Рис. 17. Униполяр]]ЫЙ генератор Леру с колоколооб-разным ротором

Рис. 18. Униполярный генератор мощностью 90 кет с Т-образным сечением ротора

; - токосъемное кольцо; 2 - обмотка возбуждения; j- контактное кольцо; 4 - щетки

лярной машины с симметричным ротором может служить генератор, построенный в 30-х годах двадцатого столетия со следующими номинальными данными: Р = 90 кет, п = 750 об/мин, и=6 в, /=15 ка. Поперечный разрез генератора вдоль оси вала показан на рис. 18.

На обод массивного ротора диаметром 710 м.ч с двух сторон насажены в горячем состоянии бронзовые кольца (ширина каждого 152 мм), ток с которых снимался при помощи бракетов щеток. При этом средняя плотность тока под щетками составляла около 18 а/см при удельном давлении 0,07 кГ/см. Две кольцевые обмотки возбуждения располагались вблизи боковых магнитопроводов. Ширина среднего сердечника составляла 318 мм, а воздушный зазор под ним был равен 1,5-2 мм. Вес машины достигал 11 г, что дает вес на единицу мощности 122 кГ/квт.

Целесообразно упомянуть генератор, у которого сплошной ротор в виде колокола был заменен беличьей клеткой (1899г.). Комценсацио,нная обмотка также была выполнена стержневой.

Машины с ротором в виде колокола не получили существенного развития. Однако в последние годы к ним снова вернулись [53], так как наряду с малой механической инерционностью ротора они позволяют осуществить конструкции с двумя вращающимися в противоположные стороны колоколами и, кроме того, применить удобные жядкометаллнческие токосъемники при вертикальном расположении оси вала ротора.

УНИПОЛЯРНЫЕ МАШИНЫ С ПОВЫШЕННЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ

Униполярные машины, как было показано выше, являются низковольтными. В связи с этим термин повышенное напряжение является условным и характеризует машины, напряжение которых измеряется сотнями вольт.

Электродвижущая сила униполярной машины нормальной конструкции определяется скоростью вращения ротора и величиной полного магнитного потока. Механические нагрузки ротора, рост потерь в токосъемных устройствах, большие вес и габариты ограничивают возможности увеличения напряжения, только за счет выбора предельных значений окружной скорости ротора и магнитного потока. В настоящее время, когда для современных униполярных машин достигнуты высокие технико-экономические показатели, широко применяется последовательное соединение нескольких генераторов (до 6 шт., как это показано на рис. 1).

Представляет интерес рассмотреть возможные способы повышения напряжения за счет конструкции самой машины. Соответствующие попытки были сделаны уже в ранних униполярных генераторах. На рис. 19 эскизно показан способ повышения напряжения за счет последовательного электрического соединения изолированных между собой коаксиальных цилиндров, образующих ротор. На этом рисунке показано два цилиндра (третьим является вал). Последовательное включение щеток осуществляется системой соединительных стержней.

Рассмотренный способ был положен в основу проекта Негге-рата, по которому американской Всеобщей компанией электричества был построен в 1904 г. генератор мощностью 300 кет, на- пряжением 500 е при скорости вращения 3000 об/мин (рис. 20).

Цилиндрический якорь из литой стали охватывается стальным ярмом, выступы двух крайних кольцевых полюсов поддерживают катушки возбуждения (Е). Путь прохождения магнит-

Рис. 19. Машина с многослойным ротором для повышения напряжения

Рис. 20. Униполярный генератор Неггерата

Рис. 21. Элементарный контур ротора машины Неггерата

иого потока показан прерывистой линией. По окружности якоря размещены двенадцать изолированных стерлней, каждый из которых присоединен к своей паре изолированных стальных олец Р, Р. С помощью пары щеток S, S и обратного проводника (R) образуется контур, который показан на рис. 21. При длине стержня ротора в 30 см {КК) индуктируемая э.д.с. составляла 42 в. Система из двенадцати подобных контуров, соединенных последовательно, обеспечивала напряжение в 500 в.

Так как щетки разделяют кольца при вращении на две неравные изменяющиеся части между точками S и К, го в кольцах появляются колебания тока, которые обусловливают возникновение дополнительных потерь в массивных частях машин. Для уменьшения потерь предусматривается сдвиг на постоянные углы как точек присоединения стержней к своим кольцам, так и щеток на кольцах [79]. Реакцию тока, протекающего по якорю и кольцам, в рассматриваемой машине удалось достаточно хорошо скомпенсировать. В результате величина посадки напряжения от реакции стала близкой к величине падения напряжения на сопротивлении.

Испытания униполярного генератора Неггерата показали, что потери локализуются главным образом на щетках. При этом для тока 1300 а падение напряжения под щетками составляло 0,82 в. Общие электрические потери были равны 28 кет.

Впоследствии упомянутой компанией были построены несколько униполярных генераторов подобной конструкции (например, генератор на 2000 кет, 600 в при 48 стержнях на роторе и 96 щетках). Усовершенствования коснулись главным образом способа вентиляции машин.

