电气工程导论专题电机基础

电气工程导论——

专题一电机基础5/12/2024一、电机学发展史1820年奥斯特发现了电流磁效应，随后安培通过总结电流在磁场中所受机械力的情况建立了安培定律5/12/20242电气工程导论1、直流电机的产生与形成1821年9月法拉第发现通电的导线能绕永久磁铁旋转以及磁体绕载流导体的运动，第一次实现了电磁运动向机械运动的转换，从而建立了电动机的实验室模型，被认为是世界上第一台电机。盘子内注入水银，盘子中央固定一个永磁体，盘子上方悬挂一根导线，导线的一端可在水银中移动，另一端跟电池的一端连接在一起，电池的另一端跟盘子连在一起，构称导电回路，载流导线在磁场中受力运动。5/12/20243电气工程导论第一台真正意义上的电机1831年，法拉第利用电磁感应发明了世界上第一台真正意义上的电机──法拉第圆盘发电机。这台发电机制构造跟现代的发电机不同，在磁场所中转动的不是线圈，而是一个紫铜做的圆盘。圆心处固定一个摇柄，圆盘的边缘和圆心处各与一个电刷紧贴，用导线把电刷与电流表连接起来；铜圆盘放置在蹄形永磁体的磁场中，当转动摇柄使铜圆盘旋转起来时，电流表的指针偏向一边，电路中产生了持续的电流。5/12/20244电气工程导论振荡电动机1831年夏，亨利对法拉第的电动机模型进行了改进该装置的运动部件是在垂直方向上运动的电磁铁，当它们端部的导线与两个电池交替连接时，电磁铁的极性自动改变，电磁铁与永磁体相互吸引或排斥，使电磁铁以每分钟75个周期的速度上下运动。亨利的电动机的重要意义在于这是第一次展示了由磁极排斥和吸引产生的连续运动，是电磁铁在电动机中的真正应用。亨利的振荡电动机照片原理图5/12/20245电气工程导论第一台能产生连续运动的旋转电动机1832年，斯特金发明了换向器，据此对亨利的振荡电动机进行了改进，并制作了世界上第一台能产生连续运动的旋转电动机。后来他还制作了一个并励直流电动机。5/12/20246电气工程导论雅可比的电动机1834年，德国的雅可比在两个U型电磁铁中间，装一六臂轮，每臂带两根棒型磁铁，通电后，棒型磁铁与U型磁铁之间产生相互吸引和排斥作用，带动轮轴转动。安在小艇上，用320个丹尼尔电池供电，1838年小艇在易北河上首次航行，时速只有2.2公里，但种电动机都没有多大商业价值，用电池作电源，成本太大、不实用。5/12/20247电气工程导论直流发电1882年，德国将米斯巴哈水电站发出的2千瓦直流电通过57千米1500～2000伏电线输送到慕尼黑，证明直流远距离输电的可能性。直流在传输中的缺点：电压越高，电能的传输损失越小，但高压直流发电机困难较大，而且单机容量越大，换向也越困难，换向器上的火花使工作不稳定。因而人们就把目光转向交流电机。5/12/20248电气工程导论2、交流电机的产生与形成1824年，法国人阿拉果（D．F．J．Arago）在转动悬挂着的磁针时发现其外围环上受到机械力。1825年，他重复这一实验时，发现外围环的转动又使磁针偏转，这些实验导致了后来感应电动机的出现。5/12/20249电气工程导论1888年南斯拉夫出生的美国发明家特斯拉发明了交流电动机。它是根据电磁感应原理制成，又称感应电动机，这种电动机结构简单，使用交流电，无火花，因此被广泛应用于工业的家庭电器中，交流电动机通常用三相交流供电。美国的特斯拉在爱迪生公司的时候就决心开发交流电机，但爱迪生坚持只搞直流方式，因此他就把两相交流发电机和电动机的专利权卖给了西屋公司。5/12/202410电气工程导论电机迅速发展1891年，奥斯卡·冯·米勒在法兰克福世界电气博览会上宣布：他与多里沃合作架设的从劳芬到法兰克福的三相交流输电电路，可把劳芬的一架300×735.5W55V三相交流发电机的电流经三相变压器提高到了万伏，输运175千米，顺利通电，从此三相交流电机很快代替了工业上的直流电机，因为三相制的优点十分明显：材料可靠，结构简单，性能好，效率高，用铜省，在电力驱动方面又有重大效益。各种各样的电机迅速发展起来。1896年，特斯拉的两相交流发电机在尼亚拉发电厂开始劳动营运，3750KW，5000V的交流电一直送到40公里外的布法罗市。