第二章電機(jī)電器及其控制技術(shù)

1、 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY電機(jī)的作用電機(jī)的作用控制電機(jī)控制電機(jī)閥門(mén)控制閥門(mén)控制火炮控制火炮控制計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)各種機(jī)驅(qū)動(dòng)各種機(jī)械和裝備械和裝備電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)機(jī)床機(jī)床水泵水泵電能的生產(chǎn)、電能的生產(chǎn)、傳輸和分配傳輸和分配 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY18311831年年法拉第創(chuàng)造了第一部感應(yīng)發(fā)電機(jī)的模型法拉第創(chuàng)造了第一部感應(yīng)發(fā)電機(jī)的模型18341834年年雅可比發(fā)明了功率為雅可比發(fā)明了功率為15W15W的棒狀鐵

2、芯電動(dòng)機(jī)的棒狀鐵芯電動(dòng)機(jī)18361836年年達(dá)文波特首先嘗試用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械達(dá)文波特首先嘗試用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械18451845年年惠斯通用電磁鐵替代永久磁鐵制成第一臺(tái)電磁鐵發(fā)電機(jī)惠斯通用電磁鐵替代永久磁鐵制成第一臺(tái)電磁鐵發(fā)電機(jī)18661866年年西門(mén)子制成第一臺(tái)使用電磁鐵的自激式發(fā)電機(jī)西門(mén)子制成第一臺(tái)使用電磁鐵的自激式發(fā)電機(jī)18701870年年格拉姆制成了環(huán)形電樞自激發(fā)電機(jī)格拉姆制成了環(huán)形電樞自激發(fā)電機(jī)18781878年年出現(xiàn)了鐵芯開(kāi)槽法。有槽鐵芯和鼓形繞組的結(jié)構(gòu)一直沿用至今出現(xiàn)了鐵芯開(kāi)槽法。有槽鐵芯和鼓形繞組的結(jié)構(gòu)一直沿用至今18801880年年愛(ài)迪生制造了名為愛(ài)迪生制造了名為“巨象巨象”的大

3、型直流發(fā)電機(jī)的大型直流發(fā)電機(jī)18851885年年費(fèi)拉里斯提出旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)原理，研制出兩相異步電動(dòng)機(jī)費(fèi)拉里斯提出旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)原理，研制出兩相異步電動(dòng)機(jī)18881888年年俄國(guó)人制成一臺(tái)三相交流單鼠籠異步電動(dòng)機(jī)俄國(guó)人制成一臺(tái)三相交流單鼠籠異步電動(dòng)機(jī) ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY1882年英國(guó)人費(fèi)朗蒂改進(jìn)了交流發(fā)電機(jī)，提出了交流高壓輸電的概念英國(guó)人費(fèi)朗蒂改進(jìn)了交流發(fā)電機(jī)，提出了交流高壓輸電的概念1882年英國(guó)人高登制造了大型兩相交流發(fā)電機(jī)英國(guó)人高登制造了大型兩相交流發(fā)電機(jī)1882年法國(guó)人高蘭德和英國(guó)人約翰法國(guó)人高蘭德和英國(guó)人約翰吉布斯成功研制了第一臺(tái)實(shí)用變壓器吉布斯成功研制了

4、第一臺(tái)實(shí)用變壓器1884年英國(guó)人霍普金生又發(fā)明了具有封閉磁路的變壓器英國(guó)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(yuǎn)距離高壓輸電成為現(xiàn)布洛在瑞士制造出高壓油浸變壓器，使得遠(yuǎn)距離高壓輸電成為現(xiàn)實(shí)實(shí) ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY1、電機(jī)的分類(lèi)、電機(jī)的分類(lèi)按在應(yīng)用中按在應(yīng)用中的功能分類(lèi)的功能分類(lèi)變壓器變壓器變流機(jī)變流機(jī)變頻機(jī)變頻機(jī)移相機(jī)移相機(jī)控制電機(jī)控制電機(jī)按應(yīng)用的按應(yīng)用的電流種類(lèi)電流種類(lèi)按運(yùn)行速度分按運(yùn)行速度分類(lèi)類(lèi)變壓器變壓器直流電機(jī)直流電機(jī)異步電機(jī)異步電機(jī)同步電機(jī)同步電機(jī)按功率分類(lèi)按功率分類(lèi)大型電機(jī)大型電機(jī)中小型電機(jī)中小型

