Изучая диск Фарадея и т.н. "парадокс Фарадея", провел несколько простых опытов и сделал несколько интересных выводов. В первую очередь о том, на что следует обращать больше всего внимания для того, чтобы лучше понять процессы происходящие в этой (и подобных) униполярной машине.
Понимание принципа работы диска Фарадея помогает понять также то, как работают вообще все трансформаторы, катушки, генераторы, электродвигатели (в т.ч. униполярный генератор и униполярный двигатель) и т.п.
В заметке рисунки и подробное видео с разными опытами, иллюстрирующими все выводы без формул и подсчетов, "на пальцах".
Все нижеизложенное - попытка осмысления без претензий на академическую достоверность.
Направление силовых линий магнитного поля
Главный вывод который я для себя сделал: первое, на что стоит всегда обращать внимание в подобных системах - это геометрия магнитного поля , направление и конфигурация силовых линий.
Только геометрия силовых линий магнитного поля, их направление и конфигурация могут внести определенную ясность в понимание процессов, происходящих в униполярном генераторе или униполярном двигателе, диске Фарадея, а также любом трансформаторе, катушке, электродвигателе, генераторе и т.п.
Я для себя распределил степень важности так - 10% физики, 90% геометрии (магнитного поля) для понимания происходящего в этих системах.
Более подробно все описано в видео (см. ниже).
Надо понимать что диск Фарадея и внешняя цепь со скользящими контактами так или иначе образуют хорошо известную со школьных времен рамку - ее образует участок диска от его центра к месту соединения со скользящим контактом у его края, а также вся внешняя цепь (подходящие к контактам проводники).
Направление силы Лоренца, Ампера
Сила Ампера - частный случай силы Лоренца (см. Википедию).
Ниже на двух картинках показана сила Лоренца действующая на положительные заряды во всей цепи ("рамке") в поле магнита типа "бублик" для случая когда внешняя цепь жестко соединена с медным диском (т.е. когда скользящие контакты отсутствуют, и внешняя цепь напрямую припаяна к диску).
1 рис
. - для случая когда вся цепь вращается внешним механическим усилием ("генератор").
2 рис
. - для случая, когда через цепь подается постоянный ток от внешнего источника ("двигатель").
Нажмите на один из рисунков, чтобы увеличить.
Сила Лоренца проявляется (генерируется ток) только в участках цепи, ДВИГАЮЩИХСЯ в магнитном поле
Униполярный генератор
Итак, поскольку сила Лоренца, действующая на заряженные частицы диска Фарадея или униполярного генератора, будет действовать противоположно на разных участках цепи и диска, то для получения тока из этой машины следует приводить в движение (вращать) только те участки цепи (по возможности), направление силы Лоренца в которых будет совпадать. Остальные участки должны быть либо неподвижны, либо исключены из цепи, либо вращаться в противоположную сторону .
Вращение магнита не изменяет однородность магнитного поля вокруг оси вращения (см. последний раздел), поэтому стоит магнит или вращается - не играет роли (хотя идеальных магнитов не бывает, и неоднородность поля вокруг оси намагниченности, вызванная недостаточным качеством магнита , тоже оказывает некоторое влияние на результат).
Здесь важную роль играет то, какая часть всей цепи (включая подводящие провода и контакты) вращается, а какая неподвижна (т.к. только в движущейся части возникает сила Лоренца). А главное - в какой части магнитного поля находится вращающаяся часть, и из какого участка диска производится съем тока.
Например, если диск будет выступать далеко за пределы магнита, то в выступающей за край магнита части диска можно снять ток направления противоположного току который можно снять в части диска расположенной непосредственно над магнитом.
Униполярный двигатель
Все вышесказанное о генераторе справедливо и для режима "двигатель".
Подавать ток надо по возможности в те части диска, в которых сила Лоренца будет направлена в одну сторону. Именно эти участки надо освободить, предоставив возможность им свободно вращаться и "разорвать" цепь в соответствующих местах, поставив скользящие контакты (см. рисунки далее).
Остальные участки надо по возможности либо исключить, либо минимизировать их влияние.
