Использование постоянных магнитов в электротехнике и электроэнергетике. Вращающееся магнитное поле — новое физическое явление

Использование постоянных магнитов в электротехнике и электроэнергетике. Вращающееся магнитное поле — новое физическое явление

Cтраница 1


Вращение постоянного магнита с частотой П создает в пространстве магнитное поле, вращающееся с такой же частотой. Такая же картина имеет место в электрических машинах переменного тока, если ротор представляет собой постоянный магнит или электромагнит. У явнополюсного ротора (рис. 18.2, а; 18.3, а) сердечник из ферромагнитного материала имеет ярко выраженные выступы - полюсы, на которых размещены катушки. Неявнополюсный ротор (рис. 18.2, б; 18.3, о) выполнен в виде цилиндра, на котором размещена распределенная по пазам обмотка возбуждения. У многополюсных роторов (р 1) северные и южные полюсы чередуются. Роторы, изображенные на рис. 18.2, а, б, имеют одну пару (2р 2), а показанные на рис. 18.3, а, 6 - две пары (2р 4) полюсов. При 2р 4 роторы изготовляют явнополюсными.  

Схеме магнитного тахометра.  

Вращение постоянного магнита 1 вызывает появление в диске (или стаканчике) 2, выполненном из немагнитного материала, индуктированных токов. В результате взаимодействия этих токов с магнитным полем возникает вращающий момент 7И1; действующий на диск в направлении вращения магнита и пропорциональный угловой скорости йг последнего М1С1со1, где Сг - коэффициент пропорциональности.  


При вращении постоянного магнита вслед за ним поворачивается картушка вместе с осью, закручивая спиральную пружину, которая одним концом крепится к оси, а другим - к корпусу спидометра. При закручивании спиральная пружина создает противодействующий моменту MI момент М2, который пропорционален углу поворота картушки.  

При вращении постоянного магнита / в сердечнике 5 магнитопровода создается магнитный поток, изменяющийся по величине и направлению.  


При вращении постоянного магнита в процессе работы электродвигателя в рамке 2 создается электрический ток, в результате чего между постоянным магнитом и цилиндром возникает сила взаимодействия. Рамка поворачивается, замыкая соединенные с ней контакты. При остановке электродвигателя контакты размыкаются.  

Схема системы зажигания от магнето низкого (а и высокого (б напряжений.  

При вращении двухполюсного постоянного магнита 1 (ротора магнето) в неподвижных стойках с сердечником 2 (якорь магнето) и намотанной на него первичной обмоткой в ней образуется ток, сила которого составляет 2 25 - 3 5 А, напряжение 300 - 500 В.  

Установка технических термометров в оправах при измерении температуры среды с повышенным давлением.  

Следовательно, при вращении постоянного магнита вращается шпилька, опуская ли поднимая гайку контактной проволоки вверх или вниз в зависимости от устанавливаемой температуры. Контактную проволоку устанавливают на определенную высоту, при которой столбик ртути соприкасается с концом этой проволоки и изменяется величина температуры замыкания или размыкания контакта.  

Перемешивание в такой ячейке осуществляется сверху вращением постоянного магнита Б так называемом магнитном зажиме, что в случае реакторов неправильной формы намного эффективнее обычно используемого перемешивания снизу магнитными стержнями внутри аппарата (см. разд.  

Зависит ли количества отделенных металлических частиц от частоты вращения постоянного магнита.  

Рассмотренный способ позволяет получить одно срабатывание вместо двух при вращении постоянного магнита вокруг своей оси (см. рис. 2.7, е), так как срабатывание геркона может иметь место только при согласном расположении магнитов. Кольцевые постоянные магниты, один из которых / установлен неподвижно (рис. 2.12, в), а другой 2 линейно перемещается вдоль геркона, также при своем совмещении вызывают размыкание контакт-деталей. При последних двух способах неподвижные, согласно установленные по полярности постоянные магниты могут быть использованы в качестве подмагничивающих, создающих предварительное магнитное поле, не вызывающее срабатывание геркона. При этом снижаются масса и габаритные размеры подвижного управляющего магнита, создающего дополнительное поле, необходимое для срабатывания геркона. Такое выполнение устройства способствует повышению перегрузочной устойчивости устройства.  

Как было показано ранее, одним из важнейших преимуществ многофазных систем является получение вращающегося магнитного поля с помощью неподвижных катушек, на чем основана работа двигателей переменного тока. Рассмотрение этого вопроса начнем с анализа магнитного поля катушки с синусоидальным током.

Магнитное поле катушки с синусоидальным током

При пропускании по обмотке катушки синусоидального тока она создает магнитное поле, вектор индукции которого изменяется (пульсирует) вдоль этой катушки также по синусоидальному закону Мгновенная ориентация вектора магнитной индукции в пространстве зависит от намотки катушки и мгновенного направления тока в ней и определяется по правилу правого буравчика. Так для случая, показанного на рис. 1, вектор магнитной индукции направлен по оси катушки вверх. Через полпериода, когда при том же модуле ток изменит свой знак на противоположный, вектор магнитной индукции при той же абсолютной величине поменяет свою ориентацию в пространстве на 1800. С учетом вышесказанного магнитное поле катушки с синусоидальным током называютпульсирующим.

Круговое вращающееся магнитное поле двух- и трехфазной обмоток

Круговым вращающимся магнитным полем называется поле, вектор магнитной индукции которого, не изменяясь по модулю, вращается в пространстве с постоянной угловой частотой.

Для создания кругового вращающегося поля необходимо выполнение двух условий:

    Оси катушек должны быть сдвинуты в пространстве друг относительно друга на определенный угол (для двухфазной системы – на 90 0 , для трехфазной – на 120 0).

    Токи, питающие катушки, должны быть сдвинуты по фазе соответственно пространственному смещению катушек.

Рассмотрим получение кругового вращающегося магнитного поля в случае двухфазной системы Тесла (рис. 2,а).

