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特斯拉旋转磁场

  尼古拉·特斯拉的发明、研究和著作(3)
  作者:托马斯·科默福德·马丁

  第3章 特斯拉旋转磁场
  - 封闭导体的电机,- 同步电机,- 旋转磁场变压器。

  关于他在旋转磁场方面所做的尝试和成功的描述,可以在特斯拉先生的简短论文中找到,该论文解释了他的旋转电流多相系统,于1888年5月在纽约的美国电气工程师协会宣读,标题为 "交替电流电机和变压器的新系统"。事实上,仔细阅读这篇论文就会发现,特斯拉先生在那篇论文中没有试图描述他的所有工作。它实际上涉及到本章标题中列举的几个主题。特斯拉先生的沉默无疑在很大程度上是由于他的行动受制于与他有联系的其他人的愿望,但值得一提的是,本卷的编纂者 - 他曾看到过电机的运行,而且他当时是研究所论文和会议委员会的主席 - 在促使特斯拉先生向研究所提交任何论文方面遇到了很大困难。特斯拉先生劳累过度,身体不适,对展示他的电机表现出极大的不情愿,但他的反对意见最终被克服了。这篇论文是在会议的前一天晚上用铅笔写的,非常匆忙,而且是在刚才提到的压力下写的。
  在本文中,临时提到了不属于要考虑的那组电机的两种特殊形式。这两种形式是:1.电机的一个电路与变压器串联,而另一个电路在变压器的次级。2. 电动机的电枢回路与发电机相连,而电场线圈则自行关闭。这篇论文的主要内容如下,涉及特斯拉系统的几个主要特征,即旋转磁场、封闭导体的电机、同步电机和旋转磁场变压器。
  我现在很高兴向你们介绍的主题是一种通过交替电流进行电力分配和传输的新系统,它具有特殊的优势,特别是在电机方面,我相信这将立即确立这些电流在传输电力方面的卓越适应性,并将表明通过使用它们可以达到许多以前无法实现的结果;这些结果在此类系统的实际操作中非常需要,而通过连续电流的方式无法完成。
  在对这一系统进行详细描述之前,我认为有必要就连续电流发电机和电动机中存在的某些条件发表一些意见,这些条件虽然是众所周知的,但却经常被忽视了。

  众所周知,在我们的发电机中,我们通过换向器产生交替电流,这是一个复杂的装置,可以公正地说,它是机器运行中遇到的大多数问题的根源。现在,这样引导的电流不能在电机中使用,但它们必须 - 还是通过类似的不可靠的装置 - 被重新转化为原来的交替电流状态。换向器的功能完全是外部的,它不会影响机器的内部工作。因此,实际上,所有的机器都是交替电流的机器,电流在从发电机到电动机的过程中,只在外部电路中显示为连续的电流。仅仅考虑到这一事实,交替电流将成为电能的一种更直接的应用,而只有当我们拥有主要产生这种电流的发电机和直接由这种电流驱动的电动机时,才有理由使用连续电流。
  但是,电机上的换向器的操作是双重的;首先,它使通过电机的电流逆转,其次,它自动检测其磁性成分的一个极的渐进式移动。因此,假设这两个系统中的无用操作,即在发电机上引导交替电流和在电机上逆转直接电流,都被消除了,那么,为了引起电机的旋转,仍然有必要使其一个元件的磁极逐渐移动,而问题就出现了 - 如何通过交替电流的直接作用来完成这一操作?现在我将继续说明这一结果是如何实现的。
图1、图1a
图2、图2a
  在第一个实验中,一个鼓形电枢配备了两个相互成直角的线圈,这些线圈的末端像往常一样连接到两对绝缘接触环上。然后用薄的铁皮绝缘板制成一个环,并绕上四个线圈,每两个相对的线圈被连接在一起,以便在环的截然相反的两侧产生自由极。线圈的剩余自由端被连接到发电机电枢的接触环上,从而形成两个独立的电路,如图9所示。现在我们可以看到,这种组合的结果是什么,有了这个观点,我想参考图1至图8a。发电机的电场被独立激发,电枢的旋转在线圈CC{1}中产生电流,其强度和方向以众所周知的方式变化。在图1所示的位置,线圈C中的电流为零,而线圈C{1}被其最大电流穿过,连接方式可能是这样的:环形线圈c{1} c{1}被磁化,如图1a中的字母NS所示,线圈cc的磁化率为零,因为这些线圈被包括在线圈C的回路中。
图3、图3a
