大家好，我們今天來(lái)講一下變壓器和感應(yīng)電機(jī)的工作原理。在此之前，希望你對(duì)磁路原理有基本的了解：

昨天講到電感的反電動(dòng)勢(shì)特性：

對(duì)于這樣的分析，我們是把電感看成實(shí)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(shù)會(huì)非常大，也就意味著非常微弱的電流就可以在電感中產(chǎn)生非常強(qiáng)的磁場(chǎng)，進(jìn)而產(chǎn)生非常大的反電動(dòng)勢(shì)。對(duì)于一個(gè)自感系數(shù)非常非常大的電感，只需要微弱的電流，就能產(chǎn)生足以抵消外加電壓的反電動(dòng)勢(shì)。

如果認(rèn)為變壓器的原邊回路電阻為零，自感系數(shù)無(wú)窮大，并且所有的磁路都沿著鐵芯行走，那么只需要無(wú)窮小的電流就可以產(chǎn)生一定大的磁通，再通過(guò)電磁感應(yīng)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)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(fù)載的時(shí)候，輸入電流是為零的。

對(duì)于實(shí)際變壓器而言，情況并沒(méi)有那么樂(lè)觀：初級(jí)線圈會(huì)有一定的電阻，自感系數(shù)也不是無(wú)窮大，因此總需要一個(gè)微弱的電流Im來(lái)產(chǎn)生這個(gè)磁場(chǎng)，進(jìn)而產(chǎn)生反電勢(shì)。這個(gè)用來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流稱為 勵(lì)磁電流 ，產(chǎn)生的磁通稱為 勵(lì)磁磁通 。另外，磁路也不是完全沿著鐵芯走的（因?yàn)殍F芯的磁阻雖然很小但也不為0），會(huì)有微弱的磁場(chǎng)沿著空氣跑掉，這個(gè)現(xiàn)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(huì)產(chǎn)生渦流損耗一部分能量，還會(huì)因?yàn)閬?lái)回地對(duì)鐵芯磁化而產(chǎn) 生磁滯損耗 ，這就是 實(shí)際變壓器 。

在變壓器分析中，有一個(gè)很重要的假設(shè)： 勵(lì)磁磁通基本不變 。

為什么這么說(shuō)呢？變壓器的線圈實(shí)際上電阻非常小，可以近似為0.既然沒(méi)有電阻，那么原邊的輸入電壓和反電勢(shì)就近似相等。而反電勢(shì)是怎么來(lái)的？反電勢(shì)是鐵芯里的磁通通過(guò)電磁感應(yīng)產(chǎn)生的。假設(shè)變壓器的電源內(nèi)阻可以忽略，那么反電勢(shì)和外加電壓都保持恒定，也就意味著勵(lì)磁磁通也是恒定的。

接下來(lái)我們給變壓器接上副邊：

接上副邊之后：假設(shè)副邊不接負(fù)載，這個(gè)時(shí)候次級(jí)線圈上是沒(méi)有電流的。沒(méi)有電流，就不會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，也就不會(huì)對(duì)鐵芯里的磁通產(chǎn)生影響。但這個(gè)時(shí)候鐵芯里的磁通會(huì)通過(guò)電磁感應(yīng)在次級(jí)線圈感應(yīng)出電壓。忽略漏磁的情況下，原邊和副邊的線圈內(nèi)磁通是一樣的，因而電壓只和線圈的匝數(shù)成正比。這就是我們高中學(xué)變壓器所講到的結(jié)論。

接下來(lái)要講的內(nèi)容就是接上負(fù)載的情況，可不是“因?yàn)槟芰渴睾恪蹦敲春?jiǎn)單哦：

在接上負(fù)載的一瞬間，次級(jí)線圈形成回路，產(chǎn)生電流。這個(gè)電流也會(huì)在鐵芯中產(chǎn)生磁場(chǎng)，而且由于楞次定律，產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向是抵抗勵(lì)磁磁通的，這個(gè)效應(yīng)稱為 去磁效應(yīng) 。這個(gè)時(shí)候鐵芯中的總磁通會(huì)等于勵(lì)磁磁通減去副邊電流產(chǎn)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(huì)導(dǎo)致初級(jí)線圈中感應(yīng)出的反電動(dòng)勢(shì)減小。反電動(dòng)勢(shì)減小的效果就是初級(jí)線圈回路的電流增大，產(chǎn)生的磁場(chǎng)更強(qiáng)，導(dǎo)致 總磁通增大 。最終的結(jié)果是 初級(jí)線圈增加的電流產(chǎn)生的磁通與次級(jí)線圈電流產(chǎn)生的磁通抵消 ，磁路中總磁通大小還是勵(lì)磁磁通：

這整個(gè)過(guò)程是在一瞬間完成的?？偨Y(jié)來(lái)說(shuō)，在帶載的情況下，副邊電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)“感應(yīng)”到原邊，使得原邊的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)增大。原邊和副邊新增的磁動(dòng)勢(shì)應(yīng)當(dāng)能抵消，才能使回路總磁動(dòng)勢(shì)、磁通保持不變，從而有：

所以，這個(gè)式子的本質(zhì)是“原邊副邊產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)相等”，是通過(guò)電磁感應(yīng)得到的。

