Рис. 49. Униполярный leHcpaiop фирмы General Electric на ток

!50 ка

На рис. 49 вырезана 1/8 часть корпуса, что позволяет хорошо видеть отдельные внутренние части генератора; внешний токосъем стальной ротор 2, стальной корпус статора 3, токосъемное кольцо 4, катушка возбуждения 5, медные . выводные шины б, эластичная муфта сцепления 7.

Во избежание окислительных реакций химически активного сплава NaK корпус герметизирован, а его внутренняя полость заполнена сухим азотом под небольшим избыточным давлением над атмосферным. На валу имеются масляные уплотнения. Кроме основных подшипников, предусмотрены торцевые, не допускающие смещения вала вдоль оси. Эта предосторожность связана со спецификой конструкции токосъемного устройства: кольцо ротора 4 заходит в соответствующую канавку внешнего кольцевого токосъемника, так что между их поверхностями должен образоваться небольшой равномерный зазор который при работе заполняется сплавом NaK. Расчеты показывают, что для обеспечения минимальных электрических и механических потерь (от тр ния жидкометаллического сплава NaK) в контактном устройстве рассматриваемого генератора указанный зазор должен быть равен около 3 мм.

Интересно отметить, что в ранее рассмотренном импульсном униполярном генераторе фирмы Allis Chalmers (см. рис. 48) токосъемное устройство имело несколько иное конструктивное 56

решение. Эксплуатация этого устройства не требовала ограничений на возможное в работе осевое перемещение ротора,

В генераторе фирмы GEC для замыкания магнитного потока имеются боковые кольцеобразные сердечники, в то время как торцевые крышки корпуса выполнены из немагнитного материала.

От токосъемных }стройств ток проходит вдоль оси вращения к средним отводящим шинам через цилиндрические медные стержни, на которых, по-видимому, кренится внешнее токосъемное кольцо. Эти стержни размещены в пазах среднего сердечника наподобие компенсационной обмотки у коллекторных машин постоянного тока. Так как протекающие по ротору и статору токи имеют противоположные направления, то в результате достигается удовлетворительная компенсация реакции тока якоря.

Компенсационные стержни, внешние токосъемные кольца и отводящие шины надежно изолированы от корпуса. Ротор посредством специальной эластичной муфты сцепления изолирован от приводного двигателя (турбины).

Охлаждение генератора принудительное. Тепловая энергия из зоны контакта отводится сплавом NaK, который циркулирует по замкнутой системе, охлаждаясь в теплообменнике. Так как токосъемники имеют различные потенциалы, то для каждого устройства необходима отдельная циркуляционная система, изолированная от земли. Остальная тепловая энергия отводится из машины или при помощи охланадепия пустотелых проводников водой, или за счет циркуляции азота, находящегося в корпусе машины. Жидкостное охлаждение выводных шин позволяет существенно уменьшить их попереч1юе сечение.

Кроме рассмотренного генератора, фирма GEC изготовила генератор на ток 550 ка и напряжение 45 в при скорости вращения 1800 об/мин (его внешний вид см. на рис. 3). Генератор в отличие от рассмотренных выше двух конструкций имеет стоя- ковые подшипники.

Некоторые проекты униполярных машин. На рис. 50 показана схема униполярного генератора с вертикальным валом по проекту Дас Гупта [53]. Автор стремится доказать целесообразность выполнения машин с двумя вращающимися в противоположные стороны роторами, что позволяет увеличить вдвое напряжение. Правда, для последовательного соединения двух ко-локолообразных роторов требуется дополнительный третий электрический контакт 4, однако поскольку он выполняется на окружности малого диаметра, то увеличение механических потерь от трения жидкости в контакте относительно невелико.

Достоинством рассматриваемой конструкции является также взаимная компенсация магнитных полей от токов, которые протекают в роторах, так как эти токи имеют противоположные направления одни относительно другого. Магиитиое поле маши-

Рис. 50. Эскиз униполярного генератора с двумя колоколообразными роторами

/ - магнитопровод; ? -ванна; 3, 5 - упорные подшипинки; 4, в ~ контакты; б - внутренний диск; 7 - наружный диск

ления государственных железных дорог Австрии Высшей технической школой в г. Грац совместно с фирмой Henschel-Werken ведутся работы по созданию тяговых униполярных двигателей локомотива, пробег которого будет более 300 000 км без ревизий двигателей.

В [65] дано описание оригинальной схемы преобразователя вращающего момента, который представляет собой как бы конструктивную комбинацию четырех униполярных машин (рис. 51). Задача преобразователя заключается в том, чтобы при заданном режиме первичного двигателя (например, дизеля локомотива) его мощность использовалась полностью при любой скорости вращения тягового двигателя. Это соответствует гиперболическому закону изменения напряжения в функции тока у генератора постоянного тока.

Механическая энергия дизеля при помощи двух униполярных генераторов d и Ga преобразуется в электрическую энергию, которая используется двумя униполярными двигателями Mi и Mi. Роторы генераторов Gi и G., посажены на вал дизеля, а роторы двигателей М] и М2 - на полый вал, через отверстие которого проходит вал дизеля. Полый и литой валы вложены в подшипники, которые находятся в неподвижных стальных вкладышах Zj и Z2. Каждая пара машин Gi и Mi, а также G2

ны в магиитопроводе / возбуждается тороидальной катушкой. Для уменьшения намагничивающей силы обмотки роторы целесообразно выполнять стальными.

Разновидностью униполярной машины рассматриваемого типа является схема с одним колоколообразным ротором, но с вращающимся внутренним стальным цилиндром.

Общим недостатком униполярных машин с усложненной конструктивной схемой является необходимость обеспечения весьма точной сборки. В противном случае появление магнитной асимметрии обусловливает возникновение вихревых токов, снижающих к.п.д. машины, а также сильных механических ударов при внезапном изменении тока нагрузки. Отмеченные явления, в частности, заставили изобретателей униполярных машин в прошлом отказаться от конструкций с колоколообразными роторами.

В последние годы в Австрии изучается возможность использования униполярных машин в качестве тяговых двигателей и преобразователей вращающего момента для железнодорожных локомотивов [65]. Исследователей привлекают простота конструкции, высокая перегрузочная способность по току и повышенная надежность униполярных машин. Предполагается, что использование жидкометаллического контакта струевого типа позволит получить высокий к.п.д. двигателей. По заданию управ-58

Рис. 51. Продольный разрез униполярного преобразователя момента вращения

а - tiycKOBOe положение; б - рабочий режим

н Мг имеет свою магнитную систему, магнитный поток в которой создается обмоткой возбуждения, уложенной на статоре. Электрически все четыре машины соединены последовательно. Электрический ток, генерируемый на активной длине U ротора генератора Gi, проходит через струевой контакт К\ - вкладыш Zi -струевой контакт Кг-роторы двигателей Mi и Мч-струевой контакт Кз -вкладыш Z2--струевой контакт К4 - ротор генератора G2 -вал дизеля - ротор G;. Привод от дизеля осуществляется или непосредственно, как показано на рис., 51, или для увеличения скорости вращения роторов генераторов через мультипликатор. Привод к колесным парам локомотива предусматривается через редуктор Zg. Регулирование напряжения и тока генераторов Gi и намечается осуществлять механическим способом посредством передвижения статорных магнитопроводов винтовым устройством Ш. На рис. 51, а показано пусковое положение, обеспечивающее небольшое напряжение, большие ток и вращающий момент.

В настоящее время большое внимание уделяется проблеме создания надежных возбудительных систем для мощных турбогенераторов. Требуемая для возбуждения мощность у современных турбогенераторов на 200-500 Мвт составляет 0,8-2,5 Мвт; поэтому применение быстроходных коллекторных машин-возбудителей становится невозможным по условию обеспечения надежной коммутации. Возникают также известные трудности, связанные с быстрым износом твердых щеток и большими потерями на контактных кольцах турбогенератора.

В этих условиях наряду с совершенствованием перспективных возбудительных систем на полупроводниковых вентилях определенный практический интерес представляет возможность использования униполярных возбудителей. Подобная идея выдвигалась еще в 30-х годах, однако несовершенство униполярных машин явилось одной из причин невозможности ее практической реализации. Промышленное освоение жидкометаллического контакта делает реальным его применение для подключения обмотки возбуждения мощных турбогенераторов.

В связи с изложенным выше представляется целесообразным объединить в одном компактном устройстве, вращающемся на валу турбогенератора, специальный униполярный генератор и контактные кольца турбогенератора *. Например, это можно сделать на базе униполярного генератора конструкции фирмы General Electric (см. рис. 49), выполнив в зоне выводных шин 6 дополнительное жидкометаллическое устройство для ввода тока в центральное отверстие ротора. При охлаждении обмотки .возбуждения турбогенератора водой, подаваемой через это отверстие, токоподводящие шины одновременно будут охлаждаться.

Гашение поля возбуждения турбогенератора может быть обеспечено обычным способом, т. е. автоматом гашения, который подключается к шинам 6.

Так как униполярная машина является низковольтной, то обмотка возбуждения генератора должна быть выполнена также на пониженное напряжение (25-60 в) вместо 300-500 в, которое в настоящее время применяется. Такое требование легко удовлетворяется за счет соответствующего уменьшения в пазах ротора турбогенератора числа последовательных проводников обмотки возбуждения при сохранении площади общего сечения медив пазу. Отметим, что последнее облегчает непосредственное охлаждение обмотки возбуждения водой, а уменьшение напряжения дает экономию на изоляции.

Наиболее трудной задачей является повышение быстродействия униполярного возбудителя до требуемого условиями эксплуатации турбогенератора уровня. Чтобы удовлетворить ГОСТ 533-51, необходимо обеспечить нарастание до двухкратного от номинального напряжения возбудителя с постоянной времени 0,3-0,4 сек. Соответствующие расчеты униполярного возбудителя показывают, что обеспечить указанное быстродействие принципиально возможно, если:

1) магнитопровод статора выполнить шихтованным;

2) в теле ротора (в зоне полюсов) профрезеровать вдоль оси вращения глубокие канавки для ограничения реакции вихревых токов* (либо выполнить ротор составным);

3) крайние токосъемные кольца разделить на отдельные изолированные между собой сегменты;

4) в цепь возбуждения униполярного возбудителя включить добавочное сопротивление.

Униполярный преобразователь. Интересный преобразователь переменного тока в постоянный (напряжением до 20 в и тока порядка 100 ка) предложил В. Ли [128]. В нем совмещены принципы работы асинхронного жидкометаллического насоса и униполярного генератора. Схематически преобразователь, который можно назвать униполярным , показан на рис. 52.

Статоры (внешний / и внутренний 2) набраны из листовой электротехнической стали. В пазы внешнего статора уложена трехфазная обмотка** переменного тока 5. Протекающий по обмотке ток создает вращающееся относительно вертикальной оси магнитное поле. Между отмеченными кольцеобразными статорами расположен цилиндрический сосуд, заполненный жидкометаллической средой 4. Вращающееся магнитное поле будет ин-

* в зоне жидкометаллического контакта канавки закрыть клиньями из неэлектропроводного материала.

Предложено Л. А. Сухановым.

** В общем случае это может быть двухфазная или многофазная.