Униполярный генератор своими руками

Модернизация диска Фарадея: Создание эффективных униполярных генераторов

Униполярный генератор, динамо машина, диск Фарадея: не важно, как вы его называете, в любом случае, униполярный генератор — это интересное устройство. В отличии от большинства других устройств того же назначения, униполярные генераторы способны вырабатывать большой ток при низком напряжении и выделять большое количество электроэнергии. Из-за таких характеристик, учёные работали над улучшением этого устройства с момента его изобретения. Вы также можете провести анализ рабочих характеристик униполярного генератора с использованием программного обеспечения COMSOL Multiphysics®.

Краткая история униполярных генераторов

Спустя 10 лет после прорыва в области электродвигателей в 1831 году Майкл Фарадей создал свой первый генератор. Первая установка (которую позже назвали униполярным генератором) была очень простой. Она состояла из медного диска, который вращался между полюсами постоянного магнита. Несмотря на то, что генератор Фарадея успешно демонстрировал принцип действия электромагнитной индукции, на практике он был слишком неэффективен из-за больших потерь и возникновения противотоков.

Схематичное изображение одного из первых униполярных генераторов, также известного, как диск Фарадея. Изображение имеется в свободном доступе в США, взято из Wikimedia Commons.

На протяжении многих лет учёные пытались улучшить производительность униполярных генераторов. Одним из самых известных примеров является разработанная Николой Теслой конструкция, в которой металлический ремень разделял параллельные диски на параллельных валах. Такая конструкция помогла уменьшить потери на трение, что значительно повысило эффективность устройства.

В 1950-е годы было обнаружено, что униполярные генераторы отлично очень полезны для импульсных силовых установок, так как они могут запасать энергию в течении длительного периода и практически мгновенно выделять её. Данное открытие возобновило интерес к генераторам, а учёные начали создавать масштабные конструкции генераторов. Один из них был создан сэром Майклом Олифантом в австралийском Национальном университете. Этот огромный генератор использовался на протяжении 20 лет и мог выдавать ток до 2 МА.

Некоторые элементы созданного сэром Олифантом униполярного генератора, который был разобран и выставлен на всеобщее обозрение. Изображение предоставлено Martyman, взято из англоязычной Википедии. Доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 из Wikimedia Commons.

Не смотря на то, что униполярные генераторы прошли долгий путь и назывались различными именами изобретателей, учёные и инженеры до сих пор продолжают работать над улучшением производительности этих устройств. Одним из подходов к такой модернизации, конечно, является численное электродинамическое моделирование…

Моделирование простого униполярного генератора с использованием модуля AC/DC пакета COMSOL Multiphysics®

Давайте рассмотрим учебный пример, в котором представлена простая 3D модель униполярного генератора. Он состоит из вращающегося диска радиусом 10 см, который помещён в однородное магнитное поле величиной 1 Тл. Медный проводник соединяет край диска с его центром, чтобы создать замкнутую цепь для протекания тока, вызванного вращением проводника в постоянном магнитном поле (Lorentz current).

Геометрия модели униполярного генератора.

Обратите внимание, что угловая скорость диска — 1200 об/мин, а протекающий через проводник ток равен примерно 45.16 кА. Для моделирования вращающегося диска можно использовать узел Lorentz term (вклад силы Лоренца) по двум причинам:

1. В диске нет магнитных источников, которые вращаются вместе с ним
2. Диск ничем не ограничен и направление его движения не изменяется

В данном случае распределение тока не изменяется при вращении диска.

Анализ результатов электродинамического расчета

После проведения стационарного расчёта можно проанализировать распределение тока в диске и проводнике. Анализируя полученные результаты для нормы плотности тока и его направления, вы можете найти способы улучшения конструкции униполярного генератора.

Норма плотности тока (слева) и направление тока (справа) в медном проводнике и в диске.

Более того, можно изучить влияние магнитного поля, например, на вращение. Ниже приведён график распределения общей и индуцированной магнитной индукции в системе.

Из векторной диаграммы можно заметить, что униполярный генератор влияет на магнитное поле вокруг (возмущает его). Скорость колеса изображена бирюзовыми стрелками на поверхности.

Резистивные потери играют ключевую роль в эффективности таких генераторов, поэтому важно их минимизировать. На графике ниже продемонстрированы расчетные потери в проводящих частях генератора, которые легко получить в результате моделирования.

