Самокрутящийся униполярный мотор
(на основе совмещения в одной конструкции одновременно - генератора и мотора)
1 Почему выбран униполярный принцип построения мотора?
Только в униполярном генераторе магнитные силовые линии не изменяются количественно во время вращения ротора внутри рабочего магнитного и электрического контуров. Это позволяет позволяет постым методом скомпенсировать реакцию механического противодействия вращению. Реакция ротора ощущается как торможение вращению ротора генератора когда его нагружаешь на электрическую нагрузку. Вот эта возможность компенсации реакции ротора генератора и дает возможность создать сверхединичное устройство без дополнительных коммутирующих электронных схем.
Возникает вопрос, почему нельзя было это свойство использовать уже на готовых промышленных униполярных генераторах? - проблема возможно в том, что ротор генератора нужно раскручивать от униполярного мотора из-за низкого напряжения и больших токов, а иначе на преобразованиях большого тока при малых напряжениях можно потерять практически всю энергию. А в промышленные генераторы имеют каждый свою систему противодействия реакции ротора и как униполярные моторы практически не могут использоваться (требуется механическая и электрическая доработака). В предлагаемой конструкции эти два устройства - генератор и мотор совмещены практически без потерь энергии на одном роторе!
2 Почему выбран цилиндрический вариант построения, а не дисковый?
Униполярные машины могут быть как дисковые, так и цилиндрические. Цилиндрический ротор существенно легче изготовить и сбалансировать для больших оборотов. Цилиндрический ротор при тех же характеристиках генератора меньше диаметром и проще обрабатывается на токарных станках.
Несколько вариантов практических конструкций:
На всех конструкциях токопровод проходит через магнитный зазор генератора и обходит стороной магнитный зазор мотора. Это необходимо что бы в одном случае скомпенсировать реакцию ротора у генератора, а для мотора ее выделить. Это одно из основных моментов при разработке устройства.
Рис. 1 Вариант конструкции с катушкой, формирующий магнитный поток для мотора.
Несложная в изготовлении. Генератор начинает работать уже сразу при начале вращения (так как использует постоянный магнит), а мотор запускается позже, при больших оборотах, когда ток от генератора пойдет через катушку возбуждения мотора Мощность на валу зависит от силы магнита.
Рис. 2 Вариант конструкции с катушками как в моторе, так и в генераторе.
Эта конструкция по мощности не ограничена (разве только свойства магнитопровода и свойства магнита пропускать магнитный поток, превышающий собственный) Соотношение магнитных потоков в генераторе и моторе выдерживается соотношением количества витков соответствующих катушек. Пусковая скорость небольшая, так как магнитное поле генератора само повышается уже с первых оборотов. Все режимы самонастраиваются. Можно рассчитать и организовать рабочую скорость вращения, которой устройство само будет придерживаться. Нет высоких требований к параметрам деталей конструкции. Применение постоянного магнита позволит в отдельных случаях делать запуск вручную, не имея под рукой временного источника электрической энергии, например от веревочки как заводят лодочный мотор, или простого ручного редуктора.
Рис. 3 Вариант конструкции без магнитов, и катушкой начального запуска
Эта конструкция уже не содержит ни одного магнита, но требуется аккумулятор для начального пуска (после возбуждения генератора аккумулятор может быть уже отключен). По мощности никаких ограничений нет (только свойства магнитопровода). Имеет самую низкую начальную скорость запуска из всех конструкций (так как электромагнит на этапе запуска может дать существенно больший начальный магнитный поток, чем постоянный магнит) Такая конструкция уже может быть выполнена очень мощной и в небольших габаритах. Все режимы самоподстраиваются, а характеристики определяются соотношением витков катушек возбуждения генератора относительно мотора. Можно рассчитать и организовать рабочую скорость вращения, которой устройство само будет придерживаться. Недостаток в том что нельзя сделать запуск без временного источника постоянного тока.