5/12/202411电气工程导论（一）、电机分类按类别分电机静止电机——变压器旋转电机直流电机交流电机控制电机异步电机同步电机二、电机基础知识5/12/202412电气工程导论（二）、电机在国民经济中的地位电能生产——由同步发电机生产；高压输电——由升压变压器将发电机发出的电压升高到输电电压再输送；降压用电——由降压变压器将输来的高压电降为所需低电压，供给用电设备；生产机械的拖动——由各种电动机实现；控制系统中的信号转换——由各种控制电机完成。5/12/202413电气工程导论请找出电力系统图中使用电机（变压器）的部分？5/12/202414电气工程导论5/12/202415电气工程导论机器人5/12/202416电气工程导论三、电机学的教学开课时间：大三上学期《电机学》是电气工程及其自动化专业的主干课程及重要专业基础课，是学习电机设计、电机控制、电力拖动、电力系统分析、继电保护等课程的基础。学习本课程不仅为学习专业课做好准备，而且为今后从事的专业工作打下基础。5/12/202417电气工程导论1、磁路掌握磁路的基本定律，了解各种常用的铁磁材料及其性质。AN

i5/12/202418电气工程导论电磁感应定律闭合回路中的磁通量随时间发生变化，该线圈中必然有感应电势产生，称这种现象为电磁感应。5/12/202419电气工程导论2、变压器了解变压器的基本结构、工作原理和额定值。变压器的空载运行及变压器的负载运行分析。用途分类：电力变压器，电力系统传输电能电炉变压器，专给炼钢炉供电整流变压器，大型电解电镀、直流电力机车供电仪用变压器、控制变压器无线电变压器，仅传输信号。5/12/202420电气工程导论电力变压器变压器的总容量大致相当于发电机容量的三倍。输电过程中，通常将电压升高，通过高压输电线传送到远方的城市，经过降压变压器降为10kv电压，再经过配电降压变压器分配给用户。输送同样的功率，电压低则电流大，一方面由于大电流在输电线路上引起损耗，另一方面大电流在线路阻抗上产生大的压降，受电端电压很低，电能传送不出去。只有高电压能将电能输送到远方。配电变压器5/12/202421电气工程导论配电变压器输电变压器5/12/202422电气工程导论3、直流电机将在《电力拖动》课程（大三下学期开课）中讲述直流电机的运行特性；直流电动机起动、调速方法和制动方法。5/12/202423电气工程导论4、交流绕组及其电动势和磁动势5/12/202424电气工程导论5、感应电机的稳态分析主要用作电动机；

笼型异步电机剖面图转轴定子绕组转子定子铁心端盖接线盒5/12/202425电气工程导论6、同步电机的稳态分析主要用作发电机5/12/202426电气工程导论为了充分利用各种水力资源，潮汐、落差很低的平原河流甚至波浪等也引起普遍重视，从而使贯流式水轮机和其他小型机组迅速发展。5/12/202427电气工程导论水电站的发展葛州坝水电站一般修建在河道中下游河道纵坡平缓的河段上1、坝式水电站河床式电站5/12/202428电气工程导论2、坝后式水电站当水头较大时，厂房本身抵抗不了水的推力，将厂房移到坝后，由大坝挡水。一般修建在河流的中上游。三峡水电站就是坝后式水电站三门峡水电站三峡水电站5/12/202429电气工程导论3、引水式水电站在河流坡降陡的河段上筑一低坝(或无坝)取水，通过人工修建的引水道(渠道、隧洞、管道)引水到河段下游，集中落差，再经压力管道引水到水轮机进行发电。5/12/202430电气工程导论4、潮汐电站潮汐发电就是在海湾或有潮汐的河口建一拦水堤坝，将海湾或河口与海洋隔开构成水库，再在坝内或坝房安装水轮发电机组，然后利用潮汐涨落时海水位的升降，使海水通过轮机转动水轮发电机组发电。5/12/202431电气工程导论最大的潮汐电站——法国朗斯电站江厦潮汐试验电站是我国最大的潮汐能电站，到2006年12月31日，电站累计发电1.35亿千瓦时。