Униполарен генератор: устройство, история на създаване, приложение

Униполарен генератор е DC електрически механизъм, който съдържа проводящ диск или цилиндър, въртящ се в равнината. Той има различни потенциали в силата между центъра на диска и ръба (или краищата на цилиндъра) с електрическа полярност, която зависи от посоката на въртене и ориентацията на полето.

Той е известен още като Униполарен Фарадеев Генератор. Напрежението обикновено е ниско, от порядъка на няколко волта в случай на малки демо модели, но големите тестови машини могат да генерират стотици волтове, а някои системи имат няколко серийни генератора за още по-голямо напрежение. Те са необичайни в това, че могат да генерират електрически ток, който може да надвишава един милион ампера, тъй като униполярният генератор не е задължително да има високо вътрешно съпротивление.


История на изобретението

Първият хомополярен механизъм е разработен от Майкъл Фарадей по време на неговите експерименти през 1831 година. Той често се нарича колело или колело на Фарадей в негова чест. Това е началото на модерни динамо машини, т.е. електрически генератори, работещи на магнитно поле. Той е много неефективен и не е използван като практически източник на енергия, но показва възможността за генериране на електроенергия с помощта на магнетизъм и проправя пътя към превключени динамо-токови източници на ток, а след това и към алтернатори.

Недостатъци на първия генератор

Дискът на Фарадей е първиНеефективно поради противоточния поток. Принципът на униполярния генератор ще бъде описан само в неговия пример. Докато потокът от ток се индуцира директно под магнита, токът циркулира в обратна посока. Съпротивлението ограничава изходната мощност на приемащите проводници и причинява ненужно нагряване на медния диск. По-късно хомополярните генератори биха могли да разрешат този проблем с набор от магнити, разположени около периметъра на диска, за да поддържат постоянно поле в кръг и да елиминират области, в които може да има противодействие.


По-нататъшно развитие

Малко след като оригиналния диск на Фарадей беше дискредитиран като практически генератор, беше разработена модифицирана версия на магнита и диска в един роторен блок (ротор), но Самата идея за шоков униполарен генератор беше запазена за тази конфигурация. Един от най-ранните патенти за униполярни механизми от общ тип е получен от A.F. Delafield, U.S. Patent No. 278516.

Изследване на изключителни умове

Други ранни патенти на ударни униполярни генератори бяха присъдени на S.Z.De Ferrante и S. Batchelor отделно. Никола Тесла се интересуваше от диска на Фарадей и работил върху хомополярни механизми и впоследствие патентовал подобрена версия на устройството в патент на САЩ 406968. Патентът на Тесла "Динамо електрическа машина" (Униполарен Tesla генератор) описва разположението на два паралелни диска със свързани паралелни шахти, като ролки, метален проход. Всеки диск имаше поле, точно обратнотодругият, така че потокът от ток да преминава от един вал към ръба на диска през лентата към друг ръб и към втория вал. Това значително ще намали загубата на триене, причинена от плъзгащи се контакти, което позволява на двата електрически сензора да взаимодействат с валовете на два диска, а не с вал и високоскоростна джанта.
По-късно патентите бяха присъдени на S. Steinmetz и E. Thomson за тяхната работа с еднополюсни генератори с високо напрежение. Динамо Форбс, разработен от шотландския електроинженер Джордж Форбс, е широко използван в началото на ХХ век. Повечето от разработките в хомополярните механизми са патентовани от J. E. Noeggerath и R. Eickemeyer.

50-те години

Хомополярните генератори оцеляват през Възраждането през 50-те години като източник на импулсно съхранение на енергия. Тези устройства използват тежки дискове като маховик, за да спестят механична енергия, която може бързо да бъде хвърлена в експериментален автомобил. Един ранен пример за такъв тип устройство е създаден от сър Марк Олифант от Физическо и инженерно училище на Австралийския национален университет. Той съхранява до 500 мегаджоула енергия и е използван като източник на високи токове за синхротронни експерименти от 1962 г. до разглобяване през 1986 г. Дизайнът на Olyphanta е бил в състояние да доставя токове до 2 мегаампера (MA).

