特種電機及其控制緒論課件

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

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

特種電機及其控制超聲波電機超聲波電機是一種借助摩擦傳遞動力的驅(qū)動機構(gòu)。它與傳統(tǒng)的電動機相比有體積小，機構(gòu)簡單，易于控制和無磁污染超聲馬達的超靜運行。適用于醫(yī)院、賓館、辦公室等要求低噪聲的場合；它的大能量密度適用于機器人的驅(qū)動，驅(qū)動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)中超聲馬達也有著廣泛的應(yīng)用前景。超聲波電機是在1961年，Bulova鐘表公司首次開始應(yīng)用它作為動力。特種電機及其控制1）壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)當(dāng)材料受力作用而變形時,其表面會有電荷產(chǎn)生特種電機及其控制2）目前發(fā)展日本在超聲電機的研究和應(yīng)用上都處于領(lǐng)先地位。美國、德國、法國、英國等都己經(jīng)或正在投入大批的人力、物力開發(fā)超聲電機，努力追趕日本。特別是美國，僅Pennysyvania州立大學(xué)在1994－1998年就投入1.5億專門從事壓電材料和超聲電機研究。德國GmbH公司的產(chǎn)品已用于奔馳汽車自動窗門。我國超聲電機研究是從二十世紀(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的研究，但尚未進入商業(yè)應(yīng)用。清華大學(xué)物理系超聲電機項目研究組南京航天航空大學(xué)超聲電機研究中心特種電機及其控制3）超聲電機技術(shù)的應(yīng)用特種電機及其控制日本Canon公司生產(chǎn)了帶有環(huán)型超聲電機的照相機，使得該相機聚焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、聚焦快，噪聲小。Canon公司已有37種照相機聚焦鏡頭應(yīng)用了超聲電機，其他Nikon，Olympus等公司的照相機也逐步在采用超聲電機。超聲電機能減輕機器人的重量，簡化其結(jié)構(gòu)，提高響應(yīng)速度，世界各國研究者都正在把超聲電機用于機器人。日本豐田公司已在出口到美國的汽車反光鏡、方向盤和座椅頭靠等都應(yīng)用了超聲電機。領(lǐng)先技術(shù)特種電機及其控制目前計算機軟盤（FD）、光盤（CD-ROM）和硬盤（HD）的磁頭的直線運動是采用旋轉(zhuǎn)電磁電機加上齒輪機構(gòu)來實現(xiàn)的。在這樣的傳動系統(tǒng)中，如要使機構(gòu)進一步小型化和提高運動精度是十分困難的。但如果改用直線型超聲電機，就可以使傳動系統(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引到計算機上來。特種電機及其控制4）超聲電機技術(shù)的未來21世紀(jì)，航空航天是我國重點發(fā)展的領(lǐng)域之一。從國外的應(yīng)用的情況看，它必將應(yīng)用超聲電機。如納米衛(wèi)星、微型飛機、宇宙飛船和空間探測器等，應(yīng)用超聲電機，可以減少其重量，增強其可控性；機器人和微型機械，也是我國21世紀(jì)重點發(fā)展的領(lǐng)域之一。隨著超聲電機的微型化，微型機械可進入人體，如作為人造心臟的驅(qū)動器，它將會大大推動人造器官的產(chǎn)業(yè)化進程；21世紀(jì)，我國將要大力發(fā)展磁浮列車。磁浮列車上的強磁場干擾，使得在磁浮列車上的傳統(tǒng)的電磁電機工作失效，超聲電機將大有可為。特種電機及其控制未來豪華轎車上的電機之多可達80個，使汽車體積增加，電磁干擾增強。應(yīng)用超聲電機，由于不需齒輪箱從而大大降低其體積；由于超聲電機不產(chǎn)生磁場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，均可用超聲電機來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁電機；隨著掌上計算機，可視電話電視、手提式儀器等的發(fā)展，微型超聲電機將可得到廣泛應(yīng)用。超聲電機將使這些微型儀器降低重量和體積，減少其能量損耗；由于超聲電機的位置控制精度很高，可達微米級甚至納米級。超聲電機將會在一些精密儀器、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。特種電機及其控制2、在傳統(tǒng)電機的范疇內(nèi)，許多電機的工作原理也具有較大的特殊性。

