第3章.特斯拉旋转磁场。闭合导体电机。同步电机。旋转场变压器(中文)
本帖最后由 能量海 于 2014-1-9 20:19 编辑
关于旋转磁场，特斯拉先生尝试能够做出的最好的说明，并的确也做到的，可以在他解释旋转电流、多相系统的简短的论文中找到，这篇论文于1888年5月在纽约的美国电气工程师学会宣读，标题为“交流电机和变压器的一个新系统”。事实上，精读论文可以证实特斯拉先生并没有打算描述他所有的成果。其实只是阐述了本章标题所枚举的几个主题。特斯拉先生的保留无疑在很大程度上要归咎于他的行为要受制于与他有关的人的意愿的事实，但也许值得一提的是本书的编撰人见过电机的运行，而他当时是学会论文和会议委员会的主席，极力劝诱特斯拉先生好歹给学会一些论文。特斯拉先生过度劳累且身体不适，表现极不情愿展示他的电机，但最终还是被说服了。论文是在会议的前一天晚上完成，用的是铅笔，而且还在刚才提到的压力之下。
在这篇论文中非正式地提到两种特殊形式的电机尚不能列入深思熟虑的一组里。这两种形式是：1.一台电机以其一个回路与一台变压器串联，而另一个回路则在这台变压器的次级上。2.一台电机具有其连接到发电机的的电枢回路，而激磁线圈自我封闭。该论文在特斯拉体系中涉及到的，即，旋转磁场，具有闭合导体的电机，同步电机，和旋转场变压器：——
现在我乐于提请你们关注的是一个新颖的配电系统和通过交流电的功率传输系统，它提供特有的优势，尤其是在电机方面，对此我确信这些电流将对功率的传输立刻建立优良的适应性，而且将显示通过其应用能够达到此前无法取得的许多结果；结果正是这种系统的实际运行中非常渴望得到的，而这是通过直流电的手段无法实现的。
在详述这个系统之前，我想有必要对于直流发电机和电动机存在的某些条件做一些说明，这些，虽然普遍都知道，但经常被忽视。
在我们的发电机机械装置中，众所周知，我们直接通过换向器产生交流电，换向器是个复杂的装置，也许可以公平地说，机器运行中大多数麻烦都出在这里。现在，这样整流的电流不能应用在电机里，而它们必须再次依靠一个类似的不稳定的装置重新转换到其交流电的原始态。换向器完全在外部起作用，绝不影响机器的内部工作。实际上，为此，所有机器都是交流电设备，电流只有在从发电机传送到电机时的外电路中才表现为直流。简单地鉴于这一事实，交流电可以毛邃自荐地把自己作为电能的更为直接的应用，而直流电的采用，只有在有发电机产生直流，并有电机直接由这个电流驱动，这才是合理的。
但在电机上的换向器的运作有两个方面；首先，它反转电流通过电机；其次，它自动影响它的磁性成分之一的两极的渐进位移。因此，假设系统中两个都无效运行，也就是说，发电机上交流电的整流和电机上直流的转换均被取消，这将仍然是必要的，为了促使电机旋转，产生一个其元素之一的两极的渐进位移，于是自然就有一个问题——如何通过交流电的直接作用去执行这个？现在我将说明这个结果是如何实现的。
在第一个实验中，鼓形电枢有着两个互成直角的线圈，而这些线圈的末端像往常一样连接到两个绝缘的接触环对子上。环是用铁皮的薄绝缘板做的，并绕成四个线圈，每两个相对的线圈连接在一起，以在环的直径对置侧产生自由磁极。线圈余下的悬空端于是连接到发电机电枢的接触环，以构成两个独立的电路，如图.9中所标示的那样。现在可以看到在这个组合中的连接结果了，这样看来，我要参照图示，从图.1到8a来加以说明。发电机的场自行受激，电枢的旋转在线圈c c1中产生电流，以众所周知的方式改变强度和方向。在图.1中所示的位置，线圈c中的电流为零，而线圈c1则以其最大电流横越而过，而这些连接可以通过线圈c1 c1来使环磁化，如图.1a中字母n s所示，线圈c c 的磁化效果为零，因为这些线圈均包含在线圈c 的电路里。
