1、绪论0.1 电机学发展简史电机学发展简史0.2 电机在国民经济中的作用电机在国民经济中的作用0.3 本课程主要任务本课程主要任务绪论0.1 0.1 电机学发展简史电机学发展简史一、直流电机的产生与形成一、直流电机的产生与形成1820年年奥斯特奥斯特发现了发现了电流磁效应电流磁效应。随后随后安培安培通过总结电流在磁场中所受机械力的情通过总结电流在磁场中所受机械力的情况建立了况建立了安培定律安培定律。绪论1821 年年 9 月，英国物理学家月，英国物理学家法拉第法拉第发现通电的导线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
2、运动向机械运动的转换，其原理如下图。次实现了电磁运动向机械运动的转换，其原理如下图。绪论1822年年,法国的法国的阿拉戈阿拉戈.盖盖.吕萨克吕萨克发明电磁铁发明电磁铁,即用电即用电流通过绕线的方法使其中铁块磁化。流通过绕线的方法使其中铁块磁化。1826年年,德国德国G.S.欧姆欧姆提出电路实验定律提出电路实验定律-欧姆定律。欧姆定律。1831年年,法拉第法拉第利用电磁感应发明了世界上第一台真利用电磁感应发明了世界上第一台真正意义上的电机正意义上的电机-法拉第圆盘发电机法拉第圆盘发电机,如图示。如图示。绪论同年夏天，同年夏天，亨利亨利对法拉第的电动机模型进行了改进，对法拉第的电动机模型进行了改进
3、，制作了一个简单的装置制作了一个简单的装置(振荡电动机振荡电动机),如图。如图。振荡电机 其重要意义其重要意义:第一次展示了由磁极排斥和吸引产生的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。连续运动，是电磁铁在电动机中的真正应用。绪论1832年，年，斯特金斯特金发明了换发明了换向器向器,据此对亨利的振荡电据此对亨利的振荡电动机进行改进，并制成世界动机进行改进，并制成世界上第一台能产生连续运动的上第一台能产生连续运动的旋转电动机，其原理如右图旋转电动机，其原理如右图4。后来他还制作了一个并。后来他还制作了一个并励直流电动机。励直流电动机。图 4 斯特金的旋转电动机原
4、理示意图 绪论1832年，法国年，法国A.H.皮克西皮克西在巴黎公开了一台永久磁铁在巴黎公开了一台永久磁铁型旋转式交流发电机型旋转式交流发电机,如图如图5。一年后，他在发电机上安装一年后，他在发电机上安装整流子，将交流电变为直流整流子，将交流电变为直流电。电。图5 皮克西发明的永久磁铁型旋转式交流发电机绪论1832年，俄籍德国人年，俄籍德国人H.F.E.楞次楞次提出提出“电动机发电机电动机发电机”原理原理-楞次定律楞次定律证明发电机和电动机是可证明发电机和电动机是可逆的逆的但但1870年以前，直流发电年以前，直流发电机与电动机一直独立发展着机与电动机一直独立发展着绪论1834年年,德国的德国的
5、雅可比雅可比制成制成一种简单的装置一种简单的装置:在两个在两个U型型电磁铁中间电磁铁中间,装一六臂轮装一六臂轮,每臂每臂带两根棒型磁铁带两根棒型磁铁,通电后通电后,棒型棒型磁铁与磁铁与U型磁铁之间产生相型磁铁之间产生相互吸引和排斥作用互吸引和排斥作用,带动轮轴带动轮轴转动转动,如图如图6。图6 雅可比的电动机绪论1845年年,英国英国惠斯通惠斯通用电磁铁代替永久磁铁用电磁铁代替永久磁铁,并取并取得专利权。这是增强发电机输出功率的一个重要措得专利权。这是增强发电机输出功率的一个重要措施。施。1857年年,惠斯通惠斯通发明自激电磁铁型发电机。发明自激电磁铁型发电机。1866年年,西门子的创始人西门
6、子的创始人维尔纳维尔纳.冯冯.西门子西门子制成直制成直流自激、并激式直流发电机。流自激、并激式直流发电机。1867年在巴黎世界博年在巴黎世界博览会上展出第一批样机。西门子首次完成把机械能览会上展出第一批样机。西门子首次完成把机械能转换成为电能的发明，转换成为电能的发明，从而开始了从而开始了19世纪晚期世纪晚期“强电强电”技术时代。技术时代。绪论1870年年格拉姆格拉姆(18261901)将将T形电枢绕组改为环形电枢绕组改为环形电枢绕组形电枢绕组,发明了直流发电机发明了直流发电机,在设计上在设计上,直流发电直流发电机和电动机很相似。机和电动机很相似。后来后来,格拉姆证明向直流发电机输入电流格拉姆
