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旋轉磁場

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旋轉磁場
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旋轉磁場是一個由對稱分佈的線圈組成的系統,其中施加多相交流電流所形成的總和磁場[1]。旋轉磁場多半是用多相(例如二相或是三相)電流產生,不過也可以用單相電流產生。若用單相電流產生旋轉磁場,會有二個場繞組,並且會設計讓兩個繞組產生的磁場不同相[2]

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三個靜止線圈上的弦波電流產生和旋轉軸垂直,弦波的變動磁場。三個磁場以向量的方式相加,形成旋轉磁場
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美國專利381968號

旋轉磁場用在許多電動機械學的應用中,例如異步電動機發電機感應式電壓調整器英語induction regulator(induction regulator)。

歷史

1824年,法國物理學家弗朗索瓦·阿拉戈說明了旋轉磁場的存在,其作法是用旋轉的銅盤和一根針,稱為阿拉戈旋轉英語Arago's rotations。英國實驗家查爾斯·巴貝奇約翰·赫歇爾在銅盤下旋轉馬蹄形磁鐵,感應銅盤旋轉,後來英國科學家麥可·法拉第將此歸因於電磁感應[3]。1879年,英國物理學家Walter Baily英語Walter Baily's Motor將馬蹄形磁鐵改為四個電磁鐵,人工的開啟關閉,讓銅盤旋轉,這是第一個感應電動機的原型[4][5][6][7][8]

旋轉磁場的概念是由義大利物理學家和電機工程師加利萊奧·費拉里斯,以及塞爾維亞-美國發明家和電機工程師尼古拉·特斯拉所提出[9]。費拉里斯研究了交流電機的理論和設計,於1885年在教室展示中建立了一個可運作的模型,但一直到1888年才和大眾公開其想法[10]。特斯拉在1888年代早期作了許多設計和模型,但多以失敗收場,一直到1887年才作了可運作的原型[11][12][13]。Friedrich August Haselwander依照費拉里斯旋轉磁場的概念,在1887年發展了全世界第一個三相發電機[14]。費拉里斯在1888年將其研究以論文方式,發表給位在都靈的皇家科學會,特斯拉則因其設計取得了美國專利(US patent 0381968)。Mikhail Dolivo-Dobrovolsky英語Mikhail Dolivo-Dobrovolsky以Haselwander的發電機為基礎,開發三相的發電機和電動機,是為了在1891年在德國法蘭克福興建,全世界第一個三相電廠所設計[15]

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說明

旋轉磁場是異步電動機運作的基本原因。異步電動機包括定子轉子。定子中會配置繞組,因此用多相電流產生磁場,磁場的角速度則由交流電頻率決定。轉子或是電樞是由繞在槽內的線圈組成,線圈之間短路,因此場磁極產生的變化磁通量會感應電流。電樞電流產生的磁場和場磁極有交互作用,電樞以規劃好的方向旋轉[2]

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旋轉磁場。繞線上的電流方向變化,會讓繞線的極性也隨之變化。因為有兩組繞線互相配合,主磁場的極性也會隨每個繞組的極性而變化。每個圖下方的箭頭或是向量就是磁場的方向[16]

對稱的旋轉磁場可以用二個極繞(polar wound)線圈,彼此電流相位90度來形成。不過大部份都是使用三組線圈,因為可以對應平衡三相交流電。三組線圈以相位差120度的三相電流來驅動。以此例來說,磁場是繞組電流的線性函數

將馬達上三個相位120度的正弦曲線相加,會得到一個大小是定值的旋轉向量[17]。轉子有固定大小的磁場,轉子的磁北極會往定子磁場的磁南極移動,反之亦然。這個磁場的效應讓轉子和旋轉磁場同步英語Synchronization (alternating current)

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三相旋轉磁場,里黑色箭頭表示磁場方向

此磁場裡的磁鐵會跟著旋轉磁場旋轉,以對正外部磁場。早期的交流電動機就是應用此效應。二個垂直的線圈,上面的交流電流有90度的相位差,即可產生旋轉磁場。不過,實務上,會用三相系統進行供電,各相的電流不同,此差異會讓導體上的電流過大,造成嚴重問題。因此,會使用三相電系統,其中三相的相位差120度,配合三個在空間中差120度的線圈,這樣三相的電流量值就會相等。而三個線圈也會產生旋轉磁場。三相系統可以產生電動機需要的旋轉磁場,這也是全世界的供電系統主要是三相系統的原因。

感應電動機中也使用旋轉磁場。感應電動機的轉子不是磁鐵,而是短路的導線,會跟隨著多極定子產生的磁場旋轉,短路的轉子會在定子旋轉磁場下產生渦電流,透過洛倫茲力讓轉子旋轉。但轉子和磁場之間需有相對運動才能產生電流,因此轉子和旋轉磁場不會同步,兩者頻率之間會存在滑差。

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參考資料

延伸閱讀

外部連結

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