2024年度-《电机与拖动》教案第24课项目八其他特种

《电机与拖动》教案第24课项目八其他特种1目录课程介绍与背景其他特种电机概述永磁同步电动机（PMSM）开关磁阻电动机（SRM）无刷直流电动机（BLDC）直线电动机与超声波电动机总结与回顾201课程介绍与背景Chapter3电机与拖动是电气工程及其自动化专业的一门重要课程，主要研究电机的工作原理、特性、控制方法以及拖动系统的设计和分析。课程内容包括电机的基本理论、直流电机、交流电机、控制电机以及拖动系统的动力学基础、电力拖动自动控制系统等。通过本课程的学习，学生可以掌握电机和拖动系统的基本理论和设计方法，为后续的专业课程和工程实践打下基础。电机与拖动课程概述4

本节课项目八内容项目八的主题是“其他特种电机”，主要介绍一些非常规的、特殊用途的电机，如超声波电机、振动电机、直线电机等。内容包括这些特种电机的工作原理、结构特点、控制方法以及应用领域等。通过本项目的学习，学生可以了解特种电机的相关知识，拓宽视野，为未来的学习和工作提供更多选择。501掌握特种电机的基本工作原理和结构特点。020304了解特种电机的控制方法和应用领域。能够分析和设计简单的特种电机拖动系统。培养学生的创新意识和实践能力，鼓励学生探索新领域、新技术。学习目标和要求602其他特种电机概述Chapter7特种电机是指具有特殊结构、特殊工作原理和特殊应用领域的电机，不同于常规电机。定义根据功能和应用领域，特种电机可分为控制电机、功率电机、信号电机等。分类特种电机定义及分类8通过改变电机的输入信号（如电压、电流、频率等）来控制电机的输出特性，如伺服电机、步进电机等。控制电机主要用于驱动负载，将电能转换为机械能，如直流电机、交流电机等。功率电机将非电量（如位移、压力、温度等）转换为电量（如电压、电流等），用于测量和控制系统，如旋转变压器、感应同步器等。信号电机各类特种电机工作原理9工业自动化在自动化生产线中，特种电机被广泛应用于机器人、数控机床、自动化仓储等设备中，实现精确定位、高速运动和复杂动作。在航空航天领域，特种电机需要满足高温、低温、真空等极端环境下的工作要求，如航空发动机中的启动电机、舵机等。随着新能源汽车的快速发展，特种电机在电动汽车、混合动力汽车等领域的应用越来越广泛，如驱动电机、发电机等。在医疗器械中，特种电机被用于实现精确控制和高可靠性要求，如手术机器人、医疗影像设备等。除了上述领域外，特种电机还被应用于军事装备、智能家居、环保设备等领域。航空航天医疗器械其他领域新能源汽车特种电机应用领域1003永磁同步电动机（PMSM）Chapter11采用叠片结构以减小涡流损耗，定子槽内嵌放三相绕组。定子转子位置传感器由永磁体、导磁轭和转轴组成，永磁体通常采用高性能稀土永磁材料制成。用于检测转子位置和速度，通常采用光电编码器或旋转变压器。030201永磁同步电动机基本结构120102工作原理基于电磁感应原理，通过定子三相绕组中通入三相对称电流产生旋转磁场，与永磁体产生的磁场相互作用实现电动机的旋转运动。高效率由于永磁体产生的磁场不需要励磁电流，因此PMSM具有高效率的特点。高功率密度PMSM具有较高的功率密度，适用于要求体积小、重量轻的应用场合。宽调速范围PMSM具有较宽的调速范围，能够满足不同负载和速度的要求。高可靠性由于永磁体不会退磁，因此PMSM具有较高的可靠性和稳定性。030405工作原理及性能特点13通过控制定子电流的幅值和相位，实现电动机转矩和速度的控制。矢量控制通过直接控制电动机的转矩和磁链，实现快速响应和高精度控制。直接转矩控制控制策略及应用实例14智能控制：采用神经网络、模糊控制等智能算法，提高PMSM的控制性能。控制策略及应用实例1503航空航天领域PMSM在航空航天领域的应用日益广泛，如飞机起落架收放系统、导弹舵机驱动等。01电动汽车驱动系统PMSM作为电动汽车的驱动电机，具有高效率、高功率密度和宽调速范围等特点，能够满足电动汽车对驱动系统的要求。02工业机器人关节驱动PMSM作为工业机器人的关节驱动电机，能够实现高精度、高速度的位置和姿态控制。控制策略及应用实例1604开关磁阻电动机（SRM）Chapter17采用凸极结构，即定子铁芯由多个冲片叠压而成，每个冲片上有均匀分布的齿槽。