7、证明向直流发电机输入电流,其转子会其转子会象电动机一样旋转。于是象电动机一样旋转。于是,这种格拉姆型电动机大量这种格拉姆型电动机大量制造出来。效率也不断提高。制造出来。效率也不断提高。绪论与此同时与此同时,西门子西门子接着制造更好的发电机接着制造更好的发电机,并着手研并着手研究由电动机驱动的车辆究由电动机驱动的车辆,于是西门子公司制成了于是西门子公司制成了世界世界电车电车。1879年年,在柏林工业展览会上在柏林工业展览会上,西门子公司不冒烟的西门子公司不冒烟的电车赢得观众的一片喝彩。西门子电机车当时只有电车赢得观众的一片喝彩。西门子电机车当时只有3马力。马力。后来美国发明大王后来美国发明大王爱
8、迪生爱迪生试验的电机车已达试验的电机车已达12-15马力。但当时的电动机全是直流电机，只限于驱动马力。但当时的电动机全是直流电机，只限于驱动电车。电车。绪论1873年年,英国的英国的詹詹麦克斯韦麦克斯韦完成了经典电磁理论基础完成了经典电磁理论基础电和磁电和磁，提出了著名的麦克斯韦方程。，提出了著名的麦克斯韦方程。1875年年,比利时比利时Z.T.格拉姆格拉姆将改造后的发电机安装在将改造后的发电机安装在法国巴黎北火车站发电厂，是世界第一座火电厂。法国巴黎北火车站发电厂，是世界第一座火电厂。1880年，年，爱迪生爱迪生观察到用叠片铁芯可以减少温升和观察到用叠片铁芯可以减少温升和能耗。能耗。1880
9、年，年，霍普金森霍普金森确立了磁路的欧姆定律。确立了磁路的欧姆定律。绪论1882年，德国将年，德国将米斯巴哈水电站米斯巴哈水电站发出的发出的2千瓦直流电千瓦直流电通过通过57千米千米 15002000伏电线输送到慕尼黑，证明直伏电线输送到慕尼黑，证明直流远距离输电的可能性。流远距离输电的可能性。这一方面成为直流电机发展中的大事，促进它们的这一方面成为直流电机发展中的大事，促进它们的广泛利用，另一方面暴露出直流电在传输中的缺点：广泛利用，另一方面暴露出直流电在传输中的缺点：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
10、也越困难，换向困难较大，而且单机容量越大，换向也越困难，换向器上的火花使电机工作不稳定。器上的火花使电机工作不稳定。由于那时由于那时直流换流技术还未出现直流换流技术还未出现，人们把目光投向，人们把目光投向交流电机交流电机。绪论二、交流电机的产生与形成二、交流电机的产生与形成1824年年,法国人法国人阿拉果阿拉果在转动悬挂着的磁针时发现其在转动悬挂着的磁针时发现其外围环上受到机械力。次年，他重复这一实验时，发外围环上受到机械力。次年，他重复这一实验时，发现外围环的转动又使磁针偏转。这些实验导致后来感现外围环的转动又使磁针偏转。这些实验导致后来感应电机的出现。应电机的出现。1888年年,美国发明家
11、美国发明家特斯拉特斯拉发明了发明了交流电动机交流电动机。它是。它是根据电磁感应原理制成根据电磁感应原理制成,又称感应电动机又称感应电动机,其结构简单其结构简单,使用交流电使用交流电,无需整流。无火花无需整流。无火花,因此被广泛应用于工因此被广泛应用于工业和家庭电器中。业和家庭电器中。绪论1876年年,雅布洛奇科夫雅布洛奇科夫用交流发电机为其用交流发电机为其“电烛电烛”供电，是交流电用于照明的开始。不久出现了原始型供电，是交流电用于照明的开始。不久出现了原始型式的同步发电机和变压器。式的同步发电机和变压器。1879年年,英国人英国人拜依莱拜依莱用依次变动四个磁极上的励磁用依次变动四个磁极上的励磁
12、电流得到电流得到旋转磁场旋转磁场。1882-1885年年,匈牙利工程师匈牙利工程师代里代里等等3人首创变压器。人首创变压器。1885年年,费拉里斯费拉里斯提出两相交流感应电动机的模型。提出两相交流感应电动机的模型。绪论1886年，美国的年，美国的特斯拉特斯拉(N.Tesla,18561943)也制也制成两相绕线式交流异步电动机模型成两相绕线式交流异步电动机模型,1888年他又在年他又在意大利科学院提出意大利科学院提出利用交流电产生旋转磁场利用交流电产生旋转磁场的的论文。他在爱迪生公司工作，但由于爱迪生坚持只论文。他在爱迪生公司工作，但由于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
