中学物理教学中的电动机问题

中学物理教学中的电动机问题

赵娟芬

赵娟芬浙江省余姚市第五中学315400

摘要对于电动机，有两个问题值得注意。首先是电动机的多样性要求我们具体分析不同的电动机，尤其直流电动机和交流电动机的不同之处。其次是电动机的功率问题并不简单，电动机的损耗除了电流通过导体产生的焦耳热外，还有空载损耗。

关键词电动机直流交流功率损耗

电动机是生产和生活中常见的动力机，解决有关电动机的问题，要用到物理知识，电动机在物理教学中是一项重要内容。部分师生对电动机的认识存在错误，所以不能正确解答有关电动机的一些问题。

中学生在初中《科学》中学习过电动机的一些知识，初步了解直流电动机的基本原理。先入为主，直流电动机印象深刻。以后遇到电动机问题，就会联想到直流电动机的模型。其实电动机种类繁多，除了直流电动机外还有交流电动机，两者结构、原理不全相同，出现的问题也不全相同。直流电动机是转子导体通电后在磁场中受安培力作用，产生转矩，使转子转动起来，实现了电能与机械能的转换。交流电动机在高中物理电磁感应章节中介绍，作为电磁驱动的应用例子。如图1所示，三个相同的互成相同夹角的线圈连接到三相电源上，线圈之间产生特殊的磁场，这个磁场的方向在水平面上，但不停地旋转，磁场中的导线框在旋转磁场作用下产生感应电流，感应电流受安培力作用，产生转矩，使线圈转动起来。这是交流感应电动机的原理。生产和生活中常见的电动机多数是交流感应电动机。

直流电动机和交流电动机的显著区别是，直流电动机和直流发电机互为可逆，直流电动机通直流电，电动机转动，反之若让它转动起来，就能输出直流电，这是由直流电动机的结构决定的。交流电动机通入交流电转动起来，但使交流电动机转动起来，就不能发出交流电来，也就是说交流感应电动机和交流发电机不可逆，这是交流感应电动机的结构决定的。

交流感应电动机在产生感应电流这一点上，可以跟变压器类比。三个互成相同角度的线圈跟变压器的原线圈相当，中间的转动线圈跟变压器的副线圈相当。三个线圈通入交流电，中间线圈产生感应电流。不同的是变压器副线圈是静止的，产生与原线圈同频率的交流电，而电动机转动线圈在安培力作用下转动，其感应电流的大小和频率随着转速而变化。

判断电动机是直流电动机还是交流电动机，可以参考它所用的电源。如果电动机使用的是直流电源，一般是直流电动机。如果电动机使用的是交流电源，它可能是交流电动机，也可能是直流电动机。因为有些直流电动机带有整流装置，可以用交流电源。但某些电动机例外，如单相串联电动机，单相交流电源或直流电源均可使用。

电动机种类繁多，说明了事物的多样性。我们解决问题要对具体的事物做具体分析。不可局限于已有的认识去看待世界，要不断更新知识，应对层出不穷的新问题。

电动机的功率是电动机的另一个问题。电动机输入电能，输出机械能，除了输入的电功率和输出的机械功率外，尚有各种损耗功率，图2表示各种功率间的转化关系。电动机从电源吸取电功率，大部分转化为机械能的功率称电磁功率，少部分损耗在导线电阻上的发热功率，因为导线多为铜线，故称铜损耗。电磁功率有一小部分损耗在电动机的机械损耗上。机械损耗常产生于电刷与换向器之间，转动部分与空气的摩擦，轴承，风扇等处，用表示。电磁功率另有一部分消耗在铁心上，主要是由磁滞和涡流引起，称为铁损耗，用表示。机械损耗和铁损耗合起来称空载损耗，用表示，它跟电动机所带的负载基本无关，可以认为是不变的损耗。除去空载损耗，电磁功率大部分转化为电动机的输出功率。这是我们最关心的功率。若不加说明，电动机的功率就是指输出功率。所谓电动机的额定功率就是指电动机所带的负载是额定负载，所接的电源电压为额定电压时的输出功率。额定功率小于输入功率。常有人误认为在额定电压下工作的电动机的输入功率为额定功率，这是对额定功率的曲解。

电动机的各种功率关系相当复杂，体现了事物的复杂性。我们通过分析理顺关系，明确它们的制约因素，这样才能正确认识和解决问题。例如铜损耗跟电流的平方成正比，即，电流越大，铜损耗越大。电动机起动时，起动电流很大，约为额定电流的6-12倍，造成很大的铜损耗，引起电动机线圈发热损坏绝缘。所以电动机不宜频繁起动，起动时最好轻载起动以缩短起动时间，减少铜损耗。

分析复杂问题要抓主要矛盾，忽略次要因素。物理学上通常采用简化的理想模型的组合来代替实际模型。中学物理中的直流电动机几乎无例外地用理想的电动机跟固定电阻的组合，将功率关系简化为：即。这样的模型不符合实际电动机的情况，因为损耗的功率还有空载损耗，且空载损耗常常大于铜损耗。电动机工作在额定状态时，通常空载损耗约为铜损耗的1.7倍。所以电动机功率关系式应为

即。直流电动机在额定状态下工作时，可看成为理想电动机串连一只固定电阻，并附加一只固定功率的耗能装置的组合。

面对多样的、复杂的物理事物，我们必须实事求是地分析，研究。不可先入为主，以固有成见去看待事物。否则，我们就不能科学地认识问题，解决问题。

参考文献

【1】黄锦安等：《电工技术基础》，兵器出版社，1999年。

【2】李瀚荪：《电路分析基础》，人民教育出版社，1980年。