Az egypólusú generátor egy egyenáramú elektromos mechanizmus, amely egy síkban forgó, elektromosan vezető lemezt vagy hengert tartalmaz. Különböző teljesítményű potenciálok vannak a tárcsa közepe és a perem (vagy a henger végei) között elektromos polaritással, ami a forgásiránytól és a mező orientációjától függ.
Unipoláris Faraday-oszcillátorként is ismert. A feszültség általában alacsony, kis demonstrációs modellek esetén néhány voltos nagyságrendű, de a nagy kutatógépek több száz voltot is képesek generálni, és egyes rendszerekben több soros oszcillátor is található még nagyobb feszültségekhez. Szokatlanok abban, hogy egy millió ampert meghaladó elektromos áramot tudnak generálni, mivel az egypólusú generátornak nem feltétlenül van nagy belső ellenállása.
Találmánytörténet
Az első homopoláris mechanizmust Michael Faraday fejlesztette ki kísérletei során 1831-ben. Gyakran Faraday-korongnak vagy keréknek nevezik utána. Ez volt a modern dinamók kezdetegépek, vagyis mágneses téren működő elektromos generátorok. Nagyon nem volt hatékony, és nem használták praktikus áramforrásként, de megmutatta a mágneses erővel történő villamosenergia-termelés lehetőségét, és megnyitotta az utat a kapcsolt egyenáramú dinamók, majd a generátorok számára.
Az első generátor hátrányai
Faraday korongja elsősorban a szembejövő áramok miatt nem volt hatékony. Az unipoláris generátor működési elvét csak a példáján írjuk le. Míg az áramot közvetlenül a mágnes alatt indukálták, az áram az ellenkező irányban keringett. A visszaáramlás korlátozza a fogadó vezetékek kimeneti teljesítményét, és a réztárcsa szükségtelen melegítését okozza. A későbbi homopoláris generátorok megoldhatnák ezt a problémát a lemez kerülete körül elhelyezett mágneskészlettel, hogy állandó mezőt tartsanak fenn a kerület körül, és kiküszöböljék azokat a területeket, ahol visszaáramlás fordulhat elő.
További fejlesztések
Nem sokkal azután, hogy az eredeti Faraday-tárcsát praktikus generátorként minősítették, egy módosított változatot fejlesztettek ki, amely egy forgó alkatrészben (rotorban) egyesítette a mágnest és a lemezt, de maga az ütős egypólusú generátor gondolata is ennek volt fenntartva. konfigurációt. A generikus unipoláris mechanizmusok egyik legkorábbi szabadalmát A. F. Delafield szerezte meg, a 278 516 számú amerikai egyesült államokbeli szabadalom.
Kiemelkedő elmék kutatása
Egyéb korai hatású unipoláris szabadalmaka generátorokat külön díjazták S. Z. De Ferrantinak és S. Batchelornak. Nikola Tesla érdeklődött a Faraday-korong iránt, homopoláris mechanizmusokkal dolgozott, és végül szabadalmaztatta az eszköz továbbfejlesztett változatát a 406 968 számú amerikai egyesült államokbeli szabadalomban.
A Tesla „Dynamo Electric Machine” szabadalma (a Tesla egypólusú generátora) két párhuzamos tárcsa elrendezését írja le, különálló párhuzamos tengelyekkel, amelyek csigákhoz hasonlóan fémszíjjal vannak összekötve. Mindegyik korongnak volt a másikkal ellentétes mezője, így az áram az egyik tengelytől a korong széléhez, a szalagon keresztül a másik élhez, és a második tengelyhez haladt. Ez nagymértékben csökkentené a csúszóérintkezők által okozott súrlódási veszteségeket, lehetővé téve, hogy mindkét elektromos érzékelő kölcsönhatásba lépjen a két tárcsa tengelyével, nem pedig a tengellyel és a nagy sebességű felnivel.
Későbbi szabadalmakat S. P. Steinmetz és E. Thomson kapta a nagyfeszültségű egypólusú generátorokon végzett munkájukért. A George Forbes skót villamosmérnök által tervezett Forbes Dynamot széles körben használták a 20. század elején. A homopoláris mechanizmusokkal kapcsolatos legtöbb fejlesztést J. E. Noeggerath és R. Eickemeyer.
50-es évek
A homopoláris generátorok reneszánszukat élték át az 1950-es években, mint impulzusos energiatárolás forrása. Ezek az eszközök nehéz tárcsákat használtak lendkerékként, hogy tárolják a mechanikai energiát, amelyet gyorsan be lehetett tölteni a kísérleti berendezésbe.
Az ilyen típusú eszközök egy korai példáját Sir Mark Oliphant készítette a KutatóiskolábanFizikai tudományok és mérnökök az Ausztrál Nemzeti Egyetemen. Akár 500 megajoule energiát is tárolt, és 1962-től 1986-os szétszereléséig ultra-nagy áramforrásként használták szinkrotronkísérletekhez. Az Oliphant kialakítása akár 2 megaamper (MA) áram leadására volt képes.