13、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的专利权卖给了西屋公司西屋公司。绪论1889年年,多利沃多利沃-多布罗沃利斯基多布罗沃利斯基提出了提出了三相制三相制并制成并制成鼠笼式交流异步电动机。鼠笼式交流异步电动机。1889年年,西屋公司西屋公司在俄勒冈州建设了发电厂，在俄勒冈州建设了发电厂，1892年年成功地将成功地将15000伏电压送到了皮茨菲尔德。伏电压送到了皮茨菲尔德。1890年年,德国人德国人米夏埃尔米夏埃尔冯冯多里沃一多勃鲁沃尔斯多里沃一多勃鲁沃尔斯基基制成一架三相电流变压器。制成一架三相电流变压器。绪论1891年年,慕尼黑人慕尼黑人奥斯卡奥斯卡冯冯米勒米勒在法兰克福
14、世界电在法兰克福世界电气博览会上宣布气博览会上宣布:他与多里沃合作架设的从劳芬到法兰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，可把克福的三相交流输电电路，可把300*735.5W 55伏伏三三相交流发电机的电流经三相变压器提高到万伏相交流发电机的电流经三相变压器提高到万伏,顺利通顺利通电输运电输运175千米千米,从此三相交流电机很快代替了工业上从此三相交流电机很快代替了工业上的直流电机。的直流电机。三相制优点十分明显三相制优点十分明显:材料可靠材料可靠,结构简单结构简单,性能好性能好,效效率高率高,用铜省用铜省,在电力驱动方面又有重大效益。从此在电力驱动方面又有重大效益。从此,各
15、各种各样的电机迅速发展起来。种各样的电机迅速发展起来。绪论1896年，年，特斯拉特斯拉的两相交流发电机在尼亚拉发电厂的两相交流发电机在尼亚拉发电厂开始劳动营运，开始劳动营运，3750KW，5000V的交流电一直送到的交流电一直送到40公里外的布法罗市。公里外的布法罗市。1902年瑞典工程师年瑞典工程师丹尼尔森丹尼尔森首先提出同步电动机构首先提出同步电动机构想。想。近代交流电机、直流电机迅速发展，种类繁多。近代交流电机、直流电机迅速发展，种类繁多。绪论0.2 0.2 电机在国民经济中的作用电机在国民经济中的作用一、电机的作用一、电机的作用 电能是现代最主要的能源，电机是与电能的产电能是现代最主要
16、的能源，电机是与电能的产生、传输和使用紧密相关的能量转换机械。生、传输和使用紧密相关的能量转换机械。电动机具有以下优点：电动机具有以下优点：（1）电机的效率高，运行经济；）电机的效率高，运行经济；（2）电能的传输和分配比较方便；）电能的传输和分配比较方便；（3）电能容易控制。）电能容易控制。绪论二、电机的用途二、电机的用途 能源系统的关键设备能源系统的关键设备 电能电能电机电机 发电发电输电输电用电用电 各领域中有特殊要求的动力装置各领域中有特殊要求的动力装置电机的用途很多，可用于动力、发电、检测等。电机的用途很多，可用于动力、发电、检测等。伺服驱动装置伺服驱动装置 传感检测装置传感检测装置绪
17、论用于榨汁机、搅拌机、切肉机及其它小家电等用于榨汁机、搅拌机、切肉机及其它小家电等防爆型三相异步电动机防爆型三相异步电动机绪论绪论用于手机、寻呼机、高级玩具、医疗设备等用于手机、寻呼机、高级玩具、医疗设备等绪论用于CD、立体声耳机、DVD唱机用于盒式磁带录音机用于石油钻井用于玩具、相机、石英钟打点器、旅行电吹风绪论电机在汽车上的应用实例刮水器用电动机刮水器用电动机调压式刮水器臂用电机调压式刮水器臂用电机起动电动机起动电动机电动速度表用电动机电动速度表用电动机座椅自动调节用电动机座椅自动调节用电动机前照灯矫正装置用电动机前照灯矫正装置用电动机转向联动雾灯用电动机转向联动雾灯用电动机怠速控制用步进
18、电机怠速控制用步进电机空气悬架系统用步进电机空气悬架系统用步进电机绪论哈尔滨电机厂生产的交直流发电机绪论汽轮发电机绪论 国产300MW汽轮发电机绪论国产200MW汽轮发电机定子绪论水轮发电机绪论现场运行的水轮发电机绪论汽车发电机柴油发电机组绪论20kV/500kV(220kV)500kV(220kV)/110kV 110kV/35kV 35kV/10kV 10kV/380V输配电环节。为把发电厂的电力输送到四面八方用户，需将发电机输出的 20 kV 左右的电压升高。在我国，一般升高到220kV或500kV。为了输送一定大小的功率，采用高电压，甚至特高压。绪论连接发电机与电网的升压变压器连接发电
