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1、第一节主要运动构件地组成及机理材料加工控制过程中地运动构件主要有电动机以及控制电器，电动机将电能转化为机械能，带动材料加工控制组件地运动，控制电器主要完成材料加工过程中地数据监测、信号反 馈以及计算机化处理等.1.电动机特性在电气传动过程中，电动机将电能转变为机械能 ，带动生产机械运动.按输入电能地形式 可分为直流电动机和交流电动机 .后者依运转速度与电网频率地关系 ，又分为异步电动机和同 步电动机 在介绍电动机特性之前，先介绍电气传动系统中地基本概念 .图1-1电气传动结构示意图1-1电气传动基本概念 电气传动就是应用各种电动机作为原动机使加工机械产生运动，以完成一定地加工步骤.图1-1为电
2、气传动结构 示意图.即由电动机发出一定地转矩Md,克服加工机械地负转矩M c,而带动它以一定地转速n运转.1-1-1电动机地机械特性和负载转矩特性在电气彳动中，把电动机地转速 n和转矩Md地关系n = f （M d）成为机械特性.机械特性反映了电动机地内部性能，不同电动机具有不同地机械特性 .如果定义转矩变化AM与转速变化An之比为电动机地机械特性硬度3，即图1-2电动机的机械特性图P = AM / An,则电动机地机械特性可用图1-2来描述，并可分为三种情况：1）绝对硬地特性（曲线1）：转矩变化，转速不变，An=0, 3 =8.同步电动机地特性就是如此.2 ）硬特性（曲线 2）:转矩变化，转
3、速也变化，但转速变化比较小，3约为4010.直 流并励电动机和异步电动机工作段地机械特性属于此类.3）软特性（曲线3）:随着转矩地变化，转速变化很大，其硬度3 10,如直流串励电动机地机械特性.电动机地负载转矩特性是指负载转矩Mc与转速n地关系 Mc = f（n）.1-1-2稳定运行地条件图1-3电动机特性曲线电气传动系统中，电动机在结构上与加工机械联成了一个整体，为了使系统运行合理，就要使电动机地机械特性与加工机械地 负载转矩特性尽量相配合.特性配合好地一个起码要求是系统要能 稳定运行.电动机带动生产机械稳定运行时，转速为一定值，电动机发出 地转矩与负载转矩方向相反，大小相等，相互平衡，这样
4、地状态，只出 现在电动机地机械特性和生产机械地负载特性两曲线地交点上.如图1-3中所示地a点.同时，在电动机稳定运行后，由于某种扰动作用， 转速稍有变化时，为了使电动机能够继续稳定运行，电动机发出地 转矩必须能使转速恢复到原值.这种使转速恢复到原值地能力与交点处二特性曲线相配合地情况有关.如图1-4所示，图种曲线1是异步电动机地机械特性n = f （Md），曲线2为电动机带动加工机械地恒转矩负载，二特性曲线有交点 a和b.图1-4电机稳定运行 示意图设工作点在a点，当转速稍有增大时，电动机发出地转矩便小 于负载转矩，电动机受到制动作用，使转速降低，直至恢复到a点之 值；相反，如转速稍有减少，则
5、电动机发出地转矩增加，也能使转速恢 复到原值.所以,a点是能稳定工作地点.而在b点,如果转速增大，电动机发出地转矩大于负载转矩，会 使转速继续增加，要一直到a点才能稳定；如转速稍有减小，电动机 发出地转矩小于负载转矩，使转速继续降低，直到转速为零，电动机 停止为止.因而，在b点不能稳定运行.由上分析可知电气传动系统能够稳定运行地条件为：n = f (M d)和n = f (M J二曲线地交点是拖动系统地平衡运行点，只有在该点所对应地转速之上MdMc,才是稳定地平衡点.即只稳定性.2.直流电动机地特性直流电动机具有良好地起动性能和调速性能泛应用于速度调节要求较高，正反转和起制动频繁或多图1-5直
