电机

一些概念

永磁同步电机

永磁同步电机 （Permanent Magnet Synchronous Motor）是一种利用永磁体作为转子磁场励磁源的同步电动机。在同步电机中，转子速度与定子产生的旋转磁场速度严格一致，即二者保持同步旋转，这也是同步电机得名的原因。

另一种电机主要指的是异步电动机，特别是三相感应电动机。这类电动机与永磁同步电机的主要区别在于转子磁场的产生方式：

• 永磁同步电机 (PMSM)：其转子使用永磁体提供固定的磁场，定子通过交流电控制产生旋转磁场，二者同步旋转，转速严格对应于电源频率和极对数。PMSM的优点包括高效率、高功率因数（怎么定义，怎么计算）、宽调速范围以及良好的动态性能，常用于精密定位系统、伺服驱动及电动汽车等领域。

• 异步电动机（如鼠笼式感应电动机或绕线式感应电动机）：其转子磁场是由定子产生的旋转磁场通过电磁感应作用在转子绕组中感应出电流后形成的，这种磁场相对于定子磁场是“异步”的，因此得名异步电机。异步电机结构简单、坚固耐用且成本较低，但相对永磁同步电机而言效率较低、调速性能较弱，主要用于工业生产中的连续运行负载，如风扇、泵、压缩机等场合。

两者的主要差异在转子转速和定子产生的磁场的速度是否一样。在转子励磁来源和电机控制策略上，永磁同步电机因其高效的永磁体励磁和精确的速度控制特性，在现代高性能应用中越来越受欢迎。

永磁同步电机（PMSM，Permanent Magnet Synchronous Motor）之所以被认为是一个多变量、强耦合的非线性系统，主要基于以下几个方面：

1. 多变量：

   • PMSM有多个状态变量：通常包括定子绕组中的电流（三相），转子的位置和速度等。这些变量相互作用，共同决定了系统的动态行为。

2. 非线性：

   • 永磁体产生的磁场是固定的，并与转子位置相关，导致电磁力矩是非线性的函数。此外，铁心饱和、温度变化等因素也可能导致电机参数的非线性变化。
   • 电压-电流关系受电机电感的影响，而电感在不同的电流和磁链条件下会有所变化，这进一步增加了系统的非线性特性。

3. 强耦合：

   • 定子电流与转子磁场之间存在强烈的耦合作用。定子电流的变化直接影响到电机内部的电磁力矩，进而影响转子的速度和位置，而转子的位置改变又反过来影响了定子感应电动势以及相应的电流控制策略。
   • 转子的机械运动与电磁场的变化紧密耦合，这种互相依赖的关系使得分析和控制电机变得相对复杂。

因此，在对PMSM进行建模和控制时，需要考虑这些复杂的动态特性，使用适当的数学模型来描述它们之间的非线性和强耦合关系。现代控制理论中的许多高级方法，如滑模控制、自适应控制、最优控制以及基于神经网络或模糊逻辑的智能控制策略，常被用于解决这类多变量非线性系统的控制问题。

电机的效率

电机的效率是指其将输入能量转化为输出机械能的能力。具体定义如下：

电机效率 $\eta$ 是电机输出功率与输入功率之比。效率计算公式为：

$$\eta =\frac{P_{out}}{P_{in}}\times 100\%$$

其中：

• $P_{out}$ 是电机的机械输出功率，也就是实际传递给负载的功率，比如驱动风机、泵或其他机械设备。
• $P_{in}$ 是电机从电源获得的电输入功率。

由于永磁电机使用永磁体作为转子磁场来源，减少了励磁损耗，因此在很多情况下，相比传统的感应电动机（异步电机），它们在部分负荷和满负荷运行时能够实现更高的效率。尤其是在轻载或连续工作状态下，永磁电机因其无励磁损耗的特点，效率曲线较为平直，即在较宽的负载范围内保持较高的效率水平。

