RU2444802C1 - Device of automatic control of power generator - Google Patents
Device of automatic control of power generator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2444802C1 RU2444802C1 RU2010140811/07A RU2010140811A RU2444802C1 RU 2444802 C1 RU2444802 C1 RU 2444802C1 RU 2010140811/07 A RU2010140811/07 A RU 2010140811/07A RU 2010140811 A RU2010140811 A RU 2010140811A RU 2444802 C1 RU2444802 C1 RU 2444802C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetic
- ferromagnetic ring
- ferromagnetic
- magnetic gap
- magnetic field
- Prior art date
Links
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 223
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 104
- 238000009738 saturating Methods 0.000 claims abstract description 20
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 18
- 239000008213 purified water Substances 0.000 claims abstract description 5
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims abstract 2
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 claims description 80
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 11
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 8
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 abstract 1
- 230000006735 deficit Effects 0.000 abstract 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 abstract 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 20
- 230000006870 function Effects 0.000 description 19
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 description 12
- 230000008859 change Effects 0.000 description 10
- 230000005347 demagnetization Effects 0.000 description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 description 10
- 230000009471 action Effects 0.000 description 8
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 8
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 6
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 5
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 5
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 4
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 4
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 4
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 4
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 3
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 3
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 3
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 3
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 3
- 230000005678 Seebeck effect Effects 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 description 2
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- LQNUZADURLCDLV-UHFFFAOYSA-N nitrobenzene Chemical compound [O-][N+](=O)C1=CC=CC=C1 LQNUZADURLCDLV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 2
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910001006 Constantan Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910000828 alnico Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 1
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 1
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001179 chromel Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008846 dynamic interplay Effects 0.000 description 1
- 238000004134 energy conservation Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- -1 for example Substances 0.000 description 1
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 229910001172 neodymium magnet Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 1
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 229910000938 samarium–cobalt magnet Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 239000002887 superconductor Substances 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 239000011345 viscous material Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области физики и электроники, в частности к системам автоматической стабилизации частоты генерируемых электрических колебаний, и может быть использовано в качестве стабилизированного источника переменного тока, использующего для своей работы тепловую энергию окружающей среды.The invention relates to the field of physics and electronics, in particular to systems for automatic stabilization of the frequency of generated electrical oscillations, and can be used as a stabilized AC source that uses environmental thermal energy for its work.
Известно прямое преобразование тепловой энергии в электрическую на основе эффекта Зеебека - возникновения в электрической цепи, состоящей из нескольких разнородных проводников, контакты между которыми имеют различные температуры [1-4], например, на основе спая проводников «константан (-38 мкВ/K) - хромель (+24 мкВ/K)» или соединений «висмута (-68 мкВ/K) с сурьмой (+43 мкВ/K)». На основе эффекта Зеебека разработаны термоэлектрические генераторы, в состав которых входят термобатареи, набранные из полупроводниковых термоэлементов (аморфных или стеклообразных), соединенных последовательно или параллельно. Идея использования полупроводниковых термоэлементов, вместо металлических термопар, принадлежит академику А.Ф.Иоффе (СССР). Однако эти устройства пока не нашли применения в электроэнергетике по целому ряду объективных причин.Direct conversion of thermal energy into electrical energy is known based on the Seebeck effect — the occurrence in an electrical circuit consisting of several dissimilar conductors, the contacts between which have different temperatures [1-4], for example, on the basis of a junction of conductors "constantan (-38 μV / K) - chromel (+24 µV / K) ”or compounds of“ bismuth (-68 µV / K) with antimony (+43 µV / K) ”. On the basis of the Seebeck effect, thermoelectric generators have been developed, which include thermopiles composed of semiconductor thermoelements (amorphous or glassy) connected in series or in parallel. The idea of using semiconductor thermocouples, instead of metal thermocouples, belongs to Academician A.F. Ioffe (USSR). However, these devices have not yet found application in the electric power industry for a number of objective reasons.
Представляет интерес использовать термомагнитные явления для получения механической энергии, в частности, магнитокалорический эффект в ферромагнетиках в сочетании с такими известными свойствами ферромагнетиков, как магнитная вязкость, снижение магнитной восприимчивости в насыщающих магнитных полях (кривая Столетова), наличие фазового перехода первого рода в насыщающих магнитных полях (с адекватным уменьшением удельной теплоемкости ферромагнетика), нарушение симметрии в процессах нагревания при намагничивании и охлаждения при размагничивании. Совокупность названных свойств позволяет синтезировать параметрический термомагнитный генератор механической энергии, в котором вращающееся магнитное поле заменено вращающимся распределением магнитной восприимчивости синхронно с вращающимся ферромагнитным кольцом, небольшая часть которого помещена в неподвижное локализованное в пространстве насыщающее магнитное поле (принцип эквивалентности вращений). При этом центр намагниченности движущегося внутри магнитного зазора ферромагнетика в таком постоянно действующем во времени распределении отстает от центра притяжения внутри магнитного зазора, в силу чего возникает постоянно действующая сила, вектор которой направлен по касательной к ферромагнитному кольцу в сторону его вращения, что поддерживает указанное вращательное движение, если вращательный момент не меньше момента трения и присоединенной нагрузки. При этом затрачивается внутренняя тепловая энергия в ферромагнитном кольце при его размагничивании, восполняемая тепловой энергией окружающей среды в механизме теплопроводности.It is of interest to use thermomagnetic phenomena to obtain mechanical energy, in particular, the magnetocaloric effect in ferromagnets in combination with such well-known properties of ferromagnets as magnetic viscosity, a decrease in magnetic susceptibility in saturating magnetic fields (Stoletov curve), the presence of a first-order phase transition in saturating magnetic fields (with an adequate decrease in the specific heat capacity of the ferromagnet), symmetry breaking in the heating processes during magnetization and cooling at times agnichivanii. The combination of these properties makes it possible to synthesize a parametric thermomagnetic generator of mechanical energy in which a rotating magnetic field is replaced by a rotating distribution of magnetic susceptibility synchronously with a rotating ferromagnetic ring, a small part of which is placed in a stationary saturating magnetic field localized in space (principle of rotation equivalence). In this case, the center of magnetization of a ferromagnet moving inside the magnetic gap in such a constant distribution over time lags behind the center of attraction inside the magnetic gap, as a result of which a constant force arises, the vector of which is directed tangentially to the ferromagnetic ring in the direction of rotation, which supports the indicated rotational motion if the rotational moment is not less than the friction moment and the connected load. In this case, internal thermal energy is expended in the ferromagnetic ring during its demagnetization, which is replenished by the thermal energy of the environment in the heat conduction mechanism.
На указанном сочетании известных свойств ферромагнетиков автором предложены способ получения энергии и целый ряд устройств, основанных на данном способе и его модификациях [1-7].On the specified combination of the known properties of ferromagnets, the author proposed a method for producing energy and a number of devices based on this method and its modifications [1-7].
Ближайшим аналогом заявляемого технического решения (прототипом) может быть взято «Устройство стабилизации частоты генератора» [7], ранее предложенное автором, содержащее постоянный магнит с насыщающим магнитным полем в его зазоре и с помещенным в этот зазор ферромагнитным телом из магнитовязкого вещества, выполненным, например, в виде двух дисков с соосными осями вращения, кромки которых помещены в зазор указанного постоянного магнита, а диски приводятся во вращательное движение внешним однократным воздействием во взаимно противоположных направлениях с одинаковыми по модулю угловыми скоростями от источника переменного напряжения с помощью двигателя-генератора со свободно вращающимися ротором и статором, механически связанными с соответствующими осями вращения указанных ферромагнитовязких дисков, при этом ротор выполнен на основе постоянного магнита, а статор содержит трехфазную обмотку, выходы которой подключены через изолированные кольцевые электроды, щеткодержатель с тремя щетками и двухпозиционный трехконтактный переключатель либо к источнику переменного напряжения при запуске устройства в работу, либо к электрической нагрузке с переменными параметрами через трехфазный выпрямитель - в режиме генерирования электрического тока, при этом одна из фаз статора соединена с входом электронного частотомера, отличающееся тем, что в него введены последовательно соединенные стабилизированный генератор опорного напряжения, делитель частоты, фазочувствительный выпрямитель, инерционное звено, усилитель постоянного тока, выходом связанный с нагрузкой в виде обмотки подмагничивания, выполненной на постоянном магните для изменения напряженности насыщающего магнитного поля в его зазоре, при этом второй вход фазочувствительного выпрямителя подключен к одной из фаз статора в режиме генерирования электрического тока, а питание введенных электрических цепей осуществляется с выхода трехфазного выпрямителя, кроме того, на постоянном магните выполнена дополнительная токовая обмотка, соединенная в разрыве между выходом трехфазного выпрямителя и нагрузкой с переменными параметрами.The closest analogue of the claimed technical solution (prototype) can be taken "Device for stabilizing the frequency of the generator" [7], previously proposed by the author, containing a permanent magnet with a saturating magnetic field in its gap and placed in this gap a ferromagnetic body of a magnetically viscous substance, made, for example , in the form of two disks with coaxial axes of rotation, the edges of which are placed in the gap of the specified permanent magnet, and the disks are driven into rotational motion by an external single action in mutually opposed in the same directions with equal absolute angular velocities from the alternating voltage source using an engine generator with a freely rotating rotor and a stator mechanically connected with the corresponding rotation axes of the indicated ferromagnetically viscous disks, while the rotor is made on the basis of a permanent magnet, and the stator contains a three-phase winding, outputs which are connected via insulated ring electrodes, a brush holder with three brushes and a two-position three-contact switch, or to an alternating source voltage when the device is put into operation, or to an electric load with variable parameters through a three-phase rectifier - in the mode of generating electric current, while one of the phases of the stator is connected to the input of the electronic frequency meter, characterized in that a stabilized reference voltage generator is connected in series , frequency divider, phase-sensitive rectifier, inertial link, DC amplifier, output connected to the load in the form of a magnetizing winding, made on permanent magnet to change the intensity of the saturating magnetic field in its gap, while the second input of the phase-sensitive rectifier is connected to one of the phases of the stator in the mode of generating electric current, and the power of the introduced electrical circuits is provided from the output of a three-phase rectifier, in addition, an additional current is made on the permanent magnet winding connected in the gap between the output of a three-phase rectifier and the load with variable parameters.
Использование в известном устройстве (прототипе) однородного магнитного поля в зазоре постоянного магнита, что принципиально важно с учетом двух ферромагнитных дисков, вращающихся во взаимно противоположных направлениях, несколько снижает энергетическую эффективность генератора энергии, поскольку центры намагниченности и притяжения разнесены незначительно. Кроме того, в таком магнитном поле отсутствует градиент напряженности, что также снижает энергетику устройства.The use in a known device (prototype) of a uniform magnetic field in the gap of a permanent magnet, which is fundamentally important given two ferromagnetic disks rotating in mutually opposite directions, slightly reduces the energy efficiency of the energy generator, since the centers of magnetization and attraction are slightly spaced. In addition, in such a magnetic field there is no tension gradient, which also reduces the energy of the device.
Указанные недостатки известного устройства устранены в заявляемом техническом решении.These disadvantages of the known device are eliminated in the claimed technical solution.
