现代机电设备基础知识.docx

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现代机电设备基础知识

第一章机电设备的发展与分类

第一节机电设备的发展

机电设备广泛用于国民经济各行业。

机电设备的技术水平，在一定程度上反映了国家工业生产的水平和能力。

所以，采用先进的机电设备，管好、用好机电设备，对提高企业效益，促进国民经济的发展都起着十分重要的作用。

一、机电设备的发展过程

机电设备是随着科学技术的发展而不断发展的。

传统的机电设备是以机械技术和电气技术应用为主的设备。

例如，普通机床，其运动的传递、运动速度的变换主要是由机械机构来实现的，而运动的控制则是由开关、接触器、继电器等电器构成的电气系统来实现的，这里的“机”、“电”分别构成各自独立的系统，两者的“融合性”很差，这是传统机电设备的共同特点。

虽然，传统的机电设备也能实现自动化，但是自动化程度低，功能有限，耗材多，能耗大，设备的工作效率低，性能水平不高。

为了提高机电设备的自动化程度和性能，从20世纪60年代开始，人们自觉或不自觉地将机械技术与电子技术结合，以改善机械产品的性能，结果出现了许多性能优良的机电产品或设备。

到了20世纪70、80年代，微电子技术获得了惊人的发展，各种功能的大规模集成电路不断涌现，导致计算机与信息技术广泛使用。

这时人们自觉、主动地利用微电子技术的成果，开发新的机电产品或设备，使得机电产品或设备的发展发生了脱胎换骨的变化，机电产品或设备不再是简单的“机”和“电”相加，而是成为集机械技术、控制技术、计算机与信息技术等为一体的全新技术产品。

到了20世纪90年代，这种机电一体化技术迅猛发展，时至今日，机电一体化产品或设备已经透渗到国民经济和社会生活的各个领域。

二、现代机电设备的特点

现代机电设备，如电动缝纫机、电子调速器、自动取款机、自动售票机、自动售货机、自动分检机、自动导航装置、数控机床、自动生产线、工业机器人、智能机器人等都是应用机电一体化技术为主的设备。

与传统机电设备相比，现代机电设备具有以下特点：

1、体积小，重量轻

机电一体化技术使原有的机械结构大大简化，如电动缝纫机的针脚花样主要是由一块单片集成电路来控制的，而老式缝纫机的针脚花样是由350个零件构成的机械装置控制的。

机械结构的简化，使设备的结构减小，重量减轻，用材减少。

2、工作精度高

机电一体化技术使机械的传动部件减少，因而使机械磨损所引起的传动误差大大减少。

同时还可以通过自动控制技术进行自行诊断、校正、补偿由各种干扰所造成的误差，从而使得机电设备的工作精度有很大的提高。

3、可靠性、灵敏性提高

由于采用电子元器件装置代替了机械运动构件和零部件，因而避免了机械接触式存在的润滑、磨损、断裂等问题，使可靠性和灵敏性大幅度提高。

4、具有柔性

例如在数控机床上，加工不同零件时，只需重新编制程序就能实现对零件的加工，它不同于传统的机床，不需要更换工、夹具，不需要重新调整机床就能快速地从加工一种零件转变为加工另一种零件。

所以，适应多品种、小批量的加工要求。

由于现代机电设备具有上述特点，所以具有节能、高质、低成本的共性，而机电一体化技术也是世界各国竞相发展的技术。

三、机电设备的发展趋势

机电设备的发展趋势也就是机电一体化技术的发展趋势，典型的机电一体化产品———数控机床的发展方向，便具有代表性。

1、机电设备的高性能化趋势

高性能化一般包括高速度、高精度、高效率和高可靠性。

为了满足“四高”的要求，新一代数控系统采用了32位多CPU结构，在伺服系统方面使用了超高速数字信号处理器，以达到对电动机的高速、高精度控制；为了提高加工精度，采用高分辨率、高响应的检测传感器和各种误差补偿技术；在提高可靠性方面，新型数控系统大量使用大规模和超大规模集成电路，从而减少了元器件数量和它们之间连线的焊点，以降低系统的故障率，提高可靠性。

