RU2452074C1 - Method for energy production and device for its implementation - Google Patents
Method for energy production and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2452074C1 RU2452074C1 RU2010138231/07A RU2010138231A RU2452074C1 RU 2452074 C1 RU2452074 C1 RU 2452074C1 RU 2010138231/07 A RU2010138231/07 A RU 2010138231/07A RU 2010138231 A RU2010138231 A RU 2010138231A RU 2452074 C1 RU2452074 C1 RU 2452074C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetic
- ferromagnetic
- ring
- ferromagnetic substance
- magnetic field
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к физике магнетизма и может быть использовано при построении модулей стационарных или мобильных энергетических устройств, использующих прямое преобразование тепловой энергии окружающей среды.The invention relates to the physics of magnetism and can be used in the construction of modules of stationary or mobile energy devices using direct conversion of thermal energy of the environment.
Известно прямое преобразование тепловой энергии в электрическую на основе эффекта Зеебека - возникновения в электрической цепи, состоящей из нескольких разнородных проводников, контакты между которыми имеют различные температуры [1-4], например, на основе спая проводников «константан (-38 мкВ/К) - хромель (+24 мкВ/К)» или соединений «висмута (-68 мкВ/К) с сурьмой (+43 мкВ/К)». На основе эффекта Зеебека разработаны термоэлектрические генераторы, в состав которых входят термобатареи, набранные из полупроводниковых термоэлементов (аморфных или стеклообразных), соединенных последовательно или параллельно. Идея использования полупроводниковых термоэлементов вместо металлических термопар принадлежит академику А.Ф.Иоффе (СССР). Однако эти устройства пока не нашли применения в электроэнергетике по целому ряду объективных причин.The direct conversion of thermal energy into electrical energy is known on the basis of the Seebeck effect - occurrence in an electric circuit consisting of several dissimilar conductors, the contacts between which have different temperatures [1-4], for example, on the basis of a junction of conductors "constantan (-38 μV / K) - chromel (+24 µV / K) ”or compounds of“ bismuth (-68 µV / K) with antimony (+43 µV / K) ”. On the basis of the Seebeck effect, thermoelectric generators have been developed, which include thermopiles composed of semiconductor thermoelements (amorphous or glassy) connected in series or in parallel. The idea of using semiconductor thermocouples instead of metal thermocouples belongs to Academician A.F. Ioffe (USSR). However, these devices have not yet found application in the electric power industry for a number of objective reasons.
Представляет интерес использовать магнитные явления для получения энергии.It is of interest to use magnetic phenomena to generate energy.
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 (разновидности последних - антиферромагнетики и ферримагнетики). Последние имеют наибольшую магнитную восприимчивость и используются в технике в качестве эффективных магнитов и электромагнитных материалов. 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 [5-7].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 (varieties of the latter are antiferromagnets and ferrimagnets). The latter have the greatest magnetic susceptibility and are used in technology as effective magnets and electromagnetic materials. In them, atomic magnetic moments spontaneously collinearly orient themselves, forming anomalously large magnetic moments. In the best modern magnetic materials, the energy product (V · H) max reaches 320 T · kA / m (40 million G · e), for example, in a material with a high coercive force SmCo 3 [5-7].
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 ~ µ0Н2v/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.
Источником энергии является 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.The source of energy is the substance of magnets, which has a supply of magnetic energy, which, due to processes occurring at the micro level (atoms and molecules of the substance), is continuously replenished, or rather, maintained at a constant level, except for factors that lead to the so-called aging of magnets.
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 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.
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. An explanation of the role of impurities was given 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 of the crystal that are oriented in a certain way relative to the direction of spontaneous magnetization. This creates a local induced anisotropy, leading to stabilization of the domain structure. Therefore, after changing the magnetic field, a new domain structure is not established immediately, but after the diffuse redistribution of the impurity, which is the reason for the magnetic viscosity.
Второй вид магнитной вязкости более универсален и наблюдается практически во всех ферромагнетиках, особенно в области магнитных полей, сравнимых с коэрцитивной силой. Неелем был предложен термофлуктуационный механизм для объяснения этого вида магнитной вязкости. Тепловые флуктуации способствуют преодолению доменными стенками энергетических барьеров в магнитных полях, меньших критического поля. В высококоэрцитивных сплавах, состоящих из однодоменных областей, наблюдается особенно большая магнитная вязкость, так как в этом случае термические флуктуации сообщают дополнительную энергию для необратимого вращения спонтанной намагниченности тех частиц, потенциальная энергия которых во внешнем магнитном поле недостаточна для их перемагничивания.The second type of magnetic viscosity is more universal and is observed in almost all ferromagnets, especially in the field of magnetic fields comparable with the coercive force. Néel proposed a thermofluctuation mechanism to explain this type of magnetic viscosity. Thermal fluctuations contribute to overcoming by the domain walls of energy barriers in magnetic fields lower than the critical field. In highly coercive alloys consisting of single-domain regions, a particularly high magnetic viscosity is observed, since in this case thermal fluctuations provide additional energy for the irreversible rotation of the spontaneous magnetization of those particles whose potential energy in the external magnetic field is insufficient for their magnetization reversal.
Кроме этих основных механизмов магнитной вязкости существуют и другие. Например, в некоторых ферритах вклад магнитной вязкости дает перераспределение электронной плотности (диффузия электронов между ионами разной валентности). С магнитной вязкостью тесно связаны такие явления в ферромагнетиках, как потери на перемагничивание, временной спад относительной магнитной проницаемости µ и ее частотная зависимость [8-10].In addition to these basic mechanisms of magnetic viscosity, there are others. For example, in some ferrites, the contribution of magnetic viscosity comes from the redistribution of electron density (electron diffusion between ions of different valencies). Such phenomena in ferromagnets as loss of magnetization reversal, a temporary decrease in the relative magnetic permeability µ, and its frequency dependence [8-10] are closely related to magnetic viscosity.
Известное свойство магнитной вязкости ферромагнетиков использовано в заявляемом техническом решении. В качестве ближайшего аналога (прототипа) заявляемому техническому решению является «Способ получения энергии и устройство для его реализации» [11] по Патенту РФ №2332778, опубл. в бюлл. №24 от 27.08.2008.The known property of the magnetic viscosity of ferromagnets is used in the claimed technical solution. As the closest analogue (prototype) to the claimed technical solution is "A method of generating energy and a device for its implementation" [11] according to the RF Patent No. 2332778, publ. in the bull. No. 24 dated 08/27/2008.
Известный способ получения энергии состоит в том, что образуют на некотором промежутке пространства L насыщающее магнитное поле для ферромагнитного вещества, которое продвигают в указанном промежутке пространства с некоторой скоростью V, величину которой согласуют с постоянной времени релаксации τ магнитной вязкости ферромагнитного вещества, например, по формуле L/V=2,5τ, в результате чего получают механическую энергию в форме возникающего дополнительного импульса силы, приложенного к ферромагнитному веществу со стороны насыщающего магнитного поля.A known method of generating energy is that they form a saturating magnetic field on a certain space interval L for a ferromagnetic substance, which is promoted in the indicated space interval at a certain speed V, the value of which is consistent with the relaxation time constant τ of the magnetic viscosity of the ferromagnetic substance, for example, by the formula L / V = 2.5τ, as a result of which mechanical energy is obtained in the form of an additional force impulse applied to the ferromagnetic substance from the saturating side netic field.