5、電機(jī)微型電機(jī)微型電機(jī)特種電機(jī)特種電機(jī)步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)無(wú)刷電機(jī)無(wú)刷電機(jī)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)超聲波電機(jī)超聲波電機(jī) ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY2、發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)將機(jī)械能將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娹D(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿臋C(jī)械能的機(jī)械 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu) 1 1 定子：用來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)和作為電機(jī)的機(jī)械支架，主要包括主定子：用來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)和作為電機(jī)的機(jī)械支架，主要包括主磁極、換向極、機(jī)座和電刷裝置。磁極、換向極、機(jī)座和電刷裝置。2 2 轉(zhuǎn)子：也稱(chēng)為電樞，用來(lái)產(chǎn)生感應(yīng)

6、電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)轉(zhuǎn)子：也稱(chēng)為電樞，用來(lái)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。主要包括電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、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(fēng)扇等。轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇等。 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY2、發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)將機(jī)械能將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娹D(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿臋C(jī)械能的機(jī)械 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY；2、發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)將機(jī)械能將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娹D(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿臋C(jī)械能的機(jī)械定子轉(zhuǎn)子 （a）轉(zhuǎn)子定子(b) ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHN

7、OLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY在大容量高轉(zhuǎn)速汽輪發(fā)電機(jī)中，轉(zhuǎn)子圓周在大容量高轉(zhuǎn)速汽輪發(fā)電機(jī)中，轉(zhuǎn)子圓周線速度極高線速度極高，最大可達(dá)最大可達(dá)170170米米/ /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(jī)都做成力，大型汽輪發(fā)電機(jī)都做成細(xì)長(zhǎng)細(xì)長(zhǎng)的隱極式的隱極式圓柱體圓柱體轉(zhuǎn)子?？紤]到轉(zhuǎn)子冷卻和強(qiáng)轉(zhuǎn)子?？紤]到轉(zhuǎn)子冷卻和強(qiáng)度方面的要求，隱極式轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和加工工藝較為復(fù)雜。度方面的要求，隱極式轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和加工工藝較為復(fù)雜。 轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度/ /直徑直徑=2.5=2.5 6.56.

8、5，且容量愈大比值愈大。，且容量愈大比值愈大。 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY水輪發(fā)電機(jī)的水輪發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)特點(diǎn)是：極數(shù)多，直徑大，是：極數(shù)多，直徑大，軸向長(zhǎng)度短軸向長(zhǎng)度短，整個(gè)轉(zhuǎn)子在外形上與汽，整個(gè)轉(zhuǎn)子在外形上與汽輪發(fā)電機(jī)大不相同。大多數(shù)水輪發(fā)電機(jī)為立式。輪發(fā)電機(jī)大不相同。大多數(shù)水輪發(fā)電機(jī)為立式。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子：水輪發(fā)電機(jī)由于水輪機(jī)的：水輪發(fā)電機(jī)由于水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速較低轉(zhuǎn)速較低，要發(fā)出工頻電能，發(fā)電機(jī)的，要發(fā)出工頻電能，發(fā)電機(jī)的極數(shù)就比較多，做成凸極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)工藝上較為簡(jiǎn)單。極數(shù)就比較多，做成凸極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)工藝上較為簡(jiǎn)單。凸極式轉(zhuǎn)子 ANHUI UNIVERSITY OF

9、TECHNOLOGY3、電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械變?yōu)闄C(jī)械能的機(jī)械能的機(jī)械轉(zhuǎn)子定子鐵心機(jī)座定子繞組 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY（1）電機(jī)的可逆）電機(jī)的可逆原理：直流電機(jī)可原理：直流電機(jī)可作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)也可作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。行。（2）換向器的作）換向器的作用是實(shí)現(xiàn)電樞線圈用是實(shí)現(xiàn)電樞線圈內(nèi)的交流電動(dòng)勢(shì)、內(nèi)的交流電動(dòng)勢(shì)、電流與電刷的直流電流與電刷的直流電壓、電流之間的電壓、電流之間的轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化。直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī) ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY直流電機(jī)的勵(lì)磁直流電機(jī)的勵(lì)磁 直流電機(jī)的勵(lì)磁方

