Уніполярний генератор: пристрій, історія створення, застосування

Однополярний генератор - це електричний механізм постійного струму, що містить електропровідний диск або циліндр, що обертається в площині. Має різні за потужністю потенціали між центром диска і ободом (або кінцями циліндра) з електричною полярністю, яка залежить від напрямку обертання і орієнтації поля.

Він також відомий як однополярний генератор Фарадея. Напруга, як правило, низька, порядку декількох вольт в разі невеликих демонстраційних моделей, але великі дослідницькі машини можуть генерувати сотні вольт, а деякі системи мають кілька послідовних генераторів для отримання ще більшої напруги. Вони незвичайні тим, що можуть генерувати електричний струм, який здатний перевищувати мільйон ампер, оскільки однополярний генератор зовсім не обов`язково має високий внутрішній опір.

Історія винаходу

Перший гомополярний механізм був розроблений Майклом Фарадеєм під час його експериментів у 1831 році. Його часто називають диском або колесом Фарадея на його честь. Це був початок сучасних динамо-машин, тобто електричних генераторів, що працюють на магнітному полі. Він був дуже неефективним і не використовувався як практичне джерело енергії, але показав можливість виробництва електроенергії за допомогою магнетизму і проклав шлях до комутованих динамо-джерел постійного струму, а потім до генераторів змінного струму.

Недоліки першого генератора

Диск Фарадея був в першу чергу неефективний через зустрічних потоків струму. Принцип роботи уніполярного генератора буде описаний якраз на його прикладі. У той час як потік струму індукувався безпосередньо під магнітом, струм циркулював у зворотному напрямку. Протитечія обмежує вихідну потужність для приймальних проводів і викликає непотрібне нагрівання мідного диска. Пізніші гомополярні генератори могли б вирішити цю проблему за допомогою набору магнітів, розташованих по периметру диска, для підтримки постійного поля по колу і усунення областей, в яких може виникнути протитечія.

Подальші розробки

Незабаром після того, як оригінальний диск Фарадея був дискредитований як практичний генератор, була розроблена модифікована версія, що поєднує магніт і диск в одній обертовій частині (роторі), але сама ідея ударного однополярного генератора була зарезервована для цієї конфігурації. Один з найперших патентів на однополярні механізми загального типу був отриманий A. F. Delafield, патент США 278 516.

Дослідження видатних умів

Інші ранні патенти на ударні однополярні генератори були присуджені з. З. Де Ферранті і з. Батчелору окремо. Нікола Тесла цікавився диском Фарадея і проводив роботу з гомополярними механізмами, і в підсумку запатентував поліпшену версію пристрою в патенті США 406 968.

Патент Tesla "Dynamo Electric Machine" (однополярний Генератор Тесла) описує розташування двох паралельних дисків з окремими паралельними валами, з`єднаними, подібно шківам, металевим ременем. Кожен диск мав поле, протилежне іншому, так що потік струму проходив від одного валу до краю диска через ремінь до іншого краю і до другого валу. Це значно зменшило б втрати тертя, спричинені ковзаючими контактами, дозволяючи обом електричним датчикам взаємодіяти з валами двох дисків, а не з валом та високошвидкісним ободом.

Пізніше патенти були присуджені з. Е. Штайнмецу та Е. Томсону за їх роботу з уніполярними генераторами високої напруги. Динамо Forbes, розроблене шотландським інженером-електриком Джорджем Форбсом, широко використовувалося на початку ХХ століття. Велика частина розробок, виконаних в гомополярних механізмах, була запатентована J.E. Noeggerath і R. Eickemeyer.

50-ті роки

Гомополярні генератори пережили ренесанс у 1950 - х роках як джерело імпульсного накопичувача енергії. Ці пристрої використовували важкі диски як форму маховика для зберігання механічної енергії, яку можна було швидко скинути в експериментальний апарат.

Ранній приклад такого роду пристрою був створений сером Марком Оліфантом в науково-дослідній школі фізичних наук та інженерії Австралійського національного університету. Він зберігав до 500 мегаджоулів енергії і використовувався як джерело надвисокого струму для експериментів з синхротроном з 1962 року до його розбирання в 1986 році. Конструкція Оліфанта була здатна подавати струми до 2 мегаампер (МА).

