Исследование генераторов с движущейся лентой показывает, что использование сжатого газа с высокой электрической прочностью, допускающего большую плотность заряда на транспортере, все же недостаточно для повыше ния удельной мощности генераторов с транспортером-диэлектриком. Как и в случае генераторов с транспортерами- проводниками, необходимо соответствующее конструктивное оформление генераторов с транспортером-диэлектриком, чтобы в максимальной степени использовать свойства сжатого газа. С этой точки зрения генераторы с ленточным транспортером зарядов конструктивно неудовлетворительны.
Колебания тангенциальной составляющей напряженности поля Еt, вызванные как прерывистой структурой статора, так и вибрациями ленты, вызывают появление дополнительной нормальной составляющей напряженности поля, величина которой может быть сравнима с амплитудой переменной тангенциальной составляющей напряженности поля. Это приводит к тому, что расчетная величина Еп должна быть снижена во избежание перенапряжений и последующей ионизации газа. Кроме того, вследствие большой неравномерности поля в промежутке между кольцевой колонкой (статором) и заряженной поверхностью ленты вообще невозможно достижение большого значения нормальной составляющей Еп. Для обеспечения больших значений Еп между статором и ротором необходимо придать полю возможно большую однородность при минимальной величине промежутка. Известно, что с уменьшением величины промежутка электрическая прочность его увеличивается. Примером могут служить данные табл. 2-1, в которой приведены некоторые значения электрической прочности воздуха при атмосферном давлении в слабонеравномерном поле для различных промежутков d. Как видно из табл. 2-1, для малых промежутков получено упрочнение воздуха более чем в 3 раза.
Таблица 2-1
Зависимость электрической прочности воздуха при атмосферном давлении от расстояния между электродами в слабонеравномерном поле
Аналогичное явление имеет место и в сжатые газах.
Эти и другие обстоятельства привели к необходимости использовать сплошной полупроводящий статор и более жесткую систему транспортера. Так появились цилиндрические роторные генераторы с транспортером-диэлектриком, схема устройства которых дана на рис. 2-36. Ротор 1 (вращающийся транспортер зарядов) выполняется в виде цилиндра из твердого диэлектрика с тонкими стенками. С наружной стороны его располагаются ионизаторы 3 и 4 зарядного и соответственно разрядного устройств.
Рис. 2-36. Схема цилиндрического роторного генератора с транспортером-диэлектриком.
Внутри ротора размещается неподвижный статор 2 цилиндрической формы из полупроводящего материала для обеспечения равномерного распределения потенциала. На статоре укрепляются индукторы 5 и 6 зарядного и разрядного устройств. Напряжение возбуждения U1 подается на индуктор зарядного устройства, а ионизатор заземляется. В этом случае источник возбуждения может быть выбран маломощным, так как его энергия затрачивается только на восполнение утечек по изоляции статора. Заряды, стекающие с ионизатора на транспортер (ротор), имеют знак, противоположный полярности напряжения возбуждения. Индуктор и ионизатор разрядного устройства соединяются накоротко. Процессы зарядки и разрядки в генераторе протекают значительно сложнее, чем это следует из обычной теории однократной зарядки (см. § 2-6).
Если поверхность диэлектрика подвергается действию электрического поля, то ионы соответствующего знака постепенно приближаются к поверхности, а затем улавливаются ею. При достаточно высоком удельном сопротивлении диэлектрика на нем образуется такое скопление зарядов, при котором силовые линии поля уже не могут проходить через его поверхность. Этот эффект ионного экранирования иллюстрируется рис. 2-37.
Если поле изменяется во времени, то поверхностная плотность ионов принимает такое значение, что средняя величина нормальной составляющей напряженности поля на поверхности диэлектрика равна нулю. Эти соображения остаются в силе и тогда, когда диэлектрик вращается в постоянном поле.
