电气工程概论第六章电工新技术

26十二月2023电气工程概论第六章电工新技术新理论、新原理新材料新技术等离子体物理放电物理电磁流体力学直线电机超导材料永磁材料半导体材料微电子计算机放电应用核聚变磁流体发电磁流体推进磁悬浮列车超导电工永磁电机与磁体光电应用电力电子微电子专用设备数控与机电控制电工装置CAD电磁场数值计算基础主要分支图6-1电工新技术的分类

一、电工新技术的发展趋势2二、超导电工技术图6-2液氦温区低温超导材料——NbTi导线

3二、超导电工技术（续）图6-3液氮温区高温超导材料——Bi系带材4超导现象

1911年荷兰科学家昂纳斯（H.KamerlinghOnnes）在测量低温下水银电阻率的时候发现，当温度降到-269℃附近，水银的电阻突然消失。

超导态的两个基本性质：一是零电阻效应；二是完全抗磁性，又称迈斯纳（Meissner）效应，即在磁场中超导体只要处于超导态，则它内部产生的磁化强度与外磁场完全抵消，从而内部的磁感应强度为零，即磁力线完全被排斥在超导体外面。二、超导电工技术（续）5二、超导电工技术（续）图6-4超导体的完全抗磁性现象6二、超导电工技术（续）2.超导技术的应用

超导电机图6-583MW超导发电机超导转子（左）与试验车间（日本）7图6-65MW船用高温超导推进电动机8图6-75MW船用高温推进电动机结构图9图6-8300kW超导单极电动机（武汉712所等）图6-9由超导电动机作动力的吊舱式螺旋推进器（图片来源：ABB公司）10

超导变压器图6-10500kW,6600/3300V高温超导变压器（日本）图6-1126kW高温超导变压器（中国科学院电工研究所等）11

超导输电图6-122000A高温超导电缆结构云电英纳超导电缆公司12图6-1330m长、35kV、2kA高温超导电缆云电英纳超导电缆公司13

超导储能图6-14超导储能装置的储能线圈图6-152MJ超导储能设备（德国）14

超导磁悬浮列车图6-16日本超导磁悬浮列车15超导在电气工程领域的其他应用超导电磁线圈：应用于托克马克装置、磁流体发电机等；超导磁悬浮轴承：无机械摩擦，稳定好。

总之，超导电工已由最初的超导磁体技术扩展到了包括超导电力应用与强磁场应用等领域，随着低温超导技术和高温超导技术的不断发展，特别是如果实现了临界温度达到室温的实用超导体，将带来革命性的改观。

16三、聚变电工技术

与裂变反应堆主要依靠核工技术与热工技术的结合而发展起来的历史不同，聚变反应堆的发展主要依赖于核工技术与电工新技术的结合，因为需要的关键技术超导技术、大体积强磁场技术、大能量脉冲电源技术、辅助加热技术、等离子体控制技术都属于电工新技术。

17图6-17托克马克装置原理（环形核聚变反应装置）18图6-18基于托克马克的核聚变电站原理19四、磁流体发电技术

当前，世界各国的电力主要来源仍旧是火力发电，但这种发电方式的热效率很低，最高只有40%。磁流体发电的热效率可以从火力发电的30-40%提高到50-60%甚至更高。磁流体发电是将高温导电燃气或液体与磁场相互作用而将热能直接转化为电能的新型发电方式。20图6-19磁流体发电原理与试验装置（日本）21图6-20

磁流体发电用超导磁体（中国科学研究院电工研究所）22五、磁流体推进技术

磁流体推进船图6-21日本超导磁流体推进船23

等离子磁流体航天推进器（a）（b）图6-22等离子推进器（a）结构示意图（b）“SMART-1号”探测器等离子推进器的喷口24风力发电图6-23风力发电站与电力系统并网六、可再生能源发电25图6-24海上风力发电机正在安装（丹麦）26太阳能发电

主要有三种：一是使太阳能直接转变成热能，即光热转换，如太阳能热水器；二是使太阳能直接转换成电能，即光电转换，如太阳能电池；三是使太阳能直接转变成化学能，即光化学转换，如太阳能发电机。1945年，美国贝尔电话实验室制造除了世界上第一块实用的硅太阳能电池，开创了现代人类利用太阳能的新纪元。27图6-25太阳能发电的四种方式（a）槽型抛物面（b）菲涅耳透镜（c）盘形抛物面-中心接受器（d）分布平面塔式接收器28图6-26太阳能热发电站图6-27塔式太阳能热电站原理示意图29图6-28太阳能光伏电池阵30七、磁悬浮列车技术超导长定子永磁长定子常导短定子常导长定子电动式长定子电磁式短定子电磁式长定子永磁式长定子图6-29磁悬浮列车分类31

