Unipolárny generátor: zariadenie, história tvorby, aplikácia

Unipolárny generátor je jednosmerný elektrický mechanizmus obsahujúci elektricky vodivý disk alebo valec rotujúci v rovine. Má potenciály rôzneho výkonu medzi stredom disku a okrajom (alebo koncami valca) s elektrickou polaritou, ktorá závisí od smeru otáčania a orientácie poľa.

Je tiež známy ako unipolárny Faradayov generátor. Napätie je zvyčajne nízke, rádovo niekoľko voltov v prípade malých demonštračných modelov, ale veľké výskumné stroje môžu generovať stovky voltov a niektoré systémy majú niekoľko sekvenčných generátorov na výrobu ešte väčšieho napätia. Sú neobvyklé v tom, že môžu generovať elektrický prúd, ktorý môže presiahnuť milión ampérov, pretože unipolárny generátor nemusí mať nevyhnutne vysoký vnútorný odpor.

História vynálezu

Prvý homopolárny mechanizmus vyvinul Michael Faraday počas svojich experimentov v roku 1831. Na jeho počesť sa často nazýva Faradayov disk alebo koleso. To bol začiatok moderných dynamov, teda elektrických generátorov pracujúcich na magnetickom poli. Bol veľmi neefektívny a nepoužíval sa ako praktický zdroj energie, ale ukázal možnosť výroby elektriny pomocou magnetizmu a vydláždil cestu pre spínané zdroje DC dynama a potom pre alternátory.

Nevýhody prvého generátora

Faradayov disk bol primárne neúčinný z dôvodu prichádzajúcich prúdových tokov. Princíp fungovania z unipolárny generátor bude opísaný iba na jeho príklade. Zatiaľ čo prúd bol indukovaný priamo pod magnetom, prúd cirkuloval v opačnom smere. Protiprúd obmedzuje výstupný výkon prijímacích vodičov a spôsobuje zbytočné zahrievanie medeného disku. Neskôr by homopolárne generátory mohli tento problém vyriešiť použitím sady magnetov umiestnených po obvode disku na udržanie konštantného poľa po obvode a odstránenie oblastí, kde môže dôjsť k protiprúdu.

Ďalší vývoj

Krátko po zdiskreditovaní pôvodného Faradayovho disku ako praktického generátora bola vyvinutá upravená verzia kombinujúca magnet a disk v jednej rotujúcej časti (rotor), ale samotná myšlienka šokového unipolárneho generátora bola vyhradená pre túto konfiguráciu. Jeden z prvých patentov na unipolárne mechanizmy všeobecného typu získal A. F. Delafield, US Patent 278,516.

Výskum vynikajúcich myslí

Ďalšie skoré patenty na šokové unipolárne generátory boli udelené. Z. De Ferranti a S. Batchelor samostatne. Nikola Tesla sa zaujímal o Faraday disk a pracoval s homopolárnymi mechanizmami a nakoniec patentoval vylepšenú verziu zariadenia v americkom Patente 406 968.

Tesla Patent "Dynamo Elektrický Stroj" (Tesla unipolárny generátor) popisuje usporiadanie dvoch paralelných diskov so samostatnými paralelnými hriadeľmi spojenými, podobne ako remenice, kovovým pásom. Každý disk mal pole oproti druhému, takže prúd prúdil z jedného hriadeľa na okraj disku cez pás k druhému okraju a k druhému hriadeľu. To by výrazne znížilo straty trením spôsobené posuvnými kontaktmi, čo by umožnilo obom elektrickým snímačom interagovať s hriadeľmi dvoch diskov, a nie s hriadeľom a vysokorýchlostným ráfikom.

Neskôr boli udelené patenty. P. Steinmetz a E. Thomsonovi za prácu s unipolárnymi generátormi vysokého napätia. Forbes dynamo, vyvinutý škótskym elektrotechnikom Georgom Forbesom, bol široko používaný na začiatku dvadsiateho storočia. Väčšina vývoja uskutočneného v homopolárnych mechanizmoch bola patentovaná J.E. Noeggerath a R. Eickemeyer.

50s

Homopolárne generátory zažili renesanciu v roku 1950 ako zdroj pulzného skladovania energie. Tieto zariadenia používali ťažké disky ako formu zotrvačníka ukladať mechanická energia, ktorá by mohla byť rýchlo vyhodená do experimentálneho prístroja.

Skorý príklad tohto druhu zariadenia vytvoril Sir Mark Oliphant na výskumnej škole fyzikálnych vied a inžinierstva austrálskej národnej univerzity. Uložil až 500 megajoulov energie a bol použitý ako zdroj ultravysokého prúdu pre synchrotrónové experimenty od roku 1962 až do jeho demontáže v roku 1986. Dizajn Oliphant bol schopný dodávať prúdy až do 2 megaampov (MA).

