РОЗДІЛ 21. Використання енергії постійних магнітів

Постійний магніт - вироб, виготовлений з феромагнітного матеріалу, здатного зберігати залишкову намагніченість після вимикання зовнішнього магнітного поля. Властивості магніту визначаються характеристиками розмагнічуемої ділянки петлі магнітного гістерезису матеріалу магніту: чим вище залишкова індукція В і коерцитивна сила F, тем вище намагніченість і стабільність магніту. Характерні поля, що створені постійними магнітами - до 1 Тл. Як показали довгочасні дослідження, коерцитивна сила постійних магнітів згодом змінюється вкрай незначно (у межах від нуля для магнітів з рідкісноземельних матеріалів до 3% для магнітів “Апніко” за 104 годин випробувань). Це означає, що якщо постійний магніт зберігається вдалечині від ліній електропередачі, інших магнітів, високих температур і інших факторів, які несприятливо на нього впливають, він назавжди збереже свої магнітні властивості.

Здатність постійних магнітів робити корисну зовнішню роботу (наприклад, піднімати металеві предмети) була відома давно. Однак лише недавно постійні магніти стали використовуватися в якості перетворювачів енергії. Як приклад на Рис. 21.1. показаний найпростіший маятниковий магніто-гравітаційний двигун із двома магнітами. На цьому Рис. 1 - рухливі магніти; 2 - зворотно-поступальна пружина; 3 - порожня немагнітна трубка; 4 - упори; 5 – нерухомі постійні магніти. Під дією сил відштовхування однойменних магнітних полюсів рухливий магніт 1 починає робити циклічні коливання у вертикальній площині. На лівій частині малюнка показане положення елементів цієї найпростішої магнітомеханічної системи у верхній крапці підйому маятника за рахунок

Рис. 21.1. Найпростіший маятниковий магнито - гравітаційний двигун

енергії магнітних полів силами відштовхування двох магнітів 1 і 5. Спочатку ліва частина пристрою підіймається, разом з порожньою трубою 3 нагору, і, відштовхується від магніту 5. При цьому він одночасно взводить пружину усередині труби (крайнє положення лівого магніту 1 і стислої пружини 2. Далі, під дією сили ваги труба знову спрямовується вниз і при розпрямленні пружини знову зростає сила відштовхування магнітів, і процес циклічно повторюється. Таким чином, даний магніто – гравітаційний пристрій робить комбіноване коливальне й зворотно поступальне переміщення магніту 1 щодо магніту 6, тобто робить пряме перетворення магнітної енергії в механічну енергію. Ще одна конструкція магніто - гравітаційного двигуна обертання показано нарис. 21.2. Цей пристрій містить не магнітний циліндр - 1, закріплений на горизонтальній осі вертикальної опори - 5. Зовні цієї осі й усередині обода розміщений циліндричний магніт - 2 з радіальною намагніченістю й віссю магнітного екватора, що збігається з вертикальною віссю опори - 5. Усередині обода ротора розміщений дуговий постійний магніт - 3, який має із внутрішній радіус, приблизно дорівнює зовнішньому радіусу магніту 2. На рухливих радіальних осях - 4, закріплені металеві кулі - 5. Для підвищення енергетичної ефективності такого мотора вводиться ще й пружинний накопичувач механічної енергії - розташовуваний на осі 4 між ободом 1 і магнітом 3. Пружинний накопичувач на Рис. 21.2. не показаний. Кількість таких пружинно-магнітних штоків може бути й більше. У цьому випадку вони розміщаються на ободі 1 симетрично. Така конструкція тільки підвищить потужність мотора при незмінних габаритах. Для запуску цього мотора необхідно зробити кілька початкових обертів обода 1 пусковим пристроєм. Далі мотор працює вже автономно. Обертання ротора обумовлене тим, що момент обертання

Рис. 21.2. Магнито - гравітаційний двигун з обертанням магнітів

дискового ротора, обумовлений сумою сил гравітації й магнітного відштовхування магнітів на розгінній лівій ділянці траєкторії ротора, більше ніж гальмуючий момент при підйомі вантажу 5. Різниця моментів виникає з - за різних радіусів обертання вантажів 5- на лівому півоберті обода 1 шток 4 висувається, а на правому півоберті обода 1 шток висувається. Регулювання потужності й швидкості ротора досягається поворотом центрального циліндричного магніту навколо осі або зміною робочих зазорів між магнітами. Чим більше магнітна індукція постійних магнітів і вище їх маса - тем вище механічна потужність такого мотора. Природно, сумарна механічна потужність і вироблювана сумарна енергія генератора не перевищують потужності й енергії взаємодії магнітів і гравітаційних сил. Однак наведені пристрої служать лише для демонстрації можливості використання постійних магнітів. Для перетворення потенційної енергії постійного магніту в електричну енергію розроблене й запропоноване багато варіантів двигунів, що використовують у якості робочих тіл постійні магніти. Генерація електричної енергії, у таких пристроях, заснована на використанні енергії магнітного поля феромагнетиків у процесах намагнічування- розмагнічування магнітному ланцюга. У якості феромагнетика можуть бути використані феріти, електротехнічна сталь, сплави, аморфне Численні дослідження показали, що силова взаємодія феромагнітного осердя та постійного магніту може бути в значній мірі промодульовано керуючим сигналом невеликої потужності, що викликають зміну магнітної проникності. Це можна використовувати для створення двигунів, що використовують у якості робочих тіл постійні магніти. Як приклад розглянемо пристрій, показаний на Рис. 21.3. де 1 – постійний магніт, розміщений у корпусі з немагнітного матеріалу; 2 – обкладка; 3 - феромагнітне осердя; 4 - кривошипно-шатунний механізм; 5 - вал електрогенератора; 6- електрогенератор. Як видне з малюнка, постійний магніт, циліндричної форми, закріплений на кривошипно-шатунному механізмі. Зближення магніту й феромагнітного осердя відбувається за рахунок магнітної взаємодії, без витрат потужності від первинного джерела залізо, порошки з доменів постійного магніту та ін.