Видео - опыты и выводы
Время разных этапов этого видео:
3 мин 34 сек - первые опыты
7 мин 08 сек - на что обращать главное внимание и продолжение опытов
16 мин 43 сек - ключевое объяснение
22 мин 53 сек - ГЛАВНЫЙ ОПЫТ
28 мин 51 сек - 2 часть, интересные наблюдения и еще опыты
37 мин 17 сек - ошибочный вывод одного из опытов
41 мин 01 сек - о парадоксе Фарадея
Что от чего отталкивается?
Мы с товарищем-электронщиком долго обсуждали эту тему и он высказал мысль построенную вокруг слова "отталкивается
".
Мысль, с которой я согласен - если что-то начинает движение, то оно от чего-то должно отталкиваться. Если что-то движется, то оно движется относительно чего-то.
Упрощенно говоря, можно сказать, что часть проводника (внешняя цепь или диск) отталкивается от магнита! Соответственно на магнит (через поле) действуют силы отталкивания. Иначе вся картина рушится и теряет логику. Про вращение магнита - см. раздел ниже.
На рисунках (можно кликнуть для увеличения) - варианты для режима "двигатель".
Для режима "генератор" работают те же принципы.
Здесь действие-противодействие происходит между двумя главными "участниками":
Соответственно, когда диск вращается, а магнит неподвижен , то действие-противодействие происходит между магнитом и частью диска .
А когда магнит вращается вместе с диском, то действие-противодействие происходит между магнитом и внешней частью цепи (зафиксированными подводящими проводниками). Дело в том, что вращение магнита относительно внешнего участка цепи - это тоже самое, что вращение внешнего участка цепи относительно неподвижного магнита (но в противоположную сторону). В этом случае медный диск в процессе "отталкивания" почти не участвует.
Выходит так, что в отличие от заряженных частиц проводника (которые могут двигаться внутри него), магнитное поле жестко связано с магнитом. В т.ч. вдоль окружности вокруг оси намагниченности.
И еще один вывод: сила притягивающая два постоянных магнита - не какая-то загадочная сила перпендикулярная силе Лоренца, а это сила Лоренца и есть. Все дело во "вращении" электронов и той самой "геометрии
". Но это уже другая история...
Вращение "голого" магнита
В конце видео есть забавный опыт, и вывод о том, почему часть электрической цепи можно заставить вращаться, а заставить вращаться магнит "бублик" вокруг оси намагниченности - не получается (при неподвижной электрической цепи постоянного тока).
Проводник можно разорвать в местах противоположного направления силы Лоренца, а магнит разорвать нельзя
Дело в том что магнит и весь проводник (внешняя цепь и сам диск) образуют связанную пару - две взаимодействующие системы , каждая из которых замкнута внутри себя . В случае с проводником - замкнута электрическая цепь , в случае с магнитом - "замкнуты" силовые линии магнитного поля .
При этом, в электрической цепи проводник можно физически разорвать , не нарушая самой цепи (поставив диск и скользящие контакты ), в тех местах, где сила Лоренца "разворачивается" в обратном направлении, "отпустив" разные участки электрической цепи двигаться (вращаться) каждый в свою, противоположную друг другу сторону, а разорвать "цепь" силовых линий магнитного поля или магнита, так чтобы разные участки магнитного поля "не мешали" друг другу - видимо невозможно (?). Никаких подобий "скользящих контактов" для магнитного поля или магнита кажется еще не придумали.
Поэтому и возникает проблема с вращением магнита - его магнитное поле представляет собой цельную систему, которая всегда замкнута в себе и неразрывна в теле магнита. В ней противоположные силы на участках, где магнитное поле разнонаправленно, взаимно компенсируются, оставляя магнит неподвижным.
При этом, работа силы Лоренца, Ампера в неподвижно зафиксированном проводнике в поле магнита, уходит видимо не только на нагрев проводника, но и на искажение силовых линий магнитного поля магнита.
КСТАТИ! Интересно было бы провести опыт, в котором через неподвижный проводник, находящийся в поле магнита, пропустить огромный ток , и посмотреть - как будет реагировать магнит. Нагреется ли магнит, размагнитится ли, или может быть он просто разломается на куски (и тогда интересно - в каких местах?).
Все вышеизложенное - попытка осмысления без претензий на академическую достоверность.
Вопросы
Что осталось не до конца ясным и требует проверки:
1. Можно ли все-таки заставить вращаться магнит отдельно от диска?
