Экспериментальное исследование нелинейных эффектов в динамической магнитной системе (стр. 1 из 2)
Владимир Рощин, Сергей Годин
Цель нашей работы заключалась в экспериментальном исследовании физических эффектов, возникающих в системе с вращающимися постоянными магнитами [1] и изучении сопутствующих эффектов. Построенную нами экспериментальную установку будем далее по тексту называть конвертором. Вся лабораторная система конвертора была создана исходя из собственных теоретических взглядов, имеющейся технологии и существующих на тот момент финансовых возможностей. Ниже описывается технология изготовления этого конвертора и результаты его испытаний.
Описание технологии
Конструкция лабораторного стенда конвертора с измерительным комплексом обеспечивают широкий диапазон исследований, устанавливают необходимый уровень контроля за рабочим процессом и предоставляют необходимую безопасность экспериментов.
Диаметр магнитной системы рабочего тела конвертора был около 1 метра. Изготовить и намагнитить такой объем в наших условиях не представлялось возможным, поэтому было принято решение изготовить статор из отдельных намагниченных сегментов, выполненных на основе редкоземельных магнитов с остаточной индукцией 0,85Тл, коэрцитивной силой Нс≈600кА/м и магнитной энергией W≈150кДж/м3. Сегменты намагничивались обычным способом путём разряда батареи конденсаторов через индуктор. Далее сегменты собирались и склеивались в специальном стапеле, обеспечивающем необходимые допуски для позиционирования сегментов и отводящем магнитную энергию. Это позволило произвести последующую склейку элементов в общий блок. Для изготовления статора было использовано 110кг редкоземельных магнитов, для изготовления роликов – 115кг того же материала.
Рис. 1. Вариант однорядного выполнения конвертора
Высокочастотное подмагничивание не применялось. Технологию импринтинга, описанную в [1], было решено заменить применением поперечных магнитных вставок с вектором намагниченности, направленным под углом 90 градусов к вектору основной намагниченности статора и роликов. Для этих поперечных вставок использовался модифицированный материал NdFeB с остаточной индукцией 1,2Тл с коэрцитивной силой и магнитной энергией несколько большей Нс≈1000кА/м; W≈360кДж/м3 чем в базовом материале рабочего тела. На рис.1 и рис.2 изображено совместное расположение статора 1, элементов ротора – роликов 2 и способ их взаимодействия посредством поперечных магнитных вставок на статоре и роторе по принципу шестеренчатого зацепления. Между поверхностью статора и роликами был оставлен воздушный зазор – δ, имевший величину около 1мм.
Статор и ролики были обёрнуты сплошным слоем меди толщиной 0,8мм, имевшей непосредственный электрический контакт с магнитами статора и роллеров. Расстояние между вставками на роликах и вставками на статоре находится в определенной зависимости, необходимой для возникновения критического режима.
Рис. 2. Способ организации магнитного зацепления статора и роликов
Диаметр статора 1 и ротора 2 (рис.2) выбирается таким образом, чтобы отношение диаметров статора D и ролика d было целым числом, кратным 4. Это является одним из условий пространственного квантования и достижения резонансного режима между элементами рабочего тела устройства. Необходимое позиционирование обеспечивает условия для возникновения в ближней зоне рабочего тела режима стоячих электромагнитных волн.
Рис. 3. Общая схема однорядного магнито-гравитационного конвертора
Элементы магнитной системы были собраны в единую конструкцию на платформе, собранной из немагнитных сплавов. На рис.3 изображен общий вид платформы с однорядным конвертором. Эта платформа была снабжена пружинами, амортизаторами и имела возможность вертикального перемещения по трём направляющим. Величина перемещения измерялась с помощью индукционного датчика перемещений 14, таким образом сразу определялось изменение веса платформы в процессе эксперимента. Общий вес платформы с магнитной системой в исходном состоянии составлял 350кг.
Статор 1 был укреплён неподвижно, а ролики 2 были укреплены на общем подвижном сепараторе 3 с помощью динамических воздушных подшипников с целью максимального снижения трения. Для передачи вращательного момента сепаратор был жёстко связан с основным валом 4 устройства. Основной вал посредством фрикционных обгонных муфт 5 был связан с пусковым двигателем 6, выводящим устройство в режим самоподдержания вращения и электродинамическим генератором 7. Вдоль ротора были расположены электромагнитные преобразователи 8 с разомкнутыми магнитопроводами 9. Магнитные ролики 2, пересекали магнитопроводы и замыкали магнитный поток через электромагнитные преобразователи 8, наводили в них ЭДС, которая поступала непосредственно на нагрузку 10 в виде ламп накаливания. Электромагнитные преобразователи 8 были оснащены электрическим приводом 11 и обладали возможностью плавно перемещаться по направляющим 12.
