Generator jednobiegunowy: urządzenie, historia tworzenia, aplikacja

Generator jednobiegunowy jest elektrycznym mechanizmem prądu stałego, który zawiera przewodzący dysk lub cylinder obracający się w płaszczyźnie. Ma różne potencjały mocy między centrum dysku a obręczą (lub końce cylindra) z biegunowością elektryczną, która zależy od kierunku obrotu i orientacji pola.

Jest również znany jako Unipolar Faraday Generator. Napięcie jest zwykle niskie, rzędu kilku woltów w przypadku małych modeli demonstracyjnych, ale duże maszyny testowe mogą generować setki woltów, a niektóre systemy mają kilka generatorów szeregowych dla jeszcze większego napięcia. Są one niezwykłe, ponieważ mogą wytworzyć prąd elektryczny, który może przekroczyć milion amperów, ponieważ generator jednobiegunowy niekoniecznie ma wysoką rezystancję wewnętrzną.


Historia wynalazku

Pierwszy mechanizm homopolarowy został opracowany przez Michaela Faradaya podczas jego eksperymentów w 1831 roku. Na jego cześć często określa się go jako koło lub koło Faradaya. Był to początek nowoczesnych maszyn dynamo, czyli generatorów elektrycznych pracujących na polu magnetycznym. Był bardzo nieefektywny i nie był wykorzystywany jako praktyczne źródło energii, ale pokazał możliwość generowania elektryczności za pomocą magnetyzmu i torował drogę do przełączania dynamo-bezpośrednich źródeł prądu, a następnie do alternatorów.

Wady pierwszego generatora

Płyta Faradaya była pierwszaNieskuteczne ze względu na przepływ przeciwprądowy. Zasada działania unipolarnego generatora zostanie opisana właśnie w jego przykładzie. Podczas przepływu prądu yndutsyrovalsya bezpośrednio pod magnesu, prąd płynący w kierunku przeciwnym. Opór ogranicza moc wyjściową przewodów odbiorczych i powoduje niepotrzebne nagrzewanie miedzianego dysku. Późniejsze generatory homopolyarnыe może rozwiązać ten problem za pomocą zestawu magnesów rozmieszczonych na obwodzie tarczy, aby utrzymać stały łuk koła i eliminacji obszarów, w których mogą występować przepływ wsteczny.


Dalszy rozwój

Wkrótce po oryginalnym dysku Faraday zdyskredytowaną jako praktyczne generatora opracowano zmodyfikowaną wersję, która łączy w sobie magnes i napędzać jedną elementy obrotowe (wirnika), a Sama koncepcja jednobiegunowego generatora uderzeniowego została zarezerwowana dla tej konfiguracji. Jednym z najstarszych patentów dotyczących mechanizmów jednobiegunowych rozpowszechnionym typem uzyskano A. F. Delafield patent USA 278516.

Badania wybitnych myśli

Inne wcześniejszych patentów na bębny generatorów jednobiegunowych otrzymały SZ De Ferrante i S. Batchelor oddzielnie. Nikola Tesla był zainteresowany dysku Faradaya i prowadzone prace nad mechanizmami homopolyarnыmy i ostatecznie opatentował ulepszoną wersję urządzenia w patencie US Patent 406968. Tesla „Dynamo Elektryczna maszyna” (generator jednobiegunowy Tesla) opisuje układ dwóch dysków równolegle z oddzielnych wałach równoległych, połączonych, jak koła pasowe, metalowe przejście. Każdy dysk miał pole, przeciwniedrugi tak, że przepływ prądu przepływał z jednego wałka do brzegu tarczy przez taśmę do drugiej krawędzi i do drugiego wałka. To znacznie zmniejszyłoby straty tarcia powodowane przez styki ślizgowe, pozwalając obu czujnikom elektrycznym współdziałać z wałami dwóch tarcz, a nie z wałem i wieńcem o dużej prędkości.
Później patenty zostały przyznane S. Steinmetzowi i E. Thomsonowi za ich pracę z unipolarnymi generatorami wysokiego napięcia. Dynamo Forbes, opracowany przez szkockiego inżyniera elektryka George'a Forbesa, był szeroko stosowany na początku XX wieku. Większość zmian w mechanizmach homopolarowych zostało opatentowanych przez J. E. Noeggeratha i R. Eickemeyera.

50 lat

Generatory homopolarne przetrwały renesans w latach 50. jako źródło impulsowego magazynowania energii. Urządzenia te wykorzystywały ciężkie dyski jako koło zamachowe do oszczędzania energii mechanicznej, którą można szybko rzucić w pojazd eksperymentalny. Wczesny przykład tego rodzaju urządzenia został stworzony przez Sir Marka Olifanta w Szkole Fizyki i Inżynierii Australijskiego Uniwersytetu Narodowego. Przechowywał do 500 megadżuli energii i był używany jako źródło prądu do eksperymentów synchrotronowych od 1962 r. Do czasu demontażu w 1986 r. Projekt Olyphanta był w stanie dostarczyć prądy do 2 megamampów (MA).

