Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №5
Шрифт:
Для анализа моментов, возникающих в статоре и роторе, были проведены эксперименты, где генератор с многовитковым статором был инвертирован и проверен как электромотор. Для проверки силового взаимодействия статора и ротора оба они были подвешены на проволоке (которая выполняла функцию торсиона в крутильных весах) и могли свободно вращаться относительно друг друга. В первом случае радиальные проводники были не экранированы. В следующих экспериментах для избежания влияния радиальных проводников, они были магнитно заэкранированы.
Качественный эксперимент показал, что в обоих случаях при подаче тока в обмотку ротор и статор поворачивались в противоположных направлениях, т. е. происходил
Для проверки этого положения был проведен эксперимент по количественному определению моментов сил, приложенных к статору и ротору. Ротор был подвешен на упругой проволоке, выполняющей функцию торсиона в крутильных весах, статор же был закреплен неподвижно. Во втором — ротор был закреплен, а статор подвешен на такой же проволоке с такой же длиной (сопротивление скручиванию торсионов должны быть равны). Надо отметить, что в данном случае в создании момента участвовали как полувитки, так и радиальные проводники, которые, как было сказано выше, должны создавать тормозящий момент. Кроме того, конструкция статора содержала вертикальные проводники, соединяющие полувитки с радиальными проводниками. Их влияние на создание ЭДС было проверено в предыдущих экспериментах с единичными проводниками и показало практически полное отсутствие вклада вертикальных проводников в создание ЭДС.
Схема экспериментов по измерению крутящего момента ротора и статора представлена на Рис. 20.
Рис. 20
Надо отметить, что, так как данный генератор есть генератор (и, соответственно, мотор) переменного тока, то при свободном повороте ротор останавливается в устойчивом нейтральном положении (момент М = 0). Когда разделительная плоскость полувитков совпадает с разделительной плоскостью магнитов (середина полувитков совпадает с серединой магнитов), а максимальный момент (Мmax) развивается, соответственно, когда середина полувитков лежит в плоскости раздела магнитов, а оба этих положения отличаются на 90 градусов, что также было подтверждено экспериментально. Кроме того, существует второе нейтральное положение, отличающееся от первого на 180 градусов. Оно является неустойчивым (при подаче постоянного тока) и установленный в это положение ротор может повернутся как в одном так и противоположном направлении в направлении первого нейтрального положения. При изменении направления тока эти нейтральные положения меняются местами (собственно, так ведет себя любой асинхронный электромотор).
Таким образом, в данном эксперименте допустимые углы поворота не должны превышать 45–50 градусов, что достигается подачей малого тока (0.1–0.2 А) в обмотку статора.
В данном эксперименте ротор устанавливался относительно статора в положение максимального момента, далее подавался постоянный ток (0.06-0.2 А) и измерялись углы отклонения ротора при неподвижном статоре и статора при неподвижном роторе, при этом, ротор и статор поочередно подвешивались на том же торсионе (медная эмалированная проволока диаметром 0.38 мм). Момент сопротивления скручиванию торсиона был прокалиброван и составил 0.078 гс см/град. Схема калибровки приведена на Рис. 21.
Рис. 21
Момент
Измеренные углы поворота подвешенного на торсионе ротора и подвешенного на том же торсионе статора для первого макета (120 полувитков) приведены в Табл. 1:
Момент силы в таблице приведен в граммах силы на сантиметр (техническая система единиц, 1 гс•см = 9.8•10– 5 нм). Как видно из таблицы, зависимость угла отклонения от тока — линейная, что, собственно, и следовало ожидать.
Как можно видеть, измеренные значения углов отклонения и моментов меньше для статора, чем для ротора (порядка 67 % от момента ротора), что, естественно, может вызывать сомнения, потому, что согласно 3-му закону Ньютона для вращательного движения эти моменты должны быть равны (см. выше). Это несоответствие, в частности, может быть объяснено методическими ошибками эксперимента, например разным натяжением проволоки (торсиона) при подвешивании магнита (200 г) и статора (60 г), хотя, согласно сопромату, напряжения растяжения и кручения не связаны друг с другом. Кроме того, катушка статора имела отводы, выполненные из тонкой медной проволоки (0.1 мм в диаметре), которые при повороте статора теоретически могла создавать сопротивление.
Для выявления возможных методических ошибок была проведена серия испытаний. В частности, влияние отводов было проверено и было установлено, что ошибка, вызванная изгибом такой проволоки (0.1 мм в диаметре) составляет менее 1 градуса поворота статора. Во всех экспериментах использовалась та же проволока (торсион), на которой поочередно подвешивался ротор и статор. Измерения были многократно повторены в разных условиях (расположение проводников и блока питания относительно статора и т. п.) для определения возможного влияния внешних полей. Результаты измерений, при этом совпали с точностью до ± 10 %.
Далее, аналогичные испытания были проведены для второго генератора (460 полувитков) с неэкранированными радиальными проводниками (их вклад в ЭДС — порядка 20 %). Точность экспериментов с использованием второго генератора была существенно выше по сравнению с первым (число витков статора в 3.8 раза больше). Качественно и количественно было зарегистрировано явно выраженное существенное превышение момента ротора над моментом статора, при этом момент статора составлял порядка 50 % от момента ротора. Была также зарегистрирована зависимость стартового момента от положения плоскости раздела магнита относительно статора (как у любого асинхронного электромотора). Момент был равен 0 в первом (устойчивом) нейтральном положении (см. выше), постепенно увеличивался при повороте ротора, и достигал максимума при повороте ротора на угол порядка 115 градусов относительно устойчивого нейтрального положения.
В связи с этим, измерения моментов ротора и статора проводились в одинаковых положениях (Рис. 22), когда плоскость раздела магнита (при отсутствии тока в обмотке) совпадала с серединой полувитков (или линия соединяющая середины половинок магнита — полюсов S-N — совпадала с плоскостью раздела полувитков), т. е. ротор был повернут на 90 градусов относительно устойчивого нейтрального положения (см. выше) и при повороте на 115 градусов (моменты максимальны).