Ein unipolarer Generator ist ein elektrischer Gleichstrommechanismus, der eine elektrisch leitende Scheibe oder einen Zylinder enthält, der sich in einer Ebene dreht. Es hat Potentiale unterschiedlicher Stärke zwischen der Mitte der Scheibe und dem Rand (oder den Enden des Zylinders) mit elektrischer Polarität, die von der Drehrichtung und der Ausrichtung des Feldes abhängt.
Er wird auch als unipolarer Faraday-Oszillator bezeichnet. Die Spannung ist normalerweise niedrig, bei kleinen Demonstrationsmodellen in der Größenordnung von wenigen Volt, aber große Forschungsmaschinen können Hunderte von Volt erzeugen, und einige Systeme haben mehrere Serienoszillatoren für noch höhere Spannungen. Sie sind insofern ungewöhnlich, als sie einen elektrischen Strom erzeugen können, der eine Million Ampere überschreiten kann, da ein unipolarer Generator nicht unbedingt einen hohen Innenwiderstand haben muss.
Erfindungsgeschichte
Der erste homopolare Mechanismus wurde von Michael Faraday während seiner Experimente im Jahr 1831 entwickelt. Es wird oft nach ihm als Faradaysche Scheibe oder Rad bezeichnet. Dies war der Beginn der modernen DynamosMaschinen, dh elektrische Generatoren, die mit einem Magnetfeld arbeiten. Es war sehr ineffizient und wurde nicht als praktische Stromquelle verwendet, zeigte jedoch die Möglichkeit, Elektrizität durch Magnetismus zu erzeugen, und ebnete den Weg für gesch altete Gleichstromdynamos und dann für Lichtmaschinen.
Nachteile des ersten Generators
Die Faraday-Scheibe war hauptsächlich aufgrund der entgegenkommenden Stromflüsse ineffizient. Das Funktionsprinzip eines unipolaren Generators wird nur anhand seines Beispiels beschrieben. Während der Stromfluss direkt unter dem Magneten induziert wurde, zirkulierte der Strom in entgegengesetzter Richtung. Der Rückfluss begrenzt die Ausgangsleistung für die Empfangsdrähte und verursacht eine unnötige Erwärmung der Kupferscheibe. Spätere homopolare Generatoren konnten dieses Problem mit einer Reihe von Magneten lösen, die um den Umfang der Scheibe herum platziert wurden, um ein konstantes Feld um den Umfang herum aufrechtzuerh alten und Bereiche zu eliminieren, in denen ein Rückfluss auftreten könnte.
Weitere Entwicklungen
Kurz nachdem die ursprüngliche Faraday-Scheibe als praktischer Generator diskreditiert wurde, wurde eine modifizierte Version entwickelt, die Magnet und Scheibe in einem rotierenden Teil (Rotor) kombiniert, aber die Idee eines schlagartigen unipolaren Generators war dieser vorbeh alten Aufbau. Eines der frühesten Patente für generische unipolare Mechanismen wurde von A. F. Delafield, US-Patent 278,516, erh alten.
Forschung herausragender Köpfe
Andere unipolare Patente mit früher AuswirkungDie Generatoren wurden separat an S. Z. De Ferranti und S. Batchelor vergeben. Nikola Tesla interessierte sich für die Faraday-Scheibe und arbeitete mit homopolaren Mechanismen und patentierte schließlich eine verbesserte Version des Geräts im US-Patent 406,968.
Teslas „Dynamo Electric Machine“-Patent (Teslas unipolarer Generator) beschreibt eine Anordnung aus zwei parallelen Scheiben mit separaten parallelen Wellen, die wie Riemenscheiben durch einen Metallriemen verbunden sind. Jede Scheibe hatte ein gegenüberliegendes Feld, so dass der Stromfluss von einer Welle zum Rand der Scheibe, durch den Riemen zum anderen Rand und zur zweiten Welle ging. Dies würde die durch die Gleitkontakte verursachten Reibungsverluste erheblich reduzieren, sodass beide elektrischen Sensoren mit den Wellen der beiden Scheiben interagieren können, anstatt mit der Welle und der Hochgeschwindigkeitsfelge.