Целью изобретения является повышение энергетической эффективности термомагнитного преобразователя тепловой энергии окружающей среды в механическую работу.The aim of the invention is to increase the energy efficiency of a thermomagnetic converter of thermal energy of the environment into mechanical work.
Указанная цель достигается в заявляемом устройстве автоматического управления электрогенератором, содержащем ферромагнитное кольцо, механически связанное с осью вращения через траверсы, часть ферромагнитного кольца помещена в насыщающее магнитное поле сильного постоянного магнита, снабженного катушкой подмагничивания, а другая его часть связана с тепловыделяющей средой, например, очищенной водой, забираемой из соответствующего водного бассейна, с осью вращения механически связан трехфазный генератор переменного тока, подключенный к трехфазному выпрямителю и к электрической нагрузке, выход трехфазного выпрямителя через блок управления подмагничиванием связан с катушкой подмагничивания сильного постоянного магнита, вход блока управления подмагничиванием подключен к выходу последовательно соединенных генератора опорного напряжения, фазочувствительного выпрямителя и фильтра нижних частот (или интегратора), отличающимся тем, что с осью вращения ферромагнитного кольца механически связан тахогенератор, выход которого подключен ко второму входу фазочувствительного выпрямителя, а магнитный зазор сильного постоянного магнита выполнен из двух частей, первая из которых образует однородное магнитное поле с напряженностью, обеспечивающей на длине L этой части магнитного зазора доведение магнитной восприимчивости ферромагнетика до максимального значения, а вторая часть магнитного зазора длиной L образует насыщающее магнитное поле в начале этой части магнитного зазора и далее в направлении движения ферромагнитного кольца линейно возрастающее по напряженности магнитное поле к концу магнитного зазора, причем угловая скорость ω* вращения ферромагнитного кольца, соответствующая максимуму возникающего в нем вращательного момента, определена условием ω*=L/λRτ, где λ=1,23 и R - средний радиус ферромагнитного кольца, τ - постоянная времени релаксации магнитной вязкости ферромагнетика, из которого выполнено ферромагнитное кольцо.This goal is achieved in the inventive device for automatic control of an electric generator containing a ferromagnetic ring mechanically connected to the axis of rotation through the yokes, part of the ferromagnetic ring is placed in the saturating magnetic field of a strong permanent magnet equipped with a magnetizing coil, and the other part is connected to a heat-generating medium, for example, purified water taken from the corresponding water basin, a three-phase alternator is mechanically connected to the axis of rotation, connected to the three-phase rectifier and to the electrical load, the output of the three-phase rectifier through the magnetization control unit is connected to the magnetization coil of a strong permanent magnet, the input of the magnetization control unit is connected to the output of a series-connected reference voltage generator, phase-sensitive rectifier and low-pass filter (or integrator), characterized in that a tachogenerator is mechanically connected to the axis of rotation of the ferromagnetic ring, the output of which is connected to the second input of the phase detector rectifier, and the magnetic gap of a strong permanent magnet is made of two parts, the first of which forms a uniform magnetic field with a strength that ensures that the magnetic susceptibility of the ferromagnet is maximized along the length L of this part of the magnetic gap, and the second part of the magnetic gap of length L forms a saturating magnetic field at the beginning of this part of the magnetic gap and further in the direction of motion of the ferromagnetic ring, the magnetic field increases linearly in strength to the end of the magnetic a gap, and the angular velocity ω * of rotation of the ferromagnetic ring, corresponding to the maximum of the rotational moment arising in it, is determined by the condition ω * = L / λRτ, where λ = 1.23 and R is the average radius of the ferromagnetic ring, τ is the relaxation time constant of the magnetic viscosity of the ferromagnet from which the ferromagnetic ring is made.
Достижение указанной цели изобретения объясняется, во-первых, предварительным доведением ферромагнетика до его входа во вторую часть магнитного зазора с насыщающим магнитным полем до его максимального значения магнитной восприимчивости, что обусловливает появление быстро развивающегося во времени скачка намагниченности ферромагнетика, движущегося внутри второй части магнитного зазора в его начале, что сдвигает центр намагниченности ферромагнетика в этой части магнитного зазора к его началу, и, во-вторых, смещением центра притяжения неоднородного магнитного поля внутри второй части магнитного зазора к его концу из-за линейно возрастающей напряженности магнитного поля. Оба этих эффекта приводят к существенному разделению указанных центров, что увеличивает возникающую силу втягивания ферромагнитного кольца во второй части магнитного зазора, являющейся рабочей, ускоряющей ферромагнитное кольцо его частью. Кроме того, наличие градиента напряженности магнитного поля также способствует увеличению этой силы, определяющей вращательный момент, приложенный к ферромагнитному кольцу в направлении его вращения.Achieving the stated objective of the invention is explained, firstly, by preliminary bringing the ferromagnet to its entrance into the second part of the magnetic gap with a saturating magnetic field to its maximum value of magnetic susceptibility, which leads to the appearance of a rapidly developing magnetization jump in the magnetization moving inside the second part of the magnetic gap in its beginning, which shifts the magnetization center of the ferromagnet in this part of the magnetic gap to its beginning, and, secondly, the displacement of the center of attraction nonuniform magnetic field within the second part of the magnetic gap to the end of a linearly increasing magnetic field strength. Both of these effects lead to a significant separation of these centers, which increases the arising force of retraction of the ferromagnetic ring in the second part of the magnetic gap, which is the working part accelerating the ferromagnetic ring. In addition, the presence of a magnetic field gradient also contributes to an increase in this force, which determines the torque applied to the ferromagnetic ring in the direction of its rotation.
Кроме того, использование системы автоматического регулирования тока подмагничивания сильного постоянного магнита позволяет стабилизировать частоту генерируемых колебаний в электрогенераторе при изменяющейся в заданных пределах нагрузке путем сравнения частоты сигналов с выхода тахогенератора и генератора опорного напряжения в статической или астатической системе регулирования.In addition, the use of an automatic control system for the magnetization current of a strong permanent magnet makes it possible to stabilize the frequency of the generated oscillations in the electric generator at a load that varies within specified limits by comparing the frequency of the signals from the output of the tachogenerator and the reference voltage generator in a static or astatic control system.
Изобретение понятно из схемы, представленной на рис.1, которая состоит из:The invention is clear from the scheme shown in Fig. 1, which consists of:
1 - ферромагнитного кольца,1 - ferromagnetic ring,
2 - сильного постоянного магнита с обмоткой подмагничивания,2 - a strong permanent magnet with a magnetizing winding,
3 - катушки подмагничивания сильного постоянного магнита 2,3 - magnetization coils of a strong
4 - оси вращения ферромагнитного кольца 1,4 - axis of rotation of the
5 - траверс крепления ферромагнитного кольца с его осью вращения,5 - traverse fastening a ferromagnetic ring with its axis of rotation,
6 - тахогенератора, измеряющего частоту вращения ферромагнитного кольца,6 - tachogenerator, measuring the frequency of rotation of the ferromagnetic ring,
7 - генератора переменного тока, например, трехфазного,7 - alternator, for example, three-phase,
8 - фазочувствительного выпрямителя,8 - phase-sensitive rectifier,
9 - фильтра нижних частот (или интегратора),9 - low pass filter (or integrator),
10 - блока управления подмагничиванием (мощного усилителя постоянного тока),10 - magnetization control unit (powerful DC amplifier),
11 - генератора опорного напряжения (с частотой, соответствующей стабилизируемой частоте вращения оси 4 или вала электрогенератора при использовании повышающего редуктора),11 - reference voltage generator (with a frequency corresponding to a stabilized frequency of rotation of the
12 - трехфазного выпрямителя (по схеме Ларионова) с фильтром пульсаций.12 - three-phase rectifier (according to the Larionov scheme) with a ripple filter.
Ось вращения 4 механически связана с тахогенератором 6 и генератором переменного тока 7, что на рис.1 показано жирным пунктиром. Приток тепловой энергии Q на ферромагнитное кольцо условно показан стрелками. Боковой разрез магнитного зазора сильного постоянного магнита 2 показан вместе с частью ферромагнитного диска 1 на рис.2.The axis of
На рис.2 указано направление движения ферромагнитного кольца 1 в магнитном зазоре сильного постоянного магнита 2 стрелкой. Скорость протяжки ферромагнетика в магнитном зазоре равна V=ω*R и она соответствует максимальному вращательному моменту, приложенному к ферромагнитному кольцу со стороны магнитного поля. В первой части магнитного зазора образовано однородное магнитное поле с напряженностью Н*, обеспечивающей на длине L этой части магнитного зазора при скорости V протяжки ферромагнетика достижения им максимальной магнитной восприимчивости χMAX, начальное значение которой равно χНАЧ<χMAX. Между первой и второй частями магнитного зазора выполнен уступ, так что в начале второй части магнитного зазора длиной L напряженность магнитного поля НО выбрана насыщающей для используемого ферромагнетика, и НО>>Н*. Во второй части магнитного зазора (рабочей) образовано неоднородное магнитное поле с линейно возрастающей напряженностью и градиентом поля вдоль оси x, равным grad НX=(HMAX -НО)/L, где HMAX - напряженность магнитного поля в конце магнитного зазора.Figure 2 shows the direction of motion of the
На рис.3 дан график значений магнитной восприимчивости χ(x) ферромагнетика внутри обеих частей магнитного зазора при неподвижном ферромагнитном кольце, то есть в статике (при V=0). Видно, что магнитная восприимчивость изменяется последовательно от начальной χНАЧ до максимальной χMAX внутри первой части магнитного зазора, а затем падает до минимального значения χMIN внутри второй части магнитного зазора, что обусловлено глубоким насыщением ферромагнетика в этой части магнитного зазора. По выходе из магнитного зазора магнитная восприимчивость снова восстанавливается до исходного начального значения χНАЧ.Figure 3 shows a graph of the magnetic susceptibility χ (x) of a ferromagnet inside both parts of the magnetic gap with a stationary ferromagnetic ring, i.e., in static (at V = 0). It can be seen that the magnetic susceptibility changes sequentially from the initial χ NACH to the maximum χ MAX inside the first part of the magnetic gap, and then drops to the minimum χ MIN inside the second part of the magnetic gap, which is due to the deep saturation of the ferromagnet in this part of the magnetic gap. Upon exiting the magnetic gap, the magnetic susceptibility is again restored to the initial initial value χ NACH .
