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.

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.  

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.

Власов В.Н.

Вариант униполярного магнитного двигателя.

На своём сайте я недавно разместил две интересные статьи примерно на одну тему. Это «Вечный двигатель первого рода», автор Головко Владимир Павлович. И «Роторный униполярный магнитный двигатель », автор Калашников Юрий Яковлевич. И это сделано неспроста.

Оба автора примерно с одинаковых позиций показывают, что довольно простым способом можно сконструировать магнитный двигатель, который способен работать практически вечно, настолько долго, насколько долго будет сохраняться намагниченность магнитов. Оба автора предлагают при необходимости вместо постоянных магнитов использовать электромагниты. В этом случае это уже не будет «выглядеть» как вечный двигатель, но при подборе параметров можно добиться, что энергетические расходы на поддержание необходимого магнитного поля в электромагнитах будут меньше работы, совершаемой двигателем.

Головко В.П. совершенно правильно формулирует техническое задание, но, к сожалению, до конца дело не доводит, согласившись с тем, что магнитов с требуемыми для его двигателя параметрами не существует и предлагает свой способ намагничивания постоянных магнитов. К сожалению, дальше теории дело не пошло. А жаль.

Калашников Ю.Я. предлагает более совершенную конструкцию, которая неплохо показала себя в виде простого макета. Для своего двигателя, у которого магнитные поля роторных магнитов должны быть подобны магнитным полям проводников, по которым протекает электрический ток. На плоскости это концентрические окружности, а объемно это будут концентрические цилиндры. Взаимодействие постоянного магнитного поля статора с цилиндрическим магнитным полем магнитов ротора приводит к тому, что вокруг каждого роторного магнита возникает перепад напряженности магнитного поля с одной точки зрения и перепад эфирного давления с другой. В итоге на каждый роторный магнит действует постоянная сила, направленная именно так, как предлагает в своей статье Головко В.П. Таким образом, Калашников Ю.Я. не только сформулировал техническое задание, но и предложил простое решение.

Мои предложения в некотором смысле можно считать усовершенствованием того, что предложил Калашников Ю.Я. Дело в том, что решение Калашникова Ю.Я. хоть и красивое, но для его реализации необходимо составлять своеобразный бутерброд из двух плоских, длинных и особым образом намагниченных магнитов. Такие магниты технически, наверное, проще собрать из нескольких более коротких магнитов, закрепив их в пазах ротора друг над другом.

Вторым недостатком можно считать то, что когда такие составные магниты будут расположены на роторе близко друг от друга, то в итоге мы рискуем получить вместо множества цилиндрических магнитных полей несколько иную магнитную конфигурацию, в которой магнитные поля составных роторных магнитов, замкнутся так, что силовые линии этого итогового поля будут располагаться перпендикулярно силовым линиям магнитного поля статора. А такое магнитное поле уже не сможет вращать ротор вокруг оси. Значит надо как-то из кругового магнитного поля соорудить полукруговое магнитное поле, сохранив за ротором способность вращаться в итоговом магнитном поле.

Униполярным двигателям и генераторам, как в прошлом, так и в настоящем, уделяется большое внимание. Хотя используются такие моторы и генераторы в специфических условиях. Например, когда надо получить постоянный электрический ток большой величины, но при малом напряжении. Или получить мотор, работающий от мощных аккумуляторов с небольшим напряжением, таких как магнето на автомобилях, тракторах и т.п.

Униполярный электродвигатель - разновидность электрических машин постоянного тока . Содержит проводящий диск, постоянное магнитное поле, параллельное оси вращения диска, 1 токосъёмник на оси диска и 2-ой токосъёмник у края диска.

Рис. 1. Простой униполярный двигатель.

Наглядная демонстрация работы униполярного электродвигателя. На головке шурупа находится постоянный магнит, сила которого удерживает шуруп притянутым к полюсу батарейки.

Первый униполярный двигатель, колесо Барлоу, создал Питер Барлоу , описав его в книге «Исследование магнитных притяжений», опубликованной в 1824 году . Колесо Барлоу представляло собой два медных зубчатых колеса, находящихся на одной оси. В результате взаимодействия тока, проходящего через колёса с магнитным полем постоянных магнитов колёса вращаются. Барлоу выяснил, что при перемене контактов или положения магнитных полюсов происходит смена направления вращения колёс на противоположное.

