I. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ УНИПОЛЯРНОЙ

МАШИНЫ

Действие униполярной машины основано на принципе электромагнитной индукпии, открытом М. Фарадеем еще в 1831 г. В результате исследований явления электромагнитной индукции знаменитый физик построил лабораторную модель, которую наряду с известным колесом Берлоу можно считать прообразом современных униполярных машин. Эта модель состояла из медного диска, который приводился во вращение лжду полюсами подковообразного магнита, и двух скользящих контактов. Для получения наибольшего напряжения на контактах один из них был расположен у края диска, а второй - около оси вращения (рис. 5).

На рис. 6 схематически показан другой возможный вариант модели, когда цилиндрический магнит вращается вокруг своей оси. С боковой поверхности цилиндра и вала напряжение снимается при помощи двух щеток.

В прошлом веке по поводу принципа действия подобной системы велась длительная дискуссия. Дело в том, что напряженность магнитного поля в пространстве для рассматриваемого случая не изменяется во времени, поэтому трудно объяснить возникновение э. д. с. в контуре PGO. В то время многие ошибочно отождествляли вращение магнита с вращением ею магнитных силовых линий. Магнитные силовые линии являются вспомогательным понятием и не могут рассматриваться в виде каких-то материальных образований [32]. Для строгого обоснования принципа действия приведенных выше схем (как это было позже показано) необходимо привлечение теории относительности, а также понятия о так называемой лоренцовой силе [27, 32, 77]. Такие методы анализа выходят за рамки настоящего обзора.

Рис. 5. Схема дисковой модели униполярной машины

Рис. 6. Схема цилиндрической модели униполярной машины

/ / /

{/;у/уу/7 1

Рис, 7. Экспериментальная дисковая модель Дас Гупта

Рис. 8. Вторая экспериментальная модель Дас Гупта

Ниже приведены некоторые опубликованные в последнее время интересные физические опыты, способствующие более глубокому пониманию действия униполярных машин [54].

Схема первой лабораторной модели показана на рис. 7. Она состоит из дискообразного магнита М, медного диска Д, контактных ртутных устройств К, немагнитной прокладки П. Модель подключалась к источнику постоянного тока и работала в режиме двигателя. При различных значениях тока измерялся электромагнитный вращающий момент диска для двух следующих случаев:

а) магнит закреплен на диске и вращается вместе с ним;

б) магнит неподвижен (подвешен на нитях к верхней стойке, а прокладка П удалена).

Полученные из опыта зависимости электромагнитных моментов от токов практически совпали. В случае б магнит М не испытывал момента реакции (нити не закручивались).

Схема второй лабораторной модели приведена на рис. 8. Медный Диск Д и дискообразный магнит М могут приводиться во вращение от вспомогательного двигателя т. Чувствительный вольтметр подключен с помощью двенадцати щеток К к периферии медного диска и одной щеткой К\ к оси вала. Измерения напряжения были произведены для следующих трех случаев:

а) диск неподвижен, магнит вращается со скоростью п,;

б) диск и магнит вращаются со скоростью и,;

в) магнит неподвижен, диск вращается со скоростью П\.

В случае а напряжение отсутствовало, в случаях б и в в диске индуктировались напряжения, равные по величине. Описанные опыты показывают, что наведение э. д. с. в диске не связано с вращением магнита.

Вывод формул для определения э. д. с. в униполярных машинах основывается на общепризнанном упрощенном рассмотрении физических явлений, которые тем не менее дают правильные Количественные результаты.

Предположим, что диск с радиусом R (см. рис. 5) вращается с равномерной угловой скоростью со, а магнитное поле направлено вдоль оси и распределено равномерно по всей поверхности диска с индукцией, равной В. Если в некоторый момент времени воображаемый луч занимал положение ОР (см. рис. 5), а спустя промежуток времени dt переместился в положение 0Q, то изменение магнитного потока в результате искажения контура OPG в OQG составит

Тогда э. д. с, наведенная в контуре, будет

Учитывая, что линейная скорость на окружности диска v = R(i), найдем

Аналогичный результат получается, если определить э.д. с. из условия пересечения магнитного потока отрезком радиуса AR. а именно

6-= B.wR-dR ~ BRv.

