Униполярдуу генератор – бул тегиздикте айлануучу электр өткөргүч дискти же цилиндрди камтыган туруктуу токтун электрдик механизми. Ал дисктин борбору менен алкагы (же цилиндрдин учтары) ортосунда электрдик полярдуулугу менен ар кандай кубаттуулуктагы потенциалдарга ээ, ал айлануу багытына жана талаанын багытына жараша болот.
Ал бир уюлдуу Фарадей осциллятору катары да белгилүү. Чыңалуу, адатта, кичинекей демонстрация моделдеринде бир нече вольт тартибинде төмөн, бирок чоң изилдөө машиналары жүздөгөн вольтторду жаратышы мүмкүн, ал эми кээ бир системаларда андан да жогору чыңалуу үчүн бир нече сериялуу осцилляторлор бар. Алар адаттан тыш нерсе, алар миллион амперден ашкан электр тогун жарата алышат, анткени бир уюлдуу генератор сөзсүз эле ички каршылыкка ээ боло бербейт.
Ойлоп табуу окуясы
Биринчи гомополярдык механизм Майкл Фарадей тарабынан 1831-жылы эксперименттер учурунда иштелип чыккан. Аны көбүнчө Фарадей диски же дөңгөлөк деп аташат. Бул азыркы динамостордун башталышы болгонмашиналар, башкача айтканда, магнит талаасында иштеген электр генераторлор. Ал абдан натыйжасыз болгон жана практикалык энергия булагы катары колдонулган эмес, бирок магнетизмдин жардамы менен электр энергиясын өндүрүү мүмкүнчүлүгүн көрсөтүп, которуштуруп туруучу туруктуу ток динамолоруна, андан кийин генераторлорго жол ачкан.
Биринчи генератордун кемчиликтери
Фарадейдин диски биринчи кезекте келе жаткан ток агымдарынан натыйжасыз болгон. Бир полярдуу генератордун иштөө принциби анын мисалы менен сүрөттөлөт. Токтун агымы түздөн-түз магниттин астында индукцияланганда, ток карама-каршы багытта айланды. Артка агым кабыл алуучу зымдар үчүн чыгуу кубаттуулугун чектейт жана жез дисктин ашыкча ысытылышына алып келет. Кийинчерээк гомополярдык генераторлор бул көйгөйдү дисктин периметри боюнча жайгаштырылган магниттердин жыйындысы менен чечип, айлананын тегерегинде туруктуу талааны кармап, кайра агып кетиши мүмкүн болгон аймактарды жок кылышат.
Кийинки өнүгүүлөр
Оригиналдуу Фарадей диски практикалык генератор катары дискредитациялангандан көп өтпөй, магнит менен дискти бир айлануучу бөлүктө (ротордо) бириктирген модификацияланган версия иштелип чыккан, бирок бир полярдуу генератор идеясы ушул үчүн сакталган. конфигурация. Жалпы бир уюлдук механизмдер үчүн эң алгачкы патенттердин бири A. F. Delafield тарабынан алынган, АКШ патенти 278,516.
Эң сонун акылдарды изилдөө
Башка эрте таасир этүүчү бир полярдуу патенттергенераторлор С. З. Де Ферранти менен С. Батчелорго өзүнчө ыйгарылды. Никола Тесла Фарадей дискине кызыгып, гомополярдык механизмдер менен иштеген жана акырында АКШнын 406,968 патентинде аппараттын жакшыртылган версиясын патенттеген.
Тесланын "Динамо электрдик машинасы" патенти (Тесланын бир уюлдук генератору) эки параллелдүү дисктин өзүнчө параллелдүү валдары бар, шкив сыяктуу металл кур менен туташтырылганын сүрөттөйт. Ар бир дискте экинчи валга карама-каршы талаа болгон, андыктан токтун агымы бир валдан дисктин четине, кур аркылуу экинчи четине жана экинчи валга өткөн. Бул жылма контакттардан келип чыккан сүрүлүү жоготууларын бир топ азайтып, эки электр сенсоруна валга жана жогорку ылдамдыктагы жээкке эмес, эки дисктин валдары менен иштешүүгө мүмкүндүк берет.
