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1、基本内容：1.机械系统能量流设计的任务；2.机械系统能量流系统分析；3.工作机械载荷分析；4.普通动力机的种类、特性和选用；5.伺服驱动装置（自学）；6.能量流系统设计的一般步骤。重点和难点：1.机械系统能量流系统分析；2.工作机械载荷分析；3.普通动力机的种类、特性和选用；4.能量流系统设计的一般步骤。驱动装置执行部件维持各环节或子系统的运动通过传递、损耗、储存、转化等有关过程，完成机械系统的有关功能驱动装置电力驱动（电动机）液压驱动（液压泵、液压马达）气压驱动（气压马达）热机（内燃机、汽轮机等）合适的驱动装置（动力机）进行能量流设计应解决四个方面的问题：（1）机械系统中能量流动状况和特征分
2、析；（2）工作机械的载荷计算；（3）驱动装置的选择；（4）系统能量匹配与设计。一、能量流系统分析1.机械系统的能量流程ELEI 机械系统EsEC对于某一时间段机械系统的能量流EI输入到机械系统的能量；EC克服工作机构负载而做功的能量，是机械系统的有效能；ES系统广义储能，是系统贮存和释放能量的代数和；EL系统损耗的总能量；对于某一时刻机械系统的瞬态能量流（一）PI输入总功率，PIdEI/dt；PC克服执行机构负载的功率，PCdEC/dt；PL损耗总功率，PLdEL/dt；PI 机械系统PLPCdEsdtPLPu+Pa非载荷功率：PC0，用Pu表示。附加损耗功率：又称载荷损耗，PC0，用Pa表示
3、。损耗总功率PL对于某一时刻机械系统的瞬态能量流（二）PI 机械系统PaPCdEsdtPuPI+Pu+Pa+PCd Esd tPIPu+Pa+PC若忽略过渡过程的影响，即只考虑机床稳态运行时，有2.机械系统能量流理论及其应用简介机械工作状态能量信息论理论：机械系统的能量流动状态是工作机械运行状态的综合反映。应用：对工作过程实施状态监控和故障诊断。机械工作过程节能效益论一方面，工作的能量只占总耗能量的30；一方面，机械的能量损失是一种有害的损失。理论：恶果：磨损、噪声、振动、热变形等措施：减少机械的能量损失机械工作过程能量损失论PL Pu+Pa机械工作过程一般是变负载工作过程理论：恶果：能量利用
4、率低能量效率能量利用率U：整个工作过程的有效能和输入总能量的比值。二、工作机械载荷分析载荷：机械在工作中受到的外力。工作载荷：驱动载荷：起重机 制动载荷：制动器 阻力载荷：带式输送机、车辆的摩擦阻力，曲柄压力机的曲轴转矩。动力载荷：惯性载荷（弹性）振动载荷 冲击（振动）载荷自然载荷：自重载荷 风力载荷 水力载荷 温度载荷按载荷产生的来源分载荷类型力 力矩 转矩 压力 功率 加速度按载荷表示的形式分载荷历程：载荷时间历程的简称。动载荷随时间变化的规律。按载荷是否随时间变化分：静载荷、动载荷按动载荷的载荷历程分周期载荷:载荷的幅值和频率在某一时域保持不变。简谐载荷冲击载荷复杂周期载荷 非周期载荷:
5、载荷的幅值和频率都随时间变化。其变化有一定规律并可重复，可用一定的数学公式来表达。准周期载荷瞬变载荷随机载荷:不可能用确定的数学关系来描述，但可以对它进行统计计数处理。(1)拉伸或压缩载荷(2)弯曲载荷(3)扭转载荷按载荷作用的形式分：简谐载荷冲击载荷复杂周期载荷随机载荷静载荷：它的处理较为简单，可用静强度判据来设计计算。动载荷：为了简化计算，也采用名义载荷乘以大于1的动载 因数的办法，将动载荷转化为静载荷进行近似的 设计计算。周期载荷和非周期载荷：为确定性载荷，即可对周期载荷进 行傅里叶展开，对非周期载荷进 行傅里叶变换以获得它们的变化 规律，从而利用疲劳强度理论进 行设计计算。随机载荷：是
6、一种无规律的不重复的载荷，对它只能进行统 计处理。各种载荷的处理峰值法、量程法、水平穿级法工作机械的负载特性：工作机械的转矩M与转速n之间的关系。负载 恒转矩(Constanttorque)转矩是转速n的函数 位能性负载 反抗性负载 直线关系 二次方关系 n-M曲线特性转矩M为常数 转矩M大小相同，方向随转速n的方向发生变化 转矩M与转速n之间有一定的函数关系，即M=f(n)，M随n增大而增大举例 起重机、提升机构、卷扬机 摩擦负载 滑动轴承试验台(润滑油的粘滞阻力矩)离心式风机与水泵、船舶螺旋桨(靠改变转速来改变风量或水量)nMOnMOCnMOnMOC-C工作机械的负载特性：工作机械的转矩M
