第二章
电力拖动系统的动力学
Dynamics of Electric
Drive Systems
本章教学基本要求
1.了解电力拖动基本概念；
2.熟悉电力拖动系统运动方程式；
3.掌握拖动转矩和负载转矩的概念。
重点：
运动方程式和负载转矩。
2.1典型生产机械的运动形式及转矩
2.1.1电力拖动系统的基本概念
1.电力拖动
拖动：原动机带动生产机械运转叫 拖动 。
电力拖动：电动机作为原动机，生产机械是负
载，电动机带动生产机械运转的拖动方式称 电
力拖动 。
2.电力拖动系统：用电动机将电能转换成机械能，拖动
生产机械，并完成一定工艺要求的系统。
2.电力拖动系统组成
图 2-1 电力拖动系统
传动机构 生产机械控制系统 电动机
电源
采用电力拖动主要原因
现代化生产中，多数生产机械都采用电
力拖动，主要原因是,
1,电能的运输、分配、控制方便经济。
2,电动机的种类和规格很多，它们具有各种
各样的特性，能很好的满足大多数生产机
械的不同要求。
3,电力拖动系统的操作和控制简便，可以实
现自动控制和远距离操作等等。
2.1.2典型生产机械运动形式及转矩
? 电力拖动系统：单轴（重点介绍）、多轴（可
折算成单轴）。
? 运动形式：旋转、平移、升降。
? 机械转矩形式：摩擦力产生、重力产生。
n T T 2
M
-
电动机 负载
单轴电力拖动系统
2.2单轴电力拖动系统运动方程式
? 单轴：生产机械与电动机同轴，即,
? 2.2.1 单轴电力拖动系统运动方程式
由牛顿第二定律知作直线运动的物体存在：
LMLM nn ?? ?? 或
ma
dt
dvmFF ???
21
转动方程式
同理，对于作旋转运动的物体：
（ 2-1）
J为电动机轴上总转动惯量单位 kg·m 2
dt
dJTT
L
???
实用公式
? 将运动方程式中，转动惯量 J 用飞轮矩
GD2表示，角速度 Ω 用转速 n 表示,由于 J
与 GD2的关系为
? （ 2-2）
? 所以
? （ 2-3）
g
GDD
g
GmJ
42
22
2 ??
?
??
?
??? ?
gL Tdt
dnGD
TT ???
375
2
说明
分秒
米单位
?
??,
2
604375
?
g
? GD2是一个整体，不是 G与 D2的乘积，
GD2 由产品样本或机械手册上查出。 GD2
中的 D 为回转直径，不是实际直径。 关于
ρ 或 D 的物理概念可参见课本第 39页。
运动方程式的分析
? 各转矩正方向的规定：
? n的正方向：顺时针；
? T的正方向：当 T与 n（ +）相同时为正；
? TL的正方向：当 TL 与 n（ +）方向相反时为
正；
? 惯性转矩 Tg的方向：由 T 与 TL的代数和来
决定。
? （讨论）
各量表示法
上述各量可用轴的剖面图或直角坐标系来表示
n
T
0
T L
n
T
T L
a 轴的剖面图 b 直角坐标系
转速 n, 转矩 T, 负载转矩 T L 的正方向
2.3多轴电力拖动系统转矩及飞轮矩
折算
? 工程上为了节省材料，电动机转速都较高。输出
功率一定时，即 P=TΩ=常数，当 Ω↓ → T ↑,由于
T=CTΦIa,则 Ia ↑ 和 Φ ↑, Ia ↑ →导线粗； Φ ↑
→ 铁磁材料多。
? 一般设计电动机速度高，通过提高 Ω →降低 T,
节省材料。
? 生产机械要求低速，而电动机设计的转速较高，
二者之间必有减速装置，故一般电力多动系统多
为多轴拖动系统。
2.3.1多轴系统
n T
M
-
电动机
负载
多轴电力拖动系统
T L
'
2.3.2多轴系统折算
分析多轴系统采用的方法是：用一个等
效的单轴系统代替原来实际的多轴系统。这
种方法称为,折算,。
折算原则,折算前后系统传递功率不
变，系统的动能不变。
折算方向,一般是从生产机械轴向电动
机轴折算。原因是研究对象是电动机。且电
动机轴一般是高速。根据传送功率不变的原
则，高速轴上的负载转矩数值小。
2.4负载的机械特性
负载的机械特性是指生产机械的转矩与
转速之间的关系即,n=f(TL)
? 2.4.1恒转矩负载特性
恒转矩负载是指负载转矩为常数，其大
小与转速 n无关。
恒转矩负载分：反抗性负载特性和位能
性负载特性。
1.反抗性恒转矩负载特性
? 特点：恒值负载转矩 TL总是与转速 n的方向
相反，即作用方向总是阻碍运动的方向。
? 当正转时 n为正,TL与 n方向相反，应
为正，即在第一象限
? 当反转时 n为负,TL与 n方向相反，应
为负，即在第三象限。
反抗性恒转矩负载
当转速 n=0时，外加
转矩不足以使系统运动。
根据作用力与 反作用力原
理，这时反抗力负载转矩
大小和方向取决于外加转
矩的大小和方向。即与外
加转矩大小相等，方向相
反。负载转矩特性应与横
轴重合。例如轧机，机床
刀架平移机构等。
n
T
n = f ( T L )
0- T
L T L
反抗性负载转矩特性
2.位能性恒转矩负载特性
? 特点,TL的方向与 n的方向无关。 TL具有
固定不变的方向。
? 例如：起重机的提升机构，不论是提升重
物还是下放重物，重力的作用总是方向朝
下的，即重力产生的负载转矩方向固定。
位能性恒转矩负载
例如：起重机的提升
机构，不论是提升重物
还是下放重物，重力的
作用总是方向朝下的。
即重力产生的负载转矩
方向固定不变，故在第
一和第四象限。
n
T
n = f ( T L )
0 T
L
位能性负载转矩特性
2.4.2,恒功率负载转矩特性
? 特点：当转速 n变化时，负载功率基本不变。
? 根据
? 如车床的主轴机构和轧钢机的主传动。
? 适用于金属切削车床。
nP
PT
?2
60
2
2
L ?????
