1、2022-6-30電氣工程導論電氣工程導論 專題一專題一 電機基礎電機基礎2022-6-30電氣工程導論2一、電機學發展史一、電機學發展史18201820年奧斯特發現了電流磁效應，隨后安培通過總結年奧斯特發現了電流磁效應，隨后安培通過總結電流在磁場中所受機械力的情況建立了安培定律電流在磁場中所受機械力的情況建立了安培定律sin= IBLF2022-6-30電氣工程導論31、直流電機的產生與形成、直流電機的產生與形成 18211821年年9 9月法拉第發現通電的導線能繞永久磁鐵旋轉以月法拉第發現通電的導線能繞永久磁鐵旋轉以及磁體繞載流導體的運動，第一次實現了電磁運動向機及磁體繞載流導體的運動，第

2、一次實現了電磁運動向機械運動的轉換，從而建立了電動機的實驗室模型，被認械運動的轉換，從而建立了電動機的實驗室模型，被認為是為是世界上第一臺電機世界上第一臺電機。盤子內注入水銀，盤子中央盤子內注入水銀，盤子中央固定一個永磁體，盤子上方固定一個永磁體，盤子上方懸掛一根導線，導線的一端懸掛一根導線，導線的一端可在水銀中移動，另一端跟可在水銀中移動，另一端跟電池的一端連接在一起，電電池的一端連接在一起，電池的另一端跟盤子連在一起，池的另一端跟盤子連在一起，構稱導電回路，載流導線在構稱導電回路，載流導線在磁場中受力運動。磁場中受力運動。2022-6-30電氣工程導論4第一臺真正意義上的電機第一臺真正意義

3、上的電機18311831年，法拉第利用電磁感應發明了世界上第一臺真年，法拉第利用電磁感應發明了世界上第一臺真正意義上的電機正意義上的電機法拉第圓盤發電機。法拉第圓盤發電機。這臺發電機制構造跟現代的發電機不同，在磁場所中轉這臺發電機制構造跟現代的發電機不同，在磁場所中轉動的不是線圈，而是一個紫銅做的圓盤。圓心處固定一動的不是線圈，而是一個紫銅做的圓盤。圓心處固定一個搖柄，圓盤的邊緣和圓心處各與一個個搖柄，圓盤的邊緣和圓心處各與一個電刷電刷緊貼，用導緊貼，用導線把電刷與電流表連接起來；銅圓盤放置在蹄形永磁體線把電刷與電流表連接起來；銅圓盤放置在蹄形永磁體的磁場中，當轉動搖柄使銅圓盤旋轉起來時，電流

4、表的的磁場中，當轉動搖柄使銅圓盤旋轉起來時，電流表的指針偏向一邊，指針偏向一邊，電路中產生了持續的電流電路中產生了持續的電流。2022-6-30電氣工程導論5振蕩電動機振蕩電動機18311831年夏，亨利對法拉第的電動機模型進行了改進年夏，亨利對法拉第的電動機模型進行了改進該裝置的運動部件是在垂直方向上運動的電磁鐵，當它該裝置的運動部件是在垂直方向上運動的電磁鐵，當它們端部的導線與兩個電池交替連接時，電磁鐵的極性自們端部的導線與兩個電池交替連接時，電磁鐵的極性自動改變，電磁鐵與永磁體相互吸引或排斥，使電磁鐵以動改變，電磁鐵與永磁體相互吸引或排斥，使電磁鐵以每分鐘每分鐘7575個周期的速度上下運

5、動。個周期的速度上下運動。亨利的電動機的重要意義在于這是第一次展示了由磁極亨利的電動機的重要意義在于這是第一次展示了由磁極排斥和吸引產生的連續運動，是電磁鐵在電動機中的真排斥和吸引產生的連續運動，是電磁鐵在電動機中的真正應用。正應用。 亨利的振蕩電動機照片亨利的振蕩電動機照片 原理圖原理圖 2022-6-30電氣工程導論6第一臺能產生連續運動的旋轉電動機第一臺能產生連續運動的旋轉電動機18321832年，斯特金發明了換向器，據此對亨利的振蕩電年，斯特金發明了換向器，據此對亨利的振蕩電動機進行了改進，并制作了世界上第一臺能產生連續運動機進行了改進，并制作了世界上第一臺能產生連續運動的旋轉電動機。

6、后來他還制作了一個并勵直流電動機。動的旋轉電動機。后來他還制作了一個并勵直流電動機。 2022-6-30電氣工程導論7雅可比的電動機雅可比的電動機 18341834年，德國的雅可比年，德國的雅可比在兩個在兩個U U型電磁鐵中間，裝一六臂輪，每臂帶兩根棒型型電磁鐵中間，裝一六臂輪，每臂帶兩根棒型磁鐵，通電后，棒型磁鐵與磁鐵，通電后，棒型磁鐵與U U型磁鐵之間產生相互吸引型磁鐵之間產生相互吸引和排斥作用和排斥作用 ，帶動輪軸轉動。，帶動輪軸轉動。安在小艇上，用安在小艇上，用320320個丹尼爾電池供電，個丹尼爾電池供電，18381838年小艇在年小艇在易北河上首次航行，時速只有易北河上首次航行，時