На рис.4 показан график значений магнитной восприимчивости χ(x) ферромагнетика в динамике движения ферромагнитного кольца в магнитном зазоре. Сначала в первой части магнитного зазора магнитная восприимчивость экспоненциально возрастает от начального ее значения χНАЧ до величины χMAX*, которая незначительно меньше величины χMAX. Затем она экспоненциально падает в насыщающем магнитном поле второй части магнитного зазора до минимального значения χMIN*>χMIN, незначительно превышающего значение χMIN (из-за конечности времени экспоненциального процесса ограниченностью длины L). Данные со звездочкой соответствуют случаю вращения оси 4 с угловой скоростью ω*=L/λRτ (то есть с оптимальной скоростью протяжки ферромагнетика V=ω*R. Координата x связана с временной координатой t простым соотношением x=Vt.Figure 4 shows a graph of the magnetic susceptibility χ (x) of a ferromagnet in the dynamics of motion of a ferromagnetic ring in a magnetic gap. First, in the first part of the magnetic gap, the magnetic susceptibility increases exponentially from its initial value χ NAV to χ MAX *, which is slightly less than χ MAX . Then it exponentially drops in the saturating magnetic field of the second part of the magnetic gap to a minimum value χ MIN *> χ MIN , slightly exceeding the value χ MIN (due to the finite time of the exponential process by the limited length L). The data with an asterisk corresponds to the case of rotation of the
На рис.5 представлен график распределения намагниченности J(t) ферромагнетика внутри магнитного зазора в функции времени t (или, что то же, в функции координаты x). Поскольку намагниченность определяется формулой J(x)=µОχ(x)Н(x), где µО - ранее определенная абсолютная магнитная проницаемость вакуума [Гн/м], то к концу первой части магнитного зазора намагниченность возрастает до величины JНАЧ* (ее начальное значение в самом начале второй части магнитного зазора), вычисляемой как JНАЧ*=µОχMAXH*. Поскольку в начале второй части магнитного зазора имеется напряженность магнитного поля НО>>Н* (например, на порядок), а магнитная восприимчивость не может изменяться скачком, то в этой части магнитного зазора возникает достаточно сильный всплеск намагниченности, который стремится к величине µO χMAX НO, хотя одновременно с этим на ферромагнетик действует насыщающее магнитное поле, которое препятствует росту намагниченности до указанной величины, и намагниченность ферромагнетика в начале второй части магнитного зазора быстро достигает величины JMAX. Затем намагниченность ферромагнетика в насыщающем магнитном поле экспоненциально падает, стремясь к величине намагниченности насыщения JHAС(∞), но доходит до значения, несколько превышающего эту величину, а именно до JHAC(∞)+ΔJ* из-за конечности интервала L. Значение намагниченности насыщения JHAC(∞) всегда больше намагниченности JHAЧ* при наибольшем значении магнитной восприимчивости χMAX в несколько раз, что можно обозначить как σ=JHAC(∞)/JHAЧ* (обычно σ≈2…3). Как будет показано ниже, фронт вcплеска намагниченности на границе первой и второй частей магнитного зазора имеет длительность Δt*=-τln[1-(Н*/НO)], что обусловлено резким увеличением скорости экспоненциального процесса в силу неравенства НO>>Н*.Figure 5 shows a graph of the distribution of the magnetization J (t) of a ferromagnet inside the magnetic gap as a function of time t (or, equivalently, as a function of the x coordinate). Since the magnetization is determined by the formula J (x) = µ О χ (x) Н (x), where µ О is the previously determined absolute vacuum magnetic permeability [GN / m], then by the end of the first part of the magnetic gap, the magnetization increases to J NACH * (its initial value at the very beginning of the second part of the magnetic gap), calculated as J NACH * = µ О χ MAX H *. Since at the beginning of the second part of the magnetic gap there is a magnetic field strength Н О >> Н * (for example, an order of magnitude), and the magnetic susceptibility cannot change abruptly, a sufficiently strong magnetization surge occurs in this part of the magnetic gap, which tends to the value µ O χ MAX Н O , although at the same time a saturating magnetic field acts on the ferromagnet, which prevents the growth of magnetization to the indicated value, and the magnetization of the ferromagnet at the beginning of the second part of the magnetic gap quickly reaches values of J MAX . Then, the magnetization of the ferromagnet in the saturating magnetic field exponentially decreases, tending to the saturation magnetization J HAС (∞), but reaches a value slightly exceeding this value, namely, J HAC (∞) + ΔJ * due to the finiteness of the interval L. The value The saturation magnetization J HAC (∞) is always greater than the magnetization J HACH * at the highest magnetic susceptibility χ MAX several times, which can be denoted as σ = J HAC (∞) / J HACH * (usually σ≈2 ... 3). As will be shown below, the magnetization splash front at the boundary of the first and second parts of the magnetic gap has a duration Δt * = - τln [1- (Н * / Н O )], which is due to a sharp increase in the rate of the exponential process due to the inequality Н O >> Н *.
На рис.6 приведен график для расчета положения центра магнитного притяжения в неоднородном магнитном поле второй части магнитного зазора, построенный по программе Mathcad с некоторыми заменами в обозначениях величин, а также построена таблица относительных положений указанного центра в функции параметра р=(HMAX-НO)/НO, предпочтительное значение которого лежит в диапазоне р=5…10. При этом положение центра магнитного притяжения находится в диапазоне (0,66…0,68)L.Fig. 6 shows a graph for calculating the position of the center of magnetic attraction in an inhomogeneous magnetic field of the second part of the magnetic gap, constructed using the Mathcad program with some changes in the notation of quantities, and also a table of relative positions of this center in the function of the parameter p = (H MAX- Н O ) / N O , the preferred value of which lies in the range p = 5 ... 10. The position of the center of magnetic attraction is in the range (0.66 ... 0.68) L.
На рис.7 приведен график для расчета положения центра намагниченности ферромагнетика, находящегося во второй части (рабочей) магнитного зазора для одного из конкретных примеров, а также приведена таблица значений положения этого центра в функции параметра σ=2…4. Видно, что диапазон положений центра намагниченности лежит в узких пределах (0,445…0,473)L.Fig. 7 shows a graph for calculating the position of the center of magnetization of a ferromagnet located in the second part of the (working) magnetic gap for one of the specific examples, as well as a table of values of the position of this center as a function of the parameter σ = 2 ... 4. It is seen that the range of positions of the center of magnetization lies within the narrow limits (0.445 ... 0.473) L.
Сравнение относительных (и абсолютных) положений центров намагниченности и магнитного притяжения доказывает существенное отставание первого от второго по ходу протяжки ферромагнетика в магнитном зазоре, то есть объясняет природу возникновения, постоянно действующие силы F(ω) втягивания ферромагнитного кольца в магнитный зазор, как функции от угловой скорости ω вращения ферромагнитного кольца.A comparison of the relative (and absolute) positions of the centers of magnetization and magnetic attraction proves that the first from the second ferromagnet in the magnetic gap lags the second along the broach, that is, it explains the nature of the occurrence, the constantly acting forces F (ω) of drawing the ferromagnetic ring into the magnetic gap, as a function of the angular rotational speed ω of the ferromagnetic ring.
На рис.8 показаны графики втягивающих сил F(ω)MАХ и F(ω)MIN при наибольшем и соответственно наименьшем значениях тока подмагничивания сильного постоянного магнита 2 (рис.1) в катушке 3, а также соответствующие им нагрузочные прямые обратной связи, выраженные в моментах нагрузки - соответственно МН МАХ и МH MIN. Из теории автоматического управления известно, что в точках пересечения указанных пар графиков с разными знаками производных обеспечивается устойчивый режим вращения.Fig. 8 shows the graphs of the retracting forces F (ω) MAX and F (ω) MIN at the highest and correspondingly lowest values of the magnetization current of a strong permanent magnet 2 (Fig. 1) in
Именно поэтому, чтобы удержать частоту вращения ферромагнитного кольца в достаточно узком диапазоне, то есть с минимальным допустимым отклонением от рабочей частоты (например, частоты 50 Гц), в заявляемом техническом решении использована электронная система автоматического управления по заданному образцовому сигналу с выхода генератора опорного напряжения 11. Как указывалось выше, максимум вращательного момента достигается при угловой скорости вращения ω*, хотя рабочий диапазон частот ω>ω*, и рабочий участок выбирается на ниспадающей части силовой характеристики F(ω). С увеличением нагрузки частота вращения оси 4 несколько снижается в пределах допустимых значений, а при уменьшении нагрузки, наоборот, несколько увеличивается, как это видно из графиков.That is why, in order to keep the rotational speed of the ferromagnetic ring in a fairly narrow range, that is, with a minimum permissible deviation from the operating frequency (for example, 50 Hz), the claimed technical solution uses an electronic automatic control system for a given model signal from the output of the reference voltage generator 11 As mentioned above, the maximum torque is achieved at an angular velocity of rotation ω *, although the working frequency range is ω> ω *, and the working section is selected on the falling side power characteristics F (ω). With an increase in the load, the rotational speed of the
На рис.9 в относительном представлении даны графики полезной мощности на оси вращения 4 соответственно для наибольшей и наименьшей нагрузок - PMAX и РMIN в стабилизируемой по частоте зоне шириной Δω, которая мала по сравнению с ω, то есть имеем условие стабилизации Δω/ω<<1 во всем диапазоне рабочих нагрузок на электрогенератор 7.In Fig. 9, in a relative representation, the graphs of the net power on the
На рис.10 приведена схема конструкции устройства с объединением нескольких модулей из ферромагнитных дисков с их сильными постоянными магнитами (с катушками подмагничивания и общим для всех модулей блоком управления подмагничиванием 10), связанных с единой осью вращения, с целью увеличения полезной мощности, отдаваемой в нагрузку электрогенератором 7. Для каждого ферромагнитного кольца (или диска) в этой конструкции предусмотрено по два сильных постоянных магнита, вместо одного, что позволяет повысить энергетическую эффективность устройства генерирования энергии. При этом вдвое сокращается время подогрева ферромагнетика, что снижает мощность устройства в сравнении с двукратным ее увеличением за счет пары магнитов на одно ферромагнитное кольцо (или диск). В данном устройстве использован общий корпус 13, в котором находится проточная очищенная вода 14, подаваемая с помощью насоса 15, снабженного фильтром очистки воды, берущейся из какого-либо водоема (возможен самотек воды при наличии перепада уровней забора воды и ее слива). Все ферромагнитные кольца (или диски) 1 механически связаны с единой осью вращения 4, которая через повышающий редуктор 16 связана с генератором переменного тока 7 и тахогенератором 6 (не показан на рис.10). Возможна автономная система подогрева ферромагнитных колец (или дисков) за счет использования радиатора нагрева жидкости, циркулирующей в корпусе 13 по замкнутому циклу. Дополнительно к радиатору корпус 13 выполнен оребренным металлическими кольцами с развитой поверхностью, что также способствует передаче тепловой энергии из внешней среды к циркулирующей жидкости. Непосредственный контакт нагревающей жидкости с ферромагнитными кольцами (или дисками) увеличивает скорость поступления тепловой энергии к охлаждающемуся ферромагнетику, но увеличивает потери на трение, поэтому приходится снижать угловую скорость вращения оси 4 и применять повышающий редуктор 16 для увеличения скорости вращения вала генератора переменного тока. Снижение скорости вращения оси 4 способствует улучшению условий теплопередачи к ферромагнитным кольцам (или дискам), что позволяет увеличить число сильных постоянных магнитов 2 на каждое ферромагнитное кольцо (или диск) для повышения мощности устройства.Figure 10 shows a diagram of the design of the device with the combination of several modules of ferromagnetic disks with their strong permanent magnets (with magnetization coils and a
Рассмотрим действие заявляемого устройства.Consider the action of the claimed device.