Если дать возможность и диску, и магниту, свободно вращаться независимо друг от друга , и подать ток на диск через скользящие контакты, то будут ли и диск, и магнит вращаться? И если да, то в какую сторону будет вращаться магнит? Для эксперимента нужен большой неодимовый магнит - его у меня пока нет. С обычным магнитом не хватает силы магнитного поля.
2. Вращение разных частей диска в разные стороны
Если сделать свободно вращающимися независимо друг от друга и от неподвижного магнита - центральную часть диска (над "дыркой бублика" магнита), среднюю часть диска, а так же часть диска выступающую за край магнита, и подать ток через скользящие контакты (в т.ч. скользящие контакты между этими вращающимися частями диска) - будут ли центральная и крайняя часть диска вращаться в одну сторону, а средняя - в противоположную?
3. Сила Лоренца внутри магнита
Действует ли сила Лоренца на частицы внутри магнита, магнитное поле которого искажается внешними силами?
Е. И.
Вараксина
,
ГГПИ им. В.Г.Короленко, г. Глазов, Удмуртская респ.;
Проф. В. В.
Майер
,
, ГГПИ им. В.Г.Короленко, г. Глазов, Удмуртская Респ.
Учебные униполярные электродвигатели
Предлагаются учебные экспериментальные исследования униполярных электродвигателей. Подробно описаны конструкции приборов и технологии их изготовления. Внимание читателя обращается на богатейшую информацию о моделях униполярных двигателей в интернете. Статья написана так, что её можно непосредственно рекомендовать учащимся для изучения и последующего планирования исследовательского проекта. При необходимости учитель может давать школьникам отдельные задания, используя для их формулировки соответствующие фрагменты статьи.
В школе изучают коллекторный электродвигатель постоянного тока. Он состоит из неподвижного статора, вращающегося ротора и коллектора, обеспечивающего питание двигателя электрическим током. В качестве статора используют двухполюсный постоянный магнит или электромагнит. Ротор представляет собой электромагнит, ток на который подаётся через полукольца и щётки, образующие коллектор. Однако первый электродвигатель, созданный в 1821 г. великим Фарадеем, был униполярным: в нём использовался только один полюс магнита, коллектор вообще отсутствовал. Экспериментальным исследованиям униполярных электродвигателей и посвящена настоящая статья.
1. Униполярный электродвигатель
Рис. 1. Демонстрационный униполярный электродвигатель
Известно немало различных конструкций униполярных электродвигателей. Один из приборов, применявшихся для демонстрации принципа действия униполярного электродвигателя, изображён на рис. 1. В нём вокруг северного полюса постоянного магнита 1 вращается проволочная рамка 2 . Середина рамки соединена с остриём, которое погружено в чашечку со ртутью 3 , концы рамки опущены в кольцевой сосуд с ртутью 4 .
Электрический ток от правой клеммы проходит через центральную металлическую стойку, ртутный контакт 3 , ветви рамки 2 , кольцевой сосуд с ртутью 4 и боковую металлическую стойку к левой клемме. Воспользовавшись правилом левой руки, нетрудно сообразить, что для указанных на рисунке положения северного магнитного полюса и направления тока на рамку действует пара сил, заставляющая её вращаться в направлении, показанном стрелками.
2. Обсуждение конструкции униполярного двигателя
Рассмотренную модель униполярного двигателя в настоящее время нельзя использовать для воспроизведения в школе или дома. Дело не только в том, что она конструктивно сложна. Главная причина в том, что пары ртути ядовиты, поэтому применение ртути в учебных опытах неприемлемо.
Ртуть в описанных приборах выполняет две функции. Во-первых, обладая хорошей проводимостью, ртуть обеспечивает надёжный электрический контакт с небольшим электрическим сопротивлением между подвижными и неподвижными проводниками. Во-вторых, являясь при комнатной температуре жидкостью, создаёт сравнительно небольшое механическое сопротивление движущимся в ней проводникам.
Отсюда следует, что для создания пригодного для учебных опытов прибора нужно решить проблему хорошего контакта и малого сопротивления между движущимися проводниками.
Сразу приходит в голову идея использовать в кольцевом сосуде вместо ртути доступный электролит, например, водный раствор медного купороса. А как быть со ртутным контактом 3 ? Нужно, чтобы сила трения, возникающая при вращении рамки на острие, была мала, а контакт тем не менее был надёжным.
Нетрудно сообразить, что этим противоречивым требованиям может удовлетворить магнитный контакт, состоящий из постоянного стального магнита и примагниченного к его полюсу стального острия.
