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1、东南大学机械工程学院1第二章第二章 机电系统传动力学机电系统传动力学2.1 2.1 单轴机电传动系统单轴机电传动系统2.2 2.2 多轴机电传动系统多轴机电传动系统2.3 2.3 典型负载的机电特性典型负载的机电特性2.4 2.4 机电传动系统稳定性运行的条件机电传动系统稳定性运行的条件2.5 2.5 机电传动系统的过渡过程机电传动系统的过渡过程东南大学机械工程学院22.1 单轴机电传动系统单轴机电传动系统机电传动系统机电传动系统: :一般由电动机、传动机构、工作机构、一般由电动机、传动机构、工作机构、控制机构和电源组成控制机构和电源组成。最简单的机电传动机构是电动机转。最简单的机电传动机构是
2、电动机转轴和工作机构直接相联，这种机构称为轴和工作机构直接相联，这种机构称为单轴机电传动系统。单轴机电传动系统。2.12.1单轴机电传动系统单轴机电传动系统单轴机电传动系统单轴机电传动系统东南大学机械工程学院32.1 单轴机电传动系统单轴机电传动系统2.22.2单轴机电传动系统转速方向约定单轴机电传动系统转速方向约定东南大学机械工程学院42.1 单轴机电传动系统单轴机电传动系统2.22.2单轴机电传动系统转速方向约定单轴机电传动系统转速方向约定方程式：方程式：东南大学机械工程学院52.1 单轴机电传动系统单轴机电传动系统2.22.2单轴机电传动系统转速方向约定单轴机电传动系统转速方向约定方程式
3、：方程式：实用方程式：实用方程式：东南大学机械工程学院62.2 多轴机电传动系统多轴机电传动系统2.3 2.3 负载作旋转运动的多轴拖动系统旋转运动负载作旋转运动的多轴拖动系统旋转运动负载作旋转运动的多轴拖动系统旋转运动负载作旋转运动的多轴拖动系统旋转运动东南大学机械工程学院72.2 多轴机电传动系统多轴机电传动系统2.42.4负载作直线运动的多轴拖动系统直线运动负载作直线运动的多轴拖动系统直线运动负载作直线运动的多轴拖动系统直线运动负载作直线运动的多轴拖动系统直线运动东南大学机械工程学院82.2 多轴机电传动系统多轴机电传动系统转矩、转矩惯量和飞轮转矩的折算转矩、转矩惯量和飞轮转矩的折算转矩
4、、转矩惯量和飞轮转矩的折算转矩、转矩惯量和飞轮转矩的折算将多轴系统各转动部分的转矩和转将多轴系统各转动部分的转矩和转动惯量或直线运动部分的质量折算到电动动惯量或直线运动部分的质量折算到电动机的轴上。机的轴上。折算的基本原则：折算的基本原则： 折算前的折算前的多轴系统多轴系统同折算后的同折算后的单轴系统单轴系统，在在能量关系能量关系或或功率关系功率关系上保持不变。上保持不变。东南大学机械工程学院92.2.1 负载转矩的折算负载转矩的折算根据静态时功率守恒原则折算根据静态时功率守恒原则折算对多轴拖动系统对多轴拖动系统对多轴拖动系统对多轴拖动系统旋转运动旋转运动旋转运动旋转运动j: j:传动机构的速
5、比传动机构的速比传动机构的速比传动机构的速比如折算到电动机上的负载如折算到电动机上的负载如折算到电动机上的负载如折算到电动机上的负载转矩为转矩为转矩为转矩为T TL L: :东南大学机械工程学院102.2.1 负载转矩的折算负载转矩的折算根据静态时功率守恒原则折算根据静态时功率守恒原则折算对多轴拖动系统对多轴拖动系统对多轴拖动系统对多轴拖动系统直线运动直线运动直线运动直线运动j: j:传动机构的速比传动机构的速比传动机构的速比传动机构的速比n:n:电动机转速电动机转速电动机转速电动机转速东南大学机械工程学院112.2.2 转动惯量和飞轮矩的折算转动惯量和飞轮矩的折算根据根据能量守恒原则能量守恒
6、原则折算折算对多轴拖动系统对多轴拖动系统对多轴拖动系统对多轴拖动系统旋转运动旋转运动旋转运动旋转运动j j1 1: :中间机构的速比中间机构的速比中间机构的速比中间机构的速比j jL L: :生产机构的速比生产机构的速比生产机构的速比生产机构的速比电动机轴上的总惯性矩电动机轴上的总惯性矩电动机轴上的总飞轮矩电动机轴上的总飞轮矩东南大学机械工程学院122.2.2 转动惯量和飞轮矩的折算转动惯量和飞轮矩的折算根据根据能量守恒原则能量守恒原则折算折算对多轴拖动系统对多轴拖动系统对多轴拖动系统对多轴拖动系统旋转运动旋转运动旋转运动旋转运动实际使用时，适当加大实际使用时，适当加大电动机的转动惯量或飞轮矩