В основе работы термомагнитного двигателя на основе ферромагнитного кольца 1 и сильного постоянного магнита 2 лежит известный принцип работы электромагнитного двигателя с использованием силового взаимодействия между намагниченными ротором и статором, в котором магнитное поле статора вращается, увлекая за собой ротор, вращающийся вместе с вращающимся магнитным полем статора. Так работают, например, синхронные и асинхронные электродвигатели переменного тока. В заявляемом техническом решении магнитное поле статора неподвижно, будучи образовано неподвижно расположенным сильным постоянным магнитом. Однако в силу принципа эквивалентности вращающееся в обратную сторону относительно физического вращения ферромагнитного кольца как ротора распределение намагниченности в ферромагнитном кольце также приводит к силовому взаимодействию за счет отставания центра намагниченности ферромагнитного кольца внутри магнитного зазора сильного постоянного магнита от его центра магнитного притяжения. В результате такого силового взаимодействия ферромагнитное кольцо вращается под действием втягивающей силы, стремящейся совместить указанные центры намагниченности и магнитного притяжения. Таким образом, остается обеспечить указанное отставание центра намагниченности той части ферромагнитного кольца, которая находится в зазоре сильного постоянного магнита, от центра магнитного притяжения последнего. При этом имеется в виду, что вращение указанного распределения намагниченности на ферромагнитном кольце в системе координат, связанной с ферромагнитным кольцом, обратно синхронно вращению ферромагнитного кольца, что приводит к постоянно действующей картине распределения намагниченности внутри магнитного зазора в системе координат, связанной с неподвижным сильным постоянным магнитом, и сила втягивания является постоянно действующей. Эта задача решается благодаря использованию свойства магнитной вязкости ферромагнетика, из которого изготовлено ферромагнитное кольцо, в динамике вращения последнего под действием приложения к ферромагнитному кольцу пускового момента импульса достаточной величины, после чего ферромагнитное кольцо будет поддерживать режим вращения при условии, что момент трения и присоединенной нагрузки не больше вращательного момента, возникающего от указанного силового взаимодействия, а компенсация потерь энергии при таком вращении ферромагнитного кольца осуществляется за счет притока из внешней среды тепловой энергии к ферромагнитному кольцу, которое охлаждается при размагничивании выходящей из магнитного зазора части ферромагнитного кольца согласно известному магнитокалорическому эффекту.The operation of a thermomagnetic motor based on a
Одним из важных применительно к рассматриваемому техническому решению свойств ферромагнитных материалов является их так называемая магнитная вязкость, магнитное последействие - отставание по времени намагниченности ферромагнетика от изменения напряженности магнитного поля. В наиболее простых случаях изменение намагниченности ΔJ в зависимости от времени t описывается формулойOne of the important properties of ferromagnetic materials with respect to the technical solution under consideration is their so-called magnetic viscosity, the magnetic aftereffect is the time lag of the magnetization of the ferromagnet from the change in the magnetic field strength. In the simplest cases, the change in the magnetization ΔJ as a function of time t is described by the formula
где J0 и J∞ - соответственно значения намагниченности непосредственно после изменения напряженности Н магнитного поля в момент t=0 и после установления нового равновесного состояния, τ - константа, характеризующая скорость процесса и называемая постоянной времени релаксации. Значение τ зависит от природы магнитной вязкости и в различных материалах может изменяться от 10-9 с до нескольких десятков часов.where J 0 and J ∞ are, respectively, the magnetization values immediately after the magnetic field strength H changes at the moment t = 0 and after the establishment of a new equilibrium state, τ is a constant characterizing the rate of the process and is called the relaxation time constant. The value of τ depends on the nature of magnetic viscosity and in various materials can vary from 10 -9 s to several tens of hours.
Различают два вида магнитной вязкости: диффузионный (рихтеровский) и термофлуктуационный (иордановский). В первом из них магнитная вязкость определяется диффузией примесных атомов или дефектов кристаллической структуры. Объяснение роли примесей было дано, J.Snock, а более строгая теория построена, L.Neel и базируется на предположении о преимущественной диффузии примесных атомов в те межатомные промежутки кристалла, которые определенным образом ориентированы относительно направления спонтанной намагниченности. Это создает локальную наведенную анизотропию, приводящую к стабилизации доменной структуры. Поэтому после изменения магнитного поля новая доменная структура устанавливается не сразу, а после диффузного перераспределения примеси, что и является причиной магнитной вязкости.There are two types of magnetic viscosity: diffusion (Richter) and thermofluctuation (Jordan). In the first of them, the magnetic viscosity is determined by the diffusion of impurity atoms or defects in the crystal structure. An explanation of the role of impurities was given, J. Snock, and a more rigorous theory was constructed, L. Neel, and is based on the assumption of the predominant diffusion of impurity atoms into those interatomic gaps of the crystal that are oriented in a certain way relative to the direction of spontaneous magnetization. This creates a local induced anisotropy, leading to stabilization of the domain structure. Therefore, after changing the magnetic field, a new domain structure is not established immediately, but after the diffuse redistribution of the impurity, which is the reason for the magnetic viscosity.
Второй вид магнитной вязкости более универсален и наблюдается практически во всех ферромагнетиках, особенно в области магнитных полей, сравнимых с коэрцитивной силой. Неелем был предложен термофлуктуационный механизм для объяснения этого вида магнитной вязкости. Тепловые флуктуации способствуют преодолению доменными стенками энергетических барьеров в магнитных полях, меньших критического поля. В высококоэрцитивных сплавах, состоящих из однодоменных областей, наблюдается особенно большая магнитная вязкость, так как в этом случае термические флуктуации сообщают дополнительную энергию для необратимого вращения спонтанной намагниченности тех частиц, потенциальная энергия которых во внешнем магнитном поле недостаточна для их перемагничивания.The second type of magnetic viscosity is more universal and is observed in almost all ferromagnets, especially in the field of magnetic fields comparable with the coercive force. Néel proposed a thermofluctuation mechanism to explain this type of magnetic viscosity. Thermal fluctuations contribute to overcoming by the domain walls of energy barriers in magnetic fields lower than the critical field. In highly coercive alloys consisting of single-domain regions, a particularly high magnetic viscosity is observed, since in this case thermal fluctuations provide additional energy for the irreversible rotation of the spontaneous magnetization of those particles whose potential energy in the external magnetic field is insufficient for their magnetization reversal.
Кроме этих основных механизмов магнитной вязкости существуют и другие. Например, в некоторых ферритах вклад магнитной вязкости дает перераспределение электронной плотности (диффузия электронов между ионами разной валентности). С магнитной вязкостью тесно связаны такие явления в ферромагнетиках, как потери на перемагничивание, временной спад относительной магнитной восприимчивости χ и ее частотная зависимость [8-10].In addition to these basic mechanisms of magnetic viscosity, there are others. For example, in some ferrites, the contribution of magnetic viscosity comes from the redistribution of electron density (electron diffusion between ions of different valencies). Such phenomena in ferromagnets as loss of magnetization reversal, a temporary decrease in the relative magnetic susceptibility χ, and its frequency dependence [8-10] are closely related to magnetic viscosity.
Заявляемое техническое решение, как уже было указано, основано на использовании динамического взаимодействия ферромагнитного вещества с магнитным полем, создаваемым сильным постоянным магнитом. Ферромагнитное вещество характеризуется достаточно сложной зависимостью его магнитной восприимчивости χ от величины действующего на него магнитного поля напряженностью Н согласно известной кривой Столетова. В отсутствии магнитного поля ферромагнитное вещество имеет начальную магнитную восприимчивость χНАЧ, а по мере увеличения напряженности магнитного поля сначала магнитная восприимчивость возрастает, доходит до своей максимальной величины χMAX при напряженности магнитного поля Н*, после чего вновь уменьшается, и в области насыщения магнитной индукции (при парапроцессе) ее произведение с величиной напряженности магнитного поля остается практически неизменным, определяя намагниченность насыщения JHAC(∞)=µОχ(Н) HHAC≈const(Н) в диапазоне насыщающих магнитных полей НО≤HHAC≤HMAX, реализуемых во второй (рабочей) части магнитного зазора, как показано на рис.2; при этом µО=1,256. 10-6 Гн/м - константа, называемая абсолютной магнитной проницаемостью вакуума. Указанное значение намагниченности насыщения устанавливается экспоненциально во времени, поэтому значение JHAC(∞) имеет место в установившемся режиме, теоретически при t→∞, а практически за некоторое число m постоянных релаксации τ с учетом соотношения (1), когда ΔJ(mτ)→0.The claimed technical solution, as already indicated, is based on the use of the dynamic interaction of a ferromagnetic substance with a magnetic field created by a strong permanent magnet. A ferromagnetic substance is characterized by a rather complex dependence of its magnetic susceptibility χ on the magnitude of the magnetic field acting on it by the intensity H according to the well-known Stoletov curve. In the absence of a magnetic field, a ferromagnetic substance has an initial magnetic susceptibility χ NACH , and as the magnetic field increases, the magnetic susceptibility first increases, reaches its maximum value χ MAX at a magnetic field strength H *, and then decreases again, and in the saturation region of magnetic induction (in a para process) its product with the magnitude of the magnetic field remains almost unchanged, determining the saturation magnetization J HAC (∞) = µ О χ (Н) H HAC ≈const (Н) in the range of us saturating magnetic fields Н О ≤H HAC ≤H MAX , realized in the second (working) part of the magnetic gap, as shown in Fig. 2; wherein µ O = 1.256. 10 -6 GN / m is a constant called the absolute magnetic permeability of a vacuum. The indicated saturation magnetization value is established exponentially in time; therefore, the value of J HAC (∞) takes place in the steady state, theoretically as t → ∞, and for practically a certain number m of relaxation constants τ, taking into account relation (1), when ΔJ (mτ) → 0.
Работа устройства, представленного на рис.1, заключается в предварительном повышении магнитной восприимчивости ферромагнитного кольца 1 до максимальной ее величины χMAX, для чего используется первая часть магнитного зазора с напряженностью однородного магнитного поля в ней, равной Н*, как видно из рис.2, после чего осуществляется процесс магнитного втягивания ферровещества во вторую (рабочую) часть магнитного зазора сильного постоянного магнита 2, намагничивание до насыщения ферромагнетика, а по его выходе из магнитного зазора - его размагничивание с понижением магнитной восприимчивости до начальной величины χHAЧ с охлаждением, после чего ферромагнитное вещество (вне действия магнитного поля) вновь нагревается тепловой энергией из внешней среды в механизме теплопроводности, и цикл действия повторяется вновь и вновь, обусловливая непрерывное вращение ферромагнитного кольца.The operation of the device shown in Fig. 1 consists in preliminary increasing the magnetic susceptibility of the
Известная кривая Столетова (рис.3) с достаточной степенью точности аналитически может быть задана непрерывной функцией вида χ(Н):With a sufficient degree of accuracy, the well-known Stoletov curve (Fig. 3) can analytically be given by a continuous function of the form χ (Н):
так что при Н=0 имеем χ(0)=χНАЧ, при Н=Н* имеем χ(Н*)=χMAX; а при Н→∞ имеем χ(∞)→0, что соответствует концепции Столетова.so that for H = 0 we have χ (0) = χ NACH, for H = H * we have χ (H *) = χ MAX ; and as H → ∞ we have χ (∞) → 0, which corresponds to the Stoletov concept.