A Parker Kinetic Designs által kifejlesztett
Még az ehhez hasonló nagyobb eszközöket is az austini Parker Kinetic Designs (korábban OIME Research & Development) tervezi és gyártja. Különféle célokat szolgáló eszközöket állítottak elő, a vasúti pisztolyok meghajtásától a lineáris motorokig (az űrkilövésekhez) és a különféle fegyvertervekig. 10 MJ-s ipari formatervezési mintákat vezettek be különféle feladatokhoz, beleértve az elektromos hegesztést is.
Ezek az eszközök egy vezetőképes lendkerékből álltak, amelyek közül az egyik mágneses térben forgott úgy, hogy az egyik elektromos érintkező a tengely közelében, a másik pedig a kerület közelében forgott. Nagyon nagy áramok generálására használták alacsony feszültségen olyan területeken, mint a hegesztés, az elektrolízis és a sínfegyverkutatás. Az impulzusenergiás alkalmazásoknál a forgórész szögimpulzusát az energia hosszú ideig történő tárolására, majd rövid időn belüli felszabadítására használják.
A többi típusú kommutált unipoláris generátorral ellentétben a kimeneti feszültség soha nem váltja meg a polaritást. A töltések szétválása a Lorentz-erő hatásának eredménye a lemezen lévő szabad töltésekre. A mozgás azimutális, a mező pedig axiális, tehátaz elektromotoros erő sugárirányú.
Az elektromos érintkezők általában "kefén" vagy csúszógyűrűn keresztül készülnek, ami nagy veszteségeket eredményez a generált alacsony feszültségeknél. E veszteségek egy része csökkenthető, ha higanyt vagy más könnyen cseppfolyósítható fémet vagy ötvözetet (gallium, NaK) használunk „kefeként”, amely szinte folyamatos elektromos érintkezést biztosít.
Módosítás
A közelmúltban javasolt módosítás az volt, hogy negatív ellenállású neonszalaggal ellátott plazmaérintkezőt használnak, amely megérinti a lemez vagy a dob szélét, és függőleges csíkokban speciális, alacsony működésű szenet használnak. Ennek az lenne az előnye, hogy az áramtartományban nagyon alacsony ellenállású, esetleg több ezer amperig, folyékony fémmel való érintkezés nélkül.
Ha a mágneses teret állandó mágnes hozza létre, a generátor attól függetlenül működik, hogy a mágnes az állórészhez van-e rögzítve, vagy a koronggal együtt forog. Az elektron és a Lorentz-féle erőtörvény felfedezése előtt ez a jelenség megmagyarázhatatlan volt, és Faraday paradoxonaként ismerték.
Dobtípus
A dob típusú homopoláris generátor mágneses mezővel (V) rendelkezik, amely a dob közepéből sugárirányban sugárzik, és teljes hosszában feszültséget (V) indukál. A „hangszóró” típusú mágnes tartományában felülről forgó vezető dob, amelynek egyik pólusa a közepén, a másik pedig körülveszi, vezetőképes golyóscsapágyakat használhat a tetején, ésalsó részek a generált áram rögzítéséhez.
A természetben
Az egypólusú induktorok megtalálhatók az asztrofizikában, ahol a vezető mágneses mezőn keresztül forog, például amikor egy nagy vezetőképességű plazma az űrtest ionoszférájában mozog a mágneses terén.
Az egypólusú induktorokat összefüggésbe hozták az urán aurórával, kettőscsillagokkal, fekete lyukakkal, galaxisokkal, a Jupiter Io holdjával, a Holddal, a napszéllel, a napfoltokkal és a Vénusz mágneses farkával.
A mechanizmus jellemzői
Minden fent említett űrobjektumhoz hasonlóan a Faraday-korong is átalakítja a kinetikus energiát elektromos energiává. Ez a gép Faraday saját elektromágneses indukciós törvénye alapján elemezhető.
Ez a törvény a mai formájában kimondja, hogy a mágneses fluxus állandó deriváltja zárt áramkörön keresztül elektromotoros erőt indukál benne, ami viszont elektromos áramot gerjeszt.
A mágneses fluxust meghatározó felületi integrál átírható lineárissá az áramkör köré. Bár a vonalintegrál integrálja nem függ az időtől, mivel a vonalintegrál határának részét képező Faraday-korong mozog, a teljes idő deriváltja nem nulla, és az elektromotoros erő kiszámításához a helyes értéket adja vissza. Alternatív megoldásként a tárcsa a kerülete körül vezető gyűrűvé redukálható egyetlen fém küllővel, amely a gyűrűt a tengelyhez köti.
Lorentz erőtörvény öngyújtóhasználható a gép viselkedésének magyarázatára. Ez a Faraday halála után harminc évvel megfogalmazott törvény kimondja, hogy az elektronra ható erő arányos sebességének és a mágneses fluxusvektorának keresztszorzatával.
