Все исходящие из магнита индукционные линии в силу симметрии находятся в плоскостях, проходящих через ось магнита. При вращении магнита вокруг своей оси число индукционных линий в контуре не увеличивается и не уменьшается независимо от того, считать ли силовые линии вращающимися вместе с магнитом или неподвижными относительно него. Поэтому, казалось бы, в контуре не должна наводиться ЭДС, но она наводится, что легко проверить прибором.
Это явление объясняется тем, что в контур вносятся все новые элементы длины. Если часть контура заменить неподвижным проводником, то действительно никакой ЭДС не наблюдалось бы. Но в контур входят части, которые постоянно по мере вращения магнита замещаются новыми элементами поверхности магнита. Именно эти элементы и пересекают индукционные линии поля, образуя ЭДС.
Униполярная индукция обратима: если в неподвижный контур включить какой-нибудь источник тока, обеспечив замыкание его через диск, то получим униполярный мотор. Так же можно заставить вращаться магнит, включив в цепь контура источник.
Униполярные машины могут быть приемлемы в техническом отношении по величине напряжения лишь при очень больших скоростях — на пределе механической крепости материала диска, подвергающегося разрывной силе.
Ввиду того, что «снимать ток» при таких больших скоростях с помощью скользящего контакта весьма трудно, да и из-за низкого КПД, униполярные машины распространения не получили. Такие машины в установках на 6 — 40 В конструировались в основном для целей электролиза. Однако нынче они не способны конкурировать с современными преобразователями.
Г. ЧЕРНИКОВ, к.т.н.
Какими же они представляются современникам?
На рисунке 1 приведена конструкция УМ с цилиндрическим ротором.
В принципе ротор можно сделать из меди, но предпочитают стальной. Он лучше концентрирует силовые линии магнитного поля, ЭДС получается намного выше, а машина в целом гораздо легче. Однако на такой ротор действует в осевом направлении большая сила магнитного притяжения. Поэтому и ротор, и статор делят на две части таким образом, чтобы магнитные силы были противоположны и компенсировались.
В униполярной машине и токи и поля постоянны, поэтому вихревых токов нет, потому как ротор, так и статор выполняются сплошными.
Помимо простоты производства появляется еще одно преимущество. КПД униполярной машины независимо от размеров близок к 100 %. Для сравнения отметим, что КПД генератора постоянного тока мощностью менее 500 Вт сегодня составляет 50–70 % в основном из-за потерь на вихревые токи. Но униполярная машина — это, грубо говоря, машина с обмоткой из одного витка. Потому она и дает относительно низкое напряжение — не более сотен вольт. Сила тока здесь достигает сотен тысяч ампер, и при этом он строго постоянен, практически лишен пульсаций. В этом есть свои плюсы и минусы. Плюс — в том, что можно получить ток такой силы. Минус — ток низкого напряжения невозможно передавать на большие расстояния. Потому униполярные генераторы ставятся там, где такая передача не требуется, например, электролитические производства.
Постоянный ток без пульсаций позволяет вести химические процессы с меньшей затратой энергии. На рисунке 2 — агрегат из паровой турбины и шести униполярных генераторов на ток 150 000 А и общее напряжение 400 В.
Обычные угольные щетки для снятия столь больших токов мало пригодны. В месте их соприкосновения с поверхностью ротора происходит нагревание и износ. Остроумно решил эту проблему в 1908 году профессор Б. Угримов. В его генераторе обод ротора был охвачен контактным кольцом, а между кольцом и ротором залита ртуть.
Получился жидкий контакт, который идеально соприкасается с обеими поверхностями и принципиально не может быть разрушен. В качестве ротора профессор взял диск от паровой турбины и раскрутил его другой турбиной до 8000 оборотов в минуту. Напряжение на роторе достигало 55 В. Поскольку в генераторе было два соединенных последовательно ротора, то был получен ток напряжением 110 В при мощности 120 кВт.
В те годы постоянный ток такого напряжения применялся для снабжения жилых домов. Поскольку передавать его на большие расстояния было невозможно, то часто для нескольких домов сооружали небольшие электростанции. Применение генератора Угримова обеспечивало почти двукратную экономию топлива. Но уже наступала эпоха переменного тока. И УМ были вытеснены.