На рис.3 представлен график для значений магнитной восприимчивости ферромагнетика на различных координатах x магнитного зазора в диапазоне - L≤x≤L при неподвижном ферромагнитном кольце (ω=0), то есть в установившемся режиме. Видно, что в первой половине магнитного зазора (рис.2) устанавливается максимальная магнитная восприимчивость χMAX, а во второй - минимальная χMIN, при которой намагниченность является насыщающей LHAС(∞), как это видно на рис.5. Переходы от χHAЧ до χMAX и далее до χMIN и снова до χHAЧ, хотя и резкие, но не скачкообразные, что определяется влиянием краевых эффектов на границах переходов магнитного поля в магнитном зазоре.Figure 3 shows a graph for the values of the magnetic susceptibility of a ferromagnet at various coordinates x of the magnetic gap in the range - L≤x≤L with a stationary ferromagnetic ring (ω = 0), i.e., in steady state. It is seen that in the first half of the magnetic gap (Fig. 2), the maximum magnetic susceptibility χ MAX is established, and in the second, the minimum χ MIN , at which the magnetization is saturating L HAС (∞), as can be seen in Fig. 5. The transitions from χ HAACH to χ MAX and further to χ MIN and again to χ HAACH , although sharp, but not spasmodic, which is determined by the influence of edge effects at the boundaries of the magnetic field transitions in the magnetic gap.
В первой части магнитного зазора длиной L при протяжке ферромагнитного вещества вдоль оси x со скоростью V=ω*R за время Δt=L/ω*R магнитная восприимчивость ферромагнетика будет экспоненциально возрастать до максимально возможной при данной скорости протяжки величины χMAX*, как это видно из рис.3. Как будет показано ниже, угловая скорость вращения ферромагнитного кольца ω*, соответствующая максимуму вращательного момента в кольце, равна ω*=L/ΔtR=L/λτR. Поэтому величина χMAX(Н*) зависит от значения угловой скорости вращения ферромагнитного кольца и при ω=0, то есть при неподвижном ферромагнитном кольце, χMAX(Н*)|ω=0=χMAX>>χMAX*, хотя превышение χMAX* относительно величины χMAX незначительно - всего около 6,6%.In the first part of the magnetic gap of length L, when the ferromagnetic substance is pulled along the x axis at a speed of V = ω * R during the time Δt = L / ω * R, the magnetic susceptibility of the ferromagnet will exponentially increase to the maximum possible value χ MAX * at this drawing speed, as seen from Fig. 3. As will be shown below, the angular velocity of rotation of the ferromagnetic ring ω *, corresponding to the maximum rotational moment in the ring, is ω * = L / ΔtR = L / λτR. Therefore, the quantity χ MAX (Н *) depends on the value of the angular velocity of rotation of the ferromagnetic ring and for ω = 0, that is, when the ferromagnetic ring is stationary, χ MAX (Н *) | ω = 0 = χ MAX >> χ MAX *, although the excess of χ MAX * relative to the value of χ MAX is insignificant - only about 6.6%.
Величина намагниченности ферромагнетика к концу первой половины магнитного зазора JHAX* достигает величиныThe magnitude of the magnetization of the ferromagnet at the end of the first half of the magnetic gap J HAX * reaches
как это видно на рис.5.as seen in Fig. 5.
Поскольку во второй части магнитного зазора сильного постоянного магнита 2 имеется неоднородное линейно возрастающее вдоль координаты x магнитное поле, которое имеет аналитический вид:Since in the second part of the magnetic gap of the strong
где 0≤x≤L, L - длина второй части магнитного зазора, то намагниченность J(x) ферромагнитного вещества, находящегося во второй части магнитного зазора, вычисляется на основе рекуррентных соотношений. Для этого разобьем промежуток L на n малых и одинаковых отрезков, безразмерную величину отношения x/L=ε обозначим в дискретном представлении целочисленным индексом i, а отношение (HMAX-НО)/НО обозначим, как и раньше, через параметр градиента магнитного поля p, тогда выражение (4) запишется в индексной форме какwhere 0≤x≤L, L is the length of the second part of the magnetic gap, then the magnetization J (x) of the ferromagnetic substance located in the second part of the magnetic gap is calculated based on the recurrence relations. For this purpose we divide the interval L in n small and identical segments, the dimensionless value of the ratio x / L = ε denote a discrete representation of integer index i, and the ratio (H MAX -H O) / N O is denoted, as before, by setting the magnetic gradient field p, then expression (4) is written in index form as
и при i=n имеем Нn=НMAX.and for i = n we have H n = H MAX .
Поскольку состояние ферромагнетика к началу его взаимодействия с магнитным полем второй части магнитного зазора уже сформировалось, и магнитная восприимчивость доведена до наибольшего значения χMAX* в магнитном поле Н*, а магнитное поле в начале этой части магнитного зазора скачком увеличивается до величины НO>>Н*, то при анализе намагниченности ферромагнетика внутри магнитного зазора рабочего постоянного магнита следует учитывать в выражении (2) только его ниспадающую часть кривой Столетова в индексном представлении:Since the state of the ferromagnet at the beginning of its interaction with the magnetic field of the second part of the magnetic gap has already formed, and the magnetic susceptibility is brought to the maximum value χ MAX * in the magnetic field H *, and the magnetic field at the beginning of this part of the magnetic gap jumps up to the value of H O >> H *, then when analyzing the magnetization of a ferromagnet inside the magnetic gap of the working permanent magnet, only its falling part of the Stoletov curve in the index representation should be taken into account in expression (2):
что соответствует рис.5, и при i=n имеем χn=χMIN*>χMIN, и указанное превышение χMIN* над χMIN незначительно (порядка 6,6%).which corresponds to Fig. 5, and for i = n we have χ n = χ MIN *> χ MIN, and the indicated excess of χ MIN * over χ MIN is insignificant (about 6.6%).
При анализе динамики намагничивания ферромагнетика, определяемого общим выражением J=µOχН, следует иметь в виду, что временное изменение этой величины зависит только от временного изменения магнитной восприимчивости, которая обладает свойством магнитной вязкости, то есть не может изменяться скачком, как в данном устройстве практически скачком изменяется напряженность магнитного поля на границе первой и второй части магнитного зазора - от Н* до НO. Это объясняет наличие выброса намагниченности с коротким фронтом порядка Δt*=-τln[1-(H*/HO)], как это видно на рис.5, стремящегося к величине JMAX=µOχMAX*НO, но не доходящего до нее из-за одновременного действия насыщающего магнитного поля, уменьшающего значение магнитной восприимчивости во времени, после чего намагниченность экспоненциально уменьшается для установившегося режима до величины намагниченности насыщения, равной JHAC(∞), а в данном случае до величины JHAC(∞)+ΔJ*, которая превышает намагниченность насыщения для установившегося режима на величину ΔJ*.When analyzing the magnetization dynamics of a ferromagnet defined by the general expression J = μ O χ H, it should be borne in mind that a temporary change in this quantity depends only on a temporary change in magnetic susceptibility, which has the property of magnetic viscosity, that is, cannot change abruptly, as in this device the magnetic field strength at the boundary of the first and second parts of the magnetic gap changes practically abruptly, from H * to H O. This explains the presence of a magnetization spike with a short front of the order of Δt * = - τln [1- (H * / H O )], as can be seen in Fig. 5, tending to the value J MAX = μ O χ MAX * Н O , but not reaching it due to the simultaneous action of a saturating magnetic field, which decreases the value of magnetic susceptibility in time, after which the magnetization for the steady state decreases exponentially to a value of saturation magnetization equal to J HAC (∞), and in this case to J HAC (∞) + ΔJ *, which exceeds the saturation magnetization for steady state the value ΔJ *.
Поскольку намагниченность дифференциального объема ферромагнитного кольца dv=Sdx (S - поперечное сечение ферромагнитного кольца внутри магнитного зазора), находящегося на какой-либо координате x в интервале 0≤х≤L в произвольный момент времени, определяется как J(x)=µOχ[Н(x)] Н(x), где Н(x) задана выражением (4), то, учитывая (1), отмечаем, что для ее нахождения необходимо найти ее предыдущее значение на координате (x-dx) или, что то же самое при достаточно большом числе разбиений отрезка L на n равных частей, для нахождения намагниченности в i-том интервале, надо сначала ее найти на (i-1) интервале, тогда имеем:Since the magnetization of the differential volume of the ferromagnetic ring is dv = Sdx (S is the cross section of the ferromagnetic ring inside the magnetic gap) located at any x coordinate in the
Но чтобы найти значение J(i-1), необходимо сначала найти значение J(i-2) и т.д. до J1, величина которого определяется просто:But to find the value of J (i-1) , you must first find the value of J (i-2) , etc. to J 1 , the value of which is determined simply:
Отметим, что в скобках выражений (6) и (7), а также последующих аналогичных выражений для разностей используются установившиеся значения этих величин, а не мгновенные значения в текущем времени.Note that in parentheses of expressions (6) and (7), as well as subsequent similar expressions for differences the steady-state values of these quantities are used, not the instantaneous values in the current time.
Тогда приходим к системе рекуррентных уравнений вида:Then we come to a system of recurrence equations of the form:
На основании (8) общее выражение для намагниченности в к-том интервале промежутка 0≤x≤L (или, что то же, 0≤ε≤1 - для безразмерного обозначения переменной) можно записать в виде:Based on (8), the general expression for the magnetization in the k-th interval of the
В выражении (9) известный сомножитель µО χMAX*Н* - величина постоянная, поэтому представляет интерес безразмерная функция, стоящая в фигурных скобках и равная:In expression (9), the well-known factor μ О χ MAX * Н * is a constant value, therefore, the dimensionless function that is in braces and equal to is of interest:
Для вычисления распределения этой функции в интервале i=1, 2, 3,.…n с использованием компьютерной программы Mathcad необходимо представить эту функцию в интегральном виде, то есть с использованием непрерывных функций параметра ε=x/L. Тогда получим:To calculate the distribution of this function in the interval i = 1, 2, 3 ,. ... n using the Mathcad computer program, it is necessary to represent this function in integral form, that is, using continuous functions of the parameter ε = x / L. Then we get:
где λ=Δt/τ, и p=(HMAX-НO)/НO, а переменная лежит в пределах 0≤ε≤1.where λ = Δt / τ, and p = (H MAX -H O) / H O, and the variable ranges 0≤ε≤1.
