Question

6．小明自己設計并動手將房間里的窗簾改成電動窗簾．為此他購置了微型電動機及減速裝置、電源、雙刀雙擲開關、滑輪、皮帶、拉繩等器材，對原有的窗簾盒進行改造．

（1）如圖甲所示，小明在窗簾盒（上方的雙虛線框）內(nèi)安裝了電動裝置，電動裝置通過拉繩拉著窗簾一起運動．改變通過微型電動機的電流方向，就可改變其轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的方向，從而將窗簾打開或關閉．利用雙刀雙擲開關，可以實現(xiàn)電源對電動機供電電流方向的改變．請你在圖甲右側(cè)的虛線框內(nèi)，完成電源、雙刀雙擲開關和接線柱間的電路連接．
（2）電動機的轉(zhuǎn)速一般很高，需要安裝減速裝置，如圖乙所示．請說明減速裝置的減速原理．
（3）如表是所使用的微型電動機的部分數(shù)據(jù)．表格中，額定功率是“電動機在額定電壓和額定電流下工作時的輸出功率”，堵轉(zhuǎn)電流是“在額定電壓下，讓電動機的轉(zhuǎn)軸同定不動時的電流”．

型號	工作電壓范圍U/V	額定電壓U額/V	額定電流I額/A	額定功率（輸出）P輸/W	額定轉(zhuǎn)速n/r•min-1	堵轉(zhuǎn)電流I堵/A
RS-360SH-14280	8.0-30-0	12	0.34	2.15	5000	1.36

請根據(jù)表中的有關數(shù)據(jù)計算：
①以額定功率運行時，該電動機的效率為多少？
②電動機的額外功率主要由熱損耗和機械損耗造成，請分別求出以額定功率運行時，該電動機的熱損耗功率和機械損耗功率？
③在圖甲中，減速裝置、飛輪、皮帶、滑輪、拉繩共同構(gòu)成了傳動裝置．已知每半邊的窗簾滑軌長度為1.5m，要求自動窗簾能夠在6s內(nèi)從完全關閉到完全打開．拉動半邊窗簾時，掛鉤和滑軌間的平均摩擦力為2N．則安裝電動窗簾時，對傳動裝置的機械效率有何要求？

Answer 1

分析 （1）欲使雙刀雙擲開關擲向下功擲向上時，通過電動機的電流方向相反，則只需把雙刀雙擲的兩個動片接在電源兩端，當接下端時，通過電動中的電流一個方向，再接上端時，通過電動機中的電流又一個方向，（或者是把電源與下端的兩個接線柱接通，雙刀雙擲開關的動片與電動機接通，開關的上、下四個靜片分別交叉連接也可以實現(xiàn)題意的目的）．
（3）①根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知，電動機正常運行時的額定電壓和額定電流，利用P_總=U_額I_額=可求得電動機正常運行時的總功率；已知電動機的額定輸出功率P_出=2.15W，利用η=$\frac{{P}_{出}}{{P}_{額}}$×100%可求得電動機的效率；
②已知電動機正常運行時的額定電壓和額定電流，利用歐姆定律公式變形可求得電動機正常運行時的電阻，然后利用P_熱=I_額²R求得電動機的熱損耗功率，電動機的額外功率P_額=P_總-P_出，故電動機的機械損耗功率P_損=P_額-P_熱．
③已知傳動裝置的輸入功率，利用v=$\frac{s}{t}$可求得窗簾運行的速度，然后利用P=$\frac{W}{t}$=$\frac{Fs}{t}$=Fv求得傳動裝置的輸出功率，再利用η=$\frac{{P}_{輸出}}{{P}_{輸入}}$求得傳動裝置的機械效率即可．

解答 解：（1）把雙刀雙擲的兩個動片接在電源兩端，可以實現(xiàn)電源對電動機供電電流方向的改變，（或者是把電源與下端的兩個接線柱接通，雙刀雙擲開關的動片與電動機接通，開關的上、下四個靜片分別交叉連接也可以實現(xiàn)題意的目的），如圖所示：
（2）與輸入軸固定在一起的齒輪周長小，齒輪數(shù)少，與輸出軸固定在一起的齒輪周長大，齒輪數(shù)多．因此，輸入軸轉(zhuǎn)動很多圈才能帶動輸出軸轉(zhuǎn)動一圈，實現(xiàn)減速的功能．
（3）①由于電動機正常運行時的總功率P_總=U_額I_額=12V×0.34A=4.08W，
電動機的額定輸出功率P_出=2.15W，
故電動機以額定功率運行時的效率η=$\frac{{P}_{出}}{{P}_{額}}$×100%=$\frac{2.15W}{4.08W}$×100%=52.7%．
②由I=$\frac{U}{R}$可得，電動機正常運行時的電阻R=$\frac{{U}_{額}}{{I}_{額}}$=$\frac{12V}{1.36A}$=8.82Ω，
故電動機的熱損耗功率為P_熱=I_額²R=（0.34A）²×8.82Ω=1.02W，
電動機的額外功率P_額=P_總-P_出=4.08W-2.15W=1.93W，
故電動機的機械損耗功率P_損=P_額-P_熱=1.93W-1.02W=0.91W．
③對于傳動裝置，其輸入的功率為P_入=2.15W，
已知每半邊的窗簾滑軌長度為1.5m，
窗簾運行的速度v=$\frac{s}{t}$=$\frac{1.5m}{6s}$=0.25m/s，
則傳動裝置的輸出功率P=$\frac{W}{t}$=$\frac{Fs}{t}$=2Fv=2×2N×0.25m/s=1W，
故傳動裝置的機械效率η=$\frac{{P}_{輸出}}{{P}_{輸入}}$×100%=$\frac{1W}{2.15W}$×100%=46.5%．
故要求其傳動裝置的機械效率大于46.5%．
答：（1）見下圖：

（2）與輸入軸固定在一起的齒輪周長小，齒輪數(shù)少，與輸出軸固定在一起的齒輪周長大，齒輪數(shù)多．因此，輸入軸轉(zhuǎn)動很多圈才能帶動輸出軸轉(zhuǎn)動一圈，實現(xiàn)減速的功能．
（3）①該電動機的效率為52.7%．
②該電動機的熱損耗功率為1.02W；機械損耗功率為0.91W．
③要求傳動裝置的機械效率大于46.5%．

點評 此題考查電功率的計算和機械效率的計算，涉及到的知識點較多，難度較大，是一道競賽題．