2、机电设备的智能化趋势

人工智能在机电设备中的应用越来越多，例如自动编程智能化系统在数控机床上的应用。

原来必须由编程员设定的零件加工部位、加工工序、使用刀具、切削条件、刀具使用顺序等，现在可以由自动编程智能化系统自动地设定，操作者只需输入工件素材的形状和加工形状的数据，加工程序就可自动生成。

这样不仅缩短了数控加工的编程周

期，而且简化了操作。

目前，除了在数控编程和故障诊断智能化外，还出现了智能制造系统控制器，这种控制器可以模拟专家的智能制造活动，对制造中的问题进行分析、判断、推理、构思和决策。

因此，随着科学技术的进步，各种人工智能技术将普遍应用于机电设备之中。

3、机电设备的系统化发展趋势

由于机电一体化技术在机电设备中的应用，机电设备的构成已不是简单的“机”和“电”，而是由机械技术、微电子技术、自动控制技术、信息技术、传感技术、软件技术构成的一个综合系统，各技术之间相互融合，彼此取长补短，其融合程度越高，系统就越优化。

所以机电设备的系统化发展，可以获得最佳性能。

4、机电设备的轻量化发展趋势

随着机电一体化技术在机电设备中的广泛应用，机电设备正在向轻量化方向发展，这是因为，构成机电设备的机械主体除了使用钢铁材料之外，还广泛使用复合材料和非金属材料。

加上电子装置的组装技术的进步，设备的总体尺寸也越来越小。

第二节机电设备的分类

机电设备门类、品种、规格繁多，涉及面广，其分类方法多种多样，没有统一的国家标准。

为了便于了解，本节只对典型、常用的机电设备作介绍。

一、机电设备分类方法与类型

广义的机电设备分类通常有以下两种：

1、按设备与能源关系分类

这种分类适应科学研究需要，通常分为：

（1）电工设备又可分为电能发生设备、电能输送设备和电能应用设备。

（2）机械设备又可分为机械能发生设备、机械能转换设备和机械能工作设备。

2、按部门需要分类

第三节现代机电设备的基本构成

机电设备门类多，工作原理各不相同，结构差异性大，但基本构成可以分为：

机械系统、液压与气压传动系统、电控系统和动力源。

一、机械系统

机械系统主要包括：

机体、传动机构和润滑、密封装置。

1、机体

机体是指机器或机电设备的驱体，如机壳、机架、机床的床身、立柱、变速箱体等。

其功能是用于固定各种传动装置、驱动装置、控制装置以及执行机构等。

现代机电设备对机体的要求很高，如重量轻、体积小、刚度大、精度高、外观美、操作方便，因此，机体结构的合理性和材料的使用直接影响机电设备的性能。

2、传动机构

传动机构的作用是把动力源的动力和运动传递给工作机械（执行机构），以完成预定的工作。

在传递过程中有时需完成变速、变向和改变转矩的任务。

常用的机械传动机构有：

带传动机构、链传动机构、齿轮传动机构以及滚珠丝杆传动机构等。

常用的变速机构主要是分级变速机构。

3、润滑系统

机械系统中作相对运动的零部件，在工作时会产生摩擦。

为了减少摩擦阻力，降低

磨损程度，控制机械系统的温升，提高机械效率和使用寿命，必须对机械的摩擦部位进

行润滑。

滑动轴承常用的润滑方式有间歇润滑和连续润滑两种。

（1）、间歇润滑

低速轻载的滑动轴承常采用间隙润滑，使用的装置有压注油杯和旋盖式油杯。

压注油杯如图1-2-8a所示，使用时用油壶把油注入油孔，使润滑油进入润滑部

位。

旋盖式油杯如图1-2-8b所示，润滑脂装满在油杯中，定期地把盖旋紧，润滑脂被

挤入轴承。

（2）、连续润滑

承受速度较高、载荷大的滑动轴承，常采用连续润滑，润滑装置和方式有下列几种。

1）针阀油杯如图1-2-9所示，这种油杯用于滴油润滑。

滴油量由针阀控制，

当需要加油时，将手柄直立，针阀被提起，油孔打开，油滴入润滑点上，不需加油时，将手柄放倒，针阀堵住油孔，供油停止。

调节螺母可调节供油量大小。

2）油环润滑如图1-2-10,所示，这种润滑是在轴颈上套上油环，油环又浸入到

