机电传动系统的动力学基础-工程
聊城大学机械与汽车工程学院机电传动第2章
1、系统应能以一定速度稳定运转； 2、系统受某种外部干扰作用（如电压波动、负 载转矩波动）而使运行速度稍有变化时，应 保证在干扰消除后系统能恢复到原来的运行 速度。
电动机机械特性：
电动机机 械特性
电动机电磁转矩T与 转速n之间的关系。
负载 特性
●电动机和生产机械
的机械特性曲线有交点 (平衡点）：即T=TL
动转矩
TM TL Td
Td>0：系统加速； Td=0：系统稳速； Td<0：系统减速或反向加速
因此，TM、TL有大小，有方向
拖动转矩──与n一致； 制动转矩──与n相反。 转矩正负规定：以转速n为参考量 (先定下n的正方向); 与n方向相同的TM 为正，与n方向相 反的TL为正; 与n方向相反的TM 为负，与n方向相 同的TL为负。
2 离心式通风机型负载特性
特点:负载转矩与转 速的平方成正比。
TL Cn2
如离心式鼓风机。
2.3.3 直线型机械特性
特点:负载转矩与转速成正比。
TL Cn
如实验室中作模拟用的他励直 流发电机。
2.3.4 恒功率负载
特点:负载转矩与转速成反比, 功率基本不变。
如车床粗、精加工。
2.4 机电传动系统稳定运行的条件
2 1
2 L
GD2Z──折算到电动机轴上的总飞轮转矩
GD2M ，GD21 ，GD2L──电动机轴、中间传动轴、生产 机械轴上的飞轮转矩 j1=ωM/ω1 ──电动机轴与中间传动轴之速比 jL=ωM/ωL──电动机轴与生产机械轴之速比
GD GD GD GD 2 2 j1 jL
2 Z 2 M
2 1
2 L
经验公式
第章机电传动系统的动力学基础
2.1.3 转矩方向的确定
1) TM与n正方向一致 TL与n正方向相反
2) TM与n正方向相反 TL与n正方向一致
或1) TM与n方向一致 TL与n方向相反
2) TM与n方向相反 TL与n方向一致
TM取“+”号（拖动转矩TM） TL取“+”号（制动转矩TL） TM取“-”号（制动转矩TM） TL取“-”号（拖动转矩TL） TM与n同号（拖动转矩TM） TL与n同号（制动转矩TL） TM与n异号（制动转矩TM） TL与n异号（拖动转矩TL）
风机
起重机
生产机械转矩分为：摩擦阻力产生的和重力作用产生的。
摩擦阻力产生的转矩为反抗性转矩，其作用方向与n相反， 为制动转矩。
重力产生的转矩为位能性转矩，其作用方向与n无关，提 升时为制动转矩；下放时为拖动转矩。
2.1 动力学方程式
单轴机电传动系统如图所示：
+ω
TL
+TM
TM ω 传动系统图
生产机械
Tm
l 恒与运动方向相反，阻碍运动
T
Tm
电动机轴
n
(b) TL为位能转矩时， l 作用方向恒定，与运动方向无关
l 如：卷扬机起吊重物等
思考：TL方向
负载的机械特性指：n=f(TL)关系
TL为反抗转矩，负载转矩由摩擦力 产生，其特点：大小恒定（与n无 关）；作用方向与运动方向相反。
2.3.1 定义
同一转轴上负载转矩和转速之间的函数关系。
2.3.2 分类
n f（TL）
• 恒转矩型机械特性（TL为常数） • 恒功率型机械特性（P为常数） • 离心式通风机型机械特性 • 直线型机械特性
机电传动系统的动力学基础汇编课件
有限元分析软件，可对机电传动系统进行结 构分析和优化。
ADAMS
多体动力学仿真软件，适用于机械系统的运 动学和动力学分析。
SolidWorks
三维建模软件，可用于建立机电传动系统的 三维模型。
感谢您的观看
THANKS
动力传递给机械设备。
02
动力学基础理论
牛顿第二定律
总结词
描述物体运动状态变化与作用力之间 关系的定律。
详细描述
牛顿第二定律指出，物体运动状态的 改变与作用在物体上的力成正比，即 F=ma，其中F表示作用力，m表示物 体的质量，a表示加速度。
动量定理与动量矩定理
总结词