Униполярный генератор - разновидность электрической машины постоянного тока. Содержит проводящий диск, постоянное магнитное поле, параллельное оси вращения диска, 1 токосъёмник на оси диска и 2-й токосъёмник у края диска.

Рис.2. Диск Фарадея, первый униполярный генератор

С позиций электродинамики принцип действия униполярного генератора простой. Есть смысл его привести. На электроны, находящиеся в диске, действует Сила Лоренца , являющаяся векторным произведением напряжённости магнитного поля и скорости перемещения электрона вместе с проводником в результате вращения диска. Сила эта направлена вдоль радиуса диска. В результате при вращении диска возникает ЭДС между его центром и краем.

В отличие от других электрических машин, такой генератор имеет чрезвычайно низкую ЭДС (от долей до единиц вольт) при низком внутреннем сопротивлении и большом токе; равномерность получаемого тока, отсутствие необходимости коммутировать его коллектором ротора, или выпрямлять полученный другими машинами переменный ток внешними коммутирующими или электронным приборами; большие собственные потери энергии из-за протекающих по диску обратных токов, его бесполезно нагревающих. Эта проблема частично решается в конструкциях двигателей и генераторов с жидким проводящим токосъёмником по всему периметру диска; Сочетание этих свойств обусловило очень узкие сферы применения этого типа генераторов.

Чтобы принцип работы униполярного мотора и генератора был более понятным, воспользуемся рис.3. Данный рисунок составлен из двух рисунков, взятых с одного форума в Интернете.

Рис.3. Объяснение работы униполярного мотора и генератора.

Рис.4. Еще одна схема для ознакомления с принципами работы униполярного двигателя и генератора.

В данных схемах предполагается, что магнит одновременно является как носителем магнитного поля, так и проводником электрического тока. Хотя с таким же успехом функции магнита можно разделить между диском из материала с высокой проводимостью и отдельным магнитом для создания магнитного поля. В этом случае необязательно, чтобы магнитное поле покрывало весь диск, достаточно, чтобы магнитное поле присутствовало пространственно только над тем сектором диска, где будет протекать электрический ток в случае, если мы имеем мотор, или над тем сектором, с которого мы будет этот ток получать в случае, если будем использовать конструкцию в качестве генератора. Это позволяет упрощать конструкцию, обеспечивая над нужными участками вращающего диска магнитное поле нужной напряженности, использую магниты (электромагниты) меньших габаритов при той же напряженности создаваемого магнитного поля.

С другой стороны можно эффективно использовать как всю площадь диска (дисков), так и площадь магнита (магнитов). Почему дисков и магнитов? А потому, что диски и магниты можно насадить на одну общую ось по схеме магнит-диск-магнит-диск-…-магнит-диск-магнит. Такую модификацию униполярного двигателя предложил Тесла, при этом он предложил диски разделить на спиральные сектора, а ток снимать фактически со всей окружности дисков. Многих мучает желание понять, зачем Тесла обратил свое внимание на униполярный двигатель и генератор, ибо это как-то, похоже, не связано с его основным изобретением – трансформатором Тесла. Но это только на первый взгляд.

Рис.5. Трансформатор Николы Тесла с электромагнитным гасителем искры.

На рис.5. показана схема знаменитого трансформатора Николы Тесла. До настоящего времени идут споры о механизмах, которые позволяют создавать ударные эфирные волны и шаровые молнии. В дополнении к тому, что я уже постарался показать в предыдущих статьях о Тесла, хотелось бы отметить, возможно, очень важное. Болотов Б.В., интересный во всех отношения ученый Украины, высказал интересную мысль о возможности использования волн на поверхности водоема, но не от брошенного камня, а от обода, который располагают на поверхности воды, а затем по определенному закону слегка опускается в воду и поднимается из неё, без отрыва обруча от воды. В этом случае при подборе параметров обода, а также частоты принудительных колебаний можно внутри обода создать стоячую волну, которая будет периодически создавать в центре поверхности водного круга всплески, достигающие большой амплитуды. А если повезет, от этой центральной волны периодически будет вверх отрываться определенный объем воды шаровидной или торовидной формы. Наблюдательные люди давно заметили, что нечто похожее возникает на месте падения капли воды на водную поверхность, но этот эффект крайне непродолжительный, так как зона падения капли на поверхность воды не ограничена обручем.

