电工新技术详解精课件.ppt

1、1 1 12 2 2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3 3 3图6-2 液氦温区低温超导材料NbTi导线4 4 4图6-3 液氮温区高温超导材料Bi系带材超导简史超导简史 汞在液氦附近电阻变化行为汞在液氦附近电阻变化行为 自自1911年以后，又发现了年以后，又发现了23种纯金属也具有超导性。种纯金属也具有超导性。包包 括水银在内，括

2、水银在内，24种纯金属超导材料的临界温度范种纯金属超导材料的临界温度范围为围为0.19.13K，最高温度，最高温度9.13K的是铌元素。的是铌元素。1952年，发现临界温度为年，发现临界温度为17K的硅化钒，不久又发的硅化钒，不久又发现了临界温度为现了临界温度为18K的铌锡合金，这在当时是最高的的铌锡合金，这在当时是最高的临界温度，以后又陆续发现了若干铌系列合金超导体。临界温度，以后又陆续发现了若干铌系列合金超导体。1973 年，科学家发现了铌锗合金，其临界温度为年，科学家发现了铌锗合金，其临界温度为23.2K，该纪录保持了，该纪录保持了13年。年。1986 年，年，IBM公司的研究人员米勒和

3、贝德诺尔茨发现公司的研究人员米勒和贝德诺尔茨发现了一种铜氧化物具有了一种铜氧化物具有35K 的高温超导性，突破了传统的高温超导性，突破了传统“氧化物陶瓷是绝缘体氧化物陶瓷是绝缘体”的观念，更重要的是改变了的观念，更重要的是改变了从金属和合金中寻找超导材料的传统思路从金属和合金中寻找超导材料的传统思路。1986 年底，美国贝尔实验室研究的氧化物超导材料，年底，美国贝尔实验室研究的氧化物超导材料，其临界超导温度达到其临界超导温度达到40K，液氢的，液氢的“温度壁垒温度壁垒”被跨被跨越。越。1987年，中国科学家赵忠贤在钇年，中国科学家赵忠贤在钇-钡钡-铜铜-氧系材料上把氧系材料上把临界超导温度提高

4、到临界超导温度提高到90K以上，液氮的禁区（以上，液氮的禁区（77K）也）也被突破了，这使超导转变温度高于液氮的气化温度被突破了，这使超导转变温度高于液氮的气化温度，使资源丰富、价格低廉的液氮作为超导体工作的冷却使资源丰富、价格低廉的液氮作为超导体工作的冷却剂成为可能。人们将这类铜基氧化物超导体叫做高温剂成为可能。人们将这类铜基氧化物超导体叫做高温超导体。为了与这类新发现的高温超导体相区别，人超导体。为了与这类新发现的高温超导体相区别，人们把在此以前发现的超导体称为低温超导体。们把在此以前发现的超导体称为低温超导体。1987年底，铊年底，铊-钡钡-钙钙-铜铜-氧系材料又把临界超导温度的氧系材料

5、又把临界超导温度的纪录提高到纪录提高到125K。1993年，人们发现了超导临界转变温度为年，人们发现了超导临界转变温度为133K的汞的汞-钡钡-钙钙-铜铜-氧系材料。氧系材料。超导体的性质和临界参数超导体的性质和临界参数 零电阻 将超导体冷却到某一临界温度以下时电阻突然降为零的现象称为超导体的零电阻现象叫超导体零电阻 完全抗磁性 当超导体冷却到临界温度以下而转变为超导态后，只要周围的外加磁场没有强到破坏超导性的程度，超导体就会把穿透到体内的磁力线完全排斥出体外，在超导体内永远保持磁感应强度为零。超导体的这种特殊性质被称为“迈斯纳效应“121212图6-4 超导体的完全抗磁性现象 临界温度（TC

