Unipolaarne generaator on alalisvoolu elektrimehhanism, mis sisaldab elektrit juhtivat ketast või silindrit, mis pöörleb tasapinnal. Sellel on erineva võimsusega potentsiaalid ketta keskpunkti ja velje (või silindri otste) vahel elektrilise polaarsusega, mis sõltub pöörlemissuunast ja välja orientatsioonist.
Seda tuntakse ka unipolaarse Faraday ostsillaatorina. Pinge on tavaliselt madal, väikeste näidismudelite puhul suurusjärgus paar volti, kuid suured uurimismasinad võivad genereerida sadu volte ja mõnel süsteemil on mitu järjestikust ostsillaatorit veelgi kõrgema pinge jaoks. Need on ebatavalised selle poolest, et suudavad genereerida elektrivoolu, mis võib ületada miljonit amprit, kuna unipolaarsel generaatoril ei pruugi olla kõrge sisetakistus.
Leiutamise lugu
Esimese homopolaarse mehhanismi töötas välja Michael Faraday oma katsete käigus 1831. aastal. Tema järgi nimetatakse seda sageli Faraday kettaks või rattaks. See oli kaasaegsete dünamode algusmasinad, st magnetväljal töötavad elektrigeneraatorid. See oli väga ebaefektiivne ja seda ei kasutatud praktilise toiteallikana, kuid see näitas võimalust toota elektrit magnetismi abil ja sillutas teed alalisvoolu dünamodele ja seejärel vahelduvvoolugeneraatoritele.
Esimese generaatori puudused
Faraday ketas oli eeskätt ebaefektiivne lähenevate voolude tõttu. Unipolaarse generaatori tööpõhimõtet kirjeldatakse lihts alt selle näitel. Kui vooluvool indutseeriti otse magneti all, siis vool ringles vastupidises suunas. Tagasivool piirab vastuvõtvate juhtmete väljundvõimsust ja põhjustab vaskketta tarbetut kuumenemist. Hilisemad homopolaarsed generaatorid saaksid selle probleemi lahendada magnetikomplektiga, mis asetatakse ümber ketta perimeetri, et säilitada ümbermõõdul konstantne väli ja kõrvaldada alad, kus võib tekkida tagasivool.
Edasised arendused
Varsti pärast seda, kui algne Faraday ketas praktilise generaatorina diskrediteeriti, töötati välja modifitseeritud versioon, mis ühendas magneti ja ketta ühes pöörlevas osas (rootoris), kuid löögi unipolaarse generaatori idee oli reserveeritud sellele. konfiguratsiooni. Üks varasemaid patente üldistele unipolaarsetele mehhanismidele sai A. F. Delafield, USA patent 278 516.
Silmapaistvate meelte uurimine
Muud varajase mõjuga unipolaarsed patendidgeneraatorid said eraldi S. Z. De Ferranti ja S. Batchelor. Nikola Tesla tundis huvi Faraday ketta vastu ja töötas homopolaarsete mehhanismidega ning lõpuks patenteeris USA patendis 406 968 seadme täiustatud versiooni.
Tesla patent "Dynamo Electric Machine" (Tesla unipolaarne generaator) kirjeldab kahe paralleelse ketta paigutust, millel on eraldi paralleelsed võllid, mis on nagu rihmarattad ühendatud metallvööga. Igal kettal oli teise vastas olev väli, nii et vool läks ühest võllist ketta servani, läbi lindi teise servani ja teise võlli. See vähendaks oluliselt libisevatest kontaktidest põhjustatud hõõrdekadusid, võimaldades mõlemal elektrianduril suhelda pigem kahe ketta võllidega, mitte võlli ja suure kiirusega veljega.
Hiljemad patendid said S. P. Steinmetz ja E. Thomson kõrgepinge unipolaarsete generaatorite kallal tehtud töö eest. Šoti elektriinseneri George Forbesi disainitud Forbes Dynamo oli laialdaselt kasutusel 20. sajandi alguses. Enamiku homopolaarsete mehhanismide arendustest on patenteeritud J. E. Noeggerath ja R. Eickemeyer.
50ndad
Homopolaarsed generaatorid kogesid 1950. aastatel renessanssi impulssenergia salvestamise allikana. Need seadmed kasutasid raskeid kettaid hoorattana, et salvestada mehhaanilist energiat, mida sai kiiresti katseseadmesse visata.
Sellise seadme varase näite lõi Sir Mark Oliphant teaduskoolisAustraalia riiklikust ülikoolist pärit füüsika- ja tehnikateadused. See salvestas kuni 500 megadžauli energiat ja seda kasutati ülikõrge vooluallikana sünkrotronkatseteks alates 1962. aastast kuni selle demonteerimiseni 1986. aastal. Oliphanti disain oli võimeline edastama voolu kuni 2 megaamprit (MA).
