【閱前提示】本篇出自『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』，此版叢書是“數(shù)理化自學(xué)叢書編委會”于1963-1966年陸續(xù)出版，并于1977年正式再版的基礎(chǔ)自學(xué)教材，本系列叢書共包含17本，層次大致相當(dāng)于如今的初高中水平，其最大特點就是可用于“自學(xué)”。當(dāng)然由于本書是大半個世紀前的教材，很多概念已經(jīng)與如今迥異，因此不建議零基礎(chǔ)學(xué)生直接拿來自學(xué)。不過這套叢書卻很適合像我這樣已接受過基礎(chǔ)教育但卻很不扎實的學(xué)酥重新自修以查漏補缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫的注解。

【山話嵓語】『數(shù)理化自學(xué)叢書』其實還有新版，即80年代的改開版，改開版內(nèi)容較新而且還又增添了25本大學(xué)基礎(chǔ)自學(xué)內(nèi)容，直接搞出了一套從初中到大學(xué)的一條龍數(shù)理化自學(xué)教材大系列。不過我依然選擇6677版，首先是因為6677版保留了很多古早知識，讓我終于搞明白了和老工程師交流時遇到的奇特專業(yè)術(shù)語和計算模式的來由。另外就是6677版的版權(quán)風(fēng)險極小，即使出版社再版也只會再版80年代改開版。我認為6677版不失為一套不錯的自學(xué)教材，不該被埋沒在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時間，將『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』上傳成文字版。

第五章交流電

【山話||? 本系列專欄中的力單位達因等于10??牛頓；功的單位爾格等于10??焦耳；熱量的單位卡路里等于4.186焦耳；電荷的單位靜庫（1庫倫=3×10?靜庫）；電勢的單位靜伏等于300伏特。另外這套老教材中力的單位常用公斤、克等，但如今是不允許的，力是不能使用質(zhì)量單位的?！?/span>

§5-4交流電動機

【01】電動機與發(fā)電機相反，是轉(zhuǎn)變電能為機械能的一種機器。通入交流電使它運轉(zhuǎn)的電動機叫做交流電動機。

1、同步交流電動機

【02】我們已經(jīng)知道，發(fā)電機是轉(zhuǎn)變機械能為電能的裝置。§5-2里所討論過的各種交流發(fā)電機，都可以反過來當(dāng)作電動機使用，使它轉(zhuǎn)變電能為機械能。

【03】圖5·13所示的裝置和圖5·4所示的交流發(fā)電機完全相同，只是它的線圈不是在外力帶動下旋轉(zhuǎn)，而是讓交變電流經(jīng)過電刷和滑環(huán)通入其中，如果當(dāng)線圈在左圖所示的位置時，通入的電流方向為 a一b一c一d，則按照左手法則，可以確定 ab 和 cd 兩導(dǎo)線所受到的磁場力（通電導(dǎo)體所受到的磁場力的方向可以用左手法則來確定）形成一個逆時針向的力偶，使線圈轉(zhuǎn)動。在線圈轉(zhuǎn)到右圖所示的位置時，兩個磁場力 F 處在同一直線上，線圈不受力偶作用，但由于存在慣性，線圈可以沖過這一位置，此后線圈所受的兩個磁場力立即形成了順時針方向的力偶，使它恢復(fù)到這一位置。在這個位置上，線圈平面和磁力線垂直，在發(fā)電機的情況下，我們稱這一位置為中性面，現(xiàn)在我們稱它為平衡位置。如果在線圈剛剛沖過平衡位置的那一瞬時，立即改變電流的方向為 d一c一b一a，則 ab 和 cd 兩導(dǎo)線所受到的磁場力又形成一個逆時針方向的力偶，使線圈繼續(xù)轉(zhuǎn)動。經(jīng)過 180°，線圈又達平衡位置；如在此時再將電流方向改變?yōu)?a一b一c一d，則線圈又將轉(zhuǎn)動 180°。依此類推，如果交流電的頻率（赫茲）正好和線圈的轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/秒）相等，那么我們就可以使電流的方向在線圈每一次經(jīng)過平衡位置（即每轉(zhuǎn)180°）時改變一次，結(jié)果線圈就繼續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動，成為電動機。

