RU2554924C2 - Dc motor with diagonal and round windings - Google Patents
Dc motor with diagonal and round windings Download PDFInfo
- Publication number
- RU2554924C2 RU2554924C2 RU2013105432/07A RU2013105432A RU2554924C2 RU 2554924 C2 RU2554924 C2 RU 2554924C2 RU 2013105432/07 A RU2013105432/07 A RU 2013105432/07A RU 2013105432 A RU2013105432 A RU 2013105432A RU 2554924 C2 RU2554924 C2 RU 2554924C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ferromagnetic
- toroid
- windings
- rotors
- magnetic
- Prior art date
Links
- 238000004804 winding Methods 0.000 title claims abstract description 30
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 56
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 claims description 56
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract 1
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 28
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 19
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 11
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000005381 magnetic domain Effects 0.000 description 3
- 238000009738 saturating Methods 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 2
- 244000309464 bull Species 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000005520 electrodynamics Effects 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 229910000938 samarium–cobalt magnet Inorganic materials 0.000 description 1
- 210000003813 thumb Anatomy 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)
- Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
- Brushless Motors (AREA)
- Dynamo-Electric Clutches, Dynamo-Electric Brakes (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для создания вращательного движения механической системы на постоянном токе без использования малонадежных элементов - коллекторов.The invention relates to electrical engineering and can be used to create rotational motion of a mechanical system at constant current without the use of unreliable elements - collectors.
Намагничивание ферромагнетиков с большой коэрцитивной силой (магнитотвердые материалы) осуществляют в насыщающих магнитных полях или с помощью обмотки соленоида, через которую пропускают импульс однонаправленного тока от заряженных высоковольтных импульсных конденсаторов [1-3]. Ранее автором были предложены способы так называемого косокругового намагничивания ферромагнитных тороидов [4-5].Magnetization of ferromagnets with high coercive force (hard magnetic materials) is carried out in saturating magnetic fields or using a solenoid winding through which a unidirectional current pulse from charged high-voltage pulse capacitors is passed [1-3]. Earlier, the author proposed methods of the so-called skew-circuit magnetization of ferromagnetic toroids [4-5].
Термин «косокруговое намагничивание» впервые был введен автором заявляемого технического решения. Такое намагничивание ферромагнитного тороида возникает при его помещении в насыщающее постоянное или однонаправленное импульсное магнитное поле, которое образуется суперпозицией двух отдельно создаваемых магнитных полей - тороидального и соленоидального, ортогонально ориентированных друг к другу. При этом векторы намагниченности ферромагнитного тороида с прямоугольным поперечным сечением наклонены к плоскости грани тороида в одном направлении по кругу. Проекция любого такого вектора намагниченности на ось, ортогональную к плоскости грани тороида, определяется напряженностью соленоидального магнитного поля, а проекция вектора намагниченности (тангенциальная составляющая) на плоскость грани определяется напряженностью тороидального магнитного поля. Эти магнитные поля образуются соответствующими обмотками, включенными, например, последовательно, через которые пропускают однонаправленные импульсы насыщающего тока в процессе намагничивания ферромагнитного тороида или постоянный ток.The term "oblique magnetization" was first introduced by the author of the claimed technical solution. Such magnetization of a ferromagnetic toroid occurs when it is placed in a saturating constant or unidirectional pulsed magnetic field, which is formed by a superposition of two separately created magnetic fields - toroidal and solenoidal, orthogonally oriented to each other. In this case, the magnetization vectors of a ferromagnetic toroid with a rectangular cross section are inclined to the plane of the face of the toroid in one direction in a circle. The projection of any such magnetization vector onto the axis orthogonal to the plane of the face of the toroid is determined by the intensity of the solenoidal magnetic field, and the projection of the magnetization vector (tangential component) onto the plane of the face is determined by the strength of the toroidal magnetic field. These magnetic fields are formed by the corresponding windings, included, for example, sequentially, through which unidirectional saturation current pulses are passed during magnetization of a ferromagnetic toroid or direct current.
В том случае, если на тороиде расположена обмотка вокруг направляющей тороида, в нем возникает намагниченность, магнитные силовые линии представляют собой замкнутые окружности, расположенные внутри тороида, а направление магнитных силовых линий соответствует движению правовращающего буравчика. Такой постоянный магнит с внешними ферромагнитными телами практически не вступает в силовое взаимодействие, так как снаружи тороида внешнее силовое магнитное поле практически отсутствует. Если при этом ферромагнитный тороид разместить в охватывающий его соленоид, витки которого расположены осесимметрично к оси симметрии тороида, то последний намагничивается так, что на его верхней и нижней гранях возникают полюсы постоянного магнита N и S, причем направление магнитных силовых линий от северного полюса N к южному полюсу S во внешней среде также подчиняется правилу правовращающего буравчика (при движении свободных электронов в проводнике соленоида по часовой стрелке, как по виткам буравчика, его ввинчивание указывает направление магнитных силовых линий поступательным движением буравчика). Такие постоянные магниты используются для фокусировки электронных пучков в лампах обратной волны или, например, в электромагнитных динамиках. В результате одновременного наложения этих двух различных намагничивающих ферромагнитный тороид полей - тороидального и соленоидального - и образуется так называемое косокруговое намагничивание ферромагнитного тороида, который затем освобождается от намагничивающих его обмоток.In the event that the winding is located on the toroid around the guide of the toroid, magnetization occurs in it, the magnetic field lines are closed circles located inside the toroid, and the direction of the magnetic field lines corresponds to the movement of the dextrorotor. Such a permanent magnet with external ferromagnetic bodies practically does not enter into force interaction, since there is practically no external magnetic force field outside the toroid. If, in this case, the ferromagnetic toroid is placed in a solenoid surrounding it, the turns of which are located axisymmetrically to the axis of symmetry of the toroid, the latter is magnetized so that the permanent magnet N and S poles appear on its upper and lower faces, and the magnetic field lines from the north pole N the south pole S in the external environment also obeys the rule of the right-handed gimlet (when free electrons move in the solenoid conductor clockwise, as in the turns of the gimlet, its screwing indicates Lenie magnetic field lines reciprocating thumb). Such permanent magnets are used to focus electron beams in backward wave tubes or, for example, in electromagnetic speakers. As a result of the simultaneous superposition of these two different fields magnetizing the ferromagnetic toroid - toroidal and solenoidal - the so-called oblique magnetization of the ferromagnetic toroid is formed, which is then freed from its magnetizing windings.
