Проблема бесколлекторной машины постоянного тока

В заключение наших рассуждений о различных случаях электро­магнитной индукции тока займемся вопросом о возможности осу­ществления бесколлекторной машины постоянного тока.

До настоящего времени встречаются изобретатели, которые ра­ботают над разрешением этой неразрешимой проблемы. Попытки подобного рода вызываются тем обстоятельством, что коллектор в машине постоянного тока является наиболее сложной конструк­тивной деталью, уход за которой доставляет не мало забот при эксплоатации машины.

Все указанные попытки основаны на игнорировании сущности закона электромагнитной индукции, на упущении из вида того, что невозможно путем чистой ин­дукции без всякой коммута­ции получить постоянную, сколь угодно длитель­но существующую ЭДС.

В самом деле, известно, что величина индуктированной в контуре ЭДС опреде­ляется соотношением (8):

Из этой формулы ясно, что для получения ЭДС по­стоянного направления со­вершенно необходимо, чтобы изменение магнитного потока, охватываемого контуром, бы­ло все время одного знака, Создать такой непрерыв­но и беспредельно воз­растающий (или убываю­щий) магнитный поток мы не в состоянии, а следова­тельно, и получение путем чистой электромагнитной индукции постоянной ЭДС невозможно в случае неизменяемого контура.

Для ясности дальнейшего изложения необходимо оговориться, что диск Фарадея или униполярная дисковая машина не являются машинами бесколлекторными. В этом случае мы имеем непрерыв­ное коммутирование, ибо под щетку все время подходят новые и новые радиальные элементы диска. Таким образом, здесь мы имеем коллектор в скрытом виде; когда же говорят о бесколлектор­ной машине постоянного тока, то электрическую цепь предпола­гают неизменяемою в тех местах, где индуктируется ЭДС.

Многочисленные проекты бесколлекторных машин постоянного тока, не давшие, как и следовало ожидать, никаких практически результатов, можно разбить на две главных группы. В основу про­ектов первой группы обычно положена бронировка части провод­ников от магнитного поля. Пример подобной машины изображен на рис. 40 в двух проекциях.

В качестве подвижной части машины был взят железный диск, вращавшийся вокруг оси. В диске имелся ряд прорезов, сквозь которые пропускалась обмотка, более или менее равномерно покрывавшая обод. Арматура помещалась в поле подковообразного маг­нита или электромагнита, расположенного как показано на рис. 40, причем магнитные линии, исходящие из северного полюса, пройдя через междужелезное пространство, пронизывали тело диска и ис­ходили из него в центральной части, лишенной обмотки. В силу большой магнитной проницаемости железа, магнитные линии должны замыкаться главным образом через сплошные части диска, и поэтому элементы обмотки, расположенные в прорезах, окажутся в очень слабом магнитном поле. Поэтому при расчете подобных машин авторы проектов ошибочно принимали во внимание только элементы обмотки на участке ab, лежащие непосредственно против полюса, предполагая, что в проводниках, помещенных в прорезах диска, никакой или почти никакой ЭДС индуцироваться не будет. Осуществление машины на практике жестоко обмануло ожида­ния конструкторов. Построенная машина давала, вместо ожидаемой постоянной ЭДС значительной величины, переменную ЭДС порядка десятых долей вольта. Для нас должно быть ясно, что иных ре­зультатов и нельзя было ожидать, так как ослабление магнитного поля в прорезах диска происходит лишь вследствие перераспреде­ления основного потока, а не за счет уменьшения его на части пути. Принцип замкнутости магнитного потока приводит нас к за­ключению, что применение экрана ни в малейшей степени не уменьшает числа перерезываемых проводником магнитных линий за время одного оборота арматуры. В данном случае элементы об­мотки, находящиеся в прорезах (на участке cd), пересекут за время одного оборота диска такое же число магнитных линий, как и рас­положенные вне прорезов (на участке ab). Найдя по правилу трех пальцев правой руки направление индуктированной ЭДС, мы убедимся в наличии в контуре двух ЭДС, равных по величине и обратных по направлению. Можно сказать, что вообще все подобные проекты, пытающиеся использовать экранирование проводников, основаны на недоразумении, как это ясно из §§ 8 и 14. В более сложных и запутанных схемах разобраться бывает гораздо труд­нее, но в принципе все они грешат одним и тем же.

