Специальные машины постоянного тока 47

11. Униполярные двигатели.
Первым двигателем постоянного тока и первой электрической машиной, в которой преобразование энергии осуществлялось в магнитном поле, был униполярный двигатель Фарадея, предложенный им в 1821 г. (рис. 11). В этом двигателе проводник с током 1 вращался вокруг постоянного магнита 2. Контакт вращающейся части электрической цепи с не­подвижной осуществлялся ртутью 3, налитой в чашку. Преобразо­вание энергии в простейшем по конструкции двигателе Фарадея и других униполярных машинах строго не описывается матема­тическими уравнениями электрических машин.
Униполярные машины в отличие от других электрических машин не получаются из обобщенной машины путем простых рас­суждений, так как в якоре ее протекает постоянный ток и нет преобразователя частоты, который применяется в обычных дви­гателях постоянного тока или вентильных двигателях.
В униполярных машинах как в обмотке возбуждения, так и в обмотке якоря протекает постоянный ток. Убедительным и, пожалуй, единственным объяснением работы униполярных машин может быть то, что при обходе электрической цепи она состоит из двух или нескольких подвижных и неподвижных частей, имеющих скользящий контакт. Нельзя построить бесконтактную униполярную машину.

Рис. 11. Двигатель Фарадея

В электромеханике получилось так, что развитие электрических машин началось не с первого изобретения — двигателя Фарадея, а с появившейся позже машины Пачинотти—Грамма. Двигатель Фарадея послужил началом истории униполярных машин, но как бы ни развивалась история электромеханики, первую электриче­скую машину с рабочим магнитным полем предложил Фарадей. На рис.12 представлена схема современной униполярной машины. На стальном роторе 1 в пазах расположены медные стержни 2, которые присоединены к кольцам 3. По кольцам сколь­зят щетки 4, с помощью которых осуществляется контакт и с ро­тора снимается постоянный ток. Магнитное поле создается обмот­кой возбуждения 5. Магнитный поток замыкается по цилиндри­ческому статору 6 и ротору 1, проходя через два воздушных зазора.

В униполярных машинах нет коллектора и нет механического преобразователя частоты. Они занимают особое место в электро­механике, но, как и во всех электрических машинах, энергия концентрируется в воздушном зазоре и к ним применимы уравне­ния электромеханического преобразования энергии.

Рис.12.Униполярная машина

В системе координат d, q моделирование уравнений происходит при протекании по обмоткам статора и ротора постоянных токов. Уравнения машин постоянного тока и синхронных машин широко применяются при исследованиях и почти всегда дают правильные ответы на возникающие вопросы. Конструктивным воплощением этой математической модели являются обычные синхронные ма­шины, машины постоянного тока и униполярные машины.

Конструкция униполярной машины, позволяющая наглядно рассмотреть процессы преобразования энергии, представлена на рис. 13. В этой машине ротор 1 выполняется из одной поковки с валом. Статор состоит из двух массивных полусфер 2, в которых помещаются катушки возбуждения 3. Магнитный поток Ф через два воздушных зазора замыкается по ротору и статору. Щетки 4 установлены на валу и внешней поверхности ротора. Ток замы­кается по внешней цепи и по диску ротора. Недостатком этой ма­шины являются плохие условия работы щеточного контакта на внешней поверхности ротора.
В униполярных машинах витки с током, роль которых выпол­няет массивный ротор, пересекают силовые линии магнитного поля, создаваемого обмоткой возбуждения. Магнитный поток неподви­жен относительно обмотки возбуждения и щеток.

Рис. 13. Униполярная машина с дисковым ротором

Если щетки и обмотка возбуждения будут вращаться относительно ротора, то при частоте вращения ротора ( ) и частоте вращения поля ( ), равной частоте вращения щеток ( ), = = , эдс будет равна нулю (щетки вращаются в ту же сторону, что и ротор). Можно при неподвижном роторе и вращающихся щетках снять напряжение. При этом момент должен быть приложен к статору. При вращении ротора и статора вместе с обмоткой возбуждения и щетками в противоположные стороны напряжение зависит от относительной частоты вращения. При этом момент должен быть приложен к статору и ротору. Как и обычные электрические ма­шины, униполярные машины с вращающимся статором и ротором двухмерные электрические машины, имеющие при матема­тическом описании процессов преобразования энергии два урав­нения движения.

