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旋轉(zhuǎn)磁場

#特斯拉發(fā)明# 0 0
旋轉(zhuǎn)磁場,磁感應(yīng)矢量在空間以固定頻率旋轉(zhuǎn)的一種磁場;是電能和轉(zhuǎn)動機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)換的基本條件。因其沿定、轉(zhuǎn)子鐵心圓柱面不斷旋轉(zhuǎn)而得名。它一種大小不變,而以一定轉(zhuǎn)速在空間旋轉(zhuǎn)的磁場,有圓旋轉(zhuǎn)磁場和橢圓旋轉(zhuǎn)磁場之分。旋轉(zhuǎn)磁場可以由多相(兩相或多相)電流或單相電流產(chǎn)生,前提是在后一種情況下,提供兩個勵磁繞組,并且設(shè)計成兩個產(chǎn)生的磁場由此產(chǎn)生的場是異相的。旋轉(zhuǎn)磁場是特斯拉發(fā)明的,現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于交流電機(jī)、測量儀表等裝置中。
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概念解釋

旋轉(zhuǎn)磁場是一種大小不變,而以一定轉(zhuǎn)速在空間旋轉(zhuǎn)的磁場。在對稱三相繞組中流過對稱三相電流時會產(chǎn)生一種旋轉(zhuǎn)磁場,該磁場隨電流交變而在空間不斷地旋轉(zhuǎn)著。

交流電機(jī)氣隙中的磁場。因其沿定、轉(zhuǎn)子鐵心圓柱面不斷旋轉(zhuǎn)而得名。旋轉(zhuǎn)磁場是電能和轉(zhuǎn)動機(jī)械能之間互相轉(zhuǎn)換的基本條件。

通常三相交流電機(jī)的定子都有對稱的三相繞組(見電樞繞組)。任意一相繞組通以交流電流時產(chǎn)生的是脈振磁場。但若以平衡三相電流通入三相對稱繞組,就會產(chǎn)生一個在空間旋轉(zhuǎn)的磁場。磁場的對稱軸線φ隨時間而轉(zhuǎn)動,其轉(zhuǎn)速ns由電流頻率f和磁極對數(shù)P決定 ns稱為同步轉(zhuǎn)速或同步速(以轉(zhuǎn)每分表示)。中國應(yīng)用的工業(yè)電源的頻率f為50赫,于是兩極電機(jī)(P=1)的ns=3000轉(zhuǎn)/分;四極電機(jī)(P=2)的ns=1500轉(zhuǎn)/分;余類推。

在一般情況下,電流變化一個周期,磁場軸線在空間就轉(zhuǎn)過一對極。

若近似地認(rèn)為磁場沿圓周作正弦形分布,并用磁場軸線處的空間矢量Ø來代表,用矢量長度表示磁場振幅,則理論分析證明,三相對稱繞組通以平衡的三相電流時,產(chǎn)生的是一個振幅不變的旋轉(zhuǎn)磁場。這時矢量Ø在旋轉(zhuǎn)過程中它的末端軌跡為一圓形,故名圓形旋轉(zhuǎn)磁場。這個結(jié)論可以推廣到一般的多相(包括兩相)系統(tǒng)。即多相電機(jī)對稱繞組通以平衡多相交流電流,則產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場。

一般說來,旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向總是從電流超前的相移向電流滯后的相。如果將三相的3個引出線任意兩個對調(diào)再接向電源,即通入三相繞組的電流相序相反,則旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向也跟著相反。

如果三相電流不平衡,可用對稱分量法把三相電流系統(tǒng)分解為正序電流系統(tǒng)和負(fù)序電流系統(tǒng)。正序電流系統(tǒng)產(chǎn)生一個正向圓形旋轉(zhuǎn)磁場,負(fù)序電流系統(tǒng)產(chǎn)生一個反向圓形旋轉(zhuǎn)磁場。一般情況,兩個磁場振幅大小不等,其合成磁場矢量的末端軌跡為一橢圓形,故名橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場。這個結(jié)論也可以推廣到一般的多相(包括兩相)電機(jī)。

分類

圓旋轉(zhuǎn)磁場

磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量B的箭頭末端沿圓周移動的旋轉(zhuǎn)磁場。

順時針旋轉(zhuǎn)磁場:三個完全一樣的線圈AX、BY、CZ在空間沿著順時針方向彼此間隔120°,其中BY在AX之后,CZ又在BY之后(圖2)。若對這三個線圈的始端A、B、C通入正序的對稱三相電流,則在三個線圈的中心處O所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量B的模B=3/2Bmp(Bmp為每一相電流在O處產(chǎn)生的正弦磁感應(yīng)強(qiáng)度的振幅),矢量B與x軸的夾角β=π-ωt。這樣,隨著時間的增加,磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量B的大小保持為3/2Bmp不變,同時以角速度ω在空間作順時針旋轉(zhuǎn),故該磁場為順時針旋轉(zhuǎn)的圓旋轉(zhuǎn)磁場。圖3是該磁場中在t=0、T/4、T/2和3/4T時的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量B的示意圖(設(shè)A相電流iA的初相位為零)。其中周期T=2π/ω,rA0、rB0和rC0是指示方向的單位矢量,長度為1,方向則與所對應(yīng)的線圈的繞行方向成右手螺旋關(guān)系。