7、来电动机的转动惯量或飞轮矩来考虑中间轴：考虑中间轴：其中：其中：1.11.25电动机轴上的总惯性矩电动机轴上的总惯性矩电动机轴上的总飞轮矩电动机轴上的总飞轮矩东南大学机械工程学院132.2.2 转动惯量和飞轮矩的折算转动惯量和飞轮矩的折算根据根据能量守恒原则能量守恒原则折算折算对多轴拖动系统对多轴拖动系统对多轴拖动系统对多轴拖动系统直线运动直线运动直线运动直线运动电动机轴上的总惯性矩电动机轴上的总惯性矩电动机轴上的总飞轮矩电动机轴上的总飞轮矩东南大学机械工程学院142.3 典型负载的机械特性典型负载的机械特性生产机械的机械特性生产机械的机械特性:同一转轴上负载转矩和转速之间的同一转轴上负载转矩
8、和转速之间的函数关系。函数关系。东南大学机械工程学院152.3.1 恒转矩型机械特性恒转矩型机械特性特点：特点：负载转矩为常数负载转矩为常数 如：起重机起升机构、起重机运行机构、皮带运输机等。如：起重机起升机构、起重机运行机构、皮带运输机等。进一步可分为：进一步可分为：反抗转矩反抗转矩（摩擦转矩，与运动方向相反）（摩擦转矩，与运动方向相反）位能转矩位能转矩（重力产生转矩，与运动方向无关）（重力产生转矩，与运动方向无关）东南大学机械工程学院162.3.1 恒转矩型机械特性恒转矩型机械特性2.5 2.5 反抗转矩型机械特性反抗转矩型机械特性反抗转矩型机械特性反抗转矩型机械特性( (阻转矩负载阻转矩
9、负载阻转矩负载阻转矩负载) )摩擦转矩摩擦转矩东南大学机械工程学院172.3.1 恒转矩型机械特性恒转矩型机械特性2.6 2.6 位能转矩型机械特性（位能转矩型机械特性（位能转矩型机械特性（位能转矩型机械特性（位转矩型负载位转矩型负载位转矩型负载位转矩型负载）重力产生转矩重力产生转矩东南大学机械工程学院182.3.1 恒转矩型机械特性恒转矩型机械特性东南大学机械工程学院192.3.2 离心式通风机型机械特性离心式通风机型机械特性2.7 2.7 离心式通风机型机械特性离心式通风机型机械特性离心式通风机型机械特性离心式通风机型机械特性特点：负载转矩与速度平方成正比特点：负载转矩与速度平方成正比 .
10、如：离心式鼓风机、水如：离心式鼓风机、水泵、风扇等。泵、风扇等。东南大学机械工程学院202.3.3 恒功率机械特性恒功率机械特性2.8 2.8 恒功率型机械特性恒功率型机械特性恒功率型机械特性恒功率型机械特性特点：负载转矩与速度成反比特点：负载转矩与速度成反比 . 如：车床的粗加工和精加工、如：车床的粗加工和精加工、录音机的走带（录音机的走带（Fv=恒定）。恒定）。东南大学机械工程学院212.3.3 恒功率机械特性恒功率机械特性实际负载的特性要复杂的多，可实际负载的特性要复杂的多，可能是单一的，也可能是多种负载同时能是单一的，也可能是多种负载同时存在（如起重机的起升机构）；也可存在（如起重机的
11、起升机构）；也可能是无规律的（碎石机等）；能是无规律的（碎石机等）；东南大学机械工程学院222.3.3 恒功率机械特性恒功率机械特性东南大学机械工程学院232.3.3 恒功率机械特性恒功率机械特性东南大学机械工程学院242.4 机电传动系统稳定运行的条件机电传动系统稳定运行的条件机电传动系统的稳定运行要求：机电传动系统的稳定运行要求：1 1、系统能以一定的速度匀速运行。、系统能以一定的速度匀速运行。2 2、系统受到某些外部干扰而运行速度、系统受到某些外部干扰而运行速度波动时，能保证干扰消除后，系统能恢复波动时，能保证干扰消除后，系统能恢复到原来的运行速度。到原来的运行速度。东南大学机械工程学院
