УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
APPARATUS FOR INVESTIGATING ROTARY MOVEMENT OF MAGNETIC FIELD

Изобретение относится к области физики магнетизма и предназначено для ответа на вопрос, какая из гипотез, объясняющих вращение магнитного поля в системе «вращающийся намагниченный ротор - неподвижный статор», оказывается справедливой в случае, когда между намагниченным ротором и статором, магнитные полюсы которых представляют взаимно концентрические отрезки цилиндров, образуется радиально-симметричное квазиоднородное магнитное поле.
Известна указанная конфигурация магнитного поля в электромагнитных акустических динамиках, в которых звуковая катушка, закрепленная с диффузором динамика, размещена в тороидальном магнитном зазоре постоянного магнита. Витки звуковой катушки оказываются перпендикулярными векторам магнитной индукции, поэтому переменный ток звуковой частоты, протекающий в звуковой катушке, приводит ее в колебательное движение по правилу «левой руки» под действием возникающих сил Лоренца.
В известных коллекторных двигателях постоянного тока в неподвижном магнитном поле двухполюсного статора находится наложенная на роторе многополюсная обмотка, связанная с коллектором, осуществляющим переключение источника постоянного тока к последовательности обмоток ротора так, чтобы подключенная к источнику секция обмотки была почти ортогональна вектору магнитной индукции, создаваемой статором - его постоянным магнитом или электромагнитом. В этом случае магнитное поле статора является неподвижным.
Также известны так называемые вентильные двигатели постоянного тока, ротор который представляет прямой двухполюсный постоянный магнит, а статор содержит многополюсную обмотку, секции которой последовательно по ходу вращения ротора-магнита подключаются к источнику постоянного тока с помощью переключающей транзисторной схемы с заданной тактовой частотой f=F n, где F - частота вращения ротора (об/с), n - число пар полюсов в статорной обмотке. При этом возникает в статоре скачкообразно вращающееся магнитное поле, за которым тянется ротор, поворачиваясь синхронно с вращающимся магнитным полем.
Использование коллекторных двигателей (генераторов) постоянного тока приводит к износу коллектора и щеток-токосъемников, что снижает надежность таких двигателей. Кроме того, переключение тока в многосекционных обмотках ротора вызывает переходные процессы, что снижает быстродействие таких двигателей.
При работе вентильных двигателей постоянного тока невозможно получить высокие пусковые моменты (как это имеет место в коллекторных двигателях постоянного тока), а сама работа эквивалентна синхронным двигателям переменного тока, частота вращения ротора которых не может изменяться при изменении момента присоединенной нагрузки, как это характерно для коллекторных двигателей постоянного тока. В вентильных двигателях также возникают переходные процессы, снижающие быстродействие работы таких двигателей.
Указанные недостатки известных коллекторных или вентильных двигателей постоянного тока устраняются в многовитковых униполярных машинах постоянного тока без скользящих контактов. В них используется цилиндрический намагниченный ротор и концентрически расположенный к ротору цилиндрический статор, обмотка подмагничивания ротора и рабочая обмотка, выполненная тороидально на статоре, часть каждого из витков которой размещается в тороидальном магнитном зазоре между ротором и статором и ортогонально расположена к векторам магнитной индукции. При протекании тока I в рабочей обмотке к каждой такой части витков действует сила Лоренца, пропорциональная произведению вектора магнитной индукции В в тороидальном магнитном зазоре, длины L проводника указанной части витка рабочей обмотки и протекающего тока I. Эта сила по третьему закону Ньютона вызывает равную и противоположно направленную силу противодействия, составляющие которой прикладываются к магнитным полюсам - к ротору и статору. Составляющая силы противодействия, приложенная к статору, работы не производит, а приложенная к ротору составляющая силы противодействия по касательной к роторному цилиндру-полюсу вызывает вращательный момент. Поскольку эти вращательные моменты складываются от действия каждого из витков рабочей обмотки, число которых равно N, результирующий вращательный момент, приложенный к ротору, вычисляется как М=k В L N I, где 0<k<1 - коэффициент, определяемый разложением силы противодействия на составляющие, определяемый расположением указанной выше части витка рабочей обмотки между ротором и статором. Так, если этот проводник витка расположен посередине между ротором и статором, то k=0,5. Если проводник расположить ближе к ротору и дальше от статора, то k>0,5. Такие многовитковые униполярные машины не имеют ни коллекторов, ни каких-либо скользящих контактов, чем выгодно отличаются от известных коллекторных или вентильных двигателей постоянного тока [1, 2]. Ток в рабочей обмотке является постоянным, что повышает быстродействие работы таких двигателей (из-за отсутствия переходных процессов). Пусковые моменты в них являются весьма высокими.
POT
POT
M
M
Многовитковая униполярная машина рассмотренного типа может работать и как генератор постоянного тока (не пульсирующего, как в коллекторных генераторах постоянного тока!). Возникающая в рабочей обмотке э.д.с. индукции Е=В L N v, где v=рωR - линейная скорость движения вращающегося магнитного поля в тороидальном магнитном зазоре относительно неподвижных частей проводников рабочей обмотки, где ω - угловая скорость вращения ротора радиуса R, а безразмерный коэффициент р определяет угловую скорость ω вращения магнитного поля ω=рω, где р≈0,5 - согласно одной гипотезе или 0<р<1 - согласно другой гипотезе о физической сущности вращения магнитного поля в тороидальном магнитном зазоре при вращающемся намагниченном роторе и неподвижном статоре.