日本超导磁悬浮列车图6-30日本超导磁悬浮列车的转向架图6-31日本超导磁悬浮列车的导轨结构32

德国常导磁悬浮列车Transrapid图6-32Transrapid原理33

日本常导磁悬浮列车HSST图6-33日本名古屋常导磁悬浮列车（Linimo）34

永磁磁悬浮列车图6-34德国柏林永磁半悬浮列车35八、燃料电池技术燃料电池的雏形是1839年由英国科学家格罗夫（WilliamRobertGrove，1811-1896）提出的（当时称为“气体伏打电池”）。图6-35燃料电池的外部结构图36图6-36为计算机供电的燃料电池37第一代燃料电池，碱性燃料电池，效率最高，但成本昂贵；第二代燃料电池，磷酸型燃料电池，技术先进，实用；第三代燃料电池，熔融碳酸盐型（MCFC）电池，效率比磷酸 型高，燃料也不仅仅限于氢气，是一种大容量发电燃料 电池；第四代燃料电池，固体电解质型燃料电池（SOFV），性能优 良，电解是固体，因此免去了腐蚀和溢漏的危险；第五代燃料电池，聚合物电解质型薄膜燃料电池（PEMFC）， 与氢能源关系十分密切；最近又出现了生物燃料电池，具有功率大，体积小，效率 高，成本低等优点。38九、飞轮储能系统图6-37瑞士1955年试制的飞轮储能轨道试验车图6-38飞轮储能系统39飞轮储能的应用

电力调峰

电动车辆飞轮电池

飞轮储能-再生制动系统

风力发电系统不间断供电

卫星姿态控制

大功率脉冲放电电源

其他应用40图6-39电力系统中的飞轮储能装置

电力调峰41

电动车辆飞轮电池图6-40英国Bristol的新型纯飞轮供电有轨车42

飞轮储能-再生制动系统图6-41德国采用飞轮储能装置的LIREX混合动力轻轨列车图6-42美国内燃机发电机-飞轮储能混合动力公交车ATTB43图6-43轨旁飞轮储能再生制动系统44

卫星姿态控制图6-44卫星姿态控制用飞轮系统45

大功率脉冲放电电源图6-45航天飞机电磁发射示意图46十、脉冲功率技术脉冲功率技术的基础是冲击电压发生器，也叫马克斯发生器或冲击机，是德国人马克斯（E.Marx）在1924年发明的。图6-46马克斯发生器47目前，脉冲功率技术的发展方向是提高功率水平，具体的主攻方向是：提高储能密度，研制大功率和高重复率的转换开关，向着高电压、大电流、窄脉冲、高重复率的方向发展。脉冲功率技术的应用：强激光的研究强脉冲X射线核电磁脉冲高功率微波武器电磁炮48轨道炮线圈炮磁悬浮发射器

磁悬浮加速托架磁悬浮间隙电枢线圈

驱动线圈

电枢（等离子体）电流图6-47电磁发射装置49图6-48国外研制的电磁炮50十一、微机电系统微机电系统（MicroElectro-MechanicalSystems，MEMS），是融合了硅微加工、光刻铸造成型和精密机械加工等多种微加工技术制作的集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微米（10e-6m）尺寸微型机电系统。51图6-49微机电系统电机和一根头发的对比（显微图）图6-50微机电系统继电器（放大图）52图6-51微机电系统陀螺仪53图6-52封装好的微机电系统产品54图6-52微机电系统卫星（概念图）55谢谢!56Chapter6NewTechnologyofelectrotechnics

571.DevelopmentsofElectrotechnics1.TendenciesofElectrotechnics2.SuperconductorElectrotechnics3.NuclearFusionElectrotechnics4.MagnetohydrodynamicPowerGeneration5.MagnetohydrodynamicPropulsionTechnology6.RenewablePowerGeneration7.MagneticLevitationTrain8.FuelCells9.FlywheelEnergyStorageSystems10.PulsedPowerTechnology11.MicroElectro-MechanicalSystems582.SuperconductorElectrotechnicsLiquidHeliumregionlowtemperaturesuperconductivematerial–NbTiwire

59LiquidNitrogenregionhightemperaturesuperconductivematerial-Biseriestapes60>>SuperconductingPhenomenonAmomentousdiscoverybyDutchscientistH.KamerlinghOnnesin1911,thattheresistanceofthemercuryturnedtozerowhenthetemperaturebelow-269℃.Itisaphenomenondisplayedbysomematerialswhentheyarecooledbelowacertaintemperature,knownasthesuperconductingcriticaltemperature,Tc.