转矩

转矩（Torque，也称为扭矩）在物理学中是一个衡量旋转力或扭转效应的物理量。它描述的是一个力使得物体产生转动趋势或者改变其角速度的能力。具体来说，转矩等于作用于物体上的力与该力作用点到物体旋转轴线垂直距离（即力臂）的乘积：

$$\tau =r\times F$$

其中：

• $\tau$ 表示转矩，
• $r$ 是从旋转轴到力的作用点的距离（力臂），单位为米（m），
• $F$ 是作用在物体上并使其发生转动的力，单位为牛顿（N）。

在机械工程领域，转矩是电机、发动机等动力设备的重要性能指标之一，它决定了设备能够产生的最大旋转力量以及加速负载的能力。同时，在传动系统设计、机械设备运行分析和控制等领域，转矩的计算和测量都具有重要意义。

转矩和扭矩是同一个概念。在工程技术领域中，没有本质区别，它们都表示作用于物体使其发生旋转的力矩。转矩描述的是一个力对物体产生转动效应的能力，其大小等于力与力臂的乘积。

在中文里，“扭矩”一词更多地出现在汽车工程、内燃机技术以及传动系统分析等场合，用来特指发动机从曲轴端输出的使车轮旋转的力量；而“转矩”则可能更广泛地应用在机械设计、电机、机器人和其他任何涉及转动动力学的场景。

总之，在不同语境下，两个词可能会有所偏向，但本质上都是描述力对物体产生旋转运动效果的物理量。

永磁体

永磁体 是指一类具有永久磁化特性的材料，能够在没有外磁场作用下长期保持其稳定的磁性状态，即拥有较强的剩磁。

这些材料的内部结构使得它们能够自发地产生磁场，并且在正常的使用和温度范围内不会失去磁性。永磁体有两个明确的磁极，即南极（S）和北极（N），就像地球上的地理磁极一样。

常见的永磁体材料包括天然磁石（如磁铁矿）、铝镍钴合金、钐钴合金以及钕铁硼等稀土永磁材料。这些材料因其优异的磁性能被广泛应用于各种场合，例如电动机（如永磁同步电机）、发电机、扬声器、磁性存储设备、传感器、医疗设备以及各类电子产品的磁组件中。

剩磁 （Residual Magnetism）是指当一个磁性材料或磁体在外部磁场作用下被磁化后，即使去除外部磁场，仍然保留的磁化状态和磁感应强度。简单来说，就是磁性物体在没有外加磁场时依然具有的磁性。

在电机、变压器等电气设备中，剩磁可能影响到设备的工作性能。例如，在某些情况下，过高的剩磁可能会导致电机难以启动或者影响其调速性能；在电流互感器中，不希望的剩磁可能会影响测量精度。

对于永磁材料而言，剩磁是衡量其作为永久磁铁性能的一个重要参数，它代表了磁体在无外磁场作用下的最大磁化强度。在磁记录技术、传感器和许多其他应用中，剩磁是一个关键特性。而在电力系统中，特别是发电机检修时，也需要关注并处理好剩磁问题，以确保设备恢复正常工作状态。

剩磁的单位： 在国际单位制（SI）中，剩磁的测量单位是特斯拉（T），这是磁感应强度的标准单位。不过，在工程应用和磁性材料的测试中，有时也会使用高斯（Gs）作为非正式或传统的单位，1 Tesla = 10,000 Gauss。1特斯拉等于每平方米1牛顿/安培（N/A·m或N·s/C·m）。此外，在一些旧的或特定的应用领域中，也会使用高斯（Gs）作为磁感应强度的单位，1特斯拉等于10^4高斯。

