電氣工程導(dǎo)論專題--電機(jī)基礎(chǔ)

1、2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論—— 專題一 電機(jī)基礎(chǔ),2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,2,一、電機(jī)學(xué)發(fā)展史,1820年奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流磁效應(yīng)，隨后安培通過總結(jié)電流在磁場(chǎng)中所受機(jī)械力的情況建立了安培定律,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,3,1、直流電機(jī)的產(chǎn)生與形成,1821年9月法拉第發(fā)現(xiàn)通電的導(dǎo)線能繞永久磁鐵旋轉(zhuǎn)以及磁體繞載流導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)，第一次實(shí)現(xiàn)了電磁運(yùn)動(dòng)向機(jī)械運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換，從而建立了電動(dòng)機(jī)的實(shí)

2、驗(yàn)室模型，被認(rèn)為是世界上第一臺(tái)電機(jī)。,盤子內(nèi)注入水銀，盤子中央固定一個(gè)永磁體，盤子上方懸掛一根導(dǎo)線，導(dǎo)線的一端可在水銀中移動(dòng)，另一端跟電池的一端連接在一起，電池的另一端跟盤子連在一起，構(gòu)稱導(dǎo)電回路，載流導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受力運(yùn)動(dòng)。,,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,4,第一臺(tái)真正意義上的電機(jī),1831年，法拉第利用電磁感應(yīng)發(fā)明了世界上第一臺(tái)真正意義上的電機(jī)──法拉第圓盤發(fā)電機(jī)。這臺(tái)發(fā)電機(jī)制構(gòu)造跟現(xiàn)代的發(fā)電機(jī)不同，在磁場(chǎng)所中轉(zhuǎn)動(dòng)的不是線圈，

3、而是一個(gè)紫銅做的圓盤。圓心處固定一個(gè)搖柄，圓盤的邊緣和圓心處各與一個(gè)電刷緊貼，用導(dǎo)線把電刷與電流表連接起來；銅圓盤放置在蹄形永磁體的磁場(chǎng)中，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)搖柄使銅圓盤旋轉(zhuǎn)起來時(shí)，電流表的指針偏向一邊，電路中產(chǎn)生了持續(xù)的電流。,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,5,振蕩電動(dòng)機(jī),1831年夏，亨利對(duì)法拉第的電動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行了改進(jìn)該裝置的運(yùn)動(dòng)部件是在垂直方向上運(yùn)動(dòng)的電磁鐵，當(dāng)它們端部的導(dǎo)線與兩個(gè)電池交替連接時(shí)，電磁鐵的極性自動(dòng)改變，電磁鐵與永磁體相互

4、吸引或排斥，使電磁鐵以每分鐘75個(gè)周期的速度上下運(yùn)動(dòng)。亨利的電動(dòng)機(jī)的重要意義在于這是第一次展示了由磁極排斥和吸引產(chǎn)生的連續(xù)運(yùn)動(dòng)，是電磁鐵在電動(dòng)機(jī)中的真正應(yīng)用。,亨利的振蕩電動(dòng)機(jī)照片,原理圖,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,6,第一臺(tái)能產(chǎn)生連續(xù)運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī),1832年，斯特金發(fā)明了換向器，據(jù)此對(duì)亨利的振蕩電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，并制作了世界上第一臺(tái)能產(chǎn)生連續(xù)運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)。后來他還制作了一個(gè)并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。,2024/3/21,電氣工

5、程導(dǎo)論,7,雅可比的電動(dòng)機(jī),1834年，德國(guó)的雅可比在兩個(gè)U型電磁鐵中間，裝一六臂輪，每臂帶兩根棒型磁鐵，通電后，棒型磁鐵與U型磁鐵之間產(chǎn)生相互吸引和排斥作用 ，帶動(dòng)輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)。安在小艇上，用320個(gè)丹尼爾電池供電，1838年小艇在易北河上首次航行，時(shí)速只有2.2公里，但種電動(dòng)機(jī)都沒有多大商業(yè)價(jià)值，用電池作電源，成本太大、不實(shí)用。,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,8,直流發(fā)電,1882年，德國(guó)將米斯巴哈水電站發(fā)出的2千瓦直流電通過5

