滾珠軸承電動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究

彭 勃，吳瀟瀟，魏鵬程，馬新玲

(華東理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237)

0 引言

滾珠軸承電動(dòng)機(jī)是一種非常神奇的電動(dòng)機(jī)（如圖1所示）。它不需要傳統(tǒng)電機(jī)的磁場(chǎng)、線圈等結(jié)構(gòu)，只需要在兩個(gè)滾珠軸承和一根軸組成軸承裝置后，給它通上電流。電流依次通過(guò)軸承1的外圈，滾珠，內(nèi)圈，軸，和軸承2的內(nèi)圈，滾珠，外圈，與電源組成回路即可。電源電壓要求不高（2V左右），交流、直流皆可。但由于整套裝置的電阻很小，其電流會(huì)很大（20A以上）。只要給軸一個(gè)初始的轉(zhuǎn)動(dòng)，軸就會(huì)在軸承的作用下加速至指定轉(zhuǎn)速，其功用相當(dāng)于一個(gè)電動(dòng)機(jī)。究竟是什么原因使軸能持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)？軸的轉(zhuǎn)速與電流的變化之間遵循什么規(guī)律？這套裝置的效率如何？本文帶著以上疑問(wèn)搭建實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了一系列的探索與研究。

圖1 滾動(dòng)軸承電機(jī)裝置示意圖

1 轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)理

當(dāng)今學(xué)術(shù)界對(duì)于滾珠軸承電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)理的解釋可分為兩種[1]，一種是電磁感應(yīng)驅(qū)動(dòng)論，代表學(xué)者有H.Gruenberg[2]、Kirk T.McDonald[3]等；另一種是熱變形驅(qū)動(dòng)論，代表學(xué)者有Mike Harrison[4]、Watson Patel和Sedcole[5]等。

1.1 電磁感應(yīng)驅(qū)動(dòng)論

如圖2所示，Ia為軸上電流，它產(chǎn)生環(huán)向磁場(chǎng)Ba，當(dāng)滾珠滾動(dòng)時(shí)，取赤道截面外圈為研究對(duì)象，通過(guò)該封閉圓環(huán)的磁通量發(fā)生變化，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，該圓環(huán)上感應(yīng)產(chǎn)生磁通量變化趨勢(shì)相反的磁場(chǎng)Bb。這樣，該截面的其它直徑的圓環(huán)共同加強(qiáng)此作用，而不同截面產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)與Bb方向相同，進(jìn)一步加強(qiáng)感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度。在軸上任取一點(diǎn)面積微元，在此處電流和感應(yīng)磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生安培力，安培力的方向與初始轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同，即產(chǎn)生了動(dòng)力[3]。

圖2 電磁感應(yīng)驅(qū)動(dòng)論原理圖

1.2 熱變形驅(qū)動(dòng)論

如圖3所示，滾珠沿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。在狀態(tài)1時(shí)，接觸點(diǎn)處因接觸電阻較大，電流通過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的電阻熱，導(dǎo)致滾珠沿徑向膨脹。隨著滾珠的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)入狀態(tài)2，接觸點(diǎn)的改變導(dǎo)致先前高溫膨脹區(qū)不再為接觸區(qū)域，因不與內(nèi)外圈接觸后獲得冷卻（紅色區(qū)域），而新的部分由于與內(nèi)外圈接觸而形成新的高溫膨脹區(qū)域，如此周而復(fù)始。變形后的滾珠類似橢球形，對(duì)內(nèi)外圈有力的作用，通過(guò)旋轉(zhuǎn)把變形儲(chǔ)存的能量釋放出去，相當(dāng)于對(duì)軸和外圈施加了一個(gè)轉(zhuǎn)矩作用。軸承外圈固定，軸承內(nèi)圈與軸過(guò)盈配合，因而在這種轉(zhuǎn)矩的作用下獲得動(dòng)力[6]。

圖3 熱變形驅(qū)動(dòng)論原理圖

1.3 實(shí)驗(yàn)研究

1.3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本文搭建的實(shí)驗(yàn)裝置，如圖4和圖5所示，中間的軸選用M6的絲桿，因?yàn)橛新菁y，可以用螺母對(duì)軸承和飛輪進(jìn)行軸向定位。然后用導(dǎo)電夾夾住軸承的外圈表面，組成了一臺(tái)軸承電機(jī)。兩個(gè)導(dǎo)電夾分別夾住兩個(gè)軸承的外圈，另一端分別與電源的正負(fù)極連接。實(shí)驗(yàn)電源可實(shí)現(xiàn)0～100A恒流輸出。實(shí)驗(yàn)過(guò)程用兩個(gè)經(jīng)過(guò)絕緣處理的鐵塊壓住導(dǎo)電夾的后部，以防止實(shí)驗(yàn)裝置在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程的不穩(wěn)定導(dǎo)致軸承的同軸度發(fā)生變化及裝置的脫軌。在飛輪邊緣貼有反光片，用以配合轉(zhuǎn)速儀使用可獲得飛輪的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。

