新型可变相位旋转磁场成因实验研究

摘 要： 阐述了三相对称交流和新型单相交流电动机可变相位旋转磁场成因的科学机理，以及单相交流电动机实验装置的设计与实验过程和方法.本装置通过开关转换将电容器容量大小进行变化，还将两个线圈通过改变位置使得空间相位也能任意调节，从而达到两组线圈中交流电相位的变化，并产生旋转磁场的目的.实验装置可拆装，具有结构简单、原理清晰、直观性强、效果明显等特点，使得复杂的“电磁感应与旋转磁场原理”的概念变得形象化，提高了学习者的兴趣，是一种适合电工原理教学，创新的实验探究仪器.

关键词： 可变相位；旋转磁场；成因；实验

三相对称交流电的产生，在物理科学或通用技术的电工学教学中，旋转磁场原理的理解既是教学重点，也是教学难点之一.它是采用向量表示，其三相的相位差也是相差2π/3角度，而电动机的三相定子绕组是空间向量，三个绕组的电角度差也是各相差2π/3角度.当时间向量通过对称的三相空间向量后，其产生的磁场就变换成了时空向量，也就是说磁场向量是一个时空向量.从时空向量的定义我们会发现，不同的时间磁场向量在不同的位置，而且时间是连续变化的，向量幅值在空间的位置也是连续变化的.这就是三相交流电互成2π/3角度放置，可产生旋转磁场，（发电机就是互成2π/3角度放置的转子，在磁场中旋转而得到三相交流电的，它们是互逆的），而置于其中的转子在磁场中相对定子有相对运动，切割磁场形成旋转式感应电动势.转速的大小由电动机极数和电源频率而定.三相异步电动机就是根据这个原理制成的.因此，从原理分析，三相对称交流绕组才会形成旋转磁场.

异步电机中的旋转磁动势，是三个脉振磁动势合成的结果，旋转方向由电流相序决定，幅值是单相脉振磁动势幅值的1.5倍，转速=60×电源频率/极对数.而单相交流电绕组在气隙中只会形成单个脉振磁动势，单个脉振磁动势不能产生旋转磁场.那么，像电风扇等使用的是单相交流电源，怎样才能旋转磁场呢？

在实验设计中，只要设置一个空间角度为π/2角度的两个绕组，通过相位差为π/2角度的交变电流，可以产生旋转磁动势.新开发的单相交流电源供电的旋转磁场实体装置图，如图1所示；原理结构线路图如图2所示；两个绕组中经传感器所显示的屏中交流电图象，如图3所示；电流磁场旋转向量图，如图4所示.

1 单相交流电动机实验装置的旋转原理剖析

单相交流电动机只有一个绕组，转子是鼠笼式的.当单相正弦電流通过定子绕组时，电动机就会产生一个交变磁场，这个磁场的强弱和方向随时间作正弦规律变化，但在空间方位上是固定的，所以又称这个磁场是交变脉动磁场.这个交变脉动磁场可分解为两个以相同转速、旋转方向互为相反的旋转磁场，当转子静止时，这两个旋转磁场在转子中产生两个大小相等、方向相反的转矩，使得合成转矩为零，所以电动机无法旋转.当我们用外力使电动机向某一方向旋转时（如顺时针方向旋转），这时转子与顺时针旋转方向的旋转磁场间的切割磁力线运动变小；转子与逆时针旋转方向的旋转磁场间的切割磁力线运动变大.这样平衡就打破了，转子所产生的总的电磁转矩将不再是零，转子将顺着推动方向旋转起来.

要使单相电动机能自动旋转起来，我们可在定子中加上一个起动绕组，起动绕组与主绕组在空间上相差π/2角度，起动绕组要串接一个合适的电容，使得与主绕组的电流在相位上近似相差π/2角度，即所谓的分相原理.这样两个在时间上相差π/2角度的电流，通入两个在空间上相差π/2角度的线圈绕组，将会在空间上产生（两相）旋转磁场.电流磁场旋转向量图，如图4所示.从中发现：

第一步：当单相交流电经过电容器分相后分别进入在0π角度时，根据实际图象分析，此时线圈绕组L2没有电流，所产生的磁场为零，只有线圈绕组L1产生了磁场，磁场方向为π角度.根据通电线圈产生磁场的方向用的“右手定则”原理判定，其为-π角度，两个线圈合成后的总磁场为-π角度.

