新型可變相位旋轉磁場成因實驗研究

摘 要： 闡述了三相對稱交流和新型單相交流電動機可變相位旋轉磁場成因的科學機理，以及單相交流電動機實驗裝置的設計與實驗過程和方法.本裝置通過開關轉換將電容器容量大小進行變化，還將兩個線圈通過改變位置使得空間相位也能任意調節，從而達到兩組線圈中交流電相位的變化，并產生旋轉磁場的目的.實驗裝置可拆裝，具有結構簡單、原理清晰、直觀性強、效果明顯等特點，使得復雜的“電磁感應與旋轉磁場原理”的概念變得形象化，提高了學習者的興趣，是一種適合電工原理教學，創新的實驗探究儀器.

關鍵詞： 可變相位；旋轉磁場；成因；實驗

三相對稱交流電的產生，在物理科學或通用技術的電工學教學中，旋轉磁場原理的理解既是教學重點，也是教學難點之一.它是采用向量表示，其三相的相位差也是相差2π/3角度，而電動機的三相定子繞組是空間向量，三個繞組的電角度差也是各相差2π/3角度.當時間向量通過對稱的三相空間向量后，其產生的磁場就變換成了時空向量，也就是說磁場向量是一個時空向量.從時空向量的定義我們會發現，不同的時間磁場向量在不同的位置，而且時間是連續變化的，向量幅值在空間的位置也是連續變化的.這就是三相交流電互成2π/3角度放置，可產生旋轉磁場，（發電機就是互成2π/3角度放置的轉子，在磁場中旋轉而得到三相交流電的，它們是互逆的），而置于其中的轉子在磁場中相對定子有相對運動，切割磁場形成旋轉式感應電動勢.轉速的大小由電動機極數和電源頻率而定.三相異步電動機就是根據這個原理制成的.因此，從原理分析，三相對稱交流繞組才會形成旋轉磁場.

異步電機中的旋轉磁動勢，是三個脈振磁動勢合成的結果，旋轉方向由電流相序決定，幅值是單相脈振磁動勢幅值的1.5倍，轉速=60×電源頻率/極對數.而單相交流電繞組在氣隙中只會形成單個脈振磁動勢，單個脈振磁動勢不能產生旋轉磁場.那么，像電風扇等使用的是單相交流電源，怎樣才能旋轉磁場呢？

在實驗設計中，只要設置一個空間角度為π/2角度的兩個繞組，通過相位差為π/2角度的交變電流，可以產生旋轉磁動勢.新開發的單相交流電源供電的旋轉磁場實體裝置圖，如圖1所示；原理結構線路圖如圖2所示；兩個繞組中經傳感器所顯示的屏中交流電圖象，如圖3所示；電流磁場旋轉向量圖，如圖4所示.

1 單相交流電動機實驗裝置的旋轉原理剖析

單相交流電動機只有一個繞組，轉子是鼠籠式的.當單相正弦電流通過定子繞組時，電動機就會產生一個交變磁場，這個磁場的強弱和方向隨時間作正弦規律變化，但在空間方位上是固定的，所以又稱這個磁場是交變脈動磁場.這個交變脈動磁場可分解為兩個以相同轉速、旋轉方向互為相反的旋轉磁場，當轉子靜止時，這兩個旋轉磁場在轉子中產生兩個大小相等、方向相反的轉矩，使得合成轉矩為零，所以電動機無法旋轉.當我們用外力使電動機向某一方向旋轉時（如順時針方向旋轉），這時轉子與順時針旋轉方向的旋轉磁場間的切割磁力線運動變小；轉子與逆時針旋轉方向的旋轉磁場間的切割磁力線運動變大.這樣平衡就打破了，轉子所產生的總的電磁轉矩將不再是零，轉子將順著推動方向旋轉起來.

要使單相電動機能自動旋轉起來，我們可在定子中加上一個起動繞組，起動繞組與主繞組在空間上相差π/2角度，起動繞組要串接一個合適的電容，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.這樣兩個在時間上相差π/2角度的電流，通入兩個在空間上相差π/2角度的線圈繞組，將會在空間上產生（兩相）旋轉磁場.電流磁場旋轉向量圖，如圖4所示.從中發現：

第一步：當單相交流電經過電容器分相后分別進入在0π角度時，根據實際圖象分析，此時線圈繞組L2沒有電流，所產生的磁場為零，只有線圈繞組L1產生了磁場，磁場方向為π角度.根據通電線圈產生磁場的方向用的“右手定則”原理判定，其為-π角度，兩個線圈合成后的總磁場為-π角度.

第二步：當單相交流電進入π/4角度時，線圈繞組L2所產生的磁場方向為3π/2角度.線圈繞組L1產生了磁場方向為π角度.兩個線圈合成后的總磁場為5π/4角度.

第三步：當單相交流電進入π/2角度時，線圈繞組L2所產生的磁場方向為3π/2角度.線圈繞組L1沒有電流，所產生的磁場為0，只有線圈繞組L2產生了的磁場，方向為3π/2角度.兩個線圈合成后的總磁場為3π/2角度.

第四步：當單相交流電進入3π/4角度時，線圈繞組L2所產生的磁場方向為3π/2角度.線圈繞組L1產生了磁場方向為0π角度.兩個線圈合成后的總磁場為7π/4角度.

第五步：當單相交流電進入π角度時，線圈繞組L2沒有電流，所產生的磁場為零，只有線圈繞組L1產生了磁場方向為0π角度.兩個線圈合成后的總磁場為2π角度.

第六步：當單相交流電進入5π/4角度時，線圈繞組L2所產生的磁場方向為π/2角度，線圈繞組L1產生了磁場方向為2π角度.兩個線圈合成后的總磁場為π/4角度.

