特种电机：第4章 Linear Motor
特种电机电子教案(多场合)
特种电机电子教案一、教案概述本教案旨在为学生提供特种电机的基本概念、工作原理、应用领域以及发展前景的全面了解。
通过本教案的学习，学生将能够掌握特种电机的基本知识，并能够将其应用于实际问题中。
二、教学目标1.了解特种电机的定义、分类及特点。
2.掌握各种特种电机的工作原理及应用领域。
3.了解特种电机的发展趋势和前景。
4.培养学生的创新意识和团队合作能力。
三、教学内容1.特种电机的定义与分类（1）按结构分类：包括无刷直流电机、步进电机、直线电机等。
（2）按原理分类：包括同步电机、异步电机、直流电机等。
（3）按应用领域分类：包括汽车电机、电机、风力发电机等。
2.特种电机的工作原理及应用领域（1）无刷直流电机：无刷直流电机具有结构简单、运行可靠、效率高等优点，广泛应用于家用电器、汽车、工业自动化等领域。
（2）步进电机：步进电机具有精确的位置控制和较高的转矩，常用于数控机床、3D打印机、等领域。
（3）直线电机：直线电机具有高速、高加速度、高精度等特点，广泛应用于磁悬浮列车、高速电梯等领域。
3.特种电机的发展趋势和前景随着科技的不断发展，特种电机在新能源、电动汽车、等领域的应用越来越广泛。
未来，特种电机将朝着高性能、高效率、小型化、轻量化等方向发展。
四、教学方法1.讲授法：通过讲解特种电机的定义、分类、工作原理及应用领域，使学生掌握基本知识。
2.案例分析法：通过分析实际案例，使学生了解特种电机在实际应用中的重要性。
3.讨论法：组织学生进行小组讨论，培养学生的创新意识和团队合作能力。
五、教学评价1.课堂表现：观察学生在课堂上的参与程度、提问和回答问题的情况。
2.作业完成情况：检查学生完成的作业质量，评估学生对知识的掌握程度。
3.小组讨论：评估学生在小组讨论中的表现，包括观点的提出、讨论的深度和广度等。
六、教学资源1.教材：特种电机相关教材或参考书籍。
2.课件：制作PPT课件，用于课堂讲解和展示。
3.网络资源：利用互联网资源，提供相关案例、视频等辅助教学。
特种电动机
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项目2 特种电动机
在工程技术中，这种运行方式被称为“三相单三拍”。“三 相”是指定子有三个绕组，“单”是指只给一相绕组单独通 电，“拍”是指定子绕组每改变一次通电方式称做一拍， “三拍”表示三种通电方式组成一个工作循环。
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图9-1直流电机主要部件外形图
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图9-2带电刷的刷握示意图
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图9-3换向器剖面图
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图9-4电刷的研磨方法
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图9-5交流伺服电动机示意图
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图9-6反应式步进电动机示意图
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图9-7三相单三拍运行方式示意图
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ห้องสมุดไป่ตู้
图9-8步进电动机典型结构
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1.反应式步进电动机的结构 反应式步进电动机也是由定子和转子两部分组成，如图9-6
