RU2309527C2 - Ferro-magneto-viscous rotator - Google Patents
Ferro-magneto-viscous rotator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2309527C2 RU2309527C2 RU2005114287/09A RU2005114287A RU2309527C2 RU 2309527 C2 RU2309527 C2 RU 2309527C2 RU 2005114287/09 A RU2005114287/09 A RU 2005114287/09A RU 2005114287 A RU2005114287 A RU 2005114287A RU 2309527 C2 RU2309527 C2 RU 2309527C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetic
- ring
- magnetic field
- ferromagnetic
- disk
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Electrochromic Elements, Electrophoresis, Or Variable Reflection Or Absorption Elements (AREA)
- Hard Magnetic Materials (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к физике магнетизма и может быть использовано для получения вращательного движения с использованием энергии магнитного поля постоянных магнитов.The invention relates to the physics of magnetism and can be used to obtain rotational motion using the energy of the magnetic field of permanent magnets.
Магнетизм - особая форма взаимодействия электрических токов и магнитов (тел с магнитным моментом) между собой и одних магнитов с другими магнитными материалами. Магнитное взаимодействие пространственно разнесенных тел осуществляется через магнитное поле Н, которое, как и электрическое поле Е, представляет собой проявление электромагнитной формы движения материи. Между магнитными и электрическими полями нет полной симметрии, так как источниками электрических полей являются электрические заряды, а магнитные заряды - монополи пока не обнаружены, хотя теория предсказывает их существование. Источник магнитного поля - движущийся электрический заряд, то есть электрический ток. В атомных масштабах движение электронов и протонов создает орбитальные микротоки, связанные с переносным движением этих частиц в атомах или атомных ядрах, кроме того, наличие у микрочастиц спина обусловливает существование у них спинового магнитного момента. Поскольку электроны, протоны и нейтроны, образующие атомные ядра, атомы, молекулы и все макротела (газы, жидкости, кристаллические и аморфные твердые тела) имеют собственный магнитный момент, то, в принципе, все вещества подвержены влиянию магнитного поля - обладают магнитными свойствами, то есть являются магнетиками. Магнетики подразделяются на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Последние имеют наибольшую магнитную восприимчивость и используются в технике в качестве эффективных магнитов. В них атомные магнитные моменты спонтанно коллинеарно самоориентируются, образуя аномально большие магнитные моменты. У лучших современных магнитных материалов энергетическое произведение (В·Н)max достигает величины 320 Тл·кА/м (40 млн Гс·Э), например, у материала с высокой коэрцитивной силой SmCo3 (см., напр., Преображенский А.А., Биширд Е.Г. Магнитные материалы и элементы, 3 изд., М., 1986; Февралева И.Е. Магнитотвердые материалы и постоянные магниты. К., 1969; Постоянные магниты, Справочник, М., 1971).Magnetism is a special form of interaction of electric currents and magnets (bodies with a magnetic moment) between themselves and some magnets with other magnetic materials. The magnetic interaction of spatially separated bodies is carried out through a magnetic field H, which, like the electric field E, is a manifestation of the electromagnetic form of motion of matter. There is no complete symmetry between magnetic and electric fields, since electric charges are sources of electric fields, and monopoles have not yet been discovered magnetic charges, although theory predicts their existence. The source of the magnetic field is a moving electric charge, that is, an electric current. On an atomic scale, the movement of electrons and protons creates orbital microcurrents associated with the transport of these particles in atoms or atomic nuclei, in addition, the presence of spin in the microparticles determines the existence of a spin magnetic moment in them. Since the electrons, protons and neutrons that form atomic nuclei, atoms, molecules and all macrobodies (gases, liquids, crystalline and amorphous solids) have their own magnetic moment, then, in principle, all substances are affected by a magnetic field - they have magnetic properties, then there are magnets. Magnets are divided into diamagnets, paramagnets and ferromagnets. The latter have the greatest magnetic susceptibility and are used in technology as effective magnets. In them, atomic magnetic moments spontaneously collinearly orient themselves, forming anomalously large magnetic moments. For the best modern magnetic materials, the energy product (V · H) max reaches 320 T · kA / m (40 million G · E), for example, for a material with a high coercive force SmCo 3 (see, for example, A. Preobrazhensky ., Bishird EG Magnetic materials and elements, 3rd ed., M., 1986; Fevaleva IE Magnetosolid materials and permanent magnets. K., 1969; Permanent magnets, Reference, M., 1971).
Сложность атомной структуры веществ, построенных из огромного числа микрочастиц, дает практически неисчерпаемое разнообразие их магнитных свойств, связь которых с немагнитными свойствами (электрическими, механическими, оптическими и др.) позволяет использовать исследования магнитных свойств для получения информации о внутренней структуре и других свойствах микрочастиц и макротел. Отметим, что магниты обладают внутренней энергией. В случае однородного магнитного поля в объеме магнита V энергия запасенного магнитного поля W~μ0H2V/2, где μ0=1,256·10-6 Гн/м - абсолютная магнитная проницаемость. Причем эта величина энергии практически не расходуется при силовых взаимодействиях с другими магнетиками и сохраняется благодаря постоянному движению заряженных микрочастиц вещества.The complexity of the atomic structure of substances built from a huge number of microparticles gives an almost inexhaustible variety of their magnetic properties, the connection of which with non-magnetic properties (electrical, mechanical, optical, etc.) allows the use of studies of magnetic properties to obtain information about the internal structure and other properties of microparticles and macrobodies. Note that magnets have internal energy. In the case of a uniform magnetic field in the volume of the magnet V, the energy of the stored magnetic field is W ~ μ 0 H 2 V / 2, where μ 0 = 1,256 · 10 -6 GN / m is the absolute magnetic permeability. Moreover, this energy value is practically not consumed during force interactions with other magnets and is maintained due to the constant motion of charged microparticles of the substance.
Кажущееся противоречие с законом сохранения энергии ставит вопрос об источнике энергии магнитного поля. Таким источником является само вещество магнитов, обладающее запасом магнитной энергии, который за счет процессов, происходящих на микроуровне (атомов и молекул вещества), непрерывно восполняется, а точнее, поддерживается на неизменном уровне, если не считать факторов, приводящих к так называемому старению магнитов. Известный принцип возрастания энтропии и первое и второе начала термодинамики оперируют с теплоэнергетическими преобразованиями, которые всегда (кроме состояния равновесия) идут с затратой энергии при совершении какой-либо работы, большей той, которая составляет саму проделанную работу, а часть затраченной энергии безвозвратно превращается в тепловую. Поэтому к.п.д. всех известных преобразователей энергии всегда меньше единицы. Однако в микромире действует иной процесс: движение микрочастиц обусловлено тепловой энергией - импульс р движения микрочастиц массой m1 определяется как р2/2m1=(3/2)kT0, где k - постоянная Больцмана, Т0 - температура по шкале Кельвина, а соударения микрочастиц между собой вызывают тепловые процессы - среда нагревается, то есть происходит самовоспроизводящийся обмен энергией, при котором беспредметно говорить о тепловых потерях, поскольку тепловая энергия и является источником движения микрочастиц, а это движение порождает саму тепловую энергию. На поддержание хаотического движения микрочастиц и, следовательно, хаотического распределения магнитных моментов (спинов) в веществе, при котором оно не обнаруживает ощутимых магнитных свойств, затрачивается, по-видимому, больше энергии, чем для тех микрочастиц, которые имеют упорядоченное расположение их магнитных моментов. Поэтому высвободившаяся в результате упорядочения микрочастиц (доменов) часть энергии как раз и составляет энергию магнитного поля. Эта энергия самовосполняемая, определяемая природой процессов превращения энергии на микроуровне.The apparent contradiction with the law of conservation of energy raises the question of the source of energy of the magnetic field. Such a source is the substance of magnets itself, which has a supply of magnetic energy, which, due to processes occurring at the micro level (atoms and molecules of a substance), is continuously replenished, or rather, maintained at a constant level, except for factors that lead to the so-called aging of magnets. The well-known principle of increasing entropy and the first and second principles of thermodynamics operate with heat-energy transformations that always (except for the equilibrium state) go with the expenditure of energy when doing any work, more than that which constitutes the work done, and part of the energy spent is irrevocably converted into heat . Therefore, the efficiency all known energy converters are always less than one. However, a different process operates in the microworld: the movement of microparticles is caused by thermal energy - the momentum p of the movement of microparticles of mass m 1 is defined as p 2 / 2m 1 = (3/2) kT 0 , where k is the Boltzmann constant, T 0 is the temperature on the Kelvin scale, and collisions of microparticles with each other cause thermal processes - the medium heats up, that is, a self-reproducing energy exchange occurs, in which it is pointless to talk about heat loss, since thermal energy is the source of movement of microparticles, and this movement gives rise to the thermal energy rgi. Apparently, more energy is spent on maintaining the chaotic motion of microparticles and, therefore, the chaotic distribution of magnetic moments (spins) in a substance in which it does not detect tangible magnetic properties than for those microparticles that have an ordered arrangement of their magnetic moments. Therefore, the part of the energy released as a result of the ordering of microparticles (domains) constitutes the energy of the magnetic field. This energy is self-renewing, determined by the nature of the processes of energy conversion at the micro level.
Однако остается неясным вопрос, каким образом механическая работа, совершаемая действием постоянного магнитного поля на магнитные тела или другие магниты, осуществляется без потери энергии магнитного поля. Ведь факт, что работа магнитных сил не приводит к исчезновению намагниченности постоянных магнитов. Работа совершается действием сил, в частности, магнитных сил.However, the question remains unclear how the mechanical work performed by the action of a constant magnetic field on magnetic bodies or other magnets is carried out without loss of magnetic field energy. After all, the fact that the work of magnetic forces does not lead to the disappearance of the magnetization of permanent magnets. Work is accomplished by the action of forces, in particular magnetic forces.
