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1、特种电机及其控制,特种电机及其控制教材：特种电机及其控制孙建忠、白凤仙编著中国水利水电出版社,2005,特种电机及其控制,特种电机及其控制,绪 论,特种电机及其控制,特种电机及其控制,机器人,特种电机及其控制,0.1 特种电机的定义与类型,在工作原理、结构、性能或设计方法上有较大的特点的电机都属于特种电机的范畴。,1、特种电机已经突破了传统电机的范畴超声波电机：利用驱动部分(压电陶瓷元件的超声波振动)和移动部分之间的动摩擦力而获得运转力的一种新原理电机。微波电动机：能够接受并将微波转换为机械能的新型电机。静电电机：利用电场和电荷之间的动力制成的一种超微电机。,特种电机及其控制,超声波电机,超声
2、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。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。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。,特种电机及其控制,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,特种电机及其控制,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
3、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,使转子旋转,也就是把力学量与电学量(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。,特种电机及其控制,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19941998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
4、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:/南京航天航空大学 超声电机研究中心http:/,特种电机及其控制,3）超声电机技术的应用,特种电机及其控制,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
5、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。,领先技术,特种电机及其控制,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Coddar Space Flight Center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%。,特种电机及其控制,目前计算机软盘（FD）、光盘（CD-ROM）和硬盘（HD
6、）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。,特种电机及其控制,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。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
7、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。,特种电机及其控制,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
8、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。,特种电机及其控制,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
9、微电子器件，提供了一种理想的电源系统。,特种电机及其控制,2、在传统电机的范畴内，许多电机的工作原理也具有较大的特殊性。,开关磁阻电机：在电机发明之后的100多年来，磁阻电机的效率、功率因素和功率密度都很低，长期以来只能用作微型电动机，而磁阻电机与电力电子器件相结合构成的开关磁阻电机，其功率密度与普通感应电机相近，在很宽的运行范围内保持高效率，系统总成本低于同功率的其他传动系统。无刷直流电动机：最初是由电子换向线路代替直流电机的机械换向器发展起来的，但之后的发展使其无论是在电机结构上，还是运行和控制原理上更接近于同步电动机。,特种电机及其控制,3、在结构上，除了传统的径向磁场旋转电机之外，还出
10、现了许多特殊结构电机,直线电机：直线运动，应用于高速磁悬浮列车、传送带等 盘式电机：轴向磁场；外形扁平、轴向尺寸短；横向磁场电机：模块组合、横向磁场螺旋电机：螺旋运动,特种电机及其控制,磁悬浮技术,磁悬浮列车是将列车用磁力悬浮起来，使列车与导轨脱离接触，以减小摩擦，提高车速。列车由直线电机牵引。直线电机的一个级固定于地面，跟导轨一起延伸到远处；另一个级安装在列车上，初级通以交流，列车就沿导轨前进。列车上装有磁体（有的就是兼用直线电机的线圈），磁体随列车运动时，使设在地面上的线圈（或金属板）中产生感应电流，感应电流的磁场和列车上的磁体（或线圈）之间的电磁力把列车悬浮起来悬浮列车的优点是运行平稳，
11、没有颠簸，噪声小，所需的牵引力很小，只要几千kw的功率就能使悬浮列车的速度达到550kmh。悬浮列车减速的时候，磁场的变化减小，感应电流也减小，磁场减弱，造成悬浮力下降。,特种电机及其控制,磁悬浮中的直线电机liner motor,将传统的旋转电机从转子中心向一侧切开并且展直，这样旋转电机则变为直线电机。或者认为直线电机是半径无限大的旋转电机。这时定子中的旋转磁场将变为直线移动磁场，车辆将随着直线电机磁场的移动而向前运动。直线电机可以划分为长定子直线电机和短定子直线电机长定子直线电机的定子（初级线圈）设置在导轨上，其定子绕组可以在导轨上无限长地铺设，故称为“长定子”。长定子直线电机通常用在高速
