Однополярный электродвигатель постоянного тока: принцип работы, история создания (Фарадей, 1821). Простота конструкции, отсутствие коллектора, скользящие контакты.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Электродвигатель постоянного тока
Direct current electric motor
Гомополярный двигатель — это электродвигатель постоянного тока с двумя магнитными полюсами, проводники которого всегда пересекают однонаправленные линии магнитного потока, вращая проводник вокруг неподвижной оси таким образом, чтобы проводник был перпендикулярен статическому магнитному полю. Поскольку результирующая сила непрерывно направлена в одном направлении, гомополярному двигателю не требуется коллектор, но при этом необходимы контактные кольца. Название «гомополярный» указывает на то, что электрическая полярность проводника и полюсов магнитного поля не изменяется (то есть, двигателю не нужна коммутация).
A homopolar motor is a direct current electric motor with two magnetic poles, the conductors of which always cut unidirectional lines of magnetic flux by rotating a conductor around a fixed axis so that the conductor is at right angles to a static magnetic field. The resulting force being continuous in one direction, the homopolar motor needs no commutator but still requires slip rings. The name homopolar indicates that the electrical polarity of the conductor and the magnetic field poles do not change (i. e., that it does not require commutation).
История
Гомополярный двигатель был первым построенным электрическим двигателем. Его работа была продемонстрирована Майклом Фарадеем в 1821 году в Королевском институте в Лондоне. В 1821 году, вскоре после того как датский физик и химик Ханс Кристиан Эрстед открыл явление электромагнетизма, Хамфри Дэви и британский ученый Уильям Хайд Волластон попытались, но не смогли разработать электродвигатель. Фарадей, принявший вызов Дэви как шутку, построил два устройства для получения того, что он назвал «электромагнитным вращением». Один из них, ныне известный как гомополярный двигатель, вызывал непрерывное круговое движение, обусловленное круговой магнитной силой вокруг провода, погруженного в ртутную ванну, в которой находился магнит. Провод вращался вокруг магнита при подаче на него тока от химической батареи. Эти эксперименты и изобретения заложили основу современной электромагнитной техники. В своем восторге Фарадей опубликовал результаты, что осложнило его отношения с Дэви из-за ревности наставника к достижениям Фарадея и стало причиной назначения Фарадея на другие виды деятельности, что в итоге на несколько лет препятствовало его участию в электромагнитных исследованиях. В 1913 году Б. Г. Ламме описал гомополярную машину мощностью 2000 кВт, напряжением 260 В, током 7700 А и частотой вращения 1200 об/мин, оснащенную 16 скользящими кольцами и работающую с периферийной скоростью 67 м/с. В 1934 году на сталелитейном заводе в США был установлен однополярный генератор мощностью 1125 кВт, напряжением 7,5 В, током 150 000 А и частотой вращения 514 об/мин, предназначенный для сварки труб.
The homopolar motor was the first electrical motor to be built. Its operation was demonstrated by Michael Faraday in 1821 at the Royal Institution in London. In 1821, soon after the Danish physicist and chemist Hans Christian Ørsted discovered the phenomenon of electromagnetism, Humphry Davy and British scientist William Hyde Wollaston tried, but failed, to design an electric motor. Faraday, having been challenged by Davy as a joke, went on to build two devices to produce what he called "electromagnetic rotation". One of these, now known as the homopolar motor, caused a continuous circular motion that was engendered by the circular magnetic force around a wire that extended into a pool of mercury wherein was placed a magnet. The wire would then rotate around the magnet if supplied with current from a chemical battery. These experiments and inventions formed the foundation of modern electromagnetic technology. In his excitement, Faraday published results. This strained his mentor relationship with Davy, due to his mentor's jealousy of Faraday's achievement, and is the reason for Faraday’s assignment to other activities, which consequently prevented his involvement in electromagnetic research for several years. B. G. Lamme described in 1913 a homopolar machine rated 2,000 kW, 260 V, 7,700 A and 1,200 rpm with 16 slip rings operating at a peripheral velocity of 67 m/s. A unipolar generator rated 1,125 kW, 7.5 V 150,000 A, 514 rpm built in 1934 was installed in a U. S. steel mill for pipe welding purposes.
Принцип действия
Гомополярный двигатель приводится в действие силой Лоренца. Проводник, по которому протекает ток, при помещении в магнитное поле, перпендикулярное направлению тока, испытывает силу, перпендикулярную как магнитному полю, так и току. Эта сила создает крутящий момент вокруг оси вращения. Поскольку ось вращения параллельна магнитному полю, а магнитные поля не меняют свою полярность, для непрерывного вращения проводника не требуется коммутация. Эта простота наиболее легко реализуется в конструкциях с одним витком, что делает гомополярные двигатели непригодными для большинства практических применений. Как и большинство электромеханических машин, гомополярный двигатель является реверсивным: если проводник вращать механически, он будет работать как гомополярный генератор, вырабатывая напряжение постоянного тока между двумя его выводами. Вырабатываемый постоянный ток является следствием гомополярной природы конструкции. Гомополярные генераторы (ГПГ) интенсивно исследовались в конце 20-го века в качестве источников питания постоянного тока низкого напряжения, но очень высокого тока, и добились определенного успеха в питании экспериментальных рельсотронов.
The homopolar motor is driven by the Lorentz force. A conductor with a current flowing through it when placed in a magnetic field which is perpendicular to the current feels a force in the direction perpendicular to both the magnetic field and the current. This force provides a torque around the axis of rotation. Because the axis of rotation is parallel to the magnetic field, and the opposing magnetic fields do not change polarity, no commutation is required for the conductor to keep turning. This simplicity is most readily achieved with single turn designs, which makes homopolar motors unsuitable for most practical applications. Like most electro mechanical machines, a homopolar motor is reversible: if the conductor is turned mechanically, then it will operate as a homopolar generator, producing a direct current voltage between the two terminals of the conductor. The direct current produced is an effect of the homopolar nature of the design. Homopolar generators (HPGs) were extensively researched in the late 20th century as low voltage but very high current DC power supplies and have achieved some success powering experimental railguns.
Создание простого гомополярного двигателя
Гомополярный двигатель очень легко собрать. Постоянный магнит используется для создания внешнего магнитного поля, в котором вращается проводник, а батарея обеспечивает протекание тока по проводящему проводу. Магниту не требуется двигаться или даже соприкасаться с остальными частями двигателя; его единственная задача – создать магнитное поле, которое будет взаимодействовать с магнитным полем, наведенным током в проводе. Можно закрепить магнит на батарее и позволить проводящему проводу свободно вращаться, замыкая электрическую цепь, касаясь одновременно верхней части батареи и магнита, прикрепленного к ее нижней части. При длительной работе провод и батарея могут нагреваться.
A homopolar motor is very easy to build. A permanent magnet is used to provide the external magnetic field in which the conductor will turn, and a battery causes a current to flow along a conducting wire. It is not necessary for the magnet to move, or even to be in contact with the rest of the motor; its sole purpose is to provide a magnetic field that will interact with the magnetic field induced by the current in the wire. One can attach the magnet to the battery and allow the conducting wire to rotate freely while closing the electric circuit by touching both the top of the battery and the magnet attached to the bottom of the battery. The wire and the battery may become hot if operated continuously.