第二章電機電器及其控制技術

電機的作用與發(fā)展簡史電機的分類與結(jié)構電機的應用領域電動機的選用與運行控制電機學的研究內(nèi)容電器的發(fā)展歷史電器的分類高壓電器低壓電器第二章電機電器及其控制技術一、電機的作用與發(fā)展簡史什么是電機？——電機是以電磁感應現(xiàn)象為基礎實現(xiàn)機械能與電能之間的轉(zhuǎn)換以及變換電能的機械?！话惴譃榘l(fā)電機、電動機和變壓器三大類電機的作用控制電機閥門控制火炮控制計算機……驅(qū)動各種機械和裝備電動機機床水泵……電能的生產(chǎn)、傳輸和分配發(fā)電機變壓器……一、電機的作用與發(fā)展簡史（續(xù)）一、電機的作用與發(fā)展簡史（續(xù)）1831年法拉第創(chuàng)造了第一部感應發(fā)電機的模型1834年雅可比發(fā)明了功率為15W的棒狀鐵芯電動機1836年達文波特首先嘗試用電動機驅(qū)動機械1845年惠斯通用電磁鐵替代永久磁鐵制成第一臺電磁鐵發(fā)電機1866年西門子制成第一臺使用電磁鐵的自激式發(fā)電機1870年格拉姆制成了環(huán)形電樞自激發(fā)電機1878年出現(xiàn)了鐵芯開槽法。有槽鐵芯和鼓形繞組的結(jié)構一直沿用至今1880年愛迪生制造了名為“巨象”的大型直流發(fā)電機1885年費拉里斯提出旋轉(zhuǎn)磁場原理，研制出兩相異步電動機1888年俄國人制成一臺三相交流單鼠籠異步電動機一、電機的作用與發(fā)展簡史（續(xù)）1882年英國人費朗蒂改進了交流發(fā)電機，提出了交流高壓輸電的概念1882年英國人高登制造了大型兩相交流發(fā)電機1882年法國人高蘭德和英國人約翰·吉布斯成功研制了第一臺實用變壓器1884年英國人霍普金生又發(fā)明了具有封閉磁路的變壓器1891年布洛在瑞士制造出高壓油浸變壓器，使得遠距離高壓輸電成為現(xiàn)實 經(jīng)過100多年的發(fā)展，電機的理論已經(jīng)相當成熟。但是，隨著電工科學、材料科學、計算機科學與控制技術的發(fā)展，電機的發(fā)展又進入了新的階段。二、電機的分類與結(jié)構1、電機的分類按在應用中的功能分類發(fā)電機電動機變壓器變流機變頻機移相機控制電機按應用的電流種類直流電機交流電機按運行速度分類變壓器直流電機異步電機同步電機按功率分類大型電機中小型電機微型電機特種電機步進電機無刷電機開關磁阻電機超聲波電機…二、電機的分類與結(jié)構（續(xù)）2、發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿臋C械水輪機風力機蒸汽輪機燃氣輪機柴油機…直流電機的結(jié)構

1定子：用來產(chǎn)生磁場和作為電機的機械支架，主要包括主磁極、換向極、機座和電刷裝置。2轉(zhuǎn)子：也稱為電樞，用來產(chǎn)生感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。主要包括電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸和風扇等。二、電機的分類與結(jié)構（續(xù)）2、發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿臋C械水輪機風力機蒸汽輪機燃氣輪機柴油機…二、電機的分類與結(jié)構（續(xù)）；‘2、發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿臋C械水輪機風力機蒸汽輪機燃氣輪機柴油機…定子轉(zhuǎn)子（a）轉(zhuǎn)子定子(b)隱極同步電機隱極式轉(zhuǎn)子特點：在大容量高轉(zhuǎn)速汽輪發(fā)電機中，轉(zhuǎn)子圓周線速度極高，最大可達170米/秒。為了減小轉(zhuǎn)子本體及轉(zhuǎn)子上的各部件所承受的巨大離心力，大型汽輪發(fā)電機都做成細長的隱極式圓柱體轉(zhuǎn)子?？紤]到轉(zhuǎn)子冷卻和強度方面的要求，隱極式轉(zhuǎn)子的結(jié)構和加工工藝較為復雜。轉(zhuǎn)子長度/直徑=2.5~6.5，且容量愈大比值愈大。凸極同步電機水輪發(fā)電機的特點是：極數(shù)多，直徑大，軸向長度短，整個轉(zhuǎn)子在外形上與汽輪發(fā)電機大不相同。大多數(shù)水輪發(fā)電機為立式。轉(zhuǎn)子：水輪發(fā)電機由于水輪機的轉(zhuǎn)速較低，要發(fā)出工頻電能，發(fā)電機的極數(shù)就比較多，做成凸極式轉(zhuǎn)子結(jié)構工藝上較為簡單。凸極式轉(zhuǎn)子二、電機的分類與結(jié)構（續(xù)）3、電動機將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的機械同步電動機異步電動機直流電動機伺服電動機…轉(zhuǎn)子定子鐵心機座定子繞組（1）電機的可逆原理：直流電機可作為發(fā)電機運行，也可作為電動機運行。（2）換向器的作用是實現(xiàn)電樞線圈內(nèi)的交流電動勢、電流與電刷的直流電壓、電流之間的轉(zhuǎn)化。直流電動機直流電機的勵磁

