【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的注解。

【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。

第五章交流电

【山话||  本系列专栏中的力单位达因等于10⁻⁵牛顿；功的单位尔格等于10⁻⁷焦耳；热量的单位卡路里等于4.186焦耳；电荷的单位静库（1库伦=3×10⁹静库）；电势的单位静伏等于300伏特。另外这套老教材中力的单位常用公斤、克等，但如今是不允许的，力是不能使用质量单位的。】

§5-4交流电动机

【01】电动机与发电机相反，是转变电能为机械能的一种机器。通入交流电使它运转的电动机叫做交流电动机。

1、同步交流电动机

【02】我们已经知道，发电机是转变机械能为电能的装置。§5-2里所讨论过的各种交流发电机，都可以反过来当作电动机使用，使它转变电能为机械能。

【03】图5·13所示的装置和图5·4所示的交流发电机完全相同，只是它的线圈不是在外力带动下旋转，而是让交变电流经过电刷和滑环通入其中，如果当线圈在左图所示的位置时，通入的电流方向为 a一b一c一d，则按照左手法则，可以确定 ab 和 cd 两导线所受到的磁场力（通电导体所受到的磁场力的方向可以用左手法则来确定）形成一个逆时针向的力偶，使线圈转动。在线圈转到右图所示的位置时，两个磁场力 F 处在同一直线上，线圈不受力偶作用，但由于存在惯性，线圈可以冲过这一位置，此后线圈所受的两个磁场力立即形成了顺时针方向的力偶，使它恢复到这一位置。在这个位置上，线圈平面和磁力线垂直，在发电机的情况下，我们称这一位置为中性面，现在我们称它为平衡位置。如果在线圈刚刚冲过平衡位置的那一瞬时，立即改变电流的方向为 d一c一b一a，则 ab 和 cd 两导线所受到的磁场力又形成一个逆时针方向的力偶，使线圈继续转动。经过 180°，线圈又达平衡位置；如在此时再将电流方向改变为 a一b一c一d，则线圈又将转动 180°。依此类推，如果交流电的频率（赫兹）正好和线圈的转速（转/秒）相等，那么我们就可以使电流的方向在线圈每一次经过平衡位置（即每转180°）时改变一次，结果线圈就继续不断地转动，成为电动机。

【04】对只有一对磁极的电动机来说，线圈每转一周经过平衡位置两次，电流的方向也要改变两次；这时线圈的转速（转/秒）应和通入线圈的交流电的频率（赫兹）相等。对有两对磁极的电动机来说，线圈每转一周经过平衡位置四次，电流的方向也要改变四次；这时线圈的转速（转/秒）应当等于交流电频率（赫兹）的 1/2  。对有 n 对磁极的电动机来说，线圈每转一周经过平衡位置 2n 次，电流的方向也要改变 2n 次；这时线圈的转速（转/秒）应当等于交流电频率（赫兹）的 1/n  。

【05】这种与交流电频率相适应的转速叫做同步转速，以同步转速运转的电动机叫做同步电动机。同步电动机只能有一个与交流电相适应的转速，不能有任意的转速。在向同步电动机通入交流电之前，不但要把线圈转动到同步转速，还要使它恰在经过平衡位置时改变电流的方向，否则它就不能顺利地运转，所以同步电动机在应用时很不方便，需要有特为设计的起动装置。用同步电动机带动机器有一个优点，这就是尽管机器的负载（又叫负荷）有时大些、有时小些，它的运行速度却能恒定不变。电钟里的电动机就是同步交流电动机。

