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旋转磁场

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旋轉磁場
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旋转磁场是一个由对称分布的线圈组成的系统,其中施加多相交流电流所形成的总和磁场[1]。旋转磁场多半是用多相(例如二相或是三相)电流产生,不过也可以用单相电流产生。若用单相电流产生旋转磁场,会有二个场绕组,并且会设计让两个绕组产生的磁场不同相[2]

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三个静止线圈上的弦波电流产生和旋转轴垂直,弦波的变动磁场。三个磁场以向量的方式相加,形成旋转磁场
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美国专利381968号

旋转磁场用在许多电动机械学的应用中,例如异步电动机发电机感应式电压调整器英语induction regulator(induction regulator)。

历史

1824年,法国物理学家弗朗索瓦·阿拉戈说明了旋转磁场的存在,其作法是用旋转的铜盘和一根针,称为阿拉戈旋转英语Arago's rotations。英国实验家查尔斯·巴贝奇约翰·赫歇尔在铜盘下旋转马蹄形磁铁,感应铜盘旋转,后来英国科学家麦可·法拉第将此归因于电磁感应[3]。1879年,英国物理学家Walter Baily英语Walter Baily's Motor将马蹄形磁铁改为四个电磁铁,人工的开启关闭,让铜盘旋转,这是第一个感应电动机的原型[4][5][6][7][8]

旋转磁场的概念是由义大利物理学家和电机工程师加利莱奥·费拉里斯,以及塞尔维亚-美国发明家和电机工程师尼古拉·特斯拉所提出[9]。费拉里斯研究了交流电机的理论和设计,于1885年在教室展示中建立了一个可运作的模型,但一直到1888年才和大众公开其想法[10]。特斯拉在1888年代早期作了许多设计和模型,但多以失败收场,一直到1887年才作了可运作的原型[11][12][13]。Friedrich August Haselwander依照费拉里斯旋转磁场的概念,在1887年发展了全世界第一个三相发电机[14]。费拉里斯在1888年将其研究以论文方式,发表给位在都灵的皇家科学会,特斯拉则因其设计取得了美国专利(US patent 0381968)。Mikhail Dolivo-Dobrovolsky英语Mikhail Dolivo-Dobrovolsky以Haselwander的发电机为基础,开发三相的发电机和电动机,是为了在1891年在德国法兰克福兴建,全世界第一个三相电厂所设计[15]

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说明

旋转磁场是异步电动机运作的基本原因。异步电动机包括定子转子。定子中会配置绕组,因此用多相电流产生磁场,磁场的角速度则由交流电频率决定。转子或是电枢是由绕在槽内的线圈组成,线圈之间短路,因此场磁极产生的变化磁通量会感应电流。电枢电流产生的磁场和场磁极有交互作用,电枢以规划好的方向旋转[2]

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旋转磁场。绕线上的电流方向变化,会让绕线的极性也随之变化。因为有两组绕线互相配合,主磁场的极性也会随每个绕组的极性而变化。每个图下方的箭头或是向量就是磁场的方向[16]

对称的旋转磁场可以用二个极绕(polar wound)线圈,彼此电流相位90度来形成。不过大部份都是使用三组线圈,因为可以对应平衡三相交流电。三组线圈以相位差120度的三相电流来驱动。以此例来说,磁场是绕组电流的线性函数

将马达上三个相位120度的正弦曲线相加,会得到一个大小是定值的旋转向量[17]。转子有固定大小的磁场,转子的磁北极会往定子磁场的磁南极移动,反之亦然。这个磁场的效应让转子和旋转磁场同步英语Synchronization (alternating current)

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三相旋转磁场,里黑色箭头表示磁场方向

此磁场里的磁铁会跟著旋转磁场旋转,以对正外部磁场。早期的交流电动机就是应用此效应。二个垂直的线圈,上面的交流电流有90度的相位差,即可产生旋转磁场。不过,实务上,会用三相系统进行供电,各相的电流不同,此差异会让导体上的电流过大,造成严重问题。因此,会使用三相电系统,其中三相的相位差120度,配合三个在空间中差120度的线圈,这样三相的电流量值就会相等。而三个线圈也会产生旋转磁场。三相系统可以产生电动机需要的旋转磁场,这也是全世界的供电系统主要是三相系统的原因。

感应电动机中也使用旋转磁场。感应电动机的转子不是磁铁,而是短路的导线,会跟随著多极定子产生的磁场旋转,短路的转子会在定子旋转磁场下产生涡电流,透过洛伦兹力让转子旋转。但转子和磁场之间需有相对运动才能产生电流,因此转子和旋转磁场不会同步,两者频率之间会存在滑差。

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参考资料

延伸阅读

外部链接

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