第二步：当单相交流电进入π/4角度时，线圈绕组L2所产生的磁场方向为3π/2角度.线圈绕组L1产生了磁场方向为π角度.两个线圈合成后的总磁场为5π/4角度.

第三步：当单相交流电进入π/2角度时，线圈绕组L2所产生的磁场方向为3π/2角度.线圈绕组L1没有电流，所产生的磁场为0，只有线圈绕组L2产生了的磁场，方向为3π/2角度.两个线圈合成后的总磁场为3π/2角度.

第四步：当单相交流电进入3π/4角度时，线圈绕组L2所产生的磁场方向为3π/2角度.线圈绕组L1产生了磁场方向为0π角度.两个线圈合成后的总磁场为7π/4角度.

第五步：当单相交流电进入π角度时，线圈绕组L2没有电流，所产生的磁场为零，只有线圈绕组L1产生了磁场方向为0π角度.两个线圈合成后的总磁场为2π角度.

第六步：当单相交流电进入5π/4角度时，线圈绕组L2所产生的磁场方向为π/2角度，线圈绕组L1产生了磁场方向为2π角度.两个线圈合成后的总磁场为π/4角度.

第七步：当单相交流电进入3π/2角度时，线圈绕组L2所产生的磁场方向为π/2角度，线圈绕组没有电流，所产生的磁场为零，只有线圈绕组L2产生了的磁场，方向为π/2角度.两个线圈合成后的总磁场为π/2角度.

第八步：当单相交流电进入7π/4角度时，线圈绕组L2所产生的磁场方向为π/2角度，线圈绕组L1产生了磁场方向为π角度.两个线圈合成后的总磁场为3π/4角度.

依次类推，两个线圈合成后的总磁场又返回到π角度.开始第二周的旋转运动.

在旋转磁场作用下，转子就能自动起动.起动后，待转速升到一定量值时会继续保持转动.我们称这种电动机为电容式单相电动机，要改变这种电动机的转向，只要改变电容器串接的绕组位置就能实现.endprint

2 实验装置的设计

本仪器如图1和结构图2所示，它是利用两个大小相同的线圈竖直并互成一定角度（可以是互成90°，大小可变的空间相位）的定子线圈，根据需要可以改变两个线圈之间的夹角，在其中一个线圈中串联接一个交流电容器，通过多个开关转换，可以使电容器容量大小发生变化；调节两个线圈位置使得空间相位改变，使两组线圈内所通过得交流电相位产生变化，进而达到两个线圈产生的磁场能够合成为旋转磁场的目的，当接上电源时，即在两个线圈之间产生旋转磁场.这就是感应式电动机的基本原理.两个单相交流电的相位变化图象可从传感器显示屏中观察到（图3），电流旋转向量图如图4所示.

如果将马蹄形磁铁旋转起来，其两极之间也会形成一个旋转磁场，旋转的磁场能引起处在旋转磁场中的线圈框转动.这是因为磁铁转动的时候，铝框切割磁感线，产生感生电流，感生电流在磁场中受到安培力的作用，结果使铝框受到一个跟磁场旋转方向相同的力矩.在这个力矩的作用下，铝框就随着旋转磁场一起转动起来.

3 实验装置的特点及用途

3.1 实验装置特点

本仪器作为一种创新的物理实验仪器，曾获全国实验设计评比一等奖.其特点是：调节转换开关可使电容器容量大小变化，两个线圈的位置改变可使得空间相位也能任意调节，从而达到其两组线圈内通过的交流电相位变化的目的，以使两个线圈产生为旋转磁场；转子设计成可拆装式的，转子中的导体可以增减，具有结构简单、原理清楚、直观性强、效果明显、使用安全方便等特点.非常适合中学物理教学.使得复杂的物理概念变得形象化；从而使同学们对物理科学产生浓厚的兴趣.