Резистивные потери в диске и в проводнике.

Используя электродинамическое моделирование, инженеры могут модернизировать конструкции униполярных генераторов, улучшать их производительность путём уменьшения потерь на трение или изменения распределения магнитного поля.

Дальнейшие шаги

Чтобы скачать учебный пример, представленный в этой заметке, нажмите на кнопку ниже. Вы окажетесь в Галерее приложений, где сможете войти в свою учетную запись COMSOL Access и загрузить MPH-файл, а также ознакомиться с пошаговыми инструкциями по сборке модели.

Источник

Униполярный генератор: устройство, история создания, применение

Он также известен как униполярный генератор Фарадея. Напряжение, как правило, низкое, порядка нескольких вольт в случае небольших демонстрационных моделей, но большие исследовательские машины могут генерировать сотни вольт, а некоторые системы имеют несколько последовательных генераторов для получения еще большего напряжения. Они необычны тем, что могут генерировать электрический ток, который способен превышать миллион ампер, поскольку униполярный генератор вовсе не обязательно имеет высокое внутреннее сопротивление.

История изобретения

Первый гомополярный механизм был разработан Майклом Фарадеем во время его экспериментов в 1831 году. Его часто называют диском или колесом Фарадея в его честь. Это было начало современных динамо-машин, то есть электрических генераторов, работающих на магнитном поле. Он был очень неэффективным и не использовался в качестве практического источника энергии, но показал возможность выработки электричества с помощью магнетизма и проложил путь к коммутируемым динамо-источникам постоянного тока, а затем к генераторам переменного тока.

Недостатки первого генератора

Диск Фарадея был в первую очередь неэффективен из-за встречных потоков тока. Принцип работы униполярного генератора будет описан как раз на его примере. В то время как поток тока индуцировался непосредственно под магнитом, ток циркулировал в обратном направлении. Противоток ограничивает выходную мощность для приемных проводов и вызывает ненужный нагрев медного диска. Более поздние гомополярные генераторы могли бы решить эту проблему с помощью набора магнитов, расположенных по периметру диска, для поддержания постоянного поля по окружности и устранения областей, в которых может возникнуть противоток.