逆時針旋轉(zhuǎn)的磁場:三個線圈的始端A、B、C處通入負(fù)序的三相對稱電流,則在三個線圈的中心處O的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量B的模B=3Bmp/2,但矢量B與x軸的夾角β=ωt。隨著時間的增加,磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量B的大小不變,卻以角速度ω作逆時針旋轉(zhuǎn),故該磁場是逆時針旋轉(zhuǎn)的圓旋轉(zhuǎn)磁場。

三相電動機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn):三相電動機(jī)定子上三個線圈叫做定子繞組。將該電動機(jī)接于用戶端的三相電源線上,若通入定子繞組AX、BY、CZ始端的是正序的對稱三相電流,繞組電流會在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場,使電機(jī)正轉(zhuǎn);若通入的是負(fù)序的對稱三相電流,則三相電動機(jī)反轉(zhuǎn)。三相電動機(jī)正常工作時一般是正轉(zhuǎn)的。這樣,三相電動機(jī)接到三相電源線之前,需先用相序指示器確定好三相電源線的A、B、C的相序。

橢圓旋轉(zhuǎn)磁場

磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量B的末端移動的軌跡為橢圓的旋轉(zhuǎn)磁場。當(dāng)三個線圈不一樣或者是通入三個線圈始端的是正序(負(fù)序)不對稱三相電流,則隨著時間的增加磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量B末端移動的軌跡為橢圓,故該磁場為橢圓旋轉(zhuǎn)磁場。

產(chǎn)生條件

產(chǎn)生的基本條件:兩個磁軛的幾何夾角與兩相激磁電流的相位差均不等于0度或180度。

應(yīng)用實(shí)例

三相感應(yīng)電動機(jī):定子繞組由三相交流電源供電,轉(zhuǎn)子繞組中的電流靠電磁感應(yīng)產(chǎn)生,從而把電能變成機(jī)械能的裝置。又稱異步電動機(jī)。

所謂二極是指定子繞組通電后將定子鐵心內(nèi)壁劃分為一對磁極,磁感應(yīng)線發(fā)出的極面稱為N極,磁感應(yīng)線進(jìn)入的極面稱為S極。三相感應(yīng)電動機(jī)主要由定子(電動機(jī)不動部分)和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。定子包括鐵心和繞組。定子鐵心由硅鋼片疊壓而成,鐵心內(nèi)壁開槽,槽內(nèi)安放定子繞組。定子繞組是定子的電路部分,由漆包銅(或鋁)線繞成,是三組材料、匝數(shù)、線徑、繞法、形狀、大小完全相同的線圈,且空間位置互成120°,稱為對稱三相繞組。

由于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速與電源頻率有固定的關(guān)系,所以旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速稱為同步轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)方向是順時針。說明是由電流超前的相轉(zhuǎn)向電流落后的相。

當(dāng)定子三相繞組通入三相對稱電流后電動機(jī)內(nèi)就產(chǎn)生一個圖4所示的旋轉(zhuǎn)磁場。磁場順時針旋轉(zhuǎn)就相當(dāng)于轉(zhuǎn)子籠條(即鑄鋁的鋁條,籠條有很多根,圖4中只畫出兩根a1、a2作代表)a1、a2逆時針去切割磁感應(yīng)線,于是在轉(zhuǎn)子籠條中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流其方向圖4所示。由于轉(zhuǎn)子電流不是靠通電而是靠感應(yīng)產(chǎn)生,所以稱為三相感應(yīng)電動機(jī)。由安培定律可判斷出轉(zhuǎn)子籠條所受磁力方向。轉(zhuǎn)子在這個電磁力矩的作用下也將順時針轉(zhuǎn)動,即轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向是一致的。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸所帶負(fù)載輕重有關(guān),但轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速總要小于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速,否則它將因不受電磁轉(zhuǎn)矩在阻力矩作用下慢下來。因而三相感應(yīng)電動機(jī)又稱三相異步電動機(jī)。二極電動機(jī)中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一般在2800轉(zhuǎn)/分以上,與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速相差很小。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速用n1表示,轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速用n表示,則S=1-n/n1稱為感應(yīng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率。二極電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率大約在0.02~0.06之間,可見它的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化范圍不大。由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向一致,而旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向又由電流的相序決定,所以當(dāng)調(diào)換兩根電源線時由于電流相序的改變旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向就要反向,從而轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向也就反向。可見三相感應(yīng)電動機(jī)可通過任意調(diào)換兩根電源線方便地使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸改變轉(zhuǎn)動方向。

三相感應(yīng)電動機(jī)是靠通電后轉(zhuǎn)軸上帶負(fù)載把電能變成機(jī)械能的裝置。它有堅固耐用、價格便宜、便于維修、使用簡便等優(yōu)點(diǎn),但它也有起動轉(zhuǎn)矩不大、調(diào)速性能不好等缺點(diǎn),在這方面直流電動機(jī)有明顯的優(yōu)越性。

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