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特斯拉交流电机

  电气工程师 1888年6月22日
  作者:尼古拉·特斯拉

  人们对特斯拉先生在电气设备和电气文学方面的贡献非常感兴趣,这个主题也非常重要,因此我们毫不犹豫地给这个主题提供了更多的篇幅。5月26日,约翰·霍普金斯大学的路易斯·邓肯博士就这一问题发表了一篇文章,刊登在我们的美国当代杂志《电气评论》上,大意是:
  为了我们目前的目的,我们可以将电机分为两类:连续电机,其中电枢线圈相对于磁极不对称,因此,它给出了一个几乎恒定的扭矩;以及交变电机,其中电枢线圈相对于磁极是对称的,因此,它给出的扭矩在计数器E.M.F期间的大小和符号上都有变化。
  在每个电机中,扭矩等于小角位移时通过电枢电路的感应线变化率,乘以电枢电流,或dm/dt。
  在特斯拉电机中,当线圈与一个磁极相对,并且磁场电流的振幅最大时,这些项中的第一个是最大的。假设我们忽略电枢的反应,在与此相差45度的地方,它是零。这取决于几个方面。决定它的E.M.F.是由于通过电枢回路的磁力线数量的变化引起的:(1)场电流的变化;(2)电枢的运动。电流取决于这些E.M.F.,也取决于其电路的自感应和电阻的减少。只有当第一个原因的E.M.F.较大时,电机才能做功,因为在普通反E.M.F.方向的电流会停止运动。在旋转的某些部分,两个E.M.F.一起工作,延缓运动;在其他部分,感应的E.M.F.产生的电流导致电机旋转。对我来说,仅凭对机器原理的简单描述,不可能对这些效应的相对大小给出一个概念。然而,一些结果是如下的。在给定了发电机的明确的逆转次数后,有一些速度,即这些逆转次数的倍数,当电机做一定量的工作时,它将在这些速度下自我管理。在这些速度中的一个,取决于电机的结构,输出将是最大的。现在我看到这样的说法:在负载下启动电机没有任何困难。我无法将其与上述事实相提并论。比通常使用的转数少的扭矩可能会更大,人们很容易看到,因为反电动势与感应电动势的比例较小,但必须记住,在某些速度下,即使是感应电流也会使运动停止;我不知道电机是如何通过这些关键速度。同样,如果在电机以适当的速度运行时,突然抛出最大的负载,那么,如果惯性很大,电机将落在其最大工作点的后面,要么停止,要么采取一些较慢的速度。
  电机可能的效率和输出是多少,只有实验才能说明。我已经证明(电子工程师协会 1888年2月),一个普通的交流电机的输出等于一个连续电流电机的输出,提供相应的E.M.F.,效率可能会很高,但它有一个缺点,即不工作和最大工作时流过的电流差不多,所以对于轻负载,效率很难很高。
  以我们目前对交流电的了解,试图从通常所做的简单但有误导性的假设中计算出这台机器的输出量、最大工作条件等等,是没有用的。只有实验才能确定它的价值,而一套正确进行和解释的实验应该使我们能够判断这项发明的优点和它的最佳可能形式。然而,我看不出在本刊上期所述的形式下,该电机如何能像连续电流电机那样在突然变化的负载条件下令人满意地工作。

  对于上述内容,特斯拉先生于6月2日回复如下:
  我发现在你上周的问题中,邓肯先生提到了我的交替电流马达系统的说明。
  由于我看到邓肯博士尚未了解我的发明的真正特点,我不能从严肃批评的角度考虑他的文章,并认为没有必要作出回应;但为了表达我对他的关心和对他意见的重视,我将在这里简要指出我的发明的特点,因为它们与上述文章有直接关系。
  我的电机的作用原理将从以下方面得到很好的理解:通过将交替的电流以适当的方式通过电机中独立的通电电路,实现了电机两极的渐进式移动或旋转。这种移动或多或少是连续的,这取决于电机的结构和电流的特性和相对相位,为了确保最完美的动作,应该存在这些电流。