3. Учебная модель униполярного двигателя
Рис. 2. Основные элементы учебной модели униполярного двигателя
Для изготовления учебной модели униполярного двигателя придётся немного потрудиться. Все элементы, необходимые для сборки модели и выполнения экспериментального исследования, изображены на рис. 2.
Из медной проволоки диаметром около 1 мм согните П-образную рамку размером примерно 80 × 200 мм. Середину рамки и концы медной проволоки очистите от изоляции. От стального гвоздя диаметром 3–4 мм отрежьте кусок длиной 2–3 см и хорошо заострите один его конец. Получившийся стальной сердечник припаяйте к середине рамки из медной проволоки и подвесьте его к полюсу зажатого в штативной лапке стального полосового или подковообразного магнита. К другому полюсу магнита примагнитьте стальную шайбу с прикрученным к ней многожильным медным проводом в полихлорвиниловой изоляции. Толкните рамку, и вы увидите, как легко она колеблется и крутится на магнитном подвесе.
Подберите цилиндрический пластиковый сосуд диаметром примерно 110 мм и глубиной 40 мм. В центре дна сосуда сделайте круглое отверстие и посредством резинового колечка герметично закрепите в нём медный электрод диаметром 4–6 мм. Вместо медного можно использовать угольный электрод, в качестве которого подойдёт анод одного из элементов батареи карманного фонаря. С частью электрода, выступающей из дна сосуда вниз, соедините многожильный медный провод в изоляции. Сосуд установите на кольцевой керамический магнит диаметром 80 мм от старого динамика.
Статья подготовлена при поддержке салона свадебной и вечерней моды «моя Леди». Если Вы решили приобрести качественный и надежный костюм или платье, то оптимальным решением станет обратиться в салон «моя Леди». На сайте, расположенном по адресу www.salonmylady.ru, вы сможете, не отходя от экрана монитора, заказать офисные платья и костюмы по выгодной цене. Более подробную информацию о ценах и акциях действующих на данный момент вы сможете найти на сайте www.salonmylady.ru.
Рис. 3. Учебная модель униполярного двигателя в работе
Из пенопласта или другого материала малой плотности сделайте диск с отверстием в центре так, чтобы он мог свободно плавать на поверхности жидкости вокруг угольного электрода. Возьмите также две батарейки карманного фонаря на 4,5 В и соедините их последовательно. В стакане воды приготовьте насыщенный раствор медного купороса. Теперь всё готово для эксперимента.
В стоящий на магните пластиковый сосуд налейте раствор медного купороса. Над сосудом в магнитном держателе подвесьте проволочную рамку так, чтобы её оголенные концы погрузились в электролит. Провода, идущие от магнитного держателя и от угольного электрода, соедините с полюсами одной батарейки так, чтобы на прибор было подано напряжение 4,5 В. Если всё сделано правильно, вы увидите, что рамка начинает медленно вращаться вокруг своей оси!
Увеличьте напряжение – рамка начнёт крутиться значительно быстрее. Понятно, что если у вас под руками имеется источник, дающий большее напряжение, вы можете ещё увеличить скорость вращения ротора своего униполярного двигателя. Смените полярность напряжения – и рамка начнёт крутиться в противоположную сторону.
Посмотрите в сосуд с жидкостью: вы видите, что электролит также вращается, но в сторону, противоположную вращению рамки. Чтобы лучше продемонстрировать это явление, поместите на поверхность электролита плавающий диск: он будет крутиться в одну сторону, а рамка – в противоположную (рис. 3)!
4. Современные постоянные магниты
Успех построенной вами модели униполярного электродвигателя в значительной мере обеспечен мощным магнитным полем, создаваемым кольцевым керамическим магнитом. Основой этого магнита является феррит – керамический ферромагнитный материал, получивший широкое распространение около полувека назад.
Рис. 4. Внешний вид неодимовых магнитов
Однако за прошедшие после создания ферритовых магнитов десятилетия техника шагнула далеко вперёд. Современные неодимовые магниты, которые изготавливаются из сплава редкоземельного металла неодима c железом и бором (NdFeB), не идут ни в какое сравнение с керамическими. Они обладают огромной остаточной магнитной индукцией и весьма значительной коэрцитивной силой. Кроме того, поверхности этих магнитов покрыты защитным проводящим слоем. Сфера применения неодимовых магнитов настолько обширна, что легче указать те области, в которых эти магниты пока не используются.