А теперь посмотрите с этих позиций на схему трансформатора Николы Тесла. Первичная обмотка А аналогична колеблещемуся на воде обручу, который формирует во вторичной обмотке С стоячую электромагнитную (эфирную) волну с одной стороны, а с другой стороны не дает этой волне покинуть вторичную обмотку. Форма, частота, напряжение и сила тока в первичной обмотке выбирается такой, чтобы её параметры согласовывались с параметрами (индуктивность, способ намотки, материал, емкость), чтобы затраты энергии на создание стоячей волны были минимальные. Поэтому Тесла и говорил в одном своем интервью, что его трансформатор практически не рассеивает энергию, а использует её на 98-99% для создания энергетических объектов – плазмоидов или, иначе, шаровых молний. Вторичная обмотка выполняла не только роль формирователя стоячей волны, но и своеобразного аккумулятора. И когда энергия, образно говоря, начинала переливаться через край, происходил выброс плазмоида на пике напряжения в центре вторичной обмотки путем отрыва шаровой молнии от эфирного всплеска в центре вторичной обмотки.

Но какая связь между униполярным динамо и трансформатором Тесла? Дело в том, что по виткам первичной обмотки протекал достаточно большой ток, поэтому Тесла делал её из проводника большого диаметрас малым омическим сопротивлением. А там, где в селеноиде протекает большой ток, возникает сильное магнитное поле. И пусть это поле было в виде импульса, но напряженность его было высоким. Этот всплеск магнитного поля в первичной обмотке вызывал мощный импульс тока во вторичной обмотке, который волной распространялся по двум спиралям этой бифилярной обмотки, формирую в итоге стоячую волну напряжения (эфирного давления) над ней.

Как известно вынужденные колебания в колебательной системе, как правило, происходят с частотой вынужденных колебаний или его гармоник. Примем, что импульс тока в первичной обмотке и всплеск магнитного поля внутри её задавался Тесла в форме положительного прямоугольного импульса. Значит и колебания эфира над вторичной обмоткой задавались основной частотой колебаний в первичной обмотке, но вот форма этих стоячих волн определялась уже параметрами вторичной обмотки, а значит, что на одних частотах колебания усиливались, а на других могли заметно ослабевать. Это в итоге вело к тому, что солитонопорождающие колебания эфира над вторичной обмоткой уже не были похожи на прямоугольные импульсы, а определялись в заметной степени самой вторичной обмоткой. Не зря Тесла так тчательно относился к процессу выбора проводника для вторичной катушки и способу намотки. Кроме того изучающие наследие Тесла обратили внимание, что из математических методов он использовал проктически только преобразования Фурье. Тот, кто знает, что это такое понимает, что любой прямоугольный импульс в первичной обмотке ТТ можно промоделировать в виде суммы гармонических колебаний. Так вот, набор этих колебаний во вторичной обмотке будет представлен тем же набором гармоник, но уже с другими коэффициентами, что вызовет изменение формы стоячей волны во вторичной обмотке. И она вместо прямоуголной формы будет похожа на своеобразный пакет гармонических колебаний, амплитуда которых увеличивается от края к центру вторичной обмотки.

Получается, что вторичная обмотка в трансформаторе Тесла работала как оптический лазер, периодически выстреливая шаровые молнии или строго направленные локально ограниченные ударные волны. У лазера тоже ведь есть катушка для энергетической накачки, которая излучает когерентное излучение, энергия которого накапливается в кристалле, например рубине, длину которого подбирают очень строго, чтобы на ней могло уложиться целое число периодов выбранной световой волны, например красного цвета, а затем, когда энергии накапливается в достатке, «болтаясь» в виде стоячей волны вдоль всего кристалла от одного торца к другому, по достижению критического порога энергии стоячей световой волны кристалл выстреливает своеобразный световой солитон (волновой пакет) через один из своих торцов, который специально делают полупрозрачным.

Вот поэтому Тесла назвал свою вторичную бифилярную катушку катушкой для электромагнита. Только не «постоянного», а импульсного, в виде первичной катушки его любимого трансформатора.