6、）-超导体必须某一临界温度以下才能保持其超导性。临界电流密度（JC）-通过超导体的电流密度必须某一临界电流密度才能保持超导体的超导性。临界磁场（HC）-施加给超导体的磁场必须某一临界磁场才能保持超导体的超导性。141414151515161616图6-5 83MW超导发电机超导转子（左）与试验车间（日本）1、小型化、轻量化、大幅度拓宽了制作界限 2、效率的提高 3、输出电压高压化 4、同步电机特性改善1717171、小型化、轻量化、大幅度拓宽了制作界限、小型化、轻量化、大幅度拓宽了制作界限2020202、效率的提高、效率的提高300MW同步发电机的各项指标比较同步发电机的各项指标比较21212

7、13、同同步步电电机机特特性性改改善善4、输输出出电电压压高高压压化化222222图6-6 5MW船用高温超导推进电动机232323图6-7 5MW船用高温推进电动机结构图242424图6-8 300kW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）252525 图6-10 500kW,6600/3300V高温超导变压器（日本）图6-11 26kW高温超导变压器（中国科学院电工研究所等）高温超导变压器的绕组导线为高温超导材料，冷却介质不是油、空气，而是液氮或传导冷却（制冷剂），铁芯材料是特殊硅钢片。高温超导变压器具有体积小、重量轻、效体积

8、小、重量轻、效率高、过负荷能力强、无火灾隐患等优点。与传统的变压率高、过负荷能力强、无火灾隐患等优点。与传统的变压器相比，高温超导变压器的总损耗是传统变压器的器相比，高温超导变压器的总损耗是传统变压器的31%，重量是重量是46%，成本是，成本是77%。高温超导变压器的效率将大大高于传统油浸式变压器，因此可节约可观的能源，也减少了对化石燃料的需求，减少了因燃烧化石燃料而产生的各种污染，同时由于没有变压器油，不必担心火灾和漏油造成的污染。高温超导变压器具有十分广阔的发展前景。在国家“863”重大项目支持下，中国科学院电工研究所与新疆特变电工股份有限公司、河北大学合作，从2002年起开展三相630k

9、VA10.5KV高温超导变压器的研发。超导变压器的基本特点超导变压器的基本特点 a.体积小、重量轻。b.效率高。c.阻燃。d.某些特殊功能。282828 图6-12 2000A高温超导电缆结构云电英纳超导电缆公司1、导体中与电流相关、导体中与电流相关的损耗；的损耗；2、冷却电缆的低温热、冷却电缆的低温热漏；漏；3、由于电缆较长而使、由于电缆较长而使用的制冷剂、加压泵用的制冷剂、加压泵带来的损耗。带来的损耗。292929图6-13 30m长、35kV、2kA高温超导电缆云电英纳超导电缆公司303030 图6-14 超导储能装置的储能线圈图6-15 2 MJ超导储能设备（德国）3131313232

10、32333333 图6-16 日本超导磁悬浮列车343434 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。p 353535 原子核中蕴藏巨大的能量，原子核的变化（从一原子核中蕴藏巨大的能量，原子核的变化（从一种原子核变化为另外一种原子核）往往伴随着能量的释种原子核变化为另外一种原子核）往往伴随着能量的释放。如果是由重的原子核变化为轻的原子核，叫放。如果是由重的原子核变化为轻的原子核，叫核裂变核裂变，如原子弹爆炸；如果是由轻的原子核变化为重的原子核，如原子弹爆炸；如果是由轻的原子核变化为重的原子核，叫叫核聚变核聚变，如太阳发

11、光发热的能量来源。，如太阳发光发热的能量来源。核聚变是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，核聚变是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和高压），发生原子在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。发生核聚变的条件发生核聚变的条件 高温高温可为氢原子提供足够的能量，以克服质子之间的电荷排斥。核聚变需要的温度约为1亿开（约是太阳核心温度的六倍）。在这样的高温下，氢的状态为等离子体，而不是气体。等离子体是物质的一种高能状态，

