电机拖动12汇编.ppt

电机原理与拖动,2016.02,信息与控制学院自动化系,电机原理与拖动,公元前239年,“魔石”,电机原理与拖动,战国时期,电机原理与拖动,公元前280~233年,司南,电机原理与拖动,1086~1093年,“方家以磁石磨针锋,则能指南,然常偏东,不全南也.” “以磁石磨针锋,则锐处常指南,亦有指北者恐石性亦不同.”,电机原理与拖动,1040~1044年,指南鱼,电机原理与拖动,奥斯特,电流磁效应（1820）,电机原理与拖动,戴维,超强电磁铁（1821）,电机原理与拖动,在一个玻璃缸的中央立着一根磁棒，磁棒底部用蜡“粘”在缸底上缸里倒上水银，刚好露出一个磁极，把一根粗铜丝扎在一块软木上，让软木浮在水银面上，导线下端通过水银接到伏打电堆的一个极上，导线上端通过一根又软又轻的铜线接在伏打电堆的另一个极上这样就形成了一个闭合回路，立在水银面上的导线中就会有电流通过把电源接通时，实现了通电导线绕磁铁公转法拉第,第一台电动机工作原理（1821年）,电机原理与拖动,法拉第,电磁感应（1831）,圆盘发电机（1831）,电机原理与拖动,麦克斯韦,原作1873年出版,电机原理与拖动,1.1 概述,第1章 磁 路,1.1 磁路的基本概念和基本定律 1.2 铁磁材料,电机原理与拖动,磁路的基本概念,,,变压器磁路,直流电机磁路,（1）磁通 垂直铁芯横截面的磁力线总数，单位：Wb,磁通,铁芯,（2）磁路 磁通在铁磁材料组成的铁芯内形成的闭合回路,磁路的基本概念,表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量,磁感应强度B的大小,磁感应强度B的方向 与电流的方向之间符合右手螺旋定则,均匀磁场: 各点磁感应强度大小相等，方向相同 的磁场，也称匀强磁场,（3）磁感应强度B,磁感应强度B的单位: 特斯拉(T)，1T = 1Wb/m2,磁路的基本概念,（4）磁场强度H,介质中某点的磁感应强度 B 与介质磁导率 之比,磁场强度H的单位 ：安培/米（A/m),磁路的基本概念,（5）磁导率,真空的磁导率为常数，用 0表示，有,表示磁场媒质磁性的物理量，衡量物质的导磁能力,相对磁导率 r： 任一种物质的磁导率 和真空的磁导率0的比值,磁导率 的单位：亨/米（H/m）,磁路的基本概念,Φ,图1-2 闭合铁芯组成的最简单磁路,磁路的基本定律,（1）安培环路定律,I ＝NI 是穿过闭合回线所围面积的电流的代数和,,,I3,式中： 是磁场强度矢量沿任意闭合曲 线（常取磁通作为闭合回线）的线积分,磁路的基本定律,（2）磁路欧姆定律,基本电磁定律,（1）电磁感应定律,基本电磁定律,设主磁通 则,有效值,基本电磁定律,（2）电磁力定律,铁磁材料,在外磁场作用下，磁畴方向发生变化，使之与外磁场方向趋于一致，物质整体显示出磁性来，称为磁化。

即磁性物质能被磁化,外 磁 场,在无外磁场作用的普通磁性物质中，各个磁畴排列杂乱无章，磁场互相抵消，整体对外不显磁性,（1）高导磁性,铁磁材料,磁性材料的磁导率通常都很高，即 r 1 (如坡莫合金，其 r 可达 2105 ) 磁性材料能被强烈的磁化，具有很高的导磁性能,磁性材料主要指铁、镍、钴及其合金等,磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中，如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中，如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心在这种具有铁心的线圈中通入不太大的励磁电流，便可以产生较大的磁通和磁感应强度,铁磁材料,磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强BJ 磁场内磁性物质的磁化磁场 的磁感应强度曲线；,B0 磁场内不存在磁性物质时的 磁感应强度直线；,B BJ曲线和B0直线的纵坐标相 加即磁场的 B-H 磁化曲线BJ,B,,•,a,•,b,磁化曲线,（2）磁饱和性,铁磁材料,Oa段：B 与H几乎成正比地增加； ab段： B 的增加缓慢下来； b点以后：B增加很少，达到饱和,有磁性物质存在时，B 与 H不 成正比，磁性物质的磁导率  不 是常数，随H而变,有磁性物质存在时，与 I 不成正比,磁性物质的磁化曲线在磁路计算上很重要，其为非线性曲线，实际中通过实验得出,,磁化曲线,B和与H的关系,铁磁材料,磁性材料中磁感应强度B的变化总是滞后于外磁 场变化的性质,磁滞回线,,,,,•,•,•,•,Br,Hc,剩磁感应强度Br (剩磁) 当线圈中电流减小到零（H=0）时，铁心中的磁感应强度,矫顽磁力Hc 使 B = 0 所需的 H 值,（3）磁滞性,具有较小的矫顽磁力，磁滞回线较窄。