定子也为凸极结构，通常由导磁性能良好的硅钢片叠压而成，转子上没有绕组、滑环和电刷等结构。转子定子与转子之间的间隙，对电动机的性能有很大影响。气隙开关磁阻电动机基本结构18工作原理：基于“磁阻最小原理”，即磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合。当定子某相绕组通电时，所产生的磁场将迫使转子旋转到最小磁阻位置。性能特点结构简单、坚固，适用于高速、高温等恶劣环境。转子上没有绕组，因此没有铜耗和铁耗，效率高。调速范围宽，控制灵活，易于实现四象限运行。起动转矩大，低速性能好，适用于重载起动和频繁起动的场合。工作原理及性能特点19角度位置控制（APC）通过改变开通角和关断角来控制电流波形，从而改变输出转矩和转速。电流斩波控制（CCC）在电流达到设定值时关断开关管，使电流下降；当电流下降到一定值时再重新开通开关管，如此反复进行。控制策略及应用实例20电压PWM控制：通过改变PWM波的占空比来改变加在电动机两端的平均电压，从而改变输出转矩和转速。控制策略及应用实例21工业自动化设备如数控机床、工业机器人等需要高精度、快速响应的驱动系统。电动汽车驱动系统利用SRM的高效率、宽调速范围和四象限运行能力，实现电动汽车的高效、平稳驱动。航空航天领域SRM的高可靠性、高温适应性和宽调速范围使其成为航空航天领域的理想选择。控制策略及应用实例2205无刷直流电动机（BLDC）Chapter23定子采用多相绕组，通常为三相，绕组在空间上互差120度电角度，形成旋转磁场。转子采用永磁体，提供恒定的磁场，与定子旋转磁场相互作用产生转矩。位置传感器检测转子位置，为控制器提供换相信息。无刷直流电动机基本结构24工作原理基于电磁感应原理，通过控制器根据位置传感器信号，按一定顺序给定子绕组通电，使定子产生旋转磁场，与转子永磁体相互作用，驱动转子旋转。性能特点高效率、高功率密度、低噪音、长寿命、宽调速范围、易于维护。工作原理及性能特点25主要包括方波控制和正弦波控制。方波控制简单、成本低，但转矩脉动大；正弦波控制复杂、成本高，但转矩平稳、噪音低。无刷直流电动机广泛应用于家电（如洗衣机、空调等）、电动工具、电动车、航空航天等领域。例如，在电动车中，无刷直流电动机作为驱动电机，具有高效率、宽调速范围等优点，能够满足电动车的行驶需求。控制策略应用实例控制策略及应用实例2606直线电动机与超声波电动机Chapter27直线电动机主要由定子、动子和支撑轮三部分组成。其中，定子和动子分别对应旋转电机中的定子和转子，但结构形式为直线状。基本结构直线电动机利用电磁感应原理，通过在定子和动子之间产生行波磁场，使动子产生直线运动。具体来说，当定子绕组通入三相交流电后，会在气隙中产生行波磁场，动子导体在行波磁场作用下切割磁感线产生感应电动势和电流，进而受到电磁力作用产生直线运动。工作原理直线电动机基本结构和工作原理28基本结构超声波电动机主要由振动子、摩擦材料和驱动电源等组成。其中，振动子由压电陶瓷等材料制成，可将电能转换为机械振动能。工作原理超声波电动机利用压电陶瓷的逆压电效应，将高频电能转换为机械振动能，并通过摩擦材料将振动能转换为动子的直线运动。具体来说，当驱动电源向压电陶瓷施加高频电压时，压电陶瓷产生伸缩变形并激发出超声波振动，通过摩擦材料驱动动子产生直线运动。超声波电动机基本结构和工作原理29VS直线电动机和超声波电动机在结构和工作原理上存在显著差异。直线电动机结构简单、响应速度快、效率高，但控制精度相对较低；而超声波电动机具有高精度、高分辨率和低噪音等优点，但效率相对较低。应用领域直线电动机广泛应用于自动化设备、数控机床、电磁弹射等领域；而超声波电动机则主要用于精密定位、微型机器人、医疗器械等领域。比较两者比较及各自应用领域3007总结与回顾Chapter31特种电机的定义和分类各类特种电机的工作原理和特点特种电机的应用领域和选型方法本节课重点内容回顾32低噪音、低振动、高精度，适用于精密仪器和医疗器械等领域。结构简单、可靠性高、调速范围宽，适用于工业领域和航空航天等领域。高效率、高功率密度、宽调速范围，适用于高性能伺服系统和电动汽车等领域。高速度、高精度、高效率，适用于直线运动