12、其中所有电子都从原子中剥离出来，并可以自由移动。太阳的高温是由重力压缩核心的巨大质量而产生的。我们要制造出这样的高温，就必须利用微波、激光和离子粒子的能量。高压高压压力可将氢原子挤在一起。氢原子之间的距离必须在压力可将氢原子挤在一起。氢原子之间的距离必须在1x10-15米米以内，才能进行聚合。以内，才能进行聚合。太阳利用其质量和重力将核心内的氢原子挤压在一起。太阳利用其质量和重力将核心内的氢原子挤压在一起。我们要将氢原子挤压在一起，必须使用强大的磁场、激光或离子束。我们要将氢原子挤压在一起，必须使用强大的磁场、激光或离子束。目前的技术只能实现发生氘氚聚变所需的温度和压力。氘氘聚变需要的温度更高

13、，这种温度有可能在将来实现。利用氘氘聚变会更加方便，因为从海水中提取氘比从锂中提取氚要更加容易。另外，氘不具有放射性，而且氘氘反应可释放更多的能量。实现发生氢聚变所需的温度和压力的两种方法实现发生氢聚变所需的温度和压力的两种方法磁约束磁约束使用磁场和电场来加热并挤压氢等离子体。使用磁场和电场来加热并挤压氢等离子体。法国的法国的ITER项目使用的就是这种方法项目使用的就是这种方法。惯性约束惯性约束使用激光束或离子束来挤压并加热氢等使用激光束或离子束来挤压并加热氢等离子体。在美国劳伦斯利弗莫尔实验室的国家点离子体。在美国劳伦斯利弗莫尔实验室的国家点火设施中，科学家们正在对这种试验方法展开研火设施中

14、，科学家们正在对这种试验方法展开研究。究。磁约束的工作原理磁约束的工作原理加速器释放出微波、带电粒子束和中性粒子束，用于加热氢气加速器释放出微波、带电粒子束和中性粒子束，用于加热氢气的气流。在高温下，氢气从气态变为等离子体。这种等离子体的气流。在高温下，氢气从气态变为等离子体。这种等离子体受到超导磁体的挤压，进而发生聚变。在用磁场约束等离子体受到超导磁体的挤压，进而发生聚变。在用磁场约束等离子体时，最有效的磁体形状是面包圈形（即环形）。时，最有效的磁体形状是面包圈形（即环形）。核聚变反应堆加热氘和氚燃料的气流，使之形成高温的等离子体。接下来，反应堆对等离子体施加压力，继而发生聚变。等离子体反应

15、室外部的锂包层将吸收核聚变反应中释放的高能中子，从而产生更多的氚燃料。在高能中子的作用下，这些包层也会被加热。水冷回路将热量转移至热交换器，最终形成蒸气。蒸气驱动涡轮发电。蒸气将被重新压缩成水，以便让热交换器吸收反应堆中的更多热量。核聚变反应将持续300500s（最终将形成持续的核聚变反应）。启动核聚变反应所需的电能约为70MW，但该反应生成的电能约为500MW。ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)Tokamak 的工作过程的工作过程414141图6-17 托克马克装置原理（环形核聚变反应装置）核聚变的优点核聚变的优点 核

16、聚变的主要应用是发电电，它可为后代提供安全、清洁的能源，与目前的核裂变反应堆相比，它具有以下优点：燃料供应充足燃料供应充足氘可直接从海水中提取，大量的氚可从核反应堆本身的锂中获得，而锂又广泛存在于地壳中。核裂变所需的铀非常稀少，必须经过开采和浓缩后才能用于反应堆。安全安全与核裂变反应堆相比，核聚变所需的燃料较少。这样便避免了不可控的能量释放。与人类生存的自然界相比，大多数核聚变反应堆释放的辐射并不算多。清洁清洁核电厂（无论是裂变还是聚变）不靠燃烧发电，不会造成空气污染。核废物更少核废物更少核聚变反应堆不像核裂变反应堆那样会生成大量的核废物，因而处理起来会更加容易。另外，核裂变所产生的废物属于武

