在本篇文章中,我們將深入探討電機的機械損失。這些損失主要包括摩擦損失、黏滯損失和風損,其中本文將重點放在黏滯損失。
黏滯損失是機械損的一種形式,它主要源于電機軸承內的潤滑油所造成的黏滯阻力。然而,空氣流體也會對電機轉子整體造成黏滯阻力的影響。黏滯力的特點是它與速度呈正比關系。
讓我們借用日常生活的例子來形象化這一點。想象你正在游泳或騎機車。由于水的黏滯系數較高,你會發現在水中移動遠比在陸地上困難。這就是黏滯力差異的生動展現。而比水更黏的油,黏滯力就會更高。因此,在討論電機中的黏滯損失時,潤滑油的選擇和管理是首要考慮的因素。
軸承潤滑油
然而,當電機轉速很高時,空氣流體的黏滯損失也需要仔細分析。想象騎機車的情景:低速騎行時,吹過的風感覺涼爽宜人;但高速騎行時,強烈的風壓會讓人感到不舒服。這部分不僅與空氣流體的黏滯損失相關,也涉及到風損,這兩者都與速度緊密相關,但它們的比例關系是不同的,這一點可以從下面的數學式中得以明確。
軸承潤滑油與黏滯力:
黏滯力的公式如下,其中Fν為黏滯力、Bν為黏滯系數、 ν為速度。
黏滯力公式
黏滯力轉為轉矩和角速度的表示:
由于電機中是使用轉矩表示,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為黏滯系數、ω為角速度。
黏滯力轉為轉矩和角速度公式
從上述的數學方程式中可以看出,在選定潤滑油的材質后,Bν就會成為一個固定值。接下來的影響變量只剩下ω(角速度),而且這是一個一次方的關系,換句話說,速度越快,黏滯力損失就越大。
黏滯損與摩擦損相加
因此,當我們將黏滯損與摩擦損相加后,結果可以繪制成一個明確的圖形。在超越了靜摩擦的作用范圍后,摩擦損就變成一個固定值。但當加上黏滯損后,總損失便與速度呈現線性關系。因此,摩擦損可視為最基本必須應對的損失規格,而黏滯損則像是站在摩擦損的肩膀上,隨速度持續增加的損失。
摩擦損+黏滯損示意圖
在挑選軸承時,不僅要考慮到基本的承載能力,還需要向軸承廠商明確指出工作溫度和電機轉速。這樣,廠商能根據特定電機的規格需求,調整內部的潤滑油規格,旨在降低黏滯損失的比例,即是調整Bν值。工作溫度的信息至關重要,因為黏滯系數會受到溫度變化的影響。
深入了解黏滯損的作用,可以讓我們清晰地察覺到船和車在運作原理上的差異。例如,車輛的黏滯損主要源于空氣流體,其黏滯系數僅為0.0185 cP@27°C;相較之下,船則主要面對水的阻力,水的黏滯系數為0.86 cP@27°C,這使得水與空氣的黏滯系數相差達46.5倍。
因此,在高速行駛時,車輛所需應對的損失相對較少。車輛的主要馬力大多用于加速性能,而非穩速駕駛時的損耗,這也解釋了為何車輛在定速行駛時更加節能。這完全符合牛頓的第二運動定律F=ma,也就是說,只要不需求加速,就不會需要額外的力量,因此,車子若平穩地加油門,避免急劇加速,就能有效節省油耗。
汽車風阻
然而,船只的情形卻大不相同。由于水的黏滯損失相對較高,要維持船只的高速航行,馬力首先需要克服這一黏滯損失。因此,船只在運行時,越高速的耗油就越明顯;這與車輛的能耗狀況,是截然不同的。
船舶水阻
重點整理:
機械損的存在揭示了一個事實:在我們所處的自然環境中,永動機的存在是不合理的。
不同的交通工具因其運作條件的不同,需要考慮的負載情況也大不相同。
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