7、与转速n之间的关系。负载 转矩是行程s或转角的函数 转矩随时间t变化无规律 恒转速Constantrevolution恒功率 n-M曲线特性M=f(s)或M=f()转矩M为随机变量 n为常数，而M从0变化到一定数值 功率为常数，M、n 或M、n 举例 采用连杆机构的工作机：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 破碎机、球磨机 电厂发电机（由汽轮机或水轮机驱动)机床切削加工,造纸、纺织和轧钢设备中的卷取机构(牵引力恒定)，工程机械 nMOnMOC s,MOtMO工作机械载荷的构成这部分载荷应按所设计设备的最大允许工作能力来取工作阻力摩擦力自重载荷外部动载荷传动系统的动
8、载荷设计时，一般参考同型的参数接近的已有设备的自重作初步选定机械由于运动状态变化而产生的动态力在启动或制动过程中，除各执行构件外，传动系统的各构件上也将产生振动或冲击力的作用，从而引起传动系统的动载荷。其他载荷工作机械载荷的确定方法相似类比法原理：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。应用：（1）载荷较难确定的场合或设计的初步阶段；（2）不需精确确定载荷的情况。几何尺寸类比关系式 动力类比关系式 或 F1、L1、P1、T1现设计机械的载荷、尺寸；F2、L2、P2、T2现有机械的载荷、尺寸。f(L)该类机械的尺寸L和载荷F 间的函数关系。几何相似：表示两个机械的对应构
9、件的尺寸、比例相同，形状相似及对应角相等；运动相似：表示两机械工作在相同工况时，其对应构件的对应点运动速度、位移成比例且方向一致；动力相似：表示两机械工作在相同的工况时，其对应构件上的对应点受力成比例，方向相同。相似原理包括几何相似、运动相似、动力相似。煤矿机械水泵和风机就是依照相似原理进行设计的。几何相似是运动相似的先决条件，没有几何相似就没有运动相似和动力相似。但几何相似不一定运动相似和动力相似。只有工作在对应的工况时，才能运动相似和动力相似。下面以水泵为例进行分析。H1、H2新设计水泵和参考水泵的水头，m；1、2新设计水泵和参考水泵输送流体的密度，kg/m3；D1、D2新设计水泵和参考水
10、泵的叶轮直径，m；n1、n2新设计水泵和参考水泵的转速，r/min；Q1、Q2新设计水泵和参考水泵的流量，m3/s；N1、N2新设计水泵和参考水泵的功率，kW。该式表明，两泵几何相似，在对应工况处的扬程、流量及功率间的相似关系。例如：两泵转速相同且水密度不变，若叶轮直径D1D22时，则新泵扬程为参考泵的4倍；若流量增加到8倍，功率增加到32倍。可以依此结果作为新泵设计的依据。除水泵、风机之外，绞车、减速器等许多机械的设计均是从类比法入手的。设两泵转速相同且水密度不变，若叶轮直径D1D22时，问：新泵扬程、流量、功率？转矩 T=FD/2（Nm）功率 P=Fv/1000=T/1000（kW）功率
11、P=Tn/9549（kW）实际测量法实测法：用试验分析测定载荷的方法 应 用：创新或研制的机械，且载荷的确定较重要。非电量的电测法利用测力传感器、显示器及其他电子仪器组成的测量系统，将机械的载荷转化电量参数进行测量。可将不同的被测参数转换成相同的电量参数，因此 可以使用相同的测量和记录仪器；输出的信号可以作远距离传输，有利于远距离操作 和自动控制；采用电测法可对变化中的参数进行动态测量，因而 可以测量和记录其瞬时值及变化过程；易于同许多后续的数据处理仪器联用，从而能够对 复杂的结果进行计算和处理。优点实测法对样机或主要构件进行仿真动力测试，以确定其实际受力大小及受力情况，并以此作为该机械中主要
12、零部件设计的根据。实测法有应变电测法、光学法和声学法等。应变电测法是以应变计为传感元件进行实测。它是应用最广泛、使用最成熟的一种方法。实测法常用于对类比法设计出的样机进行实测鉴定。适用于工程结构、受力复杂及边界条件难于确定的问题和单靠理论难以确定的载荷的情况。光学方法是用光弹性法来解决平面或空间问题的一种有效方法，解决平面问题比较成熟。声学方法主要用于探伤；电测和光测正向数据采集、处理与分析自动化方向发展，是未来的发展方向。计算法Concept：根据机械的功能要求和结构特点，运用静力学、动力学、经验公式或图表等计算确定载荷的方法。两大类：静态设计法和动态设计法。GD2回转体的重量G和回转直径D