直流電機的勵磁方式分為永磁體勵磁、電機本體勵磁（并勵、串勵和復勵）、其他電源勵磁三種。實現(xiàn)交流電能與機械能轉(zhuǎn)換的裝置被稱為交流電動機。交流電機有兩大類：異步電動機和同步電動機。同步電機的轉(zhuǎn)速與交流電源頻率之間存在嚴格的對應關系，異步電機則不然。異步電動機定子接上交流電源后，形成旋轉(zhuǎn)磁場，依靠電磁感應作用，使轉(zhuǎn)子繞組感生電流，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換。交流電動機三相異步電動機的工作原理三相異步電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構三相異步電動機圓柱形的轉(zhuǎn)子鐵心上，嵌有均勻分布的導條，導條兩端分別用銅環(huán)將它們連接成一個整體。三相異步電機轉(zhuǎn)子感應電動勢和電流的產(chǎn)生三相異步電動機的定子鐵心上嵌有三相對稱繞組，接通三相對稱電源后，在定子、轉(zhuǎn)子之間的氣隙內(nèi)產(chǎn)生了以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)子導條被這種旋轉(zhuǎn)磁場切割，在導條內(nèi)感應電動勢，從而形成感應電流。三相異步電機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩并形成旋轉(zhuǎn)導條內(nèi)產(chǎn)生的感生電流，磁場又對導條產(chǎn)生電磁力。于是轉(zhuǎn)子就跟著旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)。異步電動機的調(diào)速

1交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展方向（1）一般性能的節(jié)能調(diào)速（2）高性能交流調(diào)速系統(tǒng)（3）特大容量和極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速

2異步電動機的調(diào)速（1）變極調(diào)速（2）變頻調(diào)速（3）變轉(zhuǎn)差率調(diào)速

1）改變定子端電壓

2）改變轉(zhuǎn)子電阻二、電機的分類與結(jié)構（續(xù)）3電動機直線電動機永磁直線同步電機工作原理

旋轉(zhuǎn)電機展開為直線電機示意圖

平面電動機步進式平面電動機機構示意圖步進式平面電動機在x方向上的工作原理二、電機的分類與結(jié)構（續(xù)）4、變壓器將一種電壓的電能變換為另一種電壓的電能的裝置單相變壓器三相變壓器… 變壓器是通過電磁感應原理，通過電磁耦合實現(xiàn)電能傳遞的一種靜止電氣設備，主要由鐵芯及繞在鐵芯上的兩個繞組組成。變壓器原理圖三相組式變壓器三相芯式變壓器二、電機的分類與結(jié)構（續(xù)）5、特種電機1）永磁無刷電動機應用：航空、航天家用電器機器人電動汽車電動車組電動艦船…1934年，E.F.W.Alexanderson博士提出用開關器件替代有刷直流電動機的機械電刷的構想；1955年，美國的D.Harrison首次申請了用晶體管換向線路代替有刷直流電動機機械換向器的專利；1978年，原聯(lián)邦德國MANNESMANN公司的Indramat分部在漢諾威貿(mào)易展覽會上正式推出其MAC永磁無刷直流電機及其驅(qū)動系統(tǒng)，標志著永磁無刷直流電機真正進入實用階段。永磁無刷電動機分為兩類：

BrushlessDCMotor（BLDCM）和

PermanentMagnetSynchronousMotor

(PMSM)

小結(jié):使用位置傳感器及功率電子開關代替?zhèn)鹘y(tǒng)直流電動機中的電刷和換向器，是一種集永磁電動機、電力電子技術、微機技術和現(xiàn)代控制技術為一體的裝置。BLDCM的研究熱點:新型無位置傳感器檢測方法與控制全數(shù)字、高性能控制系統(tǒng)應用研究(電動車、智能家電)位置傳感器是無刷電機的重要部件；無刷直流電機可以通過改變電壓調(diào)速；通過改變相序轉(zhuǎn)向。二、電機的分類與結(jié)構（續(xù)）5、特種電機2）直線電機應用：工業(yè)機械；軌道交通；電梯；航空母艦飛機發(fā)射；導彈發(fā)射架；電磁推進潛艇；…海浪直接驅(qū)動直線發(fā)電機F定子NSIa電樞FV直線直流電動機工作原理電樞導體中的電流與主磁極磁場作用，產(chǎn)生電磁力。動子在該電磁力作用下沿直線運動。總電磁力：Fem=NBliaN：總匝數(shù)；B：氣隙磁密；l:導體有效長度；ia：導體電流直線直流電動機工作原理磁懸浮列車中直線電機的應用