Неодимовые магниты небольших размеров (рис. 4) вполне доступны по цене, и нет ничего проще, как приобрести их в интернет-магазине. Будем считать, что в вашем распоряжении имеется несколько неодимовых магнитов с продольной поляризацией в виде никелированных дисков или шайб диаметром 8–19 мм и толщиной 2–8 мм. На всякий случай напомним, что небольшие неодимовые магниты цилиндрической формы можно извлечь из вышедших из строя миниатюрных динамиков, телефонов и другой электронной техники.
5. Современные модели униполярного двигателя
Теперь приступим к созданию неодимового аналога двигателей, изображённых на рис. 1, 3.
Рис. 5. Униполярный двигатель с неодимовыми магнитами: а – верхний контакт отсутствует, т.к. на катоде элемента лежит изолирующая прокладка; б – прокладка убрана, двигатель работает
К положительному полюсу гальванического элемента 1 примагнитьте один или несколько неодимовых магнитов 2 (рис. 5, a ). Из медной проволоки диаметром около 1 мм согните рамку 3 , форма которой понятна из фотографии. Очистите от изоляции середину и концы рамки. Установите середину рамки на отрицательный полюс элемента так, чтобы её концы слегка касались боковой поверхности магнита. Как только вам удастся уравновесить рамку и обеспечить такой электрический контакт, что по ней пойдёт ток, рамка начнёт вращаться вокруг оси гальванического элемента (рис. 5, б )!
Чтобы вращение было заметно издали, к рамке можно приклеить полоски разноцветной изоленты.
6. Впечатляющая демонстрация униполярного двигателя
Размышляя об униполярном двигателе, мы пришли к выводу, что было бы интересно разработать такую конструкцию, которая обеспечивает вращение массивного ротора. Но такой ротор нужно ещё сделать. А что, если вместо металлического ротора использовать массивные гальванические элементы?
Рис. 6. Демонстрационный униполярный двигатель с массивным ротором
На рис. 6, а показано, к чему привели мысли о мощном униполярном двигателе. Демонстрационную модель униполярного двигателя соберите так. В муфте универсального штатива горизонтально закрепите стальной никелированный стержень 1 и к нему через стальной шарик 2 диаметром 8 мм от подшипника подвесьте неодимовый магнит 3 диаметром 10 мм и толщиной 2 мм. К магниту присоедините анод гальванического элемента 4 на 1,5 В. К первому гальваническому элементу посредством такого же неодимового магнита 5 присоедините второй элемент 6 так, чтобы оба элемента были включены последовательно. На катод второго элемента навесьте 2–3 неодимовых магнита 7 диаметром 19 мм и толщиной 6 мм. С помощью стальной шайбы на магнитах закрепите изогнутую из толстой бумаги П-образную полоску 8 , служащую индикатором вращения. На стержне 1 изолентой закрепите оголённый конец многожильного провода 9 в полихлорвиниловой изоляции, скрученного в спираль для придания ему упругих свойств.
Второй оголённый конец многожильного провода приведите в соприкосновение с боковой поверхностью неодимовых магнитов, висящих на последнем элементе. При этом батарея из последовательно соединённых элементов приходит в быстрое вращение вокруг своей оси (рис. 6, б )!
На зрителей опыт производит сильное впечатление, поскольку, на первый взгляд, отсутствует причина, заставляющая массивную батарею вращаться столь энергично. Вместо двух элементов в опыте можно использовать один, три или четыре последовательно соединённых неодимовыми магнитами гальванических элементов.
В заключение заметим, что нет физических явлений, которые не нашли бы практического применения. Из самых общих соображений вам должно быть ясно, что униполярный электродвигатель может служить и электрогенератором. В производствах, для которых нужны токи силой в сотни тысяч и даже миллионы ампер используют униполярные генераторы, подобные тем машинам, с которыми вы имели дело. Но подробности в следующий раз.
7. Для самостоятельного исследования
1. Магниты и магнитное поле. Какие бывают магниты и как их изготавливают? Что такое остаточная магнитная индукция? Что понимают под коэрцитивной силой? Чему равна магнитная энергия? Ответы на эти и многие другие вопросы вы найдёте на сайте www.valtar.ru/ , где очень интересно и вполне доступно рассказано о современных магнитах и магнитном поле.
