генератор электрической энергии

Формула изобретения

Генератор электрической энергии, содержащий корпус со статором с постоянными магнитами, закрепленный на валу ротор с катушками обмотки, отличающийся тем, что в одном генераторе электрической энергии содержится группа генераторов электрической энергии, генератор состоит из двух боковых подшипниковых щитов и внутренних промежуточных щитов, зафиксированных между собой при помощи распорных трубок и шпилек с резьбовым соединением, кроме того, боковые подшипниковые щиты с наружной стороны содержат ребра жесткости, изготовленные заодно с корпусами подшипников, а с внутренней стороны, совместно с внутренними промежуточными щитами, содержат базовый кольцевой составной упор и направляющие, образующие Т-образные пазы, располагающиеся на равномерном шаговом расстоянии, в которых до упора при помощи Т-образных выступов-салазок установлены одноименными полюсами вплотную друг к другу корпуса с постоянными кольцевыми магнитами, в которых предусмотрена прорезь, образующая на статоре внутри магнитов кольцевую, дугообразную полость для ротора, корпуса для постоянных кольцевых магнитов состоят из дюралюминиевого сплава, постоянные кольцевые магниты закреплены в корпусах при помощи клея и зафиксированы в пазах боковых подшипниковых щитов и внутренних промежуточных щитов от выпадения при помощи угольников с прижимными ботами со стопорной гайкой, которые прикреплены на щитах резьбовым соединением и закрыты с наружной стороны цилиндрическим круговым кожухом, состоящим из двух половин, соединенных между собой при помощи резьбового соединения болтов с гайкой, а ротор, закрепленный на валу, содержит группу роторов, каждый из которых посажен неподвижно на вал при помощи шпонок через промежуточные втулки и состоит из двух дисков, собранных в пакет при помощи резьбового соединения, на дисках установлены и зафиксированы в пазах при помощи прихватов, имеющих отверстие под болт, кронштейны, изготовленные из ферросплава, на виде сверху в горизонтальной плоскости имеют Т-образную форму, на широкой части которой содержится сквозное вертикальное отверстие для установки диэлектрических втулок-изоляторов и крепежного соединительного болта с гайкой, а на виде сбоку кронштейны имеют Г-образную форму, на одном конце которых имеется выступ для фиксации в пазу диска, а на их противоположном конце содержится сквозное горизонтальное отверстие для установки ферросплавного составного кольца, на магнитопроводе которого, между кронштейнами, размещены дугообразные плоские изолированные проводники с контактными отверстиями на загнутых концах, каждый из которых при работе имеет противоположную фазу возбуждения и согласованное последовательное соединение между собой, образуя зигзагообразный проводник по периметру окружности ротора, концы выводов проводников подсоединены к контактным кольцам, к которым подведены токосъемные щетки, при этом первый несущий диск в пакете каждого отдельного ротора служит основанием, которое содержит ступицу, а на торцевой плоскости первого несущего диска содержатся сквозные крепежные отверстия и круговая базовая канавка на периферии первого несущего диска, второй диск ротора служит матрицей для кронштейнов и содержит по центру диска отверстие для вала, отверстия крепежные сквозные и с зенковкой под головки винтов, а также нарезанные по его периметру сквозные пазы, равные по ширине кронштейнам, которые располагаются на равномерном шаговом расстоянии, соразмерном шаговому расстоянию между кольцевыми постоянными магнитами, располагающимися на статоре, генератор электрической энергии содержит установочные опоры и погрузочные проушины, которые установлены и закреплены на шпильках, стягивающих подшипниковые щиты.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в народном хозяйстве и в быту.

Известен генератор электрической энергии, содержащий корпус со статором, с постоянными магнитами, закрепленный на валу ротор с катушками обмотки. Статор с магнитами служит для возбуждения главного магнитного поля машины, а во вращающемся роторе индуктируется ЭДС и проходят токи.

С. А. Гусев. Очерки по истории развития электрических машин. ГЭИ. М. - Л. 1955 г. , с. 80-81, фиг. 2-8.

Недостатком такого генератора электрической энергии является, недостаточный коэффициент полезного действия и производительность из-за малой плотности поступающего потока энергии, которая образуется в зазоре между ротором и статором, а также из-за того, что затрачивается большая механическая работа при преобразовании механической энергии в электрическую.

Задача, решаемая изобретением, состоит в том, чтобы за счет изменения конструкции генератора сделать генератор простым для изготовления в технологическом плане, кроме того, в самом генераторе электрической энергии, за счет установки постоянных кольцевых магнитов на статоре одноименными полюсами вплотную друг к другу, увеличить плотность массы поступающего потока потенциальной магнитной энергии, при помощи которой, за счет совершения механической работы, в зазоре между ротором и статором, в проводниках ротора индуктируется ЭДС, а также, одновременно с этим, за счет уменьшения ширины намотки катушек ротора и сжатия магнитной массы магнитного поля, уменьшить в генераторе электромагнитный тормозной момент, стремящийся к бесконечно малой величине и за счет этого уменьшить в генераторе электрической энергии затрачиваемую механическую работу, при индуктировании ЭДС, в результате получить в генераторе электрической энергии коэффициент полезного действия больше единицы и одновременно с этим за счет применения промежуточных щитов увеличить мощность генератора электрической энергии.

Указанная задача достигается тем, что в одном генераторе электрической энергии содержится группа генераторов электрической энергии, генератор состоит из двух боковых подшипниковых щитов и внутренних промежуточных щитов, зафиксированных между собой при помощи распорных трубок и шпилек с резьбовым соединением, кроме того, подшипниковые щиты с наружной стороны содержат приделанные ребра жесткости, изготовленные заодно с корпусами подшипников, а с внутренней стороны, совместно с внутренними промежуточными щитами, содержат базовый кольцевой, составной упор и направляющие, образующие Т-образные пазы, располагающиеся на равномерном шаговом расстоянии, в которые до упора, при помощи Т-образных выступов-салазок, установлены одноименными полюсами вплотную друг к другу корпуса с постоянными кольцевыми магнитами, в которых предусмотрена прорезь, образующая на статоре внутри магнитов кольцевую дугообразную полость для ротора, корпуса для постоянных кольцевых магнитов состоят из дуралюминиевого сплава, постоянные кольцевые магниты закреплены в корпусах при помощи клея и зафиксированные в пазах боковых подшипниковых щитов и внутренних промежуточных щитов от выпадания при помощи угольников с прижимными болтами со стопорной гайкой, которые прикреплены на щитах резьбовым соединением, и закрыты с наружной стороны цилиндрическим круговым кожухом, состоящим из двух половин, соединенных между собой при помощи резьбового соединения болтов с гайкой, а ротор, закрепленный на валу, содержит в себе группу роторов, каждый из которых посажен неподвижно на вал при помощи шпонок через промежуточные втулки и состоит из двух дисков, собранных в пакет при помощи резьбового соединения, на дисках установлены и зафиксированы в пазах при помощи прихватов, имеющих отверстие под болт, кронштейны, изготовленные из ферросплава, на виде сверху в горизонтальной плоскости имеют Т-образную форму, на широкой части которой содержится сквозное вертикальное отверстие для установки диэлектрических втулок-изоляторов и крепежного соединительного болта с гайкой, а на виде сбоку кронштейны имеют Г-образную форму, на одном конце кронштейнов имеется выступ для фиксации в пазу диска, а на их противоположном конце содержится сквозное горизонтальное отверстие для установки ферросплавного составного кольца, на магнитопроводе которого, между кронштейнами, размещены плоские дугообразные изолированные проводники с контактными отверстиями на загнутых концах, каждый из которых при работе имеет противоположную фазу возбуждения и согласованное последовательное соединение между собой, образуя зигзагообразный проводник по периметру окружности ротора, концы выводов проводников подсоединены к контактным кольцам, к которым подведены токосъемные щетки, при этом, первый несущий диск в пакете каждого отдельного ротора служит основанием, которое содержит ступицу, а на торцевой плоскости первого несущего диска содержатся сквозные крепежные отверстия и круговая базовая канавка на периферии первого несущего диска, второй диск ротора служит матрицей для кронштейнов и содержит по центру отверстие для вала, отверстия крепежные сквозные и с зенковкой под головки винтов, а также нарезанные по его периметру сквозные пазы, равные по ширине кронштейнам, которые располагаются на равномерном шаговом расстоянии, соразмерном шаговому расстоянию между кольцевыми постоянными магнитами, располагающимися на статоре, генератор электрической энергии содержит установочные опоры и погрузочные проушины, которые установлены и закреплены на шпильках, стягивающих подшипниковые щиты.