Для ферромагнетиков, подчиняющихся закону Кюри, существует так называемая критическая температура Θ, при которой магнитная восприимчивость становится сравнимой с единицей или даже становится меньшей единицы, и вещество становится из парамагнитного диамагнитным (закон Кюри-Вейсса), то есть магнитная восприимчивость зависит от действия различных факторов - температуры, величины напряженности магнитного поля, механического напряжения и некоторых других.For ferromagnets obeying the Curie law, there is a so-called critical temperature Θ at which the magnetic susceptibility becomes comparable to unity or even becomes less than unity, and the substance becomes diamagnetic from the paramagnetic (Curie-Weiss law), that is, the magnetic susceptibility depends on the action of various factors - temperature, magnitude of the magnetic field, mechanical stress, and some others.
Одним из интересных 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 interesting properties of ferromagnetic materials is their so-called magnetic viscosity, the magnetic aftereffect is the time lag of the magnetization of a ferromagnet from a 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. В общем случае для описания процесса последействия одного значения τ недостаточно.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. In the general case, to describe the aftereffect process, a single value of τ is not enough.
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. The role of impurities was explained by J. Snock, and a more rigorous theory was developed by L. Neel and is based on the assumption that predominant diffusion of impurity atoms into those interatomic gaps in 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 проницаемости μ и ее частотная зависимость (см., напр., Kronmuller H., Nachwirkung in Ferromsgnetika, 168; С.В.Вонсовский, Магнетизм, М., 1971; Д.Д.Мишин, Магнитные материалы, М., 1981).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). Magnetic viscosity is closely related to such phenomena in ferromagnets as magnetization reversal losses, the temporary decrease in the relative magnetic permeability μ and its frequency dependence (see, e.g., Kronmuller H., Nachwirkung in Ferromsgnetika, 168; S.V. Vonsovsky, Magnetism, M., 1971; D.D. Mishin, Magnetic materials, M., 1981).
Известное свойство магнитной вязкости ферромагнетиков использовано в заявляемом техническом решении, которое не имеет каких-либо аналогов (прототипа), поэтому формула изобретения не содержит ограничительной части.The known property of the magnetic viscosity of ferromagnets is used in the claimed technical solution, which does not have any analogues (prototype), therefore, the claims do not contain a limiting part.
Целью изобретения является получение вращательного движения ферромагнитного диска в поле постоянного магнита.The aim of the invention is to obtain the rotational motion of a ferromagnetic disk in the field of a permanent magnet.
Ферромагнитовязкий ротатор, состоящий из связанных между собой постоянного магнита с однородным или неоднородным магнитным полем между его полюсами и ферромагнитного диска (кольца) с осью вращения, выполненного из ферромагнитного материала с магнитной вязкостью, постоянная релаксации τ которой по отношению к периоду Т вращения ферромагнитного диска (кольца) выбрана, например, из условия τ~ТХ0/4,4πR, где X0 - длина магнитного зазора между полюсами постоянного магнита, в который помещен край ферромагнитного диска (кольца) радиуса R, при этом напряженность магнитного поля в зазоре постоянного магнита выбрана насыщающей для материала ферромагнитного диска (кольца).A ferromagnetically viscous rotator, consisting of a permanent magnet interconnected with a uniform or inhomogeneous magnetic field between its poles and a ferromagnetic disk (ring) with an axis of rotation made of a ferromagnetic material with magnetic viscosity, the relaxation constant τ of which with respect to the period T of rotation of the ferromagnetic disk ( ring) is selected, e.g., from the condition τ ~ 0 TX / 4,4πR, where X 0 - magnetic gap length between the poles of a permanent magnet, which is placed in the region of the ferromagnetic disc (ring) radius R, wherein apryazhennost magnetic field in the gap of the permanent magnet is chosen for saturating the ferromagnetic material disc (ring).
Поставленная цель в заявляемом техническом решении достигается благодаря отставанию в динамике вращательного движения ферромагнитного диска (кольца) его магнитного "центра тяжести" размещенной в поле постоянного магнита части ферромагнитного диска (кольца) от центра притяжения постоянного магнита, что создает силу тяготения со стороны постоянного магнита, приложенную к краевой части ферромагнитного диска (кольца), в результате чего возникает вращающий момент, поддерживающий вращательное движение ферромагнитного диска (кольца) с угловой скоростью, определяемой постоянной релаксации магнитной вязкости ферромагнитного материала диска (кольца). В случае однородного магнитного поля в зазоре между полюсами постоянного магнита реализуется так называемый "жесткий режим" самовозбуждения вращательного движения, при котором необходимо принудительно (под действием внешних сил) привести ферромагнитный диск (кольцо) во вращательное движение с необходимой угловой скоростью. В случае неоднородного магнитного поля с заданным градиентом вдоль касательной к краевой части ферромагнитного диска (кольца), находящейся в магнитном зазоре, реализуется так называемый "мягкий режим" самовозбуждения, при котором ферромагнитный диск (кольцо) постоянно испытывает втягивающее усилие со стороны магнитного поля постоянного магнита в направлении градиента напряженности этого поля и поэтому приходит в ускоренное вращательное движение в переходном процессе, доводя угловую скорость вращения до определенной величины, определяемой постоянной релаксации магнитной вязкости выбранного ферромагнитного материала. По мере достижения указанной угловой скорости магнитный "центр тяжести" части ферромагнитного диска (кольца), связанной с магнитным полем постоянного магнита, смещен относительно центра тяготения поля постоянного магнита, и эта величина смещения между указанными центрами определяет постоянно действующий вращающий момент, уравновешиваемый величиной момента трения (нагрузочного момента) в ротаторе, пропорционально возрастающего с увеличением угловой скорости вращения ферромагнитного диска (кольца). Отставание магнитного "центра тяжести" вышеуказанной части ферромагнитного диска (кольца) от центра притяжения магнитного поля постоянного магнита определяется магнитной вязкостью, при которой дифференциальные объемы указанной части ферромагнитного диска (кольца), более длительное время находящиеся в насыщающем магнитном поле постоянного магнита, в большей степени уменьшают свою магнитную восприимчивость, чем дифференциальные объемы, магнитное насыщение в которых еще не наступило. Это создает перераспределение в указанной части ферромагнитного диска (кольца) величин магнитной восприимчивости, градиент которой направлен противоположно к вектору действующей на ферромагнитный диск (кольцо) силы со стороны магнитного поля постоянного магнита.The goal in the claimed technical solution is achieved due to the lag in the dynamics of the rotational motion of the ferromagnetic disk (ring) of its magnetic "center of gravity" of the part of the ferromagnetic disk (ring) located in the field of the permanent magnet from the center of attraction of the permanent magnet, which creates a gravitational force from the side of the permanent magnet, applied to the edge of the ferromagnetic disk (ring), resulting in a torque supporting the rotational movement of the ferromagnetic disk (ring) with an angle The rate determined by the constant relaxation of the magnetic viscosity of the ferromagnetic material of the disk (ring). In the case of a uniform magnetic field in the gap between the poles of the permanent magnet, the so-called "hard mode" of self-excitation of rotational motion is realized, in which it is necessary to force (under the influence of external forces) a ferromagnetic disk (ring) into rotational motion with the necessary angular velocity. In the case of an inhomogeneous magnetic field with a predetermined gradient along the tangent to the edge of the ferromagnetic disk (ring) located in the magnetic gap, the so-called “soft mode” of self-excitation is realized, in which the ferromagnetic disk (ring) constantly experiences a pulling force from the side of the magnetic field of the permanent magnet in the direction of the gradient of the intensity of this field and therefore comes into accelerated rotational motion in the transition process, bringing the angular velocity of rotation to a certain value, defined yaemoy magnetic relaxation constant viscosity of the selected ferromagnetic material. As the specified angular velocity is reached, the magnetic "center of gravity" of the part of the ferromagnetic disk (ring) associated with the magnetic field of the permanent magnet is shifted relative to the center of gravity of the field of the permanent magnet, and this magnitude of the displacement between these centers determines a constantly acting torque, balanced by the value of the moment of friction (load moment) in the rotator, proportionally increasing with increasing angular velocity of rotation of the ferromagnetic disk (ring). The lag of the magnetic "center of gravity" of the aforementioned part of the ferromagnetic disk (ring) from the center of attraction of the magnetic field of the permanent magnet is determined by the magnetic viscosity, in which the differential volumes of the indicated part of the ferromagnetic disk (ring), which are in the saturating magnetic field of the permanent magnet for a longer time, are more decrease their magnetic susceptibility than differential volumes in which magnetic saturation has not yet occurred. This creates a redistribution of the magnetic susceptibility in the indicated part of the ferromagnetic disk (ring), the gradient of which is directed opposite to the force acting on the ferromagnetic disk (ring) from the side of the permanent magnet magnetic field.
Заявляемое техническое решение будет понятно из представленных фигур.The claimed technical solution will be clear from the presented figures.
На фиг.1 приведено одно из возможных конструктивных решений поставленной задачи. Устройство состоит из ферромагнитного диска 1 с осью его вращения 2, краевая часть диска помещена в магнитный зазор постоянного магнита 3, образованный между полюсами 4 и 5 магнита. При этом рассматривается вариант неоднородного магнитного поля в зазоре. Ниже на фиг.1 изображена схема взаимного расположения части ферромагнитного диска 1 в магнитном зазоре между полюсами 4 и 5 магнита 3, которые развернуты друг по отношению к другу на некоторый угол, в результате чего в зазоре образуется неоднородное магнитное поле Н(х), изменение которого вдоль оси х показано на графике внизу фиг.1. Штрих-пунктирной линией на этом графике показано изменение магнитной восприимчивости J(x) в статике, как если бы диск 1 не вращался, обусловленное действием на ферромагнетик разного по напряженности магнитного поля.Figure 1 shows one of the possible constructive solutions to the problem. The device consists of a
Зависимость магнитной индукции В в ферромагнетике от величины напряженности магнитного поля Н приведена на фиг.2. При этом полагаем, что с правого края магнитного зазора на фиг.1 напряженность магнитного поля выбрана равной Hmin, как указано на фиг.2, а на левом краю этого магнитного зазора она равна максимальному значению Hmax. Кривая намагничивания ферромагнетика определяется по формуле В(Н)=μ0μ(Н)Н.The dependence of magnetic induction B in a ferromagnet on the magnitude of the magnetic field H is shown in Fig.2. Moreover, we believe that from the right edge of the magnetic gap in FIG. 1, the magnetic field strength is chosen equal to H min , as indicated in FIG. 2, and on the left edge of this magnetic gap it is equal to the maximum value of H max . The magnetization curve of a ferromagnet is determined by the formula B (H) = μ 0 μ (H) N.