13、平方的乘积飞轮矩或飞轮效应一种考虑机械运动惯性的动力学计算方法优点保证机械运动平稳、加减速与制动性能良好以及能量的合理利用等。例如：(1)重力载荷mg；(2)移动部分的惯性载荷Fma；(3)物体所受的摩擦载荷FFn等。上次课主要内容的回顾1.机械系统的能量流程组成？PIPu+Pa+PC答：周期载荷、非周期载荷、随机载荷答：工作阻力、摩擦力、自重载荷、外部动载荷、传动系统的动载荷、其他载荷。答：相似类比法、实际测量法、计算法。2.动载荷的类型可分哪三种？3.工作机械载荷的构成？5.工作机械载荷的确定方法？4.工作机械的负载特性？工作机械的转矩M与转速n之间的关系。GD2的含义及其与转动惯量J 之
14、间的关系对于分布质量回转体对于空心旋转体对于实心旋转体GD2与扭矩M、转速n（或角速度）、时间t 之间的关系或M为常数加减速时所需的时间加减速时所需的扭矩当加速时间为ta(s)，速度增量为n时，加速力矩为有效转矩（均方根转矩）MmM1、M2、M3分别为加速转矩、等速转矩及减速转矩；t1、t2、t3、t4分别与M1、M2、M3所对应的时间以及停歇时间。若M1M3M，M20及t1t3t4t，t20，则有选择控制电动机时，应使 或MR伺服电动机的额定输出转矩；Mm换算到电动机轴上的有效扭矩；K 安全系数。机械工作的持续状况，如连续、断续、短时工作等。不同机械对工作制的表示形式有所不同，有的机械根据工
15、艺需要或工程实践用载荷时间特性曲线表示；标准减速器、通用机械等用每天工作小时数或每天几班制工作的形式，在使用因数(或工况因数)KA中考虑。工作机械的工作制一般用负载持续率FC表示 FCtw/(tw+t0)100%tw机械工作时间；t0机械停歇时间。载荷类型反映载荷在数值上随时间变化的特性，工作制反映负载持续状况，二者对机械零部件的承载能力和动力机的选择都有影响。机械系统的等效GD2计算方法：用能量守恒原理及等效GD2的概念，将GD2换算到某一轴（如电动机轴或执行机构所在轴）上来计算机械系统的总动能为由能量守恒原理可知，等效系统与原系统的总能量应相等，设原系统相对于电动机输出轴1的等效转动惯量为
16、J，则应有或其承受的主要载荷大部分都可用计算法确定：（1）起升载荷：包括起重机的额定起重力和随货物一起升降的装置（如吊具、大起升高度的钢丝绳等）的重力。额定起重力：指正常工作时允许起吊的货物重力与可从起重机上取下的取物装置（如抓斗、电磁吸盘等）的重力之和。（它应符合国家标准的规定）（2）起重机的整机重力：包括起重机所有零部件和附属设备的重力。在设计前起重机的整机重力是个未知数，此时，可以参照同类起重机进行类比估计，在设计完成后再予以修正。设计后起重机的整机重力为根据要求的精度程度，可按集中载荷或均布载荷处理例1：设计起重机（3）动载荷：起重机在启动或制动等不平稳运动状态时，会引起振动载荷和惯性
17、载荷。如在提升重物时由惯性引起的动载荷为由移动部分零部件惯性引起的动载荷为由转动部分零部件惯性引起的动转矩为有时还要考虑起重机在运行中通过轨道接头或不平道路时产生的冲击载荷，冲击载荷的大小与运行速度及路面情况有关。（4）风载荷：在室外工作的起重机还需要考虑风力引起的载荷标准风压；起重机的迎风面积；考虑迎风体型和起重机高度的修正系数；例2：将多轴驱动系统的惯性载荷折算成等效的单轴系统。折算到驱动装置轴上的等效转动惯量，Nm2。驱动装置的驱动转矩，Nm；折算到驱动装置轴上的静阻力矩，Nm；驱动装置轴与工作机构轴的转速之比；驱动装置轴的角速度，rad/S；驱动装置轴到工作机构轴的传动效率；工作机构的
18、静阻力矩，Nm；系统的惯性转矩当 不发生变化时，惯性转矩为零。否则，系统中就会产生惯性负载。根据动力学定律因为加速力矩所以整个驱动系统运动部分的质量，kg；系统运动部分的质量对其旋转轴的回转半径，m；驱动装置轴的转速，r/min；折算到驱动装置轴上的等效飞轮矩，Nm2；将系统的转动惯量折算到驱动装置轴上时，则等效飞轮矩分别为驱动装置轴、中间轴、工作 机构轴的飞轮矩，Nm；驱动装置轴的转速与中间轴的转速之比，驱动装置轴的转速与工作机构轴的转速之比，如果系统由旋转、平移运动构件所组成，则移动部件的速度、质量、重力当i 较大时，各中间轴的转动惯量和飞轮矩折算到转速较高的驱动装置后，其数值占整个系统的
19、转动惯量的比重不大。在实际工作中，为了计算方便，常不考虑中间轴的转动惯量或飞轮矩，而采取适当加大原动机轴上的转动惯量或飞轮矩的方法来计算整个系统的等效转动惯量或飞轮矩，即系数，为1.11.25或移动部件的速度、质量、重力三、普通动力机的种类、特性及其选用动力机的输出转矩与转速之间的关系。动力机又称（原动机），是一种将其他能源转换成机械能的装置，是机械系统中的驱动部分。动力机的机械特性或输出特性电动机内燃机液压马达气动马达常用的动力机选用动力机的依据分析工作机械的负载特性，包括其载荷性质、工作制、作业环境、结构布置等；分析动力机本身的机械特性，以确定与工作机械相匹配的动力机类型；动力机容量计算：