  在图2中,电枢线圈被显示在一个更先进的位置,八分之一的旋转已经完成。图2a说明了环的相应磁性状况。此刻,线圈C{1}产生的电流方向与之前相同,但较弱,在环上产生了n{1} s{1}的磁极;线圈C也产生了相同方向的电流,连接方式可以是线圈cc产生磁极ns,如图2a所示。所产生的极性用字母NS表示,可以看到环的极性已经移到了环的外围的八分之一。

图4、图4a
  在图3中,电枢已经完成了四分之一的旋转。在这个阶段,线圈C中的电流是最大的,其方向产生了图3a中的NS极,而线圈C{1}中的电流为零,该线圈处于中性位置。图3a中的两极NS就这样被移到了圆环的四分之一处。
  图4显示了线圈CC在一个更高级的位置,电枢已经完成了八分之三的旋转。此时,线圈C仍然产生与之前相同方向的电流,但强度较小,产生了图4a中相对较弱的极点ns。线圈C{1}中的电流强度相同,但方向相反。因此,它的作用是在环上产生n{1} s{1}的极点,如图所示,产生了NS的极性,现在极点被移到了环的外围的八分之三。
图5、图5a
  在图5中,电枢转一圈的一半已经完成,由此产生的环形磁力状况在图5a中显示。现在,线圈C中的电流为零,而线圈C{1}产生最大电流,其方向与之前相同;因此,磁化e?ect是由于线圈c{1}c{1}单独产生的,参照图5a,可以看到,磁极NS移到了环的一半周长。在接下来的半圈中,这些操作被重复,如图6至8a所示。
图6、图6a
  参照图表可以清楚地看到,在电枢旋转一圈的过程中,环的两极在其周围移动一次,而且每一次旋转都会产生类似的效应,结果是两极快速旋转,与电枢的旋转相协调。如果环中任何一个电路的连接被颠倒了,极子的移动就会向相反的方向发展,但操作是完全一样的。如果不使用四根导线,也可以使用三根导线,其中一根构成两个电路的共同回线。
图7、图7a
  两极的这种旋转表现为一系列奇怪的现象。如果将一个精巧的钢制或其他磁性金属的转盘靠近环,它就会迅速旋转,旋转的方向随转盘的位置而变化。例如,注意到环外的方向,就会发现环内的方向是相反的,而如果把它放在与环对称的位置上,就不会被发现。这一点很容易解释。每当一个极点接近时,就会在圆盘上最近的地方引起一个相反的极点,并对该点产生吸引力;由于这个原因,当极点进一步远离圆盘时,就会对其施加一个切向拉力,这种作用不断重复,结果就是圆盘或多或少的快速旋转。由于拉力主要施加在离圆环最近的部分,所以旋转的外侧和内侧,或者说右侧和左侧,分别是相反的方向,图9。当与圆环对称放置时,圆盘两边的拉力相等,不会产生旋转。这种作用是基于铁的磁惯性;由于这个原因,硬钢的圆盘比软铁的圆盘更容易受到影响,后者的磁力变化非常快。事实证明,在所有这些研究中,这样的圆盘是非常有用的工具,因为它使我能够检测到行动中的任何不规则现象。在铁片上也会产生一种奇怪的现象。将一些铁片放在纸上,并在外部紧贴铁环,它们就会被置于振动运动中,尽管纸可能会被来回移动,但它们仍保持在同一位置;但当把纸提升到一定高度时,似乎取决于极点的强度和旋转的速度,它们就会被抛向与极点的假定运动相反的方向。如果把一张带有薄膜的纸平放在环上,突然打开电流,就可以很容易地观察到磁旋的存在。
  为了证明环和旋转的磁铁之间的完全相似性,用机械动力旋转了一个强烈通电的电磁铁,观察到的现象在每一个细节上都与上述的现象相同。
  显然,磁极的旋转会产生相应的电磁感应效应,可以用来在置于磁极影响范围内的封闭导体中产生电流。为此,方便的做法是用两组叠加的线圈绕成一个环,分别形成初级和次级电路,如图10所示。为了确保最经济的结果,磁路应该是完全封闭的,考虑到这一点,可以随意修改结构。
图8、图8a
  施加在次级线圈上的电磁感应效应主要是由于磁力作用的转移或移动造成的;但也可能由于磁极强度的变化而在电路中产生了电流。然而,通过正确设计发电机并确定初级线圈的磁化率,可以使后一种因素消失。极子的强度保持不变,设备的作用将是完美的,并将确保同样的结果,就像通过一个具有一定数量的换向器来检测移位一样。在这种情况下,每组初级线圈的通电效应与它们的结果电磁效应之间的理论关系可以用一个圆的方程来表示,该圆的中心与正交轴系的中心重合,半径代表结果,坐标代表它的两个组成部分。这两个分量分别是半径与其中一个轴(OX)之间的角度的正弦和余弦。参照图11,我们有r^2 = x^2 + y^2;其中x = r cos a,y = r sin a。