10、式分為永磁體勵(lì)磁、電機(jī)本體勵(lì)磁直流電機(jī)的勵(lì)磁方式分為永磁體勵(lì)磁、電機(jī)本體勵(lì)磁（并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)）、其他電源勵(lì)磁三種。（并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)）、其他電源勵(lì)磁三種。 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 實(shí)現(xiàn)交流電能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換的裝置被稱(chēng)為實(shí)現(xiàn)交流電能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換的裝置被稱(chēng)為交流電動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)機(jī)。 交流電機(jī)有兩大類(lèi)：交流電機(jī)有兩大類(lèi)：異步電動(dòng)機(jī)異步電動(dòng)機(jī)和和同步電動(dòng)機(jī)同步電動(dòng)機(jī)。 同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速與交流電源頻率之間存在嚴(yán)格的對(duì)同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速與交流電源頻率之間存在嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，異步電機(jī)則不然。應(yīng)關(guān)系，異步電機(jī)則不然。 異步電動(dòng)機(jī)定子接上交流電源后，形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，異步電動(dòng)機(jī)定子接上

11、交流電源后，形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，依靠電磁感應(yīng)作用，使轉(zhuǎn)子繞組感生電流，產(chǎn)生電依靠電磁感應(yīng)作用，使轉(zhuǎn)子繞組感生電流，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。交流電動(dòng)機(jī)交流電動(dòng)機(jī) ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY三相異步電動(dòng)機(jī)的三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理工作原理 三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)三相異步電動(dòng)機(jī)圓柱形的轉(zhuǎn)子鐵心上，嵌有均勻分布的導(dǎo)條，導(dǎo)條三相異步電動(dòng)機(jī)圓柱形的轉(zhuǎn)子鐵心上，嵌有均勻分布的導(dǎo)條，導(dǎo)條兩端分別用銅環(huán)將它們連接成一個(gè)整體。兩端分別用銅環(huán)將它們連接成一個(gè)整體。 三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流的產(chǎn)生三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電

12、流的產(chǎn)生三相異步電動(dòng)機(jī)的定子鐵心上嵌有三相對(duì)稱(chēng)繞組，接通三相對(duì)稱(chēng)電三相異步電動(dòng)機(jī)的定子鐵心上嵌有三相對(duì)稱(chēng)繞組，接通三相對(duì)稱(chēng)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)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(chǎng)。磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子導(dǎo)條被這種旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割，在導(dǎo)條內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而形成感轉(zhuǎn)子導(dǎo)條被這種旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割，在導(dǎo)條內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而形成感應(yīng)電流。應(yīng)電流。 三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩并形成旋轉(zhuǎn)三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩并形成旋轉(zhuǎn)導(dǎo)條內(nèi)產(chǎn)生的感生電流，磁場(chǎng)又對(duì)導(dǎo)條產(chǎn)生電磁力。于是轉(zhuǎn)子就跟導(dǎo)條內(nèi)產(chǎn)生的感生電流，磁場(chǎng)又對(duì)導(dǎo)條產(chǎn)生電磁力。于是轉(zhuǎn)子就跟著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)。著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)。

13、ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速 1 1 交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展方向交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展方向（1 1）一般性能的節(jié)能調(diào)速）一般性能的節(jié)能調(diào)速（2 2）高性能交流調(diào)速系統(tǒng)）高性能交流調(diào)速系統(tǒng)（3 3）特大容量和極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速）特大容量和極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速 2 2 異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速（1 1）變極調(diào)速）變極調(diào)速（2 2）變頻調(diào)速）變頻調(diào)速（3 3）變轉(zhuǎn)差率調(diào)速）變轉(zhuǎn)差率調(diào)速 1 1）改變定子端電壓）改變定子端電壓 2 2）改變轉(zhuǎn)子電阻）改變轉(zhuǎn)子電阻 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY3電電動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī) ANH

14、UI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY永磁直線同步電機(jī)工作原理永磁直線同步電機(jī)工作原理旋轉(zhuǎn)電機(jī)展開(kāi)為直線電機(jī)示意圖旋轉(zhuǎn)電機(jī)展開(kāi)為直線電機(jī)示意圖 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY4、變壓器、變壓器將一種電將一種電壓的電能壓的電能變換為另變換為另一種電壓一種電壓的電能的的電能的裝置裝置 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY變壓器是通過(guò)電磁感應(yīng)原理，通過(guò)電磁耦合實(shí)變壓器是通過(guò)電磁感應(yīng)原理，通過(guò)電磁耦合實(shí)現(xiàn)電能傳遞的一種靜止電氣設(shè)備，主要由鐵芯及現(xiàn)電能傳遞的一種靜止電氣設(shè)備

