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通俗易懂的電機原理

來源: 瀏覽次數:848 發布時間:2021-07-17

我們從小學就知道,磁鐵分N極和S極,磁力線從N極出發,最后回到S極;磁鐵同極相斥,異極相吸。磁鐵磁極之間的相互作用示意圖如下:

利用磁極之間相互作用力,理論上我們可以移動一個磁極,讓另外一個磁極跟著運動,如果第一個磁極旋轉的話,另一個磁極也會跟著旋轉。但是這樣無法稱之為電機,因為旋轉一個磁極需要的是機械能,這樣本質上是機械能之間的轉換,不是電能和機械能之間的轉換。那怎么辦呢?

安培定律告訴我們,磁場本質是由電流產生的,我們想要的是磁場之間的相互作用,因此主要有電流即可,一個很自然的想法就是:能不能將兩個磁場中的一個用線圈來產生呢?——當然可以,永磁同步電機就是這么干的,具體見下圖:

我們一般將永磁體放在轉子上,定子是一個線圈,線圈通電后,也會產生一個磁場。根據我們的直觀感覺,很容易得出如下結論:

 當兩個磁場軸線正對著的時候(上圖左),磁場之間有相互吸引力,這個力是徑向的,不會產生轉矩。
 當兩個磁場軸線有一定夾角的時候(上圖中),磁場之間有相互吸引力,但是這個力既有徑向分量,也有切向分量,因此會產生一定的轉矩。
  當兩個磁場軸線垂直的時候(上圖右),磁場之間有相互吸引力,但是這個力主要是切向分量,因此產生轉矩最大。

可以做出如下猜想:
對于旋轉電機而言,由于其轉矩是由兩個磁場相互作用產生的,因此:

  轉矩的大小應該和兩個磁場的大小是正相關的,磁場越強,轉矩應該越大;
  轉矩的大小和兩個磁場之間的夾角是正相關的,夾角為零時轉矩為零,夾角90°時轉矩最大。

這些都是定性分析,對于工程師而言,我們需要的是定量的計算,那怎么算呢?

我們知道,數學中的叉乘運算描述的是什么東西呢?——叉乘的結果和兩個量的幅值成正比,和夾角正相關,這怎么和磁場產生轉矩的那么相像,那是不是可以用叉乘來計算兩個磁場相互作用產生的轉矩呢?

磁場的本質是電流產生的,產生磁場的電流又叫磁動勢,假如我們膽子更大一點,是不是可以進一步猜想:

其中表示線圈磁動勢,表示永磁體磁動勢。

也就是說電機轉矩和線圈磁動勢與永磁體磁動勢的叉乘成正比。

當然,真正的電機是不會直接拿線圈和永磁體直接相吸的,這樣效率太低,一般是將線圈繞在磁軛上,磁軛是軟磁體,起著導磁的作用,如下圖所示。


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