POT
Рассмотрим первую из гипотез. Как известно, ферромагнетики состоят из магнитных доменов, каждый из которых представляет собой прямой микромагнитик с собственным магнитным моментом. При взаимодействии двух магнитных полюсов разной полярности (N и S) магнитные силовые линии, «вмороженные» в поверхностные домены ферромагнетика одного полюса стремятся по кратчайшему пути через магнитный зазор соединиться с поверхностными доменами ферромагнетика другого полюса. При этом вращение (или сдвиг) одного полюса относительно другого неподвижного полюса приводит сначала к некоторому искривлению и вытягиванию связанных попарно доменов этих магнитных полюсов, а затем к вынужденному разрыву этих связей и перебросу магнитных силовых линий на ближайшие к ним домены другого магнитного полюса. Поскольку вероятность таких срывов можно считать приблизительно одинаковой, то в рассматриваемой системе «ротор-статор» коэффициент р≈0,5 в силу малости магнитного зазора h между концентрическими ротором и статором по сравнению с радиусом ротора R>>h, и угловая скорость вращения магнитного поля в тороидальном магнитном зазоре приблизительно равна половине угловой скорости вращения намагниченного ротора.
POT
M
Это приводит к тому, что э.д.с. Е в два раза меньше той его величины, которая была бы при вращении магнитного поля со скоростью вращения ротора или, что то же в силу принципа относительности движения, вращения проводника в тороидальном радиально-симметричном и неподвижном магнитном поле с угловой скоростью ω (то есть при р≈0,5). Это выгодно потому, что мощность при работе двигателя Р=ωМ=Е I ≈ k I В L N ω R, так как kω/ω≈1.
M
Согласно второй гипотезе магнитное поле можно представить в виде квантованной среды с виртуальными свойствами вязкой жидкости. Известно, что поток жидкости в трубе имеет распределение скоростей - в центре трубы поток имеет наибольшую скорость, а на стенках трубы жидкость вообще не перемещается, как бы прилипая к стенкам трубы. Если магнитное поле обладает аналогичными свойствами, то скорость вращения магнитного поля в тороидальном зазоре между магнитными полюсами, один из которых - ротор - вращается с угловой скоростью ω, а другой - статор - остается неподвижным, то в поперечном сечении магнитного зазора шириной h угловая скорость соответствующих дифференциальных слоев магнитного поля распределена по линейному закону ω(х)=ω(1-х/h), где координата х отсчитывается от поверхности ротора в радиальном направлении к статору и лежит в диапазоне 0≤х≤h.
M
По любой из указанных гипотез расположение проводника с током посередине магнитного зазора между ротором и статором приводит к выражению ω≈ω/2.
Проверка одной из этих гипотез является задачей (целью) заявляемого технического решения, позволяющего выявить физическую структуру и поведение магнитного поля.
Данная цель достигается в устройстве для исследования вращательного движения магнитного поля, содержащем ротор и статор, а также обмотку подмагничивания ротора, отличающемся тем, что ротор и статор выполнены в виде отрезков концентрически расположенных цилиндров из ферромагнетика, обмотка подмагничивания ротора, подключенная к регулируемому источнику постоянного тока, закреплена на статоре бесконтактно к расположенной в ней части магнитопровода ротора, в тороидальном магнитном зазоре размещена часть рабочей обмотки в виде рамки из проводника, механически связанной с управляемым приводом перемещения этой части рамки внутри магнитного зазора с измерением величины перемещения, выводы рамки подключены к входу усилителя постоянного тока, замыкание магнитной цепи «ротор-статор» осуществлено с помощью цилиндрического элемента ротора на его противоположном конце относительно обмотки подмагничивания ротора, близко расположенного к трубчатому магнитопроводу статора, являющемуся корпусом устройства, в котором через подшипниковую пару закреплена ось вращения ротора, механически связанная с синхронным двигателем, на электрические входы которого подано переменное напряжение от перестраиваемого по частоте генератора переменного тока, например трехфазного, причем информационные выходы измерителя перемещения рамки, регулируемого источника постоянного тока и перестраиваемого по частоте генератора переменного тока, а также выход усилителя постоянного тока подключены к входам устройства обработки и отображения информации, например персонального компьютера.
Достижение поставленной цели объясняется возможностью измерения э.д.с. индукции в рамке из проводника, совмещаемой с различными слоями вращающегося магнитного поля в сечении тороидального магнитного зазора при разных измеряемых угловых скоростях вращения ротора и регулируемого тока подмагничивания ротора. Это позволяет выявить действие той или иной гипотезы о природе вращения магнитного поля, когда вращается намагниченный ротор относительно неподвижного статора, являющихся полюсами магнитной системы из двух концентрически расположенных с некоторым зазором цилиндрических ферромагнетиков.
