无环发电机、单极发电机、圆盘发电机、法拉第轮，不管你怎么称呼，单极发电机都是一个有趣的设备。与大多数发电机不同，单极发电机以低电压产生高电流，并能储存和释放大量电能。因此，自单极发电机发明以来，科学家们一直在努力改进这种设备。为了优化单极发电机设计，我们可以使用 COMSOL Multiphysics®软件评估单极发电机设计性能。
单极发电机的历史
在电动机技术取得突破的 10 年后，迈克尔·法拉第在 1831 年发明了第一台发电机。该设备的设置(后来称为单极发电机)很简单，由一个在永磁体两极之间旋转的铜圆盘组成。虽然法拉第的发电机成功地演示了电磁感应，但它的效率太低，不实用，因为电流往往会反向循环并产生逆流。
早期单极发电机设计草图，也称为法拉第盘。图像在美国公共领域，通过Wikimedia Commons共享。
多年来，其他科学家试图改善单极发电机的性能。一个著名的例子是尼古拉·特斯拉发明的一种设计，他用金属带将平行的圆盘和平行的轴分开。这种安排有助于减少摩擦损失，是提高效率的一个重要因素。
20 世纪 50 年代，人们发现单极发电机特别适合脉冲功率应用，因为它可以长时间储存能量并以脉冲形式释放能量。这一发现引发了人们对这种发电机的新兴趣，科学家们创造了出了大型单极发电机，例如 Mark Oliphant 爵士就为澳大利亚国立大学建立了一个这样的设备。这种超大型发电机可以提供高达 2MA 的电流，已经使用了 20 多年。
由 Oliphant 爵士创造的单极发电机的零件，已经拆卸并展出。图片由 Martyman 在英语维基百科中提供。通过Wikimedia Commons在CC BY-SA 3.0 Unported下获得许可。
虽然自法拉第时代以来，单极发电机已经取得了长足的进步，并被命名过许多名字，但研究人员和工程师仍在努力提高它们的性能。为了研究潜在的设计，一种方法是电磁仿真……
使用 COMSOL Multiphysics®和 AC/DC 模块模拟简单的单极发电机
这个例子模拟了一个简单的 3D 单极发电机，它由一个半径为 10 厘米的旋转圆盘组成，该圆盘放置在 1T 的均匀磁场中。导体将圆盘的边缘连接到中心，穿过磁场并在圆盘中产生洛伦兹电流。
单极发电机模型的几何形状。
请注意，圆盘的角速度是 1200r/min，并且约有 45.16kA 的电流流过导体。
为了模拟圆盘的旋转，可以使用洛伦兹项，原因有两个:
- 圆盘没有随其移动的磁源
- 圆盘是无界的，它的运动方向不会改变
在这里，电流分布保持不变，不跟随光盘的旋转而改变。
查看电磁仿真结果
使用稳态解算器后，可以检查流经圆盘和导体的电流。通过查看电流密度模和电流方向，我们可以找到改善单极发电机设计中电流的方法。
导体和圆盘中的电流密度模(左)和电流方向(右)。
此外，我们还可以检查磁场对设计的影响，例如它如何影响旋转。举个例子，我们可以看到下面的总磁通密度和感应磁通密度。
单极发电机在磁通密度场（B场）中引起扰动，如发电机周围体积中的箭头所示。车轮速度在表面上用箭头和颜色显示。
由于电阻损耗对这些发电机的效率起着关键作用，因此尽可能减少它们非常重要。如下图所示，仿真提供了一种确定发电机设计导电部分损耗的方法。
圆盘和导体中的电阻损耗。
通过电磁建模，工程师可以改进单极发电机的设计，通过减少摩擦损失或改变磁场来提高其性能。
下一步
要开始创建单极发电机模型，请单击下面的按钮进入COMSOL 案例库。登录你的 COMSOL Access 帐户，然后下载文中示例的 MPH 文件和教程文档。
拓展阅读
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