第3章 机械系统的载荷特性和动力机的选择-2012-3.ppt

第三章机械系统的载荷特性和动力机选择,第一节工作机械(指执行系统)的载荷和工作制,设计机械系统时，载荷的分析和确定非常重要。分析的过程中应分清载荷主次，对量值较小的载荷可忽略不计，对较复杂的载荷应进行适当的简化。,一、载荷类型,作用在机械上的外力称为载荷。载荷的种类很多，如起重机中提升物体的重量、变速运行的惯性力、机械本身的自重、作用在机械上的风力和落在机械上其他杂物的重量等等都是载荷。载荷的类型和大小决定于对机械的功能要求、工作环境和结构间的约束关系。,载荷的表示形式：可用力、力矩或转矩表示，也可用压力、功率、加速度等形式表示。,载荷是对机械及零部件进行强度、刚度、稳定性、可靠性和寿命计算的依据。也是进行机械系统动力机类型和容量选择时需要考虑因素之一。,工作机械就是机械系统的执行系统。系统工作过程中转矩M与转速n的关系M=f(n)(或力F和速度V的关系F=f(V)称为工作机械的负载特性。常见的负载特性有如下几种:,1、工作机械的负载特性,转矩M与转速n的大小无关，转速n变化，转矩M不变。即,恒转矩负载特性又可分为两类：位能性负载特性和反抗性负载特性。,（1）恒转矩负载特性,由转矩M、转速n和功率P的关系可知，对于恒转矩负载特性，功率P与转速n成正比，即P=f(n)。线性关系，因为P=M*n,反抗性负载特性：转矩M的方向随转向变化，但转矩M的绝对值不变。具有摩擦负载的皮带运输机、金属压延机床和造纸机等具有反抗性负载特性。,位能性负载特性：转矩M的方向不随转向变化。如起重机的钢丝绳无论向上或向下运动都受拉力。,功率P与转速n无关，转速n变化，功率P不变，即P=C(常数)。由于功率P为常数，转矩M与转速n的乘积变为常数，即,（2）恒功率负载特性,许多金属加工机床就具有恒功率负载特性，由于在加工过程中产生的切削力大，此时选择的切削速度V就应小一些，以保证切削功率不变。,例如磨粉机，转速n升高，喂入量加大，转矩M成正比增加。,转矩M与转速n成某种函数关系，转速n变化，转矩M按某种规律变化。如转矩M与转速n成线性关系，即M=f(n)，则功率P与转速n的平方成正比，即P=f(n2)。,（3）转矩M是转速n函数的负载特性,转矩M与转速n的平方成正比，即M=f(n2)，则功率P与转速n的3次方成正比，即P=f(n3)。通风机、离心水泵就具有这种负载特性。,例如活塞式空气压缩机，曲柄压力机，轧钢厂的剪切机、升降摆动台、翻钢机等工作机械都具有这种负载特性。,转矩M与行程s或转角成某种函数关系，即M=f(s)或M=f()。,（4）转矩M是行程s或转角的函数,如破碎机，球磨机等工作机械都具有这种负载特性。,转矩M在工作机械工作过程中，与工作时间t没有明显的函数关系。,（5）转矩M随时间t变化无规律,转矩M变化，转速n保持不变，即n=C(常数)，则功率P与转矩M成正比，P=f(M)。,例如利用内燃机驱动的发电机，为了保持交流电频率不变，在机组上利用调速器来保证发电机在额定转速下运转。,（6）恒转速负载特性,思考题：9、根据P37图2-11四种铣床布置说明如下问题：（1）被加工工件的重量、尺寸对铣床的布置有何影响?（2）各自的驱动方式以及选用该驱动方式的理由?10、X62W卧式升降台铣床主轴转速nmin=30r/min，nmax=1500r/min，变速级数Z=18，各级转速按照等比级数排列，确定相应的公比和各级转速。,第三章思考题1、什么是工作机械的负载特性？常见的工作机负载特性有哪几种，试举例说明。,2.载荷的分类(按照载荷随时间变化的情况),静载荷：是指大小、方向和作用点都不随时间变化的载荷。如重力。动载荷：三个要素中只要有一个要素随时间变化就叫动载荷。经常把变化次数少的按静载荷处理。冲击载荷:短时间内变化很大的载荷.,工程中大多数机械所承受的都是动载荷。但有时为了简化设计计算，可以将动载荷简化处理转变成静载荷。,动载荷,周期性载荷,非周期性载荷,随机载荷,确定载荷：有一定变化规律，可用数学公式表示。,载荷时间历程:载荷随时间t的变化情况,简称载荷历程.,3.载荷时间历程,非确定载荷：没有规律，随机性,不重复、不能直接用数学公式表示，要用统计的办法处理。,按载荷历程不同,动载荷分为:,(一)周期载荷,周期载荷:即载荷随时间作周期性的变化,有周期性。,周期载荷可用3个要素描述，即幅值、谐波角频率和相位角。,常见的周期性载荷又包括以下两种,简谐载荷；,复杂周期载荷；,：t时刻的载荷幅值；,：最大的载荷幅值；,：相位角,式中：,由于余弦函数通过改变相位可转化为正弦函数，所以用余弦函数表示的载荷也是谐波载荷。,1、简谐载荷（谐波载荷）以正弦规律变化的载荷，是最简单的一种周期载荷。简谐载荷可用数学公式和图象表示。,2、复杂周期载荷任何复杂的周期载荷，都可分解成无限个简谐载荷相叠加的形式(傅里叶级数)。