我們從小學(xué)就知道,磁鐵分N極和S極,磁力線從N極出發(fā),然后回到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:
利用磁極之間的相互作用力,理論上我們可以移動一個磁極,讓另外一個磁極跟著運(yùn)動,如果一個磁極旋轉(zhuǎn)的話,另一個磁極也會跟著旋轉(zhuǎn)。但是這樣無法稱之為電機(jī),因?yàn)樾D(zhuǎn)一個磁極需要的是機(jī)械能,這樣本質(zhì)上是機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換,不是電能和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換。那怎么辦呢?
安培定律告訴我們,磁場本質(zhì)是由電流產(chǎn)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(chǎn)生呢?——當(dāng)然可以,永磁同步電機(jī)就是這么干的。
我們一般將永磁體放在轉(zhuǎn)子上,定子是一個線圈,線圈通電后,也會產(chǎn)生一個磁場。根據(jù)我們的直觀感覺,很容易得出如下結(jié)論:
當(dāng)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(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。
當(dāng)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(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)矩。
當(dāng)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(chǎn)生轉(zhuǎn)矩大。
可以做出如下猜想:對于旋轉(zhuǎn)電機(jī)而言,由于其轉(zhuǎn)矩是由兩個磁場相互作用產(chǎn)生的,因此:
轉(zhuǎn)矩的大小應(yīng)該和兩個磁場的大小是正相關(guān)的,磁場越強(qiáng),轉(zhuǎn)矩應(yīng)該越大;
轉(zhuǎn)矩的大小和兩個磁場之間的夾角是正相關(guān)的,夾角為零時轉(zhuǎn)矩為零,夾角90°時轉(zhuǎn)矩。
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(shù)學(xué)中的叉乘運(yùn)算描述的是什么東西呢?——叉乘的結(jié)果和兩個量的幅值成正比,和夾角正相關(guān),這怎么和磁場產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的那么相像,那是不是以用叉乘來計算兩個磁場相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩呢?
磁場的本質(zhì)是電流產(chǎn)生的,產(chǎn)生磁場的電流又叫磁動勢,假如我們膽子更大一點(diǎn),是不是可以進(jìn)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(jī)轉(zhuǎn)矩和線圈磁動勢與永磁體磁動勢的叉乘成正比。
當(dāng)然,真正的電機(jī)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(dǎo)磁的作用,如下圖所示。