При неподвижной обмотке возбуждения и неподвижном роторе и вращающихся щетках напряжение на щетках и во внешней цепи равно нулю, так как силовые линии поля неподвижны отно­сительно контуров токов ротора.
Обычно униполярные машины строятся на низкие напряжения. Однако можно повысить напряжение, подводимое к униполярному двигателю, соединяя последовательно щетки и кольца. Как и в обычных двигателях постоянного тока, ток якоря создает реакцию якоря. Для компенсации реакции якоря в униполярных машинах применяют компенсационную обмотку, выполняемую на статоре.
Как уже отмечалось, для непрерывной работы униполярной машины необходимо, чтобы было два участка электрической цепи, соединенных между собой контактами. Для этого обмотка в унипо­лярных машинах должна состоять из стержней, а не образовывать витка, замыкающегося в магнитном поле, так как полярность при обходе якоря не изменяется (рис. 14). Индукция В направ­лена перпендикулярно плоскости витка, скорость движения витка v равномерная.
Нельзя выполнить обмотку с внешней длиной электрической цепи, равной нулю, так как при этом и стержень должен иметь длину, равную нулю (рис. 14, б), но внешней цепи может и не быть, тогда обмотку в виде секций в униполярной машине сделать нельзя (рис.14, а).
За полтора века, прошедших со времени изобретения Фарадеем униполярного двигателя, были созданы сотни оригинальных униполярных машин, но, пожалуй, самой замечательной унипо­лярной машиной является наша планета Земля. Магнитное поле Земли создается постоянными токами, протекающими в расплав­ленном ядре и радиационных поясах (рис. 15). В самом упрощен­ном виде магнитное поле Земли показано на рис. 15. Между тончайшей корой 1 на поверхности Земли и ядром 2 находится магма 3. Если представить, что есть относительные перемещения ядра относительно магмы и коры относительно магмы, то за счет ничтожных перемещений коры Земли могут наводиться токи I униполярной индукции (рис.15).
Как и в униполярных машинах, магнитное поле жестко связано с токами, а токи — с ядром Земли. Перемещения коры приведут к появлению токов, замыкающихся в коре и магме. В этой гигант­ской униполярной машине щетками являются тысячекилометровые слои магмы, практически неподвижные на расстояниях сотен километров. Индукция магнитного поля на поверхности Земли около Т. Имея длину машины в тысячи километров, при относительных перемещениях в несколько сантиметров в минуту эдс может достигать нескольких вольт, а токи — огромных зна­чений.

Рис. 14. К наведению эдс в униполярной машине.

Рис. 15. Униполярная машина — планета Земля.

Униполярные токи, по-видимому, замыкаются в приграничном слое между корой и магмой. Но они могут замыкаться и на по­верхности Земли, так как магма может иметь выходы на поверх­ность Земли в нескольких точках мирового океана, отстоящих на тысячи километров друг от друга. Униполярная машина — Земля — может работать в режиме генератора и двигателя. Изучение униполярной индукции в глобальных масштабах имеет важное значение и может оказаться полезным для практических применений.

Униполярная индукция в слабых магнитных полях может проявлять себя при больших скоростях и изменении площади, охватываемой контуром, в котором замыкаются токи. Примером может служить вхождение кометы или метеоритов в магнитное поле Земли. Если хвост кометы электропроводящий, то при быст­ром изменении ds/dt могут возникнуть значительные изменения потока Ф и эдс.
Униполярные двигатели и генераторы всегда привлекали внимание электромехаников своей сложностью и красотой, и их возможности далеко еще не исчерпаны.