УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ПРИ ВЗАИМНОМ ПЕРЕМЕЩЕНИИ МАГНИТНЫХ ПОЛЮСОВ
APPARATUS FOR INVESTIGATING ROTARY MOVEMENT OF MAGNETIC FIELD DURING MUTUAL DISPLACEMENT OF MAGNETIC POLES

Изобретение относится к физике вращения магнитного поля, создаваемого между двумя намагниченными и соосно установленными ферромагнитными тороидами, полюсы которых на их плоских гранях, обращенных друг к другу, являются разноименными и независимо вращаются относительно друг друга.
Доменная структура ферромагнитных материалов была обнаружена в опытах Г.Г. Баркгаузена (Н.G. Barkhausen, 1919). При медленном намагничивании ферромагнитного образца в измерительной катушке, надетой на образец, он обнаружил в цепи катушки импульсы тока, обусловленные скачкообразным изменением намагниченности М образца. Когда граница домена, смещаясь при увеличении магнитного поля Н, встречает препятствие (например, инородное включение), она останавливается и остается неподвижной при дальнейшем увеличении поля. При некотором возросшем значении поля граница преодолевает препятствие и скачком перемещается дальше, до очередного препятствия, уже без увеличения поля. Из-за подобных задержек кривая намагничивания ферромагнетика имеет ступенчатый характер. Это доказало доменную структуру ферромагнетиков [1].
3
Магнитные силовые линии намагниченных ферромагнетиков, относящихся к магнитотвердым материалам (SmCo, NdFeB и др.), можно рассматривать как бы «вмороженными» в эти домены, которые образуют внутри ферромагнетиков так называемые доменные цепи, а снаружи магнитные силовые линии - внешнее магнитное поле - располагаются в пространстве в зависимости от содержания среды и расположения магнитных полюсов относительно друг  друга, исходят от поверхностных доменов одного полюса (северного N) и замыкаются на поверхностных доменах другого полюса (южного S). Если перемещается постоянный магнит как целое, также перемещается и вся конфигурация магнитных силовых линий (школьный опыт по физике с магнитом и железными опилками). В вентильных электродвигателях постоянного тока возникает вращающееся магнитное поле при последовательной транзисторной коммутации пар магнитных полюсов статора к источнику постоянного тока и за угловым перемещением этого магнитного поля увлекается ротор, выполненный в виде прямого постоянного магнита. При этом магнитные силовые линии между намагниченным ротором и соответствующей намагниченной парой магнитных полюсов статора являются «вмороженными» в эти полюсы, что и определяет возникновение вращательного момента, действующего на ротор. Аналогичная картина имеет место и в работе коллекторных двигателей постоянного тока, а также в асинхронных и синхронных двигателях переменного тока, а также в шаговых двигателях.
Один из эффектов, характерных для жидких и газообразных сред, обладающих высокой проводимостью и движущихся поперек магнитного поля (например, для жидких металлов и плазмы), когда частицы среды жестко связаны друг с другом; можно сказать, что магнитные силовые линии как бы «вморожены» в среду, перемещаясь с ней [2, 3].
Эффект «вмороженности» магнитных силовых линий в пары поверхностных доменов магнитных полюсов разной полярности рассмотрен в работах автора [4, 5] при реализации бесколлекторных двигателей постоянного тока (униполярных машин без скользящих контактов) и исследовании спектров электрических сигналов, регистрируемых в катушках индуктивности, магнитно-связанных с магнитопроводом, включающим постоянный магнит, один из магнитных полюсов которого в такой магнитной цепи перемещается или вращается относительно другого, неподвижного, полюса. При этом, кроме регистрации спектра сигналов, обусловленного срывами магнитных силовых линий с одного домена на другой, проявляется эффект магнитного трения, обусловленного стремлением магнитных силовых линий, «вмороженных» в соответствующие пары поверхностных доменов, сократить свою длину, препятствуя перемещению одного полюса магнита относительно другого (без изменения расстояния между полюсами!).
Представляет практический и теоретический интерес рассмотрение движения магнитного поля, образованного постоянными магнитами, при их взаимном перемещении относительно друг друга без изменения расстояния между взаимодействующими магнитными полюсами, в частности при вращении одного магнитного полюса относительно другого. Исследование движения вращающегося магнитного поля в различных сечениях пространства между магнитными полюсами, параллельных этим полюсам (также взаимно параллельным) постоянного магнита (электромагнита), позволит построить модель магнитного поля и разработать новые типы многовитковых униполярных машин без скользящих контактов. Решение этой задачи является целью заявляемого устройства.