HTS:highTcsuperconductor

BelowTc,superconductingmaterialsexhibittwocharacteristicproperties:Zeroelectricalresistance;Fulldiamagnetism(MeissnerEffect).Whenthesuperconductorbelowit’scriticaltemperature，andamagnetisbroughtneartoit,theinnermagneticfieldintensityofthesuperconductoriscompletelyexpelledtozero,behavingasafulldiamagnet.61MeissnerEffectAsuperconductivediskonthebottom,cooledbyliquidnitrogen,causesthemagnetabovetolevitate.Thefloatingmagnetinducesacurrent,andthereforeamagneticfield,inthesuperconductor,andthetwomagneticfieldsrepeltolevitatethemagnet.62>>Applications

Superconductingmotor83MWsuperconductingrotor

andit’stestplant(Japan)635MWHTSshippropulsionmotor645MWHTSshippropulsionmotorstructures65300kWsuperconductinghomopolarmotor（712instituteofWuHan,China）Superconductingmotorpoddedpropeller66

Superconductingtransformer500kW,6600/3300VJapanHTStransformer26kWHTStransformer

(InstituteofelectricalengineeringChineseacademyofscience)67

Superconductingpowertransmission2000AHTScableInnopowersuperconductorcableCo.,Ltd.,Beijing6830mlength、35kV、2kAHTScablessystem69

Superconductingmagneticenergystorage(SMES)SMEScoilGermany2MJSMES70

Superconductingmagneticlevitatingtrain(Maglev)JapansuperconductingMaglevtrain71

ApplicationsinelectricalengineeringSuperconductingcoil:Tokamakdevice,Magnetohydrodynamic

PowerGeneration

SuperconductingMaglevbearing:Nomechanicalfriction,Steady

Inshort,superconductingelectrotechnicshasgainedadvanceddevelopmentfromsuperconductingmagnettosuperconductingpowerapplicationsfields.WiththedevelopmentofLTSandHTStechnology,somebadlyexpectedpracticalhouseTcsuperconductorswillbefounded.Oncethishappens,thewholeworldofelectronics,powerandtransportationwillberevolutionized.723.NuclearfusionelectrotechnicsIncontrasttonuclearfissionreactor,whichbasedontheintegratingwithNuclearandheatengineeringtechnology,thecombinationwithnewtechnologyofelectrotechnicsisthemainstreamtoresearchfusionreactor,suchassuperconducting,strongmagneticfield,highpulsedpower,assistantheating,plasmatechnology.73PrincipleofTokamakdevice(Toroidalnuclearfusiondevice)Deuterium-Tritium-Helium

74Tokamakfusionreactorpowerplant754.Magnetohydrodynamic(MHD)PowerGeneration

Atpresent,theefficiencyofcoal-firedpowergeneratingispoorabout30-40percent,whileMHDpowergenerationcouldreaches50-60percentorevenhigher.MHDpowergenerationisthatanewmethodtogenerateelectricpowerfromheatenergybyinteractionsbetweenhotgasorliquidandmagneticfield.76PrinciplediagramofMHDpowergeneratorandtestdevices77SuperconductingmagnetofMHDpowergenerator(InstituteofelectricalengineeringChineseacademyofscience)785.MagnetohydrodynamicPropulsionTechnology

MagnetohydrodynamicpropulsionshipJapansuperconductingMHDpropulsionship79

PlasmaMagnetohydrodynamicspaceflightpropeller（a）（b）PlasmaMHDpropeller（a）Structuresketchmap（b）Propellerspoutof“SMART-1”detector80WindpowergenerationWindpowerplantandgridconnected6.RenewablePowerGeneration81Offshorewindpowergenerationbeinginstalled（Denmark）82Solarpowergeneration

Threeprinciples：1）Photothermalconversion,usingthesuntoheatwaterandproducesteamtorunelectricalturbines,suchassolarwaterheater;2）Photoelectricconversion,convertingsolarenergytoDCelectricity,suchassolarcells;3）Photochemicalconversion,chemicalenergybeinggeneratedfromsolarenergy.