15、，主要由鐵芯及繞在鐵芯上的兩個(gè)繞組組成。繞在鐵芯上的兩個(gè)繞組組成。變壓器原理圖變壓器原理圖 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY三相組式變壓器三相組式變壓器三相芯式變壓器三相芯式變壓器 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY5、特種電機(jī)、特種電機(jī)1）永磁無(wú)刷）永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī) ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 1934年，E.F.W. Alexanderson博士提出用開(kāi)關(guān)器件替代有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械電刷的構(gòu)想； 1955年，美國(guó)的D.Harrison首次申請(qǐng)了用晶體管換向線路代替有刷直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械換向器的專(zhuān)利； 1

16、978年，原聯(lián)邦德國(guó)MANNESMANN公司的Indramat分部在漢諾威貿(mào)易展覽會(huì)上正式推出其MAC永磁無(wú)刷直流電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，標(biāo)志著永磁無(wú)刷直流電機(jī)真正進(jìn)入實(shí)用階段。 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOL

17、OGY 使用位置傳感器及功率電子開(kāi)關(guān)代替?zhèn)魇褂梦恢脗鞲衅骷肮β孰娮娱_(kāi)關(guān)代替?zhèn)鹘y(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)中的電刷和換向器，是一統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)中的電刷和換向器，是一種集永磁電動(dòng)機(jī)、電力電子技術(shù)、微機(jī)種集永磁電動(dòng)機(jī)、電力電子技術(shù)、微機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)為一體的裝置。技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)為一體的裝置。 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 新型無(wú)位置傳感器檢測(cè)方法與控新型無(wú)位置傳感器檢測(cè)方法與控制制 全數(shù)字、高性能控制系統(tǒng)全數(shù)字、高性能控制系統(tǒng) 應(yīng)用研究應(yīng)用研究(電動(dòng)車(chē)、智能家電電動(dòng)車(chē)、智能家電) 位置傳感器是無(wú)刷電機(jī)的重要部件；位置傳感器是無(wú)刷電機(jī)的重要部件； 無(wú)刷直流電機(jī)可以通過(guò)改變電壓調(diào)速

18、；無(wú)刷直流電機(jī)可以通過(guò)改變電壓調(diào)速；通過(guò)改變相序轉(zhuǎn)向。通過(guò)改變相序轉(zhuǎn)向。 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY5、特種電機(jī)、特種電機(jī)2）直線電機(jī)）直線電機(jī) ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGYF定子定子NSIa2aI2aI電樞電樞FV直線直流電動(dòng)機(jī)工作原理直線直流電動(dòng)機(jī)工作原理電樞導(dǎo)體中的電流與主磁極磁場(chǎng)作用，產(chǎn)生電電樞導(dǎo)體中的電流與主磁極磁場(chǎng)作用，產(chǎn)生電磁力。動(dòng)

19、子在該電磁力作用下沿直線運(yùn)動(dòng)。磁力。動(dòng)子在該電磁力作用下沿直線運(yùn)動(dòng)?？傠姶帕Γ嚎傠姶帕Γ篎em=NBliaN：總匝數(shù)；：總匝數(shù)；B：氣隙磁密；：氣隙磁密；l:導(dǎo)體有效長(zhǎng)度；導(dǎo)體有效長(zhǎng)度；ia：導(dǎo)體電流：導(dǎo)體電流 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY直線直流電動(dòng)機(jī)工作原理直線直流電動(dòng)機(jī)工作原理 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 磁懸浮列車(chē)中直線電機(jī)的應(yīng)用磁懸浮列車(chē)中直線電機(jī)的應(yīng)用 高速切削與精密加工高速切削與精密加工 交通運(yùn)輸及傳輸機(jī)械交通運(yùn)輸及傳輸機(jī)械 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSI

20、TY OF TECHNOLOGY 與旋轉(zhuǎn)電機(jī)傳動(dòng)相比， 直線電機(jī)傳動(dòng)主要具有下列優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： (1) 直線電機(jī)由于不需要中間傳動(dòng)機(jī)械， 因而使整個(gè)機(jī)械得到簡(jiǎn)化， 提高了精度， 減少了振動(dòng)和噪音； (2) 快速響應(yīng)： 用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)， 由于不存在中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的慣量和阻力矩的影響， 因而加速和減速時(shí)間短， 可實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)和正反向運(yùn)行； (3) 儀表用的直線電機(jī)， 可以省去電刷和換向器等易損零件， 提高可靠性， 延長(zhǎng)使用壽命； ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY5、特種電機(jī)、特種電機(jī)3）步進(jìn)電動(dòng)）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)機(jī) ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY機(jī)理

