Альтернаторы с постоянными магнитами

Dragons' Lord (2003)

       Задача : Построить несколько вариаций электромагнитного генератора, оценить параметры входа и выхода, опробовать несколько идей, обычно встречающихся в заявленных конструкциях других исследователей, потрогать индукционный процесс на вкус и запах собственными руками. Оценить наилучшие габариты магнитопровода, топологию катушек съёма, габариты катушек, толщину провода и число витков.

       Было построено три принципиально отличающихся модели генераторов с постоянными магнитами. Первая - альтернатор со шторками, в которой шторки из ферромагнитного материала коммутируют магнитный поток постоянного магнита в сердечник катушки индуктивности. Шторка перемещается в зазоре между магнитом и катушкой и производит коммутацию магнитных линий за счёт окон в самой шторке. Подразумевалось, что шторка достаточно лёгкая и на её вращение тратится мало энергии, за счёт чего процесс генерации будет иметь хороший баланс в плане КПД (затраты на привод / мощность на выходе). Постоянные магниты закреплены неподвижно, катушки также закреплены неподвижно на станине устройства. Перемещаются только многолепестковые шторки.

Схема первого альтернатора со шторками

Внешний вид альтернатора со шторками

       Вторая модель генератора без шторок. Подвижная роторная часть содержит постоянные магниты. Катушки съёма энергии установлены неподвижно на станине устройства. Подразумевалось, что выгодно иметь постоянные магниты в роторе, т.к. на поддержание магнитного поля мы не затрачиваем внешнюю энергию, мы только лишь перемещаем роторные магниты в пространстве (вращаем ротор). Также в данной конструкции были опробованы модули, представляющие собой спаренные катушки на замкнутом кольцевом сердечнике, согласно идее Ф-машины, где встречные потоки противо ЭДС взаимокомпенсируются. К сожалению, фотографий второй модели генератора не сохранилось, хотя это была наиболее интересная, практичная и технологичная версия из всех трёх.

Принципиальная схема второго магнитного генератора. 1. Катушки. 2. Энергонесущие элементы. Диск в плане я сознательно нарисовал крупнее для ясности.

Магнитный генератор с обычными катушками. Изометрия

Второй генератор с модулями Ф-машин (спаренные катушки)

На изометрии, для облегчения рисунка, показаны только два модуля

       Третий вариант генератора содержал неподвижные статорные магниты, установленные в станине по окружности, а вращающаяся роторная часть имела "на борту" катушки для съёма сгенерированной энергии. Мысль устройства была в следующем: оптимизированные катушки были легче, чем роторные магниты во второй версии устройства, что подразумевало снижение затрат на вращение такого ротора в сборе. Правда, появлялась проблема с организацией токосъёма с вращающегося ротора, но она была быстро решена при помощи гибких ламелей и двух токопроводящих дорожек на оси ротора.

Схема генератора барабанного типа (третья модель)

Дополнительный штекер с проводом нужен для подключения к внешнему блоку питания отличного по вольтажу от стационарного.

Хорошо просматривается лепестковая система съёма тока с ротора, а так же двойной слой стального экрана вокруг магнитов статора.

       Что удалось выяснить : В первую очередь, как человека впервые создающего генератор переменного тока, меня интересовали размерности и прочие параметры катушек. Я задавался вполне справедливым вопросом, - какие будут наиболее продуктивными ? В экспериментах я очень быстро пришёл к выводу, что соотношение диаметров наиболее приемлемо такое: если за единицу взять диаметр сердечника, то диаметр катушки будет троечка. В экспериментах с первым альтернатором использовались катушки на сердечнике 8 мм и, соответственно, диаметр катушек был 24 мм. Вторая версия генератора имела катушки на сердечнике 10 мм, и диаметр катушки 30 мм. Последние выглядели так :

Катушки, используемые для оценки мощности на выходе второй модели генератора

       Также было протестировано несколько катушек одинакового размера, но намотанных проводом различной толщины и построены графики (таблицы) эффективности выходной мощности. Результаты были ожидаемые: чем больше толщина провода, тем большая эффективность катушки по уровню отдаваемой мощности. Однако значения не так глобально отличаются друг от друга, буквально на несколько процентов. Поэтому я не заостряю на этом ваше внимание.