在图.2中，显示电枢线圈在一个更上游的位置，在完成一转的八分之一上。图.2a描述了这个环的对应的磁场状态。此刻的线圈c，产生一个与前方向一样的电流，但较弱，在环上产生磁极n1 s1；线圈c也产生了一个同向电流，而关系可以是这样的，线圈 c c 产生磁极 n s ，如图.2a所示。结果极性用字母 n s标明，而在这个相同的圆周上将能观察到环的磁极已经移转了八分之一周。
在图.3中，电枢已完成一转的四分之一。在这个阶段中线圈 c 的电流是最大值，而且在这个方向上因而在图.3a中产生磁极 N S， 而线圈c1中的电流为零，这个线圈正处于其中性位置上。
图.3a中的磁极 N S 于是在环的圆周上移位四分之一。
图.4显示线圈 c c 仍然在一个更上游的位置， 电枢正完成后一圈的八分之三。在那一刻，线圈 c 仍然产生如前方向相同的电流，但强度较低，在图.4中产生相对较弱的磁极 n s。 线圈 c1 中的电流强度相同，但方向相反，其效果是，由此在圆环上产生如标示的两极 n1 s1， 以及极性 N S，结果，磁极现在在这个环的圆周上位移了八分之三圈。
在图.5中，电枢完成了旋转的一半，而导致的圆环的磁状态如图.5a所示。现在线圈 c 中的电流为零，而线圈 c1产出其最大值的电流，它的方向同先前一样；由此，参见图.5a，由于这些线圈——仅指 c1 c1，将能见到磁极 N S 在圆环圆周上转移了半周。接下来的半圈运行，则如图.6到8a所示那样重复。
参照图示就能清楚，电枢旋转一圈时，圆环的磁极也绕其圆周移转一次，而且，每次旋转产生相同的效果，其结果是与电枢旋转协调一致的是磁极的急遽回旋。如果圆环中电路的任一个连接被翻转，磁极的转移会在相反方向取得递进，但操作一致相同。不用四根导线，而只用三根导线，一根导线组成两个电路的公共回路，会有相同的结果。
这种两极的旋转和回旋表现出其自身的一系列奇妙的现象。如果一个精致的能转动的钢的或其它材料的圆盘接近正在急速旋转的圆环，旋转的方向因圆盘的位置不同而不同。例如，注意圆环外面的方向，将发现在圆环里面是向相反方向转动的，尽管如果把它放在一个与圆环对称位置上，它是不会受影响的。这很容易解释。每次一个磁极靠近，都会在圆盘的最近点上吸引相反的一极，并在那个点上产生一个吸力；由于这样，当磁极进一步移离圆盘时，同样也施加了一个切向的拉力，而这个动作不断重复，结果是圆盘的急速转动变得更快或更慢。当拉力主要施加在最靠近圆环的部分时，在外面和里面，或者在右边和左边的旋转，各自反向，见图.9。当对称地放置的环，在盘的相对侧上的上拉是相等的，没有旋转的结果。当平衡配置圆环时，圆盘对边拉力相等，结果是没有旋转。该行为基于铁的磁惯性；因为这个原因，硬钢圆盘比软铁圆盘更受影响，后者具有磁性急速变化的能力。在所有这些研究中，这种圆盘已被证明是一种器具，因为它能让我在运行中发现任何异常。当用铁屑时也会产生一种奇妙的效果。先在纸上放一些，然后把它们固定在相当靠近圆环的地方，它们开始在原处振动，尽管那张纸会来回移动；但把纸张提升到一定的高度时，这似乎是依赖于磁极强度和旋转速度，它们总是向着磁极假设运动的相反方向被抛掷出去。如果放在铁屑的纸张展平放在圆环上并突然打开电流，可以很容易地观察到存在的磁涡流。
要演示圆环和旋转磁铁之间的完全模拟，强通电的电磁铁由机械功率转动，而相同的现象在上述的每一点上都被观察到。
