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。