Появление небольшой по величине переменной ЭДС объясняется присутствием на диске прорезов. Поток, создаваемый магнитной систе­мой, встречает благодаря этому в разные моменты разное сопроти­вление и получает таким образом пульсирующий характер. Пульса­ция потока и является причиной возникновения переменной ЭДС. Разберем теперь другой тип проектов бесколлекторных машин постоянного тока, а именно машины, построенные на принципе синхронного изменения самоиндукции контура. Пусть в некотором замкнутом контуре генерируется переменная ЭДС и пусть закон изменения этой ЭДС будет:

е = Е_т sinwt,

где е — мгновенное значение ЭДС, а Е_m — ее наибольшее значение. Мы знаем, что изменение во времени такой ЭДС графически можно изобразить кривой, указанной на рис. 41.

Представим себе, что в цепь, в которой индуктируется перемен­ная ЭДС e, включена некоторая система с коэффициентом самоиндукции L (рис. 42), изменяющимся синхронно с изменением e так, что во время первой половины периода L меньше, чем во время второй.

На практике подобную систему с переменным коэф­фициентом самоиндукции можно легко осуществить.

Мы знаем, что если при наличии некоторой постоянной ЭДС замкнуть цепь, обладающую коэффициентом самоиндукции L и сопротивлением г, то сила тока не устанавливается мгновенно, а нарастает до величины

где e — основание натуральных ло­гарифмов. В начальный момент времени, когда t=0 и i=0. В дальнейшем сила тока растет, ассимптотически приближаясь к величине — (рис. 43).

Теоретически процесс нарастания тока продолжается бесконечно долго. Та же аналитическая зависимость между i, t, L показывает, что чем больше коэффициент самоиндукции L, тем медленнее возрастает сила тока в цепи. На рис. 43 кривая I изображает закон нара­стания силы тока в цепи с малым коэффициентом самоиндукции, а кривая II — в цепи с большим коэффициентом самоиндукции.

Вернемся к рассматриваемому проекту бесколлекторной машины постоянного тока. Осуществляя синхронно изменяющийся коэф-

фициент самоиндукции так, чтобы для первого и второго полупе­риодов (рис. 41) было

L₁<l₂,

мы получаем различные условия для установления силы тока в те­чение первой и второй половины периода. Казалось бы, что за время положительной по­луволны (рис. 44), когда l ₁мало, сила тока сво­бодно возрастает до ве­личины i ₁, а за время отрицательной полуволны, благодаря наличию боль­шого коэффициента само­индукции, сила тока не в состоянии будет возрасти до величины i ₁, и мы до­стигнем за вторую поло­вину периода силы тока равной i ₂, причем i ₂< i ₁.

Средняя сила тока за пол­ный период, определяемая выражением

и равная для обычного симметричного переменного тока нулю, в данном случае как будто должна иметь некоторое определенное конечное значение. Физически это соответствовало бы наложенную на волну переменного тока некоторой постоянной составляющей.

Отсеивая в дальнейшем пе­ременную составляющую, мымогли бы получить чи­стый постоянный ток.

Оставим пока разбор этого утверждения и зай­мемся вопросом о практическом осуществлении си­стемы с синхронно изме­няющимся коэффициентом самоиндукции, над чем именно и работали обычно некоторые изобретатели бесколлекторных машин постоянного тока. Одной из простейших систем такого рода может слу­жить статор указанной на рис. 45 формы, между полюсами кото­рого помещен железный сердечник А.

Изменение коэффициента самоиндукции этой системы достигается вращением сердечника во­круг оси, перпендикулярной к плоскости рисунка. В самом деле, коэффициент самоиндукции системы будет наибольший, когда сер-

дечник находится на линии полюсов, и наименьший, когда он рас­положен перпендикулярно к ней. Если для вращения сердечника применить синхронный двигатель или, что еще проще, закрепить сердечник на валу соответствующего альтернатора, генерирующего интересующую нас ЭДС, то изменение коэффициента самоин­дукции описанной системы будет происходить синхронно с изменением ЭДС.

Можно также осуществить систему с переменным коэффициен­том самоиндукции и без вращающих частей, используя явление насыщения железа. Возьмем, напри­мер, железный сердечник с двумя обмотками K₁ и K₂, изображенный на рис. 46, и будем питать об­мотку K₁ от источника постоян­ного тока.

Обратимся к кривой намагничения железа (рис. 47) и допустим, что в некоторый мо­мент в обмотке, предназначенной для переменного тока, сила тока равна нулю.

Пусть силе постоян­ного тока, проходящего по об­мотке K₁, соответствует магнитное состояние сердечника, опреде­ляемое точкой А кривой намагничеиия. Приложим теперь к обмотке K₂переменную ЭДС. Ха­рактер кривой намагничения указывает, что если переменная ЭДС стремится увеличить существующий магнитный поток, то для некоторого приращения силы тока Di мы будем иметь сравнительно малое приращение DB. Наоборот, такое же по абсолютной вели­чине приращение си­лы тока, но в обрат­ной направлении, даст значительное измене­ние магнитной индук­ции. Таким образом, наше устройство будет иметь малый коэффициент самоиндукции для одного полупериода и большой—для другого.

