旋转式高速水洞设计动力系统设计(2)
图1.1 动力系统
1.1.1 电机的起源和发展
1820年奥斯特发现了电流在磁场中受力的物理现象，随后由安培对这种现象进行了总结，在此基础上人们在实验室里制出了直流电动机的模型（图1.2）。1834年亚哥比制成了第一台可以使用的直流电动机。1838年人们在亚哥比直流电动机用于拖动电动轮船试验，小船在涅瓦河上载运11人，以4m/s的速度顺流而下和逆流而上，获得了成功。这是人类制成的最早的可供实用的电动机，也是最早的电力拖动。当时还没有可供实用的直流电机，为电动机供电的是化学电池，这种化学电池价格昂贵，因此，限制了直流电动机的大量应用。
图1.2 直流电动机
1831年法拉第发现了电磁感应定律，为生产制造各种发电机提供了依据。以后制出了直流发电机，为直流电动机提供了可用的电源，使直流电机的应用得以扩大，可见在电机发展史上首先得到应用的是直流电机。直到19世纪70年代直流电机在应用中一直占着主导地位。随着电机应用的扩大，用电量不断增加，由于当时直流电压无法提高，在远距离输电方面遇到了困难，人们开始认识到交流电的优越性。
1871年凡•麦尔准发明了交流发电机。1878年亚布洛契科夫使用了交流发电机和变压器为他发明的照明装置供电。1885年意大利物理学家费拉利斯发现了两相电流可以产生旋转磁场，一年以后费拉利斯和在美国的垣斯拉几乎同时制成了两相感应电动机的模型。1888年多里沃•多勃罗沃尔斯基提出了三相制，并制出了三相感应电动机，奠定了现代三相电路和三相电机的基础。1891年三相制正式在工业上得到应用，很快显示出了它的优越性，并得到了迅速的发展，电工技术从此进入了三相制的发展新阶段（图1.3）。的别是多里沃•多勃罗沃尔斯基发明的笼型异步电动机结构简单，价格便宜，工作可靠，19世纪90年代在欧美国家得到了广泛的应用了。用电量的大增，使得三相电网容量迅速扩大，电力工业迅速发展，从而使三相同步发电机和三相电力变压器的产量迅速增加。
图1.3 三相异步电动机
进入20世纪，由于异步电动机的用量越来越大，给电网带来了新的问题，就是使电网的功率因素降低，影响了电网输送有功功率的能力。为改善电网的功率因素，人们想到了同步电动机，用它来拖动不需要调速的大型设备，同样可以完成生产任务，同时还可以通过调节励磁，使它对电网呈电容性，为电网提供容性的无功功率，提高电网的功率因素，使发电，输变电设备得到充分利用。因此，同步电动机在一定范围内得到了应用（图1.4）[7]。
图1.4 同步电动机
1.1.2 电机的类型
电机的种类很多，由此衍生的分类方法也很多。
① 按结构分类
可以分为变压器，异步电机，同步电机和直流电机这四个机种。其中变压器室静止的电气设备，其余均为旋转电机。
② 按功能分类
（1） 发电机：由原动机带动，将机械能转换成电能。
（2） 电动机：将电能转换成机械能，驱动电力机械。
（3） 变压器、变频器、交流器、移相器：改变电压、电流、频率和相位。
（4） 控制电机：进行信号的传递和转换，控制系统中的执行、检测和解算元件[8]。
1．2 研究背景及意义
水洞是流体动力学研究中的的一种重要试验设备，主要运用于水下航行器的研究
对于当代我国海洋事业的发展具有巨大的作用。可用来研究边界层现象、尾流、湍流，特别是气蚀，水弹性现象和自由液面现象，以及水流与试验物体之间的作用力。水洞是一个流速和压力可以分别控制的水循环系统。气蚀，也叫做空化，是由于在流动的动力作用下局部压力降低而引起的水的蒸发，它依赖于实验水流中的绝对压力。水弹性，指的是实验物体的弹性特性与水流之间的相互作用。自由液面水洞能够研究自由液面水洞。