Устройство, реализующее известный способ, состоит из постоянного магнита и взаимодействующего с ним ферромагнитного вещества, выполненного в форме диска (кольца) радиуса R, связанного с осью вращения, кромка диска (кольца) помещена в локализованное в пространстве длиной L по касательной к диску (кольцу) насыщающее магнитное поле постоянного магнита, при этом запуск устройства в работу осуществляется однократным приложением к диску (кольцу) достаточного для пуска устройства момента импульса от внешнего источника, а постоянная релаксации τ магнитной вязкости ферромагнитного вещества выбрана из условия τ=0,41 L/ωoR, где ωo - значение угловой скорости диска (кольца), соответствующее максимуму его вращательного момента.A device that implements the known method consists of a permanent magnet and a ferromagnetic substance interacting with it, made in the form of a disk (ring) of radius R associated with the axis of rotation, the edge of the disk (ring) is placed in a space L of length tangential to the disk (ring) ) the saturating magnetic field of the permanent magnet, and the device is put into operation by a single application to the disk (ring) of sufficient angular momentum from the external source to start the device, and the relaxation constant τ the magnetic viscosity of the ferromagnetic substance is selected from the condition τ = 0.41 L / ω o R, where ω o is the angular velocity of the disk (ring) corresponding to the maximum of its rotational moment.
К некоторому недостатку известных способа и устройства относится использование однородного магнитного поля в магнитном зазоре, поперечного вектору движения ферромагнитного вещества, что приводит к эффекту торможения ферромагнитного диска (кольца) из-за «вмороженности» магнитных силовых линий постоянного магнита в ферромагнитное вещество, что снижает эффективность известного способа и реализующего его устройства и их известных аналогов [12-13].A certain disadvantage of the known method and device relates to the use of a uniform magnetic field in the magnetic gap transverse to the motion vector of the ferromagnetic substance, which leads to the braking effect of the ferromagnetic disk (ring) due to the “freezing” of the magnetic field lines of the permanent magnet into the ferromagnetic substance, which reduces the efficiency the known method and its implementing device and their known analogues [12-13].
Указанные недостатки устранены в заявляемом способе и реализующем его устройстве.These disadvantages are eliminated in the claimed method and its implementing device.
Целью изобретения является повышение энергетической эффективности преобразования тепловой энергии внешней среды в механическую работу.The aim of the invention is to increase the energy efficiency of the conversion of thermal energy of the environment into mechanical work.
Заявляемый способ получения энергии, основанный на том, что образуют на некотором промежутке пространства L насыщающее магнитное поле для ферромагнитного вещества, которое продвигают в указанном промежутке пространства с некоторой скоростью V, величину которой согласуют с постоянной времени релаксации τ магнитной вязкости ферромагнитного вещества, в результате чего получают механическую энергию в форме возникающего дополнительного импульса силы, приложенного к ферромагнитному веществу со стороны насыщающего магнитного поля, отличающийся тем, что ферромагнитное вещество предварительно намагничивают в продольном к направлению продвижения ферромагнитного вещества магнитном поле до достижения в нем максимальной магнитной восприимчивости, а затем вводят в локализованный в пространстве длиной L магнитный зазор, который составляют из двух косонамагниченных параллелепипедов, одноименные магнитные полюсы которых обращают друг к другу, а наклон векторов намагниченности косонамагниченных параллелепипедов выбирают совпадающим с вектором скорости протяжки ферромагнитного вещества в указанном магнитном зазоре, а также обеспечивают приток тепловой энергии из внешней среды к ферромагнитному веществу, которым компенсируют потери внутренней тепловой энергии ферромагнитного вещества при его размагничивании в процессе магнитокалорического эффекта.The inventive method of generating energy based on the fact that they form a saturating magnetic field for a ferromagnetic substance on a certain space interval L, which is promoted in the specified space interval with a certain velocity V, the value of which is consistent with the relaxation time constant τ of the magnetic viscosity of the ferromagnetic substance, as a result of which receive mechanical energy in the form of an additional impulse of force applied to the ferromagnetic substance from the side of the saturating magnetic field, which means that the ferromagnetic substance is pre-magnetized in a magnetic field longitudinal to the direction of advancement of the ferromagnetic substance until the maximum magnetic susceptibility is reached in it, and then a magnetic gap is introduced into a space L of length, which consists of two oblique magnetized parallelepipeds, the same magnetic poles of which reversed to a friend, and the slope of the magnetization vectors of the skew-magnetized parallelepipeds is chosen to coincide with the ferromagnet pulling velocity vector It also provides an influx of thermal energy from the external environment to the ferromagnetic substance, which compensates for the loss of internal thermal energy of the ferromagnetic substance during its demagnetization during the magnetocaloric effect.
Устройство, реализующее вышеуказанный способ, содержащее рабочий постоянный магнит и взаимодействующее с ним ферромагнитное вещество, выполненное в форме диска (кольца) радиуса R, связанного с осью вращения, кромка диска (кольца) помещена в локализованное в пространстве длиной L по касательной к диску (кольцу) насыщающее магнитное поле рабочего постоянного магнита, отличающееся тем, что в него введен перед рабочим постоянным магнитом дополнительный цилиндрический магнит, внутри которого размещена кромка ферромагнитного диска (кольца), непосредственно за которым по ходу вращения расположен рабочий постоянный магнит, состоящий из двух косонамагниченных параллелепипедов, векторы намагниченности которых наклонены в направлении движения ферромагнитного диска (кольца) в образованном магнитном зазоре длиной L, причем указанные косонамагниченные параллелепипеды обращены друг к другу их одноименными магнитными полюсами, постоянная релаксации τ магнитной вязкости ферромагнитного вещества и угловая скорость ωо вращения диска (кольца) радиуса R выбраны по условию ω0=0,82L/τR, где ω0 определяет максимум возникающего в ферромагнитном диске (кольце) вращательного момента, а напряженность насыщающего магнитного поля в рабочем постоянном магните выбрана не менее, чем на порядок, выше напряженности продольного магнитного поля в дополнительном цилиндрическом магните.A device that implements the above method, containing a working permanent magnet and a ferromagnetic substance interacting with it, made in the form of a disk (ring) of radius R associated with the axis of rotation, the edge of the disk (ring) is placed in a space L of length tangential to the disk (ring) ) the saturating magnetic field of the working permanent magnet, characterized in that an additional cylindrical magnet is inserted in front of the working permanent magnet, inside which the edge of the ferromagnetic disk (ring) is placed, n just behind which, in the direction of rotation, there is a working permanent magnet consisting of two oblique magnetized parallelepipeds, the magnetization vectors of which are tilted in the direction of motion of the ferromagnetic disk (ring) in the formed magnetic gap of length L, and these oblique magnetized parallelepipeds are facing each other with their same magnetic poles, constant τ magnetic relaxation viscosity ferromagnetic substances and the angular velocity ω of rotation of the disk (ring) radius r chosen by the condition of ω 0 = 0,82L / τR, g e ω 0 determines the maximum arises in the ferromagnetic disc (ring) torque, and the intensity of the saturating magnetic field in the working permanent magnet is chosen not less than one order of magnitude higher than the longitudinal magnetic field in a further cylindrical magnet.
