Багато неприємностей доставляє колектор: і підвищений знос щіток, і іскріння, яке викликає вибухонебезпечність, і кидки струму, і радіоперешкоди.
Нехай будуть щітки і нехай будуть струмознімальних кільця, але хай не буде колектора!
Єдині пристрої, що забезпечують на сьогодні ця вимога для машин постійного струму, це уніполярні машини.
Найпростішим прикладом (і найбільш раннім, з рук Фарадея!) Є обертовий диск в магнітному полі. Між віссю і периферією диска виникає різниця напруг (ЕРС), яка знімається легкими контактами.
Подібні пристрої забезпечують величезні струми (сотні тисяч ампер!), Але вкрай низька напруга (вольти).
Крок перший. Провідник (диск) слід замінити безліччю провідників.
В існуючих пристроях (уніполярних машинах) є зворотна частиною є навантаження (розташована, природно, поза дією поля). Струм через навантаження забезпечує замикання ланцюга. По суті, навантаження замикає поза полем один виток з наведеної ЕРС.
Один виток слід замінити безліччю. Тоді напруга, наведене в одному витку, складене з напругою на інших послідовних витках, збільшиться до потрібної нам величини.
Існує два рішення.
1.Вивесті поворотну (замикає) частину обмотки (кожного витка!) З дії поля за установку.
2.Організувати в самому генераторі області, де немає поля. І там розмістити сполучну (неробочих) частину.
Крок другий. Перше рішення можливо, піддається реалізації і використовується в тому ж навантаженні. В існуючих уніполярних машинах легкими контактами виводиться з області дії поля частина провідника. Для многовитковой котушки рішення виглядає громіздко. Але важливо те можливо! А нам головне знати, що це можливо, а схему ми завжди зможемо поліпшити. Тобто, якщо ми замість диска розташуємо ряд провідників, ізольованих один від одного, і з'єднаємо їх послідовно поза полем через безліч ковзають контактів на роторі (осі) і периферії, то ми вирішимо поставлену задачу.
Таким чином, виходить, що всі витки з'єднуються послідовно, наведена в них ЕРС послідовно складається, а робоча напруга знімається (або подається - в разі застосування пристрою як двигуна) тільки з кінців цієї котушки легкими контактами. На початок першого і кінець останнього витка.
Сучасні уніполярні генератори використовують не диск, а циліндр, що обертається в магнітному полі. І не торці, а бічна поверхня є робочою. (Там, до речі, і швидкість максимальна).
1 - обмотки збудження; 2 - токос'емноє пристрій; 3 - статор; 41 -ферромагнітная частина якоря якір; 42 - діамагнітная частина якоря; 5 - вісь обертання валу генератора; 6 - зовнішнє навантаження; 7 - силові лінії магнітного поля котушок збудження; 81 - робочі провідники; 82 - неробочі провідники; 9-сполучна частина обмотки. Рискою і хрестиком позначені напрями струму в котушках (на читача і від нього).
Зовнішня частина циліндра повинна являти собою ряд ізольованих робочих (в яких наводиться ЕРС) провідників, укладених в пази феромагнетика. А внутрішня частина повинна являти собою неробочі провідники, у лежання в діамагнетик (або немагнітну сталь). І ферромагнетик і діамагнетик збірні, з безлічі пластин, покритих лаком! Струм повинен текти по провіднику, а не за масою ротора!
Поле піде тільки по феромагнетика. З'єднувальні провідники про стануть поза полем, але всередині ротора.
Токос'ем здійснюється з початку першого витка і кінця останнього витка через струмознімальних кільця і щітки.
Будь-яке задану напругу без єдиного зубця, збою, іскріння. Працюють одночасно всі до єдиного зовнішні провідники, якість енергії виняткове! Створюваний момент забезпечується одночасно всіма витками.
Збільшуються витрати на мідь, конструкція набуває складність?
А ось і ні! Конструкція колекторного двигуна складніше. Обмотки укладаються за схемою. Працює завжди ЛИШЕ ОДНА котушка, на яку подається через щітки і колекторні пластини напругу. Створюваний момент визначається тільки однією цією котушкою, всі інші перебувають без струму, не діють. не беруть участі в даний момент в роботі, у створенні крутного моменту. Скільки пластин на колекторі? Нехай двадцять. Тільки на дві з них подається напруга (на одну котушку). Тобто працює тільки 1/10 частина обмотки. У нас половина. Отже, витрати на мідь у колекторного двигуна більше. Та якби навіть і були іншими - але у нас немає колектора! А питання зі складністю укладання обмотки можна вирішити технологічно:
Якщо феромагнітний ротор буде представляти із себе порожній циліндр. то питання намотування значно спрощується. Поле не піде через повітря і піде в феритову частина. Тороїдальні трансформатори мотають легко.
І ще можна спростити! Якщо ми розріжемо роторний циліндр уздовж на дві частини, намотає обмотку, а потім скріпимо його (шпильками, зварюванням, болтами), то процес намотування не становитиме жодних проблем.
Котушки збудження можна замінити на постійні тороїдальні магніти, наприклад, ніобієві.
Крок четвертий. А ось цікаво: чи зможе подібна конструкція працювати від змінного струму?
Якщо раніше, коли працював обертається в магнітному полі проводить ротор, було немислимо включати його в мережу (коротке замикання!), То пропонований пристрій цілком можливо включити в мережу змінної напруги. І активний опір, і індуктивність обмотки великі, що обмежить пусковий струм. Зміна полярності магнітного поля в котушках збудження буде також супроводжуватися зміною напрямку струму в робочих провідниках. У міру розгону і наведення ЕРС в котушці ротора струм буде падати. Схоже, характеристика у двигуна буде як у двигуна постійного струму з послідовним збудженням. Це чудово! Пусковий момент буде величезний! Область застосування різко зростає! Від бормашини до тягових двигунів електровозів. Від дрилі, пральної машини, бритви, пилососа, вентилятора, до машин на ГЕС і ТЕС.
І як генератор, і як двигун подібний пристрій буде працювати і на змінному струмі. Але тоді, звичайно, не на постійних магнітах.