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1、,第三章 动力系统设计,动力系统分类,二次动力机,电动机,液压马达,气动马达,内燃机,气轮机,水轮机,一次动力机,能源转换性质,工作地点改变,工作地点固定,电动机的分类,交流电动机,异步电动机,同步电动机,他励直流电动机,并励直流电动机,串励直流电动机,直流电动机,复励直流电动机,三相异步,单相异步电动机,鼠笼式,绕线式,凸极式,隐极式,步进电动机,电动机常用术语,机械特性：,指电动机产生的转矩（电磁转矩）T与其转速n之间的关系 nf（T）。,调速性能：,包括调速范围、调速的平滑性、调速系统的经济性等。,恒转矩：,转矩与转速无关，即转速变化时，转矩保持不变。,恒功率：,转矩与转速成反比，而使功
2、率保持不变。,交流电动机,鼠笼式异步电机：,连续运行特性好，转速受负载波动影响小，启动转矩较大，适用于不调速连续运转负载。优点：机械特性好、结构简单、体积小、价格低。缺点：启动电流大，约为额定电流的57倍。应用：泵、运输机、一般运动机构。,交流异步电动机,绕线式异步电机：,优点：机械特性硬，起动转矩大，调速方法多，调速 性能好。缺点：结构较复杂，价格较高。应用：空气压缩机、气泵等不调速连续运转大功率负 载或电梯、卷扬机等起重机械。,交流同步电动机,在绕组内通以交流电，产生旋转磁场，吸引转子同步旋转。可用变频装置通过交流电源的频率变化实现变速功能。有较宽的调速范围和功率范围。优点：机械特性硬，转
3、动惯量小，快速性好。精度高。缺点：结构复杂、变频装置价格高、调速复杂。应用：鼓风机、压缩机、轧钢机、球磨机等。,直流电动机,工作原理：,利用电刷和换相片，使通有直流电的转子连续旋转。 改变直流电压，便可变换转子转速，这种方法称为电枢控制调速法。定子磁场强度不变，输出转矩可以达到额定制，又称为恒转矩调速法。 通过改变定子绕组电压来变换磁场强度，可实现恒功率调速。,直流电动机特点,精度高、响应快、调速范围宽。调速性能好。一般多用他励直流电动机，只需改变电枢电压，便可实现恒转矩调速，而且机械特性较硬，调速范围大。如果采用恒功率调速，即降低励磁电流，电动机转速升高，转矩减小，则可实现比电动机额定转速更
4、高范围内的调速。结构复杂，维护困难，价格高。直流伺服电动机用于对执行元件的位移精度或速度精 度要求较高的场合。,根据负载的转矩和功率：当工艺或负载要求恒转矩调速时，选用电枢控制调速；要求恒功率调速时，选用磁场控制调速法；按转速分段要求时，选用混合调速法。 根据执行元件的质量：直流电动机按转子结构分为小惯量和大惯量电动机两种。前者加速时间短，响应快，但散热差，温升高，导致功率和转矩小；后者输出转矩大、功率大。,直流电动机的选用,步进电机,功能：,将输入的电脉冲信号转换为相应的角位移，其角位移量与输入脉冲数成正比，而步进电机的转速与脉冲频率成正比。容易用微机实现数字控制。,分类：,按转矩产生的原理
5、可分为反应式（可变磁阻型）、永磁式和混合式。,步进电机驱动的特点：,步进电机的工作状态不易受干扰（电压、电流、温度等的变化）因素的影响；步进电机的角位移与输入脉冲成正比；步进电机的转速与输入脉冲频率成正比；步进电机具有自锁功能；步进电机的步距角有误差，但转子转过一转后，累积误差为零。步进电机的驱动电源比较复杂、价格高。控制性能好。,步进电机选用,最大静转矩Tmax； 运行矩频特性； 最高启动频率； 角位移分辨力； 静态步距角误差。,应用举例：,中小型设备和仪器、仪表等。,电动机的选择,工作机械的工艺特点；电动机自身所具有的特点:,两方面内容：,电动机的机械特性；调速性能； 结构型式、额定电压、
6、额定转速、工作方式。,电动机容量计算（1）,1、连续恒负载运行,2、连续周期性变化负载,5.1.5 电动机容量计算（2）,3、短时工作制的电动机,考虑过载能力的情况下，校验启动转矩。,4、断续周期工作制的电动机,以负载持续率（FC）来标定它的额定功率。,电动机的调速方式,交流电动机：,直流电动机：,电磁转差离合器调速,串极调速,变极调速,转子串电阻调速,改变电枢电压调速,电枢串电阻调速,PWM直流调整系统,变频调速,双闭环直流调速,数字式直流调速,改变励磁的恒功率调速,电动机调速方式比较,液压驱动,液压传动系统主要由作为动力源的液压泵、执行元件的液压缸或者液压马达以及用作控制元件的各种液压阀组
