На основе закона электромагнитной индукции электрический ток постоянного направления (прямой ток) может быть получен двумя принципиально различными способами, что и определяет два возможных типа машин постоянного тока: униполярные и коллекторные.
ПРИНЦИП РАБОТЫ И УСТРОЙСТВО МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА
Униполярные генераторы
Если в течение всего времени нахождения активной части проводника в магнитном поле направление поля по отношению к нему (полярность поля) остается одинаковым, индукция в таком случае называется униполярной. Генераторы, в проводниках которых э.д.с. возникает по принципу униполярной индукции, получили наименование униполярных.
Простейшим примером униполярного генератора, предложенным еще в 1831 г., является диск Фарадея. На рисунке 254 показан дисковый якорь такой машины. При вращении диска, помещенного в поле постоянного магнита, в части диска, находящейся под действием поля, возникает э.д.с., направленная по радиусу, поскольку части диска, более удаленные от его оси, пересекают магнитные линии с большей линейной скоростью, чем части, расположенные ближе к оси.
Если предположить поле магнитов равномерным и обозначить значение индукции через В, э.д.с. элемента диска, находящегося в магнитном поле и имеющего в радиальном направлении длину dx, будет
Э.д.с. между щетками, установленными на валу и на периферии той части диска, которая расположена в магнитном поле, определится суммированием э.д.с. отдельных элементов:
(322)
где V — окружная скорость движения любого из элементов, расположенного на расстоянии х от оси вала, м/сек; г — радиус диска, м.
Во внешней цепи, присоединенной к щеткам, будет течь постоянный ток.
Чтобы оценить значение э.д.с., возникающей в такой конструкции, предположим, что п = 12 000 об/мин, г=0,1 myiB— 1 тл. При подстановке этих величин в выражение (322) получим е = 6,28 в.
Рис. 254. Дисковый якорь униполярной машины.
Рис. 255. Токосъем при последовательном соединении проводников униполярного генератора.
Значение индукции В в воздухе, равное 1 тл, следует считать близким к предельно рациональному, диаметр диска также ограничен. Недостаток униполярных генераторов дискового типа заключается не только в малой э.д.с., но и в значительных потерях энергии в этом диске, его нагреве вихревыми токами и наличии осевых усилий, обусловленных односторонним магнитным притяжением из-за неизбежного различия зазоров между полюсами и вращающимся диском.
Развитие конструкции униполярных генераторов следует связывать прежде всего с осуществлением последовательного соединения проводников с целью увеличения э.д.с. Однако последовательное соединение проводников может быть выполнено только при помощи скользящего контакта на кольцах, к которым выведены концы отдельных проводников. Принципиальная схема такой машины показана на рисунке 255. Здесь в неизменном магнитном поле, созданном концом постоянного магнита, вращаются проводники. Кольца, присоединенные попарно к проводникам, соединены между собой последовательно. Такой токосъем не только серьезно усложняет машину в конструктивном отношении (чрезмерно громоздкий щеточный аппарат), но и ухудшает ее показатели из-за непомерно больших потерь, механических и электрических, в скользящих контактах.
Создание рациональной технически совершенной конструкции униполярных машин оказалось трудно выполнимой задачей из-за принципиальных затруднений, связанных с отводом тока и получением достаточной э.д.с. В результате, несмотря на то, что на протяжении десятилетий униполярные машины привлекали внимание ученых и изобретателей, был предложен ряд оригинальных схем, униполярные генераторы так и не смогли занять какого-либо места в энергетике как источники энергии постоянного тока.
В настоящее время можно отметить возросший интерес к униполярным генераторам в связи с необходимостью получения постоянного тока весьма большой силы (до 250—300 ка) при низком напряжении (1—50 в) для питания электромагнитных насосов, создания магнитных полей в синхроциклотронах, электролиза, а также электрической сварки.
Проблема щеточного скользящего контакта на современном уровне развития техники практически решается применением жидко-металлического токосъема.