剩磁的测量方法根据被测对象的不同而有所不同，以下是一些常见的测量剩磁的方法：

1. 磁通计法：通过测量穿过某一特定面积的磁通量来间接计算剩磁。可以使用亥姆霍兹线圈或其他类型的磁通计进行测量。

2. 磁强计法：使用磁强计或者高斯计直接测量物体表面或一定距离处的磁感应强度，从而得到剩磁值。

3. 磁粉检测法：适用于金属部件的表面和近表面剩磁检测，尤其是在无损检测领域，通过施加磁粉后观察磁痕分布来判断剩磁是否存在及其分布情况。

4. 霍尔效应传感器法：利用霍尔效应原理，当磁性材料产生的磁场作用于霍尔元件时，会产生与磁场成正比的电压信号，通过测量这个电压可以得知剩磁大小。

5. 磁共振成像系统测量法：针对某些特定设备如MRI系统的磁体，可以通过扫描特定样品并分析其对磁场响应来测定剩磁。

6. 电力变压器铁芯剩磁测量：对于电力变压器等电气设备，可能需要断电后使用专门的磁场测量设备，例如磁通门磁强计，来测定铁芯的剩磁。

7. CT剩磁测量：在电流互感器中，可能会采用电压法，即通过观察在没有一次电流情况下二次绕组的感应电压来估计剩磁水平。

亥姆霍兹线圈 （Helmholtz coil）是一种物理实验设备，由一对相同尺寸、同轴放置且彼此平行的载流圆形线圈组成。这两个线圈通常通以相同大小但方向相反的电流，从而在它们共同作用下在线圈中心轴线上产生一个近似均匀的磁场。当线圈之间的距离与每个线圈的半径相等时，该磁场分布最为均匀。

赫尔曼·冯·亥姆霍兹是一位德国物理学家，亥姆霍兹线圈即以其名字命名。这种装置被广泛应用于科学研究和工业应用中，例如精确测量磁性材料的磁化率、校准磁场传感器、生物医学研究中的磁共振成像（MRI）预处理以及基础物理实验教学等场合。由于其产生的磁场区域相对较大且较为均匀，它成为需要稳定和可控制磁场环境的理想工具。

磁性（Magnetism）是物质的一种基本属性，指的是物质在磁场中或当它自身产生磁场时表现出的吸引或排斥其他磁性物质的现象。具体来说：

1. 物质的内在性质：所有物质都具有磁性，这是因为原子内部电子绕核运动会产生微小的电流环，即分子电流假说所描述的。但在大多数情况下，这些微观磁矩的方向随机分布，相互抵消，因此物体整体不显示宏观磁性。

2. 铁磁性、抗磁性和顺磁性等：当外加磁场作用于物质时，根据物质对磁场的响应不同，可将磁性分为不同的类型：

   • 铁磁性：如铁、钴和镍及其合金，在外部磁场作用下容易被强烈磁化，即使撤去磁场后仍能保留较强的磁化状态，即具有剩磁。
   • 抗磁性：某些物质在外部磁场中会受到相反方向的磁化，导致其总磁化强度减小，比如铜、金和铋等。
   • 顺磁性：某些物质在外磁场中磁化方向与外磁场相同，但磁化强度较小且随着磁场消失而消失，例如铝、氧气等。
   • 永磁性：某些物质可以自然地保持稳定的磁化状态，形成永久磁铁，如稀土磁体钕铁硼等。

3. 应用广泛：磁性在现代科技中有广泛应用，如电机、变压器、电磁阀、磁存储设备、导航系统、医学成像以及科学研究等领域。

4. 物理量描述：描述磁场的基本物理量包括磁感应强度（B）、磁通密度（B）、磁场强度（H）等，它们共同描绘了磁场的特性及影响磁性物质的方式。

定子和转子

定子 是电机内部固定不动的部分，通常安装在外壳内或机座上。定子的主要结构包括定子铁芯、定子绕组和端盖等。定子铁芯由硅钢片叠压而成，其上的槽中嵌入有三相或多相绕组，通过这些绕组通电产生旋转磁场。在交流电机中，定子产生的旋转磁场驱动转子旋转；在直流电机中，定子可以包含固定的磁极或者提供换向的电磁场。