Тангенциальные составляющие двух намагниченных ферромагнитных тороидов, векторы намагниченности которых расположены взаимно встречно одноименными полюсами, кроме известного отталкивания таких намагниченных тороидов друг от друга вдоль оси их симметрии, совпадающей с проекциями векторов намагниченности, образованными действием намагничивающего соленоидального магнитного поля, будут образовывать вращательные моменты, образующиеся от воздействия тороидальных намагничивающих полей, причем действующие на эти тороиды вращательные моменты имеют противоположные знаки, как это указано в [7].The tangential components of two magnetized ferromagnetic toroids, the magnetization vectors of which are located at opposite poles of the same name, in addition to the known repulsion of such magnetized toroids from each other along their symmetry axis, which coincides with the projections of the magnetization vectors formed by the action of the magnetizing solenoidal magnetic field, will form rotational effects of toroidal magnetizing fields, and rotational acting on these toroids omenty have opposite signs, as specified in [7].
Заявляемое техническое решение основано на использовании взаимодействия статических магнитных полей с так называемой косокруговой конфигурацией (название введено автором). Как известно, магнитные поля постоянных магнитов распределены в пространстве таким образом, что всегда можно построить некоторую поверхность с непрерывной производной по координатам X, Y и Z, к которой магнитные силовые линии этого поля перпендикулярны. Однако в случае косокругового магнитного поля такую поверхность построить невозможно, как это станет ясно из дальнейшего рассмотрения. Поэтому косокруговое распределение в пространстве магнитного поля является принципиально новым видом магнитного поля.The claimed technical solution is based on the use of the interaction of static magnetic fields with the so-called oblique configuration (name entered by the author). As you know, the magnetic fields of permanent magnets are distributed in space in such a way that you can always build some surface with a continuous derivative with respect to the coordinates X, Y and Z, to which the magnetic lines of force of this field are perpendicular. However, in the case of a skew-circular magnetic field, such a surface cannot be constructed, as will become clear from further consideration. Therefore, the oblique distribution in the space of the magnetic field is a fundamentally new type of magnetic field.
Целью изобретения является создание нового типа магнитного двигателя постоянного тока с использованием косокруговой конфигурации ротор-статорного или ротор-роторного магнитных полей (в зависимости от конструктивного исполнения).The aim of the invention is the creation of a new type of magnetic DC motor using the oblique configuration of the rotor-stator or rotor-rotor magnetic fields (depending on the design).
Указанная цель реализуется в заявляемом двигателе постоянного тока с косокруговыми обмотками, использующем встречно-косокруговое магнитное взаимодействие, отличающемся тем, что вращающиеся во взаимно противоположных направлениях относительно неподвижной оси два ротора, соосно установленные между собой, выполнены с обмотками, создающими встречно ориентированные косокруговые магнитные поля соответственно по правому и левому кругам, создаваемые постоянным током в этих обмотках, расположенных вблизи друг от друга, витки которых наклонены к плоскостям роторов, ортогональных неподвижной оси вращения роторов, и равномерно распределены по их кольцевым (тороидально подобным) объемам, а подсоединение этих обмоток к источнику постоянного тока через скользящие токосъемники осуществлено так, что образующиеся косокруговые магнитные поля являются взаимно встречными с одноименными магнитными полюсами.This goal is realized in the inventive direct current motor with oblique windings using counter-oblique magnetic interaction, characterized in that two rotors coaxially mounted between themselves rotating in mutually opposite directions relative to the stationary axis are made with windings creating counter-oriented oblique magnetic fields, respectively on the right and left circles, created by direct current in these windings located close to each other, whose turns are inclined They are connected to the planes of the rotors orthogonal to the fixed axis of rotation of the rotors, and are evenly distributed over their annular (toroidally similar) volumes, and the connection of these windings to the DC source through sliding current collectors is carried out so that the generated oblique magnetic fields are mutually opposite with the same magnetic poles.
