Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2001 № 07

При мощностях же 5–7 тысяч киловатт, которые нужны прокатным станам и электровозам, щетки приходится часто менять, да еще чистить и протачивать коллектор…

Возни не оберешься! Хотели бы инженеры сделать двигатель помощнее раз в десять, да не рискуют. Может случиться, что большую часть времени он будет простаивать в ремонте. Вот и задумались над проблемой: а нельзя ли построить его вообще без коллектора? Думают уже лет сто, но еще не построили.

К сожалению, все попытки создания таких агрегатов обречены на неудачу по чисто теоретическим причинам, известным еще со времен Фарадея.

Русский ученый Б.Якоби создал первый в мире электромотор, в котором действие электромагнитных сил непосредственно преобразовывалось во вращение. С ним схожи все современные. Из его схемы можно понять, что для непрерывной работы электромотора необходимо переключающее устройство. Ведь после подключения к источнику тока катушки притянутся к полюсам магнита и застынут в таком положении до тех пор, пока не будет изменено направление тока. Тогда сменится полярность магнитного поля. И они, оттолкнувшись от полюсов магнита, сделают еще пол-оборота и опять застынут в новом устойчивом положении. Словом, для работы электромотора требуется устройство, превращающее постоянный ток в переменный. Ничего лучше коллектора для этого пока не придумали.

Якоби первым обратил внимание на то, что генератор превращается в электромотор, если через него пропускать ток. Обмотки генератора постоянного тока вырабатывают ток переменный, а в постоянный он превращается при помощи коллектора. Таким образом, машины постоянного тока (моторы и генераторы) «сходны до наоборот». Но беда у них одна.

Коллектор и щетки ограничивают мощность. Были попытки создать генераторы постоянного тока без щеток, но и они оказались безрезультатными.

Дело в том, что ток в контуре возникает от изменения текущего сквозь него магнитного потока. Пусть, к примеру, магнитный поток равномерно увеличивается. Неограниченно возрастать, как и все в нашем мире, магнитный поток не может, когда-то его рост должен закончиться, не правда ли? И тогда ток в контуре прекратится. Далее возросший пусть до «космических размеров» магнитный поток начнет уменьшаться, в контуре начнет индуцироваться ток, но уже другого направления. Чтобы во внешней цепи постоянный ток не менял направления, применяют коллектор — своеобразный механический выпрямитель.

Однако существуют открытые еще Фарадеем униполярные машины постоянного тока, в которых, на первый взгляд, коллектор отсутствует, хотя щеточный узел имеется. На рисунке 1 представлена схема такой машины.

Она имеет как бы один полюс, потому ее и называют униполярной, а соответствующее наведение ЭДС — униполярной индукцией. В этой машине сам диск представляет собой коллектор или коммутатор. Мысленно разрежем диск на ряд секторов. Они-то по мере вращения и вступают в контакт со щеткой и ведут себя как провод, пересекающий неподвижное (ибо магнит-то неподвижен!) магнитное поле. Возникает, как и положено, ЭДС. Поскольку направление и скорость движения секторов постоянны, то направление и величина ЭДС в них одинаковы. Так же постоянен ток в цепи униполярного генератора. Мысленно увеличивая число секторов диска до бесконечности, можно понять, почему так происходит.

Такое объяснение удобно для расчета, но в физическом отношении не полно.

Отметим еще одну принципиальную схему, которая была применена Фарадеем. Если взять вращающийся магнит (с круглым сечением) и соединить его с контуром (рис. 2) таким образом, чтобы один конец контура касался середины северного полюса, а другой — с помощью скользящего контакта магнита в нейтральной его плоскости, то в контуре будет наводиться ЭДС.

Все исходящие из магнита индукционные линии в силу симметрии находятся в плоскостях, проходящих через ось магнита. При вращении магнита вокруг своей оси число индукционных линий в контуре не увеличивается и не уменьшается независимо от того, считать ли силовые линии вращающимися вместе с магнитом или неподвижными относительно него. Поэтому, казалось бы, в контуре не должна наводиться ЭДС, но она наводится, что легко проверить прибором.

Это явление объясняется тем, что в контур вносятся все новые элементы длины. Если часть контура заменить неподвижным проводником, то действительно никакой ЭДС не наблюдалось бы. Но в контур входят части, которые постоянно по мере вращения магнита замещаются новыми элементами поверхности магнита. Именно эти элементы и пересекают индукционные линии поля, образуя ЭДС.

Униполярная индукция обратима: если в неподвижный контур включить какой-нибудь источник тока, обеспечив замыкание его через диск, то получим униполярный мотор. Так же можно заставить вращаться магнит, включив в цепь контура источник.

Униполярные машины могут быть приемлемы в техническом отношении по величине напряжения лишь при очень больших скоростях — на пределе механической крепости материала диска, подвергающегося разрывной силе.

Ввиду того, что «снимать ток» при таких больших скоростях с помощью скользящего контакта весьма трудно, да и из-за низкого КПД, униполярные машины распространения не получили. Такие машины в установках на 6 — 40 В конструировались в основном для целей электролиза. Однако нынче они не способны конкурировать с современными преобразователями.

Г. ЧЕРНИКОВ, к.т.н.

Какими же они представляются современникам?

На рисунке 1 приведена конструкция УМ с цилиндрическим ротором.

В принципе ротор можно сделать из меди, но предпочитают стальной. Он лучше концентрирует силовые линии магнитного поля, ЭДС получается намного выше, а машина в целом гораздо легче. Однако на такой ротор действует в осевом направлении большая сила магнитного притяжения. Поэтому и ротор, и статор делят на две части таким образом, чтобы магнитные силы были противоположны и компенсировались.

В униполярной машине и токи и поля постоянны, поэтому вихревых токов нет, потому как ротор, так и статор выполняются сплошными.

Помимо простоты производства появляется еще одно преимущество. КПД униполярной машины независимо от размеров близок к 100 %. Для сравнения отметим, что КПД генератора постоянного тока мощностью менее 500 Вт сегодня составляет 50–70 % в основном из-за потерь на вихревые токи. Но униполярная машина — это, грубо говоря, машина с обмоткой из одного витка. Потому она и дает относительно низкое напряжение — не более сотен вольт. Сила тока здесь достигает сотен тысяч ампер, и при этом он строго постоянен, практически лишен пульсаций. В этом есть свои плюсы и минусы. Плюс — в том, что можно получить ток такой силы. Минус — ток низкого напряжения невозможно передавать на большие расстояния. Потому униполярные генераторы ставятся там, где такая передача не требуется, например, электролитические производства.