2. Неодимовые магниты. Узнать, какие неодимовые магниты имеются в продаже, вы сможете на сайте www.magnitos.ru.
3. Униполярные двигатели. На сайте www.youtube.com/results?search_query=homopolar+motor&search=Search имеется видеоинформация о многочисленных моделях униполярного двигателя, построенных зарубежными учёными-физиками и любителями физики. С этими моделями полезно познакомиться, если вы хотите придумать что-нибудь новенькое.
4. Направления вращения элементов униполярного двигателя. Пользуясь правилом левой руки, определите направления силы Лоренца, действующей на положительные и отрицательные ионы электролита, рис. 3. Определите направление силы Лоренца, действующей на электроны, перемещающиеся в проволочной рамке. Сопоставьте полученные выводы с результатами эксперимента.
5. Сила Ампера. Допустим, что остаточная магнитная индукция вашего неодимового магнита 1,2 Тл, его диаметр 19 мм, сила тока, проходящего по поверхности магнита, 1 А. Оцените модуль силы, приводящей во вращение ротор униполярного двигателя, рис. 6.
Область деятельности(техники), к которой относится описываемое изобретение
Ноу-хау разработки, а именно данное изобретение автора относится к электротехнике, в частности к униполярным двигателям высокого напряжения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Известны униполярные двигатели (генераторы)
Недостатком таких двигателей является то, что они работают при низких напряжениях (4 20 В)постоянного тока, вследствие чего для получения значительной мощности необходим большой ток. В связи с этим эти двигатели почти не используют.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является униполярный двигатель высокого напряжения Особенностью этого двигателя является то, что ротор выполнен в виде диска, его обмотка в виде радиально расположенных, последовательно соединенных проводников, находящихся в секторовидных участках с сильным и слабым магнитным полем, направление тока в которых (от оси ротора или в ней) обеспечивается коллектором, расположенным вблизи оси ротора. Подвод постоянного тока к коллектору обеспечивается контактными щетками, число которых равно числу секторовидных участков с сильным магнитным полем.
Главным недостатком этого двигателя-прототипа является сложность обмотки ротора, которая должна быть выполнена подобно тому, как она изготавливается в традиционных многополюсных машинах постоянного тока. В мощных двигателях эта обмотка очень трудоемка и нередко изготавливается вручную вследствие своей сложности.
Предлагаемый в вариант изготовления обмотки ротора в виде печатной схемы при сохранении конструктивной сложности упрощает изготовление обмотки, однако, делает двигатель маломощным, что является дополнительным недостатком.
Второй дополнительный недостаток двигателя-прототипа сложная конструкция коллектора, обусловленная сложностью обмотки ротора, изготавливаемого подобно коллекторам в традиционных многополюсных машинах постоянного тока.
Третьим дополнительным недостатком двигателя-прототипа является сложная конфигурация магнитного сердечника обмотки возбуждения, формирующего секторовидные участки с сильным и слабым магнитным полем.
Цель изобретения упрощение конструкции униполярного двигателя высокого напряжения (и устранение перечисленных недостатков) путем упрощения обмотки ротора, конструкции коллектора, конфигурации сердечника обмотки возбуждения и уменьшение числа контактных щеток до двух. Это обеспечивает создание униполярных двигателей высокого напряжения с упрощенной конструкцией, как большой так и малой мощности.
Это достигается тем, что униполярный двигатель (генератор) высокого напряжения, содержащий систему возбуждения статора с одинаковыми секторовидными участками сильного и слабого магнитных полей, установленный на валу двигателя дисковый ротор с обмоткой из радиальных проводников, соединенных последовательно, начало и конец обмотки соединены с коллектором и токоподводящими к нему щетками, отличается тем, что обмотка ротора выполнена таким образом, что проводники с противоположным направлением тока расположены соответственно в сильном и слабом магнитных полях системы возбуждения статора, а коллектор выполнен в виде двух групп пластин, расположенных по кругу, причем, число пластин в каждой группе равно удвоенному числу участков с сильным магнитным полем, пластины в каждой группу электрически соединены друг с другом и с одним из концов обмотки ротора, а расстояние между пластинами на 5 10% больше поперечного размера каждой из двух токоподводящих щеток, что необходимо, чтобы избежать короткого замыкания через щетки в момент переключения на коллекторе.
