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一堂“車內物理課”硬核解讀汽車工程中的電動力學

發布時間:2024-09-07 09:29:50 來源:中國科普網 字號: [ 大 ] [ 中 ] [ 小 ]

科普時報記者 陳杰

物理基礎理論怎么走向尖端科技?為什么說一切電磁現象背后都是麥克斯韋方程組?近日,搜狐創始人、物理學博士張朝陽在新能源車內講了一堂物理課,從電磁場理論到三相電動機工作原理,硬核解讀新能源汽車背后的電動力學原理。

“真正精彩創新都來自于對本質的把握”,張朝陽強調從第一性原理出發理解萬事萬物。在卡爾·本茨利用燃油發動機首次發動汽車近150年后的今天,新能源汽車正取代傳統燃油車,成為新的出行主力。

為何新能源汽車能夠成為風尚?張朝陽首先介紹了發表于19世紀的麥克斯韋方程組,這一方程組總結了人類在電磁現象中習得的一切規律。他對麥克斯韋方程組進行變形,重新推導了一遍法拉第電磁感應定律,而這正是新能源汽車“心臟”三相電動機的工作原理。

三相電動機是利用高壓交流電驅動轉子輸出動力的裝置。根據“電磁感應”定律,交流電在精心設計的電路中流轉,將在定子腔體中感應出旋轉磁場,這就是“電生磁”現象。“作為永磁鐵的轉子會傾向于與磁場方向保持平行,會追逐著旋轉磁場跑動,進而帶動了車輪同步轉動,汽車就開起來了?!睆埑栒f。

當汽車轉動起來后,電磁感應中的“磁生電”便開始發揮作用。張朝陽表示,轉子在旋轉時,自身的磁場會產生反向的電壓,把動力轉換回電能。電動機傾向于把電能轉換為動力,但轉子又傾向于把動力“還回去”。二者是此消彼長、互相“拔河”的過程,當轉子越轉越快,它反向轉換的能力越來越強,所以最終給到車輪的動力會變得越來越小。

“這就是開車時感覺‘低速有勁,高速乏力’的原因所在,混動新能源車的出發點正是為了解決電動機這一缺陷?!睆埑枏幕A理論出發,通過仔細分析三相電動機線圈上的電壓平衡方程,從中解出了三相電動機輸出扭矩與轉速之間的關系,用數學定量地描述了三相電動機的工作狀態。

這堂特殊的“車內物理課”,拆解了日常出行場景背后的物理學原理,直播間網友們點贊稱這種別致的授課模式能夠更好地理解物理?!盎A科學非常重要,在象牙塔里很多演算不只是滿足人們對于未知世界好奇心,而是距離創造美好生活、解決人類實際生活中存在的問題如此之近?!痹趶埑柨磥恚粋€企業或者產品部門需要有懂物理的科學家,比如面對燃油機、電動機或者混動專用發動機,不同于根據業界經驗套用公式,物理學家知道公式是怎么來的,去調參數可以設計出新的東西。

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