Після проходження магнітом "верхньої мертвої крапки", матеріал феромагнітного осердя перемагнічується імпульсом струму від схеми керування. Зміна напрямку магнітного поля осердя забезпечує прискорений рух магніту вниз. Генератор, з'єднаний з валом кривошипно- шатунного механізму, забезпечує одержання електричної потужності. Габарити не більш 900×400×200 мм. Одним з перших пристроїв, що використовують енергію постійних магнітів, був "генератор Грама”. У ньому в полюсах нерухомого постійного магніту розміщався обертовий кільцевий ротор з тороїдальною обмоткою, яка торкалась двох діаметрально розташованих контактних щіток. "Асиметрія” процесів намагнічування й розмагнічування кільцевого ротора досягалася зсувом моменту подачі напруги на тороїдальну обмотку. Значно пізніше (в 1996 році) російський інженер А. Фролов удосконалив генератор Грама. Спрощений пристрій цього генератора показано на Рис. 21.4. У його конструкції нерухомим було кільце - 1 з обмотками L2 і L3, а в якості джерела змінного магнітного поля використовувалася ще одна обмотка L1, розташована в центрі. При цьому два магнітні потоки від двох котушок навантаження взаємно компенсуються, і, таким чином, у первинному ланцюзі реакція відсутня. В 2003р. С. Хартман сконструював тороїдальний генератор, струм на виході якого становив - 40 А при напрузі 6,5 В. У літературі досить широко описані генератори струму, засновані на використанні ефекту “самопідтримуючого обертання”. В 50-х роках минулого сторіччя Дж. Серл

Рис. 21.3. Пристрій для використання енергії постійного магніту

Рис. 21.4. Пристрій генератора Фролова

виявив незвичайну взаємодію постійного магніту з магнітними роликами, розташованими на його поверхні, що відображається в мимовільному коченні роликів після додання одному з них невеликого імпульсу. Цей ефект із позицій енергодинаміки може бути пояснений явищем “запізнювання потенціалів”, яке в середовищах з перемагнічуванням і переполяризацією виникає вже при відносно невеликих швидкостях взаємного руху магнітів. Він обумовлений відмінністю сил притягання й відштовхування магнітів при їхньому відносному русі. На цьому ефекті сконструйовано генератор, який може розглядатися як електродвигун, що складається тільки з постійних магнітів циліндричної форми й нерухливого кільця. На Рис. 21.4. показаний генератор найпростішої форми, що полягає з нерухливого кільцевого магніту - 1, називаного підставою, і деякої кількості циліндричних магнітів, або роликів - 2. У процесі роботи кожний ролик обертається навколо своєї осі й одночасно обертається навколо підстави таким чином, що будь-яка фіксована крапка на бічній поверхні ролика описує циклоїду із цілим числом пелюсток. Для знімання енергії, по окружності підстави розміщені електромагнітні перетворювачі у вигляді С - образних магнітів з обкладкою, при перетинанні яких магнітними роликами виникає електрорушійна сила. Виміри показали, що виникає електричний потенціал у радіальному напрямку. Підстава заряджається позитивно, а ролики - негативно. У принципі, генератор не має потреби в якій-небудь арматурах для підтримки механічної цілісності, тому що ролики притягаються до кільця. Проте, при використанні генератора для механічної роботи повинні використовуватися вали для передачі моменту. Більше того, якщо генератор змонтований у корпусі, ролики повинні бути трохи коротше висоти підстави для запобігання зачіпання про корпус або інші частини. При роботі створюються зазори в результаті електромагнітної

Рис. 21.5. Спрощена схема генератора Серла

взаємодії між кільцем і роликами, що запобігають механічний і гальванічний контакт між підставою й роликами, що й зменшують тертя до незначної величини. Експерименти показали, що вихідна потужність збільшується з ростом кількості роликів і для досягнення плавного й надійного обертання, відношення діаметра підстави до діаметра ролика повинне бути цілим позитивним числом, більшим, ніж 12. Більш складна конфігурація може бути утворена шляхом додавання додаткових секцій, що складаються із основного кільця й відповідних роликів.

