Униполярный генератор — электрический генератор постоянного тока , содержащий электропроводящий диск или цилиндр, вращающийся в плоскости, перпендикулярной однородному статическом магнитному полю . Между центром диска и ободом (или торцами цилиндра) создается разность потенциалов, электрическая полярность которой зависит от направления вращения и ориентации поля. Он также известен как униполярный генератор , ациклический генератор , дисковое динамо или диск Фарадея . Напряжение обычно низкое, порядка нескольких вольт в случае небольших демонстрационных моделей, но большие исследовательские генераторы могут производить сотни вольт, а в некоторых системах есть несколько генераторов, соединенных последовательно, для создания еще большего напряжения. [1] Они необычны тем, что могут генерировать огромный электрический ток, иногда превышающий миллион ампер , поскольку униполярный генератор может иметь очень низкое внутреннее сопротивление . Кроме того, униполярный генератор уникален тем, что ни одна другая вращающаяся электрическая машина не может производить постоянный ток без использования выпрямителей или коммутаторов. [2]
Первый униполярный генератор был разработан Майклом Фарадеем во время его экспериментов в 1831 году. В его честь его часто называют диском Фарадея или колесом Фарадея . Это было начало современных динамо-машин — то есть электрических генераторов , работающих с использованием магнитного поля . Он был очень неэффективен и не использовался в качестве практического источника энергии, но показал возможность генерации электроэнергии с помощью магнетизма и проложил путь к коммутируемым динамо-машинам постоянного тока , а затем и генераторам переменного тока .
Диск Фарадея был в первую очередь неэффективен из-за противотоков тока. Хотя ток индуцировался непосредственно под магнитом, ток циркулировал в обратном направлении в областях, находящихся вне влияния магнитного поля. Этот противоток ограничивает выходную мощность на провода датчика и вызывает ненужный нагрев медного диска. Более поздние униполярные генераторы решили эту проблему, используя массив магнитов, расположенных по периметру диска, чтобы поддерживать постоянное поле по окружности и устранять области, где может возникнуть противоток.
Спустя долгое время после того, как от оригинального диска Фарадея отказались как от практического генератора, была разработана модифицированная версия, сочетающая магнит и диск в одной вращающейся части ( ротор ). Иногда для этой конфигурации зарезервировано название «униполярный генератор» . Один из первых патентов на общий тип униполярных генераторов был получен А. Ф. Делафилдом, патент США 278 516 . Другие ранние патенты на униполярные генераторы были выданы С.З. Де Ферранти и К. Бэтчелору отдельно. Никола Тесла интересовался диском Фарадея и проводил работы с униполярными генераторами [3] и в итоге запатентовал улучшенную версию устройства в патенте США 406968 . Патент Теслы «Электрическая динамо-машина» описывает расположение двух параллельных дисков с отдельными параллельными валами, соединенных, как шкивы , металлическим ремнем. Каждый диск имел поле, противоположное другому, так что ток шел от одного вала к краю диска, через ремень к другому краю диска и ко второму валу. Это значительно уменьшило бы потери на трение, вызванные скользящими контактами, поскольку позволило бы обоим электрическим датчикам взаимодействовать с валами двух дисков, а не с валом и высокоскоростным ободом. Позднее патенты были вручены К. П. Штейнмецу и Э. Томсону за работы с униполярными генераторами. Динамо -машина Forbes , разработанная шотландским инженером-электриком Джорджем Форбсом , широко использовалась в начале 20-го века. Большая часть разработок униполярных генераторов была запатентована Дж. Э. Ноггератом и Р. Эйкемейером .
Униполярные генераторы пережили возрождение в 1950-х годах как источник импульсного хранения энергии. В этих устройствах тяжелые диски использовались в качестве маховика для хранения механической энергии, которую можно было быстро передать в экспериментальный аппарат. Ранний пример такого типа устройства был построен сэром Марком Олифантом в Исследовательской школе физических наук и техники Австралийского национального университета . Он хранил до 500 мегаджоулей энергии [4] и использовался в качестве источника чрезвычайно сильного тока для синхротронных экспериментов с 1962 года до его разборки в 1986 году. Конструкция Олифанта была способна подавать токи до 2 мегаампер (МА).