       Второй вопрос касался экранирования магнитного потока ферромагнитными шторками. Вообще сам принцип. Экранируется ли (изолируется ли) некая область пространства от магнитных линий ? Уничтожаются ли магнитные линии ? Что происходит в системе с физической точки зрения ? Эти и прочие вопросы были обкатаны на примитивных сторонних моделях с постоянными магнитами и экранами различной формы. В результате удалось вывести жёсткое правило: магнитные линии невозможно уничтожить, - сколько линий (условно) вышло с северного полюса, ровно столько же войдёт в южный, мы можем лишь изменить траекторию движения этих линий в пространстве, - они будут предпочитать течь в более магнитопроницаемой среде (нашей шторке), чем в воздухе. Благодаря этим выводам уже по другому смотришь на модели альтернаторов со шторками и их конструкции. Нужно сразу вкладывать в девайс непрерывный путь следования для магнитных линий, которые хочется увести из некого объёма пространства, чем самым осуществить модуляцию магнитного потока в этом самом объёме.

       Дальше возник вопрос по поводу необходимой толщины листа стальной шторки. Учебник физики говорит, что объём ограниченный ферромагнитным экраном со всех сторон изолирован от внешнего магнитного поля. Банальные эксперименты показали, что это правило не всегда справедливо, в силу недописанности. Недописанность касается толщины (в конечном итоге - объёма) ферромагнитного материала, которым мы экранируем. Условно говоря есть удельная величина сколько магнитных линий может вместить определённый объём ферромагнетика. Допустим, условно сечение экрана площадью 1 квадратный см может вместить в себя 100 магнитных линий. Если мы подадим более плотное (мощное) магнитное поле, то ферромагнетик войдёт в насыщение, - он не может вместить более 100 линий и все линии, которые превышают своим количеством эту предельную величину уже не будут экранироваться нашим экраном. Они его просто не будут замечать и проходить насквозь. Таким образом никакого экранирования не будет происходить, точнее будет иметь место лишь частичное экранирование.

       В связи с вышеописанными условиями предлагается следующая модель усовершенствованного альтернатора со шторками для тех, кто хочет такую построить. Важно сделать шторки из достаточно толстого листа с хорошей проницаемостью. Будут некоторые проблемы технологического характера с гибкой, чтобы неподвижный магнит статора оказался внутри такого "цветка". Кстати, применение кольцевых магнитов это также моё усовершенствование, которое до этого не применялось. Кольцевой магнит позволяет убрать сопротивление вращению шторки с неравномерными краями, т.к. в любой точке на окружности вращения, с точки зрения шторки - имеем одинаковую интенсивность магнитного поля. Все известные мне модели подобных альтернаторов имели дискретные магниты статора, что делает их априори неработоспособными. Оценку общей эффективности предложенной модели я давать не берусь. Всё покажет эксперимент, если вы таковой проведёте. Удачи.

Новая схема альтернатора со шторками. Магниты крепятся к корпусу за внутренний диаметр. Радиусы скругления шторок нужно стараться сделать как можно больше.

       Далее пару слов по второй модели генератора с вращающимися роторными магнитами. В процессе экспериментов закралось сомнение в одной истине, которую пропагандирует наше образование. А именно, считается, что магнитное поле в замкнутом сердечнике одинаково в любом произвольном сечении, т.к. магнитные линии вроде замкнуты и индукционное преобразование в обычном трансформаторе мыслят через работу определённого количества этих самых магнитных линий. То есть, с точки зрения современной науки не важно, где именно намотать вторичку на кольцевом сердечнике в трансформаторе, т.к. якобы всегда одинаковое количество магнитных линий будут пронизывать площадь, охваченное одинаковым количеством витков, и следовательно, производить одинаковое ЭДС.

       Но к замкнутым сердечникам мы ещё вернёмся. Покажем, что то же самое сомнение можно высказать и в отношении незамкнутых стержневых сердечников. Был проведён дополнительный эксперимент, где очень короткий соленоид в осевом направлении был использован, как датчик для измерения наводимой ЭДС вдоль относительно длинного стержневого сердечника. Выяснилось очевидное: сила магнитного поля убывает вдоль оси сердечника, как и положено всем полям обратно квадрату расстояния. Классика трактует это так: мол магнитные линии не все достигают противоположного конца нашего ферромагнитного стержня, а многие выходят из него раньше, через боковую поверхность и возвращаются по воздуху. Тем самым к концу сердечника линий меньше, чем было в начале. Это утверждение полностью ложно, что также было дополнительно доказано на кольцевых сердечниках в более поздних экспериментах. На самом деле, сердечник ничем не отличается от любой другой среды, и поле распространяется и затухает в нём по классической величине, обратно пропорциональной квадрату расстояния. Магнитное поле некорректно рассматривать с точки зрения механистической модели и с точки зрения парадигмы магнитных линий в частности.

