Униполярный генератор

В 1831 году Майкл Фарадей поставил серию простых опытов, результаты которых объяснить до конца до сих пор никто не смог, хотя по их результатам была составлена методика, позволяющая и по сей день строить замечательные электрогенераторы. Чтобы внятно о них рассказать, начнем издалека.

Известен такой опыт. К контактам гальванометра присоединяют гибкий проводник, а затем часть его вдвигают между полюсами магнита. Стрелка гальванометра отклоняется, значит, возник ток.

Никого не удивит, если ток появится и в том случае, когда проводник, соединенный с гальванометром, неподвижен, а движется магнит. Движение относительно, и неважно, что движется: магнит со своим полем относительно проводника или проводник относительно магнита с его полем. (Опыты требуют очень чувствительного гальванометра, поэтому лучше вместо одиночного проводника применять катушку.)

Этот принцип не вызывает сомнения и находит широчайшее применение в технике. Бывают электрогенераторы, состоящие из постоянного магнита и вращающейся в его поле обмотки (рис. 1), а бывают и такие, например, в карманных фонариках, где вращается магнит, а обмотка неподвижна (рис. 2). Но встречаются генераторы, в работе которых не все столь ясно.

Однажды М.Фарадей установил над неподвижным цилиндрическим магнитом медный диск, подсоединил провода к гальванометру, как показано на рисунке 3, и начал диск вращать. Стрелка гальванометра отклонилась.

Объяснить появление тока нетрудно. Достаточно лишь мысленно разрезать диск на секторы. Каждый из них, проходя мимо контакта, будет выполнять роль проводника, пересекающего силовые линии магнитного поля. А как мы уже знаем, в его цепи возникает электрический ток. Продолжайте мысленно увеличивать число таких секторов, и у вас получится тот самый диск, вращающийся в магнитном поле.

На этом принципе строятся так называемые униполярные генераторы. При одинаковых мощностях и скорости вращения они легче любых других. И вот почему.

В обычных электрогенераторах электрический ток возникает за счет изменения магнитного потока в обмотках. При этом возникают и паразитные вихревые токи в сердечниках. В XIX веке сердечники отливали из железа, и на их нагревание вихревыми токами уходило до половины мощности двигателя. Потом сердечники стали делать разрезными, набирать из отдельных изолированных пластин электротехнической стали.

От этого их стоимость значительно возросла, но потери от вихревых токов уменьшились во много раз. Однако это относится только к машинам большой мощности. У небольших генераторов — мощностью до 500 Вт — КПД и сегодня, как правило, близок к 50 %. Это связано с тем, что трудно сделать лист электротехнической стали достаточно тонким.

В униполярных генераторах магнитное поле всегда постоянно и потому вихревых токов нет. Их сердечники делают цельнолитыми и при любых мощностях получают КПД, близкий к 100 %.

При использовании обычных магнитов униполярные генераторы развивают напряжение в несколько сотен волы и дают токи до 150 000 А!

Но есть у этих генераторов слабое место. Это скользящие контакты, через которые мощность передается в сеть. Обычные угольные щетки здесь работают плохо, сильно перегреваются и горят. Поэтому русский профессор Борис фон Угримов еще в 1910 г. предложил применить жидкометаллический контакт.

Ротор генератора поместили в кольцевую металлическую полость, а в качестве контакта использовали жидкий металл. Угримов применял ртуть. Сегодня ее заменяют сплавом калия с натрием, который остается жидким даже при -10 °C.

Сделать такой контакт герметичным достаточно сложно, а примененный в нем металл может самовоспламеняться на воздухе…

Но нельзя ли от скользящих контактов отказаться вообще?

Вернемся к опытам Фарадея. Мысленно остановим наш диск, припаяем к нему провода и будем вращать только магнит. Нет контактов — нет и проблем. Долой щетки, ртуть, сплав калия с натрием! Поскольку движение относительно, мы вправе ожидать в цепи ток, не так ли?

Увы, тока в этом опыте мы не получим. Почему? Ответа нет.

Фарадей поставил еще один опыт. Он приклеил к магниту диск и принялся вращать их вместе. Казалось бы, магнитное поле относительно диска неподвижно, тока быть не может. Но именно здесь ток появился… В чем дело, никто вразумительно так и не объяснил. Есть много и других аналогичных опытов с магнитами, вступающих в противоречие с современными знаниями. Возможно, для их понимания придется осознать или открыть какое-то новое свойство Мира, лежащее на макроуровне. Это большое дело на далекое будущее.

А пока сделаем демонстрационную модель униполярного генератора. Общий вид ее показан на рисунке 5.

Генератор имеет статор с сильным кольцевым керамическим магнитом от старого громкоговорителя и дисковый ротор. Корпус модели спаян из белой жести от кофейных банок. В нем применены детали П-образного сечения, которое придает им высокую жесткость. Для их изготовления нужно взять ровную жестяную полосу и прочертить на ней шилом или резаком две глубокие риски. После этого от нее отрезаются заготовки для стоек, и по этим рискам их легко выгибают до получения нужного профиля. Места сгиба пропаиваем оловянным припоем. Так получаются стойки статора и его верхняя крышка.

Стойки припаиваем к жестяному основанию, которое впоследствии будет прикреплено к небольшой доске. Самая сложная деталь — вал с дисковым ротором. В принципе ротор вместе с валом можно выточить из низкоуглеродистой стали. Но зазор между ним и магнитом должен быть не более 0,5–1 мм. При этом в нем возникнут большие силы притяжения, которые могут изогнуть вал, сместить его в подшипниках, и диск начнет касаться магнита. Поэтому в первой конструкции лучше выточить диск из немагнитного материала — меди, латуни, бронзы. Алюминиевые сплавы для наших целей нежелательны. На их поверхности может образовываться слой окислов, которые затрудняют прохождение электрического тока при низких напряжениях.

В отверстиях основания и верхней крышки генератора впаяны бронзовые втулки-подшипники.

На отдельной пластине из пластика крепится «щетка» — упругая полоска жести или листовой бронзы. Она будет касаться ротора и послужит одним из полюсов генератора. Второй полюс — сам корпус генератора.

На его валу можно укрепить шкив. Если на него намотать крепкую нить с гирей 1–2 кг, то получится привод, которым можно выполнять лабораторные работы по определению мощности и КПД генератора. Из-за крайней простоты конструкции в нем будут значительны потери на трения, и КПД, вероятно, не превысит 10–20 %. Но и это не так уж мало. Такой КПД имеет генератор для велосипеда.

Почувствовав тонкости работы униполярной машины, вы, быть может, захотите сделать генератор или двигатель более мощный, с высоким КПД. Для этого стоит познакомиться с мировым опытом в этой области по книге А.И.Бертинова, Б.Л. Алневского и С.Р.Троицкого «Униполярные электрические машины» (Москва, 1966 г.). Для тех же, кто заинтересуется «философией» вопроса, рекомендуем прочесть книгу академика В.Ф.Миткевича «Магнитный поток и его преобразование» (Москва, 1946 г.). Успехов вам!

А.ИЛЬИН

Рисунки автора