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电机机械损失(二):黏滞损失分析

2024-02-05 15:19

  在本篇文章中,我们将深入探讨电机的机械损失。这些损失主要包括摩擦损失、黏滞损失和风损,其中本文将重点放在黏滞损失。

  黏滞损失是机械损的一种形式,它主要源于电机轴承内的润滑油所造成的黏滞阻力。然而,空气流体也会对电机转子整体造成黏滞阻力的影响。黏滞力的特点是它与速度呈正比关系。

  让我们借用日常生活的例子来形象化这一点。想象你正在游泳或骑机车。由于水的黏滞系数较高,你会发现在水中移动远比在陆地上困难。这就是黏滞力差异的生动展现。而比水更黏的油,黏滞力就会更高。因此,在讨论电机中的黏滞损失时,润滑油的选择和管理是首要考虑的因素。

  然而,当电机转速很高时,空气流体的黏滞损失也需要仔细分析。想象骑机车的情景:低速骑行时,吹过的风感觉凉爽宜人;但高速骑行时,强烈的风压会让人感到不舒服。这部分不仅与空气流体的黏滞损失相关,也涉及到风损,这两者都与速度紧密相关,但它们的比例关系是不同的,这一点可以从下面的数学式中得以明确。

  由于电机中是使用转矩表示,将黏滞力转换为转矩与角速度表示如下。其中Tν为摩擦转矩、 Bν为黏滞系数、ω为角速度。

  从上述的数学方程式中可以看出,在选定润滑油的材质后,Bν就会成为一个固定值。接下来的影响变量只剩下ω(角速度),而且这是一个一次方的关系,换句话说,速度越快,黏滞力损失就越大。

  因此,当我们将黏滞损与摩擦损相加后,结果可以绘制成一个明确的图形。在超越了静摩擦的作用范围后,摩擦损就变成一个固定值。但当加上黏滞损后,总损失便与速度呈现线性关系。因此,摩擦损可视为最基本必须应对的损失规格,而黏滞损则像是站在摩擦损的肩膀上,随速度持续增加的损失。

  在挑选轴承时,不仅要考虑到基本的承载能力,还需要向轴承厂商明确指出工作温度和电机转速。这样,厂商能根据特定电机的规格需求,调整内部的润滑油规格,旨在降低黏滞损失的比例,即是调整Bν值。工作温度的信息至关重要,因为黏滞系数会受到温度变化的影响。

  深入了解黏滞损的作用,可以让我们清晰地察觉到船和车在运作原理上的差异。例如,车辆的黏滞损主要源于空气流体,其黏滞系数仅为0.0185 cP@27°C;相较之下,船则主要面对水的阻力,水的黏滞系数为0.86 cP@27°C,这使得水与空气的黏滞系数相差达46.5倍。

  因此,在高速行驶时,车辆所需应对的损失相对较少。车辆的主要马力大多用于加速性能,而非稳速驾驶时的损耗,这也解释了为何车辆在定速行驶时更加节能。这完全符合牛顿的第二运动定律F=ma,也就是说,只要不需求加速,就不会需要额外的力量,因此,车子若平稳地加油门,避免急剧加速,就能有效节省油耗。

  然而,船只的情形却大不相同。由于水的黏滞损失相对较高,要维持船只的高速航行,马力首先需要克服这一黏滞损失。因此,船只在运行时,越高速的耗油就越明显;这与车辆的能耗状况,是截然不同的。

  机械损的存在揭示了一个事实:在我们所处的自然环境中,永动机的存在是不合理的。