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通俗易懂的电机原理

来源: 浏览次数:797 发布时间:2021-07-17

我们从小学就知道,磁铁分N极和S极,磁力线从N极出发,最后回到S极;磁铁同极相斥,异极相吸。磁铁磁极之间的相互作用示意图如下:

利用磁极之间相互作用力,理论上我们可以移动一个磁极,让另外一个磁极跟着运动,如果第一个磁极旋转的话,另一个磁极也会跟着旋转。但是这样无法称之为电机,因为旋转一个磁极需要的是机械能,这样本质上是机械能之间的转换,不是电能和机械能之间的转换。那怎么办呢?

安培定律告诉我们,磁场本质是由电流产生的,我们想要的是磁场之间的相互作用,因此主要有电流即可,一个很自然的想法就是:能不能将两个磁场中的一个用线圈来产生呢?——当然可以,永磁同步电机就是这么干的,具体见下图:

我们一般将永磁体放在转子上,定子是一个线圈,线圈通电后,也会产生一个磁场。根据我们的直观感觉,很容易得出如下结论:

 当两个磁场轴线正对着的时候(上图左),磁场之间有相互吸引力,这个力是径向的,不会产生转矩。
 当两个磁场轴线有一定夹角的时候(上图中),磁场之间有相互吸引力,但是这个力既有径向分量,也有切向分量,因此会产生一定的转矩。
  当两个磁场轴线垂直的时候(上图右),磁场之间有相互吸引力,但是这个力主要是切向分量,因此产生转矩最大。

可以做出如下猜想:
对于旋转电机而言,由于其转矩是由两个磁场相互作用产生的,因此:

  转矩的大小应该和两个磁场的大小是正相关的,磁场越强,转矩应该越大;
  转矩的大小和两个磁场之间的夹角是正相关的,夹角为零时转矩为零,夹角90°时转矩最大。

这些都是定性分析,对于工程师而言,我们需要的是定量的计算,那怎么算呢?

我们知道,数学中的叉乘运算描述的是什么东西呢?——叉乘的结果和两个量的幅值成正比,和夹角正相关,这怎么和磁场产生转矩的那么相像,那是不是可以用叉乘来计算两个磁场相互作用产生的转矩呢?

磁场的本质是电流产生的,产生磁场的电流又叫磁动势,假如我们胆子更大一点,是不是可以进一步猜想:

其中表示线圈磁动势,表示永磁体磁动势。

也就是说电机转矩和线圈磁动势与永磁体磁动势的叉乘成正比

当然,真正的电机是不会直接拿线圈和永磁体直接相吸的,这样效率太低,一般是将线圈绕在磁轭上,磁轭是软磁体,起着导磁的作用,如下图所示。




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