Изобретение на мой взгляд является новым, так как в отличие от прототипа в одном генераторе электрической энергии содержится группа генераторов электрической энергии, генератор состоит из двух боковых подшипниковых щитов и внутренних промежуточных щитов, зафиксированных между собой при помощи распорных трубок и шпилек с резьбовым соединением, кроме того, боковые подшипниковые щиты с наружной стороны содержат ребра жесткости, изготовленные заодно с корпусами подшипников, а с внутренней стороны, совместно с внутренними промежуточными щитами, содержат базовый кольцевой, составной упор и направляющие, образующие Т-образные пазы, располагающиеся на равномерном шаговом расстоянии, в которых до упора, при помощи Т-образных выступов-салазок, установлены одноименными полюсами вплотную друг к другу корпуса с постоянными кольцевыми магнитами, в которых предусмотрена прорезь, образующая на статоре, внутри магнитов кольцевую дугообразную полость для ротора, корпуса для постоянных кольцевых магнитов состоят из дуралюминиевого сплава, постоянные кольцевые магниты закреплены в корпусах при помощи клея и зафиксированные в пазах боковых подшипниковых щитов и внутренних промежуточных щитов от выпадания при помощи угольников с прижимными болтами со стопорной гайкой, которые прикреплены на щитах резьбовым соединением и закрыты с наружной стороны цилиндрическим круговым кожухом, состоящим из двух половин, соединенных между собой при помощи резьбового соединения болтов с гайкой, а ротор, закрепленный на валу, содержит группу роторов, каждый из которых посажен неподвижно на вал при помощи шпонок через промежуточные втулки и состоит из двух дисков, собранных в пакет при помощи резьбового соединения, на дисках установлены и зафиксированы в пазах при помощи прихватов, имеющих отверстие под болт, кронштейны, изготовленные из ферросплава, и на виде сверху в горизонтальной плоскости имеют Т-образную форму, на широкой части которой содержится сквозное вертикальное отверстие для установки диэлектрических втулок-изоляторов и крепежного соединительного болта с гайкой, а на виде сбоку кронштейны имеют Г-образную форму, на одном конце кронштейнов имеется выступ для фиксации в пазу диска, а на их противоположном конце содержится сквозное горизонтальное отверстие для установки ферросплавного составного кольца, на магнитопроводе которого, между кронштейнами, размещены дугообразные плоские изолированные проводники с контактными отверстиями на загнутых концах, каждый из которых при работе имеет противоположную фазу возбуждения и согласованное последовательное соединение между собой, образуя зигзагообразный проводник по периметру окружности ротора, концы выводов проводников подсоединены к контактным кольцам, к которым подведены токосъемные щетки, первый несущий диск в пакете каждого отдельного ротора служит основанием, которое содержит ступицу, а на торцевой плоскости первого несущего диска содержатся сквозные крепежные отверстия и круговая базовая канавка на периферии первого несущего диска, второй диск ротора служит матрицей для кронштейнов и содержит по центру диска отверстие для вала, отверстия крепежные сквозные и с зенковкой под головки винтов, а также нарезанные по периметру диска сквозные пазы, равные по ширине кронштейнам, которые располагаются на равномерном шаговом расстоянии, соразмерном шаговому расстоянию между кольцевыми постоянными магнитами, располагающимися на статоре, генератор электрической энергии содержит установочные опоры и погрузочные проушины, которые установлены и закреплены на шпильках, стягивающих подшипниковые щиты.

В результате применения такой конструкции генератора упрощается технология изготовления генератора электрической энергии, а в самом генераторе электрической энергии увеличивается плотность массы поступающего потока потенциальной магнитной энергии, при помощи которой, за счет совершения механической работы, в зазоре между ротором и статором, в проводниках ротора образуется ЭДС, и одновременно с этим, за счет уменьшения ширины намотки катушек ротора и сжатия массы магнитного поля, уменьшается электромагнитный тормозной момент, который стремится к бесконечно малой величине, в результате чего уменьшается затрачиваемая механическая работа при индуктировании ЭДС. В итоге, коэффициент полезного действия генератора электрической энергии становится больше единицы, и увеличивается мощность генератора.

Предлагаемый генератор электрической энергии изображен на фиг. 1, 2, а также, как показано на отдельных узлах (фиг. 3, 4, 5), который состоит: из установочных опор 1, ребер жесткости 2, боковых подшипниковых щитов 3, промежуточных щитов 4, кожуха 5, распорных втулок 6, стягивающих шпилек 7, угольников с прижимными болтами 8, корпусов для магнитов 9 с Т-образными салазками 10, кольцевых магнитов 11, крепежных болтов с гайкой для проводников 12, диэлектрических втулок-изоляторов 13, кронштейнов из ферросплава 14, прижимающих прихватов 15, вала 16, распорных втулок 17, подшипниковых корпусных опор 18, дисков-матриц 19, ферросплавного магнитного провода 20, дугообразных проводников 21, Т-образных направляющих 22, кольцевого базового упора 23, щеток 24, контактных колец 25, крышек для корпусов под подшипники 26, подшипников 27, шпонок 28, диска основания ротора 29, погрузочных проушин 30.

Генератор электрической энергии работает следующим образом. При вращении вала ротора 16, ротор будет совершать вращательное движение в дугообразной тороидальной полости статора, который состоит из кольцевых магнитов 11, установленных одноименными полюсами вплотную друг к другу, вследствие чего, в проводниках 21 ротора (фиг. 3), при пересечении магнитных силовых линий магнитного потока, будет индуктироваться ЭДС, а на контактных кольцах 25 образуется разность потенциалов. Снятие разности потенциала в генераторе электрической энергии осуществляется при помощи контактных щеток 24, к которым может быть подключена нагрузка. Проводники, располагающиеся на роторе, могут быть соединены последовательно, как показано на фиг. 6, а сами секции, находящиеся между подшипниковыми и промежуточными щитами, соединены параллельно.

Рассмотрим, каким образом решается поставленная задача в новом генераторе электрической энергии.

Известно, что все энергетические процессы сводятся к трансформации одного вида энергии в другой вид энергии, и это происходит согласно закону сохранения энергии. Трансформацию энергии обычно можно рассматривать как происходящую в некотором объеме, в который через поверхность поступает один вид энергии, а выходит преобразованная энергия. Плотность поступающей энергии ограничена физическими свойствами той среды, через которую она течет. В материальной среде плотность потока энергии U ограничивается следующим выражением:

U<F,

где - скорость распространения деформации, обычно равной скорости звука. F - плотность энергии, которая может быть либо тепловой, либо упругой. U - есть вектор. (При стационарных процессах div U определяет величину преобразования энергии в другой вид). Впервые вектор U был предложен в 1874 году русским физиком Н. А. Умовым. Десятью годами позже такой же вектор для описания энергетических процессов в электромагнитном поле был дан Дж. Пойтинтингом. Поэтому его принято называть вектором Умова-Пойнтинга.