Розробка корпорації Parker Kinetic Designs

Подібні пристрої ще більшого розміру спроектовані і виготовлені компанією Parker Kinetic Designs (раніше OIME Research & Development) з Остіна. Вони виробляли пристрої для самих різних цілей: від живлення залізничних пістолетів до лінійних двигунів (для космічних запусків) і різних конструкцій зброї. Промислові зразки на 10 МДж були введені для різних ролей, включаючи електрозварювання.

Ці пристрої складалися з провідного маховика, один з яких обертався в магнітному полі з одним електричним контактом біля осі, а інший-біля периферії. Вони використовувалися для генерації дуже високих струмів при низьких напругах в таких областях, як зварювання, електроліз і дослідження рейкових гармат. У додатках з імпульсною енергією кутовий момент ротора застосовується для накопичення енергії протягом тривалого періоду, а потім для її вивільнення за короткий час.

На відміну від інших типів однополярних генераторів з комутатором, вихідна напруга ніколи не змінює полярність. Поділ зарядів є результатом дії сили Лоренца на вільні заряди в диску. Рух азимутальний, а поле осьове, тому електрорушійна сила радіальна.

Електричні контакти зазвичай виконуються через "щітку" або контактне кільце, що призводить до великих втрат при генерованих низьких напругах. Деякі з цих втрат можуть бути зменшені шляхом використання ртуті або іншого легко зрідженого металу, або сплаву (галій, NaK) в якості "щітки", щоб забезпечити практично безперервний електричний контакт.

Модифікація

Нещодавно запропонована модифікація полягала у використанні плазмового контакту, оснащеного неоновим стримером з негативним опором, що торкається краю диска або барабана, з використанням спеціалізованого вуглецю з низькою роботою виходу у вертикальних смугах. Це мало б перевагу дуже низького опору в діапазоні струму, можливо, до тисяч ампер без контакту з рідким металом.

Якщо магнітне поле створюється постійним магнітом, генератор працює незалежно від того, прикріплений магніт до статора або обертається разом з диском. До відкриття електрона і Закону сили Лоренца це явище було незрозумілим і було відомо, як парадокс Фарадея.

"Барабанний тип"

Гомополярний генератор барабанного типу має магнітне поле (В), яке випромінюється радіально від центру барабана і індукує напругу (V) по всій його довжині. Провідний барабан, що обертається зверху в області магніту типу "гучномовець" , у якого один полюс знаходиться в центрі, а інший оточує його, може використовувати провідні Шарикопідшипники в своїх верхній і нижній частинах для захоплення генерованого струму.

У природі

Однополярні індуктори зустрічаються в астрофізиці, де провідник обертається через магнітне поле, наприклад, при русі високопровідної плазми в іоносфері космічного тіла через його магнітне поле.

Однополярні індуктори були пов`язані з сяйвом на Урані, двійковими зірками, чорними дірами, галактиками, супутником Юпітера Іо, Місяцем, сонячним вітром, сонячними плямами, і венеріанським магнітним хвостом.

Особливості механізму

Як і всі вищезгадані космічні об`єкти, диск Фарадея перетворює кінетичну енергію в електричну. Ця машина може бути проаналізована за допомогою власного закону електромагнітної індукції Фарадея.

Цей закон у своїй сучасній формі стверджує, що постійна похідна магнітного потоку через замкнутий ланцюг індукує в ній електрорушійну силу, яка, у свою чергу, збуджує електричний струм.

Поверхневий Інтеграл, який визначає магнітний потік, може бути переписаний як лінійний навколо схеми. Хоча інтегральний інтеграл від лінії не залежить від часу, оскільки диск Фарадея, який є частиною межі лінійного інтеграла, рухається, похідна повного часу не дорівнює нулю і повертає правильне значення для обчислення електрорушійної сили. Альтернативно диск може бути зменшений до провідного кільця по його колу за допомогою єдиної металевої спиці, що з`єднує кільце з віссю.

Закон сили Лоренца легше використовувати для пояснення поведінки машини. Цей закон, сформульований через тридцять років після смерті Фарадея, стверджує, що сила на електроні пропорційна перехресному добутку його швидкості та вектору магнітного потоку.

У геометричному вираженні це означає, що сила спрямована під прямим кутом як до швидкості (азимутальної), так і до магнітного потоку (осьової), яка тому знаходиться в радіальному напрямку. Радіальний рух електронів в диску викликає поділ зарядів між його центром і ободом, і, якщо ланцюг замикається, виникає електричний струм.

