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

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 сопротивления проволоки (торсиона) калибровался грузиками m, подвешенными на проволоке диаметром 0.1 мм, пропущенной через блок. Лезвие, упирающееся в ось (снизу ротора) предотвращает поворот ротора, подвешенного на торсионе, в вертикальной плоскости.

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).

Рис. 22

Для тока 0.04 А моменты статора и ротора составили 2.05 гс см и 4.29 гс см соответственно при 90 градусах и 2.6 и 5.3 гс см — при 115 градусах. Точность измерения углов поворота составляла порядка 1–2 градуса (0.078 — 0.156 гс см — для момента).

Анализ возможных методических ошибок

Для выяснения влияния внешних магнитных полей на результаты эксперимента было проверено взаимодействие подвешенного статора с возможными внешними полями (ротор был удален). Оказалось, что статор сам поворачивается на малый угол при подаче тока в обмотку. При токе в 1 А статор первого генератора поворачивался на 1.5–2 градуса (направление зависело от направления тока), что соответствует моменту в 0.11-0.16 гс см.

Далее, на том же торсионе был подвешен статор второго генератора. При токе в 1 А угол поворота составил 8.4 градуса и, соответственно, крутящий момент составил 0.66 гс∙см.

Теоретически, поворот статора мог быть вызван взаимодействием магнитного поля статора с магнитным полем Земли. Анализ, основанный на законе Ампера, показывает, что полувитки и радиальные проводники в однородном магнитном поле не создают крутящего момента, и только вертикальные проводники при прохождении тока создают пару сил, которая может повернуть статор вокруг вертикальной оси (Рис. 23).

Рис. 23

Оценка возможного вклада вертикальных проводников в поворот статора, рассчитанная по формуле В = М/Pm (где М — крутящий момент, a Pm — магнитный момент катушки) показывает, что для создания момента в 0.16 гс см (83 х 35 мм вертикальная рамка, содержащая 120 витков) при токе в 1 А внешнее магнитное поле должно достигать примерно 4 Гс (горизонтальная и вертикальная составляющие поля Земли равны порядка 0.16 и 0.55 Гс соответственно).

Более точная оценка внешнего магнитного поля была проведена с помощью цилиндрической катушки с горизонтальной осью (Ф = 45 мм, N = 300 витков), подвешенной на том же торсионе, лазера и зеркала, закрепленного на торсионе в месте его закрепления на катушке. Измерения показали, что внешнее магнитное поле в лаборатории составляет порядка 3.5 Гс и, таким образом, вышеуказанный поворот статора (без ротора) происходит во внешнем магнитном поле, вызванным индустриальными наводками. Если конструкция статора не имеет вертикальных проводников (они практически не участвуют в создании ЭДС и не существенны для работы генератора), то этот эффект должен отсутствовать.

Надо отметить, что этот эффект никак не влияет на представленные выше результаты измерения моментов ротора и статора, так как для тока 0.1 А отклонение, вызванное этим внешним полем, составит всего 0.2 градуса.

Далее, ротор и статор второго генератора были жестко сцеплены друг с другом и подвешены на том же торсионе. Угловое отклонение при токе в 1 А составило от 1 до 7 градусов, в зависимости от положения статора относительно направления внешнего поля. Это свидетельствует о том, что и в этом случае статор поворачивается во внешнем поле. Т. е. связанная система ротор — статор фактически не поворачивается. Но, если бы существовал нескомпенсированный статический момент, то эта система должна была повернуться. В то же время, надо заметить, что вышеуказанный эффект (различие моментов) проявляется в