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單相電機(jī)經(jīng)常用來帶動功率不大的電動工具和家用電器,如風(fēng)扇、洗衣機(jī)等,它的定子上有兩個繞組,一個是工作繞組,一個是起動繞組,兩者缺一不可。
不管是單相電機(jī),還是三相電機(jī),它們都是基于電磁感應(yīng)原理而工作的,所以要真正理解電機(jī)的轉(zhuǎn)動,就得理解電磁感應(yīng)。
一、電磁感應(yīng)
磁可以生電,電也可以生磁,它們相伴相隨,形影不離。例如導(dǎo)體切割磁力線,就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢(即感應(yīng)電壓),如圖1-1中的(2)所示。注意,這里說的是“切割”,換言之,如果導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動,但沒有切割磁力線,也不會產(chǎn)生感應(yīng)電壓,如下圖1-1的(1)所示。
圖1-1
圖1-1中移動的是導(dǎo)體,換位思考,如果導(dǎo)體不動,讓磁鐵動,是不是也會使導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電動勢呢?顯然,是會的。想象一下,若圖1-1中,導(dǎo)體固定,然后讓磁鐵分別上下移動和左右移動,當(dāng)磁鐵左右移動時導(dǎo)體就會產(chǎn)生感應(yīng)電壓。但磁鐵上下移動時導(dǎo)體不會產(chǎn)生感應(yīng)電壓,因為沒有“切割”。
另外,導(dǎo)體切割磁力線的方向有時也會不一樣,如下圖1-2所示,當(dāng)導(dǎo)體水平向右移動時,產(chǎn)生的感應(yīng)電壓,要比向右下方向運(yùn)動產(chǎn)生的感應(yīng)電壓大。這是因為,同一速度,相同時間,導(dǎo)體水平向右運(yùn)動時切割磁力線的數(shù)目比向右下時切割的數(shù)目多。
圖1-2
導(dǎo)體切割磁力線可以產(chǎn)生感應(yīng)電壓,與此同時,給導(dǎo)體通以電流又可以產(chǎn)生磁場。正是因為這個磁場是由電生的,所以當(dāng)電流發(fā)生變化時,磁場也會隨之變化,包括大小和方向。這個電流與磁場的方向遵循右手螺旋定則,如下圖1-3所示。
圖1-3
磁生電,電生磁,那么如果同時存在電和磁,又會怎么呢?這個問題的答案其實就是電機(jī)為什么能轉(zhuǎn)的。沒錯,如果同時存在電和磁,那就會產(chǎn)生電磁力,即把一根流過電流的導(dǎo)線放在磁場中,這根導(dǎo)線就會受到電磁力的作用發(fā)生運(yùn)動。
這個很好理解,因為流過電流的導(dǎo)線本身具有磁場,就相當(dāng)于一根小磁體,把一根小磁體放入另一磁場中(或者說把一根小磁體靠近另一個磁體),那肯定會受到力的作用。
二、電機(jī)轉(zhuǎn)動原理
承上啟下,單相電機(jī)的轉(zhuǎn)子能轉(zhuǎn)動,正是因為受到電磁力的作用,也就是說,轉(zhuǎn)子本身得先有流過電流的導(dǎo)體,然后放在定子產(chǎn)生的磁場中,才能轉(zhuǎn)動。
但問題來了,轉(zhuǎn)子上的電流又從哪里來呢?大家都知道,我們給單相電機(jī)通電,其實是給電機(jī)的定子通電,并沒有給電機(jī)的轉(zhuǎn)子通電。其實,答案就在上文,仔細(xì)思考,電除了可以直接從電源來,顯然還可以利用導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生!
