新型可變相位旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)成因?qū)嶒?yàn)研究

摘 要： 闡述了三相對(duì)稱交流和新型單相交流電動(dòng)機(jī)可變相位旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)成因的科學(xué)機(jī)理，以及單相交流電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)過程和方法.本裝置通過開關(guān)轉(zhuǎn)換將電容器容量大小進(jìn)行變化，還將兩個(gè)線圈通過改變位置使得空間相位也能任意調(diào)節(jié)，從而達(dá)到兩組線圈中交流電相位的變化，并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的目的.實(shí)驗(yàn)裝置可拆裝，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、原理清晰、直觀性強(qiáng)、效果明顯等特點(diǎn)，使得復(fù)雜的“電磁感應(yīng)與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)原理”的概念變得形象化，提高了學(xué)習(xí)者的興趣，是一種適合電工原理教學(xué)，創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)探究?jī)x器.

關(guān)鍵詞： 可變相位；旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；成因；實(shí)驗(yàn)

三相對(duì)稱交流電的產(chǎn)生，在物理科學(xué)或通用技術(shù)的電工學(xué)教學(xué)中，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)原理的理解既是教學(xué)重點(diǎn)，也是教學(xué)難點(diǎn)之一.它是采用向量表示，其三相的相位差也是相差2π/3角度，而電動(dòng)機(jī)的三相定子繞組是空間向量，三個(gè)繞組的電角度差也是各相差2π/3角度.當(dāng)時(shí)間向量通過對(duì)稱的三相空間向量后，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)就變換成了時(shí)空向量，也就是說(shuō)磁場(chǎng)向量是一個(gè)時(shí)空向量.從時(shí)空向量的定義我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，不同的時(shí)間磁場(chǎng)向量在不同的位置，而且時(shí)間是連續(xù)變化的，向量幅值在空間的位置也是連續(xù)變化的.這就是三相交流電互成2π/3角度放置，可產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，（發(fā)電機(jī)就是互成2π/3角度放置的轉(zhuǎn)子，在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)而得到三相交流電的，它們是互逆的），而置于其中的轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)中相對(duì)定子有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，切割磁場(chǎng)形成旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).轉(zhuǎn)速的大小由電動(dòng)機(jī)極數(shù)和電源頻率而定.三相異步電動(dòng)機(jī)就是根據(jù)這個(gè)原理制成的.因此，從原理分析，三相對(duì)稱交流繞組才會(huì)形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng).

異步電機(jī)中的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，是三個(gè)脈振磁動(dòng)勢(shì)合成的結(jié)果，旋轉(zhuǎn)方向由電流相序決定，幅值是單相脈振磁動(dòng)勢(shì)幅值的1.5倍，轉(zhuǎn)速=60×電源頻率/極對(duì)數(shù).而單相交流電繞組在氣隙中只會(huì)形成單個(gè)脈振磁動(dòng)勢(shì)，單個(gè)脈振磁動(dòng)勢(shì)不能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng).那么，像電風(fēng)扇等使用的是單相交流電源，怎樣才能旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)呢？

在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，只要設(shè)置一個(gè)空間角度為π/2角度的兩個(gè)繞組，通過相位差為π/2角度的交變電流，可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì).新開發(fā)的單相交流電源供電的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)實(shí)體裝置圖，如圖1所示；原理結(jié)構(gòu)線路圖如圖2所示；兩個(gè)繞組中經(jīng)傳感器所顯示的屏中交流電圖象，如圖3所示；電流磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)向量圖，如圖4所示.

