主题：胡侃电机（一：序） -- 崇山彩云

以下内容皆是个人脑补，错误一定不少，恳请广大河友批评指正。

在过去的回帖中很多河友提到了一个事实：无论哪一个版本的《电机学》教材，都涉及到了许多种电机；而对于每一种电机，都会从许多方面进行讨论；无论从哪一个方面进行讨论的时候，都会用一些未经仔细推敲的概念以及充分证明的论断，作为讨论的出发点。事实上，这种撒胡椒面式的写法在加剧了电机理论学习难度的同时，也促使学习者思考这样一个问题：学习电机理论应当从哪里入手？

要回答这个问题，需要回顾一下《电机学》教材都讲了些什么（虽然我承认我曾经几乎不能理解这门理论）。一般而言，对于每一种电机（包括变压器），任何一个版本的《电机学》教材都会讨论如下七个方面的内容：

(a) 电机的基本结构，比如铁心是不是硅钢片做的，基座的样子，卧式还是立式等等；

(b) 电机的绕组理论，比如有多少个槽，多少个并联支路，波绕组还是叠绕组；

(c) 电机内部的电磁关系，比如说，要从磁动势开始，讨论磁阻、磁通、磁链、变压器电动势、切割电动势，通常还要给出交流稳态下的等值电路；

(d) 对于电机转子机械运动的分析，比如转子在什么情况下加速或者减速，机械损耗怎么计算；

(e) 电机控制理论，主要讨论电机的启动、并网、停机、调速、调转矩问题；

(f) 电机的一些特殊的运行方式，比如变压器什么情况下效率最高，异步机的单相运行咋分析，同步机当无功功率源使用时候咋分析等等；

(g) 一些很琐碎的问题，比如补偿绕组干啥用的，换相损耗咋处理，磁路饱和了如何查空载特性曲线表，同步电机中出现饱和了如何使用保梯电抗等等。

我认为，作为一个初学者，或者学了一段时间脑袋还是蒙查查的学习者，在选择学习电机理论突破口的时候应该具有如下的诉求：

(A) 掌握这一“突破口”所需提前具备的数学工具和电磁学理论（或者更一般地说，物理学理论）不应当是极为高深的；

(B) 选定的“突破口”本身应当清晰而简明的展现所要论述的数量关系和理论本身的逻辑结构。用毛主席的话说，是要找到主要矛盾，以及矛盾的主要方面；

(C) 在掌握了这一“突破口”之后，学习者能够以“突破口”为基础，去研究一些更加深入或者深刻的问题。

下面讨论那些不适合作为突破口的内容：

首先，与(a)和(b)关系更大的是另一个学科：电机设计，只有在做电机设计的时候，才会要求对(a)和(b)的精确分析，进一步的，无论是做电磁方案还是计算机械振荡模态，都不可避免的要借助有限元工具。对于初学者而言，有限元是很困难的，据我观察，电气专业的本科生在数理方程、电动力学和机械设计方面几乎是一张白纸，如果要求初学者一上来就用有限元来细致的处理电机的各种数量关系，无异于是叫花子和龙王比宝。*(违背A原则)

其次，对于(d)而言，如果把电机转子抽象成刚体，那么描述转子运动的方程是较简单的，因为只涉及到牛顿第二定律。但是，如果选择(d)为突破口，对于机械过程进一步的研究就会遇到困难。因为选择(d)作为突破口，就意味着无法从(c)获得电磁过程的数学模型，那么电磁功率的计算会成为一个很困难的问题，而转子加速或者减速本质上是由电机的输入功率和电磁功率不平衡造成的，那么转子运动方程中至少有一项是不能确定的，这样就违背了(C)原则。

最后，对于(e), (f)和(g)而言，每一个方面都是一个单独的学科，可以写出无数的专著出来。而且，讨论这三个方面中任意一个方面都需要一个前提：电机的数学模型，对于初学者而言，首要的任务是建立数学模型而不是在数学模型的基础上进行讨论。（违背B原则）

接下来讨论为什么(c)是合适的突破口：

首先，在假定磁路和电路中不存在非线性的情况下，电路中的数量关系完全按照线性定常系统中的电路理论来进行描述，对于特定的转子位置，磁链和电流的关系完全是线性的，在任意的时刻，任何绕组上感应出的电压与该绕组的磁链都严格的满足法拉第电磁感应定律。无论是“线性定常系统中的电路理论”，“线性的关系”还是“法拉第电磁感应定律”的数学表述都是简单的，清晰的。

其次，在假定磁路和电路中不存在非线性的情况且转子转速不变的情况下，电机的数学模型会成为线性定常的形式。这就意味着（晨枫老大和达雅同志可以作证），可以使用现代控制理论中的各种工具来对电机进行分析和控制器设计，甚至可以采取更加“先进”的控制理论来做各种各样稀奇古怪的事情。

再其次，在将线性定常的电机模型已经分析清楚的基础上，对于实际电机中的那些非线性因素，可以采取各种非线性的“补丁”来修正原有的线性定常模型。这个修正过程无论如何也比《电机学》教材上那种眉毛胡子一把抓的讨论要清晰。

总而言之，我个人的观点是：应该从电磁关系入手，建立电机的数学模型。在下一个帖子中我会讨论具体的做法。