開關(guān)磁阻電機：在電機發(fā)明之后的100多年來，磁阻電機的效率、功率因素和功率密度都很低，長期以來只能用作微型電動機，而磁阻電機與電力電子器件相結(jié)合構(gòu)成的開關(guān)磁阻電機，其功率密度與普通感應(yīng)電機相近，在很寬的運行范圍內(nèi)保持高效率，系統(tǒng)總成本低于同功率的其他傳動系統(tǒng)。無刷直流電動機：最初是由電子換向線路代替直流電機的機械換向器發(fā)展起來的，但之后的發(fā)展使其無論是在電機結(jié)構(gòu)上，還是運行和控制原理上更接近于同步電動機。特種電機及其控制3、在結(jié)構(gòu)上，除了傳統(tǒng)的徑向磁場旋轉(zhuǎn)電機之外，還出現(xiàn)了許多特殊結(jié)構(gòu)電機直線電機：直線運動，應(yīng)用于高速磁懸浮列車、傳送帶等盤式電機：軸向磁場；外形扁平、軸向尺寸短；橫向磁場電機：模塊組合、橫向磁場螺旋電機：螺旋運動特種電機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，使列車與導(dǎo)軌脫離接觸，以減小摩擦，提高車速。列車由直線電機牽引。直線電機的一個級固定于地面，跟導(dǎo)軌一起延伸到遠處；另一個級安裝在列車上，初級通以交流，列車就沿導(dǎo)軌前進。列車上裝有磁體（有的就是兼用直線電機的線圈），磁體隨列車運動時，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)電流的磁場和列車上的磁體（或線圈）之間的電磁力把列車懸浮起來．懸浮列車的優(yōu)點是運行平穩(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到550km／h。懸浮列車減速的時候，磁場的變化減小，感應(yīng)電流也減小，磁場減弱，造成懸浮力下降。特種電機及其控制特種電機及其控制高速、超高速磁懸浮鐵路一般使用該種長定子直線同步電機。德國的運捷TR和日本的MLX系統(tǒng)均使用這種直線同步電機。特種電機及其控制我國第一輛國產(chǎn)懸浮磁客車我國第一輛國產(chǎn)懸浮磁客車（長春客車廠）德國和日本之后，第三個掌握磁懸浮客車技術(shù)的國家。由長春客車廠、西南交通大學(xué)和株洲電力機車研究所聯(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，采用直線電機驅(qū)動車，推進速度取決于直線電機的牽引力，運營時速６０公里，最高試驗時速可達１００公里。

特種電機及其控制特種電機的分類新原理特種電機根據(jù)電磁原理工作的傳統(tǒng)原理特種電機。沿用電機學(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、電動機或控制電機的范疇；也可以按照電機的特點和電源性質(zhì)分類，將它們劃入變壓器、直流電機、同步電機、或感應(yīng)電機的范疇。“特征”+“大類”的分類和命名方法：如：多自由度超聲波電機特種電機及其控制0.2特種電機的應(yīng)用

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

(1)機電一體化

將傳統(tǒng)電機與和電子技術(shù)有機結(jié)合，最終實現(xiàn)智能化。目前，電機在其實際應(yīng)用中已由過去簡單的提供動力為目的發(fā)展到對其速度、位置和轉(zhuǎn)矩等物理量進行精確控制，特種電機需要也必然與微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和電力電子技術(shù)等相結(jié)合構(gòu)成新穎的機電一體化產(chǎn)品。從軍事和航空航天到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、信息、醫(yī)療以及家庭自動化，幾乎所有領(lǐng)域都在越來越多地采用機電一體化伺服傳動系統(tǒng)。特種電機及其控制(2)高性能化工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的進步和人民生活水平的提高，對電機及其傳動系統(tǒng)的性能提出了越來越高的要求；新型材料的應(yīng)用為提高電機產(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)、計算機技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展使特種電機控制性能的提高成為可能。特種電機及其控制(3)小型化與微型化

信息產(chǎn)品和消費類電子產(chǎn)品向微、輕、薄方向發(fā)展，而空間技術(shù)、國防產(chǎn)品、醫(yī)療設(shè)備等對電機進一步提出了短、小、薄、低噪聲、無電磁干擾等要求。小型化、甚至微型化是特種電機發(fā)展呈現(xiàn)的又一趨勢。手機、BP機使用的振動電機，圓柱形電機的外形尺寸為Ф4×10mm，片狀振動電機外形尺寸為Ф12×3mm。小型存儲驅(qū)動器用的主軸無刷電動機外形尺寸為Ф16×1.37mm。特種電機及其控制(4)大功率化在工業(yè)傳動和交通運輸?shù)阮I(lǐng)域，特種電機呈現(xiàn)大功率化趨勢。

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