Unipolarni generator: uređaj, istorija stvaranja, aplikacija

Unipolarni generator je DC električni mehanizam koji sadrži električno provodljivi disk ili cilindar koji rotira u ravni. Ima potencijale različite snage između središta diska i oboda (ili krajeva cilindra) s električnim polaritetom koji ovisi o smjeru rotacije i orijentaciji polja.

Takođe je poznat i kao unipolarni Faraday generator. Napon je obično nizak, reda veličine nekoliko volti u slučaju malih demonstracijskih modela, ali velike istraživačke mašine mogu proizvesti stotine volti, a neki sistemi imaju nekoliko sekvencijalnih generatora za proizvodnju još većeg napona. Neobične su po tome što mogu proizvesti električnu struju koja može premašiti milion ampera, budući da unipolarni generator ne mora nužno imati visok unutrašnji otpor.

Istorija pronalaska

Prvi homopolarni mehanizam razvio je Michael Faraday tokom svojih eksperimenata 1831. godine. Često se naziva Faradejev disk ili točak u njegovu čast. Ovo je bio početak modernih dinamosa, odnosno električnih generatora koji rade na magnetnom polju. Bio je vrlo neefikasan i nije se koristio kao praktični izvor energije, ali je pokazao mogućnost proizvodnje električne energije pomoću magnetizma i otvorio put za komutirane DC Dinamo izvore, a zatim i za alternatore.

Nedostaci prvog generatora

Faradejev disk je prvenstveno bio neefikasan zbog nadolazećih tokova struje. Princip rada unipolarnog generatora biće opisan samo njegovim primerom. Dok je strujni tok bio induciran direktno ispod magneta, struja je cirkulirala u suprotnom smjeru. Protivtok ograničava izlaznu snagu za prijemne žice i uzrokuje nepotrebno grijanje bakarnog diska. Kasniji homopolarni generatori mogli bi riješiti ovaj problem korištenjem skupa magneta koji se nalaze oko perimetra diska kako bi održali konstantno polje oko obima i eliminisali područja u kojima može doći do protivtoka.

Dalji razvoj

Ubrzo nakon što je originalni Faradayev disk diskreditovan kao praktični generator, razvijena je modifikovana verzija koja kombinuje magnet i disk u jednom rotirajućem delu (rotor), ali je sama ideja udarnog unipolarnog generatora bila rezervisana za ovu konfiguraciju. Jedan od najranijih patenata za unipolarne mehanizme opšteg tipa dobio je a. F. Delafield, američki Patent 278,516.

Istraživanje izuzetnih umova

Drugi rani patenti za udarne unipolarne generatore nagrađeni su sa. Z. De Ferranti i S. Batchelor zasebno. Nikola Tesla bio je zainteresovan za Faraday disk i radio sa homopolarnim mehanizmima, a na kraju je patentirao poboljšanu verziju uređaja u američkom patentu 406.968.

Tesla Patent "Dinamo Električna Mašina" (Tesla unipolarni generator) opisuje raspored dva paralelna diska sa odvojenim paralelnim osovinama povezanim, poput remenica, metalnim remenom. Svaki disk je imao Polje nasuprot drugom, tako da je trenutni tok prolazio od jedne osovine do ivice diska preko pojasa do druge ivice i do druge osovine. Ovo bi značajno smanjilo gubitke trenja uzrokovane kliznim kontaktima, omogućavajući oba električna senzora da stupe u interakciju sa osovinama dva diska, a ne sa osovinom i naplatkom velike brzine.

Kasniji patenti su nagrađeni sa. P. Steinmetz i E. Thomsonu za njihov rad sa unipolarnim visokonaponskim generatorima. Forbes Dinamo, koji je razvio Škotski inženjer elektrotehnike Džordž Forbes, bio je široko korišćen početkom dvadesetog veka. Većinu razvoja provedenih u homopolarnim mehanizmima patentirao je J.E. Noeggerath i R. Eickemeyer.

50s

Homopolarni generatori doživjeli su renesansu 1950 - ih kao izvor impulsnog skladištenja energije. Ovi uređaji su koristili teške diskove kao oblik zamajca za čuvanje mehanička energija koja se može brzo baciti u eksperimentalni aparat.

Rani primjer ove vrste uređaja stvorio je Sir Mark Oliphant na istraživačkoj školi fizičkih nauka i inženjerstva Australijskog Nacionalnog univerziteta. Skladištio je do 500 megadžula energije i korišten je kao izvor ultra visoke struje za eksperimente sinhrotrona od 1962. do rastavljanja 1986. godine. Oliphant dizajn je bio sposoban da snabdeva struje do 2 megaamps (MA).