【06】同步电动机可以是旋转电枢式的，也可以是旋转磁场式的，但基本原理总和以上所述的相似。

2、三相感应电动机

【07】为了阐明感应电动机的基本原理，让我们先来做一个有趣的实验。

【08】把一个多匝的闭合线圈，悬挂在蹄形磁铁的两极中间，如图5·14所示，并使它很容易转动。设法使磁铁绕 OO' 轴转动，就可以看到线圈也跟着旋转起来。

【09】这个实验说明，旋转的磁场会使闭合线圈跟着转动。产生这种现象的原因是什么呢？

【10】我们知道，当磁铁旋转时（相对的说，可以看做这时磁铁不动，线圈转动），通过闭合线圈的磁通量在改变，因此线圈中就有了感生电流。根据楞次定律，我们可以确定感生电流的方向；再根据左手法则，我们又可以确定通电导线所受磁场力的方向；从而我们可以看出，作用在线圈上的磁力偶迫使线圈按磁铁旋转的方向转动。

【11】三相感应电动机的工作原理，基本上与上述实验相似，不过旋转磁场不是依靠磁铁的机械转动，而是依靠通入三相交流电来获得的。

【12】三相感应电动机的主要组成部分包括一个定子和一个转子。定子是电动机的不转动部分，它的任务是利用三相交流电形成一个旋转磁场，它的功能和上述实验中的磁铁相当。转子是一个可以转动的部分，它的任务是在旋转磁场的作用下产生感生电流，并因受到磁力矩的作用而转动。

【13】把三个完全相同的线圈，嵌绕在定子的沟槽里，它们彼此相隔 120°，如图5·15所示（图中用单匝表示一个多匝线圈）。这三个线圈连接成星形（或三角形），线圈头 A、B 和 C 分别和三相交流电路的三根相线相连接，线头 X、Y 和 Z 合并在一起和电路的中性线相连接，当通入三相交流电时，由于三个线圈完全相同，线圈 AX、BY 和 CZ 里的电流强度分别为；它们的幅值Ⅰm 和频率 f＝ω/2π 都相等，位相彼此相差 120°。图5·16表示三个线圈里的电流怎样跟着时间变化的情形。

【14】假定电流的正方向是由线圈的起端（A、B 和 C）到末端（X、Y 和 Z），那么这时在起端标以符号，在末端标以符号；所谓电流的负方向是由线圈的末端到起端，这时在起端标以符号，在末端标以符号；当线圈里的电流为零时，两端都标以符号  。图5·17表示三个线圈在各个时刻的电流方向和磁场方向。

【15】从图5·16上可以看出，在 t＝t₀ 时，通过线圈 AX 的电流为零，通过线圈 BY 的电流为负，通过线圈 CZ 的电流为正。此时导线 AA' 和 XX' 的周围没有磁场，其余四根导线（BB'、YY'、CC' 和 ZZ'）的周围都有磁场存在，磁力线方向可用右手拇指法则（或右手螺旋法则）确定，如图5·17中左边第一图所示。这六根导线的合磁场相当于一个磁体 AA'X'X，它的AA'边为 S 极，XX' 边为 N 极。

【16】在 t＝t₁＝t₀＋1/6 T 时，通过线图 CZ 的电流为零，通过线圈 BY 的电流为负，通过线圈 AX 的电流为正，六根导线的合磁场相当于一个磁体 CC'Z'Z，它的 CC' 边为 N 极，ZZ' 边为 S 极，如图5·17中左边第二图所示。与 t＝t₀ 时的情况（即左边第一图所示的情况）相比较，磁场转动了60°  。

【17】再经过 T/6 后，当 t＝t₂＝t₀＋1/3 T 时，通过线图 BY 的电流为零，通过线圈 AX 的电流为正，通过线圈 CZ 的电流为负，六根导线的合磁场相当于一个磁体 BB'Y'Y，它的 BB' 边为 S 极，YY' 边为 N 极，如图5·17中右边第二图所示。与 t＝t₁ 时的情况相比较，磁场又转动了 60°  。

【18】依此类推，交流电每变化一周，磁场也转动一周；交流电变化不停，磁场也就旋转不停。这样依靠三相交流电获得的旋转磁场和作机械转动的磁铁的磁场（如图5·14所示）完全一样。磁场旋转的周期和频率与交流电的周期和频率相同。

