电机与拖动基础(现用)课件.ppt
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- 电机 拖动 基础 现用 课件
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1、电机与拖动基础(现用)1/25/2023电机与拖动基础21/25/2023电机与拖动基础3 1、王毓东编电机学上、下,浙江大学出版社 2、顾绳谷编电机及拖动基础,机械工业出版社 3、唐介编电机与拖动,高等教育出版社 4、许建国编电机与拖动基础,高等教育出版社1/25/2023电机与拖动基础4三、本课程学习内容:三、本课程学习内容:变压器、直流机、异步机、同步机变压器、直流机、异步机、同步机掌握内容:掌握内容:1 1)工作原理)工作原理2 2)电磁力分析)电磁力分析3 3)特性及应用)特性及应用1/25/2023电机与拖动基础51/25/2023电机与拖动基础61/25/2023电机与拖动基础7
2、1/25/2023电机与拖动基础81/25/2023电机与拖动基础92、驱动生产机械、驱动生产机械 磁悬浮列车磁悬浮列车 大型车床大型车床1/25/2023电机与拖动基础101/25/2023电机与拖动基础11电力拖动系统动力学电力拖动系统动力学 1.1电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统的运动方程式 电力拖动系统一般是由电动机、生产机械的传动机构、工作机构、控电力拖动系统一般是由电动机、生产机械的传动机构、工作机构、控制设备和电源组成。制设备和电源组成。电力拖动系统组成电力拖动系统组成 机械特性表明电动机内部转速和转矩之间的关系,生产机械的负载转机械特性表明电动机内部转速和转矩之间的关系,生
3、产机械的负载转矩特性表明负载的性能,要研究整个电力拖动系统,必须研究电动机和负载矩特性表明负载的性能,要研究整个电力拖动系统,必须研究电动机和负载之间的运动规律之间的运动规律电力拖动系统的运动方程式。电力拖动系统的运动方程式。1.单轴电力拖动系统 电动机转轴与生产机械的工作机构直接相连,工作机构是电动机的负载。dtdnGDdtdJLTT3752 602 ,42422ngGDDgGmJ 单轴电力拖动系统单轴电力拖动系统 T 为电动机的电磁转矩为电动机的电磁转矩(Nm),TL 为电动机的负载转矩为电动机的负载转矩(Nm),J 为电动机轴上的总转动惯量为电动机轴上的总转动惯量(kgm2),为电动机的
4、角速度为电动机的角速度(rad/s),D 为系统转动部分的回转直径为系统转动部分的回转直径(m),m 为系统转动部分的质量为系统转动部分的质量(kg),)2/(604375 g是具有加速度量纲的系数,单位为是具有加速度量纲的系数,单位为 mmins。,0 ,0,0 ,0,0 ,0 dtdndtdndtdnLTT动转矩动转矩系统处于加速;系统处于加速;恒速或静止,稳定运转状态;恒速或静止,稳定运转状态;系统减速系统减速 为系统转动部分的回转半径为系统转动部分的回转半径(m),g=9.81m/s2 为重力加速度为重力加速度,G 为系统转动部分的重力为系统转动部分的重力(N),GD2 为转动部分的飞
5、轮矩为转动部分的飞轮矩(Nm2),实际的电力拖动系统,大多数是电动机通过传动机构与工作机实际的电力拖动系统,大多数是电动机通过传动机构与工作机构相连的多轴电力拖动系统。构相连的多轴电力拖动系统。研究多轴电力拖动系统时,需要对每根轴分别写出运动方程式研究多轴电力拖动系统时,需要对每根轴分别写出运动方程式并联立求解,最后得出电力拖动系统的运动规律,显然比较麻烦。并联立求解,最后得出电力拖动系统的运动规律,显然比较麻烦。21 ,2 ,1jjfnnjfnbnjbnnj 等效是指拖动系统在折算前和折算后的功率等效是指拖动系统在折算前和折算后的功率及储存动能保持不变,即等效单轴系统应与实际及储存动能保持不
