电机中的旋转磁场原理详解
电机中的旋转磁场原理详解
电机中的旋转磁场是电机能够转动的核心概念，由天才物理学家尼古拉·特斯拉构想出来。这一概念不是发现，而是发明，通过设定产生旋转磁场的目标，然后利用电学手段，用对称交流电通入相应的对称绕组中产生出来。
一. 旋转磁场的基础概念
要想弄清旋转磁场，先要弄清旋转。在二维平面坐标系中，平面图像的旋转有两种：a) 一个平面图形绕该图像外一点旋转；b) 一个平面图形绕该图形内一点旋转。在三维空间中一个三维物体的旋转同样有两种：a) 三维物体绕不穿过该物体的一个轴旋转，就像地球绕着太阳公转；b) 三维物体绕穿过该物体的一个轴旋转，就像地球绕着地轴自转。
二. 旋转磁场的构造
2.1 一个点内部的旋转磁场
在二维平面上的一个点上，可以构造一个旋转磁场。如图1所示，在坐标原点上有一个大小为B，绕着该点逆时针旋转的旋转磁场，磁场的旋转角速度为ω（假设磁感应强度B绕着该点旋转一周的时间为T）。
图1. 一个点上的旋转磁场
如图2所示，三个相同的电感线圈ABC在空间中互成120°放置，在三个线圈中通入三相对称交流电，那么，在该点上就会产生一个图1中所示的幅值相等方向旋转的旋转磁场。
图2. 一个点内部的旋转磁场
2.2 平面内一点绕另一点旋转的磁场
如图3所示，在P点上有一个点磁场，P点与O点的距离为r，即|OP|=r。在t0时，P点上的磁场方向为沿着x轴正方向，磁场大小为B，平面上其余点上的磁感应强度为0，随后，随着时间的推移P点绕着O点逆时针旋转，旋转角速度为ω，同时，除了P点外，其余点上的磁感应强度仍然保持为 0，这样就构造了一个平面内的一个绕着其他点旋转的点上的旋转磁场。
图3. 一个绕着平面内一点旋转的点磁场
在任意时刻t沿着P点轨迹的圆周，把圆周上各个点上的磁感应强度记录在笛卡尔坐标系中，坐标系的横轴s是圆周上的一点沿着逆时针方向与P点构成的圆弧的距离，坐标系的纵轴是该点的磁感应强度的大小，如图4所示。
图4. 平面中一个点绕原点旋转的磁场沿圆周的磁感应强度分布
2.3 二维平面上的旋转磁场
如图5所示，在t0时刻，x轴正半轴上有一条直线形的磁场，并且，越靠近原点O的点上的磁感应强度越大，越远离O的点上的磁感应强度越小，所有点的磁场方向都是沿着x轴正方向，平面内其余点上的磁感应强度为0。随着时间的推移x轴正半轴上的线形磁场绕着原点O，以角速度ω旋转，于是便得到了一个二维平面上绕着一个点旋转的一个线形旋转磁场。
图5. 二维平面内的线形旋转磁场
2.4 三维空间中的旋转磁场
假设在t0时，三维空间中有一个固定的磁场，该磁场中每一个点上的磁感应强度B都保持不变（幅值固定，方向不变化）。随后，随着时间推移，在该磁场中以一条直线作为旋转轴，让整个磁场绕着该轴以角速度ω旋转，即可得到一个空间中的旋转磁场，实际上是每个点上的磁感应强度矢量B，绕着这个轴做旋转运动（B的幅值保持不变，放向不断变化），该点旋转轨迹所在的平面与旋转轴直线垂直。
三. 电机内的旋转磁场
电机内的旋转磁场主要考察的是，电机定子与转子之间的气隙内的由三相对称绕组通入三相对称交流电产生的定子旋转磁场。可以这样假设：把电机的转子拆除，只保留电机的定子，通入三相对称交流电之后定子圆环内部气隙中的磁场（即，基波磁场）。在任一固定时刻，沿着气隙圆周，电机内磁场的分布为正余弦分布，即，如下图6所示（一个示例，假设气隙圆周的圆半径为r）。其中x轴是在气隙圆周上选择一个固定点作为起点，然后沿着逆时针方向移动得到另一点，两点之间弧长的距离就是横坐标的值，纵坐标B是该点的磁感应强度B的大小。
图6. 气隙圆周上的磁场分布（一对磁极）
随之时间t的推移，该正余弦分布分磁场以一个角速度ω绕着电机的转轴旋转（旋转对称轴，即，定子圆环的旋转对称轴）。
四. 旋转磁场类比理解
假设有一个密度不均匀的形状不规则石块，石块上的每一点密度均不相同，在石块中打一个孔，将一根细铁棒从孔中穿过，固定细铁棒在空间中的位置，然后，让石块绕着铁棒旋转，则产生的是一个旋转的密度场。如果石块的形状为圆柱形，转轴是圆柱的对称轴，再给石块上的每一个点的密度值附加上一个方向，方向可以人为指定，然后让石块绕着铁棒旋转，产生的将是旋转的有向密度场。如果将各个点上的方向指定的和电机中磁场的方向类似，将各个点的密度值指定的和旋转磁场的磁场强度大小类似，那么，旋转的有向密度场就与电机的旋转磁场类似。