机电能量转换原理
能够将电能转换为机械能或将机械能转换为电能的装置称为机电能量转换装置。
机电能量转换是通过磁场作为媒介进行的。磁场用作电气系统和机械系统之间的耦合媒介。这是因为磁场的能量储存能力非常高。因此,机电能量转换器具有三个主要部分:
- 机械系统
- 耦合介质
- 电气系统
机电能量转换器分为两种类型:
大运动装置 - 例如电动机或发电机。
增量运动装置 - 例如麦克风、扬声器、电磁继电器和电测量仪表等。
当机电能量转换从电能转换为机械能时,该转换器称为电动机。而当转换从机械能转换为电能时,该装置称为发电机。
在电机中,能量从电能转换为机械能或从机械能转换为电能,会产生以下两种电磁现象:
当导体在磁场中运动时,导体中会感应出电动势。
当载流导体置于磁场中时,导体上会作用机械力。
每当能量从电能转换为机械能或反之亦然时,这两种效应会同时发生。
在电动机工作中,电流流过置于磁场中的导体,从而在每个导体上产生力。导体置于转子上,转子可以自由移动。因此,在转子上产生电磁转矩,使转子以一定速度旋转。
转子产生的转矩传递到转子的轴上,因此它可以驱动机械负载。由于导体在磁场中旋转,因此每个导体中也会感应出电动势。
在发电机工作中,在这种情况下,转子由原动机驱动。由于在转子导体中感应出电动势,因此电流将流动并向负载输送电力。除此之外,流过导体的电流将与磁场相互作用以产生反作用转矩,这将倾向于抵抗原动机产生的转矩。
能量守恒原理
能量守恒原理指出:“能量既不能被创造也不能被消灭。它只能从一种形式转换为另一种形式”。
在机电能量转换装置中,总输入能量等于以下三个分量的总和:
耗散的能量,
储存的能量,以及
有用的输出能量。
因此,机电能量转换原理基于以下两个方程:
电动机工作的能量平衡方程或能量传递方程可以写成:
$$\mathrm{[电能输入]=[电损耗]=[耦合介质中储存的能量]+[机械能输出]}$$
发电机工作的能量平衡方程或能量传递方程可以写成:
$$\mathrm{[机械能输入]=[电能输出]+[耦合介质中储存的能量]+[耗散的能量]}$$