Устройство понятно из рассмотрения представленных рисунков.
На рис. 1 показан центральный разрез измерительного устройства и его связи с остальными элементами и блоками устройства:
1 - намагниченный ротор,
2 - ось вращения ротора,
3 - статор, концентрически расположенный относительно цилиндрического ротора,
4 - обмотка подмагничивания ротора, закреплена в теле статора бесконтактно к ротору,
5 - регулируемый источник постоянного тока I,
6 - рамка из тонкого проводника с N витками с длиной L рабочей части каждого витка,
7 - усилитель постоянного тока с малым дрейфом (операционный усилитель),
8 - регулируемый привод перемещения рамки 6 внутри магнитного зазора шириной h,
9 - блок управления приводом перемещения рамки с измерителем перемещения, 10 - синхронный двигатель переменного тока, механически связанный с осью вращения 2,
11 - регулируемый по частоте гаренатор переменного тока, например трехфазный,
12 - устройство обработки и отображения информации, например персональный компьютер.
Магнитный поток указан в зазорах пунктирными стрелками, а в теле ротора фигурной стрелкой между магнитными полюсами S и N.
На рис. 2 показан вид сверху на разрез по А (рис.1) концентрически расположенных ротора и статора, а на рис. 3 дан график распределения угловой скорости вращения магнитного поля в различных слоях в сечении магнитного зазора по координате х, совмещенной с одним из радиусов системы «ротор-статор».
Рассмотрим действие заявляемого устройства.
M
M
При вращении намагниченного обмоткой подмагничивания 4 с током I ротора 1 в тороидальном магнитном зазоре шириной h между ротором и статором 3 возникает радиально симметричное квазиоднородное магнитное поле с индукцией В. Это поле увлекается ротором в направлении его вращения со скоростью, либо приблизительно равной половине скорости вращения ротора ω≈0,5ω, либо с переменной угловой скоростью ω=рω, где р=1 - х/h.
M
POT
M
POT
M
В рамке из N тонких проводников длиной L каждый в магнитном поле с индукцией В, движущейся с линейной скоростью v(x)=ω(х)(R+х), индуцируется э.д.с. величиной Е, равной Е=В L N ω(х) (R+х), значение которой усиливается в усилителе постоянного тока 7 и анализируется в устройстве 12 при вариации смещения х рамки 6 внутри магнитного зазора. Если значение э.д.с. практически мало изменяется при смещениях рамки 6 приводом перемещения 8, то можно говорить с правомерности применения первой из гипотез, при которой имеем ω≈0,5 ω. Если э.д.с. линейно уменьшается в функции координаты х при отсчете от поверхности ротора 1, то справедливой является гипотеза о представлении вращающегося магнитного поля в виде квантованной среды со свойствами виртуальной вязкой жидкости.
2
2
POT
Точность анализа повышается при выполнении рабочей части рамки в виде цилиндра из тонких проводников (ПЭВ-2 диаметром 0,05 мм) с диаметром порядка 0,5 мм. При этом сечение такого цилиндра имеет величину около 0.2 мм. При сечении проводника рамки 0,002 мм число витков N=100. Если L=15 мм=0,015 м, а магнитная индукция В=0,1 Тл, то при скорости v(x)=1 м/с получим э.д.с. индукции Е=0,1*0,015*100*1=0,15 В. Величина магнитного зазора при этом должна быть приблизительно на порядок больше диаметра рабочей части рамки 6, то есть h=5 мм. Число витков обмотки подмагничивания 4 и ток подмагничивания I легко задать для получения магнитной индукции в рабочем тороидальном зазоре величиной В=0,1 Тл. Для снижения магнитных потерь противоположный полюс ротора выполняется в виде отрезка цилиндра, максимально близко расположенного к трубке магнитопровода статора (зазор около 0,5 мм). Если радиус ротора R=25 мм, то при линейной скорости движения магнитного поля v(x)=1 м/с относительно рамки 6 с тонким проводником, расположенной посередине магнитного зазора между ротором и статором, угловая скорость вращения ротора ω должна быть выбрана равной ω=2*1000 мм/с /25 мм=80 рад/с = 12,74 об/с = 764 об/мин. Синхронный двигатель 10 с понижающим редуктором в отношении 5:1 при этом подключен к трехфазному генератору переменного тока 11 с регулируемой частотой в диапазоне 50…70 Гц. Можно использовать также стандартную трехфазную сеть 50 Гц (то есть без регулировки частоты).
Каждая из выдвинутых гипотез позволят понять, какие физические процессы определяют структуру и взаимодействие магнитного поля с магнитными полюсами, один из которых перемещается (вращается) относительно другого неподвижного полюса. В частности, в таких процессах проявляется эффект магнитного трения.
Литература
1. Меньших О.Ф. Бесколлекторный двигатель постоянного тока. Патент РФ № 2391761, опубл. в бюлл. № 16 от 10.06.2010.
2. Меньших О.Ф. Прибор для измерения спектра сигнала индукции в магнитно-связанной системе. Патент РФ № 2467464, опубл. в бюлл. № 32 от 20.11.2012.