6、流电机剖面结构示意图,主建楼逾里文机电棋费胤电也联茗图1-6二极机示意图单元同步协调运转地生产机械 上.直流电动机由定子和转子 两部分组成，定子上装有主磁极 和励磁绕组，转子地电枢铁芯槽有这样地特性配合，在受到外界扰动后，才具有恢复到原平衡状态地能力，或者说才具有静态内嵌有均匀分布地电枢绕组，其结构剖面如图1-5所示.电机是以电磁感应定律和电磁力学定律为基础工作地，当励磁绕组通以直流电后，定子磁极便产生具有N、S相间极性地磁场，如果通过电刷将直流电源引入电枢绕组，则根据电磁力定律，转子便受到一个如图1-6中所示方向地电磁转矩M,是转子旋转，这就是直流电动机地工作原理.直流电动机有不同地励磁方式
7、，当励磁绕组由单独地直流供电或与电枢并联连结时，称为他励或者并励电动机； 如果励磁绕组与电枢串联，则称为串励电动机;既有并励绕组又有串励绕组地电动机称为复励电动机图1-7直流他励电动2-1机械特性图1-7为直流他励电动机地电路原理图.设励磁绕组接在直流电源Ui上，励磁回路串一个可调电阻R,以便将励磁电流调到额定值使励磁绕组产生额定磁通，直流电动机有了磁通后，如果把电枢两端接到直流电源U上，电枢回路便流过电流I,产生电磁转矩 M,使电动机转子以转速 n旋转起来.电机旋转后，在电枢绕组上又产生 感应电势E,该电势起着削弱电流I地作用(所以又称反电势)，使I、 M、n保持在一定数值.un 二-KeR
8、T MKeKm(1-1)机电路原理图图1-8直流电动机的特性 曲线直流他励电动机中地转速 n与电磁转矩 M地关系为：其中，Ke、Km为由电机结构决定地电势系数和转矩系数如以n为纵坐标,M为横坐标作图，可得机械特性是一条向下倾斜地直线，如图1-8所示.2-2理想空载转速当m=0时，机械特性方程式右边第二项为零 ，这时转速等于右边第一项，它与负载无关, 只决定于 U和，在图上就是机械特性交于纵轴地转速 ，这个转速称为理想空载转速，用no 表本,即:no =二Ke Ce(1-2)本式地物理意义是，当电机理想空载时，不需要电动机发出地转矩使它维持转动 ，这时所 需地I和M为零，在这个车t速下，电枢中地
9、感应电势等于外加电压地大小 ，而no地方向由U和 地极性决定.2-3特性地硬度在式（1-1）中，由于Rs、Ke、Km、都是恒定地，令：R Rs2 =22 =( 1-3)KeKm 2 CeCm这时机械特性方程可写成：n = n0 - ：M .随着负载地增加，1、M增大，使电动机转速随之下降.转速下降值为:(1-4)= n=n0-n= M = s MCeCm式中丫 = A n/M,是机械特性曲线斜率，与特性硬度3成反比例；丫愈大，3愈小，特性愈 软；反之，丫愈小，特性愈硬.3 .异步电动机地特性异步电动机地优点是：结构简单、运行可靠、价格便宜，可以直接使用工业上地交流电源,不需要另外地变流设备.因
10、此，它是目前工业中使用得最广泛地一种电动机.三相异步电动机由定子和转子两部分组成，定子上绕着对称三相绕组，转子上有连接成闭合回路地鼠笼式导体或绕线式三相绕组，以此分别称为鼠笼式图1-9异步电动机原理 示意图电机或绕线式电机.由于异步电动机地定子绕组接通三相电源后，将产生一个旋转磁场，由于磁场在运动，它与转子导体之间就有相对切割作用 转子导体中就出现感应电势和电流，转子导体中地电流与旋转磁场相互作用，又产生转矩 M,转矩方向与旋转方向相同，于是转子 就跟随旋转磁场转起来.如图1-9所示.对于上图中地二极电机来说，定子电流经过一个周期地变化,磁场就车t一周，因此，如果定子交流电源频率为 f,电机有
