直流电机:电枢是电阻 Ra 与反电动势 E 串联,所以 V = E + Ia·Ra。反电动势随转速增大,E = k·ω;转矩随电流增大,T = k·Ia;在 SI 单位制中两者的电机常数 k 相同(V·s/rad = N·m/A)。转速用 ω = 2π·n/60 换算。电磁功率为 E·Ia = T·ω;输入功率为 V·Ia,差值由铜损 Ia²Ra 和旋转损耗构成。转速随转矩呈直线下降,ω = V/k − Ra·T/k²,从空载转速 V/k 降到堵转转矩 k·V/Ra 处的零。静止时 E = 0,所以起动电流 V/Ra 很大,除非用电阻限流。
空载转速
ω₀ = V/k = 120/1.5 = 80 rad/s
n0 = 60·80/(2π) = 763.9 rpm
答案
n0 = 763.9 rpm
2.直流电机
答案: Pmax = 756.3 W
直流电机:电枢是电阻 Ra 与反电动势 E 串联,所以 V = E + Ia·Ra。反电动势随转速增大,E = k·ω;转矩随电流增大,T = k·Ia;在 SI 单位制中两者的电机常数 k 相同(V·s/rad = N·m/A)。转速用 ω = 2π·n/60 换算。电磁功率为 E·Ia = T·ω;输入功率为 V·Ia,差值由铜损 Ia²Ra 和旋转损耗构成。转速随转矩呈直线下降,ω = V/k − Ra·T/k²,从空载转速 V/k 降到堵转转矩 k·V/Ra 处的零。静止时 E = 0,所以起动电流 V/Ra 很大,除非用电阻限流。
功率与反电动势的关系
P(E) = E·(V − E)/Ra
dP/dE = 0 → E = V/2 = 55 V
最大功率
Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 110²/(4·4) = 756.3 W
答案
Pmax = 756.3 W
此时效率只有 50 %,所以实际电机运行时远高于半速。
3.齿轮与齿轮系
答案: Tw = 94.83 N·m
Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.
蜗轮转速
nw = n·z/Nw = 2900·3/36 = 241.7 rpm
输出扭矩
ωw = 2π·241.7/60 = 25.31 rad/s
Tw = η·P/ωw = 0.8·3000/25.31 = 94.83 N·m
答案
Tw = 94.83 N·m
4.齿轮与齿轮系
答案: ND = 45
Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.
中间轴转速
nB = nC = 960·24/72 = 320 rpm
齿轮 D 的齿数
ND = C·nC/nout = 18·320/128 = 45
答案
ND = 45
5.数据采集与采样
答案: M = 19.2 MB
数据速率:每个通道每秒提供 fs 个 N 位的采样,因此原始速率为 通道数 × fs × N bit/s。在内存中一个采样占用整数个字节(12 位采样存为 2 个字节),因此一段记录的内存为 通道数 × fs × 每个采样的字节数 × 时间。多路复用 ADC 依次转换各通道:每次转换(含建立时间)需要 t,所以 n 个通道转一轮需要 n·t,每个通道的采样频率为 1/(n·t)。