Достижение цели изобретения объясняется предварительным доведением ферромагнитного вещества до максимальной величины его магнитной восприимчивости с помощью дополнительного цилиндрического магнита с продольным магнитным полем, образованием тянущего неоднородного продольного магнитного поля с высоким градиентом, что позволяет существенно разделить центр намагниченности ферромагнетика в зазоре рабочего постоянного магнита от центра притяжения последнего, что создает постоянно действующую силу в направлении вектора касательной скорости диска (кольца), поддерживающую вращательное движение ферромагнитного диска (кольца), и отсутствием потерь на торможение ферромагнитного диска (кольца) из-за «невмороженности» магнитных силовых линий косонамагниченных параллелепипедов рабочего постоянного магнита в тело ферромагнитного диска (кольца), поскольку обращенные друг к другу грани косонамагниченных параллелепипедов являются одноименными магнитными полюсами. Восполнение тепловой энергии охлаждающегося при размагничивании ферромагнитного диска (кольца) осуществляется по теплопроводящей цепи между внешней средой и ферромагнитным диском (кольцом) в соответствии с законом сохранения и превращения энергии. Установившееся значение угловой скорости вращения ферромагнитного диска (кольца) определяется величиной присоединенной к оси вращения нагрузки и может эффективно регулироваться введением обратной связи [13] системой автоматического регулирования, например, с целью поддержания одинакового напряжения от электрического генератора, связанного с осью вращения ферромагнитного диска (кольца), независимо от вариации электрической нагрузки на этот генератор.The achievement of the objective of the invention is explained by preliminary bringing the ferromagnetic substance to its maximum magnetic susceptibility using an additional cylindrical magnet with a longitudinal magnetic field, the formation of a pulling inhomogeneous longitudinal magnetic field with a high gradient, which allows you to significantly separate the center of magnetization of the ferromagnet in the gap of the working permanent magnet from the center of attraction of the latter , which creates a constant force in the direction of the tangent vector the speed of the disk (ring), supporting the rotational movement of the ferromagnetic disk (ring), and the absence of braking losses of the ferromagnetic disk (ring) due to the "non-freezing" of magnetic lines of force of the oblique parallelepipeds of the working permanent magnet into the body of the ferromagnetic disk (ring), since to each other, the faces of skew-magnetized parallelepipeds are magnetic poles of the same name. The replenishment of the thermal energy of a ferromagnetic disk (ring) cooling during demagnetization is carried out along a heat-conducting circuit between the external environment and a ferromagnetic disk (ring) in accordance with the law of conservation and conversion of energy. The steady-state value of the angular velocity of rotation of a ferromagnetic disk (ring) is determined by the value of the load attached to the axis of rotation and can be effectively controlled by introducing feedback [13] by an automatic control system, for example, to maintain the same voltage from an electric generator connected to the axis of rotation of the ferromagnetic disk (ring) ), regardless of the variation in the electrical load on this generator.
Для запуска устройства в работу необходимо приложить к оси вращения ферромагнитного диска (кольца) вращательный момент импульса от внешнего источника, раскрутив этот диск (кольцо) до определенной угловой скорости (более ωo). Самозапуск устройства из неподвижного состояния невозможен.To start the device in operation, it is necessary to apply to the axis of rotation of the ferromagnetic disk (ring) the angular momentum from an external source, spinning this disk (ring) to a certain angular velocity (more than ω o ). Self-starting of the device from a stationary state is not possible.
Заявляемый способ и реализующее его устройство понятны из представленной на рис.1 упрощенной схемы, содержащей следующие элементы:The inventive method and the device implementing it are clear from the simplified diagram shown in Fig. 1, containing the following elements:
1 - ферромагнитный диск (кольцо), вид сбоку на часть диска (кольца) в линейной развертке этой части ферромагнитного диска (кольца),1 - ferromagnetic disk (ring), side view of a part of the disk (ring) in a linear scan of this part of the ferromagnetic disk (ring),
2 - ось вращения с элементами ее крепления с ферромагнитным диском (кольцом),2 - axis of rotation with elements of its fastening with a ferromagnetic disk (ring),
3 - дополнительный цилиндрический магнит с тонким боковым разрезом для пропуска элементов крепления ферромагнитного диска (кольца) с осью вращения показан в диаметральном разрезе,3 - an additional cylindrical magnet with a thin side section for skipping the fastening elements of the ferromagnetic disk (ring) with the axis of rotation is shown in diametrical section,
4 - рабочий постоянный магнит из двух косонамагниченных параллелепипедов 4а и 4б, обращенных друг к другу одноименными магнитными полюсами в магнитном зазоре и с наклоном векторов намагниченности в сторону вращения ферромагнитного диска (кольца) под острым углом относительно граней магнитных полюсов; магнитопровод элементов 4а и 4б, замыкающий магнитные силовые линии последних, на рисунке не показан.4 - a working permanent magnet of two skew-
На рис.2 дана схема устройства с двумя рабочими постоянными магнитами 4 и 5 (последний состоит из пары 5а и 5б) и двумя дополнительными цилиндрическими магнитами 3 и 6, причем рабочие постоянные магниты 4 и 5 по магнитной цепи последовательно связаны через магнитопроводы 7 и 8 (магнитопровод 8 на схеме не виден, так как находится под магнитопроводом 7 при виде сверху на устройство). В теле этих магнитопроводов встроены подшипники 9 и 10 оси вращения 2. На схеме невидимые элементы 8 и 10 указаны в скобках.Figure 2 shows a diagram of a device with two working
На рис.3 представлена картина распределения магнитной восприимчивости кромки ферромагнитного диска (кольца), находящейся в магнитном зазоре рабочего постоянного магнита 4 вдоль оси х (оси движения ферромагнитного материала в магнитном зазоре). Такая картина имеет место постоянно во времени при вращении ферромагнитного диска (кольца) с угловой скоростью ωo (оптимальное значение) и может несколько трансформироваться при вариации этой скорости. В частности, такая картина соответствует величинам начальной магнитной восприимчивости ферромагнетика χНАЧ=800, максимальной магнитной восприимчивости χМАХ=3000 при напряженности магнитного поля Ho, создаваемого в ферромагнетике от действия дополнительного цилиндрического магнита 3, равном Ho=1000 А/м (12,5 Э). Кривая Столетова на рис.3 аппроксимирована подобранной специально непрерывной функцией, о которой сообщается ниже и которая согласуется с функцией магнитной индукции насыщающегося ферромагнетика.Figure 3 shows the distribution pattern of the magnetic susceptibility of the edge of the ferromagnetic disk (ring) located in the magnetic gap of the working
На рис.4 представлен график насыщения ферромагнитного вещества в магнитном поле рабочего постоянного магнита, максимальная напряженность магнитного поля HМАХ в котором (на его выходном конце) не менее, чем на порядок больше напряженности магнитного поля Ho вблизи его входного конца (в начальной стадии парапроцесса при напряженности магнитного поля HМАХ более 10 кА/м).Figure 4 shows a graph of the saturation of ferromagnetic material in the magnetic field of a working permanent magnet, the maximum magnetic field strength H MAX in which (at its output end) is not less than an order of magnitude greater than the magnetic field strength H o near its input end (in the initial stage para process with a magnetic field H H MAX of more than 10 kA / m).
На рис.5 изображен график функции распределения намагниченности дифференциальных объемов dv=S dx ферромагнетика, находящегося в магнитном зазоре рабочего постоянного магнита, где S - поперечное сечение кромки ферромагнитного диска (кольца), связанной с магнитным зазором, в диапазоне 0≤x≤L. Координатная ось x совпадает с вектором скорости V протяжки ферромагнетика в магнитном зазоре рабочего постоянного магнита.Figure 5 shows a graph of the distribution function of the magnetization of differential volumes dv = S dx of a ferromagnet located in the magnetic gap of the working permanent magnet, where S is the cross section of the edge of the ferromagnetic disk (ring) associated with the magnetic gap in the
На рис.6 представлен график относительной силы для примера реализации устройства в зависимости от скорости вращения ферромагнитного диска (кольца) и три нагрузочные кривые, отличающиеся величинами нагрузочных моментов (наиболее крутая нагрузочная характеристика отвечает большей присоединенной нагрузке).Fig. 6 shows a graph of the relative strength for an example implementation of the device depending on the speed of rotation of the ferromagnetic disk (ring) and three load curves that differ in the values of the load moments (the coolest load characteristic corresponds to a larger connected load).