11、p对电 极，则电极旋转磁场地转速为：.这里同步转速亦即异步(1-5)n0称为异步电动机地同步转速，它由电源频率和电机磁极决定电动机地理想空载转速，电动机地实际转速必须低于同步转速.在分析异步电动机地运行时，常应用转差率s来代表电动机地旋转.转差率就是理想空载转速n0与电动机实际转速 n地差值除以同步转速面,用下式表示:n0 -ns 二n。转差率是决定异步电动机运行情况地重要参数约为 0.020.05 ;转速 n=0 时,s=1; n=n0时,s=0.(1-6)般异步电动机，在额定负载时转差率3-1机械特性异步电动机机械特性方程式可用异步电动机地等值 电路推导出来.经过简化，可得到异步电动机地简
12、化等值电 路,如图1-10所示淇中各符号意义为：U、I1一定子相电压和相电流；I2转子电流地折算值;Im一空载励磁电流；口、XP上、X2一定子绕组电阻、漏抗、图1-10异步电动机简化电路图转子电阻、漏抗地折算值；乐、Xm 励磁回路地电阻、电抗；s电动机地转差率.2m1U r2r1 + 乜 i1 +(xI +X2 )2 s(1-7)经过推导，可得转矩M与转差率s之间地关系为：这样便可得到用转差率表示地机械特性式s=f(M).根据上式绘出地机械特性如图1-11所示.可以看出，异步电动机地 M与s之间不是简单地比例关系.S为不同值时，电动机相应与 不同地运转状态，只有0s1,即n0n0,旋转磁场带动
13、转子旋转，属于电动状态.也可将Ms曲线转换成nM曲线,这样便得到电动状态时地n=f(M)曲线，如图1-12所示.特性曲线上有四个特征点：1) M=0,n=n 0,s=0,电动机运行于同步转速，亦即理想空载转速n0=60f/p ; 2) M=M ed,n=ned,s=sed,电动机运行于额定工作状态；3) M=M q,n=0,s=1,为电动机地起动工作点，Mq为电动机地起动转矩；4) M=M j,n=nij,s=sij,Mij称为临界转矩，特性曲线上地M ij就是电动机地最大转矩.卜量电超动状毒团一日止4f知晶 ,小“、舟咫图1-12异步电动机中 M=f(n)曲线图1-11异步电动机中 s=f(
14、M)曲线3-2人为机械特性异步电动机在额定电压和额定频率下 ，用规定地接线方式，定子和转子中不串联任何电 阻或电抗时地机械特性称为固有(自然)机械特性 .除此外，改变电路参数而获得地人为机械 特性.人为机械特性可用以下方法获得：1)对称状态下：降低供电电压；定子电路中加电阻或电抗；转子电路中加电阻或电 抗等；2)不对称状态下：定子电压不对称；定子绕组单相连接；转子电路电阻不对称等4 .同步电动机地特性同步电动机作为电动机运行地特点是：转速不随负载而变化，最大转矩受电网电压波动地影响较小；能够承受较大地冲击力矩；功率因数可以调节 .因此，同步电动机广泛用于负载 功率较大，长期运行而不需要调节转速
15、地场合，如作各种工业部门拖动气体压缩机、鼓风机、 水泵、轧钢机、球磨机、变流机组等大型设备地动力机械同步电动机也是由静止地定子和转动地转子两个部分组成.定子跟异步电动机完全相同.转子按结构特点有凸极式和隐极式两种.凸极式地转子圆周，对称地装有凸出地磁极，当通以励磁电流以后，每个磁极就出现一定地极性，相邻磁极极形相异，隐极式电动机中，从转子上看不到凸出地磁极，但通以励磁电流后，就会出现N、S极,二者在运行原理上没有区别.图1-13图1-13同步电动机结构示意图所示为凸极式同步电机地结构示意图.转子上励磁绕组地直流励磁电流由电刷和滑环引入.转子磁极表面上地鼠笼条用短路环连起来，用作异步起动,称为起动绕组.同步电动机地定子绕组接至三相交流电网后，便产生旋转磁场.转子绕组通以直流电时，转子便成为极性不变地磁极，定子旋转磁场就以磁拉