Для исследования влияния на характеристики конвертора приложенного высокого внешнего напряжения была смонтирована система радиальной электрической поляризации. На периферии устройства между электромагнитными преобразователями 8 были установлены кольцевые электроды 13, имеющие с роликами 2 воздушный зазор 10мм. Электроды подсоединены к высоковольтному источнику напряжения, причём положительный потенциал был приложен к статору, а отрицательный к кольцевым электродам. Напряжение высоковольтного источника регулировалось в пределах 0...20кВ. В экспериментах обычно использовалось предельное значение в 20кВ.
На случай экстренного торможения ротора на основном валу устройства был установлен фрикционный дисковый тормоз от автомобиля. Электродинамический генератор 7 подсоединялся к активной нагрузке через набор переключателей, обеспечивающий ступенчатое подсоединение нагрузки от 1 до 10кВт с шагом 1кВт.
В испытуемом варианте конвертор имел в своём составе масляный фрикционный генератор тепловой энергии 15, предназначенный для отвода избыточной мощности (свыше 10кВт) в теплообменный контур. Но так как реальная мощность конвертора в эксперименте не превысила 7кВт, масляный фрикционный тепловой генератор не использовался. Полная стабилизация оборотов ротора осуществлялась выдвижными электромагнитными преобразователями, работающими на дополнительную нагрузку в виде набора ламп накаливания с суммарной мощностью 10кВт.
Наблюдаемые эффекты
Конвертор был установлен в лабораторном помещении на трёх бетонных опорах на уровне земли. Высота потолка в помещении была 2,5 метра. Кроме железобетонных потолочных перекрытий, в непосредственной близости от магнитной системы находился обыкновенный электродинамический генератор и электродвигатель, которые содержали несколько десятков килограмм железа и потенциально могли искажать картину наблюдаемых полей.
Установка запускалась в действие путём раскрутки ротора с помощью электродвигателя. Обороты плавно наращивались до тех пор пока амперметр, включённый в цепь питания электродвигателя, не начинал показывать нулевое значение потребляемого тока и наличие обратного тока. Эта соответствовало примерно 550об/мин, при этом, магнитный датчик перемещения платформы 14 начинал фиксировать изменение веса платформы уже при 200об/мин. Далее, с помощью электромагнитной обгонной муфты электродвигатель полностью отключался и к основному валу устройства через электромагнитную муфту подсоединялся обыкновенный электродинамический генератор. При достижении критического режима, который наступает около 550об/мин, обороты ротора резко, с большим ускорением, возрастают с одновременным замедлением текущего изменения веса. В этот момент подключалась первая нагрузка в 1кВт. Сразу же после подключения первой нагрузки обороты начинают падать, а ΔG продолжает расти и т.д., в соответствии с рис.4.
Рис. 4. Режимы работы магнито-гравитационного конвертора
Изменение веса зависит и от отводимой в активную нагрузку мощности (в качестве нагрузки был использован набор из десяти обыкновенных электрические нагревателей для воды по 1кВт) и от приложенного поляризационного напряжения. При максимальной отводимой мощности в 7кВт изменение веса ΔG всей платформы весом в 350кг достигает 35% от веса в неподвижном состоянии (при пересчете на чистый вес рабочего тела конвертора ΔGPT составит около 50%). Нагрузка более 7кВт приводит к постепенному снижению оборотов и выходу из режима самогенерации с последующей полной остановкой вращения ротора.
Весом платформы можно управлять подачей высокого напряжения на сотовые кольцевые электроды, расположенные расстоянии 10мм от внешней поверхности роликов. При подаче высокого напряжения 20кВ (отрицательный полюс на электродах) наращивание отводимой мощности в цепи основного генератора свыше 6кВт не влияет на ΔG, при уменьшении оборотов до 400об/мин., наблюдается «затягивание» эффекта и явление типа «остаточной индукции» по ΔG. Режимы работы конвертора иллюстрируются экспериментальными графиками, приведёнными на рис.4 и рис.5.
Эффект изменения веса обратим относительно направления вращения ротора, и имеет некоторый гистерезис. При вращении по часовой стрелке критический режим наступает в районе 550об/мин и создается тяга против направления вектора гравитации, а при вращении против часовой стрелки, критический режим наступает в районе 600об/мин и создается тяга по направлению вектора гравитации. Наблюдается различие в наступлении критического режима на 50...60об/мин. Следует отметить, что, вероятно, существуют и другие резонансные режимы, соответствующие более высоким оборотам ротора и значительно большим уровням полезной нагрузки. Исходя из теоретических предположений, зависимость выделяемой механической энергии от внутренних параметров магнитной системы конвертора и скорости вращения ротора носит нелинейный характер и полученные эффекты не являются оптимальными. С этой точки зрения, выявление максимальной мощности, максимального изменения веса и ресурса конвертора представляет большой практический и научный интерес. В рассматриваемом варианте конвертора использование более высоких оборотов было недопустимо из-за соображений механической прочности магнитной системы, склеенной из отдельных элементов.