通俗易懂的電機原理

我們從小學就知道，磁鐵分N極和S極，磁力線從N極出發，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動，如果一個磁極旋轉的話，另一個磁極也會跟著旋轉。但是這樣無法稱之為電機，因為旋轉一個磁極需要的是機械能，這樣本質上是機械能之間的轉換，不是電能和機械能之間的轉換。那怎么辦呢？

安培定律告訴我們，磁場本質是由電流產生的，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生呢？——當然可以，永磁同步電機就是這么干的。

我們一般將永磁體放在轉子上，定子是一個線圈，線圈通電后，也會產生一個磁場。根據我們的直觀感覺，很容易得出如下結論：

 當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，不會產生轉矩。
 當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，因此會產生一定的轉矩。
  當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，因此產生轉矩大。

可以做出如下猜想：對于旋轉電機而言，由于其轉矩是由兩個磁場相互作用產生的，因此：

  轉矩的大小應該和兩個磁場的大小是正相關的，磁場越強，轉矩應該越大；
  轉矩的大小和兩個磁場之間的夾角是正相關的，夾角為零時轉矩為零，夾角90°時轉矩。

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，數學中的叉乘運算描述的是什么東西呢？——叉乘的結果和兩個量的幅值成正比，和夾角正相關，這怎么和磁場產生轉矩的那么相像，那是不是以用叉乘來計算兩個磁場相互作用產生的轉矩呢？

磁場的本質是電流產生的，產生磁場的電流又叫磁動勢，假如我們膽子更大一點，是不是可以進一步猜想：

其中表示線圈磁動勢，表示永磁體磁動勢。

也就是說電機轉矩和線圈磁動勢與永磁體磁動勢的叉乘成正比。

當然，真正的電機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，起著導磁的作用，如下圖所示。