【04】對只有一對磁極的電動機來說，線圈每轉(zhuǎn)一周經(jīng)過平衡位置兩次，電流的方向也要改變兩次；這時線圈的轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/秒）應(yīng)和通入線圈的交流電的頻率（赫茲）相等。對有兩對磁極的電動機來說，線圈每轉(zhuǎn)一周經(jīng)過平衡位置四次，電流的方向也要改變四次；這時線圈的轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/秒）應(yīng)當(dāng)?shù)扔诮涣麟婎l率（赫茲）的 1/2? 。對有 n 對磁極的電動機來說，線圈每轉(zhuǎn)一周經(jīng)過平衡位置 2n 次，電流的方向也要改變 2n 次；這時線圈的轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/秒）應(yīng)當(dāng)?shù)扔诮涣麟婎l率（赫茲）的 1/n? 。

【05】這種與交流電頻率相適應(yīng)的轉(zhuǎn)速叫做同步轉(zhuǎn)速，以同步轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)的電動機叫做同步電動機。同步電動機只能有一個與交流電相適應(yīng)的轉(zhuǎn)速，不能有任意的轉(zhuǎn)速。在向同步電動機通入交流電之前，不但要把線圈轉(zhuǎn)動到同步轉(zhuǎn)速，還要使它恰在經(jīng)過平衡位置時改變電流的方向，否則它就不能順利地運轉(zhuǎn)，所以同步電動機在應(yīng)用時很不方便，需要有特為設(shè)計的起動裝置。用同步電動機帶動機器有一個優(yōu)點，這就是盡管機器的負載（又叫負荷）有時大些、有時小些，它的運行速度卻能恒定不變。電鐘里的電動機就是同步交流電動機。

【06】同步電動機可以是旋轉(zhuǎn)電樞式的，也可以是旋轉(zhuǎn)磁場式的，但基本原理總和以上所述的相似。

2、三相感應(yīng)電動機

【07】為了闡明感應(yīng)電動機的基本原理，讓我們先來做一個有趣的實驗。

【08】把一個多匝的閉合線圈，懸掛在蹄形磁鐵的兩極中間，如圖5·14所示，并使它很容易轉(zhuǎn)動。設(shè)法使磁鐵繞 OO' 軸轉(zhuǎn)動，就可以看到線圈也跟著旋轉(zhuǎn)起來。

【09】這個實驗說明，旋轉(zhuǎn)的磁場會使閉合線圈跟著轉(zhuǎn)動。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是什么呢？

【10】我們知道，當(dāng)磁鐵旋轉(zhuǎn)時（相對的說，可以看做這時磁鐵不動，線圈轉(zhuǎn)動），通過閉合線圈的磁通量在改變，因此線圈中就有了感生電流。根據(jù)楞次定律，我們可以確定感生電流的方向；再根據(jù)左手法則，我們又可以確定通電導(dǎo)線所受磁場力的方向；從而我們可以看出，作用在線圈上的磁力偶迫使線圈按磁鐵旋轉(zhuǎn)的方向轉(zhuǎn)動。

【11】三相感應(yīng)電動機的工作原理，基本上與上述實驗相似，不過旋轉(zhuǎn)磁場不是依靠磁鐵的機械轉(zhuǎn)動，而是依靠通入三相交流電來獲得的。

【12】三相感應(yīng)電動機的主要組成部分包括一個定子和一個轉(zhuǎn)子。定子是電動機的不轉(zhuǎn)動部分，它的任務(wù)是利用三相交流電形成一個旋轉(zhuǎn)磁場，它的功能和上述實驗中的磁鐵相當(dāng)。轉(zhuǎn)子是一個可以轉(zhuǎn)動的部分，它的任務(wù)是在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下產(chǎn)生感生電流，并因受到磁力矩的作用而轉(zhuǎn)動。

【13】把三個完全相同的線圈，嵌繞在定子的溝槽里，它們彼此相隔 120°，如圖5·15所示（圖中用單匝表示一個多匝線圈）。這三個線圈連接成星形（或三角形），線圈頭 A、B 和 C 分別和三相交流電路的三根相線相連接，線頭 X、Y 和 Z 合并在一起和電路的中性線相連接，當(dāng)通入三相交流電時，由于三個線圈完全相同，線圈 AX、BY 和 CZ 里的電流強度分別為；它們的幅值Ⅰm 和頻率 f＝ω/2π 都相等，位相彼此相差 120°。圖5·16表示三個線圈里的電流怎樣跟著時間變化的情形。