高速切削與精密加工

交通運輸及傳輸機械

與旋轉(zhuǎn)電機傳動相比，直線電機傳動主要具有下列優(yōu)點：

(1)直線電機由于不需要中間傳動機械，因而使整個機械得到簡化，提高了精度，減少了振動和噪音；

(2)快速響應：用直線電機驅(qū)動時，由于不存在中間傳動機構的慣量和阻力矩的影響，因而加速和減速時間短，可實現(xiàn)快速啟動和正反向運行；

(3)儀表用的直線電機，可以省去電刷和換向器等易損零件，提高可靠性，延長使用壽命；二、電機的分類與結(jié)構（續(xù)）5、特種電機3）步進電動機應用：自動控制裝置中的執(zhí)行元件各種步進電動機機理：步進電機是利用電磁鐵原理，將脈沖信號轉(zhuǎn)換成線位移或角位移的電機。每來一個電脈沖，電機轉(zhuǎn)動一個角度，帶動機械移動一小段距離。步進電動機的機理

步進電機主要由兩部分構成：定子和轉(zhuǎn)子。它們均由磁性材料構成，其上分別有六個、四個磁極。定子轉(zhuǎn)子定子繞組定子的六個磁極上有控制繞組，兩個相對的磁極組成一相。注意：這里的相和三相交流電中的“相”的概念不同。步進電機通的是直流電脈沖，這主要是指線路的聯(lián)接和組數(shù)的區(qū)別。ABC定子轉(zhuǎn)子IAIBIC工作方式1吸引轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子的位置力圖使通電相磁路的磁阻最小，使轉(zhuǎn)、定子的齒對齊停止轉(zhuǎn)動。A相通電，A方向的磁通經(jīng)轉(zhuǎn)子形成閉合回路。若轉(zhuǎn)子和磁場軸線方向原有一定角度，則在磁場的作用下，轉(zhuǎn)子被磁化，A相通電使轉(zhuǎn)子1、3齒和AA'對齊。CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和B相軸線對齊，相對A相通電位置轉(zhuǎn)30；1C'342CA'BB'AC相通電再轉(zhuǎn)30工作方式2三相繞組的通電順序為：

AABBBCCCAA

共六拍。工作過程：A相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒和A相對齊。CA'BB'C'A3412所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁拉力平衡的位置上。相對AA'通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了15°。（1）BB'

磁場對2、4齒有磁拉力，該拉力使轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動。A、B相同時通電（2）AA'

磁場繼續(xù)對1、3齒有拉力。CA'BB'C'A3412總之，每個循環(huán)周期，有六種通電狀態(tài)，所以稱為三相六拍，步距角為15。CA'BB'C'A3412B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和B相對齊，又轉(zhuǎn)了15。步進電機必須加驅(qū)動才可以運轉(zhuǎn)，驅(qū)動型號必須為脈沖信號，沒有脈沖的時候，步進電機靜止。轉(zhuǎn)動的速度和脈沖的頻率成正比。步進電機具有瞬間啟動和急速停止的優(yōu)越特性。改變脈沖的順序，可以方便的改變轉(zhuǎn)動的方向。因此，目前打印機，繪圖儀，機器人，等等設備都以步進電機為動力核心。二、電機的分類與結(jié)構（續(xù)）5、特種電機4）超導電機應用：超大型發(fā)電機或電動機全電軍艦吊艙式推進系統(tǒng)超導直流電動機剖面圖二、電機的分類與結(jié)構（續(xù)）5、特種電機5）超聲波壓電電動機應用：生物生命科學；光學儀器；高精密機械；…微型超聲波壓電電動機超聲波電動機(UltrasonicMotor，簡稱為USM)，是利用壓電材料的逆壓電效應為激勵，使定子彈性體在超聲頻段產(chǎn)生微觀機械振動(振動頻率在20kHz以上)，并通過定子和轉(zhuǎn)子(或動子)之間的摩擦作用，將定子的微觀振動轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子(或動子)的宏觀的單方向轉(zhuǎn)動(或直線運動)。它打破了傳統(tǒng)電機需由電磁效應獲得轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的概念。電能→振動能量→機械能量

1948年，W·illiams和Brown申請了歷史上第一個“壓電馬達“的專利，其結(jié)構如圖1所示。這一發(fā)明點燃了研究超聲電機的火花。超聲電機技術及其起源

