馬達設計：機械損 ( II )

本文將針對馬達中的機械損進行說明。機械損中包括了摩擦損、黏滯損及風損，三種損失；本文以黏滯損為主。

黏滯損亦為機械損的一種，主因係馬達軸承內含潤滑油所造成之黏滯阻力，然而空氣流體亦為黏滯阻力的一種，故馬達轉子整體皆會受到影響；其特點係黏滯力之大小與速度成正比關係。

上面那段，仍然有種咬文嚼字的感覺，但同樣的情況，您一定都經歷過，分別是游泳及騎機車。由於水的黏滯系數較高，當您在水中玩時，會發現在水中移動，比在陸上移動還要困難，這就是黏滯力差異的表現。而比水更黏的油，黏滯力就會更高了；因此在馬達當中，一般提到黏滯損，優先就檢討潤滑油。

但仍有需檢討空氣流體的時候，就是馬達轉速高的情況。就如同騎機車一般，當我們慢慢騎時，風吹過來很涼爽；但若速度快時，這風就產生很大的壓力感，讓人開始感到不舒服。這部份跟空氣流體黏滯損有關，但還包括風損的影響，這兩者都與速度有關係，但其比例關係並不相同，可從數學式中看出。

軸承潤滑油

黏滯力的數學方程式如下，其中Fν為黏滯力、Bν為黏滯係數、 ν為速度。

黏滯力損失

由於馬達中是使用轉矩表示，將黏滯力轉換為轉矩與角速度表示如下。其中Tν為摩擦轉矩、 Bν為黏滯係數、ω為角速度。

旋轉黏滯力損失

由上述的數學方程式中可以，Bν在選定潤滑油的材質後，就會成為一個固定值，之後的影響變數，就剩ω為角速度，且為一次方的關係，代表速度越快黏滯力損失就越大。因此將黏滯損與摩擦損相加後，可繪製出下圖；原本摩擦損在超越了靜摩擦的作用範圍後，就為一固定值，但加上了黏滯損，就與速度呈現了線性關係。所以概念上就變成，摩擦損為下限，基本要應付的損失規格；黏滯損則是踏在摩擦損的肩上，持續增加的損失。

摩擦損+黏滯損示意圖

因此各位在挑選軸承時，除了基本的承載能力外，應告知軸承廠商，工作溫度及馬達轉速。軸承廠商可因馬達規格需求，更換內部的潤滑油規格，以降低黏滯損的比例；也就是更改了Bν值。會需要告知工作溫度，主要是因黏滯係數會受到溫度變化而更改。

若能完全理解黏滯損的作用，其實就可以發現船跟車的差異。車的黏滯損主要來自於空氣流體，然而空氣的黏滯係數為0.0185 cP@27°C；船則是水，水的黏滯係數為0.86 cP @27°C，水與空氣之間差了46.5倍。 因此車子在高速時，所需應付的損失並不多，主要的馬力都是在用在加速性能，而非穩速駕駛的損耗；這也是車子定速省油的原因。完全符合牛頓第二運動定律F=ma的觀念，只要沒有加速的需求，就不會需要額外的力量；也就是車子慢慢摧油門，不要急加速，就不會浪費油。

但船就完全不一樣了，由於水的黏滯損相對高，因此要維持高速航行時，馬力需要先克服黏滯損才行。因此船隻在運行時，越高速的耗油就越兇；與車子的能耗感，是完全不同的。

重點整理：
機械損的存在，告知我們在地球這環境上，永動機的存在是不合理的。
不同的交通工具，要考慮的負載情況是不同的。
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