Кийинчерээк патенттер С. П. Штайнметц менен Э. Томсонго жогорку чыңалуудагы бир полярдуу генераторлордогу иштери үчүн берилген. Шотландиялык инженер-электрик Жорж Форбс тарабынан иштелип чыккан Forbes Динамосу 20-кылымдын башында кеңири колдонулган. Гомополярдык механизмдерде жасалган иштеп чыгуулардын көбү J. E. Ноггерат жана Р. Эйккемейер.
50с
Гомополярдык генераторлор 1950-жылдары импульстук энергияны сактоонун булагы катары кайра жаралган. Бул түзмөктөр эксперименталдык аппаратка тез төгүлө турган механикалык энергияны сактоо үчүн маховиктин бир түрү катары оор дисктерди колдонушкан.
Мындай түзүлүштүн алгачкы үлгүсүн Сэр Марк Олифант изилдөө мектебинде жаратканАвстралиянын Улуттук университетинен физика илимдери жана инженерия. Ал 500 мегаджоулга чейин энергияны сактаган жана 1962-жылдан 1986-жылы демонтаждалганга чейин синхротрондук эксперименттер үчүн өтө жогорку ток булагы катары колдонулган. Олифанттын дизайны 2 мегаамперге (MA) чейинки токтарды жеткире алган.
Parker Kinetic Designs тарабынан иштелип чыккан
Ушундай чоңураак түзмөктөр Остиндеги Parker Kinetic Designs (мурдагы OIME Research & Development) тарабынан иштелип чыккан жана курулган. Алар темир жол тапанчаларынан баштап сызыктуу моторлорго (космостук учуруу үчүн) жана куралдын ар кандай конструкцияларына чейин ар кандай максаттар үчүн түзүлүштөрдү чыгарышкан. 10 MJ өнөр жай үлгүлөрү ар кандай ролдор үчүн киргизилген, анын ичинде электр ширетүү.
Бул приборлор өткөргүч маховиктен турган, алардын бири магнит талаасында бир электрдик контакт менен огуна жакын, экинчиси четине жакын айланган. Алар ширетүүчү, электролиз жана рельстук изилдөө сыяктуу аймактарда төмөн чыңалууда өтө жогорку агымдарды пайда кылуу үчүн колдонулган. Импульстук энергияны колдонууда ротордун бурчтук импульсу энергияны узак мөөнөткө сактап, андан кийин аны кыска убакытта чыгаруу үчүн колдонулат.
Коммутацияланган бир полярдуу генераторлордун башка түрлөрүнөн айырмаланып, чыгуу чыңалуу эч качан полярдуулукту өзгөртпөйт. Заряддардын бөлүнүшү дисктеги бош заряддарга Лоренц күчүнүн аракетинин натыйжасы. Кыймыл азимуталдык жана талаа октук, ошондуктанэлектр кыймылдаткыч күч радиалдык.
Электр байланыштары адатта "щетка" же шакекче аркылуу жасалат, натыйжада түзүлгөн төмөнкү чыңалууларда жогорку жоготуулар болот. Бул жоготуулардын айрымдарын дээрлик үзгүлтүксүз электр байланышын камсыз кылуу үчүн сымап же башка оңой суюлтулган металл же эритме (галий, NaK) "щетка" катары колдонуу менен азайтса болот.
Модификация
Жакында сунушталган модификация – бул дисктин же барабандын четине тийген терс каршылыктуу неон агымы менен жабдылган плазмалык контактты колдонуу, вертикалдуу тилкелерде атайын төмөн иш функциясы бар көмүртек колдонуу. Бул суюк металлга тийбей туруп, учурдагы диапазондо, балким, миңдеген амперге чейин өтө төмөн каршылыктын артыкчылыгына ээ болмок.
Эгер магнит талаасы туруктуу магнит тарабынан түзүлсө, генератор магниттин статорго илингенине же диск менен айланганына карабастан иштейт. Электрон жана Лоренцтин күч мыйзамы ачылганга чейин бул кубулуш түшүнүксүз болгон жана Фарадейдин парадоксу катары белгилүү болгон.