1 單相交流電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置的旋轉(zhuǎn)原理剖析

單相交流電動(dòng)機(jī)只有一個(gè)繞組，轉(zhuǎn)子是鼠籠式的.當(dāng)單相正弦電流通過定子繞組時(shí)，電動(dòng)機(jī)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱和方向隨時(shí)間作正弦規(guī)律變化，但在空間方位上是固定的，所以又稱這個(gè)磁場(chǎng)是交變脈動(dòng)磁場(chǎng).這個(gè)交變脈動(dòng)磁場(chǎng)可分解為兩個(gè)以相同轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)方向互為相反的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)，這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生兩個(gè)大小相等、方向相反的轉(zhuǎn)矩，使得合成轉(zhuǎn)矩為零，所以電動(dòng)機(jī)無(wú)法旋轉(zhuǎn).當(dāng)我們用外力使電動(dòng)機(jī)向某一方向旋轉(zhuǎn)時(shí)（如順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)），這時(shí)轉(zhuǎn)子與順時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)間的切割磁力線運(yùn)動(dòng)變小；轉(zhuǎn)子與逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)間的切割磁力線運(yùn)動(dòng)變大.這樣平衡就打破了，轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的總的電磁轉(zhuǎn)矩將不再是零，轉(zhuǎn)子將順著推動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)起來(lái).

要使單相電動(dòng)機(jī)能自動(dòng)旋轉(zhuǎn)起來(lái)，我們可在定子中加上一個(gè)起動(dòng)繞組，起動(dòng)繞組與主繞組在空間上相差π/2角度，起動(dòng)繞組要串接一個(gè)合適的電容，使得與主繞組的電流在相位上近似相差π/2角度，即所謂的分相原理.這樣兩個(gè)在時(shí)間上相差π/2角度的電流，通入兩個(gè)在空間上相差π/2角度的線圈繞組，將會(huì)在空間上產(chǎn)生（兩相）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng).電流磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)向量圖，如圖4所示.從中發(fā)現(xiàn)：

第一步：當(dāng)單相交流電經(jīng)過電容器分相后分別進(jìn)入在0π角度時(shí)，根據(jù)實(shí)際圖象分析，此時(shí)線圈繞組L2沒有電流，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)為零，只有線圈繞組L1產(chǎn)生了磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向?yàn)棣薪嵌?根據(jù)通電線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)的方向用的“右手定則”原理判定，其為-π角度，兩個(gè)線圈合成后的總磁場(chǎng)為-π角度.

第二步：當(dāng)單相交流電進(jìn)入π/4角度時(shí)，線圈繞組L2所產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向?yàn)?π/2角度.線圈繞組L1產(chǎn)生了磁場(chǎng)方向?yàn)棣薪嵌?兩個(gè)線圈合成后的總磁場(chǎng)為5π/4角度.

第三步：當(dāng)單相交流電進(jìn)入π/2角度時(shí)，線圈繞組L2所產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向?yàn)?π/2角度.線圈繞組L1沒有電流，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)為0，只有線圈繞組L2產(chǎn)生了的磁場(chǎng)，方向?yàn)?π/2角度.兩個(gè)線圈合成后的總磁場(chǎng)為3π/2角度.

第四步：當(dāng)單相交流電進(jìn)入3π/4角度時(shí)，線圈繞組L2所產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向?yàn)?π/2角度.線圈繞組L1產(chǎn)生了磁場(chǎng)方向?yàn)?π角度.兩個(gè)線圈合成后的總磁場(chǎng)為7π/4角度.

第五步：當(dāng)單相交流電進(jìn)入π角度時(shí)，線圈繞組L2沒有電流，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)為零，只有線圈繞組L1產(chǎn)生了磁場(chǎng)方向?yàn)?π角度.兩個(gè)線圈合成后的總磁場(chǎng)為2π角度.

第六步：當(dāng)單相交流電進(jìn)入5π/4角度時(shí)，線圈繞組L2所產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向?yàn)棣?2角度，線圈繞組L1產(chǎn)生了磁場(chǎng)方向?yàn)?π角度.兩個(gè)線圈合成后的總磁場(chǎng)為π/4角度.

第七步：當(dāng)單相交流電進(jìn)入3π/2角度時(shí)，線圈繞組L2所產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向?yàn)棣?2角度，線圈繞組沒有電流，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)為零，只有線圈繞組L2產(chǎn)生了的磁場(chǎng)，方向?yàn)棣?2角度.兩個(gè)線圈合成后的總磁場(chǎng)為π/2角度.