20、容量：动力机功率的大小功率与转矩、转速间的关系为 Pn=Mn nn/9549 或 Mn=9549Pn/nn进行经济性分析。包括能源的供应、使用和维修费用、动力机购置费用等；作业环境的要求。如是户外型还是户内型、环境温度、湿度、粉尘及通风条件、有无隔爆要求、是否需经常移动还是固定不动等。还要考虑对环境的污染，其中包括空气污染和噪声污染等。1.电动机同步电动机电动机直流电动机交流电动机异步电动机三相异步电动机单相异步电动机直线型旋转型使用电源电动机的转速与旋转磁场的转速是否相同 运动形式三相异步电动机三相异步电动机按转子结构分：鼠笼型、绕线型按外壳结构分：开启式、防护式、封闭式、隔爆式按安装方式分
21、：立式、卧式机座带地脚端盖有凸缘带底脚有凸缘调速和启动性能差；低载荷时，功率因数低。载荷平稳、无需变速的、长期工作的机器，如水泵、金属切削机床、起重运输机、矿山机械优点 构造简单、运行可靠、维护方便、效率较高、价格低廉缺点应用人为机械特性：改变电动机的某些参数时所获得的机械特性。电动机的机械特性固有机械特性：在额定电压和额定频率下(直流电动机的频率为0)，用规定的接线方法，定子和转子电路不串接任何电阻或阻抗时的机械特性；三相异步电动机额定功率PN、额定电压UN、额定电流IN、额定频率f(我国为50Hz)、额定转速nN，定子相数、绕组接法、外壳防护型式、绝缘等级。三相异步电动机的铭牌定子绕组可接
22、成：星形（Y形）或三角形（形）前者额定电压为380V 后者额定电压为220VJ型和JO型是一般通用系列，都是笼型转子。J型是防护式，JO型是封闭吹冷式。功率0.6125kW，电压是220/380V。JQ型是有较高启动力矩的系列，容量10100kW。JR型是绕线式转子电机，电压是220/380V、3000V或6000V，容量2.8410kW。JS型是容量较大的型号，从45410kW。S表示转子是深槽式的或双笼式的JRQ型和JSQ是为有加强绝缘的类型，电压为3000V或6000V，容量1401250kW。JRZ型为冶金工业或矿山中的大型异步电机，电压为3000V或6000V，从1803200kW。
23、JB型为各种防爆型的异步电机。我国常用的三相异步电动机型号启动转矩MsConcept：电动机转速n0（s1）时，电动机的转矩。电动机的转差率n三相异步电动机的转速n060f/p旋转磁场同步转速其中f为额定频率（50Hz）p为磁极对数（当MsML时，电动机才能启动。）最大转矩Mmax闷车：当负载转矩大于最大转矩，即MLMmax时，电动机要停下。ne临界转速 se临界转差率过载系数 或过载能力额定转矩MNConcept：电动机在额定负载下稳定运行时的输出转矩。AB段：Mn（不能稳定运行）BD段：Mn（工作段）硬特性在电动机的工作段，电动机的转速随转矩的增加而略降低，这种机械特性称为。适合于一般的金
24、属切削机床1.启动转矩Ms增大；2.得到近于恒转矩的启动特性；3.启动结束后，可获得与固有机械特性一样的硬特性。常用于绕线型异步电动机，可减少启动级数，保证电动机平滑加速，又能限制电流。三相异步电动机的人为机械特性之一转子电路并联电阻或电抗的人为机械特性三相异步电动机的人为机械特性之一转子电路串接对称电阻的人为机械特性se随着串接电阻RQ的而，Mmax值不变。启动力矩开始时，Ms可随RQ的而，达到某一值后将随RQ的而。三相异步电动机的人为机械特性之一定子电路串接对称电阻或电抗的人为机械特性n0不变,Mmax、Ms及se可随着串接电阻Rf或电抗Rf的而。常用于笼型异步电动机的降压启动，以限制电动
25、机的启动电流。笼式电机的启动方法（1）直接启动缺点：启动电流对电网电压有影响。电源容量足够大时，应尽量用此方法。（2）降压启动 在定子线路中串联电抗；用自耦变压器降压启动。星形-三角形启动法。适用于在正常运行时绕组是三角接法的电机。绕线式电机的启动方法：直接启动开始启动时串入的电阻较大，随电机转速的提高逐渐切除，直至电机达到额定转矩，串入的电阻全部切除为止。优点：可以得到较大的启动力矩，同时启动电流也减小了。电机调速特性较笼式好。缺点：转子绕组比笼式的复杂，造价高，坚固性较差，效率也较笼式的稍低。三相异步电动机单相异步电动机由220V单相电流供电的小功率异步电动机，常用的系列有BO2、CO2、