Достижение поставленной цели объясняется возникновением вращательного момента между двумя соосно установленными роторами с косокруговыми магнитными полями по правому и левому кругам за счет известного эффекта отталкивания постоянных магнитов друг от друга, возрастающего при их сближении одноименными магнитными полюсами. В данном случае отталкивание происходит как вдоль оси симметрии тороидально подобных роторов, так и по всем касательным к их образующим. Токосъем в указанных вращающихся вместе с роторами обмотках осуществляется подключением их выводов к скользящим контактам кольцевых токосъемников, закрепленных изолированно и неподвижно на оси вращения роторов, которые связаны с источником постоянного тока. Такие обмотки автором названы косокруговыми, поскольку они распределены по кругу в кольцевом объеме, и сечения витков этих обмоток по всему кольцевому объему наклонены под некоторым ненулевым углом к неподвижной оси вращения роторов.Achieving this goal is explained by the occurrence of a rotational moment between two coaxially mounted rotors with oblique magnetic fields along the right and left circles due to the well-known effect of repulsion of permanent magnets from each other, which increases when they approach each other with the same magnetic poles. In this case, repulsion occurs both along the axis of symmetry of toroidally similar rotors, and along all tangent to their generators. Current collection in the indicated windings rotating together with the rotors is carried out by connecting their terminals to the sliding contacts of the ring current collectors, which are fixed in isolation and motionless on the axis of rotation of the rotors, which are connected to a direct current source. The author called such windings oblique because they are distributed in a circle in the annular volume, and the cross-sections of the turns of these windings throughout the annular volume are inclined at a certain non-zero angle to the fixed axis of rotation of the rotors.
Изобретение понятно из представленных рисунков.The invention is clear from the presented drawings.
На рис.1 дана схема построения заявляемого двигателя, она содержит:Fig. 1 gives a diagram of the construction of the inventive engine, it contains:
1 - ферровещество в форме параллелепипеда.1 - a ferro-substance in the form of a parallelepiped.
2 - обмотка, сечения витков которой наклонены под углом φ к плоской грани ферритового образца 1 с прямоугольным сечением,2 - winding, the coil sections of which are inclined at an angle φ to the flat face of the
3 - источник постоянного тока, образующий насыщающее магнитное поле для данного типа ферровещества.3 - a direct current source forming a saturating magnetic field for a given type of ferro-matter.
В результате намагничивания ферромагнитного параллелепипеда 1 возникает его намагниченность, векторы которой наклонены по отношению к его плоской грани под углом φ (прямо-косая намагниченность). Этот рисунок поясняет принцип создания косокруговой намагниченности тороидального ферромагнетика - ферромагнитного кольца (тороида), если параллелепипедоидальный образец 1 превратить в тороидальный замыканием его концов между собой с образованием кольца.As a result of magnetization of a
На рис.2 представлена схема силового взаимодействия двух одинаковых параллелепипедов ферровещества с подключенными к источнику постоянного тока их обмотками, как показано на рис.1, и расположенными вблизи друг от друга. На рис.2 показан дополнительно:Figure 2 shows a diagram of the force interaction of two identical parallelepipeds of ferro-matter with their windings connected to a constant current source, as shown in Fig. 1, and located close to each other. Figure 2 additionally shows:
4 - дополнительный параллелепипед из ферромагнитного вещества с аналогичной обмоткой 2, которая также включена к источнику постоянного тока 3, но взаимно встречно обмотке 2 на параллелепипеде 1. Параллелепипеды 1 и 2 расположены вблизи друг от друга взаимно параллельно, а главные оси параллелепипедов (вдоль их длины) коллинеарны.4 - an additional parallelepiped made of ferromagnetic substance with a
На рис.3 представлена одна из возможных моделей заявляемого двигателя с ротор-роторным косокруговым взаимодействием и содержит следующие элементы:Figure 3 presents one of the possible models of the inventive engine with rotor-rotor oblique interaction and contains the following elements:
1 и 4 - два одинаковых ферромагнитных кольца с прямоугольным сечением,1 and 4 - two identical ferromagnetic rings with a rectangular cross section,
2 - обмотки, одинаково выполненные на ферромагнитных кольцах 1 и 4 с наклоном сечений их витков под некоторым углом φ (не равным нулю) к плоским граням этих колец и включенные между собой по направлению тока в них взаимно встречно,2 - windings equally made on
3 - источник постоянного тока,3 - DC source,
5 - неподвижная ось вращения роторов на основе ферромагнитных колец 1 и 4,5 - fixed axis of rotation of the rotors based on
6 - скользящий токосъемник первого ротора на ферромагнитном кольце 1 с обмоткой 2,6 - sliding current collector of the first rotor on a
7 - скользящий токосъемник второго ротора на ферромагнитном кольце 2 с обмоткой 2,7 - sliding current collector of the second rotor on a
8 - общий скользящий токосъемник для первого и второго роторов, соединяющий выводы8 - a common sliding current collector for the first and second rotors connecting the terminals
их обмоток 2,their
9 - траверсы крепления ферромагнитных колец 1 и 4 с подшипниками качения,9 - traverse mounting
10 - подшипники качения для обеспечения вращения первого и второго роторов относительно неподвижной оси 5 во взаимно противоположных направлениях.10 - rolling bearings to ensure rotation of the first and second rotors relative to the fixed axis 5 in mutually opposite directions.