На рис.7 представлена одна из возможных схем объединения модуля заявляемого устройства (рис.2) в единый блок с общей осью вращения 2, включающей несколько одинаковых ферромагнитных дисков (колец) 1. Кроме ранее указанных элементов этот блок включает:Fig. 7 shows one of the possible schemes for combining the module of the claimed device (Fig. 2) into a single block with a common axis of
11 - редуктор,11 - gear
12 - электрогенератор,12 - electric generator,
13 - герметичный корпус блока с радиатором нагревания (ребрами на корпусе),13 is a sealed unit case with a heating radiator (fins on the case),
14 - нагревающая ферромагнитные диски (кольца) жидкая среда,14 - heating a ferromagnetic disks (rings) a liquid medium,
15 - насос для прокачки нагревающей жидкости (например, водяной).15 - pump for pumping a heating fluid (for example, water).
Рисунки с 8-го по 13-й относятся к приложению, в котором указывается способ организации косого намагничивания ферромагнитных параллелепипедов, используемых в качестве элементов рабочего постоянного магнита устройства по схеме на рис.1.Figures 8 through 13 relate to the application, which indicates the method of organizing the oblique magnetization of ferromagnetic parallelepipeds used as elements of the working permanent magnet of the device according to the scheme in Fig. 1.
На рис.8 приведена электрическая схема указанного вида намагничивания. Образец магнитотвердого ферромагнетика 4а и 4б, используемого в качестве постоянного магнита и имеющий форму прямоугольного параллелепипеда, помещают в соленоид 16, создающий магнитное поле вдоль оси z. На указанный образец наматывают катушку 17, которую последовательно соединяют с обмоткой соленоида 16. Ось этой катушки ортогональна к оси z и направлена, например, вдоль оси x. Через указанные обмотки с определенным соотношением витков (это соотношение определяет угол наклона векторов намагничивания образца относительно его грани, параллельной плоскости xy) пропускают намагничивающий мощный импульс однонаправленного тока, доводя ферромагнетик образца до глубокого насыщения (эту операцию следует несколько раз повторить для более полного намагничивания образца). Источником импульсного тока намагничивания является высоковольтный импульсный конденсатор 18, заряжаемый через ограничивающий резистор 19 от высоковольтного источника тока 20. Импульс тока возникает при электрическом пробое в разряднике 21, а однонаправленность протекания тока обеспечивается установкой в цепи высоковольтного силового диода 22 (гасящего э.д.с. индукции в катушке соленоида 16 и в катушке 17) намагничивающего тока. В цепи намагничивания использованы два двойных переключателя 23 и 24, с помощью которых можно изменять расположение векторов намагниченности относительно граней ферромагнитного параллелепипеда, являющихся его магнитными полюсами S и N.Figure 8 shows the electrical circuit of the indicated type of magnetization. A sample of a magnetically
На рис.9 приведены все четыре возможные комбинации косого намагничивания по схеме рис.8. По каждой из комбинаций указано, какие переключатели 23 и 24 и в каком из положений («а» или «б») должны быть коммутированы.Figure 9 shows all four possible combinations of oblique magnetization according to the scheme in Fig. 8. For each of the combinations it is indicated which switches 23 and 24 and in which of the positions (“a” or “b”) should be switched.
На рис.10 и 12 указаны выбранные пары косонамагниченных параллелепипедов, каждая из которых создает продольное магнитное поле в зазоре между ними в том или ином направлении вдоль оси x, а также указано, какие из образцов, указанных на рис.9, должны быть для этого использованы.Figures 10 and 12 show the selected pairs of skew-magnetized parallelepipeds, each of which creates a longitudinal magnetic field in the gap between them in one direction or another along the x axis, and also indicates which of the samples shown in Fig. 9 should be for this used.
На рис.11 и 13 соответственно даны графики напряженности продольного магнитного поля, создаваемого парами образцов, указанных на рис.10 и 12. Неравномерное продольное магнитное поле в зазоре создается накоплением магнитных силовых линий, направленных в одну сторону внутри зазора.Figures 11 and 13 respectively give plots of the longitudinal magnetic field generated by the pairs of samples shown in Figs. 10 and 12. An uneven longitudinal magnetic field in the gap is created by the accumulation of magnetic lines of force directed to one side inside the gap.
Рассмотрим операционную сущность заявляемого способа и работу реализующего способ устройства, для чего обратимся к схеме на рис.1.Consider the operational nature of the proposed method and the operation of the device implementing the method, for which we turn to the diagram in Fig. 1.
Заявляемое техническое решение основано на использовании динамического взаимодействия ферромагнитного вещества с магнитным полем, создаваемым постоянными магнитами. Ферромагнитное вещество характеризуется достаточно сложной зависимостью его магнитной восприимчивости χ от величины действующего на него магнитного поля напряженностью Н согласно известной кривой Столетова. В отсутствие магнитного поля ферромагнитное вещество имеет начальную магнитную восприимчивость χНАЧ, а по мере увеличения напряженности магнитного поля сначала магнитная восприимчивость возрастает, доходит до своей максимальной величины χМАХ при напряженности магнитного поля Ho, после чего вновь уменьшается, и в области насыщения магнитной индукции (при парапроцессе) ее произведение с величиной напряженности магнитного поля остается практически неизменным, определяя намагниченность насыщения JНАС=µoχ(Н) HНАС≈const(Н), при HНАС=const, где µo=1,256·10-6 Гн/м - абсолютная магнитная проницаемость вакуума. Другим важным свойством ферромагнетиков является его магнитная вязкость, характеризуемая постоянной релаксации τ, о которой было указано выше. Отставание намагниченности ферромагнетика от приложенного магнитного поля характеризуется ранее приведенной экспоненциальной функцией (1). Основной задачей при построении действующего энергетического устройства является обеспечение отставания центра намагниченности находящегося в магнитном зазоре рабочего постоянного магнита ферромагнитного вещества (кромки ферромагнитного диска (кольца)) от центра магнитного притяжения этого рабочего постоянного магнита по ходу протяжки ферромагнитного вещества внутри магнитного зазора. Это отставание обеспечивает возникновение силы тяги ферромагнитного вещества в направлении его протяжки, что способно к самоподдержанию такой протяжки. В случае применения ферромагнитного диска (кольца) указанная сила приводит диск (кольцо) во вращательное движение, если возникающий в нем вращательный момент превосходит момент трения и присоединенной нагрузки на ось вращения ферромагнитного диска (кольца). Как будет показано ниже, энергозатраты, связанные с вращением ферромагнитного диска (кольца), восполняются тепловой энергией внешней среды, которую теряет ферромагнитное вещество, охлаждаясь при размагничивании в силу известного магнитокалорического эффекта. Это обеспечивает соблюдение закона сохранения и превращения энергии.The claimed technical solution is based on the use of dynamic interaction of a ferromagnetic substance with a magnetic field created by permanent magnets. A ferromagnetic substance is characterized by a rather complex dependence of its magnetic susceptibility χ on the magnitude of the magnetic field acting on it by the intensity H according to the well-known Stoletov curve. In the absence of a magnetic field, a ferromagnetic substance has an initial magnetic susceptibility χ NACH , and as the magnetic field increases, the magnetic susceptibility first increases, reaches its maximum value χ MAX at a magnetic field strength H o , after which it decreases again, and in the saturation region of magnetic induction (in the paraprocess) its product to the magnetic field strength remains substantially constant, determining the saturation magnetization J US = μ o χ (H) H US ≈const (H) at H WE = const, where µ o = 1,256 · 10 -6 GN / m is the absolute magnetic permeability of the vacuum. Another important property of ferromagnets is its magnetic viscosity, characterized by a relaxation constant τ, which was mentioned above. The lag of the magnetization of a ferromagnet from the applied magnetic field is characterized by the previously reduced exponential function (1). The main task in constructing an operating energy device is to ensure that the center of magnetization of the working permanent magnet of the ferromagnetic substance (edge of the ferromagnetic disk (ring)) located in the magnetic gap of the working magnetic constant lags the center of magnetic attraction of this working permanent magnet along the path of the ferromagnetic substance inside the magnetic gap. This lag provides the occurrence of the traction force of the ferromagnetic substance in the direction of its pull, which is capable of self-sustaining such a pull. In the case of using a ferromagnetic disk (ring), the indicated force drives the disk (ring) in rotational motion, if the rotational moment arising in it exceeds the moment of friction and the attached load on the axis of rotation of the ferromagnetic disk (ring). As will be shown below, the energy costs associated with the rotation of a ferromagnetic disk (ring) are replenished by the thermal energy of the environment, which the ferromagnetic substance loses, cooling during demagnetization due to the known magnetocaloric effect. This ensures compliance with the law of conservation and conversion of energy.