21、機(jī)理：步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵原理，將脈沖信號(hào)步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵原理，將脈沖信號(hào) 轉(zhuǎn)換成線位移或角位移的電機(jī)。每來(lái)一個(gè)轉(zhuǎn)換成線位移或角位移的電機(jī)。每來(lái)一個(gè) 電脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，帶動(dòng)機(jī)械移電脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，帶動(dòng)機(jī)械移 動(dòng)一小段距離。動(dòng)一小段距離。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的機(jī)理 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 步進(jìn)電機(jī)主要由兩部分構(gòu)成：定子和轉(zhuǎn)子。它們均步進(jìn)電機(jī)主要由兩部分構(gòu)成：定子和轉(zhuǎn)子。它們均由磁性材料構(gòu)成，其上分別有六個(gè)、四個(gè)磁極由磁性材料構(gòu)成，其上分別有六個(gè)、四個(gè)磁極 。定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子定子繞組定子繞組 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLO

22、GY定子的六個(gè)磁極上有控制繞組，兩個(gè)相對(duì)的磁極組定子的六個(gè)磁極上有控制繞組，兩個(gè)相對(duì)的磁極組成一相。成一相。這里的相和三相交流電中的這里的相和三相交流電中的“相相”的概念不的概念不同。步進(jìn)電機(jī)通的是直流電脈沖，這主要是指線路同。步進(jìn)電機(jī)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。的聯(lián)接和組數(shù)的區(qū)別。ABC定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子IAIBIC ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY工作方式工作方式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(duì)齊停止轉(zhuǎn)動(dòng)。磁阻最小，使轉(zhuǎn)、定子的齒對(duì)齊停止轉(zhuǎn)動(dòng)。A 相通電，相通電，A

23、 方向的磁方向的磁通經(jīng)轉(zhuǎn)子形成閉合回路。通經(jīng)轉(zhuǎn)子形成閉合回路。若轉(zhuǎn)子和磁場(chǎng)軸線方向若轉(zhuǎn)子和磁場(chǎng)軸線方向原有一定角度，則在磁原有一定角度，則在磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子被磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子被磁化，化，A A 相通電使轉(zhuǎn)子相通電使轉(zhuǎn)子1 1、3 3齒和齒和 AA 對(duì)齊。對(duì)齊。CABBCA3412 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGYCABBCA3412B相通電，轉(zhuǎn)子相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒齒和和B相軸線對(duì)齊，相對(duì)相軸線對(duì)齊，相對(duì)A相通電位置轉(zhuǎn)相通電位置轉(zhuǎn)30 ；1C342CABBAC相通電再轉(zhuǎn)相通電再轉(zhuǎn)30 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY工作方式工作方式2

24、三相繞組的通電順序?yàn)椋喝嗬@組的通電順序?yàn)椋?AABBBCCCAA 共六拍。共六拍。工作過(guò)程：工作過(guò)程：A相通電，相通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子1 1、3 3齒和齒和A相對(duì)齊。相對(duì)齊。CABBCA3412 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁拉力平衡的位置上。相對(duì)所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁拉力平衡的位置上。相對(duì)AA 通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了15。（1）BB 磁場(chǎng)對(duì)磁場(chǎng)對(duì) 2、4 齒有磁拉力，該拉力使齒有磁拉力，該拉力使 轉(zhuǎn)子順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。A、B相同時(shí)通電相同時(shí)通電（2）AA 磁場(chǎng)繼續(xù)對(duì)磁場(chǎng)繼續(xù)對(duì)1、3齒有拉力。齒有拉力。CABBCA3412 ANHUI

25、 UNIVERSITY OF TECHNOLOGY總之，每個(gè)循環(huán)周期，有六種通電狀態(tài)，所以稱(chēng)總之，每個(gè)循環(huán)周期，有六種通電狀態(tài)，所以稱(chēng)為三相六拍，步距角為為三相六拍，步距角為15 。CABBCA3412B相通電，相通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子2、4齒和齒和B相對(duì)齊，又轉(zhuǎn)了相對(duì)齊，又轉(zhuǎn)了15 。 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 步進(jìn)電機(jī)必須加驅(qū)動(dòng)才可以運(yùn)轉(zhuǎn)， 驅(qū)動(dòng)型號(hào)必須為脈沖信號(hào)，沒(méi)有脈沖的時(shí)候，步進(jìn)電機(jī)靜止。轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和脈沖的頻率成正比。 步進(jìn)電機(jī)具有瞬間啟動(dòng)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(dòng)的方向。 因此，目前打印機(jī)，繪圖儀，機(jī)器人，等等設(shè)備都以步

