請問力學跟電工電子有什麼聯絡？

Patrick Zhang2023-01-16 22:09:27

這個問題很有意思！我們來看幾個例子吧。

1。繼電器的電接觸受力分析

在電工與電子工程中，繼電器非常多見。我們來看看繼電器觸點的電接觸受力分析，看下圖：

圖1：繼電器動、靜觸點間的電動斥力

圖1中，由於動、靜觸點只在一點處接觸，因此電流線會出現收縮現象。

注意看圖1下部的靜觸點右側電流線Ijr，我們按右手螺旋定則可知道它的右側磁力線是進入紙面的。再看圖1上部動觸頭右側電流線Idr，我們用左手定則可以知道，它受到的力F與電流線方向垂直指向左上側。我們把力F分解為水平方向的力Fx和垂直方向的力Fy，我們發現水平方向的力與左側電流線Idl產生的水平方向的力相抵消，而垂直方向的力則得以加強，它們的合力就是Fh。

Fh是繼電器觸點或者斷路器觸頭受到的電磁斥力，電流越大，電磁斥力也就越大。

電接觸的電磁斥力又叫做霍姆力，是上個世紀中葉由西門子著名工程師和學者霍姆提出的。霍姆建立了電接觸理論。

電磁斥力的計算式是：

，式1

式1中，S是觸點的視在面積，S0是觸點電接觸的實際接觸面積。一般地，S0不會超過視在面積的1%~10%。

S0的計算式是：

，式2

式1中的Fj是觸點或者觸頭的接觸壓力，HB是觸點/觸頭材料的布氏硬度。

在實際工程和工作中，我們就用式1和式2來檢測電接觸的動穩定性。

2。導線間的電動力

力學與電氣工程的關係非常密切。我們只需要抬頭看看電塔，電塔的結構之所以是這樣的，其中充滿著各種與力有關的設計。

圖2：電塔的結構設計與力學有著很深的關係

我們先來看看帶電導體間的電動力。我們看下圖：

圖3：直流電源在導線中產生的電動力F

我們從圖3中看到，導線之間的電動作用力F是斥力，根據比奧。薩法爾定律可知其表示式為：

，式3

式3中的L是導線長度，d是導線的中心距，I當然就是電流了。

在實際工程中，式3不能直接使用。為何？因為式3沒有考慮到導線的截面因素。我們令截面因素用Kc來表示，於是式3變成：

，式4

實際Kc的確定需要求解一個微分方程，為此我們透過圖表來確定它的值，如下：

圖4：我的書《低壓電器技術精講》中有關截面係數取值計算的圖表

圖4是通用圖，在任何一本《電器學》和《高低壓電器設計手冊》中都有。

我們設想，導線為高度h=60mm厚度b=60mm的銅排，兩銅排的中心距a=100mm，則有：

，

查圖4，我們發現Kc≈0。9左右。

如果我們把銅排平躺下來，這時高度h=10mm厚度b=60mm的銅排，中心距a=100mm，則有：

，

查圖4，我們發現Kc≈1。2左右。

對比式4，我們發現銅排平躺著安裝比豎直安裝的電動力更大。如果發生了短路，巨大的短路電流衝擊下，銅排及其絕緣結構有可能發生解體。

對於交流電，電流

，我們把電流代入到式4中，會怎樣呢？

我們發現，電動力F與電流的最大值有關。電動力的方向不會改變，它在最大值和零之間發生幅值變化。下圖是單相交流電動力的曲線圖：

圖5：交流電動力的波形

從圖5我們看到，電動力的波形與電流波我們形不盡相同，且頻率加倍。

我們看一個例子：電力變壓器的容量是1000kVA，它的額定電流是1443A，短路電流是24kA。。按國家標準，此時的峰值係數n=2。0，則電力變壓器提供的短路電流瞬時最大值是2。0x24=48kA。如果系統母線是60mmx10mm，母線長度是10米，母線採取豎直安裝，我們來算一算變壓器出口處0。4kV母線間單相短路的最大電動力。

把具體數值代入到式4中，得到：

也就是說，僅僅10米長母線相線（火線）對中性線（零線）的短路電動力可達4231千克力，相當於4。23噸力，不可謂不小。

此電動力作用在開關裝置上，可知此開關裝置的設計必須滿足短路電動力衝擊的要求。這裡當然存在大量的結構設計問題。

圖6：低壓開關裝置的母線系統以及它的骨架結構

事實上，不管是高壓開關裝置也好，是中壓和低壓開關裝置也好，它們都是工程師們的設計結晶，也是製造者們的製造成果。在這裡，大量存在力與電氣裝置間的配合關係，都被設計製造者們克服了，值得我們敬佩。

3。ABB倒牛奶機器人的提示

我們看以下影片：

影片1：ABB的倒牛奶機器人

https：//www。zhihu。com/video/1391372826922786816

我們看到倒牛奶機器人在熟練地工作。如果它手上不是牛奶，而是生產線上的機器零件，這力可就大多了。

不管是牛奶也好，是機器零件也好，對機器人的操動結構來說，既有力道的大小，也有操控的完美設計，是人工智慧的典範。

這再一次證明，力與電氣系控制系統間有很深的聯絡，它考驗的是人的設計能力，是人類知識和技術的結晶。

4。我的看法

題主的提問是力學與電工電子的關係，從本質上講，就是力學與電氣工程間的關係。

從本貼中的三個例子看，力學與電氣工程間的關係十分密切，兩者互相嵌合，根本就分不開。例如電機拖動的力矩，機器人的控制，殘疾人的假肢控制，各類形位感測器分析，動車和汽車自動操控等等，都在題主探討的話題範疇之中，甚至連居家的掃地機器人應當也在此列。

力的控制在自動控制中佔有很高的份量，是自動控制的主要物件。

有一次，我的一位學生和我討論機械手的操控，話題逐漸地轉向機械原理方面去了。最後，這位電氣專業的學生說：看來我必須把理論力學、材料力學和機械零件設計給仔細研討一番。

我把這句話送給題主吧。建議題主也和我的學生一樣，去把這些理論給研讀一番，說不定會有新的看法。

回答完畢。