磁场的能量流与电机及发电机的奥秘

爱因斯坦于1905年发表了题为“运动物体的电气力学”的理论，即今天为世人所知的特殊相对论。
根据爱因斯坦的理论，在相互等速运动的观测空间中观测相同的光，其传播速度即使同样为c（=300,000km/s），被观测到的频率会有所不同。并且，物体的长度会因为观测空间不同而有所差异。
他推导出的理论是“不存在绝对静止的空间，即所有坐标系都是相对的”。

电磁场的能量流动以及电机、发电机的原理

在宇宙空间中，电磁波为光的一种，是能量的搬运载体。
该能量流动的相关理论是由英国的坡印亭提出的。
即：能量流动的密度P为电场强度E和磁场强度H的矢积。

P =E ×H

可以说该理论公式比爱因斯坦的更简化。

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  图1 能量的流动与损失。
  电线的能量消耗说明图

• 由于麦克斯韦(James Maxwell)的电磁方程式本身超越了爱因斯坦的理论，其后导出的坡印亭的矢量虽然与相对论不相矛盾，恐怕坡印亭自身也没有对相对论进行更深的考察。
  图1为坡印亭的能量流动说明，教科书中也有收录。以下分两部分介绍圆形截面铜线中的电流导致铜损产生的原理。
  图解显示的是根据安培法则求得的半径为R的电线周围的磁场强度H。设电线的单位长度的电阻为 ，则电场强度E为其与电流I的乘积，即。
  如图所示，电场矢量E与磁场矢量H的方向互成直角，Poynting矢量朝向电线内部。此时的矢量外积E×H的大小仅为各点E和H的乘积，

  

  由于单位长度所对应的面积为，与上式相乘的话，单位长度所对应的面积变为，与EI相等，与众所周知的结果一致。

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  图2 通过空隙，转子上的电磁扭矩和定子
  上的电磁扭矩大小相等，
  方向相反。通过空隙传送动力。

  

  图3 磁场作用下的扭矩产生

• 但是，电线不只是让电流通过，对其周围的磁场或电场的状态多加钻研的话，就可以使导体（物体）的一部分旋转起来。电机就是巧妙地运用了此现象。
  因此，再深一步解析计算的话，我们可以得知即使没有导体，改变磁体也会产生电场，使电机运转起来。图2显示的是典型的电磁电机的构造。这里就显示了定子和转子之间存在着一定的空隙。
  
  使其旋转起来可以解释为有切线力作用于转子的面，使输出轴转动。
  如图3（a）所示，可将其作为磁力线、电力线的张力进行说明，按照麦克斯韦的应力张量的想法，可以与坡印亭的矢量相结合。
  
  图3（b）显示的是使用磁力线的电机、图3（c）显示的是电力线电机的情形。
  坡印亭试图把自己的理论与电机结合到一起，留下了许多思考的成果，但最终没有成功。
  坡印亭理论中的能量流动速度不取决于坐标系而是与光速c相同，但其大小却因坐标系的不同而有差异。这是一项使两个坐标系的差流过真空的、机械式的工作。
  
  此学说是由笔者提出的。即，

(定子坐标系的Poynting vector）－ (转子坐标系的Poynting vector）=　动力矢量

定子与转子之间有空间。此空间称作空隙（air gap）。电磁能量虽然可以通过此空隙，但由于空隙被空气等气体充斥，因此具有真空性质。
在此，进一步思考，即真空是可以传播动力的，而动力是机械式工作的源泉。从相对论的角度来说，光速c不会随着坐标系的变化而变化，但由于单位时间所对应的能量流有所不同，坐标系之间的观测值的差可以被解释为动力。
若此动力为正的，旋转机械即为电机，若动力为负的，即为发电机。也可以说现在的水力发电机和风力发电机利用的就是此理论。

由于狭小空隙引发的思考

转子铁心与定子铁心之间的空隙（air gap）即使短小也没有问题，基本上只要与机械部分不接触的话就可以。其理由是，越短的话，空隙的磁场就越强，所传递动力的密度就会增加。
图4(a)所示的照片是非常特殊的鼠笼型感应电机，其空隙是一般的电机1/10左右。此类电机比较特殊的地方如下。

• 电机齿的形状呈Y字型，作为感应式机械例外地如图4(b)一样集中缠绕。

• 电机的极数比电机齿的数量多。

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  图4 采用了同样的短小空隙与
  复杂构造的二相电机。
  20世纪60年代被用于英国VTOL
  战斗机导航系统的伺服电机。

• 在鼠笼式诱导电机中，如果空隙过于狭小的话，在狭槽中空隙磁通量的脉动的作用下，会产生损失（漂游负荷损失），而此类电机由于定子和转子在极度细密、复杂的运转状态下，能够减少漂游负荷的损失，因此将空隙设置的比较狭小。
  然而，电气电机并不是进一步减小空隙，在润滑油的作用下就可以平稳运转的。这就是与内燃机的不同之处。

巧用空隙长短的SR电机以及今后的课题

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  图5 SR电机的铁心横截面以及大型SR电机
  在制造中的绕线工艺

• 开关磁阻电机(switched reluctance motor)就是利用空隙的长短产生扭矩的。铁心的横截面以及绕线的场景如图5所示。
  此类电机与上述的特殊感应电机相比构造极为简单，但发挥驱动控制功能的电路系统较为复杂。因此非常具有考察价值。
  
  永磁式的旋转机械制成电机或发电机是很容易想象出来的，那么，不使用永久磁铁的旋转机械是否能制成发电机呢？
  使用电刷和整流器方式的发电机当中有一种是自励式发电机，可以很好地使用铁心的残留磁力。
  
  连接到送配电系统上的鼠笼型感应电机可以作为发电机使用，单独的话无法称为发电机。
  SR电机既不使用永久磁铁也不使用整流器，具有可以单独发电的稀有构造。英国的NIDEC SR Drives从很早开始就进行各种试作和开发。虽然需要进一步追求其可能性，相对于简单的电机构造来说，驱动和控制系统较为复杂，需要人工智能。这就是技术上面临的新课题。

磁悬浮新干线的物理学意义

事实上，磁悬浮新干线向我们讲述了电磁电机的科学意义到底有多大。
地球坐标系与车辆坐标系的相对速度越大，就越能增大通过空隙被运送的机械动力。
磁悬浮新干线在磁场推斥力的作用下，使车体上浮的同时，发挥驱动力的作用，使车体高速行驶。

没有空隙的电机

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  图6 进行波型超声波电机及其原理：
  在压电陶瓷的椭圆运动及摩擦的作用下产生扭矩。

• 我们在强调原则的同时又在阐述例外的情形，这或许会有些不恰当，但超声波电机确实不需要空隙。超声波电机是由指田年生发明的，如图6的照片和图示所示，是由压电陶瓷与转子面相接触产生摩擦力，在此摩擦力作用下运转的电机。
  超声波电机出现的意义在于可以在电磁电机无法使用的情况下使用，是在驱动控制技术领域扮演一种补充角色的重要电机。在下次专栏中，我们会具体阐述超声波电机的意义。