電機(jī)發(fā)展與前沿創(chuàng)新

電機(jī)的發(fā)展與前沿創(chuàng)新顧國(guó)彪中國(guó)科學(xué)院電工研究所中科院大學(xué)15—3—6電氣工程沿革電氣工程學(xué)科沿革先導(dǎo)學(xué)科—電機(jī)與電氣電氣學(xué)科的沿革1.電力系統(tǒng);2.電機(jī)與電器;3.高電壓及絕緣;4.電力傳動(dòng);(后易名為電力電子與電力傳動(dòng),又稱(chēng)電力傳動(dòng)及自動(dòng)化)5.磁流體發(fā)電及超導(dǎo)(后改為電工理論及新技術(shù){包括電工新材料});6.交義學(xué)科(即電氣學(xué)科與其他學(xué)科的交義).總共5十1個(gè)二級(jí)學(xué)科.工業(yè)化---現(xiàn)代化發(fā)展規(guī)律宇航高速超微—空間能量物質(zhì)---(e=m{c}2)智能化—數(shù)字技術(shù)微加工生物技術(shù)海洋開(kāi)發(fā)自動(dòng)化—計(jì)算機(jī)技術(shù)-----------------(0,1二進(jìn)位)電氣化—發(fā)電輸配電驅(qū)動(dòng)(美國(guó)工程院組織評(píng)估為:20世紀(jì)最偉大工程技術(shù))機(jī)械化—能源動(dòng)力設(shè)備制造技術(shù)----(微積分)手工業(yè)——般工具-------------------(算術(shù)1+2=3)*先進(jìn)制造業(yè)(包括材料)是基礎(chǔ)工業(yè)2023/1/1需

求

推

動(dòng)

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工

發(fā)

展電氣工程電力能源交通電工特種電工生活（電氣化）工農(nóng)業(yè)電氣新能源電工發(fā)輸配儲(chǔ)陸路航海航空航天照明家電醫(yī)診治療電氣工程學(xué)科復(fù)蓋面寬2023/1/1

電氣學(xué)科歸類(lèi):(一)能源電氣(發(fā)電,輸配電及控制,新能源及新電氣)(二)電氣驅(qū)動(dòng)(電動(dòng)及控制)(三)交通電氣(陸?？仗?(四)醫(yī)診療電氣(五)微機(jī)械電氣(六)能源經(jīng)濟(jì)與能源環(huán)境(一)先導(dǎo)學(xué)科

---電機(jī)電機(jī)電氣化自動(dòng)化智能化異步電機(jī)鼠籠轉(zhuǎn)子(squirrelcage)異步電動(dòng)機(jī)繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子(woundrotor)異步電動(dòng)機(jī)A-B+A+C+C-B-定子鐵芯定子繞組鼠籠轉(zhuǎn)子氣隙轉(zhuǎn)子導(dǎo)條短路環(huán)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條A-B+A+C+C-B-轉(zhuǎn)子繞組滑環(huán)定子鐵芯轉(zhuǎn)子繞組定子繞組繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子氣隙通常的異步電動(dòng)機(jī)有兩類(lèi)：1、繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子(woundrotor)異步電動(dòng)機(jī)2、鼠籠轉(zhuǎn)子(squirrelcage)異步電動(dòng)機(jī)Statorofalargeinductionmotor.(Siemens).Rotorofalargeinductionmotor.(Siemens).鼠籠轉(zhuǎn)子(squirrelcage)繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子(woundrotor)同步電機(jī)NSA-B+A+C+C-B-NSA+B+C+B-A-C-凸極轉(zhuǎn)子(SalientRotor)同步電機(jī)隱極轉(zhuǎn)子(RoundRotor)同步電機(jī)通常的同步電動(dòng)機(jī)有兩類(lèi)：1、凸極轉(zhuǎn)子(SalientRotor)同步電機(jī)（Ld≠Lq）2、隱極轉(zhuǎn)子(RoundRotor)同步電機(jī)（Ld=Lq）大型凸極水輪發(fā)電機(jī)的定子大型凸極水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子隱極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的Ld和Lq的差異，永磁同步電機(jī)分為SPMSM（Ld≈Lq）和IPMSM（Ld<Lq）兩種。面貼式（SurfacemountedMagnet）內(nèi)嵌式（InsetMagnet）內(nèi)埋式（InteriorMagnet）

