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获得电机或发电机所需速度的方法

  尼古拉·特斯拉的发明、研究和著作(6)
  作者:托马斯·科默福德·马丁

  第6章 获得电机或发电机所需速度的方法
  为了在使用不同相位的交流电的电机中获得所需的速度,特斯拉先生设计了各种计划,以满足实际的要求,使他的系统适用于多极交流机的类型,每转产生大量的电流逆转。
  例如,特斯拉先生指出,为了适应某种类型的交流发电机,你可以将两台完整的机器硬性连接在一起,以产生必要的相位差;或者你可以将两个电枢固定在同一轴上,在同一磁场的影响下,以必要的角度位移产生两股电流之间的适当相位差。或将两个电枢连接到同一轴上,其线圈对称放置,但受两组适当位移的磁场影响;或将两组线圈交替缠绕在同一电枢上,或以这种方式形成电流,其相位在时间上有适当的差异,以产生电机的旋转。
  在同一思路的范围内包括的另一种方法,即一台发电机以它自己的速度或全部以不同的速度运行若干电机,是用比发电机更少的极数建造电机,在这种情况下,它们的速度将大于发电机的速度,由于它们的极数相对较少,所以速度较高。这可以从一个例子中得到理解,例如,发电机有两个独立的发电线圈,它们在两个磁化相反的极片之间旋转;而电机则有通电线圈,在任何时候都会在一个元件中产生两个磁极,从而使电机产生旋转的趋势。这样构造的发电机在每一转中产生四个反转或脉冲,每个独立电路中产生两个;对电机的影响是使磁极移动三百六十度。很明显,如果发电机每转半圈就能产生相同顺序的四次反转,那么电机就能在发电机的一圈中转两圈。这可以通过在发电机上增加两个中间极或以上述任何其他同等方式改变它来轻易实现。同样的规则也适用于多极的发电机和电机。例如,如果一台发电机有两个电路,每个电路一圈产生12个反向电流,而这些电流通过电机的独立通电线圈,其线圈的作用是在任何时候都产生12个磁极,那么两者的旋转将是同步的;但如果电机线圈只产生6个磁极,可动元件将旋转两次而发电机旋转一次;或者如果电机有四个磁极,其旋转速度将是发电机的三倍。
图28
  这些特征,只要是理解本原理所必需的,在此都作了说明。图28是根据本发明建造的发电机的示意图。图29是一个相应的发电机的类似视图。
  构建的电机。图30是修改后的发电机的结构图。图31是一个具有相应特性的电机的图。图32是一个包含发电机和几个适合以不同速度运行的电机的系统图。
  在图28中,让C代表一个圆柱形电枢芯,纵向缠绕着绝缘线圈A A,这些线圈串联起来,串联的终端与轴G上的集电环a a相连。通过这根轴,电枢被安装在环形环形磁场D的两极之间旋转,形成了缠绕着线圈E的极性凸起,使上述凸起磁化。线圈E被包含在发电机F的电路中,通过它,电磁铁被赋予了能量。如果这样构造,该机器就是一个众所周知的交流发电机。然而,为了适应他的系统,特斯拉先生在电枢C上缠绕了第二组线圈B,B与第一组线圈处于中间位置,或者说,在这样的位置上,当一组线圈处于与电磁铁磁极的相对位置,产生最大电流时,另一组的线圈将处于产生最小电流的位置上。线圈B也串联在两个连接环上,一般固定在电枢另一端的轴上。
图30
  图29所示的电机有一个环形的电磁铁H,有四个绕有线圈I的极片。电枢的结构与发电机类似,但有两组闭合回路的两个线圈,以对应减少的电磁场中的磁极数量。从上述情况可以看出,发电机电枢转一圈,在每个电路中产生8个电流脉冲,就能使电动机电枢转两圈。