Направления вращения первого и второго роторов указаны фигурными стрелками, расстояние между параллельно расположенными гранями ферромагнитных колец 1 и 4 равно h. В последовательно-встречно соединенных обмотках 2 протекает ток I, а его направление указано стрелками. Средний радиус ферромагнитных колец показан как R.The directions of rotation of the first and second rotors are indicated by curly arrows, the distance between the parallel faces of the
Этот рисунок поясняет работу двигателя на примере силового взаимодействия дифференциальных площадок на торцах первого и второго роторов, расположенных друг от друга на расстоянии h и имеющих косокруговое намагничивание с взаимно встречным расположением векторов намагниченности. При этом каждый из таких векторов образован суперпозицией магнитных полей - соленоидального магнитного поля НС и тороидального магнитного поля НТ, образующегося от протекающего в обмотках 2 постоянного тока I. Дифференциальный вектор силы расталкивания F первого и второго роторов на ферромагнитных кольцах 1 и 4 совпадает с направлением суммарного вектора напряженности HΣ, модуль которого
На рис.4 дана линейная развертка части взаимодействующих ферромагнитных колец 1 и 4 (тороидов) с косокруговым взаимодействием в линеаризованном представлении для доказательства возникновения ненулевого вращательного момента.Figure 4 shows a linear scan of a part of the interacting
На рис.5 дан график распределения сил, действующих между доменной цепью одного тороида относительно доменных цепей другого тороида, полученный расчетным путем по программе MathCad и доказывающий возникновение вращательного момента в рассматриваемой паре намагниченных ферромагнитных колец 1 и 4.Figure 5 shows a graph of the distribution of forces acting between the domain chain of one toroid relative to the domain chains of another toroid, obtained by calculation using the MathCad program and proving the occurrence of torque in the considered pair of magnetized
Рассмотрим действие заявляемого устройства.Consider the action of the claimed device.
Прежде всего дадим представление о косокруговом распределении магнитного поля в пространстве декартовой системы координат. Пусть векторы предварительной намагниченности ферромагнитного тороида коллинеарны с осью Z, а плоскость торца последнего расположена параллельно плоскости XY декартовой системы координат. При намагничивании ферромагнитного тороида током подмагничивания I от регулируемого источника постоянного тока 3 соответствующие магнитные силовые линии в объеме тела ферромагнитного тороида располагаются по правому или левому кругам в зависимости от направления тока в обмотках подмагничивания 2 согласно известному «правилу буравчика». Поскольку наложение этих двух магнитных полей НC и НT, являющихся в любой точке ферромагнетика взаимно ортогональными, образует результирующее магнитное поле НΣ на основе принципа суперпозиции полей, то становится ясным, что все векторы результирующего магнитного поля НΣ наклонены к плоскости торца ферромагнитного тороида под некоторым углом ф=arctg[НC/НT], а наклон этих векторов вправо или влево от вертикали к плоскости торца определяется подмагничиванием ферромагнитного тороида соответственно по правому или левому кругам. Косокруговой характер образующегося магнитного поля связан с тем, что все точки исхода указанных векторов НΣ с поверхности торца распределены по его кольцевой поверхности. Учитывая эффект «вмороженности» магнитных силовых линий в домены ферромагнетика, имеющие сечение Δs в плоскости торца (поперечный размер домена порядка долей микрона), проекции векторов НΣ на плоскость торца ферромагнитного тороида для двух смежных доменов, расположенных на одной окружности (соосной тороиду), составляют между собой малый угол Δαi=2π/ni, где ni - число магнитных доменов, размещенных вдоль данной окружности радиуса Ri. При расстоянии между доменами, равномерно распределенными в ферровеществе, равном Δr, число ni для окружности радиуса Ri равно ni=2πRi/Δr. При этом RMIN≤Ri≤RMAX, где RM1N и RMAX - соответственно минимальный и максимальный радиусы ферромагнитного тороида. Следовательно, угол Δαi=2π/ni=Δr/Ri, а индекс i=1, 2, 3, …k, где k=(RMAX-RMIN)/Δr, то есть общее число групп магнитных силовых линий (доменных цепей), исходящих с плоскости торца ферромагнитного тороида площадью S, равно First of all, we give an idea of the oblique distribution of the magnetic field in the space of the Cartesian coordinate system. Let the preliminary magnetization vectors of the ferromagnetic toroid be collinear with the Z axis, and the plane of the end face of the latter located parallel to the XY plane of the Cartesian coordinate system. When a ferromagnetic toroid is magnetized by a magnetizing current I from an adjustable constant
