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奈何疾速解析永磁同步电机?

来源:鸿运,鸿运游戏,鸿运电子游戏发布时间:2020/03/26点击数:

  鸿运国际平台一、电和磁到底有没有关系?——奥斯特:电流的磁效应 二、电如何产生磁?——安培定律 三、磁如何产生电?——法拉第电磁感应定律 四、什么是B-H曲线 五、什么是永磁同步电机 5.1 电机原理的通俗理解 5.2 电机的数学模型 5.2.1 磁链方程 5.2.2 电压方程 5.2.3 力矩方程 5.3 DQ坐标系下三大方程 六、什么是电压极限圆和电流极限(椭)圆 七、旋转磁场是如何产生的

  工程问题本质上是解决两个“流”的问题,一个是“信息流”,另一个是“动力流”。我们前面说到的自动控制,信号处理其实都属于“信息流”的范畴,解决的是大脑和神经的问题,而“动力流”,则是要解决肌肉问题。只有两个“流”处理好了,才能做出一个成功的工程。今天,我们就来说一说“动力流”的核心部件之一——电机。

  电机(Electrical Machine)本质是一个能量转换装置(电能和机械能互换),包括电动机和发电机。工业中电动机更常见一些,因此狭义的电机通常是指电动机。

  上图展示的就是一个简易的电机,是由一节电池、一个螺钉、一根导线和一块磁铁以及扇叶组成,聪明的你能不能想明白扇叶为啥能转起来?(有好奇心的到后面找答案哦!)

  上面的电机中,我们用到了一种叫电磁铁的东西,也就俗称的吸铁石,它是自然界中天然磁化的石头,这种石头可以魔术般的吸起小块的铁片,而且在随意摆动后总是指向同一方向。最早发现及使用磁铁的是中国人,并且利用磁铁制作了“指南针”,是中国四大发明之一。

  那磁铁和永磁电机有什么关系呢?——永磁电机就是利用磁铁制作的电机,只不过磁铁这个名字不够高大上,专业术语一般叫“永磁体”。电现象和磁现象人类早就已经了解,但是直到19世纪,电学和磁学的研究仍处于很基础的阶段,而且绝大多数物理学家都认为电和磁是两种完全不同的现象。第一次工业革命后期,电磁学才逐渐合体并开始蓬勃发展起来,并催生了第二次工业革命——电力革命,这其中贡献最大的有这么几个人:奥斯特、安培以、法拉第以及高斯等,他们最重要的的工作都完成于1820年至1831年,最后由开了挂的麦克斯韦进行了总结并提出了完整的电磁理论。电机的基本理论和工程实现基本都是在这一时期成型的,因此要想学习电机,了解基本的电磁理论发展过程是非常有必要的。

  19世纪以前,人们一直以为电与磁势完全不同的现象,没有什么联系,虽然有一些零星的物理现象暗示它们之间似乎有一些说不清道不明的关系。直到1820年7月,丹麦的物理学家奥斯特(H.C.Oersted,1777-1851)发表了一篇文章《关于磁针上电流碰撞的实验》,向科学界宣布了电流的磁效应——电和磁其实是一对CP。

  奥斯特的论文起源于一个很偶然的实验——在电池的两极之间接上一根很细的铂丝,在铂丝的下方放置一枚磁针,然后接通电源,很正常的操作,貌似没什么,但是现象却很令人吃惊——小磁针转动了,一直转到铂丝垂直的方向,改变电流方向,又发现小磁针向相反方向偏转。

  奥斯特的发现揭示了长期以来认为性质不同的电现象与磁现象之间的联系,电磁学立即进入了一个崭新的发展时期,法拉第后来评价这一发现时说:“它猛然打开了一个科学领域的大门,那里过去是一片漆黑,如今充满光明。”人们为了纪念这位博学多才的科学家,从1934年起用“奥斯特”的名字命名磁场强度的单位。

