1、第第11章章 電力拖動系統電力拖動系統的動力學基礎的動力學基礎11.1 電力拖動系統的組成電力拖動系統的組成11.2 典型生產機械的運動形式典型生產機械的運動形式11.3 電力拖動系統的運動方程電力拖動系統的運動方程11.4 多軸旋轉系統的折算多軸旋轉系統的折算11.5 平移運動系統的折算平移運動系統的折算*11.7 電力拖動系統的暫態過程電力拖動系統的暫態過程11.6 升降運動系統的折算升降運動系統的折算11.1 電力拖動系統的組成電力拖動系統的組成11.2 典型生產機械的運動形式典型生產機械的運動形式11.3 電力拖動系統的運動方程電力拖動系統的運動方程11.4 多軸旋轉系統的折算多軸旋轉

2、系統的折算11.5 平移運動系統的折算平移運動系統的折算*11.7 電力拖動系統的暫態過程電力拖動系統的暫態過程11.6 升降運動系統的折算升降運動系統的折算返回主頁返回主頁電機與拖動電機與拖動11.1 電力拖動系統的組成電力拖動系統的組成 拖動：原動機帶動生產機械運動。拖動：原動機帶動生產機械運動。 電力拖動：用電動機作為原動機的拖動方式。電力拖動：用電動機作為原動機的拖動方式。1. 電力拖動系統的組成電力拖動系統的組成電動機電動機傳動機構傳動機構工作機構工作機構控制設備控制設備電源電源2. 電力拖動系統的優點電力拖動系統的優點(1) 電能易于生產、傳輸、分配。電能易于生產、傳輸、分配。(2

3、) 電動機類型多、規格全，具有各種特性，能滿電動機類型多、規格全，具有各種特性，能滿 足各種生產機械的不同要求。足各種生產機械的不同要求。第第11 章章 電力拖動系統的動力學基礎電力拖動系統的動力學基礎(3) 電動機損耗小、效率高、具有較大的短時電動機損耗小、效率高、具有較大的短時 過載能力。過載能力。(4) 電力拖動系統容易控制、操作簡單、電力拖動系統容易控制、操作簡單、 便于實現自動化。便于實現自動化。3. 應用舉例應用舉例 精密機床、重型銑床、精密機床、重型銑床、 初軋機、初軋機、 高速冷軋機、高速造紙機、風機、水泵高速冷軋機、高速造紙機、風機、水泵11.1 電力拖動系統的組成電力拖動系

4、統的組成11.2 典型生產機械的運動形式典型生產機械的運動形式1. 單軸旋轉系統單軸旋轉系統 電動機、傳動機構、工作機構等所有運動部件電動機、傳動機構、工作機構等所有運動部件 均以同一轉速旋轉。均以同一轉速旋轉。2. 多軸旋轉系統多軸旋轉系統 第第11 章章 電力拖動系統的動力學基礎電力拖動系統的動力學基礎電動機電動機工作機構工作機構電動機電動機工作機構工作機構3. 多軸旋轉運動加平移運動系統多軸旋轉運動加平移運動系統 4. 多軸旋轉運動加升降運動系統多軸旋轉運動加升降運動系統 11.2 典型生產機械的運動形式典型生產機械的運動形式電動機電動機 工作機構工作機構 電動機電動機 G11.3 電力

5、拖動系統的運動方程式電力拖動系統的運動方程式1. 單軸電力拖動系統的運動方程單軸電力拖動系統的運動方程 T2TL= Jd d t J 轉動慣量（轉動慣量（kgm2） 旋轉角加速度（旋轉角加速度（rad/s2） 慣性轉矩（慣性轉矩（Nm） T2 = TT0 電動狀態時，電動狀態時，T0 與與 T 方向相反，方向相反，T20，T00。 制動狀態下放重物時，制動狀態下放重物時，T0 與與 T 方向相同，方向相同，T20，T00。 第第11 章章 電力拖動系統的動力學基礎電力拖動系統的動力學基礎d d tJd d t 電動狀態電動狀態 T2T0 制動狀態下放重物制動狀態下放重物 T2T0 正方向正方向

6、 11.3 電力拖動系統的運動方程式電力拖動系統的運動方程式TTL= Jd d t忽略忽略 T0 ，則，則 飛輪矩飛輪矩(Nm2)因為因為 J = m 2 Gg=D2（）2GD24g=旋轉部分的旋轉部分的質量（質量（kg）回轉半徑回轉半徑 (m)2 n60T2TL = GD2 d 4g d t 回轉直徑回轉直徑 (m) 對于均勻實心圓柱體，對于均勻實心圓柱體， 與幾何半徑與幾何半徑 R 的關系為的關系為 R 2 = = GD2 dn375 d tGD2 dn375 d tT2TL = 11.3 電力拖動系統的運動方程式電力拖動系統的運動方程式GD2 dn375 d tTTL = 忽略忽略 T0

