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摘要：介紹了機電系統中常見的能量形式和能量轉換部件，并以典型的機械傳動系統和液壓傳動系統為例，闡述了能量守恒定律在機電系統中的應用。研究表明，不同形式的能量在傳遞或轉化過程中均存在能量損耗，機電系統的能量利用率通常可用效率來表示。

關鍵詞：機電系統；能量守恒；能量損耗；效率

能量守恒定律最早是由德國科學家邁爾于1842年提出的。它是指能量既不會憑空產生，也不會自行消失，只能由一種形態轉化為另一種形態，而總的能量保持不變。常見的能量形態有機械能、電磁能、內能、化學能、核能等。機電系統就是一個不同能量之間相互傳遞和轉換，從而滿足一定功能要求的設備。本文介紹了機電系統中常用的能量形式和能量轉換部件，以幾種典型的機電系統為例，分析了系統的能量傳遞和轉換過程。

1機電系統中常用的能量形式

1.1電能電能是表示電做功多少的物理量，其國際單位制為焦耳（J），通常電能用千瓦時（kW•h）來表示大小，也叫做度（電）。

1.2機械能機械能是動能與勢能的總和，勢能分為重力勢能和彈性勢能。其中動能又分為旋轉運動的動能和平動運動的動能。

1.3流體能量液體和氣體形式的物質稱為流體，沒有固定形狀、容易遷移和變形，在靜止狀態只能承受壓力而不能承受拉應力和剪應力。

1.4磁能磁能分為自感磁能和互感磁能。在線圈中建立電流，要反抗線圈的自感電動勢而做功，與這部分功相聯系的能量叫做自感磁能。在兩個線圈中分別建立電流，兩個線圈之間存在互感作用，除了反抗線圈的自感電動勢而做功外，還將反抗線圈的互感電動勢而做功，與后者相聯系的能量叫做互感磁能[1]。

2機電工程中常用的能量轉換部件

上述不同形式的能量都是表示做功多少的物理量，而在機電系統中做功效率的高低（或單位時間內所做的功，即功率）具有更重要的工程實際意義。因此，在機電部件和系統中，不同形式的能量傳遞和轉換通常以功率流的形式表示。

2.1電動機電動機是一種把電能轉換成機械能的設備。其基本工作原理基于電磁力定律，即通電導體在磁場中會受到電磁力的作用，作用力的方向取決于電流的方向和磁場的方向，并遵守左手定則。電動機按使用電源不同分為直流電動機和交流電動機。根據電機輸出軸的運動形式，又可分為旋轉電機（輸出軸做旋轉運動）和直線電機（輸出軸做直線運動）。

2.2液壓泵液壓泵是一種將機械能轉換為液壓能的部件，它為液壓系統提供動力源，是液壓系統的心臟。常見的液壓泵主要有齒輪泵、葉片泵和柱塞泵等。齒輪泵的工作原理如圖1所示。當原動機帶動主動齒輪逆時針旋轉時，從動齒輪在齒輪嚙合的作用下順時針旋轉，使右端入口的容積擴大，左端出口的容積減小，進而完成吸油和排油的功能，這種依靠容積變化而工作的泵也叫容積式泵。

2.3液壓缸或液壓馬達液壓缸或液壓馬達是將流體的壓力能轉換為機械能的部件，其輸入為流體的壓力和流量，輸出為力和速度（液壓缸）或轉矩和轉速（液壓馬達），前者做往復直線運動，后者做旋轉運動。

2.4減速器減速器是一種一種由封閉在剛性殼體內的齒輪傳動、蝸桿傳動、齒輪-蝸桿傳動所組成的獨立部件，常用作原動件與工作機之間的減速傳動裝置。減速器按照傳動類型可分為齒輪減速器、蝸桿減速器和行星齒輪減速器等。常用的齒輪減速器的工作原理為：原動機與減速器的小齒輪軸相連，帶動小齒輪一起旋轉，經過齒輪嚙合傳動，大齒輪隨之旋轉，并通過輸出軸輸出相應的角速度和轉矩。

3能量守恒定律在機電系統中的應用

3.1機械傳動系統一個由電動機、減速器、卷筒、定滑輪和動滑輪構成的卷揚機傳動系統原理。

3.2液壓傳動系統為一個由電動機、液壓泵、控制閥組和液壓缸構成的液壓控制系統[3]。其工作原理為：電動機帶動液壓泵旋轉，泵從油箱中吸油后輸出一定壓力和流量的壓力油，通過控制閥組對液壓油進行壓力、流量和方向的調節和控制后傳輸到液壓缸中，并由液壓缸推動負載做功。在該液壓系統中，電機的電能轉化為機械能，液壓泵將機械能轉化為流體的壓力能，最終由液壓缸將流體的壓力能轉化為機械能。從整個系統來看，液壓缸輸出的機械能才是有用的能量，該能量在系統輸入的總能量（電能）中僅占一小部分。而其余的在能量傳遞和轉換過程中均損耗掉。主要損耗的能量包含以下幾個部分：電動機的能量損耗、液壓泵的能量損耗、控制閥組的能量損失、管路和液壓缸的能量損失。液壓泵的能量損耗包含機械能損耗和流體壓力能損耗。

機械能損耗主要有泵內相對運動部件之間的摩擦損失、運動部件與流體間的黏性摩擦損失。流體壓力能損耗是泵內液壓油通過密封間隙由高壓區向低壓區泄漏產生的損失?？刂崎y組的能量損失主要是流體流過控制閥時因壓力損失或流量損失而產生的能量損耗。管路的能量損失為當流體流過管路時，因局部阻力損失或沿程阻力損失而消耗的壓力能。液壓缸的能量損失包括缸內運動部件的摩擦阻力損失、高壓腔向低壓腔泄漏和低壓腔的被壓產生的壓力能損耗。從系統整體而言，輸入給電機的功率Pd等于液壓缸輸出的機械功率P0與上述所有能量損耗之和，但總能量保持不變，遵從能量守恒定律。系統的總效率為P0與Pd之比。

4結論

能量既存在于人們的日常生活中，也廣泛應用于工程實踐中。通過介紹機電工程中常見的能量形式、能量轉換部件和能量守恒定律在典型機電系統中的應用，人們加深了對能量轉換和能量守恒定律的理解。在機電系統中，不同類型或形態的能量可以進行傳遞和轉換，而此過程中都存在能量損耗，系統效率則是衡量能量利用率高低的重要指標。

參考文獻

[1]馬文蔚，周春雨.物理學[M].北京：高等教育出版社，2018.

[2]馮清秀，鄧星鐘，周祖德，等.機電傳動控制[M].武漢：華中科技大學出版社，2011.

[3]許福玲，陳堯明.液壓與氣壓傳動[M].北京：機械工業出版社，2011.

作者：賀江鷗 單位：華中科技大學附屬中學