第2章 机电能量转换基础(机电液)

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。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）l（磁路）图2.1.1单相变压器示意图1N2N铁芯线圈输入电能输出电能磁场电能II电能I能量转换示意图电机中能量转换的两个实例旋转电机(a)(b)图2.1.2旋转电机示意图转子定子铁心定子绕组NS机械端口ABC磁场电能机械能能量转换示意图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？l（磁路）图2.1.1单相变压器示意图1N2N铁芯线圈图2.1.3旋转电机的一种磁路SN1l2l在变压器中，电能之所以能实现能量传递，一个基本条件是两个线圈被磁场耦合起来。在电机中，电能之所以会转换为机械能，一个重要条件也是因为其中存在一个耦合磁场，它把输入电能的钉子部分与输出机械能的转子部分耦合在一起。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？l（磁路）图2.1.1单相变压器示意图1N2N铁芯线圈图2.1.3旋转电机的一种磁路SN1l2l变压器和旋转电机中的磁路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，在定子磁路与转子磁路之间，总是有一个空气隙存在，这是带气隙的铁心磁路。安培环路定律及其简化形式图2.2.1安培环路定律图2.2.2螺管线圈图2.2.3带气隙的铁心磁路δi1i3i2lHdl沿空间任意一条闭合回路l，磁场强度H（magneticfielddensity）的线积分等于该闭合回路所包围的电流的代数和lildHH处处相等，总电流由通有电流i的N匝线圈提供：Hl=Ni。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：HlHNiFFeFe。安培环路定律及其简化形式l（磁路）图2.1.1单相变压器示意图1N2N铁芯线圈输入电能输出电能对于图2.1.1所示铁心上绕有匝数分别为1N与2N两个绕组，分别通入电流1i与2i的情况，作用于磁路上的总磁动势则为两个线圈安匝数的代数和，全电流定律的形式相应地变为HliNiNF2211磁动势或磁势F（magnetomotiveforce,MMF），单位为安匝(AN)是一个非常重要的物理量。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（magneticfluxdensity）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FeFeBlNilABAB=HHl=Ni图2.2.4铁心磁路磁路的欧姆定律mFelRA（单位：A/Wb），1mmARl（单位：Wb/A）则可得到磁路的欧姆定律：mRF或mFuRi图2.2.8磁滞回线注：磁材料的磁导率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。磁路的欧姆定律磁路电路磁动势mFNi（A）电动势e磁通量（Wb）电流i磁阻mR(A/Wb)电阻R磁导mmR1电导RG1磁导率(H/m)电阻率欧姆定律/mmFR欧姆定律/ieR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δ图2.2.3带气隙的铁心磁路(串联磁路)0()mFemFeFlRRAAHlHNiFFeFe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0Fe，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δ图2.2.3带气隙的铁心磁路气隙的导磁率很低，只有铁心的数千分之一。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）图2.1.1单相变压器示意图1N2N铁芯线圈图2.1.3旋转电机的一种磁路SN1l2l对图2.1.1所示变压器，利用铁心的增磁功能，使得同时与两个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分布。铁磁材料及其磁化特性铁磁材料的磁化特性磁通密度B与磁场强度H之间的关系曲线，称为B-H曲线(B-Hcharacteristic)，是磁性材料最基本的特性，也被称为材料的磁化曲线。磁化曲线开始拐弯的点（图中的b点），称为膝点。通常，电机磁路中的铁磁材料工作在膝点附近。abcµ=f(H)00BB=µ0HB=f(H)图2.2.7铁磁材料的起始磁化曲线和µFe=f(H)曲线HdµFe铁磁材料及其磁化特性图2.2.8磁滞回线图2.2.9基本磁化曲线•剩磁Br•矫顽力Hc•软磁材料：剩磁和矫顽力较小；•硬磁材料：剩磁和矫顽力较大铁磁材料及其磁化特性铁磁材料的磁化特性与铁心磁路的磁化曲线的关系图2.2.10带气隙铁心磁路的磁化曲线14i01i2i1：图2.2.4的均匀磁路2：气隙磁化曲线3：有气隙磁路曲线1:均匀材料的磁化特性BH曲线；曲线2：气隙段磁化特性（0iNA）曲线3：分段均匀磁路磁化曲线HlHNiFFe将激磁电流i表示为两部分之和，分别记为Fei与iiiiFemFeFeFeRlHNi,mRHNi曲线4：分段均匀磁路磁化曲线（再扩大气隙）励磁电流增加，但线性区增大铁磁材料及其磁化特性永磁磁路硬磁材料一经磁化，能长时间保持磁性，故可以用于制造永久磁铁。0HlHFmmHlHmmmmmHlHBB00铁磁材料及其磁化特性当外磁路中气隙长度δ变化时，工作线的斜率相应变化，工作点以及对应的B和H亦将随之改变。例如，当磁路中无气隙，即δ＝0时，工作点为图中的剩磁点；当δ逐渐增大时，工作点就会沿着去磁曲线下移。由此可见，作为一个磁动势源，永久磁铁对外磁路提供的磁动势Hmlm并非恒值，而与外磁路有关，这是永久磁铁的一个特点。图2.2.12永磁磁路工作图总结电生磁，安培环路定理铁增磁（磁路，电流一定时，增磁通）磁路的非线性特性（饱和特性，磁滞特性）磁路与电路磁路电路磁动势mFNi（A）电动势e磁通量（Wb）电流i磁阻mR(A/Wb)电阻R磁导mmR1电导RG1磁导率(H/m)电阻率欧姆定律/mmFR欧姆定律/ieR