"ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ УСТРОЙСТВ В ОДНОРОДНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ"
Отвечая на вопрос: "Какие из Ваших статей помогли бы читателям понять суть Ваших методов и открытий в первую очередь?" Никола Тесла ответил: ""Принципы увеличения энергии, находящейся в распоряжении человечества" и "Заметки об униполярном динамо"". Название "Принципы работы устройств в однородном магнитном поле" точнее отражает смысл излагаемого материала, хотя и не является переводом названия работы Николы Тесла "Notes on Unipolar Dinamo". Эта статья, как и все другие материалы, требует комментариев и обсуждения, что будет чуть позже в отдельно заведённой теме.
=
Никола Тесла
ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ УСТРОЙСТВ В ОДНОРОДНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ
(
переводстатьи Notes on a Unipolar Dinamo)
Сколько бы ни прошло времени, а фундаментальные открытия и скрытые в них важнейшие истины, по – прежнему дают пищу для ума думающему человеку. Возьмем, к примеру, выдающийся опыт Фарадея с диском, вращающемся между двумя полюсами постоянного магнита (вращающемся в однородном магнитном поле п.п.). Принципы, проявившиеся в этом эксперименте, лежат в основе всех ныне действующих электромоторов и электрогенераторов, но именно эти принципы до сих пор не изучены достаточно глубоко.
Рассмотрим металлический диск (стальной, либо из другого материала, проводящего поток электричества), вращающийся между двумя противоположными полюсами постоянного магнита. Полюса магнита расположены внутри плоскости диска (см. Рис.1). Ток при этом снимается, или подводится через вал и равномерно по всей внешней кромке (periphery) диска. (устройство симметрично, т.е. может быть использовано как электромотор, или как генератор, в зависимости от того: подаем ли мы ток и в результате получаем вращение диска, или вращаем диск и снимаем ток с периферии и центра диска п.п.).
Особенности работы устройства в режиме электромотора
Вращение всех существующих электромоторов вызвано неоднородностью магнитных условий, выраженных изменением в пространстве величины, или направления магнитного поля, что достигается надлежащим изменением тока в обмотках, его коммутацией, или за счёт механики устройства. Обычно мы объясняем себе принцип работы таких устройств по аналогии с принципом водяного колеса: одна неуравновешенная часть (колеса) заставляет крутиться все устройство.
Но в случае с униполярным мотором все иначе:
магнитное поле между полюсами магнита однородно, вся конструкция механически симметрична, однако же - вращение есть! Привычные объяснения здесь неприменимы: вращение вызвано причинами совсем иного характера, понять которые мы сможем, лишь вникнув в саму суть процессов, происходящих в устройстве.
(дальше вместо объяснения "сути процессов, происходящих в устройстве" абзац обрывается)
Работа устройства в режиме генератора не менее интересна
1. Это единственный генератор, выдающий постоянный ток без коммутации обмоток
2. Токи в якоре (диске) направлены таким образом, что создаваемое ими магнитное поле взаимодействует с постоянным полем возбуждающего магнита
под углом 90 градусов. При работе это приводит к тому, что:
- при вращении отсутствует обмен мех. моментами между ротором и статором - т.е. у мотора поле вращающегося диска/цилиндра не создаёт момента в статоре, а у генератора поле статора не тормозит вращение диска/цилиндра как на холостом ходу, так и при подключении нагрузки. Но при протекании тока по диску/цилиндру механический момент действия диска «сам на себя» присутствует всегда: при протекании тока по диску/цилиндру возникает одна и та же сила и вращает диск/цилиндр в сл. мотора, или препятствует его вращению в сл. генератора. Но в обоих случаях при вращении диск/цилиндр влияет лишь сам на себя и не оказывает влияния на статор
- в диске/цилиндре нет самоиндукции ( в якоре нет противоЭДС!!! п.п.). при отдаче генератором тока в нагрузку, или при протекании тока в режиме мотора
Сказанное справедливо при тех соображениях, что:
· токи во внешнюю нагрузку протекают по дисковому якорю полностью симметрично за счет симметричного расположения точек съема с периферии диска и симметричного подключения нагрузки во внешних цепях генератора
· нет эффектов краевого взаимодействия на полюсах возбуждающих магнитов (т.е. магнитный поток в сердечнике магнита достаточно мал и не приводит сердечник в насыщение)
В связи с малыми механическими потерями, можно ожидать, что отдача такого устройства будет гораздо выше, чем у любого другого генератора такого же веса и в котором магнитное поле якоря направлено против возбуждающего поля и ослабляет его. Необычайно высокая отдача униполярного динамо Форбса (Forbes unipolar dynamo) и личный опыт автора подтверждают это предположение. В случае, если полюса возбуждающего магнита не покрывают всю поверхность вращающегося диска, эффективность устройства сильно снижается. Этому можно помешать, если нужным образом организовать траектории движения тока, разбив диск/цилиндр на изолированные участки, или сегменты.