Parker Kinetic Designs

Podobne urządzenia są jeszcze bardziej zaprojektowane i wyprodukowane przez Parker Kinetic Designs (dawniej OIME Research & Development) z Austin. Oni sąwyprodukował urządzenia do różnych celów: od dostawy pistoletów kolejowych do silników liniowych do wystrzeliwania kosmosu) i różnych projektów broni. Wzory przemysłowe dla 10 MJ zostały wprowadzone do różnych ról, w tym do spawania elektrycznego.
Urządzenia te składały się z wiodącego koła zamachowego, z których jedno obraca się w polu magnetycznym z jednym stykiem elektrycznym wokół osi, a drugie - w pobliżu obwodu. Wykorzystano je do generowania bardzo wysokich prądów przy niskich napięciach w obszarach takich jak spawanie, elektroliza i badania karabinów kolejowych. W zastosowaniach z energią impulsu, moment pędu wirnika służy do akumulowania energii przez długi czas, a następnie do jej zwolnienia w krótkim czasie. W przeciwieństwie do innych typów generatorów jednobiegunowych z przełącznikiem, napięcie wyjściowe nigdy nie zmienia polaryzacji. Podział opłat jest wynikiem wpływu siły Lorentza na wolne ładunki na dysku. Ruch jest azymutalny, a pole jest osiowe, więc siła elektromotoryczna jest promieniowa. Styki elektryczne są zwykle wykonywane za pomocą "szczotki" lub pierścienia kontaktowego, co prowadzi do dużych strat przy wytwarzaniu niskich napięć. Niektóre z tych strat można zmniejszyć, stosując rtęć lub inny łatwo upłynniony metal lub stop (Galium, NaK) jako "szczotkę" zapewniającą praktycznie ciągły kontakt elektryczny.

Modyfikacja

Niedawno zaproponowana modyfikacja polegała na użyciu kontaktu plazmy dostarczonego przez striptizerkę neonową o ujemnej odporności na krawędźdysk lub bęben, przy użyciu wyspecjalizowanego węgla o niskiej wydajności pracy w pionowych pasm. Miałoby to zaletę bardzo niskiej rezystancji w zakresie prądu, prawdopodobnie do tysiąca amperów bez kontaktu z ciekłym metalem. Jeśli pole magnetyczne jest tworzone przez magnes trwały, generator działa niezależnie od tego, czy magnes jest przymocowany do stojana, czy obraca się wraz z dyskiem. Przed odkryciem elektronu i prawa Lorentza zjawisko to było niejasne i znane było jako paradoks Faradaya.

„typu bębnowego”

Homopolyarnыy generatora bęben ma pole magnetyczne, które jest emitowane w kierunku promieniowym od środka bębna i indukuje napięcie (V) wzdłuż swojej długości. Starszy bęben obraca się magnes w górnej części „głośnika”, który ma jeden słup na środku, a drugi go otacza, prowadzące łożyska mogą być stosowane w jego górnej i dolnej części, aby uchwycić generowany prąd.

charakter jednobiegunowych induktorów znajdując astrofizyki, gdzie przewód obraca się przez pole magnetyczne, na przykład, ruch w osoczu w jonosfery vыsokoprovodyaschey korpusu zewnętrznego, ponieważ jego pola magnetycznego. Unipolarne dławiki były związane z jasnością Uran podwójnych gwiazd, czarnych dziur, galaktyk, satelitów Jowisza Io, Księżyc, wiatr słoneczny, plam, a Wenus ogonie magnetycznym.

znajduje się mechanizm,

, ze wszystkich wyżej wymienionych obiektów przestrzeni dysku Faradaya przekształca energię kinetyczną w energię elektryczną. To urządzenie może być analizowane za pomocąużywając właściwego prawa indukcji elektromagnetycznej Faradaya. To prawo w swojej nowoczesnej formie stwierdza, że ​​stała pochodna strumienia magnetycznego przez obwód zamknięty indukuje w nim siłę elektromotoryczną, która z kolei wzbudza prąd elektryczny. Całka powierzchni, która określa strumień magnetyczny, może zostać przepisana jako okrąg wokół obwodu. Chociaż podыntehralnoe integralną ekspresję linii nie zależy od czasu, jak Faradaya dysku, który jest częścią linii granicznej integralną ruchu pełnego pochodną czas nie jest zerem i zwraca prawidłową wartość do obliczania siły elektromotorycznej. Alternatywnie dysk można zredukować do pierścienia przewodzącego na jego obwodzie za pomocą pojedynczej metalowej szpuli, która łączy pierścień z osią. Prawo Lorentza jest łatwiejsze do wyjaśnienia zachowania maszyny. Ustawa ta, sformułowana trzydzieści lat po śmierci Faradaya mówi, że siła działająca na elektronów jest proporcjonalna do iloczynu jego prędkości i wektora strumienia magnetycznego. Pod względem geometrycznym, to znaczy to, że siła jest skierowana pod kątem prostym w stosunku do prędkości (azymut) i strumienia magnetycznego (osiowe), które w związku z zawartymi w kierunku promieniowym. Promieniowy ruch elektronów w dysku powoduje podział ładunków między jego środkiem a obręczą, a jeśli obwód jest zamknięty, występuje prąd elektryczny.