12、及超高速磁悬浮铁路中，应用在长大干线及城际铁路领域。,特种电机及其控制,特种电机及其控制,高速、超高速磁悬浮铁路一般使用该种长定子直线同步电机。德国的运捷TR和日本的MLX系统均使用这种直线同步电机。,特种电机及其控制,我国第一辆国产悬浮磁客车,我国第一辆国产悬浮磁客车（长春客车厂）德国和日本之后，第三个掌握磁悬浮客车技术的国家。由长春客车厂、西南交通大学和株洲电力机车研究所联合开发研制的。为常导吸浮式磁悬浮车，采用电磁吸力将车辆浮起，与轨道间距始终保持在至毫米之间，采用直线电机驱动车，推进速度取决于直线电机的牵引力，运营时速公里，最高试验时速可达公里。,特种电机及其控制,4、特种电机的种类很
13、多，而且仍在不断创新和发展之中。一般来说，新工艺、新材料的采用，必然带来电机设计方法的改变和电机运行性能的变化；而即使采用同样的工艺和材料，特殊的设计也必然导致特殊的电机性能。稀土永磁电机、超导电机从设计到运行都与普通电机有很大的差别。而稀土永磁同步电机可以设计为宽调速电机解决恒功率弱磁运行速度范围窄的难题；也可以设计为高效电机我国开发的超高效稀土永磁同步电机的效率，比美国预计2007年推出的最高效电动机的效率高24个百分点，而且小一个机座号。,特种电机及其控制,特种电机的分类,新原理特种电机,根据电磁原理工作的传统原理特种电机。,沿用电机学惯用的分类方法，按功能分类，将它们划入变压器、发电机
14、、电动机或控制电机的范畴；也可以按照电机的特点和电源性质分类，将它们划入变压器、直流电机、同步电机、或感应电机的范畴。,“特征”+“大类”的分类和命名方法：如：多自由度超声波电机,特种电机及其控制,0.2 特种电机的应用,(1)信息处理领域：配套微电机全世界年需求量约15 亿台(套)，绝大部分是精密永磁无刷电动机、精密步进电动机。(2)交通运输领域:在高级汽车中，为了控制燃料和改善乘车感觉以及显示有关装置状态的需要，要使用4050台电动机，而未来豪华轿车上的电机可多达80台。汽车电器配套电机主要为永磁直流电机、无刷直流电机等。电动车辆驱动用电机主要是无刷直流电动机、开关磁阻电动机、永磁同步电动
15、机等等，这类电机的发展趋势是高效率、高出力、智能化。在机车驱动、轮船推进中也取得了广泛应用，如直线电机用于磁悬浮列车、地铁的驱动。,特种电机及其控制,(3)家用电器领域：工业化国家一般家庭中用到35台以上特种电机。家电配套的电机要求高效率、低噪声、低振动、低价格、可调速和智能化。无刷直流电动机、开关磁阻电动机等新兴的机电一体化产品正逐步替代传统的单相感应电动机。(4)高档消费品领域：电唱机、录音机、VCD视盘和DVD视盘等音响设备配套电机主要为印制绕组电机、绕线盘式电机等。这类电机属精密型，制造加工难度大，尤其进入数字化后，对电机提出了更苛刻的要求。,特种电机及其控制,(5)电气传动领域：在要
16、求速度控制和位置控制(伺服)的场合，特种电机的应用越来越广泛。如开关磁阻电机、无刷直流电机、功率步进电机、宽调速直流电机用于数控机床、机械手、机器人等。(6)特种用途，包括各种飞行器、探测器、自动化武器装备、医疗设备等：这类电机多为特殊电机或新型电机，包括从原理上、结构上和运行方式上都不同于一般电磁原理的电机，主要为低速同步电动机、谐波电动机、有限转角电动机、超声波电动机、微波电动机、电容式电动机、静电电动机等。,特种电机及其控制,0.3 特种电机的发展方向,(1)机电一体化 将传统电机与和电子技术有机结合，最终实现智能化。目前，电机在其实际应用中已由过去简单的提供动力为目的发展到对其速度、位
17、置和转矩等物理量进行精确控制，特种电机需要也必然与微电子技术、计算机技术和电力电子技术等相结合构成新颖的机电一体化产品。从军事和航空航天到工农业生产、信息、医疗以及家庭自动化，几乎所有领域都在越来越多地采用机电一体化伺服传动系统。,特种电机及其控制,(2)高性能化工农业生产的发展、科学技术的进步和人民生活水平的提高，对电机及其传动系统的性能提出了越来越高的要求；新型材料的应用为提高电机产品性能、降低成本创造了有利条件；而微电子技术、现代控制技术、计算机技术和电力电子技术的发展使特种电机控制性能的提高成为可能。,特种电机及其控制,(3)小型化与微型化 信息产品和消费类电子产品向微、轻、薄方向发展
18、，而空间技术、国防产品、医疗设备等对电机进一步提出了短、小、薄、低噪声、无电磁干扰等要求。小型化、甚至微型化是特种电机发展呈现的又一趋势。手机、BP机使用的振动电机，圆柱形电机的外形尺寸为410mm，片状振动电机外形尺寸为123mm。小型存储驱动器用的主轴无刷电动机外形尺寸为161.37mm。,特种电机及其控制,(4)大功率化 在工业传动和交通运输等领域，特种电机呈现大功率化趋势。我国开发的1120 kW永磁同步电动机是目前世界上功率最大的异步起动高效稀土永磁电机，其效率高于96.5(同规格电机效率为95)，功率因数0.94，可以替代比它大1-2个功率等级的普通电动机。开关磁阻电机传动系统最大
19、功率为5 MW，最大转矩106Nm转速可达100000 r/min。,特种电机及其控制,(5)非电磁化用相关学科的新成果，包括新原理、新材料，开发具有非电磁原理的特种电机已成为电机发展的一个重要方向。世界各国都在探索其他新型电机，如静电电机、超声电机、仿生电机、光热电机、形状记忆合金电机和微波电机等等。超声电机已在航空航天、机器人、汽车、精密定位仪、微型机械等领域得到成功的应用。美国NASA将超声电机应用于空间机器人技术。其中微型机械手MicroArm I使用了扭矩0.105 Nm 的超声电机。火星机械手MarsArm II 使用了三个扭矩为0.168Nm和一个扭矩为0.111 Nm 的超声电机，它们比使用同等功能的传统电机轻40%。,特种电机及其控制,本课程说明,特种电机的机电一体化趋势使各类电机的固有特性得到改善，甚至出现了新的人工特性。在这种情况下，我们甚至无法说清一个新的机电一体化产品究竟应该称之为什么类型的电机。,在本课程的学习中，我们不必过多地去争论某种电机的称呼和分类，不必拘泥于传统学科的框框。,课程内容：介绍几种已经取得或即将取得广泛应用的特种电机和特殊结构电机：无刷直流电动机、开关磁阻电机、步进电动机、盘式电机、直线电机和超声波电机。,
