特種電機(jī)及其控制緒論課件

特種電機(jī)及其控制教材：《特種電機(jī)及其控制》孫建忠、白鳳仙編著中國(guó)水利水電出版社,2005特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制緒論特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制0.1特種電機(jī)的定義與類型

在工作原理、結(jié)構(gòu)、性能或設(shè)計(jì)方法上有較大的特點(diǎn)的電機(jī)都屬于特種電機(jī)的范疇。1、特種電機(jī)已經(jīng)突破了傳統(tǒng)電機(jī)的范疇超聲波電機(jī)：利用驅(qū)動(dòng)部分(壓電陶瓷元件的超聲波振動(dòng))和移動(dòng)部分之間的動(dòng)摩擦力而獲得運(yùn)轉(zhuǎn)力的一種新原理電機(jī)。微波電動(dòng)機(jī)：能夠接受并將微波轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的新型電機(jī)。靜電電機(jī)：利用電場(chǎng)和電荷之間的動(dòng)力制成的一種超微電機(jī)。

特種電機(jī)及其控制超聲波電機(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(wú)磁污染超聲馬達(dá)的超靜運(yùn)行。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(guò)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。超聲波電機(jī)是在1961年，Bulova鐘表公司首次開(kāi)始應(yīng)用它作為動(dòng)力。特種電機(jī)及其控制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)生特種電機(jī)及其控制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(kāi)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年就投入1.5億專門(mén)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(mén)。我國(guó)超聲電機(jī)研究是從二十世紀(jì)九十年代開(kāi)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(kāi)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)目研究組南京航天航空大學(xué)超聲電機(jī)研究中心特種電機(jī)及其控制3）超聲電機(jī)技術(shù)的應(yīng)用特種電機(jī)及其控制日本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。日本豐田公司已在出口到美國(guó)的汽車反光鏡、方向盤(pán)和座椅頭靠等都應(yīng)用了超聲電機(jī)。領(lǐng)先技術(shù)特種電機(jī)及其控制目前計(jì)算機(jī)軟盤(pán)（FD）、光盤(pán)（CD-ROM）和硬盤(pán)（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(lái)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(lái)。特種電機(jī)及其控制4）超聲電機(jī)技術(shù)的未來(lái)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。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。特種電機(jī)及其控制未來(lái)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(mén)鎖、門(mén)窗玻璃的升降，前視鏡和雨刮器等，均可用超聲電機(jī)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁電機(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。特種電機(jī)及其控制2、在傳統(tǒng)電機(jī)的范疇內(nèi)，許多電機(jī)的工作原理也具有較大的特殊性。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)：在電機(jī)發(fā)明之后的100多年來(lái)，磁阻電機(jī)的效率、功率因素和功率密度都很低，長(zhǎng)期以來(lái)只能用作微型電動(dòng)機(jī)，而磁阻電機(jī)與電力電子器件相結(jié)合構(gòu)成的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，其功率密度與普通感應(yīng)電機(jī)相近，在很寬的運(yùn)行范圍內(nèi)保持高效率，系統(tǒng)總成本低于同功率的其他傳動(dòng)系統(tǒng)。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)：最初是由電子換向線路代替直流電機(jī)的機(jī)械換向器發(fā)展起來(lái)的，但之后的發(fā)展使其無(wú)論是在電機(jī)結(jié)構(gòu)上，還是運(yùn)行和控制原理上更接近于同步電動(dòng)機(jī)。特種電機(jī)及其控制3、在結(jié)構(gòu)上，除了傳統(tǒng)的徑向磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)之外，還出現(xiàn)了許多特殊結(jié)構(gòu)電機(jī)直線電機(jī)：直線運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用于高速磁懸浮列車、傳送帶等盤(pán)式電機(jī)：軸向磁場(chǎng)；外形扁平、軸向尺寸短；橫向磁場(chǎng)電機(jī)：模塊組合、橫向磁場(chǎng)螺旋電機(jī)：螺旋運(yùn)動(dòng)特種電機(jī)及其控制磁懸浮技術(shù)磁懸浮列車是將列車用磁力懸浮起來(lái)，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(lái)．懸浮列車的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行平穩(wěn)，沒(méi)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。特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)及其控制高速、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)均使用這種直線同步電機(jī)。特種電機(jī)及其控制我國(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(kāi)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。

特種電機(jī)及其控制特種電機(jī)的分類新原理特種電機(jī)根據(jù)電磁原理工作的傳統(tǒng)原理特種電機(jī)。沿用電機(jī)學(xué)慣用的分類方法，按功能分類，將它們劃入變壓器、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)或控制電機(jī)的范疇；也可以按照電機(jī)的特點(diǎn)和電源性質(zhì)分類，將它們劃入變壓器、直流電機(jī)、同步電機(jī)、或感應(yīng)電機(jī)的范疇?！疤卣鳌?“大類”的分類和命名方法：如：多自由度超聲波電機(jī)特種電機(jī)及其控制0.2特種電機(jī)的應(yīng)用