12、252.4 机电传动系统稳定运行的条件机电传动系统稳定运行的条件2.9 2.9 稳定工作点的判别稳定工作点的判别稳定工作点的判别稳定工作点的判别根据：速度不能突变的原则根据：速度不能突变的原则东南大学机械工程学院262.4 机电传动系统稳定运行的条件机电传动系统稳定运行的条件机电传动系统稳定运行的充分机电传动系统稳定运行的充分必要条件是：必要条件是：1 1、电动机的机械特性、电动机的机械特性 n=n=f(Tf(TM M) )与生产机与生产机械的工作特性械的工作特性n=n=f(Tf(TL L) )相交。相交。2 2、当转速大于平衡点的转速时，、当转速大于平衡点的转速时， T TM M T T T
13、L L. .东南大学机械工程学院272.4 机电传动系统稳定运行的条件机电传动系统稳定运行的条件根据：速度不能突变的原则根据：速度不能突变的原则东南大学机械工程学院282.5 机电传动系统的过渡过程机电传动系统的过渡过程1、 研究机电传动系统过渡过程的实际意义研究机电传动系统过渡过程的实际意义l l静态静态静态静态静止或在平衡点匀速运动；静止或在平衡点匀速运动；静止或在平衡点匀速运动；静止或在平衡点匀速运动；l l动态动态动态动态 启动、停车制动、调速；启动、停车制动、调速；启动、停车制动、调速；启动、停车制动、调速；从一个平衡点向另一个平衡点迁移；从一个平衡点向另一个平衡点迁移；从一个平衡点
14、向另一个平衡点迁移；从一个平衡点向另一个平衡点迁移；l l原因原因原因原因人为控制：正、反转，调速；人为控制：正、反转，调速；人为控制：正、反转，调速；人为控制：正、反转，调速；电网波动电网波动电网波动电网波动 负载变化负载变化负载变化负载变化电机运行状态电机运行状态东南大学机械工程学院292.5 机电传动系统的过渡过程机电传动系统的过渡过程1、 研究机电传动系统过渡过程的实际意义研究机电传动系统过渡过程的实际意义l l对过渡过程要求不高的机械对过渡过程要求不高的机械对过渡过程要求不高的机械对过渡过程要求不高的机械: :如通风机、水泵等如通风机、水泵等如通风机、水泵等如通风机、水泵等l l过渡
15、过程尽量快的机械：过渡过程尽量快的机械：过渡过程尽量快的机械：过渡过程尽量快的机械：龙门刨床工作台、可逆轧钢机等龙门刨床工作台、可逆轧钢机等龙门刨床工作台、可逆轧钢机等龙门刨床工作台、可逆轧钢机等 l l对过渡过程有限制的机械：对过渡过程有限制的机械：对过渡过程有限制的机械：对过渡过程有限制的机械：起重机、电梯、电车、造纸机、印刷机等；起重机、电梯、电车、造纸机、印刷机等；起重机、电梯、电车、造纸机、印刷机等；起重机、电梯、电车、造纸机、印刷机等；电机运行状态电机运行状态东南大学机械工程学院302.5 机电传动系统的过渡过程机电传动系统的过渡过程1、 研究机电传动系统过渡过程的实际意义研究机电
16、传动系统过渡过程的实际意义 目的和意义：目的和意义：为满足实践生产需要，必须为满足实践生产需要，必须研究过渡过程的基本规律，研究各参数（转矩、转研究过渡过程的基本规律，研究各参数（转矩、转速、电流等）对时间的变化规律，才能正确选用电速、电流等）对时间的变化规律，才能正确选用电动机，为机电传动自动控制系统提供控制原则，设动机，为机电传动自动控制系统提供控制原则，设计出完善的启动、制定等控制线路，以改善产品质计出完善的启动、制定等控制线路，以改善产品质量，提高生产率和减轻劳动生产强度。量，提高生产率和减轻劳动生产强度。电机运行状态电机运行状态东南大学机械工程学院312.5 机电传动系统的过渡过程机
17、电传动系统的过渡过程2 、机电传动系统过渡过程的分析、机电传动系统过渡过程的分析过渡过程产生的原因过渡过程产生的原因过渡过程产生的原因过渡过程产生的原因l l机械惯性机械惯性机械惯性机械惯性： GDGDGDGD2 2 2 2 通通通通常不变常不变常不变常不变;n;n;n;n不能突变不能突变不能突变不能突变l l电磁惯性电磁惯性电磁惯性电磁惯性： ,I I I Ia a a a, , , ,不能突变不能突变不能突变不能突变( ( ( (串接电感串接电感串接电感串接电感时时时时););););l l热惯性热惯性热惯性热惯性：温度：温度：温度：温度t t t t不能不能不能不能突变突变突变突变; ;
