控制電機的發(fā)展趨勢和應用(PPT課件)

1、2021-11-52一、一、 控制電機的發(fā)展歷程控制電機的發(fā)展歷程l 控制控制電機有電機有6070年的發(fā)展史，年的發(fā)展史，第二次世界大戰(zhàn)后第二次世界大戰(zhàn)后軍事電軍事電子裝備的迅速發(fā)展促進了美國、蘇聯(lián)等國家子裝備的迅速發(fā)展促進了美國、蘇聯(lián)等國家控制控制電機的電機的開發(fā)和生產(chǎn)；開發(fā)和生產(chǎn)；l 上世紀上世紀60年代末年代末70年代初年代初，民用電子產(chǎn)品的迅速發(fā)展促，民用電子產(chǎn)品的迅速發(fā)展促進了日本等國的進了日本等國的控制控制電機行業(yè)的大發(fā)展；電機行業(yè)的大發(fā)展；l 上世紀上世紀80年代以來年代以來，隨著電子技術的廣泛應用，隨著電子技術的廣泛應用，控制控制電電機向組件化方向發(fā)展，引起機向組件化方向發(fā)展，

2、引起控制控制電機行業(yè)的結構變化。電機行業(yè)的結構變化。l 如今，如今，控制控制電機已廣泛應用于從家庭到宇航業(yè)等眾多領電機已廣泛應用于從家庭到宇航業(yè)等眾多領域，域，2010年全球產(chǎn)量約年全球產(chǎn)量約100億臺億臺。 2021-11-53二、二、 我國控制我國控制電機電機的生產(chǎn)現(xiàn)狀的生產(chǎn)現(xiàn)狀l 我國我國(包括香港；臺灣地區(qū)包括香港；臺灣地區(qū))2010年年控制控制電機總生產(chǎn)量約電機總生產(chǎn)量約60億臺億臺，占世占世界總產(chǎn)量約界總產(chǎn)量約60左右左右。但我國不是生產(chǎn)和技術強國，國企和民企生。但我國不是生產(chǎn)和技術強國，國企和民企生產(chǎn)的產(chǎn)品檔次不高，屬中、低檔產(chǎn)品。獨資企業(yè)的產(chǎn)品屬中檔產(chǎn)品，產(chǎn)的產(chǎn)品檔次不高，屬中

3、、低檔產(chǎn)品。獨資企業(yè)的產(chǎn)品屬中檔產(chǎn)品，真正技術含量較高的產(chǎn)品，如光盤驅(qū)動器用的精密無刷主軸電動機、真正技術含量較高的產(chǎn)品，如光盤驅(qū)動器用的精密無刷主軸電動機、高精度步進電機、片狀電機、高精密高性能伺服電機以及新結構、高精度步進電機、片狀電機、高精密高性能伺服電機以及新結構、新原理電機等都沒有轉(zhuǎn)移到我國大陸內(nèi)的獨資企業(yè)生產(chǎn)。新原理電機等都沒有轉(zhuǎn)移到我國大陸內(nèi)的獨資企業(yè)生產(chǎn)。l 控制控制電機出口額電機出口額20002009年均增長率為年均增長率為6.52%，2009年出口總額為年出口總額為26.23億億美元。美元。l 控制控制電機電機進進口額口額20002009年均增長率為年均增長率為5.87%，

4、2009年進口總額為年進口總額為19.22億億美元。美元。2021-11-54三、控制電機發(fā)展趨勢三、控制電機發(fā)展趨勢 控制電機的發(fā)展控制電機的發(fā)展, 在產(chǎn)品向在產(chǎn)品向高性能、高可靠性、高精度、無刷化、高性能、高可靠性、高精度、無刷化、永磁化、機電一體化和數(shù)字化及固態(tài)化永磁化、機電一體化和數(shù)字化及固態(tài)化方向發(fā)展的同時方向發(fā)展的同時, 出現(xiàn)以下出現(xiàn)以下變化和發(fā)展趨勢。變化和發(fā)展趨勢。l 大大 控制電機如永磁同步電機、風力發(fā)電機和伺服電動機等控制電機如永磁同步電機、風力發(fā)電機和伺服電動機等, 已出現(xiàn)幾已出現(xiàn)幾十十kW甚至幾百甚至幾百kW 、 上千上千kW乃至上萬乃至上萬kW的電機的電機; 外形尺寸

