變壓器和感應電機的工作原理

大家好，我們今天來講一下變壓器和感應電機的工作原理。在此之前，希望你對磁路原理有基本的了解：

昨天講到電感的反電動勢特性：

對于這樣的分析，我們是把電感看成實際電感，也就是有電阻的電感的：

在昨天的分析中我們知道，閉合鐵芯的電感，自感系數會非常大，也就意味著非常微弱的電流就可以在電感中產生非常強的磁場，進而產生非常大的反電動勢。對于一個自感系數非常非常大的電感，只需要微弱的電流，就能產生足以抵消外加電壓的反電動勢。

如果認為變壓器的原邊回路電阻為零，自感系數無窮大，并且所有的磁路都沿著鐵芯行走，那么只需要無窮小的電流就可以產生一定大的磁通，再通過電磁感應產生反電動勢抵消外界的電壓，這就是所謂理想變壓器的原理。理想變壓器不接負載的時候，輸入電流是為零的。

對于實際變壓器而言，情況并沒有那么樂觀：初級線圈會有一定的電阻，自感系數也不是無窮大，因此總需要一個微弱的電流Im來產生這個磁場，進而產生反電勢。這個用來產生磁場的電流稱為 勵磁電流 ，產生的磁通稱為 勵磁磁通 。另外，磁路也不是完全沿著鐵芯走的（因為鐵芯的磁阻雖然很小但也不為0），會有微弱的磁場沿著空氣跑掉，這個現象稱為 漏磁 。在鐵芯里的磁通稱為 主磁通 ，主磁通在鐵芯中會產生渦流損耗一部分能量，還會因為來回地對鐵芯磁化而產 生磁滯損耗 ，這就是 實際變壓器 。

在變壓器分析中，有一個很重要的假設： 勵磁磁通基本不變 。

為什么這么說呢？變壓器的線圈實際上電阻非常小，可以近似為0.既然沒有電阻，那么原邊的輸入電壓和反電勢就近似相等。而反電勢是怎么來的？反電勢是鐵芯里的磁通通過電磁感應產生的。假設變壓器的電源內阻可以忽略，那么反電勢和外加電壓都保持恒定，也就意味著勵磁磁通也是恒定的。

接下來我們給變壓器接上副邊：

接上副邊之后：假設副邊不接負載，這個時候次級線圈上是沒有電流的。沒有電流，就不會產生磁場，也就不會對鐵芯里的磁通產生影響。但這個時候鐵芯里的磁通會通過電磁感應在次級線圈感應出電壓。忽略漏磁的情況下，原邊和副邊的線圈內磁通是一樣的，因而電壓只和線圈的匝數成正比。這就是我們高中學變壓器所講到的結論。

接下來要講的內容就是接上負載的情況，可不是“因為能量守恒”那么簡單哦：

在接上負載的一瞬間，次級線圈形成回路，產生電流。這個電流也會在鐵芯中產生磁場，而且由于楞次定律，產生的磁場方向是抵抗勵磁磁通的，這個效應稱為 去磁效應 。這個時候鐵芯中的總磁通會等于勵磁磁通減去副邊電流產生的磁通，從而 使總磁通減小 。一旦總磁通有略微的減小，馬上會導致初級線圈中感應出的反電動勢減小。反電動勢減小的效果就是初級線圈回路的電流增大，產生的磁場更強，導致 總磁通增大 。最終的結果是 初級線圈增加的電流產生的磁通與次級線圈電流產生的磁通抵消 ，磁路中總磁通大小還是勵磁磁通：

這整個過程是在一瞬間完成的?？偨Y來說，在帶載的情況下，副邊電流產生的磁場“感應”到原邊，使得原邊的感應電動勢增大。原邊和副邊新增的磁動勢應當能抵消，才能使回路總磁動勢、磁通保持不變，從而有：

所以，這個式子的本質是“原邊副邊產生的磁動勢相等”，是通過電磁感應得到的。

對于變壓器來說，電壓從原邊感應到副邊，電流從副邊感應到原邊。這就是一個電——磁——電的能量轉換過程。

講清楚了變壓器，接下來我們來看看另一個同樣是通過電——磁——電的能量轉化實現功能的設備——感應電機。

所謂感應電機，顧名思義，是靠電磁感應原理工作的電機。它的結構是這樣的：

定子由一個齒形的硅鋼片和繞在硅鋼片上的三組線圈組成（通入三相電），轉子是一個由兩個圓圈和若干條鋼條焊成的一個類似“鼠籠”的結構。和大家以前學的直流電機不一樣，感應電機的轉子上沒有外接的導線。

感應電機的原理是這樣的：當我們在定子的線圈中通入三相電，由于三相電本身有相位差，線圈在圓周上也有相位差，兩者結合就能形成一個圓形旋轉的磁動勢，進而形成圓形旋轉的磁通：

這個轉速是可以算出來的。比如如圖的情況，我們通入50Hz的交流電，50Hz的交流電一分鐘變化3000次，在這兒就是3000轉/分鐘的磁場轉速。在這里每一相供電的磁極對數為1。 磁極對數一般以符號p表示，是一個很重要的參數。

如果磁極對數增加，會導致電路走過一個周期，磁場在空間中只能旋轉幾分之一的周期。比如說下面這張圖：

（我爸：你怎么放了個冠狀病毒的圖片上去？？）

這張圖上有18個磁極，合計3對極，磁極對數為3。這時候磁場旋轉速度降為三分之一，每分鐘1000轉。

磁極對數越少，轉速就越快。磁極對數越多，轉速就越慢，低速性能好。不過磁極對數越多，電機相應地也越貴。電壓加在定子上產生的旋轉磁場轉速稱為 同步轉速 。

感應電機其實和變壓器是非常相似的。什么情況下的感應電機相當于變壓器的空載？是感應電機的轉子線圈沒有產生電流的情況。如果電機的轉子也和磁場一樣以同步轉速運行，那么相當于沒有切割磁感線，轉子中不會產生電流，自然也就沒有力矩。如果磁場轉速是3000轉，那么這種情況下定子也是3000轉，相當于變壓器空載的情況。

不過這里會有兩個問題：第一，定子和轉子之間一定會有氣隙。電機是旋轉機械，如果沒有間隙是不可能轉動起來的。設計電機的時候會讓氣隙盡可能地小，但總會有氣隙，也就使得磁導率比變壓器要差很多，磁的利用效率就會低一些。第二，轉子速度難以達到同步轉速。轉子要轉動，一定要克服各種阻力、摩擦力，所以一定要外界給轉子提供一個驅動力。在轉子速度和磁場完全一致的情況下，轉子無法通過電磁感應得到驅動力。所以如果外界沒有帶動轉子轉動的力，轉子就一定要從電磁感應中吸收一定的能量用來平衡摩擦力，所以轉子的速度一定會比同步轉速慢。只有存在轉速差，才能傳遞能量。比如磁場的同步速是3000轉，電機空載大約是2900多轉。所以感應電機也稱為 異步電機 。

當轉子加上阻力之后，轉子的阻力矩大于動力矩，轉子的速度就會下降。一旦下降，從轉子的坐標上看，轉子的轉速和同步轉速差就越大，切割磁感線的速度就會越快，因此會導致轉子上更大的感應電動勢和更大的感應電流。這個感應電流同樣地會在定子鐵芯中產生磁場，對勵磁磁場去磁，從而促使輸入電源增大電流補償磁動勢。因此，在一定程度上，感應電機的負載越大，其轉速也越慢。

這就是變壓器和感應電機的工作原理。