Spoločnosť Parker Kinetic Designs Corporation

Podobné zariadenia ešte väčšej veľkosti navrhuje a vyrába spoločnosť Parker Kinetic Designs (predtým Oime Research & Vývoj) z Austinu. Vyrábali zariadenia pre rôzne účely: od napájania železničných pištolí po lineárne motory (pre vesmírne štarty) a rôzne konštrukcie zbraní. Priemyselné vzory pri 10 MJ boli zavedené pre rôzne úlohy vrátane elektrického zvárania.

Tieto zariadenia pozostávali z vodivého zotrvačníka, z ktorých jeden sa otáčal v magnetickom poli s jedným elektrickým kontaktom v blízkosti osi a druhý v blízkosti obvodu. Používajú sa na generovanie veľmi vysokých prúdov pri nízkom napätí v oblastiach, ako je zváranie, elektrolýza a výskum železničných zbraní. V aplikáciách s pulznou energiou sa moment hybnosti rotora používa na dlhodobé ukladanie energie a potom na jej uvoľnenie v krátkom čase.

Na rozdiel od iných typov unipolárnych generátorov so spínačom výstupné napätie nikdy nemení polaritu. Oddelenie náboja je výsledkom Lorentzovej sily pôsobiacej na voľné náboje na disku. Pohyb je azimutálny a pole je axiálne, takže elektromotorická sila je radiálna.

Elektrické kontakty sa zvyčajne vytvárajú pomocou "kefy" alebo kontaktného krúžku, čo vedie k veľkým stratám pri generovanom nízkom napätí. Niektoré z týchto strát je možné znížiť použitím ortuti alebo iného ľahko skvapalneného kovu alebo zliatiny (gálium, NaK) ako "kefy" na zabezpečenie prakticky nepretržitého elektrického kontaktu.

Zmena

Nedávno navrhovanou úpravou bolo použitie plazmového kontaktu vybaveného neónovým streamerom so záporným odporom dotýkajúcim sa okraja disku alebo bubna s použitím špecializovaného uhlíka s nízkym výstupným výkonom vo vertikálnych pásmach. To by malo výhodu veľmi nízkeho odporu v aktuálnom rozsahu, možno až do tisícov ampérov bez kontaktu s tekutým kovom.

Ak je magnetické pole vytvorené permanentným magnetom, generátor pracuje bez ohľadu na to, či je magnet pripevnený k statoru alebo sa otáča s diskom. Pred objavením elektrónu a zákona Lorentzovej sily bol tento jav nevysvetliteľný a bol známy ako Faradayov paradox.

"Typ bubna"

Homopolárny generátor bubnového typu má magnetické pole (B), ktoré vyžaruje radiálne zo stredu bubna a indukuje napätie (v) po celej svojej dĺžke. Vodivý bubon rotujúci zhora v oblasti magnetu typu "reproduktor", s jedným pólom v strede a druhým okolo neho, môže vo svojej hornej a dolnej časti použiť vodivé guľkové ložiská na zachytenie generovaného prúdu.

V prírode

Unipolárne induktory sa nachádzajú v astrofyzike, kde sa vodič otáča magnetickým poľom, napríklad keď sa vysoko vodivá plazma pohybuje v ionosfére kozmického tela prostredníctvom svojho magnetického poľa.

Unipolárne induktory boli spojené s polárnymi žiarami na Uráne, dvojhviezdami, čiernymi dierami, galaxiami, Jupiterovým mesiacom Io, mesiacom, slnečným vetrom, slnečnými škvrnami a Venušanským magnetickým chvostom.

Funkcie mechanizmu

Rovnako ako všetky vyššie uvedené vesmírne objekty, Faradayov disk premieňa kinetickú energiu na elektrickú energiu. Tento stroj je možné analyzovať pomocou Faradayovho vlastného zákona elektromagnetickej indukcie.

Tento zákon vo svojej modernej podobe uvádza, že konštantná derivácia magnetického toku cez uzavretý obvod v ňom indukuje elektromotorickú silu, ktorá zase excituje elektrický prúd.

Povrchový integrál, ktorý definuje magnetický tok, je možné okolo obvodu prepísať ako lineárny. Aj keď integrand integrálu z čiary nezávisí od času, pretože Faradayov disk, ktorý je súčasťou hranice lineárneho integrálu, sa pohybuje, derivácia celkového času nie je nulová a vracia správnu hodnotu pre výpočet elektromotorickej sily. Alternatívne môže byť disk redukovaný na vodivý krúžok po jeho obvode pomocou jediného kovového lúča spájajúceho krúžok s osou.

Lorentzov zákon sily sa ľahšie používa na vysvetlenie správania stroja. Tento zákon, formulovaný tridsať rokov po Faradayovej smrti, uvádza, že sila na elektrón je úmerná krížovému súčinu jeho rýchlosti a vektora magnetického toku.

Z geometrického hľadiska to znamená, že sila je nasmerovaná v pravom uhle tak k rýchlosti (azimutálnej), ako aj k magnetickému toku (axiálnemu), ktorý je teda v radiálnom smere. Radiálny pohyb elektrónov v disku spôsobuje oddelenie nábojov medzi jeho stredom a okrajom a ak sa obvod uzavrie, dôjde k elektrickému prúdu.