Униполярный двигатель (генератор) отличается тем, что система возбуждения статора выполнена в виде тороидальной обмотки и цилиндрических сердечников с секторовидными выступами, установленных с двух сторон ротора выступ к выступу.
Сущность изобретения состоит в том, что радиально расположенные и последовательно соединенные проводники, образующие обмотку дискового ротора, находятся в неоднородном магнитном поле в виде секторовидных участков с сильным и слабым магнитными полями. При этом обмотка может быть выполнена из одинаковых секторовидных катушек, токоподвод к коллектору осуществляется с помощью всего двух контактных щеток, а неоднородное магнитное поле создается двумя ферромагнитными сердечниками с секторовидными выступами.
Такой двигатель по конструкции проще двигателя-прототипа и по рабочим характеристикам близок к традиционным многополюсным машинам постоянного тока, но значительно проще их по конструкции.
На фиг.1 изображена схема предлагаемого двигателя в продольном разрезе; на фиг. 2а принципиальная схема обмотки дискового ротора; на фиг. 2б схема конструкции коллектора; на фиг. 3 конструкция одного из двух ферромагнитных сердечников, создающих неоднородное магнитное поле в виде секторовидных областей с сильным и слабым полем.
Предлагаемое устройство (фиг. 1 3) содержит статор 1, тороидальную обмотку 2 возбуждения статора, два ферромагнитных сердечника 3 с секторовидными выступами фиг.3), ротор 4, обмотку 5 ротора, секторовидные области 6 слабого магнитного поля (фиг. 2), секторовидные области 7 7 7 сильного магнитного поля, коллектор 8, пластины 9 коллектора, контактные графитовые щетки 10, ось 11 ротора (вал двигателя).
Хорошо известно, что в соответствии с законом Ампера, сила, действующая на проводник с током в магнитном поле предлагаемого двигателя описывается уравнением (система СИ)
f IBl, (1) где I сила тока; l длина проводника, магнитная индукция.
Действие предлагаемого двигателя (генератора) основано на зависимости от .
Конструкция статора двигателя представлена на фиг. 1. Статор имеет общепринятый для униполярных двигателей вид. Это соленоид 2 в виде тороидальной катушки, на оси которой расположена ось двигателя 11. Внутри соленоида расположены два ферромагнитных сердечника 3. Как указано выше, принципиальная особенность конструкции статора состоит в том, что обмотка возбуждения должна создавать неоднородное магнитное поле, состоящее из секторовидных участков, где магнитная индукция имеет большую величину, и подобных же участков, где она в несколько раз меньше. Форма и расположение этих областей показаны на фиг.2а. Области с малым значением заштрихованы.
Для повышения мощности несколько описанных двигателей можно соединить общим валом с таким расчетом, чтобы переключения на коллекторах двигателей происходили в разные моменты времени, что обеспечит более равномерное вращение.
Предлагаемый двигатель имеет два основных преимущества по сравнению с ранее известными двигателями постоянного тока.
По сравнению со всеми ранее известными униполярными двигателями предлагаемый двигатель может работать при значительно более высоких напряжениях, и при этом двигатель будет иметь больший коэффициент полезного действия вследствие меньших потерь мощности на щетках, вследствие их меньшего количества. Двиатель будет иметь также очень широкий диапазон скоростей вращения. Изменение скорости вращения осуществляется так же, как в традиционных двигателях постоянного тока, а именно изменением величины в области с сильным магнитным полем посредством вариации тока в обмотке 2 возбуждения (фиг. 1). За счет большого значения N двигатель может быть низкооборотным, что дает возможность использовать двигатель без механического редуктора.
По сравнению с ранее известными коллекторными двигателями постоянного тока большим достоинством предлагаемого двигателя является простота обмоток возбуждения и ротора. Обмотка возбуждения состоит всего из одной тороидальной катушки. Обмотка ротора может состоять из 4 8 одинаковых секторовидных катушек. Проволока на эти катушки может наматываться на очень простых устройствах (например, на токарном станке), поэтому изготовление наиболее трудоемкой части двигателя постоянного тока (обмотки, которую часто делают вручную) значительно упрощается.
Очень важным дополнительным достоинством предлагаемого двигателя является очень простая конструкция коллектора.