所示。它的定子用薄硅钢片叠压而成，做成凸极式。六个磁极 均匀分布在定子铁芯圆周的内表面，磁极上都装有线圈，相对 的两个磁极上的线圈串联起来，形成三个独立的绕组，分别用A 相、B相和C相表示。它们可以连接成星形或三角形。独立绕组 的数目称做步进电动机的相数。一般有三相、四相、五相、六 相等(注意:这里的相仅表示独立的绕组线圈，与交流电的“三 相”是不同的)。转子也用薄硅钢片叠压而成，表面均匀分布四 个齿，齿上没有绕组，本身也不具有磁性。
步进电动机每走一步所转过的角度称为步距角，用表示。 三相单三拍运行方式步距角 =30°。在实际使用中，还 可AB两相同时通电，使转子轴线转至AB两相之间的轴线， 按AB→BC → CA的顺序，两相同时依次通电，称为三相双 三拍运行方式。
3.小步距角步进电动机 要满足系统对控制精度的要求，则步距角要小。常用的减
第4章特殊电机
速n旋转，电枢导体切割恒定磁通 ，而在其中产生感应电动势E。电动势E
的极性决定于测速发电机的转向，电动势E的大小与转速成正比，即
E =Ce n
可见直流测速发电机的输出电压与转速成正比。因此只要测出直流测速 发电机的输出电压，就可测得被测机械的转速。
三相同步电动机的定子和三 相异步电动机的定子结构是相同 的，在定子铁心槽内嵌有三相交 流绕组，转子也称磁极，有凸极 和隐极两种结构。同步电动机通 常用凸极式，在转子铁心上绕有 励磁绕组，通过电刷和滑环引入 直流电，如图4-33所示。
在同步电动机的三相定子绕 组内通入三相交流电，即产生旋 转磁场，当励磁绕组加上励磁电 流时，转子产生磁极，在定子旋 转磁场的带动下与旋转磁场同步 旋转。
二、直线异步电动机的工作原理 2
向直线异步电动机初级三相绕组中通入三相交流电后，也将产生 一个气隙磁场，沿直线方向呈正弦分布且将按U、V、W的相序直线 移动。由于该磁场是平移的，因此称为行波磁场，该行波磁场在移动 时将切割次级导体，在导体中产生感应电动势和电流，该电流与行波 磁场相互作用，产生电磁力使次级沿行波磁场移动的方向作直线运动， 且次级移动的速度小于行波磁场移动的速度。
二、 微型同步电动机 1
微型同步电动机按工作原理可分永磁式、 反应式、磁滞式三种。
1.永磁式微型同步电动机 永磁式微型同步电动机的转子由永久磁 钢构成磁极，形成转子磁场。当定子绕组加 上交流电源，产生旋转磁场后，即带动转子 同步旋转。为了能产生起动转矩，可在转子 边缘装笼型导条，如图4-35。 永磁式微型同步电动机常用在日用电器 中的电动定时程控器中。
直线电动机可以由直流、同步、异步、步进等旋转电动机演变而 成，由异步电动机演变而成的直线异步电动机使用最多。这里，我们 只就直线异步电动机的结构和工作原理做一些简单的介绍。
特种电机的介绍
1
（13-3）
根据旋转磁场和电磁转矩旳基本概念， 当电磁转矩为正 时，其方向是使转子顺着旋转磁场方向转动；而当电磁转矩为 负时，其方向是使转子逆着旋转磁场方向转动。所以，TF和TJ 都是倾向于使δ=0。假如只有接受机旳转子能够自由转动，它将 沿着旋转磁场旳方向转动，直至δ=0 。假如发送机旳转子不断 地旋转，则接受机旳转子也将以一样旳速度不断地旋转。
13
第13章 特种电机
13.3.1 基本构造 励磁绕组
•
F n1
•
• IF EF
发送机
•
F
n1
•
•
IJ
EJ
接收机
整步绕组
•
•
EF
EJ
a)
•
ΔE
•
•
IJ •
EJ J
EF
F
•
IF
b)
图13-6 三相自整角机的接线图与工作原理
14
第13章 特种电机
13.3.2 工作原理
TF
TJ
3EFIF cosF
2
第13章 特种电机
13.1 旋转变压器
旋转变压器是输出电压与转子转角成一定函数关系旳特种 电机，其一、二次侧绕组分别放在定、转子上，一次侧绕组与 二次侧绕组之间旳电磁耦合程度与转子旳转角亲密有关。
