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.

Униполярный двигатель - очень удачное применение сверхпроводящих магнитов, поскольку здесь требуется более высокая напряженность поля в большом объеме и отсутствует механическая реакция поля и ротора. Самая сложная криогенная проблема при сооружении больших сверхпроводящих магнитов связана с наличием сил взаимодействия между магнитом, находящимся при низкой температуре, и его окружением, находящимся при комнатной температуре. В случае униполярного двигателя эти силы отсутствуют.  

Фарадеем униполярного двигателя, были созданы сотни оригинальных униполярных машин. Но, пожалуй, самой замечательной униполярной машиной является наша планета Земля.  

Пожалуй, самым интересным МГД-двигателем является униполярный двигатель с жидким ротором планеты Земля. Этот МГД-двигатель расположен на границе твердого и жидкого ядра нашей планеты.  

Как и все электрические машины, униполярный двигатель имеет статор и ротор. Ротором двигателя планеты служит жидкая часть ядра и жидкая магма, двигающаяся в сферической оболочке между твердым ядром, твердой магмой и корой Земли.  

Отличие двигателя планеты от сферических гиродинов космических летательных аппаратов состоит в том, что униполярный двигатель Земли имеет жидкий ротор, внутренний статор и внешнюю оболочку. Обычно технические гиродины питаются переменным током высокой частоты, а гиродин планеты - униполярный двигатель.  

Активное сопротивление Л - сопротивление контура продольных токов ядра Земли, в котором протекают токи МГД-генератора и униполярного двигателя.  

Электромеханическая модель Земли состоит из двух электрических машин: МГД-генератора, преобразующего механическую энергию космических частиц в электрическую энергию, токов радиационных поясов (7рп) и токов в ядре (/) и униполярного двигателя, ротором которого является жидкая часть магмы, а статором - твердое ядро и литосфера. Обе машины объединены магнитным полем Земли и образуют электрическую машину - планету Земля.  

В ударном режиме ротор униполярного генератора, совместно с маховиком или без него, используется как накопитель кинетической энергии, которая при подключении нагрузки преобразуется в электрическую. Униполярные двигатели находят применение в установках, где требуется иметь минимальную индуктивность цепи якоря. При необходимости генерирования больших токов униполярные генераторы превосходят машины постоянного тока с коллектором, так как в них не требуется принимать мер для обеспечения удовлетворительной коммутации; кроме того, в них отсутствуют магнитные потери в стали и некоторые добавочные потери.  

Момент вращения Земли вокруг своей оси создается токами ее ядра, а электромеханическое преобразование энергии в МГД-двигателе происходит в зоне наибольшей концентрации энергии магнитного поля - в зоне на границе твердого ядра и его жидкой части и магмы. В униполярном двигателе планеты развиваются огромные электромагнитные силы и моменты, которые как и в обычных электрических машинах, должны быть приложены к железным участкам твердого ядра.  

Довольно точно можно сказать, что наибольшее применение в настоящее время сверхпроводящие магниты нашли в области физических исследований. В промышленности они применяются в униполярных двигателях и генераторах. Униполярный двигатель представляет очень простое устройство, в котором проводящий диск вращается между полюсами магнита.  

Первым двигателем постоянного тока и первой электрической машиной, в которой преобразование энергии осуществлялось в магнитном поле, был униполярный двигатель Фарадея, предложенный им в 1821 г. (рис. 11). В этом двигателе проводник с током 1 вращался вокруг постоянного магнита 2. Контакт вращающейся части электрической цепи с не­подвижной осуществлялся ртутью 3, налитой в чашку. Преобразо­вание энергии в простейшем по конструкции двигателе Фарадея и других униполярных машинах строго не описывается матема­тическими уравнениями электрических машин.

Униполярные машины в отличие от других электрических машин не получаются из обобщенной машины путем простых рас­суждений, так как в якоре ее протекает постоянный ток и нет преобразователя частоты, который применяется в обычных дви­гателях постоянного тока или вентильных двигателях.