1961年，日本Bulova公司利用音叉的往復位移驅(qū)動如圖2所示的鐘表齒輪，這種鐘表的工作頻率為360Hz，其月誤差只有一分鐘，打破了那個時代的紀錄，也是人類嘗試利用彈性振動獲得動力的開始。超聲電機技術及其起源

1965年，前蘇聯(lián)Lavrinenco提出了如圖3所示的超聲電機，該電機利用壓電板的振動來驅(qū)動轉(zhuǎn)子。Lavrinenco申請了國家專利，并歸納出了超聲電機具有結(jié)構簡單、成本低、低速大扭矩、單位體積能量密度大、運動精確、能量轉(zhuǎn)換效率高等特性。超聲電機技術及其起源

1973年,IBM公司的Barth提出了如圖4所示的具有現(xiàn)代超聲電機原理的結(jié)構方案。他利用壓電元件使一種具有牛角尖形的壓電振子產(chǎn)生振動，通過壓電振子的牛角尖端與轉(zhuǎn)子表面接觸、摩擦來驅(qū)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。超聲電機技術及其起源

日本Sashida于1982年提出并制造了如圖7所示的駐波型壓電超聲電機，該電機使用Langevin振子，驅(qū)動頻率為27.8kHz，電輸入功率為90W，機械輸出功率為50W，輸出扭矩為0.25N·m，輸出轉(zhuǎn)速為2000r/min，效率55%。可以說，Sashida研制的這個壓電超聲電機，在性能上是第一次能夠滿足實際使用的要求。由于該電機的振動片與轉(zhuǎn)子的接觸是固定在一個位置上，接觸表面上存在著嚴重的磨損問題。超聲電機技術及其起源為了解決接觸表面上存在著嚴重的磨損問題，Sashida又于1983年提出并制造了另一臺超聲電機——行波型超聲電機，并于1985年在美國申請了行波型超聲電機的專利，其原理如圖8所示。該電機實現(xiàn)了由駐波定點、定期推動轉(zhuǎn)子變換成由行波連續(xù)不斷地推動轉(zhuǎn)子，大大地降低了定子與轉(zhuǎn)子接觸面上的摩擦磨損。這種電機的研究成功，為壓電超聲電機走向?qū)嵱秒A段開辟了道路。超聲電機技術及其起源超聲波電機結(jié)構圖逆壓電效應簡介壓電效應是在1880年由法國的居里兄弟首先發(fā)現(xiàn)的。一般在電場作用下，可以引起電介質(zhì)中帶電粒子的相對運動而發(fā)生極化，但是某些電介質(zhì)晶體也可以在純機械應力作用下發(fā)生極化，并導致介質(zhì)兩端表面內(nèi)出現(xiàn)極性相反的束縛電荷，其電荷密度與外力成正比。這種由于機械應力的作用而使晶體發(fā)生極化的現(xiàn)象，稱為正壓電效應；反之，將一塊晶體置于外電場中，在電場的作用下，晶體內(nèi)部正負電荷的重心會發(fā)生位移。這一極化位移又會導致晶體發(fā)生形變。這種由于外電場的作用而使晶體發(fā)生形變的現(xiàn)象，稱為逆壓電效應，也稱為電致伸縮效應。

超聲電機工作原理超聲波電機利用壓電材料的逆壓電效應產(chǎn)生超聲波振動,把電能轉(zhuǎn)換為彈性體的超聲波振動，并把這種振動通過摩擦傳動的方式驅(qū)使運動體回轉(zhuǎn)或直線運動。超聲波電機沒有磁極和繞組，它一般由振動體和移動體組成，為了減少振動體和移動體之間相對運動產(chǎn)生的磨損，通常在二者間加一層摩擦材料。當在振動體的壓電陶瓷(PZT)上施加20KHz以上超聲波頻率的交流電壓時，逆壓電效應能夠在振動體內(nèi)激發(fā)出幾十千赫的超聲波振動，使振動體表面起驅(qū)動作用的質(zhì)點形成一定運動軌跡的超聲波頻率的微觀振動（振幅一般為數(shù)微米），如橢圓、李薩如軌跡等，該微觀振動通過振動體和移動體之間的摩擦作用使移動體沿某一方向做連續(xù)宏觀運動。因此，超聲波電機是將彈性材料的微觀形變通過共振放大和摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子或滑塊的宏觀運動。超聲電機工作原理