7、速只有2.22.2公里，但種電動機都公里，但種電動機都沒有多大商業價值，用電池作電源，成本太大、不實用。沒有多大商業價值，用電池作電源，成本太大、不實用。 2022-6-30電氣工程導論8直流發電直流發電18821882年，德國將米斯巴哈水電站發出的年，德國將米斯巴哈水電站發出的2 2千瓦直流電通千瓦直流電通過過5757千米千米 1500150020002000伏伏 電線輸送到慕尼黑，證明直電線輸送到慕尼黑，證明直流遠距離輸電的可能性。流遠距離輸電的可能性。直流在傳輸中的缺點：電壓越高，電能的傳輸損失越小，直流在傳輸中的缺點：電壓越高，電能的傳輸損失越小，但高壓直流發電機困難較大，而且單機容量

8、越大，換向但高壓直流發電機困難較大，而且單機容量越大，換向也越困難，換向器上的火花使工作不穩定。因而人們就也越困難，換向器上的火花使工作不穩定。因而人們就把目光轉向交流電機。把目光轉向交流電機。 2022-6-30電氣工程導論92、交流電機的產生與形成、交流電機的產生與形成 18241824年，法國人阿拉果（年，法國人阿拉果（D DF FJ JAragoArago）在轉動懸）在轉動懸掛著的磁針時發現其外圍環上受到機械力。掛著的磁針時發現其外圍環上受到機械力。18251825年，他重復這一實驗時，發現外圍環的轉動又使年，他重復這一實驗時，發現外圍環的轉動又使磁針偏轉，這些實驗導致了后來感應電動機

9、的出現。磁針偏轉，這些實驗導致了后來感應電動機的出現。2022-6-30電氣工程導論1018881888年南斯拉夫出生的美國發明家年南斯拉夫出生的美國發明家特斯拉特斯拉發明了交流發明了交流電動機。它是根據電磁感應原理制成，又稱感應電動機，電動機。它是根據電磁感應原理制成，又稱感應電動機，這種電動機結構簡單，使用交流電，無火花，因此被廣這種電動機結構簡單，使用交流電，無火花，因此被廣泛應用于工業的家庭電器中，交流電動機通常用三相交泛應用于工業的家庭電器中，交流電動機通常用三相交流供電。流供電。美國的特斯拉在美國的特斯拉在愛迪生愛迪生公司的時候就決心開發交流電機，公司的時候就決心開發交流電機，但愛

10、迪生堅持只搞直流方式，因此他就把兩相交流發電但愛迪生堅持只搞直流方式，因此他就把兩相交流發電機和電動機的專利權賣給了西屋公司。機和電動機的專利權賣給了西屋公司。 2022-6-30電氣工程導論11電機迅速發展電機迅速發展18911891年，奧斯卡年，奧斯卡馮馮米勒在法蘭克福世界電氣博覽米勒在法蘭克福世界電氣博覽會上宣布：他與多里沃合作架設的從勞芬到法蘭克福的會上宣布：他與多里沃合作架設的從勞芬到法蘭克福的三相交流輸電電路，可把勞芬的一架三相交流輸電電路，可把勞芬的一架300300735.5W 55V735.5W 55V三相交流發電機的電流經三相變壓器提高到了萬伏，輸三相交流發電機的電流經三相變

11、壓器提高到了萬伏，輸運運175175千米，順利通電，從此千米，順利通電，從此三相交流電機很快代替了三相交流電機很快代替了工業上的直流電機工業上的直流電機，因為三相制的優點十分明顯：材料，因為三相制的優點十分明顯：材料可靠，結構簡單，性能好，效率高，用銅省，在電力驅可靠，結構簡單，性能好，效率高，用銅省，在電力驅動方面又有重大效益。各種各樣的電機迅速發展起來。動方面又有重大效益。各種各樣的電機迅速發展起來。 18961896年，特斯拉的兩相交流發電機在尼亞拉發電廠開年，特斯拉的兩相交流發電機在尼亞拉發電廠開始勞動營運，始勞動營運，3750KW3750KW，5000V5000V的交流電一直送到的交

12、流電一直送到4040公里公里外的布法羅市。外的布法羅市。 2022-6-30電氣工程導論12（一）、電機分類（一）、電機分類按類別分按類別分電機電機靜止電機靜止電機變壓器變壓器旋轉電機旋轉電機直流電機直流電機交流電機交流電機控制電機控制電機異步電機異步電機同步電機同步電機二、電機基礎知識二、電機基礎知識2022-6-30電氣工程導論13（二）、電機在國民經濟中的地位（二）、電機在國民經濟中的地位電能生產電能生產由同步發電機生產；由同步發電機生產；高壓輸電高壓輸電由升壓變壓器將發電機發出的電壓升高由升壓變壓器將發電機發出的電壓升高到輸電電壓再輸送；到輸電電壓再輸送；降壓用電降壓用電由降壓變壓器將

13、輸來的高壓電降為所需由降壓變壓器將輸來的高壓電降為所需低電壓，供給用電設備；低電壓，供給用電設備；生產機械的拖動生產機械的拖動由各種電動機實現；由各種電動機實現；控制系統中的信號轉換控制系統中的信號轉換由各種控制電機完成。由各種控制電機完成。2022-6-30電氣工程導論14請找出電力系統圖中使用電機（變壓器）的部分？請找出電力系統圖中使用電機（變壓器）的部分？2022-6-30電氣工程導論152022-6-30電氣工程導論16機器人機器人2022-6-30電氣工程導論17三、電機學的教學三、電機學的教學開課時間：大三開課時間：大三 上學期上學期電機學電機學是電氣工程及其自動化專業的主干課程是