,复杂载荷的数学表达式为：,（3-1）,式(3-1)又可以表示为：,式中：,相位角,谐波角频率,（3-2）,辐值,通常根据对精度的要求，谐波分量只取前n项。如取n=3，周期载荷可表示为：,静态分量,一次分量(谐波),二次分量(谐波),三次分量(谐波),各谐波分量与一次分量的频率比为正整数：,1、准周期载荷：是指若干个频率比是有理数的正弦量合成的载荷,仍可用数学公式表达。,(二)非周期载荷,非周期载荷包括准周期载荷和瞬变载荷两类。,2、瞬变载荷：作用时间短、幅值变化大。可采用傅里叶变换建立载荷的时域函数和频域函数之间的一一对应关系。,(3-3),(3-4),时域函数,频域函数,准周期载荷和瞬变载荷都是确定性载荷.,时域函数x(t)是频域函数F()的反付里叶变换；而F()是x(t)的正付里叶变换。,随机载荷是指载荷的幅值和频率随时间无规律变化的载荷，随机载荷不能直接用一个数学式确切地表示。,(三)随机载荷,载荷随时间变化情况叫载荷历程，随机载荷的载荷历程可见P46图3-1。,在统计学上把采得的每一个纪录叫一个子样，图3-1中采得了n个子样：x1(t)、x2(t)xn(t)。当子样个数n接近无穷多时，就组成了被测载荷的总体-母体。实际上子样个数n只能是有限个，只能通过这有限个子样，用统计学的方法得到能代表母体特性谱型。,汽车、拖拉机、水轮机、飞机等在复杂条件下工作的机械，就承受随机载荷。由于外界条件变化无常，测量结果是不可确定的。,由于随机载荷具有不可确定性，所以不能应用随机载荷直接进行强度、刚度等计算，必须用数理统计的方法，总结出随机载荷的统计规律，才能进行相应的计算。,随机载荷是由现场实测获得，这个过程叫采样。,以对载重汽车采样为例，在所得的一系列“载荷-时间历程”图中，每次采样得到的“载荷-时间历程”都不相同，从而表现出这种载荷的随机性。,随机变量的均值为：,均值又叫数学期望值，它是表示随机变量概率分布集中程度的尺度。,（3-5）,(2)标准差：,(3-6),(1)均值,随机变量的标准差为：,具体在反映或表示随机载荷时，可以通过有限个子样求出一些数字特征值来描述母体的基本统计特征，这些数字特征值包括：,(3)方差V(t)：方差V(t)是表示随机变量概率分布相对于均值分散程度的尺度。,对比(3-6)和(3-7)式可得：,(3-7),(3-8),(3-9),随机变量的方差为：,(4)自相关函数R(t)：自相关函数R(t)表示随机变量在t时刻的值与(t+)时刻数值乘积的平均值。,(3-10),非平稳随机过程：均值、方差V(t)、自相关函数R(t)均与时刻t有关。,平稳随机过程：均值、方差V(t)、自相关函数R(t)均与时刻t无关。,对于一般的随机过程，理论上讲只有从无穷个样本中才能得出准确地反映随机过程特征的数字特征值，但增加样本个数具有一定的难度，只能对有限个样本进行分析处理，获得近似的载荷谱。但对于各态历经的随机过程，只要获得一个样本，就可以得到能代表整个随机过程的载荷谱。,(5)平稳随机过程与各态历经随机过程,各态历程随机过程：平稳随机过程中，整个母体的概率分布与任一个样本的概率分布相同。,式中：,i、j-1，2，ij,K-某一时间延迟步数。,二、载荷处理方法,(一)静载荷、周期载荷、非周期载荷的处理,在静载荷下对机械零件进行强度计算时，塑性材料制成的零件，取屈服强度作极限应力；脆性材料制成的零件，取强度极限作极限应力，选取安全系数S后，就可决定许用应力。用名义载荷F与载荷系数K的乘积表示计算载荷，即，这里载荷系数K是考虑载荷集中设定的。,1、静载荷,应用强度理论由计算载荷可求出计算应力，按强度不等式来进行静强度计算。,也可采用简化计算法，引入载荷系数K求得计算载荷FC=KF，然后再利用强度理论进行强度校核。,2、周期载荷和非周期载荷,对周期载荷和非周期载荷，可应用数学方法，如付里叶展开和付里叶变换，找到载荷变化的规律，然后利用疲劳强度的理论进行强度计算。,决定载荷系数K时，既要考虑载荷集中，又要考虑动载荷。,例如:对齿轮进行疲劳强度：,考虑有动载荷的系数：,KA-使用系数；,KV-动载系数。,考虑载荷集中的系数：,K-齿间载荷分配系数；,K-齿向载荷分布系数。,使用编制的载荷谱进行疲劳强度计算或试验时，得到的机械寿命应尽量接近机械的实际工作寿命；,(二)随机载荷的处理,1、载荷谱,编谱是确定计算载荷的一项重要工作，编谱时应注意下面3点：,选取的子样必须具有典型性和代表性；,整个编谱过程应能在计算机上进行，这样大量的计算过程就可由计算机完成。,2、编制载荷谱的方法（了解）,通过实测得到的子样所表示的“载荷-时间历程”叫工作谱或使用谱。子样虽然是实际载荷，但由于自身的不可重复性和不可预测性，因此不能用某个子样进行设计计算。如果把大量的子样经数理统计方法处理后，就可得到能反映载荷随时间变化规律，这种具有统计特征的“载荷-时间历程”就称为载荷谱。,把工作谱处理成载荷谱的过程叫编谱。,进行机械设计时，载荷的大小和性质应由设计者来确定。