5、由原來外形尺寸由原來的外徑的外徑200mm發(fā)展到發(fā)展到360 mm 、500 mm乃至乃至1000 mm以上。以上。 如直徑如直徑為為 1100 mm的旋轉(zhuǎn)變壓器等的旋轉(zhuǎn)變壓器等。l 微微 60 年代微電機外徑最小是年代微電機外徑最小是12. 5 mm, 現(xiàn)在已經(jīng)有現(xiàn)在已經(jīng)有1 mm甚至幾個甚至幾個微米微米的電機。的電機。 大批量生產(chǎn)的手機振動電機直徑是大批量生產(chǎn)的手機振動電機直徑是28 mm 。2021-11-55l 特特 表現(xiàn)在表現(xiàn)在原理上原理上從單一原理到多原理電機的組合從單一原理到多原理電機的組合；結構上結構上從單臺電機到從單臺電機到多臺電機的組合多臺電機的組合； 功能上功能上從單一功

6、能到多種功能的組合從單一功能到多種功能的組合； 性能上性能上從單一從單一性能到多性能的轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)變和提升。性能到多性能的轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)變和提升。在結構和裝配形式上在結構和裝配形式上更是豐富多彩。更是豐富多彩。l 新新新原理新原理 出現(xiàn)了許多新原理電機。出現(xiàn)了許多新原理電機。 如超聲波電機、如超聲波電機、SR電機、靜電電機、微電機、靜電電機、微波電機、磁波電機、磁致致伸縮電機、磁流體電機等。伸縮電機、磁流體電機等。新結構新結構出現(xiàn)了組裝式、分裝式、軸向氣隙、片狀結構等新結構電機。出現(xiàn)了組裝式、分裝式、軸向氣隙、片狀結構等新結構電機。新用途新用途從最早的一般工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科研、軍工發(fā)展到三產(chǎn)、娛樂、家庭從最

7、早的一般工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科研、軍工發(fā)展到三產(chǎn)、娛樂、家庭生活、汽車、健身、生活、汽車、健身、 生命科學等。生命科學等。新材料新材料出現(xiàn)了許多新型磁性材料、導磁材料、絕緣材料等新功能材料出現(xiàn)了許多新型磁性材料、導磁材料、絕緣材料等新功能材料；也出現(xiàn)了低密度高強度和非金屬、金屬等新的結構材料。也出現(xiàn)了低密度高強度和非金屬、金屬等新的結構材料。2021-11-56新器件新器件從分立元件發(fā)展到專用集成電路、功率集成電路從分立元件發(fā)展到專用集成電路、功率集成電路 ; 從單片機發(fā)展從單片機發(fā)展到到DSP；從；從DTR發(fā)展到發(fā)展到IGBT、IPM、SIT、MCT等。等。新理論新理論從經(jīng)典控制發(fā)展到智能控制。從經(jīng)

8、典控制發(fā)展到智能控制。新工藝新工藝新設備的使用促使新的生產(chǎn)工藝層出不窮新設備的使用促使新的生產(chǎn)工藝層出不窮；新結構、新技術的產(chǎn)新結構、新技術的產(chǎn)生也促進新工藝的產(chǎn)生生也促進新工藝的產(chǎn)生，新工藝又反過來促進了設備的發(fā)展。新工藝又反過來促進了設備的發(fā)展。新設計手段新設計手段在電機設計和研發(fā)上出現(xiàn)了新的設計軟件平臺在電機設計和研發(fā)上出現(xiàn)了新的設計軟件平臺, 如如 ANSOFT 軟件、軟件、JMAG 軟件和軟件和MATLAB等。等。新參數(shù)新參數(shù)由于使用要求的提高由于使用要求的提高，出現(xiàn)了如功率出現(xiàn)了如功率/重量比重量比( P /W ) 、 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩/重重量比量比 ( T /W ) 、 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩/慣量比

