2024年度-《電機與拖動》教案第24課項目八其他特種

《電機與拖動》教案第24課項目八其他特種1目錄課程介紹與背景其他特種電機概述永磁同步電動機（PMSM）開關(guān)磁阻電動機（SRM）無刷直流電動機（BLDC）直線電動機與超聲波電動機總結(jié)與回顧201課程介紹與背景Chapter3電機與拖動是電氣工程及其自動化專業(yè)的一門重要課程，主要研究電機的工作原理、特性、控制方法以及拖動系統(tǒng)的設(shè)計和分析。課程內(nèi)容包括電機的基本理論、直流電機、交流電機、控制電機以及拖動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ)、電力拖動自動控制系統(tǒng)等。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握電機和拖動系統(tǒng)的基本理論和設(shè)計方法，為后續(xù)的專業(yè)課程和工程實踐打下基礎(chǔ)。電機與拖動課程概述4

本節(jié)課項目八內(nèi)容項目八的主題是“其他特種電機”，主要介紹一些非常規(guī)的、特殊用途的電機，如超聲波電機、振動電機、直線電機等。內(nèi)容包括這些特種電機的工作原理、結(jié)構(gòu)特點、控制方法以及應(yīng)用領(lǐng)域等。通過本項目的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以了解特種電機的相關(guān)知識，拓寬視野，為未來的學(xué)習(xí)和工作提供更多選擇。501掌握特種電機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)特點。020304了解特種電機的控制方法和應(yīng)用領(lǐng)域。能夠分析和設(shè)計簡單的特種電機拖動系統(tǒng)。培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和實踐能力，鼓勵學(xué)生探索新領(lǐng)域、新技術(shù)。學(xué)習(xí)目標和要求602其他特種電機概述Chapter7特種電機是指具有特殊結(jié)構(gòu)、特殊工作原理和特殊應(yīng)用領(lǐng)域的電機，不同于常規(guī)電機。定義根據(jù)功能和應(yīng)用領(lǐng)域，特種電機可分為控制電機、功率電機、信號電機等。分類特種電機定義及分類8通過改變電機的輸入信號（如電壓、電流、頻率等）來控制電機的輸出特性，如伺服電機、步進電機等。控制電機主要用于驅(qū)動負載，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，如直流電機、交流電機等。功率電機將非電量（如位移、壓力、溫度等）轉(zhuǎn)換為電量（如電壓、電流等），用于測量和控制系統(tǒng)，如旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器等。信號電機各類特種電機工作原理9工業(yè)自動化在自動化生產(chǎn)線中，特種電機被廣泛應(yīng)用于機器人、數(shù)控機床、自動化倉儲等設(shè)備中，實現(xiàn)精確定位、高速運動和復(fù)雜動作。在航空航天領(lǐng)域，特種電機需要滿足高溫、低溫、真空等極端環(huán)境下的工作要求，如航空發(fā)動機中的啟動電機、舵機等。隨著新能源汽車的快速發(fā)展，特種電機在電動汽車、混合動力汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，如驅(qū)動電機、發(fā)電機等。在醫(yī)療器械中，特種電機被用于實現(xiàn)精確控制和高可靠性要求，如手術(shù)機器人、醫(yī)療影像設(shè)備等。除了上述領(lǐng)域外，特種電機還被應(yīng)用于軍事裝備、智能家居、環(huán)保設(shè)備等領(lǐng)域。航空航天醫(yī)療器械其他領(lǐng)域新能源汽車特種電機應(yīng)用領(lǐng)域1003永磁同步電動機（PMSM）Chapter11采用疊片結(jié)構(gòu)以減小渦流損耗，定子槽內(nèi)嵌放三相繞組。定子轉(zhuǎn)子位置傳感器由永磁體、導(dǎo)磁軛和轉(zhuǎn)軸組成，永磁體通常采用高性能稀土永磁材料制成。用于檢測轉(zhuǎn)子位置和速度，通常采用光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器。