Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №5

Журнал «Домашняя лаборатория»

Е = V•В•L.

Формула, выведенная на основании лоренцева механизма (разделение зарядов под действием лоренцевой силы) выглядит абсолютно так же. В то же время, очевидно, что реальным механизмом наведения ЭДС в этом случае является именно лоренцев.

9. Многообмоточный униполярный генератор с неоднородным вращающимся магнитом и неподвижной катушкой

Конструкция этого генератора является практическим приложением выводов, сделанных в предыдущих разделах.

Так как ЭДС, наводимая в полукольцах имеет одинаковую полярность, то соединив полукольца встречно можно увеличить

ЭДС в N раз, где N — число полуколец.

При встречном соединении полуколец их концы должны быть соединены проводниками, в которых также может наводиться ЭДС. Самый короткое расстояние между противоположными концами полуколец проходит через центр магнита (Рис. 14), но на этих соединительных проводниках также наводится ЭДС (см. Рис. 11 и 12), которая может складываться или вычитаться из ЭДС, наводимой в полукольцах (в зависимости от ее полярности). Для определения полярности сигналов в полукольцах и радиальных проводниках был проведен эксперимент, в котором оба этих элемента были подсоединены ко входам двухлучевого осциллографа.

Рис. 14

Осциллограммы сигналов 1–3 (полувиток) и 1–2 (радиальный проводник) приведены на Рис. 15.

Рис. 15.

Таким образом, сигналы находятся в противофазе и соединение полуколец, приведенное на Рис. 15 позволяет не только получить многообмоточный генератор, но и увеличить величину ЭДС за счет радиальных проводников. Также, удаление радиальных проводников от плоскости магнита (или их магнитное экранирование) может, при необходимости, уменьшить их вклад в создание ЭДС.

Основываясь на «модифицированном принципе Ленца», можно объяснить прочему ЭДС в проводниках 1–3 и 1–2 наводится в противофазе. Согласно анализу, приведенному в предыдущих разделах, в момент времени, когда расположение проводников соответствует показанному на рис. 14 (положение А), циркуляция магнитного поля в месте расположения обоих проводников максимальна и ЭДС в этих проводниках, полувитке и радиальном, равна 0. При дальнейшем вращении магнита, полувиток и радиальный проводник смещаются из положения А в положение В (Рис. 14), циркуляция в обоих случаях уменьшается и в проводниках возникает ток, создающий циркуляцию, совпадающую по направлению с циркуляцией поля магнита и компенсирующую это уменьшение. При этом, полярность ЭДС, наводимой в полувитке и радиальном проводнике — противоположная (Рис. 15). Надо отметить, что в данном генераторе полувитки могут быть расположены только с одной стороны катушки — ЭДС при этом не измениться. На основе этих экспериментов был разработана конструкция электрогенератора и был создан и испытан его прототип.

Многовитковый генератор, разработанный на вышеизложенном принципе

Были испытаны макеты такого генератора с разным количеством полувитков. Схема соединения полувитков приведена на Рис. 16.

Рис. 16

Ротор генератора был выполнен из ферритового магнитного кольца 70x30x10 мм с Вr = 0.274 Тл, которое было разломано пополам и одна половина перевернута. Фотография ротора приведена на Рис. 17.

Рис. 17

Первый макет содержал 120 полувитков (83 мм в диаметре) и развивал ±0.6 В в режиме холостого хода, что подтверждает идеи, высказанные в разделах 5 и 6 и заложенные в данной конструкции. При этом, ЭДС, наводимая в одном полукольце, была равна ± 3.5 мВ мВ (ЭДС очень сильно зависит от индукции В в месте расположения проводника, составляя ± 7 мВ на поверхности магнита и резко уменьшаясь с увеличением диаметра витка). Помещение катушки в тонкий пермаллоевый цилиндр

увеличивало ЭДС холостого хода до ± 0.75 В. Максимальная ЭДС наводилась тогда, когда плоскость полуколец совпадала с горизонтальной плоскостью симметрии магнита (середина между двумя торцами магнита, см. Рис. 16). При этом, радиальные соединительные проводники были расположены на расстоянии 45 мм от полуколец (полувитков) и, в них наводилась ЭДС ± 1.5 мВ. По мере углубления магнита в катушку (плоскость полуколец выше плоскости магнита) возрастало влияние радиальных проводников и уменьшалось влияние полуколец и в случае, когда радиальные проводники были приближены вплотную к нижней плоскости магнита, величина ЭДС уменьшилась примерно в 3 раза (до ± 0.15 В) и сигнал приобрел характерную трапециидальную форму.

Установка тонкого пермаллоевого диска между магнитом и радиальными проводниками (ближе к проводникам) практически полностью их магнитно экранирует, наводимая в них ЭДС была практически равна 0, а ЭДС, снимаемая с генератора уменьшалась до 0.48 В.

Другой макет, фотография статора которого приведена на Рис. 18, содержал 460 полувитков (ЭДС снимаемая с одного полувитка была равна ± 3.5 мВ мВ).

Рис. 18

Напряжение, развиваемое генератором в режиме холостого хода составило ± 2 В с магнитно неэкранированными радиальными проводниками и 1.6 В с экранированными.

Согласно расчетам, при увеличении скорости вращения ротора до 2000 об/мин, размещении обмотки в непосредственной близости от поверхности магнита и замене ферритового магнита на NdFeB, напряжение снимаемое во втором случае будет составлять порядка 40 В.

Здесь надо отметить, что, формально, данная конструкция статора (многовитковая) может быть представлена как две обмотки, содержащие N витков каждая и расположенные на противоположных сторонах двухполюсного магнита. Таким образом (опять же, формально) в каждой обмотке периодически меняется магнитный поток и, таким образом, наводится ЭДС в соответствии с законом Фарадея. Но, как было указано выше, этот подход не отражает истинный механизм работы этого генератора, так как основная ЭДС производится полувитками независимо от других элементов контура, которые могут быть легко исключены из этого процесса, например, магнитным экранированием. В то же время, взаимодействие полувитков с магнитным полем (индукция и механическое взаимодействие) не может быть описано стандартными законами Фарадея и Ампера.

Таким образом, данная конструкция также ставит вопрос о механическом взаимодействии ротора и статора. Тангенциальная сила, создающая в нагруженном статоре реактивный момент должна быть приложена к полувиткам и направлена вдоль проводников (dF||dl), что противоречит закону Ампера. В этом случае, если следовать закону Ампера, то когда середина полувитка не дошла до средины сектора магнита (циркуляция возрастает), то полувитки растягиваются по радиусу, а после прохождения середины сектора — сжимаются, при этом тангенциальная составляющая отсутствует, а результирующая сила, приложенная к оси равна нулю. При прохождении полувитками плоскости раздела магнита, к полувитку прикладываются две радиальные силы, разнесенные на некоторый угол и противоположно направленные. Но и в этом случае крутящий момент не возникает, так как обе эти силы проходят через центр массы статора (его ось). На противоположный полувиток действуют такие же силы, но противоположно направленные. Они радиально сжимают и растягивают полувиток, а результирующая сила, приложенная к оси также равна нулю (см. Рис. 19).

Рис. 19

Радиальные же проводники создают тормозящий момент в соответствии с законом Ампера. Кроме того, конструкция генератора, содержащая один полный виток, жестко закрепленный на роторе и вращающийся вместе с ним, где ЭДС снимается радиальными щеткам (см. выше), вообще не имеет статора и неизвестно, куда должен быть приложен реактивный момент.

Силовое взаимодействие ротора и статора.