Работа устройства, представленного на рис.1, заключается в предварительном повышении магнитной восприимчивости ферромагнетика диска (кольца) 1 до максимальной ее величины χМАХ, для чего используется дополнительный цилиндрический магнит 3 с тонким боковым разрезом для пропуска элементов крепления ферромагнитного диска (кольца) с осью вращения 2, после чего осуществляется процесс магнитного втягивания ферровещества в магнитный зазор рабочего постоянного магнита 4, намагничивание до насыщения ферромагнетика, а по его выходе из магнитного зазора - его размагничивание с понижением магнитной восприимчивости до начальной величины χНАЧ с охлаждением, после чего ферромагнитное вещество (вне действия магнитного поля) вновь нагревается тепловой энергией из внешней среды в механизме теплопроводности, и цикл действия повторяется вновь и вновь, обусловливая непрерывное вращение ферромагнитного диска (кольца).The operation of the device shown in Fig. 1 consists in preliminary increasing the magnetic susceptibility of the ferromagnet of the disk (ring) 1 to its maximum value χ MAX , for which an additional
Известная кривая Столетова (рис.3) аналитически может быть задана непрерывной функцией вида χ(Н):The well-known Stoletov curve (Fig. 3) can be analytically given by a continuous function of the form χ (H):
Такая аппроксимация согласуется с видом кривой магнитной индукции с учетом формы кривой магнитного насыщения ферромагнетика, представленной на рис.4, включающей так называемый парапроцесс. Здесь под напряженностью поля Н понимается текущее значение этой величины внутри магнитного зазора рабочего постоянного магнита 4 с его элементами 4а и 4б, векторы намагниченности которых обращены в сторону движения ферромагнитного вещества в этом магнитном зазоре. При этом нетрудно понять, что напряженность магнитного поля Н(х) является квазилинейно возрастающей, как это следует из рис.13. Поскольку в магнитном зазоре рабочего постоянного магнита 4 имеется неоднородное продольное магнитное поле, которое имеет аналитический вид:This approximation is consistent with the shape of the magnetic induction curve, taking into account the shape of the magnetic saturation curve of the ferromagnet shown in Fig. 4, which includes the so-called para-process. Here, by the field strength H is meant the current value of this value inside the magnetic gap of the working
где 0≤x≤L, L - длина магнитного зазора в направлении оси x,where 0≤x≤L, L is the length of the magnetic gap in the direction of the x axis,
то намагниченность J(x) ферромагнитного вещества, находящегося в магнитном зазоре, вычисляется на основе рекуррентных соотношений. Для этого разобьем промежуток L на n малых и одинаковых отрезков, величину отношения х/L=ξ обозначим индексом i, a отношение (HМАХ-Ho)/Ho обозначим через β, тогда выражение (3) запишется в индексной форме как:then the magnetization J (x) of the ferromagnetic substance in the magnetic gap is calculated on the basis of recurrence relations. To do this, we divide the interval L into n small and identical segments, the ratio x / L = ξ is denoted by the index i, and the ratio (H MAX -H o ) / H o is denoted by β, then expression (3) is written in index form as:
Поскольку состояние ферромагнетика к началу его взаимодействия с магнитным полем рабочего постоянного магнита уже сформировалось, и магнитная восприимчивость доведена до наибольшего значения χМАХ с помощью дополнительного цилиндрического магнита 3 с напряженностью магнитного поля Ho, то при анализе намагниченности ферромагнетика внутри магнитного зазора рабочего постоянного магнита следует учитывать в выражении (2) только его ниспадающую часть кривой Столетова (рис.3) в индексном представлении:Since the state of the ferromagnet at the beginning of its interaction with the magnetic field of the working permanent magnet was already formed, and the magnetic susceptibility was brought to the maximum value χ MAX using an additional
где Δt=L/V=L/ωR, ω - угловая скорость вращения ферромагнитного диска (кольца) радиуса R.where Δt = L / V = L / ωR, ω is the angular velocity of rotation of a ferromagnetic disk (ring) of radius R.
Поскольку намагниченность дифференциального объема ферромагнитного диска (кольца) dv=Sdx, находящегося на какой-либо координате x в интервале 0≤x≤L в произвольный момент времени, определяется как J(x)=µoχ[Н(x)]Н(x), где H(x) задана выражением (4), то, учитывая (1), отмечаем, что для ее нахождения необходимо найти ее предыдущее значение на координате (x-dx) или, что то же самое при достаточно большом числе разбиений отрезка L на n равных частей, для нахождения намагниченности в i-ом интервале, надо сначала ее найти на (i-1) интервале, тогда имеем:Since the magnetization of the differential volume of the ferromagnetic disk (ring) dv = Sdx, located on any x coordinate in the
Но чтобы найти значение J(i-1), необходимо сначала найти значение J(i-2) и т.д. до J1, величина которого определяется просто:But to find the value of J (i-1) , you must first find the value of J (i-2) , etc. to J 1 , the value of which is determined simply:
Отметим, что в скобках выражений (6) и (7), а также последующих аналогичных выражений для разностей (Ji-J(i-1)) используются установившиеся значения этих величин, а не мгновенные значения в текущем времени.Note that in brackets of expressions (6) and (7), as well as subsequent similar expressions for differences (J i -J (i-1) ), steady-state values of these quantities are used, not instantaneous values in the current time.