030201永磁同步電動機基本結(jié)構(gòu)120102工作原理基于電磁感應(yīng)原理，通過定子三相繞組中通入三相對稱電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，與永磁體產(chǎn)生的磁場相互作用實現(xiàn)電動機的旋轉(zhuǎn)運動。高效率由于永磁體產(chǎn)生的磁場不需要勵磁電流，因此PMSM具有高效率的特點。高功率密度PMSM具有較高的功率密度，適用于要求體積小、重量輕的應(yīng)用場合。寬調(diào)速范圍PMSM具有較寬的調(diào)速范圍，能夠滿足不同負載和速度的要求。高可靠性由于永磁體不會退磁，因此PMSM具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。030405工作原理及性能特點13通過控制定子電流的幅值和相位，實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)矩和速度的控制。矢量控制通過直接控制電動機的轉(zhuǎn)矩和磁鏈，實現(xiàn)快速響應(yīng)和高精度控制。直接轉(zhuǎn)矩控制控制策略及應(yīng)用實例14智能控制：采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等智能算法，提高PMSM的控制性能?？刂撇呗约皯?yīng)用實例1503航空航天領(lǐng)域PMSM在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，如飛機起落架收放系統(tǒng)、導(dǎo)彈舵機驅(qū)動等。01電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)PMSM作為電動汽車的驅(qū)動電機，具有高效率、高功率密度和寬調(diào)速范圍等特點，能夠滿足電動汽車對驅(qū)動系統(tǒng)的要求。02工業(yè)機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動PMSM作為工業(yè)機器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動電機，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高速度的位置和姿態(tài)控制。控制策略及應(yīng)用實例1604開關(guān)磁阻電動機（SRM）Chapter17采用凸極結(jié)構(gòu)，即定子鐵芯由多個沖片疊壓而成，每個沖片上有均勻分布的齒槽。定子也為凸極結(jié)構(gòu)，通常由導(dǎo)磁性能良好的硅鋼片疊壓而成，轉(zhuǎn)子上沒有繞組、滑環(huán)和電刷等結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子定子與轉(zhuǎn)子之間的間隙，對電動機的性能有很大影響。氣隙開關(guān)磁阻電動機基本結(jié)構(gòu)18工作原理：基于“磁阻最小原理”，即磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合。當定子某相繞組通電時，所產(chǎn)生的磁場將迫使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到最小磁阻位置。性能特點結(jié)構(gòu)簡單、堅固，適用于高速、高溫等惡劣環(huán)境。轉(zhuǎn)子上沒有繞組，因此沒有銅耗和鐵耗，效率高。調(diào)速范圍寬，控制靈活，易于實現(xiàn)四象限運行。起動轉(zhuǎn)矩大，低速性能好，適用于重載起動和頻繁起動的場合。工作原理及性能特點19角度位置控制（APC）通過改變開通角和關(guān)斷角來控制電流波形，從而改變輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。電流斬波控制（CCC）在電流達到設(shè)定值時關(guān)斷開關(guān)管，使電流下降；當電流下降到一定值時再重新開通開關(guān)管，如此反復(fù)進行?？刂撇呗约皯?yīng)用實例20電壓PWM控制：通過改變PWM波的占空比來改變加在電動機兩端的平均電壓，從而改變輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速?？刂撇呗约皯?yīng)用實例21工業(yè)自動化設(shè)備如數(shù)控機床、工業(yè)機器人等需要高精度、快速響應(yīng)的驅(qū)動系統(tǒng)。電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)利用SRM的高效率、寬調(diào)速范圍和四象限運行能力，實現(xiàn)電動汽車的高效、平穩(wěn)驅(qū)動。