В униполярных машинах как в обмотке возбуждения, так и в обмотке якоря протекает постоянный ток. Убедительным и, пожалуй, единственным объяснением работы униполярных машин может быть то, что при обходе электрической цепи она состоит из двух или нескольких подвижных и неподвижных частей, имеющих скользящий контакт. Нельзя построить бесконтактную униполярную машину.

Рис. 11. Двигатель Фарадея

В электромеханике получилось так, что развитие электрических машин началось не с первого изобретения - двигателя Фарадея, а с появившейся позже машины Пачинотти-Грамма. Двигатель Фарадея послужил началом истории униполярных машин, но как бы ни развивалась история электромеханики, первую электриче­скую машину с рабочим магнитным полем предложил Фарадей. На рис.12 представлена схема современной униполярной машины. На стальном роторе 1 в пазах расположены медные стержни 2, которые присоединены к кольцам 3. По кольцам сколь­зят щетки 4, с помощью которых осуществляется контакт и с ро­тора снимается постоянный ток. Магнитное поле создается обмот­кой возбуждения 5. Магнитный поток замыкается по цилиндри­ческому статору 6 и ротору 1, проходя через два воздушных зазора.

В униполярных машинах нет коллектора и нет механического преобразователя частоты. Они занимают особое место в электро­механике, но, как и во всех электрических машинах, энергия концентрируется в воздушном зазоре и к ним применимы уравне­ния электромеханического преобразования энергии.

Рис.12.Униполярная машина

В системе координат d, q моделирование уравнений происходит при протекании по обмоткам статора и ротора постоянных токов. Уравнения машин постоянного тока и синхронных машин широко применяются при исследованиях и почти всегда дают правильные ответы на возникающие вопросы. Конструктивным воплощением этой математической модели являются обычные синхронные ма­шины, машины постоянного тока и униполярные машины.

Конструкция униполярной машины, позволяющая наглядно рассмотреть процессы преобразования энергии, представлена на рис. 13. В этой машине ротор 1 выполняется из одной поковки с валом. Статор состоит из двух массивных полусфер 2, в которых помещаются катушки возбуждения 3. Магнитный поток Ф через два воздушных зазора замыкается по ротору и статору. Щетки 4 установлены на валу и внешней поверхности ротора. Ток замы­кается по внешней цепи и по диску ротора. Недостатком этой ма­шины являются плохие условия работы щеточного контакта на внешней поверхности ротора.

В униполярных машинах витки с током, роль которых выпол­няет массивный ротор, пересекают силовые линии магнитного поля, создаваемого обмоткой возбуждения. Магнитный поток неподви­жен относительно обмотки возбуждения и щеток.

Рис. 13. Униполярная машина с дисковым ротором

Если щетки и обмотка возбуждения будут вращаться относительно ротора, то при частоте вращения ротора () и частоте вращения поля (), равной частоте вращения щеток (), == , эдс будет равна нулю (щетки вращаются в ту же сторону, что и ротор). Можно при неподвижном роторе и вращающихся щетках снять напряжение. При этом момент должен быть приложен к статору. При вращении ротора и статора вместе с обмоткой возбуждения и щетками в противоположные стороны напряжение зависит от относительной частоты вращения. При этом момент должен быть приложен к статору и ротору. Как и обычные электрические ма­шины, униполярные машины с вращающимся статором и ротором двухмерные электрические машины, имеющие при матема­тическом описании процессов преобразования энергии два урав­нения движения.

При неподвижной обмотке возбуждения и неподвижном роторе и вращающихся щетках напряжение на щетках и во внешней цепи равно нулю, так как силовые линии поля неподвижны отно­сительно контуров токов ротора.

Обычно униполярные машины строятся на низкие напряжения. Однако можно повысить напряжение, подводимое к униполярному двигателю, соединяя последовательно щетки и кольца. Как и в обычных двигателях постоянного тока, ток якоря создает реакцию якоря. Для компенсации реакции якоря в униполярных машинах применяют компенсационную обмотку, выполняемую на статоре.