При пропускании через катушки гармонических токов каждая из них в соответствии с вышесказанным будет создавать пульсирующее магнитное поле. Векторы и, характеризующие эти поля, направлены вдоль осей соответствующих катушек, а их амплитуды изменяются также по гармоническому закону. Если ток в катушке В отстает от тока в катушке А на 90 0 (см. рис. 2,б), то .

Найдем проекции результирующего вектора магнитной индукции на оси x и y декартовой системы координат, связанной с осями катушек:

Модуль результирующего вектора магнитной индукции в соответствии с рис. 2,в равен

Полученные соотношения (1) и (2) показывают, что вектор результирующего магнитного поля неизменен по модулю и вращается в пространстве с постоянной угловой частотой , описывая окружность, что соответствует круговому вращающемуся полю.

Покажем, что симметричная трехфазная система катушек (см. рис. 3,а) также позволяет получить круговое вращающееся магнитное поле.

Каждая из катушек А, В и С при пропускании по ним гармонических токов создает пульсирующее магнитное поле. Векторная диаграмма в пространстве для этих полей представлена на рис. 3,б. Для проекций результирующего вектора магнитной индукции на

оси декартовой системы координат, ось y у которой совмещена с магнитной осью фазы А, можно записать

Приведенные соотношения учитывают пространственное расположение катушек, но они также питаются трехфазной системой токов с временным сдвигом по фазе на 1200. Поэтому для мгновенных значений индукций катушек имеют место соотношения

; ;.

Подставив эти выражения в (3) и (4), получим:

В соответствии с (5) и (6) и рис. 2,в для модуля вектора магнитной индукции результирующего поля трех катушек с током можно записать:

,

а сам вектор составляет с осью х угол a, для которого

,

Таким образом, и в данном случае имеет место неизменный по модулю вектор магнитной индукции, вращающийся в пространстве с постоянной угловой частотой , что соответствует круговому полю.

Магнитное поле в электрической машине

С целью усиления и концентрации магнитного поля в электрической машине для него создается магнитная цепь. Электрическая машина состоит из двух основных частей (см. рис. 4): неподвижного статора и вращающегося ротора, выполненных соответственно в виде полого и сплошного цилиндров.

На статоре расположены три одинаковые обмотки, магнитные оси которых сдвинуты по расточке магнитопровода на 2/3 полюсного деления , величина которого определяется выражением

,

где - радиус расточки магнитопровода, а р – число пар полюсов (число эквивалентных вращающихся постоянных магнитов, создающих магнитное поле, - в представленном на рис. 4 случае р=1).

На рис. 4 сплошными линиями (А, В и С) отмечены положительные направления пульсирующих магнитных полей вдоль осей обмоток А, В и С.

Приняв магнитную проницаемость стали бесконечно большой, построим кривую распределения магнитной индукции в воздушном зазоре машины, создаваемой обмоткой фазы А, для некоторого момента времени t (рис. 5). При построении учтем, что кривая изменяется скачком в местах расположения катушечных сторон, а на участках, лишенных тока, имеют место горизонтальные участки.

Заменим данную кривую синусоидой (следует указать, что у реальных машин за счет соответствующего исполнения фазных обмоток для результирующего поля такая замена связана с весьма малыми погрешностями). Приняв амплитуду этой синусоиды для выбранного момента времени t равной ВА, запишем

;

.

Просуммировав соотношения (10)…(12), с учетом того, что сумма последних членов в их правых частях тождественно равна нулю, получим для результирующего поля вдоль воздушного зазора машины выражение

представляющее собой уравнение бегущей волны.

Магнитная индукция постоянна, если. Таким образом, если мысленно выбрать в воздушном зазоре некоторую точку и перемещать ее вдоль расточки магнитопровода со скоростью

,

то магнитная индукция для этой точки будет оставаться неизменной. Это означает, что с течением времени кривая распределения магнитной индукции, не меняя своей формы, перемещается вдоль окружности статора. Следовательно, результирующее магнитное поле вращается с постоянной скоростью. Эту скорость принято определять в оборотах в минуту:

.

Принцип действия асинхронного и синхронного двигателей

Устройство асинхронного двигателя соответствует изображению на рис. 4. Вращающееся магнитное поле, создаваемое расположенными на статоре обмотками с током, взаимодействует с токами ротора, приводя его во вращение. Наибольшее распространение в настоящее время получил асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором ввиду своей простоты и надежности. В пазах ротора такой машины размещены токонесущие медные или алюминиевые стержни. Концы всех стержней с обоих торцов ротора соединены медными или алюминиевыми же кольцами, которые замыкают стержни накоротко. Отсюда и произошло такое название ротора.

В короткозамкнутой обмотке ротора под действием ЭДС, вызываемой вращающимся полем статора, возникают вихревые токи. Взаимодействуя с полем, они вовлекают ротор во вращение со скоростью , принципиально меньшей скорости вращения поля 0 . Отсюда название двигателя - асинхронный.

Величина

называется относительным скольжением . Для двигателей нормального исполнения S=0,02…0,07. Неравенство скоростей магнитного поля и ротора становится очевидным, если учесть, что при вращающееся магнитное поле не будет пересекать токопроводящих стержней ротора и, следовательно, в них не будут наводиться токи, участвующие в создании вращающегося момента.

Принципиальное отличие синхронного двигателя от асинхронного заключается в исполнении ротора. Последний у синхронного двигателя представляет собой магнит, выполненный (при относительно небольших мощностях) на базе постоянного магнита или на основе электромагнита. Поскольку разноименные полюсы магнитов притягиваются, то вращающееся магнитное поле статора, которое можно интерпретировать как вращающийся магнит, увлекает за собой магнитный ротор, причем их скорости равны. Это объясняет название двигателя – синхронный.