Razvoj Parker Kinetic Designs Corporation

Slične uređaje još veće veličine dizajnirao je i proizveo Parker Kinetic Designs (ranije Oime Research & Razvoj) iz Austina. Proizvodili su uređaje za različite namjene: od napajanja željezničkih pištolja do linearnih motora (za lansiranje svemira) i različitih dizajna oružja. Industrijski dizajn na 10 MJ uvedeni su za različite uloge, uključujući električno zavarivanje.

Ovi uređaji su se sastojali od provodnog zamašnjaka, od kojih se jedan rotirao u magnetnom polju sa jednim električnim kontaktom blizu ose, a drugi blizu periferije. Korišteni su za stvaranje vrlo visokih struja pri niskim naponima u područjima kao što su zavarivanje, elektroliza i istraživanje šinskih topova. U aplikacijama sa impulsnom energijom, ugaoni moment rotora se koristi za skladištenje energije tokom dužeg perioda, a zatim za njeno oslobađanje u kratkom vremenu.

Za razliku od drugih tipova unipolarnih generatora sa prekidačem, izlazni napon nikada ne menja polaritet. Odvajanje naboja rezultat je Lorentzove sile koja djeluje na slobodne naboje u disku. Kretanje je azimutalno, a polje je aksijalno, tako da je elektromotorna sila radijalna.

Električni kontakti se obično ostvaruju kroz "četku" ili kontaktni prsten, što dovodi do velikih gubitaka pri generisanom niskom naponu. Neki od ovih gubitaka mogu se smanjiti korištenjem žive ili drugog metala koji se lako ukapljuje, ili legure (galij, NaK) kao "četke" za praktično kontinuirani električni kontakt.

Modifikacija

Nedavno predložena modifikacija bila je korištenje plazma kontakta opremljenog neonskim streamerom s negativnim otporom koji dodiruje rub diska ili bubnja, koristeći specijalizirani ugljik sa niskim izlaznim performansama u vertikalnim opsezima. Ovo bi imalo prednost veoma niskog otpora u trenutnom opsegu, verovatno do hiljada ampera bez kontakta sa tečnim metalom.

Ako je magnetno polje stvoreno stalnim magnetom, generator radi bez obzira da li je magnet priključen na stator ili se rotira sa diskom. Prije otkrića elektrona i Lorentzovog zakona sile, ovaj fenomen je bio neobjašnjiv i bio je poznat kao Faradejev paradoks.

"Tip bubnjeva"

Generator homopolarnog bubnja ima magnetno polje (B) koje zrači radijalno od središta bubnja i inducira napon (V) cijelom svojom dužinom. Provodni bubanj koji se okreće odozgo u području magneta tipa" zvučnik", sa jednim stubom u sredini, a drugim koji ga okružuje, može koristiti provodljive kuglične ležajeve u svojim gornjim i donjim dijelovima za hvatanje generirane struje.

U prirodi

Unipolarni induktori se nalaze u astrofizici, gdje se provodnik rotira kroz magnetno polje, na primjer, kada se visokoprovodljiva plazma kreće u jonosferi kosmičkog tijela kroz svoje magnetno polje.

Unipolarni induktori povezani su sa aurorama na Uranu, binarnim zvijezdama, crnim rupama, galaksijama, Jupiterovim mjesecom Io, mjesecom, solarnim vjetrom, sunčevim pjegama i magnetnim repom Venere.

Karakteristike mehanizma

Kao i svi gore pomenuti svemirski objekti, Faradejev disk pretvara kinetičku energiju u električnu energiju. Ova mašina se može analizirati koristeći Faradayev vlastiti zakon elektromagnetne indukcije.

Ovaj zakon u svom modernom obliku kaže da konstantna derivacija magnetnog fluksa kroz zatvoreno kolo inducira elektromotornu silu u njemu, koja zauzvrat pobuđuje električnu struju.

Površinski integral koji definiše magnetni tok može se prepisati kao linearan oko kola. Iako integrand integrala iz linije ne ovisi o vremenu, jer se Faraday disk, koji je dio granice linearnog integrala, kreće, derivat ukupnog vremena nije nula i vraća tačnu vrijednost za izračunavanje elektromotorne sile. Alternativno, disk se može smanjiti na provodljivi prsten oko svog obima korištenjem jedne metalne žbice koja povezuje prsten sa osom.

Lorentzov zakon sile lakše je koristiti za objašnjenje ponašanja mašine. Ovaj zakon, formulisan trideset godina nakon Faradejeve smrti, kaže da je sila na elektron proporcionalna unakrsnom proizvodu njegove brzine i vektora magnetnog fluksa.