航空航天領(lǐng)域SRM的高可靠性、高溫適應(yīng)性和寬調(diào)速范圍使其成為航空航天領(lǐng)域的理想選擇?？刂撇呗约皯?yīng)用實例2205無刷直流電動機（BLDC）Chapter23定子采用多相繞組，通常為三相，繞組在空間上互差120度電角度，形成旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)子采用永磁體，提供恒定的磁場，與定子旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置，為控制器提供換相信息。無刷直流電動機基本結(jié)構(gòu)24工作原理基于電磁感應(yīng)原理，通過控制器根據(jù)位置傳感器信號，按一定順序給定子繞組通電，使定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，與轉(zhuǎn)子永磁體相互作用，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。性能特點高效率、高功率密度、低噪音、長壽命、寬調(diào)速范圍、易于維護。工作原理及性能特點25主要包括方波控制和正弦波控制。方波控制簡單、成本低，但轉(zhuǎn)矩脈動大；正弦波控制復(fù)雜、成本高，但轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)、噪音低。無刷直流電動機廣泛應(yīng)用于家電（如洗衣機、空調(diào)等）、電動工具、電動車、航空航天等領(lǐng)域。例如，在電動車中，無刷直流電動機作為驅(qū)動電機，具有高效率、寬調(diào)速范圍等優(yōu)點，能夠滿足電動車的行駛需求?？刂撇呗詰?yīng)用實例控制策略及應(yīng)用實例2606直線電動機與超聲波電動機Chapter27直線電動機主要由定子、動子和支撐輪三部分組成。其中，定子和動子分別對應(yīng)旋轉(zhuǎn)電機中的定子和轉(zhuǎn)子，但結(jié)構(gòu)形式為直線狀?；窘Y(jié)構(gòu)直線電動機利用電磁感應(yīng)原理，通過在定子和動子之間產(chǎn)生行波磁場，使動子產(chǎn)生直線運動。具體來說，當定子繞組通入三相交流電后，會在氣隙中產(chǎn)生行波磁場，動子導(dǎo)體在行波磁場作用下切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電流，進而受到電磁力作用產(chǎn)生直線運動。工作原理直線電動機基本結(jié)構(gòu)和工作原理28基本結(jié)構(gòu)超聲波電動機主要由振動子、摩擦材料和驅(qū)動電源等組成。其中，振動子由壓電陶瓷等材料制成，可將電能轉(zhuǎn)換為機械振動能。工作原理超聲波電動機利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，將高頻電能轉(zhuǎn)換為機械振動能，并通過摩擦材料將振動能轉(zhuǎn)換為動子的直線運動。具體來說，當驅(qū)動電源向壓電陶瓷施加高頻電壓時，壓電陶瓷產(chǎn)生伸縮變形并激發(fā)出超聲波振動，通過摩擦材料驅(qū)動動子產(chǎn)生直線運動。超聲波電動機基本結(jié)構(gòu)和工作原理29VS直線電動機和超聲波電動機在結(jié)構(gòu)和工作原理上存在顯著差異。直線電動機結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、效率高，但控制精度相對較低；而超聲波電動機具有高精度、高分辨率和低噪音等優(yōu)點，但效率相對較低。應(yīng)用領(lǐng)域直線電動機廣泛應(yīng)用于自動化設(shè)備、數(shù)控機床、電磁彈射等領(lǐng)域；而超聲波電動機則主要用于精密定位、微型機器人、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。比較兩者比較及各自應(yīng)用領(lǐng)域3007總結(jié)與回顧Chapter31特種電機的定義和分類各類特種電機的工作原理和特點特種電機的應(yīng)用領(lǐng)域和選型方法本節(jié)課重點內(nèi)容回顧32低噪音、低振動、高精度，適用于精密儀器和醫(yī)療器械等領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、調(diào)速范圍寬，適用于工業(yè)領(lǐng)域和航空航天等領(lǐng)域。高效率、高功率密度、寬調(diào)速范圍，適用于高性能伺服系統(tǒng)和電動汽車等領(lǐng)域。高速度、高精度、高效率，適用于直線運動