В заключение отметим, что в отличие от асинхронного двигателя, у которого обычно не превышает 0,8…0,85, у синхронного двигателя можно добиться большего значенияи сделать даже так, что ток будет опережать напряжение по фазе. В этом случае, подобно конденсаторным батареям, синхронная машина используется для повышения коэффициента мощности.

Литература

    Основы теории цепей: Учеб. для вузов /Г.В.Зевеке, П.А.Ионкин, А.В.Нетушил, С.В.Страхов. –5-е изд., перераб. –М.: Энергоатомиздат, 1989. -528с.

    Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи. Учеб. для студентов электротехнических, энергетических и приборостроительных специальностей вузов. –7-е изд., перераб. и доп. –М.: Высш. шк., 1978. –528с.

    Теоретические основы электротехники. Учеб. для вузов. В трех т. Под общ. ред. К.М.Поливанова. Т.1. К.М.Поливанов. Линейные электрические цепи с сосредоточенными постоянными. –М.: Энергия- 1972. –240с.

Контрольные вопросы

    Какое поле называется пульсирующим?

    Какое поле называется вращающимся круговым?

    Какие условия необходимы для создания кругового вращающегося магнитного поля?

    Какой принцип действия у асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором?

    Какой принцип действия у синхронного двигателя?

    На какие синхронные скорости выпускаются в нашей стране двигатели переменного тока общепромышленного исполнения?

Под ВМП (Вращающееся Магнитное Поле) подразумевается то поле, градиент магнитного возбуждения которого, не меняясь по модулю, циркулирует со стабильной угловой скоростью.

Наглядный пример

Практическое действие магнитных полей поможет продемонстрировать установка, собранная в домашних условиях. Это вращающийся диск из алюминия, закрепленный на неподвижном импосте.

Если поднести к нему магнит, то можно убедиться, что он не увлекается за магнитом, то есть не намагничивается. Но, если разместить в непосредственной близи вращающийся магнит, то это вызовет неизбежное вращение алюминиевого диска. Почему?

Ответ может показаться простым – вращение магнита вызывают вихревые воздушные потоки, раскручивающие диск. Но все, на самом деле иначе! Поэтому, для доказательства, между диском и магнитом устанавливается органическое или обычное стекло. И, тем не менее, диск вращается, увлекаясь вращением магнита!

Причина в том, что при перемене магнитного поля (а вращающийся магнит именно его и создает) появляется ЭДС (электрическая движущая сила) возбуждения (индукции) , которое способствует возникновению электротоков в алюминиевом диске, обнаруженные впервые физиком А. Фуко (чаще всего их так и называют «токи Фуко») . Появившиеся в диске токи, своим влиянием создают свое, отдельное магнитное поле. А взаимодействие двух полей, вызывает их противодействие и спин алюминиевого диска.

Принцип работы электродвигателя

Проведенный эксперимент порождает вопрос – можно ли без вращения магнита, но с использованием природы переменного тока создать ВМП? Ответ – да, можно! На этом физическом законе построена целая отрасль электротехнического оборудования, в том числе электродвигатели.

Для этого можно взять четыре катушки и расположить их попарно, под 900 относительно друг друга. Затем подавать переменный ток, посменно на одну, а затем на другую пару катушек, но уже через конденсатор. В этом случае на второй паре катушек напряжение сдвинется касательно тока на π/2. Так образуется двухфазный ток.

Если на одной паре катушек нулевое напряжение – магнитное поле отсутствует. На второй паре, в это время напряжение пиковое и МП (магнитное поле) максимально. Попеременное подключение и отключение катушек будет создавать ВМП с изменением направления и постоянной величиной. По сути, был создан электродвигатель, тип которого называется однофазным конденсаторным.

Как создаются трехфазные токи?

Они протекают по четырехжильным проводам. Один играет роль нулевого, а по трем другим подается синусоидальный ток с фазовым сдвигом на 120º. Ели по тому же принципу расположить три обмотки на одной оси под углом 120º и подать на них ток из трех фаз, то результатом будет возникновение трех магнитных вращающихся полей или принцип трехфазного электродвигателя.

Практическое применение

Подача электрического тока по трем фазам, наиболее широко распространена в промышленности, как эффективный способ трансляции энергии. Двигатели и генераторные установки, приводимые в движение трехфазным током, более надежны в эксплуатации, чем однофазные. Их простота в использовании, обусловлена отсутствием необходимости строгой регулировки постоянной частоты вращения, а так же достижение большей мощности.

Тем не менее, двигатели такого типа можно использовать не во всех случаях, так как их обороты зависят от частоты вращения магнитного поля, которое составляет 50Гц. При этом отставание скорости оборотов двигателя, должно быть меньше от вращения магнитного поля вдвое, так как в противном случае не появится эффект магнитного возбуждения. Корректирование скорости вращения ротора электрического двигателя, возможно только при постоянном токе, с помощью реостата.

По этой самой причине трамваи и троллейбусы оснащены двигателями постоянного тока, с возможностью управления частотой вращения. Этот же принцип управления используется на электропоездах, где напряжение переменного тока, в силу перемещения тысячетонных грузов, соответствует 28000V. Преобразование переменного тока в постоянный, происходит за счет выпрямителей, которые и занимают большую часть электровоза.

Все же коэффициент полезного действия в асинхронных двигателях переменного электрического тока достигает 98%. Стоит, так же отметить, что ротор такого двигателя переменного тока состоит из немагнитного материала с преобладающей алюминиевой составляющей. Причина в том, что токи, лучше всего вызывают эффект индукции магнитного поля, именно в алюминии. Пожалуй, единственным ограничением в использовании трехфазного двигателя, является нерегулируемая величина количества оборотов. Но с этой задачей справляются добавочные механизмы такие, как вариаторы или коробки передач. Правда, это ведет к удорожанию агрегата, как и в случае с использованием выпрямителя и реостата для двигателя постоянного тока.