17、器级的核材料，而核聚变的废物则没有这样的危险。我国的我国的East 全超导托卡马克全超导托卡马克4444444545452022-8-182022-8-182022-8-18464646磁流体发电的定义及工作原理磁流体发电的定义及工作原理 定义：磁流体发电就是磁流体发电就是(气、液体气、液体)以一定的速度垂直通过磁以一定的速度垂直通过磁场，从而感应电动势产生电功率，场，从而感应电动势产生电功率，把内能直接转换成电能的一种发电把内能直接转换成电能的一种发电方式。方式。工作原理：目前开发的方案是目前开发的方案是将等离子体喷入磁场，在将等离子体喷入磁场，在洛伦磁力洛伦磁力的作用下，带正负电荷的粒子分

18、别的作用下，带正负电荷的粒子分别反向运动，各自聚集到电极上，将反向运动，各自聚集到电极上，将电极外接负载（用电器），就能输电极外接负载（用电器），就能输出电能出电能。最简单的开式磁流体发电机由燃烧室、发电通道和磁体组成。工作过程是在化石最简单的开式磁流体发电机由燃烧室、发电通道和磁体组成。工作过程是在化石燃料燃烧后产生的高温气体中，加入易电离的钾盐或钠盐，使起部分电离后，经燃料燃烧后产生的高温气体中，加入易电离的钾盐或钠盐，使起部分电离后，经喷管加速产生高达摄氏喷管加速产生高达摄氏30003000度度、速度达到、速度达到10001000米秒的高温高速导电气体，最后米秒的高温高速导电气体，最后产

19、生电流。产生电流。2022-8-182022-8-182022-8-18474747磁流体发电机磁流体发电机 结构原理：磁流体发电机由燃烧系统，通道和磁体三大部分组成。1.燃烧系统包括燃烧室、喷管和空气预热系统等。燃烧室是将燃料、气化蹊剂、碱金属（种子）燃烧而获得导电气体低温离子体。2022-8-182022-8-182022-8-18484848 2.发电通道是磁流体发电机的核心部分。它的性能的好坏在很大程度上决定了磁流体发电机能否付实用，通道的主要要求是在具有一定的热电转效率（要求20%以上）的基础上，保证可靠的长时间运行（要求3000小时以上）。3.磁体是磁流体发电机不可缺少的重要部件，

20、它的作用和普通发电机磁极的作用相同。大型磁流体发电机的磁体必须采用超导磁体才能满足要求。磁流体发电机由燃烧室、发磁流体发电机由燃烧室、发电通道和磁体等部分组成电通道和磁体等部分组成.高温气体温度温度3000K，1000米秒米秒的速度喷出的等离子体的速度喷出的等离子体加速喷管加速喷管工作原理工作原理磁流体发电是一种新型的发电方法。它把燃料的热能直接直接转化为电能，省略了由热能转化为机械能的过程，因此，这种发电方法效率较高，可达到60以上。对环境的污染也小。磁流体发电的另一个好处是产生的环境污染少。利用火力发电，燃烧燃料产生的废气里含有大量的二氧化硫及NOx，这是造成空气污染的一个重要原因。利用磁

21、流体发电，不仅使燃料在高温下燃烧得更加充分，使Nox充分氧化，还能使硫与其他添加剂生成硫酸钾，并被回收利用，这就避免了直接把硫排放到空气中，对环境造成污染。磁流体发电机制造中的主要问题是发电通道效磁流体发电机制造中的主要问题是发电通道效率低，目前只有率低，目前只有10%。通道和电极的材料都要。通道和电极的材料都要求耐高温、耐碱腐蚀、耐化学烧蚀等，目前所求耐高温、耐碱腐蚀、耐化学烧蚀等，目前所用材料的寿命都比较短，因而磁流体发电机不用材料的寿命都比较短，因而磁流体发电机不能长时间运行。能长时间运行。技术难题技术难题磁流体发电机的磁场：利用超导材料来代替普通绕线来磁流体发电机的磁场：利用超导材料来

