馬達設計:機械損 ( I )

2022/07/23閱讀時間約 2 分鐘
本文將針對馬達中的機械損進行說明,其中包括了摩擦損、黏滯損及風損,三種損失。
摩擦損為機械損失的一種,當物體移動時,與其它事物接觸面上會產生一方向相反的力,對移動方向之力進行抵抗,即為摩擦損失。摩擦損又可細分為靜摩擦損及動摩擦損兩種;靜摩擦損係描述物體剛開始移動時,須先施較大的力,克服接觸面之靜摩擦力,方可開始移動;當物體持續行進後,接觸面上依然存在一大小固定的摩擦力,即為動摩擦損。下圖為摩擦損示意圖,剛啟動時有一較大的靜磨擦損,運動速度增加至靜摩擦力存在之最大速度 後,僅剩一較小的動摩擦損。
摩擦損示意圖
雖然上述的文字描述較為不易理解,但轉換到生活經驗當中,則是每個人都有過的體驗。當您要推動任何一物體時,會發現一開始要出比較大的力量才能使物體移動。但特別的是,一但物體開始動起來後,出的力反而變小了,物體就能持續移動。這就是靜摩擦與動摩擦的最直覺感受。
將摩擦力以數學方程式表式如下,其中Ff為摩擦力、Fc為動摩擦、Fs為靜磨擦力、 ν為速度、νs為靜摩擦力存在之最大速度。
摩擦力損失
由於馬達中是使用轉矩表示,將摩擦力損失轉換為轉矩與角速度表示如下。其中Tf為摩擦轉矩、 Tc為動摩擦轉矩、 Ts為靜摩擦轉矩、ω為角速度、 ωs為靜摩擦轉矩存在之最高角速度。
旋轉摩擦力損失
理論上,摩擦力會受到速度參數影響,但在實際應用上,因影響速度範圍非常小,僅在開始移動之瞬間內有顯著之差異,故在馬達摩擦損的考量上,往往視為與速度無關之損失;也就是這摩擦損會視為一個固定值。這其實也是小馬達效率比較差的原因之一;當此顆馬達軸承的摩擦損固定為10W時,對小規格的馬達,如20W的馬達來看,就佔了50%的損耗,但若是200W的馬達時,就只佔了5%的損失。
越小規格的馬達,對於軸承的選擇也就越重要;若要有效降低摩擦損耗,最基本的作法就是減少接觸面積。市售最普遍的軸承,其實都是使用圓球滾珠,讓接觸面積降低到一個點,來降低摩擦損耗。
軸承
而更極致的作法,是採用非接觸式的軸承設計,利用磁浮或空浮的原理,使其完無接觸,來迴避摩擦損,但仍會有黏滯損存在。
重點整理:
其實若非馬達規格真的很小,不然都會直接忽略摩擦損。
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