橢圓運動及其作用

超聲振動是超聲波電動機工作的最基本條件，起驅(qū)動源的作用。當振動位移的軌跡是一橢圓時，才具有連續(xù)的定向驅(qū)動作用。右圖所示當定子產(chǎn)生超聲振動時，其上的接觸摩擦點（質(zhì)點）A做周期運動，軌跡為一橢圓。當A點運動到橢圓的上半圓時，將與轉(zhuǎn)子表面接觸，并通過摩擦作用撥動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；當A點運動到橢圓的下半圓時，將與轉(zhuǎn)子表面脫離，并反向回程。如果這種橢圓運動連續(xù)不斷地進行下去，則對轉(zhuǎn)子具有連續(xù)的定向撥動作用，從而使轉(zhuǎn)子連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。超聲電機工作原理橢圓運動及其作用相位差ψ的取值就決定了橢圓運動的旋轉(zhuǎn)方向。當ψ>O時，橢圓運動為順時針方向，當ψ<O時，橢圓運動為逆時針方向。由于橢圓運動的旋轉(zhuǎn)方向決定了定子對轉(zhuǎn)子的撥動方向，因此也就決定了超聲波電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向。超聲電機工作原理超聲波電動機由定子(振動體)和轉(zhuǎn)子(移動體)兩部分組成但電機中既沒有線圈也沒有永磁體，其定子由彈性體(Elasticbody)和壓電陶瓷(Piezoelectricceramic)構成轉(zhuǎn)子為一個金屬板。定子和轉(zhuǎn)子在壓力作用下緊密接觸，為了減少定、轉(zhuǎn)子之間相對運動產(chǎn)生的磨損，通常在二者之間(在轉(zhuǎn)子上)加一層摩擦材料。工作原理：對極化后的壓電陶瓷元件施加—定的高頻交變電壓，壓電陶瓷隨著高頻電壓的幅值變化而膨脹或收縮，從而在定子彈性體內(nèi)激發(fā)出超聲波振動，這種振動傳遞給與定子緊密接觸的摩擦材料以驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。當對粘接在金屬彈性體上的兩片壓電陶瓷施加相位差為90電角度的高頻電壓時，在彈性體內(nèi)產(chǎn)生兩組駐波(StandingWave)，這兩組駐波合成一個沿定子彈性體圓周方向行進的行波(ProgressiveWave/TravellingWave)，使得定子表面的質(zhì)點形成一定運動軌跡(通常為橢圓軌跡)的超聲波微觀振動，其振幅一般為數(shù)微米，這種微觀振動通過定子(振動體)和轉(zhuǎn)子(移動體)之間的摩擦作用使轉(zhuǎn)子(移動體)沿某一方向(逆行波傳播方向)做連續(xù)宏觀運動。

(1)結(jié)構簡單、緊湊。(2)無需齒輪減速機構，可實現(xiàn)直接驅(qū)動(3)動作響應快(毫秒級)，控制性能好。(4)不產(chǎn)生磁場，也不受外界磁場干擾。(5)運行噪聲小。(6)摩擦損耗大，效率低，只有10％—40％。(7)輸出功率小，目前實際應用的只有10W左右。（b）柱體行波型電機（a）環(huán)形行波型電機九十年代中期，佳能公司又研制了一種直徑8mm、長24mm的柱體行波型超聲波電機用于照相機的調(diào)焦，如圖(b)所示。佳能公司生產(chǎn)的用于照相機的超聲波電機用于太空機器人的環(huán)形行波型超聲波電機

太空機器人在收集小巖石（左）和安放科學儀器（右）

Tiny,Ultrasonic,PiezoelectricMotorsPennStateUniversity，USA清華大學研制的微型超聲電機（2001）三、電機的應用領域1、電力工業(yè)1）汽輪發(fā)電機應用：火力發(fā)電廠；核電廠；汽輪發(fā)電機正在安裝轉(zhuǎn)子三、電機的應用領域（續(xù)）1、電力工業(yè)2）水輪發(fā)電機應用：水力發(fā)電廠世界上最大的水輪發(fā)電機在三峽電站安裝三、電機的應用領域（續(xù)）1、電力工業(yè)3）風力發(fā)電機應用：風力發(fā)電廠永磁外轉(zhuǎn)子大型風力發(fā)電機永磁外轉(zhuǎn)子定子電機轉(zhuǎn)速與功率繞組、勵磁繞組電流頻率和電機轉(zhuǎn)子極數(shù)之間的關系為:特點：變頻器所需容量相對較小，可降低發(fā)電成本，提高可靠性。可以通過調(diào)節(jié)勵磁，在轉(zhuǎn)速變化的情況下保證輸出電能的質(zhì)量。功率輸出側(cè)直接接入電網(wǎng)，電能質(zhì)量得以保證。勵磁側(cè)能量能夠雙向流動，方便調(diào)節(jié)有功功率和無功功率。三、電機的應用領域（續(xù)）2、工業(yè)生產(chǎn)部門與建筑業(yè)應用：機床；軋鋼機；鼓風機；水泵；起重機；傳送帶；生產(chǎn)線；…電梯用永磁曳引電動機三、電機的應用領域（續(xù)）3、交通運輸業(yè)1）電力機車與城市軌道交通電氣化鐵路；地鐵；無軌電車；…電力機車直流牽引電動機三、電機的應用領域（續(xù)）3、交通運輸業(yè)2）機車電傳動內(nèi)燃機車：直流—直流；交流—直流；交流—直流—交流；…燃油箱柴油機發(fā)電機勵磁機牽引電動機整流柜電傳動內(nèi)燃機車動力關系示意圖88CRH2牽引傳動系統(tǒng)主電路