油池中。

当轴回转时带动油环旋转，把油引入轴承进行润滑。

此方式只适合水平轴。

3）飞溅润滑如图1-2-11所示，这种方式是将转动零件，如齿轮、甩油盘等浸

入油池适当深度，旋转时将油飞溅到箱盖上后，油在通过油沟流入轴承。

齿轮箱中的轴承润滑常用这种方法。

4）压力润滑用一定压力将润滑油输送到轴承处。

此方法适用于高速、重载要求连续供油的轴承，但润滑装置复杂，成本较高。

二、电气控制系统

1、电动机

（一）电动机的分类

通常将电动机按使用电源分为三大类：

交流电动机（异步电动机、同步电动机）、直流电动机和交、直两用电动机。

据统计，目前国内90%左右的电力拖动机械采用交流电动机，在电网总负荷中，交流电动机中的异步电动机用电量占60%以上。

因此本书重点讲述交流异步电动机。

交流异步电动机又有单相、三相之分。

单相异步电动机一般为1KW以下的小功率电动机，主要包括电阻分相式、电容分相式、电容运转式、电容起动运转式和罩极式；三相异步电动机按转子型式，分为笼型转子和绕线转子两大类，笼型转子结构简单，应用最广泛。

（二）三相异步电动机的结构

三相异步电动机主要由定子和转子两个基本部分组成，转子分为笼型转子和绕线型转子两种。

如图所示。

图封闭式三相笼型异步电动机结构图

1—轴承；2—前端盖；3—转轴；4—接线盒；5—吊环；6—定子铁心

7—转子；8—定子绕组；9—机座；10—后端盖；11—风罩；12—风扇

1、定子

三相异步电动机的定子部分，包括机座、定子铁心和定子绕组。

机座用铸铁或铸钢制成，它支承着定子铁心。

定子铁心由互相绝缘的硅钢片叠制而成。

铁心的内圆有槽孔，定子绕组嵌在槽内。

（a）定子铁心（b）定子冲片

图定子铁心及冲片示意图

定子绕组是电动机的电路部分，通入三相交流电，产生旋转磁场。

由三个在空间互隔120°电角度、对称排列的结构完全相同绕组连接而成，这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。

以U1，V1，W1分别代表三个绕组的首端，以U2，V2，W2分别代表三个绕组的末端。

定子绕组必须作星形或三角形联结，如图所示。

星形联结三角形联结

2、转子

转子有转子铁心、转子绕组和转轴等部分组成。

转子铁心 作为电机磁路的一部分以及在转子铁心的每一个槽中插入一根铜条，在铜条两端各用一个铜环（称为端环）把导条连接起来，称为铜排转子，如图所示。

（a）铜排转子（b）铸铝转子

图笼形转子绕组

定子的作用是产生旋转磁场，转子的作用是产生电磁转矩。

（三）、三相异步电动机的工作原理

1、三相交流电机的旋转磁场

三相异步电动机转子之所以会旋转、实现能量转换，是因为转子气隙内有一个旋转磁场。

下面来讨论旋转磁场的产生。

如图所示，U1U2,V1V2,W1W2为三相定子绕组，在空间彼此相隔120°，接成Y形。

三相绕组的首端U1,V1,W1接在三相对称电源上，有三相对称电流通过三相绕组。

设电源的相序为U,V,W,的初相角为零，如图波形图所示。

为了分析方便，假设电流为正值时，在绕组中从始端流向末端，电流为负值时，在绕组中从末端流向首端。

当wt=0的瞬间，iu=0，iv为负值，iw为正值，根据”右手螺旋定则”，三相电流所产生的磁场叠加的结果，便形成一个合成磁场，如图（a）所示，可见此时的合成磁场是一对磁极（即二极），上边（A）是N极，下边（x）是S极。

空间120度对称分布的三相绕组通过三相对称的交流电流时，产生的合成磁场为极对数p=1的空间旋转磁场，每电源周期旋转一周，即两个极距；某相绕组中电流达到最大值时，磁极轴线恰好旋转到该相绕组轴线上。

三相交流电的旋转磁场

当wt=90°时，即经过1/4周期后，iu由零变成正的最大值，iV仍为负值，iW已变成负值，如图4-4所示，这时合成磁场的方位与wt=0°时相比，已按逆时针方向转过了90°。