6、7千米 1500～2000伏 電線輸送到慕尼黑，證明直流遠(yuǎn)距離輸電的可能性。直流在傳輸中的缺點(diǎn)：電壓越高，電能的傳輸損失越小，但高壓直流發(fā)電機(jī)困難較大，而且單機(jī)容量越大，換向也越困難，換向器上的火花使工作不穩(wěn)定。因而人們就把目光轉(zhuǎn)向交流電機(jī)。,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,9,2、交流電機(jī)的產(chǎn)生與形成,1824年，法國(guó)人阿拉果（D．F．J．Arago）在轉(zhuǎn)動(dòng)懸掛著的磁針時(shí)發(fā)現(xiàn)其外圍環(huán)上受到機(jī)械力。1825年，他重復(fù)這一實(shí)驗(yàn)時(shí)，

7、發(fā)現(xiàn)外圍環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)又使磁針偏轉(zhuǎn)，這些實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致了后來感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)。,,,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,10,1888年南斯拉夫出生的美國(guó)發(fā)明家特斯拉發(fā)明了交流電動(dòng)機(jī)。它是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成，又稱感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，這種電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用交流電，無火花，因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)的家庭電器中，交流電動(dòng)機(jī)通常用三相交流供電。美國(guó)的特斯拉在愛迪生公司的時(shí)候就決心開發(fā)交流電機(jī)，但愛迪生堅(jiān)持只搞直流方式，因此他就把兩相交流發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的專利權(quán)賣給了

8、西屋公司。,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,11,電機(jī)迅速發(fā)展,1891年，奧斯卡·馮·米勒在法蘭克福世界電氣博覽會(huì)上宣布：他與多里沃合作架設(shè)的從勞芬到法蘭克福的三相交流輸電電路，可把勞芬的一架300×735.5W 55V三相交流發(fā)電機(jī)的電流經(jīng)三相變壓器提高到了萬伏，輸運(yùn)175千米，順利通電，從此三相交流電機(jī)很快代替了工業(yè)上的直流電機(jī)，因?yàn)槿嘀频膬?yōu)點(diǎn)十分明顯：材料可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能好，效率高，用銅省，

9、在電力驅(qū)動(dòng)方面又有重大效益。各種各樣的電機(jī)迅速發(fā)展起來。 1896年，特斯拉的兩相交流發(fā)電機(jī)在尼亞拉發(fā)電廠開始勞動(dòng)營(yíng)運(yùn)，3750KW，5000V的交流電一直送到40公里外的布法羅市。,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,12,（一）、電機(jī)分類,按類別分電機(jī),二、電機(jī)基礎(chǔ)知識(shí),2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,13,（二）、電機(jī)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位,電能生產(chǎn)——由同步發(fā)電機(jī)生產(chǎn)；高壓輸電——由升壓變壓器將發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓升高到輸

10、電電壓再輸送；降壓用電——由降壓變壓器將輸來的高壓電降為所需低電壓，供給用電設(shè)備；生產(chǎn)機(jī)械的拖動(dòng)——由各種電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)；控制系統(tǒng)中的信號(hào)轉(zhuǎn)換——由各種控制電機(jī)完成。,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,14,請(qǐng)找出電力系統(tǒng)圖中使用電機(jī)（變壓器）的部分？,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,15,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,16,機(jī)器人,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,17,三、電機(jī)學(xué)的教學(xué),開課時(shí)間：大三 上學(xué)期《電機(jī)學(xué)》是

11、電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的主干課程及重要專業(yè)基礎(chǔ)課，是學(xué)習(xí)電機(jī)設(shè)計(jì)、電機(jī)控制、電力拖動(dòng)、電力系統(tǒng)分析、繼電保護(hù)等課程的基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)本課程不僅為學(xué)習(xí)專業(yè)課做好準(zhǔn)備，而且為今后從事的專業(yè)工作打下基礎(chǔ)。,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,18,1、磁路 掌握磁路的基本定律，了解各種常用的鐵磁材料及其性質(zhì)。,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,19,電磁感應(yīng)定律,閉合回路中的磁通量隨時(shí)間發(fā)生變化，該線圈中必然有感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生，稱這種現(xiàn)象為電磁感應(yīng)。,