Arendanud Parker Kinetic Designs
Veelgi suuremad seadmed, nagu see, on projekteeritud ja ehitatud Austini Parker Kinetic Designs (endine OIME Research & Development) poolt. Nad tootsid seadmeid erinevatel eesmärkidel, alates raudteepüstolite toitest kuni lineaarmootoriteni (kosmosesse startimiseks) ja erinevate relvade konstruktsioonideni. 10 MJ tööstusdisainilahendusi on kasutusele võetud erinevate rollide jaoks, sealhulgas elektrikeevitus.
Need seadmed koosnesid juhtivast hoorattast, millest üks pöörles magnetväljas ühe elektrilise kontaktiga telje ja teise perifeeria lähedal. Neid on kasutatud väga kõrgete voolude tekitamiseks madalal pingel sellistes valdkondades nagu keevitamine, elektrolüüs ja rööbasrelvade uurimine. Impulssenergia rakendustes kasutatakse rootori nurkimmenti energia pikaajaliseks salvestamiseks ja seejärel lühikese aja jooksul vabastamiseks.
Erinev alt teist tüüpi kommuteeritud unipolaarsetest generaatoritest ei muuda väljundpinge kunagi polaarsust. Laengute eraldamine tuleneb Lorentzi jõu mõjust ketta vabadele laengutele. Liikumine on asimuutne ja väli aksiaalne, seegaelektromotoorjõud on radiaalne.
Elektrikontaktid tehakse tavaliselt läbi "harja" või libisemisrõnga, mille tulemuseks on tekitatud madalal pingel suured kaod. Mõnda neist kadudest saab vähendada, kasutades elavhõbedat või muud kergesti veeldavat metalli või sulamit (gallium, NaK) "harjana", et tagada peaaegu pidev elektriline kontakt.
Muudatus
Hiljuti välja pakutud modifikatsioon on kasutada plasmakontakti, mis on varustatud negatiivse takistusega neoonvoodriga, mis puudutab ketta või trumli serva, kasutades spetsiaalset madala töövõimega süsinikku vertikaalsetes triipudes. Selle eeliseks oleks väga madal takistus praeguses vahemikus, võib-olla kuni tuhandete ampriteni, ilma vedela metalliga kokku puutumata.
Kui magnetvälja tekitab püsimagnet, töötab generaator sõltumata sellest, kas magnet on staatori küljes või pöörleb koos kettaga. Enne elektroni ja Lorentzi jõuseaduse avastamist oli see nähtus seletamatu ja seda tunti Faraday paradoksina.
Trummi tüüp
Trummel tüüpi homopolaarsel generaatoril on magnetväli (V), mis kiirgab radiaalselt trumli keskpunktist ja indutseerib pinge (V) kogu selle pikkuses. Juhtiv trummel, mis pöörleb ül alt "valjuhääldi" tüüpi magneti piirkonnas, mille üks poolus on keskel ja teine ümbritseb seda, võib kasutada juhtivaid kuullaagriid selle ülaosas jaalumised osad genereeritud voolu hõivamiseks.
Looduses
Unipolaarsed induktiivpoolid on leitud astrofüüsikast, kus juht pöörleb läbi magnetvälja, näiteks kui kõrge juhtivusega plasma kosmosekeha ionosfääris liigub läbi selle magnetvälja.
Ühepolaarseid induktoreid on seostatud Uraani aurora, kaksiktähtede, mustade aukude, galaktikate, Jupiteri kuu Io, Kuu, päikesetuule, päikeselaikude ja Veenuse magnetsabaga.
Mehhanismi omadused
Nagu kõik ülalmainitud kosmoseobjektid, muundab Faraday ketas kineetilise energia elektrienergiaks. Seda masinat saab analüüsida Faraday enda elektromagnetilise induktsiooni seadusega.
See seadus oma tänapäevasel kujul väidab, et suletud vooluringi läbiva magnetvoo konstantne tuletis indutseerib selles elektromotoorjõu, mis omakorda ergastab elektrivoolu.
Magnetvoogu määratleva pinnaintegraali saab ümber vooluringi ümber kirjutada lineaarseks. Kuigi joonintegraali integrand ei sõltu ajast, kuna joonintegraali piiriks olev Faraday ketas liigub, ei ole koguaja tuletis null ja tagastab elektromotoorjõu arvutamiseks õige väärtuse. Teise võimalusena saab ketta taandada ümbermõõdu ümber juhtivaks rõngaks, kasutades ühe metallist kodarat, mis ühendab rõnga teljega.
Lorentzi jõuseaduse tulemasinkasutada masina käitumise selgitamiseks. See seadus, mis on sõnastatud kolmkümmend aastat pärast Faraday surma, väidab, et elektronile mõjuv jõud on võrdeline selle kiiruse ja magnetvoo vektori ristkorrutisega.