第八步：當(dāng)單相交流電進(jìn)入7π/4角度時(shí)，線圈繞組L2所產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向?yàn)棣?2角度，線圈繞組L1產(chǎn)生了磁場(chǎng)方向?yàn)棣薪嵌?兩個(gè)線圈合成后的總磁場(chǎng)為3π/4角度.

依次類推，兩個(gè)線圈合成后的總磁場(chǎng)又返回到π角度.開始第二周的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).

在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下，轉(zhuǎn)子就能自動(dòng)起動(dòng).起動(dòng)后，待轉(zhuǎn)速升到一定量值時(shí)會(huì)繼續(xù)保持轉(zhuǎn)動(dòng).我們稱這種電動(dòng)機(jī)為電容式單相電動(dòng)機(jī)，要改變這種電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，只要改變電容器串接的繞組位置就能實(shí)現(xiàn).endprint

2 實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

本儀器如圖1和結(jié)構(gòu)圖2所示，它是利用兩個(gè)大小相同的線圈豎直并互成一定角度（可以是互成90°，大小可變的空間相位）的定子線圈，根據(jù)需要可以改變兩個(gè)線圈之間的夾角，在其中一個(gè)線圈中串聯(lián)接一個(gè)交流電容器，通過多個(gè)開關(guān)轉(zhuǎn)換，可以使電容器容量大小發(fā)生變化；調(diào)節(jié)兩個(gè)線圈位置使得空間相位改變，使兩組線圈內(nèi)所通過得交流電相位產(chǎn)生變化，進(jìn)而達(dá)到兩個(gè)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)能夠合成為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的目的，當(dāng)接上電源時(shí)，即在兩個(gè)線圈之間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng).這就是感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)的基本原理.兩個(gè)單相交流電的相位變化圖象可從傳感器顯示屏中觀察到（圖3），電流旋轉(zhuǎn)向量圖如圖4所示.

如果將馬蹄形磁鐵旋轉(zhuǎn)起來(lái)，其兩極之間也會(huì)形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)能引起處在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中的線圈框轉(zhuǎn)動(dòng).這是因?yàn)榇盆F轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，鋁框切割磁感線，產(chǎn)生感生電流，感生電流在磁場(chǎng)中受到安培力的作用，結(jié)果使鋁框受到一個(gè)跟磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向相同的力矩.在這個(gè)力矩的作用下，鋁框就隨著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)一起轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái).

3 實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)及用途

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置特點(diǎn)

本儀器作為一種創(chuàng)新的物理實(shí)驗(yàn)儀器，曾獲全國(guó)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)評(píng)比一等獎(jiǎng).其特點(diǎn)是：調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換開關(guān)可使電容器容量大小變化，兩個(gè)線圈的位置改變可使得空間相位也能任意調(diào)節(jié)，從而達(dá)到其兩組線圈內(nèi)通過的交流電相位變化的目的，以使兩個(gè)線圈產(chǎn)生為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)成可拆裝式的，轉(zhuǎn)子中的導(dǎo)體可以增減，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、原理清楚、直觀性強(qiáng)、效果明顯、使用安全方便等特點(diǎn).非常適合中學(xué)物理教學(xué).使得復(fù)雜的物理概念變得形象化；從而使同學(xué)們對(duì)物理科學(xué)產(chǎn)生濃厚的興趣.

3.2 演示實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目

（1） 演示轉(zhuǎn)子回路導(dǎo)體變化的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的工作原理；

（2） 演示絕緣體與導(dǎo)體式轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中的效應(yīng)；

（3） 演示定子線圈中電流的變化引起旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的變化；

（4） 演示電容器容量的變化引起相位差變化的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)；

（5） 演示金屬球、鋁圓筒、方形金屬盒在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)；

（6）演示同步電動(dòng)機(jī)的工作原理.

