第二章 机电传动系统的动力学基础总结

了解多轴拖动系统中转矩,转动惯量和飞轮转矩的
折算方法;

了解几种典型生产机械的机械特性;
掌握机电传动系统稳定运行的条件；

了解决传动系统的过渡过程。
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电机与拖动
电力拖动是用电动机带动生产机械运动，以完成一定的
生产任务 电力拖动系统一般由电动机、生产机械的工作机构、传 动机构、控制设备及电源五大部分组成。
电源
控制设备
电动机
传动和工作机构
电力拖动系统中有的部件作直线运动、有的部件作旋转 运动。采用古典动力学来分析。
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§2.1 机电传动系统的运动方程式 TM n T0 TL
电动机
生产机械
电机与拖动
轴 n
TL
TM
1.单轴机电传动系统运动方程式:
根据动量守恒定律：
TM TL
2 2 2
产机械轴上的飞轮转矩。
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二、三轴直线运动折算到电动机轴上
1.负载转矩的折算
转矩折算的原则：系统传递的功率不变 1）平移运动
总质量mｚ
电机与拖动
刨刀
F
n TM 电动机
v
切削功率：P L Fv
T L Fv c T L Fv 60Fv 9.55 Fv c M c 2nM nM c 折算前后功率不变
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电机与拖动
考虑各级效率时：
TLM
' T

L
L
c

TL

TL'
c
M L
TL' c j
传动效率: C 1 2
' TL L C TL M
' ' T T 1 L L 转矩的耗损： T TL ( 1) jC j C
TM 轴 n
TL
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在工程计算中，常用 n 代替 表示系统速度，用飞轮矩 GD2代替 J 表示系统机械惯性
TM TL J d dt
电机与拖动
2 n 60
2 D G GD J m 2 g 2 4g
(3)交流电动机的工作原理及特性; (4) 控制电动机.
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概述
电机是利用电磁感应原理工作的机械。
电机与拖动
电机常用的分类方式有两种：一是按功能分，有发电机、 电动机、变压器和控制电机四大类；二是按电机结构或转速分， 有变压器和旋转电机。 两种方法归纳如下：
变压器 直流电机 电机 交流电机
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电机与拖动
§2.2转矩.转动惯量和飞轮转矩的折算
实际拖动系统一般是多轴传动系统，该系统的运动方程式，是 将其转矩等折算到一根轴上，再按前面的方法列出运动方程式。 折算时，可以折算到电动机轴上(高速轴)，也可以折算至低速 轴上。
(a) 旋转运动
(b) 直线运动
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4) 计算机数字控制系统


3. 本课程的性质和任务
1) 课程性质
电机与拖动
该课程是机械类专业的一门必修的专业基础课, 是机电一体化人才所需电知识的驱体.
2) 课程内容
全书11章，取前2-5章共4章内容：

(1)机电传动系统的动力学基础和过渡过程;


(2)直流电机的工作原理及特性;
TL
1
j1η1 j2η2
提升运动：电动机为电动状态 下降运动：电动机为发电状态
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电机与拖动
（1）提升运动：方法同平移运动
重物质量
平移TL 9.55 Fv c nM
（2）下降运动

GZ v mgv 提升TL 9.55 9.55 c nM c n M
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例2:提升重物过程如右图示,写出运 动方程式. 解 : (a)中，提升重物，TM为正， TL为正，运动方程式为:
电机与拖动
GD 2 dn TM TL 375 dt
(b)中，仍为提升重物，但TM为负，
TL为正, 运动方程式为:
GD 2 dn TM TL 375 dt
1 J 2 1 J 2 1 J 2 ... 1 J 2 Z M M M 1 1 L L 2 2 2 2 2 2 D G GD M 2n / 60 J Z m 2 g 2 4g 1 J 2 J J 1 ... J L Z M M 2 2 j12 jL
TM 电动机
JＺ 等效负载 TL
其中 : F — 工作机构的直线作用力，（ N ） v — 工作机构直线运动的速 度 ，（ r / min ）
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电机与拖动
2）升降运动
GDM2 TM M 电动机 GD1
2
TM M 电动机
GD2 等效负载
ｚ
滚筒 GDL2 m v
提升和下降的传动损耗相同
GZ v ' T L 9.55 c nM
v G v 下降G v G v' Z 提升G Z Z Z c c
1 下降时降时的传动效 ' 2 c c
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2.转动惯量和飞轮矩的折算
飞轮矩折算的原则：系统储藏的动能不变
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GD2 dn Td TM TL 375 dt
举例
例1:列出下图系统的运动方程式,并说明运动状态.
电机与拖动
TM
TM＞TL
n n TL
解: TM与n反向为负，TL与n反向为正, 运动方程如下式； 状态为减速。
TM GD 2 dn TL 375 dt
控制简单,可靠性高,连续控制,拖动性能好.
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电机与拖动
电气控制系统的发展概况
3) 可编程序控制器(PLC)

是继电器常规控制技术与微机技术的结合,是一台按开关 量输入的工业控制专用计算机;
具有逻辑运算功能,定时/计数功能,数字运算功能,通信功 能. 1952年美国出现第一台数控铣床,1958年出现加工中 心,20世纪70年代CNC应用于数控机床和加工中心,80年代 出现了柔性制造系统(FNS); 提高了生产机械的通用性和效率,实现机械加工全盘自动 化.
2 2