按照输出电压与转子转角间旳函数关系，能够分为正余弦 旋转变压器和线性旋转变压器等。正余弦旋转变压器旳输出电 压与转子转角成正余弦函数关系，而线性旋转变压器旳输出电 压在一定转角范围内与转子转角成正比。可见，旋转变压器是 将角度信号转换成与其成某种函数关系旳电压信号，其主要用 途就是进行坐标变换、三角运算和角度数据传播等。
2024版《特种电机》课程教学大纲[1]
![2024版《特种电机》课程教学大纲[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/8d8be26e0622192e453610661ed9ad51f01d54b4.png)
随着科技的不断发展，特种电机的应用领域越来越广泛，对相关人才的需求也越来 越大。
2024/1/30
本课程旨在培养学生掌握特种电机的基本原理、设计方法和应用技能，为相关领域 输送合格人才。
4
教学目标与要求
掌握特种电机的基本原理和分类方法。 掌握特种电机的控制技术和调试方法。
了解特种电机的设计流程和制造工艺。
实验要求
学生需独立完成实验，提交实验报告，包括实验 数据、结果分析和心得体会。
实验二
特种电机控制系统设计与实现
实验目的
熟悉特种电机控制系统的设计流程，掌握相关控 制算法的实现方法。
2024/1/30
28
实验环节安排及要求
2024/1/30
实验内容
设计并实现一个简单的特种电机控制系统，包括硬件电路搭建 和软件编程。
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12
直流无刷电机
01
02
03
无电刷、低维护
直流无刷电机采用电子换 向器代替传统的机械电刷， 因此具有无电刷、低维护 的优点。
2024/1/30
高效节能
直流无刷电机在运行时能 够保持较高的效率和功率 密度，适用机具有较宽的 调速范围和平滑的调速特 性，能够满足各种复杂的 运动控制需求。
特种电机控制策略与方法
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16
控制策略概述
2024/1/30
特种电机控制策略的定义和分类
01
明确特种电机控制策略的基本概念，包括开环控制、闭环控制、
矢量控制、直接转矩控制等。
特种电机控制策略的发展历程
02
介绍特种电机控制策略的发展历程，以及未来发展趋势。
特种电机控制策略的应用领域
电机学课件-特种电机
D1
U1 C
D2
副绕组
F2
F1
4. 电容起动运转式单相异步电动机
电容起动运转式单相异步电动机在副绕组回路 中串联两个互相并联的电容器, 其中一个为起 动电容和—个起动开关串联, 另—个为工作电 容, 使得电动机既具有较好的起动性能, 又具有 较好的运行性能, 如图4-14所示。
D1
主 绕
1
组 D2
n U2 Ra T
Ce CTCe 2
n n1
n2
U 2'
U
'' 2
U
''' 2
U
' 2
n3
U
'' 2
0
U
''' 2
T
7. 交流伺服电动机
交流伺服电动机就是两相异步电动机, 它的定 子上有空间相差90o两相分布绕组, 一相为励 磁绕组f, 与励磁电源连接, 另一相是控制绕组K, 与控制信号相连接 。
副绕组线径较细、匝数较少, 电抗小, 阻值大。 它们的轴线在空间相隔90°电角度, 启动电流不 同相, 形成椭圆磁场。
K D1
起动绕组与起动开关K串联后 和工作绕组并联按到同一单相
电源上, 如图所示。当电动机转
U1
主绕组
速上升到70～80％同步转速时, 通过起动开关K断开起动绕组
D2
电路, 使电机只有一个工作绕组
n
1 2
罩极电动机
1
2
3
k Ik Ek
罩极绕组 ——短路环
穿过短路环与不穿过短路环 的两部分磁场有时间相位 差——两个磁场在空间和时 间上不同相
合成磁场是椭圆形旋转磁 场 , 旋转方向从未罩极部分
特种电机的原理与应用
特种电机的原理与应用特种电机是指和普通电机相比，具有特殊结构、特殊工作原理或者特殊工作环境的电机。