12、2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,20,2、變壓器,了解變壓器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和額定值。 變壓器的空載運(yùn)行及變壓器的負(fù)載運(yùn)行分析。,用途分類：電力變壓器，電力系統(tǒng)傳輸電能電爐變壓器，專給煉鋼爐供電整流變壓器，大型電解電鍍、直流電力機(jī)車供電儀用變壓器、控制變壓器無線電變壓器，僅傳輸信號(hào)。,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,21,電力變壓器,變壓器的總?cè)萘看笾孪喈?dāng)于發(fā)電機(jī)容量的三倍。輸電過程中，通常將電壓升高，通過高壓輸電線

13、傳送到遠(yuǎn)方的城市，經(jīng)過降壓變壓器降為10kv電壓，再經(jīng)過配電降壓變壓器分配給用戶。輸送同樣的功率，電壓低則電流大，一方面由于大電流在輸電線路上引起損耗，另一方面大電流在線路阻抗上產(chǎn) 生大的壓降，受電端電壓很低，電能傳送不出去。只有高電壓能將電能輸送到遠(yuǎn)方。,配電變壓器,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,22,配電變壓器,輸電變壓器,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,23,3、直流電機(jī),將在《電力拖動(dòng)》課程（大三下學(xué)期開課）中講述直流電

14、機(jī)的運(yùn)行特性；直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、調(diào)速方法和制動(dòng)方法。,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,24,4、交流繞組及其電動(dòng)勢(shì)和磁動(dòng)勢(shì),2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,25,5、感應(yīng)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)分析 主要用作電動(dòng)機(jī)；,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,26,6、同步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)分析主要用作發(fā)電機(jī),2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,27,為了充分利用各種水力資源，潮汐、落差很低的平原河流甚至波浪等也引起普遍重視，從而使貫流式水輪機(jī)和其他小型機(jī)組

15、迅速發(fā)展。,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,28,水電站的發(fā)展,葛州壩水電站,一般修建在河道中下游河道縱坡平緩的河段上,1、壩式水電站 河床式電站,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,29,2、壩后式水電站,當(dāng)水頭較大時(shí)，廠房本身抵抗不了水的推力，將廠房移到壩后，由大壩擋水。一般修建在河流的中上游。三峽水電站就是壩后式水電站,三門峽水電站,三峽水電站,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,30,3、引水式水電站,在河流坡降陡的河段上筑一低

16、壩(或無壩)取水，通過人工修建的引水道(渠道、隧洞、管道)引水到河段下游，集中落差，再經(jīng)壓力管道引水到水輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電。,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,31,4、潮汐電站,潮汐發(fā)電就是在海灣或有潮汐的河口建一攔水堤壩，將海灣或河口與海洋隔開構(gòu)成水庫，再在壩內(nèi)或壩房安裝水輪發(fā)電機(jī)組，然后利用潮汐漲落時(shí)海水位的升降，使海水通過輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,32,最大的潮汐電站——法國(guó)朗斯電站江廈潮汐試驗(yàn)電

17、站是我國(guó)最大的潮汐能電站，到2006年12月31日，電站累計(jì)發(fā)電1.35億千瓦時(shí)。,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,33,汽輪機(jī),秦山核電站,湛江火電廠,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,34,汽輪機(jī)的發(fā)展,大型汽輪機(jī)組的研制是汽輪機(jī)未來發(fā)展的一個(gè)重要方向；研究提高熱效率是汽輪機(jī)發(fā)展的另一方向，采用更高蒸汽參數(shù)和二次再熱，研制調(diào)峰機(jī)組，推廣供熱汽輪機(jī)的應(yīng)用則是這方面發(fā)展的重要趨勢(shì)?，F(xiàn)代核電站汽輪機(jī)的數(shù)量正在快速增加，因此研究適用于

18、不同反應(yīng)堆型的、性能良好的汽輪機(jī)具有特別重要的意義。全世界利用地?zé)岬钠啓C(jī)的裝機(jī)容量，1983年已有3190兆瓦，不過對(duì)熔巖等深層更高溫度地?zé)豳Y源的利用尚待探索；利用太陽能的汽輪機(jī)電站已在建造，海洋溫差發(fā)電也在研究之中。所有這些新能源方面的汽輪機(jī)尚待繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)研究。,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,35,四、電機(jī)研究現(xiàn)狀,大容量、超高速大功率、超低速智能材料多功能集成電機(jī)系統(tǒng),2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,36,1、大容