Еще одна поразительная возможность устройства – способность работать в режиме самовозбуждения. Конечно, работу в режиме самовозбуждения облегчает отсутствие самоиндукции в якоре и отсутствие механического и электрического взаимодействия со статором при его вращении.
Система способна под нагрузкой самостоятельно поддерживать свой возбуждающий магнитный поток: если при вращении диска прервать ток, питающий обмотки возбуждающего магнита (в случае использования электромагнита вместо возбуждающего постоянного магнита, упомянутого в начале статьи п.п.), ток продолжает протекать по диску и создаваемое им магнитное поле суммируется с убывающим магнитным полем возбуждающего магнита. Как следствие, в этом случае результирующее возбуждающее магнитное поле убывает относительно медленно. Мы сможем понять - почему это возможно, если изучим направления токов, протекающих в диске.
Рис. 1
На Рис.1 представлены:
· N,S–N’,S’ – постоянные возбуждающие магниты с полярностью, указанной на рисунке
· d - диск, вращающийся в направлении D,
· B-B’ - скользящие контакты для съема потока электричества (подвода в сл. электромотора)
· A - направление протекания потока электричества при этих условиях (генерируемого, или подводимого)
· F - цепь внешней нагрузки генератора (или питания в сл. электромотора)
· a,b,c,d - условный контур, порождающий магнитное поле того же направления, что и возбуждающий магнитный поток
Рассмотрим подробнее работу устройства, представленного на Рис.1, в режиме генератора. Если северный полюс возбуждающих магнитов (
N, N’) находится сверху, плоскость диска совпадает с плоскостью рисунка, а диск вращается в направлении, указанном стрелкой
D, то возбуждаемый в устройстве ток будет протекать в направлении, указанном стрелкой
A (от центра к краю диска). Поскольку все процессы протекают в пределах возбуждающего магнитного потока, а его плотность наиболее высока между полюсами, то при дальнейшем рассмотрении можно считать, что остальная поверхность диска не участвует во взаимодействиях.
Из рисунка видно, что большая часть создаваемого потока электричества не проявляется в цепи внешней нагрузки
F, а протекает через сам диск, замыкаясь «накоротко» через зоны диска не участвующие во взаимодействии. Две ветви этих токов короткого замыкания показаны на
Рис.1 пунктирными линиями. Токи текут в направлениях, обозначенных стрелками
m и
n.
Если бы поле возбуждения создавалось не постоянными магнитами
N-S, а потоком электричества, то для создания поля такого направления, поток должен был бы протекать по контуру в направлении, указанном стрелками
a, b, c, d. Токи короткого замыкания в ветках
«A, B’, m, B»и«A, B’, n, B» будут по – разному взаимодействовать с токами возбуждения в условном контуре
«a, b, c, d»: поле возбуждения ослабляется «набегающим» током ветки
«A, B’, m, B» и усиливается «уходящим» током ветки
«A, B’, n, B».
В заключение рассмотрения процесса взаимодействия токов, протекающих в диске, вращающемся в постоянном поперечном возбуждающем магнитном поле, следует заметить, что токи в ветках
«A, B’, m, B» и «A, B’, n, B» отличаются по величине. Можно сказать, что есть тенденция к постоянному препятствованию протеканию тока в «набегающей» ветке, в то время как ничто не препятствует протеканию тока в «уходящей» ветке. Как следствие – ток в «уходящей» ветке
«A, B’, n, B» всегда будет больше, чем ток в «набегающей» ветке
«A, B’, m, B». Итоговый эффект воздействия токов в рассмотренных «набегающей» и «уходящей» ветках может быть представлен, как некий условно существующий ток, совпадающий по направлению с условным током возбуждения в контуре
«a, b, c, d».
Другими словами – вихревые токи, циркулирующие в якоре рассматриваемого устройства, по большей части усиливают постоянный возбуждающий магнитный поток, а не противодействуют ему.
