电机电磁转矩产生原理的一点疑惑！

zengxiaodong

轴对称的变压器模型，由于原副边离得很近，所以比较好理解线圈之间靠“空气”来传输能量的结论。
即使是两个线圈离得很远，能量也不是靠铁心来传输的，仍然靠的是线圈之间的“空气”！


如果假设为二维模型，那就是靠的是A处的漏磁来传输能量！

Tsaohuan

S≡ E × B/μ0

(Poynting vector)

zengxiaodong

Tsaohuan 发表于 2019-12-2 09:25
S≡ E × B/μ0

(Poynting vector)

太正确了！这么难打字的公式我立马复制补充到原帖了。

Ecodisk

Tsaohuan

本来矢量应该是黑体字的。S=E*B/u0

Tsaohuan

poynting vector主要用于电磁波传输。

zengxiaodong

下面是百度百科关于变压器漏磁场的解释，可惜从根子上错了！我们拭目以待，看看该词条什么时候修正？

zengxiaodong

现补充一个线圈对角交叉布置的坡印廷矢量动画，也就是AD为原边，BC为副边




到目前为止，给出的坡印廷矢量动画，矢量箭头长短变化很少，这是由于右侧标尺在变化的缘故，这种动画不便于表达矢量大小变化的过程，但是其好处是会显示出激磁能量的流入流出。

后面适当的例子会给出标尺固定，而矢量箭头长短随时间变化的动画。


补充内容 (2019-12-7 18:16):
更正动画在
https://bbs.simol.cn/thread-194543-1-1.html

zengxiaodong

zengxiaodong 发表于 2019-12-1 18:31
所以，在变压器中，铁心也是相当于一个“波导”，起到的是引导电磁波的作用。

这样看来，我们所深恶痛绝 ...

空载时，能量在线圈和铁心之间来回交换，如果不计损耗的话，那就是全部是无功功率。

zengxiaodong

坡印廷矢量这些动画其实只是更进一步确证了变压器能量流动靠的是线圈之间的“空气”而已而已，从我给出的那个划时代动画中，其实已经非常清楚地表明了能量流动完全不是通过铁心！

当然，国外学者也早就指出了人们对于变压器漏磁场的深深误解，在《物理学的历史负担》这本书中有专门的章节说明这个问题。



其中变压器的漏磁场章节如下：





全书下载：
物理学的历史负担-KPK-Startseite.pdf (3.59 MB, 下载次数: 19)

2019-12-4 10:47 上传

点击文件名下载附件

zengxiaodong

一切都起源于181楼双十一那天的一个动画，必须有足够的学术敏感性才能一瞬间看出该动画的意义。

后续的无限长导线、同轴电缆等等都是进一步的铺垫而已，至于坡印廷矢量的分析其实并不是必须的内容，仅是锦上添花的效果。

我为什么一再提到自耦变压器？还有所谓100%耦合的变压器？很显然，变压器窗口中除了激磁电流以外，其实原副边大量的电流是互相抵消的，这么说吧，比激磁电流大20倍以上的副边电流被原边电流反向抵消了！

因此，假如原副边线圈充分分散开并交融在一起的话，从整体上来看与空载运行时没什么两样，就像同轴电缆一样一样的（假设内导体是原边，外导体是副边），如果内外导体电流一样，方向相反的话，属完全磁屏蔽，内外导体电流不一样的话，差值就是激磁电流。在这样的模型下面，原边的能量是不是直接通过电磁场耦合到了副边呢，肯定不会有人相信能量是经过铁心来传输的，这样的分析结论完全无需仿真，仅从逻辑上就可以得到。


当然，实际的变压器不是100%耦合，也就是说虽然原副边总电流差值是激磁电流，但是线圈局部区域上电流密度还是很大的，这个局部效应就是实际变压器发生的问题......

朱庆云

切割一词只是个形象说法，并没有严格的科学定义。切割磁力线这一说法确有不妥之处。本质其实就是线圈内的磁场发生了变化，线圈就要感应出电流来抑制这种变化。

zengxiaodong

朱庆云 发表于 2019-12-6 22:37
切割一词只是个形象说法，并没有严格的科学定义。切割磁力线这一说法确有不妥之处。本质其实就是线圈内的磁 ...