Spätere Patente wurden an S. P. Steinmetz und E. Thomson für ihre Arbeit an unipolaren Hochspannungsgeneratoren vergeben. Der Forbes Dynamo, entworfen vom schottischen Elektroingenieur George Forbes, war im frühen 20. Jahrhundert weit verbreitet. Die meisten Entwicklungen bei homopolaren Mechanismen wurden von J. E. Noeggerath und R. Eickemeyer.
50s
Homopolare Generatoren erlebten in den 1950er Jahren als gepulste Energiespeicher eine Renaissance. Diese Geräte verwendeten schwere Scheiben als eine Art Schwungrad, um mechanische Energie zu speichern, die schnell in die Versuchsapparatur geleitet werden konnte.
Ein frühes Beispiel für diese Art von Gerät wurde von Sir Mark Oliphant an der Research School entwickeltPhysikalische Wissenschaften und Ingenieurwissenschaften von der Australian National University. Es speicherte bis zu 500 Megajoule Energie und diente von 1962 bis zu seiner Demontage 1986 als Ultrahochstromquelle für Synchrotron-Experimente. Das Design von Oliphant war in der Lage, Ströme von bis zu 2 Megaampere (MA) zu liefern.
Entwickelt von Parker Kinetic Designs
Noch größere Geräte wie dieses werden von Parker Kinetic Designs (ehemals OIME Research & Development) in Austin entworfen und gebaut. Sie produzierten Geräte für eine Vielzahl von Zwecken, vom Antrieb von Eisenbahnpistolen bis hin zu Linearmotoren (für Weltraumstarts) und verschiedenen Waffendesigns. 10 MJ-Industriedesigns wurden für verschiedene Aufgaben eingeführt, einschließlich Elektroschweißen.
Diese Geräte bestanden aus einem leitfähigen Schwungrad, von denen sich eines in einem Magnetfeld drehte, wobei sich ein elektrischer Kontakt in der Nähe der Achse und der andere in der Nähe der Peripherie befand. Sie wurden verwendet, um sehr hohe Ströme bei niedrigen Spannungen in Bereichen wie Schweißen, Elektrolyse und Railgun-Forschung zu erzeugen. Bei gepulsten Energieanwendungen wird der Drehimpuls des Rotors genutzt, um Energie über einen langen Zeitraum zu speichern und in kurzer Zeit wieder abzugeben.
Im Gegensatz zu anderen Arten von kommutierten unipolaren Generatoren kehrt die Ausgangsspannung niemals die Polarität um. Die Ladungstrennung ist das Ergebnis der Wirkung der Lorentzkraft auf die freien Ladungen in der Scheibe. Die Bewegung ist azimutal und das Feld ist axial, alsoDie elektromotorische Kraft ist radial.
Elektrische Kontakte werden normalerweise über eine "Bürste" oder einen Schleifring hergestellt, was zu hohen Verlusten bei den erzeugten niedrigen Spannungen führt. Einige dieser Verluste können reduziert werden, indem Quecksilber oder andere leicht verflüssigbare Metalle oder Legierungen (Gallium, NaK) als „Bürste“verwendet werden, um einen nahezu kontinuierlichen elektrischen Kontakt herzustellen.
Änderung
Eine kürzlich vorgeschlagene Modifikation bestand darin, einen Plasmakontakt zu verwenden, der mit einem Neonstreamer mit negativem Widerstand ausgestattet war, der den Rand der Scheibe oder Trommel berührte, wobei spezieller Kohlenstoff mit niedriger Austrittsarbeit in vertikalen Streifen verwendet wurde. Dies hätte den Vorteil eines sehr geringen Widerstands im Strombereich, möglicherweise bis zu Tausenden von Ampere, ohne Kontakt mit flüssigem Metall.
Wird das Magnetfeld durch einen Permanentmagneten erzeugt, arbeitet der Generator unabhängig davon, ob der Magnet am Stator befestigt ist oder sich mit der Scheibe dreht. Vor der Entdeckung des Elektrons und des Lorentzschen Kraftgesetzes war dieses Phänomen unerklärlich und wurde als Faradaysches Paradoxon bezeichnet.