6、变,即等效单轴系统应与实际的多轴系统具有相等的机械功率和动能。的多轴系统具有相等的机械功率和动能。实用工程计算:采用筒化多轴电实用工程计算:采用筒化多轴电力拖动系统的分析计算,将负载力拖动系统的分析计算,将负载转矩与系统飞轮矩折算到电动机转矩与系统飞轮矩折算到电动机轴上,变多轴系统为等效的单轴轴上,变多轴系统为等效的单轴系统。系统。多轴电力拖动系统的简化多轴电力拖动系统的简化1.2多轴电力拖动系统的简化计算多轴电力拖动系统的简化计算1.2.1工作机构为转动情况时,转矩与飞轮矩的折算工作机构为转动情况时,转矩与飞轮矩的折算1.转矩的折算转矩的折算多轴电力拖动系统中多轴电力拖动系统中:FTffTj
7、fTnfnfTffTFT 工作机构折算前的机械功率工作机构折算前的机械功率=工作机构折算后的机械功率工作机构折算后的机械功率 f为工作机构转轴的角速度;为工作机构转轴的角速度;Tf为工作机构的实际负载转矩;为工作机构的实际负载转矩;为电动机轴的角速度;为电动机轴的角速度;TF为工作机构负载转矩折算到电为工作机构负载转矩折算到电动机轴上的折算值;动机轴上的折算值;为传动机构总的速比,写成一般形式为 等于各级速比乘积;,321jjjj fnnj 考虑传动机构的传动效率:考虑传动机构的传动效率:TjfTjfTFT 式 中式 中为 传 动 机 构 总 效 率,等 于 各 级 传 动 效 率 乘为 传
8、动 机 构 总 效 率,等 于 各 级 传 动 效 率 乘积,积,;传动机构转矩损耗:传动机构转矩损耗:321jfTjfTjfTFTT 由于负载是由电动机拖动的,电磁转矩为拖动性转矩,由于负载是由电动机拖动的,电磁转矩为拖动性转矩,T是由电动机负担。是由电动机负担。2飞轮矩的折算飞轮矩的折算飞轮矩用于表征运动物体机械惯性的大小;飞轮矩用于表征运动物体机械惯性的大小;26024221221 ngGDJ 工作机构转轴的飞轮矩为工作机构转轴的飞轮矩为 ,动能为动能为:2fGD26024221221 fngfGDffJ 折合到电动机轴上的飞轮矩折合到电动机轴上的飞轮矩为为 ,折算后其动能为,折算后其动
9、能为:2FGD26024221221 ngFGDFJ 折算的原则是折算前后该轴的折算的原则是折算前后该轴的动能不变,即动能不变,即2602422126024221 ngFGDfngfGD 化简后得到负载轴上飞轮矩的折算公式化简后得到负载轴上飞轮矩的折算公式:222)(22jfGDfnnfGDFGD 旋转物体的动能为旋转物体的动能为:传动机构中还有转速为传动机构中还有转速为 nb 的的轴,其轴上各部分的总飞轮轴,其轴上各部分的总飞轮矩实际值为矩实际值为 ,动能是动能是:2bGD26024221 bngbGD 折合到电动机轴上以后的飞折合到电动机轴上以后的飞轮矩为轮矩为 ,其动能为,其动能为:2B
10、GD26024221 ngBGD 根据折算前后该轴动能不变的原则有根据折算前后该轴动能不变的原则有:2602422126024221 ngBGDbngbGD 2122)(22jbGDbnnbGDBGD 飞轮矩折算时,其折算值为实际值除以速比的平方,飞轮矩折算时,其折算值为实际值除以速比的平方,(注意不同转注意不同转速的轴其速比也不一样。速的轴其速比也不一样。)2)1(2)21(221222)(22)(222aGDjjfGDjbGDaGDfnnfGDbnnbGDaGDGD 写成一般形式为写成一般形式为:222)21(221222)(22)(22)(222jfGDjjcGDjbGDaGDfnnfG