本论坛有你这样误解的人属于绝大多数。其实恰恰相反，切割不仅是一个形象的说法，而且还有非常严格的数学定义！

后面我会总结，先提示一下吧，假如A代表矢量磁位，那么切割磁力线就是dA/dt，根据斯托克斯定理，就能得到切割磁力线的效果了。

补充内容 (2019-12-10 17:21):
请参见

https://bbs.simol.cn/thread-194649-1-1.html

zengxiaodong

十二飞帝 发表于 2019-11-27 22:05
曾老师提出好多个新观点，我还需好好的理解梳理一下，再进行探讨。
我又想到一个更好玩的问题，和大家讨论 ...

现在可以回答你的这个问题了，请记住：

电磁波最好的传播媒介是真空，既通畅又无损！导电体和导磁体都是很不适合电磁波通行的。

磁力线喜欢走铁心，因为铁心导磁。

电流喜欢走导体，因为导体电阻小。

电磁波喜欢走真空，因为真空中电磁波速最大，而且无损。

在导体，或者导磁体中，电磁波是很难传播的，因为波速实在太慢了，甚至根本就不能传播。

因此，坡印廷矢量到达铁心边缘时会贴着表面走，很难进入铁心（对应磁力线垂直铁心表面）

zengxiaodong

找了很久，总算找到一篇关于开槽铁心电机的坡印廷矢量论文，这就完全符合实际的电机结构了，而不是像以前那样空对空。


永磁同步电机与同步磁阻电机能量转换特性对比.pdf (3.45 MB, 下载次数: 16)

2019-12-8 16:18 上传

点击文件名下载附件

zengxiaodong

zengxiaodong 发表于 2019-11-30 16:45
某一瞬间，电磁能量流向矢量（坡印廷矢量）分布图

假设电机转向不变，三相电流反向，此时是发电机运行状态，也就是转矩反向了，槽内坡印廷矢量分布如下：




可见，槽内能流模式基本不改变，改变的是两侧槽口能量流入流出的差值！

zengxiaodong

发电状态的磁力线动画，可见槽内磁力线偏转方向有了变化。

zengxiaodong

非常对不起广大读者，我又要发明一个新名词了，这个新名词我想了很久。

我们知道在变压器理论中，有个“理想变压器”的说法，概括来说就是铁心磁导率无穷大，磁通全部在铁心中而没有漏磁，所以变比严格等于原副边匝数比，这是“理想变压器”的强条件，而“理想变压器”的弱条件是铁心没有损耗以及导线没有电阻。

从我们在本帖的一系列分析中，很清楚地可以看出，“理想变压器”无论在理论上还是实践上都是矛盾重重的，应予以放弃！从理论上来说，没有漏磁既违反斯托克斯定理，也违反安培环路定律，还违反坡印廷定理，这样的“三违反”在数理上根本就无法自洽。而实践上呢，无穷大磁导率显然是偏离实际太远太远......

鉴于上述理由，我特提出“理想耦合变压器”的概念，既无需铁心磁导率无穷大，也允许任意的铁心外漏磁，其强条件是原副边完全等效地“切割磁力线”，因此变比就严格等于匝数比；弱条件是铁心没有损耗以及导线没有电阻。

“理想耦合变压器”的典型实例是1：1的自耦变压器，至于不是自耦变压器的情形，也容易实现近乎满足条件的“理想耦合变压器”，那就是原副边线圈混合绕制，使得线圈电流不扎堆————尽量使得原副边电流在空间均匀分布。

例如，假设原副边电流密度如下图这样分布，图中空心和实心方框分别代表原副边电流密度区域，这将近乎能完全实现“理想耦合变压器”的强条件！

十二飞帝

zengxiaodong 发表于 2019-11-8 16:35
传统上来说，变压器铁心被认为是交变磁化；电机齿部也认为是交变磁化，而电机定转子轭部被认为是旋转磁化。 ...

