Yksinapainen generaattori on tasavirtasähkömekanismi, joka sisältää sähköä johtavan levyn tai sylinterin, joka pyörii tasossa. Siinä on eri tehoiset potentiaalit kiekon keskikohdan ja vanteen (tai sylinterin päiden) välillä sähköisellä polariteetilla, joka riippuu pyörimissuunnasta ja kentän suunnasta.
Se tunnetaan myös unipolaarisena Faraday-oskillaattorina. Jännite on yleensä pieni, muutaman voltin luokkaa pienten demonstraatiomallien tapauksessa, mutta suuret tutkimuskoneet voivat tuottaa satoja voltteja, ja joissakin järjestelmissä on useita sarjaoskillaattoreita vielä suurempia jännitteitä varten. Ne ovat epätavallisia, koska ne voivat tuottaa sähkövirran, joka voi ylittää miljoonan ampeerin, koska yksinapaisella generaattorilla ei välttämättä ole suurta sisäistä vastusta.
Keksintötarina
Ensimmäisen homopolaarisen mekanismin kehitti Michael Faraday kokeidensa aikana vuonna 1831. Sitä kutsutaan usein Faradayn levyksi tai pyöräksi hänen jälkeensä. Tämä oli nykyaikaisten dynamojen alkukoneet eli magneettikentässä toimivat sähkögeneraattorit. Se oli erittäin tehoton eikä sitä käytetty käytännöllisenä virtalähteenä, mutta se osoitti mahdollisuuden tuottaa sähköä magnetismin avulla ja tasoitti tietä kytketyille DC-dynamoille ja sitten vaihtovirtageneraattoreille.
Ensimmäisen generaattorin haitat
Faradayn levy oli ensisijaisesti tehoton vastaantulevien virtausten vuoksi. Yksinapaisen generaattorin toimintaperiaate kuvataan vain sen esimerkissä. Kun virta indusoitiin suoraan magneetin alle, virta kiertää vastakkaiseen suuntaan. Takaisinvirtaus rajoittaa vastaanottojohtojen lähtötehoa ja aiheuttaa kuparilevyn tarpeetonta kuumenemista. Myöhemmin homopolaariset generaattorit voisivat ratkaista tämän ongelman magneettisarjalla, joka on sijoitettu levyn kehän ympärille, jotta se ylläpitää vakiokenttää kehän ympärillä ja eliminoi alueet, joilla voi tapahtua takaisinvirtausta.
Lisäkehitys
Pian sen jälkeen, kun alkuperäinen Faraday-levy hylättiin käytännöllisenä generaattorina, kehitettiin muunneltu versio, jossa magneetti ja levy yhdistettiin yhdessä pyörivässä osassa (roottori), mutta itse ajatus yksinapaisesta iskugeneraattorista varattiin tälle. kokoonpano. Yksi varhaisimmista patenteista geneerisille unipolaarisille mekanismeille hankittiin A. F. Delafieldilta, US-patentti 278 516.
Erinomaisten mielien tutkimus
Muut varhaisen vaikutuksen yksinapaiset patentitgeneraattorit myönnettiin erikseen S. Z. De Ferrantille ja S. Batchelorille. Nikola Tesla oli kiinnostunut Faradayn levystä ja työskenteli homopolaaristen mekanismien kanssa, ja lopulta patentoi laitteesta parannetun version US-patentissa 406 968.
Teslan "Dynamo Electric Machine" -patentti (Teslan unipolaarinen generaattori) kuvaa kahden rinnakkaisen levyn järjestelyä erillisillä rinnakkaisilla akselilla, jotka on yhdistetty hihnapyörien tavoin metallihihnalla. Jokaisella levyllä oli kenttä toisiaan vastapäätä, joten virta kulki yhdestä akselista levyn reunaan, hihnan kautta toiseen reunaan ja toiseen akseliin. Tämä vähentäisi huomattavasti liukukoskettimien aiheuttamia kitkahäviöitä, jolloin molemmat sähköiset anturit voivat olla vuorovaikutuksessa kahden levyn akseleiden kanssa akselin ja nopean vanteen sijaan.
