磁路 磁动势 Fm = Ni (A) 磁通量 磁阻 Rm 磁导 Λ m = 1 Rm 磁导率 µ (H/m) 欧姆定律 = Fm / Rm (Wb) (A/Wb) 电动势 e 电流 i 电阻 R

电路

电导 G = 1 R 电阻率 ρ 欧姆定律 i = e / R

磁路的欧姆定律

磁路的欧姆定律分段均匀磁路的欧姆定律

串 联 磁 路

F = Ni = H FelFe + Hδ δ

( ( ( (

δ

F =Φ图 2.2.3 带气隙的铁心磁路

l Aµ Fe

+Φ

δ = Φ ( RmFe + Rmδ ) Aµ0

组成该磁路的各分段的磁通是同一个磁通， 组成该磁路的各分段的磁通是同一个磁通 ， 这种磁路 称为串联磁路； 称为串联磁路； 串联磁路的总磁阻等于各段磁阻之和。 串联磁路的总磁阻等于各段磁阻之和。

磁路中铁心的作用铁心的增磁功能

图2.2.5 套在同一电流上的铁心环和塑料环

图2.2.6 带有铁心环和塑料环的串联螺管

由于 µ Fe >> µ 0 ,导致铁心中的磁通密度远远大于非铁 磁材料的中的磁通密度。

磁路中铁心的作用

串联磁路中的气隙降低铁心的增磁功能

气隙的导磁率δ

很低， 很低，只有铁 心的数千分之 一。图 2.2.3 带气隙的铁心磁路

磁路中铁心的作用铁心磁路使磁通在空间按一定形状分布l(磁路) 铁芯

对图2.1.1所示变压器，利用铁N1 N2

心的增磁功能，使得同时与两个线圈线圈

交链的磁通得以增强；而在图2.1.2与 图2.1.3中，则使得定、转子之间的耦 合场得以增强，并可以使定子内圆表 面的磁感应强度按一定规律在圆周上

图 2.1.1 单相变压器示意图

N

l1

S

l2

分布。图 2.1.3 旋转电机的一种磁路