滚珠轴承电动机的实验研究

彭 勃，吴潇潇，魏鹏程，马新玲

(华东理工大学 机械与动力工程学院，上海 200237)

0 引言

滚珠轴承电动机是一种非常神奇的电动机（如图1所示）。它不需要传统电机的磁场、线圈等结构，只需要在两个滚珠轴承和一根轴组成轴承装置后，给它通上电流。电流依次通过轴承1的外圈，滚珠，内圈，轴，和轴承2的内圈，滚珠，外圈，与电源组成回路即可。电源电压要求不高（2V左右），交流、直流皆可。但由于整套装置的电阻很小，其电流会很大（20A以上）。只要给轴一个初始的转动，轴就会在轴承的作用下加速至指定转速，其功用相当于一个电动机。究竟是什么原因使轴能持续转动？轴的转速与电流的变化之间遵循什么规律？这套装置的效率如何？本文带着以上疑问搭建实验装置进行了一系列的探索与研究。

图1 滚动轴承电机装置示意图

1 转动机理

当今学术界对于滚珠轴承电机转动机理的解释可分为两种[1]，一种是电磁感应驱动论，代表学者有H.Gruenberg[2]、Kirk T.McDonald[3]等；另一种是热变形驱动论，代表学者有Mike Harrison[4]、Watson Patel和Sedcole[5]等。

1.1 电磁感应驱动论

如图2所示，Ia为轴上电流，它产生环向磁场Ba，当滚珠滚动时，取赤道截面外圈为研究对象，通过该封闭圆环的磁通量发生变化，根据法拉第电磁感应定律，该圆环上感应产生磁通量变化趋势相反的磁场Bb。这样，该截面的其它直径的圆环共同加强此作用，而不同截面产生的感应磁场与Bb方向相同，进一步加强感应磁场强度。在轴上任取一点面积微元，在此处电流和感应磁场的作用下产生安培力，安培力的方向与初始转动方向相同，即产生了动力[3]。

图2 电磁感应驱动论原理图

1.2 热变形驱动论

如图3所示，滚珠沿逆时针转动。在状态1时，接触点处因接触电阻较大，电流通过时会产生很大的电阻热，导致滚珠沿径向膨胀。随着滚珠的旋转，进入状态2，接触点的改变导致先前高温膨胀区不再为接触区域，因不与内外圈接触后获得冷却（红色区域），而新的部分由于与内外圈接触而形成新的高温膨胀区域，如此周而复始。变形后的滚珠类似椭球形，对内外圈有力的作用，通过旋转把变形储存的能量释放出去，相当于对轴和外圈施加了一个转矩作用。轴承外圈固定，轴承内圈与轴过盈配合，因而在这种转矩的作用下获得动力[6]。

图3 热变形驱动论原理图

1.3 实验研究

1.3.1 实验装置

本文搭建的实验装置，如图4和图5所示，中间的轴选用M6的丝杆，因为有螺纹，可以用螺母对轴承和飞轮进行轴向定位。然后用导电夹夹住轴承的外圈表面，组成了一台轴承电机。两个导电夹分别夹住两个轴承的外圈，另一端分别与电源的正负极连接。实验电源可实现0～100A恒流输出。实验过程用两个经过绝缘处理的铁块压住导电夹的后部，以防止实验装置在运转过程的不稳定导致轴承的同轴度发生变化及装置的脱轨。在飞轮边缘贴有反光片，用以配合转速仪使用可获得飞轮的实时转速。

图4 滚珠轴承电机实验装置示意图

图5 滚珠轴承电机实验装置实物图

1.3.2 电磁感应驱动论的验证过程

在输出电流定为75A时，电压为5V左右时，电机峰值转速达到2100rpm，用高斯计对滚珠轴承电机工作时轴周围空间的磁场进行了测量，测量值为0.005T，而通过毕奥-萨法尔-拉普拉斯定律计算，可以发现与实测值大致相同，而在该强度的感应磁场下，中心轴所受的安培力很小，是不可能驱动飞轮旋转的。

进一步设想，若人为构造一个强磁场环境，让通电轴受安培力，结果是否会不一样，但实验结果仍然是否定电磁感应驱动论的，转速与不加外磁场效果是一样的。结论：轴在感应磁场下所受安培力过小，挑战电磁感应驱动论。