常数???? LTP 2
n
T L
1
?
恒功率负载转矩
? 适用于金属切削车
床。
粗加工时, n 低，
T 大；
精加工时,n 高，
T小。
n
T L
n = f ( T L )
0
恒功率负载转矩特性
2.4.3风机泵类负载
? 阻力与转速平方成正
比，即有：
? 如水泵，油泵等，如
图所示，虚线是在考
虑了轴承上的摩擦转
矩后得出的实际鼓风
机负载转矩。
2
L
2 nTknT
L ?? 或
n
T
n = f ( T L )
0
位能性负载转矩特性
本章小结
? 电力拖动系统由电动机、传动机构、
生产机械、控制设备等组成，它的运行状
态与电动机机械特性及负载特性有关。电
动机的典型负载分：位能性和反抗性恒转
矩负载、恒功率负载以及通风机类负载。
第二章作业,Problems
?思考题,P48 2-1,2-2,2-3,2-4、
2-7
?作业,P48 2-9。
电力拖动系统的动力学
Dynamics of Electric
Drive Systems
本章教学基本要求
1.了解电力拖动基本概念；
2.熟悉电力拖动系统运动方程式；
3.掌握拖动转矩和负载转矩的概念。
重点：
运动方程式和负载转矩。
2.1典型生产机械的运动形式及转矩
2.1.1电力拖动系统的基本概念
1.电力拖动
拖动：原动机带动生产机械运转叫 拖动 。
电力拖动：电动机作为原动机，生产机械是负
载，电动机带动生产机械运转的拖动方式称 电
力拖动 。
2.电力拖动系统：用电动机将电能转换成机械能，拖动
生产机械，并完成一定工艺要求的系统。
2.电力拖动系统组成
图 2-1 电力拖动系统
传动机构 生产机械控制系统 电动机
电源
采用电力拖动主要原因
现代化生产中，多数生产机械都采用电
力拖动，主要原因是,
1,电能的运输、分配、控制方便经济。
2,电动机的种类和规格很多，它们具有各种
各样的特性，能很好的满足大多数生产机
械的不同要求。
3,电力拖动系统的操作和控制简便，可以实
现自动控制和远距离操作等等。
2.1.2典型生产机械运动形式及转矩
? 电力拖动系统：单轴（重点介绍）、多轴（可
折算成单轴）。
? 运动形式：旋转、平移、升降。
? 机械转矩形式：摩擦力产生、重力产生。
n T T 2
M
-
电动机 负载
单轴电力拖动系统
2.2单轴电力拖动系统运动方程式
? 单轴：生产机械与电动机同轴，即,
? 2.2.1 单轴电力拖动系统运动方程式
由牛顿第二定律知作直线运动的物体存在：
LMLM nn ?? ?? 或
ma
dt
dvmFF ???
21
转动方程式
同理，对于作旋转运动的物体：
（ 2-1）
J为电动机轴上总转动惯量单位 kg·m 2
dt
dJTT
L
???
实用公式
? 将运动方程式中，转动惯量 J 用飞轮矩
GD2表示，角速度 Ω 用转速 n 表示,由于 J
与 GD2的关系为
? （ 2-2）
? 所以
? （ 2-3）
g
GDD
g
GmJ
42
22
2 ??
?
??
?
??? ?
gL Tdt
dnGD
TT ???
375
2
说明
分秒
米单位
?