Тогда приходим к системе рекуррентных уравнений вида:Then we come to a system of recurrence equations of the form:
На основании (8) общее выражение для намагниченности в к-ом интервале промежутка 0≤x≤L (или, что то же, 0≤ξ≤1 - для безразмерного обозначения переменной) можно записать в виде:Based on (8), the general expression for the magnetization in the kth interval of the
В выражении (9) известный сомножитель µoχМАХ Ho - величина постоянная, поэтому представляет интерес безразмерная функция, стоящая в фигурных скобках, и равная:In expression (9), the well-known factor μ o χ MAX H o is a constant value, therefore, the dimensionless function in curly brackets, and equal to:
Для вычисления распределения этой функции в интервале i=1, 2, 3, … n с использованием компьютерной программы Mathcad необходимо представить эту функцию в интегральном виде, то есть с использованием непрерывных функций параметра ξ=x/L. Тогда получим:To calculate the distribution of this function in the interval i = 1, 2, 3, ... n using the Mathcad computer program, it is necessary to represent this function in integral form, that is, using continuous functions of the parameter ξ = x / L. Then we get:
График функции f(ξ) приведен на рис.5 для одного из примеров реализации для параметров α=Δt/τ=1,23 и β=(HМАХ-Ho)/Ho=9, при Ho=1000 А/м. Анализ показал, что значение α=1,23 отвечает максимуму функции f(ξ) и мало изменяется (отличие в сотых долях) при вариации значения β в диапазоне β=10…50, в котором реально работает заявляемое устройство. Из приведенного графика следует, что намагниченность растет к концу магнитного зазора в 1,83 раза, хотя напряженность магнитного поля растет в 10 раз. Это приводит к тому, что центр намагниченности ферромагнитного материала XJ, находящегося в любой произвольный момент времени при угловой скорости вращения ферромагнитного диска (кольца):The graph of the function f (ξ) is shown in Fig. 5 for one example of implementation for the parameters α = Δt / τ = 1.23 and β = (H MAX -H o ) / H o = 9, at H o = 1000 A / m The analysis showed that the value α = 1.23 corresponds to the maximum of the function f (ξ) and does not change much (difference in hundredths) when the value of β varies in the range β = 10 ... 50, in which the claimed device actually works. From the above graph it follows that the magnetization increases by the end of the magnetic gap by 1.83 times, although the magnetic field increases by 10 times. This leads to the fact that the center of magnetization of the ferromagnetic material X J located at any arbitrary time at an angular velocity of rotation of the ferromagnetic disk (ring):
отстает от центра магнитного притяжения Xo в магнитном зазоре рабочего постоянного магнита, то есть Xo>XJ по ходу движения ферромагнитного вещества в динамике, то есть при угловой скорости ферромагнитного диска (кольца), определенной в (12). Если в силу каких-либо причин эта скорость изменяется, то и положение указанных центров также изменяется, в частности на холостом ходу оно уменьшается, а при повышении присоединенной нагрузки, наоборот, несколько увеличивается, увеличивая тем самым возникающую в ферромагнитном диске (кольце) касательную силу и вращательный момент. Это обстоятельство иллюстрируется графиком относительной (безразмерной) силы тяги в функции скорости вращения ферромагнитного диска (кольца). Максимум вращательного момента достигается при угловой скорости, заданной выражением (12). Кривую относительной силы тяги пересекают три кривые линии, характеризующие три разные присоединенные к оси вращения 2 (рис.1) нагрузки, наибольшая из которых соответствует более крутой кривой обратной связи. Точки пересечения относительной силовой характеристики с нагрузочными кривыми, имеющими производные обратных знаков по отношению к производной от силовой характеристики, как известно из основ автоматического регулирования, отвечают устойчивым состояниям системы, при которых ферромагнитный диск (кольцо) вращаются с постоянной угловой скоростью, определяемой величиной присоединенной нагрузки - чем выше нагрузка, тем меньше установившееся значение угловой скорости. Поэтому работа системы всегда осуществляется при угловых скоростях выше оптимальной, то есть когда ω>ωo.lags behind the center of magnetic attraction X o in the magnetic gap of the working permanent magnet, that is, X o > X J in the direction of the movement of the ferromagnetic substance in the dynamics, i.e., at the angular velocity of the ferromagnetic disk (ring) defined in (12). If, for some reason, this speed changes, then the position of the indicated centers also changes, in particular, at idle speed it decreases, and with an increase in the connected load, on the contrary, it slightly increases, thereby increasing the tangential force that appears in the ferromagnetic disk (ring) and torque. This circumstance is illustrated by a graph of the relative (dimensionless) traction force as a function of the rotation speed of the ferromagnetic disk (ring). The maximum torque is achieved at the angular velocity given by expression (12). The curve of relative traction force is crossed by three curved lines characterizing three different loads connected to the axis of rotation 2 (Fig. 1), the largest of which corresponds to a steeper feedback curve. The points of intersection of the relative power characteristic with load curves having derivatives of the opposite signs with respect to the derivative of the power characteristic, as is known from the basics of automatic control, correspond to stable states of the system in which the ferromagnetic disk (ring) rotates at a constant angular speed, determined by the magnitude of the connected load - the higher the load, the lower the steady-state value of the angular velocity. Therefore, the operation of the system is always carried out at angular speeds higher than optimal, that is, when ω> ω o .
Учитывая квазилинейный характер изменения продольного магнитного поля в магнитном зазоре рабочего постоянного магнита, легко находим положение его центра магнитного притяжения Xo из выражения (при β=(HМАХ-Ho)/Ho):Given the quasilinear nature of the change in the longitudinal magnetic field in the magnetic gap of the working permanent magnet, it is easy to find the position of its center of magnetic attraction X o from the expression (for β = (H MAX -H o ) / H o ):
откуда находим для β=9 значение Xo=0,705.whence we find for β = 9 the value of X o = 0.705.
Для расчета положения центра намагниченности XJ ферроматериала в магнитном зазоре рабочего постоянного магнита в произвольный момент времени при условии, что соблюдается условие (12), приходим к выражению:To calculate the position of the center of magnetization X J of the ferromaterial in the magnetic gap of the working permanent magnet at an arbitrary point in time, provided that condition (12) is satisfied, we arrive at the expression:
где функция f(ξ) задана в (11). Нахождение координаты XJ согласно (14) находится по программе Mathcad методом последовательных приближений, и для заданных значений α=1,23 и β=9 (то есть при H(L)/Ho=10) находим значение XJ=0,5385.where the function f (ξ) is given in (11). Finding the coordinate X J according to (14) is obtained using the Mathcad program by the method of successive approximations, and for given values α = 1.23 and β = 9 (i.e., for H (L) / H o = 10) we find the value X J = 0, 5385.
Сравнивая значения Xo и XJ, находим, что центр намагниченности ферроматериала действительно отстает от центра магнитного притяжения на положительную величину, равную ΔX=Xo-XJ=0,1665.Comparing the values of X o and X J , we find that the center of magnetization of the ferromaterial really lags behind the center of magnetic attraction by a positive amount equal to ΔX = X o -X J = 0.1665.
Поскольку сила втягивания F ферромагнитного тела с магнитным моментом М, как известно, равным М=vJ (где v - объем тела, J - его однородная намагниченность), определяется по формуле:Since the retraction force F of a ferromagnetic body with a magnetic moment M, as is known, is equal to M = vJ (where v is the volume of the body, J is its uniform magnetization), it is determined by the formula:
но намагниченность ферроматериала в разных его частях внутри магнитного зазора рабочего постоянного магнита разная, то необходимо рассматривать распределение силы притяжения разных (всех) дифференциальных объемов dv=Sdx этой части ферромагнетика в направлении к центру магнитного притяжения Xo с учетом знака дифференциальных сил (положительных до центра Xo и отрицательных после него). Тогда получим выражения для результирующей силы тяги F следующего вида:but the magnetization of the ferromaterial in different parts inside the magnetic gap of the working permanent magnet is different, it is necessary to consider the distribution of the attractive force of different (all) differential volumes dv = Sdx of this part of the ferromagnet towards the center of magnetic attraction X o taking into account the sign of the differential forces (positive to the center X o and negative after it). Then we get the expressions for the resulting traction force F of the following form:
в котором постоянный множитель µoχМАХHo 2βS имеет размерность силы (в ньютонах), а выражение, заключенное в фигурные скобки, при заданных значениях α=Δt/τ=1,23, Ho=1 кА/м и HМАХ=10 кА/м при Xo=0,705 и при угловой скорости вращения ферромагнитного диска (кольца), определяемого выражением (12), равно {…}=0,371. Таким образом, для заданных параметров результирующая сила тяги F=3,393 µoχМАХH2 oS (Н).in which the constant factor µ o χ MAX H o 2 βS has the dimension of force (in Newtons), and the expression, enclosed in braces, for given values α = Δt / τ = 1.23, H o = 1 kA / m and H MAX = 10 kA / m at X o = 0.705 and at the angular velocity of rotation of the ferromagnetic disk (ring), defined by expression (12), is {...} = 0.371. Thus, for the given parameters, the resulting traction force F = 3,393 µ o χ MAX H 2 o S (N).