(1)信息處理領(lǐng)域：配套微電機(jī)全世界年需求量約15億臺(tái)(套)，絕大部分是精密永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)、精密步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。(2)交通運(yùn)輸領(lǐng)域:在高級(jí)汽車中，為了控制燃料和改善乘車感覺(jué)以及顯示有關(guān)裝置狀態(tài)的需要，要使用40~50臺(tái)電動(dòng)機(jī)，而未來(lái)豪華轎車上的電機(jī)可多達(dá)80臺(tái)。汽車電器配套電機(jī)主要為永磁直流電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)等。電動(dòng)車輛驅(qū)動(dòng)用電機(jī)主要是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、永磁同步電動(dòng)機(jī)等等，這類電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)是高效率、高出力、智能化。在機(jī)車驅(qū)動(dòng)、輪船推進(jìn)中也取得了廣泛應(yīng)用，如直線電機(jī)用于磁懸浮列車、地鐵的驅(qū)動(dòng)。特種電機(jī)及其控制(3)家用電器領(lǐng)域：工業(yè)化國(guó)家一般家庭中用到35臺(tái)以上特種電機(jī)。家電配套的電機(jī)要求高效率、低噪聲、低振動(dòng)、低價(jià)格、可調(diào)速和智能化。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)等新興的機(jī)電一體化產(chǎn)品正逐步替代傳統(tǒng)的單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。(4)高檔消費(fèi)品領(lǐng)域：電唱機(jī)、錄音機(jī)、VCD視盤(pán)和DVD視盤(pán)等音響設(shè)備配套電機(jī)主要為印制繞組電機(jī)、繞線盤(pán)式電機(jī)等。這類電機(jī)屬精密型，制造加工難度大，尤其進(jìn)入數(shù)字化后，對(duì)電機(jī)提出了更苛刻的要求。特種電機(jī)及其控制0.3特種電機(jī)的發(fā)展方向

(1)機(jī)電一體化

將傳統(tǒng)電機(jī)與和電子技術(shù)有機(jī)結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)智能化。目前，電機(jī)在其實(shí)際應(yīng)用中已由過(guò)去簡(jiǎn)單的提供動(dòng)力為目的發(fā)展到對(duì)其速度、位置和轉(zhuǎn)矩等物理量進(jìn)行精確控制，特種電機(jī)需要也必然與微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力電子技術(shù)等相結(jié)合構(gòu)成新穎的機(jī)電一體化產(chǎn)品。從軍事和航空航天到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、信息、醫(yī)療以及家庭自動(dòng)化，幾乎所有領(lǐng)域都在越來(lái)越多地采用機(jī)電一體化伺服傳動(dòng)系統(tǒng)。特種電機(jī)及其控制(2)高性能化工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人民生活水平的提高，對(duì)電機(jī)及其傳動(dòng)系統(tǒng)的性能提出了越來(lái)越高的要求；新型材料的應(yīng)用為提高電機(jī)產(chǎn)品性能、降低成本創(chuàng)造了有利條件；而微電子技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展使特種電機(jī)控制性能的提高成為可能。特種電機(jī)及其控制(3)小型化與微型化

信息產(chǎn)品和消費(fèi)類電子產(chǎn)品向微、輕、薄方向發(fā)展，而空間技術(shù)、國(guó)防產(chǎn)品、醫(yī)療設(shè)備等對(duì)電機(jī)進(jìn)一步提出了短、小、薄、低噪聲、無(wú)電磁干擾等要求。小型化、甚至微型化是特種電機(jī)發(fā)展呈現(xiàn)的又一趨勢(shì)。手機(jī)、BP機(jī)使用的振動(dòng)電機(jī)，圓柱形電機(jī)的外形尺寸為Ф4×10mm，片狀振動(dòng)電機(jī)外形尺寸為Ф12×3mm。小型存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)器用的主軸無(wú)刷電動(dòng)機(jī)外形尺寸為Ф16×1.37mm。特種電機(jī)及其控制(4)大功率化在工業(yè)傳動(dòng)和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，特種電機(jī)呈現(xiàn)大功率化趨勢(shì)。

我國(guó)開(kāi)發(fā)的1120kW永磁同步電動(dòng)機(jī)是目前世界上功率最大的異步起動(dòng)高效稀土永磁電機(jī)，其效率高于96.5％(同規(guī)格電機(jī)效率為95％)，功率因數(shù)0.94，可以替代比它大1-2個(gè)功率等級(jí)的普通電動(dòng)機(jī)。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)最大功率為5MW，最大轉(zhuǎn)矩106Nm轉(zhuǎn)速可達(dá)100000r/min。特種電機(jī)及其控制(5)非電磁化用相關(guān)學(xué)科的新成果，包括新原理、新材料，開(kāi)發(fā)具有非電磁原理的特種電機(jī)已成為電機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要方向。世界各國(guó)都在探索其他新型電機(jī)，如靜電電機(jī)、超聲電機(jī)、仿生電機(jī)、光熱電機(jī)、形狀記憶合金電機(jī)和微波電機(jī)等等。超聲電機(jī)已在航空航天、機(jī)器人、汽車、精密定位儀、微型機(jī)械等領(lǐng)域得到成功的應(yīng)用。美國(guó)NASA將超聲電機(jī)應(yīng)用于空間機(jī)器人技術(shù)。其中微型機(jī)械手MicroArmI使用了扭矩0.105Nm的超聲電機(jī)。火星機(jī)械手MarsArmII使用了三個(gè)扭矩為0.168Nm和一個(gè)扭矩為0.111Nm的超聲電機(jī)，它們比使用同等功能的傳統(tǒng)