Електродвигун

Однополярний електродвигун - це пристрій постійного струму з двома магнітними полюсами, провідники якого завжди перетинають односпрямовані лінії магнітного потоку, обертаючи провідник навколо нерухомої осі так, щоб він знаходився під прямим кутом до статичного магнітного поля. Результуюча ЕРС (електрорушійна сила), яка є безперервною в одному напрямку, гомополярному двигуну не вимагає комутатора, але все ж вимагає контактних кілець. Назва "гомополярний" вказує на те, що електрична полярність провідника і полюсів магнітного поля не змінюються (тобто, що він не вимагає комутації).

Однополярний двигун був першим електродвигуном, який був побудований. Його дія була продемонстрована Майклом Фарадеєм в 1821 році в Королівському інституті в Лондоні.

Винахід

У 1821 році, незабаром після того, як датський фізик і хімік Ганс Крістіан Ерстед відкрив феномен електромагнетизму, Хамфрі Деві і британський вчений Вільям Хайд Волластон спробували, але не змогли, розробити електричний двигун. Фарадей, якого Хамфрі оскаржив як жарт, продовжував створювати два пристрої для створення так званого " електромагнітного обертання». Один з них, тепер відомий як гомополярний двигун, створив безперервний круговий рух. Воно було викликано круговою магнітною силою навколо дроту, покладеного в калюжу ртуті, в яку був поміщений магніт. Дріт обертався б навколо магніту, якби був забезпечений струмом від хімічної батареї.

Ці експерименти та винаходи лягли в основу сучасних електромагнітних технологій. Незабаром Фарадей опублікував результати. Це загострило стосунки з Деві через його ревнощі до досягнень Фарадея і стало причиною того, що останній зайнявся іншими справами, що в результаті кілька років перешкоджало його участі в електромагнітних дослідженнях.

Б. Г. Ламм описав у 1912 році гомополярну машину потужністю 2000 кВт, 260 В, 7700 А та 1200 об/хв з 16 контактними кільцями, що працюють при периферійній швидкості 67 м / сек. Однополярний генератор потужністю 1125 кВт, 7,5 В, 150 000 А, 514 об/хв, побудований в 1934 році, був встановлений на американському сталеливарному заводі для зварювання труб.

Той самий закон Лоренца

Експлуатація цього двигуна схожа з принципом роботи ударного уніполярного генератора. Однополярний двигун приводиться в дію силою Лоренца. Провідник зі струмом, що протікає через нього, коли він поміщений в магнітне поле і перпендикулярний йому, відчуває силу в напрямку, перпендикулярному як магнітному полю, так і струму. Ця сила забезпечує оборотний момент навколо осі обертання.

Оскільки остання паралельна магнітному полю, а протилежні магнітні поля не змінюють полярність, для продовження обертання провідника комутація не потрібна. Цю простоту найпростіше досягти за допомогою однооборотних конструкцій, що робить гомополярні двигуни непридатними для більшості практичних застосувань.

Як і більшість електромеханічних машин (на зразок уніполярного генератора Неггерата), гомополярний двигун є оборотним: якщо провідник повертається механічно, то він буде працювати як гомополярний генератор, створюючи напругу постійного струму між двома висновками провідника.

Постійний струм є наслідком гомополярної природи дизайну. Гомополярні генератори (HPG) були широко досліджені наприкінці 20 століття як джерела постійного струму низької напруги, але з дуже високим струмом, і досягли певного успіху в живленні експериментальних залізничних гармат.

Будова

Зробити уніполярний генератор своїми руками досить просто. Однополярний мотор також дуже простий в збірці. Постійний магніт використовується для створення зовнішнього магнітного поля, в якому буде обертатися провідник, і батарея змушує струм текти вздовж провідного дроту.

Не потрібно, щоб магніт рухався або навіть контактував з рештою двигуна; його єдина мета-створити магнітне поле, яке буде взаємодіяти з подібним полем, індукованим струмом у дроті. Можна прикріпити магніт до батареї і дозволити провіднику вільно обертатися при замиканні електричного кола, торкаючись як верхньої частини батареї, так і магніту, прикріпленого до нижньої її частини. Провід і батарея можуть нагріватися при безперервній роботі.