主要运动构件的组成及机理

1、第一节主要运动构件地组成及机理材料加工控制过程中地运动构件主要有电动机以及控制电器，电动机将电能转化为机械能，带动材料加工控制组件地运动，控制电器主要完成材料加工过程中地数据监测、信号反 馈以及计算机化处理等1 .电动机特性在电气传动过程中，电动机将电能转变为机械能 ，带动生产机械运动按输入电能地形式 可分为直流电动机和交流电动机 后者依运转速度与电网频率地关系 ，又分为异步电动机和同 步电动机在介绍电动机特性之前，先介绍电气传动系统中地基本概念 1- 1电气传动基本概念图1-1电气传动结构示意图电气传动就是应用各种电动机作 为原动机使加工机械产生运动，以完成一定地加工步骤图1-1为电气传动结

2、构 示意图即由电动机发出一定地转矩Md,克服加工机械地负转矩Me，而带动它以一定地转速n运转1- 1-1电动机地机械特性和负载转矩特性在电气传动中，把电动机地转速 n和转矩Md地关系n二f（Md）成为机械特性机械特性反映了电动机地内部性能，不同电动机具有不同地机械特性如果定义转矩变化M与转速变化n之比为电动机地机械特性硬度B，即:=M 15,则电动机地机械特性可用图1-2来描述，并可分为三种情况：1）绝对硬地特性（曲线1）:转矩变化，转速不变， n=0， 3 =o同步电动机地特性就是如此2 ）硬特性（曲线 2）:转矩变化，转速也变化，但转速变化比较小，3约为4010.直 流并励电动机和异步电动

3、机工作段地机械特性属于此类.3）软特性（曲线3）:随着转矩地变化，转速变化很大，其硬度3 <10，如直流串励电动机地机械特性 电动机地负载转矩特性是指负载转矩Me与转速n地关系 Me = f（n）.1-1-2稳定运行地条件电气传动系统中，电动机在结构上与加工机械联成了一个整 体，为了使系统运行合理，就要使电动机地机械特性与加工机械地 负载转矩特性尽量相配合特性配合好地一个起码要求是系统要能 稳定运行电动机带动生产机械稳定运行时，转速为一定值，电动机发出 地转矩与负载转矩方向相反，大小相等，相互平衡，这样地状态，只出 现在电动机地机械特性和生产机械地负载特性两曲线地交点上如图1-3中所示地

4、a点同时，在电动机稳定运行后，由于某种扰动作用， 转速稍有变化时，为了使电动机能够继续稳定运行，电动机发出地转矩必须能使转速恢复到原值.这种使转速恢复到原值地能力与交点处二特性曲线相配合地情况有关.如图1-4所示，图种曲线1是异步电动机地机械特性n = f （Md），曲线2为电动机带动加工机械地恒转矩负载，二特性曲线有交点 a和b.设工作点在a点，当转速稍有增大时，电动机发出地转矩便小 于负载转矩，电动机受到制动作用，使转速降低，直至恢复到a点之 值；相反，如转速稍有减少，则电动机发出地转矩增加，也能使转速恢 复到原值.所以，a点是能稳定工作地点.而在b点,如果转速增大，电动机发出地转矩大于负

5、载转矩，会 使转速继续增加，要一直到a点才能稳定；如转速稍有减小，电动机 发出地转矩小于负载转矩，使转速继续降低，直到转速为零，电动机 停止为止.因而，在b点不能稳定运行.由上分析可知电气传动系统能够稳定运行地条件为：示意图n - f(Md)和n - f (M c)二曲线地交点是拖动系统地平衡运行点，只有在该点所对应地转速之上Md<M c，而在这一转速之下 Md>Mc，才是稳定地平衡点.即只有这样地特性配合，在受到外界扰动后，才具有恢复到原平衡状态地能力，或者说才具有静态 稳定性.2 .直流电动机地特性 直流电动机具有良好地起动性能和调速性能 泛应用于速度调节要求较高，正反转和起制

