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.
Но с тех пор униполярные генераторы часто строят с жидкометаллическими контактами. Однако вместо ядовитой ртути используют сплавы калия с натрием, которые остаются жидкими до минус двенадцати градусов.
На рисунке 3 приведен разрез генератора мощностью 25 000 кВт с силой тока 550 000 А, предназначенный для производства алюминия. Ток в нем снимается с помощью калий-натриевого сплава. В корпус генератора под давлением закачан аргон.
Каковы же перспективы униполярных машин? Начнем с того, что при всех равных условиях: скорость вращения, сила тока и напряжение — УМ легче коллекторной. А при использовании жидкометаллических контактов превосходство их еще разительнее. Конечно, такие контакты неудобны. Ртуть ядовита, а сплав калия с натрием пожароопасен. Возможно, им найдут замену, например, сплавом Вуда. С таким его недостатком, как температура плавления +6°, кажется, легко примириться.
Сегодня в униполярных машинах начинают применять сверхпроводящие обмотки. Они легче, чем катушки с железным сердечником. А создаваемые ими поля во много раз сильнее. Соответственно снижаются вес и размеры.
Но сверхпроводимость пока достигается лишь при температурах жидкого азота или водорода. Ее применение оправдано лишь в двигателях и генераторах больших мощностей. Для малых же мощностей будут полезны мощные магнитные сплавы на основе редкоземельных элементов. С ними УМ значительно превзойдут обычные по простоте изготовления и КПД.
Несмотря на то что методы технического расчета униполярных машин разработаны, принцип их работы до конца не ясен. Вот пример. В случае вращения магнита вместе с ним вращаются и его силовые линии, наводя ток во внешней цепи. Но что такое силовая линия? Во всех теоретических расчетах они представляются как замкнутые линии, продолжающиеся и внутри магнита. Академик В. Миткевич полагал, что это некие замкнутые материальные образования. Но под нагрузкой поле УМ подобно полю прямого и кругового токов. Как выяснил И. Тамм, если соотношение этих токов будет выражаться иррациональным числом, то силовые линии магнитного поля такой машины перестают быть замкнутыми. Превращаются в бесконечный клубок, заполняющий все пространство. Казалось бы, пусть себе заполняет, но тогда рушатся законы электродинамики.
Униполярные машины обратимы. Генератор превращается в мотор, если по нему пропустить постоянный ток. Такие моторы известны. Как и в любом двигателе, если начать тормозить его вал, статор начинает проворачиваться.
Но попыток превращения в двигатель генератора, состоящего из одного лишь магнита, не известно. Интересно, какова у такого двигателя механическая реакция статора? Особенно если учесть, что явно выраженного статора у него нет. Создается впечатление, что униполярная индукция — это та область, в которой при помощи скромнейших средств можно и сегодня сделать фундаментальные открытия.
Для тех, кого заинтересуют эти вопросы, рекомендуем книгу: А.И. Бертинов, В.Л. Алиевский, С.Р. Троицкий. Униполярные электрические машины с жидкометаллическим токосъемом. М-Л., 1966. В книге разобраны примеры расчета УМ. Несмотря на обилие формул, она читается, как роман!
А. ИЛЬИН
ВЕСТИ С ПЯТИ МАТЕРИКОВ
КОНТРОЛЬ ПО ГОЛОГРАММЕ. Ученые Британской аэрокосмической корпорации создали установку, которая позволяет оценивать качество микрочипов по их внешнему виду. Для этого сначала снимается эталонная голограмма микрочипа, все параметры которого идеальны. А потом под лучом проходят контролируемые чипы. Если они хорошего качества, голограмма, накладываясь на эталонную, делает картину четче и контрастнее. А если с браком, суммарная голограмма становится расплывчатой, нечеткой. И брак виден воочию.
АВТОМОБИЛЬ ИЗ… КОНОПЛИ предлагают делать австрийские инженеры. «Идея эта не такая уж новая, — признаются они. — Известно, что в свое время из джутового волокна, получаемого из конопли, вили весьма крепкие канаты, ткали материал для прочных мешков. Мы же предлагаем использовать растительное волокно за основу композитного материала»…
Смесь джута с синтетической смолой, как показали эксперименты, позволяет получить легкий и прочный материал, из которого вполне можно делать корпуса автомобилей или катеров. При столкновении такие корпуса дают пассажирам больше шансов уцелеть, чем современные металлические. Кроме того, новый материал совершенно не боится коррозии и весьма дешев.
ХОЛОДИЛЬНИК-МАГАЗИН выпускают в Англии. В отличие от обычного, у него две дверцы. Одна открывается, как обычно, внутрь помещения, а вторая — на задней стенке — прямо на улицу. Через эту дверцу, закрытую на кодовый замок, поставщики могут пополнять холодильник продуктами даже в отсутствие хозяина дома. Заказы же и оплату можно производить, скажем, через сеть Интернета или по сотовому телефону.
КАЖДОМУ СВОЕ. Развивающиеся системы интерактивного телевидения дают сегодня возможность болельщикам бейсбола или футбола самим выбирать, что им смотреть. Нажатием кнопки на выносном пульте они могут вызвать на экран своего телевизора сюжет или ракурс с любой камеры (США).
АКУСТИЧЕСКИЙ ПРОЖЕКТОР придумал аспирант Массачусетского технологического института Джордж Помпей. Звук в его аппарате преобразуется в ультразвук и формируется в виде луча. На некотором расстоянии от излучателя он снова возвращается в слышимый диапазон и распространяется в прежнем направлении. Человек, попавший под такой луч, превосходно различает исходный сигнал. Однако стоит сделать пару шагов в сторону — и громкость падает практически до нуля. Автор полагает, что его изобретение найдет широкое распространение в индустрии развлечений, рекламном и военном деле.
АНАЛИЗ ПО ОТРАЖЕНИЮ. В свое время петербургские портные, работавшие для императорского двора, дабы не беспокоить высокородного заказчика прикосновениями, обмеряли не его самого, а изображение в зеркале. Этой хитростью и решили воспользоваться исследователи Окриджской национальной лаборатории (США). Они создали портативный лазерный экспресс-анализатор химического состава жидких и твердых веществ, предназначенный для использования в полевых условиях. В основу его работы положено явление комбинационного рассеивания света. Его суть сводится к тому, что многие вещества не просто отражают свет, но и заметно изменяют его спектр. А стало быть, свет может служить своеобразным зеркалом.