曾老师，交变磁化和旋转磁化不都是磁场从大变到小，从正变到负吗？他俩有什么区别呢？

zengxiaodong

十二飞帝 发表于 2019-12-11 20:45
曾老师，交变磁化和旋转磁化不都是磁场从大变到小，从正变到负吗？他俩有什么区别呢？

旋转磁化可不是你说的那样，径向磁密为零了可是切向磁密反而最大！

zengxiaodong

这个帖子可以收尾了，我在此作一个总结。

本帖的主线其实是“切割磁力线”，从这个初中或高中就有的概念，深入讨论分析，抽丝剥茧衍伸出一系列的惊人结论：

1、自从引入磁通（磁链）的概念以后，人们产生了一个极大的误区，都以为“切割磁力线”这个概念被取代了，从而产生了交链磁通变化才是产生感应电势的本质这样的认识，为此，我们用形象的动画完全推翻了这个错误认识。不仅电机槽内导体一根一根地切割了磁力线，而且更令人震惊的是变压器居然也是切割磁力线的，当然还有无限长直导线、同轴电缆等等，都是通过动画展示了“切割磁力线”的具体细节，由于“切割磁力线”可以有更广泛的适应性，可以解释更多的物理现象，所以这才是感应电势产生的本质；

2、在电机槽内导体切割磁力线的动画中，我们发现电机齿内的磁场交变形式，并不是传统教科书所说的“交变磁化”，而是“旋转磁化”，这一结论也得到其他软件演示动画的进一步验证；

3、变压器的“切割磁力线”动画，是本帖最重大的成果，相信也是对大家冲击最大的看点。这个动画从构思到具体实现，采取了一系列的技巧，目的是能捕捉到稍瞬即逝的磁力线切割过程，有了这个动画，后面推出了一系列重要的结论;

4、第一个重要的推论就是变压器的能量传输无需经过铁心，而是直接通过“空气”，也就是铁心窗口区域的所谓漏磁场才是能量传输的载体和通道，这是绝大多数人包括资深专家闻所未闻的“天方夜谭”；

5、第二个重要推论是教科书中“理想变压器”的概念应予以彻底抛弃，因为其在数学上和物理上充满了矛盾，根本就无法自洽，为此我给出了替代方案，那就是“理想耦合变压器”模型，这一模型理论上没有漏洞，既不强调铁心磁导率，也不关心铁心窗口的漏磁有多少，而是抓住了各线圈等效“切割磁力线”这个牛鼻子，追求的是变压比精确等于匝数比，更重要的是，这个“理想耦合变压器”模型即使在实践上也是可以实现的，或者说是可以不费力很接近实现的；

6、为了进一步确证能量传输的途径，我们首先深入讨论了电机槽内的能流————坡印廷矢量，首次给出了电机槽内的坡印廷矢量分布图，不仅有电动状态也有发电状态，并总结出了电机槽内能流的3个特征，指出了槽口作为能量流动通道的重要性，从根本上分析出了闭口槽的严重缺点！由此也顺便回答了实心转子或者磁性导线在电机上为什么不可行的问题，那就是因为坡印廷矢量无法顺利通过；

7、进一步地我们给出了变压器“窗口”内的能流————坡印廷矢量动画，既包含了空载也包含了原副边不同放置方式下的对比，这些动画雄辩地证明了能量在线圈之间直接通过“空气”传输的结论；

8、既然能量不是经由铁心传输的，那么铁心的作用又是什么呢？对于这个问题，我们分析了铁心为什么会具有加速磁力线的作用，这一作用在变压器负载时仍然存在，因为原副边负载电流是近乎抵消的。加速磁力线的好处是，可以大幅度增加变压器的能量容量，这个增加能量容量的效果其实是通过增加电压来实现的，更底层的说法是，增加“窗口”区域的电场强度E来实现的；

9、对于楼主最初提出的有铁心有槽电机转矩计算问题，用虚位移原理和虚“切割磁力线”过程完美地证明了BIL公式的正确性，彻底解答了大家心中的疑问，也对教科书中语焉不详的解释打上了最后一个补丁！由此，还推广到槽内电流任意组合的情形，探讨了另外一种新的对电机转矩进行计算的数值实现方法，有助于加深对电机转矩的本质理解；

10、首次给出了电机气隙磁密的行波动画，不仅纠正了电机空载时不存在切向磁密的错误认知，还通过对比相同槽数不同极数电机的气隙磁密特点，从另外一条途径证明了极数多则电机转矩能力大的结论；

11、最后，万物尽皆归于数学，用斯托克斯定理，说明了磁通变化率就是等于“切割磁力线”！其实，铁心中的磁力线（磁通）既不会凭空产生也不可能凭空消失，因此，所谓没有漏磁场只有主磁场那是根本不可能的事情，线圈交链的每一根磁力线都是从线圈外面通过“切割磁力线”这个过程进入交链状态的，反之亦然！