描述物体动量和动量矩变化与作用力之 间关系的定理。
一款强大的电磁场仿真软件，适用于电机、 发电机和变压器等电磁设备的性能预测和优 化。
Simulink
由MathWorks公司开发的动态系统仿真软件，适用 于对机电传动系统进行建模和仿真。
COMSOL Multiphysics
多物理场仿真软件，支持机电耦合场的仿真 ，适用于复杂机电系统的建模和仿真。
机电传动系统动态特性仿真流程
弹性力学是研究弹性物体在外力作用下的变 形和内力的学科。通过分析弹性物体的应力 、应变和应力分布等参数，可以确定弹性物 体的变形规律和稳定性。在机电传动系统中 ，弹性力学基础对于分析传动轴、轴承等弹 性元件的变形和振动具有重要意义。
03
机电传动系统动力学分析
电机动力学分析
电机转子动力学分析
研究电机转子在旋转过程中受到的力 矩和力，以及转子的振动和稳定性。
01
案例一
针对某型电机驱动的机械臂，进 行动态优化设计，提高其运动精 度和稳定性。
《机电传动技术》 第二章 机电传动系统的动力学基础
当干扰使n↑时,干扰消除后希望n↓这时如TM-TL<0则负加速 当干扰使n↓时,干扰消除后希望n↑这时如TM-TL>0则正加速 例：a、b两点 a点，当n↑时， TM↓，当干扰消除后 由于TM－TL<0,所以n↓ b点，当n↑时， TM↑，当干扰消除后 由于TM－TL>0,所以n↑，直到a点处平衡。
机电传动控制
机电传动系统的动力学基础
机电传动系统的运动方程
单轴机电传动系统
dω dn TM − TL = J =k dt dt
意义：Tm与TL之差将产生加速度 当Tm > TL时，加速 当Tm < TL时，减速 当Tm = TL时，匀速（平衡）
(TM − TL = Td )
3、TM与TL的正反 以转速的方向为准（n） TM：与n同向时为正（拖动） 反之为负（制动） TL ：与n反向时为正（制动） 反之为负（拖动） 例：提升重物 启动：Tm为正， TL正 制动： TL为正，Tm为负
TM − TL = Td
− TM − TL = Td
生产机械的机械特性
机械特性： 生产机械转轴（电机轴）上的负载转矩和转 速之间的函数关系。 1、恒转矩型机械特性 特点： 负载转矩为常数， TL ＝C 反抗转矩 位能转矩
与n同号（总制动）摩擦、切削力
方向一定吊重物
2、离心式通风机型机械特性 、 特点： TL = Cn 2 ，负载转矩与转速平方成正比
END
1、电动机和生产机械的机械特性 曲线应有交点
此处：Tm=TL（匀速） 例：曲线1和2，附合这个条件,有a、b交点 曲线1和3，不附合
2、当有外加干扰使n变化时，干扰消除后n应能自行恢 复到原状态。 该条件的判断原则是: 该条件的判断原则是 当n ↑, TM < TL 由运动方程看
2机电传动系统的动力学基础
n f (TL )
n
TL K / n
T 恒功率型机械特性
0
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第二章 机电传动系统的动力学基础
2.4 机电传动系统稳定运行的条件
系统稳定运行的充要条件
（1）两机械特性有交叉点；
Sm （2）Δn为在平衡点处的转速变 化， 当Δn>0时，TM<TL TM-TL<0； 当Δn<0时，TM>TL TM-TL>0 a点是稳定平衡点，b点不是。
2. 机电传动系统的 动力学基础
2.1 2.2 2.3 2.4 机电传动系统的运动方程式 负载转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算 机电传动系统的负载特性 机电传动系统稳定运行的条件
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第二章 机电传动系统的动力学基础
2.0 重点和难点
重点：