Trommeltyp
Ein homopolarer Trommelgenerator hat ein Magnetfeld (V), das radial von der Mitte der Trommel ausstrahlt und über seine gesamte Länge eine Spannung (V) induziert. Eine leitende Trommel, die sich von oben im Bereich eines Magneten vom "Lautsprecher"-Typ dreht, wobei ein Pol in der Mitte und der andere ihn umgibt, kann an ihrer Oberseite und an leitenden Kugellagern verwendet werdenunteren Teile, um den erzeugten Strom zu erfassen.
In der Natur
Unipolare Induktoren findet man in der Astrophysik, wo sich der Leiter durch ein Magnetfeld dreht, beispielsweise wenn sich ein hochleitfähiges Plasma in der Ionosphäre eines Weltraumkörpers durch sein Magnetfeld bewegt.
Unipolare Induktoren wurden mit der Uran-Aurora, Doppelsternen, Schwarzen Löchern, Galaxien, dem Jupitermond Io, dem Mond, dem Sonnenwind, Sonnenflecken und dem Magnetschweif der Venus in Verbindung gebracht.
Mechanismusmerkmale
Wie alle oben genannten Weltraumobjekte wandelt die Faraday-Scheibe kinetische Energie in elektrische Energie um. Diese Maschine kann mit Faradays eigenem Gesetz der elektromagnetischen Induktion analysiert werden.
Dieses Gesetz in seiner modernen Form besagt, dass die konstante Ableitung des magnetischen Flusses durch einen geschlossenen Stromkreis darin eine elektromotorische Kraft induziert, die wiederum einen elektrischen Strom erregt.
Das Oberflächenintegral, das den magnetischen Fluss definiert, kann als lineares Integral um den Stromkreis herum geschrieben werden. Obwohl der Integrand des Linienintegrals nicht von der Zeit abhängt, da sich die Faraday-Scheibe, die Teil der Grenze des Linienintegrals ist, bewegt, ist die Ableitung der Gesamtzeit nicht Null und liefert den korrekten Wert für die Berechnung der elektromotorischen Kraft. Alternativ kann die Scheibe zu einem leitfähigen Ring um ihren Umfang reduziert werden, wobei eine einzelne Metallspeiche den Ring mit der Achse verbindet.
Lorentz Force Law Feuerzeugverwendet werden, um das Verh alten der Maschine zu erklären. Dieses Gesetz, das dreißig Jahre nach Faradays Tod formuliert wurde, besagt, dass die Kraft auf ein Elektron proportional zum Kreuzprodukt aus seiner Geschwindigkeit und dem magnetischen Flussvektor ist.
Geometrisch bedeutet dies, dass die Kraft sowohl quer zur Geschwindigkeit (Azimut) als auch zum magnetischen Fluss (axial) gerichtet ist, also in radialer Richtung. Die radiale Bewegung der Elektronen in der Scheibe bewirkt eine Ladungstrennung zwischen Mitte und Rand, und wenn der Stromkreis geschlossen ist, wird ein elektrischer Strom erzeugt.
Elektromotor
Ein unipolarer Motor ist ein Gleichstromgerät mit zwei Magnetpolen, dessen Leiter immer unidirektionale Magnetflusslinien kreuzen und den Leiter um eine feste Achse drehen, so dass er im rechten Winkel zum statischen Magnetfeld steht. Die resultierende EMF (elektromotorische Kraft), die in einer Richtung kontinuierlich ist, zu einem homopolaren Motor erfordert keinen Kommutator, aber immer noch Schleifringe. Der Name "homopolar" zeigt an, dass sich die elektrische Polarität des Leiters und die Pole des Magnetfelds nicht ändern (d. h., es muss nicht umgesch altet werden).
Der unipolare Motor war der erste Elektromotor, der gebaut wurde. Seine Wirkung wurde 1821 von Michael Faraday in der Royal Institution in London demonstriert.