一般用来制造电机、电器及变压器等的铁心常用的有铸铁、硅钢、坡莫合金即铁氧体等 （2）永磁材料 具有较大的矫顽磁力，磁滞回线较宽一般用来制造永久磁铁常用的有碳钢及铁镍铝钴合金等 （3）矩磁材料 具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁，磁滞回线接近矩形，稳定性良好在计算机和控制系统中用作记忆元件、开关元件和逻辑元件常用的有镁锰铁氧体等,磁性材料分为三种类型,电机原理与拖动基础,第2章 电力拖动的动力学基础,2.1 机械特性 2.2 拖动系统的运动方程 2.3 拖动系统的启动和停车时间 本章小结,2.1 机械特性,（1）电动机的机械特性,电动机的电磁转矩Tem与转速n之间的关系2.1 机械特性,（2）工作机械的机械特性,恒转矩,变转矩,,a 按转矩与转速关系分类,2.1 机械特性,（2）工作机械的机械特性,阻转矩特性,位势转矩特性,b 按转矩与转速作用方向分类,2.2 拖动系统的运动方程式,（1）典型生产机械的运动形式,a、单轴旋转系统 电动机、传动机构、工作机构等所有运动部件 均以同一转速旋转b、多轴旋转系统,2.2 拖动系统的运动方程式,c、多轴旋转运动加平移运动系统,d、多轴旋转运动加升降运动系统,（2）运动方程式,a 单轴电力拖动系统的运动方程,※ J —— 转动惯量（kg·m2）,—— 旋转角加速度（rad/s2） —— 惯性转矩（N·m）,（2）运动方程式,a 单轴电力拖动系统的运动方程,当 Tem＞TL 时，,→n ,→加速的瞬态过程。

当 Tem = TL 时，,稳定运行当 Tem＜TL 时，,→n,→减速的瞬态过程2）运动方程式,b 单轴电力拖动系统的功率平衡方程,负载吸收 的功率,,1. Temω＞0 ， 电动机输出机械功率 2. Temω ＜0 ， 电动机输入机械功率,,,,电动机输 出的功率,系统动能,即 Tem 与ω 方向相同 —— 电动状态 即 Tem 与ω 方向相反 —— 制动状态2）运动方程式,c 多轴旋转系统的折算,z1 z4 z5,z2 z3 z6,等效负载转矩 等效（折算）原则：机械功率不变TLω = Tmωm,,传动机构的效率,传动机构的转速比,c 多轴旋转系统的折算,常见传动机构的转速 比的计算公式： (1) 齿轮传动,(2) 皮带轮传动,(3) 蜗轮蜗杆传动,,传动机构的总转速比 i = i1· i2 · im,c 多轴旋转系统的折算,,,等效转动惯量（飞轮矩）,等效（折算）原则：动能不变 设各部分的转动惯量为：,,JR,J1,,J2,Jm,＋,＋,＋,2 2 2,c 多轴旋转系统的折算,平移运动系统的折算,,,目的 将平移作用力 Fm 折算为等效转矩 TL 。

将平移运动的质量 m 折算为等效 J 或 GD2 ⑴ 等效负载转矩 等效（折算）原则：机械功率不变 TLω = Fmvm,作用力,平移速度,电动机输出 的机械功率,切削功率,平移运动系统的折算,⑵ 等效转动惯量（飞轮矩） 等效（折算）原则：动能不变 ① 平移运动折算成旋转运动,⑵ 等效转动惯量（飞轮矩）,② 等效单轴系统的转动惯量和飞轮矩,＋,＋,＋,一般公式：,平移运动系统的折算,有一大型车床传动机构如图已知：刀架重： Gm = 1 500 N 移动速度：vm= 0.3 m/s 刀架与导轨之间的摩擦系数：  = 0.1 电动机： n = 500 r/min， JM = 2.55 kg·m2 齿轮1：z1 = 20，Jz1 = 0.102 kg·m2 齿轮2：z2 = 50，Jz2 = 0.51 kg·m2 齿轮3：z3 = 30，Jz3 = 0.255 kg·m2 齿轮4：z4 = 60，Jz4 = 0.765 kg·m2 传动机构： = 0.8 求: 电动机轴上的等效 TL 和 J 解: (1) 等效TL平移作用力 Fm =  Gm = 0.1×1 500 N = 150 N,,平移运动系统的折算,(2) 等效转动惯量J,JR = JM＋Jz1 J1 = Jz2＋Jz3 J2 = Jz4,= (2.55＋0.102) kg·m2 = 2.652 kg·m2 = (0.51＋0.255) kg·m2 = 0.765 kg·m2 = 0.765 kg·m2,= 0.005 02 kg·m2,c 多轴旋转系统的折算,,,电动机输出 的机械功率PL,工作机构的 机械功率Pm,升降运动系统的折算,目的 将 Gm 折算为等效 TL。

将 m 折算为等效 J (1) 等效负载转矩（升降力的折算） TLω  = Gmvm,提升重物时，Gm 是阻力，电动机工作在电动 状态，PL＞Pm ；下放重物时，Gm 是动力， 电动机工作在制动状态，PL＜Pm 升降运动系统的折算,传动效率：,则提升时 ＜1 ，下放时 ＞1 (2) 等效转动惯量（升降质量的折算） ①升降运动折算成旋转运动,② 等效单轴系统的转动惯量,2.3 拖动系统的启动和停车时间,启动时间计算,2.3 拖动系统的启动和停车时间,制动停车时间计算,,应用举例,已知：被测体重：50~150kg 平台自重：50kg 平台行程：50cm 0位置时以最高1g加速度行驶20厘米后制动并停于50cm处 平台与导轨之间的摩擦系数：  = 0.08 电动机： JM = 0.075kg·m2 辊轮1：r1 = 10，Jr1 = 0.0202 kg·m2 辊轮2：r2 = 15，Jr2 = 0.051 kg·m2 辊轮3：r3 = 10，Jr3 = 0.0255 kg·m2 辊轮4：r4 = 20，Jr4 = 0.051 kg·m2 传动机构： = 0.8 求: 该选择多大功率的电机 。