Как показывает анализ функции f(ε) на экстремум приравниванием нулю ее производной по параметру λ, то есть , функция максимальна при λ=1,23 независимо от текущего значения переменной ε, откуда находим оптимальное значение угловой скорости ω* вращения ферромагнитного кольца, при которой достигается максимум вращательного момента:As the analysis of the function f (ε) by extremum shows by equating to zero its derivative with respect to the parameter λ, i.e. , the function is maximum at λ = 1.23 regardless of the current value of the variable ε, whence we find the optimal value of the angular velocity ω * of rotation of the ferromagnetic ring at which the maximum torque is reached:
Обратимся к вопросу, как расставлены друг от друга центры магнитного притяжения XH и намагниченности XJ вдоль оси x в направлении протяжки ферромагнитного вещества в магнитном зазоре. Для определения центра магнитного притяжения внутри второй части магнитного зазора по программе Mathcad с помощью оператора root запишем уравнение, из решения которого находится значение относительного центра магнитного притяжения α:We turn to the question of how the centers of magnetic attraction X H and magnetization X J are spaced apart from each other along the x axis in the direction of drawing the ferromagnetic substance in the magnetic gap. To determine the center of magnetic attraction inside the second part of the magnetic gap using the Mathcad program, using the root operator, we write the equation, from the solution of which the value of the relative center of magnetic attraction α is found:
На рис.6 приведен график относительного положения центра магнитного притяжения α как функции параметра p, а также таблица некоторых значений α(p). Видно, что положение центра магнитного притяжения ХH=(0,5…0,707)L. Так, для наиболее подходящих значениях р=5…10 имеем ХH=(0,66…0,68)L, то есть существенно дальше от середины второй части магнитного зазора при x=L/2.Figure 6 shows a graph of the relative position of the center of magnetic attraction α as a function of the parameter p, as well as a table of some values of α (p). It is seen that the position of the center of magnetic attraction X H = (0.5 ... 0.707) L. So, for the most suitable values of p = 5 ... 10, we have X H = (0.66 ... 0.68) L, that is, significantly farther from the middle of the second part of the magnetic gap at x = L / 2.
Для нахождения центра намагниченности ферромагнетика XJ, находящегося внутри второй части магнитного зазора длиной L, воспользуемся модифицированным выражением (11) для относительного распределения намагниченностей ферромагнетика f(ε) при некоторых конкретно заданных условиях: p=10, τ=5·10-4 сек, λ=1,23, и введенного значения σ=JHAC(∞)/JHAЧ*=2…4 и конкретно σ=2.To find the magnetization center of the ferromagnet X J located inside the second part of the magnetic gap of length L, we use the modified expression (11) for the relative distribution of the magnetizations of the ferromagnet f (ε) under certain specific conditions: p = 10, τ = 5 · 10 -4 sec , λ = 1.23, and the introduced value σ = J HAC (∞) / J HACH * = 2 ... 4 and specifically σ = 2.
Модифицированное уравнение может быть записано в форме:The modified equation can be written in the form:
где Δt*=-τln[1-(Н*/НO)]=-5·10-4ln0,9=5,27*10-5 с, Δt=1,23*5·10-4=6,15·10-4 с. Отношение Δt/Δt*=11,67. При этом уравнение (14) при заданных величинах принимает вид:where Δt * = - τln [1- (Н * / Н O )] = - 5 · 10 -4 ln0.9 = 5.27 * 10 -5 s, Δt = 1.23 * 5 · 10 -4 = 6 , 15 · 10 -4 s. The ratio Δt / Δt * = 11.67. In this case, equation (14) for given values takes the form:
которое при ε=0 равно единице, а при ε=1 принимает значение σ=2, что и соответствует условиям задачи.which at ε = 0 is equal to unity, and at ε = 1 it takes the value σ = 2, which corresponds to the conditions of the problem.
На рис.7 приведен график для рассматриваемого примера. Видно, что максимум относительной функции намагниченности ферромагнетика прижат к началу второй части магнитного зазора, поэтому центр намагниченности XJ явно смещен к началу этой части зазора относительно ее центра x=L/2. Точное значение этого центра рассчитывается по формулеFig. 7 shows a graph for the considered example. It can be seen that the maximum of the relative magnetization function of the ferromagnet is pressed to the beginning of the second part of the magnetic gap; therefore, the magnetization center X J is clearly shifted to the beginning of this part of the gap relative to its center x = L / 2. The exact value of this center is calculated by the formula
решением по которой методом последовательных приближений находим значение ε*, определяющее положение центра намагниченности XJ=ε*L. Решение (16) с учетом (15) при угловой скорости ω* вращения ферромагнитного диска имеет вид ε*=0,445, так что центр намагниченности находится на координате XJ=0,445L.by solving by which, by successive approximations, we find the value of ε *, which determines the position of the center of magnetization X J = ε * L. Solution (16) taking into account (15) at the angular velocity ω * of rotation of the ferromagnetic disk has the form ε * = 0.445, so that the center of magnetization is at the coordinate X J = 0.445L.
Сравнивая средние значения положений центров магнитного притяжения и намагничивания, видим, что они разделены интервалом ΔХ=ХH-XJ=(0,67-0,45)L= =0,22L, следовательно, должна возникать сила втягивания F(ω*) ферромагнетика в магнитный зазор, и ферромагнитный диск получает вращательный момент МВР*=F(ω*)R под действием этой силы.Comparing the average values of the positions of the centers of magnetic attraction and magnetization, we see that they are separated by the interval ΔX = X H -X J = (0.67-0.45) L = 0.22L, therefore, the pulling force F (ω * ) a ferromagnet in the magnetic gap, and the ferromagnetic disk receives a torque M BP * = F (ω *) R under the action of this force.
Известно, что дифференциал силы dF(ω), действующей со стороны неоднородного магнитного поля с градиентом напряженности вдоль оси x, равным grad НX, на дифференциальный ферромагнитный объем dv с магнитным моментом J(x)dv, равенIt is known that the differential force dF (ω) acting on the side of an inhomogeneous magnetic field with a gradient of tension along the x axis equal to grad Н X on the differential ferromagnetic volume dv with magnetic moment J (x) dv is
так как dv=Sdx, x/L=ε, dx=Ldε и grad HX=HO(p-1)/L.since dv = Sdx, x / L = ε, dx = Ldε and grad H X = H O (p-1) / L.
Отметим, что знак приблизительного равенства взят в связи с тем, что выброс намагниченности в начале второй части магнитного зазора на самом деле не достигает величины µOχMAX*НO, как было указано ранее. Так, из рис.7 усматривается, что максимум функции f(ε) составляет 0,86 от ожидаемой величины, что следует учитывать в точных оценках энергетики устройства. Для рассмотренного примера реализации устройства точное выражение для (17) соответствует dF(ω,ε)=0,86 µOχMAX*НO 2f(ε)(p-1)Sdε. В выражении (17) множитель µO χMAX*НO 2(p-1)S=const(ε), а переменная часть этого выражения df(ε)=f(ε)dε, где дифференциал относительной силовой функции определяется из (11). Распределение сил для дифференциальных объемов dv, находящихся на координатах х или безразмерных координатах ε (что то же), находится из уравнения:Note that the approximate equal sign is taken due to the fact that the magnetization ejection at the beginning of the second part of the magnetic gap does not actually reach µ O χ MAX * Н O , as was indicated earlier. So, from Fig. 7 it is seen that the maximum of the function f (ε) is 0.86 of the expected value, which should be taken into account in accurate estimates of the device’s energy. For the considered example of the device implementation, the exact expression for (17) corresponds to dF (ω, ε) = 0.86 μ O χ MAX * Н O 2 f (ε) (p-1) Sdε. In expression (17), the factor μ O χ MAX * Н O 2 (p-1) S = const (ε), and the variable part of this expression is df (ε) = f (ε) dε, where the differential of the relative strength function is determined from ( eleven). The distribution of forces for differential volumes dv located on the x coordinates or dimensionless coordinates ε (which is the same) is found from the equation:
и эти дифференциалы сил для соответствующих дифференциальных объемов ферромагнитного кольца внутри второй части магнитного зазора измеряются в ньютонах [Н].and these force differentials for the corresponding differential volumes of the ferromagnetic ring inside the second part of the magnetic gap are measured in Newtons [N].
Максимальное значение силы втягивания ферромагнетика второй частью магнитного зазора F(ω*) определяется разностью интегралов:The maximum value of the retraction force of the ferromagnet by the second part of the magnetic gap F (ω *) is determined by the difference of the integrals:
где α=XH/L - относительное положение центра магнитного притяжения второй части магнитного зазора.where α = X H / L is the relative position of the center of magnetic attraction of the second part of the magnetic gap.
Подставляя в подынтегральные выражения (19) значение функции из (11), получим явное выражение для максимальной силы втягивания F(ω*), распределение для которой в функции угловой скорости ω показано на графиках рис.8 при двух разных значениях НО.Substituting the value of the function from (11) into the integrands (19), we obtain an explicit expression for the maximum retraction force F (ω *), the distribution of which in the angular velocity function ω is shown in the graphs of Fig. 8 for two different values of Н О.
Можно записать следующие выражения для (10) при следующих параметрах:You can write the following expressions for (10) with the following parameters:
α=0,67, λ=1,23, p=2α = 0.67, λ = 1.23, p = 2
и тогда, подставляя эти выражения в (19), получим максимум втягивающей силы F(ω*) при оптимальной скорости вращения ферромагнитного кольца ω*, равныйand then, substituting these expressions in (19), we obtain the maximum of the retracting force F (ω *) at the optimal rotation speed of the ferromagnetic ring ω * equal to
Для рассмотренного примера (20) имеет решение F(ω*)=0,106 µОχMAX* НО 2(p-1)S.For the considered example (20), it has the solution F (ω *) = 0.106 µ О χ MAX * Н О 2 (p-1) S.
Можно показать, что на других угловых скоростях ω>ω* и ω<ω* значения сил F(ω)<F(ω*).It can be shown that at other angular velocities ω> ω * and ω <ω *, the forces F (ω) <F (ω *).
Рассмотрим пример.Consider an example.