显然，磁极的旋转产生相应的感应作用，并可以被用于在磁极的影响下的封闭导体内产生电流。为了这个目的，较为方便的是用两组叠合线圈绕成一个环，分别组成初级和次级电路，如图.10所示。为了确保最经济的结果，磁路应完全封闭，并以此为目的可以随意修改结构。
在应用此原理建造的电机中，已经开发了两种典型形式的电机。第一种，在启动时具有一个相对小的旋转力，但在所有负载上维持着完全的匀速的电机被称为同步电机。第二种在启动时具有巨大的旋转力，速度依赖于负载。
同步电机的最简化式通过在一个叠压环上绕线，绕成具有四个线圈的极凸，并用以前标示的方法连接。把一个铁圆盘裁切去两边，可以用作电枢。这种电机如图.9所示。圆盘被配置成在环内靠近极凸处可以顺畅地旋转，显然当磁极移转时，由于其趋势使其处于这样一种位置，即包含最大数目的力线，紧随磁极的运动，而其运动将与发电机的电枢同步；即，如图.9所示的独特的配置，在这里电枢在电路里的每一次旋转都会产生两个电流脉冲。显而易见，即如果，通过电枢旋转一圈，将产生更多的脉冲，电机的转速也将相应增加。考虑到当同样接近磁极的时候，在圆盘上施加的吸引力最大，由此得出结论，这样的电机在其容量的限制范围内在所有负载下将维持完全相同的速度。
为便于启动，圆盘可以靠近其上加一个线圈。加上这种线圈的优点是明显的。在启动上，线圈里产生的电流强烈地激励圆盘，并通过圆环增加施加相同的吸力，而只要电枢的速度低于磁极的，线圈里就产生电流，这种电机也许能做相当大的功，即使速度低于正常的。
并非封闭线圈本身，而是把其末端连接到两个绝缘的滑环，并从一个合适的发电机供给连续的电流。启动这种电机的正确方法是关闭线圈本身，直到达到、或接近正常速度，然后打开连续电流。如果圆盘被连续电流非常强烈地激励，电机可能不能够启动，但如果是弱激励、或一般地，以使圆环的磁化效应占优势，它就会启动并达到正常速度。这样的一种电机将在所有负载上保持绝对相同的速度。还发现，如果发电机的动力不是过度的，通过检查电机，与那个电机同步而使发电机减速。这种形式的电动机的特点是，它不能靠整流通过线圈的直流而被反转。
这些电机的同步可能以各种方式被实验性地证明。为此，最好是采用一个由恒定场磁铁和一个配置电枢组成的电机相同旋转，如图.13所示。在这种情况下，电枢磁极的转移使后者向相反的方向旋转。由此导致当正常速度达到时，电枢磁极处于场磁铁相对固定的位置，并同样通过感应磁化，在每个极片上展现出不同的磁极。如果一片软铁靠近场磁，它将在开始时被吸引，以磁铁的极性反转产生的快速振动运动，但随着电枢速度增加，振动变得越来越小，最后完全停止。然后软铁是被微弱地但是是永久地吸引，说明达到了同步而场磁体通过感应受激。
圆盘还可用于实验。如果拿着它相当接近电枢，只要磁极的旋转速度超过了电枢，它就会转动；但当达到正常速度、或非常接近时，它将停止旋转，并永久地被吸引。
用白炽灯做了一个粗略的但是解说性的实验。灯放在具有直流发生器的电路中，并与磁铁线圈串联，启动时线圈里产生的感应电流的结果可以在光中观察到快速的波动；随着速度增加，发生波动间隔的时间越长，直至完全消失，显示的电机已达到其正常速度。一个电话接收器做为最敏感的仪器；当连接到任何电机里的电路时，可以很容易地在感应电流的消失上检测到同步。
关于旋转磁场，特斯拉先生尝试能够做出的最好的说明，并的确也做到的，可以在他解释旋转电流、多相系统的简短的论文中找到，这篇论文于1888年5月在纽约的美国电气工程师学会宣读，标题为“交流电机和变压器的一个新系统”。事实上，精读论文可以证实特斯拉先生并没有打算描述他所有的成果。其实只是阐述了本章标题所枚举的几个主题。特斯拉先生的保留无疑在很大程度上要归咎于他的行为要受制于与他有关的人的意愿的事实，但也许值得一提的是本书的编撰人见过电机的运行，而他当时是学会论文和会议委员会的主席，极力劝诱特斯拉先生好歹给学会一些论文。特斯拉先生过度劳累且身体不适，表现极不情愿展示他的电机，但最终还是被说服了。论文是在会议的前一天晚上完成，用的是铅笔，而且还在刚才提到的压力之下。
