机电能量转换 课件 ch01 机电能量转换装置及发展

机电能量转换南京航空航天大学研究生优质教学资源建设项目机电能量转换装置及发展第一章引言

当前，人类正处于第四次工业革命时代，即我们常说的工业“4.0”在此之前，人类经历了三次工业革命。

第一次工业革命发生在18世纪60年代至19世纪中期，利用水力和蒸汽机实现工厂机械化，极大提高了社会生产力。第二次工业革命发生在19世纪70年代到20世纪初，在此期间，科学技术取得了突飞猛进的发展，并被迅速应用到工业生产中，大大促进了社会生产力的发展。电力的广泛使用是第二次工业革命的重要标志，人类由此进人“电气时代”。第三次工业革命是20世纪后半期出现的，主要是利用计算机技术和信息技术提高工业生产的自动化水平。而第四次工业革命的目标则是以人工智能技术、机器人技术、虚拟现实技术、量子信息技术、可控核聚变、清洁能源及生物技术为依托，通过人一机一物互联互通的手段，将制造业推向智能化。引言可以说从第二次工业革命开始，工业生产就离不开电能，也就离不开机电能量转换装置。而且人们的日常生活也离不开电能，很多设备、产品本身属于或包含机电能量转换装置。机电能量转换装置的作用是实现机械能与电能之间的转换。发电机将机械能转变为电能，电动机则将电能转变为机械能。

当前，人类正处于第四次工业革命时代，即我们常说的工业“4.0”在此之前，人类经历了三次工业革命。

机电能量转换装置的分类011.1机电能量转换装置的分类1.根据功率大小与用途不同，机电能量转换装置可以分成3类。（2）动铁换能器（3）连续机电能量转换装置(1)机电信号变换器机电信号变换器变换的机电功率小，能够实现机械能到电能的转换，通常用于产生人们希望得到的电信号。动铁换能器的输入为电能，输出为机械能，能够将电能转换成动铁部分的直线旋转运动。该类机电能量转换装置的特点是能够较长时间进行连续机电能量转换，最为典型的有电动机和发电机等。(1)机电信号变换器机电信号变换器变换的机电功率小，能够实现机械能到电能的转换，通常用于产生人们希望得到的电信号。常见的机电信号变换器有音响设备中的扬声器、话筒，它们用以捕捉空气的振动，产生相应幅值、频率的电信号，为了实现对声音的放大效果，还需要后级电路对相应的电信号进行功率放大，以驱动音箱等。此外，用作传感器的测速发电机、旋转变压器等也是常见的机电信号变换器，它们感受速度、转子位置变化，输出包含转速、位置信息的电信号，提供给控制电路。1.1机电能量转换装置的分类（2）动铁换能器/（3）连续机电能量转换装置动铁换能器的输人为电能，输出为机械能，能够将电能转换成动铁部分的直线或旋转运动，其特点是动铁换能器的可动部分的运动范围是受到限制的。典型的动铁换能器有继电器、接触器、电磁铁等。该类机电能量转换装置的特点是能够较长时间进行连续机电能量转换，最为典型的有电动机和发电机等。1.1机电能量转换装置的分类2·按照能量转换的场所介质不同分类机电能量转换装置按照能量转换的场所介质不同，可以分为磁场型、电场型及材料形变（压电效应、电致伸缩、磁致伸缩）型3类。磁场型机电能量转换装置包括继电器、接触器、电磁铁、各种常见的电机，它们机电能量转换的场所都是磁场。电场型机电能量转换装置需要依靠静电场来实现机械能与电能之间的转换，诸如电容麦克风感受外界音源，引起电容极板振动导致电容容值变化，从而转变成电信号输出。1.1机电能量转换装置的分类此外，一些材料依靠材料内部的结构特性实现机械能与电能之间的转换。例如，有的材料在施加电场或磁场作用下会发生形变，像锆钛酸铅陶瓷等多晶材料在外加电场时，内部电畴的极化方向会转动到与外电场相一致，从而导致相应方向的材料长度发生变化；

在外加磁场中，一些材料如金属氧化物、铁氧体及稀土材料的磁化方向的尺寸会发生改变，这就是磁致伸缩现象。

利用压电效应制成的压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料，它在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心发生相对位移，导致材料两端面出现符号相反的束缚电荷，主要用于制造超声换能器、水声换能器、电声换能器及压电陀螺等。1.1机电能量转换装置的分类机电能量转换装置的发展021.2机电能量转换装置的发展磁场型机电能量转换装置中，电磁式电机是最重要的一类。随着我国“碳达峰"“碳中和"3060目标的确立，新能源汽车取代传统燃油车成为趋势，电动汽车产业蓬勃发展，促进了电驱动技术的快速进步；以电力（混合）驱动技术为核心的绿色航空概念也受到各国航空业界的高度关注，对电磁式电机提出了高功率密度、高效率等性能要求。随着新材料、电力电子器件、冷却技术的发展，出现了超导电机、容错电机等新型电磁式电机。电磁式电机驱动系统是一个跨机械、电气、控制、材料、传热等学科的复杂对象，通常要采用多物理场仿真技术对其进行研究。电机领域的研究可以分为新型电机拓扑结构、电机本体优化设计、高功率密度控制器、先进驱动控制策略等诸多方面。电场型机电能量转换装置中的静电电动机可以细分为两类，一类是基于介电弛豫

原理的静电感应电动机，另一类是可变电容型静电电动机。前者利用转子表面感应出的电荷产生的电场滞后于旋转电场的特性，转子上的感应电荷产生的电场与定子旋转电场之间就会存在一个夹角，使得转子上受到电场转矩的作用。后者是由于转子不同位置下对应的定、转子之间的电容值不同，导致电场储能发生变化，进而产生电场力及电场转矩。在微尺度领域，电磁式电机由于结构过于复杂，相比结构简单的静电电动机不再具有优势，在航天卫星和医疗器械领域中人们已经开始尝试用静电电动机来代替传统的电磁式电机。

1.2机电能量转换装置的发展静电电动机除采用传统的机械加工手段外，比较成熟的有表面超微加工技术和光刻、电铸及脱模（LIGA）技术。表面超微加工技术利用牺牲层技术和集成电路工艺相结合对硅材料进行加工，可以实现微机械和微电子的系统集成。LIGA技术利用X射线光刻技术，通过电铸成型和铸塑形成深层微结构，这种方法可以对多种金属及陶瓷进行三维微细加工。静电电动机尺寸比较小，一般采用有限元法对它进行三维场分析，从而建立控制模型。此外，传动结构和微尺寸下的摩擦问题等是静电电动机领域的研究重点。

材料形变型机电转换装置与材料的发展密不可分。和传统的超磁致伸缩材料及压电陶瓷材料（PZT）相比，近期发展起来的稀土超磁致伸缩材料的伸缩应变更大，产生的推力也大，而且具有能量