Кинетични дизайни на Parker

Подобни устройства са още по-проектирани и произведени от Parker Kinetic Designs (преди OIME Research & Development) от Austin. Те санаправени устройства за различни цели: от доставката на железопътни пистолети до линейни двигатели за космически изстрелване) и различни оръжия. Промишлени дизайни за 10 MJs бяха въведени за различни роли, включително електрическо заваряване.
Тези устройства се състоят от водещ маховик, единият от които се върти в магнитно поле с един електрически контакт около оста, а другият - в близост до периферията. Те са използвани за генериране на много високи токове при ниски напрежения в области като заваряване, електролиза и изследване на железопътни пушки. При приложения с импулсна енергия, ъгловият импулс на ротора се използва за акумулиране на енергия за дълъг период от време, а след това за освобождаване за кратко време. За разлика от други видове униполарни генератори с превключвател, изходното напрежение никога не променя полярността. Разделението на зарядите е резултат от ефекта на силата на Лоренц върху свободните заряди в диска. Движението е азимутално, а полето е аксиално, така че електромоторната сила е радиална. Електрическите контакти обикновено се осъществяват чрез "четка" или контактен пръстен, което води до големи загуби при генериране на ниско напрежение. Някои от тези загуби могат да бъдат намалени чрез използване на живак или друг лесно втечнен метал или сплав (Galium, NaK) като "четка" за осигуряване на практически непрекъснат електрически контакт.

Модификация

Предложената наскоро модификация е да се използва контакт с плазмата, осигурен от неонов стриппер с отрицателно съпротивление на ръба.диск или барабан, като се използва специализиран въглерод с ниска изходна работа във вертикални ленти. Това би имало предимството на много ниско съпротивление в сегашния диапазон, вероятно до хиляда ампер без контакт с течния метал. Ако магнитно поле се създава от постоянен магнит, генераторът работи независимо от това дали магнитът е прикрепен към статора или се върти с диска. Преди откриването на електрона и закона на Лоренц, това явление е неясно и е известно като парадокс на Фарадей.

"Барабан"

Хомополярният барабанен генератор има магнитно поле, излъчвано радиално от центъра на барабана и предизвиква напрежение (V) по цялата си дължина. Водещият барабан, който се върти отгоре в областта на магнит тип високоговорител, с един полюс в центъра, а другият го обгражда, може да използва водещите сачмени лагери в техните горни и долни части за улавяне на генерирания ток. В природата
еднополярните дросели се намират в астрофизиката, където проводникът се върти през магнитно поле, например, когато движи силно проводима плазма в йоносферата на космическото тяло през нейното магнитно поле. Униполарните дросели се свързват с отблясъци в Уран, двойни звезди, черни дупки, галактики, Юпитер, Йо, Луна, Слънчев вятър, слънчеви петна и венериански магнитни опашки.

Характеристики на механизма

Подобно на всички гореспоменати космически обекти, Фарадей Драйв превръща кинетичната енергия в електрическа. Тази машина може да се анализира сизползвайки правилния закон за електромагнитна индукция на Фарадей. Този закон в съвременната му форма гласи, че постоянната деривация на магнитния поток през затворена верига предизвиква в него електродвижеща сила, която от своя страна възбужда електрически ток. Повърхностният интеграл, който определя магнитния поток, може да бъде пренаписан като кръг около веригата. Въпреки че интегралната функция на интеграла на линията не зависи от времето, тъй като придвижването на Фарадей, което е част от границата на линейния интеграл, се движи, производното на пълното време не е равно на нула и връща правилната стойност за изчисляване на електродвижещата сила. Алтернативно, дискът може да бъде редуциран до проводящ пръстен около неговата обиколка с помощта на единична метална ролка, която свързва пръстена към оста. Законът на силата на Лоренц е по-лесен за обяснение на поведението на машината. Този закон, формулиран тридесет години след смъртта на Фарадей, заявява, че силата на електрона е пропорционална на кръстосания продукт на неговата скорост и вектора на магнитния поток. В геометрични термини това означава, че силата е насочена под прав ъгъл към скоростта (азимутална) и към магнитния поток (аксиален), който следователно е разположен в радиалната посока. Радиалното движение на електроните в диска причинява разделяне на зарядите между неговия център и ръба, а ако веригата е затворена, има електрически ток.