应用同样的方法，可以得出如下结论：

当wt=90°时，合成磁场就转过了180°，当wt=360°时合成磁场旋转了360°，即转1周。

由此可见，对称三相电流iu、、、iV、iW分别通入对称三相绕组U1U2,V1V2,W1W2中所形成的合成磁场，是一个随时间变化的旋转磁场，如图所示。

以上分析的是电动机产生一对磁极时的情况，当定子绕组连接形成的是两对磁极时，运用相同的方法可以分析出此时电流变化一个周期，磁场只转动了半圈，即转速减慢了一半。

由此类推，当旋转磁场具有p对极时（即磁极数为2p），交流电每变化一个周期，其旋转磁场就在空间转动1/p转。

因此，三相电动机定子旋转磁场每分钟的转速n1、定子电流频率f及磁极对数p之间的关系是

n1是旋转磁场转速，也叫同步转速，r/min

f是三相交流电源的频率，Hz；

p是旋转磁场的磁极对数。

2、旋转磁场对转子的作用

（1）三相交流电通入定子绕组后，便形成了一个旋转磁场，其转速n1=60f/p。

旋转磁场的磁力线被转子导体切割，根据电磁感应原理，转子导体产生感应电动势。

转子绕组是闭合的，则转子导体有电流流过。

设旋转磁场按顺时针方向旋转，且某时刻为上为北极N而下为南极S，如图所示。

根据右手定则，在上半部转子导体的电动势和电流方向由里向外，用⊙表示；在下半部则由外向里，用⊕表示。

图为三相异步电动机转动原理示意图。

三相异步电动机转动原理示意图

（2）原理：

定子旋转磁场以速度n0切割转子导体感生电动势（发电机右手定则），在转子导体中形成电流，使导体受电磁力作用形成电磁转矩，推动转子以转速n顺n0旋转（电动机左手定则），并从轴上输出一定大小的机械功率。