??,
2
604375
?
g
? GD2是一个整体，不是 G与 D2的乘积，
GD2 由产品样本或机械手册上查出。 GD2
中的 D 为回转直径，不是实际直径。 关于
ρ 或 D 的物理概念可参见课本第 39页。
运动方程式的分析
? 各转矩正方向的规定：
? n的正方向：顺时针；
? T的正方向：当 T与 n（ +）相同时为正；
? TL的正方向：当 TL 与 n（ +）方向相反时为
正；
? 惯性转矩 Tg的方向：由 T 与 TL的代数和来
决定。
? （讨论）
各量表示法
上述各量可用轴的剖面图或直角坐标系来表示
n
T
0
T L
n
T
T L
a 轴的剖面图 b 直角坐标系
转速 n, 转矩 T, 负载转矩 T L 的正方向
2.3多轴电力拖动系统转矩及飞轮矩
折算
? 工程上为了节省材料，电动机转速都较高。输出
功率一定时，即 P=TΩ=常数，当 Ω↓ → T ↑,由于
T=CTΦIa,则 Ia ↑ 和 Φ ↑, Ia ↑ →导线粗； Φ ↑
→ 铁磁材料多。
? 一般设计电动机速度高，通过提高 Ω →降低 T,
节省材料。
? 生产机械要求低速，而电动机设计的转速较高，
二者之间必有减速装置，故一般电力多动系统多
为多轴拖动系统。
2.3.1多轴系统
n T
M
-
电动机
负载
多轴电力拖动系统
T L
'
2.3.2多轴系统折算
分析多轴系统采用的方法是：用一个等
效的单轴系统代替原来实际的多轴系统。这
种方法称为,折算,。
折算原则,折算前后系统传递功率不
变，系统的动能不变。
折算方向,一般是从生产机械轴向电动
机轴折算。原因是研究对象是电动机。且电
动机轴一般是高速。根据传送功率不变的原
则，高速轴上的负载转矩数值小。
2.4负载的机械特性
负载的机械特性是指生产机械的转矩与
转速之间的关系即,n=f(TL)
? 2.4.1恒转矩负载特性
恒转矩负载是指负载转矩为常数，其大
小与转速 n无关。
恒转矩负载分：反抗性负载特性和位能
性负载特性。
1.反抗性恒转矩负载特性
? 特点：恒值负载转矩 TL总是与转速 n的方向
相反，即作用方向总是阻碍运动的方向。
? 当正转时 n为正,TL与 n方向相反，应
为正，即在第一象限
? 当反转时 n为负,TL与 n方向相反，应
为负，即在第三象限。
反抗性恒转矩负载
当转速 n=0时，外加
转矩不足以使系统运动。
根据作用力与 反作用力原
理，这时反抗力负载转矩
大小和方向取决于外加转
矩的大小和方向。即与外
加转矩大小相等，方向相
反。负载转矩特性应与横
轴重合。例如轧机，机床
刀架平移机构等。
n
T
n = f ( T L )
0- T
L T L
反抗性负载转矩特性
2.位能性恒转矩负载特性
? 特点,TL的方向与 n的方向无关。 TL具有
固定不变的方向。
? 例如：起重机的提升机构，不论是提升重
物还是下放重物，重力的作用总是方向朝
下的，即重力产生的负载转矩方向固定。
位能性恒转矩负载
例如：起重机的提升
机构，不论是提升重物
还是下放重物，重力的
作用总是方向朝下的。
即重力产生的负载转矩
方向固定不变，故在第
一和第四象限。
n
T
n = f ( T L )
0 T
L
位能性负载转矩特性
2.4.2,恒功率负载转矩特性
? 特点：当转速 n变化时，负载功率基本不变。
? 根据
? 如车床的主轴机构和轧钢机的主传动。
? 适用于金属切削车床。
nP
PT
?2
60
2
2
L ?????
常数???? LTP 2
n
T L
1
?
恒功率负载转矩
? 适用于金属切削车
床。
粗加工时, n 低，
T 大；
精加工时,n 高，
T小。
n
T L
n = f ( T L )
0
恒功率负载转矩特性
2.4.3风机泵类负载
? 阻力与转速平方成正
比，即有：
? 如水泵，油泵等，如
图所示，虚线是在考
虑了轴承上的摩擦转
矩后得出的实际鼓风
机负载转矩。
2
L
2 nTknT
L ?? 或
n
T
n = f ( T L )
0
位能性负载转矩特性
本章小结
? 电力拖动系统由电动机、传动机构、
生产机械、控制设备等组成，它的运行状
态与电动机机械特性及负载特性有关。电
动机的典型负载分：位能性和反抗性恒转
矩负载、恒功率负载以及通风机类负载。
第二章作业,Problems
?思考题,P48 2-1,2-2,2-3,2-4、
2-7
?作业,P48 2-9。