Секрет магнитного генератора Перендева. Делаем своими руками

Секрет магнитного генератора Перендева. Делаем своими руками

Всем доброго вечера, мы с отцом уже давно ломаем голову над знаменитым двигателем Perendev перепробовали много вариантов, был у нас один двигатель суть его в том чтобы на роторе разместить магниты как можно плотнее и все с одним полюсом наружу а на статоре разместить три полюса магнитов которые будут сдвинуты друг от друга (во общем то что Perendev сделал за счет трех дисков): https://www.fdp.nu/perendev/thomas.asp https://www.fdp.nu/perendev/simreplication.asp Вот статья неплохая по поводу принципа роботы двигателя Perendev которая дает ответы на многие вопросы. При внимательном изучении патента перендева (ссылка на патент находится на российский странице, вход с немецкого сайта) обнаружился рисунок собственно «единичного элемента», то-бишь экранированного магнита. Судя по чертежу, цилиндрический магнит находится внутри не просто толстостенного железного цилиндра, а внутри цилиндра, на торце которого добавлено кольцо металла. Таким образом края магнита, (с максимальными магнитными потоками) спрятаны в железо. Для взаимодействия оставлена только площадка в . Видимо, для проверки принципа достаточно промоделировать несколько вариантов единичного элемента — учесть геометрию цилиндра, изображенного в патенте, и изготовить его из нержавейки (как утверждает автор) и из обычного магнитомягкого железа. Скорее всего, сам магнит должен удерживаться внутри цилиндра неким кольцом из изолятора, чтобы не соприкасался с железом, иначе пойдет намагничивание цилиндра со всеми последствиями. Что касается графита, согласно утверждению автора, то я сомневаюсь, чтобы сочетание нержавейки с графитом в любых геометрических положениях смогло хотя бы частично экранировать магнит. Однако, можно попробовать проверить и это. Я проверил с обычным цилиндром из нержавейки с таблеткой внутри, экранирования нету. ——————————— В интервью Брэди нашел фразу, что все магниты срезаны на конус, изолированы прослойкой и вставлены в экранирующие цилиндры. ….. Основная идея в следующем: Поясню без рисунка. На пальцах. Возьмем отрезок времени 5 секунд, (для простоты). на цилиндрическом роторе находится скажем 9 или 11 магнитов. а на статоре соответственно 8 или 10. в первую секунду 1й магнит ротора находится в мертвой точке. На него действует максимальная сила противодействия движению =х. В эту-же секунду магнит 2 уже прошел свою мертвую точку,и тянет с некоторым плюсовым усилием . соответственно №3 тоже находится после мертвой точки, и тоже в плюсе. и так до №9. во вторую секунду в мертвую точку входит №2, а все остальные в эту же вторую секунду (или любую другую минимальную единицу времени) тянут с положительным усилием, компенсируя мертвую точку. Смысл в том, что при разном количестве магнитов в статоре и роторе, их расположение должно быть таким, чтобы в ЛЮБОЙ момент времени в МТ находился ТОЛЬКО ОДИН магнит, а все остальные, количество которых не может быть меньше какого-то определенного чмсла, должны своим суммарным тяговым усилием компенсировать прохождение этой единичной мертвой точки. Количество магнитов нужно подсчитывать в каждом конкретном случае отдельно. Несомненно одно, построить модель на 3-5 магнитах не получится по определению. Количество роторных должно быть таким, чтобы сумма находящихся в разном положении магнитов ротора относительно статора была БОЛЬШЕ усилия мертвой точки для единичного магнита, или, если угодно, пары ротор-статор, зависших в МТ. Нужно просто понять этот принцип. Три кольца прототипа у Perendev создаст только повышенную мощность, для раскрутки генератора в 20 квт (видео). Но каждое отдельно взятое кольцо, вернее- пара, ротор-статор имеют как раз такой расклад сил. Безусловно, нужно очень точно позиционировать магниты на кольце, чтобы соблюсти это условие. а добавки Perendev в виде изолирующих железных цилиндров просто убирают паразинтые влияния магнитов друг на друга, оставляя в голом виде этот самый принцим, поскольку при подходе к МТ , имея экран, магнит ротора взаимодействует только со своим статорным магнитом, не чувствуя паразитных полей соседних магнитов статора и ротора. Т.е принцип в чистом виде. Совершенно понятно, что такие конструкции возможны только в цилиндрических формах, однако проверить правильность этого моего утверждения можно и на линейной модели. Для этого расстояния между магнитами ротора на линейке должны быть больше на какую-то величину, чем расстояние между магнитами статора на другой линейке. Но ни в коем случае НЕ равными. Для примера можно разместить на линейном статоре 30 магнитов с интервалом 10 мм, а на роторной линейке штук 9-11 с интервалом в 11 мм.

Вот наша модель магнитного двигателя:

Принцип двигателя был основан на статье которую я опубликовал выше, но модель так и не заработала. Вот еще одна модель магнитного двигателя на тему Perendev которая не работает. https://quanthomme.free.fr/qhsuite/2007News/PrototypePerendev.htm Анализируя статьи в интернете по поводу двигателя Perendev я сделал для себя не мало важные как на мой взгляд заключения, первое то что когда использовать магниты на статоре с диаметральной намагниченностью а на роторе с поперечной (может и из за этого очень трудно найти магниты в продаже с диаметральной намагниченностью), то тогда экраны для магнитов не нужны, разве что могут быть использованы на роторе для того что бы каждый магнит работал отдельно как один магнит а не сливался со всеми магнитами на роторе в один большой магнит. Соответственно модель должна производится на трех роторах и трех статорах которые сдвинуты друг от друга на некоторый угол (он высчитывается при настройке двигателя), да вот еще не мало важный фактор (почему то все на него не обращают внимание) то что расстояние между магнитами на роторе должно быть равно радиусу магнита на роторе. Что касается угла наклона магнитов то я считаю что их можно поставить даже в лоб, ели модель рабочая то двигатель закрутится, угол нам дает мощность двигателя, судя по моделям которые делают ребята в нете то он варьируется от 31-24 градуса, на данный момент работа ведется над моделью этого вариант магнитного двигателя. Вот верный, на мой взгляд вариант рабочего двигателя Perendev:

Я поделился своим опытом в разработке двигателя Perendev и хотел бы послушать мнения людей их варианты и результаты которые было достигнуты в разработках магнитных двигателей, заранее благодарен.

Скачать фото чертежей от Перендева:

Источник