Если принять, как обычно, что транспортер при однократной зарядке несет во время первой половины периода заряды с плотностью ε0 (Еп —E0) при напряженности поля в зазоре между статором и ротором Еп—Е0, а во время второй половины периода сохраняется только остаточный заряд при незначительной величине напряженности поля, то такое положение согласно вышеизложенному не может долго существовать, так как в этом случае средняя напряженность поля была бы равна не нулю, а приблизительно
Рис. 2-37. Искажение однородного электрического поля диэлектрическим шаром.
а — распределение поля в первый момент после внесения шара в поле; б— спустя некоторое время. Вначале линии поля стягиваются благодаря более высокой диэлектрической проницаемости материала шара. Затем ввиду образования запирающих слоев из ионов линии поля вытесняются из шара, как если бы диэлектрическая проницаемость его упала до нуля.
В действительности на стороне транспортера, обращенной к индукторам, постепенно образуются заряды противоположного знака, которые существенно изменяют условия в зазоре. 
Рис. 2-38. Схема поведения транспортера-диэлектрика при однократной зарядке.
Они ослабляют действующее в -первой половине периода поле и вызывают перемену направления нормальной составляющей напряженности поля во время второй половины периода, пока поле, действующее на данную точку поверхности транспортера, не превратится в чисто переменное поле с амплитудой напряженности Е и Е' (рис. 2-38), причем
Двойная естественная зарядка в значительной степени упрощает конструкцию генераторов с транспортерами-диэлектриками, что является, таким образом, значительным
их преимуществом, так как отпадает надобность в дополнительном источнике напряжения на разрядном устройстве.
При использовании двойной естественной зарядки материал транспортера должен обладать высоким удельным объемным сопротивлением порядка 1013—1014 Ом.см во избежание нейтрализации зарядов двух слоев за счет проводимости диэлектрика.
Величина удельного сопротивления зависит от времени перемещения зарядов от зарядного к разрядному ионизатору. Электрическая прочность материала транспортера также должна быть повышенной, так как напряженность поля в нем при двойном переносе более чем удваивается.
Опыт по эксплуатации роторных генераторов показал, что этим требованиям вполне удовлетворяет транспортер, изготовленный на основе синтетических смол.
Хотя эффект двойного переноса зарядов является, как уже говорилось, вполне естественным процессом, он не был обнаружен в ленточных генераторах. С одной стороны, его могли просто не заметить, так как действительные плотности переносимых лентой зарядов в несколько раз меньше теоретически возможных, тогда как в роторных генераторах фактические плотности зарядов близки к ним. С другой стороны, электрические характеристики ленты, по-видимому, не благоприятствуют двойному переносу зарядов.
Для роторного генератора характерно еще одно благоприятное свойство. В выражении (2-63) для напряжения возбуждения введено остаточное напряжение U0, так как проводимость ионизированного газа не бесконечна, и, кроме того, каждое острие, как бы остро оно ни было, нуждается в некотором минимальном напряжении, чтобы вызвать ионизацию окружающего газа. С ростом давления оно быстро повышается. Исследования, проведенные по подбору наилучшей формы ионизатора, показали, что наименьшее остаточное напряжение получается для ионизаторов, выполненных в форме сильно натянутых тонких проволок диаметром порядка 0,05 мм. Лишь на немного уступают им ионизаторы в виде стальных пластинок толщиной 0,03 мм, однако последние удобнее и надежнее в работе. Значительно хуже ведут себя ионизаторы с остриями в виде гребенок. Применением улучшенные форм ионизаторов можно значительно снизить остаточное напряжение и пренебречь им в расчетах.
Тогда легко получить расчетную зависимость тока нагрузки от напряжения возбуждения (U0=0, E0=0, σ'=0):
(2-64)
Для частного случая эта зависимость представлена кривой 2 на рис. 2-40. Действительная зависимость тока короткого замыкания, снятая для того же генератора с водородным наполнением, представлена кривой 1.
Рис. 2-40. Зависимость тока генератора от напряжения возбуждения.
1— действительная зависимость; 2 — теоретическая зависимость; Iмакс— ток насыщения; Ui—минимальное напряжение коронирования.