7、 ，有，有 當當 T2TL 時，時， n dnd t0 加速的暫態過程。加速的暫態過程。 當當 T2 = TL 時，時， dnd t = 0 穩定運行。穩定運行。 當當 T2TL 時，時， n dnd t0 減速的暫態過程。減速的暫態過程。 n = 0n = 常數常數負載吸收負載吸收的功率的功率(1) T2 0 ， 電動機輸出機械功率電動機輸出機械功率(2) T2 0 ， 電動機輸入機械功率電動機輸入機械功率2. 單軸電力拖動系統的功率平衡方程單軸電力拖動系統的功率平衡方程 T2 TL = J d d t（ ） =dd tJ 212電動機輸電動機輸出的功率出的功率系統動能系統動能P2PL =

8、J d d t11.3 電力拖動系統的運動方程式電力拖動系統的運動方程式即即 T2 與與 方向相同。方向相同。 電動狀態。電動狀態。 即即 T2 與與 方向相反。方向相反。 制動狀態。制動狀態。 電動狀態電動狀態1 T2TL 制動狀態制動狀態1 T2TL電動狀態電動狀態2T2TL制動狀態制動狀態2T2TL(3) TL 0， 負載從電動機吸收機械功率。負載從電動機吸收機械功率。(4) TL 0， 負載釋放機械功率給電動機（拖動系統）。負載釋放機械功率給電動機（拖動系統）。 (5) P2PL，(6) P2PL， 和和 n 不能突變，不能突變， 即系統不可能具有無窮大的功率。即系統不可能具有無窮大的

9、功率。11.3 電力拖動系統的運動方程式電力拖動系統的運動方程式 即即 TL 與與 方向相反。方向相反。 即即 TL與與 方向相同。方向相同。 ，加速狀態，加速狀態， ，減速狀態，減速狀態，否則否則 J d d t 電動狀態電動狀態1 T2TL 制動狀態制動狀態1 T2TL電動狀態電動狀態2T2TL制動狀態制動狀態2T2TL系統動能增加。系統動能增加。系統動能減少。系統動能減少。11.4 多軸旋轉系統的折算多軸旋轉系統的折算z1 z4 z5 z2 z3 z6 效效等等1. 等效負載轉矩等效負載轉矩 等效（折算）原則：機械功率不變。等效（折算）原則：機械功率不變。 TL =Tm tm L= Tm

10、j t第第11 章章 電力拖動系統的動力學基礎電力拖動系統的動力學基礎電動機電動機工作機構工作機構nTLn1n2nmTm電動機電動機等效負載等效負載nTLTL t = Tmm 傳動機構傳動機構的效率的效率傳動機構傳動機構的轉速比的轉速比 傳動機構的總轉速比傳動機構的總轉速比 j = j1 j2 jmmj = nnm= 1 j1 = nn1= 1 2 j2 = n1n2= 2 m jm = n2nm=11.4 多軸旋轉系統的折算多軸旋轉系統的折算 常見傳動機構的轉速常見傳動機構的轉速 比的計算公式：比的計算公式：(1) 齒輪傳動齒輪傳動n1n2j =z2z1=(2) 皮帶輪傳動皮帶輪傳動 n1n

11、2j =D2D1=(3) 蝸輪蝸桿傳動蝸輪蝸桿傳動 n1n2j =z2z1=齒輪的齒數齒輪的齒數 皮帶輪的直徑皮帶輪的直徑 蝸輪的齒數蝸輪的齒數 蝸桿的頭數蝸桿的頭數 2. 等效轉動慣量（飛輪矩）等效轉動慣量（飛輪矩） 等效（折算）原則：動能不變。等效（折算）原則：動能不變。設各部分的轉動慣量為：設各部分的轉動慣量為：12J2 = 12JR 2 12J1 1212Jmm2 11.4 多軸旋轉系統的折算多軸旋轉系統的折算nTLn1n2z1 z4 z5 z2 z3 z6 電動機電動機工作機構工作機構nmTmJRJ1J2Jm12J2 22 J = JRJ1 J2 Jm 1m2 2 2 2J = JR