Как известно, суммарная сила Fs, действующая между полюсами с магнитными потоками Ф1 и Ф2 на расстоянии d=h/sinφ, то есть вдоль векторов HΣ по всей плоскости S торца ферромагнитного тороида 1, где h - расстояние между торцами ферромагнитных тороидов 1 и 4, равна Fs=Ф1Ф2/4πµ0d2=Ф1Ф2sin2φ/4πµ0h2. Магнитные потоки Ф1 и Ф2 определяются произведениями индукций ферромагнитных тороидов В=µ0НΣ на площадь S торцов ферромагнитных тороидов, то есть Ф=µ0HΣS [Вб], где µ0=1,256*10-6 Гн/м - абсолютная магнитная проницаемость вакуума, НΣ - напряженность магнитного поля на торцах магнитов [А/м], размеры S и d соответственно в [м2] и [м]. Сила Fs разлагается на нормальную F⊥ и касательную F|| составляющие, вычисляемые как F⊥=Fsinφ и F||=Fcosφ, где угол φ=arctg (Н⊥/Н||). Ясно, что с уменьшением расстояния h между торцами ферромагнитных тороидов квадратично возрастает сила Fs косокругового отталкивания. Возникающий вращательный момент М=FsRcosφ=Ф1Ф2Rsin2φcosφ/4πµ0h2. Максимум вращательного момента достигается при ф*=0,955 рад, для которого функция sin2φcosφ*=0,385, и, следовательно, максимум вращательного момента равен Мах М=3,06 µ0 R(НS/h)2*10-2 [Дж], при условии равенства модулей магнитных потоков Ф1 и Ф2 тороидов 1 и 2. Произведение величин RS=π2RMIN 5(λ+1)3(λ-1)2/2 по конструктивному параметру λ=RMAX/RMIN, где RMAX и RMIN - соответственно максимальный и минимальный радиусы ферромагнитных тороидов 1 и 4 [м], и при λ=1,25 имеем для максимального момента Мах М=0,107 µ0 RMIN 5(HΣ/h)2 [Дж]. Так, при НΣ=10 кА/м, h=0,005 м и радиусе RMIN=0,1 м получим максимальный момент Мах М=5,35 Дж. Если скорость вращения роторов относительно оси 5 (рис.3) будет равна n=50 об/с, то наибольшая мощность заявляемого двигателя составит более 1,5 кВт при объеме двигателя около 0,02 м3. Как следует из полученной формулы, для Мах М увеличение мощности двигателя достигается увеличением диаметра ферромагнитных тороидов и их сближением между собой, а также выбором ферроматериала тороидов с высокими значениями намагниченности, например ферритов SmCo3, имеющих энергетическое произведение (ВН)max величиной 320 Тл.кА/м (40 млн. Гс.э) [1-2].As is known, the total force F s acting between the poles with magnetic fluxes Ф 1 and Ф 2 at a distance d = h / sinφ, that is, along the vectors H Σ along the entire plane S of the end face of the
Отметим, что ферромагнитные тороиды с указанной предварительной намагниченностью с образованием полюсов N и S на их торцах широко применяются в различных областях техники, например, при производстве электродинамиков, ламп обратной волны, в ускорителях заряженных частиц (электронов и протонов), адронном коллайдере в ЦЕРН е и т.д., и методика создания таких магнитов с намагничиванием от источника тока 3 хорошо отработана.Note that ferromagnetic toroids with the indicated preliminary magnetization with the formation of N and S poles at their ends are widely used in various fields of technology, for example, in the production of electrodynamics, backward wave tubes, in charged particle accelerators (electrons and protons), and the hadron collider at CERN e etc., and the methodology for creating such magnets with magnetization from a
Изменением тока подмагничивания I от регулируемого источника постоянного тока 3 можно регулировать мощность двигателя.By changing the bias current I from an
Использование взаимодействия статических магнитных полей при косокруговом намагничивании ферромагнитных тороидов 1 и 4 (рис.3) по правому и левому кругам требует доказательства возникновения вращательного момента одного тороида относительно другого.The use of the interaction of static magnetic fields during oblique magnetization of
Рассмотрим силовое взаимодействие хотя бы одного магнитного домена (доменной цепи), расположенного на поверхности одного ферромагнитного тороида 1 со всеми магнитными доменами (доменными цепями), расположенными на поверхности другого ферромагнитного тороида 4, как показано на рис.4. Если при таком рассмотрении окажется, что результирующая касательная сила, приложенная к одному из тороидов (обладающих вращательной подвижностью - тороиду 4, при неподвижно закрепленном тороиде 1) со стороны другого, будет не равна нулю, то такое же точно рассмотрение будет правомерным и для всех других доменов, и парциальные силы будут складываться, создавая совокупный вращательный момент. Для такого рассмотрения достаточно взять какие-то части ферромагнитных тороидов 1 и 4 и представить их в виде эквивалентной линейной конструкции, как показано на рис.4. Пусть расстояние между поверхностями тороидов 1 и 4 равно h, а угол наклона центральных (осевых) силовых линий доменов относительно плоскостей соответствующих тороидов равен φ, и для доменов А тороида 1 и В тороида 4 осевые силовые линии взаимно встречно направлены. Расстояние между оппозитно расположенными доменами А и В равно, как нетрудно понять, r0=h/sinφ. Расстояние между доменами А и С, когда домен С расположен относительно вертикальной оси симметрии, проходящей через домен А, на текущем расстоянии x в пределах - L/2≤x≤L/2, равно r(x)=(h2+х2)1/2. Важно иметь в виду при расчетах наличие диаграммы направленности элементарного прямого постоянного магнита, каковым является ориентированный домен [3].Let us consider the force interaction of at least one magnetic domain (domain chain) located on the surface of one
Эту диаграмму направленности следует определить с учетом установленного факта, что напряженность магнитного поля вдоль оси магнита Н|| вдвое выше, чем поперек этой оси H⊥. Этому известному условию удовлетворяет диаграмма вида Н(α)=Н||(1+cosα)/2, где α - угол меду исследуемым направлением на домен А и осью симметрии прямого магнита (домена С). Так, при α=0 имеем Н(0)=Н||, а при α=π/2 имеем Н(π/2)=H||/2=H⊥. Угол α для произвольно расположенного домена С на расстоянии x относительно вертикальной оси симметрии (при x=0) находится как α=φ+arctg(|x|/h) - для интервала по x в пределах - L/2≤x≤0, то есть при отрицательных значениях x, и α=φ-arctg(Ч/h) - для интервала 0≤x≤L/2, то есть для положительных значений x.This radiation pattern should be determined taking into account the established fact that the magnetic field along the axis of the magnet H || twice as high as H ⊥ across this axis. This well-known condition is satisfied by a diagram of the form H (α) = H || (1 + cosα) / 2, where α is the angle between the investigated direction of domain A and the axis of symmetry of the direct magnet (domain C). So, for α = 0 we have H (0) = H || , and for α = π / 2 we have H (π / 2) = H || / 2 = H ⊥ . The angle α for an arbitrarily located domain C at a distance x relative to the vertical axis of symmetry (for x = 0) is found as α = φ + arctan (| x | / h) - for an interval in x within the range - L / 2≤x≤0, that is, for negative values of x, and α = φ-arctg (H / h) - for the