19、量、超高速,三峽工程開工時(shí)，國(guó)內(nèi)尚無制造單機(jī)容量700MW水輪發(fā)電機(jī)組的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)三峽工程水輪發(fā)電機(jī)組采購實(shí)行國(guó)際公開招標(biāo)。1997年9月14臺(tái)左岸水輪發(fā)電機(jī)組（7.4億美元）；法國(guó)阿爾斯通和瑞士ABB公司聯(lián)合制造供應(yīng)8臺(tái)套）機(jī)組，美國(guó)通用電氣、德國(guó)伏伊特、西門子組成的VGS集團(tuán)供應(yīng)另外6臺(tái)（套）機(jī)組。合同的另一關(guān)鍵內(nèi)容：我國(guó)兩家知名的水輪發(fā)電機(jī)組制造廠東方電機(jī)股份有限公司和哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司總計(jì)分包2.3億美元，約31％的制

20、造任務(wù)，并通過與外商約定的技術(shù)轉(zhuǎn)讓條款，使這兩個(gè)廠進(jìn)一步掌握三峽機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)，為三峽工程右岸電站12臺(tái)機(jī)組的“以我為主”制造打下基礎(chǔ)。,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,37,三峽左岸機(jī)組與外商的合作制造，使我國(guó)發(fā)電設(shè)備制造業(yè)的水平有了階段性的提高，哈電、東電等已具備獨(dú)立承擔(dān)大型水電機(jī)組制造的能力。,今天,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,38,東方電機(jī)：交付首臺(tái)三峽右岸水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪,2006年10月東方電機(jī)開發(fā)出三峽右岸水輪發(fā)電機(jī)組，

21、我國(guó)完全擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，綜合性能全面優(yōu)于三峽左岸水輪發(fā)電機(jī)組。改變了我國(guó)巨型水輪發(fā)電機(jī)組研發(fā)技術(shù)依靠國(guó)外進(jìn)口的狀況，標(biāo)志著東方電機(jī)已系統(tǒng)掌握包括從水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪水力開發(fā)、水輪機(jī)真機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到真機(jī)加工制造的全部核心技術(shù)。,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,39,哈電機(jī)廠三峽右岸水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪研制成功,2006年11月30日，目前世界上最大70萬千瓦水輪機(jī)核心部件——三峽右岸水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在哈爾濱電機(jī)廠遼寧葫蘆島制造成功，將在三峽工地“服役”。

22、這是我國(guó)獨(dú)立研制成功并擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的巨型水輪機(jī)組。它的研制成功結(jié)束了我國(guó)在此領(lǐng)域內(nèi)長(zhǎng)期依賴進(jìn)口的歷史。,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,40,超高速電機(jī)研制,超高速電機(jī)轉(zhuǎn)速高，幾何尺寸小，可以有效節(jié)約材料；響應(yīng)快，可以與原動(dòng)機(jī)或負(fù)載直接連接，省去變速裝置，減小噪音，提高傳動(dòng)的效率?！獓?guó)際電工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。超高速電機(jī)轉(zhuǎn)速高 美國(guó)Calntix公司開發(fā)2MW高速永磁發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)速19000～22500r/min；永磁無刷直流電機(jī)

23、 轉(zhuǎn)速最高可達(dá)452000r/min。我國(guó)已研制出50000r/min小功率高速電機(jī)；對(duì)高速電機(jī)的需求比較迫切。,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,41,高速電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域,（超）高速電機(jī)可廣泛用于高速磨頭，高速的車床、鉆床、銑床；醫(yī)療器械和手術(shù)器械中用的高速電機(jī)；高速電動(dòng)工具以及航空航天等領(lǐng)域。,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,42,2、大功率、超低速,主要應(yīng)用于船舶和艦艇推進(jìn)系統(tǒng)的直接電力驅(qū)動(dòng)和大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。體積大國(guó)外已能