Erfindung
1821, kurz nachdem der dänische Physiker und Chemiker Hans Christian Oersted entdeckt hattePhänomen des Elektromagnetismus versuchten Humphry Davy und der britische Wissenschaftler William Hyde Wollaston erfolglos, einen Elektromotor zu entwickeln. Faraday, der von Humphrey als Witz bestritten wurde, fuhr fort, zwei Geräte zu entwickeln, um das zu erzeugen, was er "elektromagnetische Rotation" nannte. Einer von ihnen, der heute als homopolarer Antrieb bekannt ist, erzeugte eine kontinuierliche kreisförmige Bewegung. Es wurde durch eine kreisförmige magnetische Kraft um einen Draht verursacht, der in einem Quecksilberbecken platziert war, in dem der Magnet platziert war. Der Draht würde sich um den Magneten drehen, wenn er von einer chemischen Batterie angetrieben würde.
Diese Experimente und Erfindungen bildeten die Grundlage moderner elektromagnetischer Technologien. Bald veröffentlichte Faraday die Ergebnisse. Dies belastete die Beziehungen zu Davy aufgrund seiner Eifersucht auf Faradays Errungenschaften und veranlasste diesen, sich anderen Dingen zuzuwenden, was ihn in der Folge mehrere Jahre daran hinderte, an der elektromagnetischen Forschung teilzunehmen.
B. G. Lamm beschrieb 1912 eine gleichpolige Maschine mit einer Leistung von 2000 kW, 260 V, 7700 A und 1200 U/min mit 16 Schleifringen, die mit einer Umfangsgeschwindigkeit von 67 m/s arbeitet. Ein unipolarer Generator mit 1125 kW, 7,5 V, 150.000 A und 514 U/min, Baujahr 1934, wurde in einem amerikanischen Stahlwerk zum Schweißen von Rohren installiert.
Das gleiche Lorentzsche Gesetz
Der Betrieb dieses Motors ähnelt dem eines unipolaren Schockgenerators. Der unipolare Motor wird durch die Lorentzkraft angetrieben. Ein Leiter, durch den ein Strom fließt, spürt eine Kraft, wenn er in ein Magnetfeld und senkrecht dazu gebracht wirdRichtung senkrecht sowohl zum Magnetfeld als auch zum Strom. Diese Kraft erzeugt ein Drehmoment um die Rotationsachse.
Da letzteres parallel zum Magnetfeld ist und entgegengesetzte Magnetfelder ihre Polarität nicht ändern, ist ein Umsch alten nicht erforderlich, um den Leiter weiter zu drehen. Diese Einfachheit lässt sich am einfachsten mit Singleturn-Designs erreichen, was homopolare Motoren für die meisten praktischen Anwendungen ungeeignet macht.
Wie die meisten elektromechanischen Maschinen (wie der unipolare Generator von Neggerath) ist der homopolare Motor reversibel: Wenn der Leiter mechanisch gedreht wird, arbeitet er als homopolarer Generator und erzeugt eine Gleichspannung zwischen den beiden Anschlüssen des Leiters.
Der Konstantstrom ist eine Folge der homopolaren Natur des Designs. Homopolare Generatoren (HPGs) wurden im späten 20. Jahrhundert ausgiebig als Quellen für Gleichstrom mit niedriger Spannung, aber sehr hohem Strom untersucht und erzielten einige Erfolge beim Antrieb experimenteller Railguns.
Gebäude
Einen unipolaren Generator mit eigenen Händen zu bauen ist ganz einfach. Der unipolare Motor ist auch sehr einfach zu montieren. Der Permanentmagnet wird verwendet, um ein externes Magnetfeld zu erzeugen, in dem sich der Leiter dreht, und die Batterie bewirkt, dass Strom entlang des leitenden Drahtes fließt.
Es ist nicht erforderlich, dass sich der Magnet bewegt oder sogar mit dem Rest des Motors in Kontakt kommt; Sein einziger Zweck ist es, ein magnetisches Feld zu erzeugen, das es tutinteragieren mit einem ähnlichen Feld, das durch Strom im Draht induziert wird. Es ist möglich, einen Magneten an einer Batterie anzubringen und den Leiter frei drehen zu lassen, wenn der Stromkreis geschlossen wird, wobei er sowohl die Oberseite der Batterie als auch den an der Unterseite der Batterie angebrachten Magneten berührt. Das Kabel und der Akku können bei Dauerbetrieb warm werden.