1.运用运动方程式分别判别机电传动系统的运行状态。 2.运用稳定运行的条件来判别机电传动系统的稳定运行点。
难点：
1. 根据机电传动系统中 TM 、TL、n 的方向确定 TM 、TL 是拖动转 矩还是制动转矩，从而判别出系统的运行状态，是处于加速、 减速还是匀速； 2. 在机械特性上判别系统稳定工作点时、如何找出 TM 、TL
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第二章 机电传动系统的动力学基础
n f (TL )
n
TL
TL C
n
-TL
例： TL T 提升机构； 帯式运输机； 金属切削机床等（a）反抗转矩
（ 摩擦转矩）
T
（b）位能转矩 （因重力产生的转矩）
（T与n的方向恒为相反）
（T的方向恒定与无关）
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机电传动系统的动力学基础
j1
M 1
—电动机与中间传动机构的速比；
jL
M
—电动机与生产机械轴之间的速比；
§2.2 转矩.转动惯量和飞轮惯量的折算
三、转动惯量和飞轮惯量的折算
当速比j较大时，可用适当加大电动机轴转动惯量或 飞轮惯量来考虑中间传动机构转动惯量或飞轮惯量的影响。
折算到电动机轴上的总转动惯量（工程简化式）
成正比。 TL = C n 2 C为常数
三、直线型机械特性 特点：负载转矩与转速
成正比
TL=C n C为常数
§2.3 生产机械的机械特性
四、恒功率型机械特性 特点:功率基本不变， 负载转矩与转速成反比
TL＝C/n C为常数
§2.4机电传动系统的稳定运行条件
一、机电系统稳定运行的含义 1. 系统应能以一定速度匀速运行； 2. 系统受某种外部干扰（如电压波动、负载转矩
3. 在单轴拖动系统中，已知电动机输出转矩和负载转矩的作用方向 与转速的方向相同，则系统正处于
a. 加速 b. 减速 c. 匀速 d. 静止 4．在机电系统中，已知电动机输出转矩小于负载转矩，且电动机 的输出转矩作用方向与转速的方向相同，而负载转矩的方向与转速 相反，则系统正处于
a. 加速 b.减速 c.匀速 d.静止
a点： TM TL 0
当负载突然增加后 TM TL' 0 TM' TL' 0
当负载波动消除后 TM' TL 0 TM TL 0 故a点为系统的稳定平衡点。 同理b点不是稳定平衡点。
§2.3 生产机械的机械特性
机械特性：转矩与转速之间的特性关系。 生产机械的机械特性： n=f (T L) 电动机轴上的负载转矩与 转速n之间的关系特性。 电动机的机械特性：n=f (T M) 电动机轴上所产生的转矩和转速n之间关系的特性。
机电传动系统动力学基础讲诉课件
提出改善机电传动系统稳定性的措施 ，如优化系统参数和增加阻尼等。
稳定性分析方法
分析机电传动系统的稳定性，包括时 域分析和频域分析等方法。
04
机电传动系统动态响应仿真
仿真软件介绍
ANSYS Maxwell
一款强大的电磁场仿真软件，适 用于电机、发电机、变压器等设
备的电磁场分析。
ADAMS
机械系统动力学仿真软件，可对机 电系统进行运动学和动力学分析。
。
刚体动力学
总结词
研究刚体运动规律的学科
详细描述
刚体动力学是研究刚体运动规律的学 科，主要研究刚体的平动、转动和复 合运动等规律。刚体动力学在机械系 统、机器人、航空航天等领域有着广 泛的应用。
弹性力学基础
总结词
研究弹性物体变形和力的关系的学科
VS
详细描述
弹性力学是研究弹性物体变形和力的关系 的学科，主要研究弹性体的应力、应变和 位移等物理量之间的关系。弹性力学在机 械设计、材料科学、航空航天等领域有着 广泛的应用。
SolidWorks/Adams
用于建立和仿真机电传动系统的机械结构，支持多种优化算法和运 动学分析。
THANKS
感谢观看
分析系统的稳态性能，如电压 、电流、转矩等。
动态分析
