Unipolární generátor: zařízení, historie tvorby, aplikace

Unipolární generátor je elektrický stejnosměrný mechanismus obsahující elektricky vodivý disk nebo válec rotující v rovině. Má různé výkonové potenciály mezi středem disku a okrajem (nebo konci válce) s elektrickou polaritou, která závisí na směru otáčení a orientaci pole.

Je také známý jako unipolární generátor Faraday. Napětí je obecně nízké, řádově několik voltů v případě malých demonstračních modelů, ale velké výzkumné stroje mohou generovat stovky voltů a některé systémy mají několik sériových generátorů, které produkují ještě větší napětí. Jsou neobvyklé, protože mohou generovat elektrický proud, který je schopen překročit milion ampérů, protože unipolární generátor nemusí mít nutně vysoký vnitřní odpor.

Historie vynálezu

První homopolární mechanismus vyvinul Michael Faraday během jeho experimentů v roce 1831. Na jeho počest se často nazývá disk nebo faradayovo kolo. To byl začátek moderních Dynamo strojů, tedy elektrických generátorů poháněných magnetickým polem. Byl velmi neefektivní a nepoužíval se jako praktický zdroj energie, ale ukázal možnost výroby elektřiny pomocí magnetismu a vydláždil cestu pro spínané stejnosměrné Dynamo a poté střídavé generátory.

Nevýhody prvního generátoru

Faradayův disk byl primárně neúčinný kvůli protijedoucím proudovým tokům. Princip práce unipolární generátor bude popsán právě na jeho příkladu. Zatímco proudový tok byl indukován přímo pod magnetem, proud cirkuloval v opačném směru. Protiproud omezuje výstupní výkon pro přijímací vodiče a způsobuje zbytečné zahřívání měděného disku. Pozdější homopolární generátory by mohly tento problém vyřešit sadou magnetů umístěných po obvodu disku, aby se udrželo konstantní pole po obvodu a odstranily se oblasti, kde by mohl vzniknout protiproud.

Další vývoj

Krátce poté, co byl Faradayův původní disk zdiskreditován jako praktický Generátor, byla vyvinuta upravená verze kombinující magnet a disk v jedné rotující části (rotoru), ale pro tuto konfiguraci byla vyhrazena samotná myšlenka unipolárního rázového generátoru. Jeden z prvních patentů na unipolární mechanismy obecného typu byl získán A. F. Delafield, americký patent 278 516.

Výzkum vynikajících myslí

Další rané patenty na rázové unipolární generátory byly uděleny s. Z. De Ferranti A C. Batchelor Samostatně. Nikola Tesla se zajímal o Faradayův disk a pracoval s homopolárními mechanismy a nakonec patentoval vylepšenou verzi zařízení v americkém patentu 406 968.

Patent Tesla "Dynamo Electric Machine" (unipolární generátor Tesla) popisuje uspořádání dvou paralelních disků se samostatnými paralelními hřídeli spojenými, podobně jako kladky, kovovým pásem. Každý disk měl opačné pole než druhý, takže proud procházel z jednoho hřídele na okraj disku přes pás k druhému okraji a k druhému hřídeli. To by výrazně snížilo ztráty tření způsobené posuvnými kontakty, což by umožnilo oběma elektrickým senzorům komunikovat spíše s hřídeli dvou disků než s hřídelí a vysokorychlostním ráfkem.

Patenty byly později uděleny s. P. Steinmetsu a e. Thomsonovi za jejich práci s unipolárními vysokonapěťovými generátory. Dynamo Forbes, vyvinuté skotským elektrotechnikem Georgem Forbesem, bylo široce používáno na počátku 20. století. Většina vývoje provedeného v homopolárních mechanismech byla patentována J.E. Noeggerath a R. Eickemeyer.

Padesátá léta

Homopolární generátory přežily renesanci v padesátých letech jako zdroj pulzního skladování energie. Tato zařízení používala těžké disky jako tvar setrvačníku pro skladování mechanickou energii, kterou bylo možné rychle vypustit do experimentálního přístroje.

Časný příklad tohoto druhu zařízení vytvořil Sir Mark Olyphant na výzkumné škole fyzikálních věd a inženýrství na Australské národní univerzitě. Uchovával až 500 megajoulů energie a byl používán jako zdroj ultra vysokého proudu pro experimenty se synchrotronem od roku 1962 do jeho demontáže v roce 1986. Konstrukce Olyphantu byla schopna dodávat proudy až do 2 megaampérů (ma).