26、DO2、YC等。应用：家用电器、电风扇、小型机械、小型鼓风机、小 型电工工具、工农业生产工具、医疗器械、仪器仪表等按启动方法不同分电容分相式：因启动转矩大、启动电流小而采用较广。罩极式：其容量一般在几十瓦以下，主要用于小台扇、电唱机、录音机中，特点：当电动机不转时，因启动转矩Ms0而不能启动，因此，要借助其他办法才能启动。缺点：效率、功率因数、过载能力较低，运行时的稳定性较差，容量一般在1kW以下。同步电动机恒定转速、恒定功率同步？优点：能在功率因数cos=1的状态下运行，不需从电网吸收无功功率。缺点：结构较异步电动机复杂，造价较高，其转速不能调节。应用：长期连续工作而无需变速的大型机械，如大
27、功率离心式水泵和通风机。要借助其他办法才能启动，一般采用异步启动法隐极式：适用于高速电动机凸极式：适用于低速电动机根据转子结构分直线异步电动机 新型电机输出直线运动 优点：1、机械接触、运行传动零部件无磨损、机械损耗低；2、运行可靠、传递效率高、制造成本低、易于维护；3、装置或系统噪声很小或无噪声，运行环境好。通过电能直接产生电磁推力的 应用：XYY系列扁平型应用于电梯、冲压机、电动门、电动窗帘、真空断路器、电磁锤、打桩机、抽油机等设备。XY系列应用于生产输送线、吊车、邮政分拣机、行李分捡机、印刷品分捡机等物流传输系统。圆盘型应用于转车台、旋盘等，实现无接触传动。应用于交通运输和传送装置中，如
28、磁悬浮高速列车、作为液态金属的电磁泵、门阀、机械手等。直线电机是一种把电能直接转换成直线运动的机械能，而不需要任何中间转换传动的驱动装置。它具有传统电机驱动的机电设备所不能达到的高效节能、高精度的特点。它能够有效克服使用传统旋转电机时，机械传换机构固有的传动链条体积大、效率低、能耗高、精度差、污染环境等缺点。直流电动机优点：有良好的启动与调速性能。缺点：构造复杂，价格昂贵，效率较低，工作可靠性较差。应用：要求启动转矩大或对调速性能要求较高的生产机械，如大型起重设备、电气机车、电车、轧钢机、造纸机、龙门刨自动控制系统等。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
29、流If和励磁方式等。直流电动机的铭牌他励电枢绕组和励磁绕组分别由两个直流电源供电。并励励磁绕组和电枢并联，由同一电源供电。串励励磁绕组和电枢串联后再接于直流电源。复励有并励和串励两个励磁绕组。机械特性 他励电动机的机械特性：“硬”串励电动机的机械特性：“软”1.固有机械特性；2.串联电阻的机械特性；3.能耗制动的机械特性；4.发电制动的机械特性电动机的选用选择电动机应考虑的问题负载转矩对外做功所要求的输出转矩和克服摩擦带动负载需要的转矩飞轮力矩GD2负载以及整个驱动系统的飞轮力矩，所要提供的加减速转矩。转速电动机减速器或调速控制的变频器、伺服驱动器等耐久性注意【电刷式电动机】控制性对转速、位置
30、的控制精度注意必须配套选择电动机和调控器。升温、发热选择自带冷却风扇型式的电动机，注意【步进电动机】电动机选择的内容交流电动机优选于直流电动机鼠笼型电动机优选于绕线型电动机专用电动机优选于通用电动机按电动机种类的选择鼠笼式异步电动机：无特殊要求时选用绕线式异步电动机：启动时负载较大、小范围内调速直流电动机：要求调速范围大而功率较大的场合一般原则按结构型式的选择开启式：干燥清洁的环境选用防护式：干燥、灰尘不多、无腐蚀和爆炸性气体的场合封闭式：用于浸入水中的机械（如潜水泵）防爆式：用于有爆炸危险的环境按安装形式的选择多用卧式安装的电动机，特殊时采用立式安装的电动机【如立式钻床上】按容量(功率)的选
31、择确定容量的原则：在规定的工作方式下，电动机的温升不超过许用值，即不过热；保证所需要的启动力矩。按额定电压与额定转速的选用电动机的额定电压应与使用地点的供电电网的电压一致。一般低压电网为380V，选用额定电压为220V/380V及380V/660V的两种电动机。电动机的额定转速尽量与生产机械的转速相一致。1)一般情况下，对启动、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，应尽量选用如Y系列笼型三相交流异步电动机；2)对于恒转矩和通风机负载特性的机械，应选用机械特性硬的电动机；对于调速范围很大(R310)，且恒功率负载特性的机械，应选用变速直流电动机，或带机械变速的交