Електромотор

Еднополюсен електродвигател е DC устройство с два магнитни полюса, чиито проводници винаги пресичат еднопосочните линии на магнитния поток, въртящи сепроводник около неподвижната ос, така че той да е под прав ъгъл спрямо статичното магнитно поле. Полученият ЕМП (електродвижеща сила), който е непрекъснат в една посока, не изисква комутатор за хомополярен двигател, но все още изисква контактни пръстени. Името "хомополар" показва, че електрическата полярност на проводника и полюсите на магнитното поле не се променя (т.е. не изисква превключване). Еднополюсният двигател е първият електрически двигател, който е бил построен. Неговият акт е демонстриран от Майкъл Фарадей през 1821 г. в Кралския институт в Лондон.
През 1821, малко след като датският физик и химик Ханс Кристиан Ерстед открил феномена на електромагнетизма, Хъмфри Дюи и британският учен Уилям Хайд Уоластън се опитали, но не можели, да развият електрически мотор. Фарадей, за когото Хамфри се оплакваше от шега, продължи да създава две устройства за така нареченото "електромагнитно въртене". Един от тях, сега известен като хомополярен двигател, е създал непрекъснато кръгово движение. Тя е причинена от кръгова магнитна сила около телта, поставена в живачната локва, в която е бил поставен магнитът. Жиците ще се въртят около магнита, ако са снабдени с ток от химическа батерия. Тези експерименти и изобретения формират основата на съвременните електромагнитни технологии. Фарадей скоро публикува резултатите. Това изостри отношенията с Дева поради ревността му преди постиженията на Фарадей и стана причината последните да се занимават с други дела, които сарезултатът от няколко години възпрепятства участието му в електромагнитни изследвания. B. R. Lamm описва през 1912 г. хомополярна машина с мощност 2000 kW, 260 V, 7700 A и 1200 rpm с 16 контактни пръстена, работещи с периферна скорост от 67 m /s. Униполарният генератор с мощност 1125 kW, 75150000 A, 514 rpm, построен през 1934 г., е монтиран на американска стоманена тръба за заваряване.

Същият закон на Лоренц

Работата на този двигател е подобна на принципа на ударния униполярен генератор. Еднополюсният двигател се задвижва от силата на Лоренц. Проводник с протичащ през него ток, когато е поставен в магнитно поле и перпендикулярно на него, усеща мощността в посоката, перпендикулярна на магнитното поле и тока. Тази сила осигурява въртящ момент около оста на въртене. Тъй като последното е успоредно на магнитното поле, а противоположните магнитни полета не променят полярността, превключването не е необходимо за продължаване на въртенето на проводника. Тази простота се постига най-добре с конструкции с едно завъртане, което прави хомополарните двигатели неподходящи за повечето практически приложения.
Както повечето електромеханични машини (образец на негератирания генератор), хомополярният двигател е обратен: ако проводникът се върне механично, той ще работи като хомополярен генератор, създавайки постоянно напрежение между двата проводника на проводника. DC е следствие от хомополярния характер на дизайна. Хомополярните генератори (HPGs) бяха тествани добреизследвани в края на 20-ти век като източници на постоянен ток с ниско напрежение, но с много висок ток, и постигнали известен успех в храненето на експериментални ракети.

Структура

Създаването на униполарен генератор със собствени ръце е достатъчно лесно. Еднополюсният мотор също е много лесен за сглобяване. Постоянен магнит се използва за създаване на външно магнитно поле, в което проводникът ще се върти, и батерията кара токът да тече по проводниците. Няма нужда магнитът да се движи или да се допира до друга част на двигателя; единствената му цел е да създаде магнитно поле, което ще взаимодейства с подобно поле, индуцирано от тока в проводника. Можете да прикрепите магнита към батерията и да позволи на проводника да се върти свободно при затваряне на електрическата верига, докосвайки и горната част на батерията, и магнита, прикрепен към долната му част. По време на продължителна работа проводниците и батерията могат да се нагорещят.

Свързани публикации