Барабан түрү
Барабан тибиндеги гомополярдык генератордун магнит талаасы (V) бар, ал барабандын борборунан радиалдык нурлануучу жана анын бүт узундугу боюнча чыңалууну (V) индукциялайт. Бир уюл борборунда, экинчиси аны курчап турган "үн сүйлөгүч" тибиндеги магниттин аймагында өйдөдөн айлануучу өткөргүч барабан, анын үстүнкү бөлүгүндө өткөргүч шариктерди колдонушу мүмкүн.түзүлгөн токту кармап туруу үчүн төмөнкү бөлүктөрү.
Табигатта
Униполярдык индукторлор астрофизикада кездешет, мында өткөргүч магнит талаасы аркылуу айланат, мисалы, космостук дененин ионосферасындагы жогорку өткөргүч плазма анын магнит талаасы аркылуу өткөндө.
Униполярдык индукторлор Урандын аврорасы, кош жылдыздар, кара тешиктер, галактикалар, Юпитердин жандоочусу Io, Ай, күн шамалы, күндүн тактары жана Венеранын магниттик куйругу менен байланышкан.
Механизм өзгөчөлүктөрү
Жогоруда айтылган бардык космостук объекттер сыяктуу эле, Фарадей диски кинетикалык энергияны электр энергиясына айлантат. Бул машинаны Фарадейдин өздүк электромагниттик индукция мыйзамы менен анализдөөгө болот.
Заманбап түрдө бул мыйзам жабык чынжыр аркылуу магнит агымынын туруктуу туундусу андагы электр кыймылдаткыч күчүн индукциялап, ал өз кезегинде электр тогун дүүлүктүрөрүн айтат.
Магниттик агымды аныктаган беттик интегралды чынжырдын айланасында сызыктуу катары кайра жазууга болот. Сызык интегралынын интегралы убакыттан көз каранды болбосо да, сызык интегралынын чегине кирген Фарадей диски жылып жаткандыктан, жалпы убакыттын туундусу нөлгө барабар эмес жана электр кыймылдаткыч күчүн эсептөө үчүн туура маанини берет. Же болбосо, дискти шакекчеге туташтырган бир металл тилкеси менен анын айланасындагы өткөргүч шакекчеге чейин азайтса болот.
Лоренц күчү мыйзамынын зажигалкасымашинанын жүрүм-турумун түшүндүрүү үчүн колдонулат. Фарадейдин өлүмүнөн отуз жыл өткөндөн кийин түзүлгөн бул мыйзам электронго таасир этүүчү күч анын ылдамдыгы менен магнит агымынын векторунун кесилишине пропорционал экенин айтат.
Геометриялык терминдер менен айтканда, бул күч ылдамдыкка (азимут) да, магнит агымына да (октук), демек, радиалдык багытта түз бурчка багытталганын билдирет. Дисктеги электрондордун радиалдык кыймылы анын борбору менен алкагынын ортосунда заряддардын бөлүнүшүнө алып келет жана чынжыр бүтсө, электр тогу пайда болот.
Электр кыймылдаткыч
Униполярдуу кыймылдаткыч – бул эки магниттик уюлга ээ туруктуу ток түзүлүш, анын өткөргүчтөрү дайыма бир багыттуу магнит агымынын сызыктарын кесип өтүп, өткөргүчтү статикалык магнит талаасына туура бурчта тургандай кылып, туруктуу огтун айланасында айлантат. Натыйжада бир багытта үзгүлтүксүз болгон EMF (электр кыймылдаткыч күчү) гомополярдык кыймылдаткычка коммутаторду талап кылбайт, бирок дагы эле тайгалануучу шакекчелерди талап кылат. "Гомополярдык" аталышы өткөргүчтүн электрдик полярдуулугу жана магнит талаасынын уюлдары өзгөрбөй турганын (б.а. которуштурууну талап кылбаганын) көрсөтөт.
Бир полярдуу мотор курулган биринчи электр кыймылдаткычы болгон. Анын аракетин Майкл Фарадей 1821-жылы Лондондогу Королдук институтта көрсөткөн.