В мощных конструкциях постоянный магнит уже сильно мешает увеличивать магнитное поле до предельного возможного значения магнитопровода, поэтому в последнем варианте его нет, а для начального запуска применяется дополнительнуая катушка на статоре для возбуждения генератора. Дополнительная пусковая катушка, должна быть намотана рядом с основной генераторной, но уже с большим количеством витков, рассчитанную например под стандартный автомобильный аккумулятор на 12 вольт. Основную же катушку генератора нельзя использовать для запуска, так как очень нежелательно нарушать электрическую цепь, которая рассчитана на бешеные токи (ведь в цепи может течь ток теоретически более 1000-100000 ампер!!) иначе можем весь ток потерять на сопротивлениях коммутируемых контактов.
Использовать ток от униполярного генератора для внешних нагрузок ненужно, так как сразу резко ухудшаются характеристики устройства. Если требуется иметь нормальное стандартное напряжение от такого мотора, то лучше подсоединить отдельный стандартный генератор на нужное напряжение, который можно так же использовать и как мотор для начальной раскрутки.
Примечание по конструкции:
1 Проводники в виде медных труб можно заменить отдельными проводниками в виде стержней или полосок жести. Например ротор можно выполнить из отдельных проводников "утопленных" в магнитопровод ротора - по принципу "бельчье колесо", так же и статорный проводник можно выполнить из отдельных проводников и "утопить" в магнитопровод статора. Это позволит при необходимости свести к минимуму воздушный зазор между роторным магнитопроводом и статорным магнитопроводом независимо от толщины проводника, при условии что такой проводник обеспечит нужный ток.
Это позволяет основной принцип электромагшнитных машин в том, что нет возможности экранировать проводник от магнитного потока никаким магнитопроводом из-за правила неразрывности магнитных линий.
Разбор принципа работы на примере мотора с магнитом и катушками для усиления магнитного поля (см. рис. 2 )
1 Пока генератор не крутится - тока нет.
2 Начинаем от внешнего мотора раскручивать ротор, но тока практически нет, так как мизерное
ЭДС в генераторном сегменте G падает на сопротивлении
токосъемников.
3 Повышаем обороты. Генератор G начинает за счет поля постоянного магнита вырабатывать
ток по замкнутой цепи. Ток в этой фазе пока небольшой и собственное магнитное поле на роторной
катушке
тоже небольшое по сравнению с силой постоянного магнита статора, а этот магнит
практически всю свою силу магнитного потока прилагает только к генераторной части "G".
Реально на участке "G" в наведении ЭДС участвует такой магнитный поток
как разница между величинами магнитных
потоков проходящими через участки "М" и "G".
4 Повышаем обороты. По цепи течет уже приличный постоянный ток (на напряжение
нам вообще наплевать), который начинает создавать и приличное магнитное поле на
участке "М" такое, что начинает проявлятся вращающий момент от взаимодействия
тока на участке "М" и магнитного поля от катушки на роторе. Это будет заметно как снижение нагрузки на
раскручивающий внешний мотор.
5 Повышаем оброты. По цепи течет уже огромный ток, который создает достаточный
вращающий момент за счет тока и сильного магнитного поля на участке "М". Ток уже
может быть более 200 ампер - не ниже как у автомобильного стартера (а ведь в
стартере автомашины на якоре как раз 1 виток провода, а на статоре 2 катушки по 4 витка
для возбуждения магнитного поля, и причем его хватает дергать целую машину, используя всего
200-400 ампер). Заметим что на участке "G" магнитное поле будет всегда в 2 раза
больше и именно по этому ток течет через участок "М". Будет уже заметно что
этот агрегат уже сам крутит внешний мотор, который теперь можно использовать уже
сам как высоковольтный внешний генератор.
6 Теперь отключаем раскручивающий двигатель. Ток от участка "G", проходя через участок
"М" уже сам крутит всю систему. Причем сила магнитного поля от катушек уже будет
в несколько раз превышать силу постоянного магнита, который в этом режиме в
принципе уже не нужен, так как магнитный поток от катушки во много раз сильнее.
7 Если не предусмотреть мер, то система будет самораскручиваться, пока растет
магнитное поле через магнитопровод или пока или не обгорят токосьемники из-за их
перегрева от большого тока. В этот момент ток может достигать 1000-100000 ампер, это зависит уже
от качества токосьемников.