22、代替普通绕线来产生电磁场，由于超导材料不用电压维持就能形成持久产生电磁场，由于超导材料不用电压维持就能形成持久的环路电流，所以能产生强磁场，但是超导材料要在超的环路电流，所以能产生强磁场，但是超导材料要在超低温下才有超导现象，（最新的超导材料的温度也没超低温下才有超导现象，（最新的超导材料的温度也没超过过200K）故而，寻找新的更高温度的超导材料也是磁流）故而，寻找新的更高温度的超导材料也是磁流体发电机提高效率的要求。体发电机提高效率的要求。磁流体发电机的发展和情况磁流体发电机的发展和情况 最近几年，科学家在导电流体的选用上有了新的进展，发明了用低熔点的金属（如钠、钾等）作导电流体，在液态金属

23、中加进易挥发的流体（如甲苯、乙烷等）来推动液态金属的流动。制造电极的材料和燃料的研制方面也有了新进展。但要解决磁流体发电中技术、材料等方面的所有难题是不现实的。随着新的导电流体的应用，技术难题逐步解决，磁流体发电的前景还是乐观的。在美国，磁流体发电机的容量已超过3.2万KW；日本、西德、波兰等许多国家都在研制磁流体发电机。磁流体发电机现在已应用到个个领域磁流体发电机现在已应用到个个领域.在国防方面，我们已经看到了用磁流体发电机为动力的潜艇；在日常生活中，已经有了磁流体的新概念车型.545454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）555555图6-21 日本超导磁流体推进

24、船 对电力需求的日益增加和大量的能源消耗，大量火电厂的对电力需求的日益增加和大量的能源消耗，大量火电厂的建造，使得建造，使得CO2等有害气体大量排放，环境恶化。我国目前等有害气体大量排放，环境恶化。我国目前以煤为主的能源方案，预计以煤为主的能源方案，预计2020年，我国的二氧化碳排放量年，我国的二氧化碳排放量就可能超过美国，成为世界上第一排放国。就可能超过美国，成为世界上第一排放国。575757可再生能源可再生能源(RE)发电发电585858图6-23 风力发电站与电力系统并网u 风能：风能：全球年增长率超过全球年增长率超过30齿轮箱同步发电机整流器IGBT逆变器变压器齿轮箱绕线转子感应发电机

25、变压器IGBT 功率变流器栅格栅格AC-DC-AC 方式方式AC-AC 方式方式欧盟规定：新能源在发电量的比例欧盟规定：新能源在发电量的比例(%)19972010德国德国2.410.3西班牙西班牙3.617.5丹麦丹麦8.729.0荷兰荷兰3.512.0意大利意大利4.514.9希腊希腊0.414.5爱尔兰爱尔兰1.111.7.欧盟欧盟15国国3.212.5中国在中国在2002年风能占总容量的年风能占总容量的0.11%可再生能源可再生能源(RE)-风力发电风力发电606060图6-24 海上风力发电机正在安装（丹麦）我上到风机上了 存在的问题：1、频率稳定；2、电压稳定；3、低频功率震荡；4、

26、风场模型多变性。737373747474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。757575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767676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777777图6-28 太阳能光伏电池阵光伏电池阵列能量存储逆变器自动

27、开关交流配电盘重要负载交流配电盘带锁断路器室内室外电网电度表栅格检测安全断路开关大电流小电流信号一个有储能系统的光伏发电系统典一个有储能系统的光伏发电系统典型结构示意图型结构示意图 2002年，有年，有400MW的光伏电池模块进入的光伏电池模块进入市场。市场。主要应用缺点：主要应用缺点：成本高成本高 效率不高效率不高 在家庭分布式发在家庭分布式发电系统中有广阔的应电系统中有广阔的应用前景。用前景。818181 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 磁悬浮列车分类磁悬浮系统类型磁悬浮系统类型 电磁悬浮系统（Electro Magnet