Как уже отмечалось, для непрерывной работы униполярной машины необходимо, чтобы было два участка электрической цепи, соединенных между собой контактами. Для этого обмотка в унипо­лярных машинах должна состоять из стержней, а не образовывать витка, замыкающегося в магнитном поле, так как полярность при обходе якоря не изменяется (рис. 14). Индукция В направ­лена перпендикулярно плоскости витка, скорость движения витка v равномерная.

Нельзя выполнить обмотку с внешней длиной электрической цепи, равной нулю, так как при этом и стержень должен иметь длину, равную нулю (рис. 14, б), но внешней цепи может и не быть, тогда обмотку в виде секций в униполярной машине сделать нельзя (рис.14, а).

За полтора века, прошедших со времени изобретения Фарадеем униполярного двигателя, были созданы сотни оригинальных униполярных машин, но, пожалуй, самой замечательной унипо­лярной машиной является наша планета Земля. Магнитное поле Земли создается постоянными токами, протекающими в расплав­ленном ядре и радиационных поясах (рис. 15). В самом упрощен­ном виде магнитное поле Земли показано на рис. 15. Между тончайшей корой 1 на поверхности Земли и ядром 2 находится магма 3. Если представить, что есть относительные перемещения ядра относительно магмы и коры относительно магмы, то за счет ничтожных перемещений коры Земли могут наводиться токи I униполярной индукции (рис.15).

Как и в униполярных машинах, магнитное поле жестко связано с токами, а токи - с ядром Земли. Перемещения коры приведут к появлению токов, замыкающихся в коре и магме. В этой гигант­ской униполярной машине щетками являются тысячекилометровые слои магмы, практически неподвижные на расстояниях сотен километров. Индукция магнитного поля на поверхности Земли околоТ. Имея длину машины в тысячи километров, при относительных перемещениях в несколько сантиметров в минуту эдс может достигать нескольких вольт, а токи - огромных зна­чений.

Рис. 15. Униполярная машина - планета Земля.

Униполярные токи, по-видимому, замыкаются в приграничном слое между корой и магмой. Но они могут замыкаться и на по­верхности Земли, так как магма может иметь выходы на поверх­ность Земли в нескольких точках мирового океана, отстоящих на тысячи километров друг от друга. Униполярная машина - Земля - может работать в режиме генератора и двигателя. Изучение униполярной индукции в глобальных масштабах имеет важное значение и может оказаться полезным для практических применений.

Униполярная индукция в слабых магнитных полях может проявлять себя при больших скоростях и изменении площади, охватываемой контуром, в котором замыкаются токи. Примером может служить вхождение кометы или метеоритов в магнитное поле Земли. Если хвост кометы электропроводящий, то при быст­ром изменении ds/dt могут возникнуть значительные изменения потока Ф и эдс.

Униполярные двигатели и генераторы всегда привлекали внимание электромехаников своей сложностью и красотой, и их возможности далеко еще не исчерпаны.