В соответствии с указанной на фиг.2 характеристикой В(Н) статическая характеристика зависимости удельной магнитной восприимчивости χ=J/ρ (ρ - плотность ферромагнитного вещества) приведена на фиг.3, из которого видно, что ферромагнитное вещество, входящее в магнитный зазор с его правого края, имеет максимальное значение относительной магнитной проницаемости μmax, а выходящее с его левого края - минимальное - μmin. При этом из графика фиг.1 видно, что внутри зазора в статическом режиме (без вращения ферромагнитного диска) происходит насыщение ферромагнитного материала, что смещает вправо (относительно выбранной оси х) его магнитный "центр тяжести" относительно центра тяготения магнитного поля магнита 3. Положение последнего в случае однородного магнитного поля в магнитном зазоре находится посередине магнитного зазора (x=Х0/2), а в случае неоднородного поля (как на фиг.1) центр тяготения смещен влево от середины магнитного зазора и имеет координату х=X*>Х0/2, где Х0 - длина магнитного зазора. Кривая удельной магнитной восприимчивости χ(Н)=(В-μ0H)/μ0Hρ=[μ(Н)-1]/ρ с ее рабочим участком в форме спадающей квазилинейной функции с отрицательной производной, где частная производная для относительной магнитной проницаемости ферромагнитного материала отрицательна (∂μ(Н)/∂H<0) в заданной области магнитного поля и характеризуется для выбранного ферромагнитного вещества его отношением минимальной к максимальной относительной магнитной проницаемости, равным β=μmin/μmax<1, соответственно для магнитного поля в конце и в начале магнитной системы с зазором длиной X0. При этом градиент для величины относительной магнитной проницаемости ферромагнитного вещества grad[μ(H)]=∂(H)/∂H=-(1-β)μmax/X0<0.In accordance with characteristic B (H) indicated in FIG. 2, a static characteristic of the dependence of the specific magnetic susceptibility χ = J / ρ (ρ is the density of the ferromagnetic substance) is shown in FIG. 3, from which it can be seen that the ferromagnetic substance included in the magnetic gap with of its right edge, has a maximum value of relative magnetic permeability μ max , and leaving from its left edge has a minimum value of μ min . Moreover, from the graph of Fig. 1 it is seen that inside the gap in a static mode (without rotation of the ferromagnetic disk) the ferromagnetic material is saturated, which shifts to the right (relative to the selected x axis) its magnetic "center of gravity" relative to the center of gravity of the magnetic field of
На фиг.4 представлен график для определения относительного положения центра тяготения магнитного поля постоянного магнита при неоднородном магнитном поле в зазоре, обозначаемый как ξ=Х*/Х0, в функции перепада напряженностей магнитного поля по краям магнитного зазора α=Hmax/Hmin на его длине Х0. При этом градиент магнитного поля в зазоре направлен вдоль оси x и равенFigure 4 presents a graph for determining the relative position of the center of gravity of the magnetic field of a permanent magnet with an inhomogeneous magnetic field in the gap, denoted as ξ = X * / X 0 , as a function of the difference in the magnetic field strengths at the edges of the magnetic gap α = H max / H min on its length X 0 . In this case, the magnetic field gradient in the gap is directed along the x axis and is equal to
На фиг.5 приведены расчетная таблица эквивалентных силовых характеристик Y(β) для различных значений перепада α напряженности магнитного поля в зазоре магнита, а также графики к этим таблицам для нескольких значений α. О значении функции Y(β), где 0<β=μmin/μmax<1, будет указано ниже.Figure 5 shows the calculation table of the equivalent power characteristics Y (β) for various values of the difference α of the magnetic field in the gap of the magnet, as well as graphs for these tables for several values of α. The value of the function Y (β), where 0 <β = μ min / μ max <1, will be indicated below.
Зависимость Y(α) при фиксированном значении β=0,5 графически представлена на фиг.6, что указывает на нелинейный характер эквивалентной силовой характеристики от величины перепада а напряженности магнитного поля в зазоре постоянного магнита.The dependence Y (α) for a fixed value of β = 0.5 is graphically presented in Fig.6, which indicates the nonlinear nature of the equivalent power characteristics on the magnitude of the difference a and the magnetic field in the gap of the permanent magnet.
На фиг.7 представлена схема ферромагнитовязкого ротатора, краевая часть ферромагнитного диска (кольца) которого размещена в зазоре постоянного магнита с однородным магнитным полем (gradH(х)=0).7 is a diagram of a ferromagnetically viscous rotator, the edge of the ferromagnetic disk (ring) which is placed in the gap of a permanent magnet with a uniform magnetic field (gradH (x) = 0).
На фиг.8а представлен график функции μ(х) при неподвижном ферромагнитном диске (кольце) при ω=0, а на фиг.8б - график μ(х) при условии вращения ферритового диска (кольца) с угловой скоростью ω=ω0, согласующейся с постоянной релаксации магнитовязкого ферромагнетика τ с учетом (1).On figa presents a graph of the function μ (x) with a stationary ferromagnetic disk (ring) at ω = 0, and on figb - graph μ (x) under the condition of rotation of the ferrite disk (ring) with an angular velocity ω = ω 0 , which is consistent with the constant relaxation of a magnetically viscous ferromagnet τ taking into account (1).
На фиг.9 приведена модификация заявляемого технического решения для повышения эффективности его действия.Figure 9 shows a modification of the claimed technical solution to improve the effectiveness of its action.
Рассмотрим действие заявляемого технического решения, представленного на фиг.1. Рассмотрим на первом этапе относительное положение центра тяготения магнитной системы, например, в магнитном зазоре (на фиг.1), то есть найдем величину ξ(α)=Х*/Х0. Пусть пунктирная линия, восстановленная по координате х=X*, определяет поперечное сечение магнитного зазора, совпадающее с центром тяготения магнитной системы. Для нахождения этого значения X* вычислим интегралы для энергий магнитного поля в объемах зазора в интервале [0-X*] и в интервале [X*-Х0]. Приравняв значения полученных интегралов, найдем искомую величину X*:Consider the action of the proposed technical solution, presented in figure 1. Consider at the first stage the relative position of the center of gravity of the magnetic system, for example, in the magnetic gap (Fig. 1), that is, we find the quantity ξ (α) = X * / X 0 . Let the dashed line reconstructed at the coordinate x = X * determine the cross section of the magnetic gap, which coincides with the center of gravity of the magnetic system. To find this value of X *, we calculate the integrals for the magnetic field energies in the gap volumes in the interval [0-X *] and in the interval [X * -X 0 ]. Equating the values of the obtained integrals, we find the desired value X *:
с учетом заданного распределения напряженности магнитного поля вдоль координаты х интегрирования, например, линейного с градиентом gradH(х)=∂H/∂x=(Hmax-Hmin)/X0 с крутизной α=Hmax/Hmin>1, где минимальная напряженность магнитного поля Нmin соответствует координате х=0, а максимальная Нmax - координате х=Х0. Вычислив интегралы (3), находим относительную величину центра тяготения магнитной системы по формуле:taking into account a given distribution of the magnetic field along the integration coordinate x, for example, linear with a gradient gradH (x) = ∂H / ∂x = (H max -H min ) / X 0 with a slope α = H max / H min > 1, where the minimum magnetic field strength H min corresponds to the coordinate x = 0, and the maximum H max corresponds to the coordinate x = X 0 . After calculating the integrals (3), we find the relative value of the center of gravity of the magnetic system according to the formula:
Расчет по этой формуле при различных значениях аргумента а (от 1 до 30) приведен в таблице на фиг.4, согласно таблице построен график этой функции (значение ее для аргумента α=1 вычислялось по правилу Лопиталя). Из приведенных расчетов видно, что в сильно неоднородном поле значение ξ(а) асимптотически приближается к значениюThe calculation according to this formula for various values of the argument a (from 1 to 30) is shown in the table in figure 4, according to the table, a graph of this function is constructed (its value for the argument α = 1 was calculated according to the Lopital rule). It can be seen from the above calculations that, in a strongly inhomogeneous field, the value of ξ (a) asymptotically approaches the value
Из теории магнитостатики известно, что сила магнитного тяготения магнитного тела с магнитным моментом М в неоднородном магнитном поле с градиентом вдоль оси х, равным gradH(х)=∂H/∂x=Hmin(α-1)/Х0, вычисляется согласно выражению:From the theory of magnetostatics, it is known that the magnetic force of gravity of a magnetic body with a magnetic moment M in an inhomogeneous magnetic field with a gradient along the x axis equal to gradH (x) = ∂H / ∂x = H min (α-1) / X 0 , is calculated according to expression:
где величина магнитного момента М=JV=(В-μ0H)V=(μ-1)μ0HV (здесь V - объем магнитного тела, J - его намагниченность).where the magnitude of the magnetic moment is M = JV = (B-μ 0 H) V = (μ-1) μ 0 HV (here V is the volume of the magnetic body, J is its magnetization).
С учетом неоднородности магнитного поля Н(х)=Нmin[1+(α-1)х/Х0] и неоднородности относительной магнитной проницаемости ферромагнитного вещества, находящегося в магнитном зазоре с неоднородным магнитным полем, μ[H(x)]=μ(х)=μmax[1-(1-β)х/Х0], где μmax - начальное значение относительной магнитной проницаемости ферритового вещества в начале магнитного зазора при х=0, для дифференциала силы dF(x), действующей на заданный дифференциальный объем ферромагнитного вещества dv со стороны магнитного поля, согласно (5) и с учетом того, что имеем ферромагнитное вещество, для которого μ(Н) в заданном диапазоне напряженностей магнитного поля существенно больше единицы, что позволяет в расчетах, вместо μ-1, использовать величину μ, получаем общее выражение:Taking into account the inhomogeneity of the magnetic field H (x) = H min [1+ (α-1) x / X 0 ] and the heterogeneity of the relative magnetic permeability of the ferromagnetic substance in the magnetic gap with an inhomogeneous magnetic field, μ [H (x)] = μ (x) = μ max [1- (1-β) x / X 0 ], where μ max is the initial value of the relative magnetic permeability of the ferrite substance at the beginning of the magnetic gap at x = 0, for the force differential dF (x) acting to a given differential volume of ferromagnetic substance dv from the side of the magnetic field, according to (5) and taking into account the fact that we have a ferromagnetic matter thy, for which μ (Н) in a given range of magnetic field intensities is significantly greater than unity, which allows us to use μ instead of μ-1 in calculations, we obtain the general expression:
где S=dv/dx - сечение краевой части ферромагнитного диска в магнитном зазоре.where S = dv / dx is the cross section of the edge of the ferromagnetic disk in the magnetic gap.