转子转子是电机内部能够旋转的部分，它与输出轴相连，并且处于定子所生成的磁场中。转子的具体构造根据电机类型不同而变化。在永磁同步电机中，转子可能包含永磁体作为磁极；在感应电机（异步电机）中，转子为 squirrel-cage 结构，即铸铝或铜条形成的闭合回路；在直流电机中，转子则带有电枢绕组和换向器。当转子在定子产生的磁场作用下旋转时，通过电磁感应原理，在转子绕组中产生电流，从而形成电磁力矩，使电机输出机械能。同时，在发电机中，当外力带动转子旋转时，转子切割定子磁场线，会在绕组中感应出电流，实现机械能向电能的转换。

励磁

励磁（Excitation）在电机学和电力系统中，是指为电磁设备提供工作磁场的过程或手段。具体来说：

在发电机（如同步发电机）中，励磁是指向转子绕组提供直流电流，以产生一个稳定的旋转磁场。这个磁场与定子绕组中的交流电相互作用，通过电磁感应原理产生交流电动势，从而实现电能的转换。

对于直流电机而言，励磁是通过改变施加到定子或转子上的直流电压或电流来控制电机内部磁场强度的过程，进而调节电机的转速、扭矩以及其它运行特性。

根据励磁方式的不同，可分为他励、并励、串励、复励等多种形式。不同的励磁方式决定了电机的工作特性和应用场合。

励磁源（Excitation Source）在电机，尤其是同步发电机中，是指提供磁场电流的电源设备或系统。它的主要作用是向发电机的转子绕组提供直流电，以产生一个稳定的磁场。这个磁场与定子绕组中的交流电流相互作用，根据电磁感应原理，使得发电机能够输出交流电能。

在同步发电机中，励磁源通常包括励磁机、静止励磁器或者电力电子器件（如晶闸管整流桥或IGBT等构成的静止励磁控制器），它们为转子提供所需的励磁电流。
励磁源的设计和控制至关重要，因为它直接影响到发电机的电压稳定、功率因数调节以及并网运行时的动态稳定性。
调节励磁电流可以改变发电机磁场强度，从而控制发电机的输出电压，适应电网需求，并确保发电系统的安全稳定运行。

电磁感应定律

电磁感应定律也称为法拉第电磁感应定律，是电磁学的基本定律之一，由迈克尔·法拉第在19世纪中叶提出。该定律描述了由于磁场变化而在导体或线圈中产生电动势的现象及其规律。

定律内容：
当穿过一个闭合电路的磁通量发生变化时，无论这种变化是因为磁场强度的变化、闭合回路面积的变化还是磁场与回路平面间的相对运动引起，都会在该闭合电路中感应出电动势（即电压）。感应电动势的方向总是这样确定，即它产生的电流倾向于阻止原磁通量的变化。简而言之，如果磁通量增加，则感应电动势会生成一个电流，该电流所产生的磁场将试图减少磁通量的增长；相反，若磁通量减小，则感应电流产生的磁场会试图增大磁通量。

数学表达式：
法拉第电磁感应定律的定量表述为：
$$\epsilon =-\frac{d{\Phi }_B}{dt}$$
其中：

• ε 是感应电动势；
• ${\Phi }_B$ 是通过闭合回路的磁通量；
• t 是时间；
• $\frac{d{\Phi }_B}{dt}$ 表示磁通量随时间的变化率。

这个定律揭示了动态电磁场中的能量转换原理，是发电机、变压器等许多电气设备工作原理的基础，并且在现代电力系统和技术应用中具有极其重要的地位。

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AC Optimal Power Flow

交流最佳功率流 是电力系统中的一个概念，特指交流电力系统的最优潮流问题。这是一个电力系统规划和运营中的关键问题，目的是通过调整发电机的功率输出、变压器的变比以及网络中的无功补偿来优化电力系统的性能。

考虑了交流电力系统中的复杂电气特性，包括线路的阻抗、变压器的阻抗和变比，以及发电机的电气特性。通过在电力网络中调整各个元素的参数，交流最佳功率流寻找一种方案，使得整个系统的功率损耗最小，同时满足各种约束条件，如电压限制、线路容量等。

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1. mermaid语法说明 ↩︎

2. 注脚的解释 ↩︎