  然而,本发明原理的应用并不局限于任何特定形式的机器。在图30和图31中,显示了另一种众所周知的发电机和电动机。在图30中,J J是放置在一个圆圈中的磁铁,并绕有线圈K,它与一个提供电流以维持力场的发电机形成回路。在这些机器的通常结构中,电枢导体L由一个合适的框架承载,以便在磁铁J J的对面或在这些磁铁和它们前面的另一组类似磁铁之间旋转。磁铁通电,以便在整个系列中交替使用相反的极性,这样,当导体C旋转时,电流脉冲就会相互结合或相加,导体在任何特定位置产生的脉冲都是在同一方向。为了使这样的机器适应他的系统,特斯拉先生增加了第二组感应导体M,在各方面都与第一组相似,但相对于它来说,每组产生的电流将相差四分之一。有了这样的关系,很明显,当导体L中的电流减少时,导体M中的电流就会增加,反之亦然,在这个系统中所发明的任何形式的特斯拉电机都可以通过这样的发电机来操作。
  图31旨在显示与图30中的机器相对应的电机。电机的结构与发电机的结构相同,如果与之相联,它将与之同步运行。J'J'是电场磁铁,K'是其上的线圈。L'是电枢导体之一,M'是另一个。
  图32显示了其他形式的机器的示意图。在这种情况下,发电机N被显示为由一个固定的环O组成,上面缠绕着24个线圈P P',交替的线圈被串联在两个电路中。在这个环内有一个圆盘或圆筒Q,圆盘或圆筒的凸起Q'上绕有通电线圈,与发电机R形成回路。通过驱动这个圆盘或圆筒,在线圈P和P'中产生交变电流,这些电流被带到几个电机上运行。
  电机由一个环形或环形的电磁铁S组成,绕有两组通电线圈T T',以及电枢U,其凸起部分U'绕有线圈V,所有这些都串联在一个闭合的回路中,或每个都独立关闭。
  假设十二个发电机线圈P以相反的方向交替缠绕,因此同一组线圈中任何相邻的两个线圈都倾向于在它们之间的环O中产生一个自由极,而十二个线圈P'也将被类似地缠绕。因此,圆盘或圆柱体Q转一圈,其十二个极性的凸起是相反的,将在每个电路W W'中产生十二个电流脉冲。因此,有16个线圈或8个自由极的马达X,将对发电机的1个半圈进行转动。电机Y,有12个线圈或6个极,将以两倍于发电机的速度旋转,而电机Z,有8个线圈或4个极,将以三倍于发电机的速度旋转。这些多极电机有一个特殊性,可以经常利用它来获得巨大的优势。例如,在图32的电机X中,八个极可以交替相对,或者在任何时候都可以交替出现两个相似的极和两个相反的极。通过适当的电气连接,这一点很容易实现。然而,这种变化的效果相当于将极数减少一半,从而使任何给定电机的速度增加一倍。
图32
  很明显,具有独立初级电流的特斯拉电力变压器可以与所述发电机一起使用。就我们现在描述的设备而言,也可以说,当发电机和电动机的极数是偶数而不是奇数时,就能获得最完美和最和谐的作用。如果不是这样,就会出现某种不均匀的动作,这种不均匀性随着极数的增加而越发明显;尽管这可以通过特殊的规定得到一定程度的纠正,但在此没有必要解释。当然,如果电机的极数大于发电机的极数,那么电机的旋转速度将比发电机慢。
  在这一章中,我们可以包括特斯拉先生设计的一种方法,以避免大型发电机所需的非常高的速度。为了代替高速旋转的发电机电枢,他通过旋转发电机的一个元件的磁极,同时以不同的速度驱动另一个元件,来确保所需的结果。其效果与高速旋转产生的效果相同。
  在这种情况下,为电机或变压器运行提供电流的发电机由一个细分的环形或环形铁芯组成,上面缠绕着四个截然相反的线圈E E',图33。在环内安装了一个圆柱形的电枢铁芯,纵向缠绕着两个独立的线圈F F',其两端分别通向电枢轴上的两对绝缘接触或收集环D D' G G'。集电刷D D' G G'分别承受在这些环上,并通过两个独立的线路电路M M'输送电流。在主线中,可能包括一个或多个电机或变压器,或者两者都有。如果使用电机,则采用通常的特斯拉结构形式,带有独立的线圈或一组线圈J J',分别包含在电路M M'中。这些通电线圈缠绕在一个环形或环形磁场上,或缠绕在其上的极片上,并在通过它们的交变电流的作用下,产生磁力从一极到另一极的渐进式转移。电机的圆柱形电枢H是由两个成直角的线圈绕成的,它们形成独立的闭合电路。