Если линейную скорость вращения выразим через число оборотов диска в секунду

то после подстановки в (1) найдем

е = BnS, (2)

где 5 -площадь диска, которая пронизывается магнитным потоком.

Уравнение (2) можно представшь в следующем удобном ви-

Таким образом, электродвижущая сила, которая индуктируется во вращающемся диске, пропорциональна скорости вращения диска и пронизывающего его магнитного потока. Например, если Ф = ОЛ вб, и=50 се/с, то е=5 е.

Как уже отмечалось, несмотря на вращение цилиндрического магнита, его поле не изменяется во времени. Применяя ранее высказанные рассуждения к лучу ОР (ом. рис. 6), перемещающемуся вместе с ротором относительно поля, придем к выводу, что .во внешнем контуре должен протекать постоянный ток,

Выше при рассмотрении схем нами предполагалось вращение диска заданным. Схемы подобного типа обратимы в том смысле, что могут работать как в генераторном, так и в двигательном режимах. Электромагнитный вращающий момент, развиваемый машиной, пропорционален произведению тока на рабочий магнитный поток.

О НЕКОТОРЫХ ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ ОШИБКАХ

Интересно отметить, что в свое время выдвигался ряд ошибочных проектов униполярных генераторов постоянного тока, которые для лучшего понимания принципа действия униполярных машин рассмотрены ниже.

1. На цилиндрическом роторе закреплялась катушка в виде соосного кольца, которое через пару контактов подключается к внешнему источнику постоянного напряжения. Ток в катушке возбуждения создает магнитное поле вдоль оси цилиндра, которое затем заходит в статор, где размещена соответствующая обмотка. По замыслу авторов, предполагавших, что магнитное поле будет вращаться вместе с вращением катушки, на выводах обмотки статора должно появиться напряжение. В этом случае удалось бы избежать контактных устройств в рабочей цепи.

Заметим, что, наложив соответствующим образом щетки на вращающийся цилиндр, мы получим напряжение независимо от того, вращается катушка возбуждения вместе с ротором илн она закреплена на статоре. Скользящие контактные щетки осуществляют как бы поочередное замыкание вращающихся контуров цилиндра, наподобие того, как это имеет место в коллекторных машинах постоянного тока [33].

2. Цилиндр с обмоткой возбуждения в виде кольца был неподвижен, а охватывающий его внешний стальной цилиндр вращался. Естественно, что во вращающемся цилиндре должна наводиться э.д. с. Однако следует отметить, что без применения скользящих контактов невозможно получить отдельно от машины синхронно вращающийся вместе с внешним цилиндром контур, по которому будет протекать постоянный ток.

Действительно, соединяя любые две точки внешнего цилиндра проводником, мы получили в образованном таким образом контуре суммарную э.д. с, равную нулю, так как э.д. с, наведенные во вращающихся цилиндре и проводнике, будут равны по величине и направлены навстречу друг другу. Чтобы вывести э. д. с. из зоны магнитного поля, необходимы неподвижные, относительно этого поля проводники, а следовательно, необходима, по Крайней мере, пара скользящих контактов.

Попытка получить электрический ток без скользящего контакта во вращающемся синхронно с внутренним цилиндром внешнем контуре также не увенчается успехом, так как во вра-

наводиться

Рис. 9

щающихся соединительных проводниках будет э. д. с, полностью компенсирующая э. д. с. ротора.

В [22] дан пример заблуждения, связанный с попыткой создать схему высоковольтного генератора.