9、慣量比(T /J ) 、及電磁兼容和漏磁系數(shù)等新的電機、及電磁兼容和漏磁系數(shù)等新的電機參數(shù)。參數(shù)。新理念新理念市場觀念；企業(yè)文化；服務意識；科研與市場結合。市場觀念；企業(yè)文化；服務意識；科研與市場結合。2021-11-57l 高高高性能高性能如如 P /W 要達到要達到 20 以上以上， 電機最高轉(zhuǎn)速電機最高轉(zhuǎn)速30萬轉(zhuǎn)以上。萬轉(zhuǎn)以上。高精度高精度信號電機的精度提高了幾倍信號電機的精度提高了幾倍 。高質(zhì)量高質(zhì)量電機的可靠性和壽命指標增長了數(shù)倍電機的可靠性和壽命指標增長了數(shù)倍 。高性價比高性價比成本在不斷降低成本在不斷降低，性能在不斷提高，性能在不斷提高，性價比顯著性價比顯著 增大。增大。202

10、1-11-58四、控制電機的應用四、控制電機的應用 控制電機廣泛應用于軍事裝備、航空航天、電子產(chǎn)品、工業(yè)自動控制控制電機廣泛應用于軍事裝備、航空航天、電子產(chǎn)品、工業(yè)自動控制系統(tǒng)、家用電器、電梯、辦公自動化、通訊和交通、儀器儀表、電動系統(tǒng)、家用電器、電梯、辦公自動化、通訊和交通、儀器儀表、電動玩具等方面。玩具等方面。l 自整角機的應用領域和典型應用自整角機的應用領域和典型應用 角位置的遠距離指示角位置的遠距離指示 如遠距離指示液面的高度、閥門位置指示、航如遠距離指示液面的高度、閥門位置指示、航向指示儀、調(diào)節(jié)執(zhí)行機構的轉(zhuǎn)速等系統(tǒng)向指示儀、調(diào)節(jié)執(zhí)行機構的轉(zhuǎn)速等系統(tǒng)，使用多種力矩式自整角機；使用多種力

11、矩式自整角機； 角位置的遠距離控制和定位角位置的遠距離控制和定位 如軋鋼機軋輥定位控制、陀螺同步羅盤、如軋鋼機軋輥定位控制、陀螺同步羅盤、模擬量控制發(fā)射制導雷達伺服等系統(tǒng)模擬量控制發(fā)射制導雷達伺服等系統(tǒng)，使用多種力矩式自整角機和控使用多種力矩式自整角機和控制式自整角機；制式自整角機； 角位置的傳輸、變換、讀取角位置的傳輸、變換、讀取 如雷達天線驅(qū)動、如雷達天線驅(qū)動、 數(shù)字量控制發(fā)射制導數(shù)字量控制發(fā)射制導雷達伺服、雷達伺服、 導彈發(fā)射架電液伺服系統(tǒng)等系統(tǒng)導彈發(fā)射架電液伺服系統(tǒng)等系統(tǒng)，使用多種控制式自整角使用多種控制式自整角機。機。2021-11-59l 旋轉(zhuǎn)變壓器的應用領域和典型應用旋轉(zhuǎn)變壓器的