圖4 滾珠軸承電機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖5 滾珠軸承電機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

1.3.2 電磁感應(yīng)驅(qū)動(dòng)論的驗(yàn)證過(guò)程

在輸出電流定為75A時(shí)，電壓為5V左右時(shí)，電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速達(dá)到2100rpm，用高斯計(jì)對(duì)滾珠軸承電機(jī)工作時(shí)軸周圍空間的磁場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量值為0.005T，而通過(guò)畢奧-薩法爾-拉普拉斯定律計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)與實(shí)測(cè)值大致相同，而在該強(qiáng)度的感應(yīng)磁場(chǎng)下，中心軸所受的安培力很小，是不可能驅(qū)動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)的。

進(jìn)一步設(shè)想，若人為構(gòu)造一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境，讓通電軸受安培力，結(jié)果是否會(huì)不一樣，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍然是否定電磁感應(yīng)驅(qū)動(dòng)論的，轉(zhuǎn)速與不加外磁場(chǎng)效果是一樣的。結(jié)論：軸在感應(yīng)磁場(chǎng)下所受安培力過(guò)小，挑戰(zhàn)電磁感應(yīng)驅(qū)動(dòng)論。

1.3.3 采用均勻變形的滾針軸承驗(yàn)證

在同樣條件下使用HF0612單向滾針軸承時(shí)，發(fā)現(xiàn)軸承電機(jī)依然無(wú)法工作。可以理解為，在滾動(dòng)件為圓柱滾子形式，與內(nèi)外圈為線接觸，接觸電阻與點(diǎn)接觸相比數(shù)值上會(huì)小很多，產(chǎn)生的接觸電阻熱也會(huì)小很多，所以造成局部溫度不均勻而引起變形的趨勢(shì)就會(huì)很不明顯，因而導(dǎo)致電機(jī)無(wú)法工作。但是此時(shí)條件仍滿足電磁感應(yīng)驅(qū)動(dòng)論的條件，有感應(yīng)磁場(chǎng)、有安培力，但是并沒(méi)有轉(zhuǎn)起來(lái)，所以進(jìn)一步否定了電磁感應(yīng)驅(qū)動(dòng)論的主導(dǎo)地位。

1.3.4 其它驗(yàn)證設(shè)想

加大夾持力度，使軸承外圈產(chǎn)生微小形變，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中有利于轉(zhuǎn)速的提高。斯洛伐克的學(xué)者Kamila Sou?ková[7]曾這樣嘗試過(guò)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的確有明顯提高，這是用電磁感應(yīng)驅(qū)動(dòng)論無(wú)法解釋的。

1.3.5 轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)理總結(jié)

綜上所述，對(duì)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)起主導(dǎo)作用是熱變形產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩，而不是電磁感應(yīng)產(chǎn)生的推動(dòng)力矩。

2 電機(jī)性能探究

2.1 轉(zhuǎn)速隨電流的變化規(guī)律

實(shí)驗(yàn)選取開(kāi)式高速軸承686（Z3等級(jí)），分別控制輸出電流為19A，25A，50A，75A，記錄其轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化情況，繪制曲線，如圖6所示。

圖6 不同電流強(qiáng)度下轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化曲線

從圖6可以看出：

1）最大轉(zhuǎn)速隨電流增大而增大；

2）由開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)至最大轉(zhuǎn)速加速階段，時(shí)間隨電流增大而減短；

3）軸承的壽命隨電流增大而顯著縮短。

2.2 電機(jī)效率

用電子天平測(cè)得木質(zhì)飛輪的質(zhì)量為50g，設(shè)定飛輪為唯一對(duì)外做功元件。以75A恒流條件下的數(shù)據(jù)為計(jì)算示例，如下：