Gomeetrilises mõttes tähendab see, et jõud on suunatud täisnurga all nii kiiruse (asimuut) kui ka magnetvoo (telgsuunas) suhtes, mis on seega radiaalsuunas. Elektronide radiaalne liikumine ketas põhjustab laengute eraldumise selle keskpunkti ja serva vahel ning kui ahel on lõpule viidud, tekib elektrivool.
Elektrimootor
Unipolaarne mootor on kahe magnetpoolusega alalisvooluseade, mille juhid ületavad alati ühesuunalisi magnetvoo jooni, pöörates juhti ümber fikseeritud telje nii, et see on staatilise magnetvälja suhtes täisnurga all. Saadud EMF (elektromootorjõud), mis on pidev ühes suunas, kuni homopolaarse mootorini, ei vaja kommutaatorit, kuid siiski on vaja libisemisrõngaid. Nimetus "homopolaarne" näitab, et juhi elektriline polaarsus ja magnetvälja poolused ei muutu (st et see ei vaja ümberlülitamist).
Unipolaarne mootor oli esimene elektrimootor, mis ehitati. Selle tegevust demonstreeris Michael Faraday 1821. aastal Londoni Kuninglikus Instituudis.
Leiutis
Aastal 1821, vahetult pärast seda, kui Taani füüsik ja keemik Hans Christian Oersted avastaselektromagnetismi fenomeni, proovisid Humphry Davy ja Briti teadlane William Hyde Wollaston välja töötada elektrimootorit, kuid ebaõnnestunult. Faraday, mida Humphrey naljana vaidlustas, lõi kaks seadet, et luua seda, mida ta nimetas "elektromagnetiliseks pöörlemiseks". Üks neist, nüüd tuntud kui homopolaarne ajam, tekitas pideva ringikujulise liikumise. Selle põhjustas ringikujuline magnetjõud juhtme ümber, mis asetati elavhõbedabasseini, millesse magnet asetati. Traat pöörleks ümber magneti, kui seda toitaks keemiaku.
Need katsed ja leiutised moodustasid kaasaegse elektromagnettehnoloogia aluse. Varsti avaldas Faraday tulemused. See pingestas suhteid Davyga tema kadeduse tõttu Faraday saavutuste suhtes ja pani viimase pöörduma muude asjade poole, mistõttu ei saanud ta mitu aastat osaleda elektromagnetilistes uuringutes.
B. G. Lamm kirjeldas 1912. aastal homopolaarset masinat võimsusega 2000 kW, 260 V, 7700 A ja 1200 p/min ning millel on 16 liugrõngast, mis töötavad perifeerse kiirusega 67 m/s. Ameerika terasetehasesse paigaldati 1934. aastal ehitatud 1125 kW, 7,5 V, 150 000 A, 514 p/min ühepolaarne generaator torude keevitamiseks.
Sama Lorentzi seadus
Selle mootori töö on sarnane unipolaarse šokigeneraatori tööga. Unipolaarset mootorit juhib Lorentzi jõud. Seda läbiva vooluga juht tunneb magnetvälja asetatuna ja sellega risti asetsevat jõudu.suund risti nii magnetvälja kui vooluga. See jõud annab pöördemomendi ümber pöörlemistelje.
Kuna viimane on magnetväljaga paralleelne ja vastassuunalised magnetväljad polaarsust ei muuda, pole juhtme pööramise jätkamiseks ümberlülitamist vaja. Seda lihtsust on kõige lihtsam saavutada ühe pöördega konstruktsioonidega, mis muudab homopolaarsed mootorid enamiku praktiliste rakenduste jaoks sobimatuks.
Nagu enamik elektromehaanilisi masinaid (nagu Neggerathi unipolaarne generaator), on homopolaarne mootor pööratav: kui juht keerata mehaaniliselt, töötab see homopolaarse generaatorina, tekitades juhi kahe klemmi vahel alalispinge.
Püsiv vool on konstruktsiooni homopolaarse olemuse tagajärg. Homopolaarseid generaatoreid (HPG-sid) uuriti põhjalikult 20. sajandi lõpus kui madala pinge, kuid väga suure voolutugevusega alalisvoolu allikaid ning need saavutasid mõningast edu eksperimentaalsete rööbasrelvade toitel.
Ehitis
Unipolaarse generaatori valmistamine oma kätega on üsna lihtne. Unipolaarset mootorit on ka väga lihtne kokku panna. Püsimagnetit kasutatakse välise magnetvälja loomiseks, milles juht pöörleb ja aku paneb voolu mööda juhtivat traati voolama.
Magnet ei pea liikuma ega isegi ülejäänud mootoriga kokku puutuma; selle ainus eesmärk on luua magnetväli, mis toimibsuhelda sarnase väljaga, mis on põhjustatud juhtmes olevast voolust. Aku külge on võimalik kinnitada magnet ja lasta juhtmel vab alt pöörelda, kui elektriskeem on lõppenud, puudutades nii aku ülaosa kui ka aku põhja külge kinnitatud magnetit. Juhtme ja aku võivad pideva kasutamise ajal soojeneda.