Gometriai értelemben ez azt jelenti, hogy az erő mind a sebességre (azimut), mind a mágneses fluxusra (axiális) merőlegesen irányul, ami tehát sugárirányú. Az elektronok sugárirányú mozgása a korongban a töltések szétválását okozza a korong közepe és a pereme között, és ha az áramkör befejeződik, elektromos áram keletkezik.
Elektromos motor
Az egypólusú motor két mágneses pólusú egyenáramú eszköz, amelynek vezetői mindig keresztezik az egyirányú mágneses fluxusvonalakat, és a vezetőt egy rögzített tengely körül forgatják úgy, hogy az derékszögben legyen a statikus mágneses térre. Az így létrejövő EMF (elektromotoros erő), amely egy irányban folytonos, egy homopoláris motorhoz nem igényel kommutátort, de még csúszógyűrűket igényel. A "homopoláris" elnevezés azt jelzi, hogy a vezető elektromos polaritása és a mágneses tér pólusai nem változnak (vagyis nem igényel kapcsolást).
Az egypólusú motor volt az első villanymotor, amelyet megépítettek. Az akciót Michael Faraday mutatta be 1821-ben a londoni királyi intézményben.
Találmány
1821-ben, röviddel azután, hogy Hans Christian Oersted dán fizikus és vegyész felfedezteAz elektromágnesesség jelensége Humphry Davy és William Hyde Wollaston brit tudós megpróbált elektromos motort kifejleszteni, de nem sikerült. Faraday, akit Humphrey viccnek vitat, két eszközt készített, hogy létrehozza az általa "elektromágneses forgásnak" nevezettet. Az egyik, ma homopoláris hajtásként ismert, folyamatos körkörös mozgást hozott létre. Ezt egy körkörös mágneses erő okozta egy higanymedencébe helyezett huzal körül, amelybe a mágnest helyezték. A huzal a mágnes körül forogna, ha vegyi elem táplálná.
Ezek a kísérletek és találmányok képezték a modern elektromágneses technológiák alapját. Faraday hamarosan közzétette az eredményeket. Ez megfeszítette a viszonyt Davyvel, mert féltékeny volt Faraday eredményeire, és arra késztette az utóbbit, hogy más dolgok felé forduljon, aminek következtében több éven át nem tudott részt venni az elektromágneses kutatásokban.
B. G. Lamm 1912-ben írt le egy homopoláris gépet, amelynek teljesítménye 2000 kW, 260 V, 7700 A és 1200 ford./perc, 16 csúszógyűrűvel, amelyek 67 m/s kerületi sebességgel működnek. Egy 1934-ben épült, 1125 kW-os, 7,5 V-os, 150 000 A-es, 514 ford./perc-es unipoláris generátort szereltek be egy amerikai acélgyárba csőhegesztés céljából.
Ugyanaz a Lorentz-törvény
Ennek a motornak a működése hasonló a sokkoló unipoláris generátor működéséhez. Az egypólusú motort a Lorentz-erő hajtja. A rajta átfolyó áramú vezető mágneses térbe helyezve és arra merőlegesen erőt éreziránya merőleges mind a mágneses térre, mind az áramerősségre. Ez az erő forgási nyomatékot biztosít a forgástengely körül.
Mivel az utóbbi párhuzamos a mágneses térrel, és az ellentétes mágneses mezők nem változtatják meg a polaritást, nincs szükség kapcsolásra a vezető forgásának folytatásához. Ez az egyszerűség legkönnyebben az egyfordulatú kialakítással érhető el, így a homopoláris motorok alkalmatlanok a legtöbb gyakorlati alkalmazásra.
A legtöbb elektromechanikus géphez (például Neggerath unipoláris generátorához) hasonlóan a homopoláris motor is megfordítható: ha a vezetőt mechanikusan forgatják, homopoláris generátorként működik, és egyenfeszültséget hoz létre a vezető két kivezetése között.
Az állandó áram a tervezés homopoláris jellegének a következménye. A homopoláris generátorokat (HPG-ket) széles körben kutatták a 20. század végén, mint alacsony feszültségű, de nagyon nagy áramerősségű egyenáram forrásait, és sikereket értek el a kísérleti sínfegyverek meghajtásában.
Épület
Egypólusú generátort saját kezűleg elkészíteni meglehetősen egyszerű. Az unipoláris motor összeszerelése is nagyon egyszerű. Az állandó mágnes egy külső mágneses mező létrehozására szolgál, amelyben a vezető forog, és az akkumulátor áramot indít a vezető vezetéken.
Nem szükséges, hogy a mágnes elmozduljon, vagy akár érintkezzen a motor többi részével; egyetlen célja egy olyan mágneses mező létrehozása, amely képes leszkölcsönhatásba lépnek a vezetékben lévő áram által indukált hasonló mezővel. Lehetőség van mágnes rögzítésére az akkumulátorra, és lehetővé teszi, hogy a vezető szabadon forogjon, amikor az elektromos áramkör befejeződik, érintve az akkumulátor tetejét és az akkumulátor aljához rögzített mágnest. A vezeték és az akkumulátor felmelegedhet folyamatos használat közben.