5/12/202432电气工程导论汽轮机秦山核电站湛江火电厂火电厂中的汽轮机组5/12/202433电气工程导论汽轮机的发展大型汽轮机组的研制是汽轮机未来发展的一个重要方向；研究提高热效率是汽轮机发展的另一方向，采用更高蒸汽参数和二次再热，研制调峰机组，推广供热汽轮机的应用则是这方面发展的重要趋势。现代核电站汽轮机的数量正在快速增加，因此研究适用于不同反应堆型的、性能良好的汽轮机具有特别重要的意义。全世界利用地热的汽轮机的装机容量，1983年已有3190兆瓦，不过对熔岩等深层更高温度地热资源的利用尚待探索；利用太阳能的汽轮机电站已在建造，海洋温差发电也在研究之中。所有这些新能源方面的汽轮机尚待继续进行试验研究。5/12/202434电气工程导论四、电机研究现状大容量、超高速大功率、超低速智能材料多功能集成电机系统5/12/202435电气工程导论1、大容量、超高速三峡工程开工时，国内尚无制造单机容量700MW水轮发电机组的实践经验三峡工程水轮发电机组采购实行国际公开招标。1997年9月14台左岸水轮发电机组（7.4亿美元）；法国阿尔斯通和瑞士ABB公司联合制造供应8台套）机组，美国通用电气、德国伏伊特、西门子组成的VGS集团供应另外6台（套）机组。合同的另一关键内容：我国两家知名的水轮发电机组制造厂东方电机股份有限公司和哈尔滨电机厂有限责任公司总计分包2.3亿美元，约31％的制造任务，并通过与外商约定的技术转让条款，使这两个厂进一步掌握三峡机组的关键技术，为三峡工程右岸电站12台机组的“以我为主”制造打下基础。5/12/202436电气工程导论三峡左岸机组与外商的合作制造，使我国发电设备制造业的水平有了阶段性的提高，哈电、东电等已具备独立承担大型水电机组制造的能力。今天5/12/202437电气工程导论东方电机：交付首台三峡右岸水轮机转轮2006年10月东方电机开发出三峡右岸水轮发电机组，我国完全拥有自主知识产权，综合性能全面优于三峡左岸水轮发电机组。改变了我国巨型水轮发电机组研发技术依靠国外进口的状况，标志着东方电机已系统掌握包括从水轮机模型转轮水力开发、水轮机真机结构设计到真机加工制造的全部核心技术。

5/12/202438电气工程导论哈电机厂三峡右岸水轮机转轮研制成功2006年11月30日，目前世界上最大70万千瓦水轮机核心部件——三峡右岸水轮机转轮在哈尔滨电机厂辽宁葫芦岛制造成功，将在三峡工地“服役”。这是我国独立研制成功并拥有自主知识产权的巨型水轮机组。它的研制成功结束了我国在此领域内长期依赖进口的历史。5/12/202439电气工程导论超高速电机研制超高速电机转速高，几何尺寸小，可以有效节约材料；响应快，可以与原动机或负载直接连接，省去变速装置，减小噪音，提高传动的效率。——国际电工领域的研究热点。超高速电机转速高美国Calntix公司开发2MW高速永磁发电机，转速19000～22500r/min；永磁无刷直流电机转速最高可达452000r/min。我国已研制出50000r/min小功率高速电机；对高速电机的需求比较迫切。5/12/202440电气工程导论高速电机应用领域（超）高速电机可广泛用于高速磨头，高速的车床、钻床、铣床；医疗器械和手术器械中用的高速电机；高速电动工具以及航空航天等领域。5/12/202441电气工程导论2、大功率、超低速主要应用于船舶和舰艇推进系统的直接电力驱动和大型风力发电机。体积大国外已能生产4.5MW的直驱式风力发电机，转速8～13r/min。5/12/202442电气工程导论3、智能材料近年，新型功能材料——智能材料，如压电陶瓷、超磁致伸缩、电致伸缩、温控与磁控形状记忆合金等等。由智能材料构思出各种新型能量转换器件与系统，如传感器、执行器和机器人等。成为电工科学新的研究领域。超声波电机是近年发展迅速的一种压电执行器。5/12/202443电气工程导论超声波电机超声波电机是今年来发展的一门新技术，超声波电机是一种完全不同与传统的电机。超声波电机是一种借助摩擦传递动力的驱动机构。它与传统的电动机相比有体积小，机构简单，易于控制和无磁污染超声马达的超静运行特别适用于医院、宾馆、办公室等要求低噪声的场合；它的大能量密度适用于机器人的驱动，驱动过程中不需要齿轮装置，适用于精密定位装置中；在汽车工业和航天工业中超声马达也有着广泛的应用前景，特别是在航天领域，它有着电磁马达所不可替代的地位。