Если в этой схеме катушку на статоре сделать одинаковой с роторной по числу
витков, тогда устройство на пороговой скорости вращения застабилизирует свои
обороты, так как противо-ЭДС на участке "М" будет уменьшать общий ток, так как
внешний магнит на фоне сильного магнитного поля катушек будет почти незначителен
и потенциалы участков "G" и "М" почти выровняются. А при падени оборотов тяга
двигателя на участке "М" опять увеличится, так как будет увеличиваться разница в
магнитных полях "G" и "М". В итоге будет самостабилизация оборотов, определяемая
начальной силой постоянного магнита статора
Базовые принципы построения униполярных машин:
1 На участке проводника ЭДС наводится тем больше, чем больше этот участок проводника пересекает силовых магнитных линий за секунду. От скорости движения проводника в пространстве это не зависит! То есть разный диметр ротора при одинаковом магнитном потоке через рабочий участок даст одинаковое напряжение ЭДС.
2 Если магнит не меняет свое ориентации в пространстве, его магнитные силовые линии не двигаются и не вращаются вместе с магнитом. Часто это свойство определяют как "магнитное поле не принадлежит магниту". Магнит как бы собирает магнитные силовые линии в кучку из окружающего пространства и в дальнейшем на них может повлиять только меняя свою ориентацию в пространстве относительно направления магнитных линий. Например если вращать цилиндрический магнит, намагниченный вдоль оси вращения, то магнитные силовые линии не вращаются вместе с магнитом, а постоянно стоят в пространстве, пока магнит не повернут например на какой то угол, что бы ось намагничивания изменила свое направление в пространстве.
3 Силовые линии непрерывны. И какие бы магнитные материалы не вносили бы в магнитное поле, магнитные линии только искривляются, но не прерываются. И если двигать такой магнитный материал в магнитном поле, то одни магнитные линии с одного бока входят в него, а другие выдавливаются из него с другой стороны. Следовательно движущийся в магнитном поле проводник невозможно экранировать никаким магнитопроводом, и магнитные линии всегда пересекут магнитопровод и упрятанный в него проводник. Магнитные линии для наглядности можно представить как тонкую резинку, которую если сильно растянуть способна пройти сквозь любой материал (как тонкая проволока сквозь кусок сыра)
4 Из-за того что магнитные линии исходящие из постоянного магнита непрерывны, то в любой замкнутой цепи, внесенной в пространство силовых линий магнита, наведут как "+", так и "-" потенциал на такой проводник. В итоге что бы навести только одно направление тока в цепи, нужно что бы часть магнитных линий пересекло движущийся проводник, а возвращающийся магнитный поток пересек проводник так, что бы напряжение не наводилось - это возможно если этот участок проводника не движется в пространстве относительно силовых магнитных линий (другой способ пока не известен, кроме возможно "Диск Серла", где проводник движется по циклоиде). То есть униполярный генератор должен содержать движущийся и неподвижный проводник, соединенный скользящим контактом. В итоге на сегодня в униполярных генераторах требуется применение щеток.
5 В итоге для того что бы на проводник наводить постоянно ЭДС в одном направлении, необходимо двигать проводник через поле с магнитными силовыми линиями, но так как они непрерывны, то где то этот же проводник они пересекут в обратном направлении, так как нам нужно замкнуть проводник в замкнутую цепь, что бы измерить или использовать ток, наведеный в нем. Поэтому в униполярных генераторах часть обратного магнитного потока нужно пропустить через неподвижный проводник, тогда в нем ничего не заведется и ток потечет по замкнутой цепи в одном направлении.
6 Исходя из принципа невозможности экранирования магнитопроводом проводника от наведения в нем ЭДС при пересечении его магнитными силовыми линиями, в итоге получается, чтобы получить большие напряжения путем сложения ЭДС от разных участков проводника необходимо будет их коммутировать только через скользящие токосъёмники для каждого рабочего участка проводника. То есть токосьемники нужны для организации замкнутой цепи, в которой есть подвижный и неподвижный участки проводника относительно магнитного потока.
Варианты с другой топологической формой ротора, что позволит легко использовать вместо токосъемных подшипников - ртутные, так как опора на ротор токосьемников с одной стороны