【14】假定電流的正方向是由線圈的起端（A、B 和 C）到末端（X、Y 和 Z），那么這時在起端標以符號，在末端標以符號；所謂電流的負方向是由線圈的末端到起端，這時在起端標以符號，在末端標以符號；當(dāng)線圈里的電流為零時，兩端都標以符號? 。圖5·17表示三個線圈在各個時刻的電流方向和磁場方向。

【15】從圖5·16上可以看出，在 t＝t? 時，通過線圈 AX 的電流為零，通過線圈 BY 的電流為負，通過線圈 CZ 的電流為正。此時導(dǎo)線 AA' 和 XX' 的周圍沒有磁場，其余四根導(dǎo)線（BB'、YY'、CC' 和 ZZ'）的周圍都有磁場存在，磁力線方向可用右手拇指法則（或右手螺旋法則）確定，如圖5·17中左邊第一圖所示。這六根導(dǎo)線的合磁場相當(dāng)于一個磁體 AA'X'X，它的AA'邊為 S 極，XX' 邊為 N 極。

【16】在 t＝t?＝t?＋1/6 T 時，通過線圖 CZ 的電流為零，通過線圈 BY 的電流為負，通過線圈 AX 的電流為正，六根導(dǎo)線的合磁場相當(dāng)于一個磁體 CC'Z'Z，它的 CC' 邊為 N 極，ZZ' 邊為 S 極，如圖5·17中左邊第二圖所示。與 t＝t? 時的情況（即左邊第一圖所示的情況）相比較，磁場轉(zhuǎn)動了60°? 。

【17】再經(jīng)過 T/6 后，當(dāng) t＝t?＝t?＋1/3 T 時，通過線圖 BY 的電流為零，通過線圈 AX 的電流為正，通過線圈 CZ 的電流為負，六根導(dǎo)線的合磁場相當(dāng)于一個磁體 BB'Y'Y，它的 BB' 邊為 S 極，YY' 邊為 N 極，如圖5·17中右邊第二圖所示。與 t＝t? 時的情況相比較，磁場又轉(zhuǎn)動了 60°? 。

【18】依此類推，交流電每變化一周，磁場也轉(zhuǎn)動一周；交流電變化不停，磁場也就旋轉(zhuǎn)不停。這樣依靠三相交流電獲得的旋轉(zhuǎn)磁場和作機械轉(zhuǎn)動的磁鐵的磁場（如圖5·14所示）完全一樣。磁場旋轉(zhuǎn)的周期和頻率與交流電的周期和頻率相同。

【19】圖5·18表示一種叫做鼠籠式轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，它包括許多根和轉(zhuǎn)軸平行放置的銅桿，它們的兩端分別焊接在兩個銅環(huán)上。在定子磁場作旋轉(zhuǎn)運動時（不是定子作機械轉(zhuǎn)動，而是由三相交流電所引起的磁場的旋轉(zhuǎn)運動），轉(zhuǎn)子銅桿與磁力線之間有了相對的切割運動，引起了感生電流（遵循右手法則）。載有感生電流的銅桿，都要受到磁場力的作用（遵循左手法則）。對整個轉(zhuǎn)子來說，各個銅桿所受磁場力的力矩使它順著磁場旋轉(zhuǎn)的方向轉(zhuǎn)動。這就是三相感應(yīng)電動機的基本原理。

