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。


馬達設計:機械損 ( II )

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。


馬達設計:機械損 ( II )

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。


馬達設計:機械損 ( II )

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。


馬達設計:機械損 ( II )

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。


馬達技術傳承計畫
想要馬達的技術嗎?想要的話可以全部給你,去找吧!
我把所有的知識都放在那裡了。
2022-07-27 8:42 發佈
你應該是搞錯風阻與空氣磨擦

空氣磨擦確實可以忽略没錯

但風阻不行

車速每增加一倍

功耗理論上是正比時速的平方

一般來說汽車時速80時

有60%的功都是在克服風阻

以我監控自己車的紀錄

時速30時 穩定電流只有10安

時速60時 穩定電流會超過50安
御劍梧
御劍梧 樓主

感謝指教,是風阻的部份,我還沒寫到,不好意思。風阻會跟速度成2次方的關係,所以我把他另外分離討論。

2022-07-27 21:28
showermin wrote:
時速30時 穩定電流只有10安

時速60時 穩定電流會超過50安


你實際的測試是差了40A,其實這不完全是風阻係數的關係。我在工業研究院測試汽油汽車。時速60公里每公升汽油可跑15公里。時速60公里以下,例如時速30公里測試每公升汽油跑不到15公里。由此可見沒有你所說的完全是風阻係數的問題。

電動機車最主要的是控制系統的問題。我用一般的控制系統。在立中柱,後輪空轉的情況下,最高時速是50公里,消耗功率是1750W。再改最新的的控制系統。最高時速100公里,消耗功率只有1000W。於是我認為風阻係數是有阻力沒有錯,但是沒有你說的差那麼多。
御劍梧
御劍梧 樓主

您這研究很有趣,我最近也想要解決空載耗能的問題,您是否有勾電流狀態進行比較,個人懷疑是電流突波造成的損耗。

2022-07-28 9:36
nob159 wrote:
你實際的測試是差了40A...(恕刪)


1 引擎搭配變速箱和電機效率區間完全不同 這邊無法簡述

2 理想的電動車機械阻力除了軸承外 只剩下輪胎的滾動磨擦 但在風阻前滾動磨擦小事

3 立中柱的空轉功率1000w很異常
御劍梧
御劍梧 樓主

是的,所以流體力學還是有作用。另外,我確實最近也覺得,不應該用引擎的馬力來直接對影馬達的馬力,但還未完全想清楚。

2022-07-28 9:39
nob159 wrote:
御劍梧
樓主
您這研究很有趣,我最近也想要解決空載耗能的問題,您是否有勾電流狀態進行比較,個人懷疑是電流突波造成的損耗。


我們測試是直接串連電流表測試。採用勾表不會很準確。會測量到到反電動式的電流。
御劍梧
御劍梧 樓主

那有比對兩組電控的電流表現嗎?之前我們的經驗,是高速馬達,要換矽鋼片材質跟抑制電流突波,才能降低損耗

2022-07-28 11:31
showermin wrote:
1 引擎搭配變速箱和電機效率區間完全不同 這邊無法簡述

2 理想的電動車機械阻力除了軸承外 只剩下輪胎的滾動磨擦 但在風阻前滾動磨擦小事

3 立中柱的空轉功率1000w很異常


我研究汽油車與電動車有興趣。研究後都會送到工研院。ARTC或是汽車廠的研究室。進行測試。

關於立中柱的空轉測試是為了測試變速箱與減速箱消耗功率的比較。原廠的電控系統與沒有模糊設計電控系統的消耗功率做個比較。

關於輪胎的滾動磨擦 ,在汽車我做個實驗,在車速60公里。放空檔,可跑1公里以上。汽車越重跑得更遠。由此可證明輪胎的滾動摩擦係數是非常小,比重力加速度的助力還小。因此我們對這些微小的阻力,都不會列入參考。只知道有這些阻力就好。
nob159 wrote:
御劍梧
樓主
那有比對兩組電控的電流表現嗎?之前我們的經驗,是高速馬達,要換矽鋼片材質跟抑制電流突波,才能降低損耗


高轉速馬達如果矽鋼片用1mm。在高轉速時矽鋼片會過熱。一般都會將矽鋼片的厚度改0.5mm。這樣矽鋼片就會降低溫度。但是矽鋼片厚度降低,阻抗增加。雖會抑制電流突波,馬達的消耗功率會增加。有一好處,也會增加一個壞處。依自己的需求去更改。
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