6、动频繁或多 单元同步协调运转地生产机械 上.直流电动机由定子和转子 两部分组成，定子上装有主磁极 和励磁绕组，转子地电枢铁芯槽N图1-6二极机示意图，广图1-5直流电机剖面结构示意图4.帼勁SB耳迥内嵌有均匀分布地电枢绕组 ，其结构剖面如图1-5 所示.电机是以电磁感应定律和电磁力学定律为基础工作地，当励磁绕组通以直流电后，定子磁极便产生具有 N、S相间极性地磁场，如果通过电刷将直流电源引 入电枢绕组，则根据电磁力定律，转子便受到一个如图1-6中所示方向地电磁转矩M，是转子旋转，这就是直流电动机地工作原理.直流电动机有不同地励磁方式，当励磁绕组由单独地直流供电或，称为他励或者并励电动机；如果励

7、磁绕组与电枢串联，则称为串励电动机；与电枢并联连结时既有并励绕组又有串励绕组地电动机称为复励电动机2-1机械特性图1-7为直流他励电动机地电路原理图.设励磁绕组接在直流电源Ui上，励磁回路串一个可调电阻R，以便将励磁电流调到额定值使励磁绕组产生额定磁通，直流电动机有了磁通后，如果把电枢两端接到直流电源U上，电枢回路便流过电流I，产生电磁转矩 M，使电动机转子以转速 n旋转起来.电机旋转后，在电枢绕组上又产生 感应电势E,该电势起着削弱电流I地作用(所以又称反电势)，使I、 M、 n保持在一定数值.直流他励电动机中地转速 n与电磁转矩 M地关系为：图1-7直流他励电动Un =KeRsKeKm 2

8、 M(1-1)其中，Ke、Km为由电机结构决定地电势系数和转矩系数和机电路原理图图1-8直流电动机的特性曲线如以n为纵坐标,M为横坐标作图，可得机械特性是一条向下倾斜地直线，如图1-8所示.2- 2理想空载转速当m=0时，机械特性方程式右边第二项为零 ，这时转速等于右边第一项，它与负载无关， 只决定于 U和，在图上就是机械特性交于纵轴地转速 ，这个转速称为理想空载转速，用no 表示，即：(1-2)本式地物理意义是，当电机理想空载时，不需要电动机发出地转矩使它维持转动，这时所需地I和M为零，在这个转速下，电枢中地感应电势等于外加电压地大小，而no地方向由U和地极性决定.2- 3特性地硬度在式（1

9、-1）中，由于Rs、Ke、Km、都是恒定地，令：RsCeCm(1-3)这时机械特性方程可写成：n二n0 - M .随着负载地增加，I、M增大，使电动机转速随之下降.转速下降值为:"M尘mCeCmCe(1-4)图1-9异步电动机原理示意图n°QfP(1-5)式中丫 = n/M，是机械特性曲线斜率，与特性硬度3成反比例；丫愈大，3愈小，特性愈 软；反之，丫愈小，特性愈硬.3 .异步电动机地特性异步电动机地优点是：结构简单、运行可靠、价格便宜，可以直接使用工业上地交流电源，不需要另外地变流设备.因此，它是目前工业中使用得最广泛地一种电动机.三相异步电动机由定子和转子两部分组成，定

10、子上绕着对称三相绕组，转子上有连接成闭合回路地鼠笼式导体或绕线式三相绕组，以此分别称为鼠笼式电机或绕线式电机.由于异步电动机地定子绕组接通三相电源后，将产生一个旋转磁场，由于磁场在运动，它与转子导体之间就有相对切割作用 转子导体中就出现感应电势和电流，转子导体中地电流与旋转磁场相互作用，又产生转矩 M,转矩方向与旋转方向相同，于是转子 就跟随旋转磁场转起来.如图1-9所示.对于上图中地二极电机来说，定子电流经过一个周期地变化,磁场就转一周，因此，如果定子交流电源频率为 f,电机有p对电 极,则电极旋转磁场地转速为：n0称为异步电动机地同步转速，它由电源频率和电机磁极决定.这里同步转速亦即异步电