3.3 用途

本儀器主要用來(lái)演示“電磁感應(yīng)現(xiàn)象與轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)原理”教學(xué)的難點(diǎn)問題，彌補(bǔ)目前物理學(xué)實(shí)驗(yàn)中還沒有合適的儀器可供教學(xué)演示的不足.經(jīng)課堂實(shí)際使用，能大大方便教師的教學(xué).

4 實(shí)驗(yàn)裝置的制作材料

本教具由直徑為160 mm、高為180mm 的絕緣方形框架，直徑為100 mm的空心金屬球體1個(gè)，直徑為100 mm、高為120mm的金屬圓筒和小鋸條16根，線徑為0.27-0.38mm的漆包線若干，木板（長(zhǎng)×寬×高為220mm×220 mm×10mm）l塊，電容（100uF/50V）1個(gè)，單刀雙擲開關(guān)1個(gè)，螺釘、鐵片、小磁鐵及接線柱等.

5 實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法

（1）將線徑為0.27-0.38mm的漆包線分別繞制成兩個(gè)線圈，要求線圈繞制在150mm×160 mm的框架上，其匝數(shù)為500-800，并且兩個(gè)線圈的匝數(shù)相等.

（2）將繞制好的兩個(gè)線圈分別按圖1所示安裝.要求兩個(gè)線圈之間的夾角能在30—160°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，兩線圈的引出線及電容器的接線按圖2連接.

（3）在底板上安裝中心支桿，支桿的高度應(yīng)大于鼠籠、金屬圓筒等轉(zhuǎn)子的高度，并在合適的位置安裝接線柱.

（4）將薄金屬皮剪成寬為10mm、長(zhǎng)為500mm的矩形轉(zhuǎn)子回路導(dǎo)體，并且可以拆裝式的.

6 實(shí)驗(yàn)裝置的使用方法

（1）此電動(dòng)機(jī)模型與家用電風(fēng)扇及洗衣機(jī)等的工作原理完全一樣.只是電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子缺少了鐵芯部分，并且是全敞開式的，便于學(xué)生觀察及實(shí)驗(yàn)教學(xué).

（2）將兩個(gè)電流傳感器分別接入圖2中的兩個(gè)主副線圈中（圖5），將電流傳感器與電腦連接，根據(jù)需要可選擇使用攝影機(jī)顯示圖像（圖6）.

（3） 上述的絕緣支架、金屬球體、圓筒、鼠籠及大型永久磁針（物理演示實(shí)驗(yàn)用）分別安放在兩個(gè)線圈之間的支針上時(shí)，它們就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，其圖象如圖7和圖8所示，兩電流波形的相位差為π/4（45°）左右.

（4）若要改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向，只要撥動(dòng)圖2中開關(guān)改變S的通斷位置，即調(diào)換L1和L2（主、副線圈）的兩個(gè)接線端，那么根據(jù)向量合成原理，其旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向隨之改變，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向發(fā)生改變.即黃色波形1為容性電流波形，明顯看出其相位角超前于綠色波形2，相位差為π/4（45°）左右.也就是說(shuō)綠色波形2落后于黃色波形1，從而導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向的反轉(zhuǎn).

（5）當(dāng)撥動(dòng)電容器開關(guān)，其接入電容器的容量為5μF時(shí)，同時(shí)在顯示屏上立即就能看到如圖9所示圖象.因?yàn)槠渲腥菪跃€圈中的電流很小，只有主線圈中有電流通過，從而顯示出單個(gè)交流電波形，也無(wú)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生，其轉(zhuǎn)子不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng).

（6）當(dāng)撥動(dòng)電容器開關(guān)，其接入電容器的容量為1000μF時(shí)，同時(shí)在顯示屏上立即就能看到如圖10所示圖象.因?yàn)槠渲腥菪跃€圈中的電流很大，兩個(gè)主、副線圈中有交流電流通過，但其之間的相位差很小，兩個(gè)波形基本重疊，從而造成無(wú)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生，其轉(zhuǎn)子也是不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng).

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