Пусть χMAX*=1000, НO=104 А/м, р=9 и S=6*10-5 м2 (при толщине ферромагнитного кольца 3 мм и его ширине 2 см), тогда F(ω*)=0,106*1,256·10-6*103*108*9*6·10-5=7,19 Н. Если средний радиус ферромагнитного кольца R=0,1 м, то вращательный момент МВР=F(ω*)·R=0,719 Н·м. Если L=0,02 м и τ=5·10-4, то оптимальная угловая скорость вращения ферромагнитного кольца равна ω*=L/1,23 R τ=400 рад/с=63,7 об/с. Максимальная мощность на валу PMAX=МВРω*=287,6 Вт. Тепловую мощность устройство должно потреблять из окружающей среды, например, из воды соответствующего водного бассейна. Вариацией параметров L и R можно получить иные угловые скорости вращения ферромагнитного кольца, чтобы обеспечить скорость вращения вала электрогенератора 7 (рис.1) равной 50 об/с. При этом будет генерироваться переменный ток с частотой стандартной сети 50 Гц.Let χ MAX * = 1000, Н O = 10 4 A / m, p = 9 and S = 6 * 10 -5 m 2 (with a
Из теории автоматического управления известно, что присоединенная нагрузка и трение снижают скорость оси вращения 4, и устойчивое состояние режима ее вращения достигается в точке пересечения кривой силовой характеристики F(ω) с нагрузочной прямой обратной связи, когда производные этих характеристик имеют противоположные знаки. Момент нагрузки определяется тангенсом угла наклона прямой обратной связи и производная нагрузочной прямой положительна, следовательно, устойчивое состояние в системе автоматического управления достигается на нисходящей ветви силовой характеристики F(ω), как это видно из рис.8. Поэтому реально снимаемая мощность на оси вращения 4 оказывается всегда меньше максимальной PMAX и скорость установившегося процесса вращения будет всегда выше величины ω*. Для рассмотренного примера при максимальной нагрузке МH MAX мощность на оси вращения может достигать величины порядка 200 Вт при соответствующем подборе размеров L и R при скорости вращения оси порядка 50 об/с при учете параметра τ. При этом такая мощность теплового потока должна поступать к ферромагнитному кольцу из внешней среды. Это означает, что при перепаде температуры воды в процессе нагревания ферромагнетика в 1°C потребный поток воды составит приблизительно 50 г/с или 180 л/час.It is known from the theory of automatic control that the attached load and friction reduce the speed of the axis of
Для увеличения интенсивности теплопередачи целесообразно ферромагнитное кольцо погружать в нагревающую его жидкость, например очищенную воду или иную жидкость с циркуляцией ее по замкнутому циклу с радиатором нагревания и насосом для обеспечения циркуляции (радиатор при этом может быть погружен в проточную воду). Для снижения потерь на трение в качестве циркулирующей жидкости можно выбрать нитробензол, имеющий небольшую по сравнению с водой вязкость. Кроме того, следует существенно снижать угловую скорость вращения ферромагнитного кольца, что потребует использования между осью вращения 4 и электрогенератором 7 повышающего редуктора 16, как это видно на рис.10. При этом с единой осью вращения 4 могут быть связаны несколько ферромагнитных колец, а каждое из них может быть связано с несколькими эквидистантно расположенными сильными постоянными магнитами 2 с последовательным включением всех их обмоток подмагничивания к выходу блока управления подмагничиванием 10 (рис.1), что многократно увеличит полезную мощность.To increase the intensity of heat transfer, it is advisable to immerse the ferromagnetic ring in its heating liquid, for example, purified water or another liquid with its circulation in a closed cycle with a heating radiator and a pump to ensure circulation (in this case, the radiator can be immersed in running water). To reduce friction losses, nitrobenzene having a low viscosity compared to water can be chosen as a circulating fluid. In addition, it is necessary to significantly reduce the angular velocity of rotation of the ferromagnetic ring, which will require the use of a
Как видно на рис.9, мощность на оси вращения растет с увеличением угловой скорости вращения оси 4, экспоненциально приближаясь к соответствующим пороговым уровням. Это означает, что снижение угловой скорости вращения ферромагнитных колец, связанных с единой осью вращения (рис.10), понижает мощность, получаемую от каждого ферромагнитного кольца, поэтому это снижение компенсируют увеличением числа ферромагнитных колец и связанных с ними сильных постоянных магнитов.As can be seen in Fig. 9, the power on the axis of rotation increases with increasing angular velocity of rotation of
Рассмотрим процесс автоматического управления электрогенератором 7 по схеме рис.1. Цель такого управления состоит в поддержании частоты генерируемых колебаний в небольших допустимых пределах, например, частоты 50 Гц с допустимыми отклонениями на ±0,5 Гц (не хуже 1%), при вариации величины нагрузки (потребляемой от электрогенератора мощности). Для выполнения этой задачи автоматическое управление током подмагничивания в катушках сильных постоянных магнитов приводит к соответствующему изменению напряженности магнитного поля НО в магнитном зазоре, значение которого сомножителем входит в выражение (20). Эффективность такого управления связана с тем, что величина НО в этом выражении возводится в квадрат. Например, для увеличения мощности в четыре раза ток подмагничивания увеличивают лишь вдвое или даже меньше, учитывая собственную намагниченность сильного постоянного магнита (без тока подмагничивания). На рис.8 приведены графики для наибольшей нагрузки электрогенератора (МH MAX) и наименьшей (МH MIN). Подмагничивающие токи выбраны так, что независимо от нагрузки на электрогенератор скорость вращения его вала поддерживается постоянной (например, 50 об/с) с допустимой точностью. Из рис.8 усматривается, что при максимальной нагрузке частота колебаний переменного тока несколько меньше, а при минимальной нагрузке - несколько больше среднего значения частоты. Это же видно и из графиков на рис.9.Consider the process of automatic control of an
Схема автоматического управления включает генератор опорного напряжения 11, например, с частотой 50 Гц, сигнал с выхода которого сравнивается с частотой сигнала с выхода тахогенератора 6 в фазочувствительном выпрямителе 8, выходной сигнал с которого фильтруется либо фильтром нижних частот 9 (в схеме статического регулирования с остаточными ошибками), либо интегратором, вместо фильтра нижних частот, (при этом схема регулирования астатическая с нулевой остаточной ошибкой, но с пониженным быстродействием). Сигнал ошибки с соответствующими знаком и величиной поступает на блок управления подмагничиванием 10, изменяя ток подмагничивания в сильных постоянных магнитах 2. Для питания блока управления подмагничиванием используется трехфазный выпрямитель 12 (по схеме Ларионова) с фильтром сглаживания пульсаций на частоте 300 Гц. Кроме того, трехфазный выход электрогенератора 7 связан с электрической нагрузкой с фиксированными пределами ее возможного изменения.The automatic control circuit includes a reference voltage generator 11, for example, with a frequency of 50 Hz, the output signal of which is compared with the frequency of the signal from the output of the
Следует специально остановиться на рассмотрении магнитокалорического эффекта, благодаря которому осуществляется работа устройства.You should specifically focus on the magnetocaloric effect, due to which the operation of the device.
Пусть в исходном состоянии ненамагниченный ферромагнетик имеет температуру ТO и удельную теплоемкость cO Для рассматриваемой массы ферромагнетика m имеем его внутреннюю тепловую энергию QО=cOmТO. Если плотность ферромагнетика ρ, то объем указанной массы m равен v=m/ρ. Если указанный объем поместить в магнитный зазор постоянного магнита, создающего магнитное поле с напряженностью H, то энергия магнитного поля, запасенная в этом объеме, как известно, равна W=µOµvН2/2, где µ=χ+1 - относительная магнитная проницаемость ферромагнетика. При этом возникает его намагничивание, и закон сохранения энергии выражается соотношениемSuppose that in the initial state an unmagnetized ferromagnet has a temperature T O and a specific heat capacity c O For the mass of a ferromagnet m in question, we have its internal thermal energy Q O = c O mT O. If the density of the ferromagnet is ρ, then the volume of the indicated mass m is equal to v = m / ρ. If said volume placed in the magnetic gap of a permanent magnet which generates a magnetic field of intensity H, the magnetic energy stored in this volume, as is known, is equal to W = μ O μvN 2/2 where μ = χ + 1 - relative magnetic permeability ferromagnet. In this case, its magnetization occurs, and the law of conservation of energy is expressed by the relation
где сH - удельная теплоемкость намагниченного ферромагнетика (сH<сO), Т1 - температура его объема v в процессе квазиадиабатического намагничивания, причем Т1>ТO (при намагничивании, как известно, ферромагнетик нагревается), η - коэффициент магнитокалорической активности, зависящий от свойств ферромагнетика. После выхода объема v ферромагнетика из указанного магнитного зазора в процессе его квазиадиабатического размагничивания происходит охлаждение этого объема, и закон сохранения энергии записывается как для адиабатического размагничиванияwhere c H is the specific heat of a magnetized ferromagnet (with H <c O ), T 1 is the temperature of its volume v during quasi-adiabatic magnetization, and T 1 > T O (during magnetization, as is known, a ferromagnet heats up), η is the coefficient of magnetocaloric activity depending on the properties of the ferromagnet. After the volume v of the ferromagnet leaves the indicated magnetic gap during its quasi-adiabatic demagnetization, this volume is cooled, and the energy conservation law is written as for adiabatic demagnetization
где Т2 - температура рассматриваемого объема ферромагнетика при его адиабатическом размагничивании (строго говоря, имеет место квазиадиабатическое размагничивание).where T 2 is the temperature of the considered volume of the ferromagnet during its adiabatic demagnetization (strictly speaking, quasi-adiabatic demagnetization takes place).
Покажем, что Т2<ТO , то есть внутренняя тепловая энергия данного объема ферромагнетика, который сначала намагничивается в магнитном зазоре, а затем покидает его, размагничиваясь в адиабатическом процессе (за счет вращения ферромагнитного кольца), уменьшается на величинуWe show that T 2 <T O , i.e., the internal thermal energy of a given volume of a ferromagnet, which is first magnetized in the magnetic gap, and then leaves it, demagnetized in the adiabatic process (due to the rotation of the ferromagnetic ring), decreases by
Согласно (21) можно для значения cH записать выражениеAccording to (21), for the value c H, we can write the expression
Подставляя (24) в (22), получимSubstituting (24) into (22), we obtain
Из (25) следует, чтоIt follows from (25) that
Поскольку ηW/cOm=µOηµvH2/2cOm=µOηµH2/2ρcO>0, то действительно имеем неравенство ТO-Т2>0, то есть ТO>Т2, и конечная температура Т2 рассматриваемого объема ферромагнетика оказывается ниже его исходной температуры ТO (до входа в магнитный зазор с магнитным полем Н).Since ηW / c O m = µ O ηµvH 2 / 2c O m = µ O ηµH 2 / 2ρc O > 0, we really have the inequality T O -T 2 > 0, that is, T O > T 2 , and the final temperature T 2 of the volume of the ferromagnet under consideration is below its initial temperature T O (before entering the magnetic gap with the magnetic field H).
Изменение внутренней тепловой энергии рассматриваемого объема ферромагнетика в процессах его квазиадиабатического намагничивания и размагничивания определено в (23).The change in the internal thermal energy of the considered volume of a ferromagnet in the processes of its quasi-adiabatic magnetization and demagnetization was determined in (23).
Следует особо отметить, что магнитокалорический эффект чаще всего используют для глубокого охлаждения сверхпроводников в криогенной технике. Однако это не означает, что этот эффект проявляется только при инфранизких температурах и в условиях адиабатичности, то есть изоляции от внешней среды. Магнитокалорический эффект непосредственно вытекает из действия фазового перехода первого рода, при котором удельная теплоемкость ферромагнетика скачком уменьшается при достижении некоторого граничного значения насыщающего магнитного поля, и это уменьшение (с последующим восстановлением при размагничивании) не требует какой-либо изоляции ферромагнетика от окружающей среды или какой-либо инфранизкой температуры.It should be specially noted that the magnetocaloric effect is most often used for deep cooling of superconductors in cryogenic technology. However, this does not mean that this effect is manifested only at infra-low temperatures and in conditions of adiabaticity, that is, isolation from the external environment. The magnetocaloric effect directly follows from the first-order phase transition, in which the specific heat of the ferromagnet abruptly decreases when a certain boundary value of the saturating magnetic field is reached, and this decrease (with subsequent restoration upon demagnetization) does not require any isolation of the ferromagnet from the environment or or infra-low temperature.