Выражение (6) учитывает как изменение напряженности магнитного поля Н(х), так и изменение относительной магнитной проницаемости μ(Н) ферромагнитного вещества в зазоре постоянного магнита 3 (фиг.1) по координате х. Будем для простоты расчета полагать, что величины α и β являются постоянными, не зависящими от координаты х, то есть работа устройства происходит на линейных участках: gradH(х)=const и gradμ(х)=const.Expression (6) takes into account both the change in the magnetic field H (x) and the change in the relative magnetic permeability μ (H) of the ferromagnetic substance in the gap of the permanent magnet 3 (Fig. 1) along the x coordinate. For simplicity of calculation, we assume that the quantities α and β are constant, independent of the x coordinate, i.e., the device operates on linear sections: gradH (x) = const and gradμ (x) = const.
Тогда можно вычислить интегралы действующих встречно сил:Then we can calculate the integrals of the opposing forces:
Равнодействующую силу ΔF=F1+F2 согласно выражениям (7) получим несложным вычислением:The resultant force ΔF = F 1 + F 2 according to expressions (7) we obtain a simple calculation:
Учитывая выражение (4), для выражения (8) получаем:Given expression (4), for expression (8) we obtain:
Поскольку, как мы выяснили выше, величина ξ(α)≤(2)-1/2=0,707, то выражение (9) удобнее записать в форме:Since, as we explained above, the quantity ξ (α) ≤ (2) -1/2 = 0.707, it is more convenient to write expression (9) in the form:
Величина μ0SμmaxHmin 2/6, вообще говоря, является известной, параметр α также является известным для конкретной конструкции устройства, поэтому выражение (10) с учетом уравнения (4) полностью определяют значения β (в форме неравенства), при которых равнодействующая сила ΔF>0, и ферромагнитный диск (фиг.1) испытывает вращательный момент.Generally speaking, the value of μ 0 Sμ max H min 2/6, is known, the parameter α is also known for the particular design of the device, so expression (10) with the equation (4) completely determine the values β (in the form of the inequality), in which the resultant force ΔF> 0, and the ferromagnetic disk (Fig. 1) experiences a torque.
Найдем граничные значения β0 при которых ΔF=0, и решим (10) относительно этой граничной величины β0 полагая величины α и ξ(α) известными заданными числами. Поскольку μ0SμmaxHmin 2(α-1)/6>0 при α>1 - есть общий множитель выражения (10), то соответствующее уравнение для β0 имеет вид:We find the boundary values of β 0 for which ΔF = 0, and solve (10) with respect to this boundary value of β 0 by assuming the quantities α and ξ (α) as known given numbers. Since μ 0 Sμ max H min 2 (α-1) / 6> 0 for α> 1 is the common factor of expression (10), the corresponding equation for β 0 has the form:
откуда находим значение β0 в явном виде:whence we find the value of β 0 in explicit form:
и при этом выражение (12) обозначает условие в форме соотношения между величинами α и β0, при выполнении которого равнодействующая сила ΔF=0. Из таблицы на фиг.4 для значения α=10 имеем ξ(α)=0,6785. Подставляя эти значения в (12) получим для значения β0=1. Аналогичный результат для величины β0 получается при любых других значениях α, что усматривается из исследования зависимости β0(α) на основе (12) и (4) при расчете по программе на Microsoft Excel, и при этом величина β0(α)=const(α)=1.and at the same time, expression (12) denotes a condition in the form of a ratio between the quantities α and β 0 , at which the resultant force ΔF = 0. From the table in figure 4 for the value α = 10 we have ξ (α) = 0.6785. Substituting these values in (12) we obtain for the value β 0 = 1. A similar result for the value β 0 is obtained for any other values of α, which is seen from the study of the dependence β 0 (α) based on (12) and (4) when calculated using the Microsoft Excel program, and the value β 0 (α) = const (α) = 1.
Величина самой силы ΔF>0, естественно, определяется как напряженностью магнитного поля Hmin, ее перепадом α, максимальным значением относительной магнитной проницаемости μmax в начале магнитного зазора ферромагнитного диска (при х=0), так и значением β применяемого для диска ферромагнитного материала (чем меньше величина β, тем большая возникает сила втягивания диска в магнитный зазор). Эта сила рассчитывается по формуле (10), которую целесообразно переписать в более удобном для анализа виде:The magnitude of the force itself ΔF> 0, of course, is determined both by the magnetic field strength H min , its drop α, the maximum value of the relative magnetic permeability μ max at the beginning of the magnetic gap of the ferromagnetic disk (at x = 0), and the value β of the ferromagnetic material used for the disk (the smaller the value of β, the greater the force arises to draw the disk into the magnetic gap). This force is calculated by the formula (10), which should be rewritten in a more convenient form for analysis:
где Φ=μ0SμmaxHmin 2/6=const(α,β) - некоторая постоянная величина, определяемая начальными конструктивными параметрами устройства (магнитной системы и ферромагнитного диска).where Φ = μ 0 Sμ max H min 2/6 = const (α, β) - is a constant value determined by the initial design parameters of the device (the magnetic system and of the ferromagnetic disc).
Найдем зависимость ΔF как функцию β<1 при каком-либо заданном значении параметра α, например, для α=10. Так, для данного параметра перепада напряженности магнитного поля в зазоре магнитной системы имеем следующие значения множителей выражения (13):We find the dependence ΔF as a function of β <1 for any given value of the parameter α, for example, for α = 10. So, for a given parameter of the difference in the magnetic field strength in the gap of the magnetic system, we have the following values of the factors of expression (13):
2ξ(α)-1=0,35403; 1-2ξ(α)2=0,07933; 1-ξ(α)3=0,37534. Тогда при β=0,5 получаем выражение ΔF(10;0,5)=1,5 μ0SμmaxHmin 2[6·0,35403-3·8,5·0,07933+2·4,5·0,37534]=5,21899μ0SμmaxHmin 2.2ξ (α) -1 = 0.35403; 1-2ξ (α) 2 = 0.07933; 1-ξ (α) 3 = 0.37534. Then, with β = 0.5, we obtain the expression ΔF (10; 0.5) = 1.5 μ 0 Sμ max H min 2 [6 · 0.35403-3 · 8.5 · 0.07933 + 2 · 4.5 · 0.37534] = 5.21899μ 0 Sμ max H min 2 .
Построим семейство функций Y(β)=ΔF/μ0SμmaxHmin 2 при различных значениях параметра α по соответствующей программе Microsoft Excel (см. фиг.5). Эти функции Y(β) являются эквивалентными силовыми характеристиками (ЭСХ) рассматриваемого преобразователя энергии. Проведенные расчеты показали, что ЭСХ являются линейными функциями относительно β, сходящиеся в одной точке на оси абсцисс β=1, как это следовало из таблицы для функции (10). С увеличением параметра α неоднородности магнитного поля наклон ЭСХ также возрастает, хотя и нелинейно, что усматривается из семейства ЭСХ на фиг.6. Это означает, что для увеличения мощности преобразователя следует выбирать ферромагнитные вещества с малым значением β, а также возможно большее значение неоднородности магнитного поля α. Как и следовало ожидать, при значении β=1 никакого вращательного момента ферромагнитному диску не сообщается. Также не возникает вращающий момент в ферромагнитном диске при α=1, когда магнитное поле в магнитном зазоре однородно, но только если не учитывать магнитную вязкость, о чем будет сказано ниже. Кроме указанного, мощность ротатора определяется согласно (13) квадратом Hmin 2 минимальной напряженности магнитного поля в начале магнитного зазора и наибольшей величиной относительной магнитной проницаемости ферромагнитного материала диска μmax. При этом желательно выбирать значение Hmin такой величины, при которой относительная магнитная проницаемость μ~μmax, как показано на фиг.4 (вблизи максимума кривой Столетова), а величина Hmax должна выбираться так, чтобы происходило насыщение ферромагнитного вещества вблизи сечения магнитного зазора на расстоянии X*, то есть вблизи центра тяготения магнитной системы (см. фиг.1) и далее за ним по ходу вращения диска.We construct a family of functions Y (β) = ΔF / μ 0 Sμ max H min 2 for various values of the parameter α according to the corresponding Microsoft Excel program (see Fig. 5). These functions Y (β) are equivalent power characteristics (ESH) of the energy converter under consideration. The calculations showed that ESCs are linear functions with respect to β, converging at one point on the abscissa axis β = 1, as follows from the table for function (10). With increasing parameter α of the magnetic field inhomogeneity, the slope of the ESC also increases, although nonlinearly, which is seen from the ESC family in Fig. 6. This means that in order to increase the power of the converter, it is necessary to choose ferromagnetic substances with a small value of β, as well as a possibly larger value of the magnetic field inhomogeneity α. As expected, with a value of β = 1, no rotational moment is communicated to the ferromagnetic disk. Also, there is no torque in the ferromagnetic disk at α = 1, when the magnetic field in the magnetic gap is uniform, but only if magnetic viscosity is not taken into account, which will be discussed below. In addition, the rotator power is determined according to (13) by the square H min 2 of the minimum magnetic field strength at the beginning of the magnetic gap and the largest relative magnetic permeability of the ferromagnetic disk material μ max . In this case, it is desirable to choose a value of H min such that the relative magnetic permeability μ ~ μ max , as shown in Fig. 4 (near the maximum of the Stoletov curve), and the value of H max should be chosen so that the ferromagnetic substance saturates near the cross section of the magnetic gap at a distance X *, that is, near the center of gravity of the magnetic system (see Fig. 1) and further downstream of the disk.