  如果采用变压器,一组初级线圈,如N N,绕在环形或环形铁芯上,连接到一个电路,如M',而其他初级线圈N N',连接到电路M。
图33
  这种发电机采用了一个励磁器。这包括两个永久磁化的钢极A A,或由电池或其他连续电流的发电机激发的铁极,以及一个安装在轴上的圆柱形电枢芯B,并缠绕着两个纵向线圈C C'。每个线圈的一端分别与集电环b c相连,而另一端都与一个环a相连。集电刷b' c'分别承受在环b c上,导体L L将其中的电流通过发电机的线圈E和E输送出去。L'是刷子a'的共同回线。这样就形成了两个独立的电路,一个包括励磁机的线圈C和发电机的E E,另一个是励磁机的线圈C'和发电机的E' E'。由此可见,励磁机的运行产生了发电机环形屏蔽铁芯磁极的渐进式运动,磁极的移动或旋转与励磁机电枢的旋转是同步的。考虑到这样建立的系统的运行条件,我们会发现,当励磁机被驱动以使发电机的电场通电时,如果让发电机的电枢自由转动,它的旋转速度实际上与励磁机的速度相同。如果在这种条件下,发电机电枢的线圈F F'自闭或短路,至少在理论上,这些电枢线圈中不会产生电流。在实践中,可以观察到轻微电流的存在,它的存在可归因于发电机环的磁极强度或多或少的明显变化。因此,如果电枢线圈F F'通过电机关闭,只要发电机电枢的运动与励磁机或其磁场的磁极同步,后者就不会被转动。相反,如果发电机电枢的速度以任何方式受到限制,从而使电场磁极的移动或旋转变得相对更快,电枢线圈中就会产生电流。这显然是由于力线穿过电枢导体而产生的。磁极的旋转速度相对于电枢的旋转速度越大,后者线圈中产生的电流就越快,电机也就越快地旋转起来,这种情况一直持续到电枢发电机完全停止,如刹车,这时,如果结构正确,电机就会以发电机磁极旋转的速度运行。
  在发电机电枢线圈中形成的电流的有效强度取决于给发电机通电的电流强度和发电机磁极在单位时间内的旋转次数;因此,电机电枢的速度在任何情况下都取决于发电机电枢及其磁极的相对速度。例如,如果磁极在单位时间内转动两千次,电枢转动八百次,则电机将转动一千二百次,或几乎如此。非常细微的速度差异可以通过一个微妙平衡的电机来表示。
  现在,我们假设对发电机电枢施加动力,使其向与其磁极旋转方向相反的方向转动。在这种情况下,结果将类似于发电机所产生的结果,发电机的电枢和磁场的旋转方向是相反的,由于这些条件,电机电枢将以等于发电机电枢和磁极速度之和的速度旋转,因此,发电机电枢的相对低速将在电机中产生高速度。
  在这个系统中可以看到,通过检查电机的速度或在变压器的次级电路或电路中增加多弧度的平移装置来减少发电机电枢外部电路的电阻,电枢电路中的电流强度会大大增加。这有两个原因:第一,电机和发电机的速度差异很大;第二,该设备与变压器类似,当电枢或次级电路的电阻降低时,发电机的电场或初级电路中的电流强度就会增加,电枢中的电流也会相应增加。由于类似的原因,当电枢与磁极同向运行时,电枢线圈的速度降低,发电机中的电流就会迅速增加,反之亦然。
  从上述描述中可以理解,发电机电枢可以沿磁极移动的方向运行,但速度更快,在这种情况下,电机的速度将等于这两个速度之间的差值。

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