Указанная цель достигается в устройстве для исследования вращательного движения магнитного поля, состоящем из пары намагниченных ферромагнитных тороидов с магнитными полюсами на их плоских гранях, ориентированных соосно друг к другу с разноименными магнитными полюсами, которые механически связаны с двумя синхронными реверсируемыми двигателями, подключенными соответственно к двум перестраиваемым по частоте генераторам переменного тока, а также из одной или нескольких прямоугольных рамок из тонкого проводника, одной стороной которых они помещены в магнитный зазор между разноименными полюсами намагниченных ферромагнитных тороидов, при этом проводники этой стороны ортогональны вектору магнитной индукции в магнитном зазоре, а также к вектору угловой скорости вращения этих тороидов, выводы одной или нескольких прямоугольных рамок включены последовательно к регистрирующему возникающую э.д.с. в этих частях проводников рамок измерительному прибору.
М
MIN
MAX
М
Возникновение э.д.с. в указанных сторонах рамок, размещенных в магнитном зазоре между вращающимися намагниченными тороидами ортогонально как вектору магнитной индукции, так и вектору линейной скорости вращения в месте установки такой стороны из совокупности проводников, объясняется законом об электромагнитной индукции М. Фарадея согласно формуле Е=В L N ω R (В), где В - магнитная индукция в магнитном зазоре (Тл), L - ширина намагниченных тороидов или, что то же, длина стороны рамки, помещенной в магнитном зазоре (м), N - число витков в одной или нескольких последовательно соединенных рамках, R - средний радиус намагниченных тороидов R=(R+R)/2 (м), ω - угловая скорость вращения магнитного поля в месте расположения указанной стороны рамки - исследуемый параметр (рад/с). Э.д.с. возникает в проводниках рамки только в случае вращающегося магнитного поля в месте установки измерительной части (стороны) неподвижной рамки. На основе принципа относительности не имеет значения для возбуждения э.д.с. в проводнике движется ли проводник в неподвижном магнитном поле или движется магнитное поле относительно неподвижного проводника. Этот принцип использован в заявляемом техническом решении.
Устройство и принцип его действия понятны из рассмотрения представленных рисунков. На рис. 1 показана блок-схема устройства, а на рис. 2, 3 и 4 - различные варианты вращения намагниченных тороидов (с разной угловой скоростью и в двух возможных направлениях) и возникающие при этом э.д.с., регистрируемые измерительным вольтметром постоянного тока.
Заявляемое устройство содержит следующие элементы и блоки:
1 - первый намагниченный тороид,
2 - второй намагниченный тороид,
3 - первый синхронный двигатель, механически связанный с осью вращения первого намагниченного тороида 1 с возможностью реверсирования вращения,
4 - второй синхронный двигатель, механически связанный с осью вращения второго намагниченного тороида 2 с возможностью реверсирования вращения,
5 - первый перестраиваемый по частоте генератор переменного тока,
6 - второй перестраиваемый по частоте генератор переменного тока,
7 - первая прямоугольная рамка из тонкого проводника, одна сторона которой помещена в магнитный зазор между соосно установленными первым 1 и вторым 2 намагниченными тороидами с обращенными друг к другу разноименными магнитными полюсами,
8 - вторая прямоугольная рамка, установленная в другом произвольном месте магнитного зазора аналогично рамке 7, включенная последовательно с рамкой 7,
9 - измерительный вольтметр постоянного тока.
1
2
На рисунках 2…4 указаны априори ожидаемые значения регистрируемых вольтметром 9 значений э.д.с. (различные по величине и знаку) при различных угловых скоростях и направлений вращения намагниченных тороидов 1 и 2 при помещении рамок 7 и 8 в серединах магнитного зазора и неподвижно. Эти значения э.д.с. определяются угловыми скоростями вращения ′Ω и ′Ω осей синхронных двигателей соответственно 3 и 4.
Рассмотрим работу заявляемого измерительного устройства.
М
1
2
М
М
1
2
1
2
1
2
М
1
1
2
1
2
М
1
2
Исходя из утверждения о «вмороженности» магнитных силовых линий в поверхностные домены магнитных полюсов, следует рассматривать магнитное поле во внешнем пространстве, в частности в магнитном зазоре между намагниченными тороидами 1 и 2 с обращенными друг к другу разноименными магнитными полюсами (N и S), как некую квантованную среду со свойствами виртуальной вязкой жидкости. Простой физической аналогией является рассмотрение движения жидкости в различных точках сечения трубы. Известно, что в центре сечения скорость течения жидкости максимальна и уменьшается к стенкам трубы. Непосредственно на стенках трубы вообще жидкость не движется, как бы прилипая к стенке трубы. Само распределение скоростей течения вдоль радиуса трубы можно полагать линейным. Следуя этой аналогии, будем полагать, что угловая скорость вращения магнитного поля ω в произвольном сечении магнитного зазора по координате х (рис. 2…4), где 0<х<Н, Н - расстояние между обращенными друг к другу гранями намагниченных тороидов 1 и 2, оказывается переменной величиной, определяемой координатой х и угловыми скоростями ′Ω и ′Ω осей синхронных двигателей соответственно 3 и 4. В случае справедливости высказанного автором предположения о физической сущности магнитного поля как квантованной среды со свойствами виртуальной вязкой жидкости будем считать, что угловая скорость ω вращающегося магнитного поля в среднем сечении х=Н/2 магнитного зазора может быть вычислена как ω=(′Ω+′Ω)/2 с учетом знака направления скоростей ′Ω и ′Ω. Так, если ′Ω=′Ω, то ω=′Ω, и в этом случае во всех других сечениях оно остается неизменным по величине и направлению, поскольку нет взаимного перемещения одного магнитного полюса относительно другого. Если |-′Ω|=′Ω, то в сечении х=Н/2 вращающееся магнитное поле отсутствует, что не возбуждает э.д.с. в проводниках рамок 7 и 8, как это показано на рис. 3. Если намагниченные тороиды вращаются с разными угловыми скоростями ′Ω и ′Ω и в противоположных направлениях, то значение и знак при ω определяются соотношениями и знаками величин ′Ω и ′Ω, как это видно на рис. 4.