牽引逆變器輸出電壓0~2300V，頻率0～220Hz可控的三相交流電供給異步牽引電動機。牽引電機為4極三相鼠籠式異步電機，采用架懸、強迫風冷方式，通過彈性齒型聯(lián)軸節(jié)連接傳動齒輪。

三、電機的應用領域（續(xù)）3、交通運輸業(yè)3）船舶內(nèi)燃機—電力推進：艦船內(nèi)燃機—電力推進感應電動機三、電機的應用領域（續(xù)）3、交通運輸業(yè)4）汽車座椅滑動控制電機座椅升降電機座椅角度調(diào)整電機空氣靠墊泵電動按摩坐墊天窗控制電機自動窗電機(4)散熱器風扇電機油冷卻扇電機空調(diào)熱風電機阻流片控制電機起動電機后燈雨刷(2)碰撞緩沖器控制電機自動門鎖電機自動伸縮天線電機燃油泵時鐘步進電機錄音機電機DVD電機里程表步進電機前雨刷電機(2)風擋清潔泵(2)前燈雨刷(2)空氣凈化器后部空調(diào)自動空調(diào)執(zhí)行器真空泵熱量回收泵自動水平校正器自動調(diào)速泵油門控制電機后視鏡電機(2)后雨刷電機(2)減震直線電機(4)三、電機的應用領域（續(xù)）3、交通運輸業(yè)5）電動車純電動車；混合動力車；無軌電車；有軌電車；電瓶車；電動自行車；…三、電機的應用領域（續(xù)）3、交通運輸業(yè)5）電動車純電動車；混合動力車；無軌電車；有軌電車；電瓶車；電動自行車；…三、電機的應用領域（續(xù)）3、交通運輸業(yè)6）磁懸浮列車驅(qū)動

圖2-25三、電機的應用領域（續(xù)）3、交通運輸業(yè)7）直線電動機輪軌車輛

三、電機的應用領域（續(xù)）4、醫(yī)療、辦公設備與家用電器醫(yī)療器械心電機X光機CT牙科手術工具滲析機呼吸機電動輪椅…辦公設備DVD驅(qū)動器CD-ROM打印機傳真機…家用電器電冰箱洗衣機電風扇空調(diào)器抽油煙機…三、電機的應用領域（續(xù)）5、航空、航天、國防飛輪儲能系統(tǒng)電能變換裝置直線電機發(fā)射器控制裝置定子轉(zhuǎn)子控制臺三、電機的應用領域（續(xù)）6、其它演出設備運動訓練設備游樂設備電動玩具…四、電動機的選用與運行控制1、電動機的選用

種類：交流電機：三相電機、單相電機直流電機功率：

電動機的功率是由生產(chǎn)機械所需的功率確定的。四、電動機的選用與運行控制（續(xù)）2、電動機的運行控制

電動機的啟動鼠籠異步電動機：直接啟動、降壓啟動、軟啟動。直流電機：直接啟動、串聯(lián)電阻啟動、軟啟動。同步電動機：同步電動機本身沒有啟動轉(zhuǎn)矩，啟動時采用異步啟動法，當啟動到接近同步轉(zhuǎn)速時再投入勵磁，牽入同步運行。電動機的調(diào)速直流調(diào)速交流調(diào)速電動機的制動能耗制動反接制動回饋制動直流電動機的調(diào)速調(diào)速的方法調(diào)壓調(diào)速調(diào)電樞電阻調(diào)速調(diào)勵磁電流調(diào)速電樞控制磁場控制UEa,IaI+-UfIf+-Ia=I電樞：Armature磁場：Field感應電機：感應電動機的調(diào)速方法變極調(diào)速變頻調(diào)速變轉(zhuǎn)差調(diào)速對比直流電機：+··+A1X1X2A2感應電動機的變極調(diào)速NNSS+·+·A1X1X2A2NS4極2極雙速電機每相有兩套繞組，改變其中一套繞組的接線，就可以改變定子磁場的極對數(shù)?；\型轉(zhuǎn)子極對數(shù)自動隨之變化。變頻器的基本構成控制電路DC直流環(huán)節(jié)整流器AC50Hz逆變器ACf電動機常用的變頻器：PWM變頻器。s=f(U1,R1,X1σ,R’2,X’2σ