超声波电机是在1961年，Bulova钟表公司首次开始应用它作为动力。5/12/202444电气工程导论1）压电效应逆压电效应当材料受力作用而变形时,其表面会有电荷产生5/12/202445电气工程导论TRUM-60旋转型行波超声电机之轴测分解图利用压电材料的逆压电效应，把电信号加到压电陶瓷-金属构成的定子上，使定子产生一定轨迹的机械振动，带动弹性体产生弯曲弹性波,靠外力加压产生摩擦力,是转子旋转,也就是说,显示压电性的晶体,通过压电效应,把力学量与电学量(电场E和电位移D或极化强度P)互相联系起来——电机藕合。驱动转子运动的新型电机。由于定子的振动频率多数工作在超声频范围，因此也被称为超声波电机或超声马达，也可统称为压电致动器。5/12/202446电气工程导论2）目前发展日本在超声电机的研究和应用上都处于领先地位。美国、德国、法国、英国等都己经或正在投入大批的人力、物力开发超声电机，努力追赶日本。特别是美国，仅Pennysyvania州立大学在1994－1998年就投入1.5亿专门从事压电材料和超声电机研究。德国GmbH公司的产品已用于奔驰汽车自动窗门。我国超声电机研究是从二十世纪九十年代开始，其中清华大学、哈尔滨工业大学、吉林工业大学、浙江大学、南京航空航天大学先后开展了超声电机的研究，但尚未进入商业应用。清华大学物理系超声电机项目研究组http:///usm/南京航天航空大学超声电机研究中心http:///5/12/202447电气工程导论3）超声电机技术的应用5/12/202448电气工程导论日本Canon公司生产了带有环型超声电机的照相机，使得该相机聚焦系统结构简单、聚焦快，噪声小。Canon公司已有37种照相机聚焦镜头应用了超声电机，其他Nikon，Olympus等公司的照相机也逐步在采用超声电机。超声电机能减轻机器人的重量，简化其结构，提高响应速度，世界各国研究者都正在把超声电机用于机器人。日本丰田公司已在出口到美国的汽车反光镜、方向盘和座椅头靠等都应用了超声电机。日本处于领先地位5/12/202449电气工程导论美国在宇宙飞船、火星探测器、导弹、核弹头等航空航天工程中都陆续应用了超声电机。比用传统的电磁电机降低30%的重量。NASA的CoddarSpaceFlightCenter将超声电机应用空间机器人技术。其中微型机器手MicroArmI使用了具有力矩0.05NM的超声电机。火星机器手MarsArmII使用了三个具有力矩为0.68NM和一个具有0.11NM的超声电机。比使用同等功能的直流电机轻40%。5/12/202450电气工程导论目前计算机软盘（FD）、光盘（CD-ROM）和硬盘（HD）的磁头的直线运动是采用旋转电磁电机加上齿轮机构来实现的。在这样的传动系统中，如要使机构进一步小型化和提高运动精度是十分困难的。但如果改用直线型超声电机，就可以使传动系统变小、变薄。最近几年，日本学者正在努力把直线型超声电机引到计算机上来。5/12/202451电气工程导论4）超声电机技术的未来21世纪，航空航天是我国重点发展的领域之一。从国外的应用的情况看，它必将应用超声电机。如纳米卫星、微型飞机、宇宙飞船和空间探测器等，应用超声电机，可以减少其重量，增强其可控性；机器人和微型机械，也是我国21世纪重点发展的领域之一。超声电机可以使机器人和微型机械简化结构，减轻重量，增强其可控性。随着超声电机的微型化，微型机械可进入人体，如作为人造心脏的驱动器，它将会大大推动人造器官的产业化进程；21世纪，我国将要大力发展磁浮列车。磁浮列车上的强磁场干扰，使得在磁浮列车上的传统的电磁电机工作失效，超声电机将大有可为；5/12/202452电气工程导论未来豪华轿车上的电机之多可达80个，使汽车体积增加，电磁干扰增强。应用超声电机，由于不需齿轮箱从而大大降低其体积；由于超声电机不产生磁场而使汽车的电磁兼容性得到大大改善。