在这篇论文中非正式地提到两种特殊形式的电机尚不能列入深思熟虑的一组里。这两种形式是：1.一台电机以其一个回路与一台变压器串联，而另一个回路则在这台变压器的次级上。2.一台电机具有其连接到发电机的的电枢回路，而激磁线圈自我封闭。该论文在特斯拉体系中涉及到的，即，旋转磁场，具有闭合导体的电机，同步电机，和旋转场变压器：——
现在我乐于提请你们关注的是一个新颖的配电系统和通过交流电的功率传输系统，它提供特有的优势，尤其是在电机方面，对此我确信这些电流将对功率的传输立刻建立优良的适应性，而且将显示通过其应用能够达到此前无法取得的许多结果；结果正是这种系统的实际运行中非常渴望得到的，而这是通过直流电的手段无法实现的。
在详述这个系统之前，我想有必要对于直流发电机和电动机存在的某些条件做一些说明，这些，虽然普遍都知道，但经常被忽视。
在我们的发电机机械装置中，众所周知，我们直接通过换向器产生交流电，换向器是个复杂的装置，也许可以公平地说，机器运行中大多数麻烦都出在这里。现在，这样整流的电流不能应用在电机里，而它们必须再次依靠一个类似的不稳定的装置重新转换到其交流电的原始态。换向器完全在外部起作用，绝不影响机器的内部工作。实际上，为此，所有机器都是交流电设备，电流只有在从发电机传送到电机时的外电路中才表现为直流。简单地鉴于这一事实，交流电可以毛邃自荐地把自己作为电能的更为直接的应用，而直流电的采用，只有在有发电机产生直流，并有电机直接由这个电流驱动，这才是合理的。
但在电机上的换向器的运作有两个方面；首先，它反转电流通过电机；其次，它自动影响它的磁性成分之一的两极的渐进位移。因此，假设系统中两个都无效运行，也就是说，发电机上交流电的整流和电机上直流的转换均被取消，这将仍然是必要的，为了促使电机旋转，产生一个其元素之一的两极的渐进位移，于是自然就有一个问题——如何通过交流电的直接作用去执行这个？现在我将说明这个结果是如何实现的。
在第一个实验中，鼓形电枢有着两个互成直角的线圈，而这些线圈的末端像往常一样连接到两个绝缘的接触环对子上。环是用铁皮的薄绝缘板做的，并绕成四个线圈，每两个相对的线圈连接在一起，以在环的直径对置侧产生自由磁极。线圈余下的悬空端于是连接到发电机电枢的接触环，以构成两个独立的电路，如图.9中所标示的那样。现在可以看到在这个组合中的连接结果了，这样看来，我要参照图示，从图.1到8a来加以说明。发电机的场自行受激，电枢的旋转在线圈c c1中产生电流，以众所周知的方式改变强度和方向。在图.1中所示的位置，线圈c中的电流为零，而线圈c1则以其最大电流横越而过，而这些连接可以通过线圈c1 c1来使环磁化，如图.1a中字母n s所示，线圈c c 的磁化效果为零，因为这些线圈均包含在线圈c 的电路里。
在图.2中，显示电枢线圈在一个更上游的位置，在完成一转的八分之一上。图.2a描述了这个环的对应的磁场状态。此刻的线圈c，产生一个与前方向一样的电流，但较弱，在环上产生磁极n1 s1；线圈c也产生了一个同向电流，而关系可以是这样的，线圈 c c 产生磁极 n s ，如图.2a所示。结果极性用字母 n s标明，而在这个相同的圆周上将能观察到环的磁极已经移转了八分之一周。
