在本篇文章中,我们将深入探讨电机中的机械损失,这些损失主要包括摩擦损、黏滞损及风损,三大类型。
摩擦损是机械损失的一个重要组成部分。当物体移动时,它与其他物体的接触面会产生一个方向相反的力,这个力会抵抗物体的移动,我们称之为摩擦损失。具体来说,摩擦损失可以再细分为静摩擦损及动摩擦损两种。
静摩擦损描述的是物体刚开始移动时,必须施加较大的力来克服接触面的静摩擦力,以便开始移动。
动摩擦损则是指物体在持续移动时,接触面上仍然存在一个大小固定的摩擦力。
让我们透过下图来更清晰地理解摩擦损。刚启动时,会有一个较大的静摩擦损;当物体的运动速度增加至静摩擦力存在的最大速度后,只剩下一个较小的动摩擦损。
摩擦损示意图
将这些概念转换到我们的日常生活中,其实每个人都有相似的经验。举例来说,当您尝试推动一个物体时,会发现一开始需要施加比较大的力量才能让物体移动。但有趣的是,一旦物体开始移动,所需要的力量就会相对减小,物体便能顺利且持续地移动。这就是静摩擦和动摩擦的实际效应。
至于摩擦力的数学表达,我们可以用以下的方程式来描述:
摩擦力公式
Ff为摩擦力、Fc为动摩擦、Fs为静磨擦力、 ν为速度、νs为静摩擦力存在之最大速度。通过这样的理解和数学模型,我们能够更精准地掌握摩擦损在电机设计中的重要角色,并采取相应的措施来最小化这些损失,提高电机的效能和寿命。
摩擦转矩揭示
在电机运作中,我们经常使用转矩来表示其效能。因此,摩擦力损失可以用以下方式来诠释:
摩擦转矩公式
Tf 代表摩擦转矩。
Tc 代表动摩擦转矩。
Ts 代表静摩擦转矩。
ω 代表角速度。
ωs 代表静摩擦转矩出现的最高角速度。
深入旋转摩擦
虽然摩擦力理论上会受到速度的影响,但实际上这影响范围微小,且多出现在开始移动的瞬间。因此,电机的摩擦损失多被视为一个与速度无关的固定值。这也解释了小电机效率较低的原因。
举例:一颗电机的轴承摩擦损为10W。对于20W的电机,这就占了50%的损耗;但对于200W的电机,则只占了5%的损失。
轴承的重要性
轴承选择对于小型电机尤为重要。降低摩擦损耗的一种方法是减少接触面积。常见的轴承使用圆球滚珠,目的就是降低接触点以减少摩擦。
更先进的轴承设计是非接触式的,如磁浮或空浮原理,虽避免了摩擦损失,但仍有黏滞损存在。
重点:
除非电机的规格真的非常小,否则多数会选择忽略摩擦损。