Рис. 52. Униполярный преобразователь переменного тока в постоянный по проекту Вильяд1а

дуктировать вихревые токи в электропроводной среде, которая в результате этого будет вращаться с некоторым скольжением.

Униполярный магнитный поток 5, силовые линии которого будут замыкаться по центральному стальному сердечнику 8 и корпусу 7, как это показано на рисунке, создается с помощью катушки возбуждения 6. Электродвижущая сила постоянного направления, которая индуктируется во вращающейся относительно силовых линий униполярного поля жидкометаллической среде, снимается шинонроводами 9 и 10. Для охлаждения среды предусмотрена ее циркуляция по замкнутой системе . В качестве среды может быть использован любой электропроводный сплав, находящийся в жидкой фазе при относительно невысокой температуре. В частности, вихревые токи, индуктируемые в жидкометаллической среде, в случае необходимости могут быть использованы для разогрева сплава перед началом работы. Для уменьшения намагничивающей силы обмоток переменного тока, естественно, следует стремиться к возможно меньшему зазору между статорами / и 2. С этой точки зрения, по-видимому, целесообразно цилиндрический сосуд нод жидкий сплав изготовлять из ферромагнитного материала, а в сплав добавлять стальные опилки. Оценка коэффициента полезного действия подобного устройства автором не дается, однако можно ожидать, что к.п.д. будет относительно невысок, так как будут возникать значительные дополнительные потери, отсутствующие в классических электрических машинах. Например, электрические потери в оболочке, которая заключает жидкость, гидродинамические потери, обусловленные движением жидкости, а также потери в торцовых частях.

В 1963 г. преобразователь рассмотренного типа был построен и испытан во Франции [76]. Продольный разрез машины показан 62

на рис. 53. Условно ее можно представить состоящей из трех основных частей; жидкостной, асинхронной и униполярной. Жидкость 4 заключена между стенками двойного цилиндра, расположенного в воздушном зазоре. Асинхронная часть включает трехфазную обмотку переменного то а / и шихтованного магнитопро-вода 2 я 3. Униполярная часть имеет магнитопровод из мягкого железа 6, на котором помещена обмотка возбуждения 5. Она питается от источника постоянного напряжения. В качестве жидкометаллической среды наиболее подходящим оказался натрий. Опыты с индиевой ртутью были малоудовлетворительными (скольжение жидкости относительно вращающегося электромагнитного поля было чрезмерно большим, около 80%). Испытанию подверглась четырехполюсная машина* с рабочей температурой натрия 150° С. Основные данные преобразователя: средний диаметр воздушного зазора - 225 мм, односторонний воздушный зазор - 8 мм, высота слоя жидкости в цилиндре- 45 мм, линейная синхронная скорость - 18 м/сек, максимальная индукция вращающегося поля - ло 0,4 вб/м, постоянная индукция униполярного поля - до 0,7 вб1м. Главная трудность заключалась в создании герметического канала для натрия. Стенки цилиндра были сделаны из нержавеющей стали толщиной 0,45 мм, торцевые части-из приваренных к ним мед-ных колец.

На одной торцевой поверхности были сделаны наконечники из нержавеющей стали, к которым был присоединен параллельно насос с жидким натрием. Машина была включена со стороны постоянного тока на нагрузочное сопротивление 50 мком, которое выполнено из медных жгутов, соединенных параллельно, и рассчитано на ток 8000 а. При испытаниях максимальное значение тока составляло 4000 а, напряжение - 0,2 в, к.п.д. 8-9%.

Рис. 53. Униполярный преобразователь переменного тока в постоянный

* Для повышения к.п..т. преобразователя автор предполагает увеличить Число полюсов с целью снижения .синхронной скорости вращения поля.

в заключение отметим, что преобразователь допускает обращенный режИМ. Если к торцевым частям цилиндров приложить постоянное напряжение, то через жидкость будет проходить постоянный ток. В результате взаимодействия тока с униполярным магнитным потоком возникает сила, которая сообщит жидкости некоторую среднюю линейную скорость. Если эта скорость больше синхронной скорости магнитного поля, то энергия постоянного тока будет преобразовываться в энергию переменного тока аналогично тому, как это имеет место у асинхронной маи1ины в генераторном режиме.

IV. РАСЧЕТ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ УНИПОЛЯРНОЙ МАШИНЫ

Целью расчета магнитной цепи любой электрической машины является определение необходимой величины намагничивающей силы обмотки возбуждения, способной обеспечить заданный магнитный поток полюсов. Для униполярной машины наибольшие трудности вызывает нахождение составляющей намагничивающей силы обмотки возбуждения иа проведение потока через ротор. Это связано со сложным характером распределения магнитного поля в стали ротора. Сильное насыщение стали ротора током нагрузки и относительно небольшой воздушный зазор униполярной машины делают сопоставимыми величины намагничивающих сил на зазор и сталь ротора.

В [64, 75] дается главным образом качественное рассмотрение методики определения намагничивающей силы на ротор. В связи с этим ниже нами будет разработан метод расчета намагничивающей силы на ротор, который в нервом приближении позволяет определить ее величину.

Вторым важным вопросом, обусловленным спецификой униполярной машины, является расчет коэффициента рассеяния потока кольцевых полюсов. Это необходимо для правильного расчета намагничивающей силы на полюса, а также определения коэффициента рассеяния обмотки возбуждения.

Определение намагничивающих сил на такие участки магнитной цепи машины, как воздушный зазор, полюса, спинка ярма, ие вызывает затруднений. Необходимые формулы будут даны в примере расчета униполярного генератора (раздел VH).