Elektromotor

Unipolárny elektromotor je jednosmerné zariadenie s dvoma magnetickými pólmi, ktorých vodiče vždy prechádzajú jednosmernými čiarami magnetického toku a otáčajú vodičom okolo pevnej osi tak, aby bol v pravom uhle k statickému magnetickému poľu. Výsledná EMF (elektromotorická sila), ktorá je spojitá v jednom smere, k homopolárnemu motoru nevyžaduje spínač, ale stále vyžaduje kontaktné krúžky. Názov "homopolar" naznačuje, že elektrická polarita vodiča a póly magnetického poľa sa nemenia (to znamená, že nevyžaduje prepínanie).

Unipolárny motor bol prvým elektromotorom, ktorý bol vyrobený. Jeho činnosť demonštroval Michael Faraday v roku 1821 na kráľovskom inštitúte v Londýne.

Vynález

V roku 1821, krátko po tom, čo dánsky fyzik a chemik Hans Christian Oersted objavil fenomén elektromagnetizmu, Humphrey Davy a britský vedec William Hyde Wollaston sa pokúsili, ale nepodarilo sa im, vyvinúť elektrický motor. Faraday, ktorého Humphrey zo žartu spochybnil, pokračoval vo vytváraní dvoch zariadení na vytvorenie takzvanej "elektromagnetickej rotácie". Jeden z nich, dnes známy ako homopolárny motor, vytvoril nepretržitý kruhový pohyb. Bolo to spôsobené kruhovou magnetickou silou okolo drôtu umiestneného v kaluži ortuti, do ktorej bol umiestnený magnet. Drôt by sa otáčal okolo magnetu, ak by bol napájaný prúdom z chemickej batérie.

Tieto experimenty a vynálezy tvorili základ moderných elektromagnetických technológií. Faraday čoskoro zverejnil výsledky. Tento napätý vzťah s Davym kvôli jeho žiarlivosti na Faradayove úspechy a spôsobil, Posledný príspevok ďalšie veci, ktoré v dôsledku toho zabránili jeho účasti na elektromagnetickom výskume niekoľko rokov.

. . . V roku 1912 Lamm opísal homopolárny stroj s výkonom 2000 kW, 260 v, 7700 A a 1200 ot / min so 16 kontaktnými krúžkami pracujúcimi pri periférnej rýchlosti 67 m / s. V americkej oceliarni na zváranie rúr bol nainštalovaný unipolárny generátor s výkonom 1125 kW, 7,5 v, 150 000 A, 514 ot. / min., postavený v roku 1934.

Rovnaký Lorentzov zákon

Prevádzka tohto motora je podobná princípu činnosti šokového unipolárneho generátora. Unipolárny motor je poháňaný Lorentzovou silou. Vodič s prúdom, ktorý ním preteká, keď je umiestnený v magnetickom poli a kolmý na neho, cíti silu v smere kolmom na magnetické pole aj na prúd. Táto sila poskytuje moment otáčania okolo osi otáčania.

Pretože toto je rovnobežné s magnetickým poľom a opačné magnetické polia nemenia polaritu, nie je potrebné prepínanie, aby sa pokračovalo v otáčaní vodiča. Táto jednoduchosť sa najľahšie dosiahne pri jednootáčkových konštrukciách, vďaka ktorým sú homopolárne motory nevhodné pre väčšinu praktických aplikácií.

Rovnako ako väčšina elektromechanických strojov (ako unipolárny generátor Neggerat), homopolárny motor je reverzibilný: ak sa vodič otáča mechanicky, bude fungovať ako homopolárny generátor a vytvorí jednosmerné napätie medzi dvoma svorkami vodiča.

Jednosmerný prúd je dôsledkom homopolárnej povahy konštrukcie. Homopolárne generátory (HPG) boli na konci 20. storočia dôkladne preskúmané ako nízkonapäťové zdroje jednosmerného prúdu, ale s veľmi vysokým prúdom, a dosiahli určitý úspech pri napájaní experimentálnych železničných zbraní.

Budova

Výroba unipolárneho generátora vlastnými rukami je celkom jednoduchá. Unipolárny motor sa tiež veľmi ľahko montuje. Permanentný magnet sa používa na vytvorenie vonkajšieho magnetického poľa, v ktorom sa vodič bude otáčať a batéria spôsobí prúdenie prúdu pozdĺž vodivého drôtu.

Nie je potrebné, aby sa magnet pohyboval alebo dokonca nadviazal kontakt so zvyškom motora; jeho jediným účelom je vytvoriť magnetické pole, ktoré bude interagovať s podobným poľom indukovaným prúdom v drôte. K batérii môžete pripevniť magnet a nechať vodič voľne sa otáčať, keď je elektrický obvod zatvorený, pričom sa dotknete hornej časti batérie aj magnetu pripevneného k jej spodnej časti. Drôt a batéria sa môžu počas nepretržitej prevádzky zahriať.