Вращающееся магнитное поле — это результирующее магнитное поле , создаваемое системой симметрично расположенных катушек , питаемых многофазными токами . [1] Вращающееся магнитное поле может создаваться многофазным (две или более фаз) током или однофазным током при условии, что в последнем случае подаются питание на две обмотки возбуждения, которые сконструированы таким образом, чтобы две результирующие магнитные создаваемые таким образом поля не совпадают по фазе. [2]
В 1824 году французский физик Франсуа Араго с помощью вращающегося медного диска и иглы сформулировал существование вращающихся магнитных полей, получивших название « вращения Араго ». Английские экспериментаторы Чарльз Бэббидж и Джон Гершель обнаружили, что они могут вызвать вращение медного диска Араго, вращая под ним подковообразный магнит , а английский ученый Майкл Фарадей позже объяснил этот эффект электромагнитной индукцией . [3] В 1879 году английский физик Уолтер Бейли заменил подковообразные магниты четырьмя электромагнитами и, вручную включая и выключая переключатели, продемонстрировал примитивный асинхронный двигатель. [4] [5] [6] [7] [8]
Идею вращающегося магнитного поля в двигателе переменного тока исследовали итальянский физик и инженер-электрик Галилео Феррарис и сербско-американский изобретатель и инженер-электрик Никола Тесла . [9] Феррарис, который исследовал теорию и конструкцию машин переменного тока, построил рабочую модель для демонстрации в классе в 1885 году, но не описывал ее публично до 1888 года. [10] Тесла предпринял несколько (неудачных) попыток разработки и действующие модели в начале 1880-х годов, прежде чем построить рабочий прототип в 1887 году [11] [12] [ 13 ] В соответствии с принципом вращающегося магнитного поля Феррари, Фридрих Август Хазельвандер разработал первый трехфазный генератор переменного тока в 1887 году . Феррарис опубликовал свое исследование в статье для Королевской академии наук в Турине , а Тесла получил патент США ( патент США 0 381 968 ) на свою конструкцию. На основе генератора Хазельвандера Михаил Доливо-Добровольский разработал трехфазный генератор и двигатель для первой в мире трехфазной электростанции, построенной в 1891 году во Франкфурте, Германия. [15]
Описание
Вращающееся магнитное поле является ключевым принципом работы асинхронных машин . Асинхронный двигатель состоит из статора и ротора . В статоре группа неподвижных обмоток расположена так, что, например, двухфазный ток создает магнитное поле, которое вращается с угловой скоростью , определяемой частотой переменного тока . Ротор или якорь состоит из катушек, намотанных в пазах, которые закорочены и в которых изменяющийся поток, создаваемый полюсами поля, индуцирует ток. Поток, создаваемый током якоря, воздействует на полюса поля, и якорь приводится во вращение в определенном направлении. [2]
Результатом сложения трех фазированных синусоидальных волн под углом 120 градусов на оси двигателя является один вращающийся вектор, который всегда остается постоянным по величине. [17] Ротор имеет постоянное магнитное поле. Северный полюс ротора будет двигаться к южному полюсу магнитного поля статора, и наоборот. Это магнитомеханическое притяжение создает силу, которая заставляет ротор синхронно следовать за вращающимся магнитным полем .
Постоянный магнит в таком поле будет вращаться, сохраняя свое выравнивание с внешним полем. Этот эффект использовался в первых электродвигателях переменного тока. Вращающееся магнитное поле можно создать с помощью двух ортогональных катушек с разницей фаз их переменных токов в 90 градусов. Однако на практике такая система будет питаться по трехпроводной схеме с неравными токами. Это неравенство может вызвать серьезные проблемы при стандартизации размеров проводников. Чтобы преодолеть это, используются трехфазные системы, в которых три тока равны по величине и имеют разность фаз 120 градусов. В этом случае три одинаковые катушки, имеющие взаимные геометрические углы 120 градусов, будут создавать вращающееся магнитное поле. Способность трехфазной системы создавать вращающееся поле, используемое в электродвигателях, является одной из основных причин, почему трехфазные системы доминируют в мировых системах электроснабжения.
Вращающиеся магнитные поля также используются в асинхронных двигателях. Поскольку магниты со временем деградируют, в асинхронных двигателях используются короткозамкнутые роторы (вместо магнита), которые следуют за вращающимся магнитным полем многообмоточного статора. В этих двигателях короткозамкнутые витки ротора создают во вращающемся поле статора вихревые токи , которые, в свою очередь, перемещают ротор под действием силы Лоренца . Эти типы двигателей обычно не являются синхронными, но вместо этого обязательно имеют некоторую степень «скольжения», чтобы ток мог вырабатываться за счет относительного движения поля и ротора.
^ Грэм, Фрэнк Дункан (1921). Руководство для инженеров и механиков Audels. Нью-Йорк: ТЕО. AUDEL & CO. с. 594.
^ аб Бухер, Элмер Э. (январь 1919 г.). «Практическая беспроводная инструкция». Век беспроводной связи . 6 (4): 18–19.
^ Карлсон, В. Бернард (2013). Тесла: изобретатель эпохи электричества. Издательство Принстонского университета. стр. 52–54. ISBN978-1400846559.
^ Карлсон, В. Бернард (2013). Тесла: изобретатель эпохи электричества. Издательство Принстонского университета. п. 55. ИСБН978-1400846559.
^ Бэббидж, К.; Гершель, JFW (январь 1825 г.). «Отчет о повторении экспериментов М. Араго по магнетизму, проявляемому различными веществами во время акта вращения». Философские труды Королевского общества . 115 : 467–496. Бибкод : 1825RSPT..115..467B. дои : 10.1098/rstl.1825.0023 . Проверено 2 декабря 2012 г.