  假设变压器中每组线圈的电磁效应与电流成正比 - 这对于弱磁化程度来说是可以接受的 - 那么x=Kc和y=Kc^1,其中K是一个常数,c和c^1分别是两组线圈中的电流。此外,假设发电机的磁场是均匀的,在恒定速度下,我们有
  c^1 = K^1 sin a 和 c = K^1 sin (90° + a) = K^1 cos a。
  其中K^1是一个常数。见图12。
  因此:
  x = Kc = K K^1 cos a;y = Kc^1 = K K^1 sin a;以及K K^1 = r。
图9
  也就是说,对于一个均匀的磁场来说,两个线圈成直角的位置将确保理论上的结果,而且移极的强度将是不变的。但从r^2=x^2+y^2可以看出,对于y=0,r=x;因此,两组线圈的联合电磁效应应该等于一组线圈在其最大作用时的电磁效应。在变压器和某类电机中,磁极的变化不是很重要,但在另一类电机中,最好能得到理论上的结果。
  在将这一原则应用于电机的构造中,已经开发出两种典型的电机形式:1. 一种在启动时具有相对较小的旋转速度,但在所有负载下都能保持完全一致的速度,这种电机被称为同步电机。2. 形式是在启动时具有很大的旋转力矩,速度取决于负载。
  这些电机可以用三种不同的方式运行:1.只靠电源的交变电流。2.通过这些电流和感应电流的联合作用。3.通过交变电流和连续电流的共同作用。
图10
  最简单的同步电机是通过将一个带有极点凸起的层压环缠绕在四个线圈上,并以前面提到的方式连接起来而获得的。一个在两侧各切掉一段的铁盘可以用作电枢。这样的电机如图9所示。圆盘被安排在环内自由旋转,紧贴着凸起,很明显,随着磁极的移动,由于它倾向于将自己放在这样一个位置,以拥抱最大数量的磁力线,它的运动将与发电机电枢的运动同步;也就是说,在图9所示的特殊布局中,电枢在每个电路中通过一次旋转产生两个电流脉冲。很明显,如果电枢转一圈产生更多的脉冲,电机的速度就会相应地提高。考虑到当圆盘靠近两极时,对圆盘施加的吸引力最大,因此,这样的电机在其能力范围内的所有负载下都能保持完全相同的速度。
  为了便于启动,圆盘可以配备一个封闭在其上的线圈。这样的线圈所带来的好处是显而易见的。起动时,线圈中的电流使圆盘强烈通电,并增加了环对圆盘的吸引力,只要电枢的速度低于磁极的速度,线圈中就会产生电流,即使速度低于正常值,这样的电机也能完成大量的工作。由于磁极的强度不变,当电机以正常速度转动时,线圈中不会产生电流。
  可以将线圈的两端连接到两个绝缘的滑环上,并从一个合适的发电机向这些滑环提供持续的电流,而不是将线圈本身关闭。启动这种电机的正确方法是将线圈自行关闭,直到达到或接近正常速度,然后再打开连续电流。如果圆盘被连续电流非常强烈地激活,电机可能无法启动,但如果它被微弱地激活,或者一般来说,使环的电磁效应占优势,它将启动并达到正常速度。这样的电机在所有负载下都能保持绝对相同的速度。人们还发现,如果发电机的驱动力不过分,通过检查电机,发电机的速度会与电机的速度同步降低。这种形式的电机的特点是,它不能通过扭转通过线圈的连续电流而逆转。
图11、图12
  这些电机的同步性可以通过各种方式在实验中得到证明。为此,最好采用一个由静止的磁场和电枢组成的电机,如图13所示,电枢在其中旋转。在这种情况下,电枢磁极的移动会使电枢向相反方向旋转。因此,当达到正常速度时,电枢的两极相对于磁场磁铁的位置是固定的,而且电枢通过感应被磁化,每个极片上都有一个明显的极。如果一块软铁接近磁场,一开始就会被磁铁极性逆转产生的快速振动所吸引,但随着电枢速度的增加,振动变得越来越少,最终完全停止。然后,铁被微弱但永久地吸引,这表明已经达到了同步性,并通过感应使磁场通电。
  圆盘也可以用来做实验。如果相当靠近电枢,只要磁极的旋转速度超过电枢的旋转速度,它就会转动;但当达到正常速度,或非常接近正常速度时,它就会停止转动,并被永久吸引。
图13