Исходя из тангенциальных сил взаимодействия между статором и ротором в электромагнитном генераторе электрической энергии, которые определяются энергией магнитного поля, согласно формуле плотности, плотность потока энергии, преобразующейся в зазоре между ротором и статором из механической энергии в электрическую энергию, может быть определена по формуле:

U = a(H²/4),

где - окружная скорость ротора, которая по конструктивным соображениям берется около 100 м/с. Коэффициент a определяется конструкцией генератора и характеризуется косинусом угла, образованного силой F и скоростью . Обычно a имеет величину, равную нескольким десятым долям единицы. Магнитное поле определяется насыщением железа и не превышает 210² Э. При этом плотность потока энергии (которая трансформируется из механической энергии в электрическую энергию) получается около 1кВт на 1 см², что является недостаточным на сегодняшний день.

П. Л. Капица. Эксперимент. Теория. Практика. Москва. Наука. 1981 г. , с. 97-102.

Поэтому, чтобы вывести энергетику страны на новый уровень, необходимо создать новый тип генераторов электрической энергии, в которых, с одной стороны, повысилась бы плотность массы поступающего потока энергии, а с другой стороны, уменьшилась бы затрачиваемая механическая работа при индуктировании ЭДС. Эту задачу возможно решить следующим образом.

Известно, что магнитное поле представляет собой одну из форм материи, которая создается молекулярными электрическими токами, образованными движением электронов, а также обладает энергией, массой и количеством движения.

Л. А. Бессонов. Теоретические основы электротехники. Москва. Высшая школа. 1964 г. , с. 650.

Магнитное поле характеризуется следующими свойствами:

1) каждая линия магнитного поля замкнута сама на себя. Это значит, что силовые линии идут не только вне магнита, но, выходя из одного полюса и входя в другой, они проходят также внутри самого магнита;

2) все линии выходят из северного полюса и входят в южный полюс;

3) магнитные силовые линии никогда не пересекаются друг с другом;

4) каждая линия стремится сократить свою длину, т. е. обладает натяжением. Для наглядности можно сравнить магнитные силовые линии с натянутыми шнурами;

5) линии, направленные в одну и ту же сторону, стремятся оттолкнуться одна от другой, т. е. раздвинуться.

Общее число силовых линий, выходящих из северного полюса или входящих в южный полюс магнита, называется магнитным потоком (обозначается буквой "Ф").

Чем сильнее магнит, тем больший магнитный поток он создает и тем гуще будут идти силовые линии его магнитного поля. В однородном поле магнитный поток Ф, пронизывающий какую-либо поверхность с площадью S, перпендикулярную к магнитным силовым линиям, можно вычислить как произведение магнитной индукции на площадь: Ф= ВS.

Федосеев П. К. Электротехника. Гос. Кино. Издат. Москва. 1951 г. , с. 140-142.

Исходя из свойств, которыми обладают магнитные силовые линии магнитного поля, для решения поставленной задачи, в изобретении применены кольцевые постоянные магниты, так как известно, что кольцевые магниты содержат две зоны, в которых магнитные силовые линии магнитного поля меняют свое направление.

Остриков М. Ф. Мир в магнитном кольце. Журнал. Техника молодежи. N 6-1991 г. , с. 2.

В новом генераторе электрической энергии, для решения поставленной задачи, кольцевые магниты установлены на статоре одноименными полюсами вплотную друг к другу (фиг. 7, 8). В связи с этим можно сказать, что против отталкивающихся сил одноименных полюсов магнитов совершилась механическая работа. В результате совершения механической работы произошло сжатие объема магнитных силовых линий поперечной части магнитного потока кольцевых магнитов. Это действие хорошо просматривается при помощи металлических опилок, которые проявляют невидимые магнитные силовые линии поля. При сжатии магнитных силовых линий магнитного поля совершается отрицательная работа dV<0.
-dA= PSdx= PdV,

где Р - внешнее давление,

S - площадь торцов одноименных полюсов,

dV= Sdx - приращение объема магнитного поля.

Согласно первому и второму законам Ньютона, все изменения состояния движения тела вызываются силами. Силы в механике характеризуются рядом признаков. Каждая из сил имеет: соответствующую природу, точку приложения, направление, модуль, способ воздействия на тело. Складываются силы геометрически. Сила есть векторная величина. По своей природе, происхождению или, образно выражаясь, по своей биографии силы в механике делятся на три группы: силы тяготения, силы упругости, силы трения. При этом последние три группы сил имеют с физической точки зрения единую электромагнитную природу. Механике известны три способа непосредственного действия сил на тело: давление, тяга, удар.

А. С. Иванов. Мир механики и техники. Москва. Просвещение. 1993 г. , с. 60 - 61.

Силы, создавая давление, могут изменять форму тела или, как в этом случае, форму магнитных силовых линий магнитного поля. Поэтому полную работу, совершаемую внешними силами, можно определить интегрированием

,

где Р= 2F/S - две силы отталкивающихся полюсов одинаковой полярности,

S - площадь торцов одноименных полюсов кольцевых магнитов,

d = Sdl - изменение объема магнитных силовых линий магнитного поля.

Следовательно, затраченная отрицательная работа будет равна:

.

За счет механической работы внешних сил

(-dA)= 2Fdl

происходит приращение энергии магнитного поля

d(W₁+W₂)= (-dA),

где W₁ и W₂ - энергия магнитного поля рядом стоящих магнитов.

Но так как энергия в единице объема равна

W= ВН/2,

то приращение энергии магнитного поля двух рядом стоящих магнитов в единице объема составит: d(W₁+W₂)= (ВН/2+ВН/2)dV,

тогда ВН dV= 2F dl,

заменяя dV= S dl,

находим 2F= BHS.

Подставим полученное выражение в формулу работы:



или

.

Так как площадь торцов магнитов, откуда идут магнитные силовые линии магнитного потока, и энергия магнитного поля магнитов имеют постоянную величину, то значение этих величин можно вынести за знак интеграла

.

Проинтегрировав, получим:

(-A)= BHS(l₂-l₁)= BHS0= 0.

При сжатии массы магнитного поля, между торцами одноименных полюсов кольцевых магнитов, потенциальная энергия магнитного поля, в результате деформации, приобретает вид параболы. Из этого следует, что с возрастанием деформации магнитных силовых линий, которые образуют тело магнитного поля, потенциальная энергия тела магнитного поля увеличивается, а кинетическая - уменьшается. Но в любом случае, при уменьшении кинетической энергии, она не может стать отрицательной величиной. В генераторе электрической энергии потенциальная кривая магнитного поля имеет периодический вид, с чередующимися максимумами и минимумами, между которыми содержатся потенциальные барьеры.

Т. И. Трофимова. Курс физики. Москва. Высшая школа. 1985 г. , с. 25.

В связи с сжатием объема поперечной части магнитного потока одноименных полюсов постоянных кольцевых магнитов, занимаемый объем поперечным магнитным потоком в зазоре между магнитами стремится к бесконечно малой величине. В связи с этим, плотность массы магнитного поля поперечной части магнитного потока магнитов стремится к бесконечно большой величине.

где m - масса энергии магнитного поля двух магнитов,

V - объем магнитной массы.

Одновременно с этим, установка постоянных кольцевых магнитов на статоре одноименными полюсами вплотную друг к другу привела к удвоению энергии магнитного поля между торцами одноименных полюсов магнитов. В связи с этим, формула плотности поступающего потока энергии, изображенная на с. 5 для генератора электрической энергии, изменится и примет следующий вид

U = a[(HB/2+HB/2)/2] = a(HB/2).

В этом случае в генераторе электрической энергии проводники ротора пересекают магнитный поток одновременно, под прямым углом. Поэтому, коэффициент a, характеризующийся косинусом угла, образованного силой F и скоростью , равен единице. Кроме того, время t перемещения проводника в поперечном магнитном потоке сократилось и стремится к нулю, в результате чего, скорость изменения поперечного магнитного потока стремится к бесконечно большой величине.