Но вернёмся к униполярному динамо или мотору. Как для униполярного мотора, так и для униполярного генератора важно, чтобы вращался электропроводный диск, который должен обладать небольшим внутренним сопротивлением (золото, серебро, медь). Магнит может не вращаться или он может вращаться как вместе с диском, так и сам по себе, но исключительно параллельно вращающемуся диску.

Данное открытие было сделано А. Родиным. Им обнаружено, что реакция на цилиндрическом магните-статоре при вращающемся диске-роторе в униполярном двигателе полностью отсутствует (рис.6). С другой стороны вращение постоянного магнита никак не влияло на вращение диска. Важен лишь факт наличия магнитного поля, его напряженность и направление силовых линий. Проще говоря, наличие струй эфира, «вентилятором» для которых является магнит, у южного полюса он эфир «засасывает», а из северного полюса «выдувает». Так как в области северного полюса магнита создается зона с повышенным эфирным давлением, а возле южного полюса – с пониженным давлением, то «выдуваемый» из северного полюса эфир возвращается к южному полюсу, но уже обтекая магнит снаружи. Так магнитом формируется торовидный эфирный вихрь.

Рис. 6. Схема опытаА.Родина.

В рамках известных представлений явление не имеет корректного объяснения, так как находится в противоречии с законами механики. В действительности к магниту приложены скомпенсированные продольные силы F ║ от вращающегося диска и неподвижного проводника токоподвода, в результате чего суммарный момент на магните равен нулю и он остается в состоянии покоя. Роль статора выполняет неподвижный проводник токоподвода, на который передается реакция от магнита - поперечная сила F ┴ , однако непосредственного действия на вращающийся диск-ротор магнитное поле токоподводящего проводника-статора не оказывает. Таким образом, от токоподводящего проводника-статора вращающийся момент передается на магнит, а от магнита, в свою очередь, вращающийся момент передается на диск-ротор, при этом магнит выполняет роль активного передаточного тела, оставаясь все время неподвижным. Суммарный вращающий момент на магните всегда остается равным нулю.

С позиций эфиродинамики механизм вращения диска в униполярном моторе очень простой. Когда ток проходит в диске, находящемся в постоянном магнитном поле, направление силовых линий которого параллельно оси вращения диска, то данный ток создает вокруг себя круговое магнитное поле, направление вращения которого можно определить по правилу правой руки, которое и взаимодействует с постоянным магнитным полем. В результате с одной стороны от этой токовой «дорожки» магнитное поле усиливается, а с другой ослабляется. Или, если исходить из эффекта Магнуса для эфирных потоков, то с одной стороны токовой «дорожки» эфирное давление падает, а с другой возрастает. Разность эфирный давлений воздействует не на сам ток, а на носитель тока, коим является проводящий диск и проворачивает его вокруг оси на некоторый угол. Но токовая «дорожка» пространственно остается там же, на старом месте, поэтому вместе с ней остаются на месте зоны повышенного и пониженного эфирного давления, которые опять проворачивают токопроводящий диск. И так оборот за оборотом. Вот почему важно, чтобы магнитное поле достаточной напряженности располагалось как раз над (под) токовой «дорожкой». В другом месте магнитное поле бесполезно.

Объяснить работу униполярного генератора также можно с позиций эфиродинамики. При вращении токопроводящего диска электроны, как наиболее подвижные эфирные вихревые образования создают в диске концентрические токи, вокруг которых создается цилиндрическое магнитное поле. Это цилиндрическое магнитное поле взаимодействует с постоянным магнитным полем внешнего магнита, и в зависимости от направления вращения токопроводящего диска электроны будут либо оттесняться к периферии диска, либо собираться в центре диска. Разность концентраций электронов в центре и на периферии диска будут порождать напряжение. Но тут есть одна тонкость, на которую в известных мне материалах никто не обращает внимание.Дело в том, что на электроны будет действовать и центробежная сила, которая равноценна разности давлений эфира и напряжению. Поэтому важно, чтобы диск, направление токовой «дорожки» в пространстве и расположение магнитных полюсов внешнего магнита было таким, чтобы электроны оттеснялись на периферию диска как под действием центробежной силы, так и под действием силы Лоренца (эффекта Магнуса), что позволит обеим силам усиливать эффект друг друга.