elektryczna

jednobiegunowego silnikiem - urządzenia prądu stałego z dwóch biegunów magnetycznych, przewody, które są zawsze przecinających jednokierunkowy strumień magnetyczny obracanie linięprzewodnik wokół osi stacjonarnej tak, aby był pod kątem prostym do statycznego pola magnetycznego. Wynikowy EMF (siła elektromotoryczna), który jest ciągły w jednym kierunku, nie wymaga komutatora dla homopolarnego silnika, ale nadal wymaga pierścieni kontaktowych. Nazwa "homopolar" wskazuje, że elektryczna biegunowość przewodnika i bieguny pola magnetycznego nie zmienia się (to znaczy, że nie wymaga przełączania). Silnik jednobiegunowy był pierwszym silnikiem elektrycznym, który został zbudowany. Jego działanie pokazał Michael Faraday w 1821 roku w Royal Institute w Londynie.
W 1821 roku, wkrótce po tym, jak duński fizyk i chemik Hans Christian Oersted odkrył zjawisko elektromagnetyzmu, Humphrey Dewey i brytyjski naukowiec William Hyde Wollaston spróbowali, ale nie mogli opracować silnika elektrycznego. Faraday, którego Humphrey narzekał na żart, nadal tworzył dwa urządzenia do tak zwanego "rotacji elektromagnetycznej". Jeden z nich, znany obecnie jako silnik homopolarny, wytworzył ciągły ruch okrężny. Było to spowodowane przez okrągłą siłę magnetyczną wokół drutu ułożonego w kałuży rtęci, w której umieszczono magnes. Przewody obracałyby się wokół magnesu, gdyby był zasilany prądem z baterii chemicznej. Te eksperymenty i wynalazki stały się podstawą nowoczesnych technologii elektromagnetycznych. Faraday wkrótce opublikował wyniki. To zaostrzyło relację z Deva z powodu jego zazdrości przed osiągnięciami Faradaya i stało się przyczyną, że ten ostatni zaangażował się w inne sprawy, które wwynik kilku lat uniemożliwił mu udział w badaniach elektromagnetycznych. Robert B. Lamm opisany w 1912 wydajności maszyny homopolyarnuyu 2000 kW 260 B 7700 A do 1200 obr /min przy 16 pierścienie ślizgowe do pracy przy prędkościach obwodowych do 67 m /s. Jednobiegunowy generator o mocy 1125 kW, 75150000 A, 514 obr./min, zbudowany w 1934 roku, został zainstalowany w amerykańskiej stalowej rurze do spawania.

To samo prawo Lorentza

Działanie tego silnika jest podobne do zasady jednobiegunowego generatora uderzeniowego. Jednobiegunowy silnik napędzany jest siłą Lorentza. Przewód prądu przepływającego przez niego, gdy jest on umieszczony w polu magnetycznym, prostopadle do niego, czuje siły w kierunku prostopadłym do kierunku pola magnetycznego i prądu. Siła ta zapewnia moment obrotowy wokół osi obrotu. Ponieważ ta ostatnia jest równoległa do pola magnetycznego, a przeciwne pola magnetyczne nie zmieniają polaryzacji, przełączanie nie jest wymagane, aby kontynuować obracanie przewodu. Ta prostota jest najlepiej osiągana dzięki projektom z jednym obrotem, co sprawia, że ​​silniki homopolar są nieodpowiednie dla większości praktycznych zastosowań.
Jak większość elektromechanicznych urządzeń (takich jak generator jednobiegunowy silnik homopolyarnыy Nehherata) jest odwracalny: jeśli przewód zwrócone mechanicznie, to działa jako generator homopolyarnыy tworzyć napięcie DC pomiędzy dwoma kołkami przewodu. DC jest konsekwencją homopolarnej natury projektu. Homopolar generators (HPG) zostały dokładnie przetestowanebadali pod koniec XX wieku źródła prądu stałego niskiego napięcia, ale z bardzo dużym prądem i osiągali pewne sukcesy w karmieniu eksperymentalnych karabinów.

Struktura

Łatwo jest stworzyć własny generator jednobiegunowy własnymi rękami. Silnik jednobiegunowy jest również bardzo łatwy w montażu. Magnes trwały służy do tworzenia zewnętrznego pola magnetycznego, w którym przewodnik się obraca, a bateria powoduje przepływ prądu przez przewody przewodzące. Nie ma potrzeby, aby magnes poruszał się, a nawet kontaktował z inną częścią silnika; jego jedynym celem jest stworzenie pola magnetycznego, które będzie oddziaływać z podobnym polem indukowanym przez prąd w przewodzie. Możesz przymocować magnes do akumulatora i pozwolić mu swobodnie się obracać podczas zamykania obwodu elektrycznego, dotykając zarówno górnej części baterii, jak i magnesu przymocowanego do jej dolnej części. Przewody i akumulator mogą się nagrzewać podczas ciągłej pracy.

Powiązane publikacje