  我们用一盏白炽灯做了一个粗略但具有说明性的实验。把灯放在连续电流发生器的电路中,并与磁铁线圈串联,可以观察到在启动时线圈中产生的感应电流使灯光快速波动;速度增加后,波动的时间间隔更长,直到它们完全消失,表明电机已经达到了正常速度。一个电话接收器提供了一个最敏感的仪器;当连接到电机的任何电路时,在感应电流消失时可以很容易地检测到同步性。
  在同步类型的电机中,最好能保持转移磁力的数量不变,特别是在磁铁没有被适当细分的情况下。
  为了在这些电机中获得一个旋转角度,我们进行了长期的思考。为了确保这一结果,有必要进行这样的处理:当电机的一个元件的磁极被电源的交变电流移动时,其他元件上产生的磁极应始终保持与前者的适当关系,无论电机的速度如何。这样的条件存在于连续电流电机中;但在同步电机中,如所述,这个条件只有在速度正常时才能得到满足。
图14
  通过将一个适当细分的圆柱形铁芯与几个独立的线圈缠绕在一起,达到了这个目的。如图14所示,两个成直角的线圈是最合适的,但更多的线圈也是有利的。由于这种配置,当环的极点移动时,封闭的电枢线圈中会产生电流。这些电流在磁力线密度最大的地方或附近最为强烈,其作用是在电枢上产生与环形磁极成直角的磁极,至少在理论上是如此;由于这种作用完全与速度无关,也就是说,就磁极的位置而言,在电枢的外围施加了持续的拉力。在许多方面,这些电机与连续电流电机相似。如果加载负载,速度和电机的电阻就会降低,更多的电流就会通过通电线圈,从而增加电流量。当负载被移除后,反电动势增加,通过初级线圈或通电线圈的电流减少。在没有任何负载的情况下,速度几乎等同于磁场磁铁的移极速度。
图15、图16、图17
  我们会发现,这些电机的旋转力完全等同于连续电流电机的旋转力。当电枢和电场磁铁没有任何凸起时,旋转力似乎是最大的;但由于在这种情况下,电场不能集中,可能最好的结果是只在其中一个元件上留下磁极凸起。一般来说,可以说凸起会减少扭矩,并产生同步的趋势。
  这类电机的一个特点是它们具有非常迅速地逆转的特性。这是由电机的特殊作用决定的。假设电枢在旋转,两极的旋转方向相反。那么这个装置就代表了一台发电机,驱动这个机器的动力是储存在电枢中的动量,其速度是电枢和磁极的速度之和。
图18、图19、图20、图21
  如果我们现在考虑到,驱动这样一个发电机的功率几乎与速度的三次方成正比,那么仅仅因为这个原因,电枢就应该迅速反转。但在反转的同时,另一个因素也开始发挥作用,即由于电枢上的磁极运动被逆转,电机的作用就像一个变压器,其中次级电路的电阻将通过在该电路中产生额外的电动势而被异常地减少。由于这些原因,反转是瞬间的。
  如果希望确保恒定的速度,同时在启动时有一定的力度,可以通过各种方式轻松实现这一结果。例如,两个电枢,一个用于转矩,另一个用于同步,可以固定在同一根轴上,任何想要的优势都可以给其中一个,或者一个电枢可以为旋转努力而缠绕,但通过适当地构造铁芯,可以给它一个或多或少明显的同步趋势;以及许多其他方式。
  作为在两个电路中获得所需的电流相位的一种手段,将两个线圈摆成直角是最简单的,可以确保最均匀的动作;但相位可以通过许多其他方式获得,随着所使用的机器的不同而不同。目前使用的任何一台发电机都可以通过与发电线圈的适当位置进行连接而轻松实现这一目的。在闭路电枢中,如在连续电流系统中使用,最好从换向器的等距点或条状物上做四个引出点,并将其连接到轴上的四个绝缘滑环。在这种情况下,每个电机电路都与换向器的两个截然相反的杆相连。在这种情况下,电机也可以在一半的电位和三线制的情况下运行,方法是将电机电路按适当的顺序连接到三个接触环上。
  在多极发电机中,例如在转换器系统中使用的多极发电机,通过在电枢上缠绕两个系列的线圈,可以方便地获得相位,当一组或一系列的线圈处于最大电流时,另一组的线圈将处于中性位置,或几乎处于中性位置,从而使两组线圈可以同时或连续地受到电场磁铁的感应作用。