Электродвижущая сила электромагнитной индукции в контуре. Известно, что в проводе, который двигаясь в магнитном поле, пересекает магнитные силовые линии, возникает ЭДС. Это физическое явление было открыто в 1831 г. М. Фарадеем и получило название электромагнитной индукции.

А. С. Касаткин, Основы электротехники. Москва. Высшая школа. 1975 г. , с. 59.

При помощи проделанных опытов М. Фарадей установил, что индуктируемая в контуре ЭДС определяется не значением самого магнитного потока, а скоростью его изменения, т. е.

-e = /t.

Исходя из зависимости электродвижущей силы от скорости изменения магнитного потока, в изобретении ожидалось в результате сжатия магнитных силовых линий поперечной части магнитного потока до размера, стремящегося к нулю, получить в генераторе электрической энергии скорость изменения магнитного потока, стремящуюся к бесконечно большой величине, в свою очередь, согласно установленному правилу, это должно было привести индуктируемую ЭДС, стремящуюся к бесконечно большой величине.

Но, на практике, как оказалось, этого не происходит. Не происходит потому, что это противоречит принципу закона сохранения энергии, и это дает основание подвергнуть сомнению установленный факт М. Фарадеем.

Как известно, сама по себе механическая энергия не может преобразоваться в электрическую энергию. В связи с этим, есть утверждение в том, что преобразование механической энергии в электрическую, происходит за счет магнитного поля, которое служит катализатором. Если открыть словарь русского языка, то можно прочитать, что катализатор это вещество. А раз это вещество, то оно имеет массу. Обладать массой - все равно, что обладать энергией.

Если говорить вообще, то до настоящего времени остается вопрос открытым: "Обладает ли магнитное поле энергией? Если да, то какой энергией? " Все дело в свойстве магнитного поля быть всюду "поперек". Энергия - это способность совершать работу, а работа численно равна произведению силы на отрезок пути, пройденный под действием этой силы. В магнитном поле сила действует в направлении, перпендикулярном к направлению движения заряда, и ничто, кроме заряда, наличия магнитного поля не ощущает. Изменится направление движения заряда - изменится и направление силы. Ну а ясно, что сила, направленная поперек направления движения, работы совершить не может.

А. В. Шилейко. В океане энергии. Знание. Москва, 1989 г. , с. 82-87.

С автором этого утверждения можно не согласиться, так как в нем заложено противоречие, а именно, например, на железнодорожном переезде происходит наезд автомобиля на движущийся железнодорожный состав. Действие силы автомобиля к составу происходит под прямым углом. Происходит авария. В этом случае можно задать вопрос: - "Была ли совершена механическая работа при столкновении автомобиля с поездом? - Если да, то какая работа? " Отвечая на эти вопросы, можно сразу сказать, что была совершена отрицательная работа, которая привела к разрушению автомобиля и частично железнодорожного состава. Исходя из этого, возникает другой вопрос: - "Какая работа совершается в генераторе электрической энергии, при взаимодействии проводника с магнитным полем магнита? "

Чтобы ответить на поставленные вопросы, а также определить, почему не работает закон электромагнитной индукции, проделаем ряд новых экспериментов, которые до этого ранее не проводились. В связи с этим, исследуем зависимость электродвижущей силы от скорости изменения магнитного потока, зная, что магнитное поле можно количественно характеризовать величиной импульса напряжения, индуцируемого в пробной катушке при наложении или снятии поля.

Х. К. Кухлинг. Справочник по физике, Москва, Издательство. Мир. 1983 г. , с. 337.

Для проведения экспериментов соберем испытуемое устройство (фиг. 9), которое состоит: из прямоугольного основания 1, электропривода с червячным редуктором 2, намоточного барабана 3, проволочной тяги 4, стержня 5, тормоза 6, проводников 7, цилиндра 8, подставки для фиксации магнитов 9, кольцевых магнитов 10, катушки индуктивности 11, микроамперметра 12.

Для того чтобы подготовить испытательное устройство к работе, необходимо собрать кольцевые магниты 10 в два пакета (фиг. 10), где каждый отдельный пакет в сборе должен содержать три кольцевых магнита, обращенных друг к другу разноименными полюсами. При такой установке кольцевых магнитов, их торцы разноименных полюсов притягиваются, в результате чего образуется единый, целый кольцевой магнит. Далее, два собранных пакета из магнитов необходимо установить на цилиндр 8 одноименными полюсами вплотную друг к другу. В этом случае одноименные полюса магнитов отталкиваются, и для их сближения необходимо применить силу. После этого, цилиндр 8 с магнитами 10 необходимо положить на подставку 9, а внутри цилиндра 8 установить испытуемую катушку индуктивности 11, закрепленную на стержне 5, который связан проволочной тягой 4 с барабаном 3. Соединим концы катушки индуктивности при помощи проводников 7 с измерительным прибором, микроамперметром 12. Такая установка магнитов 10 в пакет увеличивает нейтральную зону между разноименными полюсами внутри магнитов, в котором магнитные силовые линии располагаются по долевой, в прямом направлении, это дает возможность стрелке микроамперметра между измеряемыми импульсами успокоиться и занять исходную позицию для последующего измерения.

Испытуемое устройство работает следующим образом. Путем подачи напряжения на электропривод 2 с редуктором, на приводном валу которого установлен сменный намоточный барабан 3, запустим испытуемое устройство в работу. В свою очередь, намоточный барабан вместе с валом приводного устройства начнет совершать вращательное движение со скоростью n= 45 об/мин, наматывая на себя гибкий провод 4, связанный с тягой 5, на которой закреплена испытуемая катушка индуктивности 11. В результате этого действия, катушка индуктивности 11 начнет совершать поступательное перемещение внутри цилиндра 8, на котором установлены кольцевые постоянные магниты 5. Линейная скорость поступательного перемещения катушки индуктивности в цилиндре определяется по формуле

= Dn/60м/мин.,

где D - диаметр намоточного барабана, n - количество оборотов вала редуктора.

Производя замену намоточного барабана с меньшего диаметра на больший диаметр, этим действием мы создаем возможность изменять линейную скорость перемещения испытуемой катушки индуктивности внутри цилиндра, так например, при помощи барабана D= 7 мм, скорость линейного перемещения катушки индуктивности равна = 16 мм/с, а при барабане D= 14 мм скорость линейного перемещения равна = 32 мм/с.

Первое наблюдение. Установим на цилиндр в испытуемом устройстве (фиг. 9) кольцевые магниты, как показано на фиг. 10. На стержень 5 оденем катушку индуктивности 11 с W= 400 витками медного провода сечением 0,3 мм, после чего расположим ее внутри цилиндра 8, за пределами кольцевого магнита 10. К выводам катушки индуктивности 11 подсоединим измерительный прибор микроамперметр 12 с пределом измерения на 100 мкА. На вал приводного устройства 2 установим приводной барабан 3 диаметром D= 7 мм. Барабан 3 соединим проволочной тягой 4 со стержнем 5, на котором закреплена катушка индуктивности, после чего запустим испытуемое устройство в работу, наблюдая при этом за показаниями микроамперметра.

В результате наблюдения было установлено, что при входе в пакет кольцевого магнита стрелка микроамперметра отклонилась на величину тока I= 35 мкА. В середине пакета, там, где поперечный магнитный поток удваивается, стрелка микроамперметра отклонилась на величину I= 70 мкA, а на выходе из пакетного магнита стрелка микроамперметра отклонилась на величину тока I= 35 мкA.