Подобные устройства еще большего размера проектируются и производятся компанией Parker Kinetic Designs (ранее OIME Research & Development) из Остина. Они производят устройства для самых разных целей: от рельсотронов до линейных двигателей (для космических запусков) и различных конструкций оружия. Были представлены промышленные образцы мощностью 10 МДж для различных ролей, в том числе для электросварки. [5] [6]
Это устройство состоит из вращающегося в магнитном поле проводящего маховика с одним электрическим контактом вблизи оси, а другим - на периферии. Он использовался для генерации очень высоких токов при низком напряжении в таких приложениях, как сварка , электролиз и исследования рельсотронов . В приложениях с импульсной энергией угловой момент ротора используется для накопления энергии в течение длительного периода, а затем ее высвобождения за короткое время.
В отличие от других типов генераторов, выходное напряжение никогда не меняет полярность. Разделение зарядов происходит за счет силы Лоренца, действующей на свободные заряды в диске. Движение азимутальное, поле осевое, поэтому электродвижущая сила радиальная. Электрические контакты обычно выполняются через « щетку » или контактное кольцо , что приводит к большим потерям при генерируемых низких напряжениях. Некоторые из этих потерь можно уменьшить, используя ртуть или другой легко разжижаемый металл или сплав ( галлий , NaK ) в качестве «щетки», чтобы обеспечить практически непрерывный электрический контакт.
Недавно предложенная модификация заключается в использовании плазменного контакта, обеспечиваемого неоновым стримером с отрицательным сопротивлением , касающимся края диска или барабана, с использованием специального углерода с низкой работой выхода в вертикальных полосах. Преимуществом этого будет очень низкое сопротивление в диапазоне токов, возможно, до тысяч ампер без контакта с жидким металлом. [ нужна цитата ]
Если магнитное поле создается постоянным магнитом , генератор работает независимо от того, закреплен магнит на статоре или вращается вместе с диском. До открытия электрона и закона силы Лоренца это явление было необъяснимым и было известно как парадокс Фарадея .
Униполярный генератор барабанного типа имеет магнитное поле (B), которое распространяется радиально от центра барабана и индуцирует напряжение (V) по длине барабана. Проводящий барабан, вращающийся сверху в поле магнита типа «громкоговоритель», у которого один полюс находится в центре барабана, а другой полюс окружает барабан, может использовать проводящие шарикоподшипники сверху и снизу барабана для улавливания. генерируемый ток.
Униполярные индукторы встречаются в астрофизике, где проводник вращается посредством магнитного поля, например, движение высокопроводящей плазмы в ионосфере космического тела через его магнитное поле . В своей книге « Космическая электродинамика» Ханнес Альфвин и Карл-Гунне Фельтхаммар пишут:
Униполярные индукторы были связаны с полярными сияниями на Уране , [8] двойными звездами , [9] [10] черными дырами , [11] [12] [13] галактиками , [14] системой Юпитер Ио , [15] [16] ] Луна , [17] [18] Солнечный Ветер, [ 19] солнечные пятна , [20] [21] и в магнитном хвосте Венеры . [22]
Как и все динамо-машины , диск Фарадея преобразует кинетическую энергию в электрическую . Эту машину можно проанализировать, используя собственный закон электромагнитной индукции Фарадея . Этот закон в его современной форме гласит, что полная производная магнитного потока в замкнутой цепи индуцирует электродвижущую силу в цепи, которая, в свою очередь, вызывает электрический ток. Поверхностный интеграл , определяющий магнитный поток, можно переписать как линейный интеграл по контуру. Хотя подынтегральное выражение линейного интеграла не зависит от времени, поскольку диск Фарадея, который образует часть границы линейного интеграла, движется, полная производная не равна нулю и возвращает правильное значение для расчета электродвижущей силы. [23] [24] В качестве альтернативы диск можно превратить в проводящее кольцо по окружности диска с помощью одной металлической спицы, соединяющей кольцо с осью. [25]
Закон силы Лоренца легче использовать для объяснения поведения машины. Этот закон, сформулированный через тридцать лет после смерти Фарадея, гласит, что сила, действующая на электрон, пропорциональна векторному произведению его скорости и вектора магнитного потока . С геометрической точки зрения это означает, что сила действует под прямым углом как к скорости (азимутально), так и к магнитному потоку (осевой), который, следовательно, находится в радиальном направлении. Радиальное движение электронов в диске приводит к разделению зарядов между центром диска и его краем, и если цепь замыкается, возникает электрический ток. [26]
