旋转磁场

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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。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。

旋转磁场用在许多电动机械学的应用中，例如异步电动机、发电机和感应式电压调整器（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。英国实验家查尔斯·巴贝奇和约翰·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。1879年，英国物理学家Walter Baily电动机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

旋转磁场的概念是由意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。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。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。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。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。

## 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和转子。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的频率决定。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。

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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。不过大部分都是使用三组线圈，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。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 (交流电)。

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此磁场里的磁铁会跟着旋转磁场旋转，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，会跟随着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。

## 延伸阅读

- 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

## 外部链接

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

### 专利

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