Вот таким образом занимательная физика, вращающееся магнитное поле в частности, помогает человечеству создавать двигатели, и не только, для более комфортного нашего существования.

Проблема изобретения вечного двигателя начала волновать конструкторов и механиков довольно давно. Наличие такого устройства в масштабных размерах могло бы очень сильно изменить жизнь во всех ее проявлениях и ускорить развитие большинства областей науки и промышленности.

Из истории изобретения магнитного двигателя

История первого появления магнитного двигателя начинается в 1969 году. Именно в этом году бал изобретен и сконструирован первый прототип этого механизма, который состоял из деревянного корпуса и нескольких магнитов.

Сила этих магнитов была настолько слаба, что ее энергии хватало лишь на вращение ротора. Этот магнитный двигатель своими руками создал конструктор Майкл Брэди. Большую часть своей жизни изобретатель посвятил конструированию двигателей. И в 90-х годах прошлого столетия он создал абсолютно новую модель, на которую и получил патент.

Первые шаги

Взяв за основу магнитный двигатель, своими руками и с участием помощника Брэди сконструировал электрогенератор, который имел небольшую мощность в 6 кВт. Источником энергии являлся силовой мотор, который работал исключительно на постоянных магнитах.

Но в этой модели был свой недостаток - обороты и мощность двигателя оставались неизменно постоянными.

Эта возникшая трудность подтолкнула ученых к созданию модели устройства, в котором можно было изменять силу момента вращения и скорость вращения ротора. Для этого понадобилось наряду с постоянными магнитами добавить в конструкцию магнитные катушки для усиления магнитного поля.

Так возможно ли сейчас, когда наука шагнула далеко вперед, и нас окружает большое количество уникальных по своей природе вещей, сконструировать двигатель на постоянных магнитах своими руками? Такой двигатель можно сконструировать, но КПД его будет довольно низким, а само изобретение будет выглядеть, скорее, как демонстрационная модель, нежели серьезный агрегат.

Что понадобится?

Для создания упрощенного прототипа магнитного двигателя понадобятся неодимовые магниты, пластиковый или другой диэлектрический обод, вал с наименьшим сопротивлением вращению, некоторые инструменты и прочие мелочи, которые всегда могут быть под рукой.

Процесс сборки

Начинать собирать магнитный двигатель своими руками следует с прочного закрепления неодимовых магнитов по всей окружности имеющегося обода. Магниты должны быть плоские и иметь максимальную площадь. Закрепить магниты можно при помощи клея, располагаться они должны максимально плотно друг к другу, чтобы создать непрерывное единое магнитное поле. Причем все магниты должны быть обращены наружу одинаковым полюсом.

Обод с прочно зафиксированными на нем магнитами стоит закрепить на горизонтальной плоскости, например, на листе фанеры или доске. В центре данной конструкции нужно расположить вращающийся вал, высотой немного больше, чем высота обода.

От верхней части вала должна отходить планка или трубка из непроводникового материала, длиной немного больше радиуса обода, на котором также будет зафиксирован магнит параллельно магнитному кольцу. Причем это магнит должен располагаться таким же полюсом к остальным магнитам, что и закрепленные на ободе.

Таким образом, придав небольшое ускорение магниту, располагающемуся на валу, можно наблюдать его вращение вокруг оси. При этом вращение будет постоянным, если вокруг обода образованно непрерывное магнитное поле. Такое вращение достигается путем взаимодействия одинаковых по знаку магнитных полей, а именно их отталкивания. Магнитное поле, созданное вокруг обода, является более сильным и старается вытолкнуть одиночный магнит за свои пределы, что и вызывает его вращение.

Даже если использовать более сильные магниты, то потенциал данного устройства будет очень малым и никакой практической функции нести не может. Если же попытаться воссоздать его в крупном масштабе, то создаваемое магнитное поле будет настолько мощным, что находиться в зоне его действия человеку будет очень опасно. Помимо этого, силы огромных магнитов может быть достаточно, чтобы возникли неразрешимые проблемы при их транспортировке, связанные с притяжением техники, рельс и прочих металлических предметов.

В будущее с вечным двигателем

Возможность изобретения вечного двигателя неоднократно опровергалась на протяжении многих десятков лет многими физиками, конструкторами и другими учеными. Невозможность его создания доказывалась теоретически и стимулировала возникновение различных законов и постулатов.

Надежда всегда остается, ведь в мире существует огромное количество необъяснимых явлений, секрет которых может послужить новым толчком в развитии науки. Ведь имея возможность сконструировать вечный двигатель и рационально его использовать, можно забыть раз и навсегда о большом количестве проблем, которые поглощают цивилизации в глобальных масштабах.

Можно раз и навсегда позабыть о проблеме добычи топливных ресурсов и, как следствие, об экологической проблеме, возникающей в результате их использования. Создание вечного магнитного двигателя позволит сохранить леса, водные ресурсы и больше никогда не возвращаться к вопросам, связанным с энергетической нестабильностью. Имена изобретателей этого шедевра могут вознестись на пик известности и почитания и быть вписанными в историю на многие века. Ведь эти люди будут достойны наивысших богатств, наград и почестей за свои достижения.