【19】图5·18表示一种叫做鼠笼式转子的结构，它包括许多根和转轴平行放置的铜杆，它们的两端分别焊接在两个铜环上。在定子磁场作旋转运动时（不是定子作机械转动，而是由三相交流电所引起的磁场的旋转运动），转子铜杆与磁力线之间有了相对的切割运动，引起了感生电流（遵循右手法则）。载有感生电流的铜杆，都要受到磁场力的作用（遵循左手法则）。对整个转子来说，各个铜杆所受磁场力的力矩使它顺着磁场旋转的方向转动。这就是三相感应电动机的基本原理。

【20】三相感应电动机转子的转动速度总比定子磁场的旋转速度来得小。也就是说，转子的转动速度（转/秒）总比交流电变化的频率（赫兹）来得小。由于转子的转动是和磁场的旋转同方向的，只有在转子比磁场转得慢的情况下，转子铜杆与磁力线之间才可能有相对的切割运动，铜杆里才有感生电流产生，整个转子才受磁力矩的作用。如果转子和磁场的转速相等，那就意味着转子铜杆与磁力线之间没有相对运动，铜杆不切割磁力线，也没有感生电流产生，因而转子也就不受磁力矩的作用。在这样的情况下，转子在阻力矩（因摩擦和负荷而受到的与转动方向相反的力矩）的作用下会逐渐慢下来。在平衡状态下（磁力矩和阻力矩平衡），转子的转速总低于旋转磁场的转速。所以我们称三相感应电动机为异步电动机。

【21】三相感应电动机的基本原理可概括如下：把三相交流电通入定子线圈，建立起一个旋转磁场，利用它和转子之间的相对运动，在转子铜杆中形成感生电流，这个电流和磁场相互作用，就使转子受到磁力矩而转动。

【22】旋转磁场的转动速度是固定的（由交流电的频率来决定），转子转动得越慢，铜杆切割磁力线的速度就越大，形成的感生电流和磁力矩也越大。三相感应电动机在作稳定运转时（此时磁力矩与阻力矩平衡），它的转速由负荷来决定。负荷的力矩越大，转速越低；反之，负荷的力矩越小，转速越高。

3、单相感应电动机

【23】三相感应电动机的效率高，运转性能好，因此在工农业生产上应用得很普遍。但是，在没有三相交流电源或者需要的功率很小（如电风扇）时，用单相感应电动机就比较方便、比较经济。单相感应电动机的功率一般只有几百瓦、几十瓦，有的竟小到只有几瓦。

【24】单相感应电动机的转子，在构造上和三相感应电动机相同，也可以采用鼠笼式的（如图5·18所示）。因为通入定子线圈的交流电是单相的，所以它的磁场不能旋转，只处在一定的方位上，按照交流电的变化规律来改变磁场强度的大小和方向。这样的磁场叫做脉动磁场。

【25】理论证明，按照正弦规律脉动的磁场，实际上相当于两个方向相反的旋转磁场，它们的转速相同。每个旋转磁场对转子的作用，和三相感应电动机完全一样。顺时针转动的磁场使转子受到顺时针方向的磁力矩，逆时针转动的磁场使转子受到逆时针方向的磁力矩。在起动以前，由于两个旋转磁场以相等的速度相对于转子作相反的运动，所以它们对转子的作用互相抵消，不能使它向任一方向起动。

【26】如果先用外力使单相感应电动机的转子获得一个起动速度，那么两个旋转磁场相对于转子运动的快慢就不相等，对转子作用的磁力矩大小也不同，于是转子可以继续转动下去。理论和实验都证明，如果先用外力使转子向顺时针方向起动，它就沿顺时针方向继续转动下去；如果向逆时针方向起动，它就沿逆时针方向继续转动下去。一般的单相感应电动机都装有自动起动的装置。

习题5-4

1、什么叫做同步交流电动机？

2、扼要说明三相感应电动机的构造和作用原理？

3、扼要说明三相交流电的旋转磁场是怎样产生的？

4、在蹄形磁体的两极间，放置一个线圈 ABCD（如附图所示），当蹄形磁体绕 OO' 轴转动时，线圈将会发生什么现象？为什么？