12、J1 J2 Jm n1nnmn2 2 2 n2n如果在電動機和工作機構之間總共還有如果在電動機和工作機構之間總共還有 n 根中間軸，根中間軸， 則則: j = j1 j2 jn jm或或: :GD2 = 4gJ 11.4 多軸旋轉系統的折算多軸旋轉系統的折算J2 j1 j2 J = JR J1j12 22Jm j1 j2 jm2 2 2 J2 j1 j2 = JR J1j12 22Jm j 2 J = JRJ1 J2 Jn Jm n1nnnn2 2 2 2 n2nnmnJ2 ( j1 j2)J = JR J1j12 2Jn( j1 j2 jn )2 Jm j 2 11.4 多軸旋轉系統的折算多

13、軸旋轉系統的折算 【例例 10.4.1】 某車床電力拖動系統，傳動機構為某車床電力拖動系統，傳動機構為齒輪組（如圖示），經兩級減速后拖動車床的主軸，已齒輪組（如圖示），經兩級減速后拖動車床的主軸，已知知 n = 1 440 r/min ，切削力，切削力 F = 2 000 N，工件直徑，工件直徑 d = 150 mm，各齒輪的齒數為，各齒輪的齒數為 z1 = 15，z2 = 30，z3 = 30，z4 = 45，各部分的轉動慣量，各部分的轉動慣量 JR = 0.076 5 kgm2，J1 = 0.051 kgm2，Jm = 0.063 7 kgm2 。傳動機構的傳動效率。傳動機構的傳動效率 t

14、 = 0.9。求：。求：(1) 切削功率切削功率 Pm 和切削轉矩和切削轉矩 Tm ； (2) 折算成單折算成單軸系統后的等效軸系統后的等效 TL、JL 和和 GD2 。 解：解：(1) 切削功率切削功率 Pm 和切削轉矩和切削轉矩 Tmn JR n1J1z1 z4 z2 z3 電動機電動機車床車床nm Jm z2z1j2 = = = 2 3015z4z3jm = = = 1.5 4530j = j1 jm = 21.5 = 3 njnm = = r/min = 480 r/min 1 440311.4 多軸旋轉系統的折算多軸旋轉系統的折算 d nm60Pm = F 3.140.1548060

15、 = 2 000 W = 7.536 kW TN = 2 60Pmnm = Nm = 150 Nm 60 23.14 7 536 480(2) 折算成單軸系統后的等效折算成單軸系統后的等效 TL、JL 和和 GD2 TL = Tmj t = Nm = 55.56 Nm 150 30.9 J = JR J1j12Jm j 2 = 0.076 5 kgm2 = 0.096 3 kgm2 0.051220.063 7 32( ) GD2 = 4gJ = 49.810.096 3 Nm2 = 3.78 Nm2 目的目的 將平移作用力將平移作用力 Fm 折算為等效轉矩折算為等效轉矩 TL 。 將平移運動

16、的質量將平移運動的質量 m 折算為等效折算為等效 J 或或 GD2 。 1. 等效負載轉矩等效負載轉矩 等效（折算）原則：機械功率不變。等效（折算）原則：機械功率不變。 TL t = Fmvm11.5 平移運動系統的折算平移運動系統的折算vmFm 作用力作用力 平移速度平移速度 第第11 章章 電力拖動系統的動力學基礎電力拖動系統的動力學基礎432n1工件工件 (m) 刨刀刨刀 齒條齒條 齒輪齒輪 電動機輸出電動機輸出 的機械功率的機械功率 切削功率切削功率 TL = Fmvm t= Fmvm t n602 2. 等效轉動慣量（飛輪矩）等效轉動慣量（飛輪矩） 等效（折算）原則：動能不變。等效（

17、折算）原則：動能不變。(1) 平移運動折算成旋轉運動平移運動折算成旋轉運動11.5 平移運動系統的折算平移運動系統的折算vmFm 作用力作用力 平移速度平移速度 432n1工件工件 (m) 刨刀刨刀 齒條齒條 齒輪齒輪 12Jm2 = 12m vm 2 Jm =m vm 22 Gmg vm n2Jm = 602 2 2 = 9.3 Gm vm n22 (2) 等效單軸系統的轉動慣量和飛輪矩等效單軸系統的轉動慣量和飛輪矩11.5 平移運動系統的折算平移運動系統的折算12J2 = 12JR 2 12J1 1212J2 22 12m vm 2 12J2 = JR 2 J1 12 J2 22 Jm2