  一般来说,电机中的电路会有类似的布置,而且可以做出各种安排来满足要求;但最简单和最可行的是将初级电路布置在电机的固定部件上,这样至少在某些形式上可以避免使用滑动触点。在这种情况下,磁铁线圈在两个电路中交替连接;也就是说,一个是1、3、5......,另一个是2、4、6......,每组串联的线圈可以以相同的方式连接,也可以交替地对接;在后一种情况下,电机的极数将减少一半,其动作也会相应地改变。图15、16和17显示了三个不同的相位,每个电路中的磁铁线圈交替地连接在一起。在这种情况下,总是有四个极,如图15和17;四个极的投影将是中性的;而在图16中,两个相邻的极的投影将有相同的极性。如果线圈以同样的方式连接,将有八个交替的极,如图15中的字母n' s'所示。
  在这个系统中,多极电机的使用确保了一个在连续电流系统中无法实现的理想优势,那就是可以使电机准确地以预定的速度运行,而不考虑结构上的缺陷和负载,以及在一定范围内的电动势和电流强度。
  在这种一般的配电系统中,应采用以下计划。在中央供电站,应提供一台具有相当多极数的发电机。由该发电机操作的电动机应是同步型的,但要有足够的旋转能力以确保其启动。在遵守适当的结构规则的情况下,可以承认,每个电机的速度将与它的尺寸成反比,并且应相应地选择极数。然而,特殊的需求可能会改变这一规则。有鉴于此,为每个电机提供更多数量的磁极凸起或线圈将是有利的,其数量最好是2和3的倍数。通过这种方式,只需改变线圈的连接方式,电机就可以适应任何可能的需求。
  如果电机中的极数是偶数,那么动作将是和谐的,并将获得适当的结果;如果情况不是这样,应遵循的最佳计划是制作一个具有双倍极数的电机,并以前面指出的方式连接,从而使极数达到一半。例如,假设发电机有12个极,并且希望获得相当于发电机速度12/7的速度。这就需要一个具有七极凸起或磁铁的电机,而这样的电机无法在电路中正确连接,除非提供十四个电枢线圈,这就需要使用滑动触点。为了避免这种情况,电机应该配备十四个磁铁,每个电路中连接七个,每个电路中的磁铁相互交替使用。电枢应该有14个封闭的线圈。电机的动作将不像偶数极的情况下那样完美,但缺点不会很严重。
  然而,这种不对称的形式所产生的缺点将随着极点数量的增加而按相同比例减少。如果发电机有n个极,而电机有n{1}个极,那么电机的速度将等于发电机的速度乘以n/n{1}。
  电机的速度通常取决于极数,但也可能有例外。速度可以通过电路中电流的相位、电流脉冲的特性或每个脉冲之间或每组脉冲之间的间隔来改变。图18、19、20和21显示了一些可能的情况,这些情况不言自明。图18代表了一般存在的情况,它能确保最好的结果。在这种情况下,如果采用图9所示的典型的电机形式,每个电路中的一个完整的波将产生电机的一圈。在图19中,同样的结果将由每个电路中的一个波来实现,脉冲是连续的;在图20中由四个波来实现,在图21中由八个波来实现。
  通过这种方式可以达到任何想要的速度,也就是说,至少在实际需求的范围内。这个系统除了具有这一优点外,还具有其他一些简单的优点。在满负荷的情况下,电机显示出完全等同于连续电流电机的效率。变压器在操作电机的能力方面还有一个优势。它们能够在结构上进行类似的修改,这将有助于引进电机并使其适应实际需求。它们的效率应该高于目前的变压器,我的论断基于以下几点:
  在目前结构的变压器中,我们通过改变初级电流或激励电流的强度来产生次级电路中的电流。如果我们承认铁芯的比例性,那么施加在次级线圈上的电感量将与单位时间内激励电流强度变化的数值之和成正比;因此,对于一个给定的变化,初级电流的任何延长都将导致相应的损失。为了获得电流强度的快速变化,这对于有效感应来说是必不可少的,因此采用了大量的起伏;这种做法产生了各种弊端。这些缺点是增加了发电机的成本,降低了发电机的效率;在加热铁芯时浪费了更多的能量,同时也降低了变压器的输出,因为铁芯没有得到适当的利用,反转太快了。在某些阶段,电磁感应效应也非常小,这一点从图表中可以明显看出,如果后续的电流脉冲或电波之间有间隔,可能会出现无作用期。在变压器中产生磁极移动,从而诱发电流时,感应是理想的,始终保持在其最大作用力。同样合理的是,假设通过磁极移动所浪费的能量要比反转所浪费的能量少。

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