26、進(jìn)電機(jī)為動(dòng)力核心。 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY5、特種電機(jī)、特種電機(jī)4）超導(dǎo)電機(jī)）超導(dǎo)電機(jī) ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY5、特種電機(jī)、特種電機(jī)5）超聲波壓）超聲波壓電電動(dòng)機(jī)電電動(dòng)機(jī) ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 超聲波電動(dòng)機(jī)(Ultrasonic Motor，簡(jiǎn)稱(chēng)為USM)，是利用壓電材料的為激勵(lì)，使定子彈性體在超聲頻段產(chǎn)生微觀機(jī)械振動(dòng)(振動(dòng)頻率在20kHz以上)，并通過(guò)定子和轉(zhuǎn)子(或動(dòng)子)之間的摩擦作用，將定子的微觀振動(dòng)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子(或動(dòng)子)的宏觀的單方向轉(zhuǎn)動(dòng)(或直線運(yùn)動(dòng))。它打破了傳統(tǒng)電機(jī)需由電

27、磁效應(yīng)獲得轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的概念。 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 1948年，年，Williams和和Brown申請(qǐng)了歷史上第一個(gè)申請(qǐng)了歷史上第一個(gè)“壓電壓電馬達(dá)馬達(dá)“的專(zhuān)利，其結(jié)構(gòu)如圖的專(zhuān)利，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。這一發(fā)明點(diǎn)燃了研究超所示。這一發(fā)明點(diǎn)燃了研究超聲聲電機(jī)的火花。電機(jī)的火花。超聲電機(jī)技術(shù)及其起源超聲電機(jī)技術(shù)及其起源 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 1961年，日本年，日本Bulova公司利用音叉的往復(fù)位移驅(qū)動(dòng)如公司利用音叉的往復(fù)位移驅(qū)動(dòng)如圖圖2所示的鐘表齒輪，這種鐘表的工作頻率為所示的鐘表齒輪，這種鐘表的工作頻率為360Hz，其

28、月，其月誤差只有一分鐘，打破了那個(gè)時(shí)代的紀(jì)錄，也是人類(lèi)嘗試誤差只有一分鐘，打破了那個(gè)時(shí)代的紀(jì)錄，也是人類(lèi)嘗試?yán)脧椥哉駝?dòng)獲得動(dòng)力的開(kāi)始。利用彈性振動(dòng)獲得動(dòng)力的開(kāi)始。超聲電機(jī)技術(shù)及其起源超聲電機(jī)技術(shù)及其起源 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 1965年，前蘇聯(lián)年，前蘇聯(lián)Lavrinenco提出了如圖提出了如圖3所示的超聲電所示的超聲電機(jī)，該電機(jī)利用壓電板的振動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子。機(jī)，該電機(jī)利用壓電板的振動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子。LavrinencoLavrinenco申申請(qǐng)了國(guó)家專(zhuān)利，并歸納出了超聲電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本請(qǐng)了國(guó)家專(zhuān)利，并歸納出了超聲電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、低速大扭矩、單

29、位體積能量密度大、運(yùn)動(dòng)精確、能量低、低速大扭矩、單位體積能量密度大、運(yùn)動(dòng)精確、能量轉(zhuǎn)換效率高等特性。轉(zhuǎn)換效率高等特性。超聲電機(jī)技術(shù)及其起源超聲電機(jī)技術(shù)及其起源 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 1973年年, , IBM公司的公司的Barth提出了如圖提出了如圖4所示的具有現(xiàn)代所示的具有現(xiàn)代超聲電機(jī)原理的結(jié)構(gòu)方案。他利用壓電元件使一種具有牛角超聲電機(jī)原理的結(jié)構(gòu)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(dòng)，通過(guò)壓電振子的牛角尖端與轉(zhuǎn)子尖形的壓電振子產(chǎn)生振動(dòng)，通過(guò)壓電振子的牛角尖端與轉(zhuǎn)子表面接觸、摩擦來(lái)驅(qū)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。表面接觸、摩擦來(lái)驅(qū)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。超聲電機(jī)技術(shù)