Рассмотрим энергетику данного модуля при ранее указанных параметрах:Consider the energy of this module with the previously specified parameters:
χМАХ=3000, Ho=1 кА/м, HМАХ=10 кА/м. При условии, что S=6·10-5 м2 и τ=5·10-4 с и R=0,1 м, так что частота вращения ферромагнитного диска (кольца) приблизительно равна N=ωo/2π≈50 об/с при длине магнитного зазора L=0,02 м, получим касательную силу F=0,754 Н. Это соответствует вращательному моменту 0,075 Н·м и мощности вращательного движения Р=FRωo=0,075*314=23,55 Вт. При тех же параметрах, но при увеличении магнитного поля в зазоре рабочего постоянного магнита до HМАХ=5·104 А/м=625 Э, получим мощность Р=588,7 Вт. В этих пределах Р=23…590 Вт может работать данный энергетический модуль, объем которого имеет порядок 1,25 куб.дм, то есть удельная энергетическая эффективность данного технического решения составляет диапазон 18,4…470 кВт/м3.χ MAX = 3000, H o = 1 kA / m, H MAX = 10 kA / m. Provided that S = 6 · 10 -5 m 2 and τ = 5 · 10 -4 s and R = 0.1 m, so that the rotation frequency of the ferromagnetic disk (ring) is approximately equal to N = ω o / 2π≈50 r / s with a magnetic gap length of L = 0.02 m, we obtain a tangent force of F = 0.754 N. This corresponds to a torque of 0.075 N · m and a power of rotational motion of P = FRω o = 0.075 * 314 = 23.55 W. With the same parameters, but with an increase in the magnetic field in the gap of the working permanent magnet to H MAX = 5 · 10 4 A / m = 625 Oe, we obtain a power of P = 588.7 W. Within these limits, P = 23 ... 590 W, this energy module can operate, the volume of which is of the order of 1.25 cubic dm, that is, the specific energy efficiency of this technical solution is in the range of 18.4 ... 470 kW / m 3 .
Рассматриваемые модули можно объединять, устанавливая на единую ось вращения несколько ферромагнитных дисков (колец), как это показано на рис.7. При этом каждый ферромагнитный диск (кольцо) снабжается парой диаметрально расположенных рабочих постоянных магнитов, как это видно на рис.2 с соответствующей парой дополнительных цилиндрических магнитов. Это практически почти удваивает энергетику блока, хотя связано с повышенными требованиями подвода тепловой энергии из внешней среды к ферромагнитным дискам (кольцам), испытывающим охлаждение во время работы блока. В мощных энергетических блоках можно предусмотреть водяное нагревание ферромагнитных дисков (колец), вращающихся с относительно небольшой скоростью, чтобы не создавалось значительных потерь на трение дисков в водной среде. В этом случае в блоке следует использовать повышающий редуктор 11 между осью вращения 2 и электрогенератором 12 (рис.7). Прокачка нагревающей жидкости осуществляется принудительно насосом 15 или самотеком при наличии достаточного перепада уровней воды между забором воды и ее сливом. Возможно и воздушное нагревание жидкости, для чего корпус 14 блока снабжен оребрением с достаточно большой поверхностью.The modules under consideration can be combined by installing several ferromagnetic disks (rings) on a single axis of rotation, as shown in Fig. 7. Moreover, each ferromagnetic disk (ring) is supplied with a pair of diametrically located working permanent magnets, as can be seen in Fig. 2 with the corresponding pair of additional cylindrical magnets. This almost almost doubles the power of the unit, although it is associated with increased requirements for supplying thermal energy from the external environment to ferromagnetic disks (rings) that experience cooling during operation of the unit. In powerful energy blocks, it is possible to provide for water heating of ferromagnetic disks (rings), rotating at a relatively low speed, so as not to create significant friction losses of the disks in the aquatic environment. In this case, a step-up
В случае использования двух рабочих постоянных магнитов на один ферромагнитный диск (кольцо), которые располагают диаметрально (это уменьшает вдвое время нагревания ферромагнитного диска (кольца) в цикле его работы и соответственно снижает энергетику модуля, но не вдвое), в одной паре косонамагниченных параллелепипедов 4а и 4б к ферромагнитному диску (кольцу) обращены одноименные полюсы N, а в другой паре 5а и 5б (рис.2) - одноименные полюсы S, что позволяет эти две пары косонамагниченных параллелепипедов магнитно соединять магнитопроводами 7 и 8, снижая тем самым магнитные потери.In the case of using two working permanent magnets per ferromagnetic disk (ring), which are arranged diametrically (this reduces the heating time of the ferromagnetic disk (ring) by half in its cycle and, accordingly, reduces the module energy, but not by half), in one pair of skew-
Мощность, которую можно снять в рассматриваемом блоке, следует рассматривать как мощность потребляемого блоком тепла из окружающей среды. Поэтому большое значение приобретают средства подачи тепловой энергии из внешней среды. Лучшим решением этой задачи является использование водных бассейнов для стационарных энергетических блоков, которые обладают практически неисчерпаемым запасом тепловой энергии, легко восполняемой действием солнечной радиации. При этом не существенно важно, при какой температуре используется поток воды, хотя чем выше эта температура, тем выше энергетическая эффективность блока.The power that can be removed in the block in question should be considered as the power of the heat consumed by the block from the environment. Therefore, the means of supplying thermal energy from the environment are of great importance. The best solution to this problem is the use of water pools for stationary energy units, which have a practically inexhaustible supply of thermal energy, easily replenished by the action of solar radiation. It is not essential at what temperature the water flow is used, although the higher this temperature, the higher the energy efficiency of the unit.
При разработке энергетических модулей рассматриваемого типа следует правильно подобрать ферромагнитный материал не только по его электрическим параметрам и магнитной вязкости, но и по магнитокалорической эффективности - способности быстро охлаждаться при размагничивании. Магнитокалорический эффект традиционно обсуждается при так называемом адиабатическом размагничивании, хотя в данном случае работа не связана с именно адиабатическим размагничиванием (то есть при изоляции от внешней среды). Природа нагревания и охлаждения ферромагнетиков при их намагничивании и размагничивании не требует изоляции от внешней среды, поскольку имеют место фазовые переходы первого рода, когда изменяется удельная теплоемкость ферромагнетика под действием магнитного поля, в частности при размагничивании ферромагнетика из состояния его глубокого магнитного насыщения. Можно легко показать, что при намагничивании ферромагнетик увеличивает сравнительно незначительно свою температуру, а при размагничивании уменьшает ее в большей степени, и его конечная температура после размагничивания (если не учитывать притока тепловой энергии) становится ниже той, при которой ферромагнетик начал намагничиваться. Вот эта разностная внутренняя тепловая энергия ферромагнетика и превращается в механическую работу вращающегося ферромагнитного диска (кольца), что находится в полном согласии с законом сохранения и превращения энергии.When developing the energy modules of the type under consideration, it is necessary to correctly select the ferromagnetic material not only by its electrical parameters and magnetic viscosity, but also by magnetocaloric efficiency - the ability to cool rapidly during demagnetization. The magnetocaloric effect is traditionally discussed in the so-called adiabatic demagnetization, although in this case the work is not connected with the adiabatic demagnetization (that is, when isolated from the external environment). The nature of heating and cooling of ferromagnets during their magnetization and demagnetization does not require isolation from the external environment, since phase transitions of the first kind take place when the specific heat of a ferromagnet changes under the influence of a magnetic field, in particular, when a ferromagnet is demagnetized from a state of its deep magnetic saturation. It can be easily shown that, during magnetization, a ferromagnet increases its temperature relatively insignificantly, and when demagnetized, it decreases to a greater extent, and its final temperature after demagnetization (if we ignore the influx of thermal energy) becomes lower than that at which the ferromagnet began to magnetize. This difference in internal thermal energy of a ferromagnet turns into the mechanical work of a rotating ferromagnetic disk (ring), which is in complete agreement with the law of conservation and conversion of energy.