Использование: в качестве привода на электрическом транспорте, а также других маломощных устройств, стиральных машин, холодильников и т. д. Сущность изобретения: статор выполнен в виде тороидального соленоида 2, внутри которого расположены два ферромагнитных сердечника 3. По их окружности выполнены чередующиеся секторовидные области с сильно отличающимися значениями индукции. Радиальные проводники 5 ротора соединены последовательно. Две группы проводников, в которых ток течет в противоположных направлениях располагаются в области с сильно отличающимися значениями индукции. Сила, действующая на проводники 5, в областях с большей индукцией значительно больше и при этом возникает крутящий момент. При вращении проводники 5 с противоположным направлением тока в обмотке ротора входят в область статора с большим значением индукции. Чтобы вращение продолжалось, направление тока в обмотке ротора изменяется на противоположное с помощью коллектора. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к униполярным двигателям высокого напряжения. 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. Конструкция ротора приведена на фиг. 1 и 2а. Радиально расположенные проводники с током 5 соединены последовательно, так как показано на фиг. 2а. Две группы проводников, в которых ток течет в противоположных направлениях (к оси ротора или от нее), располагаются в участках с сильно отличающимися значениями индукции . Сила, действующая на проводники, расположенные в участках с большим , окажется значительно больше и возникает крутящий момент. При вращении проводники второй группы с противоположным направлением тока начнут входить в участки с большим значением . Чтобы вращение двигателя продолжалось, необходимо направление тока в обмотке ротора изменить на противоположное, что достигается с помощью простого коллектора 6, устройство которого показано на фиг. 2б. Коллектор состоит из двух групп пластин, расположенных по кругу и соединенных друг с другом. Каждая из групп соединена с концом обмотки 5 ротора. Число пластин коллектора невелико и равно удвоенному числу n участков с высоким значением . Минимальное значение n= 2. Для работы коллектора достаточно двух щеток 12 (фиг. 1). Расстояние между пластинами на 5 -10% больше поперечного размера каждой из двух токопроводящих щеток 10. Расположение участков с большим и малым значением В (фиг. 2а) можно создать несколькими путями. Самый простой вариант можно реализовать при использовании тороидальной обмотки 2 возбуждения (фиг. 1), когда для создания значительного магнитного поля применяют ферромагнитные сердечники. Конструкция таких сердечников показана на фиг.3: по окружности расположены секторовидные выступы 13, 15, 17 и 19 и впадины 14, 16, 18 и 20. Ротор 4 (фиг. 1) находится между двумя сердечниками 3, расположенными выступ к выступу. Благодаря малому зазору между выступами магнитное поле в этих областях имеет высокое значение . Между впадинами значение значительно меньше. В качестве выступов на ферромагнитных сердечниках 3 можно также использовать постоянные магниты с секторовидными полюсами. При этом отпадает необходимость в тороидальной обмотке 2 возбуждения (фиг. 1). Вместо постоянных магнитов можно использовать также секторовидные соленоиды. Как видно из фиг. 2, при одновременном изменении направления тока в обмотке возбуждения (т.е. изменения направления магнитного поля на противоположное) и в роторе двигателя направление крутящего момента не изменится. Поэтому принципиально, предлагаемый двигатель может работать и на переменном токе. Если рабочее напряжение традиционного униполярного двигателя V o , то при той же скорости вращения и индукции магнитного поля напряжение будет V V o nN, (2) где n число областей с высоким значением , т.е. число участков с токами одного направления, N число проводников в одном таком участке. Число проводников в обмотке ротора (фиг. 2а) является минимально необходимым для работы двигателя элементарная обмотка. Это число может быть увеличено во много раз путем многократной укладки элементарных обмоток и их последовательного соединения. В частности, это можно осуществить путем последовательного соединения секторовидных катушек. При этом величина N окажется очень значительной. Так как N может быть значительным, рабочие напряжения двигателя (генератора) будут большими и, в частности, более высокими, чем в двигателе-прототипе В результате удельная мощность двигателя существенно повысится. При вращении ротора внешним двигателем предлагаемое устройство, как и другие двигатели постоянного тока, будет работать как генератор постоянного тока. 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.

Магнитные двигатели (двигатели на постоянных магнитах) являются наиболее вероятной моделью «вечного двигателя». Еще в давние времена была высказана эта идея, но так никто его не создал. Многие устройства дают ученым возможность приблизиться к изобретению такого двигателя. Конструкции подобных устройств еще не доведены до практического результата. С этими устройствами связано много различных мифов.

Магнитные двигатели не расходуют энергию, являются агрегатом необычного типа. Силой, двигающей мотор, является свойство магнитных элементов. Электродвигатели также применяют магнитные свойства ферромагнетиков, но магниты приводятся в движение электрическим током. А это является противоречием основному принципиальному действию вечного двигателя. В двигателе на магнитах используется магнитное влияние на объекты. Под действием этих объектов начинается движение. Небольшими моделями таких двигателей стали аксессуары в офисах. На них двигаются постоянно шарики, плоскости. Но там для работы применены батарейки.

Ученый Тесла занимался серьезно проблемой образования магнитного двигателя. Его модель была выполнена из катушки, турбины, проводов для соединения объектов. В обмотку закладывался маленький магнит, захватывающий два витка катушки. Турбине давали небольшой толчок, раскручивали ее. Она начинала движение с большой скоростью. Такое движение называлось вечным. Двигатель Тесла на магнитах стал идеальной моделью вечного двигателя. Его недостатком стала необходимость начального задания скорости турбине.

