变压器和感应电机的工作原理

大家好，我们今天来讲一下变压器和感应电机的工作原理。在此之前，希望你对磁路原理有基本的了解：

昨天讲到电感的反电动势特性：

对于这样的分析，我们是把电感看成实际电感，也就是有电阻的电感的：

在昨天的分析中我们知道，闭合铁芯的电感，自感系数会非常大，也就意味着非常微弱的电流就可以在电感中产生非常强的磁场，进而产生非常大的反电动势。对于一个自感系数非常非常大的电感，只需要微弱的电流，就能产生足以抵消外加电压的反电动势。

如果认为变压器的原边回路电阻为零，自感系数无穷大，并且所有的磁路都沿着铁芯行走，那么只需要无穷小的电流就可以产生一定大的磁通，再通过电磁感应产生反电动势抵消外界的电压，这就是所谓理想变压器的原理。理想变压器不接负载的时候，输入电流是为零的。

对于实际变压器而言，情况并没有那么乐观：初级线圈会有一定的电阻，自感系数也不是无穷大，因此总需要一个微弱的电流Im来产生这个磁场，进而产生反电势。这个用来产生磁场的电流称为励磁电流，产生的磁通称为励磁磁通。另外，磁路也不是完全沿着铁芯走的（因为铁芯的磁阻虽然很小但也不为0），会有微弱的磁场沿着空气跑掉，这个现象称为漏磁。在铁芯里的磁通称为主磁通，主磁通在铁芯中会产生涡流损耗一部分能量，还会因为来回地对铁芯磁化而产生磁滞损耗，这就是实际变压器。

在变压器分析中，有一个很重要的假设：励磁磁通基本不变。

为什么这么说呢？变压器的线圈实际上电阻非常小，可以近似为0.既然没有电阻，那么原边的输入电压和反电势就近似相等。而反电势是怎么来的？反电势是铁芯里的磁通通过电磁感应产生的。假设变压器的电源内阻可以忽略，那么反电势和外加电压都保持恒定，也就意味着励磁磁通也是恒定的。

接下来我们给变压器接上副边：

接上副边之后：假设副边不接负载，这个时候次级线圈上是没有电流的。没有电流，就不会产生磁场，也就不会对铁芯里的磁通产生影响。但这个时候铁芯里的磁通会通过电磁感应在次级线圈感应出电压。忽略漏磁的情况下，原边和副边的线圈内磁通是一样的，因而电压只和线圈的匝数成正比。这就是我们高中学变压器所讲到的结论。

接下来要讲的内容就是接上负载的情况，可不是“因为能量守恒”那么简单哦：

在接上负载的一瞬间，次级线圈形成回路，产生电流。这个电流也会在铁芯中产生磁场，而且由于楞次定律，产生的磁场方向是抵抗励磁磁通的，这个效应称为去磁效应。这个时候铁芯中的总磁通会等于励磁磁通减去副边电流产生的磁通，从而使总磁通减小。一旦总磁通有略微的减小，马上会导致初级线圈中感应出的反电动势减小。反电动势减小的效果就是初级线圈回路的电流增大，产生的磁场更强，导致总磁通增大。最终的结果是初级线圈增加的电流产生的磁通与次级线圈电流产生的磁通抵消，磁路中总磁通大小还是励磁磁通：

这整个过程是在一瞬间完成的。总结来说，在带载的情况下，副边电流产生的磁场“感应”到原边，使得原边的感应电动势增大。原边和副边新增的磁动势应当能抵消，才能使回路总磁动势、磁通保持不变，从而有：

所以，这个式子的本质是“原边副边产生的磁动势相等”，是通过电磁感应得到的。

对于变压器来说，电压从原边感应到副边，电流从副边感应到原边。这就是一个电——磁——电的能量转换过程。

讲清楚了变压器，接下来我们来看看另一个同样是通过电——磁——电的能量转化实现功能的设备——感应电机。

所谓感应电机，顾名思义，是靠电磁感应原理工作的电机。它的结构是这样的：

定子由一个齿形的硅钢片和绕在硅钢片上的三组线圈组成（通入三相电），转子是一个由两个圆圈和若干条钢条焊成的一个类似“鼠笼”的结构。和大家以前学的直流电机不一样，感应电机的转子上没有外接的导线。

感应电机的原理是这样的：当我们在定子的线圈中通入三相电，由于三相电本身有相位差，线圈在圆周上也有相位差，两者结合就能形成一个圆形旋转的磁动势，进而形成圆形旋转的磁通：

这个转速是可以算出来的。比如如图的情况，我们通入50Hz的交流电，50Hz的交流电一分钟变化3000次，在这儿就是3000转/分钟的磁场转速。在这里每一相供电的磁极对数为1。 磁极对数一般以符号p表示，是一个很重要的参数。

如果磁极对数增加，会导致电路走过一个周期，磁场在空间中只能旋转几分之一的周期。比如说下面这张图：

（我爸：你怎么放了个冠状病毒的图片上去？？）

这张图上有18个磁极，合计3对极，磁极对数为3。这时候磁场旋转速度降为三分之一，每分钟1000转。

磁极对数越少，转速就越快。磁极对数越多，转速就越慢，低速性能好。不过磁极对数越多，电机相应地也越贵。电压加在定子上产生的旋转磁场转速称为 同步转速 。

感应电机其实和变压器是非常相似的。什么情况下的感应电机相当于变压器的空载？是感应电机的转子线圈没有产生电流的情况。如果电机的转子也和磁场一样以同步转速运行，那么相当于没有切割磁感线，转子中不会产生电流，自然也就没有力矩。如果磁场转速是3000转，那么这种情况下定子也是3000转，相当于变压器空载的情况。

不过这里会有两个问题：第一，定子和转子之间一定会有气隙。电机是旋转机械，如果没有间隙是不可能转动起来的。设计电机的时候会让气隙尽可能地小，但总会有气隙，也就使得磁导率比变压器要差很多，磁的利用效率就会低一些。第二，转子速度难以达到同步转速。转子要转动，一定要克服各种阻力、摩擦力，所以一定要外界给转子提供一个驱动力。在转子速度和磁场完全一致的情况下，转子无法通过电磁感应得到驱动力。所以如果外界没有带动转子转动的力，转子就一定要从电磁感应中吸收一定的能量用来平衡摩擦力，所以转子的速度一定会比同步转速慢。只有存在转速差，才能传递能量。比如磁场的同步速是3000转，电机空载大约是2900多转。所以感应电机也称为 异步电机 。

当转子加上阻力之后，转子的阻力矩大于动力矩，转子的速度就会下降。一旦下降，从转子的坐标上看，转子的转速和同步转速差就越大，切割磁感线的速度就会越快，因此会导致转子上更大的感应电动势和更大的感应电流。这个感应电流同样地会在定子铁芯中产生磁场，对励磁磁场去磁，从而促使输入电源增大电流补偿磁动势。因此，在一定程度上，感应电机的负载越大，其转速也越慢。

这就是变压器和感应电机的工作原理。