В последующие годы был изготовлен ряд униполярных генераторов с повышенным напряжением по проектам Ламме (1906 г.), Штейнметца (1907 г.), Томпсона (1907 г.), Барбура (1911 г.), авторы которых, однако, не внесли принципиально новых усовершенствований в конструкцию. Затем интерес к униполярным машинам в значительной мере пропал вплоть до 30-х годов двадцатого столетия.

МАШИНЫ ПУАРСОНА И СОМЕДА

Стремление повысить напряжение униполярной машины со щетками конструктивными способами приводило, как это следует из приведенного выше анализа, к весьма сложным устройствам с относительно низким коэффициентом полезного действия.

Положительные качества униполярной машины (простота, надежность, низкая стоимость) проявляются в большей степени при низком напряжении, измеряемом десятками вольт. Поэтому сконструированный в 1930 г. Пуарсоном чрезвычайно простой низковольтный генератор на ток 15 ка дал новый толчок развитию униполярных машин.

На рис. 22 приведен эскиз такого генератора. Система щеток соединялась шинами с токосборными кольцами.

В 1937 г. на Международной выставке в Париже Пуарсон представил генератор уже на ток в 50 ка, развивающий напряжение 14 в при скорости вращения 750 об/мин [74] (рис. 23).

Рис. 22. пиполярный генератор Пуарсона на ток 15 ка

Рис. 23. Униполярный генератор Пуарсона на ток 50 ка

Для съема тока, использовались по 200 шт. меднографитных ш,еток с каждой торцевой поверхности ротора. Такое размещение щеток обеспечивало равномерное растекание тока в роторе и снижало их механическую вибрацию. Плотность тока под щетками составляла 25 а/см. На статоре были размещены стальные компенсационные цилиндры, изолированные друг от друга и от статора. По каждому цилиндру от щеток одной полярности проходила половина тока якоря, что обеспечивало необходимую компенсацию его магнитного поля. Катушки возбуждения намотаны из медных полос и через реостат подключены к зажимам якоря, что обеспечивало протекание тока в 400 а.

Общие потери при испытании генератора составили 54 кет. им соответствует к.п.д. машины 92%. Распределение потерь в киловаттах: электрические (под щетками) - 30; от механического трения щеток-14;. трение в подшипниках и вентиляция-?; возбуждение -2,8; прочие -0,2.

Из приведенных данных видно, что в униполярных машинах токосъем по-прежнему остается неразрешенной проблемой.

Наиболее удачным низковольтным генератором (7,2 в при 514 об/мин) с твердым контактом на большой ток (150 ка), ве-

Рис. 24. Продольный разрез \н inn-ляриой машины Сомеда

роятно, был генератор, построенный п 1934 г. фирмой Вестин-гауз [45]. Он предназначался для контактной сварки стальных труб большого диаметра, допуская перегрузку по току до 270 ка. Токосъемныс кольца охлаждались водой, которая подавалась через вал. Общая площадь скользящей поверхности ще- ток составляла 2 .ui

Заслуживает внимания униполярная машина, построенная фирмой Пеллицуари (Италия) в 1941 г. по проекту Сомеда. Продольный разрез машины дай на рис. 24, а внешний видна рис. 25. При скорости вращения в 1000 об/мин она генерировала ток 15 ка при напряжении 6 в.

Компенсация реакции якоря, так же как в генераторе Пуар-сона, осуществлялась прн помощи двух стальных цилиндров.

Отличительной особенностью конструкции генератора Сомеда являлась подвижность этих цилиндров, установленных в воздушном зазоре машины с некоторым эксцентриситетом и связанных с поворотным устройством, которое было смонтировано на корпусе статора. Такая конструкция позволила одновременно осуществлять компенсацию магнитной асимметрии машины, которая неизбежно возникает из-за неточности сборки и неоднородности структуры материала магнитопровода.

Кроме того, на скользящей поверхности мсднографитных щеток (общее их число 256 шт.) были нанесены в виде сетки канавки с шагом 8 м.и. Опыты показали, что это дало некоторое снижение падения напряжения под щетками. Плотность тока в них была немного более 13 а/см-.

Общие потери в машине -25,4 кет, из них иа токосъемное устройство приходится 22 кет. В результате к.п.д. машины при полной нагрузке составлял всего 78%.

ПАРАМЕТРЫ И КОНСТРУКЦИЯ БОЛЕЕ ПОЗДНИХ УНИПОЛЯРНЫХ МАШИН

На рис. 26 дан общий вид статора и ротора высокоскоростного униполярного генератора на 3000 o6/m.iih, 70 140 в, 9/4,5 ка, который был построен фирмой Сименс-Шуккерт .

Рис. 25. Внешний вид генератора Сомеда на 15 ка

Рис. 26. Ротор и статор униполярного генератора фир,мы Сименс-Шуккерт