,对于工作条件简单、确定的机械，载荷确定后，在设计过程中就不再变动;而对工作条件复杂，影响因素较多的机械在设计过程中要调整载荷，甚至有些机械，在制造出来后，才能通过实测最终确定载荷。,对于系列生产的机械产品，确定载荷时要考虑国家制订的规格、系列或标准，例如对冲床的冲力、起重机的起重量都有系列公称值。,三、载荷的确定方法,有一些产品是以某些表征设备能力的特征结构尺寸为系列公称值的，如谷物联合收获机以割台宽度、钢坯轧机以辗辊最大直径，挖掘机以铲斗容积为系列公称值。,载荷的确定通常有3种方法：类比法、计算法和实测法。,（一）类比法,应用类比法确定载荷的先决条件：具有与所设计机械同类型的或相近类型的机械产品，这些机械产品被实践证明是成功的，这时可根据经验或简单计算就可以确定所设计机械的载荷。,类比法不够精确，主要用在载荷难以确定的情况或初步设计阶段，当样机制造好后，再用实测法较精确地确定载荷，并对设计对象进行较精确地校核计算。,对于受载不大，以传递运动为主的机械，如印刷机、包装机、仪器仪表等，也可用类比法最终确定载荷。,动力类比:选择通过实践证实设计较成功的同一类型的机械作类比对象，调查该机械使用动力机的容量，如电动机的功率、转矩、转速等参数；再根据设计者的经验或通过简单地推算，确定设计对象所需要的动力，进而确定机械及其零部件的载荷。,类比法有动力类比和几何尺寸类比两种.,（3-12）,例如要设计一台割台宽度为L1的自走式谷物联合收获机。现有一台割台宽度为L2的同类机械，它的动力机是功率为P2(KW)的柴油机。两台机械的作业对象、工作速度、滚筒、清粮装置及传动装置的类型基本相同，技术要求也基本相同，就可推算出设计对象的功率为：,式中：,P=f(L)为自走式谷物联合收获机功率与割台宽度的函数关系，可以通过对已有产品进行调查研究，建立这个函数关系。,尺度类比法.假设现有机械的载荷和尺寸为F1和l1，它们的函数关系为F=（l），应用相似原理可建立(3-12)式：,通过(3-12)式就可用类比法确定设计对象的尺寸l2：,例如设计传动轴，其类比对象上轴所受转矩为T2，直径为d2；设计对象上轴的转矩为T1，直径为d1，两轴的材料和工作条件相同，则可写出：,则,（二）计算法,应用计算法确定载荷的先决条件：计算所需的力学原理,经验公式或图表是已知的。,函数关系F=（l）可以在力学中寻找。,据材料力学，,-各零件的质量；,式中：,g-重力加速度。,例如:要设计可移式起重机，用计算法确定起重机载荷的过程如下：,1)确定起升载荷G,起升载荷G是由两部分组成：G=G1+G2,G1-起重机的额定起重力，包括正常工作条件下，物料重量和可取下的取物装置的重量（如抓斗、电磁吸盘）等。额定起重量应符合有关标准。,G2-随物料一起升降的设备重量，如吊具、钢丝绳等不可取下物的重量。,2)起重机的整机重力W,起重机的整机重力W包括：起重机全部零部件和附属设备的重力。,初步设计时整机重力W难以准确确定，可以用类比法确定。设计图纸出来后，整机重力W可准确地计算出来。,整机重量为：,-各零件材料的密度；,-各零件的体积；,起重机在起动或制动等不稳定运动状态时，会引起惯性载荷或振动载荷，这些载荷统称为动载荷，具体有如下一些动载荷：,3)动载荷,由起升时惯性力引起的动载荷：,式中：G-起升载荷；,K-起升动力系数，由起重机类型及工况不同，可查资料决定。,由移动零部件惯性引起的动载荷：,式中：m-起重机移动件的总质量；,-移动件的加速度。,-转动件的角加速度。,式中：J-转动零部件的转动惯量；,由转动零部件惯性力矩引起的动载荷：,4)其它载荷：风载雪载等.,除上述载荷外，有些工况下还应考虑起重机行走时的坡度阻力、货物的偏摆载荷以及侧向力等。这些载荷在起重机的设计规范中都有详细的分析和计算方法。,用计算法确定载荷时，必须认真分析机械的作业特点、各种负载的状况及其影响因素，应用静力学和动力学计算方法确定整机的工作载荷，然后根据传递原理计算各零部件的载荷。,（三）实测法,应用实测法的条件：已制造出样机或关键部件。,如要确定拖拉机变速箱各轴上的载荷，就应在拖拉机样机制造出来后，在变速箱各轴上贴上应变片。当拖拉机运行时，轴承受转矩而发生扭曲变形，使得应变片的电阻发生变化，经电阻应变仪中的测量电桥，把电阻值的变化转化成电压信号的变化，最后由记录仪记录出与载荷成比例变化的曲线，通过标定后就可测出转矩的大小及变化情况。如果能够测出轴的转速n，就可计算出各轴上的功率P。,同样，在设计谷物联合收获机之前，将脱粒滚筒制造出来，进行脱粒的台架试验，就可以测出各种喂入量下，脱粒滚筒消耗的功率。,对于有一些机械产品，载荷复杂且难以确定，往往联合使用上述三种方法来进行实际载荷的确定。,四、工作机械(执行系统)的工作制,不同机械在运行时工作的持续状况不同，如抽水用的水泵是连续工作，车床的主轴箱是断续工作，而龙门吊车的大车是短时工作，机械工作的持续状况可以通过工作制来反映。,机械工作的持续情况就是工作机械的工作制。