7、成。 特别适用于重载、高速的场合。例如各种工程机械、机床、输送设备等。近年来，高精度控制液压元器件的应用也日益增加。,液压泵,液压泵是将机械能转化为液压能的装置，是液压系统的动力源。,工作原理：,利用转子的转动在泵进油口处形成局部真空，在大气压的作用下将液压油压入泵，然后泵再将液压油压入液压工作系统。分为非容积泵（动压泵）和容积泵（静压泵）。 非容积泵包括叶轮式离心泵和螺旋浆式轴流泵。一般用于低压、大流量、小功率场合。 容积泵包括齿轮泵、叶片泵、柱塞泵等。尺寸小、压力高、容积效率高。,液压马达,液压马达是将液压能转换为机械能，并带动负载旋转的液压部件。包括齿轮马达、叶片马达、柱塞马达、摆线齿轮
8、马达以及摆动液压马达等。 选择时，需要考虑工作压力、转速范围、运行扭矩、总效率、容积效率、滑差率以及安装条件等因素。 1）首先根据使用条件和要求确定马达的种类，并根据系统所需的转速和扭矩以及马达的特性曲线确定压力降、流量和总效率。 2）然后确定其它管路配件和附件。,液压缸,液压缸是将液压能转换为机械能，并输出直线运动的能量转换装置。 选择时，要根据缸速和负载大小来初步确定液压缸的内径和工作压力。 1）一般使用双作用液压缸； 2）考虑负载运动距离，并依次确定液压缸行程； 3）根据使用场合确定液压缸结构； 4）根据负载特性和运动形式考虑合 适的安装方式。,液压传动的优缺点,优点：,易于把旋转运动转
9、化为直线往复运动；容易实现无级变速；可以和电液结合使用，实现自动调节和自动控制。,缺点：,容易泄漏，污染环境,液压系统的设计,常用压力的确定： 操作系统、转向系统、驱动系统。拟定液压系统原理图；确定液压系统流量；选择合适的执行元件；液压系统的校核。 发热量计算、管路压力损失,气动驱动,气动系统按照功能可分为传动系统和逻辑系统。一般包括气压发生部、控制部、执行部、辅助部等。 气动系统特点是在气源上有一个过滤器调压阀油雾器组合元件，在调节压缩气体压力的同时过滤气体，并在气体中加入足量的润滑剂，减少对元件的磨损。 气体执行件主要包括气缸和气马达。,气动系统的优缺点,结构简单、易于维护；适应性好，可在
10、恶劣的条件下可靠工作；工作寿命长，运行成本低；工作介质容易获得，无污染，可远距离和集中供气；执行元件输出速度较高；具有过载保护功能。,由于空气的可压缩性，使得工作的稳定性较差；噪声大，在高速排气时要设置相应的消声装置；,缺点：,5.3.2 气动系统的设计,选定执行器；确定回路压力；确定循环时间；确定元件和配管尺寸；控制方式的选择：连续、电气、气动、程序器控制。设计气动回路，同时考虑安全措施；设计气源：气罐容积，压缩机容量、压力和数量。其它措施。,载荷确定,三种方法：类比法、计算法和实测法。,1类比法 参照同类或相近的机械，根据经验或简单的计算确定所设计机械的载荷，这种方法称为类比法。它主要应用
11、在载荷较难确定的情况或初步设计阶段。仿造（测绘）,载荷确定类比法,使用类比法确定载荷一般需要一定的实际经验，否则容易出现载荷过大或过小的情况。应用类比法时常可采用相似原理进行推断，其中常用的有： 几何类比 是在设计新机械时，首先需要确定能表征该设备能力的几何尺寸，并根据现有这类机械的尺寸与载荷之间的关系。 动力类比 是选择一种同类的机械，调查其实际使用的动力机容量大小，如电动机的转矩、功率等，然后用简单的类比关系确定所设计机械的动力，以此作为依据来推算机械及其零部件所受的载荷。,载荷确定,2. 实测法 用实验分析的方法测定机械及其零件的载荷。应变测试得到应力，应变片、应变仪 3计算法 计算法即
12、根据机械的功率要求和结构特点运用各种力学原理、经验公式或图表等计算确定载荷的方法。,载荷确定计算方法之飞轮矩法,飞轮矩：回转体的重量G和当量回转直径D平方的乘积，即GD2 。 它是一种考虑机械运动惯性的动力学计算方法，简单实用。,飞轮矩法,飞轮矩与质点的转动惯量J之间的关系,飞轮矩法,GD2与转动惯量J之间的关系（规则回转体）,D1 空心回转体的内径；D2 空心回转体的外径；G 回转体的重量；g 重力加速度。,飞轮矩法,GD2与扭矩T、转速n、时间t之间的关系,飞轮矩法,加减速时所需的时间：,加减速时所需转矩：,机械系统的飞轮矩等效方法,转动系统的飞轮矩等效计算,基本思路：能量守恒假设电机驱动齿轮减速系统传动，其中，各轴的转动惯量J1、 J2 、J3；角速度w1、w2、w3。计算电机轴上的总飞轮矩。,飞轮矩法,转动系统的飞轮矩等效计算,飞轮矩法,直线运动系统的飞轮矩等效计算,飞轮矩计算实例,重物G=1900N，提升速度v=0.5m/s，齿轮效率1=2=0.96，卷筒效率5=0.95，卷筒直径D=0.4m，齿轮转速比j1=6，j2=10，电动机飞轮矩GD=9.8N，齿轮飞轮矩GD1=0.98N， GD2=19.6N，GD3=4.9N，GD4=49N，卷筒飞轮矩GD5=9.8N 求整个电气传统系统折算到电动机轴上的飞轮矩,