Второе наблюдение. Установим на вал приводного устройства 2 намоточный барабан 3 диаметром D= 14мм, соединим проволочной тягой барабан 3 со стержнем 5. На стержень 5 испытуемого устройства установим и зафиксируем катушку индуктивности 11. Расположим катушку индуктивности 11 внутри цилиндра 8 на исходную позицию за пределами магнита, после чего запустим испытуемое устройство в работу, наблюдая за показаниями микроамперметра 12.

В результате наблюдения было установлено, что при входе катушки индуктивности в пакет магнита стрелка микроамперметра показала величину тока I= 35 мкA, в середине магнита, там, где магнитный поток удваивается, стрелка микроамперметра показала величину тока I= 70 мкA, и на выходе из пакета магнитов стрелка микроамперметра показала величину тока I= 35 мкА.

Анализируя результаты измерений первого и второго наблюдений, следует отметить то, что индуктируемая величина тока, как в первом, так и во втором наблюдении имеет одинаковую величину, несмотря на то, что скорость перемещения катушки индуктивности во втором наблюдении была увеличена в два раза. Этот же эффект наблюдался при увеличении скорости перемещения в три и четыре раза. Это говорит о том, что величина индуктируемого тока не зависит от скорости изменения магнитного потока.

В то же самое время по результатам измерений хорошо видно, что, там, где поперечный магнитный поток удвоился, то величина тока в этом случае увеличилась в два раза. Этот результат показывает и подтверждает то, что любая работа, совершаемая над телом, увеличивает его энергию и делает его способным в свою очередь совершать работу.

Кухлинг X. К. Справочник по физике. Москва. Издательство. "Мир". 1983 г. , с. 80.

Чтобы окончательно ответить на вопрос, - "Что происходит в генераторе электрической энергии при преобразовании механической энергии в электрическую энергию? " - проведем еще ряд экспериментов. Для этого соберем новое испытательное устройство (фиг. 11). Устройство содержит: раму 1, подшипниковые щиты 2, кольцевые магниты 3, зафиксированные в корпусе 4, контактные кольца 5, токосъемные щетки 6, лампочки 7, ротор 8, катушки индуктивности 9, распорные втулки 10, крепежные шпильки 11, приводной редуктор 12, рукоятку 13.

Испытательное устройство по конструкции напоминает генератор электрической энергии, изображенный на фиг. 1, 2, но содержит всего два магнита. Это устройство дает возможность измерить индуктируемую величину напряжения и тока при различных скоростях вращения ротора без подключенной нагрузки, а также измерить индуктируемую величину напряжения и тока при подключенной нагрузке, в качестве которой может служить электрическая лампочка 7.

Для измерения индуктируемой величины напряжения воспользуемся измерительным прибором типа тестер Ц4326, а для установления количества совершаемых оборотов ротором применим механический тахометр.

Третье наблюдение. Установим между подшипниковыми щитами 2 противоположно с той и другой стороны вала два кольцевых магнита 3, а на роторе 8 установим две катушки индуктивности 9, содержащие по W= 400 витков медного провода сечением S= 0,5 мм, которые между собой соединены последовательно. Магнитные полюса кольцевых магнитов сориентированы таким образом, чтобы катушки индуктивности при вращении возбуждались в одной фазе. Соединим выводы концов катушек 9 с контактными кольцами 5. Подсоединим к токосъемным щеткам измерительный прибор тестер Ц4326, настроенный на измерение напряжения. При помощи рукоятки редуктора 13 запустим испытуемое устройство в работу, раскручивая ротор по тахометру до скорости, равной n= 700 об/мин, следя при этом за показаниями прибора.

При наблюдении за прибором стрелка вольтметра показала величину напряжения U= 8 В.

Четвертое наблюдение. Раскрутим ротор 8 с n= 700 об/мин до n= 1400 об/мин.

При наблюдении за прибором стрелка вольтметра показала U= 16 В.

Пятое наблюдение. Подключим к токосъемным щеткам нагрузочного элемента электрическую лампочку 7 на напряжение U= 12 В мощностью W= 5 Вт. Параллельно к лампочке подсоединим измерительный прибор тестер Ц4326, настроенный на измерение напряжения. При помощи рукоятки 13 редуктора 12 запустим испытуемое устройство в работу, раскручивая ротор 8 по тахометру до n= 700 об/мин, наблюдая при этом за показаниями прибора и лампочкой.

Стрелка прибора при измерении показала величину напряжения 5 В. В самом начале, при совершении первых оборотов ротора, появился накал, после чего лампочка начала светиться пульсирующим светом, с нарастанием яркости свечения.

При раскручивании ротора до n= 1400 об/мин стрелка прибора показала величину напряжения U= 6,5 В, при этом лампочка горела ярким светом.

Шестое наблюдение. Установим измерительный прибор тестер на измерение тока. Разорвем цепь нагрузки. Последовательно с лампочкой подключим в разрыв цепи тестер. При помощи рукоятки редуктора запустим испытуемое устройство в работу, раскручивая вал ротора по тахометру до n= 700 об/мин, наблюдая при этом за показаниями прибора.

При наблюдении за прибором стрелка микроамперметра показала величину тока I= 125 мА.

Далее, при раскручивании вала ротора до n= 1400 об/мин, стрелка прибора показала величину тока I= 160мА.

Сравнивая результаты измерений третьего и четвертого наблюдений, следует отметить то, что величина напряжения в испытуемом устройстве растет пропорционально увеличению частоты воздействия магнитного поля на катушки ротора.

При наблюдении за работой испытательного устройства, был замечен эффект накачки катушек ротора электрической энергией. Этот эффект проявлялся в запаздывании загорания лампочки, то есть, при совершении первых оборотов ротора лампочка не горела, и далее, лампочка набирала яркость свечения постепенно, с увеличением оборотов ротора.

Пятое и шестое наблюдения показывают, что новый генератор электрической энергии может и способен работать под нагрузкой, причем, было замечено, что во время работы экспериментального устройства ток нагрузки не оказывал тормозного действия на вал ротора. Этот эффект можно почувствовать по силе противодействия, которая создается на рукоятке приводного устройства, кроме того, этот эффект наблюдается при свободном вращении ротора по инерции, при котором вал ротора постепенно замедлял свою скорость вращения до полной остановки, а лампочка, при этом, излучала свет до конца остановки ротора.

Во время экспериментов были использованы кольцевые постоянные магниты от динамических головок радиоустановок, которые имеют небольшую силу индукции.

Эксперименты показали, что индуктируемая величина ЭДС не зависит от скорости изменения магнитного потока.

А зависит только: от силы магнитного поля, от частоты воздействия магнитного поля на проводник, от длины проводника, находящегося под воздействием магнитного поля, и от угла пересечения проводником магнитного потока.

В связи с этим, можно сказать, что в генераторе электрической энергии ЭДС образуется за счет проникновения тела проводника сквозь упругое тело магнитного поля магнита, которые друг на друга оказывают силовое действие под прямым углом. Поэтому, в этом случае, между телом проводника и телом магнитного поля магнита действует электромагнитная сила трения, которая имеет максимальную отрицательную величину.

Вспомним, трением называется сопротивление соприкасающихся тел движению друг относительно друга. Тела, перемещающиеся с трением друг относительно друга, должны соприкасаться поверхностями или притягиваться одно в среде другого. Сила трения есть сила сопротивления движению соприкасающихся тел друг относительно друга. Трение объясняется двумя причинами: неровностями трущихся поверхностей и молекулярным взаимодействием между ними. Если выйти за пределы механики, то следует сказать, что силы трения имеют электромагнитное происхождение.

А. С. Иванов, Мир механики и техники. Москва. "Просвещение". 1993 г. , с. 72-73.

Следовательно, можно сказать, что в генераторе электрической энергии совершается преобразование механической энергии в электрическую энергию за счет действия силы трения между: проводником с одной стороны и магнитными силовыми линиями магнитного поля магнита с другой стороны.