Как известно, если магнитный момент домена обозначить как М, то напряженность магнитного поля Н(r) на расстоянии r(x) под углом α находится согласно выражению:As you know, if the magnetic moment of a domain is denoted as M, then the magnetic field strength H (r) at a distance r (x) at an angle α is found according to the expression:
Поскольку домен А «видит» домен С под тем же углом α (так как плоскости разверток 1 и 4 являются взаимно параллельными), то сила взаимодействия между двумя доменами А и С вдоль направления соединяющего их отрезка г(х) равна:Since domain A “sees” domain C at the same angle α (since the
где Ф1=Ф2=µ0qH(x) - магнитный поток с площадок q доменов А и С, и тогда:where Ф 1 = Ф 2 = μ 0 qH (x) is the magnetic flux from the sites q of domains A and C, and then:
Нетрудно понять, что в левой половине от вертикальной оси симметрии, то есть в промежутке - L/2≤x≤0 возникают силы торможения, а в правом, для 0≤x≤L/2, - силы ускорения элемента 1 в направлении фигурной стрелки на рис.4.It is easy to understand that in the left half of the vertical axis of symmetry, that is, in the interval - L / 2≤x≤0, braking forces arise, and in the right, for 0≤x≤L / 2, the acceleration forces of
Эти силы торможения и ускорения F(x)|| являются проекциями сил F(x) на горизонтальную плоскость. Проекции сил F(x) на эту плоскость равны F(x)|| These braking and acceleration forces F (x) || are the projections of the forces F (x) on the horizontal plane. The projections of the forces F (x) onto this plane are equal to F (x) ||
Обозначая постоянный множитель k=q2M2/64π3µ0h8=const(x) с размерностью этого коэффициента в ньютонах, получим из (3)Denoting the constant factor k = q 2 M 2 / 64π 3 µ 0 h 8 = const (x) with the dimension of this coefficient in Newtons, we obtain from (3)
Постоянный множитель k нас не интересует, и при интегрировании мы его можем опустить, проверив, чему будет равен интеграл от ψ(x) по всему промежутку - L/2≤x≤L/2, поскольку нас интересуют только касательные составляющие сил F(x). Тогда получим распределение безразмерных относительных сил ψ(x) на длине L в виде:We are not interested in the constant factor k, and during integration we can omit it by checking what the integral of ψ (x) over the entire interval is equal to - L / 2≤x≤L / 2, since we are only interested in the tangent components of the forces F (x ) Then we obtain the distribution of dimensionless relative forces ψ (x) over the length L in the form:
График функции ψ(x) представлен на рис.5.The graph of the function ψ (x) is shown in Fig. 5.
Площадь под графиком в его левой части существенно меньше площади под графиком в его правой части, что означает, что относительная сила ускорения больше относительной силы торможения. При этом равнодействующая этих сил не равна нулю, и ферромагнитный тороид 4 с косокруговым намагничиванием будет вращаться относительно неподвижного ферромагнитного тороида 1 с встречным косокруговым намагничиванием против часовой стрелки. Если первый и второй роторы (рис.3) могут свободно вращаться относительно неподвижной оси 5, то они будут вращаться во взаимно противоположных направлениях.The area under the graph in its left side is significantly smaller than the area under the graph in its right side, which means that the relative acceleration force is greater than the relative braking force. The resultant of these forces is not equal to zero, and the
Примечание Построение графика по программе MathCad привело к необходимости переобозначений: h=Δ, φ=ф и x=β (по данным примененного шрифта на этой программе).Note The construction of a graph using the MathCad program led to the need for re-designations: h = Δ, φ = φ and x = β (according to the font used in this program).
Для нахождения суммарной относительной силы IΣ|| необходимо проинтегрировать функцию ψ(x) по всему промежутку L, задав известные величины h, L и φ. Задача решается корректно при условии h<L, что позволяет провести линеаризацию элементов 1 и 4, для упрощения расчетов (вместо части концентрических окружностей использовать параллельные прямые).To find the total relative strength I Σ || it is necessary to integrate the function ψ (x) over the entire interval L, specifying the known quantities h, L, and φ. The problem is solved correctly under the condition h <L, which allows linearization of
При указанных на графике величинах h=0,003 м (Δ) и φ=π/4(ф) для промежутка L=0,01 м интегрированием (7) получаем IΣ:For the values h = 0.003 m (Δ) and φ = π / 4 (f) indicated on the graph for the interval L = 0.01 m, integration (7) gives I Σ :
Знак больше или равно установлен, так как первый интеграл в (8) до конца не вычислен (можно было задать больший верхний предел, что усматривается из графика на рис.5). Из расчета следует, что относительная сила ускорения больше силы торможения в 1,57.10-3/7,585.10-4=2,09 раза!The sign is greater than or equal to set, since the first integral in (8) has not been fully calculated (a larger upper limit could be set, which can be seen from the graph in Fig. 5). From the calculation it follows that the relative acceleration force is 1.57.10 -3 /7.585.10 -4 greater than the braking force = 2.09 times!