В итоге между центром и периферией диска возникает напряжение, а в случае замыкания электродов на нагрузку через неё протекает электрический ток. И как в случае с униполярным мотором достаточно, чтобы магнитное поле было расположено над (под) линией, соединяющие электроды, с которых снимается напряжение. Это позволит использовать мощные, но небольшие по габаритам магниты (электромагниты).

Таким образом, с позиций эфиродинамики легко объясняются особенности работы униполярного двигателя или униполярного генератора. И самое главное, становится понятно, почему вращение магнита при наличии отдельного проводящего диска необязательно. Важно, что все эти эффекты связаны с характером взаимодействия эфирных полей – магнитного поля постоянного магнита и цилиндрических магнитных полей, динамически возникающих или протекающих меду электродами токов во вращающемся диске. В гидродинамике и аэродинамике этот эффект имеет аналога в виде эффекта Магнуса. Например, аналогом униполярного двигателя может служить ветрогенератор с лопастями, выполненных в виде принудительно вращающихся цилиндров. Несколько таких ветрогенераторов установлены в Белоруссии.

Пытаясь упростить решение, предлагаемое Калашниковым Ю.Я., я обратил внимание на давно известный вариант постоянного магнита как подковообразный (рис.7)

Рис.7. Подковообразный магнит.

В таком магните, как он изображен на рисунке, магнитные линии тоже будут слева замыкаться между северным (синий) и южным (красный) магнитными полюсами «по воздуху», но остальные участки магнитных линий (в правой части магнита) будут проходить внутри магнита, и, таким образом, будут защищены от воздействия магнитного поля такого же магнита, когда, например, два или более таких магнитов будут выстроенны в цепочку (рис.8).

Рис.8. Цепочка подковообразных магнитов.

Если подковообразный магнит расположить между полюсами мощного постоянного магнита как это показано на рисунке рис.9. то в результате враимодействия магнитных полей на подковообразный магнит начнет действовать сила, которая будет стремиться переместить подковообразный магнит вправо.

Рис.9. Подковообразный магнит в магнитном поле мощного магнита.

Причины, по которым на подковообразной магнит в магнитном поле мощного постоянного магнита будет действовать сила, объясняются точно так же, как это было сделано в статье Калашникова Ю.Я. В самом деле, магнитные силовые линии от северного полюса подковообразного магнита к южному будут описывать если не окружность, то кривую, похожую на эллипс. Направление этих силовых линий будет совпадать с направлением силовых линий «статорного» мощного магнита. В результате слева от подковообразного магнита будет наблюдаться повышение плотности магнитного поля, тогда как справа от подковообразного магнита плотность магнитного поля будет снижаться. Исходя из эфирных представлений можно считать, что слева от подковоорбразного магнита давление эфира будет выше, чем справа. Все это указывает на то, что на подковообразный магнит будет действать горизонтальная сила F , как это указано на рис.9.

Теперь, думаю, понятно, почему я указал, что данный способ является некоторым усовершенствованием способа, предложенного Калашниковым Ю.Я. Говоря простым языком, я предлагаю замкнуть, например, правые полюса составного магнита по его схеме обычным магнитопроводом, тем самым защитив эти полюса от воздействия соседних составных роторных магнитов.

Остальное уже дело техники. В качестве роторных и статорных магнитов можно будет использовать электромагниты, но для моторов малой мощности в несколько киловатт можно будет использовать магниты. Думаю, что особое внимание придется уделить подковообразному магниту, которому, по идее, можно придать более удобную форму, как в целях упрощения технологии, так и в целях формирования между его полюсами магнитного поля, магнитные линии которого будут максимально приближены к полуокружностям.

Но это еще не все. Если два таких подковообразных магнита соединить противоположными полюсами, то магниты образуют кольцо, в котором магнитное поле обоих магнитов соединится в кольцевое (закольцованное) магнитное поле. Такой магнит перестанет притягивать железные предметы, так как за пределы этого магнита не выйдет ни одна силовая линия. Но это не значит, что такой магнит, а точнее его закольцованное магнитное поле, не будет взаимодействовать с другими магнитными полями. А так как магнитное поле такого магнита будет представлять собой вращающееся в одну сторону эфирное кольцо, то такое поле при взаимодействии с внешним магнитным полем постоянного магнита поведет себя также как и магнитное поле проводника с током, а может даже и лучше. Такой магнит, если его правильно расположить во внешнем магнитном поле будет перемещаться как проводник с током.