,工作制有不同的表示形式：,用“载荷-时间”特性曲线表示,图中M1、M2、M3分别表示起动加速、匀速工作、减速制动时卷筒上的转矩；t1、t2、t3分别表示一个周期里上述3个工况的运行时间；若用tw表示一个周期里起重机的工作时间，tw=t1+t2+t3；t0表示一个周期里起重机不工作的时间；T表示起重机的一个工作周期，T=tw+t0。,工作制反映载荷持续情况。,（3-15）,用每年工作多少天，每天工作多少班，每班工作多少小时,折旧期等表示.,用负荷持续率FC表示工作制,认为机械连续工作；,认为机械断续工作；,表示机械短时工作。,工作时间占总时间的百分比.,2、动力机的机械特性：应与工作机的负载特性相匹配；,3-2动力机种类、机械特性及其选择,机械产品的动力机一般选用定型的动力机产品，电动机、内燃机、液压马达、气动马达，都可供设计者选择。只有当现有系列产品不适用需要时，才专门设计动力机。设计动力机是专门设计人员的工作.,各种定型的动力机有不同的机械特性。动力机的机械特性是指输出转矩M与输出转速n间的关系M=f(n)，动力机的机械特性又叫输出特性。了解动力机的机械特性对动力机的选择很有用。,选择动力机的类型时，应考虑如下一些因素：,1、工作机的负载特性：包括载荷性质、工作制以及对起动、制动、正反转及调速的要求；,3、动力机的容量：,动力机的容量以额定功率PN(KW)表示。,要满足机械系统的工作要求。,(3-16),由(3-16)可得：,(3-17),式中：,MN动力机的额定转矩，Nm；,nN动力机的额定转速，r/min。,动力机的功率、转矩、转速间关系为：,PN动力机的额定功率，KW；,4、机械产品的经济性：应从能源供应、使用与维护费用、动力机购置费用等方面分析经济性；,5、作业环境：从机械产品是户外使用还是户内使用、环境温度、湿度、粉尘及通风条件，有无防爆要求，机械产品是固定工作还是经常移动，以及环保要求等方面考虑。,但是，选择电动机的一个重要前提是必须具备相应的电源，对于在野外工作或者移动式的机械，由于没有电源，不能选用电动机作动力机。,一、电动机的种类、机械特性及其选择,电动机是机械产品最经常选用的动力机，与其它动力机相比较，它有下面一些优点：,驱动效率较高；,种类、型号较多；,与工作机连接方便；,调速、起动、制动、反向控制性能好；,易于实现远距离自动控制；,不污染工作环境。,首选电动机的原因,（一）电动机的种类及其机械特性,电动机可以采用多种分类方法：,按电源不同，电动机分为交流电动机和直流电动机。,按转子转速和旋转磁场转速是否相同，交流电动机可分为同步电动机和异步电动机。,按励磁方式不同，直流电动机可分为：他励、并励、串励、复励等形式。,电动机的机械特性,电动机的机械特性可分为固有机械特性和人为机械特性。,固有机械特性：在额定电压、额定频率下用规定的方法接线，定子和转子电路中不接入任何电阻和阻抗时测得的机械特性。,人为机械特性：改变电动机的某些参数如改变电压或频率，在定子或转子电路中接入电阻或阻抗所测得的机械特性。,1、三相异步交流电动机的种类及其机械特性,三相异步交流电动机的分类,三相异步交流电动机使用三相交流电，是应用最广泛的电动机。这种电动机种类较多，主要有下面一些类型：,三相异步电动机可分为笼型电动机和绕线型电动机。,按转子结构分类,笼型电动机:结构简单、耐用、易维护、价格低、载荷变化时转速变化较小（特性硬）；但其起动电流较大、起动力矩较小、调速性能差（范围小、不稳定）、轻载时功率因数较低。（起动性能差、调速性能差）,对于没有调速要求，起动力矩不太大的机械，如水泵、机床、一些农业机械等，广泛选用笼型三相异步电动机作动力机。,Y系列电动机是最常见的笼型三相异步电动机。,Y系列电动机按照定子的转数可以分为：2级-同步转速3000r/min；4级-同步转速1500r/min；6级-同步转速1000r/min；8级-同步转速750r/min。,有一种可以通过改变定子极数的变速笼型电动机（变极变速三相交流异步电动机），可用于小功率的有级变速传动，可实现两速、三速或四速。但与Y系列笼型电动机相比，体积较大，价格较贵。,绕线型电动机:起动力矩较大、起动时功率因数较高,可实现小范围内的调速，且调速控制简单；但与笼型电动机相比，结构复杂、维护较麻烦、价格较贵。,绕线型电动机广泛用于起动次数较多，起动时负载较大、或需要小范围调速的机械。如起重机、提升机、轧钢机等。,YZR系列冶金及起重三相异步电动机是最简单的绕线型电动机。,说明：功率因数每种电机系统均消耗两大功率，分别是真正的有用功及电抗性的无用功。功率因数是有用功与总功率间的比率。功率因数越高，有用功与总功率间的比率便越高，系统运行则更有效率。,按外壳结构型式分类,三相异步电动机按外壳结构型式可分为：开启式、防护式、封闭式和防爆式。,开启式电动机：外壳无专门的防护结构，水滴、灰尘等杂物易侵入电动机内部，但散热性能较好，只能用于环境清洁、干燥的室内。端盖有开口，从外部能看到内部。