磁电式仪表和电动机

第二节　磁电式仪表和电动机

磁场对电流的作用力

安培总结出了载流回路中一段电流元在磁场中受力的基本规律，称为安培定律。公式为

dF＝Ιdl×B

式中，F为磁场力；B为磁感应强度。磁场对长度为f的载流导线的作用力F为

F＝∫ldF＝∫lIdl×B

载流导线所受的磁场力，通常称为安培力。一段长度为f的载流直导线在均匀磁场中受到的安培力的大小为F＝BΙlsinθ。

平面载流线圈在匀强磁场中的磁力矩为

M＝p_m×B

式中，p_m＝NΙSn₀为平面载流线圈的磁矩，其方向与载流线圈的外法线方向一致；N为线圈匝数；Ι为线圈中的电流；B为磁感应强度；n₀为线圈外法线方向的单位矢量。

磁电式仪表

1．结构

磁电式仪表是根据磁场对载流线圈有磁力矩的原理制作的，用来测量电流和电压等物理量的仪表。它主要由永久磁铁、放于永久磁铁两极间的可动线圈、与可动线圈相连的发条式弹簧与指针等部分组成。

永久磁铁：在两个半圆柱面凹形磁极之间，装置一个圆柱形的软铁心，使磁极和软铁心之间的空隙非常狭小，磁感线便集中在两磁极与圆柱铁心之间的圆筒状缝隙内，并几乎完全是沿着软铁圆柱的辐射线方向。

放于永久磁铁两极间的可动线圈：因为该永久磁铁空隙中的磁场是辐射状的，这样，就使得线圈平面不管转动到哪一个位置都和磁力线平行，即线圈平面正法线方向与磁场方向的夹角恒等于90°。

与线圈相连的发条式弹簧：弹簧的一端固定在仪表的支架上，另一端连于线圈的转轴上，可随线圈转动，从而使弹簧产生弹性形变，通过弹性恢复力矩平衡线圈的转动。

2．磁电式仪表的工作原理

线圈中通有电流时，线圈在磁场中受磁力矩作用会发生转动，转动时会把与之相连的发条式弹簧绞紧，弹簧发生形变产生弹性恢复力矩。当磁力矩和弹簧的弹性恢复力矩相平衡时，指针停留在一定的位置上指示出线圈中电流的大小。此时线圈中的电流强度为

Ι＝Κθ

式中，Κ为一个反映电流计内部结构特征的恒量，称为电流计常数，电流计常数Κ愈小，电流计愈灵敏。

显然，线圈指针偏转角度的大小反映了线圈中电流的大小。该装置实际上就是一个电流计，用它制作的电流表、电压表等磁电式仪表被广泛地用于电磁测量中。

电动机

电动机也称为“马达”，是把电能转变为机械能的装置。电动机因输入电流的不同，可分为直流电动机和交流电动机。直流电动机是用直流电流来转动的电动机，交流电动机是用交流电流来转动的电动机。

1．电动机的发明

奥斯特发现电流的磁效应和安培发现磁场对电流的作用力规律之后，人们认识到这些最早发现的实验装置实际上就是一种把电能转化为动能的装置，这种装置被后人称作电动机。于是如何把这种装置变为实用就成为人们对电磁学最感兴趣的研究方向。

奥斯特发现电流的磁效应之后的第二年，法拉第制作了世界上第一台直流电动机模型，该电动机可以使小磁针绕载流导线连续地运动。

1822年，阿拉果发现，将导线绕在铁块上，当导线通电时，铁块能被磁化，而且使该匝线圈的磁场强度变大，这种铁块就是所谓的电磁铁。电磁铁的研制成功可以使人们获得一台实用的电动机所必须有的强大磁场。

1829年，亨利用绝缘导线取代裸铜线，进一步提高了电磁铁的磁感应强度。

1831年，他用一块电磁铁吸起了lt重的铁块，使世人为之震惊。随后，亨利利用电磁铁试制出了一台电动机的实验模型。它所产生的功率比法拉第电动机要大得多。所以说，亨利的电动机实验模型是向实用电动机发展进程中跨出重要的一步。

1834年，雅可比以亨利的电动机实验模型为基础，对这种实验模型做了一些重要革新。把亨利模型中的电磁铁改为转动的电枢，加装了换向器。

1838年，他将这台电动机装在一艘小船上，成功地进行了航行，从而使直流电动机完成了从实验模型到实用电动机的转化。

1885年，意大利物理学家费拉里斯和美国物理学家特斯拉各自独立地依据旋转磁场原理，发明了交流电动机。

2．直流电动机的工作原理

一台简单的两极直流电动机模型中，固定部分有磁铁和电刷，磁铁称作主磁极。转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上的绕组。它的固定部分（定子）上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S。在旋转部分（转子）上装设电枢铁心，铁心上放置了电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之问互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间互相绝缘。在换向片上安装着一对固定不动的电刷，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。

其工作原理如下：当给电刷上通直流电时，线圈上有电流通过，主磁极N和S产生的磁场对线圈有磁力矩的作用，线圈在磁力矩的作用下转动。为了保证线圈持续不断地转动，由左手定则判断的结果可以知道，线圈必须每转动半圈，线圈中的电流方向改变一次，换向片就是完成这一任务的。

为了增大直流电动机的转动力矩，实用中的直流电动机转子和定子上的绕组都不是由一个线圈构成，而是由多个线圈连接而成，其工作原理与上述的两极直流电机模型类似，只不过把它看作是由多匝电枢线圈组成。这些线圈是通过串联（或并联）方式连接起来的。

3．交流电动机的工作原理

常用的交流电动机有三相异步电动机、单相交流电动机、同步电动机等。我们只介绍三相异步电动机的旋转原理。

三相异步电动机是依靠旋转磁场旋转起来的，三相异步电动机的定子绕组就是用来产生旋转磁场的。定子绕组由三组线圈组成，三个绕组在空间方位上互差120°。当定子绕组的三组线圈中通人三相交流电时，由于三相交流电的相与相之间的电压在相位上相差120°，三个绕组的电流的大小按一定的规律变化。各个时刻每个线圈中的电流产生的磁场的方向不同，总磁场是由这三组中的电流产生的磁场叠加而成，方向是随时间变化的，即定子绕组就会产生一个旋转磁场。

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（f为电源频率；p为磁场的磁极对数；n的单位是：每分钟转数）。

由此可见，可以通过改变磁极对数和变频控制交流电动机的转速。另外，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以很方便地改变三相电动机的旋转方向。

当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旋转。一般情况下，电动机的实际转速低于旋转磁场的转速。因为假设这两个转速相等，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，所以转子的转速必然小于旋转磁场的转速。所以，我们称三相电动机为异步电动机。