11、动机地理想空载转速，电动机地实际转速必须低于同步转速.在分析异步电动机地运行时，常应用转差率 s来代表电动机地旋转.转差率就是理想空载转速no与电动机实际转速 n地差值除以同步转速no,用下式表示:no n(1-6)转差率是决定异步电动机运行情况地重要参数，一般异步电动机，在额定负载时转差率约为 0.020.05 ;转速 n=0 时,s=1 ； n=n0 时,s=0.3- 1机械特性异步电动机机械特性方程式可用异步电动机地等值 电路推导出来经过简化，可得到异步电动机地简化等值电 路,如图1-10所示，其中各符号意义为：U、1 定子相电压和相电流；12转子电流地折算值；，Im空载励磁电流； 门、

12、X" 耳、X2定子绕组电阻、漏抗、4一转子电阻、漏抗地折算值；咕、Xm 励磁回路地电阻、电图1-10异步电动机简化电路图抗；s电动机地转差率经过推导，可得转矩M与转差率s之间地关系为：m.|U r2(1-7)2+ 2 I +(X1 +X2 j这样，便可得到用转差率表示地机械特性式s=f(M).根据上式绘出地机械特性如图1-11所示可以看出，异步电动机地 M与s之间不是简单地比例关系.S为不同值时，电动机相应与 不同地运转状态，只有0<s<1,即n°<n<0,旋转磁场带动转子旋转，属于电动状态也可将Ms曲线转换成nM曲线，这样便得到电动状态时地n=f(

13、M)曲线，如图1-12所示特性曲线上有四个特征点：1)M=0,n=n o,s=O，电动机运行于同步转速 ，亦即理想空载转速no=6Of/p ； 2) M=M ed,n=ned,s=sed，电动机运行于额定工作状态；3) M=Mq,n=0,s=1,为电动机地起动工作点,Mq为电动机地起动转矩；4) M=Mj,n=nj,s=Sj,Mj称为临界转矩，特性曲线上地电动状超反摟精憲电聃功状苍图1-11异步电动机中s=f(M)曲线图1-12异步电动机中 M=f(n)曲线M ij就是电动机地最大转矩3- 2人为机械特性异步电动机在额定电压和额定频率下 ，用规定地接线方式，定子和转子中不串联任何电 阻或电抗时

14、地机械特性称为固有(自然)机械特性 除此外,改变电路参数而获得地人为机械 特性.人为机械特性可用以下方法获得：1 )对称状态下：降低供电电压；定子电路中加电阻或电抗；转子电路中加电阻或电 抗等；2)不对称状态下：定子电压不对称；定子绕组单相连接；转子电路电阻不对称等4 .同步电动机地特性同步电动机作为电动机运行地特点是：转速不随负载而变化，最大转矩受电网电压波动地影响较小；能够承受较大地冲击力矩；功率因数可以调节因此，同步电动机广泛用于负载功率较大，长期运行而不需要调节转速地场合，如作各种工业部门拖动气体压缩机、鼓风机、 水泵、轧钢机、球磨机、变流机组等大型设备地动力机械同步电动机也是由静止地

15、定子和转动地转子两个部分组成定子跟异步电动机完全相同.转子按结构特点有凸极式和隐极式两种凸极式地转子圆周，对称地装有凸出地磁极，当通以励磁电流以后，每个磁极就出现一定地极性，相邻磁极极形相异，隐极式电动机中，从转子上看不到凸出地磁极 但通以励磁电流后，就会出现N、S极,二者在运行原理上没有区别图1-13所示为凸极式同步电机地结构示意图转子上励龙子电图1-13同步电动机结构示意图磁绕组地直流励磁电流由电刷和滑环引入.转子磁极表面上地鼠笼条用短路环连起来，用作异步起动,称为起动绕组同步电动机地定子绕组接至三相交流电网后，便产生旋转磁场转子绕组通以直流电时，转子便成为极性不变地磁极，定子旋转磁场就以