14、電氣工程及其自動化專業的主干課程及重要專業基礎課，是學習電機設計、電機控制、及重要專業基礎課，是學習電機設計、電機控制、電力拖動、電力系統分析、繼電保護等課程的基礎。電力拖動、電力系統分析、繼電保護等課程的基礎。學習本課程不僅為學習專業課做好準備，而且為今學習本課程不僅為學習專業課做好準備，而且為今后從事的專業工作打下基礎。后從事的專業工作打下基礎。2022-6-30電氣工程導論181、磁路、磁路 l掌握磁路的基本定律，了解各種常用的鐵磁材料及掌握磁路的基本定律，了解各種常用的鐵磁材料及其性質。其性質。A AN Ni i2022-6-30電氣工程導論19電磁感應定律電磁感應定律閉合回路中的磁通

15、量隨時間發生變化，該線圈中必然有閉合回路中的磁通量隨時間發生變化，該線圈中必然有感應電勢產生，稱這種現象為電磁感應。感應電勢產生，稱這種現象為電磁感應。dtdNdtdeN其中2022-6-30電氣工程導論202、變壓器、變壓器了解變壓器的基本結構、工作原理和額定值。了解變壓器的基本結構、工作原理和額定值。 變壓器的空載運行及變壓器的負載運行分析。變壓器的空載運行及變壓器的負載運行分析。用途分類：用途分類：電力變壓器，電力系統傳輸電能電力變壓器，電力系統傳輸電能電爐變壓器，專給煉鋼爐供電電爐變壓器，專給煉鋼爐供電整流變壓器，大型電解電鍍、直流電力機車供電整流變壓器，大型電解電鍍、直流電力機車供電

16、儀用變壓器、控制變壓器儀用變壓器、控制變壓器無線電變壓器，僅傳輸信號。無線電變壓器，僅傳輸信號。2022-6-30電氣工程導論21電力變壓器電力變壓器變壓器的總容量大致相當于發電機容量的三倍。輸電過程變壓器的總容量大致相當于發電機容量的三倍。輸電過程中，通常將電壓升高，通過高壓輸電線傳送到遠方的城市，中，通常將電壓升高，通過高壓輸電線傳送到遠方的城市，經過降壓變壓器降為經過降壓變壓器降為10kv10kv電壓，再經過配電降壓變壓器分電壓，再經過配電降壓變壓器分配給用戶配給用戶。輸送同樣的功率，電壓低則電流大，一方面由于大電流在輸送同樣的功率，電壓低則電流大，一方面由于大電流在輸電線路上引起損耗，

17、另一方面大電流在線路阻抗上產輸電線路上引起損耗，另一方面大電流在線路阻抗上產 生大的壓降，受電端電壓很低，電能傳送不出去。生大的壓降，受電端電壓很低，電能傳送不出去。只有高電壓能將電能輸送到遠方。 配電變壓器配電變壓器2022-6-30電氣工程導論22配電變壓器配電變壓器輸電變壓器輸電變壓器2022-6-30電氣工程導論233、直流電機、直流電機將在將在電力拖動電力拖動課程（大三下學期開課）中講述直流課程（大三下學期開課）中講述直流電機的運行特性；直流電動機起動、調速方法和制動方電機的運行特性；直流電動機起動、調速方法和制動方法。法。2022-6-30電氣工程導論244、交流繞組及其電動勢和磁

18、動勢、交流繞組及其電動勢和磁動勢 2022-6-30電氣工程導論255、感應電機的穩態分析、感應電機的穩態分析 主要用作電動機；主要用作電動機；籠型異步電機剖面圖籠型異步電機剖面圖轉軸轉軸定子繞組定子繞組轉子轉子定子鐵心定子鐵心端蓋端蓋接線盒接線盒2022-6-30電氣工程導論266、同步電機的穩態分析主要用作發電機、同步電機的穩態分析主要用作發電機2022-6-30電氣工程導論27 為了充分利用各種水力資源，潮汐、落差很低的平原為了充分利用各種水力資源，潮汐、落差很低的平原河流甚至波浪等也引起普遍重視，從而使貫流式水輪機和河流甚至波浪等也引起普遍重視，從而使貫流式水輪機和其他小型機組迅速發展

19、。其他小型機組迅速發展。2022-6-30電氣工程導論28水電站的發展水電站的發展葛州壩水電站葛州壩水電站一般修建在河道中下游一般修建在河道中下游河道縱坡平緩的河段上河道縱坡平緩的河段上1、壩式水電站、壩式水電站 河床式電站河床式電站 2022-6-30電氣工程導論292、壩后式水電站、壩后式水電站當水頭較大時，廠房本身抵抗不了水的推力，將廠房移當水頭較大時，廠房本身抵抗不了水的推力，將廠房移到壩后，由大壩擋水。一般修建在河流的中上游。到壩后，由大壩擋水。一般修建在河流的中上游。三峽水電站就是壩后式水電站三峽水電站就是壩后式水電站三門峽水電站三門峽水電站三峽水電站三峽水電站2022-6-30電