32、流异步电动机，或无换向器电动机；3)对于需调速但调速平滑性无要求、可有级调速的机械，如起重机、低速电梯、某些机床，可选用如YD系列变极变速三相交流异步电动机，其变速方便，有双速、三速、四速三种类型，调速时特性较硬，经济性也较好；按电动机种类（类型）的选择4)对于无调速要求但需高启动转矩，或启动飞轮力矩较大、具有冲击性负载、启动制动及反向次数较多的机械，如剪床、冲床、锻压机械、冶金机械、压缩机及小型起重运输机械等，可选用如YH系列高转差率三相交流异步电动机，其启动转矩大、启动电流小、转差率高、机械特性较软。如还需小范围调速(R3)的机械，如起重机、矿井提升机等，可选用如YR系列绕线型三相交流异步
33、电动机；5)对于断续工作制、频繁启动制动及反向、启动转矩大的机械，如各种型式起重机、冶金辅助设备等，应选用起重及冶金用YZ系列笼型或YZR系列绕线型三相交流异步电动机；6)对于功率较大、负载较平稳、无调速要求且长期运行的机械，如大容量空压机、各类泵、鼓风机等，应选用如T、TD、TDG等系列三相交流同步电动机，可提高工厂企业电网的功率因数，经济性好。对于功率虽然不大但转速较低的长期运行机械，如各种磨机、往复压缩机、轧机等，也可选用如TM、TK、TZ等系列三相交流低速同步电动机；7)对于调速范围大(R3)，且要求调速平滑、需准确进行位置控制的中小功率机械，如高精度数控机床、龙门刨床、可逆轧钢机、造
34、纸机等，可选用直流他励电动机。对还要求启动转矩大的机械，如电车、电气机车、重型起重机等，宜用直流串励电动机。在需大调速范围且平滑调速的机械中，应用变速交流电动机；8)对于工作环境有易爆气体及尘埃较多的机械，不能用直流电动机，应选用如YB系列隔爆型三相交流异步电动机或YA系列增安型三相交流异步电动机或YW系列无火花型三相异步电动机等；9)有专用电动机的机械，应用专用电动机，如YLB系列电动机是专用于深井水泵的三相交流异步电动机，YQS系列电动机为专用于潜水泵的三相交流异步电动机等，此外还有船用、纺织用、木工用、电动滚筒用等专用电动机，及激振电动机、低噪声低振动电动机等特殊用途电动机。应考虑工作机
35、械的工作环境和安装要求等因素。选择电动机结构型式包括确定安装方式、外壳防护形式等。(1)一般情况下多用卧式安装的电动机，只有特殊需要才用立式安装的电动机，如立式深井泵，为简化传动装置立式钻床也用立式安装电动机；(2)根据工作环境选择开启式、防护式、封闭式或隔爆式的外壳防护形式，对湿热地带或船用电动机还应有特殊的防护要求；(3)在特殊情况下电动机可制成两端轴伸，以供安装测速发电机或同时拖动两台工作机械。按电动机结构型式的选择额定功率相同的电动机，其额定转速愈高，则电动机的体积、质量和价格愈低，电动机的转动惯量J一般也愈小。因此，电动机在起动制动及反转时的过渡过程愈快，能量损耗愈少。可见就电动机而
36、言，选用高速电动机较为经济。电动机额定转速的选择 但当机械执行系统的工作速度较低时，选用高速电动机将使传动系统的总传动比加大，传动链增长，增加传动系统的复杂性，影响传动系统性能和机械部分的经济性。因此，电动机额定转速的选择应兼顾电动机与机械部分的经济性，综合考虑机械的工作制、起动制动及反向的频繁程度、机械对过渡过程的要求等因素。电动机额定电压的选择 电动机额定电压与电网供电电压一致。一般生产车间电网为380V低电压。中小型交流异步电动机可采用220/380V(/Y接法)及380/660V(/Y接法)两种额定电压。大型交流异步电动机可选用3000V以上的高压电源。直流电动机由单独直流发电机供电时
37、，额定电压常为220V或110V，大功率直流电动机可用600870V。不同机械对工作制的表示形式：（1）有的机械根据工艺需要或工程实践用载荷时间特性曲线表示；（2）标准减速器、通用机械等用每天工作小时数或每天几班制工作的形式，在使用因数(或工况因数)KA中考虑。载荷类型：反映载荷在数值上随时间变化的特性。工作制：反映负载持续状况。对机械零部件的承载能力和动力机的选择都有影响。工作机械的工作制:机械工作的持续状况，如连续、断续、短时工作等。按电动机工作制的选择国家标准规定三相异步电动机的工作制共分9类：S1(连续工作制)、S2(短时工作制)、S3(断续周期工作制)、S4(包括起动的断续周期工作制