На пути создания эффективно действующих энергоблоков, которые можно рекомендовать к практическому использованию в промышленности и в быту, лежит глубокая технологическая разработка ферроматериалов с требуемыми параметрами магнитокалорической активности. Решение этой задачи создаст условия получения экологически чистой энергии в будущем, которая не будет обострять проблему глобального потепления планеты и позволит использовать ресурсы традиционного топлива - нефти и газа - по новому более эффективному назначению, например в химической промышленности при создании новых материалов.On the way to creating efficiently operating power units that can be recommended for practical use in industry and in everyday life, lies the deep technological development of ferromaterials with the required parameters of magnetocaloric activity. The solution to this problem will create conditions for the production of clean energy in the future, which will not aggravate the global warming of the planet and will allow the use of traditional fuel resources - oil and gas - for a new, more efficient use, for example, in the chemical industry when creating new materials.
ЛитератураLiterature
1. Цидильковский И.М. Термомагнитные явления в полупроводниках. М., 1960.1. Tsidilkovsky I.M. Thermomagnetic phenomena in semiconductors. M., 1960.
2. Зырянов П.С., Клингер М.И. Квантовая теория явления электронного переноса в кристаллических полупроводниках. М., 1976.2. Zyryanov P.S., Klinger M.I. The quantum theory of the phenomenon of electron transfer in crystalline semiconductors. M., 1976.
3. Термоэлектродвижущая сила металлов. Пер. с англ., М., 1980.3. Thermoelectromotive force of metals. Per. from English., M., 1980.
4. Абрикосов А.А. Основы теории металлов. М., 1987.4. Abrikosov A.A. Fundamentals of the theory of metals. M., 1987.
5. Преображенский А.А., Биширд Е.Г. Магнитные материалы и элементы, 3 изд., М., 1986.5. Preobrazhensky A.A., Bishird E.G. Magnetic materials and elements, 3rd ed., M., 1986.
6. Февралева И.Е. Магнитотвердые материалы и постоянные магниты, К., 1969.6. Fevraleva I.E. Hard magnetic materials and permanent magnets, K., 1969.
7. Постоянные магниты. Справочник. М., 1971.7. Permanent magnets. Directory. M., 1971.
8. Kronmuller H., Nachwirkung in Ferromsgnetika, 1968.8. Kronmuller H., Nachwirkung in Ferromsgnetika, 1968.
9. Вонсовский С.В., Магнетизм, М., 1971.9. Vonsovsky S.V., Magnetism, M., 1971.
10. Мишин Д.Д. Магнитные материалы. М., 1981.10. Mishin D.D. Magnetic materials. M., 1981.
11. Меньших О.Ф. Способ получения энергии и устройство для его реализации, Патент РФ №2332778, опубл. в бюлл. №24 от 27.08.2008;11. Smaller O.F. A method of producing energy and a device for its implementation, RF Patent No. 2332778, publ. in the bull. No. 24 dated 08/27/2008;
12. Меньших О.Ф. Магнитовязкий ротатор. Патент РФ №2325754, опубл. в бюлл. №15 от 27.05.2008.12. Smaller O.F. Magnetoviscous rotator. RF patent №2325754, publ. in the bull. No. 15 dated 05/27/2008.
13. Меньших О.Ф. Устройство стабилизации частоты генератора. Патент РФ №2368073, опубл. в бюлл. №26 от 20.09.2009.13. Smaller O.F. Generator frequency stabilization device. RF patent No. 2368073, publ. in the bull. No. 26 dated 09/20/2009.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010138231/07A RU2452074C1 (en) | 2010-09-15 | 2010-09-15 | Method for energy production and device for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010138231/07A RU2452074C1 (en) | 2010-09-15 | 2010-09-15 | Method for energy production and device for its implementation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2010138231A RU2010138231A (en) | 2012-03-20 |
| RU2452074C1 true RU2452074C1 (en) | 2012-05-27 |
Family
ID=46029876
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010138231/07A RU2452074C1 (en) | 2010-09-15 | 2010-09-15 | Method for energy production and device for its implementation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2452074C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2502183C1 (en) * | 2012-06-22 | 2013-12-20 | Олег Фёдорович Меньших | Device for obtaining mechanical energy |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1670762A1 (en) * | 1988-08-23 | 1991-08-15 | Gutsal Dmitrij D | Motor for back and forth motion |
| RU2214670C2 (en) * | 2001-02-21 | 2003-10-20 | Киселёв Валерий Семёнович | Diamagnetic-and-thermal method for generating alternating electromotive force |
| RU2309527C2 (en) * | 2005-05-11 | 2007-10-27 | Олег Федорович Меньших | Ferro-magneto-viscous rotator |
| RU2325754C1 (en) * | 2006-10-02 | 2008-05-27 | Олег Федорович Меньших | Magnetoviscous rotator |
| RU2332778C1 (en) * | 2006-12-14 | 2008-08-27 | Олег Федорович Меньших | Method of energy generation and related device |
-
2010
- 2010-09-15 RU RU2010138231/07A patent/RU2452074C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1670762A1 (en) * | 1988-08-23 | 1991-08-15 | Gutsal Dmitrij D | Motor for back and forth motion |
| RU2214670C2 (en) * | 2001-02-21 | 2003-10-20 | Киселёв Валерий Семёнович | Diamagnetic-and-thermal method for generating alternating electromotive force |
| RU2309527C2 (en) * | 2005-05-11 | 2007-10-27 | Олег Федорович Меньших | Ferro-magneto-viscous rotator |
| RU2325754C1 (en) * | 2006-10-02 | 2008-05-27 | Олег Федорович Меньших | Magnetoviscous rotator |
| RU2332778C1 (en) * | 2006-12-14 | 2008-08-27 | Олег Федорович Меньших | Method of energy generation and related device |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2502183C1 (en) * | 2012-06-22 | 2013-12-20 | Олег Фёдорович Меньших | Device for obtaining mechanical energy |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2010138231A (en) | 2012-03-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Gallop | SQUIDs, the Josephson effects and superconducting electronics | |
| Coey | Permanent magnet applications | |
| Saslow | Spin pumping of current in non-uniform conducting magnets | |
| US20110062821A1 (en) | Heat-power conversion magnetism devices | |
| US5714829A (en) | Electromagnetic heat engines and method for cooling a system having predictable bursts of heat dissipation | |
| Lyutikov et al. | Slowly balding black holes | |
| Geng et al. | Modeling methodology for a HTS flux pump using a 2D H-formulation | |
| Sun et al. | Processing of non-ferromagnetic materials in strong static magnetic field | |
| JP2014078560A (en) | Insulation material and manufacturing method therefor | |
| RU2452074C1 (en) | Method for energy production and device for its implementation | |
| RU2309527C2 (en) | Ferro-magneto-viscous rotator | |
| US7746203B2 (en) | Thermodynamic cycles | |
| Abdelhady | Innovative understanding of the duality confusion, the photovoltaic and magnetocaloric effects | |
| RU2332778C1 (en) | Method of energy generation and related device | |
| RU2444802C1 (en) | Device of automatic control of power generator | |
| RU2542711C1 (en) | Stabilised alternating-current generator | |
| Yang et al. | Investigation on stresses of superconductors under pulsed magnetic fields based on multiphysics model | |
| Abdelhady | Review of thermodynamics of systems that embrace transfer of electric and magnetic energies | |
| Egolf et al. | Magnetic power conversion with machines containing full or porous wheel heat exchangers | |
| Kolm et al. | Intense magnetic fields | |
| RU2325754C1 (en) | Magnetoviscous rotator | |
| Homadi et al. | Modeling a new electrical generator utilizing waste heat and magnetic susceptibility | |
| RU2310265C2 (en) | Magnetic motor | |
| Zhai et al. | Modeling and simulation of thermomagnetic materials for thermally actuated magnetization flux pumping method | |
| RU2542601C2 (en) | Method of conversion of thermal energy into electric and device for its implementation |