Видно, что рост тока (или плотности зарядов) происходит гораздо круче, чем это следовало ожидать из теоретических представлений: остаточное напряжение принимает отрицательное значение, т. е. оно не увеличивает, а уменьшает необходимое напряжение возбуждения. Изменение напряжения возбуждения на несколько киловольт достаточно, чтобы отрегулировать ток от нуля почти до величины насыщения. Этот эффект связан с новым явлением так называемого дополнительного естественного самовозбуждения.
Рис. 2-41 иллюстрирует это явление на примере генератора с принудительной перезарядкой транспортера. Благодаря замыканию части силовых линий помимо зазора между индуктором и транспортером, чему благоприятствует материал транспортера-диэлектрика с повышенным (по сравнению с газом) значением ε, напряженность поля Еп не соответствует действительной плотности
а лишь только некоторой части ее. Соответственно снижается и линейный интеграл напряженности поля между индуктором и ионизатором.
В этом проявляется как бы отрицательное остаточное напряжение. Полученные выводы справедливы также и для случая двойного переноса зарядов.
Эффект дополнительного естественного самовозбуждения проявляется только при особо благоприятных условиях. К ним относится применение улучшенных ионизаторов. Последние должны быть расположены как можно ближе к поверхности транспортера. Это возможно только при жесткой системе транспортера.
Рис. 2-41. Схема дополнительного естественного самовозбуждения.
1 — индуктор; 2 —ионизатор; 3— линии поля, возникающие вследствие постороннего возбуждения; 4 — линии поля, возникающие вследствие естественного возбуждения.
Так снова проявляются преимущества цилиндрического ротора. Кроме того, рабочая среда генератора должна обладать высокой подвижностью ионов.
Наибольшей подвижностью ионов обладают ионы водорода и азота (табл. 2-2). И в этом отношении наиболее подходящим газом оказывается чистый водород.
Необходимо, однако, отметить отрицательную сторону газов с высокой подвижностью ионов. Легкость появления короны в них обязывает к тщательному конструктивному выполнению генераторов. Необходимо устранять всякие металлические части с малыми радиусами кривизны. Рекомендуется, например, изготовлять болты, винты и тому подобные детали из механически прочных диэлектриков.
Таблица 2-2.
Значение подвижности ионов некоторых чистых газов
Из рис. 2-40 видно, что зарядное устройство срабатывает только при определенном минимальном напряжении, которое можно назвать начальным напряжением короны. Для его уменьшения необходимо иметь минимальными значения воздушного зазора d и толщины транспортера d1 и возможно большие значения диэлектрической проницаемости материала транспортера.
Рис. 2-42. Конструкция цилиндрического роторного генератора с транспортером-диэлектриком.
Роторные генератора позволяют иметь зазор порядка нескольких десятых миллиметра. Толщина стенки ротора выбирается такой, чтобы центробежные силы, возникающие при его вращении, не вызывали его деформацию. Как известно, эпоксидные смолы позволяют приготовить твердые диэлектрики с высокими механическими свойствами. Для роторов различного диаметра толщина стенки 3—6 мм оказывается остаточной. Относительная диэлектрическая проницаемость материала ротора, выполненного на основе эпоксидной смолы (аральдит), равна 4. Для транспортера из робоида (εr = 7) напряжение возбуждения более чем на 10 кВ меньше, чем для транспортера из аральдита.
Как видно из рис. 2-40, для правильно сконструированных роторных генераторов необходимое рабочее напряжение возбуждения даже при двойном переносе зарядов может быть выбрано в пределах от 30 до 40 кВ.
В расчетах напряжения возбуждения не учитывалась толщина стенок статора. Это объясняется тем, что, поскольку он выбирается полупроводящим, потенциал его поверхности, обращенной к ионизаторам, равен потенциалу индукторов.
