Уніполярний генератор: пристрій, історія створення, застосування

10 0 Новини високих технологій

Уніполярний генератор являє собою електричний механізм постійного струму, що містить електропровідний диск або циліндр, що обертається в площині. Має різні по потужності потенціали між центром диска та ободом (або кінцями циліндра) з електричною полярністю, яка залежить від напрямку обертання і орієнтації поля.

Уніполярний генератор: пристрій, історія створення, застосування
Він також відомий як уніполярний генератор Фарадея. Напруга, як правило, низьке, порядку декількох вольт в разі невеликих демонстраційних моделей, але великі дослідні 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 уніполярний генератор зовсім не обов'язково має високий внутрішній опір.


Історія винаходу

Перший гомополярный механізм був розроблений Майклом Фарадеєм під час його експериментів у 1831 році. Його часто називають диском або колесом Фарадея в його честь. Це був початок сучасних динамо-машин, тобто електричних генераторів, що працюють на магнітному полі. Він був дуже неефективним і не використовувався в якості практичного джерела енергії, але показав можливість вироблення електрики з 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 як раз на його прикладі. У той час як потік струму индуцировался безпосередньо під магнітом, струм циркулював у зворотному напрямку. Протитечія обмежує вихідну потужність для прийомних проводів і викликає непотрібне нагрівання мідного диска. Більш пізні гомополярные 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 обертової частини (роторі), але сама ідея ударного уніполярного генератора була зарезервована для цієї конфігурації. Один з найбільш ранніх патентів на уніполярні механізми загального типу був отриманий A. F. Delafield, патент США 278516.
Уніполярний генератор: пристрій, історія створення, застосування

Дослідження видатних умів

Інші ранні патенти на ударні уніполярні генератори були присуджені С. З. Де Ферранте і С. Батчелору окремо. Нікола Тесла цікавився диском Фарадея і проводив роботу з гомополярными механізмами, і в підсумку запатентував поліпшену версію пристрою в патенті США 406968. Патент Tesla "Dynamo Electric Machine" (уніполярний генератор Тесла) описує розташування двох паралельних дисків з окремими паралельними валами, з'єднаними, подібно шківах, металевим паском. Кожен диск мав поле, протилежне іншому, так що потік струму проходив від одного вала до краю диска через ремінь до іншого краю і до другого валу. Це значно зменшило б втрати на тертя, викликані ковзаючими контактами, дозволяючи обом електричних датчиків взаємодіяти з валами двох дисків, а не з валом і високошвидкісним ободом.
Пізніше патенти були присуджені С. П. Штайнмецу і Е. Томсону за їх роботу з униполярными генератори високої напруги. Динамо Forbes, розроблене шотландським інженером-електриком Джорджем Форбсом, широко використовувалося на початку ХХ століття. Більша частина розробок, виконаних в гомополярных механізми, була запатентована J. E. Noeggerath і R. Eickemeyer.

50-ті роки

Гомополярные генератори пережили ренесанс в 1950-х роках в якості джерела імпульсного накопичувача енергії. Ці пристрої використовували важкі диски як форму маховика для збереження механічної енергії, яку можна було швидко скинути в експериментальний апарат. Ранній приклад такого роду пристрою був створений сером Марком Олифантом у Науково-дослідній школі фізичних наук та інженерії Австралійського національного університету. У ньому зберігалося до 500 мегаджоулей енергії, і він використовувався в якості джерела струму надвисокої для експериментів з синхротроном з 1962 року до його розбирання в 1986 році. Конструкція Оліфанта була здатна подавати струми до 2 мегаампер (МА).
Уніполярний генератор: пристрій, історія створення, застосування

Розробка корпорації Parker Kinetic Designs

Подібні пристрої ще більшого розміру спроектовані і виготовлені компанією Parker Kinetic Designs (раніше OIME Research & Development) з Остіна. Вони виготовляли 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 обертається в магнітному полі з одним електричним контактом близько осі, а інший - близько периферії. Вони використовувалися для генерації дуже високих струмів при низьких напругах в таких областях, як зварювання, електроліз і дослідження рейкових гармат. В 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 генераторів уніполярних з комутатором, вихідна напруга ніколи не змінює полярність. Поділ зарядів є результатом дії сили Лоренца на вільні заряди в диску. Рух азимутальні, а поле осьове, тому електрорушійна сила радіальна. Електричні контакти зазвичай виконуються через «щітку» або контактне кільце, що призводить до великих втрат при генеруються низьких напругах. Деякі з цих втрат можуть бути зменшені шляхом використання ртуті або іншого легко скрапленого металу або сплаву (галій, NaK) в якості «щітки», щоб забезпечити практично безперервний електричний контакт.

Уніполярний генератор: пристрій, історія створення, застосування

Модифікація

Нещодавно запропонована модифікація полягала у використанні плазмового контакту, забезпеченого неоновим стримером з від'ємним опором, що стосується 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"

Гомополярный генератор барабанного типу має магнітне поле, яке випромінюється радіально від центру барабана і індукує напруга (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 у своїх верхній і нижній частинах для захоплення генерованого струму.

