Устройство для исследования вращательного движения магнитного поля при взаимном перемещении магнитных полюсов



Устройство для исследования вращательного движения магнитного поля при взаимном перемещении магнитных полюсов
Устройство для исследования вращательного движения магнитного поля при взаимном перемещении магнитных полюсов
Устройство для исследования вращательного движения магнитного поля при взаимном перемещении магнитных полюсов
Устройство для исследования вращательного движения магнитного поля при взаимном перемещении магнитных полюсов

 


Владельцы патента RU 2568659:

МЕНЬШИХ Олег Фёдорович (RU)

Изобретение относится к физике магнитного поля, создаваемого магнитными системами, полюсы которых взаимно перемещаются. Технический результат состоит в исследовании распределения угловых скоростей вращающегося магнитного поля в различных сечениях магнитного зазора при взаимном перемещении магнитных полюсов относительно друг друга. Устройство для исследования вращательного движения магнитного поля при взаимном перемещении магнитных полюсов, в частности при их взаимном вращении с разной угловой скоростью и в различных направлениях без изменения расстояния между этими полюсами, состоит из пары тороидов, намагниченных на их плоских гранях и ориентированных друг к другу соосно с противоположными магнитными полюсами, которые механически связаны с двумя синхронными реверсируемыми двигателями с подключенными к ним двумя перестраиваемыми по частоте генераторами переменного тока. Одна или несколько прямоугольных рамок из тонкого проводника помещены в магнитный зазор между магнитными полюсами одной из сторон прямоугольной рамки так, что проводники этой стороны ортогональны вектору магнитной индукции в магнитном зазоре, а также ортогональны вектору угловой скорости взаимно вращающихся намагниченных тороидов. Выводы рамок включены последовательно к регистрирующему возникающую э.д.с. в этих частях проводников рамок измерительному прибору, например вольтметру постоянного тока. 4 ил.

 

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].

Магнитные силовые линии намагниченных ферромагнетиков, относящихся к магнитотвердым материалам (SmCo3, 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.

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 ωМ 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=(RMIN+RMAX)/2 (м), ωМ - 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.

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 ′Ω1 и ′Ω2 осей синхронных двигателей соответственно 3 и 4.

Рассмотрим работу заявляемого измерительного устройства.

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 ωМ 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 ′Ω1 и ′Ω2 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 ωМ вращающегося магнитного поля в среднем сечении х=Н/2 магнитного зазора может быть вычислена как ωМ=(′Ω1+′Ω2)/2 с учетом знака направления скоростей ′Ω1 и ′Ω2. Так, если ′Ω1=′Ω2, то ωМ=′Ω1, 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 |-′Ω1|=′Ω2, 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 ′Ω1 и ′Ω2 и в противоположных направлениях, то значение и знак при ωМ определяются соотношениями и знаками величин ′Ω1 и ′Ω2, как это видно на рис. 4.

В случае когда ′Ω1=0 и ′Ω2>0, то есть когда вращается только намагниченный тороид 2, угловая скорость вращающегося магнитного поля в середине магнитного зазора равна ωМ=′Ω2/2.

В общем случае, когда намагниченный тороид неподвижен (аналог статора двигателя), а намагниченный тороид вращается с угловой скоростью ′Ω2 (аналог ротора двигателя), то угловая скорость вращения магнитного поля ωМ(х) в различных сечениях магнитного зазора шириной Н может быть вычислена по формуле ωМ(х)=′Ω2(1-х/H) при ′Ω1=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 FP=F cos2[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 FP=F/2, и при этом угловая скорость вращения магнитного поля ωМ 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 E1=В L ωМ R=В L ′Ω2 R/2. Если число витков рабочей обмотки статора равно N, то результирующая противоЭ.Д.С. равна Е=N E1 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.

Устройство для исследования вращательного движения магнитного поля, состоящее 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 перестраиваемыми 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 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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области образования и наглядных учебных пособий, в частности, к наглядным пособиям для демонстрации принципа работы одиночного тросового молниеотвода.

Изобретение относится к стендам для лабораторных работ, применяемым при обучении студентов, изучающих дисциплину «Электротехнология». Автоматизированный тепловой пункт (устройство преобразования электрической энергии в тепловую), содержит параллельно соединенные между собой тэновый, электродный и вихревой подогреватели воды, отопительный прибор, бойлер со змеевиком, насос, термодатчики, щит управления, расходомер, систему трубопроводов, при этом в него введены электромагнитные клапаны, программируемый контроллер для управления и регулирования режимами нагрева, бойлер выполнен сообщающимся с атмосферой для осуществления процесса тепломассообмена, сборка всех элементов выполнена с использованием резьбовых соединений предусматривающее возможность введения в процесс новых элементов.

Изобретение относится к электродинамике и и может быть использовано для экспериментальной проверки эффекта возбуждения вихревого электрического поля при движении магнитного поля, создаваемого движением постоянного магнита.

Изобретение относится к учебным пособиям по физике. Стержень с грузом установлен с возможностью совершать колебательные движения в вертикальной плоскости.

Изобретение относится к обучающим приспособлениям для демонстрации электромагнитных явлений. На одном конце плоского стержня закреплена катушка-моток, а на другом выполнено подвесное отверстие для подвеса стержня и магнит.

Изобретение относится к области измерительной и учебной техники и может быть использовано для изучения явлений электромагнетизма. По периметру диэлектрического диска впрессованы металлические шарики, диаметр которых равен толщине диска.

Изобретение относится к учебным приборам и может быть использовано в лабораторном практикуме по курсу физики для получения и углубления знаний физических законов и явлений.

Изобретение относится к учебным приборам и может быть использовано в лабораторном практикуме по курсу физики. На противоположных сторонах подвижной муфты первыми концами шарнирно соединены две тяги.

Изобретение относится к учебным приборам и может быть использовано в лабораторном практикуме по курсу физики для получения и углубления знаний физических законов и явлений.

Изобретение относится к области образования и наглядных учебных пособий, в частности к наглядным пособиям для демонстрации принципа работы одиночного стержневого молниеотвода.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат состоит в возможности выявления физической структуры и поведения магнитного поля между магнитными полюсами, один из которых вращается относительно другого. Устройство содержит ротор и статор, выполненные в виде отрезков концентрически расположенных цилиндров из ферромагнетика. Обмотка подмагничивания ротора подключена 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 ее перемещения 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 его электрические входы подано переменное напряжение от перестраиваемого по частоте генератора переменного тока. 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. 3 ил.
Наверх