揭开交流电动机的神秘面纱：从电磁波到旋转运动 (交流电动车)

引言

交流电动机是现代生活中不可或缺的一部分。从电动汽车到工业机器，交流电动机为我们提供了高效、可靠的动力来源。交流电动机的内部运作过程往往令人难以理解。本文将深入探讨交流电动机的原理，揭开其从电磁波到旋转运动的转换过程。

交流电动机的基本原理

交流电动机的工作原理基于电磁感应。当电流通过导线时，它会在导线周围产生磁场。当导线置于另一个磁场中时，导线将受到力，导致导线移动。

交流电动机利用交变电流来产生旋转磁场。交流电流流过定子（电动机中的固定部分）上的线圈，形成交变磁场。转子（电动机中的旋转部分）上安装有导线或磁铁，它们与交变磁场相互作用，产生扭矩并导致转子旋转。

定子和转子

定子

交流电动机的定子由一组环形线圈组成，这些线圈连接到交变电源上。当电流流过线圈时，它们会产生交变磁场。磁场的强度和方向随电流变化而变化。

转子

交流电动机的转子是一个圆柱形部件，安装在轴上。转子上有两种主要类型：鼠笼式转子和绕线式转子。

• 鼠笼式转子：鼠笼式转子由一系列平行排列的导条组成，这些导条短路在转子两端。导条通过感应电流与交变磁场相互作用，产生扭矩。
• 绕线式转子：绕线式转子由绕在转子槽中的线圈组成。线圈连接到换向器上，换向器是一个由绝缘片段组成的圆柱形部件。换向器使线圈与外部电路连接，并改变线圈中的电流方向，以保持转子与定子磁场的同步。

交流电动机的转速

交流电动机的转速由两个主要因素决定：电源频率和定子线圈的数量。

电源频率

电源频率是交流电流每秒变化周期的数量。频率越高，电动机的转速也越高。

定子线圈的数量

定子上线圈的数量也影响电动机的转速。线圈数量越多，电动机的转速越低。这是因为更多线圈产生更强的磁场，需要更多时间才能完成一个完整的周期。

交流电动机的类型

交流电动机有许多不同的类型，每种类型都有其独特的特征和应用。

• 感应电动机：感应电动机是最常见的交流电动机类型。它们采用鼠笼式转子，并且不需要外部励磁。感应电动机具有自启动能力，并且非常耐用。

• 同步电动机：同步电动机采用绕线式转子，并需要外部励磁来产生磁场。同步电动机转速与电源频率保持同步。它们通常用于需要精确速度控制的应用，例如发电机和压缩机。
• 步进电动机：步进电动机是一种特殊的交流电动机，它通过一系列离散的步长旋转。步进电动机非常适合应用于需要精确位置控制的地方，例如机器人和数控机床。

交流电动机的应用

交流电动机应用非常广泛，包括：

• 电动汽车
• 工业机器
• 家用电器（例如冰箱、洗衣机）
• 医疗设备（例如 X 光机、磁共振成像机）
• 发电机

结论

交流电动机是现代技术中的关键部件。它们为我们提供了高效、可靠的动力来源，用于广泛的应用。通过了解交流电动机的原理和不同类型，工程师和技术人员可以设计出满足特定应用需求的电动机。

通电线圈在磁场中受到力的作用就是电能转化成机械能。 各种交流电动机的旋转原理目前较常用的交流电动机有两种:1、三相异步电动机。 2、单相交流电动机。 第一种多用在工业上，而第二种多用在民用电器上。 一、三相异步电动机的旋转原理三相异步电动机要旋转起来的先决条件是具有一个旋转磁场，三相异步电动机的定子绕组就是用来产生旋转磁场的。 我们知道，但相电源相与相之间的电压在相位上是相差120度的，三相异步电动机定子中的三个绕组在空间方位上也互差120度，这样，当在定子绕组中通入三相电源时，定子绕组就会产生一个旋转磁场，其产生的过程如图1所示。 图中分四个时刻来描述旋转磁场的产生过程。 电流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转一周，即旋转磁场的旋转速度与电流的变化是同步的。 旋转磁场的转速为:n=60f/P式中f为电源频率、P是磁场的磁极对数、n的单位是:每分钟转数。 根据此式我们知道，电动机的转速与磁极数和使用电源的频率有关，为此，控制交流电动机的转速有两种方法:1、改变磁极法;2、变频法。 以往多用第一种方法，现在则利用变频技术实现对交流电动机的无级变速控制。 观察图1还可发现，旋转磁场的旋转方向与绕组中电流的相序有关。 相序A、B、C顺时针排列，磁场顺时针方向旋转，若把三根电源线中的任意两根对调，例如将B相电流通入C相绕组中，C相电流通入B相绕组中，则相序变为:C、B、A，则磁场必然逆时针方向旋转。 利用这一特性我们可很方便地改变三相电动机的旋转方向。 定子绕组产生旋转磁场后，转子导条(鼠笼条)将切割旋转磁场的磁力线而产生感应电流，转子导条中的电流又与旋转磁场相互作用产生电磁力，电磁力产生的电磁转矩驱动转子沿旋转磁场方向以n1的转速旋转起来。 一般情况下，电动机的实际转速n1低于旋转磁场的转速n。 因为假设n=n1，则转子导条与旋转磁场就没有相对运动，就不会切割磁力线，也就不会产生电磁转矩，所以转子的转速n1必然小于n。 为此我们称三相电动机为异步电动机。 二、单相交流电动机的旋转原理单相交流电动机只有一个绕组，转子是鼠笼式的。 当单相正弦电流通过定子绕组时，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90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90度，即所谓的分相原理。 这样两个在时间上相差90度的电流通入两个在空间上相差90度的绕组，将会在空间上产生(两相)旋转磁场，如图2所示。 在这个旋转磁场作用下，转子就能自动起动，起动后，待转速升到一定时，借助于一个安装在转子上的离心开关或其他自动控制装置将起动绕组断开，正常工作时只有主绕组工作。 因此，起动绕组可以做成短时工作方式。 但有很多时候，起动绕组并不断开，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，可由改变电容器串接的位置来实现。 在单相电动机中，产生旋转磁场的另一种方法称为罩极法，又称单相罩极式电动机。 此种电动机定子做成凸极式的，有两极和四极两种。 每个磁极在1/3--1/4全极面处开有小槽，如图3所示，把磁极分成两个部分，在小的部分上套装上一个短路铜环，好象把这部分磁极罩起来一样，所以叫罩极式电动机。 单相绕组套装在整个磁极上，每个极的线圈是串联的，连接时必须使其产生的极性依次按N、S、N、S排列。 当定子绕组通电后，在磁极中产生主磁通，根据楞次定律，其中穿过短路铜环的主磁通在铜环内产生一个在相位上滞后90度的感应电流，此电流产生的磁通在相位上也滞后于主磁通，它的作用与电容式电动机的起动绕组相当，从而产生旋转磁场使电动机转动起来。