磁場(chǎng)集中式（FluxConcentration）面貼帶極靴式內(nèi)埋式SPMSMIPMSMIPMSMIPMSMIPMSM(二).電機(jī)與材料、器件的發(fā)展絕緣材料：高絕緣性，長(zhǎng)壽命；（耐高溫，耐潮濕，高導(dǎo)熱，高電壓）導(dǎo)磁材料：高導(dǎo)磁性，低損耗；（熱軋，冷軋，非晶態(tài)）結(jié)構(gòu)材料：高強(qiáng)度，特殊性能；（轉(zhuǎn)子用鋼，功能材料）永磁材料：高磁能積，高剩磁,矯頑力大；（鐵氧體，鋁鎳鈷，鋅鈷銅，釹鐵硼）電力電子器件：高功率，小損耗；（整流器，可控硅，GTO，IGBT，GTR，MOSFET等全控型器件，與計(jì)算技術(shù)結(jié)合）壓電材料：超聲波電機(jī)，超導(dǎo)材料：高電密，無(wú)損耗；（低溫超導(dǎo)體，高溫超導(dǎo)體）。(三).電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域及拓展能源：水電、火電、核電等用的發(fā)電機(jī)；日用家電：發(fā)電機(jī)，電氣傳動(dòng)；交通：汽車(chē)、高速輪軌火車(chē)、直線(xiàn)磁浮、航空、航海、航天；新能源：風(fēng)、潮汐、波浪；軍事工程：雷達(dá)、電磁炮,彈射飛機(jī);自動(dòng)化：控制環(huán)節(jié)、機(jī)器人；儲(chǔ)能：蓄水及飛輪儲(chǔ)能；醫(yī)診療：核磁、人工心臟、血管電機(jī)；……(四).研究方法與相關(guān)技術(shù)電場(chǎng)、磁場(chǎng)、流體場(chǎng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)：方法：

解析法、數(shù)值計(jì)算、模擬、相似理論測(cè)控：監(jiān)控、故障預(yù)測(cè)、傳感技術(shù)、測(cè)試技術(shù)冷卻技術(shù)：電、熱、磁、流體場(chǎng)的耦合問(wèn)題。(五).前沿技術(shù)低速；高速；高壓；高功率；?。ㄎⅲ┬突?；無(wú)刷化；無(wú)槽；超導(dǎo)。

(六).大型化(或高功率化)與冷卻技術(shù)目標(biāo)：良好的散熱方法，增加電機(jī)的可靠性及壽命，并使之大容量化或高功率化。應(yīng)用：大型水輪發(fā)電機(jī)；大型低水頭的燈泡型貫流式水輪發(fā)電機(jī)；抽水蓄能電動(dòng)-發(fā)電機(jī)；汽輪發(fā)電機(jī)；特殊應(yīng)用電機(jī)。冷卻技術(shù)發(fā)展：空氣---氫氣---水、油---蒸發(fā)冷卻（冷卻方式變化）外冷---內(nèi)冷（冷卻結(jié)構(gòu)變化）(七).蒸發(fā)冷卻的基礎(chǔ)研究問(wèn)題熱動(dòng)力問(wèn)題：兩相流的流阻計(jì)算兩相流的混合密度測(cè)量與計(jì)算兩相系統(tǒng)的循環(huán)計(jì)算兩相流在管內(nèi)及大容器內(nèi)的傳熱冷凝問(wèn)題兩相系統(tǒng)的熱暫態(tài)分析熱力控制問(wèn)題：自循環(huán)系統(tǒng)的熱力控制強(qiáng)迫循環(huán)系統(tǒng)的熱力控制電機(jī)內(nèi)部?jī)上嘞到y(tǒng)與空冷（或水冷）的熱流控制電機(jī)絕緣：冷卻介質(zhì)(液相、汽相、兩相)與電機(jī)絕緣配合的特性電機(jī)溫度場(chǎng)：電磁損耗的分布研究電機(jī)各部位的散熱系數(shù)電機(jī)的溫度分布電機(jī)應(yīng)力場(chǎng)：定子鐵心的溫度分布對(duì)熱應(yīng)力熱變形的影響電機(jī)熱應(yīng)力與電磁力的綜合作用電機(jī)的優(yōu)化：

蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)與空冷或水冷系統(tǒng)的最佳配合電機(jī)熱力控制的測(cè)控技術(shù)：

現(xiàn)有溫度測(cè)試技術(shù)的完善激光測(cè)試及顯示技術(shù)的應(yīng)用射線(xiàn)測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)控冷卻介質(zhì)的更新選擇：

重復(fù)熱動(dòng)力、熱控制及絕緣特性研究重新進(jìn)行電化學(xué)及腐蝕（材料相容性）試驗(yàn)(八).我國(guó)的電機(jī)創(chuàng)新技術(shù)蒸發(fā)冷卻大型水輪發(fā)電機(jī)全空冷大型水輪發(fā)電機(jī)無(wú)刷雙饋電機(jī)盤(pán)式電機(jī)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)交流電機(jī)多回路分析技術(shù)高效電機(jī)智能化設(shè)計(jì)技術(shù)復(fù)習(xí):掌握基礎(chǔ)拓展思路1.數(shù)學(xué),物理,化學(xué),2.電路(場(chǎng)),磁路(場(chǎng)),熱路(場(chǎng)):電壓.電流.電密.電阻.電導(dǎo)磁勢(shì).磁通.磁密.磁阻.磁導(dǎo)熱源.熱流.熱流密度.熱阻.熱導(dǎo)第一,第二定律電磁感應(yīng)(切割磁力線(xiàn))e=BLv電磁力f=BLi一.電機(jī)的基本概念1.

磁勢(shì)一相繞組的元件位置q=2,2p=2,m=3,y=5/6二個(gè)相距一極距的元件磁勢(shì)a–

迭加前；b–

迭加后定子轉(zhuǎn)子元件磁勢(shì)中的基波與諧波基波與三次諧波磁勢(shì)2.

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)A相磁勢(shì)fA=F1sinwt*cosaB相磁勢(shì)fB=F1sin(wt-2π/3)*cos(a-2π/3)C相磁勢(shì)fC=F1sin(wt-4π/3)*cos(a-4π/3)三相合成：f1=(3/2)F1sin(wt-a)脈振磁場(chǎng)分解為兩個(gè)相反旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)三相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的形成磁勢(shì)同步發(fā)電機(jī)的向量圖3.

功角特性（發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)）同步電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)時(shí)四種狀態(tài)下的向量圖abcd同步電機(jī)的功角特性二.電機(jī)的基本形式1.

同步電機(jī)：發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)電樞反應(yīng)，ψ=0UN與E0(或R’與FB)之間的夾角，區(qū)分發(fā)電機(jī)或電動(dòng)機(jī)，勵(lì)磁磁場(chǎng)向量領(lǐng)先于定子電壓所對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)向量，就是發(fā)電機(jī)，否則就是電動(dòng)機(jī)。電樞反應(yīng)，ψ=+900（電感性負(fù)載）電樞反應(yīng)，ψ=-900（電容性負(fù)載）

2.異步電機(jī).定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與短路線(xiàn)圈相對(duì)運(yùn)行，感應(yīng)電勢(shì)E，產(chǎn)生電流i，產(chǎn)生磁通，相互產(chǎn)生力矩，而轉(zhuǎn)動(dòng)。鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組制動(dòng)運(yùn)行電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)s->∞n->-∞s=1n=0s=0n=n1