（n不能等于n0）

（3）特点：

电动机内必须有一个以n0旋转的磁场。

－实现能量转换的前提；电动运行时n恒不等于n0（异步）－必要条件n

－感应名称的来源。

流过电流的转子导体在磁场中要受到电磁力作用，力F的方向可用左手定则确定，如图5-9所示。

电磁力作用于转子导体上，对转轴形成电磁转矩，使转子按照旋转磁场的方向旋转起来，转速为n。

三相电动机的转子转速n始终不会加速到旋转磁场的转速n0。

因为只有这样，转绕组与旋转磁场之间才会有相对运动而切割磁力线，转子绕组导体中才能产生感应电动势和电流，从而产生电磁转矩，使转子按照旋转磁场的方向继续旋转。

由此可见n≠n0，且n

3、转差率旋转磁场转速n0与转子转速n之差与同步转速n0之比称为异步电动机的转差率s，即s=（n0-n）/n0。

（四）、单相异步电动机的结构和工作特点

单相异步电动机的结构与三相异步电动机的结构相似，它的转子一般也为笼型结构，知识定子铁心槽内嵌装的是单相绕组。

如图所示为单相异步电动机外形图。

三相异步电动机因为定子的三相绕组中通入三相交流电，产生旋转磁场而使转子转动，那么单相电动机的磁场又是怎么样的呢？

单相交流电通入单相绕组，电动机内产生的是一个脉动磁场，如图所示。

当电流为正半周时，电流从单相绕组的左半侧流入，右半侧流出，电动机内磁场方向垂直向下，如图；反之，磁场方向垂直向上。

磁场的大小及方向随时间在变化，但磁场的轴线却固定不变，即是一脉动磁场。

单相电动机在脉动磁场的作用下不能自行启动。

（a）电流波形（b）正半周磁场（c）负半周磁场

图单相异步电动机工作原理

例：

电容分相单相异步电动机

电容分相单相异步电动机的定子铁心上安装两套绕组，如图所示。

U1-U2为工作绕组，Z1-Z2为启动绕组。

两个绕组在空间布置互差90度，形成两相绕组。

在启动绕组中串入电容器C后再与工作绕组并联接在单相交流电源上。

借电容器将“单相”交流电分裂为相位接近90度的“两相”交流电，从而使电动机产生旋转磁场。

图工作原理图

启动绕组断电后，由工作绕组产生的交变脉动磁场，继续维持电动机保持方向不变的连续转动。

方向的改变：

把两相绕组中任一相绕组的头和尾进行对调，即可改变磁场的旋转方向，从而使电动机的旋向也发生改变。

特种电机简介

1、伺服电机

伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。

1）、基本结构

交流伺服电动机的结构主要可分为两部分，即定子部分和转子部分。

其中定子的结构与旋转变压器的定子基本相同，在定子铁心中也安放着空间互成90度电角度的两相绕组。

其中一组为激磁绕组F，另一组为控制绕组C，交流伺服电动机一种两相的交流电动机。

其转子的结构有笼型和空心杯式两种。

空心杯型转子的结构如图所示。

图5-23空心杯转子伺服电机结构

2）、工作原理

如图所示。

交流伺服电动机使用时，激磁绕组两端施加恒定的激磁电压Uf，控制绕组两端施加控制电压Uk。

当定子绕组加上电压后，伺服电动机很快就会转动起来。

通入励磁绕组及控制绕组的电流在电机内产生一个旋转磁场，旋转磁场的转向决定了电机的转向，当任意一个绕组上所加的电压反相时，旋转磁场的方向就发生改变，电机的方向也发生改变。

2、步进电机

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。

停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。

1）、基本结构

如图所示反应式步进电机的结构图，其定子、转子铁心均用硅钢片叠压而成。

定子为凸极式结构，在它上面安装有6个均匀分布的磁极，分别装有三相励磁绕组，每两个相对的极为一相绕组。

转子上有4个齿，齿宽与定子的磁极宽度相等，转子上无绕组。

步进电机工作原理（三相单三拍）

2）、工作原理

如图所示，步进电机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。

当U相绕组通以直流电流时，根据电磁学原理，便会在UU方向上产生一磁场，在磁场电磁力的作用下，吸引转子，使转子的齿与定子UU磁极上的齿对齐。

若U相断电，V相通电，这时新的磁场其电磁力又吸引转子的两极与VV磁极齿对齐，转子沿顺时针转过30°。

通常，步进电机绕组的通断电状态每改变一次，其转子转过的角度θ称为步距角。

因此，图5--26（a）所示步进电机的步距角θ等于30°。

如果控制线路不停地按U→V→W→U…的顺序控制步进电机绕组的通断电，步进电机的转子便不停地顺时针转动。

若通电顺序改为U→C→V→U…，同理，步进电机的转子将逆时针不停地转动。

上面所述的这种通电方式称为三相三拍。

还有一种三相六拍的通电方式，它的通电顺序是：

顺时针为U→UV→V→VW→W→WU→U…；逆时针为U→UW→W→WV→V→VU→U…。

此时，电动机的步距角为15°。

步距角可按下式计算：

Z为转子的齿数；m为运行的拍数。

步进电机的转速为：

f为脉冲频率。

（五）铭牌和技术数据

1．型号

国产中小型三相电动机型号的系列为Y系列，是按国际电工委员会IEC标准设计生产的三相异步电动机，它是以电机中心高度为依据编制型号谱的，如Y-200L2-6。

2．额定功率

额定功率是指在满载运行时三相电动机轴上所输出的额定机械功率，用表示，以千瓦（kW）或瓦（W）为单位。

3．额定电压

额定电压是指接到电动机绕组上的线电压，用UN表示。

三相电动机要求所接的电源电压值的变动一般不应超过额定电压的±5%。

电压过高，电动机容易烧毁；电压过低，电动机难以启动，即使启动后电动机也可能带不动负载，容易烧坏。

4．额定电流

额定电流是指三相电动机在额定电源电压下，输出额定功率时，流入定子绕组的线电流，用IN表示，以安（A）为单位。

若超过额定电流过载运行，三相电动机就会过热乃至烧毁。

三相异步电动机的额定功率与其他额定数据之间有如下关系式

式中COSφ——额定功率因数

5．额定频率

额定频率是指电动机所接的交流电源每秒钟内周期变化的次数，用fN表示。

我国规定标准电源频率为50Hz。

6．额定转速

额定转速表示三相电动机在额定工作情况下运行时每分钟的转速，用nN表示，一般是略小于对应的同步转速n0。

如n0=1500r/min，则nN=1440r/min。

7．绝缘等级

绝缘等级是指三相电动机所采用的绝缘材料的耐热能力，它表明三相电动机允许的最高工作温度。

三相电动机的绝缘等级和最高允许温度。