28、ic System）:依靠在机车上的电磁铁和导轨上的铁磁轨道相互吸引产生悬浮,属吸力悬浮系统,并主要应用于德国常导磁悬浮列车系列.(左图)电力悬浮系统（Electro Dynamic System）:将磁铁使用在运动的机车上以在导轨上产生感应电流,进而产生电磁斥力以支撑和导向列车.属斥力悬浮系统,并主要应用于日本超导磁悬浮列车系列.(右图)838383 图6-32 Transrapid原理德国：常规磁铁吸引式悬浮系统德国：常规磁铁吸引式悬浮系统 日本：排斥式悬浮系统日本：排斥式悬浮系统 868686 图6-31 日本超导磁悬浮列车的导轨结构磁悬浮列车工作原理图磁悬浮列车工作原理图888888优

29、点优点1 磁悬浮列車运行时与轨道保持一定的间隙（一般为-厘米），因此无摩擦、运行安全、平稳舒适、无杂讯，可以实现全自动化运行。优点优点2 磁悬浮列车车辆使用寿命可达35年，而普通有轨列车只有20至25年。磁悬浮列车的路轨寿命是80年，普通路轨道60年。优点优点3 磁悬浮列車启动后秒即达到最大速度，目前的最高時速是公里。据德国科学家预测，到年，磁悬浮列车采用新技术后，时速将达公里。而一般铁轨列車的最高時速为公里。上海现已建成的磁悬浮列车线，其最高時速为500公里。优点优点4 磁悬浮高速列车噪音低，节能，占地面积少，这是其他陆路交通系统无法与之相比的。这种创新的无接触轨道技术带来了极大的机动性，但

30、却不会对环境造成负担。与新一代的汽车发动机相似，在同等功率下，磁悬浮高速列车比高速铁路所消耗的能源要少的多。或者反过来说：在耗能相同的情况下，磁悬浮高速列车的效率要高得多。(1)超导悬浮能耗大；(2)超导悬浮低速区制动运行条件不好；(3)起浮及落地系统，超导装置及冷却系统要占车辆重量的相当比重；(4)全速范围内的舒适度控制技术尚未解决；(5)强磁场对人体影响尚不清楚。949494959595 图6-33 日本名古屋常导磁悬浮列车（Linimo）969696燃料电池的雏形是1839年由英国科学家格罗夫（William Robert Grove，1811-1896）提出的（当时称为“气体伏打电池”

31、）。图6-35 燃料电池的外部结构图979797989898999999p 转换效率高；p污染小；噪音低；p积木性高，可靠性高；p适用能力强，可使用多种初级燃料。100100100图6-36 为计算机供电的燃料电池101101101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102102102p 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103103103图6-39 电力系统中的飞轮储能装置 104104104 图6-40 英国Bristol的新型 纯飞轮供电有轨车105

32、105105 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ATTB106106106图6-43 轨旁飞轮储能再生制动系统107107107 图6-44 卫星姿态控制用飞轮系统108108108 图6-45 航天飞机电磁发射示意图109109109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110110110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、

33、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111111111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 驱动线圈线圈 电枢（等离子体）电流图6-47 电磁发射装置112112112图6-48 国外研制的电磁炮113113113（Micro Electro-Mechanical Systems，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。114114114图6-49 微

34、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）115115115图6-51 微机电系统陀螺仪116116116图6-52 封装好的微机电系统产品117117117图6-52 微机电系统卫星（概念图）118118118119119119120120120121121121Liquid Helium region low temperature superconductive material NbTi wire122122122Liquid Nitrogen region high temperature superconductive materialBi ser

35、ies tapes123123123 A momentous discovery by Dutch scientist in 1911,that the resistance of the mercury turned to zero when the temperature below-269.It is a phenomenon displayed by some materials when they are cooled below a certain temperature,known as the superconducting critical temperature,Tc.:h

36、igh Tc superconductor Below Tc,superconducting materials exhibit two characteristic properties:Zero electrical resistance;Full diamagnetism(Meissner Effect).When the superconductor below its critical temperature，and a magnet is brought near to it,the inner magnetic field intensity of the superconduc

37、tor is completely expelled to zero,behaving as a full diamagnet.124124124 Meissner EffectA superconductive disk on the bottom,cooled by liquid nitrogen,causes the magnet above to levitate.The floating magnet induces a current,and therefore a magnetic field,in the superconductor,and the two magnetic