1.3.3 采用均匀变形的滚针轴承验证

在同样条件下使用HF0612单向滚针轴承时，发现轴承电机依然无法工作。可以理解为，在滚动件为圆柱滚子形式，与内外圈为线接触，接触电阻与点接触相比数值上会小很多，产生的接触电阻热也会小很多，所以造成局部温度不均匀而引起变形的趋势就会很不明显，因而导致电机无法工作。但是此时条件仍满足电磁感应驱动论的条件，有感应磁场、有安培力，但是并没有转起来，所以进一步否定了电磁感应驱动论的主导地位。

1.3.4 其它验证设想

加大夹持力度，使轴承外圈产生微小形变，在转动过程中有利于转速的提高。斯洛伐克的学者Kamila Součková[7]曾这样尝试过，发现转速的确有明显提高，这是用电磁感应驱动论无法解释的。

1.3.5 转动机理总结

综上所述，对轴的转动起主导作用是热变形产生的驱动力矩，而不是电磁感应产生的推动力矩。

2 电机性能探究

2.1 转速随电流的变化规律

实验选取开式高速轴承686（Z3等级），分别控制输出电流为19A，25A，50A，75A，记录其转速随时间变化情况，绘制曲线，如图6所示。

图6 不同电流强度下转速随时间变化曲线

从图6可以看出：

1）最大转速随电流增大而增大；

2）由开始转动至最大转速加速阶段，时间随电流增大而减短；

3）轴承的寿命随电流增大而显著缩短。

2.2 电机效率

用电子天平测得木质飞轮的质量为50g，设定飞轮为唯一对外做功元件。以75A恒流条件下的数据为计算示例，如下：

其他各组数据计算结果如表1所示。

对表1中数据进行分析，可以得到以下结论：

1）轴承电机效率很低，大部分以热的形式耗散掉了；

2）随着输入电流的增加，效率逐渐降低；

3）随着输入电流的增加，输出扭矩逐渐增加。

2.3 电机寿命

过实验观察，轴承电机稳定运转时间并不长，会因为产生大量的焦耳热使其内部润滑失效，最终滚珠与内外部胶合，无法正常工作。

通过实验现象观察，改善润滑条件后，可以有效延长轴承电机的寿命，使其稳定运转的时间更长，对其在工程上的应用有着重大意义。汽车轴承为实现高温条件下的良好润滑，通常会加入一种名为二硫化钼的物质，本文尝试将二硫化钼润滑脂和分析纯二硫化钼粉均匀地加入开式686轴承的缝隙中，轴承转速和寿命得到一定改善。

在本文实验中，滚珠轴承的角色非常特殊。因为要有大电流通过，必须保证轴承良好的导电性，而润滑油的使用，会使滚珠与内外圈接触出形成一层润滑油膜。润滑油膜虽然不仅可以有效减少磨损，还能起到散热降温的目的[8]，但也阻碍了电流的通过，更容易在高温下烧结，导致失效产生。

为研究何种润滑条件下，轴承的寿命最长，本文对比使用了闭式轴承696ZZ（Z3等级，内含润滑油）和开式高速轴承686（Z3等级）。在相同电流强度下，闭式轴承（无润滑油）和开式轴承（有润滑油）在转速（指最大转速）和寿命的数据对比如表2所示。

表2 闭式轴承与开式轴承转速与寿命数据对比表

对表2中数据进行分析，可以得到以下结论：

1）闭式轴承的起转电流比开式要大（25A闭式没有转起来）；

2）相同电流条件下，单次运转，闭式的寿命比开式要长；

3）开式轴承失效后冷却一段时间后，可以再次使用，而闭式则不可，认为开式整体寿命比闭式寿命要好。

3 结论

轴承电机的优点是：1）搭建简单；2）转速高，缺点是：1）电源要求高（大电流）；2）效率较低；3）寿命较短，不可长时间连续使用。

表1 轴承电机效率计算数据表

由于装置的元件少，可应用于微型化场合，实现较高的转速输出，并适合用于常温或低温条件下，这样可延长使用寿命。对于滚珠轴承电机可输出高转速这一优点，如能设法加以利用，将有较好的工程和生活应用前景及市场价值。

[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 Součková.http：//solutions.iypt.org/uploads/2013_SK_Ball_bearing_motor_Adam_Dej.

[8]安琦.顾大强.机械设计[M].北京：科学出版社,2008.