分析系统的动态响应特性，如 启动、制动、调速等过程中的 性能表现。
优化设计
根据仿真结果对系统进行优化 设计，提高性能和效率。
故障诊断与预测
通过仿真分析系统可能出现的 故障模式和原因，为实际运行 中的故障诊断和预防提供依据
。
05
机电传动系统优化设计
机电传动系统动力学基础讲诉课件
目录
• 机电传动系统概述 • 机电传动系统动力学基础 • 机电传动系统动态特性分析 • 机电传动系统动态响应仿真 • 机电传动系统优化设计
机电传动系统的动力学基础
机电传动系统的动力学基础基本要求：①掌握机电传动系统的运行方程式，学会用它来分析与判别机电传动系统的运行状态；②了解在多轴拖动系统中，为了列出系统的运动方程式，必须将转矩等进行折算，掌握其折算的基本原则和方法；③了解几种典型生产机械的机械特性n ＝f (TL)；④掌握机电传动系统稳定运行的条件，并学会用它来分析与判别系统的稳定平衡点。
难点：根据机电传动系统中TM 、TL、n的方向，确定TM 、TL是拖动转矩还是制动转矩，从而判别出系统的运行状态，是处于加速、减速还是匀速；在机械特性上判别系统稳定工作点时，如何找出TM 、TL。
2.1 机电传动系统的运动方程式机电传动系统是一个由电动机拖动，并通过传动机构带动生产机械运转的机电运动的动力学整体。
2.1 机电传动系统的运动方程式机电传动系统的运动方程式是描述机电系统机械运动规律的最基本方程式，它决定着系统的运行状态。
dn动态转矩T d ＝T M －T L ；加速度 a ＝dt＝0时，a＝0 ，表示系统处于稳态，系统为匀速运动。
当Td≠0时，a≠0 ，表示系统处于动态，当TdT＞0时，拖动转矩＞制动转矩，a为正，系统加速运动；dT＜0时，拖动转矩＜制动转矩，a为负，系统减速运动。
d2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算机电传动系统运动方程式中的转矩、转动惯量及飞轮转矩等，均分别为同一轴上的数值。
若运动系统为多轴系统，则必须将上述各量折算到同一转轴上才能列出整个系统的运动方程式。
由于一般均以传动系统的电动机轴为研究对象，因此，一般都是将它们折算到电动机轴上。
转矩折算应依据系统传递功率不变的原则。
转动惯量和飞轮转矩折算应依据系统贮存的动能 不变的原则。
2.2.1 负载转矩的折算依据系统传递功率不变的原则 实际负载功率=折算后的负载功率)7.2(cL L LM L L L M L L L j T T j T T T T T ηωωωω'='='=='多轴旋转拖动系统⋯=⋯=321321 传动效率)(/ 速比ηηηηωωc LM j j j j多轴直线运动系统（下放重物））8.2（55.9602Mc L Mc L M L n FvT n Fv T T Fv ηπωωηω====)9.2(55.9c ML n FvT η'=c c cc ηηηη<'-='122.2.2转动惯量和飞轮转矩的折算（旋转型）依据动能守恒原则，折算到电机轴上的总转动惯量为数。
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机电传动系统的动力学基础-工程
基本要求：
①掌握机电传动系统的运行方程式，学会用它来分析与判别机电传动系统的运行状态；②了解在多轴拖动系统中，为了列出系统的运动方程式，必须将转矩等进行折算，掌握其折算的基本原则和方法；③了解几种典型生产机械的机械特性 n ＝f (TL)；④掌握机电传动系统稳定运行的条件，并学会用它来分析与判别系统的稳定平衡点，。
难点：根据机电传动系统中TM、TL、n的方向，确定TM、TL是拖动转矩还是制动转矩，从而判别出系统的运行状态，是处于加速、减速还是匀速；在机械特性上判别系统稳定工作点时，如何找出TM、TL。
2.1 机电传动系统的运动方程式机电传动系统是一个由电动机拖动，并通过传动机构带动生产机械运转的机电运动的动力学整体。