30、及其起源超聲電機(jī)技術(shù)及其起源 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 日本日本Sashida于于1982年提出并制造了如圖年提出并制造了如圖7所示的駐波型所示的駐波型壓電超聲電機(jī)，該電機(jī)使用壓電超聲電機(jī)，該電機(jī)使用Langevin振子，驅(qū)動(dòng)頻率為振子，驅(qū)動(dòng)頻率為27. 8 kHz，電輸入功率為，電輸入功率為90W，機(jī)械輸出功率為，機(jī)械輸出功率為50W，輸出扭矩為輸出扭矩為0. 25 Nm，輸出轉(zhuǎn)速為，輸出轉(zhuǎn)速為2000 r/min，效率，效率55%?？梢哉f(shuō)，可以說(shuō)，Sashida研制的這個(gè)壓電超聲電機(jī)，在性能上研制的這個(gè)壓電超聲電機(jī)，在性能上是第一次能夠滿足實(shí)際使用的要求

31、。由于該電機(jī)的振動(dòng)是第一次能夠滿足實(shí)際使用的要求。由于該電機(jī)的振動(dòng)片與轉(zhuǎn)子的接觸是固定在一個(gè)位置上，接觸表面上存在片與轉(zhuǎn)子的接觸是固定在一個(gè)位置上，接觸表面上存在著嚴(yán)重的磨損問(wèn)題。著嚴(yán)重的磨損問(wèn)題。超聲電機(jī)技術(shù)及其起源超聲電機(jī)技術(shù)及其起源 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 為了解決接觸表面上存在著嚴(yán)重的磨損問(wèn)題，為了解決接觸表面上存在著嚴(yán)重的磨損問(wèn)題，Sashida又于又于1983年提出并制造了另一臺(tái)超聲電機(jī)年提出并制造了另一臺(tái)超聲電機(jī)行波型超聲電行波型超聲電機(jī)，并于機(jī)，并于1985年在美國(guó)申請(qǐng)了行波型超聲電機(jī)的專(zhuān)利，其原年在美國(guó)申請(qǐng)了行波型超聲電機(jī)的專(zhuān)利，其原理如

32、圖理如圖8所示。該電機(jī)實(shí)現(xiàn)了由駐波定點(diǎn)、定期推動(dòng)轉(zhuǎn)子變所示。該電機(jī)實(shí)現(xiàn)了由駐波定點(diǎn)、定期推動(dòng)轉(zhuǎn)子變換成由行波連續(xù)不斷地推動(dòng)轉(zhuǎn)子，大大地降低了定子與轉(zhuǎn)子換成由行波連續(xù)不斷地推動(dòng)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(jī)的研究成功，為壓電超聲電接觸面上的摩擦磨損。這種電機(jī)的研究成功，為壓電超聲電機(jī)走向?qū)嵱秒A段開(kāi)辟了道路。機(jī)走向?qū)嵱秒A段開(kāi)辟了道路。超聲電機(jī)技術(shù)及其起源超聲電機(jī)技術(shù)及其起源 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY逆壓電效應(yīng)簡(jiǎn)介逆

33、壓電效應(yīng)簡(jiǎn)介 壓電效應(yīng)是在壓電效應(yīng)是在1880年由法國(guó)的居里兄弟首先發(fā)現(xiàn)的。一年由法國(guó)的居里兄弟首先發(fā)現(xiàn)的。一般在電場(chǎng)作用下，可以引起電介質(zhì)中帶電粒子的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而般在電場(chǎng)作用下，可以引起電介質(zhì)中帶電粒子的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而發(fā)生極化，但是某些電介質(zhì)晶體也可以在純機(jī)械應(yīng)力作用下發(fā)生極化，但是某些電介質(zhì)晶體也可以在純機(jī)械應(yīng)力作用下發(fā)生極化，并導(dǎo)致介質(zhì)兩端表面內(nèi)出現(xiàn)極性相反的束縛電發(fā)生極化，并導(dǎo)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。這種荷，其電荷密度與外力成正比。這種由于機(jī)械應(yīng)力的作用而由于機(jī)械應(yīng)力的作用而使晶體發(fā)生極化的現(xiàn)象，稱(chēng)為正壓電效應(yīng)使晶體發(fā)生極化的現(xiàn)象，稱(chēng)為正壓電效應(yīng)；反之