图1
  图1

  如果用四个线圈绕成一个层压环,并将其按适当的顺序连接到适合这一目的的交流发电机的两个独立电路上,则电流通过线圈时,理论上会产生环的两极旋转,而在实际操作中,在一系列的实验中,我已经证明了这种环和旋转的磁铁之间完全相似。通过将这一原理应用于电机的运行,产生了两种性质迥异的电机形式:一种用于恒定负载,另一种用于可变负载。邓肯博士的误解是由于这两种形式中的每一种的突出特点没有被具体说明。在说明第二类的代表时,我提到了图1,随文提供。在这个例子中,电机的电枢有两个成直角的线圈。由于人们可能认为线圈相对于磁极的对称排列是必需的,我将假设电枢配备了大量的斜向缠绕的线圈或导体,它们相互封闭,并形成许多独立的电路。现在,让我们假设环形物被永久磁化,以便在截然相反的两点上显示出两个极(N和S),并且它通过机械动力进行旋转。电枢是静止的,环形磁铁的旋转将在封闭的电枢线圈中产生电流。这些电流将在力的最大密度点或附近最为强烈,它们将在电枢铁芯上产生与环形磁铁成直角的两极。当然,还会有其他因素进入作用,这将倾向于改变这种情况,但目前可以不考虑这些因素。就电枢磁芯上的磁极位置而言,电枢线圈中产生的电流将始终以相同的方式发挥作用,并将持续地将磁芯的磁极保持在相同的位置,相对于环的磁极而言,后者的任何位置都是独立于速度的。由于铁芯和磁环之间的吸引力,将产生一个连续的旋转力,在所有位置上都是恒定的,这与带有大量电枢线圈的连续电流电机相同。如果允许电枢转动,它将沿着环形磁铁的旋转方向旋转,感应电流随着速度的增加而减少,直到电枢达到非常接近磁铁的速度时,只有足够的电流流过线圈以保持旋转。如果不是通过机械动力使环形磁铁旋转,而是通过两个电路中的交替电流的作用使同一磁铁的两极移动,就会得到同样的结果。
  现在将这个系统与连续电流系统进行比较。在后者中,我们在发电机和电机线圈中存在交替的电流,以及用于电流换向的干预装置,这些装置在电机上除了自动实现电枢极的渐进式移动或旋转外;在这里,我们有相同的元素和相同的操作,但没有换向装置。鉴于这些装置对操作完全不重要,这种交替电流系统 - 至少在许多方面 - 将显示出与连续电流系统的完全相似性,并且该电机将精确地像连续电流电机一样运行。如果负载增加,速度就会降低,旋转力度也会相应增加,因为更多的电流会通过通电电路;负载减少,速度就会增加,电流也会减少,因此力度也会减少。当然,当电枢处于静止状态时,努力程度是最大的。
  但是,既然类比已经完成,那么当电机在没有任何负载的情况下运行时,通过电路的最大效率和电流如何呢?人们自然会提出疑问。必须记住,我们要处理的是交替电流。在这种形式下,电机只是代表了一个变压器,其中的电流是由动态作用而不是由反向作用引起的,而且,正如可以预期的那样,效率将在满负荷时达到最高。至于电流,至少在适当的条件下,它的强度会有和变压器一样大的变化,而且通过遵守适当的规则,它可以减少到任何需要的数量。此外,自由运行时通过电机的电流并不能衡量所吸收的能量,因为仪器只显示直接和感应电动势和电流的数字之和,而不是显示它们的差异。
  关于另一类为恒速而设计的电机,邓肯博士的反对意见在某种程度上适用于某些结构,但应该考虑到,这种电机不可能在没有任何负载或负载很轻的情况下运行;而且,如果是这样,在适当的结构下,它们在这方面并不比类似条件下的变压器有更多的缺点。此外,旋转力和恒速趋势这两个特点可以在电机中结合起来,任何需要的优势都可以给予其中一个,这样就可以得到一个拥有任何需要的特性并能够满足实际需求的电机。
  最后,我想对邓肯博士说,我的系统所宣称的优点不是单纯的假设,而是实际得到的结果,为此目的,我进行了长期的实验,并以只有对发明的浓厚兴趣才能激发的勤奋精神进行了实验;然而,尽管我的马达是长期劳动和仔细调查的成果,但除了发明它之外,我不想声称有任何其他优点,我让比我更有能力的人去确定这个原理的真正规律和它的最佳应用方式。这些研究的结果是什么,未来会告诉我们;但无论它们是什么,无论这个原理可能导致什么,如果以后人们承认我对科学的进步做出了贡献,无论多么微小,我都会得到足够的补偿。

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