Рассматриваемый объем ферромагнетика v=LS, где L - длина магнитного зазора постоянного магнита, S - сечение ферромагнитного кольца, охваченное магнитным зазором с магнитным полем, проходит магнитный зазор за время Δt=L/ωR, где ω - угловая скорость вращения магнитного кольца радиуса R, следовательно, мощность тепловых потерь вычисляется согласно выражению:The considered volume of the ferromagnet is v = LS, where L is the length of the magnetic gap of the permanent magnet, S is the cross section of the ferromagnetic ring covered by the magnetic gap with the magnetic field, the magnetic gap passes in time Δt = L / ωR, where ω is the angular velocity of rotation of the magnetic ring of radius R therefore, the heat loss power is calculated according to the expression:
Итак, из (27) видно, что потери механической энергии вращающегося ферромагнитного кольца компенсируются в механизме теплопередачи тепловой энергией внешней среды. При этом процесс изменения внутренней энергии ферромагнитного кольца не является адиабатическим в его строгой интерпретации, и всякий дифференциальный объем ферромагнитного кольца по выходе его из магнитного зазора восстанавливает свою удельную теплоемкость, получая тепловую энергию из внешней среды в течение времени ΔТ=(1/n)-2Δt=2(πR-L)ωR. В приведенном выше примере ферромагнитное кольцо нагревается в зазоре магнитного поля в течение времени 2Δt=1,23 мс, а затем быстро охлаждается при размагничивании и одновременно нагревается внешней средой за время 18,77 мс (при использовании одного сильного постоянного магнита).So, from (27) it is seen that the loss of mechanical energy of a rotating ferromagnetic ring is compensated in the heat transfer mechanism by the thermal energy of the external environment. In this case, the process of changing the internal energy of the ferromagnetic ring is not adiabatic in its strict interpretation, and any differential volume of the ferromagnetic ring upon its exit from the magnetic gap restores its specific heat capacity, receiving thermal energy from the external medium for a time ΔТ = (1 / n) - 2Δt = 2 (πR-L) ωR. In the above example, the ferromagnetic ring heats up in the magnetic field gap for a time of 2Δt = 1.23 ms, and then quickly cools during demagnetization and at the same time heats up with the external environment for 18.77 ms (when using one strong permanent magnet).
Без теплового контакта с внешней средой заявляемое устройство работать не будет. Это находится в полном согласии с законом сохранения и превращения энергии. Кроме того, для запуска вращательного движения необходимо обеспечить два непременных условия: во-первых, раскрутить ферромагнитное кольцо внешним воздействием до необходимой угловой скорости ω>ω*, и, во-вторых, обеспечить момент трения и присоединенной нагрузки на ось вращения, не превышающий момента вращения МВР. Следует отметить, что, если момент трения и присоединенной нагрузки оказывается меньше вращательного момента, то ферромагнитное кольцо при неработающей системе автоматического управления увеличит свою угловую скорость вращения до тех пор, пока указанные моменты не уравняются.Without thermal contact with the external environment, the claimed device will not work. This is in full agreement with the law of conservation and conversion of energy. In addition, to start the rotational motion, it is necessary to provide two indispensable conditions: firstly, unscrew the ferromagnetic ring by external action to the required angular velocity ω> ω *, and secondly, provide the friction moment and the connected load on the axis of rotation not exceeding the moment rotation M BP . It should be noted that, if the moment of friction and the attached load is less than the rotational moment, then the ferromagnetic ring with the idle automatic control system will increase its angular velocity of rotation until these moments are equalized.
Заявляемое техническое решение вырабатывает механическую энергию из тепловой энергии внешней среды, например, воды, осуществляя принципиально новый механизм энергетического преобразования.The claimed technical solution generates mechanical energy from the thermal energy of the external environment, for example, water, implementing a fundamentally new mechanism of energy conversion.
Сильный постоянный магнит, используемый в рассматриваемой системе, выполняется из магнитожестких ферроматериалов (ферритов), например, SmCo3, NdFeB или AlNiCo, имеющих высокую индукцию остаточной намагниченности [10-11].The strong permanent magnet used in the system under consideration is made of magnetically rigid ferromaterials (ferrites), for example, SmCo 3 , NdFeB, or AlNiCo, which have high residual magnetization induction [10-11].
В заключение следует отметить, что для повышения эффективности заявляемого способа в части его энергетики следует разработать ферромагнитные материалы, обладающие требуемыми параметрами магнитной вязкости, сравнительно низкой индукцией насыщения при наибольшем значении магнитной восприимчивости и, главное, со значительной величиной магнитокалорической активности, чтобы удовлетворить выполнению выражения (20).In conclusion, it should be noted that in order to increase the efficiency of the proposed method in terms of its energy, ferromagnetic materials should be developed that have the required magnetic viscosity parameters, a relatively low saturation induction at the highest magnetic susceptibility, and, most importantly, with a significant magnitude of magnetocaloric activity to satisfy the expression ( twenty).
ЛитератураLiterature
1. Меньших О.Ф., Магнитовязкий маятник. Патент РФ №2291546, опубл. №01 от 10.01.2007.1. Smaller OF, Magnetoviscous pendulum. RF patent No. 2291546, publ. No. 01 dated January 10, 2007.
2. Меньших О.Ф., Ферромагнитовязкий ротатор. Патент РФ №2309527, опубл. №30 от 27.10.2007.2. Smaller OF, Ferromagnetically viscous rotator. RF patent No. 2309527, publ. No. 30 dated October 27, 2007.
3. Меньших О.Ф., Магнитный двигатель. Патент РФ №2310265, опубл. №31 от 10.11.2007.3. Smaller OF, Magnetic motor. RF patent No. 2310265, publ. No. 31 dated November 10, 2007.
4. Меньших О.Ф., Магнитовязкий ротатор. Патент РФ №2325754, опубл. №15 от 27.05.2008.4. Smaller OF, Magnetoviscous rotator. RF patent №2325754, publ. No. 15 dated 05/27/2008.
5. Меньших О.Ф., Способ получения энергии и устройство для его реализации. Патент РФ №2332778, опубл. №24 от 17.08.2008.5. Smaller OF, Method for producing energy and a device for its implementation. RF patent No. 2332778, publ. No. 24 dated 08/17/2008.
6. Меньших О.Ф., Ферромагнитовязкий двигатель. Патент РФ №2359398, опубл. №17 от 20.06.2009.6. Smaller OF, Ferromagnetically viscous engine. RF patent No. 2359398, publ. No. 17 dated 06/20/2009.
7. Меньших О.Ф., Устройство стабилизации частоты генератора. Патент РФ №2368073, опубл. №26 от 20.09.2009.7. Smaller OF, Device for stabilizing the frequency of the generator. RF patent No. 2368073, publ. No. 26 dated 09/20/2009.
8. Kronmuller H., Nachwirkung in Ferromsgnetika, 1968.8. Kronmuller H., Nachwirkung in Ferromsgnetika, 1968.
9. Вонсовский С.В., Магнетизм, М., 1971.9. Vonsovsky S.V., Magnetism, M., 1971.
10. Мишин Д.Д., Магнитные материалы, М., 1981.10. Mishin D.D., Magnetic materials, M., 1981.
11. Вольфарт Э., Магнитно-твердые материалы, пер. с англ., М.-Л., 1963.11. Wolfart E., Magnetic-solid materials, trans. from English., M.-L., 1963.
Данные патентного поискаPatent Search Data
SU 1001487 A, 28.02/1983. SU 243977 A, 14.05.1969.SU 1001487 A, 02.28 / 1983. SU 243977 A, 05/14/1969.
SU 219667 A, 14.06.1968. SU 107575 A, 31/12/1957.SU 219667 A, 06/14/1968. SU 107575 A, 31/12/1957.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010140811/07A RU2444802C1 (en) | 2010-10-05 | 2010-10-05 | Device of automatic control of power generator |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010140811/07A RU2444802C1 (en) | 2010-10-05 | 2010-10-05 | Device of automatic control of power generator |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2444802C1 true RU2444802C1 (en) | 2012-03-10 |
Family
ID=46029174
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2010140811/07A RU2444802C1 (en) | 2010-10-05 | 2010-10-05 | Device of automatic control of power generator |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2444802C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2537394C1 (en) * | 2013-07-24 | 2015-01-10 | Олег Фёдорович Меньших | Device for automatic control of power generator |
RU2542711C1 (en) * | 2013-09-13 | 2015-02-27 | Олег Фёдорович Меньших | Stabilised alternating-current generator |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU32649U1 (en) * | 2003-05-21 | 2003-09-20 | Короткий Василий Михайлович | Generator of direct conversion of thermal energy into electrical energy |
EP1476933B1 (en) * | 2001-01-25 | 2007-06-06 | Quantum Generation Pty Limited | Electric generator |
RU2368073C2 (en) * | 2007-07-26 | 2009-09-20 | Олег Федорович Меньших | Device for stabilising generator frequency |
-
2010
- 2010-10-05 RU RU2010140811/07A patent/RU2444802C1/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1476933B1 (en) * | 2001-01-25 | 2007-06-06 | Quantum Generation Pty Limited | Electric generator |
RU32649U1 (en) * | 2003-05-21 | 2003-09-20 | Короткий Василий Михайлович | Generator of direct conversion of thermal energy into electrical energy |
RU2368073C2 (en) * | 2007-07-26 | 2009-09-20 | Олег Федорович Меньших | Device for stabilising generator frequency |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2537394C1 (en) * | 2013-07-24 | 2015-01-10 | Олег Фёдорович Меньших | Device for automatic control of power generator |
RU2542711C1 (en) * | 2013-09-13 | 2015-02-27 | Олег Фёдорович Меньших | Stabilised alternating-current generator |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Geng et al. | Maximising the current output from a self-switching kA-class rectifier flux pump | |
Jiang et al. | Dynamic resistance of a high-Tc superconducting flux pump | |
Coombs et al. | An overview of flux pumps for HTS coils | |
Saslow | Spin pumping of current in non-uniform conducting magnets | |
Pantoja et al. | Impact of stator wire width on output of a dynamo-type HTS flux pump | |
Ma et al. | Rotating permanent magnets based flux pump for HTS no-insulation coil | |
Jiang et al. | A novel rotating HTS flux pump incorporating a ferromagnetic circuit | |
Mataira et al. | Modeling of stator versus magnet width effects in high-$ T_c $ superconducting dynamos | |
Storey et al. | Optimizing rotor speed and geometry for an externally mounted HTS dynamo | |
Gay et al. | Analysis and experimental testing of a permanent magnet eddy-current brake | |
RU2444802C1 (en) | Device of automatic control of power generator | |
Li et al. | Influence of ferromagnetic slice on the charging performance of a through-wall HTS flux pump employing a magnetic coupler | |
Li et al. | A superconducting switch using induced current in the closed loop circuit | |
RU2542711C1 (en) | Stabilised alternating-current generator | |
RU2368073C2 (en) | Device for stabilising generator frequency | |
Matsuo et al. | Eddy-current analysis using vector hysteresis models with play and stop hysterons | |
Wong et al. | Spin-Seebeck effect in a strongly interacting Fermi gas | |
Strelniker et al. | Thermoelectric response of a periodic composite medium in the presence of a magnetic field: Angular anisotropy | |
Abdelhady | Innovative understanding of the duality confusion, the photovoltaic and magnetocaloric effects | |
RU2338216C1 (en) | Device for magnetic viscosity measurement in ferromagnets | |
Shah et al. | Stator optimization for HTS rotating permanent magnets based flux pump | |
Coombs et al. | Flux pumping, fluctuations and climbing fields | |
Abdelhady | Review of thermodynamics of systems that embrace transfer of electric and magnetic energies | |
RU2537394C1 (en) | Device for automatic control of power generator | |
Smolyanov et al. | Research of linear induction motor as part of driver by detailed equivalent circuit |