）改變端電壓調(diào)速定子繞組串聯(lián)電阻器或電抗器調(diào)速轉(zhuǎn)子繞組串聯(lián)電阻器或電抗器調(diào)速雙饋電機調(diào)速變轉(zhuǎn)差調(diào)速5、電機學研究的內(nèi)容電機學是電氣工程及其自動化本科專業(yè)的專業(yè)基礎課。通過本課程的學習，能夠使學生掌握各種電機的結(jié)構、電磁關系、基礎理論知識、基本運行特性和一般分析方法的訓練，為學習后續(xù)的專業(yè)課程和將來從事專業(yè)工作打下良好基礎。電機運行原理基于電磁感應定律和電磁力定律。類型有：變壓器、直流電機、同步電機、異步電機。電機學分別研究上述電機的以下主要內(nèi)容：物理模型、數(shù)學模型、實際運行、實驗測試。電機學分別研究上述電機的以下主要內(nèi)容：物理模型數(shù)學模型實際運行：實驗測試電機國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢

1、大容量、超高速和超低速電機設計理論基礎2、基于新型材料的能量轉(zhuǎn)換裝置新理論和新技術3、新型交流調(diào)速系統(tǒng)4、多功能集成電機系統(tǒng)5、電機系統(tǒng)控制的新理論和新技術6、電器的發(fā)展歷史電器特指用于對電路進行接通、分斷，對電路參數(shù)進行變換，以實現(xiàn)對電路和用電設備的控制、調(diào)節(jié)、切換、檢測和保護等動作的電工裝置、設備和組件。電器從人類正式使用電能就開始使用。隨著電工新材料、電工制造新技術、新工藝的發(fā)展，各類電器得到飛速發(fā)展?？傮w趨勢是容量增大，傳輸電壓高，自動化程度高。開關電器的發(fā)展為例：刀開關；熔斷器；高壓斷路器。7、電器的分類電器按功能可分為：

用于接通和分斷電路的電器

如：刀開關、接觸器、負荷開關、隔離開關、斷路器等

用于控制電路的電器如：電磁啟動器、星-三角啟動器、變阻器、控制繼電器等用于切換電路的電器如：轉(zhuǎn)換開關、主令電器等用于檢測電路的電器

如互感器、傳感器等用于保護電路的電器

如熔斷器、斷路器、限流電抗器、避雷器等電器按工作電壓可分為：

高壓電器

低壓電器8、高壓電器高壓開關設備：

包括：斷路器、隔離開關、重合器、分段器、接觸器、熔斷器、負荷開關和接地開關等隔離開關真空負荷開關-熔斷器組合電器高壓真空斷路器8、高壓電器（續(xù)）高壓開關設備：

包括：斷路器、隔離開關、重合器、分段器、接觸器、熔斷器、負荷開關和接地開關等戶外多油斷路器220kVSF6瓷柱式戶外高壓斷路器斷路器（Circuit-breaker）：電力網(wǎng)正常工作和發(fā)生故障時關合和開斷電路，具有滅弧裝置。隔離開關（Disconnector）：將高壓設備與電源隔離，以保證檢修工作人員的安全。熔斷器（Fuse）：電路發(fā)生故障或短路時,依靠熔件的熔斷來開斷電路。8、高壓電器（續(xù)）互感器：

是電力系統(tǒng)中供測量和保護用的設備，包括：電流互感器、電壓互感器兩大類。電流互感器電壓互感器互感器

互感器是利用變壓器的電磁感應原理，將大電量信號變換為小電量信號以方便測量的一種設備，可分為電流互感器和電壓互感器。

（一）電流互感器（TA）

1、工作原理

電流互感器工作原理圖2、使用注意事項（1）電流互感器二次側(cè)繞組絕對不允許開路。（2）電流互感器的二次側(cè)繞組和外殼必須可靠接地，以防止因絕緣擊穿而危害人身安全。（二）電壓互感器(TV)

電壓互感器按工作原理可分為電磁式電壓互感器和電容式電壓互感器。

1、電磁式電壓互感器（1）工作原理

電壓互感器工作原理圖

（2）電磁式電壓互感器使用時的注意事項：

1）電壓互感器的二次側(cè)繞組絕對不允許短路。

2）電壓互感器的二次側(cè)繞組和鐵芯必須可靠接地。

3）電壓互感器的二次側(cè)負載不易接太多，以免降低負載阻抗，影響測量準確性。2、電容式電壓互感器（CVT）

電容式電壓互感器

電容式電壓互感器理想情況下輸出電壓U2L的計算公式：其中，k1=c1/(c1+c2);k2為中間變壓器的變換比。電容式電壓互感器具有結(jié)構簡單、體積小、成本低等優(yōu)點，可用于110-500kV中性點直接接地系統(tǒng)中的電壓測量。其缺點主要是輸出容量較小，誤差較大。8、高壓電器（續(xù)）避雷器：