20、氣工程導論303 3、引水式水電站、引水式水電站 在河流坡降陡的河段上筑一低壩在河流坡降陡的河段上筑一低壩(或無壩或無壩)取水，通過人取水，通過人工修建的引水道工修建的引水道(渠道、隧洞、管道渠道、隧洞、管道)引水到河段下游，引水到河段下游，集中落差，再經壓力管道引水到水輪機進行發電集中落差，再經壓力管道引水到水輪機進行發電。2022-6-30電氣工程導論314、潮汐電站、潮汐電站 潮汐發電就是在海灣或有潮汐的河口建一攔水堤壩，潮汐發電就是在海灣或有潮汐的河口建一攔水堤壩，將海灣或河口與海洋隔開構成水庫，再在壩內或壩將海灣或河口與海洋隔開構成水庫，再在壩內或壩房安裝水輪發電機組，然后利用潮汐漲

21、落時海水位房安裝水輪發電機組，然后利用潮汐漲落時海水位的升降，使海水通過輪機轉動水輪發電機組發電。的升降，使海水通過輪機轉動水輪發電機組發電。2022-6-30電氣工程導論32最大的潮汐電站最大的潮汐電站法國朗斯電站法國朗斯電站江廈潮汐試驗電站是我國最大的潮汐能電站，到江廈潮汐試驗電站是我國最大的潮汐能電站，到20062006年年1212月月3131日，電站累計發電日，電站累計發電1.351.35億千瓦時。億千瓦時。2022-6-30電氣工程導論33汽輪機汽輪機秦山核電站秦山核電站湛江火電廠湛江火電廠 火電廠中的汽輪機組火電廠中的汽輪機組2022-6-30電氣工程導論34汽輪機的發展汽輪機的發

22、展大型汽輪機組的研制是汽輪機未來發展的一個重要方向；大型汽輪機組的研制是汽輪機未來發展的一個重要方向；研究提高熱效率是汽輪機發展的另一方向，采用更高蒸汽參研究提高熱效率是汽輪機發展的另一方向，采用更高蒸汽參數和二次再熱，研制調峰機組，推廣供熱汽輪機的應用則是數和二次再熱，研制調峰機組，推廣供熱汽輪機的應用則是這方面發展的重要趨勢。這方面發展的重要趨勢。現代核電站汽輪機的數量正在快速增加，因此研究適用于不現代核電站汽輪機的數量正在快速增加，因此研究適用于不同反應堆型的、性能良好的汽輪機具有特別重要的意義。同反應堆型的、性能良好的汽輪機具有特別重要的意義。全世界利用地熱的汽輪機的裝機容量，全世界利

23、用地熱的汽輪機的裝機容量，19831983年已有年已有31903190兆瓦，兆瓦，不過對熔巖等深層更高溫度地熱資源的利用尚待探索；利用不過對熔巖等深層更高溫度地熱資源的利用尚待探索；利用太陽能的汽輪機電站已在建造，海洋溫差發電也在研究之中。太陽能的汽輪機電站已在建造，海洋溫差發電也在研究之中。所有這些新能源方面的汽輪機尚待繼續進行試驗研究。所有這些新能源方面的汽輪機尚待繼續進行試驗研究。2022-6-30電氣工程導論35四、電機研究現狀四、電機研究現狀1.大容量、超高速大容量、超高速2.大功率、超低速大功率、超低速3.智能材料智能材料4.多功能集成電機系統多功能集成電機系統2022-6-30電

24、氣工程導論361、大容量、超高速、大容量、超高速三峽工程開工時，國內尚無制造單機容量三峽工程開工時，國內尚無制造單機容量700MW700MW水輪發水輪發電機組的實踐經驗電機組的實踐經驗三峽工程水輪發電機組采購實行國際公開招標。三峽工程水輪發電機組采購實行國際公開招標。19971997年年9 9月月1414臺左岸水輪發電機組（臺左岸水輪發電機組（7.47.4億美元）；億美元）；法國阿爾斯通和瑞士法國阿爾斯通和瑞士ABBABB公司聯合制造供應公司聯合制造供應8 8臺套）機臺套）機組，美國通用電氣、德國伏伊特、西門子組成的組，美國通用電氣、德國伏伊特、西門子組成的VGSVGS集集團供應另外團供應另外

25、6 6臺（套）機組。臺（套）機組。合同的另一關鍵內容：我國兩家知名的水輪發電機組制合同的另一關鍵內容：我國兩家知名的水輪發電機組制造廠造廠東方電機股份有限公司東方電機股份有限公司和和哈爾濱電機廠哈爾濱電機廠有限責任公有限責任公司總計分包司總計分包2.32.3億美元，約億美元，約3131的制造任務，并通過與的制造任務，并通過與外商約定的技術轉讓條款，使這兩個廠進一步掌握三峽外商約定的技術轉讓條款，使這兩個廠進一步掌握三峽機組的關鍵技術，為三峽工程右岸電站機組的關鍵技術，為三峽工程右岸電站1212臺機組的臺機組的“以我為主以我為主”制造打下基礎。制造打下基礎。2022-6-30電氣工程導論37三峽