18、 ; ;东南大学机械工程学院322 、机电传动系统过渡过程的分析、机电传动系统过渡过程的分析电动机机械特性：电动机机械特性：n=f(TM) 生产机械负载转矩特性：生产机械负载转矩特性：TL=f(n)基本运动方程：基本运动方程：东南大学机械工程学院332 、机电传动系统过渡过程的分析、机电传动系统过渡过程的分析基本运动方程：基本运动方程：Tst : 为为n=0时的转矩时的转矩对常用的交流异步电动机和直流他励电动机，对常用的交流异步电动机和直流他励电动机，TM与与n是近视的线性关系是近视的线性关系,若若TL常数常数,则则n可用截距式表示：可用截距式表示：n0 : 为理想空载转速为理想空载转速同理同
19、理：ns : TL为恒转矩时系统稳定运行的为恒转矩时系统稳定运行的稳态转速稳态转速东南大学机械工程学院342 、机电传动系统过渡过程的分析、机电传动系统过渡过程的分析将将：整理后得到：整理后得到：和代入：代入：令： m反映机电传动系统机械惯量的物理量，称为机电传反映机电传动系统机械惯量的物理量，称为机电传动系统的动系统的机电时间常数机电时间常数。东南大学机械工程学院352 、机电传动系统过渡过程的分析、机电传动系统过渡过程的分析将将：整理后得到：整理后得到：和代入：代入：令：整理后可得：整理后可得：东南大学机械工程学院362 、机电传动系统过渡过程的分析、机电传动系统过渡过程的分析整理后得到：
20、整理后得到：令：整理后可得：整理后可得：这是一个典型的一阶常系数非齐次微分方程，通解为：这是一个典型的一阶常系数非齐次微分方程，通解为：C为积分常数，由初始条件决定为积分常数，由初始条件决定东南大学机械工程学院372 、机电传动系统过渡过程的分析、机电传动系统过渡过程的分析这是一个典型的一阶常系数非齐次微分方程，通解为：这是一个典型的一阶常系数非齐次微分方程，通解为：C为积分常数，由初始条件决定为积分常数，由初始条件决定若：过渡过程开始若：过渡过程开始即即t=0时，时，n=ni 代入上式，可得：代入上式，可得：东南大学机械工程学院382 、机电传动系统过渡过程的分析、机电传动系统过渡过程的分析
21、将：将：求导求导结果代入：结果代入：得到：得到：若 t0时，TM Ti 代入上式求出代入上式求出C,则可得：则可得：因因I Ti，可得，可得东南大学机械工程学院392 、机电传动系统过渡过程的分析、机电传动系统过渡过程的分析启启动动时时关关系系曲曲曲曲线线线线启动过程：启动过程：ni=0停止：停止：ns=0从从ni开始自由停车过程开始自由停车过程东南大学机械工程学院403 、机电时间常数、机电时间常数 mm是机电传动系统中非常重要的动态参数，是机电传动系统中非常重要的动态参数，直接影响机电传动系统过渡过程的快慢。直接影响机电传动系统过渡过程的快慢。在数值上等于转在数值上等于转速速n以以t=0时
22、的加速度直时的加速度直线上升到稳态转速线上升到稳态转速ns时时所需要的时间。所需要的时间。有多种表示方法（有多种表示方法（4.1）(4.13) (4.14)(4.15)东南大学机械工程学院414 、加快机电传动系统过渡过程的方法、加快机电传动系统过渡过程的方法1、减少系统的、减少系统的GD2(冶金起重冶金起重机专用电动机、两台电动机机专用电动机、两台电动机代替一台电动机等代替一台电动机等)2、增加动态转矩、增加动态转矩Td电机方面考虑电机方面考虑：大惯量直流：大惯量直流电动机（宽调速直流力矩电电动机（宽调速直流力矩电动机），动机），Tmax/GD2 大大 控制方面考虑控制方面考虑：增大电流，：增大电流，又不能超过最大值。又不能超过最大值。充满系数充满系数K:K越接近于越接近于1越好。越好。东南大学机械工程学院424 、加快机电传动系统过渡过程的方法、加快机电传动系统过渡过程的方法充满系数充满系数K:K1时，称为时，称为最优过程最优过程，过渡时间最短。，过渡时间最短。电枢串电阻启动时，电阻级数越多，平均启动转矩越电枢串电阻启动时，电阻级数越多，平均启动转矩越大，大，K值越大。值越大。东南大学机械工程学院43第二章第二章 作业作业P30： 2.2 2.5 2.7 2.12