,防护式电动机：上部有防护罩，可防止各种杂物从上部浸入电动机，适用于较清洁的环境。,封闭式电动机：电机端盖完全密封，可防止各类杂物从任意方向侵入电动机内部，适用于多尘、风沙较多的环境。Y系列电动机属于全封闭电动机。,防爆式电动机：可防止杂物侵入，用于环境有可燃气体容易引起爆炸危险如矿井等特殊环境的场所里。主要用于煤矿、是有、天然气、石油化工等。采用隔爆外壳把可能产生火花、电弧、和危险温度的电气部分与周围爆炸性气体隔开。,按安装型式分类,三相异步电动机可分为卧式和立式；又可分为机体带底脚、端盖有凸缘，既有底脚又有凸缘等型式。,此外，还有齿轮减速异步电动机（电动机上带齿轮减速器，输出减速后的转矩和转速，在减速器分类时又叫联体式减速器。）、电磁调速异步电动机、异步整流子变速电动机，后两种电动机可输出在一定范围里变化的转速。,三相异步电动机的机械特性,A.三相异步电动机的转差率S,设三相异步电动机转子转速（输出转速）为n，旋转磁场转速为n0，并且满足,转差率的定义为：,转差率是三相异步电动机的重要参数，不同运行状态下，电动机的转差率不相同。,空载时：,满载时：,载荷越大，转差率S越大。三相异步电动机具有转差率S随载荷变化不大的特点。,三相异步电动机定子绕组有两种接法：三角形接法(型)和星形接法(Y型)。,B.三相异步电动机铭牌上的参数,三相异步电动机铭牌上应标明的参数：额定功率PN、额定电压UN、额定电流IN、额定频率fN、额定转速nN、相数(三相、单相)、绕组接法、外壳防护类型、绝缘等级等内容。,常用的Y系列小型三相异步电动机，采用型接法，额定电压为220V；采用Y型接法，额定电压为380V。,C.三相异步电动机的固有机械特性,以转矩M为横坐标、转速n为纵坐标，就可以得到三相异步电动机的固有机械特性曲线，它表示的是电动机输出转速n与转矩M间的关系。,三相异步电动机在额定电压UN、额定频率fN下工作，按规定接线法接入电网，不在定子或转子电路中接入电阻或阻抗，获得的机械特性叫固有机械特性。,坐标原点O左端是回馈制动状态，即别的机械带动电动机运行的状态。转矩Mn0，转差率S0，转速n0说明电动机产生的是驱动力矩，MMN，SSm，机械特性为一曲线，电动机转速降低，转矩减小，此时电动机不能稳定运行，甚至会堵转。时间长时，由于电流过大，电动机会烧坏。“电动机不能在PA段工作。”,MNMLMM。此时若负载转矩M加大，电动机转速降低，但是电动机仍可正常工作。因此，笼型三相异步电动机有一定的超载能力。过载时利用此段。,线段BP,线段PA,由电动机的固有机械特性可得其两个重要参数：起动转矩倍数st和过载倍数M。,对于笼型电动机，满足MstML条件，电动机才能起动。,起动转矩倍数st反映电动机的起动能力，st越大，电动机的起动性能越好，st可以在电动机的产品目录中查出。,与笼型电动机相比，绕线型电动机在转子电路中串接附加电阻，可增大起动力矩Mst，故绕线型电动机，起动能力较强。,起动转矩倍数st：,过载倍数m:,过载倍数m反映了电动机的过载能力。m越大，电动机的过载能力越强。笼型异步电动机m=1.62.2，绕线型电动机m=2.22.8，m的数值可从电动机产品目录中查出。,异步电动机的起动问题：,异步电动机起动时位于A点，转速n=0，转差率SA=1。当负载转矩ML=MN时，电动机在B点运行，转速为nN，SB=0.030.05。从起动到额定工作状态，电动机转速迅速提高，转差率迅速减小。电动机位于A点时，起动电流Ist很大，Ist=(47)IN。所以由A点到B点，电流也要迅速下降。,对于小型电动机，由于转子的转动惯量较小，电动机可在极短的时间里从起动状态(A点)达到额定负载状态(B点)，即转速可迅速增加，转差率可迅速减小，起动电流Ist也迅速减小到额定电流IN。这个过程对电动机和电网上其它电器影响忽略不计，因此，小功率异步电动机可直接起动。,大型电动机由于转子转动惯量较大，起动电流Ist减小较慢，不仅对电动机有影响，而且影响电网上其它电器，因而不能直接启动。,为减小起动电流Ist，可设法减小电动机的端电压，具体措施有：,采用自耦变压器降低电动机端电压可减小起动电流Ist，但也使起动转矩Mst减小。,将型接法改为Y型接法；,在定子电路中串入起动电阻；,思考题：,2、什么是周期性载荷、非周期性载荷及随机载荷？举例说明怎么表示简谐载荷，怎么用数学表达式表示复杂的周期性载荷，工程上如何描述非周期性载荷。,5、什么是工作机械的工作制？如何表示工作制？工作制与载荷类型有什么不同。,4、进行机械设计时，如何确定载荷？,3、什么是工作谱、载荷谱？什么是编谱工作？,6、为机械设备选择动力机时应考虑哪些因素。,7、什么是电动机的固有机械特性和人为机械特性？分析三相异步交流电动机的固有机械特性。说明起动转矩倍数st与过载转矩倍数M的物理意义。说明如何利用人为机械特性改善三相异步电动机的起动性能和进行调速。,D.