滾珠軸承電動機的實驗研究

彭 勃，吳瀟瀟，魏鵬程，馬新玲

(華東理工大學 機械與動力工程學院，上海 200237)

0 引言

滾珠軸承電動機是一種非常神奇的電動機（如圖1所示）。它不需要傳統電機的磁場、線圈等結構，只需要在兩個滾珠軸承和一根軸組成軸承裝置后，給它通上電流。電流依次通過軸承1的外圈，滾珠，內圈，軸，和軸承2的內圈，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，其電流會很大（20A以上）。只要給軸一個初始的轉動，軸就會在軸承的作用下加速至指定轉速，其功用相當于一個電動機。究竟是什么原因使軸能持續轉動？軸的轉速與電流的變化之間遵循什么規律？這套裝置的效率如何？本文帶著以上疑問搭建實驗裝置進行了一系列的探索與研究。

圖1 滾動軸承電機裝置示意圖

1 轉動機理

當今學術界對于滾珠軸承電機轉動機理的解釋可分為兩種[1]，一種是電磁感應驅動論，代表學者有H.Gruenberg[2]、Kirk T.McDonald[3]等；另一種是熱變形驅動論，代表學者有Mike Harrison[4]、Watson Patel和Sedcole[5]等。

1.1 電磁感應驅動論

如圖2所示，Ia為軸上電流，它產生環向磁場Ba，當滾珠滾動時，取赤道截面外圈為研究對象，通過該封閉圓環的磁通量發生變化，根據法拉第電磁感應定律，該圓環上感應產生磁通量變化趨勢相反的磁場Bb。這樣，該截面的其它直徑的圓環共同加強此作用，而不同截面產生的感應磁場與Bb方向相同，進一步加強感應磁場強度。在軸上任取一點面積微元，在此處電流和感應磁場的作用下產生安培力，安培力的方向與初始轉動方向相同，即產生了動力[3]。

圖2 電磁感應驅動論原理圖

1.2 熱變形驅動論

如圖3所示，滾珠沿逆時針轉動。在狀態1時，接觸點處因接觸電阻較大，電流通過時會產生很大的電阻熱，導致滾珠沿徑向膨脹。隨著滾珠的旋轉，進入狀態2，接觸點的改變導致先前高溫膨脹區不再為接觸區域，因不與內外圈接觸后獲得冷卻（紅色區域），而新的部分由于與內外圈接觸而形成新的高溫膨脹區域，如此周而復始。變形后的滾珠類似橢球形，對內外圈有力的作用，通過旋轉把變形儲存的能量釋放出去，相當于對軸和外圈施加了一個轉矩作用。軸承外圈固定，軸承內圈與軸過盈配合，因而在這種轉矩的作用下獲得動力[6]。

圖3 熱變形驅動論原理圖

1.3 實驗研究

1.3.1 實驗裝置

本文搭建的實驗裝置，如圖4和圖5所示，中間的軸選用M6的絲桿，因為有螺紋，可以用螺母對軸承和飛輪進行軸向定位。然后用導電夾夾住軸承的外圈表面，組成了一臺軸承電機。兩個導電夾分別夾住兩個軸承的外圈，另一端分別與電源的正負極連接。實驗電源可實現0～100A恒流輸出。實驗過程用兩個經過絕緣處理的鐵塊壓住導電夾的后部，以防止實驗裝置在運轉過程的不穩定導致軸承的同軸度發生變化及裝置的脫軌。在飛輪邊緣貼有反光片，用以配合轉速儀使用可獲得飛輪的實時轉速。

圖4 滾珠軸承電機實驗裝置示意圖

圖5 滾珠軸承電機實驗裝置實物圖

1.3.2 電磁感應驅動論的驗證過程

在輸出電流定為75A時，電壓為5V左右時，電機峰值轉速達到2100rpm，用高斯計對滾珠軸承電機工作時軸周圍空間的磁場進行了測量，測量值為0.005T，而通過畢奧-薩法爾-拉普拉斯定律計算，可以發現與實測值大致相同，而在該強度的感應磁場下，中心軸所受的安培力很小，是不可能驅動飛輪旋轉的。