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电动机
TM
GDM2

GD12
TM
电动机

等效负载
TL
电机与拖动 GDZ 2
j 1 η1
1
L
TL´
工作机构
j2η2 GDL2
2 GD12 GDL GDZ GDM 2 2 j1 jL
2 2
式中：GDM 、GD1 、 GDL 分别为电动机轴，中间传动轴，生
一、三轴旋转运动折算至电动机轴上
1. 负载转矩的折算
TM TM M
电机与拖动
电动机 j 1 η1
M
L
TL´
电动机 工作机构
等效负载
TL
1
j2η 2 转矩折算的原则：系统传递的功率不变
TL M T L PL
' L
j 为系统的速比:
L ' 1 ' TL TL TL M j M n j j1 j2 L nL
TM
d J dt
定义式
GD 2 dn TL 375 dt
工程计算式
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电机与拖动
电力拖动系统正方向的规定：
先规定旋转方向为正方向，转速
n 的正方向一般选实际转向。
规定与n方向相同的TM为正,与n方 向相反的TL为正 规定与n方向相反的TM为负,与n方 向相同的TL为负。
2

2 GD dn TM TL 375 dt
m 转动部分的质量,(kg)
转动部分的惯量半径,(m)
G 转动部分的重量,( N ) D 转动部分的惯性直径,(m) GD2 转动部分的飞轮矩,工程上看成整体,( N m2)
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电机与拖动
2.系统动态转矩Td 令系统动态转矩: 讨论: 1)当Td=0时, 系统称之为稳态或静态. 2)当Td≠0时, 系统为动态: (1) Td＞0, dn/dt = a＞0, 系统加速， (2) Td＜0, dn/dt = a＜0, 系统减速，称之为动态 因此: TM ，TL有大小，有方向。
M 2
... 2

1 J 1 ... J 1 J J M 1 2 1 2 2 L 2 2 j j j j 1 1 2 L M
JL

L
M j1 1
M jL L
2 GD12 GD22 GDL GDZ GDM 2 2 2 ... 2 j1 j1 j2 jL
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电机与拖动
2.电气控制系统的发展概况
1) 继电器-接触器控制系统
能对控制对象实现起动,制动,有级调速控制;
结构简单,动作可靠;控制速度慢,控制精度差.
2) 连续控制方式和自动控制系统
20世纪30年代的电机放大机控制,40-50年代的磁 放大器控制和水银整流器控制,1958年以后的晶闸 管-直流电动机无级调速系统,80年代以来的新型电 力电子元件-交流电动机无级调速系统;
注意：当ＴM为拖动性，Δ Ｔ由电动机提供； 当ＴM为制动性， ΔＴ由负载提供。
TL
C
TL /
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2.转动惯量和飞轮转矩的折算
TM GDM
电机与拖动
TM M GDZ2
电动机 j 1 η1
M
GD12
2
电动机
L
TL´
等效负载
TL
1
工作机构
j2η2 GDL2 飞轮矩折算的原则：系统储藏的动能不变
直流发电机
直流电动机 同步电机 异步电机 同步发电机
同步电动机
异步发电机
控制电机
异步电动机
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3) 课程学习任务
电机与拖动
要求掌握电机的基本结构和工作原理，以及拖动系统的运 行性能、分析计算及试验方法，培养在电机及电力拖动方面分 析和解决问题的能力，为今后学习和工作打下坚实的基础。
思考题 : 试分析图(a)和图(b)系统的运动状态.
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思考题
图(a)
GD 2 dn TM TL 375 dt
电机与拖动
由运动方程看，要能提升 重物，必须有TM>TL，系统 才有提升加速度。
图(b)
GD 2 dn TM TL 375 dt
由运动方程看：电动机转矩 为负，也是制动转矩,系统减速 提升，直至停止。
4)本课程的特点及学习方法
电机及拖动是一门理论性很强的技术基础课，同时又具有 专业课的性质，涉及的基础理论和实际知识面广，是电磁学、 动力学、热力学等学科知识的综合。用理论分析电机及拖动的 实际问题时，必须结合电机的具体结构，采用工程观点和分析 方法。掌握基本理论的同时，还要注意培养实验操作技能和计 算方法。
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1 J 2 1 J 2 1 J 2 ... 1 J 2 Z M M 1 1 L L 2 2 2 2
电机与拖动

JZ JM

J1
M 1
2

J2
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电机与拖动
参考教材:
1.《电机与拖动基础》清华大学出版社 李发海主编 2. 《电机及电力拖动》机械工业出版社 周定颐主编
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电机与拖动
第2章 机电传动系统的动力学基础

掌握机电传动系统的运动方程式,用它来分析机电
传动系统的运动状态;
电机与拖动
电 机 与 拖 动
教材：机电传动控制
邓星钟 主编
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电机与拖动
第1章

概述
机电传动的发展概况; 电气控制系统的发展概况wenku.baidu.com “电机与拖动”课程的性质和任务.


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1.机电传动发展的概况
电机与拖动
1) 成组拖动 一台电动机---一根天轴---一组生产机械设备 机构复杂,损耗大,效率低,工作可靠性差. 2) 单台电动机拖动 一台电动机---一台设备 当生产机械设备运动部件较多时,机构仍复杂,满足不了 生产工艺要求. 3) 多台电动机拖动 一台专门的电动机---同一台设备的每一个运动部件 机构简单,控制灵活,便于生产机械的自动化. 举例: 龙门刨床的刨台,左垂直刀架,右垂直刀架,侧刀架, 横梁,夹紧机构,都是分别由一台电动机拖动的.