1
2
М
2
В случае когда ′Ω=0 и ′Ω>0, то есть когда вращается только намагниченный тороид 2, угловая скорость вращающегося магнитного поля в середине магнитного зазора равна ω=′Ω/2.
2
М
М
2
1
P
P
М
1
М
2
1
2
В общем случае, когда намагниченный тороид неподвижен (аналог статора двигателя), а намагниченный тороид вращается с угловой скоростью ′Ω (аналог ротора двигателя), то угловая скорость вращения магнитного поля ω(х) в различных сечениях магнитного зазора шириной Н может быть вычислена по формуле ω(х)=′Ω(1-х/H) при ′Ω=0. Это можно проверить экспериментально, перемещая рамки в магнитном зазоре вдоль оси х. Это соотношение используется при построении многовитковых униполярных машин, содержащих намагниченный ротор и статор с обмоткой, часть витков которой располагают в магнитном зазоре ближе к ротору, а другая противоположная часть экранирована телом статора от действия магнитного поля. При этом протекание постоянного тока в такой обмотке статора (неподвижной) вызывает силы Лоренца, реакция которых (силы противодействия) приложена к ротору и статору как источникам магнитного поля в магнитном зазоре. Составляющая силы противодействия, приложенная по касательной, к ротору равна F=F cos[π(Н-х)/2Н], где F=В L I - сила Лоренца, действующая на проводник длиной L с током I в нем, размещенный скрещено к магнитному полю с индукцией В. Так, если такой проводник находится в середине магнитного зазора, то есть при х=Н/2, то F=F/2, и при этом угловая скорость вращения магнитного поля ω равна половине скорости вращения ротора двигателя. В свою очередь, вращение магнитного поля вдвое ниже вращения ротора вызывает соответственно и вдвое более низкое значение э.д.с. индукции E=В L ω R=В L ′Ω R/2. Если число витков рабочей обмотки статора равно N, то результирующая противоЭ.Д.С. равна Е=N E и в установившемся режиме вращения ротора при подключении двигателя к источнику постоянного тока с напряжением U выполняется равенство U=Е+I r, где r - активное сопротивление постоянному току рабочей обмотки статора.
Создание такого рода двигателей (без коллектора и скользящих контактов) чрезвычайно перспективно по критериям надежности действия, простоты конструкции и срока службы. Отсутствие переходных процессов, характерных для коллекторных и вентильных двигателей постоянного тока, позволяет существенно увеличить быстроходность работы вплоть до построения гироскопических двигателей постоянного тока. Это сочетается с важным преимуществом двигателей постоянного тока, обладающих большим пусковым моментом и плавной регулировкой скорости вращения ротора и изменением величины приложенного напряжения U от источника постоянного тока. Такие двигатели могут найти широкое промышленное применение в электромобилях и при разработке тяговых двигателей для электровозов на железнодорожном транспорте, в станкостроении и в широком ассортименте товаров народного потребления.
Заявляемое устройство позволит утвердиться в справедливости выдвинутой автором гипотезы, что важно в физическом осмыслении природы магнитного поля.
Литература
1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М., К теории дисперсной магнитной проницаемости ферромагнитных тел [1935], Ландау Л.Д. Собр. трудов, т. 1, М., 1969.
2. Моффат Г. Возбуждение магнитного поля в проводящей среде. Пер. с англ., М., 1980; Электрогазодинамические течения, М., 1983.
3. Бочкарев Н.Г. Магнитные поля в космосе, М., 1985.
4. Меньших О.Ф. Бесколлекторный двигатель постоянного тока, Патент РФ №2391761, опубл. в бюлл. №16 от 10.06.2010.
5. Меньших О.Ф. Прибор для измерения спектра сигнала индукции в магнитно-связанной системе, Патент РФ №2467464, опубл. в бюлл. №32 от 20.11.2012.