Истинный результат по смыслу прямо противоположен тому предположению, которое могло быть нами сделано до начала детального рассмотрения процессов, протекающих в данном устройстве. Такая привычка восприятия действия вихревых токов могла возникнуть при постоянном рассмотрении устройств, в которых взаиморасположение первичной и вторичной цепей допускает их индуктивное взаимодействие и, как следствие, возникновение сил реакции вращению якоря, или иных вредных проявлений взаимоиндукции.
Второй важной особенностью, вытекающей из конструкции данного устройства, является предоставление двух различных путей для протекания вихревого тока в якоре. Возможность выбора вихревым током пути наименьшего сопротивления для своего протекания в якоре, приводит к перераспределению вихревых токов и к тому, что большая часть магнитных полей вихревых токов используется полезно, т.е. складывается с полем возбуждающего магнита и усиливает его. В случае отключения потока электричества от электромагнитов, магнитный возбуждающий поток не исчезает мгновенно, а, благодаря подобной подпитке, становится возможным восстанавливать величину возбуждающего магнитного поля, и даже поддерживать его, пока диск вращается с должной скоростью. Естественно, что способность конструкции к самовозбуждению сильно зависит от электрического сопротивления материала диска, определяющего величину вихревых токов, от путей возможного протекания результирующего вихревого тока и от скорости вращения устройства. Иначе говоря – от взаиморасположения возбуждающего магнитного потока и результирующего магнитного потока от вихревых потоков электричества. На некоторой скорости вращения будет достигнут максимум самовозбуждения конструкции. Дальнейшее увеличение скорости вращения приведет к снижению эффекта самовозбуждения до нуля и изменению характера его действия – т.е. результирующее поле вихревых токов будет ослаблять поле возбуждения, а не усиливать его.
Подобный характер изменений проще всего проследить экспериментально, если дать возможность секциям возбуждающих магнитов
N,S–N’,S’ радиально перемещаться относительно вала диска, как показано
на Рис.3.
Рис.3
Если перемещать секцию
N’,S’ по часовой стрелке, приближая к расположению секции
N,S, а направлении вращения диска останется прежним (по стрелке
D см.
Рис.1), то магнитный поток возбуждения секции
N’,S’ переместится вслед за ней, и самовозбуждение устройства будет
увеличиваться по мере увеличения скорости вращения. Это увеличение самовозбуждения будет происходить до того момента, пока не будет пройден максимум,
затем величина самовозбуждения начнет убывать, пока не станет отрицательной, т.е. результирующее поле вихревых токов будет вращаться в противоположную сторону относительно направления вращения диска.
Автор экспериментально наблюдал этот интересный результат действия поля вихревых токов в своих опытах с моторами переменного тока, вращение магнитного поля в которых вызвано соответствующим сдвигом фаз питающих переменных потоков электричества. Для очень низких скоростей вращения поля мотор давал крутящий момент в 900 фунтов и более, измеренных на приводном шкиве диаметром 12 дюймов. По мере увеличения скорости вращения полюсов крутящий момент начинал уменьшаться до нуля, становился отрицательным
и якорь начинал вращаться в направлении, противоположном вращению возбуждающего магнитного потока.
Вернемся к теме обсуждения. Рассмотрим поведение системы в тот момент, когда магнитные потоки от вихревых потоков электричества усиливают возбуждающий магнитный поток и увеличение скорости вращения диска приводит к увеличению самовозбуждения (т.е. максимум еще не пройден). Будем уменьшать величину возбуждающего магнитного потока (напр. уменьшая величину потока электричества в обмотке возбуждения) и синхронно увеличивать скорость вращения диска. Протекающие вихревые потоки электричества могут быть достаточными не только для того, чтобы поддерживать возбуждающий магнитный поток и самих себя, но даже могут возрастать по величине. В этом случае мы получим «Аккумулятор тока» сера Вильяма Томпсона. Естественно предположить, что в этом эксперименте используется несегментированный (цельный) диск, иначе вихревые токи не смогут достигнуть значительной величины и величины самовозбуждения не хватит для стабильной работы устройства. Если мы все же хотим использовать радиально сегментированный диск, то придется замкнуть сегменты диска по периметру способом,
сохраняющим электрическую симметрию системы по отношению к путям короткого замыкания вихревых токов, например - токопроводящим ремнем.
Действие вихревых токов может быть использовано для увеличения полезного магнитного потока в электрических машинах любой конструкции.
Пример конструкции электрической машины, в которой самовозбуждение выполняется с помощью дискового якоря, приведен на
Рис. 2 и
Рис.3.