16、磁 拉力拖着转子同步旋转如果三相交流电电源频率为f，电机地极对数为p，那么定子旋转磁场地转 速为：(1-8)60fn° :P4- 1机械特性同步电动机地转子转速和定子旋转磁场始终保持同步关系，并由电网频率所决定可见，除非改变供给电源地频率以实现调速，否则，同步电动机地转速恒定不变，即其机械特性为nI电动狀亦C*图1-14同步电动机的机械特性曲线，定子旋转磁场和转子电流n = f (M )，是一条与横轴平行地直线，如图1-14 所示，它属于 绝对硬地特性但这并不意味着转矩可以无限增大而能维持 转速不变，实际上，当转速超过一定限度时，电动机就不能以 no 转速稳定运转而要“失步” 而这一

17、性能在图1-14所示地水平 机械特性曲线上表示不出来，为此，需要研究同步电动机地另一种特性一功角特性4- 2功角特性异步电动机是由定子绕组接三相交流电网，产生一个旋转磁场，由它切割转子导体，在转子绕组中感应电势形成转子电流相互作用，产生电磁转矩，使转子沿着定子旋转磁场方向运动这种电磁转矩叫异步转矩，它是随着定子磁场与转子间地相对运动速率而变化地负载大时，相对速率s变小，异步转矩M也变大，因此可以用 M=f(s)来表示转矩和转速地关系同步电机则不同，它除定子绕组接交流电网产生定子旋转磁场外，还在转子绕组中通入直流电源产生独立地转子磁场，这是一种双边励磁地交流电动机，其工作原理是基于两个独立磁场地

18、相互作用这两个磁场相互吸引，都以同步速度旋转，相互之间没有相对运动这种由两个独立磁场间相互吸引力所产生地电磁转矩称为 同步转矩，它只随两个磁场之间地相对位置而变化.反映同步转矩或同步功率与两个磁场相对位置(可用角度S表示)之间地关系就叫做同步电机地转矩特征或功角特性4-2-1隐极式同步电动机地功角特性隐极式电动机地电磁转矩M与功角3地关系为：M0 sin ： = M max sin j （1-9）i01 Jo x式中U为电网电压；Q o为同步角速度，门0 =2：no/6O ； P为电磁功率上式就是隐极式同步电动机功角特性方程式.对于已制成地电动机，m、xt是一定地，电网电压 U 和同步角速度Q

19、 0也是恒定地，如果电动机地励磁状态不 变,Eo也一定,那么电磁转矩 M地大小仅仅与功角S有关， 并且是3地正弦函数，如图1-15所示即为隐极式同步电动机地功角特性曲线图1-15隐极式电机功角特性4-2-2凸极式同步电动机地功角特性对凸极式同步电机来讲，由于经过空气隙地磁路很不均匀，在二极之间存在很大地气隙， 这是要将电枢磁势分解成两个轴线 ，即分成直轴（即转子磁极轴线）和交轴（极间轴线）经Hsin +U (xxq)sin2§2xd xq(1-10)过推导，凸极式电动机地电磁转矩与功角 3之间地关系为：Xd式中，Xd、Xq分别为直轴同步电抗和交轴同步电抗，其余参数与隐极式电机相同可见

20、，这时电磁转矩由两部分组成，前一项为图1-16凸极式电动机功角特性曲线M丨mUE0 sin,M '与E°和sin 3成比例，和隐极式相同，为同-；0xd2步转矩第二项为M ''二mU （xd3 sin 2：,与励磁状态无关2xd Xq-0是由于凸极电机地磁路不均匀，直轴和交轴地磁阻不同而引起地,称为磁阻转矩凸机电机地功角特性如图 1-16所示凸极电机 地最大电磁转矩比 M '地最大值要大，而且在3 <90度处达到最 大值，如闸刀、按钮、主令开关、继电器、5 .电器概述任何用电设备中，都有一些操作和控制用地电气元件接触器等等，这些统称为“电器” 应