Использование: в качестве привода вращения. В магнитном вращающемся устройстве, на роторе, закрепленном на вращающемся валу, расположено несколько постоянных магнитов по направлению вращения таким образом, что одинаковые магнитные полюса обращены наружу. Таким же образом расположены на роторе балансиры для уравновешивания этого ротора. Каждый из постоянных магнитов размещен с наклоном по отношению к линии радиального направления ротора. На внешней периферии ротора электромагнит расположен навстречу ротору, и прерывисто возбуждается согласно вращению ротора. В заявленном магнитном вращающемся устройстве с постоянных магнитов можно эффективно получать энергию вращения. Это становится возможным благодаря уменьшению, насколько это возможно, подаваемого к электромагнитам тока так, что только потребное количество электроэнергии подается на электромагниты. В этом заключается технический результат. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к магнитному вращающемуся устройству и, в частности, к магнитному вращающемуся устройству, которое использует многократно пульсирующие силы, возникающие между постоянным магнитом и электромагнитом. В обычных электрических моторах якорь в качестве ротора состоит из витков проволоки, а электрическое поле в качестве статора состоит из постоянного магнита. В таких обычных электромоторах, однако, ток обычно следует подавать к обмотке якоря, который вращается. Когда подают ток, то генерируется тепло, что вызывает тот недостаток, что в действительности получается не так много движущей силы. Это в свою очередь приводит к тому, что нельзя получить достаточно эффективные силы магнитного поля от постоянного магнита. Кроме того, в обычном электродвигателе, поскольку конструкция якоря такова, что он состоит из обмоток, момент инерции не может быть очень высоким, так что достаточный крутящий момент не получается. Для того чтобы преодолеть указанные выше недостатки такого обычного электромотора, было предложено в японской заявке N 61868-1993 (патент-аналог США N 4751486) магнитное вращающее устройство, в котором расположено вдоль двух роторов соответственно несколько постоянных магнитов с заранее заданным углом и в котором электромагнит расположен на одном из роторов. В сконструированном, как правило, обычном электромоторе существует предел, до которого можно повышать эффективность преобразования энергии. В дополнение к этому, нельзя получить достаточно высокий крутящий момент электромотора. По приведенным выше причинам в настоящее время различные усовершенствования были проведены на существующих электромоторах без какого-либо успеха. Сконструированный таким образом электромотор обеспечивает удовлетворительные характеристики. В магнитном вращающемся устройстве, раскрытом в японской заявке N 61868-1993 (патент США N 4751486), вращается пара роторов. Следовательно, необходимо, чтобы каждый из роторов имел высокую точность и в дополнение к этому должны быть выполнены измерения для более легкого управления вращением. Наиболее близким к предложению по технической сущности и максимальному количеству сходных признаков является вращающееся устройство, содержащее вращающийся вал, ротор, который закреплен на вращающемся валу, постоянные магниты, расположенные на роторе, и средства для уравновешивания вращения, которые выполнены из немагнитного материала в виде немагнитного ротора, при этом постоянные магниты выполнены плоскими и расположены таким образом, что несколько магнитных полюсов одного типа полярности расположены по внешней периферийной поверхности в направлении вращения и несколько магнитных полюсов другого типа полярности расположены на внутренней периферийной поверхности, причем каждая пара соответствующих магнитных полюсов одной и другой полярности расположены наклонно по отношению к радиальной линии, электромагнитные средства расположены навстречу ротору для развития магнитного поля, которое обращено к магнитному полю ротора, детекторные средства для определения положения вращающего ротора, чтобы обеспечить возбуждение электромагнитных средств (см. заявку WO 94/01924, H 01 N 11/00, 1994). С точки зрения описанных выше проблем, цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать магнитное вращающееся устройство, в котором энергию вращения можно эффективно получить от постоянного магнита при минимальном количестве затрат электроэнергии и в котором регулирование вращения можно проводить относительно просто. Согласно одному аспекту изобретения предлагается магнитное вращающееся устройство, содержащее закрепленный на вращающемся валу ротор с расположенными на нем постоянными магнитами, при этом постоянные магниты расположены таким образом, что их магнитные полюса одной полярности расположены вдоль внешней периферийной поверхности в направлении вращения, а их магнитные полюса другой полярности расположены вдоль внутренней периферийной поверхности, причем каждая пара соответствующих магнитных полюсов и другой полярности расположена наклонно по отношению к радиальной линии; детекторные средства для прерывистого возбуждения электромагнитного средства, взаимодействующего с ротором, электромагнитное средство расположено лицевой поверхностью навстречу ротору для возбуждения магнитного поля противоположной его полюсам полярности с того места, где опережающий постоянный магнит по условию вращения ротора проходит лицевую поверхность электромагнитного средства в направлении вращения, а ротор содержит балансиры для уравновешивания его вращения. Постоянные магниты могут быть выполнены в виде плоских магнитов. Балансиры для уравновешивания вращения ротора выполнены из немагнитного материала. Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предлагается магнитное вращающееся устройство, содержащее закрепленный на вращающемся валу первый ротор с расположенными на нем постоянными магнитами, при этом постоянные магниты первого ротора расположены таким образом, что несколько магнитных полюсов одной полярности расположены вдоль его внешней периферийной поверхности в направлении вращения, а несколько магнитных полюсов другой полярности расположены вдоль его внутренней периферийной поверхности, причем каждая пара соответствующих магнитных полюсов одной и другой полярности расположена наклонно по отношению к радиальной линии детекторного средства для возбуждения первого электромагнитного средства, взаимодействующего с ротором, причем второй ротор, который вращается вместе с первым ротором и закреплен на вращающемся валу, имеет несколько расположенных на нем постоянных магнитов, при этом постоянные магниты второго ротора расположены одной магнитной полярностью вдоль внешней периферийной поверхности в направлении вращения, а другой магнитной полярностью вдоль внутренней периферийной поверхности, причем каждая пара соответствующих магнитных полюсов из одной и другой полярности расположена наклонно относительно радиальной линии, второе электромагнитное средство соединено магнитной связью с первым электромагнитным средством так, что при намагничивании стороны, обращенной к роторам, противоположны по полярности друг другу и создают магнитное поле, идентичное по полярности соответствующим постоянным магнитам роторов так, что они отталкиваются друг от друга, причем электромагнитные средства возбуждаются, когда начальная точка, расположенная между опережающим и последующим постоянными магнитами ротора, сравнивается с центральной точкой первого и второго электромагнитного средства, и обесточиваются, когда проходит последний магнит, причем оба ротора имеют несколько балансиров для уравновешивания. Описание чертежей:

Фиг. 1 - пространственный вид, схематически изображающий вращающееся устройство согласно настоящему изобретению;

Фиг. 2 - вид сбоку магнитного вращающегося устройства, изображенного на фиг. 1;

Фиг. 3 - вид в плане на ротор магнитного вращающегося устройства, изображенного на фиг. 1 и 2;

Фиг. 4 - электрическая схема цепи в магнитном вращающемся устройстве, показанном на фиг. 1;

Фиг. 5 - вид сверху, показывающий распределение магнитного поля, образованного между ротором и электромагнитом (электромагнитным средством) в магнитном вращающемся устройстве, представленном на фиг. 1 и 2;

Фиг. 6 - пояснительная схема, изображающая крутящий момент, который вызывает вращение ротора в магнитном вращающемся устройстве по фиг. 1 и 2. Магнитное поле, развиваемое электромагнитными средствами, и магнитное поле от постоянных магнитов взаимно отталкиваются друг от друга. В дополнение к этому магнитное поле от постоянных магнитов сглаживается магнитными полями от других расположенных по соседству постоянных магнитов и электромагнитных средств. Следовательно, между ними создается крутящий момент, достаточный для вращения ротора. Поскольку ротор обладает высокой инерционной силой, когда ротор начинает вращаться, то его скорость растет под действием инерционной силы и поворачивающей силы. Магнитное вращающееся устройство, соотнесенное с одним примером осуществления настоящего изобретения, будет далее описано со ссылками на следующие чертежи. Фиг. 1 и 2 представляют собой схематическое изображение магнитного вращающегося устройства, соотнесенного с одним примером осуществления настоящего изобретения. По всему описанию термин "магнитное вращающееся устройство" включает в себя электрический двигатель, и в соответствии с его основным назначением получения вращающей силы от магнитных сил постоянных магнитов он относится к вращающимся устройствам, использующим силы магнитного поля. Как показано на фиг. 1, в магнитном вращающемся устройстве, относящемся к одному примеру осуществления настоящего изобретения, вращающийся вал 4 закреплен с возможностью вращения на раме 2 с подшипниками 5. На валу 4 закреплены первый магнитный ротор 6 и второй магнитный ротор 8, оба они создают вращающие силы; и вращаемая масса 10, которая имеет несколько смонтированных на ней стержнеобразных магнитов 9 для получения вращающих сил в качестве энергии. Они закреплены таким образом, чтобы иметь возможность вращаться с вращающимся валом 4. У первого и второго магнитных роторов 6 и 8 расположены, как это будет подробно описано ниже со ссылками на фиг. 1 и 2, первый электромагнит 12 и второй электромагнит 14 соответственно, которые возбуждаются одновременно с вращением первого и второго магнитных роторов 6 и 8, оба они обращены друг к другу и каждый расположен с магнитным зазором. Первый и второй электромагниты 12 и 14 смонтированы соответственно на кронштейне 16, они образуют линию магнитной индукции. Как показано на фиг. 3, каждый из первого и второго магнитных роторов 6 и 8 имеет несколько расположенных на их дискообразной поверхности плоских магнитов 22A - 22H для развития магнитного поля и создания вращающих сил и несколько балансиров 20A - 20H, изготовленных из немагнетиков, для уравновешивания магнитных роторов 6 и 8. Согласно примеру осуществления первый и второй магнитные роторы 6 и 8, каждый, имеют расположенные по дискообразной поверхности 24 с равными промежутками восемь плоских магнитов 22A - 22H на половине внешней периферийной поверхности и восемь балансиров 20A - 20H вдоль другой половины внешней периферийной поверхности. Как показано на фиг. 3, каждый из плоских магнитов 22A - 22H расположен таким образом, что продольная ось 1 составляет угол D относительно радиальной осевой линии 11 дискообразной поверхности 24. В этом примере осуществления для угла D установлены углы 30 и 56 o . Подходящий угол, однако, может быть установлен в зависимости от радиуса дискообразной поверхности 24 и количества плоских магнитов 22A - 22H, которое следует расположить на дискообразной поверхности 24. Как изображено на фиг. 2, с точки зрения эффективного использования магнитного поля предпочтительно, чтобы плоские магниты 22A - 22H на первом магнитном роторе 6 располагались таким образом, чтобы их N-полюса выступали наружу, в то время как плоские магниты 22A - 22H на втором магнитном роторе 8 расположены таким образом, что их S-полюса выступают наружу. Снаружи от первого и второго магнитных роторов 6 и 8 расположены первый и второй электромагниты 12 и 14, обращенные навстречу первому и второму роторами 6 и 8 соответственно с магнитным зазором. Когда первый и второй электромагниты 12 и 14 возбуждаются, они создают магнитное поле, идентичное по полярности соответственным им плоским магнитам 22A - 22H, так, что они отталкиваются один от другого. Другими словами, как показано на фиг. 2, поскольку плоские магниты 22A - 22H на первом магнитном роторе 6 имеют свои N-полюса, обращенные наружу, то первый электромагнит 12 возбуждается таким образом, что сторона, обращенная к первому магнитному ротору 6, создает N-полярность. Подобным образом, поскольку плоские магниты 22A - 22H на втором магнитном роторе 8 имеют свои S-полюса, обращенные наружу, то второй электромагнит 14 возбуждается таким образом, что сторона, обращенная к плоским магнитам 22A - 22H, создает S-полярность. Первый и второй электромагниты 12 и 14, которые магнитным образом соединены с помощью кронштейна 16, намагничиваются таким образом, что стороны, обращенные к их соответственным роторам 6 и 8, противоположны по полярности относительно друг друга. Это означает, что магнитные поля электромагнитов 12 и 14 могут быть эффективно использованы. Чувствительный элемент, такой как микровыключатель 30, предусмотрен на одном любом из роторов, первом магнитном роторе 6 или втором магнитном роторе 8, для определения положения вращения магнитных роторов 6 и 8. Это означает, как показано на фиг. 3, что при направлении вращения плоских магнитов 22A - 22H первый и второй магнитные роторы 6 и 8 соответственно возбуждаются, когда проходит опережающий плоский магнит 22A. Другими словами, при направлении 32 вращения электромагнит 