По закону сохранения электропривод не может содержать более 100% КПД, энергия частично тратится на трение в двигателе. Такой вопрос должен решать магнитный двигатель, у которого постоянные магниты (роторный тип, линейный, униполярный). В нем осуществление механического движения элементов идет от взаимодействия магнитных сил.

Принцип работы

Многие инновационные магнитные двигатели применяют работу трансформации тока во вращение ротора, являющееся механическим движением. Вместе с ротором вращается вал привода. Это дает возможность утверждать, что всякий расчет не даст результата КПД равного 100%. Агрегат не получается автономным, он имеет зависимость. Такой же процесс можно увидеть в генераторе. В нем крутящий момент, который образуется от энергии движения, создает выработку электроэнергии на пластинах коллектора.

1 — Линия раздела магнитных силовых линий, замыкающихся через отверстие и внешнюю кромку кольцевого магнита
2 — Катящийся ротор (Шарик от подшипника)
3 — Немагнитное основание (Статор)
4 — Кольцевой постоянный магнит от громкоговорителя (Динамика)
5 — Плоские постоянные магниты (Защелки)
6 — Немагнитный корпус

Магнитные двигатели применяют другой подход. Необходимость в дополнительных источниках питания сводится к минимуму. Принцип работы легко объяснить «беличьим колесом». Для производства демонстративной модели не нужны специальные чертежи или прочностной расчет. Нужно взять постоянный магнит, чтобы его полюса находились на обеих плоскостях. Магнит будет главной конструкцией. К ней добавляется два барьера в виде колец (внешний и внутренний) из немагнитных материалов. Между кольцами располагают стальной шарик. В магнитном двигателе он станет ротором. Силами магнита шарик притянется к диску противоположным полюсом. Этот полюс не будет менять свое положение при движении.

Статор включает в себя пластину, изготовленную из экранируемого материала. На нее по траектории кольца закрепляют постоянные магниты. Полюса магнитов находятся перпендикулярно в виде диска и ротора. В итоге, при приближении статора к ротору на некоторое расстояние, появляется отталкивание и притяжение в магнитах поочередно. Оно создает момент, переходит во вращательное движение шарика по траектории кольца. Запуск и торможение осуществляется движением статора с магнитами. Такой метод магнитного двигателя действует, пока магнитные свойства магнитов будут сохраняться. Расчет делается относительно статора, шариков, управляющей цепи.

На таком же принципе работают действующие магнитные двигатели. Самыми известными стали магнитные двигатели на тяге магнитов Тесла, Лазарева, Перендева, Джонсона, Минато. Так же известны двигатели на постоянных магнитах: цилиндровые, роторные, линейные, униполярные и т.д. У каждого двигателя своя технология изготовления, основанная на магнитных полях, образующихся вокруг магнитов. Вечных двигателей не бывает, так как постоянные магниты утрачивают свои свойства через несколько сотен лет.

Магнитный двигатель Тесла

Ученый исследователь Тесла стал одним из первых, кто изучал вопросы вечного двигателя. В науке его изобретение называется униполярным генератором. Сначала расчет такого устройства сделал Фарадей. Его образец не произвел стабильности работы и должного эффекта, не достиг необходимой цели, хотя принцип действия был сходным. Название «униполярный» дает понять, что по схеме модели проводник находится в цепи полюсов магнита.

По схеме, обнаруженной в патенте, видна конструкция из 2-х валов. На них помещены 2 пары магнитов. Они образуют отрицательное и положительное поля. Между магнитами находятся униполярные диски с бортами, которые применяются как образующие проводники. Два диска друг с другом имеют связь тонкой лентой из металла. Лента может использоваться для вращения диска.

Двигатель Минато

Этот тип двигателя также использует магнетическую энергию для самостоятельного движения и самовозбуждения. Образец двигателя разработан японским изобретателем Минато более 30 лет назад. Двигатель обладает высокой эффективностью, характеризуется бесшумной работой. Минато утверждал, что магнитный самовращающийся двигатель такого исполнения выдает КПД более 300%.