三相异步电动机的人为机械特性,改变电动机某些参数测得的机械特性叫电动机的人为机械特性。,当固有机械特性不能满足要求时,可改变电动机的某些参数从而改变其机械特性.,在转子电路中接入电阻为RQ：,RQ1RQ2RQ3RQ4,由图可看出：,同步转速n0和最大转矩Mm不变，随转子电路串入电阻RQ加大，转差率加大，电动机机械特性变软；,串入电阻RQ较小时，随RQ加大，起动转矩Mst加大；但RQ加大到一定值后，Mst反而减小；,当负载转矩ML=MN时，随串入电阻RQ的加大，额定转速nN减小。,可应用后面两点，通过在转子电路中串入电阻RQ，提高起动转矩Mst，还可以小范围调速。,由特性曲线可看出：人为机械特性和固有机械特性的同步转速n0相等，但人为机械特性的最大转矩MM、起动转矩Mst和最大转矩下的转差率都比固有机械特性减小了，即电动机的机械特性变软了。,利用在定子电路串接电阻或阻抗的办法，可以实现减小笼型异步电动机起动电流的目的，但同时起动力矩Mst也减小了。,利用在转子电路并联电阻或电抗的方法，可以改善绕线型异步电动机的起动性能，减小起动次数，使电动机平滑加速，同时还能达到减小起动电流的作用。,由特性曲线可以看出：在转子电路并联电阻或电抗后，人为机械特性的起动力矩Mst比固有机械特性加大了，而且得到了近似恒转矩的起动特性(由AP段近似为铅垂线可看出)。,(由于起动力矩大,大电机一次启动不起来,要分多次起动),2、其它类型交流电动机的种类及其机械特性,接入220V单相交流电就可工作，与三相异步电动机比较，功率较小。广泛应用在家用电器、小型机械、办公机械、工农业生产工具、医疗器械、仪器仪表上。但效率和功率因数较低，过载和起动能力差，容量较小，不超过0.6KW。,(1)单相异步电动机,单相异步电动机起动力矩Mst=0，不能起动。须借助于其他方法起动.常用的起动方法有两种：电容分相式和罩极式。这样就有电容分相式单相异步电动机和罩极式单相异步电动机。,其中电容分相式单相异步电动机的转矩较大，起动电流较小，应用广泛。而罩极式单相异步电动机功率较小(几十瓦以下)，常在小电扇、电唱机、录音机中应用。,同步电动机不能直接起动，需要异步起动。先使电动机在异步转矩作用下转动起来，当转速接近同步转速时，再给转子励磁绕组通入直流电，就变成了同步电动机。,同步电动机的优点：,可在功率因数cos=1的状态下运行，不用从电网吸收无功功率；,可通过改变转子励磁电流大小的方法，调节无功功率的大小，改善电网的功率因数。,同步电动机的转速恒定，不随外载变化。,不少连续工作，不需要变速的大型机械，如大功率的离心水泵、鼓风机等常用同步电动机作为原电动机。,同步电动机既需要交流电又需要直流电，其工作过程如下：,(2)同步电动机,(3)三相交流换向器电动机,有并励和串励两种型式，是一种恒转矩交流调速电动机.,在调速范围R3的条件下，可实现无级调速；又具有与交流电动机相类似的结构简单、维修方便、能在恶劣条件下工作的性能。,能输出直线运动。广泛应用在有直线运动执行构件的机械、自动生产线的机械手以及高速列车上。磁悬浮列车上应用这种电动机。,(5)直线异步电动机,普通三相异步电动机随旋转磁场极对数不同有4种型式：二极-同步转速n0=3000r/min、四极-n0=1500r/min、六极-n0=1000r/min和八极-n0=750r/min。,(6)变极变速三相交流异步电动机,变极变速三相交流异步电动机可改变旋转磁场的极对数，从而有级地改变电动机的转速，实现有级调速。有双速、三速、四速三种类型。调速时特性较硬，经济性较好。对要求有级调速的机械，如起重机、低速电梯，机床可采用这种电动机。,直流电动机的主要参数有：额定功率PN、额定电压UN、额定电流IN、额定转速nN、励磁电压Uf、励磁电流If和励磁方式。,3、直流电动机的种类及其机械特性,直流电动机需要直流电源，与交流电动机比较，直流电动机具有起动力矩大、起动电流小、调速范围广且平滑等优点。缺点：原理和结构复杂、造价高、维护管理麻烦等。,通常直流电动机的主磁极不用永久磁铁，而是在励磁绕组中通入直流电建立磁场。按照励磁绕组与电枢绕组关系的不同，直流电动机可分为4类：他励、并励、串励、复励。,励磁方式：直流电机的励磁绕组的供电方式。,他励直流电动机：励磁绕组接在独立的电源上，与电枢绕组没有关系。,他励直流电动机的励磁方式,并励直流电动机和串励直流电动机：,励磁绕组与电动机用同一个电源，励磁绕组分别与电枢绕组并联或串联。,并励直流电动机的励磁方式,串励直流电动机的励磁方式,励磁绕组与电动机用同一个电源，有两个励磁绕组，分别与电枢绕组串联和并联。,复励直流电动机：,复励直流电动机的励磁方式,直流电动机的机械特性,他励直流电动机的固有机械特性和人为机械特性：见P58图3-10。,a）他励直流电动机的负载机械特性较硬，其固有机械特性曲线是一条斜率较小的下倾直线。转矩变化，转速变化较小。n0为理想空转转速，nN、MN分别为额定转速和额定转矩。