電機製造業的先驅-坡印亭:電磁場能量流動理論及電機工作原理

2020-12-17 老趙說製造

坡印亭(John Poynting 1852-1914)生於曼徹斯特,在劍橋大學物理數學專業取得了優異的成績,19世紀70年代後期,在卡文迪什研究所麥克斯韋教授門下研究電磁氣學。1884年初發表了能量流理論,之後從事光照射的壓力與接線力的研究,時至今日在曼徹斯特,知曉這位偉大物理學家的人也是為數不多。

電磁場的能量流動

坡印亭矢量-電磁場的能量流動理論

在宇宙空間中,電磁波為光的一種,是能量的搬運載體,該能量流動的相關理論是由英國的坡印亭提出的,即能量流動的密度P為電場強度E和磁場強度H的矢積。

P =E ×H

其中:E是電場強度;H 是磁場強度。

空間內任何形式的能量都有其移動方向,也有密度,其他形式的能量也可以定義能流矢量,例如機械能,1874年由尼科萊·烏諾夫發現的烏諾夫–坡印亭矢量以完全廣義的觀點描述了液體和彈性介質中的能流。

根據安培法則求得半徑為R的電線周圍的磁場強度H,設電線的單位長度的電阻為R_w,則電場強度E為其與電流I的乘積,即E=R_w.I,電場矢量E與磁場矢量H的方向互成直角,Poynting矢量朝向電線內部,此時的矢量外積E×H的大小僅為各點E和H的乘積,

由於單位長度所對應的面積為2πr,與上式相乘的話,單位長度所對應的面積變為πr^2,與EI相等,與眾所周知的結果一致。電線不只是讓電流通過,對其周圍的磁場或電場的狀態,就可以使導體(物體)的一部分旋轉起來,馬達就是巧妙地運用了此現象。

如果沒有導體,改變磁體也會產生電場,使馬達運轉起來,下圖顯示的是典型的電磁馬達的構造,這裡就顯示了定子和轉子之間存在著一定的空隙,使其旋轉起來可以解釋為有切線力作用於轉子的面,使輸出軸轉動。坡印亭理論中的能量流動速度不取決於坐標系而是與光速c相同,但其大小卻因坐標系的不同而有差異,這是一項使兩個坐標系的差流過真空的、機械式的工作。

轉子鐵心與定子鐵芯之間的空隙

定子與轉子之間有空間,此空間稱作空隙,電磁能量雖然可以通過此空隙,但由於空隙被空氣等氣體充斥,因此具有真空性質。即真空也是可以傳播動力的,而動力是機械式工作的源泉。從相對論的角度來說,光速c不會隨著坐標系的變化而變化,但由於單位時間所對應的能量流有所不同,坐標系之間的觀測值的差可以被解釋為動力。若此動力為正的,旋轉機械即為馬達,若動力為負的,即為發電機。越短的話,空隙的磁場就越強,所傳遞動力的密度就會增加,鼠籠型感應馬達,其空隙是一般的馬達1/10左右。

在鼠籠式誘導馬達中,如果空隙過於狹小的話,在狹槽中空隙磁通量的脈動的作用下,會產生損失(漂遊負荷損失),而此類馬達由於定子和轉子在極度細密、複雜的運轉狀態下,能夠減少漂遊負荷的損失,因此將空隙設置的比較狹小。

空隙長短的開關磁阻電機

開關磁阻馬達就是利用空隙的長短產生扭矩的,此類馬達與特殊感應馬達相比構造極為簡單,但發揮驅動控制功能的電路系統較為複雜。使用電刷和整流器方式的發電機當中有一種是自激勵式發電機,可以很好地使用鐵心的殘留磁力。相對於簡單的馬達構造來說,驅動和控制系統較為複雜,需要進行智能化控制,這是技術上面臨的新課題。

磁懸浮的物理學意義

磁懸浮向我們講述了電磁馬達的科學意義到底有多大,懸浮,亦作磁浮,是一種利用磁的吸力和排斥力來使物件在空中浮動,而不依靠其他外力的方法。通過利用電磁力來對抗引力,可以使物件不受引力束縛,從而而自由浮動。地球坐標系與車輛坐標系的相對速度越大,就越能增大通過空隙被運送的機械動力。

沒有空隙的馬達

超聲波馬達確實不需要空隙,是由壓電陶瓷與轉子面相接觸產生摩擦力,在壓電陶瓷的橢圓運動及摩擦的作用下產生扭矩運轉馬達。超聲波馬達出現的意義在於可以在電磁馬達無法使用的情況下使用,在驅動控制技術領域扮演一種補充角色的重要馬達。

結論

按照麥克斯韋的應力張量的想法,磁力線、電力線的張力可以與坡印亭的矢量相結合,坡印亭試圖把自己的理論與馬達結合到一起,留下了許多思考的成果,但最終沒有成功。麥克斯韋的電磁方程式本身超越了愛因斯坦的理論,其後導出的坡印亭的矢量雖然與相對論不相矛盾,恐怕坡印亭自身也沒有對相對論進行更深地考察。

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