       В связи с этими открытыми новыми данными были изобретены конические катушки. Катушка мотается на обычный стержневой сердечник и каждый следующий слой делается короче в осевом направлении. Строго говоря, квадрат расстояния обуславливает гиперболический закон убывания плотности поля, что графически на эпюре будет соответствовать и геометрии внешней линии контура катушки. Но условно аппроксимируя мы можем делать её чисто конической без кривизны. Отличие в конечном результате не значительно. Всё сказанное справедливо и для катушек на кольцевых замкнутых сердечниках. Отдача от конической катушки, намотанной моим методом почти в два раза больше, чем от классической цилиндрической. В более поздние периоды своей работы, когда база моих знаний охватила достаточное количество всевозможных изобретателей и их девайсов, я наблюдал у некоторых из них аналогичный подход к топологии катушек. Очень жаль, что данный факт не освещается наукой.

Конические катушки эффективнее обычных почти в два раза !

       С учётом новой топологии катушек вторая модель генератора выглядела так, как указано на схеме ниже. Если вы обратили внимание, то третья модель генератора уже нарисована с коническими катушками, ко времени его постройки и испытаний я уже знал эту фишку.

Схема усовершенствованного генератора.

       Стоит упомянуть ещё одно важное усовершенствование, которое следует применять в самом широком спектре случаев. Я говорю о ферромагнитном экране на магните с обратной стороны от рабочей зоны (на рисунке выше два таких "блина" обозначены пунктиром). Подобные экраны смещают мнимый центр магнитного поля в сторону, противоположную экрану, чем, как бы усиливают магнит. Прирост КПД при таком усовершенствовании будет достаточно высок.

       Буквально пару слов скажу о модулях Ф-машины. Они оказались совершенно не эффективными и бездарными. Дело в том, что первичный поток делится на два русла. То есть математически мы имеем в каждом плече поток, равный одной второй от общего. Далее знаем, что чем выше напряжение, тем выше ток при условии, что есть нагрузка. Не вдаваясь в точные расчёты, можно считать эти две величины (напряжение и ток, выдаваемые под нагрузкой) прямо пропорциональными. Таким образом, условно говоря, если напряжение упадёт вдвое, то и ток упадёт вдвое, т.к. нет уже того мощного диполя, который бы этот ток поддержал. И памятуя, что мощность это произведение напряжения и тока, и зная, что в каждом плече мы понизили первичный поток в два раза, мы получаем, что конечная мощность падает в том же плече в 2х2=4 раза. Отсюда вся неэффективность данной идеи.

       Третья модель, конечно, приподняла эффективность, но все три модели ясно показали, что основной вред системе наносит обратное вредное влияние при нагружении выходных катушек. И чем больше выходных катушек установлено, тем ярче можно видеть этот отрицательный эффект.

       Для повышения производительности подобных устройств могу порекомендовать повышать удельную мощность постоянных магнитов (применять NdFeB) вкупе с уменьшением их общей массы (имеется в виду вторая модель генератора), а также увеличивать скорость модуляции магнитного потока, т.е. скорость вращения, что можно сделать, применив высокооборотистые и экономичные движки отечественного производства :

Рекомендую вот такие моторчики отечественного производства (ДПМ и ДПР).

       Получить общее КПД устройства более 100% в условиях существования обратного само ЭДС мне видится весьма проблематичным. Скорее, даже, невозможным. Обратная ЭДС - это не особенность испытанных генераторов, - это особенность самого процесса индукции, того метода "добычи" электричества, который в данный момент использует человечество. Посему, с механическими генераторами я работать прекращаю и ухожу исследовать область статических (без подвижных частей) систем. А вам желаю всего наилучшего, так как в любом случае, КПД подобных усовершенствованных электромагнитных генераторов будет гораздо выше классических. Также, считаю, важно было донести до читателя мои находки, ибо они могут применяться в самом широком спектре устройств.