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。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。

旋轉磁場用在許多電動機械學的應用中，例如異步電動機、發電機和感應式電壓調整器（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。英國實驗家查爾斯·巴貝奇和約翰·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。1879年，英國物理學家Walter Baily電動機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

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。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。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。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。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。

## 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和轉子。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的頻率決定。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。

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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。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 (交流電)。

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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。

## 延伸閱讀

- Beckhard, Arthur J., "Electrical genius Nikola Tesla". New York, Messner, 1959. LCCN 59007009 /L/AC/r85 (ed. 192 p.; 22 cm.; biography with notes on the inventions of the rotating magnetic field motors for alternating current.)
- Labzovskii, L.N., A.O. Mitrushchenkov, and A.I. Frenkel, " Parity Nonconserving Current in Conductors of Electricity". 6 July 1987. (ed., Shows that the continuous current arises under the influence of the rotating magnetic field.)
- Naval Electrical Engineering Training Series, Module 05 - Introduction to Generators and Motors, Chapter 4 Alternating Current Motors, Rotating magnetic fields (ed. different copy of the NEETS book is available, Add-free version)
- Rotating Magnetic Field, eng.ox.ac.uk
- Tesla's Autobiography, III. My Later Endeavors; The Discovery of the Rotating Magnetic Field
- Nikola Tesla and the electro-magnetic motor, Inventor of the Week Archive.
- Galileo Ferraris: the rotating magnetic field
- Single Phase Induction Motors
- H.Y. Guo, A.L. Hoffman, D. Lotz, S.J. Tobin, W.A. Reass, L.S. Schrank and G.A. Wurden, The Rotating Magnetic Field Oscillator System for Current Drive in the Translation, Confinement and Sustainment Experiment, March 22, 2001.
- Putko, V. F., and V. S. Sobolev, Effect of a rotating magnetic field on the characteristics of a direct-current plasma generator.
- Construction of a generalized mathematical model and fast calculations of plane-parallel rotating magnetic fields in process reactors with longitudinal currents of cylindrical inductors on a graphical calculator. https://www.researchgate.net/publication/385877325

## 外部連結

- Rotating magnetic field: interactive lecture
- Rotating field animation (YouTube video)
- " Rotating magnetic fields". Integrated Publishing.
- " Induction Motor – Rotating Fields".

### 專利

- , Tesla, "Electromagnetic motor".
- , Ress, "Particle accelerator".