34、，將一塊晶；反之，將一塊晶體置于外電場(chǎng)中，在電場(chǎng)的作用下，晶體內(nèi)部正負(fù)電荷的重體置于外電場(chǎng)中，在電場(chǎng)的作用下，晶體內(nèi)部正負(fù)電荷的重心會(huì)發(fā)生位移。這一極化位移又會(huì)導(dǎo)致晶體發(fā)生形變。這種心會(huì)發(fā)生位移。這一極化位移又會(huì)導(dǎo)致晶體發(fā)生形變。這種由于外電場(chǎng)的作用而使晶體發(fā)生形變的現(xiàn)象，稱(chēng)為逆壓電效由于外電場(chǎng)的作用而使晶體發(fā)生形變的現(xiàn)象，稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)，也稱(chēng)為電致伸縮效應(yīng)應(yīng)，也稱(chēng)為電致伸縮效應(yīng)。 超聲電機(jī)工作原理超聲電機(jī)工作原理 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 超聲波電機(jī)利用壓電材料的超聲波電機(jī)利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲波振動(dòng)產(chǎn)生超聲波振動(dòng), ,把電能轉(zhuǎn)換為彈性

35、體的超聲波振動(dòng)，并把這種振動(dòng)通過(guò)摩擦把電能轉(zhuǎn)換為彈性體的超聲波振動(dòng)，并把這種振動(dòng)通過(guò)摩擦傳動(dòng)的方式驅(qū)使運(yùn)動(dòng)體回轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)。超聲波電機(jī)沒(méi)有磁傳動(dòng)的方式驅(qū)使運(yùn)動(dòng)體回轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)。超聲波電機(jī)沒(méi)有磁極和繞組，它一般由振動(dòng)體和移動(dòng)體組成，為了減少振動(dòng)體極和繞組，它一般由振動(dòng)體和移動(dòng)體組成，為了減少振動(dòng)體和移動(dòng)體之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磨損，通常在二者間加一層摩和移動(dòng)體之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磨損，通常在二者間加一層摩擦材料。當(dāng)在振動(dòng)體的壓電陶瓷擦材料。當(dāng)在振動(dòng)體的壓電陶瓷(PZT)上施加上施加20KHz以上超以上超聲波頻率的交流電壓時(shí)，逆壓電效應(yīng)能夠在振動(dòng)體內(nèi)激發(fā)出聲波頻率的交流電壓時(shí)，逆壓電效應(yīng)能夠在振動(dòng)體內(nèi)激

36、發(fā)出幾十千赫的超聲波振動(dòng)，幾十千赫的超聲波振動(dòng)，因此，超聲波電機(jī)是將彈性材料的微觀形變通過(guò)共振放大和因此，超聲波電機(jī)是將彈性材料的微觀形變通過(guò)共振放大和摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子或滑塊的宏觀運(yùn)動(dòng)。摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子或滑塊的宏觀運(yùn)動(dòng)。超聲電機(jī)工作原理超聲電機(jī)工作原理 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 橢圓運(yùn)動(dòng)及其作用橢圓運(yùn)動(dòng)及其作用 超聲振動(dòng)是超聲波電動(dòng)機(jī)工作的最基本條件，起驅(qū)動(dòng)源超聲振動(dòng)是超聲波電動(dòng)機(jī)工作的最基本條件，起驅(qū)動(dòng)源的作用。當(dāng)振動(dòng)位移的軌跡是一橢圓時(shí)，才具有連續(xù)的定向的作用。當(dāng)振動(dòng)位移的軌跡是一橢圓時(shí)，才具有連續(xù)的定向驅(qū)動(dòng)作用。驅(qū)動(dòng)作用。 右圖所示當(dāng)右圖所示當(dāng)定子產(chǎn)生超聲振定子產(chǎn)生超聲振動(dòng)時(shí)，其上的接動(dòng)時(shí)，其上的接觸摩擦點(diǎn)（質(zhì)點(diǎn)）觸摩擦點(diǎn)（質(zhì)點(diǎn)）A做周期運(yùn)動(dòng)，做周期運(yùn)動(dòng)，軌跡為一橢圓。軌跡為一橢圓。當(dāng)當(dāng)A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到橢圓點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到橢圓的上半圓時(shí)，將與轉(zhuǎn)子表面接觸，并通過(guò)摩擦作用撥動(dòng)轉(zhuǎn)子的上半圓時(shí)，將與轉(zhuǎn)子表面接觸，并通過(guò)摩擦作用撥動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；當(dāng)旋轉(zhuǎn)；當(dāng)A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到橢圓的下半圓時(shí)，將與轉(zhuǎn)子表面脫離，點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到橢圓的下半圓時(shí)，將與轉(zhuǎn)子表面脫離，并反向回程。如果這種橢圓運(yùn)動(dòng)連續(xù)不斷地進(jìn)行下去，則對(duì)并反向回程。如果這種橢圓運(yùn)動(dòng)連續(xù)不斷地進(jìn)行下去，則對(duì)轉(zhuǎn)子