12、應用領域和典型應用 角位置的檢測角位置的檢測 如旋轉(zhuǎn)變壓器在永磁交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)中作為位置傳感器，如旋轉(zhuǎn)變壓器在永磁交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)中作為位置傳感器，不僅可檢測出轉(zhuǎn)子磁極的位置，不僅可檢測出轉(zhuǎn)子磁極的位置， 還可檢測出轉(zhuǎn)子的運動速度和系統(tǒng)的位還可檢測出轉(zhuǎn)子的運動速度和系統(tǒng)的位置信息，在機電一體化產(chǎn)品中越來越多的應用。置信息，在機電一體化產(chǎn)品中越來越多的應用。 在解算裝置中的應用在解算裝置中的應用 如用正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器進行的矢量合成與分解、如用正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器進行的矢量合成與分解、坐標變換、反三角函數(shù)運算，用線性旋轉(zhuǎn)變壓器和比例式旋轉(zhuǎn)變壓器進行坐標變換、反三角函數(shù)運算，用線性旋轉(zhuǎn)變壓器和比例式旋

13、轉(zhuǎn)變壓器進行的加、減、乘、除四則運算，用線性旋轉(zhuǎn)變壓器、比例式旋轉(zhuǎn)變壓器和交的加、減、乘、除四則運算，用線性旋轉(zhuǎn)變壓器、比例式旋轉(zhuǎn)變壓器和交流測速發(fā)電機進行的微積分運算。流測速發(fā)電機進行的微積分運算。 角位置的高精度傳輸、角位置的高精度傳輸、 變換、變換、 讀取讀取 使用于角位傳輸系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)變壓器使用于角位傳輸系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)變壓器和控制式自整角機功能相同，和控制式自整角機功能相同， 也稱為四線自整角機，也稱為四線自整角機， 但精度高于控制式但精度高于控制式自整角機，如應用于幅值控制定位跟蹤數(shù)字系統(tǒng)、自整角機，如應用于幅值控制定位跟蹤數(shù)字系統(tǒng)、 幅值控制位置讀出系幅值控制位置讀出系統(tǒng)、數(shù)字編碼系統(tǒng)。

14、統(tǒng)、數(shù)字編碼系統(tǒng)。2021-11-510l 測速發(fā)電機的應用領域和典型應用測速發(fā)電機的應用領域和典型應用 作為測速元件、校正元件、解算元件和角加速度信號元件。作為測速元件、校正元件、解算元件和角加速度信號元件。如在速如在速度控制方式的伺服系統(tǒng)中，測速發(fā)電機作為度控制方式的伺服系統(tǒng)中，測速發(fā)電機作為速度反饋元件速度反饋元件，其輸出電壓，其輸出電壓或輸出脈沖為速度反饋的模擬信號，與給定速度的參考電壓或參考頻率或輸出脈沖為速度反饋的模擬信號，與給定速度的參考電壓或參考頻率比較后，比較后，再再發(fā)出速度控制信號，調(diào)節(jié)伺服電動機的轉(zhuǎn)速；而在位置控制發(fā)出速度控制信號，調(diào)節(jié)伺服電動機的轉(zhuǎn)速；而在位置控制方式的

15、伺服系統(tǒng)中，測速發(fā)電機作為方式的伺服系統(tǒng)中，測速發(fā)電機作為校正元件校正元件，其輸出電壓速度負反饋，其輸出電壓速度負反饋信號，反饋到放大器，起抑制速度的阻尼作用，以提高位置控制系統(tǒng)的信號，反饋到放大器，起抑制速度的阻尼作用，以提高位置控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)；在解算裝置中，測速發(fā)電機既可用作積分元件，也可用作動態(tài)品質(zhì)；在解算裝置中，測速發(fā)電機既可用作積分元件，也可用作微微分元件分元件； 采用直流勵磁的異步測速發(fā)電機在原理上可以作為角加速度采用直流勵磁的異步測速發(fā)電機在原理上可以作為角加速度計使用，但其靈敏度低。計使用，但其靈敏度低。2021-11-511l 測速發(fā)電機的應用領域和典型應用測速發(fā)電機的應