,b）改变电枢电压的人为机械特性，电压减小，在相同负载转矩下，转速下降。,c）在电枢绕组上串联电阻后，人为机械特性就软，相同负载转矩下，转速降低。,d）电动机磁通越小，人为机械特性越软。,并励直流电动机与他励直流电动机制机械特性相类同。,串励直流电动机的机械特性，如图3-11所示。,固有机械特性，它是一条下倾的曲线，比他励直流电动机硬度小。,线1是在励磁绕组上并联电阻的人为机械特性，相同负载转矩下，比固有机械特性转速上升。,线3是在电枢绕组上串联电阻的人为机械特性相同负载转矩下，比固有机械特性转速下降。,线4是在电枢绕组上并联电阻的人为机械特性，相同负载转矩下，比固有机械特性转速下降。,随着电压的降低，在相同负载转矩下，比固有机械特性转速下降。,复励直流电动机的机械特性，见P59图3-12。,线1为固有机械特性，为下降的曲线。,线2为串联电阻的人为机械特性，在相同负载转矩下，转速下降。,线3为能耗制动的机械特性。,线4为发电制动的机械特性。,电动机计算的步骤：,（二）电动机的选择与计算,电动机选择的内容：类型、结构、额定电压、额定转速、额定功率选择。,电动机选择要考虑的主要因素：使用要求和经济性。,进行发热、过载能力和起动能力的校核。,预选电动机的功率；,电动机类型选择的原则：满足使用要求的前提下，交流电动机优先于直流电动机；笼型电动机优先于绕线型电动机；专用电动机优先于通用电动机。,1、电动机类型和结构型式的选择,（1）电动机的类型选择,可按下面具体情况选择电动机类型：,1)一般情况下，对起动、制动及调速无特殊要求的机械，如机床、水泵、鼓风机、运输机械、农业机械等，应尽量用Y系列笼型三相异步交流电动机。,对于调速范围较大(R310)具有恒功率机械特性(P=C)的机械，尽可能选择带机械变速装置的交流异步电动机，或选无换向器交流电动机。当这些交流电动机不能满足要求时，才选直流电动机。,2)对于具有恒转矩负载特性(M=C)及转矩与转速的二次方成正比负载特性(M=f（n2)）的机械，应选用机械特性较硬的交流电动机。(这类机械要求转速变化小，转速变化大了功率和扭矩变化很大),3)对需要调速，但对调速平滑性无特别要求的机械，可进行有级调速。为方便地实现有级变速，应选YD系列变极变速三相交流异步电动机，这种电动机特性较硬、经济性好，在起重机、低速电梯以及一些机床中就采用这种电动机。,4)无调速要求，但需要高起动转矩、起动飞轮力矩较大，具有冲击载荷、起动、制动、反转次数较多的机械，可选YH系列高转差率三相交流异步电动机。剪床、冲床、锻压机、冶金机械、压缩机、小型起重运输机常选这种电动机。,以上讲的是交流异步电动机的选用。,在满足4）要求的同时，还需要小范围内变速(RP30P60P90的关系。,电动机要频繁地起动和制动，用负荷持续率表示断续周期工作制下电动机的工作状况：,断续周期工作制(S3)：电动机工作时间tw和休息时间t0都较短，而且周期性变化。,电动机的温度T在TmaxTmin间变化，TminT0(环境温度)，TmaxP25P40P60的关系。,YZR、YZ系列电动机属于断续周期工作制电动机。,通过计算负荷持续率FC判断电动机的工作制：,15%FC60%断续周期工作制(S3),FC60%连续工作制(S1),5、电动机功率选择与计算,选择电动机功率要考虑的因素：电力拖动系统有良好的经济性，又能安全可靠地运行。,功率选择得太大，“大马拉小车”，造成设备浪费，运行效率低，对电能利用不经济。,电动机的过载能力；,电动机功率选择应合适：,功率选择得太小，“小马拉大车”，长期超负载荷运行，会造成电动机绝缘过早烧坏，甚至绕组烧坏。,(1)决定电动机功率的因素,电动机的发热；,电动机的起动能力。,电动机的发热,电动机运转过程中有铜损、磁损和摩擦损失，这些能量损失会使电动机温度升高。在电动机里耐热性最差的是绕组的绝缘材料，因此，把绝缘材料所允许的最高温度作为限制电动机工作能力的代表参数。,电动机的发热计算是选择电动机功率的主要因素。,在选择电动机功率时，除短时工作制的电动机外，都应进行发热计算。发热计算的方法后面讲。,电动机的过载能力：对瞬时的最大负载需要进行过载能力的校验。,交流电动机的过载能力受到临界转矩Mm的限制；直流电动机受换向器电火花的限制。,交流电动机的过载能力以允许转矩的过载倍数m表示。,允许转矩过载倍数m是交流电动机的一个重要指标，可从手册中查出。,表示这一限度的代表参数就是额定功率，额定功率是按照工作环境40，绕组最高温度在许可范围，一定条件下带载运行的输出功率。,直流电动机的过载能力以电流过载倍数I表示:,式中：Imax换向器允许的最大电流，IN额定电流。,对拖动载荷变化较大的电动机，应进行过载能力校核。对平稳载荷，如皮带运输机等不计算过载能力。校核公式为P61(3-19)、(3-20)和(3-21)式：,直流电动机,（3-19）,异步电动机,同步电动机,（3-20）,（3-21）,电动机的起动能力,以交流异步电动机为例，从固有机械特性可知其起动转矩为Mst，此时起动电流Ist=(47)IN。