其他各組數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果如表1所示。

對(duì)表1中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到以下結(jié)論：

1）軸承電機(jī)效率很低，大部分以熱的形式耗散掉了；

2）隨著輸入電流的增加，效率逐漸降低；

3）隨著輸入電流的增加，輸出扭矩逐漸增加。

2.3 電機(jī)壽命

過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察，軸承電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間并不長(zhǎng)，會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)生大量的焦耳熱使其內(nèi)部潤(rùn)滑失效，最終滾珠與內(nèi)外部膠合，無(wú)法正常工作。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察，改善潤(rùn)滑條件后，可以有效延長(zhǎng)軸承電機(jī)的壽命，使其穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間更長(zhǎng)，對(duì)其在工程上的應(yīng)用有著重大意義。汽車軸承為實(shí)現(xiàn)高溫條件下的良好潤(rùn)滑，通常會(huì)加入一種名為二硫化鉬的物質(zhì)，本文嘗試將二硫化鉬潤(rùn)滑脂和分析純二硫化鉬粉均勻地加入開(kāi)式686軸承的縫隙中，軸承轉(zhuǎn)速和壽命得到一定改善。

在本文實(shí)驗(yàn)中，滾珠軸承的角色非常特殊。因?yàn)橐写箅娏魍ㄟ^(guò)，必須保證軸承良好的導(dǎo)電性，而潤(rùn)滑油的使用，會(huì)使?jié)L珠與內(nèi)外圈接觸出形成一層潤(rùn)滑油膜。潤(rùn)滑油膜雖然不僅可以有效減少磨損，還能起到散熱降溫的目的[8]，但也阻礙了電流的通過(guò)，更容易在高溫下燒結(jié)，導(dǎo)致失效產(chǎn)生。

為研究何種潤(rùn)滑條件下，軸承的壽命最長(zhǎng)，本文對(duì)比使用了閉式軸承696ZZ（Z3等級(jí)，內(nèi)含潤(rùn)滑油）和開(kāi)式高速軸承686（Z3等級(jí)）。在相同電流強(qiáng)度下，閉式軸承（無(wú)潤(rùn)滑油）和開(kāi)式軸承（有潤(rùn)滑油）在轉(zhuǎn)速（指最大轉(zhuǎn)速）和壽命的數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示。

表2 閉式軸承與開(kāi)式軸承轉(zhuǎn)速與壽命數(shù)據(jù)對(duì)比表

對(duì)表2中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到以下結(jié)論：

1）閉式軸承的起轉(zhuǎn)電流比開(kāi)式要大（25A閉式?jīng)]有轉(zhuǎn)起來(lái)）；

2）相同電流條件下，單次運(yùn)轉(zhuǎn)，閉式的壽命比開(kāi)式要長(zhǎng)；

3）開(kāi)式軸承失效后冷卻一段時(shí)間后，可以再次使用，而閉式則不可，認(rèn)為開(kāi)式整體壽命比閉式壽命要好。

3 結(jié)論

軸承電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：1）搭建簡(jiǎn)單；2）轉(zhuǎn)速高，缺點(diǎn)是：1）電源要求高（大電流）；2）效率較低；3）壽命較短，不可長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)使用。

表1 軸承電機(jī)效率計(jì)算數(shù)據(jù)表

由于裝置的元件少，可應(yīng)用于微型化場(chǎng)合，實(shí)現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)速輸出，并適合用于常溫或低溫條件下，這樣可延長(zhǎng)使用壽命。對(duì)于滾珠軸承電機(jī)可輸出高轉(zhuǎn)速這一優(yōu)點(diǎn)，如能設(shè)法加以利用，將有較好的工程和生活應(yīng)用前景及市場(chǎng)價(jià)值。

[1]Wikipedia.Ball bearing motor.http：//en.wikipedia.org/wiki/Ball_bearing_motor.

[2]H.Gruenberg.The ball bearing as a motor.Am.J.Phys[J].1978,46(12)：1213-1219.

[3]Kirk T.McDonald.Ball-Bearing Motor[D].Princeton Univ.2011.

[4]Mike Harrison.The Ball-Bearing electric motor[J].Mike's Electric Stuff.

[5]D.B.Watson,S.M.Patel,and Sedcole,N.P.Ball-bearing motor effect with rolling cylinders[J].IEE Proc.Sci.Meas.Technol.1999,146(2),83-87.

[6]John Storey.How real electric motors work[D].Univ.of New South Wales.2006

[7]Kamila Sou?ková.http：//solutions.iypt.org/uploads/2013_SK_Ball_bearing_motor_Adam_Dej.

[8]安琦.顧大強(qiáng).機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社,2008.