У Росії ефект Серла досліджувався в Інституті високих температур РАН. Співробітники цього інституту В. Рощин і С. Часів в 1992 р. побудували подібний серловському генератор, який вони назвали “магнітодинамічним конвертором”. Він являв собою статор із секторними постійними магнітами й кільцевий ротор з обертовими магнітними роликами. Діаметр ротора становив 1 м., а його маса - 500 кг. Сегменти ротора виконані на основі рідкісноземельних магнітів із залишковою індукцією 0,85 Тл. Вони намагнічувалися шляхом розряду батареї конденсаторів через індуктор. Зчеплення роликів з кільцевим магнітом ротора здійснювалося за принципом шестірень розміщенням у статорі й роликах поперечних магнітних вставок з Ndfeb із залишковою індукцією 1,2 Тл. Між поверхнею статора й роликами був залишений повітряний зазор 1 мм. По окружності ротора були також розміщені електромагнітні перетворювачі у вигляді С - образних магнітів з обмоткою, які замикалися роликами, при перетинанні якими магнітопроводів виникала електрорушійна сила (ЕРС). Одночасно на валу ротора був установлений звичайний електрогенератор, а також електродвигун для первинного розкручування ротора. Установка запускалася в дію шляхом розкручування ротора за допомогою електродвигуна. Максимальна потужність, що приділяється, в

Рис. 21.6. Зовнішній вигляд генератора Серла.

установці склала 7 кВт. Недавно швейцарська фірма SEG оголосила про випуск на ринок генератора, що працює на ефекті Серла. Це компактний, 15-ти кіловатний генератор, з розмірами приблизно 46×61×12 див, який можна настроїти для виробітку постійного або змінного струми різної напруги в діапазоні від 12 до 240 В. Кожний такий генератор здатний виробити 60 МВт/год енергії, перш ніж постане необхідність у його перемагнічуванні. Пропонована модель генератора “D15AP” складається із трьох чотиришарових концентричних кілець, кожне з яких виготовлено з композита. Ці кільця розташовані по відношенню друг до друга концентрично й прикріплені до підстави. Навколо кожного кільця вільно обертаються ролики в кількості 10 штук навколо першого кільця, 25 - навколо другого й 35 - навколо третього. За роликами, розташованими по діаметру зовнішнього кільця, знаходяться котушки, з'єднані різними способами, що дає можливість виробляти або постійний, або змінний струм різної напруги. Вихідні котушки повинні бути розраховані таким чином, щоб напруга на виході становила 240 В, при 15 кВт потужності. Генератор являє собою свого роду набір вільних від тертя підшипників і одночасно систему із трьох обертових трансформаторів в одному корпусі, на виході якого висока напруга. Зовнішній вигляд генератора показано нарис. 21.6. Цікава конструкція магнітного двигуна, запропонована Олексієнко В.Г., була запатентована в Росії. Пристрій цього двигуна показано на Рис. 21.7. де: 1 – постійний магніт-статор; 2,3 - постійні магніти-ротори; 4 – обертаючийся диск; 5 - шток; 6 - опора обертання. Як видно з малюнка, двигун складається з диска (маховика), закріпленого на осі обертання. На ньому закріплено два підковоподібних постійних магніта ротора, які разом з диском (маховиком) можуть вільно обертатися навколо осі. Паралельно диску (маховику) двигуна на штоку закріплений нерухомо циліндричний постійний магніт статора, який разом зі штоком може перемішатися в зону дії магнітних полів постійних магнітів ротора, розташованих на робочому диску. Усі магніти звернені друг до друга однойменними полюсами.

Рис. 21.6. Пристрій двигуна Олексієнко

При введенні магніту 1 за допомогою штока в зону дії магнітів (2 і 3) їх магнітні поля полюсів N вступають у взаємодію. Вони складаються і їх результуючий діючий момент підсилюється. При цьому виникають у горизонтальній площині сили відштовхування в магніту 1 (статора), спрямовані радіально до поверхонь конічних торців полюсів N магнітів 2 і 3 (ротора). У зв'язку з тим, що диск із магнітами 2 і 3 має ступінь свободи й може вільно обертатися навколо осі, то під впливом відштовхуючої сили магніту N1 (статора), що діє на поверхні конічних торців полюсів N магнітів (ротора) диск обертається по колу. Внаслідок цього й відбувається безперервне обертання диска, тобто (ротора) навколо осі. Двигун працює від енергії сильних магнітних полів постійних магнітів за рахунок різниці потенціалів магнітної енергії на полюсах магнітів ротора і їх нейтральних зонах. На Рис. 21.7. зображений другий варіант магнітного двигуна Олексієнко В.Г. На цьому Рис. показаний магніт 1 (статор), що має форму кола закріпленого на опорі 4. Паралельно магніту 1 розташований

Рис. 21.7. Другий варіант магнітного двигуна

підковоподібний магніт 2 (ротор), який закріплений на диску зі штоком. Полюса N і S магніту 2 мають конусоподібну форму під кутом 40-45 градусів.