Между индукторными пластинами, начиная с определенного расстояния от этих пластин, ток проводимости статора создает равномерное тангенциальное поле Et по закону Ома. В переходной области вблизи индуктора это поле изменяется от Et до 0. Удельное сопротивление материала статора должно быть порядка 1010—1011 Ом.см. Наиболее подходящим материалом для статора является обычное стекло.
В первых вариантах роторных генераторов с транспортером-диэлектриком ротор располагался внутри статора, как и в электромагнитные машинах. Однако такая конструкция не обеспечивала ни надежную изоляцию, ни механическую прочность. В последующем статор был помещен внутрь цилиндрического ротора, тем более, что стеклянный цилиндр статора легче всего обработать по наружной поверхности.
Конструктивное выполнение роторного электростатического генератора с транспортером-диэлектриком в схематическом виде представлено на рис. 2-42. Ротор 1 генератора имеет вид стакана, дно которого утолщенной частью насажено на вращающуюся ось 12, закрепленную на подшипниках 11 и 16 во фланцах 7 и 17. Статор генератора представляет собой тело вращения 4, на наружную поверхность которого насажен тонкостенный стеклянный цилиндр 2. Между внутренней поверхностью стеклянного цилиндра и наружной поверхностью тела статора располагаются индукторы 3. В этой конструкции статор не связан с каркасом 5 генератора. С помощью двух подшипников 13 и 15 он закрепляется на оси ротора и удерживается от вращения кулачком, встроенным во фланец 17. Этим обеспечивается хорошая соосность ротора и статора, необходимая для поддержания постоянства зазора между ними. Для предотвращения перекрытия между индукторами пространство между стеклянным цилиндром и телом статора заливается битуминозной изолирующей массой. Ионизаторы 14 в форме стальные пластинок монтируются на внутренней стенке каркаса 5 генератора. Между каркасом генератора и цилиндром давления 8 располагается изоляционная труба 6, которая препятствует возникновению разряда между частями высокого напряжения генератора и заземленным цилиндром давления и, кроме того, практически уничтожает остаточную емкость поверхности ротора относительно земли благодаря эффекту экранирования, рассмотренного ранее.
Привод ротора осуществляется от вала 9 двигателя через муфту 10.
Число полюсов в генераторе может быть больше двух. При этом зарядные и разрядные устройства соединяются в параллель. Мощность генератора одного и того же размера не изменяется, так как одновременному увеличению тока, пропорциональному числу параллельных систем, соответствует уменьшение напряжения во столько же раз.
Подсчитаем возможную удельную мощность роторного генератора p =f.v при допустимых значениях Еп= 250 кВ/см, Et=30 кВ/см и υ=45 m/сек. Так как имеет место двойной перенос зарядов, то
Подставляя в полученную формулу значения входящих в нее величин, получаем:
Полная мощность генератора. может быть получена умножением этого значения на половину поверхности ротора. Если расчет вести на всю поверхность ротора, то удельная мощность должна быть взята в 2 раза меньшей:
В промышленной практике сейчас получают удельную мощность до 1 вт/см2.
Это значение очень мало по сравнению с величиной р=500 Вт/см2, достижимой в мощных турбогенераторах, но если учесть, что магнитная цепь в роторных генераторах отсутствует, то размеры генераторов в несколько киловатт получаются еще вполне приемлемыми.
Коэффициент полезного действия рассматриваемого генератора достаточно высок. В противоположность генераторам с транспортерами-проводниками механические потери на трение в сжатом газе (водороде) для сплошного ротора значительно снижены, тогда как электрические потери из-за наличия коронирующих устройств увеличены. Общий к. п. д. машины составляет от 80 до 95%. С уменьшением выходного напряжения к. п. д. уменьшается, так как доля потерь на ионизацию, которые по абсолютной величине примерно одинаковы во всех случаях, становится все большей с уменьшением напряжения генератора.
Изложенное выше относится также и к генераторам, транспортеры которых выполнены в виде дисков. Однако в дисковых генераторах трудно добиться постоянства зазора, поэтому в дальнейшем они не рассматриваются.
