Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №5 - Федорочев

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.

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 обмен моментами, что соответствует 3-му закону Ньютона для вращательного движения. Так как сумма моментов в замкнутой системе должна быть равна 0 (ΣМ = 0), то моменты силы, приложенные к ротору и статору, должны быть равны и противоположны по знаку, и тогда углы поворота ротора и статора также должны быть равны (при одинаковой жесткости торсиона).

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