Все остальные домены А на ферромагнитном тороиде 1 ведут себя точно так же. Их число определяется площадью грани SГP, отнесенной к площади полюса домена q, и число доменов n=SГP/q весьма велико. Так, если q=10-10 м2, а площадь грани тороида SГР=10 м2. то n=106 и относительная результирующая сила nIΣ||=811,9, и это число надо умножить на коэффициент k=q2М2/64π3µ0d8 для вычисления полной касательной силы, воздействующей на тороид 4, которая равна:All other domains A on the
ВЫВОД: В предложенном устройстве возникает вращательный момент.CONCLUSION: In the proposed device there is a torque.
Таким образом, обосновано теоретически возникновение вращательного момента в заявляемой паре ферромагнитных тороидов с встречным косокруговым намагничиванием, обращенных друг к другу одноименными полюсами.Thus, theoretically justified the occurrence of a torque in the inventive pair of ferromagnetic toroids with counter oblique magnetization, facing each other with the same poles.
Вращательный момент возникает за счет протекания токов в обмотках 2 (рис.3), намотанных указанным выше образом на этих тороидах, что согласуется с законом сохранения и превращения энергии, и такая система не является изолированной.The rotational moment arises due to the flow of currents in the windings 2 (Fig. 3), wound on these toroids in the manner described above, which is consistent with the law of conservation and conversion of energy, and such a system is not isolated.
Рассмотренный тип двигателя постоянного тока не использует в своем составе коллектора, присущего известным двигателям постоянного тока. Вместо коллектора в нем использованы кольцевые электроды со скользящими контактами, что повышает надежность функционирования двигателя. Наличие в известных двигателях коллекторов вызывает искрение на них, поскольку при работе двигателей происходит непрерывно действующий разрыв в одних цепях и переключение тока на другие цепи (части обмоток роторов этих двигателей), что ускоряет износ рабочей поверхности коллекторов. Наличие кольцевых скользящих контактов не вызывает практически никакого искрения, и ток в обмотках 2 не прерывается во времени, что увеличивает существенно срок службы таких скользящих контактов. Такой двигатель не создает радиопомех.The considered type of DC motor does not use a collector inherent in the known DC motors. Instead of a collector, it uses ring electrodes with sliding contacts, which increases the reliability of the engine. The presence of collectors in known engines causes sparking on them, since during the operation of the engines there is a continuous rupture in some circuits and switching of current to other circuits (parts of the rotor windings of these engines), which accelerates wear on the working surface of the collectors. The presence of ring sliding contacts causes practically no sparking, and the current in the
Рассмотренная модель двигателя с двумя вращающимися роторами может быть заменена на модель «статор-ротор», для чего один из роторов выполняют неподвижным, и он становится статором, а ось вращения жестко скрепляется с другим ротором и передает в нагрузку вращательный момент, как это характерно для всех известных электрических двигателей. При этом в двигателе используется только два скользящих токосъемника вместо четырех, как в рассмотренной модели. Такая конструкция является аналогом заявленной, но более простой, чем рассмотренная, и может найти широкое практическое применение в промышленности и в бытовой технике.The considered model of an engine with two rotating rotors can be replaced by a “stator-rotor" model, for which one of the rotors is fixed, and it becomes a stator, and the axis of rotation is rigidly fastened to the other rotor and transfers torque to the load, as is typical for all famous electric motors. In this case, the engine uses only two sliding current collectors instead of four, as in the considered model. This design is an analogue of the claimed, but simpler than considered, and can find wide practical application in industry and in household appliances.
ЛитератураLiterature
1. Преображенский А.А., Биширд Е.Г. Магнитные материалы и элементы, 3 изд., М., 1986.1. Preobrazhensky A.A., Bishird E.G. Magnetic materials and elements, 3rd ed., M., 1986.
2. Февралева И.Е. Магнитотвердые материалы и постоянные магниты, К., 1969.2. Fevraleva I.E. Hard magnetic materials and permanent magnets, K., 1969.
3. Постоянные магниты. Справочник. М., 1971.3. Permanent magnets. Directory. M., 1971.
4. Меньших О.Ф. Способ косокругового намагничивания ферромагнитного тороида. Патент РФ №2391730, опубл. в бюлл. №16 от 10.06.2010.4. Smaller O.F. The method of oblique magnetization of a ferromagnetic toroid. RF patent No. 2391730, publ. in the bull. No. 16 dated 06/10/2010.
5. Меньших О.Ф. Способ косокругового намагничивания ферромагнитного тороида. Патент РФ №2392681, опубл. в бюлл. №17, от 20.06.2010.5. Smaller O.F. The method of oblique magnetization of a ferromagnetic toroid. RF patent No. 2392681, publ. in the bull. No. 17, dated 06/20/2010.