24、生產(chǎn)4.5MW的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)速8～13r/min。,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,43,3、智能材料,近年，新型功能材料——智能材料，如壓電陶瓷、超磁致伸縮、電致伸縮、溫控與磁控形狀記憶合金等等。由智能材料構(gòu)思出各種新型能量轉(zhuǎn)換器件與系統(tǒng)，如傳感器、執(zhí)行器和機(jī)器人等。成為電工科學(xué)新的研究領(lǐng)域。超聲波電機(jī)是近年發(fā)展迅速的一種壓電執(zhí)行器。,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,44,超聲波電機(jī),超聲波電機(jī)是今年來發(fā)展的一門新技術(shù)

25、，超聲波電機(jī)是一種完全不同與傳統(tǒng)的電機(jī)。超聲波電機(jī)是一種借助摩擦傳遞動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。它與傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)相比有體積小，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制和無磁污染超聲馬達(dá)的超靜運(yùn)行特別適用于醫(yī)院、賓館、辦公室等要求低噪聲的場(chǎng)合；它的大能量密度適用于機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)過程中不需要齒輪裝置，適用于精密定位裝置中；在汽車工業(yè)和航天工業(yè)中超聲馬達(dá)也有著廣泛的應(yīng)用前景，特別是在航天領(lǐng)域，它有著電磁馬達(dá)所不可替代的地位。超聲波電機(jī)是在1961年，Bulova鐘表公司

26、首次開始應(yīng)用它作為動(dòng)力。,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,45,1）壓電效應(yīng) 逆壓電效應(yīng),當(dāng)材料受力作用而變形時(shí), 其表面會(huì)有電荷產(chǎn)生,,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,46,TRUM-60旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī)之軸測(cè)分解圖,利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，把電信號(hào)加到壓電陶瓷 - 金屬構(gòu)成的定子上，使定子產(chǎn)生一定軌跡的機(jī)械振動(dòng)，帶動(dòng)彈性體產(chǎn)生彎曲彈性波,靠外力加壓產(chǎn)生摩擦力,是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),也就是說,顯示壓電性的晶體,通過壓電效應(yīng),把力學(xué)量

27、與電學(xué)量(電場(chǎng)E和電位移D或極化強(qiáng)度P)互相聯(lián)系起來——電機(jī)藕合。驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的新型電機(jī)。由于定子的振動(dòng)頻率多數(shù)工作在超聲頻范圍，因此也被稱為超聲波電機(jī)或超聲馬達(dá)，也可統(tǒng)稱為壓電致動(dòng)器。,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,47,2）目前發(fā)展,日本在超聲電機(jī)的研究和應(yīng)用上都處于領(lǐng)先地位。美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、英國(guó)等都己經(jīng)或正在投入大批的人力、物力開發(fā)超聲電機(jī)，努力追趕日本。特別是美國(guó)，僅Pennysyvania州立大學(xué)在1994－1998年

28、就投入1.5億專門從事壓電材料和超聲電機(jī)研究。德國(guó)GmbH公司的產(chǎn)品已用于奔馳汽車自動(dòng)窗門。我國(guó)超聲電機(jī)研究是從二十世紀(jì)九十年代開始，其中清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、吉林工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、南京航空航天大學(xué)先后開展了超聲電機(jī)的研究，但尚未進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用。清華大學(xué)物理系超聲電機(jī)項(xiàng)目研究組 http://www.phys.tsinghua.edu.cn/usm/南京航天航空大學(xué) 超聲電機(jī)研究中心http://rcum.nuaa.edu.c

29、n/,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,48,3）超聲電機(jī)技術(shù)的應(yīng)用,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,49,日本Canon公司生產(chǎn)了帶有環(huán)型超聲電機(jī)的照相機(jī)，使得該相機(jī)聚焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、聚焦快，噪聲小。Canon公司已有37種照相機(jī)聚焦鏡頭應(yīng)用了超聲電機(jī)，其他Nikon，Olympus等公司的照相機(jī)也逐步在采用超聲電機(jī)。超聲電機(jī)能減輕機(jī)器人的重量，簡(jiǎn)化其結(jié)構(gòu)，提高響應(yīng)速度，世界各國(guó)研究者都正在把超聲電機(jī)用于機(jī)器人。日本豐田公司已在