Из таблицы на фиг.5 видно, что имеет место нелинейная зависимость ЭСХ по параметру неоднородности магнитного поля α, поэтому представляет интерес исследовать функцию Y(β) по параметру α. Зададимся каким-либо промежуточным значением β, например, β=0,5, и найдем по ранее составленной программе значения Y(α)|β. Результат вычислений приведен на графике фиг.6, который указывает на наличие нелинейности ЭСХ по параметру α.The table in figure 5 shows that there is a nonlinear dependence of the ESC on the parameter of the inhomogeneity of the magnetic field α, therefore, it is of interest to study the function Y (β) in the parameter α. We set some intermediate value β, for example, β = 0.5, and find the values Y (α) | β . The calculation result is shown in the graph of Fig. 6, which indicates the presence of an ECH nonlinearity in parameter α.
Если говорить о коэффициенте полезного действия данного устройства, имея в виду то, как тратится энергия магнитного поля на создание вращающего момента в ферромагнитном диске, то можно принять значение к.п.д. как отношение разностной силы ΔF, производящей механическую работу, к сумме ее составляющих F1+F2, указанных в (7), определяемых полной энергией магнитного поля, то есть к.п.д. преобразователя можно считать равным η=[(F1-|F2|)/(F1+|F2|)]·100%. Нетрудно понять, что сумма модулей указанных сил (направленных взаимно встречно) определяется интегралом типа (7), взятым по полному пределу от х=0 до х=X0. Соответствующее интегрирование приводит к результату вида:If we talk about the efficiency of this device, bearing in mind how the energy of the magnetic field is spent on creating torque in a ferromagnetic disk, then we can take the value of the efficiency as the ratio of the difference force ΔF performing mechanical work to the sum of its components F 1 + F 2 specified in (7), determined by the total energy of the magnetic field, i.e. the converter can be considered equal to η = [(F 1 - | F 2 |) / (F 1 + | F 2 |)] · 100%. It is easy to understand that the sum of the moduli of the indicated forces (reciprocally directed) is determined by an integral of type (7) taken over the full limit from x = 0 to x = X 0 . The corresponding integration leads to a result of the form:
так что с учетом (10) для к.п.д. получаем выражение:so taking into account (10) for the efficiency we get the expression:
Например, для α=10 имеем значения величин 2ξ(α)-1=0,35696, 1-2ξ(α)2=0,07933 и 1-2ξ(α)3=0,37534, так что при задании величины β=0,1 получим значение к.п.д. такого устройства η=[6·0,35696-3·8,1·0,07933+16,2·0,37534]//(6+3·8,1-16,2)=6,2946/14,1=0,4464=44,6%. Для сравнения при α=2 и β=0,5 (соответствующие значения 2ξ(α)-1=0,16228, 1-2ξ(α)2=0,32456, 1-2ξ(α)3=0,60747) для к.п.д. получим η=(6·0,16228-3·0,5·0,32456+2·0,5·0,60747)/(6+1,5-1)=1,1043/6,5=0,1699=17%. Таким образом, к.п.д устройства или, как более правильно сказать, коэффициент использования энергии магнитного поля растет с увеличением степени неоднородности поля в зазоре и при применении ферромагнитных материалов с большим отношением максимальной и минимальной относительной магнитной проницаемости (по кривой Столетова на фиг.4б), то есть с ростом отношения α/β.For example, for α = 10 we have the values 2ξ (α) -1 = 0.35696, 1-2ξ (α) 2 = 0.07933 and 1-2ξ (α) 3 = 0.37534, so that when setting β = 0.1 we get the value of efficiency of such a device η = [6 · 0.35696-3 · 8.1 · 0.07933 + 16.2 · 0.37534] // (6 + 3 · 8.1-16.2) = 6.2946 / 14 , 1 = 0.4464 = 44.6%. For comparison, with α = 2 and β = 0.5 (the corresponding values are 2ξ (α) -1 = 0.16228, 1-2ξ (α) 2 = 0.32456, 1-2ξ (α) 3 = 0.60747) for efficiency we obtain η = (6 · 0.16228-3 · 0.5 · 0.32456 + 2 · 0.5 · 0.600747) / (6 + 1.5-1) = 1.1043 / 6.5 = 0 , 1699 = 17%. Thus, the efficiency of the device or, more correctly, the utilization of the magnetic field energy increases with increasing degree of field inhomogeneity in the gap and when using ferromagnetic materials with a large ratio of maximum and minimum relative magnetic permeability (according to the Stoletov curve in FIG. 4b), i.e., with an increase in the ratio α / β.
Коэффициент использования энергии (КИЭ) магнитного поля не подменяет понятия к.п.д., принятого в физике как отношения полезной работы к затраченной, поскольку получение механической работы от вращения ферромагнитного диска не связано с какими-либо внешне (макроскопически) проявляемыми затратами энергии (тепловой, электрической, химической, оптической и др. видов энергии). Поставщиком энергии выступает магнитное поле, возникающее вследствие процессов взаимодействия микрочастиц магнитного вещества на молекулярном и (или) доменном уровне, внешне феноменологически никак не проявляемых, скрытых от непосредственного наблюдения и измерения.The energy utilization coefficient (CIE) of a magnetic field does not replace the concept of efficiency adopted in physics as the ratio of useful work to expended, since obtaining mechanical work from the rotation of a ferromagnetic disk is not associated with any externally (macroscopically) manifested energy costs ( thermal, electrical, chemical, optical and other types of energy). The energy supplier is a magnetic field arising from the processes of interaction of microparticles of a magnetic substance at the molecular and (or) domain level, which are not phenomenologically externally manifest, hidden from direct observation and measurement.
Согласно (10) можно рассчитать конкретную силу ΔF, создающую вращающий момент m=ΔF×r в диске радиуса r. Пусть имеем магнитное поле Hmin=6 кА/м, ферромагнитный материал с μmax=1000, сечение кромки ферромагнитного диска в магнитном зазоре S=50 мм2=5·10-5 м2, α=10 и β=0,1. Воспользовавшись полученными при расчете данными, получим ΔF=21,34 Н. При радиусе диска r=0,1 м момент вращения диска будет m=2,134 Н·м. Задавшись величиной момента трения в механическом приводе диска mтр=0,1 Н·м, получим полезную мощность в нагрузке Nн=(m-mтр)ω, где ω - угловая скорость вращения диска. При скорости вращения диска n=ω/2π=50 с-1 снимаемая мощность в нагрузке будет Nн=638,68 Вт. В качестве нагрузки может быть использован электрический генератор с к.п.д. порядка 80%, что определит полезную выходную электрическую мощность Рэл=500 Вт.According to (10), it is possible to calculate the specific force ΔF, which creates a torque m = ΔF × r in a disk of radius r. Let us have a magnetic field H min = 6 kA / m, a ferromagnetic material with μ max = 1000, a section of the edge of the ferromagnetic disk in the magnetic gap S = 50 mm 2 = 5 · 10 -5 m 2 , α = 10 and β = 0.1 . Using the data obtained during the calculation, we obtain ΔF = 21.34 N. With a disk radius r = 0.1 m, the moment of rotation of the disk will be m = 2.134 N · m. Given the value of the moment of friction in the mechanical drive of the disk m tr = 0.1 N · m, we obtain the net power in the load N n = (mm tr ) ω, where ω is the angular velocity of rotation of the disk. When the speed of rotation of the disk n = ω / 2π = 50 s -1, the removed power in the load will be N n = 638.68 watts. An electric generator with efficiency can be used as a load. about 80%, which will determine the useful output electric power P el = 500 watts.
В проведенном анализе втягивающего действия неоднородного магнитного поля на ферромагнитный диск (кольцо) с изменяющейся в функции магнитного поля относительной магнитной проницаемостью (фиг.3) при работе на падающем участке характеристики μ(Н), на котором dμ/dH<0, не использовалось свойство магнитной вязкости ферромагнетика. При этом было указано выше, что при однородном магнитном поле в зазоре постоянного магнита (α=1) никакого вращения ферромагнитного диска (кольца) производиться не будет. Иначе обстоит дело при учете магнитной вязкости ферромагнитного материала.In the analysis of the retracting effect of an inhomogeneous magnetic field on a ferromagnetic disk (ring) with relative magnetic permeability changing as a function of the magnetic field (Fig. 3), when working on the falling section of the characteristic μ (H), on which dμ / dH <0, the property magnetic viscosity of a ferromagnet. It was noted above that with a uniform magnetic field in the gap of the permanent magnet (α = 1) no rotation of the ferromagnetic disk (ring) will be made. The situation is different when the magnetic viscosity of the ferromagnetic material is taken into account.
