利用FPGA控制永磁同步电机(一)—电磁关系

1820年,奥斯特发表论文《关于磁针上电流碰撞的实验》,揭示了电流的磁效应。

论文起源于一个偶然的实验:在电池的两极间接上一根很细的铂丝,在铂丝下方放置一枚磁针,接通电源后磁针旋转到与铂丝相垂直的方向;改变电流方向后发现磁针又向相反的方向旋转。

利用FPGA控制永磁同步电机(一)—电磁关系

实验是偶然的,但成功并不是偶然的。奥斯特青年时代就是康德哲学的崇拜者,他1799年的博士论文讨论的就是康德哲学。基于其哲学倾向,奥斯特一直坚信电磁之间一定有某种关系。在1812年出版的《关于化学力和电力的统一的研究》一书中,奥斯特推测,既然电流通过较细的导线会发热,那么通过更细的导线就可能发光,导线直径再小下去就可能产生磁效应。沿着这个思路,奥斯特做了许多实验都没成功,直到发表论文前的这次偶然实验。

这篇论文只有四页,但却有着划时代的意义。1934年起,人们用“奥斯特”的名字来命名磁场强度。

电生磁

奥斯特发现电磁之间的存在某种联系后,大群的科学家投入到相关方向的研究。

安培也是其中之一。安培通过实验发现长直导线外,到导线距离相等的点“磁场”大小相等;距离不同的点“磁场”大小与距离成反比;“磁场”和电流大小以及导线的根数也成正比。假如用\(\overrightarrow{H}\)(现在的确是用\(\overrightarrow{H}\))来表示“磁场”的大小,则易知:

\(\overrightarrow{H} \propto \frac{N \vec{i}}{\vec{r}}\)

当用半径为\(r\)的圆时,其“磁场”大小为:

\(\overrightarrow{H} = \frac{N i}{2 \pi \vec{r}}\)

而后安培又将其拓展为任意的曲线:在恒定电流的磁场中,磁场强度\(\overrightarrow{H}\)沿任何闭合路径\(C\)(即环路积分)的线积分等于其所包围的电流强度的代数和,即

\(\oint_C \overrightarrow{H} \cdot \mathrm{d}r = Ni\)

这个公式暗含一个结论,那就是磁场是由运动的电荷(即电流)产生的。因此在电磁学中,把产生磁场的电流又叫做磁动势或磁势(Magnetomotive Force),简写为MMF。

关于磁场强度的准确方向,在安培定律中已经用数学的方法给出,但一般情况下只需要知道磁场强度的大致方向,这种情况下有一种简单直观的方法,就是我们高中物理所学的安培定则。

安培定则,也叫右手螺旋定则,是表示电流和电流激发磁场的磁感线方向间关系的定则。通电直导线中的安培定则(安培定则一):用右手握住通电直导线,让大拇指指向直导线中电流方向,那么四指指向就是通电导线周围磁场的方向;通电螺线管中的安培定则(安培定则二):用右手握住通电螺线管,让四指指向电流的方向,那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的N极。

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磁生电

法拉第于1831年的实验中发现电磁感应定律。

定性的描述:磁通量的变化产生感应电动势。

定量的描述:线圈中感应的电动势(Electromotive Force),简称EMF,与每匝线圈中的磁通量的变化率以及匝数成正比,即

\(e = -N \frac{\mathrm{d}\varphi}{\mathrm{d}t}\)

那么问题就来了,什么是磁通量?其定义是

\(\varphi = \int_S \overrightarrow{B} \cdot \mathrm{d} \overrightarrow{S}\)

简单来说就是磁通密度乘以面积,那什么是磁通密度(又称磁感应强度)

与电场强度\(\overrightarrow{E}\)是由单位点电荷受电场力的定义类似,磁通密度可以根据运动的点电荷在磁场中所受的磁场力来定义。

\(\overrightarrow{F} = q \overrightarrow{v} \times \overrightarrow{B}\)

这个公式是洛伦兹公式的简化版,即可以根据点电荷电量大小、运动速度以及所受的磁场力来反推周围磁场的大小。磁通密度的单位是特斯拉(Tesla)。

与磁场强度方向类似,感应电动势的方向在定律中也用数学的形式给出,但若仅想知道其大致方向,有一种更为简单直观的方法,楞次定律。

楞次定律:感应电流具有这样的方向,即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。

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磁滞曲线

在安培环路定理中,说电流产生磁场,磁场的大小用\(\overrightarrow{H}\)来表示。

法拉第电磁感应中,又说可以通过受力来计算电荷感应到的磁场\(\overrightarrow{B}\)

为什么用来表示磁场却有两个量?首先可以明确,\(\overrightarrow{H}\)\(\overrightarrow{B}\)的量纲不同,两个量不能混为一谈。

把磁通密度\(\overrightarrow{B}\)与磁场强度\(\overrightarrow{H}\)之间的比值称为磁导率:

\(\overrightarrow{B} = \mu \overrightarrow{H}\)

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