11、DcnncGDbnnbGDaGDGD 一般地说,传动机构各轴以及工作机构转轴的转速要比电动机轴的转一般地说,传动机构各轴以及工作机构转轴的转速要比电动机轴的转速低,飞轮矩的折算与转速比平方成反比;尽管可能有多根轴,但它速低,飞轮矩的折算与转速比平方成反比;尽管可能有多根轴,但它们的飞轮矩折算到电动机轴上后数值不大,是系统总飞轮矩的次要部们的飞轮矩折算到电动机轴上后数值不大,是系统总飞轮矩的次要部分分(20-30%);电动机转子本身的飞轮矩是系统总飞轮矩中的主要部分;电动机转子本身的飞轮矩是系统总飞轮矩中的主要部分(70-80%)。从上面分析的结果可以得到整个电力拖动系统折算到电动机轴从上面分析
12、的结果可以得到整个电力拖动系统折算到电动机轴上的总飞轮矩为上的总飞轮矩为:一般地说,一般地说,传动机构各轴以及工作机构转轴的转速要比电动机轴的转速低,传动机构各轴以及工作机构转轴的转速要比电动机轴的转速低,飞轮矩的折算与转速比平方成反比;飞轮矩的折算与转速比平方成反比;尽管可能有多根轴,但它们的飞轮矩折算到电动机轴上后数值尽管可能有多根轴,但它们的飞轮矩折算到电动机轴上后数值不大,是系统总飞轮矩的次要部分不大,是系统总飞轮矩的次要部分(20-30%);电动机转子本身的飞轮矩是系统总飞轮矩中的主要部分电动机转子本身的飞轮矩是系统总飞轮矩中的主要部分(70-80%)。例题例题11(Pg4)已知飞轮
13、矩已知飞轮矩 GDa2=14.5 Nm,GDb2=18.8 Nm,GDf2=120 Nm,传动效率传动效率1=0.91,2=0.93,转矩转矩Tf=85 Nm,转速,转速n=2450rmin,nb=810rmin,nf=150rmin,忽略电动机空载转矩,忽略电动机空载转矩,求:求:(1)折算到电动机轴上的系统总飞轮矩折算到电动机轴上的系统总飞轮矩GD2;(2)折算到电动机轴上的负载转矩折算到电动机轴上的负载转矩TF。解解:(1)系统总飞轮矩系统总飞轮矩:(2)负载转矩负载转矩:221mN 15.693.091.0150245085ffFnnTT22222222222mN 005.175.14
14、)172.11()1(mN 005.1745.0055.25.14 )1502450(120)8102450(8.185.14)()(affbbaGDnnGDnnGDGDGD1.2.21.2.2工作机构为平移运动时,转矩与飞轮矩的折算工作机构为平移运动时,转矩与飞轮矩的折算 有些生产机械,如桥式起重机的起重小车、龙门刨床等,有些生产机械,如桥式起重机的起重小车、龙门刨床等,它们的工作机构作平移运动。它们的工作机构作平移运动。刨床电力拖动系统:刨床电力拖动系统:电动机经多级齿轮变速电动机经多级齿轮变速后,用齿轮、齿条把旋后,用齿轮、齿条把旋转运动变成工作台的平转运动变成工作台的平移运动。切削时工
15、件与移运动。切削时工件与工作台一起以速度工作台一起以速度V移移刨床电力拖动示意图刨床电力拖动示意图 动,刨刀固定不动。作用在工件上的切削力为动,刨刀固定不动。作用在工件上的切削力为F,电动机,电动机的转速为的转速为n,传动机构效率为,传动机构效率为。把这种多轴系统等效成单轴系统,须将切削力及平移运动部把这种多轴系统等效成单轴系统,须将切削力及平移运动部件的质量折算到电动机轴上的等效转矩件的质量折算到电动机轴上的等效转矩 TF 及等效飞轮矩及等效飞轮矩 GDF2。1.转矩的折算转矩的折算 工作机构为平移运动时,切削功率为工作机构为平移运动时,切削功率为:根据功率平衡关系则有根据功率平衡关系则有:
16、FvP FvFT 电动机轴上的等效转矩电动机轴上的等效转矩:nFvnFvFvFT55.9602 传动机构的转矩损耗传动机构的转矩损耗:FTFTT mN r/min,m/s,N,FTnvF2.飞轮矩的折算飞轮矩的折算折算的原则:折算前后储存的动能相等。折算的原则:折算前后储存的动能相等。平移运动部件的动能平移运动部件的动能:折算到电动机轴上的转动惯量中储存的动能折算到电动机轴上的转动惯量中储存的动能:221221vgfGvfm 2)602(4221221ngFGDFJ 根据折算前后动能不变的原则有根据折算前后动能不变的原则有:2)602(4221221ngFGDvgfG 223652)602(2
17、42nvfGnvfGFGD 例题例题:已知切削力已知切削力F=10000N,工作台与工件运动速度,工作台与工件运动速度v=0.7m/s,(Pg12)传动机构总效率传动机构总效率=0.81,电动机转速,电动机转速n=1450rmin,电动机的飞轮矩电动机的飞轮矩 GDD2=100N m2,求:,求:(l)切削时折算到电动机轴上的负载转矩;切削时折算到电动机轴上的负载转矩;(2)估算系统的总飞轮矩;估算系统的总飞轮矩;(3)不切削时,工作台及工件反向加速,电动机以不切削时,工作台及工件反向加速,电动机以dn/dt=500 r/mins,恒加速度运行,计算此时系统的动转矩绝对值。恒加速度运行,计算此
18、时系统的动转矩绝对值。解:解:(1)切削时折算到电动机轴上的负载转矩计算切削)切削时折算到电动机轴上的负载转矩计算切削功率为功率为:W70007.010000 FvP折算后的负载转矩折算后的负载转矩:m)(N 92.5681.01450700055.955.9 nFvFT(2)估算系统总的飞轮矩估算系统总的飞轮矩:)2m(N1201002.122.12 DGDGD(3)不切削时,工作台与工件反向加速,系统动转矩绝对值不切削时,工作台与工件反向加速,系统动转矩绝对值:m)(N 1605003751203752 dtdnGDFTT1.2.31.2.3工作机构做提升和下放重物运动时,转矩与飞工作机构
19、做提升和下放重物运动时,转矩与飞轮矩的折算轮矩的折算工作机构运动为升工作机构运动为升降的电力拖动系统降的电力拖动系统 电动机通过传动机构(减速箱电动机通过传动机构(减速箱,速速比为比为j)拖动一个卷筒,半径为)拖动一个卷筒,半径为R,转速为转速为nf;缠在卷筒上的钢丝绳悬;缠在卷筒上的钢丝绳悬挂一重物,重力为挂一重物,重力为G=mg,;重物,;重物提升时传动机构效率为提升时传动机构效率为,卷筒,卷筒重物提升或下放的速度都为重物提升或下放的速度都为v。桥式起重机的提升机构、电梯、桥式起重机的提升机构、电梯、矿井卷扬机等,它们的工作机构都矿井卷扬机等,它们的工作机构都是作升降运动。升降运动属于直线
20、是作升降运动。升降运动属于直线运动并与重力有关。运动并与重力有关。1.1.负载转矩折算负载转矩折算(1)提升重物时负载转矩的折算)提升重物时负载转矩的折算:jGRTjGRFT传动机构损耗的转矩传动机构损耗的转矩:jGRjGRT 由摩擦产生,总是起阻碍运动的作用。提升重物时由电动机负担,由摩擦产生,总是起阻碍运动的作用。提升重物时由电动机负担,下放重物时,卷筒上的负载转矩成为拖动转矩,由负载承担。下放重物时,卷筒上的负载转矩成为拖动转矩,由负载承担。(2)下放重物时负载转矩的折算,)12()(jGRjGRjGRjGRjGRTjGRFT122.飞轮矩的计算与平移运动相同。飞轮矩的计算与平移运动相同