16、用領域和典型應用 作為測速元件、校正元件、解算元件和角加速度信號元件。作為測速元件、校正元件、解算元件和角加速度信號元件。如在速如在速度控制方式的伺服系統(tǒng)中，測速發(fā)電機作為度控制方式的伺服系統(tǒng)中，測速發(fā)電機作為速度反饋元件速度反饋元件，其輸出電壓，其輸出電壓或輸出脈沖為速度反饋的模擬信號，與給定速度的參考電壓或參考頻率或輸出脈沖為速度反饋的模擬信號，與給定速度的參考電壓或參考頻率比較后，比較后，再再發(fā)出速度控制信號，調(diào)節(jié)伺服電動機的轉(zhuǎn)速；而在位置控制發(fā)出速度控制信號，調(diào)節(jié)伺服電動機的轉(zhuǎn)速；而在位置控制方式的伺服系統(tǒng)中，測速發(fā)電機作為方式的伺服系統(tǒng)中，測速發(fā)電機作為校正元件校正元件，其輸出電壓速

17、度負反饋，其輸出電壓速度負反饋信號，反饋到放大器，起抑制速度的阻尼作用，以提高位置控制系統(tǒng)的信號，反饋到放大器，起抑制速度的阻尼作用，以提高位置控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)；在解算裝置中，測速發(fā)電機既可用作積分元件，也可用作動態(tài)品質(zhì)；在解算裝置中，測速發(fā)電機既可用作積分元件，也可用作微微分元件分元件； 采用直流勵磁的異步測速發(fā)電機在原理上可以作為角加速度采用直流勵磁的異步測速發(fā)電機在原理上可以作為角加速度計使用，但其靈敏度低。計使用，但其靈敏度低。2021-11-512l 步進步進電機的應用領域和典型應用電機的應用領域和典型應用 作為執(zhí)行換件，在作為執(zhí)行換件，在開環(huán)高分辨率數(shù)控定位系統(tǒng)的應用開環(huán)高分辨率

18、數(shù)控定位系統(tǒng)的應用廣泛。廣泛。如數(shù)控如數(shù)控車床和機器人系統(tǒng)車床和機器人系統(tǒng)；計算機外設和辦公室自動化設備計算機外設和辦公室自動化設備（磁盤驅(qū)動、打印磁盤驅(qū)動、打印機、繪圖儀和復印機等機、繪圖儀和復印機等）。）。 磁阻磁阻（反應）（反應）式步進電機式步進電機 早期應用較多。但因早期應用較多。但因能量利用率低能量利用率低、振振動和噪音大等缺點逐步被淘汰掉動和噪音大等缺點逐步被淘汰掉。目前。目前僅在某些僅在某些特殊特殊場合場合使用（高溫，使用（高溫，要求定位轉(zhuǎn)矩為要求定位轉(zhuǎn)矩為0）。）。 永磁式步進電機永磁式步進電機 步距角一般較大步距角一般較大，相應的轉(zhuǎn)動分辨率比較受限相應的轉(zhuǎn)動分辨率比較受限。采

19、用低成本的爪極式結構采用低成本的爪極式結構后，后，使其制造工藝簡單、價格較低使其制造工藝簡單、價格較低、容易快速容易快速批量生產(chǎn)批量生產(chǎn)，因而廣泛應用于對性能要求不高的場合。因而廣泛應用于對性能要求不高的場合。 混合式步進電機混合式步進電機 具具有有反應式步進電機和永磁式步進電機的優(yōu)點反應式步進電機和永磁式步進電機的優(yōu)點，已已成為工業(yè)自動化等性能要求較高應用場合的主流成為工業(yè)自動化等性能要求較高應用場合的主流。2021-11-513l 伺服伺服電機的應用領域和典型應用電機的應用領域和典型應用 作為執(zhí)行換件，在高精度伺服系統(tǒng)中作為執(zhí)行換件，在高精度伺服系統(tǒng)中應用應用廣泛。廣泛。如數(shù)控車床和機器如數(shù)控車床和機器人系統(tǒng)人系統(tǒng)；計算機外設和辦公室自動化設備計算機外設和辦公室