Myöhemmin patentit myönnettiin S. P. Steinmetzille ja E. Thomsonille heidän työstään korkeajännitteisten unipolaaristen generaattoreiden parissa. Skotlantilaisen sähköinsinöörin George Forbesin suunnittelemaa Forbes Dynamoa käytettiin laaj alti 1900-luvun alussa. Suurin osa homopolaarisissa mekanismeissa tehdyistä kehityksestä on patentoitu J. E. Noeggerath ja R. Eickemeyer.
50s
Homopolaarigeneraattorit kokivat renessanssin 1950-luvulla pulssienergian varastoinnin lähteenä. Näissä laitteissa käytettiin raskaita kiekkoja vauhtipyöränä varastoimaan mekaanista energiaa, joka voitiin syöttää nopeasti koelaitteeseen.
Varhaisen esimerkin tällaisesta laitteesta loi Sir Mark Oliphant tutkimuskoulussaFysikaaliset tieteet ja tekniikka Australian kansallisesta yliopistosta. Se varastoi jopa 500 megajoulea energiaa ja sitä käytettiin erittäin korkean virran lähteenä synkrotronikokeisiin vuodesta 1962, kunnes se purettiin vuonna 1986. Oliphantin suunnittelu pystyi toimittamaan jopa 2 megaampeerin (MA) virtoja.
Kehittäjä Parker Kinetic Designs
Tällaisiakin suurempia laitteita on suunnitellut ja valmistanut Austinin Parker Kinetic Designs (aiemmin OIME Research & Development). He tuottivat laitteita eri tarkoituksiin rautatiepistooleista lineaarisiin moottoreihin (avaruuslaukaisuihin) ja erilaisiin asemalleihin. 10 MJ teollisia malleja on otettu käyttöön eri rooleihin mukaan lukien sähköhitsaus.
Nämä laitteet koostuivat johtavasta vauhtipyörästä, joista toinen pyöri magneettikentässä siten, että toinen sähkökosketin on lähellä akselia ja toinen lähellä reunaa. Niitä on käytetty erittäin korkeiden virtojen tuottamiseen matalilla jännitteillä sellaisilla aloilla kuin hitsauksessa, elektrolyysissä ja kiskoasetutkimuksessa. Pulssienergiasovelluksissa roottorin kulmamomenttia käytetään varastoimaan energiaa pitkäksi ajaksi ja vapauttamaan se sitten lyhyessä ajassa.
Toisin kuin muun tyyppiset kommutoidut unipolaariset generaattorit, lähtöjännite ei koskaan vaihda napaisuutta. Varausten erottuminen on seurausta Lorentzin voiman vaikutuksesta levyn vapaisiin varauksiin. Liike on atsimuutti ja kenttä on aksiaalinen, jotensähkömoottorivoima on radiaalinen.
Sähkökoskettimet tehdään yleensä "harjan" tai liukurenkaan kautta, mikä johtaa suuriin häviöihin syntyvillä matalilla jännitteillä. Joitakin näistä häviöistä voidaan vähentää käyttämällä elohopeaa tai muuta helposti nesteytettyä metallia tai metalliseosta (gallium, NaK) "harjana" lähes jatkuvan sähköisen kosketuksen aikaansaamiseksi.
Muutos
Äskettäin ehdotettu muutos on ollut käyttää plasmakosketinta, joka on varustettu negatiivisen resistanssin neonstriimittimellä, joka koskettaa levyn tai rummun reunaa käyttämällä erityistä matalan työskentelyn hiiltä pystysuorissa raidoissa. Tämän etuna olisi erittäin alhainen vastus nykyisellä alueella, mahdollisesti jopa tuhansia ampeeria, ilman kosketusta nestemäisen metallin kanssa.
Jos magneettikentän muodostaa kestomagneetti, generaattori toimii riippumatta siitä, onko magneetti kiinnitetty staattoriin vai pyöriikö se levyn mukana. Ennen elektronin ja Lorentzin voimalain löytämistä tämä ilmiö oli selittämätön ja tunnettiin Faradayn paradoksina.