30、出口到美國(guó)的汽車反光鏡、方向盤和座椅頭靠等都應(yīng)用了超聲電機(jī)。,日本處于領(lǐng)先地位,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,50,美國(guó)在宇宙飛船、火星探測(cè)器、導(dǎo)彈、核彈頭等航空航天工程中都陸續(xù)應(yīng)用了超聲電機(jī)。比用傳統(tǒng)的電磁電機(jī)降低30%的重量。NASA的Coddar Space Flight Center將超聲電機(jī)應(yīng)用空間機(jī)器人技術(shù)。其中微型機(jī)器手MicroArmI使用了具有力矩0.05NM的超聲電機(jī)?；鹦菣C(jī)器手MarsArmII使用了三個(gè)具有

31、力矩為0.68NM和一個(gè)具有0.11NM的超聲電機(jī)。比使用同等功能的直流電機(jī)輕40%。,,,,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,51,目前計(jì)算機(jī)軟盤（FD）、光盤（CD-ROM）和硬盤（HD）的磁頭的直線運(yùn)動(dòng)是采用旋轉(zhuǎn)電磁電機(jī)加上齒輪機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。在這樣的傳動(dòng)系統(tǒng)中，如要使機(jī)構(gòu)進(jìn)一步小型化和提高運(yùn)動(dòng)精度是十分困難的。但如果改用直線型超聲電機(jī)，就可以使傳動(dòng)系統(tǒng)變小、變薄。最近幾年，日本學(xué)者正在努力把直線型超聲電機(jī)引到計(jì)算機(jī)上來。,202

32、4/3/21,電氣工程導(dǎo)論,52,4）超聲電機(jī)技術(shù)的未來,21世紀(jì)，航空航天是我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)域之一。從國(guó)外的應(yīng)用的情況看，它必將應(yīng)用超聲電機(jī)。如納米衛(wèi)星、微型飛機(jī)、宇宙飛船和空間探測(cè)器等，應(yīng)用超聲電機(jī)，可以減少其重量，增強(qiáng)其可控性； 機(jī)器人和微型機(jī)械，也是我國(guó)21世紀(jì)重點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)域之一。超聲電機(jī)可以使機(jī)器人和微型機(jī)械簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減輕重量，增強(qiáng)其可控性。隨著超聲電機(jī)的微型化，微型機(jī)械可進(jìn)入人體，如作為人造心臟的驅(qū)動(dòng)器，它將會(huì)大大推動(dòng)人造

33、器官的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程； 21世紀(jì)，我國(guó)將要大力發(fā)展磁浮列車。磁浮列車上的強(qiáng)磁場(chǎng)干擾，使得在磁浮列車上的傳統(tǒng)的電磁電機(jī)工作失效，超聲電機(jī)將大有可為；,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,53,未來豪華轎車上的電機(jī)之多可達(dá)80個(gè)，使汽車體積增加，電磁干擾增強(qiáng)。應(yīng)用超聲電機(jī)，由于不需齒輪箱從而大大降低其體積；由于超聲電機(jī)不產(chǎn)生磁場(chǎng)而使汽車的電磁兼容性得到大大改善。汽車上的中央門鎖、門窗玻璃的升降，前視鏡和雨刮器等，均可用超聲電機(jī)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁電

34、機(jī)； 隨著掌上計(jì)算機(jī)，可視電話電視、手提式儀器等的發(fā)展，微型超聲電機(jī)將可得到廣泛應(yīng)用。超聲電機(jī)將使這些微型儀器降低重量和體積，減少其能量損耗； 由于超聲電機(jī)的位置控制精度很高，可達(dá)微米級(jí)甚至納米級(jí)。超聲電機(jī)將會(huì)在一些精密儀器、醫(yī)療設(shè)備以及半導(dǎo)體制造技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,54,納米發(fā)電機(jī),超聲波驅(qū)動(dòng)的納米發(fā)電機(jī)能收集周圍環(huán)境中微小的震動(dòng)機(jī)械能并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔軄頌槠渌{米器件，如傳感器，探測(cè)器等提供能量。這