Обратимся к рассмотрению работы ротатора по схеме фиг.7. В однородном магнитном поле в зазоре постоянного магнита между полюсами 4 и 5 (как на фиг.1) Н(х)=const(х) на участке 0≤х≤Х0 и достаточно резко падает вне этого участка по квазиэкспоненциальному закону. Это изображено на графике фиг.7. В соответствии с таким распределением напряженности магнитного поля участок ферромагнитного диска (кольца), связанный с этим полем, будет иметь относительную магнитную проницаемость μ(x) в виде функций, изображенных на фиг.8а - для неподвижного (ω=0) диска (кольца) и на фиг.8б - для вращающегося диска (кольца) с угловой скоростью ω~ω0, где ω0 - согласованная с постоянной релаксации τ магнитной вязкости ферромагнетика диска (кольца) 1 и моментом трения (нагрузки) установившаяся угловая скорость ротатора. Согласование ω0 с постоянной τ означает следующее. Пусть радиус диска (кольца) 1 равен R, тогда при угловой скорости ω0 край диска (кольца) в магнитном зазоре длиной Х0 имеет линейную скорость V=ω0R, и каждая точка радиального кольца ферромагнетика пробегает длину магнитного зазора за время Δt=Х0/ω0R. Полагая, что за время Δt относительная магнитная проницаемость ферромагнетика в магнитном зазоре успевает снизиться с некоторой величины μ*(0), соответствующей моменту времени t=0, в который рассматриваемая точка кромки ферромагнитного диска (кольца) начинает входить в магнитный зазор и ее координата х=0, до минимальной величины μmin под действием магнитного поля напряженностью Н0, можно найти связь между величинами ω0 и τ на основании известного приближения, что Δt=2,2 τ, откуда получаем ω0=Х0/2,2Rτ. Период вращения Т=2π/ω0 диска (кольца) при этом равен Т=4,4πRτ/X0. При этом под величиной R следует понимать средний радиус кольцевой кромки диска (кольца), ширина которой равна ширине h магнитного зазора постоянного магнита 3 (фиг.1). Полагая, что R≫h, в расчетах можно, в первом приближении, брать величину R соответствующей полному радиусу ферромагнитного диска (кольца). Тогда окончательно получаем для значения выбираемой постоянной релаксации τ магнитной вязкости ферромагнитного материала формулу τ=(Х0/4,4πR)Т. При задании соотношения размеров R/Х0=р≫1, имеем связь вида τ=Т/4,4πр≪Т. Так, при R=0,5 м, X0=0,05 м получаем для отношения τ/Т=1/44π=0,00724. Это соотношение отражено в редакции формулы изобретения.We turn to the consideration of the rotator according to the scheme of Fig.7. In a uniform magnetic field in the gap of the permanent magnet between the
Функция относительной магнитной проницаемости μ(х) для неподвижного ферромагнитного диска (кольца) изображена на фиг.8а, и из ее рассмотрения видно, что центр притяжения магнитного поля, имеющий по оси х координату х=Х0/2, точно совпадает с "центром тяжести" находящейся в магнитном зазоре части (кромки) ферромагнитного диска (кольца) X*. Это объясняет невозможность самовращения ферромагнитного диска (кольца), поскольку на диск (кольцо) со стороны магнитного поля не действует какая-либо сила. Указанная кривая симметрична относительно центра тяготения, что и обеспечивает равенство X*=Х0/2, при соблюдении которого отсутствует вращающий момент в ферромагнитном диске(кольце).The relative magnetic permeability function μ (x) for a fixed ferromagnetic disk (ring) is shown in Fig. 8a, and it can be seen from its consideration that the center of gravity of the magnetic field, having the x-coordinate x = X 0/2 , exactly coincides with the "center gravity of the part (edge) of the ferromagnetic disk (ring) X * located in the magnetic gap. This explains the impossibility of self-rotation of a ferromagnetic disk (ring), since no force acts on the disk (ring) from the side of the magnetic field. The specified curve is symmetric with respect to the center of gravity, which ensures the equality X * = X 0/2 , when observed, there is no torque in the ferromagnetic disk (ring).
В динамике вращения ферромагнитного диска (кольца), совмещенного с магнитным зазором длиной Х0, из-за запаздывания в установлении относительной магнитной проницаемости различных дифференциальных объемов dv=Sdx, находящихся в магнитном зазоре постоянного магнита, относительно той ее величины, какая была бы в установившемся режиме (при t→∞), а именно от величины μmin кривая распределения μ(х) становится существенно несимметричной относительно центра тяготения магнитного поля с той же координатой х=Х0/2, как показано на фиг.8б. Легко понять, что при этом "центр тяжести" краевой части ферромагнитного диска (кольца), находящейся как внутри магнитного зазора, так и по его краям, оказывается смещенным вправо на фиг.8б, то есть в сторону от центра тяготения магнитного поля, противоположную направлению вращения ферромагнитного диска (кольца), и имеет координату х=X*, отстоящую от координаты центра тяготения магнитного поля X=X0/2, на величину ΔХ=(Х0/2)-X*, как это показано на фиг.8б. Наличие смещения ΔХ>0 указывает на возникновение постоянно действующей на ферромагнитный диск (кольцо) силы со стороны магнитного поля постоянного магнита, что и поддерживает вращательное движение диска (кольца), если при этом момент трения может быть преодолен вращающим моментом m=ΔF×R. Вращение происходит с угловой скоростью, приблизительно равной ω0 или несколько меньшей ее из-за действия момента трения (внешней нагрузки), что связано с неточным выполнением требования подбора постоянной релаксации τ магнитной вязкости выбираемого для диска (кольца) ферроматериала, что, впрочем, может быть скорректировано изменением геометрии устройства (радиуса диска R, длины магнитного зазора Х0), чтобы обеспечить соблюдение условия, указанного в формуле изобретения. Отметим, что, вместо физического изменения радиуса ферромагнитного диска (кольца), добиться того же изменения геометрии можно смещением вдоль радиуса диска 1 (кольца) постоянного магнита 3 (фиг.1), что эквивалентно изменению параметра R.In the dynamics of rotation of a ferromagnetic disk (ring), combined with a magnetic gap of length X 0 , due to the delay in establishing the relative magnetic permeability of various differential volumes dv = Sdx, located in the magnetic gap of the permanent magnet, relative to its value that would be in a steady state mode (t → ∞), namely, the magnitude of μ min distribution curve μ (x) becomes substantially asymmetrical about the center of gravity of the magnetic field with the same coordinate x = x 0/2, as illustrated in 8b. It is easy to understand that in this case, the "center of gravity" of the edge of the ferromagnetic disk (ring) located both inside the magnetic gap and along its edges is shifted to the right in Fig. 8b, i.e., away from the center of gravity of the magnetic field, opposite to rotation of the ferromagnetic disc (ring), and has the coordinate x = X *, spaced from the coordinates of the center of gravity of the magnetic field X = X 0/2, by an amount ΔH = (a 0/2) -X *, as illustrated in 8b . The presence of a displacement ΔX> 0 indicates the occurrence of a force constantly acting on the ferromagnetic disk (ring) from the side of the magnetic field of the permanent magnet, which supports the rotational movement of the disk (ring) if the friction moment can be overcome by the torque m = ΔF × R. The rotation occurs with an angular velocity approximately equal to ω 0 or slightly less than it due to the action of the friction moment (external load), which is associated with inaccurate fulfillment of the requirement to select the constant relaxation τ of the magnetic viscosity of the ferromaterial chosen for the disk (ring), which, however, can be corrected by changing the geometry of the device (disk radius R, magnetic gap length X 0 ) to ensure compliance with the conditions specified in the claims. Note that, instead of a physical change in the radius of the ferromagnetic disk (ring), the same geometry change can be achieved by displacing the
Для определения координаты X* "центра тяжести" краевой части ферромагнитного диска (кольца) в заданном магнитном зазоре постоянного магнита при условии вращения диска (фиг.8б) с угловой скоростью ωо, необходимо решить интегральное уравнение видаTo determine the coordinate X * of the "center of gravity" of the edge of the ferromagnetic disk (ring) in a given magnetic gap of the permanent magnet under the condition of rotation of the disk (figb) with an angular velocity ω о , it is necessary to solve an integral equation of the form
относительно неизвестной величины X* с учетом вида функции μ(х), которая является в данном случае однородного магнитного поля в зазоре постоянного магнита экспоненциальной функцией типа (1). В момент времени t=0, как уже было указано выше, дифференциальный объем ферромагнитного диска (кольца) с координатой x=0 имеет относительную магнитную проницаемость, обозначенную как μ*(0), численное значение которой достаточно близко к максимальному значению относительной магнитной проницаемости ферромагнетика μ*max в отсутствии магнитного поля (Н=0). Величина μ*(0)<μ*max на некоторую незначительную величину за счет того, что на отрезке Δσ, указанном на фиг.8б, действие магнитного поля вне магнитного зазора несколько уменьшит относительную магнитную проницаемость за короткий отрезок времени Δσ/ω0R<Δt=Х0/ω0R, поскольку Х0 существенно больше величины отрезка Δσ, внутри которого имеется квазиэкспоненциально изменяющееся магнитное поле (см.фиг.7). Строго говоря, с учетом фиг.2 и фиг.3 можно утверждать, что начальное действие краевого магнитного поля на участке Δσ сначала будет увеличивать относительную магнитную проницаемость выше величины, соответствующей отсутствующему магнитному полю - стремить ее к значению μmax по экспоненциальному закону, и лишь затем вблизи правого края магнитного зазора постоянного магнита, когда напряженность магнитного поля станет выше НC (фиг.3), относительная магнитная проницаемость станет снижаться до величины μ*(0)~μmax>μ*max.with respect to the unknown quantity X *, taking into account the form of the function μ (x), which in this case is a uniform magnetic field in the gap of the permanent magnet, is an exponential function of the type (1). At time t = 0, as was already indicated above, the differential volume of a ferromagnetic disk (ring) with coordinate x = 0 has a relative magnetic permeability, denoted as μ * (0), the numerical value of which is fairly close to the maximum value of the relative magnetic permeability of a ferromagnet μ * max in the absence of a magnetic field (H = 0). The value μ * (0) <μ * max by a small amount due to the fact that on the segment Δσ shown in Fig. 8b, the action of a magnetic field outside the magnetic gap will slightly reduce the relative magnetic permeability in a short period of time Δσ / ω 0 R < Δt = X 0 / ω 0 R, since X 0 is significantly larger than the value of the segment Δσ, inside which there is a quasi-exponentially changing magnetic field (see Fig. 7). Strictly speaking, taking into account Fig. 2 and Fig. 3, it can be argued that the initial action of the edge magnetic field in the Δσ region will first increase the relative magnetic permeability above the value corresponding to the absent magnetic field - tend it to the value of μ max exponentially, and only then, near the right edge of the magnetic gap of the permanent magnet, when the magnetic field becomes higher than H C (Fig.3), the relative magnetic permeability will decrease to μ * (0) ~ μ max > μ * max .
Полагая, в первом приближении, что μ*(0)~μmax, можно записать уравнение для распределения μ(х) внутри магнитного зазора (на отрезке 0≤х≤Х0) в видеAssuming, to a first approximation, that μ * (0) ~ μ max , we can write the equation for the distribution μ (x) inside the magnetic gap (on the
Тогда при подстановке (17) в (16) и замене переменной (при ξ=Х*/Х0) получимThen, by substituting (17) into (16) and changing the variable (for ξ = X * / X 0 ), we obtain
откуда находим вычислением интегралов (18) относительное положение "центра тяжести" ξ=Х*/Х0=0,38. Таким образом, смещение вправо на фиг.8б "центра тяжести" от центра тяготения магнитного поля составляет относительную величинуwhence we find by calculating the integrals (18) the relative position of the "center of gravity" ξ = X * / X 0 = 0.38. Thus, the shift to the right in Fig. 8b of the "center of gravity" from the center of gravity of the magnetic field is a relative value
что и доказывает наличие постоянно действующей силы, оказываемой магнитным полем на вращающийся ферромагнитный диск (кольцо) с угловой скоростью ~ω0.which proves the presence of a constantly acting force exerted by a magnetic field on a rotating ferromagnetic disk (ring) with an angular velocity of ~ ω 0 .