【20】三相感應(yīng)電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動速度總比定子磁場的旋轉(zhuǎn)速度來得小。也就是說，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動速度（轉(zhuǎn)/秒）總比交流電變化的頻率（赫茲）來得小。由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動是和磁場的旋轉(zhuǎn)同方向的，只有在轉(zhuǎn)子比磁場轉(zhuǎn)得慢的情況下，轉(zhuǎn)子銅桿與磁力線之間才可能有相對的切割運動，銅桿里才有感生電流產(chǎn)生，整個轉(zhuǎn)子才受磁力矩的作用。如果轉(zhuǎn)子和磁場的轉(zhuǎn)速相等，那就意味著轉(zhuǎn)子銅桿與磁力線之間沒有相對運動，銅桿不切割磁力線，也沒有感生電流產(chǎn)生，因而轉(zhuǎn)子也就不受磁力矩的作用。在這樣的情況下，轉(zhuǎn)子在阻力矩（因摩擦和負荷而受到的與轉(zhuǎn)動方向相反的力矩）的作用下會逐漸慢下來。在平衡狀態(tài)下（磁力矩和阻力矩平衡），轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速總低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速。所以我們稱三相感應(yīng)電動機為異步電動機。

【21】三相感應(yīng)電動機的基本原理可概括如下：把三相交流電通入定子線圈，建立起一個旋轉(zhuǎn)磁場，利用它和轉(zhuǎn)子之間的相對運動，在轉(zhuǎn)子銅桿中形成感生電流，這個電流和磁場相互作用，就使轉(zhuǎn)子受到磁力矩而轉(zhuǎn)動。

【22】旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)動速度是固定的（由交流電的頻率來決定），轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動得越慢，銅桿切割磁力線的速度就越大，形成的感生電流和磁力矩也越大。三相感應(yīng)電動機在作穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時（此時磁力矩與阻力矩平衡），它的轉(zhuǎn)速由負荷來決定。負荷的力矩越大，轉(zhuǎn)速越低；反之，負荷的力矩越小，轉(zhuǎn)速越高。

3、單相感應(yīng)電動機

【23】三相感應(yīng)電動機的效率高，運轉(zhuǎn)性能好，因此在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用得很普遍。但是，在沒有三相交流電源或者需要的功率很?。ㄈ珉婏L(fēng)扇）時，用單相感應(yīng)電動機就比較方便、比較經(jīng)濟。單相感應(yīng)電動機的功率一般只有幾百瓦、幾十瓦，有的竟小到只有幾瓦。

【24】單相感應(yīng)電動機的轉(zhuǎn)子，在構(gòu)造上和三相感應(yīng)電動機相同，也可以采用鼠籠式的（如圖5·18所示）。因為通入定子線圈的交流電是單相的，所以它的磁場不能旋轉(zhuǎn)，只處在一定的方位上，按照交流電的變化規(guī)律來改變磁場強度的大小和方向。這樣的磁場叫做脈動磁場。

【25】理論證明，按照正弦規(guī)律脈動的磁場，實際上相當(dāng)于兩個方向相反的旋轉(zhuǎn)磁場，它們的轉(zhuǎn)速相同。每個旋轉(zhuǎn)磁場對轉(zhuǎn)子的作用，和三相感應(yīng)電動機完全一樣。順時針轉(zhuǎn)動的磁場使轉(zhuǎn)子受到順時針方向的磁力矩，逆時針轉(zhuǎn)動的磁場使轉(zhuǎn)子受到逆時針方向的磁力矩。在起動以前，由于兩個旋轉(zhuǎn)磁場以相等的速度相對于轉(zhuǎn)子作相反的運動，所以它們對轉(zhuǎn)子的作用互相抵消，不能使它向任一方向起動。

【26】如果先用外力使單相感應(yīng)電動機的轉(zhuǎn)子獲得一個起動速度，那么兩個旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子運動的快慢就不相等，對轉(zhuǎn)子作用的磁力矩大小也不同，于是轉(zhuǎn)子可以繼續(xù)轉(zhuǎn)動下去。理論和實驗都證明，如果先用外力使轉(zhuǎn)子向順時針方向起動，它就沿順時針方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動下去；如果向逆時針方向起動，它就沿逆時針方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動下去。一般的單相感應(yīng)電動機都裝有自動起動的裝置。

習(xí)題5-4

1、什么叫做同步交流電動機？

2、扼要說明三相感應(yīng)電動機的構(gòu)造和作用原理？

3、扼要說明三相交流電的旋轉(zhuǎn)磁場是怎樣產(chǎn)生的？

4、在蹄形磁體的兩極間，放置一個線圈 ABCD（如附圖所示），當(dāng)蹄形磁體繞 OO' 軸轉(zhuǎn)動時，線圈將會發(fā)生什么現(xiàn)象？為什么？