38、)、S5(包括电制动的断续周期工作制)、S6(连续周期工作制)、S7(包括电制动的连续周期工作制)、S8(包括负载和转矩相应变化的连续周期工作制)、S9(负载和转速非周期变化的工作制)。不同工作制对电动机使用过程中的发热程度有不同影响，因而影响电动机的实际承载能力。(a)连续工作制工作时间长，温升可达稳定值(b)短时工作制工作时间较短，而间歇时间相当长。我国设计制造的这类电机的工作时间为15min、30min、60min、90min四种，P15P30P60P90一般用负载持续率FC表示 FCtw/(tw+t0)100%tw机械工作时间；t0机械停歇时间。(c)断续周期性工作制标准负载持续率有1
39、5%、25%、40%、60%，且重复周期twt010min。同一型号电动机，P15P25P40P60结论：应尽可能选择与工作机械相同或相近工作制的电动机，并通过发热计算。三种工作制电机的选择应根据工作机械的负载特性选取，例如水泵、风机、机床等均属连续工作制；冶金机械的某些辅助机械、水闸闸门的开闭机等属于短时工作制；起重机、电梯等属于断续周期性工作制。电动机功率的选择与计算电动机的功率是决定电力拖动系统能否经济和可靠运行的主要因素，如果功率太小，长期处于高负荷运行，会造成电动机绝缘过早的损坏；如果功率太大，不仅造成设备上的浪费，而且运行效率低，对电能的利用很不经济。(1)决定电动机功率的因素决定
40、电动机功率主要应考虑电动机的发热、允许的过载能力和起动能力三个因素，其中发热问题最为重要。对于瞬时最大负载需要进行过载能力的校验。交流电动机受临界转矩的限制，过载能力以允许转矩的过载倍数T来衡量；直流电动机受换向器火花的限制，以电流过载倍数I来衡量。直流电动机ILmaxKIIN异步电动机TLmaxKKU2TTN 同步电动机TLmaxKTTN电动机过载能力的计算公式为：式中ILmax瞬时最大负载电流，A；TLmax瞬时最大负载转矩，Nm IN额定电流，A；TN额定转矩，Nm；KU电压波动因数，一般取KU0.85；K 余量因数，交流电动机K0.9，直流电动机K0.90.95。I、T的值可由电动机手
41、册中查到。笼型异步电动机和同步电动机采用异步起动时，起动过程中的机械特性Tf(n)是非线性的，因此平均起动转矩要根据电动机的机械特性来计算。直流电动机Tsa(1.31.4)TN同步电动机当TstTpi时Tsa0.5(TstTpi)当TstTpi时Tsa(1.01.1)Tst一般笼型电动机Tsa(0.450.5)(TsaTm)冶金起重机械Tsa0.9Tst冶金起重用绕线型电动机Tsa(1.02.0)TN，25式中Tsa平均起动转矩；T额定转矩；Tst初始起动转矩(1时)；Tpi牵入转矩；Tm电动机的最大转矩；TN，25FC25%时的额定转矩。对于快速起动用的电动机，上述各值取最大值。一般规定，异
42、步电动机的功率低于7.5kW时允许直接起动，此时可按下式校验其起动能力 kU2kminTNks Trs式中TN电动机额定转矩；Trs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kU0.85；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ks1.21.5。(2)电动机负载图电动机负载图是根据工作机的负载变化绘制的电动机转矩、功率或电流与时间的关系曲线，它是校验电动机的容量和过载能力，以及校验电动机发热的依据。例：右图是根据起重机起升机构的工作循环图绘制的电动机转矩负载图示例，图中TL为起升机构的负载转矩，T为电动机的负载转矩。电动机负载图示例(3)电动机
43、的发热计算电动机的发热计算是针对变负载情况的。最常用的方法是等效法，又称均方根法。该法根据不同的负载状态计算出等效电流Idx、等效转矩Tdx或等效功率Pdx。只要它们小于相应的额定值IN、TN和PN，发热就认为是允许的。1)周期性变化负载长期运行等效电流法：适用于各类电动机的发热校验；等效转矩法：适用于转矩与电流成比例的场合；弱磁情况下需要修正，串励电动机不能应用此法；等效功率法：在近于额定电压和额定转速下，功率与电流成正比例时应用。2)周期性变化负载断续运行采用长期工作制电动机：采用断续工作制电动机：若采用长期工作制电动机Is，Ist，Ib一个工作周期中各起动、稳定、制动段电动机的式中相应电
44、流；Ts，Tst，Tb一个周期中各起动、稳定、制动段电动机的相应转矩；ts，tst，tb，t0各起动、稳定、制动、停歇各段相应时间；起动、制动过程中电动机散热恶化系数停转时电动机散热恶化系数。其值可在电动机手册中根据电动机类型和冷却方式查到，而若采用断续工作制电动机式中各符号同前。上两式计算结果除必须满足IdxIeFC或TdxTeFC外，还要求FCx=FCe。IeFC和TeFC分别在规定的负载持续率FC下的额定电流和额定转矩。FCx为实际的负载持续率，其值为当FCx与FCe不等时，则选择与实际负载持续率相近的电动机，并要求IdxeIeFC或TdxeTeFCIdxe、Tdxe为折算到额定负载持续
