交流供电需要适用的电动机
十九世纪八十年代,交流电已经能通过变压器改变电压,为分散灯具供电;让同一系统稳定驱动机器,仍是工程师关注的问题。许多直流电动机依靠换向器和电刷,在转动中改变线圈电流方向。这些接触部件需要维护,还会限制装置在不同工况下的表现。
在纽约工作的尼古拉·特斯拉提出,让不同线圈中的交流电按规定的时间次序变化,直接造成磁极位置的连续移动。美国专利US381968A《电磁电动机》于1887年10月12日申请,1888年5月1日授权;同年5月,他又向美国电气工程师学会介绍交流电动机和变压器系统。专利授权、学会报告与随后工业采用是相互关联但不同的阶段。
不转动的线圈怎样形成旋转磁场
US381968A用一组接线与位置图展示基本过程。发电机内两组线圈在空间上错开,输出随时间变化但不同步达到最大值的电流;这些电流分别接到电动机内相应的独立线圈。某一组作用最强时,磁场主要沿一个方向;另一组增强、前一组减弱时,合成磁场的方向便向前移动。
只靠单个线圈中电流正负往复,磁场通常是在固定轴线上增强、减弱和反转。多组线圈的空间安排加上电流的相位差,才使合成作用依次经过各个方向。外部定子不需要整体旋转,内部可转动部分却持续受到趋向移动磁场的作用,这就是装置把电能转为旋转运动的关键。
电源、磁场与转子的配合
专利描述多种实现形式,包括置于线圈间的可转动磁性圆盘,以及磁场和电枢都绕有线圈的配置。这里的电枢、磁场线圈等术语需结合图纸判断具体位置,不能把一项早期专利中所有装置都直接称作后来标准化的鼠笼式感应电动机。共同点是借助相互独立的交流回路,使磁极逐步移位。
在学会报告里,特斯拉进一步讨论闭合的转子回路:移动磁场与转子之间的相对运动产生感应电流,电流又参与形成转矩。这样的电机在负载下通常要与磁场保持一定相对速度,才能维持感应作用。因此,磁场转速与轴的实际转速应当分开讨论,不能把所有多相电动机都说成无条件严格同步。
运行效果还取决于线圈匝数、铁心结构、转子电阻、电源频率以及接线顺序。改变相序能够改变磁场旋转方向;选定频率与磁极数则影响设计转速。把这些条件说清楚,比只说“交流电使电机旋转”更能体现早期系统设计的具体内容。
专利保护的是哪些组合
US381968A第一项权利要求将具有独立回路的电动机与具有相应感应回路的交流发电机组合起来,通过各回路的独立连接,使发电机转动造成电动机磁极的逐步移位。第二项进一步指向两个或更多独立磁化线圈及对应供电回路的配合。它讨论的是可描述、可连接的装置组合,而不是对一切交流现象作笼统占有。
文件还明确把某些操作方法留给另案申请。这说明理解特斯拉的1888年成果,需要区分同年获授的多项相关专利:一项文件的题名、附图与权利要求有特定范围,不能把整套多相技术的发展压缩成一个专利号。
参考:[1]
从专利配置到展场设备
1888年,乔治·威斯汀豪斯取得特斯拉有关系统的专利权利,并推动公司将交流电机纳入供电设备。实际采用需要工程团队把实验形式改成可制造、可启动并能承担负载的机器,也需要发电、变压、线路与控制设备配合。
1893年芝加哥博览会提供了可核对的后续实例。巴雷特的电气部门记录记载,机械馆供给的两相电流用于特斯拉电动机,既支持照明,也带动其他发电与励磁装置。这样的运行记录显示多相系统如何从专利文字进入成套工程。1888年的意义,正在于把相位有序的电流、移动磁场和可用机械转动联系成可实现的方案。