Подтверждением этому может служить опыт В.Черникова. На проводник с током в магнитном поле постоянного магнита действует сила Лоренца (рис.10).Однако если проводник закрыть цилиндрическим экраном из магнитомягкого материала, то действие на проводник магнитного поля практически исчезает, но зато сила оказывается приложенной теперь к обесточенному экрану.

Рис.10. Схема опыта В.Черникова.

Явление объяснимо только при учете взаимодействия токов проводника и индуцированных эквивалентных токов экрана с полями векторного потенциала во внутренней полости экрана. Этот опыт прекрасно объясняестя с эфиродинамических принципов. В цилиндре под действием магнитного поля проводника с током возникает цилиндрическое закольцованное магнитное поле, цилиндр с таким магнитным полем будет взаимодействовать с учетом эффекта Магнуса так же как и проводник с током. При выбранных на рисунке параметрах цилиндр будет выталкиваться из магнитного поля N - S . В итоге получаем схему униполярного мотора (рис.11).

Рис.11. Схема униполярного мотора Власова В.Н.

Но раз из двух подковообразных магнитов можно получить «закольцованный магнит» или магнит с закольцованным магнитным полем, то, скорее всего, такие магниты с закольцованным магнитным полем внутри можно сразу готовить из кольцевой заготовки, которые используются, например, для изготовления аксиальных или радиальных магнитов.

Тут главное принцип работы и способ создания кругового, закольцованного магнитного поля. Теперь остается подумать как наиболее рационально реализовать этот принцип на практике. И тут могут быть варианты. В первом же случае, который приходит на ум, вдоль ротора располагаем трубки из таких магнитов, эти трубки из магнитов не будут мешать таким же соседним трубкам, так как их магнитное поле надежно спрятано. Чтобы магниты не разрушались, их можно «насаживать» на цилиндр как на шампур из непроводящего электрический ток материала. Что-то похожее на такую конструкцию (рис.12). Единственно, что надо обеспечить, чтобы длина статора над трубками из кольцевых магнитов на роторе была чуток больше длины трубкок. Иначе часть магнитов будет вращаться без толку.

Рис. 12. Униполярная машина.

В случае использования в качестве таких цилиндров, на которые будут «нанизываться» кольцевые магниты, алюминиевых или медных цилиндров (проводников) будет одновременно создаваться на концах цилиндров ЭДС, которую вроде бы можно будет задаром снимать и направлять в нагрузку. Но анализ порождаемого при этом магнитного поля по правилу правой руки показывает, что магнитное поле порождаемого тока будет закручиваться по часовой стрелке, тогда как магнитное поле в закольцованном магните закручено против часовой стрелки. В итоге у нас не будет ни двигателя, ни генератора. Но ничто не мешает посадить униполярный двигатель и униполярный генератор на одну ось, продумав их конструкции, чтобы иметь источник электрической энергии.

В чем принципиальные различия между биполярным и униполярным шаговым двигателем, какой стоит выбрать?

В данной статье будут рассмотрены два типа двухфазных шаговых двигателя - униполярный и биполярный . Подобные названия появились благодаря тому, что в двухфазных шаговых двигателях встречаются два основных типа обмотки катушек, один - биполярный, другой - униполярный. Далее - рассмотрим оба типа подробнее, чтобы разобраться какой из них является более эффективным.

Униполярный шаговый двигатель

Униполярный двухфазный шаговый двигатель имеет шесть выводов. Но так же бывает, что средние отводы катушек внутри соединены, что позволяет шаговому двигателю иметь только пять выводов. Благодаря простоте в эксплуатации, данные двигатели имеют широкую популярность среди как новичков любителей, так и во многих промышленных отраслях, поскольку униполярный шаговый двигатель является самым примитивным и дешевым способом получить высокоточные угловые движения.

Биполярные шаговые двигатели

Униполярные шаговые двигатели, в отличие от биполярных, имеют два вывода за фазу, ни одна из которых не является общей. Иногда H-brigde сопровождают статические эффекты трения, что происходит с определенными приводными топологиями, однако это легко можно исправить, сгладив сигнал шагового двигателя на более высоких частотах.

Выводы