Предлагаемый двигатель большой мощности может быть использован для привода на электрическом транспорте (трамваях, троллейбусах, электровозах, электромобилях, дизель-электроходах). Двигатель может быть применен для привода разнообразных маломощных устройств: магнитофонов, холодильников, стиральных машин и т. п.
Экономический эффект от использования предлагаемого двигателя будет значительным, но количественного его в настоящее время оценить трудно.
Формула изобретения
1. Униполярный двигатель (генератор) высокого напряжения, содержащий систему возбуждения статора с одинаковыми секторовидными участками сильного и слабого магнитных полей, установленный на валу дисковый ротор с обмоткой из радиальных проводников, соединенных последовательно, начало и конец обмотки соединены с коллектором и токоподводящими к нему щетками, отличающийся тем, что обмотка выполнена таким образом, что проводники с противоположным направлением тока расположены соответственно в сильном и слабом магнитных полях системы возбуждения статора, а коллектор выполнен в виде двух групп пластин, расположенных по кругу, причем число пластин в каждой группе равно удвоенному числу участков с сильным магнитным полем, пластины в каждой группе электрически соединены друг с другом и с одним из концов обмотки ротора, а расстояние между пластинами на 5 10% больше поперечного размера каждой из двух токоподводящих щеток.
2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что система возбуждения статора выполнена в виде тороидальной обмотки и цилиндрических ферромагнитных сердечников с секторовидными выступами, установленных с двух сторон ротора выступ к выступу.
Имя изобретателя:
Имя патентообладателя:
Цивинский Станислав Викторович
Дата начала отсчета действия патента:
1993.11.23
В чем принципиальные различия между биполярным и униполярным шаговым двигателем, какой стоит выбрать?
В данной статье будут рассмотрены два типа двухфазных шаговых двигателя - униполярный и биполярный . Подобные названия появились благодаря тому, что в двухфазных шаговых двигателях встречаются два основных типа обмотки катушек, один - биполярный, другой - униполярный. Далее - рассмотрим оба типа подробнее, чтобы разобраться какой из них является более эффективным.
Униполярный шаговый двигатель
Униполярные шаговые двигатели, так же как и биполярные, имеют две обмотки, и каждая из них имеет центральный отвод. В зависимости от требуемого направления магнитного поля, в работу включается соответствующая половина обмотки, что достигается простым переключением ключей и существенно упрощает схему драйвера. Подобный механизм позволяет в качестве управляющей системы использовать простейший униполярный драйвер с четырьмя ключами.
Униполярный двухфазный шаговый двигатель имеет шесть выводов. Но так же бывает, что средние отводы катушек внутри соединены, что позволяет шаговому двигателю иметь только пять выводов. Благодаря простоте в эксплуатации, данные двигатели имеют широкую популярность среди как новичков любителей, так и во многих промышленных отраслях, поскольку униполярный шаговый двигатель является самым примитивным и дешевым способом получить высокоточные угловые движения.
Биполярные шаговые двигатели
С биполярными шаговыми двигателями дело обстоит немного иначе. Данные двигатели имеют только одну обмотку в одной фазе. Управляющая схема биполярного двигателя должна быть намного сложнее, чтобы менять направление магнитного поля с целью изменить направление тока в обмотке. Этого можно достигнуть с помощью схемы H-bridge. К тому же, для упрощения задачи можно приобрести несколько драйверных чипов, которые вам помогут. Биполярные шаговые двигатели, в отличие от униполярных имеют два вывода на одну фазу, ни один из которых не является общим. Иногда H-brigde сопровождают статические эффекты трения, что происходит с определенными приводными топологиями, однако это легко можно исправить, сгладив сигнал шагового двигателя на более высоких частотах. Униполярные шаговые двигатели, в отличие от биполярных, имеют два вывода за фазу, ни одна из которых не является общей. Иногда H-brigde сопровождают статические эффекты трения, что происходит с определенными приводными топологиями, однако это легко можно исправить, сгладив сигнал шагового двигателя на более высоких частотах.
Выводы
Биполярные шаговые двигатели немного сложнее в управлении, но при схожих габаритах, биполярный двигатель способен обеспечить больший момент, в сравнении с униполярным. Однако униполярный двигатель, в противовес биполярному, проще в эксплуатации, и вполне сгодится для привода устройств с небольшой мощностью - бытовая техника (стиральная машина, холодильник), магнитофоны и т.д.