第七步：當單相交流電進入3π/2角度時，線圈繞組L2所產生的磁場方向為π/2角度，線圈繞組沒有電流，所產生的磁場為零，只有線圈繞組L2產生了的磁場，方向為π/2角度.兩個線圈合成后的總磁場為π/2角度.

第八步：當單相交流電進入7π/4角度時，線圈繞組L2所產生的磁場方向為π/2角度，線圈繞組L1產生了磁場方向為π角度.兩個線圈合成后的總磁場為3π/4角度.

依次類推，兩個線圈合成后的總磁場又返回到π角度.開始第二周的旋轉運動.

在旋轉磁場作用下，轉子就能自動起動.起動后，待轉速升到一定量值時會繼續保持轉動.我們稱這種電動機為電容式單相電動機，要改變這種電動機的轉向，只要改變電容器串接的繞組位置就能實現.endprint

2 實驗裝置的設計

本儀器如圖1和結構圖2所示，它是利用兩個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，根據需要可以改變兩個線圈之間的夾角，在其中一個線圈中串聯接一個交流電容器，通過多個開關轉換，可以使電容器容量大小發生變化；調節兩個線圈位置使得空間相位改變，使兩組線圈內所通過得交流電相位產生變化，進而達到兩個線圈產生的磁場能夠合成為旋轉磁場的目的，當接上電源時，即在兩個線圈之間產生旋轉磁場.這就是感應式電動機的基本原理.兩個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），電流旋轉向量圖如圖4所示.

如果將馬蹄形磁鐵旋轉起來，其兩極之間也會形成一個旋轉磁場，旋轉的磁場能引起處在旋轉磁場中的線圈框轉動.這是因為磁鐵轉動的時候，鋁框切割磁感線，產生感生電流，感生電流在磁場中受到安培力的作用，結果使鋁框受到一個跟磁場旋轉方向相同的力矩.在這個力矩的作用下，鋁框就隨著旋轉磁場一起轉動起來.

3 實驗裝置的特點及用途

3.1 實驗裝置特點

本儀器作為一種創新的物理實驗儀器，曾獲全國實驗設計評比一等獎.其特點是：調節轉換開關可使電容器容量大小變化，兩個線圈的位置改變可使得空間相位也能任意調節，從而達到其兩組線圈內通過的交流電相位變化的目的，以使兩個線圈產生為旋轉磁場；轉子設計成可拆裝式的，轉子中的導體可以增減，具有結構簡單、原理清楚、直觀性強、效果明顯、使用安全方便等特點.非常適合中學物理教學.使得復雜的物理概念變得形象化；從而使同學們對物理科學產生濃厚的興趣.

3.2 演示實驗的項目

（1） 演示轉子回路導體變化的感應電動機旋轉的工作原理；

（2） 演示絕緣體與導體式轉子在旋轉磁場中的效應；

（3） 演示定子線圈中電流的變化引起旋轉磁場的變化；

（4） 演示電容器容量的變化引起相位差變化的旋轉效應；

（5） 演示金屬球、鋁圓筒、方形金屬盒在旋轉磁場中的運動；

（6）演示同步電動機的工作原理.

3.3 用途

本儀器主要用來演示“電磁感應現象與轉子在旋轉磁場中運動原理”教學的難點問題，彌補目前物理學實驗中還沒有合適的儀器可供教學演示的不足.經課堂實際使用，能大大方便教師的教學.

4 實驗裝置的制作材料

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，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×寬×高為220mm×220 mm×10mm）l塊，電容（100uF/50V）1個，單刀雙擲開關1個，螺釘、鐵片、小磁鐵及接線柱等.

5 實驗裝置的制作方法

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

（2）將繞制好的兩個線圈分別按圖1所示安裝.要求兩個線圈之間的夾角能在30—160°范圍內調節，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，支桿的高度應大于鼠籠、金屬圓筒等轉子的高度，并在合適的位置安裝接線柱.

（4）將薄金屬皮剪成寬為10mm、長為500mm的矩形轉子回路導體，并且可以拆裝式的.

6 實驗裝置的使用方法

（1）此電動機模型與家用電風扇及洗衣機等的工作原理完全一樣.只是電機的定子和轉子缺少了鐵芯部分，并且是全敞開式的，便于學生觀察及實驗教學.

（2）將兩個電流傳感器分別接入圖2中的兩個主副線圈中（圖5），將電流傳感器與電腦連接，根據需要可選擇使用攝影機顯示圖像（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（物理演示實驗用）分別安放在兩個線圈之間的支針上時，它們就會轉動起來，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）若要改變轉動方向，只要撥動圖2中開關改變S的通斷位置，即調換L1和L2（主、副線圈）的兩個接線端，那么根據向量合成原理，其旋轉磁場的方向隨之改變，從而導致轉子的轉動方向發生改變.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.也就是說綠色波形2落后于黃色波形1，從而導致旋轉磁場方向的反轉.

（5）當撥動電容器開關，其接入電容器的容量為5μF時，同時在顯示屏上立即就能看到如圖9所示圖象.因為其中容性線圈中的電流很小，只有主線圈中有電流通過，從而顯示出單個交流電波形，也無旋轉磁場產生，其轉子不會轉動.

（6）當撥動電容器開關，其接入電容器的容量為1000μF時，同時在顯示屏上立即就能看到如圖10所示圖象.因為其中容性線圈中的電流很大，兩個主、副線圈中有交流電流通過，但其之間的相位差很小，兩個波形基本重疊，從而造成無旋轉磁場產生，其轉子也是不會轉動.

參考文獻：

[1]翟立原.創新之源——創造力培養活動方案精選[M].北京：科學出版社，2001年12月，206 頁.

[2]陳歡慶.旋轉磁場實驗儀[J].科技輔導員，2000年第5期第24頁.endprint