Rummutyyppi
Rummutyyppisessä homopolaarisessa generaattorissa on magneettikenttä (V), joka säteilee säteittäisesti rummun keskustasta ja indusoi jännitteen (V) koko sen pituudella. Johtava rumpu, joka pyörii ylhäältä "kaiutin"-tyyppisen magneetin alueella, jonka yksi napa on keskellä ja toinen sitä ympäröi, voi käyttää johtavia kuulalaakereita yläosassaan jaalaosat tuotetun virran kaappaamiseen.
Luonnossa
Yksinapaisia keloja löytyy astrofysiikasta, jossa johdin pyörii magneettikentän läpi, esimerkiksi kun avaruuskappaleen ionosfäärissä oleva erittäin johtava plasma liikkuu sen magneettikentän läpi.
Yksinapaiset induktorit on yhdistetty Uranin revontulia, kaksoistähtiä, mustia aukkoja, galakseja, Jupiterin kuuta Ioa, kuuta, aurinkotuulta, auringonpilkkuja ja Venuksen magneettista häntää.
Mekanismin ominaisuudet
Kuten kaikki edellä mainitut avaruusobjektit, Faraday-levy muuntaa kineettisen energian sähköenergiaksi. Tätä konetta voidaan analysoida Faradayn oman sähkömagneettisen induktion lain avulla.
Tämä laki nykyisessä muodossaan sanoo, että magneettivuon jatkuva derivaatta suljetun piirin läpi indusoi siihen sähkömotorisen voiman, joka puolestaan kiihottaa sähkövirran.
Magneettisen vuon määrittelevä pintaintegraali voidaan kirjoittaa lineaariseksi piirin ympärille. Vaikka viivaintegraalin integrandi ei riipu ajasta, koska viivaintegraalin rajana oleva Faradayn kiekko liikkuu, kokonaisajan derivaatta ei ole nolla ja palauttaa oikean arvon sähkömotorisen voiman laskemiseksi. Vaihtoehtoisesti levy voidaan pienentää kehän ympärillä olevaksi johtavaksi renkaaksi yhdellä metallipinnalla, joka yhdistää renkaan akseliin.
Lorentzin voimalainsytytinkäytetään selittämään koneen käyttäytymistä. Tämä laki, joka muotoiltiin 30 vuotta Faradayn kuoleman jälkeen, sanoo, että elektroniin kohdistuva voima on verrannollinen sen nopeuden ja magneettivuon vektorin ristituloon.
Geometrisesti tämä tarkoittaa, että voima on suunnattu suorassa kulmassa sekä nopeuteen (atsimuutti) että magneettivuon (aksiaaliseen) nähden, mikä on siis säteen suunnassa. Elektronien säteittäinen liike levyssä aiheuttaa varausten erottumisen sen keskustan ja reunan välillä, ja jos piiri on valmis, syntyy sähkövirtaa.
Sähkömoottori
Yksinapainen moottori on tasavirtalaite, jossa on kaksi magneettinapaa, jonka johtimet ylittävät aina yksisuuntaisia magneettivuon linjoja ja pyörittävät johdinta kiinteän akselin ympäri siten, että se on suorassa kulmassa staattiseen magneettikenttään nähden. Tuloksena oleva EMF (elektromotorinen voima), joka on jatkuva yhteen suuntaan, homopolaariseen moottoriin ei vaadi kommutaattoria, mutta vaatii silti liukurenkaita. Nimi "homopolaarinen" osoittaa, että johtimen sähköinen napaisuus ja magneettikentän navat eivät muutu (eli että se ei vaadi vaihtoa).
Yksinapainen moottori oli ensimmäinen sähkömoottori, joka rakennettiin. Michael Faraday esitteli sen toimintaa vuonna 1821 Lontoon kuninkaallisessa instituutissa.