Рис.2
Некоторое количество магнитных сборок
N,S–
N,S, продольные оси которых совпадают с радиусами диска, расположены симметрично на каждой стороне диска
D. Изолированные катушки
C закреплены на ободе диска и вращаются вместе с ним. Магниты формируют два отдельных возбуждающих магнитных поля – внутреннее (внутри диска) и внешнее (вне диска). Диск вращается во внутреннем, а катушки – во внешнем магнитном поле. Вихревые токи диска и магнитные поля катушек суммируются с полем возбуждения, но если диск не сегментирован, то даже такая конструкция все же будет неэффективна.
Можно повысить эффективность работы устройства, разделив дисковый якорь на сегменты, и модернизировать схему создания постоянного магнитного поля, заменив локальные катушки
C на одну плоскую катушку, превышающую по площади диск, как это показано на
Рис.4.
Рис.4
На
Рис.4 представлен диск, или цилиндр, вращающийся в плоскости чертежа в направлении стрелки
D (по часовой стрелке п.п.) между
N-S полюсами плоского магнита, покрывающего всю площадь верхней и нижней поверхности диска. При этом окружность
d представляет периметр диска, а окружность
d’ представляет периметр нижнего плоского электромагнита, формирующего полюс
S. Верхний плоский электромагнит, формирующий полюс
N, не показан для удобства чтения чертежа. В сердечниках электромагнитов сделаны отверстия, чтобы пропустить сквозь них приводной вал
C.
При указанных на рисунке условиях, ток будет протекать от центра к периферии диска и может переходить во внешнюю цепь по скользящим контактам
B-B’. Если бы диск был цельным, то токи протекали бы от центра к краям диска равномерно по радиусам и никак не влияли бы на величину возбуждающего поля. Но если учесть, что диск спирально сегментирован в направлениях, указанных сплошными линиями на
Рис.4, то траектории отдаваемых в нагрузку токов изменятся с прямых линий на спирали (будут следовать спиральным линиям сегментирования диска п.п.), и это изменит результат взаимодействия полей токов, отдаваемых генератором, с полем возбуждения.
При выше описанных условиях, относящихся к
Рис.4, в случае спирального разделения якоря по сплошным линиям, поля токов, протекающих по диску(вихревых токов и тока, отдаваемого в нагрузку п.п.), будут усиливать возбуждающее магнитное поле. Если же провести сегментирование якоря по пунктирным линиям, то, при тех же условиях, будет происходить ослабление возбуждающего магнитного поля.
В случае, когда вихревые токи усиливают возбуждающее магнитное поле, динамо машина будет способна работать в режиме самовозбуждения, если вихревые токи ослабляют возбуждающее магнитное поле, способность устройства к самовозбуждению будет снижаться.
Возможна совместная работа двух таких дисков с одинаковой, или противоположной сегментацией, вращающихся в одном, или в противоположных направлениях в одинаково, или противоположно ориентированных возбуждающих магнитных полях.
Величина разности потенциалов между валом и периметром диска останется неизменной, а возросшее сопротивление, оказываемое отдаваемому в нагрузку току, можно снизить за счет токопроводящего ремня, замыкающим внешние края всех сегментов диска между собой.
Естественно, что подобное взаиморасположение управляющих элементов возможно и в устройстве,
в котором в качестве якоря вместо диска будет использован цилиндр.
Из устройств, использующих описанные принципы работы в постоянном магнитном поле, можно исключить катушки и постоянные магниты, используемые для возбуждения, оставив только якорь - цилиндр, или два диска, заключенные в металлический кожух.
Вместо спирального сегментирования якоря можно использовать несколько витков толстого провода, расположив их между краем якоря и токосъёмным кольцом, касающимся скользящего контакта – см.
Рис.5. Например, таким образом можно осуществить возбуждение динамо Форбса (Forbesdynamo).
Рис.5
Автор считает по своему опыту работы, что удобнее заменить скользящие контакты по периферии якоря гибким токопроводящим ремнем. В таком случае, для увеличения контактной поверхности с ремнем, края дисков выполняются с широкими фланцами. Несколько лет назад автор построил несколько электрических машин с токопроводящим ремнем, работающих по описанному выше принципу. Устройства показали удовлетворительные технические характеристики, но из – за недостатка времени дальнейшие работы в этом направлении пришлось отложить.
Некоторые из особенностей работы электрических устройств в постоянном магнитном поле, обсуждавшихся в этой работе, автор использовал в конструкциях своих электрических устройств переменного тока.