其原理与应用涵盖了多个领域，下面将详细介绍特种电机的原理与应用。
特种电机的原理主要包括传统电机的基本原理和特种电机的特殊原理。
传统电机的基本原理是基于电磁感应的原理，通过导线产生的磁场与外加磁场相互作用，导致力和转矩的产生。
而特种电机的特殊原理则是在传统电机的基础上，通过增加特殊结构或者特殊材料，使得电机在特定的工作条件下表现出特殊的功能。
1.航空航天领域：在航空航天领域，特种电机主要用于推进系统和控制系统。
其中推进系统包括发动机和涡轮机的驱动，为载人飞行器和无人飞行器提供动力。
控制系统则包括舵机和液压泵等，用于控制和调节飞机的各种运动和姿态。
2.医疗器械领域：在医疗器械领域，特种电机主要用于手术机器人、心脏起搏器、电动轮椅等设备。
手术机器人通过特种电机的精确控制，可以实现微创手术，减少对患者的创伤。
心脏起搏器通过特种电机的稳定工作，可以对心脏进行节律调节。
电动轮椅通过特种电机的驱动，可以实现患者的自由移动。
3.机器人领域：在机器人领域，特种电机主要用于关节的驱动和控制。
机器人的关节需要具有高速、高力矩和高精度的特点，特种电机可以满足这些要求。
关节驱动和控制的准确度和灵活性直接影响机器人的工作能力和效率。
4.磁悬浮领域：在磁悬浮领域，特种电机主要用于磁悬浮轴承和磁悬浮列车。
磁悬浮轴承通过特种电机产生的磁场，实现对轴承的悬浮和控制。
磁悬浮列车则通过特种电机的驱动，实现列车的高速运行和平稳悬浮。
5.新能源领域：在新能源领域，特种电机主要用于风力发电机组和太阳能发电设备。
风力发电机组通过特殊的叶轮结构和特种电机的驱动，将风能转化为电能。
太阳能发电设备则通过特种电机的跟踪控制，使太阳能电池板始终面向太阳，提高能量的吸收效率。
综上所述，特种电机的原理与应用十分广泛，涉及了航空航天、医疗器械、机器人、磁悬浮和新能源等多个领域。
特种电机及其控制课程设计(2024)
直线电机的控制方式类似于旋转电 机，可以通过调节电流、电压或 PWM信号等实现对电机的速度、位 置和力的精确控制。
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各自特性比较分析
01
02
03
永磁同步电机
高效率、高功率密度、宽 调速范围、高精度控制等 特性，适用于高性能伺服 系统等领域。
2024/1/28
开关磁阻电机
简单结构、低成本、高效 率、宽调速范围等特性， 适用于家用电器、工业驱 动等领域。
2024/1/28
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THANK YOU
2024/1/28
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直线电机
高精度定位、高速度、高 加速度等特性，适用于高 精度数控机床、激光切割 机等领域。
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03
控制策略与方法探讨
2024/1/28
12
矢量控制策略
2024/1/28
矢量控制基本原理
01
通过坐标变换将交流电机等效为直流电机，实现解耦控制，提
高动态性能。
矢量控制实现方法
02
采用SVPWM、SPWM等调制技术，结合PI调节器、电流环、
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。
特种电机分类
根据电机的结构、工作原理和应 用领域，特种电机可分为永磁电 机、开关磁阻电机、超声波电机 、直线电机等。
4
控制技术发展现状
2024/1/28
控制技术概述
控制技术是研究如何对动态系统进行控制和优化的技术， 是实现自动化、智能化和高效化的关键。
电机驱动与控制系统的集 成化
未来特种电机驱动与控制系统 将更加注重集成化设计，实现 更小的体积、更高的效率和更 好的可靠性。