Keksintö
Vuonna 1821, pian sen jälkeen, kun tanskalainen fyysikko ja kemisti Hans Christian Oersted löysisähkömagnetismin ilmiö, Humphry Davy ja brittiläinen tiedemies William Hyde Wollaston yrittivät kehittää sähkömoottoria, mutta epäonnistuivat. Faraday, jonka Humphrey kiisti vitsinä, loi kaksi laitetta luodakseen "sähkömagneettiseksi kierroksi". Yksi niistä, joka tunnetaan nykyään nimellä homopolaarinen käyttö, loi jatkuvan ympyräliikkeen. Sen aiheutti pyöreä magneettinen voima johdon ympärillä, joka oli sijoitettu elohopea altaaseen, johon magneetti asetettiin. Lanka pyöriisi magneetin ympäri, jos se saa virtansa kemiallisesta akusta.
Nämä kokeet ja keksinnöt loivat perustan nykyaikaisille sähkömagneettisille teknologioille. Pian Faraday julkaisi tulokset. Tämä kiristi suhteita Davyyn, koska hän oli kateellinen Faradayn saavutuksia kohtaan, ja sai tämän kääntymään muihin asioihin, mikä esti häntä osallistumasta sähkömagneettiseen tutkimukseen useiden vuosien ajan.
B. G. Lamm kuvasi vuonna 1912 homopolaarisen koneen, jonka teho on 2000 kW, 260 V, 7700 A ja 1200 rpm ja jossa on 16 liukurengasta, jotka toimivat 67 m/s:n kehänopeudella. Vuonna 1934 rakennettu 1125 kW, 7,5 V, 150 000 A, 514 rpm yksinapainen generaattori asennettiin yhdysv altalaiseen terästehtaaseen putkien hitsausta varten.
Sama Lorentzin laki
Tämän moottorin toiminta on samanlainen kuin yksinapaisen shokkigeneraattorin. Yksinapaista moottoria käyttää Lorentzin voima. Johdin, jonka läpi virtaa virta, kun se asetetaan magneettikenttään ja kohtisuorassa sitä vastaan, se tuntee voimansuunta kohtisuoraan sekä magneettikenttään että virran suhteen. Tämä voima muodostaa kääntömomentin pyörimisakselin ympäri.
Koska jälkimmäinen on yhdensuuntainen magneettikentän kanssa ja vastakkaiset magneettikentät eivät muuta napaisuutta, kytkentää ei tarvita johtimen pyörittämisen jatkamiseksi. Tämä yksinkertaisuus saavutetaan helpoimmin yksikierrosmalleilla, jolloin homopolaariset moottorit eivät sovellu useimpiin käytännön sovelluksiin.
Kuten useimmat sähkömekaaniset koneet (kuten Neggerathin yksinapainen generaattori), homopolaarinen moottori on käännettävissä: jos johdinta käännetään mekaanisesti, se toimii homopolaarisena generaattorina, mikä luo tasajännitteen johtimen kahden navan väliin.
Vakiovirta on seurausta rakenteen homopolaarisesta luonteesta. Homopolaarisia generaattoreita (HPG:itä) tutkittiin laajasti 1900-luvun lopulla matalajännitteen mutta erittäin suuren virran tasavirran lähteinä, ja ne saavuttivat jonkin verran menestystä kokeellisten kiskoaseiden tehonlähteenä.
Rakennus
Yksinapaisen generaattorin valmistaminen omin käsin on melko yksinkertaista. Yksinapainen moottori on myös erittäin helppo koota. Kestomagneettia käytetään luomaan ulkoinen magneettikenttä, jossa johdin pyörii, ja akku saa virran kulkemaan johtavaa johtoa pitkin.
Magnetin ei tarvitse liikkua tai edes joutua kosketuksiin muun moottorin kanssa; sen ainoa tarkoitus on luoda magneettikenttä, joka toimiiolla vuorovaikutuksessa samanlaisen kentän kanssa, jonka johdossa oleva virta aiheuttaa. On mahdollista kiinnittää magneetti akkuun ja antaa johtimen pyöriä vapaasti sähköpiirin valmistuttua koskettaen sekä akun yläosaa että akun pohjaan kiinnitettyä magneettia. Johto ja akku voivat lämmetä jatkuvassa käytössä.