對(duì)于變壓器來(lái)說(shuō)，電壓從原邊感應(yīng)到副邊，電流從副邊感應(yīng)到原邊。這就是一個(gè)電——磁——電的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程。

講清楚了變壓器，接下來(lái)我們來(lái)看看另一個(gè)同樣是通過(guò)電——磁——電的能量轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)功能的設(shè)備——感應(yīng)電機(jī)。

所謂感應(yīng)電機(jī)，顧名思義，是靠電磁感應(yīng)原理工作的電機(jī)。它的結(jié)構(gòu)是這樣的：

定子由一個(gè)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(zhuǎn)子是一個(gè)由兩個(gè)圓圈和若干條鋼條焊成的一個(gè)類似“鼠籠”的結(jié)構(gòu)。和大家以前學(xué)的直流電機(jī)不一樣，感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒(méi)有外接的導(dǎo)線。

感應(yīng)電機(jī)的原理是這樣的：當(dāng)我們?cè)诙ㄗ拥木€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(jié)合就能形成一個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)的磁動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而形成圓形旋轉(zhuǎn)的磁通：

這個(gè)轉(zhuǎn)速是可以算出來(lái)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(zhuǎn)/分鐘的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速。在這里每一相供電的磁極對(duì)數(shù)為1。 磁極對(duì)數(shù)一般以符號(hào)p表示，是一個(gè)很重要的參數(shù)。

如果磁極對(duì)數(shù)增加，會(huì)導(dǎo)致電路走過(guò)一個(gè)周期，磁場(chǎng)在空間中只能旋轉(zhuǎn)幾分之一的周期。比如說(shuō)下面這張圖：

（我爸：你怎么放了個(gè)冠狀病毒的圖片上去？？）

這張圖上有18個(gè)磁極，合計(jì)3對(duì)極，磁極對(duì)數(shù)為3。這時(shí)候磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度降為三分之一，每分鐘1000轉(zhuǎn)。

磁極對(duì)數(shù)越少，轉(zhuǎn)速就越快。磁極對(duì)數(shù)越多，轉(zhuǎn)速就越慢，低速性能好。不過(guò)磁極對(duì)數(shù)越多，電機(jī)相應(yīng)地也越貴。電壓加在定子上產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速稱為 同步轉(zhuǎn)速 。

感應(yīng)電機(jī)其實(shí)和變壓器是非常相似的。什么情況下的感應(yīng)電機(jī)相當(dāng)于變壓器的空載？是感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子線圈沒(méi)有產(chǎn)生電流的情況。如果電機(jī)的轉(zhuǎn)子也和磁場(chǎng)一樣以同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行，那么相當(dāng)于沒(méi)有切割磁感線，轉(zhuǎn)子中不會(huì)產(chǎn)生電流，自然也就沒(méi)有力矩。如果磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速是3000轉(zhuǎn)，那么這種情況下定子也是3000轉(zhuǎn)，相當(dāng)于變壓器空載的情況。

不過(guò)這里會(huì)有兩個(gè)問(wèn)題：第一，定子和轉(zhuǎn)子之間一定會(huì)有氣隙。電機(jī)是旋轉(zhuǎn)機(jī)械，如果沒(méi)有間隙是不可能轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)的。設(shè)計(jì)電機(jī)的時(shí)候會(huì)讓氣隙盡可能地小，但總會(huì)有氣隙，也就使得磁導(dǎo)率比變壓器要差很多，磁的利用效率就會(huì)低一些。第二，轉(zhuǎn)子速度難以達(dá)到同步轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子要轉(zhuǎn)動(dòng)，一定要克服各種阻力、摩擦力，所以一定要外界給轉(zhuǎn)子提供一個(gè)驅(qū)動(dòng)力。在轉(zhuǎn)子速度和磁場(chǎng)完全一致的情況下，轉(zhuǎn)子無(wú)法通過(guò)電磁感應(yīng)得到驅(qū)動(dòng)力。所以如果外界沒(méi)有帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的力，轉(zhuǎn)子就一定要從電磁感應(yīng)中吸收一定的能量用來(lái)平衡摩擦力，所以轉(zhuǎn)子的速度一定會(huì)比同步轉(zhuǎn)速慢。只有存在轉(zhuǎn)速差，才能傳遞能量。比如磁場(chǎng)的同步速是3000轉(zhuǎn)，電機(jī)空載大約是2900多轉(zhuǎn)。所以感應(yīng)電機(jī)也稱為 異步電機(jī) 。

當(dāng)轉(zhuǎn)子加上阻力之后，轉(zhuǎn)子的阻力矩大于動(dòng)力矩，轉(zhuǎn)子的速度就會(huì)下降。一旦下降，從轉(zhuǎn)子的坐標(biāo)上看，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和同步轉(zhuǎn)速差就越大，切割磁感線的速度就會(huì)越快，因此會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子上更大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和更大的感應(yīng)電流。這個(gè)感應(yīng)電流同樣地會(huì)在定子鐵芯中產(chǎn)生磁場(chǎng)，對(duì)勵(lì)磁磁場(chǎng)去磁，從而促使輸入電源增大電流補(bǔ)償磁動(dòng)勢(shì)。因此，在一定程度上，感應(yīng)電機(jī)的負(fù)載越大，其轉(zhuǎn)速也越慢。

這就是變壓器和感應(yīng)電機(jī)的工作原理。