Vývoj společnosti Parker Kinetic Designs Corporation

Podobná zařízení ještě větší velikosti jsou navržena a vyrobena společností Parker Kinetic Designs (dříve OIME Research & Vývoj) z Austinu. Vyráběli zařízení pro různých cílů: od napájení železničních pistolí po lineární motory (pro kosmické starty) a různé návrhy zbraní. Průmyslové vzorky na 10 MJ byly zavedeny pro různé role, včetně elektrického svařování.

Tato zařízení se skládala z vodivého setrvačníku, z nichž jeden se otáčel v magnetickém poli s jedním elektrickým kontaktem v blízkosti osy a druhý v blízkosti obvodu. Byly použity ke generování velmi vysokých proudů při nízkém napětí v oblastech, jako je svařování, elektrolýza a zkoumání železničních děl. V aplikacích s pulzní energií se moment hybnosti rotoru používá k ukládání energie po dlouhou dobu a poté k jejímu uvolnění v krátké době.

Na rozdíl od jiných typů unipolárních generátorů s přepínačem výstupní napětí nikdy nezmění polaritu. Separace náboje je výsledkem působení Lorentzovy síly na volné náboje v disku. Pohyb je azimutální a pole je axiální, takže elektromotorická síla je radiální.

Elektrické kontakty se obvykle provádějí pomocí "kartáče" nebo kontaktního kroužku, což vede k velkým ztrátám při generovaných nízkých napětích. Některé z těchto ztrát lze snížit použitím rtuti nebo jiného snadno zkapalněného kovu nebo slitiny (gallium, NaK) jako" kartáče", aby se zajistil prakticky nepřetržitý elektrický kontakt.

Modifikace

Nově navržená modifikace spočívala v použití plazmového kontaktu vybaveného neonovým streamerem s negativním odporem dotýkajícím se okraje disku nebo bubnu pomocí specializovaného uhlíku s nízkým výstupním výkonem ve svislých pásmech. To by mělo výhodu velmi nízkého odporu v proudovém rozsahu, možná až tisíc ampérů bez kontaktu s tekutým kovem.

Pokud je magnetické pole generováno permanentním magnetem, generátor pracuje, zda je magnet připevněn ke statoru nebo se otáčí s diskem. Před objevem elektronu a Lorentzovým zákonem síly byl tento jev nevysvětlitelný a byl znám jako Faradayův paradox.

"Typ bubnu"

Homopolární generátor bubnového typu má magnetické pole (v), které je vyzařováno radiálně ze středu bubnu a indukuje napětí (V) po celé jeho délce. Vodivý buben rotující shora v oblasti magnetu typu "reproduktor", který má jeden pól ve středu a druhý jej obklopuje, může použít vodivá kuličková ložiska ve svých horních a dolních částech k zachycení generovaného proudu.

V přírodě

Unipolární induktory se vyskytují v astrofyzice, kde se vodič otáčí magnetickým polem, například pohybem vysoce vodivé plazmy v ionosféře kosmického tělesa přes jeho magnetické pole.

Unipolární induktory byly spojeny se zářením na Uranu, dvojitými hvězdami, černými dírami, galaxiemi, jupiterovým měsícem Io, měsícem, slunečním větrem, slunečními skvrnami a venušanským magnetickým ocasem.

Vlastnosti mechanismu

Stejně jako všechny výše uvedené kosmické objekty i Faradayův disk přeměňuje kinetickou energii na elektrickou energii. Tento stroj lze analyzovat pomocí vlastního Faradayova zákona elektromagnetické indukce.

Tento zákon ve své moderní podobě tvrdí, že konstantní derivace magnetického toku uzavřeným obvodem v něm indukuje elektromotorickou sílu, která zase excituje elektrický proud.

Povrchový integrál, který definuje magnetický tok, lze přepsat jako lineární kolem obvodu. Ačkoli integrální integrální sub-integrální výraz je časově nezávislý, protože Faradayův disk, který je součástí hranice lineárního integrálu, se pohybuje, derivace celého času není nulová a vrací správnou hodnotu pro výpočet elektromotorické síly. Alternativně může být disk redukován na vodivý kroužek po jeho obvodu jediným kovovým paprskem spojujícím prsten s osou.

Lorentzův zákon síly se snadněji používá k vysvětlení chování stroje. Tento zákon, formulovaný třicet let po Faradayově smrti, tvrdí, že síla na elektronu je úměrná křížovému součinu jeho rychlosti a vektoru magnetického toku.

V geometrickém vyjádření to znamená, že síla je směrována v pravém úhlu jak k rychlosti (azimutální), tak k magnetickému toku( axiální), který je proto v radiálním směru. Radiální pohyb elektronů v disku způsobuje oddělení nábojů mezi jeho středem a okrajem, a pokud se obvod uzavře, dojde k elektrickému proudu.