^ Томпсон, Сильванус Филлипс (1895). Многофазные электрические токи и двигатели переменного тока (1-е изд.). Лондон: E. & FN Spon. п. 261 . Проверено 2 декабря 2012 г.
↑ Бейли, Уолтер (28 июня 1879 г.). «Способ создания вращения Араго». Философский журнал . Тейлор и Фрэнсис. 3 (1): 115–120. Бибкод : 1879PPSL....3..115B. дои : 10.1088/1478-7814/3/1/318.
^ Вучкович, Владан (ноябрь 2006 г.). «Интерпретация открытия» (PDF) . Сербский журнал инженеров-электриков . 3 (2) . Проверено 10 февраля 2013 г.
^ Хьюз, Томас Парк (1983). Сети власти: электрификация в западном обществе, 1880-1930 гг. Балтимор: Издательство Университета Джонса Хопкинса. п. 117. ИСБН9780801828737.
^ "Феррари". Американская энциклопедия: от Фальстафа до Франке . Том. 11 (Международное изд.). Дэнбери, Коннектикут: Учебная библиотека. 2004. с. 124.
^ Карлсон, В. Бернард (2013). Тесла: изобретатель эпохи электричества. Издательство Принстонского университета. стр. 63–68. ISBN978-1400846559.
^ Хушьяр, Х.; Савагеби, М.; Вахеди, А. (2007). «Синхронный генератор: прошлое, настоящее и будущее». Африкан 2007 . стр. 1–7. дои : 10.1109/AFRCON.2007.4401482. ISBN978-1-4244-0986-0. S2CID 28833835.
^ История и график мощности переменного тока
^ США, Бюро военно-морского персонала (1945). Передовые работы в области авиационного электричества. Вашингтон: Правительство США. Распечатать. Выключенный. стр. 149–150.
^ Производство вращающегося магнитного поля, | electriceasy.com
В эту статью включен текст из общедоступного источника : The Wireless Age . Нью-Йорк, Паб Маркони. Корпорация. 1918 год.
Оуэн, Эл. (октябрь 1988 г.). «Историческое прошлое асинхронного двигателя». Возможности IEEE . 7 (3): 27–30. дои : 10.1109/45.9969. S2CID 19271710.
Бекхард, Артур Дж., «Электрический гений Никола Тесла». Нью-Йорк, Месснер, 1959. LCCN 59007009 /L/AC/r85 (изд. 192 стр.; 22 см.; биография с примечаниями об изобретениях двигателей с вращающимся магнитным полем переменного тока.)
Клайн, Р. (1987). «Наука и инженерная теория в изобретении и разработке асинхронного двигателя, 1880–1900». Технологии и культура . 28 (2): 283–313. дои : 10.2307/3105568. JSTOR 3105568.
Цеберс, А. (13 декабря 2002 г.). «Динамика вытянутой магнитной капли во вращающемся поле». Физ. Преподобный Е. 66 (6): 061402. Бибкод : 2002PhRvE..66f1402C. doi : 10.1103/PhysRevE.66.061402. ПМИД 12513280.
Цеберс, А. и И. Джавайтис (2004). «Динамика гибкой магнитной цепи во вращающемся магнитном поле». Физ. Преподобный Е. 69 (2): 021404. Бибкод : 2004PhRvE..69b1404C. doi : 10.1103/PhysRevE.69.021404. ПМИД 14995441.
Цеберс, А. и М. Озолс (2006). «Динамика активной магнитной частицы во вращающемся магнитном поле». Физ. Преподобный Е. 73 (2): 021505. Бибкод : 2006PhRvE..73b1505C. doi : 10.1103/PhysRevE.73.021505. ПМИД 16605340.
Тао Сун; и другие. (июнь 2004 г.). «Система воздействия вращающихся постоянных магнитных полей для исследований in vitro». Транзакции IEEE по прикладной сверхпроводимости . 14 (2): 1643–6. Бибкод : 2004ITAS...14.1643S. дои : 10.1109/TASC.2004.831024.
Лабзовский Л.Н., Митрущенков А.О., Френкель А.И. Ток, не сохраняющий четность, в проводниках электричества. 6 июля 1987 г. (ред., Показано, что непрерывный ток возникает под действием вращающегося магнитного поля.)
Серия учебных курсов по военно-морской электротехнике, модуль 05. Введение в генераторы и двигатели, глава 4. Двигатели переменного тока, вращающиеся магнитные поля (доступна другая копия книги NEETS, бесплатная версия).
Вращающееся магнитное поле, eng.ox.ac.uk
Автобиография Теслы, III. Мои последующие усилия; Открытие вращающегося магнитного поля
Никола Тесла и электромагнитный двигатель, Архив изобретателя недели.
Галилео Феррарис: вращающееся магнитное поле
Однофазные асинхронные двигатели
Х.И. Го, А.Л. Хоффман, Д. Лотц, С.Дж. Тобин, В.А. Риасс, Л.С. Шранк и Г.А. Вурден, Система генераторов вращающегося магнитного поля для возбуждения тока в эксперименте по перемещению, удержанию и поддержанию, 22 марта 2001 г.
Путко В. Ф., Соболев В. С. Влияние вращающегося магнитного поля на характеристики генератора плазмы постоянного тока.
Внешние ссылки
Вращающееся магнитное поле: интерактивная лекция
Анимация вращающегося поля (видео на YouTube)
« Вращающиеся магнитные поля ». Интегрированное издательство.
« Асинхронный двигатель – вращающиеся поля ».
Патенты
Патент США 0,381,968 , Тесла, «Электромагнитный двигатель».