在图.3中，电枢已完成一转的四分之一。在这个阶段中线圈 c 的电流是最大值，而且在这个方向上因而在图.3a中产生磁极 N S， 而线圈c1中的电流为零，这个线圈正处于其中性位置上。
图.3a中的磁极 N S 于是在环的圆周上移位四分之一。
图.4显示线圈 c c 仍然在一个更上游的位置， 电枢正完成后一圈的八分之三。在那一刻，线圈 c 仍然产生如前方向相同的电流，但强度较低，在图.4中产生相对较弱的磁极 n s。 线圈 c1 中的电流强度相同，但方向相反，其效果是，由此在圆环上产生如标示的两极 n1 s1， 以及极性 N S，结果，磁极现在在这个环的圆周上位移了八分之三圈。
在图.5中，电枢完成了旋转的一半，而导致的圆环的磁状态如图.5a所示。现在线圈 c 中的电流为零，而线圈 c1产出其最大值的电流，它的方向同先前一样；由此，参见图.5a，由于这些线圈——仅指 c1 c1，将能见到磁极 N S 在圆环圆周上转移了半周。接下来的半圈运行，则如图.6到8a所示那样重复。
参照图示就能清楚，电枢旋转一圈时，圆环的磁极也绕其圆周移转一次，而且，每次旋转产生相同的效果，其结果是与电枢旋转协调一致的是磁极的急遽回旋。如果圆环中电路的任一个连接被翻转，磁极的转移会在相反方向取得递进，但操作一致相同。不用四根导线，而只用三根导线，一根导线组成两个电路的公共回路，会有相同的结果。
这种两极的旋转和回旋表现出其自身的一系列奇妙的现象。如果一个精致的能转动的钢的或其它材料的圆盘接近正在急速旋转的圆环，旋转的方向因圆盘的位置不同而不同。例如，注意圆环外面的方向，将发现在圆环里面是向相反方向转动的，尽管如果把它放在一个与圆环对称位置上，它是不会受影响的。这很容易解释。每次一个磁极靠近，都会在圆盘的最近点上吸引相反的一极，并在那个点上产生一个吸力；由于这样，当磁极进一步移离圆盘时，同样也施加了一个切向的拉力，而这个动作不断重复，结果是圆盘的急速转动变得更快或更慢。当拉力主要施加在最靠近圆环的部分时，在外面和里面，或者在右边和左边的旋转，各自反向，见图.9。当对称地放置的环，在盘的相对侧上的上拉是相等的，没有旋转的结果。当平衡配置圆环时，圆盘对边拉力相等，结果是没有旋转。该行为基于铁的磁惯性；因为这个原因，硬钢圆盘比软铁圆盘更受影响，后者具有磁性急速变化的能力。在所有这些研究中，这种圆盘已被证明是一种器具，因为它能让我在运行中发现任何异常。当用铁屑时也会产生一种奇妙的效果。先在纸上放一些，然后把它们固定在相当靠近圆环的地方，它们开始在原处振动，尽管那张纸会来回移动；但把纸张提升到一定的高度时，这似乎是依赖于磁极强度和旋转速度，它们总是向着磁极假设运动的相反方向被抛掷出去。如果放在铁屑的纸张展平放在圆环上并突然打开电流，可以很容易地观察到存在的磁涡流。
要演示圆环和旋转磁铁之间的完全模拟，强通电的电磁铁由机械功率转动，而相同的现象在上述的每一点上都被观察到。
显然，磁极的旋转产生相应的感应作用，并可以被用于在磁极的影响下的封闭导体内产生电流。为了这个目的，较为方便的是用两组叠合线圈绕成一个环，分别组成初级和次级电路，如图.10所示。为了确保最经济的结果，磁路应完全封闭，并以此为目的可以随意修改结构。
感应作用施加到次级线圈上将主要由于磁性作用的转移或运动；但也有可能是电路里磁极强度变化的结果产生的电流。然而，通过适当地设计发电机和确定初级线圈的磁化效应，会致使后面的因素消失。磁极强度保持恒定，装置的动作将是完美的，并获得相同的结果，似乎换向器以其具有无限的铜条的方式来达到转移。在这种情况下，每一组初级线圈之间的激励效应的理论上的关系，及其产生的磁化作用可以用一个圆的方程式来表述，其圆心正好与正交坐标系相吻合，而其中的半径表示结果，并协调其所有组成部分。于是有了这些在半径和轴（O X）之间的角α的各自的正弦和余弦。参见图.11，我们有