s->-∞n->∞異步機(jī)三種運(yùn)行情況

a-電動(dòng)機(jī)，b-發(fā)電機(jī)，c-制動(dòng)運(yùn)行abc直流電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上分為定子和轉(zhuǎn)子兩個(gè)部分。定子：勵(lì)磁繞組和磁極或永磁勵(lì)磁磁極；轉(zhuǎn)子：又稱(chēng)電樞，裝有電樞繞組，還有換向器，電刷等。定子轉(zhuǎn)子直流電機(jī)NSUfdIfdUaiaFfdFa電刷電刷電樞勵(lì)磁電壓電樞電壓勵(lì)磁磁極勵(lì)磁磁極異步電機(jī)鼠籠轉(zhuǎn)子(squirrelcage)異步電動(dòng)機(jī)繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子(woundrotor)異步電動(dòng)機(jī)A-B+A+C+C-B-定子鐵芯定子繞組鼠籠轉(zhuǎn)子氣隙轉(zhuǎn)子導(dǎo)條短路環(huán)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條A-B+A+C+C-B-轉(zhuǎn)子繞組滑環(huán)定子鐵芯轉(zhuǎn)子繞組定子繞組繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子氣隙通常的異步電動(dòng)機(jī)有兩類(lèi)：1、繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子(woundrotor)異步電動(dòng)機(jī)2、鼠籠轉(zhuǎn)子(squirrelcage)異步電動(dòng)機(jī)Statorofalargeinductionmotor.(Siemens).Rotorofalargeinductionmotor.(Siemens).鼠籠轉(zhuǎn)子(squirrelcage)繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子(woundrotor)同步電機(jī)NSA-B+A+C+C-B-NSA+B+C+B-A-C-凸極轉(zhuǎn)子(SalientRotor)同步電機(jī)隱極轉(zhuǎn)子(RoundRotor)同步電機(jī)通常的同步電動(dòng)機(jī)有兩類(lèi)：1、凸極轉(zhuǎn)子(SalientRotor)同步電機(jī)（Ld≠Lq）2、隱極轉(zhuǎn)子(RoundRotor)同步電機(jī)（Ld=Lq）大型凸極水輪發(fā)電機(jī)的定子大型凸極水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子隱極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的Ld和Lq的差異，永磁同步電機(jī)分為SPMSM（Ld≈Lq）和IPMSM（Ld<Lq）兩種。面貼式（SurfacemountedMagnet）內(nèi)嵌式（InsetMagnet）內(nèi)埋式（InteriorMagnet）

磁場(chǎng)集中式（FluxConcentration）面貼帶極靴式內(nèi)埋式SPMSMIPMSMIPMSMIPMSMIPMSM徑向磁通永磁同步電機(jī)其主磁通沿徑向穿過(guò)氣隙軸向氣隙永磁同步電機(jī)其主磁通沿軸向穿過(guò)氣隙（上圖中有兩個(gè)氣隙）同步磁阻電機(jī)（SynRM）的結(jié)構(gòu)凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)多層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)(TLA)多層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)(ALA)AnalyticalFiniteElementDirectInductance3.91mH4.14HQuadratureInductance0.44H0.46HLd/LqRatio8.99.0開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)是一種雙凸極的磁阻電機(jī)，也可以視為一種大步距的步進(jìn)電機(jī)；其結(jié)構(gòu)有6/4、8/6、10/8和12/10極等，左圖為8/6極結(jié)構(gòu)，即定子有8個(gè)極，轉(zhuǎn)子有6個(gè)極，定子安裝有八套集中繞組，相對(duì)應(yīng)極的繞組的首尾相連都成一相，故8/6極電機(jī)定子共有四相繞組；優(yōu)點(diǎn)：

(1)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可獲得較低的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

(2)定子繞組為集中式繞組，簡(jiǎn)單可靠;(3)主要損耗由定子繞組產(chǎn)生，易散熱;(4)由于轉(zhuǎn)子無(wú)永磁磁體，可允許較高的運(yùn)行溫度;(5)簡(jiǎn)單的單極性驅(qū)動(dòng)，無(wú)直通問(wèn)題;(6)在沒(méi)有浪涌電流的情況下可獲得較高的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩;(7)可運(yùn)行在極高的速度;(8)轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速特性易于調(diào)整以滿(mǎn)足不同場(chǎng)合的需要。缺點(diǎn):