18、12121212J = JRJ1 J2 Jm 12 2 2J = JRJ1 J2 Jm n1n2 2 n2n 一般公式：一般公式： J2 ( j1 j2)J = JR Jm J1j12 2Jn( j1 j2 jn )2 【例例 10.5.1】 有一大型車床，有一大型車床，傳動機構如圖示。已知：傳動機構如圖示。已知：刀架重：刀架重： Gm = 1 500 N 移動速度：移動速度：vm= 0.3 m/s刀架與導軌之間的摩擦系數：刀架與導軌之間的摩擦系數： = 0.1電動機：電動機： n = 500 r/min， JM = 2.55 kgm2齒輪齒輪1：z1 = 20，Jz1 = 0.102 kgm

19、2齒輪齒輪2：z2 = 50，Jz2 = 0.51 kgm2齒輪齒輪3：z3 = 30，Jz3 = 0.255 kgm2齒輪齒輪4：z4 = 60，Jz4 = 0.765 kgm2傳動機構：傳動機構： t = 0.8求求: 電動機軸上的等效電動機軸上的等效 TL 和和 J 。 解解: (1) 等效等效TL 平移作用力平移作用力 Fm = Gm = 0.11 500 N = 150 NvmFm432n1工件工件 (m) 刨刀刨刀 齒條齒條 齒輪齒輪 11.5 平移運動系統的折算平移運動系統的折算11.5 平移運動系統的折算平移運動系統的折算TL= Fmvm t n602 = Nm = 1.075

20、 Nm 60 6.28 1500.3 0.8500 (2) 等效轉動慣量等效轉動慣量J z2 z1 j1 = 50 20 = = 2.5 z4 z3 j2 = 60 30 = = 2 JR = JMJz1 J1 = Jz2Jz3 J2 = Jz4 = (2.550.102) kgm2 = 2.652 kgm2 = (0.510.255) kgm2 = 0.765 kgm2 = 0.765 kgm2 Jm = 9.3 Gm vm n22 = 9.3 kgm2 1 5000.32 5002 = 0.005 02 kgm2 J2 ( j1 j2)J = JR Jm J1j12 20.765 (2.5

21、2)2 = 2.652 0.005 02 kgm2 0.7652.52= 2.652 kgm2 11.5 平移運動系統的折算平移運動系統的折算 電動機輸出電動機輸出 的機械功率的機械功率PL 工作機構的工作機構的 機械功率機械功率Pm 11.6 升降運動系統的折算升降運動系統的折算 目的目的 將將 Gm 折算為等效折算為等效 TL。 將將 m 折算為等效折算為等效 J。 1. 等效負載轉矩（升降力的折算）等效負載轉矩（升降力的折算） TL t = Gmvm第第11 章章 電力拖動系統的動力學基礎電力拖動系統的動力學基礎Gm電動機電動機 vmz2 z1z4 z3 提升重物時，提升重物時，Gm 是

22、阻力，電動機工作在電動是阻力，電動機工作在電動 狀態，狀態，PLPm ；下放重物時，；下放重物時，Gm 是動力，是動力， 電動機工作在制動狀態，電動機工作在制動狀態，PLPm 。TL = Gmvm t= Gmvm t n602 傳動效率：傳動效率： 11.6 升降運動系統的折算升降運動系統的折算 t = 100% Pm PL則提升時則提升時 t1 ，下放時，下放時 t1。2. 等效轉動慣量（升降質量的折算）等效轉動慣量（升降質量的折算） (1) 升降運動折算成旋轉運動升降運動折算成旋轉運動12Jm2 = 12m vm 2 Jm =m vm 22 = 9.3 Gm vm n22 (2) 等效單軸

23、系統的轉動慣量等效單軸系統的轉動慣量J2 ( j1 j2)J = JR Jm J1j12 2Jn( j1 j2 jn )2 a b c d e f g h 電動機電動機 蝸桿蝸桿 蝸輪蝸輪 齒輪齒輪 齒輪齒輪 卷筒卷筒 導輪導輪 重物重物 雙頭雙頭 20 10 40 0.15 0.025 0.40 0.075 8 1.25 1.25 10 000 0.1 0.111.6 升降運動系統的折算升降運動系統的折算 【例例 10.6.1】 某起重機的電力拖動系統如圖示。各某起重機的電力拖動系統如圖示。各運動部件的的有關數據如下：運動部件的的有關數據如下： 編號編號 名稱名稱齒數齒數轉動慣量轉動慣量J/

