Рис. 32. Поперечный разрез униполярной машины с внешним ротором

Рис. 33. Токосъемные устройства в униполярной машине с вертикальной осью врап1ения

ской среды, а также два отверстия в роторе и статоре, которые являются поперечными сечениями каналов водяного охлаждения.

На рис. 33 и 34 даны две схемы контактного устройства машины с вертикальной осью, В первом случае ротор цилиндрического типа, во втором - колоколообразного.

В конструкции на рис. 34 предполагается соответствующим подбором линейной скорости контактного кольца обеспечит!, при вращении ротора равновесие центробежной, гравитационной и электромагнитных сил. Под их действием жндкометалли-ческая щетка будет находиться в фиксированном положении.

Сведения по конструкции и размерам токосъемны.х устройств со струевым контактом в опублнкованно!! литературе крайне недостаточны - можно найти только два поясняющих эскиза, которые приведены на рис. 35 н 36 [64, 83].

Жидкость под давлением выталкивается из отверстий (или щелей) на движущуюся поверхность, в результате воздушный зазор между токосъемными кольцами в 30-

т, гт не форсунок оказываетс5!

Рис. 34. Поперечный разрез унипо-

лярной машины с кольцевыми кон- хорошо заполненным жнд-

тактами кометаллической средой.

Рис. 35. Эскиз струевого токосъемного устройства

Представляет интерес сообщение о характере работы струевого контакта на ток в 1600 ка импульсного униполярного генератора Австралийского национального университета [41].

Токосъем осуществляется струями сплава NaK на окружностях диаметрами 1,22 и 3,54 ж. Жидкость имеет высокую скорость истечения. Ток через данную струю преходит всего 0,001 сек, поэтому она не успевает сильно нагреться. За время импульса в 1 сек, через все форсунки выбрасывается более 1 т жидкого сплава. Если учесть, что скорость вращения ротора равна 900 об1мин, то нетрудно рассчитать линейные скорости диска в зонах контактов - они составляют соответственно 57,4 и 166,5 мкек. При испытании генератора в импульсном режиме струевой контакт удовлетворительно выдержал всплеск тока в 1800 ка.

По данным [52, 53], ртутный контакт тоже обладает удовлетворительной стабильностью

переходного сопротивления S M j=u£4-::jj4 J,

при больших кратковременных --= 7

перегрузках по току.

Достаточно точное опреде-ч, ление механических потерь трения в контактном устройстве желательно как с точки зрения анализа его температурного режима, так и оценки коэффициента полезного действия машины. С теоретических позиций этот вопрос для кольцевого контакта подробно рассмотрен в разделе IV, здесь остановимся только на некото- . рых результатах экспернмен-

тального !гсследования меха- нических потерь [64],

Эскиз струевого токосъемного устройства

/ - статор; 2 - ротор

*о у, /сек

Рис. 37. Устройство для определения ме.ханиче-ских потерь трения жидкости

Рис. 38. Зависимость удельных потерь трения ртути от линейной скорости поверхности и толщины слоя жидкости

Z -А=0,4 мм; 2 -Д = 1,7л Л1; 3 ~\.=4,о мм

На рис. 37 даиа схема испытательного устройства. Внутри цилиндрического сосуда / помещено неподвижное цилиндрическое тело 2 так, что между ними образуется зазор А. При вращении сосуда сследуемая контактная среда, которая перед этим была введена в определенном количестве в сосуд, прикрытый крышкой 3, благодаря действию центробежной силы заходит в зазор, каК это имеет место в кольцево.м зазоре униполярной машины. Потери от трения жидкости находятся после вычитания потерь механического трения устройства, которые предварительно определяются при отсутствии жидкой среды. Вариации под-лежат-скорость врапгения сосуда, диаметр и высота внутреннего тела, тем самым изменяются величина зазора А и поверхность покрытия жидкостью цилиндров. Измеренные таким образом механические потери треиия для ртути отнесены к единице поверхности контакта и в зависимости от линейной скорости поверхности тела / нанесены на рис. 38. С помощью этих данных можно установить приближенную зависимость следующего вида:

Ри = Ksv\

где S -покрытая жидкостью поверхность неподвижного цилиндра;

К-постоянный коэффициент, зависящий от вязкости жидкости.

С увеличением вязкости жидкости коэффициент К возрастет.