2.1 机电传动系统的运动方程式机电传动系统的运动方程式是描述机电系统机械运动规律的最基本方程式，它决定着系统的运行状态。
动态转矩 Td ＝ TM － TL ；加速度 a ＝当Td＝0时，a＝0 ，表示系统处于稳态，系统为匀速运动。
当Td≠0时，a≠0 ，表示系统处于动态， Td＞0时，拖动转矩＞制动转矩，a为正，系统加速运动； Td＜0时，拖动转矩＜制动转矩，a为负，系统减速运动。
2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算机电传动系统运动方程式中的转矩、转动惯量及飞轮转矩等，均分别为同一轴上的数值。
若运动系统为多轴系统，则必须将上述各量折算到同一转轴上才能列出整个系统的运动方程式。
由于一般均以传动系统的电动机轴为研究对象，因此，一般都是将它们折算到电动机轴上。
转矩折算应依据系统传递功率不变的原则。
转动惯量和飞轮转矩折算应依据系统贮存的动能不变的原则。
2.2.1 负载转矩的折算依据系统传递功率不变的原则实际负载功率=折算后的负载功率多轴旋转拖动系统多轴直线运动系统（下放重物）2.2.2转动惯量和飞轮转矩的折算（旋转型）依据动能守恒原则，折算到电机轴上的总转动惯量为；依据动能守恒原则，折算到电机轴上的总飞轮矩为经验公式直线运动系统折算到电机轴上
的总转动惯量、飞轮矩为多轴系统的运动方程式例题1：解（1）解（2）近似计算2.3 生产机械的机械特性电动机拖动生产机械运转，构成一个电力拖动系统，其工作状况不仅取决于电动机的特性，同时也取决于作为负载的生产机械的特性。
负载的机械特性：生产机械的负载转矩与转速之间的关系。
负载的机械特性由负载性质决定，按生产机械在运动中所受阻力的性质不同，分成几种类型：① 恒转矩负载——恒转矩型机械特性② 泵与风机类负载——通风机型机械特性③ 恒功率负载——恒功率型机械特性④ 直线型负载——直线型机械特性
负载的转矩特性即机械特性：
按生产机械在运动中所受阻力的性质不同，分成几种类型的负载。
1、恒转矩型机械特性负载转矩的大小为常量，与转速无关。
(1)反抗性恒转矩负载转矩方向总是和转速方向相反，永远是阻转矩。
如：机床加工过程中切削力产生的负载转矩。
(2)势能性恒转矩负载转矩方向不随转速方向改变。
如：卷扬机起吊重物时重力产生的负载转矩。
基本要求：
①掌握机电传动系统的运行方程式，学会用它来分析与判别机电传动系统的运行状态；②了解在多轴拖动系统中，为了列出系统的运动方程式，必须将转矩等进行折算，掌握其折算的基本原则和方法；③了解几种典型生产机械的机械特性 n ＝f (TL)；④掌握机电传动系统稳定运行的条件，并学会用它来分析与判别系统的稳定平衡点。
难点：根据机电传动系统中TM、TL、n的方向，确定TM、TL 是拖动转矩还是制动转矩，从而判别出系统的运行状态，是处于加速、减速还是匀速；在机械特性上判别系统稳定工作点时，如何找出TM、TL。
2.1 机电传动系统的运动方程式机电传动系统是一个由电动机拖动，并通过传动机构带动生产机械运转的机电运动的动力学整体。
2.1 机电传动系统的运动方程式机电传动系统的运动方程式是描述机电系统机械运动规律的最基本方程式，它决定着系统的运行状态。
动态转矩 Td ＝ TM － TL ；加速度 a ＝当T d＝0时，a＝0 ，表示系统处
于稳态，系统为匀速运动。
当Td≠0时，a≠0 ，表示系统处于动态， Td＞0时，拖动转矩＞制动转矩，a为正，系统加速运动； Td＜0时，拖动转矩＜制动转矩，a为负，系统减速运动，工程
《机电传动系统的动力学基础》(https://www.)。
2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算机电传动系统运动方程式中的转矩、转动惯量及飞轮转矩等，均分别为同一轴上的数值。