ойлоп табуу
1821-жылы даниялык физик жана химик Ганс Кристиан Эрстед ачкандан көп өтпөйэлектромагнетизм феномени, Хамфри Дэви жана британ окумуштуусу Уильям Хайд Волластон электр кыймылдаткычын иштеп чыгууга аракет кылышкан, бирок ийгиликке жеткен эмес. Фарадей, Хамфринин тамашасы катары талашып-тартышып, андан ары ал "электромагниттик айлануу" деп атаган нерсени жаратуу үчүн эки аппаратты түздү. Алардын бири, азыр гомополярдык диск катары белгилүү, үзгүлтүксүз тегерек кыймылды жараткан. Ал магнит жайгаштырылган сымап көлмөгө коюлган зымдын айланасында тегерек магниттик күчтүн натыйжасында пайда болгон. Зым химиялык батареядан иштетилсе, магниттин айланасында айланат.
Бул эксперименттер жана ойлоп табуулар заманбап электромагниттик технологиялардын негизин түзгөн. Көп өтпөй Фарадей жыйынтыктарды жарыялады. Бул Дэви менен мамилесин Фарадейдин жетишкендиктерине ичи тар болгондуктан, анын башка нерселерге бурулуусуна себеп болгон, натыйжада бир нече жылдар бою электромагниттик изилдөөлөргө катыша албай калган.
Б. Г. Ламм 1912-жылы 2000 кВт, 260 В, 7700 А жана 1200 айн/мин кубаттуулуктагы 67 м/сек перифериялык ылдамдыкта иштеген 16 жылма шакекчеси бар гомополярдык машинаны сүрөттөгөн. 1934-жылы курулган 1125 кВт, 7,5 В, 150 000А, 514 айн/мин бир полярдуу генератор түтүктөрдү ширетүү үчүн америкалык болот тегирменине орнотулган.
Ошол эле Лоренц мыйзамы
Бул кыймылдаткычтын иштеши шок бир полярдуу генератордукуна окшош. Униполярдуу мотор Лоренц күчү менен кыймылдалат. Магнит талаасында жана ага перпендикуляр болгондо, аны аркылуу ток өтүп жаткан өткөргүч күчтү сезет.магнит талаасына да, токко да перпендикуляр багыт. Бул күч айлануу огунун айланасында бурулуу моментин камсыз кылат.
Акыркысы магнит талаасына параллель болгондуктан жана карама-каршы магниттик талаалар полярдуулукту өзгөртпөгөндүктөн, өткөргүчтү айландырууну улантуу үчүн которуу талап кылынбайт. Бул жөнөкөйлүккө бир айлануу конструкциялары менен оңой жетүүгө болот, бул гомополярдык кыймылдаткычтарды көпчүлүк практикалык колдонмолорго жараксыз кылат.
Көпчүлүк электромеханикалык машиналардай эле (Негжераттын униполярдуу генератору сыяктуу) гомополярдык кыймылдаткыч тескери болот: эгерде өткөргүч механикалык түрдө бурулса, ал гомополярдык генератор катары иштеп, өткөргүчтүн эки терминалынын ортосунда туруктуу ток чыңалуусун жаратат.
Туруктуу ток конструкциянын гомополярдуу табиятынын кесепети. Гомополярдык генераторлор (HPGs) 20-кылымдын аягында төмөнкү чыңалуу, бирок өтө жогорку токтун түз агымынын булагы катары кеңири изилденип, эксперименталдык рельс мылтыктарын кубаттандырууда кандайдыр бир ийгиликтерге жетишкен.
Имарат
Униполярдуу генераторду өз колдору менен жасоо абдан жөнөкөй. Unipolar кыймылдаткычын чогултуу да абдан оңой. Туруктуу магнит өткөргүч айлана турган тышкы магнит талаасын түзүү үчүн колдонулат, ал эми батарейка өткөргүч зымды бойлото токтун агышына себеп болот.
Магниттин кыймылдашы, ал тургай кыймылдаткычтын калган бөлүгү менен байланышы да зарыл эмес; анын бир гана максаты магнит талаасын түзүү болуп саналатзымдагы ток тарабынан индукцияланган окшош талаа менен өз ара аракеттенишет. Батареяга магнитти бекитип, электр чынжырын бүтүргөндөн кийин өткөргүчтүн эркин айлануусуна мүмкүндүк берип, аккумулятордун үстүнкү бөлүгүнө да, батареянын түбүнө бекитилген магнитке да тийип коюуга болот. Үзгүлтүксүз колдонуу учурунда зым менен батарея ысып кетиши мүмкүн.