汽车上的中央门锁、门窗玻璃的升降，前视镜和雨刮器等，均可用超声电机来代替传统的电磁电机；随着掌上计算机，可视电话电视、手提式仪器等的发展，微型超声电机将可得到广泛应用。超声电机将使这些微型仪器降低重量和体积，减少其能量损耗；由于超声电机的位置控制精度很高，可达微米级甚至纳米级。超声电机将会在一些精密仪器、医疗设备以及半导体制造技术中得到广泛应用。5/12/202453电气工程导论纳米发电机超声波驱动的纳米发电机能收集周围环境中微小的震动机械能并转变为电能来为其它纳米器件，如传感器，探测器等提供能量。这种震动机械能普遍存在于自然界以及人们日常生活中，如空气或水的流动、引擎的转动、空调或其它机器的运转等引起的各种频率的噪音，人行走时肌肉伸缩能或脚对地的压缩能等。甚至在人体内由于呼吸，心跳或是血液流动带来的体内某处压力的细微变化也有可能带动纳米发电机产生电能。 纳米发电机的发明为实现能源系统的微型化带来了可能；对于实现具有完全无线，可生物植入，以及长时期甚至终生无需照管的纳米或微电子器件，提供了一种理想的电源系统。5/12/202454电气工程导论4、多功能集成电机系统交直流供电系统Powerformer磁悬浮技术5/12/202455电气工程导论1）交直流集成供电系统交直流集成供电系统提供直流动力；还提供正弦交流220V/380V、50HZ电力适合应用于无电山村、邮电通信、边防海岛、部队及野外作业、舰艇、飞机、移动通信基站户外基站以及大型电站。发电5/12/202456电气工程导论2）Powerformer发电机发出的电要经过升压变压器升压后才与高压电网相连，而高压电网又需要用降压变压器降压才能向电动机供电。形成这一怪圈的根本原因是输电电压很高，而电机电压较低。即由于绝缘水平的限制，人们无法制造能与电网直接相连的电机，这也使人们对发电－输电－供电的系统习以为常。很早以来就有人想研究一种与电网直接相连的超高压发电机。早在1905年，门加里尼和匈牙利冈茨工厂的工程师一道，对意大利Subjaco水电站的两台30kV，5.2MVA，450r/min（45Hz）的水轮发电机进行了研究；1928年，帕森斯（C.A.Parsoas）和罗森（J.Rosen）研制成一台直接与电网相连的33kV，25MVA，3000r/min的汽轮发电机；1932年BBC公司为比利时提供了一台36kV的汽轮发电机（以后曾制造多台）。不过由于他们都是在传统电机结构和传统绝缘系统上下功夫，进展不大，效果不佳。与之同时，电网电压迅速提高，到20世纪50年代，这种探索终于无法进行下去。5/12/202457电气工程导论1990年，ABB公司瑞典分部开始进行与电网直接连接的超高压发电机的研究。摒弃传统电机的绕组及其绝缘结构，从高压输电用交联聚乙烯(XLPE)电缆的电压提高获得灵感，将输电电缆融入发电机结构中。1998年2月，世界上第1台采用高压交联聚乙烯电缆绕制定子绕组的Powerformer在瑞典PoJus水电站直接并网运行。该机组容量11MVA、电压45kV、转速600r/min。2000年初，阿尔斯通(ALSTOM)合并ABB公司后，继续支持Powerformer的开发与研究。之后有；3台商业用的Powerformer投产运行。第一台超高压发电机5/12/202458电气工程导论/files/wx/dfdqpl/2002-3/1.htm

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5/12/202459电气工程导论POF特点电机与变压器合一的高压发电机；无需升压变压器就可以直接连接高压电网POF无需升压变压器就可以直接连接电网，常规电厂中的发电机、冲击电压保护器、发电机侧开关、母线和升压变压器可全部由1台POF代替。Powerformer不仅仅是一台高压发电机，而且代表了电厂中一个全新的概念，它打破了1个世纪以来电厂的传统模式。Powerformer是水力发电和火力发电的专有名词，与同步发电机的区别主要在定子方面。全部定子绕组由一根电缆绕制，中间没有接头，可靠性较高。5/12/202460电气工程导论3）磁悬浮技术磁悬浮列车是将列