1.      电机机电能量转换原理

不论是大型水轮发电机，汽轮发电机还是微型交直流电机，直到最小的机电信号变换器，都属于机电换能装置或称为机电换能器。机电能量的转换过程是电磁场和运动的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，使装置内部耦合场的储能发生变化，并在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。具体说电机的能量转换是在磁场为媒介的耦合场中进行的。因磁场的能量密度远远大于电场的能量密度。

机电换能装置一般由三部分组成：

（1）电系统  ——换能装置的绕组；

（2）机械系统——输出力或转矩的运动体；

（3）耦合场  ——能量转换的媒介、储存能量的场所。

如图表示机电换能器的方框图。

                                                 电能转换为机械能示意图

电机大多数可作为三端口装置，即两个电端口和一个机械端口，如图所示，其中u_a、u_f为电端口，M为机械端口。但是对于永磁同步电机，转子磁场由永磁体产生，因此u_f不存在，此时等效为一个两端口装置。

                                                     旋转电机看成三端口装置

2.      电机机电能量转换过程中的能量平衡

在质量不变的物理系统内，能量是不能创造、也不能消灭、仅能从一种状态转换到另一种状态，这就是能量守恒定律，该定律对所有的物理系统都是适用的，当然也是用来分析电机能量转换过程的基本出发点之一。

如前所述，电机能量转换装置是由电系统、机械系统和耦合场组成。在不考虑电磁辐射能量的前提下，涉及四种能量形式：即电能、机械能、磁场储能和热能。可写出能量动态平衡方程式如图所示。

                                          电机能量动态平衡方程式

图中等式右侧第三项是变为热能的部分，是属于不可逆的能量转换过程，它分布在能量转换的各个部分，可以把它分成三个组成部分：

（1）部分电能由于电流经过电系统的电阻而直接变为热能；

（2）部分机械能被机器内部的摩擦作用（包括转动部分与空气的摩擦在内）所吸收而变为热能；

（3）磁场内的部分能量变成铁芯内的涡流和磁滞损耗变成热能。

以上三部分热损耗被称为铜损耗，机械损耗和铁损耗。如果把损耗按上述三项分别归到上图的能量模块中去，则有如下图所示的能量平衡关系：

                将热损耗归纳到能量模块之后的关系式

图中等式左边的项，可以用电路的电压和电流来表示。如果只有一个单独的电路，则在dt时间内输入的能量为v·i·dt，v为端电压的瞬时值，i为电流的瞬时值，电阻上的铜损为i²·r·t，其中r表示电路的总电阻，所以上图中等式左边的项目可以表示为：

式中dW_e表示减去电阻损耗后，dt时间内的电能净输入。以磁场为媒介的换能器，只有当磁场对电路产生一定反应的条件下，才能从电源吸收净电能输入。

基本的能量转换过程涉及到耦合场的反应，即它对机械系统和电系统的作用与反作用。对于电机，磁场吸收的能量与变成的机械能之和恒等于从电源吸收的净电能，即：

式中dW_f为dt时间内磁场吸收的总能量； dW_m为dt时间内变成的总机械能。

3.      耦合场的磁场储能

磁场内储存的能量叫做磁场储能或磁储能，也简称磁能。它的值取决于线圈的磁势，以及线圈和磁性材料的几何形状，磁场产生的机械作用力或转矩，会引起机械运动和机械能的变化。如果没有机械运动产生，就不会有机械功作出，在这种情况下，能量平衡关系式为：

上式表明，在线圈和磁性材料的几何形状固定的情况下，净电能输入将被磁场全部吸收，或者说净电能输入就是磁能的增加。可见，磁场的能量可以根据磁场建立过程中由电源供给的能量来确定，即

式中dW_f为dt时间内磁场吸收的总能量；dW_e为dt时间内的电能净输入；i为绕组电流，Ψ为绕组磁链，F为绕组磁势，Φ为绕组磁通量。

磁链从0变到Ψ，或者磁通从0变到Φ时，磁场吸收的能量为：

上式即表示磁场中储存的能量，称为磁储能或简称磁能。

在磁能的表示式中，磁势F是磁通Φ的函数，它们之间的关系通常称为换能器的磁化特性。它取决于线圈和铁心的几何尺寸，以及铁心的导磁性能。不计铁心内的磁滞和涡流效应时，磁化特性是一条通过原点的曲线，如图所示。上式中的积分，可用曲线与纵坐标之间包围的面积来表示。如图中打斜线的部分。

                                磁场储能及磁化特性的几何表示