35、種震動(dòng)機(jī)械能普遍存在于自然界以及人們?nèi)粘Ｉ钪?，如空氣或水的流?dòng)、引擎的轉(zhuǎn)動(dòng)、空調(diào)或其它機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)等引起的各種頻率的噪音，人行走時(shí)肌肉伸縮能或腳對(duì)地的壓縮能等。甚至在人體內(nèi)由于呼吸，心跳或是血液流動(dòng)帶來的體內(nèi)某處壓力的細(xì)微變化也有可能帶動(dòng)納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。,納米發(fā)電機(jī)的發(fā)明為實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)的微型化帶來了可能；對(duì)于實(shí)現(xiàn)具有完全無線，可生物植入，以及長(zhǎng)時(shí)期甚至終生無需照管的納米或微電子器件，提供了一種理想的電源系統(tǒng)。,2024/3/21,電

36、氣工程導(dǎo)論,55,4、多功能集成電機(jī)系統(tǒng),交直流供電系統(tǒng)Powerformer磁懸浮技術(shù),2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,56,1）交直流集成供電系統(tǒng),交直流集成供電系統(tǒng)提供直流動(dòng)力；還提供正弦交流220V/380V、50HZ電力適合應(yīng)用于無電山村、郵電通信、邊防海島、部隊(duì)及野外作業(yè)、艦艇、飛機(jī)、移動(dòng)通信基站戶外基站以及大型電站。,,,發(fā)電,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,57,2） Powerformer,發(fā)電機(jī)發(fā)出的電

37、要經(jīng)過升壓變壓器升壓后才與高壓電網(wǎng)相連，而高壓電網(wǎng)又需要用降壓變壓器降壓才能向電動(dòng)機(jī)供電。形成這一怪圈的根本原因是輸電電壓很高，而電機(jī)電壓較低。即由于絕緣水平的限制，人們無法制造能與電網(wǎng)直接相連的電機(jī)，這也使人們對(duì)發(fā)電－輸電－供電的系統(tǒng)習(xí)以為常。很早以來就有人想研究一種與電網(wǎng)直接相連的超高壓發(fā)電機(jī)。早在1905年，門加里尼和匈牙利岡茨工廠的工程師一道，對(duì)意大利Subjaco水電站的兩臺(tái)30kV，5.2MVA，450r/min（45Hz

38、）的水輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行了研究；1928年，帕森斯（C.A.Parsoas）和羅森（J.Rosen）研制成一臺(tái)直接與電網(wǎng)相連的33kV，25MVA，3000r/min的汽輪發(fā)電機(jī)；1932年BBC公司為比利時(shí)提供了一臺(tái)36kV的汽輪發(fā)電機(jī)（以后曾制造多臺(tái)）。不過由于他們都是在傳統(tǒng)電機(jī)結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)絕緣系統(tǒng)上下功夫，進(jìn)展不大，效果不佳。與之同時(shí)，電網(wǎng)電壓迅速提高，到20世紀(jì)50年代，這種探索終于無法進(jìn)行下去。,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,58

39、,1990年，ABB公司瑞典分部開始進(jìn)行與電網(wǎng)直接連接的超高壓發(fā)電機(jī)的研究。摒棄傳統(tǒng)電機(jī)的繞組及其絕緣結(jié)構(gòu)，從高壓輸電用交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜的電壓提高獲得靈感，將輸電電纜融入發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)中。1998年2月，世界上第1臺(tái)采用高壓交聯(lián)聚乙烯電纜繞制定子繞組的Powerformer在瑞典PoJus水電站直接并網(wǎng)運(yùn)行。該機(jī)組容量11MVA、電壓45kV、轉(zhuǎn)速600r/min。2000年初，阿爾斯通(ALSTOM)合并ABB公司后，繼續(xù)

40、支持Powerformer的開發(fā)與研究。之后有；3臺(tái)商業(yè)用的Powerformer投產(chǎn)運(yùn)行。,第一臺(tái)超高壓發(fā)電機(jī),2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,59,http://www.bjx.com.cn/files/wx/dfdqpl/2002-3/1.htm http://info.electric.hc360.com/html/001/009/003/20014.htm,,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,60,POF特點(diǎn),電機(jī)與變壓器