12 или 14 возбуждается, когда начальная точка S 0 , расположенная между опережающим плоским магнитом 22A и последующим плоским магнитом 22B, сравняется с центральной точкой R 0 либо электромагнита 12, либо электромагнита 14. В дополнение к этому при направлении 32 вращения плоских магнитов 22A - 22H первый и второй магнитные роторы 6 и 8 обесточиваются, когда проходит последний плоский магнит 22A. В этом примере осуществления конечная точка E 0 установлена симметрично от начальной точки S 0 на вращающейся дискообразной поверхности 24. Когда конечная точка E 0 сравняется с центральной точкой R 0 электромагнита 12 либо электромагнита 14, то электромагнит 12 или 14 соответственно обесточивается. Как будет показано ниже, при центральной точке R 0 электромагнита 12 или 14, установленного произвольно между начальной точкой S 0 и конечной точкой E 0 , магнитные роторы 6 и 8 начинают вращаться, если электромагниты 12 и 14 и их плоские магниты 22A - 22H обращены друг к другу. Когда используется микровыключатель, такой как чувствительный элемент 30, для определения положения вращения, то допускается, чтобы точка контакта микровыключателя проскользила по поверхности вращающейся дискообразной поверхности 24. Предусматривается такой шаг для начальной S 0 и конечной точки E 0 , что контакт микровыключателя замыкается между начальной точкой S 0 и конечной точкой E 0 . Зона вдоль периферии между ними выступает за другие периферийные зоны вращающейся дискообразной поверхности 24. Очевидно, что может быть использован фотодатчик или подобные ему элементы вместо микровыключателя вроде чувствительного элемента 30 для определения положения вращения. Как показано на фиг. 4, обмотки электромагнитов 12 и 14 подсоединены к источнику 42 энергии на прямом токе через подвижный контакт реле 40, который подключен к серии с обмотками. Последовательная цепь, включающая реле 40 (соленоид) и чувствительный элемент 30, или микровыключатель, подключена к источнику 42 энергии на прямом токе. Кроме того, с точки зрения преобразования энергии, к источнику 42 энергии на постоянном токе подключен переключатель 44, такой как солнечный элемент. Предпочтительно, чтобы источник 42 энергии на постоянном токе имел возможность постоянно заряжаться, используя солнечную энергию или тому подобное. В магнитном вращающемся устройстве, показанном на фиг. 1 и 2, распределение магнитного поля, представленное на фиг. 5, образовано между плоскими магнитами 22A - 22H, расположенными на каждом из магнитных роторов 6 и 8, и электромагнитами 12 и 14, которые обращены к ним соответственно. Когда электромагнит 12 или 14 возбуждается, магнитное поле плоского магнита на плоских магнитах 22A - 22H вблизи электромагнита 12 или 14 искажается в продольном направлении в соответствии с направлением вращения. В результате этого между ними возникает пульсирующая сила. Как это очевидно из деформации магнитного силового поля, пульсирующая сила имеет большую составляющую в продольном или перпендикулярном направлении и создает крутящий момент, как показано по стрелке 32. Подобным образом магнитное поле плоского магнита на плоских магнитах 22A - 22H, которые затем входят в магнитное поле электромагнита 12 или 14, деформируется, поскольку оно перемещается к противоположному полюсу предыдущего плоского магнита в плоских магнитах 22A - 22H, то есть магнитное поле искажается в большей степени и благодаря этому сглаживается. Это означает, что пульсирующая сила, возникающая между плоскими магнитами в плоских магнитах 22A - 22H, которые уже вошли в магнитное поле электромагнитов 12 или 14 больше, чем пульсирующая сила, создаваемая между следующими входящими плоскими магнитами в плоских магнитах 22A - 22H и электромагнитами 12 или 14. Соответственно вращающая сила, показанная стрелкой 32, действует на вращающуюся дискообразную поверхность 24. Вращающаяся дискообразная поверхность 24, которой уже была сообщена сила, продолжает вращаться благодаря инерционным силам, даже тогда, когда она уже обесточена после того, как конечная точка E 0 прошла касание с центральной точкой R 0 электромагнита 12 или 14. Чем больше инерционная сила, тем плавнее вращение. На начальном этапе вращения угловой момент, как изображено на фиг. 6, сообщается вращающейся дискообразной поверхности 24. Это значит, что в начале вращения, как показано на фиг. 6, когда полюс М плоского магнита слегка смещен в направлении вращения от полюса M" электромагнита, пульсирующая сила вступает в действие между обоими полюсами M и M" плоского магнита у вращающейся стороны и электромагнитом у неподвижной стороны соответственно. Следовательно, исходя из соотношения, изображенного на фиг. 6, угловой крутящий момент T возникает на основании формулы T = Fa cos(-), где "a" есть величина постоянная. Этот угловой момент запускает вращение вращающейся дискообразной поверхности 24. После того как вращающаяся дискообразная поверхность 24 начала вращениe, скорость ее вращения постепенно растет вследствие инерционного момента, что позволяет создавать большую вращающую и движущую силу. После того как создано устойчивое вращение вращающейся дискообразной поверхности 24, то можно развивать необходимую электродвижущую силу в катушке электромагнита (не показано) путем вынесения ее наружу вблизи вращающейся массы 10, которая предназначена вращаться вместе с вращающейся дискообразной поверхностью 24. Эта электромагнитная энергия может быть использована по другому назначению. Этот принцип вращения основан на принципе вращения магнитного вращающегося устройства, уже раскрытого в японской патентной заявке 61868 (1993) (патент-аналог США N 4751486 H 01 F 7/14) изобретателем. Это значит, что даже если электромагнит, предусмотренный на одном из роторов магнитного вращающегося устройства в такой патентной заявке, закреплен, то он вращается в соответствии с принципом вращения, раскрытым здесь. Количество плоских магнитов 22A - 22H не ограничивается до "8", как показано на фиг. 1 и 3. Может быть использовано любое количество магнитов. В описанном выше примере осуществления, хотя плоские магниты 22A - 22H расположены вдоль одной половины периферийной зоны дискообразной