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在应用此原理建造的电机中，已经开发了两种典型形式的电机。第一种，在启动时具有一个相对小的旋转力，但在所有负载上维持着完全的匀速的电机被称为同步电机。第二种在启动时具有巨大的旋转力，速度依赖于负载。
这些电机可用三种不同方式运行：1. 只通过交流电源。2. 通过这些和感应电流的共同作用。3. 通过交流和直流的联合作用。
同步电机的最简化式通过在一个叠压环上绕线，绕成具有四个线圈的极凸，并用以前标示的方法连接。把一个铁圆盘裁切去两边，可以用作电枢。这种电机如图.9所示。圆盘被配置成在环内靠近极凸处可以顺畅地旋转，显然当磁极移转时，由于其趋势使其处于这样一种位置，即包含最大数目的力线，紧随磁极的运动，而其运动将与发电机的电枢同步；即，如图.9所示的独特的配置，在这里电枢在电路里的每一次旋转都会产生两个电流脉冲。显而易见，即如果，通过电枢旋转一圈，将产生更多的脉冲，电机的转速也将相应增加。考虑到当同样接近磁极的时候，在圆盘上施加的吸引力最大，由此得出结论，这样的电机在其容量的限制范围内在所有负载下将维持完全相同的速度。
为便于启动，圆盘可以靠近其上加一个线圈。加上这种线圈的优点是明显的。在启动上，线圈里产生的电流强烈地激励圆盘，并通过圆环增加施加相同的吸力，而只要电枢的速度低于磁极的，线圈里就产生电流，这种电机也许能做相当大的功，即使速度低于正常的。
并非封闭线圈本身，而是把其末端连接到两个绝缘的滑环，并从一个合适的发电机供给连续的电流。启动这种电机的正确方法是关闭线圈本身，直到达到、或接近正常速度，然后打开连续电流。如果圆盘被连续电流非常强烈地激励，电机可能不能够启动，但如果是弱激励、或一般地，以使圆环的磁化效应占优势，它就会启动并达到正常速度。这样的一种电机将在所有负载上保持绝对相同的速度。还发现，如果发电机的动力不是过度的，通过检查电机，与那个电机同步而使发电机减速。这种形式的电动机的特点是，它不能靠整流通过线圈的直流而被反转。
这些电机的同步可能以各种方式被实验性地证明。为此，最好是采用一个由恒定场磁铁和一个配置电枢组成的电机相同旋转，如图.13所示。在这种情况下，电枢磁极的转移使后者向相反的方向旋转。由此导致当正常速度达到时，电枢磁极处于场磁铁相对固定的位置，并同样通过感应磁化，在每个极片上展现出不同的磁极。如果一片软铁靠近场磁，它将在开始时被吸引，以磁铁的极性反转产生的快速振动运动，但随着电枢速度增加，振动变得越来越小，最后完全停止。然后软铁是被微弱地但是是永久地吸引，说明达到了同步而场磁体通过感应受激。
圆盘还可用于实验。如果拿着它相当接近电枢，只要磁极的旋转速度超过了电枢，它就会转动；但当达到正常速度、或非常接近时，它将停止旋转，并永久地被吸引。
用白炽灯做了一个粗略的但是解说性的实验。灯放在具有直流发生器的电路中，并与磁铁线圈串联，启动时线圈里产生的感应电流的结果可以在光中观察到快速的波动；随着速度增加，发生波动间隔的时间越长，直至完全消失，显示的电机已达到其正常速度。一个电话接收器做为最敏感的仪器；当连接到任何电机里的电路时，可以很容易地在感应电流的消失上检测到同步。
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