單極電機電樞是一個金屬圓盤（看作徑嚮導體組合）或圓柱（看作軸嚮導體組合）的一種直流電機。從電樞的一端看，磁極為單一極性，故名。磁感應線和電樞導體的電樞旋轉時，就在電樞導體中感應出方向不變的徑向或軸向電動勢。適用於低電壓、大電流的電源設備。在降低接觸電壓降和電刷摩擦損耗方面，可採用液體金屬集電裝置。已發展出超導單極電機。
基本介紹
- 中文名：單極電機
- 外文名：monopolar machine
- 別稱：同極電機
- 分類：圓盤型和圓筒型兩種
- 特點：低電壓、高電流
- 套用：電源設備
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電機介紹
單極電機是通過氣隙全部面積的磁通都呈同一極性的電機，故又名同極電機。單極電機有圓盤型和圓筒型兩種，其工作原理見圖。當勵磁線圈通過直流電流時，磁通分布如圖中虛線所示。原動機驅動圓盤或圓筒轉子旋轉時，轉子切割磁通，在轉子內感生電勢，由轉子兩端的電刷引接至外電路。轉子上沒有繞組，不需要換向器，也沒有鐵損耗。電壓較低，電流卻很大。笫一導體在磁通密度、導體長度和轉速達到容許極限時，電壓可達50V左右，可作為低電壓大電流直流發電機，用於電化工業。單極電機的電刷裝置是關鍵問題，鈉鉀合金在常溫時呈液態，有較低的接觸壓降和摩擦阻力，故宜作電刷集電裝置。
單極電機工作原理圖
單極電機工作原理圖採用超導電材料作單極電機的勵磁線圈，可產生強磁場。圓盤型單極電機通過軸向依次排列多個圓盤串聯連線，或將在圓周方向分段的扇形片串聯連線，能製成超過普通直流電流機極限功率範圍的直流電動機，用於船舶推進。
發展和套用
最早的直流單極電機是，Π．巴爾盧（Π．Barlou）在1824年和M．法拉弟（M．Faraday）在1831年製成的。乃是最簡單的電動機和發電機。
這兩種電機分別用下圖概括地表示。在上一世紀的八十年代，A．福爾布斯特（A．Forbest）研究了電勵磁的雙圓盤式單極電機。隨後，A．聶魯（A．Yale）又提出了空心轉子單極發電機。
最早的單極電機單極電機學科的發展是經過改進單極發電機的過程進行的，而僅僅在最近20年內才試圖研究單極電動機(y皿)和特殊形式單極電機，其中包括單極變流機。
1984年（美國）西屋公司製造了一台容量達1125千瓦，150 000安，7.5伏的單極發電機，以供用電阻法焊接直徑鋼管之用。這台發電機運行了26年之久。1987年，在巴黎國際博覽會上展出了A．巴爾遜（A．Wilson）設計的有補償繞組的實芯圓柱電樞的單極電機，此電機是作電解用的。
最近十年，單極電機又經歷了發展時期。這是由於原子能、帶電粒子加速器、等離子物理等新的科學技術領域的發展，以及液態金屬傳熱解質方面的成就所促成的。通過對液態金屬和合金性質的研究，可以把它們用來做單極電機集電裝置的滑動接點，這引起了電機結構方面的巨大進步，擴大了單極電機的套用範圍。因為在大電流的情況下，採用液態金屬集電時，單極電機要比整流子電機具有更顯著的優越性。
在原子反應堆的傳熱系統中，單極發電機用來作輸送液態金屬的電磁泵電源，並用來作電磁加速器電源以建立強磁場。
大電流低電壓直流單極發電機是電磁泵理想的電源。單極發電機同樣用在電解工業上以獲得鋁和氯氣，這裡對電解作業線的電源需要電流6萬安，相應的電壓為400伏和134伏。在這種情況下，需採用和蒸氣透平同軸安裝的6台單極發電機組成的機組。每台由通用電氣公司生產的單極發電機，在67伏時可供電流15萬安。
分類
由於不同型式單極電機的廣泛套用和新的型式不斷增加，我們有必要對這類電機進行一般分類。根據基本特徵所作出的分類見下圖。
單極電機的一般分類電容式的高壓單極電機是電氣機械裝置的異常獨特的領域。具有均勻工作氣隙的交流單極電機的特點是勵磁磁場隨時間變化。電機磁場和電樞電壓的變化規律取決於加到勵磁繞緞上的電壓的頻率和形狀。這類單極電機的電樞電流頻率與轉速無關。磁系統用輻射狀的配件構成。電樞上安置桿式繞組。位於電機內部的集電裝置滑動接點不應被環形液態金屬所充滿，以避免短路對勵磁磁場產生阻尼作用。單極脈衝發電機是作為工作氣隙大小按周期變化的交流單極電機的例子。此種電機的電樞有懺式繞組，在定子磁極上齒槽交替分布。
脈衝頻率是由感應子齒數和電機轉速確定的。具有旋轉電刷或沿電樞表面往復移動式電刷的特種單極電機是用來產生各種波形的電流脈衝的，脈衝的波形和頻率是由電刷移動的規律決定的。
旋轉單極電機通常有固體金屬電樞。也有些例外，如單極單電樞變流機，它的發電機轉子可看做是一層液體金屬。按照作用原理，液體金屬泵、流量計、磁流體發電機及加速器都屬於單極直線電機一類。在這類電機中，移動著的液態金屬或電離了的導電氣體（等離子）都是起到電樞的作用。
具有鐵磁迴路感應子直流發電機的比較詳細的分類。按下列基本特徵進行分類：（1）轉子（電樞）的結構型式；（2）電機的磁極個數；（3）有無電樞反應補償裝置；（4）集電裝置的型式。
超導單極電機
超導單極電機的基本構造見右圖，磁場繞組是個靜止的直流超導磁體，電樞是正常導體，它是個旋轉圓盤，轉軸和磁場繞組的軸線重合。
超導單極電機
超導單極電機電樞電流對磁場繞組的影響較之同步電機要簡單些，在穩定負載時，電樞電流作用在磁場繞組上每一點的磁場是不隨時間改變的，從而對磁場繞組沒有不良影響，需要考慮的僅是瞬變過程。
為了保證在瞬變過程電機仍能正常地工作，磁場繞組應當用NbTi—Cu—CuNi複合線做的編織線或電纜（NbTi絲的直徑為5μm）繞制。實驗指出，這樣繞制的磁場繞組能承受的瞬變磁場變化率是很高的。
