электрические униполярные машины. Импульсные униполярные генераторы

Ниже будут рассмотрены основные данные и конструктивные схемы некоторых униполярных генераторов, предназначенных для импульсных режимов работы. За небольшой интервал времени (от десятых долей до нескольких секунд) внезапного короткого замыкания цени якоря генератора часть кинетической энергии, запасенной ротором в процессе разгона, преобразуется в энергию электрического импульса.

Рис. 45. Принципиальная схема импульсного униполярного генератора с параллельной и последовательной обмотками возбуждения

На рис. 45 показана принципиальная схема одного из таких униполярных генераторов [83], который используется для получения импульсов тока, достигающих 56кА, в цепи бетатрона. При скорости вращения в 19 000 об/мин и величине индукции магнитного поля генератора, равной 0,4 Вб/м, напряжение на зажимах якоря составляет всего 2,5В. В машине отсутствует магнитопровод из стали. Поле создается двумя возбуждающими обмотками: независимого питания 1 и последовательной с якорем 2. На рис. 45 стрелками показано согласное направление токов в указанных обмотках, необходимое для создания наибольшего магнитного поля. 50

Ротор выполнен в виде диска 3 из сплава меди с бериллием (98% Cu и 2% Be). Прочность диска соответствует прочности инструментальной стали. Это обеспечивает высокую угонную скорость вращения диска - 30 000 об/мин. Ротор приводится во вращение сжатым воздухом, для чего в нем предусмотрены отверстия, выполняющие роль лопаток турбины.

Токосъем осуществляется струевым ртутным контактом. При диаметре “щетки” 3,2 см (4 и 5) плотность тока в струе ртути составляла 40 А/мм². Окружная скорость на периферии диска равна 150 м/сек. Величина сопротивления замкнутой цепи якоря с учетом последовательной обмотки возбуждения, которая одновременно является обмоткой бетатрона, снижена до 0,002 ом.

Другая оригинальная принципиальная схема униполярного генератора приведена на рис. 46, с помощью которой авторы [73] исследовали возможность получения сильных магнитных полей. В связи с этим у генератора, как и в предыдущей конструкции, совершенно отсутствуют элементы из ферромагнитных материалов.

Внутренний диск и охватывающий его цилиндр, вращаются в противоположные стороны. По направлению АВ в диске и цилиндре индуцируются электродвижущие силы. В воздушный зазор между вращающимися частями на короткое время вспрыскивается ртуть, тем самым создается замкнутый контур, по которому будет протекать ток. Линии тока показаны на рисунке стрелками. В области между поверхностями диска и Цилиндра возникнет сильное магнитное поле. Для испытанного лабораторного образца небольшого униполярного генератора оказалось возможным в течение 0,1 сек получить ток в 300кА (при этом рассеиваемая мощность 100кВт), который создал в указанной зоне магнитное поле с индукцией В = 0,5 Вб/м².

Рис. 46. Принципиальная схема импульсного униполярного генератора с самовозбуждением. In- нормальная составляющая тока; It - тангенциальная составляющая

По выражению для напряженности поля

определим принятый диаметр диска машины

Согласно приведенным данным получим: D_p = 24 см.

Интересно решена задача создания поля возбуждения генератора. Оно образуется токами двух колец, причем одно из них питается от вспомогательного источника и создает начальное поле, которое вызывает нарастание тока якоря. Ток, протекая по второму специальному кольцу, еще более усиливает магнитное поле возбуждения генератора. Для получения требуемого направления поля это кольцо разделено на отдельные элементы с помощью наклонных канавок, заполненных изоляцией. В результате ток протекает под углом к оси вращения диска, что дает тангенциальную составляющую Iт (см. рис. 46), которая обусловливает намагничивающую силу вдоль оси кольца. Необходимое радиальное направление результирующего поля возбуждения машины достигается согласованием углов наклона канавок на левом и правом кольцах.

Уникальный импульсный генератор дискового типа на пик тока в 1600кА при начальном напряжении 800В был разработан и прошел успешные испытания в Австралийском национальном университете [71, 41]. Генератор предназначен для создания пульсирующего тока (примерно синусоидальной формы) в обмотке возбуждения орбитального безжелезного магнита протонного синхротрона на 10 млрд. электрон-вольт. Необходимо указать, что в СССР для аналогичных целей была применена система с синхронными машинами и вентилями [3]. В течение периода нарастания тока в обмотке магнита синхрофазотрона игнитроны работают в режиме выпрямления, питаясь от синхронных генераторов. После достижения током наибольшего значения игнитроны переводятся в инверторный режим, а синхронные машины начинают работать в двигательном режиме, преобразуя электромагнитную энергию поля обмотки магнита в кинетическую энергию вращающихся масс.