Ротор изготовлен в форме колеса или дискового элемента. На нем находятся магниты, расположенные под определенным углом. Во время приближения статора с мощным магнитом создается момент вращения, диск Минато вращается, применяет отторжение и сближение полюсов. Скорость вращения и крутящий момент мотора зависит от расстояния между ротором и статором. Напряжение мотора подается по цепи реле прерывателя.

Для предохранения от биения и импульсных движений при вращении диска применяют стабилизаторы, оптимизируют расход энергии управляющего электрического магнита. Негативной стороной можно назвать то, что нет данных по свойствам нагрузки, тяге, которые применяются реле управления. Также периодически необходимо производить намагничивание. Об этом Минато в своих расчетах не упоминал.

Двигатель Лазарева

Русский разработчик Лазарев сконструировал действующую простую модель двигателя, применяющего магнитную тягу. Роторный кольцар включает в себя резервуар с пористой перегородкой на две части. Эти половины между собой сообщаются трубкой. По этой трубке поступает поток жидкости из нижней камеры в верхнюю. Поры создают перетекание вниз за счет гравитации.

При расположении колеса с расположенными на лопастях магнитами под напором жидкости возникает постоянное магнитное поле, двигатель вращается. Схема двигателя Лазарева роторного типа применяется при разработке простых устройств с самовращением.

Двигатель Джонсона

Джонсон в своем изобретении применял энергию, которая генерируется потоком электронов. Эти электроны находятся в магнитах, образуют цепь питания двигателя. Статор двигателя соединяет в себе множество магнитов. Они располагаются в виде дорожки. Движение магнитов и их расположение зависит от конструкции агрегата Джонсона. Компоновка может быть роторной или линейной.

1 — Магниты якоря
2 — Форма якоря
3 — Полюса магнитов статора
4 — Кольцевая канавка
5 — Статор
6 — Резьбовое отверстие
7 — Вал
8 — Кольцевая втулка
9 — Основание

Магниты прикрепляются к особой пластине, обладающей большой магнитной проницаемостью. Одинаковые полюса магнитов статора поворачиваются в сторону ротора. Этот поворот создает отторжение и притяжение полюсов по очереди. Совместно с ними смещаются элементы ротора и статора между собой.

Джонсон организовал расчет воздушного промежутка между ротором и статором. Он дает возможность коррекции усилия и магнитной совокупности взаимодействия в направлении увеличения или снижения.

Магнитный двигатель Перендева

Двигатель самовращающейся модели Перендева так же является примером применения работы магнитных сил. Создатель этого мотора Брэди оформил патент и создал фирму еще до начала уголовного дела на него, организовал работу на поточной основе.

При анализе принципа работы, схемы, чертежей в патенте можно понять, что статор и ротор выполнены в форме внешнего кольца и диска. На них по траектории кольца располагают магниты. При этом соблюдают угол, определенный по центральной оси. Из-за взаимного действия поля магнитов образуется момент вращения, осуществляется их перемещение друг относительно друга. Цепь магнитов рассчитывается путем выяснения угла расхождения.

Синхронные магнитные двигатели

Главным видом электрических двигателей является синхронный вид. У него обороты вращения ротора и статора одинаковые. У простого электромагнитного двигателя эти две части имеют в составе обмотки на пластинах. Если изменить конструкцию якоря, вместо обмотки установить постоянные магниты, то получится оригинальная эффективная рабочая модель двигателя синхронного типа.

1 — Стержневая обмотка
2 — Секции сердечника ротора
3 — Опора подшипника
4 — Магниты
5 — Стальная пластина
6 — Ступица ротора
7 — Сердечник статора

Статор сделан по привычной конструкции магнитопровода из катушек и пластин. В них образуется магнитное поле вращения от электрического тока. Ротор образует постоянное поле, взаимодействующее с предыдущим, и образует момент вращения.

Нельзя забывать о том, что относительное нахождение якоря и статора имею возможность изменяться в зависимости от схемы двигателя. Например, якорь может быть сделан в форме наружной оболочки. Для запуска двигателя от сети питания применяется схема из магнитного пускателя и реле тепловой защиты.