24、kgm2 重力重力G/N直徑直徑 d/m傳動效率傳動效率 t = 0.8，提，提升速度升速度 vm = 9.42 m/s。試求電動機的轉速試求電動機的轉速 na以及折算到電動機軸以及折算到電動機軸上的等效上的等效 TL 和和 J。dnabafgcehvm11.6 升降運動系統的折算升降運動系統的折算 解解: (1) 電動機的轉速電動機的轉速 na 卷筒和導輪的轉速卷筒和導輪的轉速 nf = ng = vm dg = r/min = 30 r/min 9.42 3.140.1 轉速比轉速比 zc zb j1 = 20 2 = = 10 ze zd j2 = 40 10 = = 4 轉速轉速 na

25、 na = nb = j1 j2 nf = 10430 r/min = 1 200 r/mindnabafgcehvmdnabafgcehvm(2) 求等效負載轉矩求等效負載轉矩 TL TL= Gmvm t n602 = Nm = 937 Nm 60 6.28 10 0009.42 0.81 200 (3) 求等效轉動慣量求等效轉動慣量 J JR = JaJb J1 = JcJd J2 = JeJfJg = (81.251.25) kgm2 = 10.5 kgm2 = (0.150.025) kgm2 = 0.175 kgm2 = (0.40.075) kgm2 = 0.475 kgm2 11

26、.6 升降運動系統的折算升降運動系統的折算11.6 升降運動系統的折算升降運動系統的折算 Jm = 9.3 Gm vm n22 = 9.3 kgm2 10 0009.422 1 2002 = 5.73 kgm2 dnabafgcehvmJ2 ( j1 j2)J = JR Jm J1j12 210.5 (104)2 = 0.175 5.73 kgm2 0.475 102= 5.916 kgm2 傳傳 動動 機機 構構第第11 章章 電力拖動系統的動力學基礎電力拖動系統的動力學基礎 更多的圖片更多的圖片 W 系列螺旋平面減速電機系列螺旋平面減速電機第第11 章章 電力拖動系統的動力學基礎電力拖動系

27、統的動力學基礎 更多的圖片更多的圖片 S 系列斜齒輪蝸輪蝸桿減速電機系列斜齒輪蝸輪蝸桿減速電機第第11 章章 電力拖動系統的動力學基礎電力拖動系統的動力學基礎 更多的圖片更多的圖片 R 系列斜齒輪減速電機系列斜齒輪減速電機第第11 章章 電力拖動系統的動力學基礎電力拖動系統的動力學基礎 更多的圖片更多的圖片 K 系列斜齒輪傘齒輪減速電機系列斜齒輪傘齒輪減速電機第第11 章章 電力拖動系統的動力學基礎電力拖動系統的動力學基礎 更多的圖片更多的圖片 F 系列平行軸斜齒輪減速機系列平行軸斜齒輪減速機第第11 章章 電力拖動系統的動力學基礎電力拖動系統的動力學基礎 更多的圖片更多的圖片 蝸蝸 輪輪 蝸

28、蝸 桿桿第第11 章章 電力拖動系統的動力學基礎電力拖動系統的動力學基礎 更多的圖片更多的圖片 *11.7 電力拖動系統的暫態過程電力拖動系統的暫態過程 機械慣性機械慣性 由于由于J（GD2）的存在，使）的存在，使 n 不能躍變。不能躍變。 電磁慣性電磁慣性 由于由于 Lf 的存在，使的存在，使 if 不能躍變。不能躍變。 由于由于 La 的存在，使的存在，使 ia 不能躍變。不能躍變。第第11 章章 電力拖動系統的動力學基礎電力拖動系統的動力學基礎 熱慣性熱慣性 機械慣性與電磁慣性產生機械慣性與電磁慣性產生機電暫態過程機電暫態過程。 只考慮機械慣性時的暫態過程稱為只考慮機械慣性時的暫態過程稱

29、為機械暫態過程。機械暫態過程。 他勵直流電動機的機械過渡過程他勵直流電動機的機械過渡過程 1. 轉速的變化規律轉速的變化規律 *11.7 電力拖動系統的暫態過程電力拖動系統的暫態過程n = n0T GD2375 = dnd t n = nS 機械過渡過程機械過渡過程 的時間常數：的時間常數： =Ra GD2 375CECT2 TTL=dnd t GD2 375= n0( TL ) dnd tGD2375n = n0TL dnd tGD2375 轉速的穩態值轉速的穩態值： nS = n0TL = nLt n = nS( ni nS ) e 初始值初始值*11.7 電力拖動系統的暫態過程電力拖動系統的暫態過程微分方程