Для коррекции начальной величины входящей в магнитный зазор части ферромагнетика относительной магнитной проницаемости (доведения ее до величины μmax) может быть несколько увеличена длина магнитного зазора Х0, что следует из рассмотрения фиг.3).To correct the initial value of the relative magnetic permeability part of the ferromagnet included in the magnetic gap (bringing it to μ max ), the length of the magnetic gap X 0 can be slightly increased, which follows from the consideration of figure 3).
Интересно отметить, что выходящие из магнитного зазора части ферромагнитного диска (кольца) имеют минимальную величину относительной магнитной проницаемости μmin и, двигаясь достаточно быстро, не успевают в ослабевающем магнитном поле восстановить свою относительную магнитную проницаемость до уровня μ*(0), поэтому эффект торможения ферромагнитного диска (кольца) обратным втягиванием ферроматериала к центру тяготения магнитного поля оказывается незначительным, притом меньшим, чем эффект втягивания с правого края магнитного зазора, что дополнительно увеличивает результирующую силу в направлении вращения диска (кольца).It is interesting to note that the parts of the ferromagnetic disk (ring) emerging from the magnetic gap have a minimum value of relative magnetic permeability μ min and, moving fast enough, do not have time to restore their relative magnetic permeability to a level μ * (0) in a weakening magnetic field, therefore, the braking effect of a ferromagnetic disk (ring) by reverse retraction of the ferromaterial to the center of gravity of the magnetic field is insignificant, moreover, less than the effect of retraction from the right edge of the magnetic gap, which additionally increases the resulting force in the direction of rotation of the disk (ring).
Полное восстановление относительной магнитной проницаемости этих вышедших из магнитного зазора частей ферромагнитного диска (кольца) происходит по мере движения этих частей вне магнитного поля за время Т-2,2τ=2,2τ[(2πR/Х0)-1]≫Δt.The full restoration of the relative magnetic permeability of these parts of the ferromagnetic disk (ring) emerging from the magnetic gap occurs as these parts move outside the magnetic field during the time T-2.2τ = 2.2τ [(2πR / X 0 ) -1] ≫Δt.
Учитывая последнее неравенство, с целью увеличения вращающего момента ферромагнитного диска (кольца) можно рекомендовать использование в заявляемом техническом решении нескольких идентичных постоянных магнитов, рассредоточенных симметрично по окружности ферромагнитного диска (кольца) так, чтобы сохранялось неравенство 2πR/N>Х0, где N - число постоянных магнитов, допускающее восстановление в ферромагнетике исходного значения относительной магнитной проницаемости μmin→μmax* за время перехода фиксированного дифференциального объема ферромагнетика от одного магнита к другому, как это схематически представлено на фиг.9.Given the last inequality, in order to increase the torque of the ferromagnetic disk (ring), it is possible to recommend the use of several identical permanent magnets in the claimed technical solution, distributed symmetrically around the circumference of the ferromagnetic disk (ring) so that the inequality 2πR / N> X 0 is maintained, where N is number of permanent magnets, permitting recovery in ferromagnet initial value of relative magnetic permeability μ min → μ max * of the transit time differential of a fixed volume f rromagnetika from one magnet to the other, as schematically shown in Figure 9.
Идея расчета конкретной величины силы ΔF, действующей со стороны магнитного поля на вращающийся ферромагнитный диск (кольцо) и определяющей вращательный момент m=ΔF×R, аналогична ранее приведенным выражениям (6)-(10), но с учетом однородности магнитного поля (α=1) и магнитной вязкости с постоянной релаксации τ. Весь объем ферромагнитного тела, находящийся в любой момент времени в магнитном поле магнитного зазора и на его краях V=S(X0+2Δσ) разбивают на дифференциальные объемы dv=Sdx для интервала -Δσ≤х≤Х0+Δσ, определяют в этом интервале дифференциалы сил dF(x), действующих на соответствующие дифференциальные объемы dv(x), вычисляют соответствующие интегралы сил I1 и I2 соответственно для участков от -Δσ до X* и от X* до Х0, вычитают эти интегралы для получения равнодействующей силы ΔF=I1-I2. С учетом того, что для однородного магнитного поля α=1 нельзя пользоваться выражениями, содержащими множитель (α-1), обращающим в ноль результат, а следует их видоизменить с учетом динамики изменения относительной магнитной проницаемости ферромагнитного вещества в каждом дифференциальном объеме его, связанном с магнитным полем. Удобно при этом начало отсчета выбрать в центре тяготения магнитного поля с координатой х=Х0/2 и интегрирование для I1 и I2 производить по обе стороны от этого центра, полагая, что дифференциал силы dF(x)~Н(х)2·μ(х)/(х-Х0/2)2 при известных распределениях напряженности магнитного поля и относительной магнитной проницаемости ферромагнетика в заданном интервале по координате х. Распределение μ(х) определяется параметрами ω0 и τ и имеет вид, указанный на фиг.8б. Внутри магнитного зазора магнитное поле однородно и равно Н0, а по краям считается квазиэкспоненциально спадающим по мере удаления от краев магнитного зазора на интервалах, соизмеримых с Δσ. Конкретные значения указанных распределений могут вычисляться и измеряться в каждом отдельном случае исполнения устройства, поэтому аналитический расчет для силы ΔF в данной заявке не приводится. Достаточно лишь указать, что в динамике вращательного движения ферромагнитного диска (кольца) с учетом магнитной вязкости и правильного выбора угловой скорости вращения ω0, а также в предположении, что за краями магнитного зазора напряженность магнитного поля убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от центра тяготения, всегда будет соблюдаться неравенство видаThe idea of calculating a specific value of the force ΔF acting on the rotating ferromagnetic disk (ring) from the side of the magnetic field and determining the torque m = ΔF × R is similar to the above expressions (6) - (10), but taking into account the uniformity of the magnetic field (α = 1) and magnetic viscosity with constant relaxation τ. The entire volume of the ferromagnetic body located at any time in the magnetic field of the magnetic gap and at its edges V = S (X 0 + 2Δσ) is divided into differential volumes dv = Sdx for the interval −Δσ≤x≤X 0 + Δσ, in the interval, the differentials of forces dF (x) acting on the corresponding differential volumes dv (x) calculate the corresponding integrals of forces I 1 and I 2, respectively, for sections from −Δσ to X * and from X * to X 0 , subtract these integrals to obtain the resultant forces ΔF = I 1 -I 2 . Taking into account the fact that for a uniform magnetic field α = 1 it is impossible to use expressions containing the factor (α-1) that turn the result to zero, but they should be modified taking into account the dynamics of changes in the relative magnetic permeability of the ferromagnetic substance in each differential volume associated with it magnetic field. It is convenient to choose the reference point at the center of gravity of the magnetic field with the coordinate x = X 0/2 and integrate for I 1 and I 2 on both sides of this center, assuming that the force differential is dF (x) ~ H (x) 2 Μ (x) / (x-X 0/2 ) 2 for known distributions of the magnetic field strength and the relative magnetic permeability of the ferromagnet in a given interval along the x coordinate. The distribution μ (x) is determined by the parameters ω 0 and τ and has the form indicated in figb. Inside the magnetic gap, the magnetic field is uniform and equal to H 0 , and at the edges it is considered to be quasi-exponentially decreasing with distance from the edges of the magnetic gap at intervals commensurate with Δσ. The specific values of these distributions can be calculated and measured in each individual case of the device, therefore, an analytical calculation for the force ΔF is not given in this application. It is enough to indicate only that in the dynamics of the rotational motion of the ferromagnetic disk (ring), taking into account the magnetic viscosity and the correct choice of the angular velocity of rotation ω 0 , as well as under the assumption that the magnetic field strength decreases inversely with the square of the distance from the center of gravity outside the edges of the magnetic gap, inequality of the form will be observed
определяющее выполнение неравенства ΔF>0, что вытекает из симметричности распределения магнитного поля Н(х) относительно центра тяготения магнитного поля х=Х0/2, равенства интервалов интегрирования и сильной асимметричности распределения μ(х) из-за влияния магнитной вязкости ферромагнетика и его свойства изменять свою относительную магнитную проницаемость в функции напряженности действующего на него магнитного поля, и поэтому равнодействующая сила ΔF определяется с точностью до постоянного множителя разностью пар определенных интегралов, указанных в неравенстве (20).determining the fulfillment of the inequality ΔF> 0, which follows from the symmetry of the distribution of the magnetic field H (x) relative to the center of gravity of the magnetic field x = X 0/2 , the equality of the integration intervals and the strong asymmetry of the distribution μ (x) due to the influence of the magnetic viscosity of the ferromagnet and its properties to change their relative magnetic permeability as a function of the intensity of the magnetic field acting on it, and therefore the resultant force ΔF is determined up to a constant factor by the difference in pairs of certain integ als set forth in (20).