19、机的封闭母线与电网相连的高压出线端绪论电力变压器绪论我国目前实际应用情况我国目前实际应用情况 汽发：主流机型600MW 700MW水发,三峡电站 500kV输电线路以及相应的变压器 500kV直流输电，西电东送运行中 400MW燃气轮机联合循环机组 引进建设 600MW核电机组 各种电动汽车绪论若按功能进行分类，可分为：发电机，电动机，变压器，控制电机。（1）发电机：将机械能转化为电能；（2）电动机：将电能转化为机械能；（3）变压器：将电能变换为不同电压等级的电能；（4）控制电机：作为控制系统中的元件。如测速发电机、自整角机等。三、电机的分类三、电机的分类 绪论电机静止电机-变压器直线电机旋转
20、电机直流电机交流电机控制电机感应电机同步电机直线感应电机直线同步电机特种电机超声波电机静电电机仿生电机三、电机的分类三、电机的分类 按结构及励磁分类：绪论感应电机同步电机绪论四、电机发展趋势 超大型电机 超微型电机 超高速电机 特低速电机单台电动机功率1600千瓦；向家坝水电站单台发电机80万千瓦直径比头发还细，仅有70微米，主要用于医疗超高速离心机一般都采用先进的无刷电机，转速高达3万转每分钟中科院国家天文台研制的大型天文望远镜驱动电机75天才转一周绪论五、当前研究、开发与创新热点 精确模型研究 新能源技术（核电，太阳能发电、风力发电，波浪发电，高速“电、热、冷”三联供机组）机电一体化(电机
21、、电力电子与微电子结合)特殊新用途（电磁发射，纳米电机）永磁无刷电动机 电机系统节能技术绪论 新能源技术-核能发电在建和规划中的：u广东阳江核电站,u浙江南部的三门核电站u 辽宁红沿河核电站u浙江嘉兴的秦山核电站u广东深圳的大亚湾核电站u江苏连云港的田湾核电站u广东大亚湾的岭澳核电站绪论 新能源技术-太阳能发电绪论 新能源技术-风力发电江苏如东风力发电场 湖北九宫山风电场 绪论 波浪能电站外景 波浪能电站内景 新能源技术-波浪发电绪论压气机压气机燃气轮机燃气轮机发电机发电机排气利用型冷温水机排气利用型冷温水机燃料室燃料室电力负荷电力负荷采暖负荷采暖负荷制冷负荷制冷负荷进进气气排气排气进气进气热
22、水负荷热水负荷 新能源技术-高速“电、热、冷”三联供机组绪论如果用正在发展的新型永磁无刷电动机代替普通电动机,效果如下：电冰箱：1000万台/年，电量少15%洗衣机：1100万台，噪音降低10分贝，节省电能50%，节水20%永磁无刷电机技术氢能燃料电池汽车是未来汽车的发展方向，其核心驱动装置依然是永磁无刷电机 绪论精密直线电机 特种电机技术上海磁悬浮（直线电机驱动）绪论 电机系统节能技术体现在两个方面：电机本身节能，与之匹配的系统节能。电机应用普遍，量大面广，是用电耗能大户，也是最具节能潜力的产业，是国家节能减排的重要对象。2008年IEC发布的IEC60034-30单速三相笼型感应电动机的能
23、效分级标准指出：提高电机系统的效率是节能工程关注的重点，通过系统优化其节能潜力可达3060绪论 电机系统节能技术 截止2008年底，我国电动机总装机容量为12亿千瓦以上，占总用电量的60以上，约用电2.06万亿千瓦时，折合标煤831亿吨以上。但我国电机系统运行效率比国外先进水平低2530，如果能改造现有电机系统的一半，使之平均提高运行效率25，与2008年统计比，则可年节约用电2575亿千瓦时以上，折合标煤104亿吨以上，还将节约建电站的投资和相应配套设施的投资，大大减少温室气体排放。绪论五、我校电机与电器学科研究情况电机与电器省级重点学科“直线电机与现代驱动”省级创新型科技团队已完成国家自然科学基金2项，省级各类基金20项 目前在研课题：国家自然科学基金1项 国际合作项目2项（香港ASM公司、南非）省自然科学基金、重大攻关、杰出人才基金10项 校级博士基金、青年基金5项 经费总额度480万元。绪论HPU永磁直线电机驱动的水平运输系统绪论直线同步电机直线同步电机驱动的无绳提升系统绪论绪论0.3 0.3 本课程主要任务本课程主要任务课程主要内容：课程主要内容：变压器变压器 直流电机直流电机 感应电机感应电机 同步电机同步电机学习方法学习方法:积极思考，多做练习积极思考，多做练习 前后关联，掌握体系前后关联，掌握体系 联系实际，创新设计联系实际，创新设计绪论