Перейдем к рассмотрению электрических потерь в контактном устройстве. Исследования показали, что электрическое сопротивление прохождению тока через контактную зону опреде-40

ляется не столько сопротивлением самой жидкометаллической среды, сколько посторониими слоями, которые образуются иа границах соприкосновения * жидкости с металлическими поверхностями токосъемных колец. Врзникновешю этих слоев обусловлено химическим взаимодействием жидкометаллической среды с материалом колец и окружающими газами, а также электролитическими процессами при прохождении тока. В связи с этим протекание электрического тока через контактную зону представляет собой как бы прохождение его через решето, отверстиями которого служат места пробоя пограничных кон- тактных слоев.

Опыты показали, что сопротивление контактной зоны существенно снижается, если поверхность токосъемных колец периодически царапать специальными твердыми щетками, например v алмазными или титан-карбидными.

Сильное снижение-электрического сопротивления пограничного контакта оказывается возможным за счет соответственно подобранного тонкого покрытия твердой поверхности металлическими слоями.

Так, в случае применения ртути хороший результат дает покрытие никелем, а сверху родием (температура плавления никеля 1453° С, а родия -700° С) [52, 53]. Правда, при этом люгут возникнуть известные трудности в обеспечении целостио-сти ианесенных слоев при работе контакта.

На рис. 39 даны [64] результаты опытных измерений сопротивления контакта между двумя цилиндрическими электродами

* В дальнейшем для обозначения отмеченного контакта будем употреблять термин пограничный контакт .

f 6,100%

а 3 t,4

Рис. 39. Зависимость электрического сопротивления ртутного контакта от материала покрытия электродов и влажности во.здуха

(диаметром 12 мм); пространство между торнамп было заполнено ртутью. Число, поставленное около кривой, показывает процентную влажность воздуха в опытах. Там же отмечен материал покрытия.

По характеру кривых можно заключить, что уже после нескольких минут на чистой поверхности металла возникает пограничный слой, сопротивление которого быстро растет. Увеличение сопротивления для различных металлов происходит по-разному и в большинстве случаев достигает довольно определенных конечных значений. Хорошей стабильностью сопротивления обладает молибденовое покрытие. Подобно молибдену ведет себя никель, который благодаря небольшому сопротивлению пограничного контакта * с ртутью, по-видимому, особенно пригоден для использования в токосъемных устройствах. ,j Ртутно-никелевый контакт допускает относительно высокие плотности тока (порядка 50 а/мм), что позволяет наряду с уменьшением размеров токосъемного устройства существенно снизить механические потери трения жидкости.

В результате прохождения электрического тока чере..:. пограничные контактные слои возникают так называемые пограничные напряжения, которые пропорциональны поверхностной плотности проходящего тока и, как было показано, сильно зависят от химических свойств соприкасающихся элементов. Для характеристики величины пограничных напряжений удобно оперировать удельным пограничным напряжением ек, которое определяется отношением пограничного напряжения при прохождении через контакт тока к соответствующей его поверхно-стн-ой плотности. Таким образом, размерность 8к будет выражаться в вм-/а.

Удельное пограничное напряжение определяют экспериментально; соответствующие данные приведены в табл. 6 и 7.

* Удельное 7,24 ]0-8 омм.

электрическое

сопротивление

чистого

никеля -

Таблица б

Удельные пограничные напряжения (ек) на пару местных контактов (по данным (Щ)

Таблица 7

Удельные пограничные напряжения ( ,<) на один местный контакт (по данным [75])

Из приведенных в таблицах данных следует, что контактное напряжение для меди на три порядка ниже, чем для стали. Поэтому с целью снижения потерь контактные кольца следует выполнять медными. В тех случаях, когда по условию механик/ ческой прочности медные кольца не могут быть использованы на роторе, контактную поверхность колец необходимо покрыть слоем меди.

В случае использования ртути следует иметь в виду, что хотя она образует нестойкие окиси, цо зато соединяется с многп- ми металлами, теряя при этом чистоту и электрические свойства. Выше отмечалась целесообразность покрытия контактной поверхности соответствующими металлами. Кроме того, некоторые авторы считают желательным очистку ртути в циркуляционном контуре.

Обращает внимание расхождение у разных авторов опытных данных но удельным пограничным напряжениям для ртути и сплава NaK (см. табл. 7, 8), Это еще раз подтверждает существенное влияние таких трудно учитываемых факторов, как процесс окисления элементов, состояние поверхностей контактов