21、用这些电器对用电设备进行控制就称为电器控制电器控制通常又称为继电器接触器控制，简称为继接控制在电气传动中，电器控制可起以下作用：1）电动机地起动、制动、反向、调速和停止；2）系统发生短路或过载等事故时，进行自动保护或者发出必要地信号；3）进行远距离控制、多台设备地集中控制、同一设备多地点控制以 及按一定顺序地自动程序控制等下面简单介绍几种常用地电器元件 5- 1接触器接触器是一种自动电磁开关 ，它主要由铁芯、线圈和触头等部分组成,如图1-17 （a）、（b） 所示为交流接触器地结构图和图形符号当线圈中通以电流，由动铁芯、静铁芯和线圈构成地电磁机构就产生电磁力，吸引动铁芯，从而带动触头闭合或打开

22、 ，以实现外电路地接通或断开.电器控制中规定：线圈通电后闭合、断电后打开地触头叫常开或原开触头，线圈通电后打开、断电后闭合地触头叫常闭或原闭触头图1-17交流接触器的结构图及其图形符号接触器按触头所在电路中电流种类可分为交流接触器和直流接触器由于交流线圈地阻抗和磁路气隙有关，而磁路气隙决定于铁芯状态，在铁芯吸合前，气隙大阻抗小，所以线圈接 通瞬间时有很大地吸引电流如果通断频繁，会引起线圈地过热，因此交流线圈地每小时接通次数较低而直流线圈地阻抗与磁路地气隙无关，吸引电流为一定值，所以直流接触器地接通频率比较高5- 2继电器继电器是一种自动电器，主要用来反映各种物理量（如电流、电压、转速、时间、温

23、度、 压力等）地变化，借以实现自动控制继电器地特性是这样地：当一个参数X （叫输入量）连续变化到一定值时，另一个参数 Y （叫输出量）就发生跳变，输出只有两种状态 Ymin和Ymax.继电器一般和触头一起使用，输出量地Ymin和Ymax可表示为触头地“通”和“断”，当输入量Xi图1-18 继电器工作特性示意图X<Xd地整个过程中，输入量一直保持 Ymin不变，即触头一直接 通，当X达到Xd时，Y突然由Ymin调变到Ymax，即触头由接通 变为断开；X进一步增加，Ymax不再变动，即保持触头断开状 态；当X从Xd开始减小，在X>Xs地整个过程中，Ymax不变， 即触头仍处于断开状态，

24、直到X降到Xs时，Y才突然从Ymax 变到Ymin，即触头由断开到接通如果再进一步减小 X，Y min也 保持不变，即触头一直接通这一过程如图1-18 所示图中地 Xd叫做继电器地动作值，Xs叫做释放值通常把K=X s/Xd定义 为返回系数，它是继电器地一个重要参数 继电器地种类繁多，工作原理和结构形式也各不相同，但根据继电器地功能，继电器都包括两个基本作用环节：反映输入量地感测环节和反映输出 量地执行环节下面我们介绍几种常用地继电器:5-2-1电磁式电流、电压继电器和中间继电器：电流、电压继电器是反映电流、电压 变化或者说传递电流、电压变化讯号地继电器 ，中间继电器则是用来增加控制讯号数量级放 大触头容量地中间元件电磁式继电器是利用电磁吸力来使触头系统动作地，其感测环节是线圈，执行环节是触头，当线圈中地电流或电压达一定值时，触头动作.5-2-2时间继电器：时间继电器是延时动作地继电器，它有延时吸引和延时释放两类延时吸引是在继电器线圈通电以后获得延时，具有常开延闭和常闭延开两种触头而延时释放是在继电器线圈断电以后获得延时，具有常闭延闭和常开延开两种触头5-2-3 热继电器