РАСТЕКАНИЕ ТОКА В ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ РОТОРЕ

Определение закономерности растекания тока в теле ротора униполярной машины представляет большой практический интерес. От характера растекания тока зависит как магнитное насыщение стали ротора при нагрузке, так и электрические потери энергии в нем. В свою очередь распределение потерь, определяет температурное поле ротора.

Нахождение плотности тока в роторе униполярной машины представляет собой трудно разрешимую задачу. Сложность заключается в том, что распределение плотности тока в роторе зависит не только от его геометрических размеров и местоположения токосъемных устройств, но также от распределения напряженности магнитного поля в теле ротора (с учетом явления насыщения стали). Отмеченное положение следует из работы [32], где на стр. 551 показано, что распределение токов по объему вращающегося ротора униполярной машины будет таким же, как в случае покоящегося ротора, по объему которого распределены сторонние э.д.с, соответствующие напряженности магнитного поля в теле ротора. Для любой точки среды будет иметь Место следующее векторное соотношение:

где £-вектор напряженности электрического поля;

вектор результирующей магнитной индукции;

у -вектор линейной скорости среды в рассматриваемой точке;

/ - вектор плотности постоянного тока; а - электрическая удельная проводимость.

С целью получения некоторого представления о характере растекания тока в роторе униполярной машины целесообразно рассмотреть частную задачу растекания тока в неподвижном цилиндрическом роторе, когда к паре кольцевых контактов, расположенных на его наружной поверхности, от внешнего источника приложено постоянное напряжение. Как известно из [25], электрическое поле постоянных токов, протекающих в неподвижных проводниках, является электростатическим, а в области вне источников э.д.с. - потенциальным. К таким полям применим графический метод построения силовых линий поля.

Для цилиндрических роторов униполярных машин соотношение диаметра и длины, а также расстояния между контактами сохраняется в первом приближении неизменным. Такое постоянство обусловлено тем, что через поперечное сечение цилиндра и его образующие поверхности, расположенные под полюсами, проходит один и тот же полезный поток машины. При заданных значениях индукций в воздушном зазоре машины и теле ротора, которые практически выбираются близкими между собой, соотношения основных размеров роторов из-за непрерывности магнитного потока оказываются вполне определенными для различных диаметров. Это позволяет рассмотреть растекание тока в теле ротора на единичном примере, распространив полученные Выводы на подобные случаи.

В связи с симметрией картины поля* растекания тока в теле

. Имеется в виду тип конструкции генератора, показанный на рис. 49.

5 Зак. 1618 55

ротора между парой кольцевых контактов достаточно рассмотреть только одну его половину. Целесообразно начать с анализа плоской задачи поля.

Предположим, что цилиндрический ротор рассечен плоскостью вдоль оси вращения. Рассмотрим плоскую картину растекания тока от правого контакта верхней четверти сечения ротора (рис. 54), которая нанесена по известным правилам графического построения потенциальных полей. Из определения понятия силовой трубки следует, что через любое поперечное сечение каждой трубки протекает один и тот же ток, причем их омические сопротивления равны между собой. Рис. 54 позволяет заключить, что в левой от контакта части сечения поле тока до-

Ось ротора Рис. 54

вольно скоро выравнивается, а в правую ответвляется сравнительно небольшая доля полного тока (примерно шестая часть).

Чтобы получить представление о растекании тока в цилиндре (который образуется вращением рассматриваемого прямоугольника вокруг нижней стороны), определим, на сколько сместятся силовые кольцеобразные трубки левой части, где плоско-параллельное поле с достаточным приближением можно было считать равномерным.

Пронумеруем силовые трубки, как это показано на рисунке, в направлении от оси вверх по радиусу. Исходя из постоянства сопротивлений трубок-колец, получим для первой и второй трубок следующее условие

rI- rI

где -наружный радиус трубки-кольца;

/ - длина трубки между эквипотенциальными плоскостями. Для последующих трубок (п>2) получим

где п - порядковый номер трубки.

Принимая условие, что отношение длин трубок постоянно, можно найти по (7) и (8) выражения для определения искомых радиусов

Rn+i =V 2Rl

Нетрудно показать, что в конечном счете радиусы трубок-колец удовлетворяют следующему условию

RYT R,. (9)

При известном радиусе цилиндра и выбранном числе трубок п=р, согласно (9), находится начальный радиус R\, после чего для соответствующего ряда значений п определяются радиусы остальных трубок-колец.

В рассмотренном нами случае принято р = 6. Если положить, что радиус цилиндра ?б=1: то соответствующие относительные значения радиусов трубок будут такими, как даны ниже.

п . . . 1 2 3 4 5 6 Rn . . . 0,409 0,578 0,706 0,818 0,915 !

Как и следовало ожидать, кольцеобразные трубки тока (на рис. 54 показаны пунктирными линиями) значительно смещаются к периферии ротора. Однако плотность тока по всему поперечному сечению рассматриваемой средней части бочки ротора будет постоянной величиной. Действительно, для любой -Й трубки-кольца имеем

~iRl~RUV или с учетом (9), найдем

Таким образом, не зависит от порядкового номера трубки, т. е.- является постоянным для любой трубки-кольца.

В зоне, прилегающей к контакту, картина растекания тока не должна -претерпеть существенных изменений, так как линейные размеры контакта по сравнению с радиусом ротора относительно малы.

Приведенный качественный анализ растекания тока в теле