Известно, что проводник состоит из атомов. Атом в целом имеет очень сложное строение. В центре атома находится ядро, состоящее из заряженных частиц - протонов и нейтральных (незаряженных) частиц нейтронов. Вокруг ядра на сравнительно большом расстоянии, в десятки и сотни тысяч раз превосходящем размеры, вращаются электроны. Вокруг электрона существует электрическое поле. Находясь в постороннем электрическом поле, электрон движется по направлению его линий в сторону положительных зарядов. У неподвижного электрона магнитного поля нет и с постоянным магнитным полем он не взаимодействует.

Вокруг движущегося электрона образуется магнитное поле. Движущийся электрон взаимодействует с магнитным полем. Это взаимодействие сказывается в виде изменения направления движения электрона. Атомы в нормальном состоянии электрически нейтральны: положительный заряд ядра полностью уравновешивается отрицательными зарядами электронов в его электронных "оболочках. " Но атомы могут терять электроны или захватывать лишние, "сверхкомплектные" электроны.

Если при помощи какой-либо внешней силы удалить из атома один или несколько электронов, то электрическое равновесие в атоме нарушится, положительный заряд протонов ядра станет преобладать и атом в целом окажется заряженным положительно. Может быть и обратное явление. В атом попадает лишний электрон и тогда атом оказывается заряженным отрицательно. Такие заряженные атомы, потерявшие или получившие дополнительно один или несколько электронов, называются ионами.

Точно такие же явления могут происходить не с одним атомом, а с группой атомов, то есть с каким-либо веществом. Этим веществом в генераторе является проводник из меди.

Л. В. Кубаркин. Занимательная радиотехника. Государственное энергетическое издательство. Москва. 1962 г. , с. 12-32.

В генераторе электрической энергии, при помощи механической силы тяги, совершается механическая работа, в результате которой, за счет электромагнитной силы трения, атомы проводника теряют электроны. В этом случае можно сказать, что при взаимодействии атомов проводника с магнитным полем магнита, совершается отрицательная электромагнитная работа, приводящая к разрушению, или говоря по другому, к нарушению равновесия в строении атомов вещества. Атомы, находящиеся в проводнике, заряжаются.

Так как в генераторе электрической энергии процесс нарушения равновесия в строении атомов вещества происходит периодически, то в результате этого действия в проводниках, установленных на роторе, периодически на одном конце будет наблюдаться скопление отрицательных зарядов, а на другом конце скопление положительных зарядов (фиг. 14), то есть образуется разность потенциалов. Между зарядами внутри проводника будет действовать (кулоновская сила f_k), то есть, в проводнике возникает индуктированное (наведенное), электрическое поле - создается напряженность Е. Через эту напряженность можно выразить силу взаимного притяжения разноименных зарядов

f_k= qE.

Сила взаимного притяжения зарядов должна уравновешивать электромагнитную силу трения, стремящуюся разделить заряды

f_э+f_k= 0.

А. С. Касаткин. Основы электротехники. Москва. Высшая школа. 1975 г. , с. 58.

В свою очередь, первичный двигатель, создающий внешнюю механическую силу тяги, на валу генератора, должен развивать при перемещении механическую мощность

P_мех.= F,

где внешняя механическая сила тяги F - является равнодействующей по отношению к тормозной силе противодействия.

Тормозная сила противодействия F складывается из суммы сил

F = F₁+F₂+F₃+F₄+F₅,

где F₁ - есть произведение массы m ротора на ускорение а, то есть

F₁= ma,

где масса тела m равняется весу тела ротора G, деленному на ускорение свободного падения g:

m= G/g.

Сила трения F₂ равняется произведению коэффициента трения в подшипниках на силу давления массы ротора Р, то есть

F₂ = P,

сила трения щеток F₃ равняется произведению коэффициента трения щеточного контакта на силу давления Р прижимной пружины

F₃ = P.

Сила сопротивления воздушной среды F₄ выражается следующим выражением

F₄ = KpS₀²,

где К - коэффициент сопротивления, зависящий от формы движения в среде тела, - плотность среды,

S₀ - площадь поперечного сечения контура тела в направлении, нормальном к направлению движения, или как иногда называют, миделевое сечение,

² - скорость движения тела относительно среды. Заметим, что при скоростях, равных или близких к скорости звука (331,5) м/с, сопротивление атмосферы движению тел в ней пропорционально не квадрату, а кубу скорости движения. И, наоборот, при скоростях порядка нескольких метров в секунду сопротивление среды пропорционально первой степени скорости движения. Как видно из формулы, воздушная среда оказывает большое сопротивление первичному двигателю, но это сопротивление на много меньше электромагнитной силы сопротивления.

А. С. Иванов. Мир механики и техники. Москва. Просвещение. 1993 г. , с. 180.

Воздушное сопротивление можно исключить, если откачать из системы воздух.

Перечисленные механические силы противодействия F₁-F₄, при работе генератора электрической энергии с постоянной скоростью вращения ротора, имеют постоянную величину, и поэтому эти силы, временно, из рассмотрения можно исключить.

Совсем другое дело, в генераторе электрической энергии имеют электромагнитные силы F₅, которые изменяются в связи с возникающей нагрузкой, которую создают потребители электрической энергии.

Эти силы образуются в момент пересечения проводником магнитных силовых линий магнитного потока, вследствие чего, в проводнике возникает ЭДС, а в замкнутой цепи начинает протекать электрический ток I, который создает свой магнитный поток, в результате чего на валу ротора начинает действовать тормозная электромагнитная упругая сила (F_{эл.магн.}).

Направление силы определяется по правилу правой руки (фиг. 16). Построив вектор этой силы, мы убедимся, что сила F является тормозной силой, направленной в противоположную вектору скорости сторону. Таким образом, движение провода возникнет при действии внешней силы тяги, равной и противоположно направленной по отношению к тормозной, упругой электромагнитной силе, то есть, F_мex.= F_{эл.магн.}

Н. Мансуров. Теоретическая электротехника. Госэнергоиздат. Москва. 1958 г. , с. 222.

Это выражение соответствует третьему закону Ньютона.

Так как f_к - сила взаимного притяжения зарядов, должна уравновешивать электромагнитную силу F_{эл.магн.}, стремящуюся разделить заряды, а, в это же время, механическая сила тяги F_мех равна и противоположно направлена по отношению к электромагнитной силе F_{эл.магн.}, то есть F_мex= F_{эл.магн.}, то из этого равенства сил вытекает четвертый закон, который можно сформулировать так, векторы механической, электромагнитной и электрической силы, с которыми действуют друг на друга материальные точки этих сил, противоположны по знаку и действуют под прямым углом, соединяющим эти точки (фиг. 13, 14)

F_1(мех.)= F_{2(эл. магн.)}= f_к,

где сила F₁ - есть механическая сила, которая перемещает проводник,

сила F₂ - есть сила магнитной индукции,

а сила f_к= qE - есть кулоновская сила, действующая между зарядами, которая является равнодействующей двух сил (F₃+F₄).

Электромагнитная сила F₅, которая входит в суммарную силу противодействия, в новом генераторе электрической энергии является основной силой противодействия. При холостом ходе генератора (без нагрузки), эта сила равна магнитной силе индукции 2В.

F₅= 2B.

Если к генератору подключена нагрузка, то в цепи генератора по проводнику l протекает электрический ток I, который дополнительно намагничивает сердечник ротора. На роторе генератора возникает дополнительная магнитная сила. В результате чего происходит векторное сложение сил

F₅= 2B+(Il),

где 2В - есть величина силы магнитной индукции, сдвоенного магнитного потока кольцевых магнитов,

а, (Il) - есть работа, совершаемая силой тока I на длине l проводника, вследствие чего образуется дополнительный магнитный поток . В этом случае, на проводник действует дополнительная магнитная сила индукции В.