45、率下的等效电流、等效转矩。例1：某离心式水泵其体积流量qV90m3/h，扬程H25m，转速n2900r/min，效率0.78，选择一种直接启动的电动机。2)选择电动机额定功率PN选择PNPL，且额定转速nN应为2900r/min左右。故选用Y160M1-2型异步电动机，PN11kW，UN380V。nN2930r/min。外壳防护等级IP44(封闭式、防溅水)解:由题意，负载为恒值长期运行，应按连续工作制选择电动机的容量，步骤如下：1)计算电动机轴上负载功率PL取水的体积质量1000kg/m3。传动效率c1，余量因数K1.1，则电动机轴上的负载功率为3)当选用电动机在重载下起动时，应校验起动能力
46、；4)如果环境温度离标准值40较远时应修正电动机的额定功率。解:由于卷扬机工作时电动机的启动负载很大，故选用高压绕线型开启式三相交流异步电动机，既可有大的启动转矩，又利于散热。例2：某卷扬机，卷筒直径D=4m，起重量W=6104N，吊具重W1=5104N，提升速度v=720m/min，启动的加速时间tst=10s，稳速提升时间ts=50s，制动的减速时间tb=12s，停歇时间t0=10s，卷扬机的效率=0.96。试选择电动机。钢丝绳质量、摩擦阻力、空气阻力不计。设传动系统折算到卷筒上的总转动惯量Jtot=1.02105kgm2。例2：某卷扬机，卷筒直径D=4m，起重量W=6104N，吊具重W1
47、=5104N，提升速度v=720m/min，启动的加速时间tst=10s，稳速提升时间ts=50s，制动的减速时间tb=12s，停歇时间t0=10s，卷扬机的效率=0.96。试选择电动机。1)计算卷扬机运动参数起重物的起升加速度起重物的制动减速度稳速时卷筒角速度启动时卷筒的角加速度制动时卷筒的角减速度2)计算卷筒转矩启动时卷筒加速的惯性转矩制动时卷筒减速的惯性转矩启动加速全载重的卷筒转矩制动减速全载重的卷筒转矩稳速提升全载重的卷筒转矩启动加速过程中卷筒的总转矩制动减速过程中卷筒的总转矩3)绘制电动机负载图4)计算所需功率加速过程中所需功率稳速过程中所需功率减速过程中所需功率周期工作时间负载持续
48、率可见，该卷扬机的负载持续率较高，可认为电动机基本上是在额定电压、额定转速下按周期性变化负载长期运行。因而，可采用等效功率法计算电动机功率5)电动机额定转速的确定6)选择电动机的型号卷筒转速选电动机的同步转速，则电动机至卷筒的传动比近似为，合适根据该卷扬机负载特性、功率、转速要求，拟选适用于卷扬机的YR系列大型三相绕线异步电动机YR1600-8/1430，其主要性能如下：功率因数额定电压 额定功率额定转速满载效率过载系数例3：大型车床刀架快速移动机构重量W5300N，移动速度v15m/min，传动比i100，动摩擦因数0.1，静摩擦因数s0.2，传动效率0.1，试选驱动电动机的容量。解：由题意
49、知，此电动机为短时运行。对于短时工作制电动机的选择，可用连续工作制，也可用短时工作制的电动机，本题按前者选择电动机的容量。1)计算刀架移动时电动机的负载功率PL2)按允许过载能力选择电动机取交流异步电动机的过载能力为m2，电压波动系数KU0.9，余量系数K0.9，则电动机的额定功率为额定转速近似为nNiv10015r/min1500r/min 初选电动机为Y90L4笼型异步电动机，其数据为：PN1.5kW、nN1400r/min、m2.33)校验启动能力由于静摩擦因数为动摩擦因数的两倍，所以有启动负载功率电动机启动功率因故启动能力通过，否则应重选容量再大一些的电动机，以提高启动的可靠性。例4：
50、电动机带动摩擦轮同速旋转，靠摩擦力使钢组和运载矿石的罐笼提升或放下。提升机用双电动机驱动，试选择电动机的容量。一矿井提升机传动示意图 解 由题意知负载为周期性断续运行，应按周期性断续工作制选择电动机的容量。(1)计算工作机的负载由于两个罐笼和钢绳的重量是相互平衡，计算时，只须考虑运载的重量和摩擦力即可。负载力和负载功率分别为(2)初选电动机取电动机额定功率Pe1.2Px1.211291355kW，每台电动机额定功率为700kW，额定转速为47.5r/min，飞轮矩(3)绘制电动机负载图各段运行时间计算加速时间和加速阶段罐笼运行高度分别为 减速时间和减速阶段罐笼运行高度分别为稳速时间罐笼运行高度