26、左岸機組與外商的合作制造，使我國發電設備制造三峽左岸機組與外商的合作制造，使我國發電設備制造業的水平有了階段性的提高，哈電、東電等已具備獨立業的水平有了階段性的提高，哈電、東電等已具備獨立承擔大型水電機組制造的能力。承擔大型水電機組制造的能力。今天今天2022-6-30電氣工程導論38東方電機：交付首臺三峽右岸水輪機轉輪東方電機：交付首臺三峽右岸水輪機轉輪20062006年年1010月東方電機開發出三峽右岸水輪發電機組，月東方電機開發出三峽右岸水輪發電機組，我國完全擁有自主知識產權，綜合性能全面優于三峽左我國完全擁有自主知識產權，綜合性能全面優于三峽左岸水輪發電機組。改變了我國巨型水輪發電機組

27、研發技岸水輪發電機組。改變了我國巨型水輪發電機組研發技術依靠國外進口的狀況，標志著東方電機已系統掌握包術依靠國外進口的狀況，標志著東方電機已系統掌握包括從水輪機模型轉輪水力開發、水輪機真機結構設計到括從水輪機模型轉輪水力開發、水輪機真機結構設計到真機加工制造的全部核心技術。真機加工制造的全部核心技術。 2022-6-30電氣工程導論39哈電機廠三峽右岸水輪機轉輪研制成功哈電機廠三峽右岸水輪機轉輪研制成功20062006年年1111月月3030日，目前世界上最大日，目前世界上最大7070萬千瓦水輪機核萬千瓦水輪機核心部件心部件三峽右岸水輪機轉輪在哈爾濱電機廠遼寧葫三峽右岸水輪機轉輪在哈爾濱電機廠

28、遼寧葫蘆島制造成功，將在三峽工地蘆島制造成功，將在三峽工地“服役服役”。這是我國獨立研制成功并這是我國獨立研制成功并擁有自主知識產權擁有自主知識產權的巨型水輪的巨型水輪機組。它的研制成功結束了我國在此領域內長期依賴進機組。它的研制成功結束了我國在此領域內長期依賴進口的歷史?？诘臍v史。2022-6-30電氣工程導論40超高速電機研制超高速電機研制超高速電機轉速高，幾何尺寸小，可以有效節約材料；超高速電機轉速高，幾何尺寸小，可以有效節約材料；響應快，可以與原動機或負載直接連接，省去變速裝置，響應快，可以與原動機或負載直接連接，省去變速裝置，減小噪音，提高傳動的效率。減小噪音，提高傳動的效率。國際電

29、工領域的研究國際電工領域的研究熱點。熱點。超高速電機轉速高超高速電機轉速高 美國美國CalntixCalntix公司開發公司開發2MW2MW高速永高速永磁發電機，轉速磁發電機，轉速190001900022500r/min22500r/min；永磁無刷直流電；永磁無刷直流電機機 轉速最高可達轉速最高可達452000r/min452000r/min。我國已研制出我國已研制出50000r/min50000r/min小功率高速電機；對高速電小功率高速電機；對高速電機的需求比較迫切。機的需求比較迫切。2022-6-30電氣工程導論41高速電機應用領域高速電機應用領域（超）高速電機可廣泛用于高速磨頭，高速

30、的車床、鉆（超）高速電機可廣泛用于高速磨頭，高速的車床、鉆床、銑床；醫療器械和手術器械中用的高速電機；高速床、銑床；醫療器械和手術器械中用的高速電機；高速電動工具以及航空航天等領域。電動工具以及航空航天等領域。 2022-6-30電氣工程導論422、大功率、超低速、大功率、超低速主要應用于船舶和艦艇推進系統的直接電力驅動和大型主要應用于船舶和艦艇推進系統的直接電力驅動和大型風力發電機。風力發電機。體積大體積大國外已能生產國外已能生產4.5MW4.5MW的直驅式風力發電機，轉速的直驅式風力發電機，轉速8 813r/min13r/min。2022-6-30電氣工程導論433、智能材料、智能材料近年

31、，新型功能材料近年，新型功能材料智能材料，如壓電陶瓷、超磁智能材料，如壓電陶瓷、超磁致伸縮、電致伸縮、溫控與磁控形狀記憶合金等等。致伸縮、電致伸縮、溫控與磁控形狀記憶合金等等。由智能材料構思出各種新型能量轉換器件與系統，如傳由智能材料構思出各種新型能量轉換器件與系統，如傳感器、執行器和機器人等。成為電工科學新的研究領域。感器、執行器和機器人等。成為電工科學新的研究領域。超聲波電機是近年發展迅速的一種壓電執行器。超聲波電機是近年發展迅速的一種壓電執行器。2022-6-30電氣工程導論44超聲波電機超聲波電機超聲波電機是今年來發展的一門新技術，超聲波電機是超聲波電機是今年來發展的一門新技術，超聲波

32、電機是一種完全不同與傳統的電機。超聲波電機是一種借助摩一種完全不同與傳統的電機。超聲波電機是一種借助摩擦傳遞動力的驅動機構。它與傳統的電動機相比有體積擦傳遞動力的驅動機構。它與傳統的電動機相比有體積小，機構簡單，易于控制和無磁污染超聲馬達的超靜運小，機構簡單，易于控制和無磁污染超聲馬達的超靜運行特別適用于醫院、賓館、辦公室等要求低噪聲的場合；行特別適用于醫院、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動，驅動過程中不需它的大能量密度適用于機器人的驅動，驅動過程中不需要齒輪裝置，適用于精密定位裝置中；在汽車工業和航要齒輪裝置，適用于精密定位裝置中；在汽車工業和航天工業中超聲馬