поверхности 24, а балансиры 20A - 20H расположены вдоль другой половины периферийной зоны, плоские магниты также могут быть расположены вдоль других зон дискообразной поверхности 24. Предпочтительно, чтобы балансиры в дополнение к магнитам были предусмотрены вдоль части периферийной зоны дискообразной поверхности. Противовесы, которые не надо собирать в один блок, могут быть выполнены в виде одного листа пластины, которая проходит по внешней периферийной зоне дискообразной поверхности. В дополнение к этому в описанном примере осуществления, в то время как конструкция выполнена такой, что позволяет возбуждать электромагниты в течение заданного промежутка времени за каждый оборот вращающейся дискообразной поверхности, можно сконструировать электрическую цепь таким образом, чтобы при увеличенном числе оборотов разрешить возбуждение электромагнитов за каждый оборот вращающейся дискообразной поверхности, начиная со второго ее оборота вперед. Далее в описанном выше примере осуществления для постоянных магнитов были использованы плоские магниты, но могут быть использованы и другие типы постоянных магнитов. В действительности, любой тип магнита может быть использован в качестве постоянного магнита настолько, насколько можно расположить несколько магнитных полюсов одного типа вдоль внешней поверхности внутренней периферии и несколько магнитных полюсов другого типа расположить вдоль внутренней периферийной поверхности дискообразной поверхности так, чтобы пара соответствующих магнитных полюсов одной и другой полярности была расставлена с наклоном по отношению к радиальной линии II, как показано на фиг. 3. Хотя в приведенном выше примере осуществления плоские магниты 22A - 22H смонтированы на магнитных роторах 6 и 8, они могут быть электромагнитами. В этом случае электромагниты 12 и 14 могут быть альтернативно электромагнитами или постоянными магнитами. Согласно магнитному вращающемуся устройству по настоящему изобретению можно эффективно получить энергию вращения от постоянных магнитов. Это становится возможным благодаря уменьшению, по возможности намного, тока, подаваемого к электромагнитам, настолько, что лишь потребное количество электроэнергии расходуется на электромагниты. Следует иметь в виду, что для специалиста в данной техники становятся очевидными многие изменения и поправки изобретения, и оно предназначено включить такие очевидные модификации и замены в объем формулы изобретения, представленной здесь.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Магнитное вращающееся устройство, содержащее закрепленный на вращающемся валу ротор с размещенными на нем постоянными магнитами, при этом постоянные магниты расположены таким образом, что их магнитные полюса одной полярности расположены вдоль внешней периферийной поверхности в направлении вращения, а их магнитные полюса другой полярности расположены вдоль внутренней периферийной поверхности, причем каждая пара соответствующих магнитных полюсов одной и другой полярности расположена наклонно по отношению к радиальной линии, детекторные средства для прерывистого возбуждения электромагнитного средства, взаимодействующего с ротором, отличающееся тем, что электромагнитное средство расположено с лицевой поверхностью навстречу ротору для возбуждения магнитного поля противоположной его полюсам полярности с того места, где опережающий постоянный магнит по условию вращения ротора проходит лицевую поверхность электромагнитного средства в направлении вращения, а ротор содержит балансиры для уравновешивания его вращения. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что постоянные магниты выполнены в виде плоских магнитов. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что балансиры для уравновешивания вращения ротора выполнены из немагнитного материала. 4. Магнитное вращающее устройство, содержащее закрепленный на вращающемся валу первый ротор с расположенными на нем постоянными магнитами, причем постоянные магниты первого ротора расположены таким образом, что несколько магнитных полюсов одной полярности расположены вдоль его внешней периферийной поверхности в направлении вращения, а насколько магнитных полюсов другой полярности расположены вдоль его внутренней периферийной поверхности, причем каждая пара соответствующих магнитных полюсов одной и другой полярности расположена наклонно по отношению к радиальной линии, детекторное средство для возбуждения первого электромагнитного средства, взаимодействующего с ротором, отличающееся тем, что оно снабжено вторым электромагнитным средством и вторым ротором, который вращается вместе с первым ротором, закреплен на вращающемся валу и имеет несколько расположенных на нем постоянных магнитов, при этом постоянные магниты второго ротора расположены одной магнитной полярностью вдоль внешней периферийной поверхности в направлении вращения, а другой магнитной полярностью - вдоль внутренней периферийной поверхности, причем каждая пара соответствующих магнитных полюсов одной и другой полярности расположена наклонно относительно радиальной линии, второе электромагнитное средство соединено магнитной связью с первым электромагнитным средством так, что при намагничивании стороны, обращенные к роторам, противоположны по полярности друг другу и создают магнитное поле, индентичное по полярности соответствующим постоянным магнитам роторов, так, что они отталкиваются друг от друга, причем электромагнитное средство возбуждаются, когда начальная точка, расположенная между опережающим и последующим постоянными магнитами ротора, сравнивается с центральной точкой первого или второго электромагнитного средства, и обесточиваются, когда проходит последний магнит, причем оба ротора имеют несколько балансиров для уравновешивания их вращения. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что постоянные магниты выполнены в виде плоских магнитов, а средства для уравновешивания ротора выполнены из немагнитного материала.

В продолжение темы:
Роды

В дни, когда под запретом мясо, раздумья на тему, что приготовить на ужин постного, зачастую становятся весьма мучительными. Особенно в том случае, если пост продолжительный....

Новые статьи
/
Популярные