Fourmethodstocollectsolarenergy,showedinthefiguresasfollows:

83Fourmethodsofsolargeneration(a)Parabolictrough(b)‘Fresnel’lens(c)Solardishes(d)Solarpowertowers84SolarthermalpowerstationSolarpowertowersketchmap85Solarphotovoltaicarrays(PVarrays)867.Magneticlevitatingtrain(Maglev)technology超导长定子永磁长定子常导短定子常导长定子电动式长定子电磁式短定子电磁式长定子永磁式长定子Maglevtrainsclassification87TherearetwotypesofMaglevs:onesthatuselikemagnetswhichrepeleachotherandonesthatuseopposingmagnetsthatattractwitheachother.OnesthatuserepellingmagnetsarecalledSuperconductingMaglevs,whileElectromagneticMaglevsuseopposingmagnets.HowdoesaMaglevTrainwork?EachprojectisdevelopingitsownversionofMaglevbutthemaindifferencerestsonthewaythemagneticfieldisgenerated.TheGermanmodelandtheJapaneseHSST(HighSpeedSurfaceTransport)useElectromagneticSuspension(EMS).ChinainitsShanghaiMaglevusesGermantechnology.EMSusestheattractivemagneticforceofamagnetbeneatharailtoliftthetrainup.TheYamanashiMaglev(Japan)andtheprojectedFloridaMaglevuseElectrodynamicSuspension(EDS).EDSusesarepulsiveforcegeneratedbytheinteractionbetweenthemagneticfieldsinthetrainandtherailtopushthetrainawayfromthetrack.TheprojectinLosAngeles(Indutrack)usesPermanentMagnetEDS.88

JapansuperconductingMaglevtrainsSuperconductingMaglevbogieSuperconductingMaglevtrack89

Germanynormal-conductingmaglev:TransrapidPrincipleof

Transrapid90

Japannormal-conductingHSSTMaglevNormalconductingmaglev-LinimoinNagoya,JapanHSST:HighSpeedSurfaceTransport91

PermanentMaglev(PM)Berlinpermanentmagnethalflevitatingtrain,Germany928.FuelcellsBritishphysicistWilliamRobertGrove,1811-1896,producedthefirstfuelcellin1839(called“GasVoltaicbattery”atthattime).Fuelcellexteriorstructure93FuelcellasComputerpowersupply94

Maintypesoffuelcells:

Firstgeneration,alkalinefuelcell(AFC),highefficiencybutcostmuch;Second,phosphoricacidfuelcell(PAFC),advanced andverypractical;Third,moltencarbonatefuelcell(MCFC),higher efficiencythanPAFC,usedtogeneratestrong power;Fourth,solidoxidefuelcell(SOFC),usedsolid electrolyte,avoidsthedangerofelectrolytescorrosionandleakage;Fifth,protonexchangemembranefuelcell(PEMFC),closelyrelatedtohydrogenenergy;Inrecently,thereappearedanewtypefuelcellcalledmicrobialfuelcell(MFC),largepower,smallsize,andhighefficiency.959.FlywheelEnergyStorageSwitzerlandflywheelenergystoragetracktestvehiclein1955Flywheelenergystoragesystem96Applications

Powergridpeakshaving

Electricvehiclesflywheelbattery

Flywheelenergystorage-regenerativebrakingsystem

Windpowergenerationsystem’suninterruptedpowersupply

Satelliteattitudecontrol

Dischargingpulsedhighpowersupply

Otherapplications97Flywheelenergystoragedeviceinpowersystem

Powergridpeakshaving98

ElectricvehiclesflywheelbatteryBristolnewtramcarswithflywheelpowersupply99

Flywheelenergystorage-regenerativebrakingsystemGermanyhybridpowerlightrailtrain“LIREX”withflywheelenergystorageAmericainternalcombustionenginegenerator–flywheelenergystoragehybridpublictransit“ATTB”100Flywheelenergystorage-regenerativebrakingsystembesidethetrack101

SatelliteattitudecontrolFlywheelsystemofSa