6. Меньших О.Ф. Способ намагничивания ферромагнитного тороида. Патент РФ №2451351, опубл. в бюлл. №14, от 20.05.2012.6. Smaller O.F. The method of magnetization of a ferromagnetic toroid. RF patent No. 2451351, publ. in the bull. No. 14, dated 05/20/2012.
7. Меньших О.Ф. Прибор для измерения силового взаимодействия ферромагнитных тороидов. Патент РФ №2405164, опубл. в бюлл. №33, от 27.11.2010.7. Smaller O.F. A device for measuring the force interaction of ferromagnetic toroids. RF patent No. 2405164, publ. in the bull. No. 33, dated November 27, 2010.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013105432/07A RU2554924C2 (en) | 2013-02-08 | 2013-02-08 | Dc motor with diagonal and round windings |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013105432/07A RU2554924C2 (en) | 2013-02-08 | 2013-02-08 | Dc motor with diagonal and round windings |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013105432A RU2013105432A (en) | 2014-08-20 |
RU2554924C2 true RU2554924C2 (en) | 2015-07-10 |
Family
ID=51384115
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013105432/07A RU2554924C2 (en) | 2013-02-08 | 2013-02-08 | Dc motor with diagonal and round windings |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2554924C2 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2611566C2 (en) * | 2015-01-12 | 2017-02-28 | Олег Фёдорович Меньших | Dc motor with sliding contacts |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US406968A (en) * | 1889-07-16 | And alfred s | ||
EP1303800B1 (en) * | 2000-05-24 | 2006-02-08 | Magtech As | Magnetic controlled current or voltage regulator and transformer |
US20060152324A1 (en) * | 2000-05-24 | 2006-07-13 | Magtech As | Magnetically controlled inductive device |
RU2392682C2 (en) * | 2005-11-16 | 2010-06-20 | Стр Мэньюфэкчуринг Индастриз Лимитед | Isolating valve of transformer expander |
RU2009107813A (en) * | 2009-03-04 | 2010-09-10 | Олег Федорович Меньших (RU) | STABILIZED ELECTRIC GENERATOR WITH A MAGNETIC MOTOR ON FERROMAGNETIC TOROIDS WITH COSCOPIC MAGNETIZATION |
-
2013
- 2013-02-08 RU RU2013105432/07A patent/RU2554924C2/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US406968A (en) * | 1889-07-16 | And alfred s | ||
EP1303800B1 (en) * | 2000-05-24 | 2006-02-08 | Magtech As | Magnetic controlled current or voltage regulator and transformer |
US20060152324A1 (en) * | 2000-05-24 | 2006-07-13 | Magtech As | Magnetically controlled inductive device |
RU2392682C2 (en) * | 2005-11-16 | 2010-06-20 | Стр Мэньюфэкчуринг Индастриз Лимитед | Isolating valve of transformer expander |
RU2009107813A (en) * | 2009-03-04 | 2010-09-10 | Олег Федорович Меньших (RU) | STABILIZED ELECTRIC GENERATOR WITH A MAGNETIC MOTOR ON FERROMAGNETIC TOROIDS WITH COSCOPIC MAGNETIZATION |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013105432A (en) | 2014-08-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8638016B2 (en) | Electromagnetic structure having a core element that extends magnetic coupling around opposing surfaces of a circular magnetic structure | |
RU2642442C1 (en) | Synchronous generator with two-circuit magnetic system | |
US10622851B2 (en) | Motor having stator with coupled teeth | |
US3412352A (en) | Magnet assemblies for producing highly homogeneous magnetic fields | |
Otsuka et al. | Study on plasma acceleration in completely electrodeless electric propulsion system | |
RU2554924C2 (en) | Dc motor with diagonal and round windings | |
CN101979978A (en) | An electromagnetic force calibration device for micro-impulse testing | |
JPS63190311A (en) | Permanent magnet type magnetic field generator | |
WO2015184793A1 (en) | Permanent magnet power-increasing transformer | |
USH1615H (en) | Magnetic fields for chiron wigglers | |
CN115912849A (en) | Magnetic variation power and energy device of flat plate, flat wire and graphene composite superconducting coil | |
GB1461521A (en) | Focusing magnet | |
GB945610A (en) | Velocity modulated discharge devices with magnetic beam focusing | |
RU2509385C1 (en) | Method to create toroidal magnetic field | |
US2748339A (en) | Charged particle a. c. generator | |
Zhiltsov et al. | The calculation of the magnetic field in the working area of the linear motor with permanent magnets | |
Ravaud et al. | Analytical expression of the magnetic field created by tile permanent magnets tangentially magnetized and radial currents in massive disks | |
RU2642129C2 (en) | Device for investigating electric curl field | |
US9742252B2 (en) | Magnetic electricity generator | |
JP3948511B2 (en) | Magnetic field generator that combines electromagnet and permanent magnet in the vertical direction | |
CN211352011U (en) | High molecular fluid magnetization charge acceleration motor based on magnetic field intensity amplification | |
NICOLESCU et al. | High force heavy duty direct current actuator | |
RU2556642C1 (en) | Direct current generator | |
Vavilov | Selecting the Rotor’s Magnetic System in Electromechanical Energy Converters with Highly Coercive Permanent Magnets | |
RU2528435C2 (en) | Direct current generator |