У природі

Уніполярні індуктори зустрічаються в астрофізиці, де провідник обертається через магнітне поле, наприклад, при русі высокопроводящей плазми в іоносфері космічного тіла через його магнітне поле. Уніполярні індуктори були пов'язані з сяйвом на Урані, подвійними зірками, чорними дірами, галактиками, супутником Юпітера Іо, Місяцем, Сонячним вітром, сонячними плямами, і венерианским магнітним хвостом.
Уніполярний генератор: пристрій, історія створення, застосування

Особливості механізму

Як і всі вищезгадані космічні об'єкти, диск Фарадея перетворює кінетичну енергію в електричну. Ця машина може бути проаналізована з використанням власного закону електромагнітної індукції Фарадея. Цей закон в його сучасній формі стверджує, що постійна похідна магнітного потоку через замкнуту ланцюг індукує в ній електрорушійну силу, яка, в свою чергу, збуджує електричний струм. Поверхневий інтеграл, який визначає магнітний потік, може бути переписаний як лінійний навколо схеми. Хоча подынтегральное вираз інтеграла від лінії не залежить від часу, так як диск Фарадея, який є частиною кордону лінійного інтеграла, рухається, похідна повного часу не дорівнює нулю і повертає правильне значення для розрахунку електрорушійної сили. Альтернативно диск може бути зменшений до провідного кільця по його окружності з допомогою єдиною 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 і вектора магнітного потоку. У геометричному вираженні це означає, що сила спрямована під прямим кутом до швидкості (азимутальної), так і до магнітного потоку (осьовий), що тому міститься в радіальному напрямку. Радіальний рух електронів в диску викликає поділ зарядів між його центром та 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 неперервною в одному напрямку, гомополярному двигуну не вимагає комутатора, але все ж вимагає контактних кілець. Назва «гомополярный» вказує на те, що електрична полярність провідника і полюсів магнітного поля не змінюються (тобто, що він не вимагає комутації). Однополярний двигун був першим електромотором, який був побудований. Його дію було продемонстровано Майклом Фарадеєм у 1821 році у Королівському інституті в Лондоні.
Уніполярний генератор: пристрій, історія створення, застосування

Винахід

В 1821 році, незабаром після того, як датський фізик і хімік Ханс Крістіан Ерстед відкрив феномен електромагнетизму, Хамфрі Деві і британський учений Вільям Хайд Волластон спробували, але не змогли, розробити електричний двигун. Фарадей, якого Хамфрі оскаржував як жарт, продовжив створювати два пристрої для створення так званого «електромагнітного обертання». Один з них, тепер відомий як гомополярный двигун, створив безперервний круговий рух. Воно було викликане кругової магнітною силою навколо дроти, покладеного в калюжу ртуті, в яку був поміщений магніт. Провід оберталася 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 відносини 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. Р. Ламм описав у 1912 році гомополярную машину потужністю 2000 кВт, 260 В, 7700 А і 1200 об/хв з 16 контактними кільцями, що працюють при периферійної швидкості 67 м/с. Уніполярний генератор потужністю 1125 кВт, 75150000 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 з струмом, поточним через нього, коли він поміщений в магнітне поле і перпендикулярний йому, відчуває силу в напрямку, перпендикулярному як магнітного поля, так і струму. Ця сила забезпечує обертовий момент навколо осі обертання. Оскільки остання паралельна магнітному полю, а протилежні магнітні поля не змінюють полярність, для продовження обертання провідника комутація не потрібно. Цю простоту легше всього досягти за допомогою однооборотных конструкцій, що робить гомополярные двигуни непридатними для більшості практичних застосувань.
Уніполярний генератор: пристрій, історія створення, застосування
Як і більшість електромеханічних машин (зразок уніполярного генератора Неггерата), гомополярный двигун є зворотнім: якщо провідник повертається механічно, то він буде працювати як гомополярный генератор, створюючи напругу постійного струму між двома висновками провідника. Постійний струм є наслідком гомополярной природи дизайну. Гомополярные генератори (HPG) були ретельно досліджені в кінці 20-го століття в якості джерел постійного струму низької напруги, але з дуже високим струмом, і досягли деякого успіху в харчуванні експериментальних рейкових 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 проводить дроти. Немає необхідності, щоб магніт рухався або навіть контактував з іншою частиною двигуна; його єдина мета - створити магнітне поле, яке буде взаємодіяти з аналогічним полем, індукованим струмом у проводі. Можна прикріпити магніт до батареї і дозволити провіднику вільно обертатися при замиканні електричного ланцюга, торкаючись як верхній частині батареї, так і магніту, прикріпленого до нижньої її частини. Провід та батарея можуть нагріватися при безперервній роботі.