機電能量轉換南京航空航天大學研究生優質教學資源建設項目機電能量轉換裝置及發展第一章引言

當前，人類正處于第四次工業革命時代，即我們常說的工業“4.0”在此之前，人類經歷了三次工業革命。

第一次工業革命發生在18世紀60年代至19世紀中期，利用水力和蒸汽機實現工廠機械化，極大提高了社會生產力。第二次工業革命發生在19世紀70年代到20世紀初，在此期間，科學技術取得了突飛猛進的發展，并被迅速應用到工業生產中，大大促進了社會生產力的發展。電力的廣泛使用是第二次工業革命的重要標志，人類由此進人“電氣時代”。第三次工業革命是20世紀后半期出現的，主要是利用計算機技術和信息技術提高工業生產的自動化水平。而第四次工業革命的目標則是以人工智能技術、機器人技術、虛擬現實技術、量子信息技術、可控核聚變、清潔能源及生物技術為依托，通過人一機一物互聯互通的手段，將制造業推向智能化。引言可以說從第二次工業革命開始，工業生產就離不開電能，也就離不開機電能量轉換裝置。而且人們的日常生活也離不開電能，很多設備、產品本身屬于或包含機電能量轉換裝置。機電能量轉換裝置的作用是實現機械能與電能之間的轉換。發電機將機械能轉變為電能，電動機則將電能轉變為機械能。

當前，人類正處于第四次工業革命時代，即我們常說的工業“4.0”在此之前，人類經歷了三次工業革命。

機電能量轉換裝置的分類011.1機電能量轉換裝置的分類1.根據功率大小與用途不同，機電能量轉換裝置可以分成3類。（2）動鐵換能器（3）連續機電能量轉換裝置(1)機電信號變換器機電信號變換器變換的機電功率小，能夠實現機械能到電能的轉換，通常用于產生人們希望得到的電信號。動鐵換能器的輸入為電能，輸出為機械能，能夠將電能轉換成動鐵部分的直線旋轉運動。該類機電能量轉換裝置的特點是能夠較長時間進行連續機電能量轉換，最為典型的有電動機和發電機等。(1)機電信號變換器機電信號變換器變換的機電功率小，能夠實現機械能到電能的轉換，通常用于產生人們希望得到的電信號。常見的機電信號變換器有音響設備中的揚聲器、話筒，它們用以捕捉空氣的振動，產生相應幅值、頻率的電信號，為了實現對聲音的放大效果，還需要后級電路對相應的電信號進行功率放大，以驅動音箱等。此外，用作傳感器的測速發電機、旋轉變壓器等也是常見的機電信號變換器，它們感受速度、轉子位置變化，輸出包含轉速、位置信息的電信號，提供給控制電路。1.1機電能量轉換裝置的分類（2）動鐵換能器/（3）連續機電能量轉換裝置動鐵換能器的輸人為電能，輸出為機械能，能夠將電能轉換成動鐵部分的直線或旋轉運動，其特點是動鐵換能器的可動部分的運動范圍是受到限制的。典型的動鐵換能器有繼電器、接觸器、電磁鐵等。該類機電能量轉換裝置的特點是能夠較長時間進行連續機電能量轉換，最為典型的有電動機和發電機等。1.1機電能量轉換裝置的分類2·按照能量轉換的場所介質不同分類機電能量轉換裝置按照能量轉換的場所介質不同，可以分為磁場型、電場型及材料形變（壓電效應、電致伸縮、磁致伸縮）型3類。磁場型機電能量轉換裝置包括繼電器、接觸器、電磁鐵、各種常見的電機，它們機電能量轉換的場所都是磁場。電場型機電能量轉換裝置需要依靠靜電場來實現機械能與電能之間的轉換，諸如電容麥克風感受外界音源，引起電容極板振動導致電容容值變化，從而轉變成電信號輸出。1.1機電能量轉換裝置的分類此外，一些材料依靠材料內部的結構特性實現機械能與電能之間的轉換。例如，有的材料在施加電場或磁場作用下會發生形變，像鋯鈦酸鉛陶瓷等多晶材料在外加電場時，內部電疇的極化方向會轉動到與外電場相一致，從而導致相應方向的材料長度發生變化；

在外加磁場中，一些材料如金屬氧化物、鐵氧體及稀土材料的磁化方向的尺寸會發生改變，這就是磁致伸縮現象。

利用壓電效應制成的壓電陶瓷是一種能夠將機械能和電能互相轉換的信息功能陶瓷材料，它在機械應力作用下，引起內部正負電荷中心發生相對位移，導致材料兩端面出現符號相反的束縛電荷，主要用于制造超聲換能器、水聲換能器、電聲換能器及壓電陀螺等。1.1機電能量轉換裝置的分類機電能量轉換裝置的發展021.2機電能量轉換裝置的發展磁場型機電能量轉換裝置中，電磁式電機是最重要的一類。隨著我國“碳達峰"“碳中和"3060目標的確立，新能源汽車取代傳統燃油車成為趨勢，電動汽車產業蓬勃發展，促進了電驅動技術的快速進步；以電力（混合）驅動技術為核心的綠色航空概念也受到各國航空業界的高度關注，對電磁式電機提出了高功率密度、高效率等性能要求。隨著新材料、電力電子器件、冷卻技術的發展，出現了超導電機、容錯電機等新型電磁式電機。電磁式電機驅動系統是一個跨機械、電氣、控制、材料、傳熱等學科的復雜對象，通常要采用多物理場仿真技術對其進行研究。電機領域的研究可以分為新型電機拓撲結構、電機本體優化設計、高功率密度控制器、先進驅動控制策略等諸多方面。電場型機電能量轉換裝置中的靜電電動機可以細分為兩類，一類是基于介電弛豫

原理的靜電感應電動機，另一類是可變電容型靜電電動機。前者利用轉子表面感應出的電荷產生的電場滯后于旋轉電場的特性，轉子上的感應電荷產生的電場與定子旋轉電場之間就會存在一個夾角，使得轉子上受到電場轉矩的作用。后者是由于轉子不同位置下對應的定、轉子之間的電容值不同，導致電場儲能發生變化，進而產生電場力及電場轉矩。在微尺度領域，電磁式電機由于結構過于復雜，相比結構簡單的靜電電動機不再具有優勢，在航天衛星和醫療器械領域中人們已經開始嘗試用靜電電動機來代替傳統的電磁式電機。

1.2機電能量轉換裝置的發展靜電電動機除采用傳統的機械加工手段外，比較成熟的有表面超微加工技術和光刻、電鑄及脫模（LIGA）技術。表面超微加工技術利用犧牲層技術和集成電路工藝相結合對硅材料進行加工，可以實現微機械和微電子的系統集成。LIGA技術利用X射線光刻技術，通過電鑄成型和鑄塑形成深層微結構，這種方法可以對多種金屬及陶瓷進行三維微細加工。靜電電動機尺寸比較小，一般采用有限元法對它進行三維場分析，從而建立控制模型。此外，傳動結構和微尺寸下的摩擦問題等是靜電電動機領域的研究重點。

材料形變型機電轉換裝置與材料的發展密不可分。和傳統的超磁致伸縮材料及壓電陶瓷材料（PZT）相比，近期發展起來的稀土超磁致伸縮材料的伸縮應變更大，產生的推力也大，而且具有能量