干貨 | 電機的旋轉原理和發電原理

2021年5月6日 15:55
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關于電流、磁場和力


首先，為了便于后續電機原理說明，我們來回顧一下有關電流、磁場和力的基本定律/法則。雖然有一種懷舊的感覺，但如果平時不常使用磁性元器件，就很容易忘記這些知識。

干貨 | 電機的旋轉原理和發電原理的圖1


電機的旋轉原理


干貨 | 電機的旋轉原理和發電原理的圖2

下面介紹一下電機的旋轉原理。我們結合圖片和公式來說明。

當導線框為矩形時，要考慮到作用在電流上的力。

作用于邊a、c部分的力F為

干貨 | 電機的旋轉原理和發電原理的圖3

產生以中心軸為心軸的轉矩。

例如，當考慮到旋轉角度僅為θ的狀態時，與b和d成直角作用的力為sinθ，因此a部分的轉矩Ta由以下公式表示:

干貨 | 電機的旋轉原理和發電原理的圖4

以相同的方式考慮c部分，則轉矩加倍，并生成由以下公式計算出來的轉矩：

　 干貨 | 電機的旋轉原理和發電原理的圖5

由于矩形的面積為S＝h?l，因此將其代入上述公式可得出以下結果：

　 干貨 | 電機的旋轉原理和發電原理的圖6

該公式不僅適用于矩形，也適用于圓形等其他常見形狀。電機就是利用了該原理。

電機的發電原理


上一篇文章介紹了電機的旋轉原理。本文將介紹電機的發電原理。

如上一篇文章所述，電機是將電能轉換為動力的設備，可以通過利用磁場和電流相互作用所產生的力來實現旋轉運動。其實，反之，電機也能夠通過 電磁感應將機械能（運動）轉換為電能。換個角度說，電機具有發電作用。提到發電，您可能就會想到發電機（也稱為“Dynamo”、“Alternator”、“Generator”、“交流發電機”等），但是其原理與電機相同，并且基本結構相似。簡而言之，電機可以通過使電流流經引腳而獲得旋轉運動，相反，當 電機的軸旋轉時，在引腳之間會有電流流過。

什么是電機的發電作用？


如前所述，電機的發電依賴于 電磁感應。以下是相關定律（法則）和發電作用的圖示。
干貨 | 電機的旋轉原理和發電原理的圖7
左圖顯示電流按照弗萊明右手定則流動。通過導線在磁通中的運動，在導線中產生電動勢并且有電流流動。

中間的圖和右圖表示按照法拉第定律和楞次定律，當磁鐵（磁通）靠近或遠離線圈時，電流沿不同的方向流動。

我們將在此基礎上來解釋發電原理。

電機的發電原理


干貨 | 電機的旋轉原理和發電原理的圖8

假設面積為S（＝l×h）的線圈在均勻磁場中以ω的角速度旋轉。

此時，假設線圈表面的平行方向（中間圖中的黃線）和相對于磁通密度方向的垂直線（黑色虛線）形成角度為θ（=ωt），則穿透線圈的磁通量Φ由下式表示：

　 干貨 | 電機的旋轉原理和發電原理的圖9

另外，通過電磁感應在線圈中產生的感應電動勢E如下：

干貨 | 電機的旋轉原理和發電原理的圖10

當線圈表面的平行方向垂直于磁通方向時，電動勢變為零，而水平時電動勢的絕對值最大。

這樣，電機就具備了發電作用。我在這里說明的是電機具有旋轉動作和發電作用，并不意味著要將電機用于發電。如果要發電，通常使用專為發電進行了優化的發電機。

干貨 | 電機的旋轉原理和發電原理的圖11 干貨 | 電機的旋轉原理和發電原理的圖12

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干貨 | 電機的旋轉原理和發電原理的圖13 干貨 | 電機的旋轉原理和發電原理的圖14


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