当起动的负载力矩MLMst时，电动机不能带负载起动；当MLMst时，虽然电动机可以负载起动，但由于起动电流Ist过大，会影响电动机或电网上其它电器工作。,电动机的起动能力可以用起动转矩倍数表示：,起动转矩倍数可用手册中查出，当电动机在负载下起动时，应校核电动机的起动能力，如起重机械。,由三相异步电动机的固有机械特性可看出：从A点沿固有机械特性，经P点到B点的起动过程，转矩M是变化的，因此不能按这个过程中的某一个转矩来校核电动机的起动能力。应按平均起动转矩Msa校核起动能力。电动机起动过程中，机械特性M=f(n)不是线性变化的，平均起动转矩Msa难以精确计算。对于各种交流电动机，可按P61(3-22)到(3-26)式估算平均起动转矩Msa。,直流电动机,（3-22）,同步电动机,（3-23）,（3-24）,当MstMpi时,当MstMpi时,一般笼型电动机,（3-25）,（3-26a）,（3-26）,冶金起重机械,冶金起重用绕线型电动机,式中：Mpi牵入转矩；,MN，25FC=25%时的额定转矩；,当定子绕组接通电源后，电机以异步电动机原理启动，加速运转至同步转速时，由转子永磁磁场和定子磁场产生的同步电磁转矩将转子牵入同步，电机进入同步运行，其转矩叫牵入转矩。,若交流电动机功率低于7.5KW时，允许直接接入电网，按P62(3-27)式校核起动能力。,（3-27）,式中：MN电动机额定转矩；,Mrs起动时电动机轴上的静阻转矩；,kU最小起动电压与额定电压之比，一般取kU=0.85；,kmin电动机最小起动转矩与额定转矩之比；,ks起动加速因数，一般取ks=1.21.5；,(2)电动机的负载图,1）动力机驱动系统的运动方程,机械系统可以表示为:,动力机驱动工作机械时，机械系统的方程为：,联轴器,联轴器,M，电机轴上的转矩和角速度；Jtot整个系统折算到电机轴上的转动惯量。,式中：Md-电机轴输出转矩；,MZ-折算到动力机输出轴上的工作机负载转矩；,Jtot-机械系统折算到动力机输出轴上的转动惯量。,-动力机输出轴沿力矩Md方向的角加速度；,动力机驱动工作机械时，机械系统的方程为：,Jtot由三部分组成：动力机输出轴的转动惯量Jm，机械系统中转动件的折算转动惯量，机械系统中移动构件的折算转动惯量。,即：,转动惯量的折算是按动能不变原理进行的。,转动惯量的折算是按动能不变原理进行的。,转动构件的转动惯量的折算：设第J个转动构件的动能为：,折算后的动能为：,式中：Jmj第j个转动构件折算到动力机输出轴上的转动惯量，kg.m2；,Jj第j个转动构件的转动惯量，kg.m2；,j第j个转动构件的角速度，rad/s；,m动力机输出轴角速度，rad/s；,imj=m/j，从动力机输出轴到第j个转动构件的速比。,据动能不变理论，令上两式相等解得：,移动构件转动惯量的折算：设第i个移动构件的动能为：,折算到动力机输出轴上的动能为：,由动能不变定理解得：,Vi第i个移动构件的速度，m/s。,式中：Jmi第i个移动构件折算到动力机输出轴上的转动惯量，kg.m2；,mi第i个移动构件的质量，kg；,将Jmj和Jmi代入到可以得到Jtot,减速运动状态：MdMz；,0,0,=0,电动机的负载图表示电动机的转矩M、功率P和电流I随时间t变化的情况。即M=f(t)、P=f(t)、I=f(t)关系。,2）电动机的负载图,电动机的负载图是进行发热计算、校核电动机的过载能力和起动能力的依据。,电动机的负载图应依据工作机的负载图制作。,以卷扬机为例说明电动机负载图的制作方法。,ts-稳定运转时间；,tb-制动时间；,t0-停车时间;,tst-起动时间；,tW-工作时间;,T-工作周期;,MZ-卷扬机钢丝绳卷筒上的转矩；,MZ-折算到电机轴上的转矩；,n-卷筒转速；,tW=tst+ts+tb,T=tW+t0=tst+ts+tb+t0,MZ,卷扬机筒上的转矩MZ随时间变化情况：它具有恒转矩的机械特性。,由MZ求出电动机轴上MZ时，考虑效率和速比i。,i、-从电机到卷筒的速比和效率；,tst起动阶段转速n按线性关系增长；ts稳定运转阶段转速不变；tb制动阶段转速n按线性关系减小，t0停车阶段，转速n=0。,卷扬机卷筒转速n随时间变化情况：,d/dt,卷扬机卷筒角加速度(d/dt)变化情况：,起动时角加速度(d/dt)大于零且恒定；稳定运行时，角加速度等于零；而制动时角加速度小于零且恒定。,由(d/dt)可求出d/dt，只考虑速比i:,电机轴角加速度,卷筒角加速度,由卷扬机的负载图和机械系统运动方程，可作出电动机的负载图：,起动阶段：,稳定运行阶段：,Md=MZ,制动阶段：,式中:Md-电动机输出的转矩；,MZ-折算到电动机输出轴上的负载转矩；,-电动机输出轴的角加速度；,Jtot-折算到电动机输出轴上的转动惯量。,思考题：,9、为机械设备选择电动机类型时原则是什么？请为下列设