也就是說,轉(zhuǎn)子的電流,可以通過它的導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生。顯然,磁力線已經(jīng)有了,由電機(jī)定子上的通電線圈產(chǎn)生,只要讓轉(zhuǎn)子上導(dǎo)體切割這些磁力線就可以了。
當(dāng)然,電機(jī)在一開始,轉(zhuǎn)子是不動的,所以通過移動導(dǎo)體切割磁力線顯然不現(xiàn)實,所以我們就得想辦法讓磁場動起來,然后被轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割,這就是為什么單相電機(jī)加電容的原因!接下來我們一起來看看電機(jī)不加電容和加電容的區(qū)別。
單相電機(jī)定子上的兩個繞組在空間上相隔90°,如圖1-4所示。A、B兩個繞組垂直布置,A為工作繞組,首端為圖中標(biāo)注“A”處,B為起動繞組,首端為圖中標(biāo)注“B”處。兩個繞組采用并聯(lián)的連接方式。
1、電機(jī)不加電容時,其接線圖正如圖1-4所示。
圖1-4
設(shè)兩個繞組相同,由于是并聯(lián)關(guān)系,所以它們流過的電流也相同,包括大小和方向。這就導(dǎo)致了兩個線圈產(chǎn)生的磁場也是一樣的,但由于兩個線圈空間相隔90°,所以兩個磁場也相隔90°。
在這里要說明的一點是,磁場是矢量,所以它在空間上的任一點,只有一個方向,當(dāng)把兩個磁場放在一起,磁力線就會合成。這個理解也不難,就好比是力,力是矢量,我們用手推動木塊移動,一只手往左推,一只手往上推,那么木塊受到的力,就是兩個力的合成力,所以木塊會往左上方移動,如圖1-5所示。
圖1-5
同理,定子上兩個線圈產(chǎn)生的磁場和稱號后如下圖1-6所示。圖中A、B對應(yīng)電機(jī)兩個繞組的首端,根據(jù)右手螺旋定則,當(dāng)電流處于正半周,電流從首端流入,產(chǎn)生的磁場方向為順時針;電流從末端流出,產(chǎn)生的磁場為逆時針。
圖1-6
此時對B繞組來說,產(chǎn)生的磁場方向為向下,而A繞組產(chǎn)生的磁場方向為向右,所以它們產(chǎn)生的合成磁場方向為右下方向,如圖1-6所示。依次再得出電流處于負(fù)半周時的合成磁場方向。
對比圖1-6的兩個磁場,可以發(fā)現(xiàn),隨著電流的交變,磁場的方向也在往復(fù)變向,但不管磁場怎么變,它和轉(zhuǎn)子導(dǎo)體間都不會產(chǎn)生切割運(yùn)動,這就相當(dāng)于圖1-1的(1)中的磁鐵上下往復(fù)運(yùn)動,導(dǎo)體不會產(chǎn)生感應(yīng)電壓,即轉(zhuǎn)子不會產(chǎn)生電流,沒有電流流過的轉(zhuǎn)子,即使處于磁場中,也不會受到電磁力的作用發(fā)生旋轉(zhuǎn)!
2、電機(jī)加電容時,其接線圖正如圖1-7所示。
兩個繞組仍然是并聯(lián)的連接關(guān)系,但起動繞組是先串接一個電容再與工作繞組并聯(lián)。串接電容的起動繞組,它的電流就會**前工作繞組電流90°,導(dǎo)致流過兩個繞組的電流不同步,如圖1-7所示。
圖1-7
例如,當(dāng)相位為90°時,B繞組電流為正半周較大值,但A繞組電流為零;相位為180°時,A繞組電流為正半周較大值,但B繞組電流為零。它們產(chǎn)生和合成磁場方向如下圖1-8所示,90°時,A繞組沒有電流,定子磁場全由B繞組產(chǎn)生,由于B繞組電流為正,所以電流從首端流入,磁場方向為順時針,同理,電流從B繞組末端流出,磁場方向為逆時針,所以定子磁場方向為豎直向下。
圖1-8
其他兩個磁場方向大家也可以根據(jù)右手螺旋定則自行判斷,在此我就不一一分析。從圖1-8可以看到,定子磁場是隨著電流的交變而轉(zhuǎn)動的,一旦磁場轉(zhuǎn)動,那么就會被轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)體切割,從而產(chǎn)生感應(yīng)電壓。又由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體是閉合回路,所以就會產(chǎn)生感應(yīng)電流,一旦有了電流,這些轉(zhuǎn)子導(dǎo)體就會受到電磁力的作用發(fā)生旋轉(zhuǎn)
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