33、達也有著廣泛的應用前景，特別是在航天工業中超聲馬達也有著廣泛的應用前景，特別是在航天領域，它有著電磁馬達所不可替代的地位。天領域，它有著電磁馬達所不可替代的地位。超聲波電機是在超聲波電機是在19611961年，年，BulovaBulova鐘表公司首次開始應鐘表公司首次開始應用它作為動力。用它作為動力。2022-6-30電氣工程導論451）壓電效應）壓電效應 逆壓電效應逆壓電效應當材料受力作用而變形時當材料受力作用而變形時, 其表面會有電荷產生其表面會有電荷產生2022-6-30電氣工程導論46TRUM-60旋轉型行波超聲電機之軸測分解圖旋轉型行波超聲電機之軸測分解圖 利用壓電材料的逆壓電效應，

34、利用壓電材料的逆壓電效應，把電信號加到壓電陶瓷把電信號加到壓電陶瓷 - - 金金屬構成的定子上，使定子產生屬構成的定子上，使定子產生一定軌跡的機械振動，帶動彈一定軌跡的機械振動，帶動彈性體產生彎曲彈性波性體產生彎曲彈性波, ,靠外力靠外力加壓產生摩擦力加壓產生摩擦力, ,是轉子旋轉是轉子旋轉, ,也就是說也就是說, ,顯示壓電性的晶體顯示壓電性的晶體, ,通過壓電效應通過壓電效應, ,把力學量與電把力學量與電學量學量( (電場電場E E和電位移和電位移D D或極化或極化強度強度P)P)互相聯系起來互相聯系起來電機電機藕合。驅動轉子運動的新型電藕合。驅動轉子運動的新型電機。由于定子的振動頻率多數

35、機。由于定子的振動頻率多數工作在超聲頻范圍，因此也被工作在超聲頻范圍，因此也被稱為超聲波電機或超聲馬達，稱為超聲波電機或超聲馬達，也可統稱為壓電致動器。也可統稱為壓電致動器。2022-6-30電氣工程導論472 2）目前發展）目前發展日本在超聲電機的研究和應用上都處于領先地位。日本在超聲電機的研究和應用上都處于領先地位。美國、德國、法國、英國等都己經或正在投入大批的人美國、德國、法國、英國等都己經或正在投入大批的人力、物力開發超聲電機，努力追趕日本。特別是美國，力、物力開發超聲電機，努力追趕日本。特別是美國，僅僅PennysyvaniaPennysyvania州立大學在州立大學在1994199

36、419981998年就投入年就投入1.51.5億億專門從事壓電材料和超聲電機研究。德國專門從事壓電材料和超聲電機研究。德國GmbHGmbH公司的公司的產品已用于奔馳汽車自動窗門。產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九十年代開始，其中清我國超聲電機研究是從二十世紀九十年代開始，其中清華大學、哈爾濱工業大學、吉林工業大學、浙江大學、華大學、哈爾濱工業大學、吉林工業大學、浙江大學、南京航空航天大學先后開展了超聲電機的研究，但尚未南京航空航天大學先后開展了超聲電機的研究，但尚未進入商業應用。進入商業應用。l清華大學物理系超聲電機項目研究組清華大學物理系超聲電機項目研究組 http:

37、/ /l南京航天航空大學南京航天航空大學 超聲電機研究中心超聲電機研究中心http:/http:/ / 2022-6-30電氣工程導論483）超聲電機技術的應用）超聲電機技術的應用2022-6-30電氣工程導論49日本日本CanonCanon公司生產了帶有環型超聲電機的照相機，使公司生產了帶有環型超聲電機的照相機，使得該相機聚焦系統結構簡單、聚焦快，噪聲小。得該相機聚焦系統結構簡單、聚焦快，噪聲小。CanonCanon公司已有公司已有3737種照相機聚焦鏡頭應用了超聲電機，其他種照相機聚焦鏡頭應用了超聲電機，其他NikonNikon，OlympusOlympus等公司的照相機也逐步在采用超聲電

38、等公司的照相機也逐步在采用超聲電機。機。超聲電機能減輕機器人的重量，簡化其結構，提高響應超聲電機能減輕機器人的重量，簡化其結構，提高響應速度，世界各國研究者都正在把超聲電機用于機器人。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用了超聲電機。座椅頭靠等都應用了超聲電機。 日本處于領先地位日本處于領先地位2022-6-30電氣工程導論50美國在宇宙飛船、火星探測器、導彈、核彈頭等航空航美國在宇宙飛船、火星探測器、導彈、核彈頭等航空航天工程中都陸續應用了超聲電機。比用傳統的電磁電機天工

39、程中都陸續應用了超聲電機。比用傳統的電磁電機降低降低30%30%的重量。的重量。NASANASA的的CoddarCoddar Space Flight Center Space Flight Center將超聲電機應用將超聲電機應用空間機器人技術。其中微型機器手空間機器人技術。其中微型機器手MicroArmIMicroArmI使用了具使用了具有力矩有力矩0.05NM0.05NM的超聲電機。火星機器手的超聲電機?；鹦菣C器手MarsArmIIMarsArmII使用使用了三個具有力矩為了三個具有力矩為0.68NM0.68NM和一個具有和一個具有0.11NM0.11NM的超聲電的超聲電機。比使用同等功