Большой интерес представляет соединение обоих рассмотренных выше механизмов возбуждения вращательного движения ферромагнитного диска (кольца) - механизма втягивания ферроматериала диска (кольца) в неоднородное магнитное поле постоянного магнита и механизма динамического втягивания за счет эффекта магнитной вязкости (что отражено в формуле изобретения ссылкой на использование как однородного, так и неоднородного магнитного поля). При применении неоднородного магнитного поля центр тяготения в предельном случае имеет относительную величину смещения ξ*=0,707 (вместо 0,5, как в случае использования однородного магнитного поля). Здесь уместно отметить, что ранее полученное относительное положение "центра тяжести" ξ=0,38 справедливо в случае однородного магнитного поля в зазоре постоянного магнита. Если это поле неоднородно с градиентом, направленным в сторону вращения ферромагнитного диска (кольца), то относительное положение "центра тяжести" ξ<0,38 из-за уменьшения абсолютной величины производной dμ(x)/dx на начальном участке вхождения ферромагнетика в магнитный зазор переменной высоты (х~0), что дополнительно увеличивает силу ΔF. Схема построения такого устройства соответствует фиг.1, а кривая распределения μ(х) при этом становится еще более асимметричной относительно центра тяготения магнитного поля, чем в случае, указанном на фиг.8б. Таким образом, использование совместно обоих механизмов втягивания ферромагнитной массы диска (кольца) в направлении к центру тяготения магнитного поля приводит к дополнительному увеличению вращающего момента.Of great interest is the combination of both of the above mechanisms for exciting the rotational motion of a ferromagnetic disk (ring) —the mechanism for attracting the ferromaterial of the disk (ring) into the inhomogeneous magnetic field of the permanent magnet and the mechanism of dynamic retraction due to the effect of magnetic viscosity (which is reflected in the claims by reference to the use of as uniform and inhomogeneous magnetic field). When applying an inhomogeneous magnetic field, the center of gravity in the limiting case has a relative displacement ξ * = 0.707 (instead of 0.5, as in the case of using a uniform magnetic field). It is appropriate to note here that the previously obtained relative position of the "center of gravity" ξ = 0.38 is valid in the case of a uniform magnetic field in the gap of a permanent magnet. If this field is inhomogeneous with a gradient directed towards the rotation of the ferromagnetic disk (ring), then the relative position of the “center of gravity” ξ <0.38 due to a decrease in the absolute value of the derivative dμ (x) / dx in the initial section of the ferromagnet entering the magnetic gap variable height (x ~ 0), which additionally increases the force ΔF. The construction scheme of such a device corresponds to FIG. 1, and the distribution curve μ (x) becomes even more asymmetric with respect to the center of gravity of the magnetic field than in the case indicated in FIG. Thus, the use of both mechanisms of retraction of the ferromagnetic mass of the disk (ring) in the direction toward the center of gravity of the magnetic field leads to an additional increase in torque.
Разработка конкретных энергетических установок бытового и промышленного применения на основе заявляемого технического решения будет инициировать поиск технологии создания ферромагнитных материалов с требуемыми свойствами по их магнитной вязкости, например, вариацией различных примесей в ферромагнитном материале, и по зависимости μ(Н) в области насыщения. Так, для вращения ферромагнитного диска (кольца) радиуса R=0,5 м с длиной магнитного зазора Х0=0,05 м со скоростью 50 об/с потребуется иметь ферромагнетик с постоянной релаксации τ=0,02·0,1/4,4·3,14=1,45·10-4 с=145 мкс, что вполне реально осуществимо. Для гироскопических систем с частотой вращения 500 об/с при соотношении X0/R=0,1 постоянная релаксации должна быть снижена до ~15 мкс.The development of specific power plants for domestic and industrial applications on the basis of the proposed technical solution will initiate a search for a technology for creating ferromagnetic materials with the required properties by their magnetic viscosity, for example, by varying various impurities in a ferromagnetic material, and by the dependence of μ (H) in the saturation region. So, to rotate a ferromagnetic disk (ring) of radius R = 0.5 m with a magnetic gap X 0 = 0.05 m at a speed of 50 r / s, you will need to have a ferromagnet with constant relaxation τ = 0.02 · 0.1 / 4 , 4 · 3.14 = 1.45 · 10 -4 s = 145 μs, which is quite feasible. For gyroscopic systems with a rotation speed of 500 r / s with a ratio of X 0 / R = 0.1, the relaxation constant should be reduced to ~ 15 μs.
Увеличение скорости вращения относительно частоты ω0 сдерживается автоматически (даже при существенно малых моменте трения и (или) моменте нагрузки) за счет снижения асимметрии в распределении μ(x), так как при сокращении времени пребывания ферромагнитного материала в насыщающем магнитном поле соответственно уменьшается перепад относительной магнитной проницаемости ферромагнетика на краях магнитного зазора.An increase in the rotation speed with respect to the frequency ω 0 is automatically restrained (even with substantially small friction and (or) load moments) due to a decrease in the asymmetry in the distribution μ (x), since with a decrease in the residence time of the ferromagnetic material in the saturating magnetic field, the relative differential drop accordingly magnetic permeability of a ferromagnet at the edges of the magnetic gap.
Таким образом, можно констатировать, что постоянные магниты потенциально являются источниками энергии, своеобразными неистощимыми аккумуляторами, "подзаряд" которых осуществляется непрерывно во времени за счет происходящих процессов превращения энергии на молекулярном уровне. "Запуск" в работу таких "аккумуляторов" как толчок к началу осуществления указанных молекулярных процессов производится от внешних источников однократно на этапе создания постоянных магнитов путем доведения специальных ферромагнитных материалов с высокой коэрцитивной силой до их насыщения в магнитном поле соленоидов с электрическим током намагничивания и последующей необходимой технологической тренировкой магнитов по известной методике.Thus, it can be stated that permanent magnets are potentially energy sources, a kind of inexhaustible batteries, the "recharge" of which is carried out continuously in time due to the processes of energy conversion at the molecular level. The "start-up" of such "batteries" as the impetus to the start of the indicated molecular processes is performed once from external sources once at the stage of creating permanent magnets by bringing special ferromagnetic materials with high coercive force to their saturation in the magnetic field of solenoids with an electric magnetizing current and the subsequent necessary technological training of magnets by a known method.
Заявляемое техническое решение может быть изготовлено и апробировано на предприятиях Министерства промышленности РФ, в физических институтах РАЕН и других организациях, занимающихся разработкой энергетических устройств.The claimed technical solution can be manufactured and tested at enterprises of the Ministry of Industry of the Russian Federation, at physical institutes of the Russian Academy of Natural Sciences and other organizations involved in the development of energy devices.
Предложение представляет также и чисто научный интерес для проведения фундаментальных исследований физики магнетизма в ферромагнитных веществах, с целью теоретической интерпретации феномена восполняемой аккумуляции энергии за счет процессов, возможно, происходящих на уровне молекулярной магнитохимии.The proposal is also of purely scientific interest for conducting fundamental research on the physics of magnetism in ferromagnetic substances, with the goal of theoretical interpretation of the phenomenon of renewable energy storage due to processes, possibly occurring at the level of molecular magnetochemistry.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005114287/09A RU2309527C2 (en) | 2005-05-11 | 2005-05-11 | Ferro-magneto-viscous rotator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005114287/09A RU2309527C2 (en) | 2005-05-11 | 2005-05-11 | Ferro-magneto-viscous rotator |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2005114287A RU2005114287A (en) | 2006-11-20 |
| RU2309527C2 true RU2309527C2 (en) | 2007-10-27 |
Family
ID=37501747
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005114287/09A RU2309527C2 (en) | 2005-05-11 | 2005-05-11 | Ferro-magneto-viscous rotator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2309527C2 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2452074C1 (en) * | 2010-09-15 | 2012-05-27 | Олег Фёдорович Меньших | Method for energy production and device for its implementation |
| RU2502183C1 (en) * | 2012-06-22 | 2013-12-20 | Олег Фёдорович Меньших | Device for obtaining mechanical energy |
| RU2542711C1 (en) * | 2013-09-13 | 2015-02-27 | Олег Фёдорович Меньших | Stabilised alternating-current generator |
| RU2556074C1 (en) * | 2013-12-24 | 2015-07-10 | Олег Фёдорович Меньших | Soft ferromagnetic rotator |
-
2005
- 2005-05-11 RU RU2005114287/09A patent/RU2309527C2/en active
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2452074C1 (en) * | 2010-09-15 | 2012-05-27 | Олег Фёдорович Меньших | Method for energy production and device for its implementation |
| RU2502183C1 (en) * | 2012-06-22 | 2013-12-20 | Олег Фёдорович Меньших | Device for obtaining mechanical energy |
| RU2542711C1 (en) * | 2013-09-13 | 2015-02-27 | Олег Фёдорович Меньших | Stabilised alternating-current generator |
| RU2556074C1 (en) * | 2013-12-24 | 2015-07-10 | Олег Фёдорович Меньших | Soft ferromagnetic rotator |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2005114287A (en) | 2006-11-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Dormy | Strong-field spherical dynamos | |
| Alazmi et al. | Harvesting energy from the sloshing motion of ferrofluids in an externally excited container: Analytical modeling and experimental validation | |
| RU2309527C2 (en) | Ferro-magneto-viscous rotator | |
| Galkina et al. | Magnetic vortex as a ground state for micron-scale antiferromagnetic samples | |
| Lee et al. | Edge-soliton-mediated vortex-core reversal dynamics | |
| Coffey et al. | Thermal Fluctuations and Relaxation Processes in Nanomagnets | |
| Shin et al. | Suppression of electron spin decoherence of the diamond NV center by a transverse magnetic field | |
| RU2325754C1 (en) | Magnetoviscous rotator | |
| Stierstadt et al. | Maxwell's stress tensor and the forces in magnetic liquids | |
| Marrows | An inside view of magnetic skyrmions | |
| Kim | Analysis of electromotive force characteristics for electromagnetic energy harvester using ferrofluid | |
| Gaididei et al. | Multiple vortex-antivortex pair generation in magnetic nanodots | |
| Min et al. | Effects of disorder on magnetic vortex gyration | |
| RU2332778C1 (en) | Method of energy generation and related device | |
| Rivkin et al. | Micromagnetic simulations of absoption spectra | |
| RU2338216C1 (en) | Device for magnetic viscosity measurement in ferromagnets | |
| RU2542711C1 (en) | Stabilised alternating-current generator | |
| RU2452074C1 (en) | Method for energy production and device for its implementation | |
| Wu et al. | How a skyrmion can appear both massive and massless | |
| RU2444802C1 (en) | Device of automatic control of power generator | |
| Vigo-Cotrina et al. | The emergence of kπ skyrmions and their spin wave modes in a ferromagnetic disk | |
| RU2291546C1 (en) | Magnetically viscous pendulum | |
| Karimov et al. | The processes of energy/momentum exchange for rotating plasma flows in crossed external fields | |
| McDonald | Magnetostatic spin waves | |
| Fekete | INTERPRETATION OF MAXWELL’S WORK BASED ON UNIFIED THEORY OF ENERGY (UNITHE) |