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NIDEC Technical Adviser见城尚志
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”。
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。
可以说该理论公式比爱因斯坦的更简化。
图1 能量的流动与损失。电线的能量消耗说明图
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。
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
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。
转子铁心与定子铁心之间的空隙(airgap)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。
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。
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
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。