40、能的直流電機輕機。比使用同等功能的直流電機輕40%40%。2022-6-30電氣工程導論51目前計算機軟盤（目前計算機軟盤（FDFD）、光盤（）、光盤（CD-ROMCD-ROM）和硬盤（）和硬盤（HDHD）的磁頭的直線運動是采用旋轉電磁電機加上齒輪機構來的磁頭的直線運動是采用旋轉電磁電機加上齒輪機構來實現的。在這樣的傳動系統中，如要使機構進一步小型實現的。在這樣的傳動系統中，如要使機構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，就可以使傳動系統變小、變薄。聲電機，就可以使傳動系統變小、變薄。最近幾年，日本學者正在努力把直線型

41、超聲電機引到計最近幾年，日本學者正在努力把直線型超聲電機引到計算機上來。算機上來。2022-6-30電氣工程導論524）超聲電機技術的未來）超聲電機技術的未來2121世紀，航空航天是我國重點發展的領域之一。從國世紀，航空航天是我國重點發展的領域之一。從國外的應用的情況看，它必將應用超聲電機。如納米衛星、外的應用的情況看，它必將應用超聲電機。如納米衛星、微型飛機、宇宙飛船和空間探測器等，應用超聲電機，微型飛機、宇宙飛船和空間探測器等，應用超聲電機，可以減少其重量，增強其可控性；可以減少其重量，增強其可控性； 機器人和微型機械，也是我國機器人和微型機械，也是我國2121世紀重點發展的領域世紀重點發

42、展的領域之一。超聲電機可以使機器人和微型機械簡化結構，減之一。超聲電機可以使機器人和微型機械簡化結構，減輕重量，增強其可控性。隨著超聲電機的微型化，微型輕重量，增強其可控性。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動器，它將會大機械可進入人體，如作為人造心臟的驅動器，它將會大大推動人造器官的產業化進程；大推動人造器官的產業化進程； 2121世紀，我國將要大力發展磁浮列車。磁浮列車上的世紀，我國將要大力發展磁浮列車。磁浮列車上的強磁場干擾，使得在磁浮列車上的傳統的電磁電機工作強磁場干擾，使得在磁浮列車上的傳統的電磁電機工作失效，超聲電機將大有可為；失效，超聲電機將大有可為；

43、2022-6-30電氣工程導論53未來豪華轎車上的電機之多可達未來豪華轎車上的電機之多可達8080個，使汽車體積增個，使汽車體積增加，電磁干擾增強。應用超聲電機，由于不需齒輪箱從加，電磁干擾增強。應用超聲電機，由于不需齒輪箱從而大大降低其體積；由于超聲電機不產生磁場而使汽車而大大降低其體積；由于超聲電機不產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玻璃的升降，前視鏡和雨刮器等，均可用超聲電機來代替傳統的電磁電機；替傳統的電磁電機； 隨著掌上計算機，可視電話電視、手提式儀器等的發展

44、，隨著掌上計算機，可視電話電視、手提式儀器等的發展，微型超聲電機將可得到廣泛應用。超聲電機將使這些微微型超聲電機將可得到廣泛應用。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；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由于超聲電機的位置控制精度很高，可達微米級甚至納，可達微米級甚至納米級。超聲電機將會在一些精密儀器、醫療設備以及半米級。超聲電機將會在一些精密儀器、醫療設備以及半導體制造技術中得到廣泛應用。導體制造技術中得到廣泛應用。2022-6-30電氣工程導論54納米發電機納米發電機 超聲波驅動的納米發電機能收集周圍環境中超聲波驅動的納米發電機能收集周圍

45、環境中微小的震動機械能并轉變為電能來為其它納微小的震動機械能并轉變為電能來為其它納米器件，如傳感器，探測器等提供能量。這米器件，如傳感器，探測器等提供能量。這種震動機械能普遍存在于自然界以及人們日種震動機械能普遍存在于自然界以及人們日常生活中，如空氣或水的流動、引擎的轉動、常生活中，如空氣或水的流動、引擎的轉動、空調或其它機器的運轉等引起的各種頻率的空調或其它機器的運轉等引起的各種頻率的噪音，人行走時肌肉伸縮能或腳對地的壓縮噪音，人行走時肌肉伸縮能或腳對地的壓縮能等。甚至在人體內由于呼吸，心跳或是血能等。甚至在人體內由于呼吸，心跳或是血液流動帶來的體內某處壓力的細微變化也有液流動帶來的體內某處

46、壓力的細微變化也有可能帶動納米發電機產生電能。可能帶動納米發電機產生電能。納米發電機的發明為實現能源系統的微型化帶來了納米發電機的發明為實現能源系統的微型化帶來了可能；對于實現具有完全無線，可生物植入，以及長時期可能；對于實現具有完全無線，可生物植入，以及長時期甚至終生無需照管的納米或微電子器件，提供了一種理想甚至終生無需照管的納米或微電子器件，提供了一種理想的電源系統。的電源系統。2022-6-30電氣工程導論554、多功能集成電機系統、多功能集成電機系統交直流供電系統交直流供電系統PowerformerPowerformer磁懸浮技術磁懸浮技術2022-6-30電氣工程導論561）交直流集