21、。例题例题(Pg8):已知减速箱的速比已知减速箱的速比j=34,提升重物时效率,提升重物时效率=0.83,卷,卷筒直径筒直径d=0.22m,空钩重量,空钩重量G0=470N,所吊重物重,所吊重物重G=8820N,电,电动机的飞轮矩动机的飞轮矩GDD2=10Nm2,当提升速度为,当提升速度为v=0.4m/s,求:,求:(1)电动机的转速电动机的转速(2)忽略空载转矩时电动机所带的负载转矩;忽略空载转矩时电动机所带的负载转矩;(3)以以v=0.4m/s下放该重物时,电动机的负载转矩。下放该重物时,电动机的负载转矩。解解:(l)电动机转速的计算电动机转速的计算 卷筒的转速卷筒的转速:r/min)(7
22、2.3422.04.06060260 dvrvfn电动机的转速电动机的转速:(r/min)5.11803472.34 jfnn(3)以以v=0.4m/s下放该重物时电动机负载转矩的计算下放该重物时电动机负载转矩的计算传动机构损耗转矩传动机构损耗转矩:m)(N 82.6349.113111.40 jfTjfTT 电动机的负载转矩为电动机的负载转矩为:m)(N 47.2682.6349.1131 TjfTT(2)(2)提升时电动机负载转矩的计算提升时电动机负载转矩的计算提升重物时负载实际转矩为提升重物时负载实际转矩为:m)(N 9.1131)88201470(222.0)0(2 GGdfT电动机的
23、负载转矩为电动机的负载转矩为:m)(N 11.4083.0349.1131 jfTFT例题例题(Pg9):某起重机的电力拖动系统:电动机某起重机的电力拖动系统:电动机Pn=20kw,nN=950r/min,传动机构的速比,传动机构的速比j1=3,j2=3.5,j3=4,各级齿轮传递,各级齿轮传递效率都是效率都是 =0.95,各转轴上的飞轮矩,各转轴上的飞轮矩:GDa2=123Nm2,GDb2=49Nm,GDc2=40Nm,Dd2=465Nm,卷筒直径,卷筒直径d=0.6m,吊钩重吊钩重G0=1962N,被吊重物被吊重物G=49050N。忽略电动机空载转矩,忽略电动机空载转矩,忽略钢丝绳重量,忽
24、忽略钢丝绳重量,忽略滑轮传递的损耗,略滑轮传递的损耗,求:求:解:解:(1)以速度以速度v=0.3m/s 提升重物时负载(吊钩及重物)转矩提升重物时负载(吊钩及重物)转矩:m)(N 8.765126.0)490501962(212)0(21 dGGfT卷筒转速卷筒转速:(r/min)1.196.03.0260)2(60 dvfn电动机输出转矩电动机输出转矩:m)(N 5.212295.045.338.76512 jfTFTT电动机转速电动机转速:(r/min)2.80245.331.19 jfnn(1)以速度以速度v=0.3m/s 提升重物时,负载(重物及吊钩)转矩、卷筒提升重物时,负载(重物
25、及吊钩)转矩、卷筒转速、电动机输出转矩及电动机转速;转速、电动机输出转矩及电动机转速;(2)负载及系统的飞轮矩(折算到电动机轴上);负载及系统的飞轮矩(折算到电动机轴上);(3)以加速度以加速度a=0.1m/s2提升重物时,电动机输出的转矩。提升重物时,电动机输出的转矩。(2)负载及系统的飞轮矩的计算负载及系统的飞轮矩的计算 吊钩及重物飞轮矩吊钩及重物飞轮矩:)2m(N 6.222.80223.0)490501962(36522)0(3652 nvGGFGD)2m(N 7.1316.22)45.33(4652)5.33(402349123 22)321(22)21(221222 FGDjjjd
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