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馬達設計:機械損 ( II )

来源: 心得 rexwumotor 2022-7-27 08:41 顯示全部回文 |閱讀模式
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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。



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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。



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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。



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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。
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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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本文最後由 rexwumotor 於 2022-7-28 08:07 編輯