U geometrijskom smislu, to znači da je sila usmjerena pod pravim uglom i na brzinu (azimutalni) i na magnetni tok (aksijalni), koji je stoga u radijalnom smjeru. Radijalno kretanje elektrona u disku uzrokuje razdvajanje naboja između njegovog centra i oboda, a ako se krug zatvori, dolazi do električne struje.

Elektromotor

Unipolarni električni motor je jednosmerni uređaj sa dva magnetna pola, čiji provodnici uvek prelaze jednosmerne linije magnetnog fluksa, rotirajući provodnik oko fiksne ose tako da bude pod pravim uglom u odnosu na statičko magnetno polje. Rezultirajuća EMF (elektromotorna sila), koja je kontinuirana u jednom smjeru, na homopolarni motor ne zahtijeva prekidač, ali i dalje zahtijeva kontaktne prstenove. Naziv "homopolar" označava da se električni polaritet provodnika i polovi magnetnog polja ne mijenjaju (odnosno da ne zahtijeva prebacivanje).

Unipolarni motor je bio prvi električni motor koji je izgrađen. Njegovu akciju pokazao je Michael Faraday 1821. godine na Kraljevskom institutu u Londonu.

Izum

Godine 1821., ubrzo nakon što je danski fizičar i hemičar Hans Christian Oersted otkrio fenomen elektromagnetizma, Humphrey Davy i britanski naučnik William Hyde Wollaston pokušali su, ali nisu uspjeli, razviti električni motor. Faraday, kojeg je Humphrey osporio kao šalu, nastavio je stvarati dva uređaja za stvaranje takozvane "elektromagnetne rotacije". Jedan od njih, sada poznat kao homopolarni motor, stvorio je kontinuirano kružno kretanje. To je uzrokovano kružnom magnetnom silom oko žice postavljene u bazen žive u koji je postavljen magnet. Žica bi se rotirala oko magneta da je napajana strujom iz hemijske baterije.

Ovi eksperimenti i izumi činili su osnovu savremenih elektromagnetnih tehnologija. Uskoro Faraday objavio rezultate. Ovo zategnuti odnosi sa Davy zbog njegove ljubomore Faraday dostignuća i izazvao, potonje za zauzimanje druge stvari, koje su kao rezultat toga spriječile njegovo učešće u elektromagnetnim istraživanjima nekoliko godina.

. . . Lamm je 1912. godine opisao homopolarnu mašinu snage 2000 kW, 260 V, 7700 A i 1200 o / min sa 16 kontaktnih prstenova koji rade pri perifernoj brzini od 67 m / s. Unipolarni generator snage 1125 kW, 7,5 V, 150.000 A, 514 o / min, izgrađen 1934. godine, ugrađen je u američku čeličanu za zavarivanje cijevi.

Isti Lorentzov zakon

Rad ovog motora sličan je principu rada udarnog unipolarnog generatora. Unipolarni motor pokreće Lorentzova sila. Provodnik sa strujom koja teče kroz njega, kada se postavi u magnetno polje i okomito na njega, osjeća silu u smjeru okomitom i na magnetno polje i na struju. Ova sila pruža trenutak okretanja oko ose rotacije.

Pošto je ovo drugo paralelno sa magnetnim poljem, a suprotna magnetna polja ne menjaju polaritet, prebacivanje nije potrebno za nastavak rotacije provodnika. Ova jednostavnost najlakše se postiže dizajnom s jednim okretom, što homopolarne motore čini neprikladnim za većinu praktičnih primjena.

Kao i Većina elektromehaničkih mašina (poput generatora unipolarnog Neggerata), homopolarni motor je reverzibilan: ako se provodnik mehanički okreće, radiće kao homopolarni generator, stvarajući jednosmerni napon između dva terminala provodnika.

Jednosmjerna struja posljedica je homopolarne prirode dizajna. Homopolarni generatori (HPG) su temeljno istraženi krajem 20. vijeka kao niskonaponski DC izvori, ali sa vrlo visokom strujom, i postigli su određeni uspjeh u napajanju eksperimentalnih željezničkih topova.

Zgrada

Izrada unipolarnog generatora sa vlastitim rukama je prilično jednostavna. Unipolarni motor se takođe vrlo lako sklapa. Trajni magnet se koristi za stvaranje vanjskog magnetnog polja u kojem će se provodnik rotirati, a baterija uzrokuje protok struje duž provodne žice.

Nema potrebe da se magnet kreće ili čak uspostavlja kontakt sa ostatkom motora; njegova jedina svrha je stvaranje magnetnog polja koje će stupiti u interakciju sa sličnim poljem izazvanim strujom u žici. Možete pričvrstiti magnet na bateriju i omogućiti provodniku da se slobodno okreće kada je električni krug zatvoren, dodirujući i gornji deo baterije i magnet pričvršćen za dno. Žica i baterija se mogu zagrejati tokom neprekidnog rada.