Так как на роторе генератора содержится не один проводник, а несколько проводников, то на каждый из N активных проводников ротора действует электромагнитная сила, плечом приложения этой силы можно считать радиус ротора, равный половине диаметра D/2. Сумма сил, воздействующих на проводники ротора, создает электромагнитный тормозной момент

M_{эл.магн.}= D/2(2B+Il)Np,

где l - длина проводника, N - количество проводников, установленных на роторе, а р - количество пар полюсов, располагающихся на статоре.

Так как генератор электрической энергии содержит три ротора, то электромагнитный тормозной момент в этом случае увеличивается в три раза.

M_{эл.магн.}= [D/2(2B+Il)Np] 3.

В новом генераторе электрической энергии электромагнитный тормозной момент оказывает противодействие первичному двигателю, только при запуске генератора в работу. В дальнейшем, когда ротор генератора электрической энергии пришел в движение, с увеличением оборотов ротора, электромагнитный тормозной момент стремится к нулю.

Работа сил электромагнитного поля. Известно, что работа есть изменение формы движения материи, рассматриваемая с ее количественной стороны. В ряде случаев работа сопровождается переходом механической энергии в другую форму, например в тепловую энергию. Механическая работа понимается нами как действие силы, производящей перемещение тела или части его. Для совершения положительной работы необходимы три условия: а) действие силы; б) движение тела под действием силы; в) неперпендикулярность вектора силы к вектору скорости тела.

Энергия же есть мера возможности совершать работу. Энергия является той общей мерой различных форм движущейся материи, величина которой остается неизменной при любых взаимных ее превращениях.

Энергии присущи следующие признаки. Это, во-первых, единая мера различных форм движения материи; во-вторых, сохранение ее при всех превращениях из одного вида в другой.

Тела, обладающие энергией, способны совершать механическую работу, и, наоборот - за счет механической работы тел можно получить энергию.

А. С. Иванов. Мир механики и техники Москва. "Просвещение". 1993 г. , с. 135-156.

Поскольку в физике существует понятие отрицательной работы, то в этом случае, следует добавить, что для совершения отрицательной работы необходимы тоже три условия:

а) действие силы; б) движение тела под действием силы; в) перпендикулярность вектора силы к вектору скорости тела.

В генераторе электрической энергии происходит преобразование механической энергии в электрическую энергию за счет совершения механической работы. В этом случае, затрачиваемую механическую работу можно представить формулой

A= FT,

то есть, действию силы F за период Т, в течение которого происходит изменение направления магнитного потока, а именно, (фиг. 12), (фиг. 15), при входе в отверстие кольцевого магнита, магнитные силовые линии образуют поперечную часть магнитного потока. В этом месте в катушке индуктивности, при движении, индуктируется первый импульс напряжения. Внутри магнита магнитные силовые линии располагаются по долевой части магнитного потока. Этот участок пути является нейтральной зоной. И величина импульса в этой зоне равна нулю. На выходе из кольцевого магнита в катушке индуктивности образуется второй импульс напряжения. Последовательность таких импульсов можно назвать импульсным током, а промежуток между импульсами, периодом. Число периодов, которое осуществляется в единицу времени, то есть в одну секунду, является частотой f импульсного тока. Если обозначить время одного периода - Т, тогда совокупность изменений, происходящих в течение периода, называется циклом

f= 1/T.

При совершении механической работы, одновременно, в одно и то же время, совершается электромагнитная работа. Так как различают два режима работы генератора электрической энергии, без нагрузки и под нагрузкой. Исходя из формулы равенства сил, магнитной силы трения и взаимного притяжения зарядов, формулу работы этих сил, для одного генератора электрической энергии, за цикл одного периода, можно записать в двух видах.

Первый вид уравнения, когда генератор электрической энергии работает без нагрузки

(-A)= D/2(2Bl)Np= qEl, (Дж),

где 2В - есть сила магнитной индукции,

N - есть количество проводников, расположенных на роторе,

р - есть количество пар полюсов, расположенных на статоре,

l - есть длина проводника,

выражение (2Bl) является формулой совершения отрицательной работы магнитной силы трения 2В на рабочей длине l проводника.

Второй вид уравнения - есть работа, совершаемая электромагнитными силами, когда генератор находится под нагрузкой



В этом случае, на роторе генератора будут действовать (кроме механических сил сопротивления) электромагнитные силы, а именно: сила магнитного поля магнитов и электромагнитная сила, возникающая в результате протекания электрического тока по проводникам. Происходит геометрическое сложение сил.

В генераторе электрической энергии электрический потенциал, образующийся на противоположных концах проводника, будет тем больше, чем сильнее сила трения между: атомами проводника с одной стороны и силовыми линиями магнитного поля с другой стороны. По возможности, атомы проводника должны содержать максимальное число протонов, а сам проводник иметь наименьшее удельное сопротивление для протекающего по нему току.

Магнитную силу индукции В, в этом случае, можно приравнять к механической силе трения, где коэффициентом трения является - (магнитная проницаемость - ), а сила давления есть - (напряженность - Н).

Поэтому, магнитную силу индукции магнита В, а также силу протекающего в проводнике тока I, который дополнительно с магнитом намагничивает магнитопровод ротора, можно приравнять к ньютоновским силам, потому что они оказывают механическое противодействие первичному двигателю, и действие этих сил можно измерить на валу первичного двигателя.

На основании наблюдений от проделанных экспериментов можно сделать вывод, что наибольшая сила трения атомов проводника при взаимодействии с магнитным полем магнита в генераторе электрической энергии будет в том случае, если магниты в системе возбуждения будут иметь наибольшую магнитную индукцию Вr и коэрцитивную силу Нc, а магнитопровод для ротора изготовить из ферросплава с наибольшей магнитной проницаемостью и с наименьшей петлей гистерезиса.

Эксперименты показали, что, если, вместо магнитопровода применить диэлектрический материал, то в этом случае электромагнитная сила противодействия в генераторе, при трогании с места, не ощущается, несмотря на то, что импульс напряжения в проводнике индуктируется. В этом случае, в периоде наблюдается уменьшение величины амплитуды второго импульса, противоположного по знаку. Применение для магнитопровода материалов из ферросплава с большой магнитной проницаемостью и с наименьшей петлей гистерезиса, позволяет в генераторе электрической энергии увеличить силу магнитной индукции и уменьшить энергетические потери, связанные с перемагничиванием сердечника ротора. Таким материалом для магнитопровода в новом генераторе электрической энергии могут служить альсиферы.

Н. В. Никулин. Электро-материало-ведение. Москва. Высшая школа. 1989 г. , с. 166.

Уменьшение затрачиваемой механической работы в генераторе электрической энергии. Для того чтобы понять, каким образом происходит уменьшение затрачиваемой механической работы в генераторе электрической энергии, рассмотрим подробней процесс преобразования механической энергии при помощи магнитной энергии в электрическую энергию в новом генераторе.

На эскизах фиг. 12 и 15 изображена часть новой системы возбуждения генератора, на которой буквами А, В, С, Д обозначены границы расстояний между магнитами. Здесь же стрелками отмечены векторы магнитных силовых линий, которые показывают направление магнитного потока.

Расположим в магнитном поле генератора перпендикулярно его направлению кольцевой провод, замкнутый на внешнее сопротивление R, который начнем перемещать при помощи внешней силы внутри магнита.

В проводе на границе А, при пересечении магнитных силовых линий сдвоенного магнитного потока, возникнет импульс напряжения, а в замкнутой цепи потечет индукционный ток I. Чтобы определить направление возникающего тока, нужно знать правило генератора, или правило правой руки (фиг. 16).

Если правую руку расположить выше центра на краю кольцевого магнита так, чтобы силовые линии входили в ладонь, а большой палец указывал направление движения проводника, то вытянутые пальцы укажут направление тока.