Elektrický motor

Unipolární elektromotor je stejnosměrné zařízení se dvěma magnetickými póly, jehož vodiče vždy procházejí jednosměrnými liniemi magnetického toku a otáčejí vodičem kolem pevné osy tak, aby byl v pravém úhlu ke statickému magnetickému poli. Výsledný EMF (elektromotorická síla), který je spojitý V jednom směru, homopolární motor nevyžaduje komutátor, ale stále vyžaduje kontaktní kroužky. Název "homopolární" naznačuje, že elektrická polarita vodiče a pólů magnetického pole se nemění (tj.

Unipolární motor byl prvním elektromotorem, který byl postaven. Jeho akci předvedl Michael Faraday v roce 1821 na Royal Institution v Londýně.

Vynález

V roce 1821, krátce poté, co dánský fyzik a chemik Hans Christian Oersted objevil fenomén elektromagnetismu, Humphrey davy a britský vědec William Hyde Wollaston se pokusili, ale nebyli schopni, vyvinout elektrický motor. Faraday, kterého Humphrey napadl jako vtip, pokračoval ve vytváření dvou zařízení k vytvoření takzvané "elektromagnetické rotace". Jeden z nich, nyní známý jako homopolární motor, vytvořil nepřetržitý kruhový pohyb. Bylo to způsobeno kruhovou magnetickou silou kolem drátu umístěného v kaluži rtuti, do které byl umístěn magnet. Drát by se otáčel kolem magnetu, kdyby byl napájen proudem z chemické baterie.

Tyto experimenty a vynálezy tvořily základ moderních elektromagnetických technologií. Faraday brzy zveřejnil výsledky. To zhoršilo vztahy s Davym kvůli jeho žárlivosti na Faradayovy úspěchy a způsobilo to, že se ten druhý ujal další případy, které v důsledku toho několik let bránily jeho účasti na elektromagnetickém výzkumu.

B. G. Lamm popsal v roce 1912 homopolární stroj o výkonu 2 000 kW, 260 v, 7 700 A a 1 200 ot/min se 16 kontaktními kroužky běžícími při periferní rychlosti 67 m / s. Unipolární generátor o výkonu 1125 kW, 7,5 V, 150 000 a, 514 ot/min, postavený v roce 1934, byl instalován v americké ocelárně pro svařování trubek.

Stejný Lorentzův zákon

Provoz tohoto motoru je podobný principu provozu šokového unipolárního generátoru. Unipolární motor je poháněn Lorentzovou silou. Vodič s proudem proudícím skrz něj, když je umístěn v magnetickém poli a kolmý na něj, snímá sílu ve směru kolmém na magnetické pole i proud. Tato síla poskytuje točivý moment kolem osy otáčení.

Protože druhé je rovnoběžné s magnetickým polem a opačná magnetická pole nemění polaritu, není pro pokračování rotace vodiče nutná žádná komutace. Tuto jednoduchost lze nejsnadněji dosáhnout pomocí jednootáčkových konstrukcí, díky nimž jsou homopolární motory nevhodné pro většinu praktických aplikací.

Stejně jako většina elektromechanických strojů (jako unipolární negherátový generátor) je homopolární motor reverzibilní: pokud se vodič mechanicky otáčí, bude fungovat jako homopolární generátor a vytvoří stejnosměrné napětí mezi dvěma vodiči.

Stejnosměrný proud je důsledkem homopolární povahy designu. Homopolární generátory (HPG) byly rozsáhle zkoumány na konci 20. století jako nízkonapěťové stejnosměrné zdroje, ale s velmi vysokým proudem, a dosáhly určitého úspěchu při napájení experimentálních kolejových děl.

Budova

Výroba unipolárního generátoru vlastními rukama je poměrně jednoduchá. Unipolární motor je také velmi snadno sestavitelný. Permanentní magnet se používá k vytvoření vnějšího magnetického pole, ve kterém se bude vodič otáčet, a baterie způsobí tok proudu podél vodivého drátu.

Není nutné, aby se magnet pohyboval nebo dokonce kontaktoval zbytek motoru; jeho jediným účelem je vytvořit magnetické pole, které bude interagovat s podobným polem indukovaným proudem ve vodiči. Je možné připojit magnet k baterii a nechat vodič volně otáčet, když je elektrický obvod uzavřen, dotýkat se jak horní části baterie, tak magnetu připojeného ke spodní části baterie. Drát a baterie se mohou při nepřetržitém provozu zahřívat.