3.2 演示实验的项目

（1） 演示转子回路导体变化的感应电动机旋转的工作原理；

（2） 演示绝缘体与导体式转子在旋转磁场中的效应；

（3） 演示定子线圈中电流的变化引起旋转磁场的变化；

（4） 演示电容器容量的变化引起相位差变化的旋转效应；

（5） 演示金属球、铝圆筒、方形金属盒在旋转磁场中的运动；

（6）演示同步电动机的工作原理.

3.3 用途

本仪器主要用来演示“电磁感應现象与转子在旋转磁场中运动原理”教学的难点问题，弥补目前物理学实验中还没有合适的仪器可供教学演示的不足.经课堂实际使用，能大大方便教师的教学.

4 实验装置的制作材料

本教具由直径为160 mm、高为180mm 的绝缘方形框架，直径为100 mm的空心金属球体1个，直径为100 mm、高为120mm的金属圆筒和小锯条16根，线径为0.27-0.38mm的漆包线若干，木板（长×宽×高为220mm×220 mm×10mm）l块，电容（100uF/50V）1个，单刀双掷开关1个，螺钉、铁片、小磁铁及接线柱等.

5 实验装置的制作方法

（1）将线径为0.27-0.38mm的漆包线分别绕制成两个线圈，要求线圈绕制在150mm×160 mm的框架上，其匝数为500-800，并且两个线圈的匝数相等.

（2）将绕制好的两个线圈分别按图1所示安装.要求两个线圈之间的夹角能在30—160°范围内调节，两线圈的引出线及电容器的接线按图2连接.

（3）在底板上安装中心支杆，支杆的高度应大于鼠笼、金属圆筒等转子的高度，并在合适的位置安装接线柱.

（4）将薄金属皮剪成宽为10mm、长为500mm的矩形转子回路导体，并且可以拆装式的.

6 实验装置的使用方法

（1）此电动机模型与家用电风扇及洗衣机等的工作原理完全一样.只是电机的定子和转子缺少了铁芯部分，并且是全敞开式的，便于学生观察及实验教学.

（2）将两个电流传感器分别接入图2中的两个主副线圈中（图5），将电流传感器与电脑连接，根据需要可选择使用摄影机显示图像（图6）.

（3） 上述的绝缘支架、金属球体、圆筒、鼠笼及大型永久磁针（物理演示实验用）分别安放在两个线圈之间的支针上时，它们就会转动起来，其图象如图7和图8所示，两电流波形的相位差为π/4（45°）左右.

（4）若要改变转动方向，只要拨动图2中开关改变S的通断位置，即调换L1和L2（主、副线圈）的两个接线端，那么根据向量合成原理，其旋转磁场的方向随之改变，从而导致转子的转动方向发生改变.即黄色波形1为容性电流波形，明显看出其相位角超前于绿色波形2，相位差为π/4（45°）左右.也就是说绿色波形2落后于黄色波形1，从而导致旋转磁场方向的反转.

（5）当拨动电容器开关，其接入电容器的容量为5μF时，同时在显示屏上立即就能看到如图9所示图象.因为其中容性线圈中的电流很小，只有主线圈中有电流通过，从而显示出单个交流电波形，也无旋转磁场产生，其转子不会转动.

（6）当拨动电容器开关，其接入电容器的容量为1000μF时，同时在显示屏上立即就能看到如图10所示图象.因为其中容性线圈中的电流很大，两个主、副线圈中有交流电流通过，但其之间的相位差很小，两个波形基本重叠，从而造成无旋转磁场产生，其转子也是不会转动.

参考文献：

[1]翟立原.创新之源——创造力培养活动方案精选[M].北京：科学出版社，2001年12月，206 页.

[2]陈欢庆.旋转磁场实验仪[J].科技辅导员，2000年第5期第24页.endprint