47、成供電系統交直流集成供電系統交直流集成供電系統提供直流動力；還提供正弦交流交直流集成供電系統提供直流動力；還提供正弦交流220V/380V220V/380V、50HZ50HZ電力電力適合應用于無電山村、郵電通信、邊防海島、部隊及野適合應用于無電山村、郵電通信、邊防海島、部隊及野外作業、艦艇、飛機、外作業、艦艇、飛機、移動通信基站戶外基站移動通信基站戶外基站以及大型以及大型電站。電站。 發發電電2022-6-30電氣工程導論572） PowerformerPowerformer發電機發出的電要經過升壓變壓器升壓后才與高壓電網相連，而發電機發出的電要經過升壓變壓器升壓后才與高壓電網相連，而高壓電網

48、又需要用降壓變壓器降壓才能向電動機供電。形成這一高壓電網又需要用降壓變壓器降壓才能向電動機供電。形成這一怪圈的根本原因是輸電電壓很高，而電機電壓較低。即由于絕緣怪圈的根本原因是輸電電壓很高，而電機電壓較低。即由于絕緣水平的限制，人們無法制造能與電網直接相連的電機，這也使人水平的限制，人們無法制造能與電網直接相連的電機，這也使人們對發電輸電供電的系統習以為常。們對發電輸電供電的系統習以為常。很早以來就有人想研究一種與電網直接相連的超高壓發電機。早很早以來就有人想研究一種與電網直接相連的超高壓發電機。早在在1905年，門加里尼和匈牙利岡茨工廠的工程師一道，對意大年，門加里尼和匈牙利岡茨工廠的工程師

49、一道，對意大利利Subjaco水電站的兩臺水電站的兩臺30kV，5.2MVA，450r/min（45Hz）的水輪發電機進行了研究；）的水輪發電機進行了研究；1928年，帕森斯年，帕森斯（C.A.Parsoas）和羅森（）和羅森（J.Rosen）研制成一臺直接與電網）研制成一臺直接與電網相連的相連的33kV，25MVA，3000r/min的汽輪發電機；的汽輪發電機；1932年年BBC公司為比利時提供了一臺公司為比利時提供了一臺36kV的汽輪發電機（以后曾制的汽輪發電機（以后曾制造多臺）。不過由于他們都是在傳統電機結構和傳統絕緣系統上造多臺）。不過由于他們都是在傳統電機結構和傳統絕緣系統上下功夫，

50、進展不大，效果不佳。與之同時，電網電壓迅速提高，下功夫，進展不大，效果不佳。與之同時，電網電壓迅速提高，到到20世紀世紀50年代，這種探索終于無法進行下去。年代，這種探索終于無法進行下去。2022-6-30電氣工程導論5819901990年，年，ABBABB公司瑞典分部開始進行與電網直接連接的公司瑞典分部開始進行與電網直接連接的超高壓發電機的研究。超高壓發電機的研究。摒棄傳統電機的繞組及其絕緣結構，從高壓輸電用交聯摒棄傳統電機的繞組及其絕緣結構，從高壓輸電用交聯聚乙烯聚乙烯(XLPE)(XLPE)電纜的電壓提高獲得靈感，將輸電電纜電纜的電壓提高獲得靈感，將輸電電纜融入發電機結構中。融入發電機結

51、構中。19981998年年2 2月，世界上第月，世界上第1 1臺采用高壓交聯聚乙烯電纜繞臺采用高壓交聯聚乙烯電纜繞制定子繞組的制定子繞組的PowerformerPowerformer在瑞典在瑞典PoJusPoJus水電站直接并水電站直接并網運行。該機組容量網運行。該機組容量11MVA11MVA、電壓、電壓45kV45kV、轉速、轉速600r/min600r/min。20002000年初，阿爾斯通年初，阿爾斯通(ALSTOM)(ALSTOM)合并合并ABBABB公司后，繼續支公司后，繼續支持持PowerformerPowerformer的開發與研究。之后有；的開發與研究。之后有；3 3臺商業用的

52、臺商業用的PowerformerPowerformer投產運行。投產運行。第一臺超高壓發電機第一臺超高壓發電機2022-6-30電氣工程導論59http:/ http:/ 2022-6-30電氣工程導論60POFPOF特點特點電機與變壓器合一的高壓發電機；無需升壓變壓器就可電機與變壓器合一的高壓發電機；無需升壓變壓器就可以直接連接高壓電網以直接連接高壓電網POFPOF無需升壓變壓器就可以直接連接電網，常規電廠中無需升壓變壓器就可以直接連接電網，常規電廠中的發電機、沖擊電壓保護器、發電機側開關、母線和升的發電機、沖擊電壓保護器、發電機側開關、母線和升壓變壓器可全部由壓變壓器可全部由1 1臺臺PO

53、FPOF代替。代替。PowerformerPowerformer不僅僅是一臺高壓發電機，而且代表了電不僅僅是一臺高壓發電機，而且代表了電廠中一個全新的概念，它打破了廠中一個全新的概念，它打破了1 1個世紀以來電廠的傳個世紀以來電廠的傳統模式。統模式。PowerformerPowerformer是水力發電和火力發電的專有名是水力發電和火力發電的專有名詞，與同步發電機的區別主要在定子方面。全部定子繞詞，與同步發電機的區別主要在定子方面。全部定子繞組由一根電纜繞制，中間沒有接頭，可靠性較高。組由一根電纜繞制，中間沒有接頭，可靠性較高。2022-6-30電氣工程導論613）磁懸浮技術磁懸浮技術磁懸浮列車是將列車用磁力懸浮起來，使列車與導軌脫離接觸，磁懸浮列車是將列車用磁力懸浮起來