Следовательно, в точке А на провод с током будет действовать сумма сил, а именно: механические силы и электромагнитные силы. Направление магнитной силы, с которой поле действует на провод с током, определяется по правилу левой руки. Если расположить ладонь левой руки выше центра на краю кольцевого магнита таким образом (фиг. 17), чтобы магнитное поле поперечной части магнитного потока было направлено к ладони, а четыре вытянутых пальца направить вдоль электрического тока по кольцу проводника, то отогнутый большой палец укажет направление силы, действующей на провод с током. Построив вектор этой силы, мы убедимся, что сила F является тормозной силой, направленной в противоположную вектору скорости сторону.

Таким образом, движение провода возникнет при действии внешней силы, равной и противоположно направленной по отношению к механическим силам сопротивления и электромагнитным силам сопротивления.

В новой системе возбуждения генератора, благодаря тому, что поперечный магнитный поток удвоился и одновременно с этим объем магнитного потока сжался до размера, стремящегося к бесконечно малой величине, в этом случае на границах сопряжения магнитов А, В, С, Д (фиг. 12, 15) механическая работа, затрачиваемая на преодоление суммарной силы противодействия (с. 15), уменьшится, потому что путь перемещения проводника в поперечном магнитном потоке магнитной массы сократится и стремится к нулю,



Если не брать во внимание механические силы сопротивления, то из формулы хорошо видно, что, когда совершаемая механическая работа при индуктировании ЭДС стремится к нулю, то в это же самое время, одновременно, совершаемая электромагнитная работа имеет максимальное значение.

Далее, перемещая проводник в магнитном поле генератора, на участке АВ, там, где магнитные силовые линии магнитного потока располагаются по прямой, то на этом участке пути, импульс напряжения в проводнике не индуктируется, ток в цепи не протекает, электромагнитная тормозная сила на проводник не действует.

Эта часть пути есть нейтральная зона. Поэтому, на участках пути АВ, ВС, СД первичный двигатель, создающий внешнюю силу тяги, затрачивает механическую работу лишь на преодоление сопротивления механических сил F₁-F₄ (с. 15).

На границе В, при пересечении магнитных силовых линий сдвоенного магнитного потока кольцевых магнитов, в проводе возникнет импульс напряжения обратной полярности, а в замкнутой цепи потечет ток. При этом следует отметить то обстоятельство, что проводник при перемещении пересекает магнитный поток целиком, одновременно, под прямым углом. В периоде, действующее значение тока равно либо нулю, либо единице, меняющей свой знак на противоположный, а в импульсе, действующее значение тока имеет постоянную величину. В этом случае следует заметить, что электроны совершают движение в проводнике одновременно, вместе. Это дает возможность уменьшить внутренние потери в генераторе, во время протекания электрического тока по проводнику. В итоге, затрачиваемая механическая работа в генераторе электрической энергии в течение периода равна как бы режиму холостого хода генератора, при котором на вал ротора действуют только лишь механические силы сопротивления F₁-F₄ (с. 15).

В этом случае ток нагрузки внешней цепи не оказывает тормозного действия на вал ротора.

Мощность генератора электрической энергии. В генераторе электрической энергии, имеющем "р" пар полюсов, за время одного оборота ротора виток будет проходить под "р" парами полюсов и, следовательно, одному обороту ротора будет соответствовать "р" циклов ЭДС. Если число оборотов генератора в секунду обозначить через n/60, где n - число оборотов в минуту, то число циклов в секунду, т. е. частота, будет равна

f= n/60p.

Н. Н. Мансуров. Теоретическая электротехника. Госэнергоиздат, Москва. 1958 г. , с. 222, 292.

Теперь, если совершенную электромагнитную работу за один цикл умножить на число циклов совершаемой работы в секунду, то в этом случае получается формула мощности, которая при холостом ходе генератора электрической энергии, будет иметь вид

P= D/2(2Bl)Nn/60p (Вт),

а при подключенной нагрузке к генератору электрической энергии, формула мощности будет иметь вид

P= D/2(2B+I)lNn/60p (Вт).

Учитывая то обстоятельство, что в одном генераторе электрической энергии содержится группа генераторов электрической энергии, то есть, три генератора, то в этом случае, при параллельном соединении секций, мощности каждой отдельной секции генераторов складываются геометрически.

P= [D/2(2B+I)lNn/60p] 3 (Вт).

Коэффициент полезного действия. Известно, что величина, характеризующая экономичность машины, называется коэффициентом полезного действия. В обычных условиях коэффициент полезного действия всегда меньше единицы. Чем ближе коэффициент полезного действия к единице, тем экономичнее машина.

Известно, что полезная работа (А_п) и затраченная работа (А_з) совершаются в течение одинакового времени

= A_п/A_з

или

= A_п/A_з100%.

А. С. Жданов. Физика. Издательство. Наука, Москва. 1970 г. , с. 169.

Электрические заряды q, полученные в результате индуктирования ЭДС, способны совершить электрическую работу, которая для одного генератора за цикл одного периода равна

A= D/2(2B+I)lNp= qU (Дж),

где U - есть напряжение.

Следуя тому, что количество электричества равно току, умноженному на время его прохождения в проводнике, то есть

q= It,

тогда работу тока можно определить по формуле

A= UIt.

В свою очередь, механическая затрачиваемая работа при индуктировании ЭДС в импульсе равна

A= Fb,

где F - механическая сила, а b - расстояние перемещения проводника в поперечном магнитном потоке (фиг. 12).

Если не брать в расчет механические силы противодействия, такие как: сила трения в подшипниках, в щеточном контакте и сопротивление воздушной среды, которые в сравнении с электромагнитной силой при работе генератора под нагрузкой очень малы, то в этом случае, коэффициент полезного действия генератора электрической энергии в импульсе можно выразить отношением полезной работы к затраченной работе, исходя из того, что путь перемещения проводника в магнитном поле, равный расстоянию b, стремится к нулю, т. е.

Как видно из полученного соотношения полезной работы к затраченной работе, в результате сжатия массы магнитного поля в системе возбуждения генератора, коэффициент полезного действия генератора электрической энергии в импульсе стремится к бесконечно большой величине.

Но так как при работе генератора электрической энергии, на валу ротора, кроме электромагнитных сил, присутствуют постоянно механические силы сопротивления, то в этом случае, коэффициент полезного действия генератора электрической энергии будет больше единицы на столько, на сколько магнитная сила магнитов будет превосходить механические силы сопротивления.

Если проанализировать все то, что изложено выше, то можно сказать, что, в новом генераторе электрической энергии выполняются условия, поставленные французским ученым Л. Карно (1753-1823 гг. ), изложенные в курсе прикладной механики, где он высказал интересную мысль: "Создание вечного двигателя абсолютно невозможно: даже если трение и сопротивление среды не уменьшают длительности воздействия движущей силы, она не может произвести равного ей эффекта. Причина этого состоит в следующем: если мы хотим, чтобы эффект, производимый силой конечной величины действовал бесконечное время, необходимо, чтобы произведенный эффект был бесконечно мал. "

В. М. Бордянский. Вечный двигатель прежде и теперь. Москва. "Энергоиздат". 1989 г. , с. 72.

Если не брать в расчет механические силы сопротивления в генераторе электрической энергии, то эта мысль может быть изложена следующим образом: если мы хотим, чтобы электрический потенциал конечной величины, действовал бесконечное время, для этого необходимо, чтобы механическая работа, затрачиваемая на преодоление электромагнитной силы трения, при индуктировании ЭДС была бесконечно мала.

Для работы генератора электрической энергии необходимо использовать в качестве тягового двигателя электродвигатель постоянного тока, так как электродвигатель, по сравнению с другими приводами, имеет самый высокий коэффициент полезного действия. Запускать электродвигатель с генератором электрической энергии в работу можно при помощи стартера от аккумуляторной батареи, как в автомобиле.