  奥斯特可能怎么也没有料到,从1820年7月发表电流的磁效应的文章后,仅仅经历了四个多月时间,电磁学就经历了从现象的总结到理论的归纳一次大飞跃,从而开创了电动力学的理论。而推动这一发展的,是一个我们非常熟悉的人——安培。

  前面我们说到,能斯特发现了电流的磁效应,这个实验结果强烈震撼到了安培——一个被称之为“电学中牛顿”的大神。安德烈·玛丽·安培(André-Marie Ampère,1775 — 1836)出生于法国里昂,是我们学物理学的最早认识的科学家之一,因为电流的单位就是“安培”。

  200年前的科学界和现在也差不多,那就是一个热点文章发表后,总有一大群人蜂拥上来,发表灌水文章。安培在看到奥斯特的电流的磁效应的文章后,也立马开始了这一热点领域的研究。显然安培不属于灌水的这一类人,因为他不差名气和声望,驱使他前进的,是他对自然规律的好奇心。

  当然,安培是不会满足于到此为止的,因为这实在算不上的什么重大发现——那不是圆怎么办,如果是任意曲线呢?——安培伟大的地方在于,他还真的将“圆”扩展到了任意曲线上。

  这个公式暗含一个结论,那就是磁场是由运动的电荷(即电流)产生的,安培认识到磁现象的本质是电流 ,把涉及电流、磁体的各种相互作用归结为电流之间的相互作用,提出了寻找电流元相互作用规律的基本问题。因此在电磁学中,把产生磁场的电流也叫磁动势或磁势(Magnetomotive Force),简写为MMF,注意这是一个非常重要的概念,很多我们熟悉的磁场,都可以应用安培环路定理来计算。

  法拉第(Michael Faraday,1791-1867),英国的物理学家。法拉第可以说是实验物理学家的代表,一生做了无数次的实验,遍布整个电磁学领域,其中最具代表性的,就是电磁感应定律了:磁通量变化产生感应电动势。

  电磁感应定律的定量描述为:线圈中感应的电动势(Electromotive Force),简称EMF,与每匝线圈中磁通量的变化率以及匝数成正比,写成公式就是:

  这个公式是洛伦兹公式的简化版,也就说,我们可以通过电荷大小、运动速度以及所受到的力来反推周围磁场的大小,这个磁场的大小就是磁通密度,也叫磁感应强度,单位是特斯拉(Tesla)。注意,磁通密度是电机中最重要的概念之一。

  插点别的小知识:大家普遍认为,法拉第最牛逼的地方不在于他的实验,因为这些实验即使他不做,别人也能做,他最牛逼的地方在于他提出了“场”概念,这为什么牛逼呢?请看链接:

  在一定程度上来说,没有法拉第,就没有麦克斯韦方程组——物理规律散落在法拉第大量实验结果里面,大家面面相觑,不知所以。然后麦克斯韦来了,手起刀落,简化到了20个方程,然后又由赫维赛德简化至4个公式,就是现在的麦克斯韦方程组。这就好比你上了一学期的课程,厚厚的满本书都是知识点,然后来了个牛逼的学霸,给你画了了个重点,一下子就剩几页了,就是这种感觉。对麦克斯韦方程组感兴趣的童鞋,可以阅读这篇文章:

  1868年,一个未曾受到学校教育的21岁年轻人在书店闲逛,看到一本破旧的法拉第著作《电学研究集》,如获至宝,将其买回,一一重做书上的实验,然后走上人生巅峰,你知道这位年轻人是谁吗?(来源:物語悟理)

  都是磁场,为啥用两个量表示?他们是一回事吗?——首先,可以明确一点,这俩货量纲都不一致,肯定不是一回事。

  磁导率描述的是电荷感受的磁场(输出)与电流产生的磁场(输入)的比值,描述前者随着后者的响应。既然是响应,就会有幅值响应和相位响应,所以本质上,磁导率是一个复。