進一步設想，若人為構造一個強磁場環境，讓通電軸受安培力，結果是否會不一樣，但實驗結果仍然是否定電磁感應驅動論的，轉速與不加外磁場效果是一樣的。結論：軸在感應磁場下所受安培力過小，挑戰電磁感應驅動論。

1.3.3 采用均勻變形的滾針軸承驗證

在同樣條件下使用HF0612單向滾針軸承時，發現軸承電機依然無法工作。可以理解為，在滾動件為圓柱滾子形式，與內外圈為線接觸，接觸電阻與點接觸相比數值上會小很多，產生的接觸電阻熱也會小很多，所以造成局部溫度不均勻而引起變形的趨勢就會很不明顯，因而導致電機無法工作。但是此時條件仍滿足電磁感應驅動論的條件，有感應磁場、有安培力，但是并沒有轉起來，所以進一步否定了電磁感應驅動論的主導地位。

1.3.4 其它驗證設想

加大夾持力度，使軸承外圈產生微小形變，在轉動過程中有利于轉速的提高。斯洛伐克的學者Kamila Sou?ková[7]曾這樣嘗試過，發現轉速的確有明顯提高，這是用電磁感應驅動論無法解釋的。

1.3.5 轉動機理總結

綜上所述，對軸的轉動起主導作用是熱變形產生的驅動力矩，而不是電磁感應產生的推動力矩。

2 電機性能探究

2.1 轉速隨電流的變化規律

實驗選取開式高速軸承686（Z3等級），分別控制輸出電流為19A，25A，50A，75A，記錄其轉速隨時間變化情況，繪制曲線，如圖6所示。

圖6 不同電流強度下轉速隨時間變化曲線

從圖6可以看出：

1）最大轉速隨電流增大而增大；

2）由開始轉動至最大轉速加速階段，時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 電機效率

用電子天平測得木質飛輪的質量為50g，設定飛輪為唯一對外做功元件。以75A恒流條件下的數據為計算示例，如下：

其他各組數據計算結果如表1所示。

對表1中數據進行分析，可以得到以下結論：

1）軸承電機效率很低，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 電機壽命

過實驗觀察，軸承電機穩定運轉時間并不長，會因為產生大量的焦耳熱使其內部潤滑失效，最終滾珠與內外部膠合，無法正常工作。

通過實驗現象觀察，改善潤滑條件后，可以有效延長軸承電機的壽命，使其穩定運轉的時間更長，對其在工程上的應用有著重大意義。汽車軸承為實現高溫條件下的良好潤滑，通常會加入一種名為二硫化鉬的物質，本文嘗試將二硫化鉬潤滑脂和分析純二硫化鉬粉均勻地加入開式686軸承的縫隙中，軸承轉速和壽命得到一定改善。

在本文實驗中，滾珠軸承的角色非常特殊。因為要有大電流通過，必須保證軸承良好的導電性，而潤滑油的使用，會使滾珠與內外圈接觸出形成一層潤滑油膜。潤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，更容易在高溫下燒結，導致失效產生。

為研究何種潤滑條件下，軸承的壽命最長，本文對比使用了閉式軸承696ZZ（Z3等級，內含潤滑油）和開式高速軸承686（Z3等級）。在相同電流強度下，閉式軸承（無潤滑油）和開式軸承（有潤滑油）在轉速（指最大轉速）和壽命的數據對比如表2所示。

表2 閉式軸承與開式軸承轉速與壽命數據對比表

對表2中數據進行分析，可以得到以下結論：

1）閉式軸承的起轉電流比開式要大（25A閉式沒有轉起來）；

2）相同電流條件下，單次運轉，閉式的壽命比開式要長；

3）開式軸承失效后冷卻一段時間后，可以再次使用，而閉式則不可，認為開式整體壽命比閉式壽命要好。

3 結論

軸承電機的優點是：1）搭建簡單；2）轉速高，缺點是：1）電源要求高（大電流）；2）效率較低；3）壽命較短，不可長時間連續使用。

表1 軸承電機效率計算數據表

由于裝置的元件少，可應用于微型化場合，實現較高的轉速輸出，并適合用于常溫或低溫條件下，這樣可延長使用壽命。對于滾珠軸承電機可輸出高轉速這一優點，如能設法加以利用，將有較好的工程和生活應用前景及市場價值。

[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.機械設計[M].北京：科學出版社,2008.