人工智能在特种电机控制 中的应用
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Linear Motor
大连理工大学电气工程系
4.1 直线电动机概述
4.1.1 直线电动机的原理与分类 从旋转电动机到直线电机的演化
旋转电动机的定子和转子分 别对应直线电动机的初级和 次级
特种电机及其控制
单边型直线电动机
短 初 级
短 次 级
特种电机及其控制
双边型直线电动机
特种电机及其控制
4.3 直线直流电动机
4.3.1 永磁式直线直流电动机
动铁型
动圈型
线圈绕在一个软铁框架上， 软铁架两端装有极性同向放 置的两块永磁体，通电线圈 线圈的长度要包括整个行程 可在滑道上作直线运动
特种电机及其控制
4.3.2 电磁式 直线电动机
单极电机
两极电机
圆筒式直线直流电动机优点：没有线圈端部，电 枢绕组得到完全利用；气隙均匀，消除了电枢和 磁极间的吸力。
嵌置铜环或铝环的圆筒式次级
特种电机及其控制
3. 气隙 直线电机的气隙相对于旋转电机的气隙要大得多，主 要是为了保证在长距离运动中，初级与次级之间不致 摩擦。 复合次级和铜(铝)次级：因为铜或铝均属非磁性材 料，其导磁性能和空气相同，故： 电磁气隙=机械气隙(单纯的空气隙)+ 铜板或铝板厚度
直线感应电动机的缺点：气隙大，功率因数低
s
vs v vs
次级移动速度
v (1 s ) v s 2 f (1 s )
特种电机及其控制
4.2.2 直线感应电动机的结构特点 1. 初级 直线电机的初级相当于旋转电机的定子。初级铁心 也是由硅钢片叠成的，—面开有槽，三相(或单相) 绕组嵌置于槽内。 2)圆筒式初级:一般由用
特种电机及其控制
短 次 级
短 初 级
特种电机及其控制
圆筒式结构
从旋转电动机到圆筒式直线电动机的演化
特种电机及其控制
圆弧式直线电动机
特种电机及其控制
圆盘式直线电动机
特种电机及其控制
4.1.2
直线电动机传动的特点
(1) 省去了把旋转运动转换为直线运动的中间转换 机构，节约了成本，缩小了体积。
(2) 不存在中间传动机构的惯量和阻力的影响，直 线电动机直接传动反应速度快，灵敏度高，随动性 好，准确度高。 (3) 直线电动机容易密封，不怕污染，适应性强。 由于电机本身结构简单，又可做到无接触运行，因 此容易密封，可在有毒气体、核辐射和液态物质中 使用。
特种电机及其控制
4.2
4.2.1
直线感应电动机
直线感应电动机的基本原理
行波磁场
在初级的多相绕组中通入多相电流后，也会产生一个气隙 基波磁场，但是这个磁场的磁通密度波B 是直线移动的， 故称为行波磁场。
特种电机及其控制
如电机极距为，电源频率为f，磁场移动速度为
vs 2 f
次级速度为v ， 则滑差率为
1)扁平式初级结构
硅钢加工成具有凹槽的 圆环组成，装配时四周 用螺栓拉紧。
特种电机及其控制
2. 次级 1）扁平型直线电机 栅型次级：一般是在钢板上 开槽，在槽中嵌入铜条(或 铸铝)，然后用铜带在两端 短接而成。 钢次级或磁性次级：钢既起导磁作用，又起导电作用. 由于钢的电阻率较大，故钢次级直线电机的电磁性能 较差，且法向吸力也大(约为推力的10倍左右)。
特种电机及其控制
4.1.2
直线电动机传动的特点
(4) 直线电机散热条件好，温升低，因此线负荷和 电密度可以取得较高，可提高电机的容量定额。 (5) 装配灵活性大，往往可以将电机与其他机件合 成一体。 (6) 某些特殊结构的直线电动机也存在一些缺点， 如大气隙导致功率因数和效率降低，存在单边磁拉 力等等。
复合次级：钢板上复合一层铜板(或铝板)。 铜(铝)次级或非磁性次级:用于双边型直线电机中
特种电机及其控制
2）圆筒型直线电机 圆筒式直线电机，次级一般是厚壁钢管，为了提 高单位体积所产生的起动推力，可以在钢管外圆 覆盖一层1~2mm厚的铜管或铝管，成为复合次级， 或者在钢管上嵌置铜环或浇铸铝环，成为类似于 笼型的次级。