若运动系统为多轴系统，则必须将上述各量折算到同一转轴上才能列出整个系统的运动方程式。
由于一般均以传动系统的电动机轴为研究对象，因此，一般都是将它们折算到电动机轴上。
转矩折算应依据系统传递功率不变的原则。
转动惯量和飞轮转矩折算应依据系统贮存的动能不变的原则。
2.2.1 负载转矩的折算依据系统传递功率不变的原则实际负载功率=折算后的负载功率多轴旋转拖动系统多轴直线运动系统（下放重物）2.2.2转动惯量和飞轮转矩的折算（旋转型）依据动能守恒原则，折算到电机轴上的总转动惯量为；依据动能守恒原则，折算到电机轴上的总飞轮矩为经验公式直线运动系统折算到电机轴上的总转动惯量、飞轮矩为多轴系统的运动方程式例题1：解（1）解（2）近似计算2.3 生产机械的机械特性电动机拖动生产机械运转，构成一个电力拖动系统，其工作状况不仅取决于电动机的特性，同时也取决于作为负载的生产机械的特性。
负载的机械特性：生产机械的负载转矩与转速之间的关系。
负载的机械特性由负载性质决定，按生产机械在运动中所受阻力的性质不同，分成几种类型：① 恒转矩负载——恒转矩型机械特性② 泵与风机类负载——通风机型机械特性③ 恒功率负载——恒功率型机械特性④ 直线型负载——直线型机械特性
负载的转矩特性即机械特性：
按生产机械在运动中所受阻力的性质不同，分成几种类型的负载。
1、恒转矩型机械特性负载转矩的大小为常量，与转速无关。
(1)反抗性恒转矩负载转矩方向总是和转速方向相反，永远是阻转矩。
如：机床加工过程中切削力产生的负载转矩。
(2)势能性恒转矩负载转矩方向不随转速方向改变。
如：卷扬机起吊重物时重力产生的负载转矩。
2、通风机型机械特性如：水泵，离心式鼓风机等。
负载转矩的大小基本上与转速的平方成正比。
3、恒功率型机械特性如：机床加工过程中的进刀。
负载转矩与转速乘积为一常数，即负载转矩与转速成反比。
4、直线型机械特性如：他励直流发电机作实验模拟负载负载转矩的大小与转速成正比。
2.4 机电传动系统稳定运行的条件在机电传动系统中，电动机与生产机械连成一体，为了使系统运行合理，就要使电动机与生产机械两者的机械特性尽量相配合。
特性配合好的一个基本要求是系统要能稳定运行。
1、机电传动系统稳定运行的含义一是系统应能以一定速度匀速运转，即电动机轴上的拖动转矩TM和折算到电动机轴上的负载转矩TL大小相等，方向相反，相互平衡，这是必要条件。
二是系统受某种外部干扰作用(如电压波动、负载转矩波动等)而使运行速度稍有变化时，应保证在干扰消除后系统能恢复到原来的运行速度，这是充分条件。
2、稳定工作点的判别① 电动机和生产机械的机械特性曲线n＝f (TM) 和 n＝f (TL)有交点(即拖动系统的平衡点)。
② 给该点施加干扰，使转速变化，然后取消干扰，如果转速能恢复，则该点为稳定点，反之为不稳定点。
当转速大于平衡点所对应的转速时，必须有TM＜TL。
即若干扰使转速上升，当干扰消除后应有TM－TL＜0，才能使系统减速而回到平衡点。
当转速小于平衡点所对应的转速时，必须有TM ＞TL。
即若干扰使转速下降，当干扰消除后应有TM－TL＞0，才能使系统加速而回到平衡点。
3、判别稳定工作点的实用方法“1”电动机的机械特性 n＝f (TM)“2”生产机械的机械特性 n＝f (TL)当干扰出现使TL →TL′，TM暂时不变，有TM＞TL′，使n →n ′，TM →TM′，即使A点→A′点，TL′＝TM′；当干扰消除使TL′→TL，TM′暂时不变，有TM′＜TL ，使n ′ →n ，TM′→TM，即使A′点→A点，TL＝TM；4、举例1”异步电动机的机械特性 n＝f (TM)“2”恒转矩型生产机械的机械特性 n＝f (TL)A点是稳定平衡点，B点不是稳定平衡点。
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