38、fields repel to levitate the magnet.125125125 83 MW superconducting rotor and its test plant(Japan)1261261265MW HTS ship propulsion motor1271271275MW HTS ship propulsion motor structures128128128300kW superconducting homopolar motor（712 institute of Wu Han,China）Superconducting motor podded propelle

39、r129129129 500kW,6600/3300VJapan HTS transformer26kW HTS transformer(Institute of electrical engineering Chinese academy of science)130130130 2000A HTS cableInnopower superconductor cable Co.,Ltd.,Beijing13113113130m length、35kV、2kA HTS cables system132132132 SMES coilGermany 2 MJ SMES133133133 Japa

40、n superconducting Maglev train134134134 Applications in electrical engineering Superconducting coil:Tokamak device,Magnetohydrodynamic Power Generation Superconducting Maglev bearing:No mechanical friction,Steadyp 135135135136136136Principle of Tokamak device(Toroidal nuclear fusion device)Deuterium

41、-Tritium-Helium 137137137Tokamak fusion reactor power plant138138138139139139Principle diagram of MHD power generator and test devices140140140Superconducting magnet of MHD power generator(Institute of electrical engineering Chinese academy of science)141141141Japan superconducting MHD propulsion sh

42、ip142142142 （a）（b）Plasma MHD propeller（a）Structure sketch map （b）Propeller spout of “SMART-1”detector143143143Wind power plant and grid connected144144144Offshore wind power generation being installed（Denmark）145145145Three principles：1）Photothermal conversion,using the sun to heat water and produce

43、 steam to run electrical turbines,such as solar water heater;2）Photoelectric conversion,converting solar energy to DC electricity,such as solar cells;3）Photochemical conversion,chemical energy being generated from solar energy.Four methods to collect solar energy,showed in the figures as follows:146

44、146146Four methods of solar generation(a)Parabolic trough(b)Fresnel lens (c)Solar dishes (d)Solar power towers 147147147Solar thermal power stationSolar power tower sketch map148148148Solar photovoltaic arrays(PV arrays)149149149 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Maglev trains classificati

45、on150150150 are two types of Maglevs:ones that use like magnets which repel each other and ones that use opposing magnets that attract with each other.Ones that use repelling magnets are called Superconducting Maglevs,while Electromagnetic Maglevs use opposing magnets.How does a Maglev Train work?Ea

46、ch project is developing its own version of Maglev but the main difference rests on the way the magnetic field is generated.u The German model and the Japanese HSST(High Speed Surface Transport)use Electromagnetic Suspension(EMS).China in its Shanghai Maglev uses German technology.EMS uses the attra

47、ctive magnetic force of a magnet beneath a rail to lift the train up.u The Yamanashi Maglev(Japan)and the projected Florida Maglev use Electrodynamic Suspension(EDS).EDS uses a repulsive force generated by the interaction between the magnetic fields in the train and the rail to push the train away f

48、rom the track.u The project in Los Angeles(Indutrack)uses Permanent Magnet EDS.151151151 Superconducting Maglev bogieSuperconducting Maglev track152152152 Principle of Transrapid153153153 Normal conducting maglev-Linimo in Nagoya,JapanHSST:High Speed Surface Transport154154154 Berlin permanent magne

49、t half levitating train,Germany155155155British physicist William Robert Grove,1811-1896,produced the first fuel cell in 1839(called“Gas Voltaic battery”at that time).Fuel cell exterior structure156156156Fuel cell as Computer power supply157157157 p First generation,alkaline fuel cell(AFC),high effi

50、ciency but cost much;p Second,phosphoric acid fuel cell(PAFC),advanced and very practical;p Third,molten carbonate fuel cell(MCFC),higher efficiency than PAFC,used to generate strong power;p Fourth,solid oxide fuel cell(SOFC),used solid electrolyte,avoids the danger of electrolytes corrosion and lea