Вернемся теперь к вопросу о возможности выпрямления пере­менного тока без коммутирования при помощи систем с синхронно изменяющимся коэффициентом самоиндукции. Как и следовало ожидать, практических результатов описанные попытки не дали,

хотя в разное время и были затрачены на это не малые средства, между прочим, в крупными промышленными предприятиями. Если включить в цепь, состоящую из источника переменной ЭДС и си­стемы с синхронно изменяющимся коэффициентом самоиндукции L амперметр типа Депре д'Арсонваля (магнитоэлектрический), то он не даст никакого отклонения, что указывает на неправильность рассуждений авторов описанных проектов.

Разберемся в данном вопросе и убедимся в том, что никаких положительных результатов от подобных опытов, основанных на неправильном понимании закона электромагнитной индукции, нельзя было и ожидать. В самом деле, при рассмотрении ЭДС, действующих в данном контуре, нельзя опериро­вать с одной только внеш­ней приложенной перемен­ной ЭДС и игнорировать другие, возникающие в контуре ЭДС. Иными сло­вами, необходимо учесть все магнитные потоки, свя­занные с рассматриваемой цепью, и рассчитать ре­зультат их совокупного дей­ствия. В приведенных вы­ше примерах несомнен­но, кроме внешней ЭДС, имеется еще ЭДС самоиндукции. По какому бы закону ни изме­нялся коэффициент самоиндукции L, мы имеем право написать для ЭДС, действующих в контуре:

где Ф₀ — основной поток генератора, связанный с контуром, а Ф_s— поток самоиндукции. Приведенное выражение для ЭДС дает нам возможность утверждать, что подобным путем нельзя получить со­ставляющей постоянного тока, ибо для этого надо было бы иметь беспредельное возрастание или убывание результирующего потока, сцепляющегося с контуром рассматриваемой цепи.

В дополнение к тому, что было сказано выше на эту тему, обратимся к основной формулировке закона электромагнитной ин­дукции, данной в первоначальном виде Фарадеем. Эта формули­ровка (6) гласит следующее:

q=-N/r.

Применим этот закон электромагнитной индукции к рассматри­ваемому нами примеру. Ясно, что N =D(Ф₀+Ф_s), т.е. число пере­сеченных контуром за некоторый промежуток времени магнитных линий равно изменению полного потока, охватываемого этим контуром. Мы имеем принципиально неизменяемый контур, сопроти­вление которого r постоянно. Для того чтобы средняя сила тока за период была отлична от нуля, необходимо, чтобы количества электричества, протекающие за каждый из смежных полупериодов, были бы не одинаковы. Последнее возможно (при r =const) только при условии, что изменение потока неодинаково для двух половин периода. Физически подобное явление при установившемся режиме невозможно, так как в таком случае магнитный поток, охватыва­емый контуром, должен был бы в результате изменяться в одном направлении, и магнитная деформация должна была бы беспре­дельно возрастать.

Максимум, чего мы можем достигнуть при синхронном измене­нии коэффициента самоиндукции, есть лишь искажение формы или даже нарушение симметрии кривой переменного тока. Характер этой дисимметрии будет зависеть от закона изменения коэффици­ента самоиндукции, но площади кривой тока за время положитель­ной и отрицательной пульсации тока, т. е. количества электричества, протекшие в ту и другую сторону за время полного периода, будут в этом случае в точности равны по абсолютной величине и обратны по знаку. Другими словами, средняя сила тока будет равна нулю. Предположения же, на которых основано построение кривой (рис. 44), неверны.

Из разобранных примеров ясно, что ни магнитное экраниро­вание ни применение синхронно изменяющегося коэффициента са­моиндукции не дают нам возможности получить в неизменяемом контуре составляющую постоянного тока и постоянной ЭДС.

Закон электромагнитной индукции (особенно в основной фор­мулировке Фарадея) с совершенной очевидностью указывает, что для получения постоянного тока путем индукции в неизменяемом контуре остается только один путь, а именно путь синхронного изменения сопротивления цепи. На практике мы и пользуемся этим методом. Существует целый ряд систем выпрямителей, основанных на таком принципе, т. е. на изменении сопротивления цепи для одного полупериода переменного тока (напр., ртутные, синхронно-контактные и т. п.). В обычных же машинах постоянного тока мы не имеем неизменяемого контура, так как благодаря наличию кол­лектора под щетку подходят все время новые и новые элементы обмотки.