На рис. 9 показан медный диск с двумя контактными кольцами на валу. Предположим, что диск вращается в магнитно.м поле, направленном вдоль его оси. На диске уложены витки обмотки, начало и конец которой выведены на кольца. Одна из сторон обмотки заключена в трубку из ферромагнитного материала с целью экранирования проводников от поля. Может показаться, что в этой части обмотки магнитная индукция будет ослаблена, в то время как на стороне, не защищенной экраном, будет индуктироваться э.д.с, пропорциональная числу проводников в катушке. Однако, поскольку магнитные силовые линии непрерывны, то при вращении диска стороны проводников, заключенные -в экранирующей трубке, будут пересекать эти линии точно так же, как и свободные от экрана проводники. В связи со взаимно цротивоположным направлением э. д. с. в контуре, естественно, напряжение на кольцах будет отсутствовать.

О ПРИМЕНЕНИИ ФОРМУЛЫ Д. МАКСВЕЛЛА

Выше при рассмотрении образования электродвижущей силы мы пользовались законом электромагнитной индукции -в трактовке, данной М. Фарадеем, т. е. связывали возникновение э.д.с. с пересечением силовых линий магнитного поля проводником. В случае применения методики, данной Д. Максвеллом, когда возникновйгие э.д.с. связывается со скоростью изменения магнитного потока, охваченного замкнутым контуром, возникают некоторые трудности, которые целесообразно пояснить.

Как известно,

(? =---.

поэтому для получения постоянства э.д.с. приходим к выводу о необходимости неограниченного нарастания во времени по линейному закону магнитного потока

Поскольку в действительности имеет место постоянство магнитной индукции, то остается допустить, что величина эквивалентной поверхности 5э контура должна линейно возрастать во времени. Из выражения (2) следует, что Sg=nS.

Для уточнения понятия эквивалентной поверхности, рассмотрим на рис. 6 контур, который образуется левой щеткой, неподвижной внешней цепью, правой щеткой, валом, и, наконец, воображаемым вращающимся проводником ОР. Поскольку магнитное поле неподвижно в пространстве, то во внешней цепи не индуктируется э.д.с. - эта цепь является пассивной. Активной частью контура является проводник ОР, который вследствие вращения как бы непрерывно изменяет контур, увеличивая его эквивалентную поверхность.

Можно дать другую интересную трактовку рассматриваемого вопроса, а именно: предположим, что за счет вращения подвижной части контура (между левой щеткой и валом) происходит как бы непрерывная намотка витков, которые охватывают осевой магнитный поток цилиндра. Это подсказывает еще одну возможность (пока теоретическую) создания оригинального генератора. Действительно, если взять цилиндрический магнито-провод, вдоль оси которого проходит поток, и начать наматывать на его поверхность витки {w) со скоростью п, то из-за нарастания потокосцепления катушки

на ее концах будет индуктироваться э. д. с. (? = яФ, так как 1ю=п.

Следует отметить, что в этом случае можно обойтись только одним скользящим контактом.

В заключение необходимо пояснить, почему электрические машины, построенные по принципу описанных выше схем, получили название униполярных . Это название неоднократно подвергалось критике и в ряде стран оно уступило место названию однополярные с добавлением ациклические . Этими названиями стремятся передать то обстоятельство, что как распределение индукции в рабочей зоне ротора, так и направление протекающего тока характеризуются одним направлением в отличие от многополюсных машин, у которых в обмотках якоря имеют место знакопеременные потоки и электрический ток. Термин ациклический поясняет, что поток и ток являются функциями непериодическими. В свое время были распространены для получения электрического тока повышенной частоты циклические униполярные машины. Например, такая машина может быть построена по следующей схеме: диск с радиальными отверстиями вращается в магнитном поле нескольких симметрично расположенных магнитов. При вращении в диске будет наводиться Однонаправленная пульсирующая э. д. с.

В зависимости от конструкции ротора различают униполярные машины с роторами в виде диска, цилиндра, колокола (барабана). Их особенности более подробно будут рассмотрены ниже.