避雷器實質(zhì)上是一種放電器，可優(yōu)先于被保護電器放電動作，限制由線路傳來的雷電沖擊電壓和操作過電壓，完成保護后迅速恢復原來對地絕緣的狀態(tài)，準備下次保護動作，同時使系統(tǒng)恢復正常工作狀態(tài)。目前常用的有：碳化硅閥型避雷器、金屬氧化鋅避雷器等。硅橡膠絕緣金屬氧化鋅避雷器用于變壓器保護的避雷器及放電間隙9、低壓電器低壓電器通常指交流1000V、直流1500V及以下配電和控制系統(tǒng)中的電器設備。它是對電能的產(chǎn)生、輸送、分配起著開關、控制、保護、調(diào)節(jié)、檢測及顯示等作用。如繼電器、接觸器轉(zhuǎn)換開關等。各種接觸器和繼電器各種低壓轉(zhuǎn)換開關按用途分類：控制電器：用于各種控制電路和控制系統(tǒng)。配電電器：用于電能輸送和分配。執(zhí)行電器：用于完成某種動作或傳送某種能。可通信低壓電器：用于計算機接口和通信口。

中間繼電器中間繼電器熱繼電器熱繼電器

空氣囊時間繼電器空氣囊時間繼電器電子式時間繼電器

JSS1P1--時間繼電器DH11S-S--時間繼電器

電磁機構（檢測部分）低壓電器的基本結(jié)構

觸頭系統(tǒng)（執(zhí)行部分）一、電磁機構

電磁線圈

電磁機構鐵心銜鐵

二、觸頭系統(tǒng)（一）觸頭的接觸形式

觸頭的作用：觸頭是電磁式電器的執(zhí)行元件，起接通和分斷電路的作用。點接觸線接觸面接觸（二）觸頭的種類主觸頭：用于接通和斷開主電路，允許通過較大電流。輔助觸頭：用于接通和斷開控制電路，允許通過較小電流。按觸頭控制的電路分：按觸頭原始狀態(tài)分：常開觸頭：電磁線圈未通電時，斷開的觸頭。常閉觸頭：電磁線圈未通電時，閉合的觸頭。三、電弧的產(chǎn)生和常用的滅弧方法（一）電弧的產(chǎn)生

當觸頭分斷電路時，若觸頭間的電壓達10V～20V、電流達0.25～1A，觸頭間隙就會產(chǎn)生電弧。電弧會使觸頭燒蝕，并使電路切斷時間延長，甚至不能斷開，造成事故，為此，必須采取滅弧措施，加速并可靠的熄滅電弧。（二）電弧的危害：開關電器在分斷電路時產(chǎn)生的電弧，一方面使電路仍舊保持導通狀態(tài)，延遲了電路的開斷；另一方面會燒損觸點，縮短電器的使用壽命。滅弧措施主要有以下幾種：(1)拉長電?。阂揽坑|點的分開，機械地拉長電弧，如圖（a）、（b）所示。(2)磁吹滅?。豪脤щ娀芈坊蛱刂凭€圈的電流在弧區(qū)產(chǎn)生磁場，使電弧受力迅速移動并拉長電?。ù糯禍缁。鐖D（a）、（b）、（c）、（d）所示。(3)分隔電?。簩㈦娀》指舫稍S多串聯(lián)的短弧，如圖（c）、（f）所示。(4)冷卻電弧：依靠磁場作用，將電弧驅(qū)入用耐弧材料制成的狹縫中，以加快電弧的冷卻，如圖（e）、（g）所示。三刀開關的手動控制電路及過載保護手動控制控制按鈕常開(動合)按鈕電路符號SB常閉(動斷)按鈕電路符號SB復合按鈕電路符號SB1.目的:用于接通或斷開輔助電路，靠手動操作。2.結(jié)構：

1—常閉觸點或動斷觸點2—常開觸點或動合觸點觸點1觸點2上一頁返回下一節(jié)下一頁上一節(jié)圖按鈕緊急按鈕自鎖按鈕用指示燈表示其工作狀態(tài)3.作用:起停自動控制起停自動控制行程開關(ST)

——也稱限位開關用作電路的限位保護、行程控制、自動切換等。

動作原理:運動部件撞擊產(chǎn)生動作。符號：動斷觸點：動合觸點：ST行程控制結(jié)構與按鈕