41、合一的高壓發(fā)電機(jī)；無需升壓變壓器就可以直接連接高壓電網(wǎng)POF無需升壓變壓器就可以直接連接電網(wǎng)，常規(guī)電廠中的發(fā)電機(jī)、沖擊電壓保護(hù)器、發(fā)電機(jī)側(cè)開關(guān)、母線和升壓變壓器可全部由1臺(tái)POF代替。Powerformer不僅僅是一臺(tái)高壓發(fā)電機(jī)，而且代表了電廠中一個(gè)全新的概念，它打破了1個(gè)世紀(jì)以來電廠的傳統(tǒng)模式。Powerformer是水力發(fā)電和火力發(fā)電的專有名詞，與同步發(fā)電機(jī)的區(qū)別主要在定子方面。全部定子繞組由一根電纜繞制，中間沒有接頭，可靠性較

42、高。,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,61,3）磁懸浮技術(shù),磁懸浮列車是將列車用磁力懸浮起來，使列車與導(dǎo)軌脫離接觸，以減小摩擦，提高車速。列車由直線電機(jī)牽引。直線電機(jī)的一個(gè)級(jí)固定于地面，跟導(dǎo)軌一起延伸到遠(yuǎn)處；另一個(gè)級(jí)安裝在列車上，初級(jí)通以交流，列車就沿導(dǎo)軌前進(jìn)。列車上裝有磁體（有的就是兼用直線電機(jī)的線圈），磁體隨列車運(yùn)動(dòng)時(shí)，使設(shè)在地面上的線圈（或金屬板）中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)和列車上的磁體（或線圈）之間的電磁力把列車懸浮起來．

43、懸浮列車的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行平穩(wěn)，沒有顛簸，噪聲小，所需的牽引力很小，只要幾千kw的功率就能使懸浮列車的速度達(dá)到550km／h。懸浮列車減速的時(shí)候，磁場(chǎng)的變化減小，感應(yīng)電流也減小，磁場(chǎng)減弱，造成懸浮力下降。,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,62,磁懸浮中的直線電機(jī)liner motor,將傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)從轉(zhuǎn)子中心向一側(cè)切開并且展直，這樣旋轉(zhuǎn)電機(jī)則變?yōu)橹本€電機(jī)?；蛘哒J(rèn)為直線電機(jī)是半徑無限大的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。這時(shí)定子中的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)將變?yōu)橹本€移動(dòng)磁場(chǎng)，車輛

44、將隨著直線電機(jī)磁場(chǎng)的移動(dòng)而向前運(yùn)動(dòng)。 直線電機(jī)可以劃分為長(zhǎng)定子直線電機(jī)和短定子直線電機(jī)長(zhǎng)定子直線電機(jī)的定子（初級(jí)線圈）設(shè)置在導(dǎo)軌上，其定子繞組可以在導(dǎo)軌上無限長(zhǎng)地鋪設(shè)，故稱為“長(zhǎng)定子”。長(zhǎng)定子直線電機(jī)通常用在高速及超高速磁懸浮鐵路中，應(yīng)用在長(zhǎng)大干線及城際鐵路領(lǐng)域。,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,63,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,64,高速、超高速磁懸浮鐵路一般使用該種長(zhǎng)定子直線同步電機(jī)。德國(guó)的運(yùn)捷TR和日本的MLX系統(tǒng)均使

45、用這種直線同步電機(jī)。,2024/3/21,電氣工程導(dǎo)論,65,我國(guó)第一輛國(guó)產(chǎn)懸浮磁客車,我國(guó)第一輛國(guó)產(chǎn)懸浮磁客車（長(zhǎng)春客車廠）德國(guó)和日本之后，第三個(gè)掌握磁懸浮客車技術(shù)的國(guó)家。 由長(zhǎng)春客車廠、西南交通大學(xué)和株洲電力機(jī)車研究所聯(lián)合開發(fā)研制的。為常導(dǎo)吸浮式磁懸浮車，采用電磁吸力將車輛浮起，與軌道間距始終保持在８至１０毫米之間，采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)車，推進(jìn)速度取決于直線電機(jī)的牽引力，運(yùn)營(yíng)時(shí)速６０公里，最高試驗(yàn)時(shí)速可達(dá)１００公里。,2024/3/