Принципиальная схема униполярного генератора дана на рис. 47. Два ротора с вертикальными осями вращаются в противоположные стороны со скоростью 900 об/мин. Каждый ротор состоит из двух изолированных друг от друга стальных дисков 7, каждый из которых имеет диаметр 354 см, толщину 25,4 см, вес 20 т. Общий вес генератора составляет 1500 т. Диски попарно насажены на валы 1, которые вращаются в упорных подшипниках. Между цилиндрическими полюсами электромагнитов 2 (с диаметрами 376 см) создается равномерное магнитное поле с помощью катушек возбуждения 5. Расстояние между указанными полюсами 156 см. Для замыкания силовых линий поля имеется прямоугольное ярмо. Цепь возбуждения питается от генератора мощностью 750кВт. При индукции в межполюсном пространстве 1,6 Вб/м в каждом диске наводится э.д.с, равная 200В. С помощью струйных контактов 6 диски соединяются последовательно и через жидкометаллический прерыватель 4 замыкаются на обмотку 5 магнита синхротрона.

Рис. 47. Принципиальная схема импульсного униполярного генератора на напряжение 800В.

В качестве жидкометаллической среды применен эвтектический сплав натрия с калием (NaK). который выбрасывается через форсунки на движущиеся поверхности дисков. Благодаря большой скорости истечения жидкости струя не успевает сильно нагреться. Токосъем осуществляется с периферии дисков и на кольцах диаметром 122 см с помощью непрерывных плоских (листовых) струй, подводимых радиально вокруг дисков. Через все форсунки за время работы в течение 1 сек выбрасывается свыше 1 т жидкого сплава NaK. При испытании контакт удовлетворительно выдержал в течение около 0,2сек импульс тока, равный 1800кА. Для нагрузки использовалась электролитическая ванна, к которой ток подводился системой алюминиевых шин. Так как значительная часть кинетической энергии униполярного генератора теряется за счет нагрева стальных дисков (до 10° С за один импульс), то предусмотрен отвод тепла с помощью водяного охлаждения в перерыве между импульсами. Расчетная периодичность импульсов составляет порядка 10 мин.

Разгон роторов униполярной машины производится в двигательном режиме при питании ее силовой цепи от выпрямительной установки постоянного тока. Требуемый ток в 3кА подводится дополнительными струевыми контактами. Кинетическая энергия двух роторов при скорости вращения 900 об/мин составляет 600 Мдж. Перед замыканием силовой цепи подается сплав через форсунки.

Компактную конструкцию импульсного генератора на повышенную скорость вращения разработала фирма Allis Chalmers [47], На рис. 48 показан продольный разрез импульсного генератора. При скорости вращения 7200 об/мин он рассчитан на начальное напряжение 30В и ток 60кА. За счет форсирования возбуждения генератор обеспечивает импульс тока в 300кА, величина которого автоматическим регулированием в течение 3 сек поддерживается постоянной с точностью до 1%, независимо от сопротивления нагрузки. Время достижения максимального тока составляет 1 сек.

Генератор имеет высокое использование материалов, представляя собой цилиндр, плотно заполненный стальными и медными частями. Относительный вес на единицу мощности подобных конструкций согласно [47] может быть достигнут порядка 1,3 кг/квт.

Рис. 48. Продольный разрез импульсного униполярного генератора фирмы Allis Chalmers на 300кА

Конструктивная схема рассматриваемого генератора относительно проста. Стальной кованый ротор 5 охватывается стальным массивным статором 2. Две кольцевые катушки 3 создают поле возбуждения, направление силовых линий которого показано на рис. 48. Съем тока осуществляется с помощью сплава NaK (56% Na и 44% К), который подается в канавки специального устройства 4. Конструкция этого устройства позволяет не опасаться осевого смещения вала, поэтому машина не нуждается в торцевых подшипниках. Применяются подшипники качения 7. Линии тока, как это показано на рисунке, пройдя через ротор и токосъемные устройства, собираются в центральной части, где расположены сборные шины 1. Таким образом, обеспечивается компенсация реакции тока якоря. Внутренняя полость генератора заполнена сухим азотом с небольшим избыточным над атмосферным давлением. Корпус должен быть хорошо герметизирован 6.

Генератор приводится во вращение через мультипликатор асинхронным двигателем мощностью 1850кВт. Исследовательский центр NASA применяет рассмотренный агрегат с импульсным униполярным генератором для питания обмоток электромагнита, который способен создать сильное магнитное поле с индукцией до 10 Вб/м.

Номинальные данные униполярных генераторов подобной рассмотренной выше конструкции изменяются в определенных пределах. Например, в Мичиганском университете находится в эксплуатации импульсный генератор, имеющий номинальный ток 60кА, максимальный 300кА, напряжение 40В, скорость вращения 10000 об/мин; в Калифорнийском университете машина предназначена для получения импульса тока до 1500кА и используется для обеспечения энергией специальных ядерных установок.

к оглавлению

Реальная физика Изобретения Никола Тесла FAQ по эфирной физике ТОЭЭ ТЭЦ

Знаете ли Вы, что только в 1990-х доплеровские измерения радиотелескопами показали скорость Маринова для CMB (космического микроволнового излучения), которую он открыл в 1974. Естественно, о Маринове никто не хотел вспоминать. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира