RU2556074C1 - Soft ferromagnetic rotator - Google Patents
Soft ferromagnetic rotator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2556074C1 RU2556074C1 RU2013157670/07A RU2013157670A RU2556074C1 RU 2556074 C1 RU2556074 C1 RU 2556074C1 RU 2013157670/07 A RU2013157670/07 A RU 2013157670/07A RU 2013157670 A RU2013157670 A RU 2013157670A RU 2556074 C1 RU2556074 C1 RU 2556074C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetic
- ferromagnetic
- permanent magnets
- magnetic field
- ferromagnetic ring
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Hard Magnetic Materials (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области физики магнетизма и может быть использовано в качестве энергетического устройства с неограниченным ресурсом функционирования.The invention relates to the field of physics of magnetism and can be used as an energy device with an unlimited resource of functioning.
Фундаментальным законом физики принято считать закон сохранения и превращения энергии, сформулированный еще Исааком Ньютоном и нашедший свое блестящее подтверждение практически во всех известных опытных результатах классической физики и квантовой электродинамики. В физике известны законы сохранения - физические закономерности, согласно которым численные значения некоторых физических величин не изменяются со временем в любых процессах или в определенном классе процессов. Полное описание физической системы возможно лишь в рамках динамических законов, которые детально определяют изменение состояния системы с течением времени. Однако во многих случаях динамический закон для данной системы неизвестен или слишком сложен. В такой ситуации законы сохранения позволяют сделать некоторые заключения о характере поведения системы. Важнейшими законами сохранения, справедливыми для любых изолированных систем, наряду с указанным выше, являются законы сохранения импульса, углового момента, электрического заряда, в электродинамике - закон сохранения поляризации электромагнитных волн [1-5], а в квантовой теории - закон сохранения четности. Имеются также специфические законы сохранения, имеющие смысл в системах, для которых можно указать класс процессов, в которых они выполняются. Например, законы сохранения странности, изотопического спина, пространственной четности строго выполняются в процессах, протекающих за счет сильного взаимодействия элементарных частиц, но нарушаются в процессах слабого взаимодействия. Электромагнитное взаимодействие нарушает закон сохранения изотопического спина. Таким образом, исследования элементарных частиц вновь напомнили о необходимости проверять существующие законы сохранения в каждой области явлений. Так, считавшийся абсолютно строгим закон сохранения барионного числа на основании теоретических аргументов подвергается сомнению. Проводятся сложные эксперименты, имеющие целью обнаружить возможные слабые нарушения этого закона. Законы сохранения тесно связаны со свойствами симметрии физических систем. При этом симметрия понимается как инвариантность физических законов относительно некоторой группы преобразований входящих в них величин. Наличие симметрии приводит к тому, что для данной системы существует сохраняющаяся физическая величина (теорема Нетера). Таким образом, если известны свойства симметрии системы, можно найти для нее законы сохранения, и наоборот.The fundamental law of physics is considered to be the law of conservation and conversion of energy, formulated by Isaac Newton and finding his brilliant confirmation in almost all the known experimental results of classical physics and quantum electrodynamics. In physics, conservation laws are known - physical laws, according to which the numerical values of some physical quantities do not change with time in any processes or in a particular class of processes. A full description of the physical system is possible only within the framework of dynamic laws that determine in detail the change in the state of the system over time. However, in many cases, the dynamic law for a given system is unknown or too complex. In such a situation, conservation laws allow us to draw some conclusions about the nature of the behavior of the system. The most important conservation laws valid for any isolated systems, along with the above, are the laws of conservation of momentum, angular momentum, electric charge, in electrodynamics - the conservation of polarization of electromagnetic waves [1-5], and in quantum theory - the conservation of parity. There are also specific conservation laws that make sense in systems for which you can specify the class of processes in which they are performed. For example, the laws of conservation of strangeness, isotopic spin, and spatial parity are strictly fulfilled in processes proceeding due to the strong interaction of elementary particles, but are violated in the processes of weak interaction. Electromagnetic interaction violates the law of conservation of isotopic spin. Thus, studies of elementary particles again reminded the need to verify existing conservation laws in each field of phenomena. So, the law of conservation of baryon number, which was considered absolutely strict, on the basis of theoretical arguments is being questioned. Complex experiments are carried out with the aim of detecting possible weak violations of this law. Conservation laws are closely related to the symmetry properties of physical systems. In this case, symmetry is understood as the invariance of physical laws with respect to a certain group of transformations of the quantities included in them. The presence of symmetry leads to the fact that for this system there is a conserved physical quantity (Noether's theorem). Thus, if the symmetry properties of the system are known, one can find conservation laws for it, and vice versa.
Законы сохранения энергии, импульса, углового момента обладают всеобщностью. Это обусловлено тем, что соответствующие симметрии можно рассматривать как симметрии пространства-времени (мира), в котором движутся материальные тела. Так, сохранение энергии связано с однородностью времени, то есть с инвариантностью физических законов относительно изменения начала отсчета времени, сохранение импульса и момента импульса связаны соответственно с однородностью пространства (инвариантность относительно пространственных сдвигов) и изотропностью пространства (инвариантность относительно вращений пространства). Поэтому проверка механических законов сохранения есть проверка соответствующих фундаментальных свойств пространства-времени. Долгое время считалось, что кроме перечисленных элементов симметрии пространство-время обладает зеркальной симметрией, то есть инвариантностью относительно пространственной инверсии. Тогда должна была бы сохраняться пространственная четность. Однако в 1957 году было экспериментально обнаружено несохранение четности в слабом взаимодействии, поставившее вопрос о пересмотре взглядов на глубокие свойства геометрии мира. В связи с развитием теории гравитации наметился дальнейший пересмотр взглядов на симметрии пространства-времени и фундаментальные законы сохранения, в частности, на законы сохранения энергии и импульса (Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Механика, 4 изд., М., 1988; Р. Фейнман. Характер физических законов, пер. с англ., М., 1968; Е. Вигнер. Этюды о симметрии, пер. с англ., М, 1971).The laws of conservation of energy, momentum, angular momentum are universal. This is due to the fact that the corresponding symmetries can be considered as symmetries of space-time (world) in which material bodies move. Thus, the conservation of energy is associated with the homogeneity of time, that is, with the invariance of physical laws regarding changes in the origin of time, the conservation of momentum and angular momentum are associated respectively with the homogeneity of space (invariance with respect to spatial shifts) and the isotropy of space (invariance with respect to rotations of space). Therefore, verification of the mechanical laws of conservation is a verification of the corresponding fundamental properties of space-time. For a long time, it was believed that in addition to the listed symmetry elements, space-time has mirror symmetry, that is, invariance with respect to spatial inversion. Then spatial parity would have to be preserved. However, in 1957, non-conservation of parity in weak interaction was experimentally discovered, raising the question of revising views on the deep properties of the geometry of the world. In connection with the development of the theory of gravity, there has been a further review of views on the symmetries of space-time and the fundamental laws of conservation, in particular, on the laws of conservation of energy and momentum (L.D. Landau, E.M. Lifshits. Mechanics, 4th ed., M. , 1988; R. Feynman. The nature of physical laws, transl. From English., M., 1968; E. Wigner. Studies on symmetry, transl. From English., M, 1971).
Заявляемое устройство основано на феномене преобразования энергии неподвижно локализованного в пространстве постоянного во времени (стационарного) насыщающего магнитного поля в ферромагнитных материалах, обладающих свойством магнитной вязкости - магнитным последействием (см., Kronmuller Н., Nachwirkung in Ferromsgnetika, 1068; С.В. Вонсовский. Магнетизм, М., 1971; Д.Д. Мишин. Магнитные материалы, М., 1981) и движущихся относительно указанного магнитного поля с некоторой скоростью, в результате которого в ферромагнитном материале, охваченном указанным насыщающим магнитным полем, возникает сила, вектор которой совпадает с вектором скорости ферромагнитного материала и поддерживает указанное движение [6, 7]. Действие устройства связано также с известным для ферромагнетиков свойством уменьшения их относительной магнитной проницаемости в насыщающих магнитных полях (кривая А.Г. Столетова, 1872), а само такое уменьшение (с учетом магнитной вязкости) протекает с запаздыванием во времени.The inventive device is based on the phenomenon of energy conversion of a motionlessly stationary (stationary) saturating magnetic field in ferromagnetic materials possessing the property of magnetic viscosity — magnetic aftereffect (see Kronmuller N., Nachwirkung in Ferromsgnetika, 1068; S.V. Vonsovsky Magnetism, M., 1971; D. D. Mishin. Magnetic materials, M., 1981) and moving relative to the indicated magnetic field at a certain speed, as a result of which the ferromagnetic material covered by the specified saturating ma By a magnetic field, a force arises whose vector coincides with the velocity vector of the ferromagnetic material and supports the indicated motion [6, 7]. The action of the device is also associated with the well-known property for ferromagnets to reduce their relative magnetic permeability in saturating magnetic fields (curve of A.G. Stoletov, 1872), and such a decrease (taking into account magnetic viscosity) occurs with time lag.
В качестве ближайшего технического решения (прототипа) заявляемому устройству является ферромагнитовязкий ротатор, ранее предложенный автором [8], который состоит 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 T вращения ферромагнитного диска (кольца) выбрана, например, согласно условия: τ~L/αωR, где - L длина магнитного зазора между полюсами постоянного магнита, в который помещен край ферромагнитного диска (кольца) радиуса R, ω - угловая скорость вращения диска (кольца), α=2,2…2,8 - постоянный множитель, при этом напряженность магнитного поля в зазоре постоянного магнита выбрана насыщающей для материала ферромагнитного диска (кольца). С целью увеличения эффективности устройства в нем может быть использовано несколько постоянных магнитов, симметрично расположенных относительно кромки диска (кольца) с необходимыми зазорами между смежными постоянными магнитами.As the closest technical solution (prototype) of the claimed device is a ferromagnetically viscous rotator, previously proposed by the author [8], which consists of a interconnected permanent magnet with a uniform or inhomogeneous magnetic field between its poles and a ferromagnetic disk (ring) with an axis of rotation made of 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, for example, according to the condition: τ ~ L / αωR, where - L is the length m the magnetic gap between the poles of a permanent magnet, in which the edge of a ferromagnetic disk (ring) of radius R is placed, ω is the angular velocity of rotation of the disk (ring), α = 2.2 ... 2.8 is a constant factor, while the magnetic field in the gap is constant The magnet is selected as saturating for the material of the ferromagnetic disk (ring). In order to increase the efficiency of the device, several permanent magnets can be used in it, symmetrically located relative to the edge of the disk (ring) with the necessary gaps between adjacent permanent magnets.
В устройстве-прототипе несколько постоянных магнитов расположены относительно ферромагнитного диска (кольца) так, что векторы их магнитных полей являются однонаправленными. Это приводит к тому, что изменение магнитной восприимчивости χ во времени в магнитном поле каждого из постоянных магнитов при вращении ферромагнитного диска (кольца) происходит от значения начальной магнитной восприимчивости χНАЧ до конечной минимальной магнитной восприимчивости χmin внутри насыщающего магнитного поля HHAC в зазорах постоянных магнитов. При этом не происходит перемагничивания по полярности ферроматериала диска (кольца), выполненного из магнитомягкого материала с малыми значениями остаточной намагниченности и коэрцитивной силы.In the prototype device, several permanent magnets are located relative to the ferromagnetic disk (ring) so that the vectors of their magnetic fields are unidirectional. This leads to the fact that the change in the magnetic susceptibility χ in time in the magnetic field of each of the permanent magnets during rotation of the ferromagnetic disk (ring) occurs from the value of the initial magnetic susceptibility χ NAC to the final minimum magnetic susceptibility χ min inside the saturating magnetic field H HAC in the constant gaps magnets. In this case, magnetization reversal does not occur in polarity of the ferromaterial of the disk (ring) made of soft magnetic material with small values of remanent magnetization and coercive force.
Данное устройство работает по способу, рассмотренному в заявке того же автора [9], а также в работах [10-14].This device works according to the method described in the application of the same author [9], as well as in [10-14].
Недостатком прототипа является сниженный диапазон изменения магнитной восприимчивости при работе устройства, что снижает его полезную мощность при прочих равных условиях.The disadvantage of the prototype is the reduced range of changes in magnetic susceptibility during operation of the device, which reduces its useful power, all other things being equal.
Указанный недостаток устранен в заявляемом техническом решении.The specified disadvantage is eliminated in the claimed technical solution.
Целью изобретения является повышение энергетической эффективности устройства при использовании в его составе нескольких постоянных магнитов.The aim of the invention is to increase the energy efficiency of the device when using in its composition several permanent magnets.
Указанная цель достигается в заявляемом техническом решении - ферромагнитовязком вращателе, содержащем магнитно связанные с вращающимся с угловой скоростью ω на оси ферромагнитным кольцом радиуса R несколько симметрично расположенных относительно ферромагнитного кольца постоянных магнитов с насыщающим магнитным полем для используемого ферроматериала с постоянной магнитной вязкости τ=eL/ωR, где e=2,718 - основание натурального логарифма, L - длина магнитных зазоров постоянных магнитов вдоль тела ферромагнитного кольца, отличающемся тем, что число постоянных магнитов выбрано четным, смежные постоянные магниты развернуты относительно ферромагнитного кольца так, что векторы их магнитных полей являются взаимно встречными, а материал ферромагнитного кольца выбран с высокой коэрцитивной силой, так что величина остаточной намагниченности ферроматериала соизмерима с его максимальной намагниченностью при насыщающем магнитном поле, причем четное число N используемых постоянных магнитов выбрано из условия N≤πR/2L.This goal is achieved in the claimed technical solution - a ferromagnetically viscous rotator containing magnetically coupled with an angular velocity ω on an axis of a ferromagnetic ring of radius R several symmetrically arranged relative to the ferromagnetic ring of permanent magnets with a saturating magnetic field for the used ferromaterial with constant magnetic viscosity τ = eL / ωR where e = 2.718 is the base of the natural logarithm, L is the length of the magnetic gaps of the permanent magnets along the body of the ferromagnetic ring, characterized in that then the number of permanent magnets is chosen even, adjacent permanent magnets are rotated relative to the ferromagnetic ring so that the vectors of their magnetic fields are mutually opposed, and the material of the ferromagnetic ring is selected with a high coercive force, so that the magnitude of the remanent magnetization of the ferromaterial is comparable with its maximum magnetization in a saturating magnetic field moreover, an even number N of used permanent magnets is selected from the condition N≤πR / 2L.
Увеличение энергетической эффективности (мощности) заявляемого устройства связано с перемагничиванием ферромагнитного кольца в последовательности постоянных магнитов по ходу вращения ферромагнитного кольца с частотой перемагничивания ферроматериала fпер=ωN/4π≤ωRN/8L=eN/8τ~N/3τ. Ферроматериал по выходе из магнитного зазора i-го постоянного магнита сохраняет остаточную намагниченность, знак которой противоположен тому, какой будет иметь остаточная намагниченность ферроматериала по выходе его из магнитного зазора (i+1)-го постоянного магнита, где i=1, 2, 3, … N - четное число. Это означает, что каждый дифференциальный объем dv=S dx (S - поперечное сечение кольца, x - координата, ориентированная вдоль длины магнитного зазора) ферроматериала, продвигаясь внутри магнитного зазора постоянного магнита с насыщающим магнитным полем, перемагничивается от значения остаточной намагниченности одного знака до максимальной намагниченности другого знака, что существенно увеличивает размах перемагничивания. Для сравнения отметим, что в устройстве-прототипе происходит изменение намагниченности от нулевого значения до максимального при магнитном насыщении, что определяет размах изменения намагниченности (одного и того же знака), меньший того, какой соответствует размаху в заявляемом устройстве, на величину остаточной намагниченности, которая по величине несколько меньше максимальной намагниченности, следовательно, размах изменения намагниченности в заявляемом устройстве увеличен в сравнении с устройством-прототипом почти в два раза, если используется магнитожесткий ферроматериал с большой коэрцитивной силой.The increase in energy efficiency (power) of the claimed device is associated with the magnetization reversal of the ferromagnetic ring in the sequence of permanent magnets along the rotation of the ferromagnetic ring with the magnetization reversal frequency f per = ωN / 4π≤ωRN / 8L = eN / 8τ ~ N / 3τ. Upon leaving the magnetic gap of the i-th permanent magnet, the ferromaterial retains the residual magnetization, the sign of which is opposite to what the residual magnetization of the ferromaterial after it leaves the magnetic gap of the (i + 1) -th permanent magnet, where i = 1, 2, 3 , ... N is an even number. This means that each differential volume dv = S dx (S is the cross section of the ring, x is the coordinate oriented along the length of the magnetic gap) of the ferromaterial, moving inside the magnetic gap of a permanent magnet with a saturating magnetic field, is magnetized from the value of the residual magnetization of one sign to the maximum magnetization of another sign, which significantly increases the magnitude of the magnetization reversal. For comparison, we note that in the prototype device there is a change in magnetization from zero to maximum at magnetic saturation, which determines the magnitude of the change in magnetization (of the same sign), less than what corresponds to the magnitude in the inventive device, by the amount of residual magnetization, which the value is slightly less than the maximum magnetization, therefore, the magnitude of the change in magnetization in the inventive device is almost doubled in comparison with the prototype device, if used ferromaterial hard magnetic high coercivity.
Изобретение понятно из представленных рисунков.The invention is clear from the presented drawings.
На рис.1 изображено заявляемое устройство из ферромагнитного кольца 1, связанного спицами с осью вращения 2. Вокруг ферромагнитного кольца симметрично расположены постоянные магниты 3-6, закрепленные неподвижно. Ферромагнитное кольцо магнитно связано с указанными постоянными магнитами, создающими насыщающее магнитное полеFig. 1 shows the inventive device from a
На рис.2 дан график зависимости индукции B, возникающей в ферроматериале, от напряженности магнитного поля H. Поскольку ферроматериал выбран с высокой коэрцитивной силой (изменение напряженности магнитного поля по величине и знаку в квазистатическом приближении), то указанная зависимость B(H) представляет известную петлю гистерезиса, которая пересекает ось абсцисс в точках - HC и HC (коэрцитивной силы при B=0) и ось ординат в точках - Br и Br (остаточной индукции при H=0) и содержит две ветви a и b соответственно для уменьшения и увеличения напряженности магнитного поля H (ход по ветвям указан стрелками). При напряженности магнитного поля HHAC положительной или отрицательной полярности возникает режим насыщения и рост величины Н не изменяет сколько-нибудь существенно величину Bmax.Figure 2 shows a graph of the dependence of the induction B arising in the ferromaterial on the magnetic field H. Since the ferromaterial is selected with a high coercive force (change in the magnetic field in magnitude and sign in the quasistatic approximation), the indicated dependence B (H) represents the known the hysteresis loop that intersects the abscissa axis at the points - H C and H C (coercive force at B = 0) and the ordinate axis at the points - B r and B r (residual induction at H = 0) and contains two branches a and b, respectively to reduce and increase stress the magnetic field strength H (stroke along the branches indicated by arrows). When the magnetic field strength H HAC is of positive or negative polarity, a saturation mode occurs and an increase in H does not significantly change the value of B max .
На рис.3 представлен график зависимости магнитной восприимчивости χ ферроматериала ферромагнитного кольца 1 от напряженности магнитного поля H в квазистатическом приближении, то есть при медленном изменении напряженности магнитного поля, например, когда время полной перестройки напряженности магнитного поля от - Hнас с до Hнас на один-два порядка больше постоянной магнитной вязкости τ ферроматериала кольца. Максимумы кривой χ(Н) совпадают с точками наибольшей крутизны функции B(H) и равны χmax. Функция χ(H)=χmin при H=|HHAC|. При H=0 магнитная восприимчивость равна χНАЧ<χmax.Figure 3 shows a graph of the dependence of the magnetic susceptibility χ of the ferromaterial of the
На рис.4 изображена развертка фрагмента устройства (рис.1) из двух смежных постоянных магнитов 3 и 4 или 5 и 6, в магнитных зазорах которых шириной hм расположено ферромагнитное кольцо 1 толщиной dК. Длина магнитных зазоров L по ходу вращения ферромагнитного кольца (указано стрелкой) в λ раз меньше расстояния между смежными постоянными магнитами λL (значение коэффициента λ выбрано равным λ=3). Полярность в постоянных магнитах указана стрелками в их зазорах. Полярность остаточной намагниченности ферроматериала ферромагнитного кольца в промежутках между постоянными магнитами показана на рисунке буквами S и N (южный и северный полюсы соответственно).Fig. 4 shows a scan of a fragment of the device (Fig. 1) of two adjacent
На рис.5 представлен график зависимости магнитной восприимчивости в различных участках ферромагнитного кольца (при использовании двух смежных постоянных магнитов, как на рис.4) от координаты x при неподвижном ферромагнитном кольце (ω=0), а на рис.6 - при вращающемся ферромагнитном кольце, когда скорость протяжки ферроматериала относительно постоянных магнитов V=ωR>0, в частности при оптимальной угловой скорости ω*=L/eRτ, при которой достигается максимум крутящего момента в ферромагнитном кольце. Несимметрия кривой χ(x) при V>0 обусловлена наличием запаздывания во времени установления значения магнитной восприимчивости ферроматериала от приложенного к нему насыщающего магнитного поля |HHAC| в промежутке L магнитных зазоров постоянных магнитов. Скорость такого запаздывания определяется величиной постоянной τ магнитной вязкости ферромагнетика по экспоненциальному закону.Figure 5 shows a graph of the magnetic susceptibility in different parts of the ferromagnetic ring (when using two adjacent permanent magnets, as in Fig. 4) versus the x coordinate for a stationary ferromagnetic ring (ω = 0), and in Fig. 6 for a rotating ferromagnetic ring, when the speed of broaching ferromaterial relative to permanent magnets V = ωR> 0, in particular at the optimal angular velocity ω * = L / eRτ, at which the maximum torque in the ferromagnetic ring is reached. The asymmetry of the curve χ (x) for V> 0 is due to the presence of a time delay in the establishment of the magnetic susceptibility of the ferromaterial from the saturating magnetic field | H HAC | in the gap L of the magnetic gaps of the permanent magnets. The speed of this delay is determined by the value of the constant τ of the magnetic viscosity of the ferromagnet according to the exponential law.
На рис.7 пунктирной линией повторена зависимость χ(x) в укрупненном масштабе для окрестности одного из постоянных магнитов и сплошной линией - график дифференциальных сил dF, возникающих в дифференциальном объеме dv=S dx, на разных расстояниях x при размещении начала координат в начале магнитного зазора данного постоянного магнита по ходу движения ферромагнитного кольца.In Fig. 7, the dashed line shows the dependence χ (x) in an enlarged scale for the vicinity of one of the permanent magnets and the solid line is the graph of the differential forces dF arising in the differential volume dv = S dx at different distances x when the coordinate origin is placed at the origin of the magnetic the gap of this permanent magnet along the direction of the ferromagnetic ring.
На рис.8 представлен график крутящего момента М(ω) ферромагнитного кольца в зависимости от угловой скорости ω вращения последнего, Максимум крутящего момента достигается при угловой скорости ω*=L/eRτ, то есть определяется геометрией устройства и постоянной магнитной вязкости τ используемого ферромагнетика. Кроме того, на рис.8 приведены нагрузочные характеристики: критическая (вблизи максимального крутящего момента), одна из рабочих характеристик и характеристика холостого хода. Точки пересечения кривой M(ω) с нагрузочными характеристиками - суть точки устойчивого равновесия, а их проекции на ось абсцисс отражают угловые скорости установившегося процесса. Чем больше величина присоединенной к оси вращения 2 (рис.1) нагрузки, тем круче становится нагрузочная характеристика и тем меньше установившаяся угловая скорость вращения ферромагнитного кольца.Figure 8 shows a graph of the torque M (ω) of the ferromagnetic ring as a function of the angular velocity ω of rotation of the latter.The maximum torque is reached at the angular velocity ω * = L / eRτ, i.e., it is determined by the geometry of the device and the constant magnetic viscosity τ of the used ferromagnet. In addition, Fig. 8 shows the load characteristics: critical (near the maximum torque), one of the operating characteristics and the idling characteristic. The points of intersection of the curve M (ω) with load characteristics are the points of stable equilibrium, and their projections onto the abscissa axis reflect the angular velocities of the steady-state process. The larger the load attached to the rotation axis 2 (Fig. 1), the steeper the load characteristic becomes and the lower the steady-state angular rotation speed of the ferromagnetic ring.
На рис.9 представлена зависимость мощности P(ω/ω*) устройства от соотношения угловых скоростей ω/ω*. Максимум мощности max P(ω/ω*) имеет предел при ω→∞, равный Figure 9 shows the dependence of the power P (ω / ω *) of the device on the ratio of the angular velocities ω / ω *. The maximum power max P (ω / ω *) has a limit as ω → ∞ equal to
Рассмотрим работу заявляемого технического решения, конструкция которого схематически представлена на рис.1 и содержит четное число постоянных магнитов, магнитные зазоры которых совмещены с малым зазором с ферромагнитным кольцом с осью вращения, ферроматериал которого с большой коэрцитивной силой имеет определенную величину магнитной вязкости τ. Постоянные магниты симметрично рассредоточены относительно ферромагнитного кольца, а направления магнитных силовых линий в их зазорах противоположно в любых смежных парах, как это видно из линейной развертки части конструкции на рис.4. Поэтому при вращении ферромагнитного кольца, при котором линейная скорость V протяжки ферроматериала мимо магнитных зазоров равна V=ωR, в соответствующих дифференциальных объемах dv=S dx ферроматериала возникает периодическое перемагничивание вплоть до глубокого насыщения с частотой перемагничивания fпер=ωN/4π. При этом магнитная индукция B этого дифференциального объема ферроматериала от напряженности магнитного поля H при сравнительно медленном перемагничивании (когда 1/ fпер>>τ) описывает так называемую петлю гистерезиса, как это видно из рис.2. Движение изображающей точки по петле гистерезиса указано стрелками, при насыщении магнитная индукция изменяется от - Bнас до Bнас. Коэрцитивная сила ферроматериала ферромагнитного кольца обозначена на рис.2 как HC, а остаточная магнитная индукция при H=0 изменяется дважды за период перемагничивания от - Br до Br при движении изображающей точки соответственно по ветвям a и b.Consider the work of the claimed technical solution, the design of which is schematically shown in Fig. 1 and contains an even number of permanent magnets, the magnetic gaps of which are combined with a small gap with a ferromagnetic ring with an axis of rotation, the ferromaterial of which has a large coercive force and has a certain value of magnetic viscosity τ. Permanent magnets are symmetrically dispersed relative to the ferromagnetic ring, and the directions of the magnetic field lines in their gaps are opposite in any adjacent pairs, as can be seen from the linear sweep of a part of the structure in Fig. 4. Therefore, when a ferromagnetic ring rotates, at which the linear velocity V of drawing the ferromaterial past the magnetic gaps is V = ωR, in the corresponding differential volumes dv = S dx of the ferromaterial, periodic magnetization reversal occurs up to deep saturation with the magnetization reversal frequency f per = ωN / 4π. Moreover, the magnetic induction B of this differential volume of the ferromaterial from the magnetic field strength H with a relatively slow magnetization reversal (when 1 / f lane >> τ) describes the so-called hysteresis loop, as can be seen from Fig. 2. The motion of the imaging point along the hysteresis loop is indicated by arrows, when saturated, the magnetic induction varies from - B us to B us . The coercive force of the ferromaterial of the ferromagnetic ring is indicated in Fig. 2 as H C , and the residual magnetic induction at H = 0 changes twice during the magnetization reversal from - B r to B r when the image point moves along the branches a and b, respectively.
По определению магнитная индукция B определяется по формуле B=µ0µH, где µ0=1,256×10-6 Гн/м - абсолютная магнитная проницаемость вакуума, µ - относительная магнитная проницаемость ферромагнетика (безразмерная величина). Намагниченность J ферромагнетика определяется как J=B-µ0H=µ0H(µ-1)=µ0χH, где χ - магнитная восприимчивость, и определяет возможность силового взаимодействия с внешним магнитным полем по формуле dF=J dv grad HX для дифференциального элемента ферромагнетика, где градиент продольного магнитного поля вдоль оси x определяется как grad HX=dH/dx, а величина J dv - есть дифференциальный магнитный момент.By definition, the magnetic induction B is determined by the formula B = μ 0 μH, where μ 0 = 1,256 × 10 -6 G / m is the absolute magnetic permeability of the vacuum, μ is the relative magnetic permeability of the ferromagnet (dimensionless quantity). The magnetization J of a ferromagnet is defined as J = B-μ 0 H = μ 0 H (μ-1) = μ 0 χH, where χ is the magnetic susceptibility, and determines the possibility of force interaction with an external magnetic field by the formula dF = J dv grad H X for a differential element of a ferromagnet, where the gradient of the longitudinal magnetic field along the x axis is defined as grad H X = dH / dx, and the quantity J dv is the differential magnetic moment.
Для ферромагнетиков намагниченность при скачке напряженности магнитного поля изменяется по экспоненциальному закону с постоянной времени, равной постоянной магнитной вязкости τ. Изменение намагниченности ΔJ(t) в зависимости от времени t описывается какFor ferromagnets, the magnetization during a jump in the magnetic field strength changes exponentially with a time constant equal to a constant magnetic viscosity τ. The change in the magnetization ΔJ (t) as a function of time t is described as
где J0 и J∞ - соответственно значения намагниченности непосредственно после изменения напряженности H магнитного поля в момент t=0 и после установления нового равновесного состояния. Значение τ зависит от природы магнитной вязкости и в различных материалах может изменяться от 10-9 с до нескольких десятков часов. Поскольку произведение µ0HHAC=const(x) внутри магнитного зазора, то изменение намагниченности ΔJ(t) связано с изменением величины магнитной восприимчивости χ(x) по экспоненциальному законуwhere J 0 and J ∞ are, respectively, the magnetization values immediately after changing the magnetic field strength H at time t = 0 and after the establishment of a new equilibrium state. 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. Since the product μ 0 H HAC = const (x) inside the magnetic gap, the change in the magnetization ΔJ (t) is associated with a change in the magnetic susceptibility χ (x) according to the exponential law
при учете, что x=Vt=ωRt, где χMAX и χMIN - соответственно максимальное и минимальное значение магнитной восприимчивости ферроматериала в начале и в конце магнитного зазора длиной L, а значение координаты x задано пределами 0≤x≤L (как на рис.7).taking into account that x = Vt = ωRt, where χ MAX and χ MIN are the maximum and minimum values of the magnetic susceptibility of the ferromaterial at the beginning and at the end of the magnetic gap of length L, and the value of the x coordinate is given by the
Поскольку относительная магнитная проницаемость µ ферромагнетика определяется выражением µ=B/µ0H=χ+1, а при насыщении величина индукции B практически не изменяется при увеличении напряженности магнитного поля H, то нетрудно понять, что при этом уменьшается относительная магнитная проницаемость или, что то же, магнитная восприимчивость χ, которая для ферромагнетиков практически не отличается от µ>>1, что было доказано А.Г. Столетовым в 1872 году: при плавном увеличении напряженности магнитного поля магнитная восприимчивость ферромагнетика сначала увеличивается от ненулевого начального значения χНАЧ до максимальной величины χmax, а затем уменьшается до величины χmin при значении насыщающего магнитного поля HHAC, что соответствует условию насыщения Bmax=µ0(χmin+1)HHAC=const(H), как это видно из рис.3. Такое изменение величины χ(H) не зависит от замены знака вектора магнитного поля H, поэтому кривая χ(H) на рис.3 является симметричной относительно оси ординат, хотя векторы намагничивания J=µ0χH имеют разные знаки при замене знака вектора напряженности магнитного поля, то есть знаки векторов намагничивания J и напряженности магнитного поля H совпадают.Since the relative magnetic permeability μ of a ferromagnet is determined by the expression μ = B / μ 0 H = χ + 1, and when saturated, the magnitude of the induction B practically does not change with increasing magnetic field H, it is easy to understand that the relative magnetic permeability decreases or the same, the magnetic susceptibility χ, which for ferromagnets is practically no different from μ >> 1, which was proved by A.G. Stoletov in 1872: with a smooth increase in the magnetic field, the magnetic susceptibility of the ferromagnet first increases from a nonzero initial value χ NACH to a maximum value χ max , and then decreases to χ min when the saturation magnetic field H HAC , which corresponds to the saturation condition B max = μ 0 (χ min +1) H HAC = const (H), as can be seen from Fig. 3. Such a change in χ (H) does not depend on the change of sign of the magnetic field vector H; therefore, the curve χ (H) in Fig. 3 is symmetric about the ordinate axis, although the magnetization vectors J = μ 0 χH have different signs when replacing the sign of the magnetic fields, i.e., the signs of the magnetization vectors J and magnetic field strength H coincide.
Учитывая последнее, а также то, что постоянные магниты в смежных парах имеют разнонаправленные векторы магнитной индукции (как это видно из рис.4), распределение магнитной восприимчивости ферромагнетика χ(x) вдоль криволинейной оси x с учетом знака напряженности магнитного поля H может быть представлено кривыми на рис.5 и 6 для случаев неподвижного ферромагнитного кольца (рис.5) и вращающегося, например, с угловой скоростью ω* (рис.6). Поэтому на осях ординат указанных графиков откладывают величины χ(x)×sign H.Taking into account the latter, as well as the fact that the permanent magnets in adjacent pairs have multidirectional magnetic induction vectors (as can be seen from Fig. 4), the distribution of the magnetic susceptibility of the ferromagnet χ (x) along the curved axis x taking into account the sign of the magnetic field H can be represented curves in Figs. 5 and 6 for cases of a stationary ferromagnetic ring (Fig. 5) and rotating, for example, with an angular velocity ω * (Fig. 6). Therefore, on the ordinate axes of these graphs, χ (x) × sign H.
Как видно из рис.5, различные по координате x дифференциальные объемы dv=S dx ферромагнетика, находящиеся в магнитных зазорах длиной L постоянных магнитов, имеют одни и те же значения магнитной восприимчивости, равные χmin, поэтому никаких силовых взаимодействий ферромагнитного кольца с постоянными магнитами не возникает, и ферромагнитное кольцо не испытывает никакого вращательного момента. Пики величин χ(x)×sign H на рис.5 возникают от действия магнитного поля на краях магнитных зазоров, где напряженность магнитного поля уменьшается от величины HHAC до нуля. Зона действия этого краевого магнитного поля мала по сравнению с длиной L магнитного зазора, например она равна утроенному значению зазора между полюсами постоянного магнита и ферромагнитным кольцом, то есть равна Δ=3(hM-dК)<<L. Максимум магнитной восприимчивости ферроматериала χmax стат достигается при напряженности магнитного поля HC, соответствующей коэрцитивной силе применяемого ферромагнетика.As can be seen from Fig. 5, the differential volumes dv = S dx of a ferromagnet with different coordinates x located in magnetic gaps of length L of permanent magnets have the same values of magnetic susceptibility equal to χ min , therefore there are no force interactions of the ferromagnetic ring with permanent magnets does not occur, and the ferromagnetic ring does not experience any torque. The peaks of χ (x) × sign H in Fig. 5 arise from the action of the magnetic field at the edges of the magnetic gaps, where the magnetic field decreases from H HAC to zero. The area of action of this edge magnetic field is small in comparison with the length L of the magnetic gap, for example, it is equal to three times the gap between the poles of the permanent magnet and the ferromagnetic ring, that is, Δ = 3 (h M -d K ) << L. The maximum magnetic susceptibility of the ferromaterial χ max stat is achieved at a magnetic field strength H C corresponding to the coercive force of the applied ferromagnet.
Совершенно иначе выглядит распределение χ(x)×sign H, представленное на рис.6, при условии достаточно быстрого вращения ферромагнитного кольца, например, с угловой скоростью ω*=L/eRτ. За счет магнитной вязкости ферромагнетика его магнитная восприимчивость уменьшается по экспоненциальному закону (2) с постоянной времени τ. Следовательно, различные по координатам x дифференциальные объемы dv=S dx ферромагнетика, находящиеся в магнитных зазорах постоянных магнитов с насыщающим магнитным полем HHAC=const (x), имеют разные значения намагниченности J(x) и, соответственно, разные дифференциальные магнитные моменты dm(x)=J(x) dv=sign H×µ0χ(x)HHAC S dx, где значение χ(x) указано в выражении (2). При этом важно указать, что наибольшее значение модуля |dm(x)| имеет место в начале магнитных зазоров постоянных магнитов по ходу движения ферромагнитного кольца независимо от знаков вектора магнитной индукции этих постоянных магнитов, как это видно на рис.6.The distribution χ (x) × sign H shown in Fig. 6 looks completely different under the condition that the ferromagnetic ring rotates quickly enough, for example, with an angular velocity ω * = L / eRτ. Due to the magnetic viscosity of a ferromagnet, its magnetic susceptibility decreases exponentially (2) with a time constant τ. Therefore, the differential volumes dv = S dx of a ferromagnet that are different in x coordinates and are located in the magnetic gaps of the permanent magnets with the saturating magnetic field H HAC = const (x) have different magnetization values J (x) and, accordingly, different differential magnetic moments dm ( x) = J (x) dv = sign H × µ 0 χ (x) H HAC S dx, where the value of χ (x) is indicated in expression (2). It is important to indicate that the largest value of the module | dm (x) | takes place at the beginning of the magnetic gaps of the permanent magnets along the direction of the ferromagnetic ring, regardless of the signs of the magnetic induction vector of these permanent magnets, as can be seen in Fig. 6.
Рассмотрим силовое взаимодействие ферромагнитного кольца с насыщающим магнитным полем одного из постоянных магнитов, представленное на рис.7. Пунктирной кривой представлена зависимость χ(x) для ферроматериала ферромагнитного кольца вблизи и внутри магнитного зазора постоянного магнита 3 (5), которая повторяет распределение на рис.6, но с переносом начала координат к началу магнитного зазора. При этом максимум магнитной восприимчивости χmax достигается при x=0, а в конце магнитного зазора при x=L магнитная восприимчивость ферроматериала уменьшается до величины χ(Δt), где интервал времени Δt=L/V=L/ωR. Сплошной кривой на рис.7 представлено распределение дифференциала силы dF(x), вектор которой совпадает по направлению с вектором скорости движения ферроматериала V относительно зазора постоянного магнита.Let us consider the force interaction of a ferromagnetic ring with a saturating magnetic field of one of the permanent magnets, shown in Fig. 7. The dashed curve shows the dependence χ (x) for the ferromagnetic material of the ferromagnetic ring near and inside the magnetic gap of the permanent magnet 3 (5), which repeats the distribution in Fig. 6, but with the origin shifted to the origin of the magnetic gap. In this case, the maximum magnetic susceptibility χ max is achieved at x = 0, and at the end of the magnetic gap at x = L, the magnetic susceptibility of the ferromaterial decreases to χ (Δt), where the time interval is Δt = L / V = L / ωR. The solid curve in Fig. 7 shows the distribution of the force differential dF (x), whose vector coincides in direction with the velocity vector of the ferromaterial V relative to the gap of the permanent magnet.
Легко понять, что однородный ферромагнетик ограниченного размера, имеющий одну степень свободы вдоль оси, параллельной плоским граням зазора постоянного магниита, втягиваясь в магнитное поле последнего, установится так, что его центр тяжести совпадет с центром магнитного зазора (с точкой x=L/2 на рис.7). Втягивание ферромагнетика в однородное магнитное поле связано с градиентом магнитного поля grad Hx=2H[1-(2x/L)]/L в диапазоне изменения координаты 0≤x≤L. Так, дифференциальный объем ферромагнетика S dv, помещенный в центр магнитного зазора, не испытывает никого силового взаимодействия с магнитным полем. Поэтому ясно, что из-за различия дифференциальных магнитных моментов ферромагнетика в насыщающем магнитном поле при вращении ферромагнитного кольца распределение дифференциалов сил втягивания к центру магнитного зазора при x=L/2 будет также различным как по величине, так и по знаку, а именно:It is easy to understand that a homogeneous ferromagnet of limited size, having one degree of freedom along an axis parallel to the flat faces of the gap of the permanent magnet, being drawn into the magnetic field of the latter, will be established so that its center of gravity coincides with the center of the magnetic gap (with point x = L / 2 on fig. 7). The retraction of a ferromagnet in a uniform magnetic field is associated with a magnetic field gradient grad H x = 2H [1- (2x / L)] / L in the coordinate
Важно отметить, что значение dF(x) пропорционально квадрату напряженности магнитного поля HHAC, поэтому направление вектора дифференциала силы не зависит от направления магнитных силовых линий в постоянных магнитах.It is important to note that the value of dF (x) is proportional to the square of the magnetic field strength H HAC ; therefore, the direction of the force differential vector is independent of the direction of the magnetic lines of force in the permanent magnets.
Полную силу F1 ферромагнитного вещества ферромагнитного кольца, находящегося в любой момент времени внутри зазора одного (любого) постоянного магнита находят интегрированиемThe total force F 1 of the ferromagnetic substance of the ferromagnetic ring located at any time inside the gap of one (any) permanent magnet is found by integration
С учетом (2) выражение (4) можно переписать в видеIn view of (2), expression (4) can be rewritten in the form
где h=χMIN/χMAX<<1 - известное апостериорно значение перепада магнитной восприимчивости в заданном насыщающем магнитном поле HHAC, и это выражение после замены переменной x=Vt и обозначения ε=x/L и L/Vτ=α приводится к видуwhere h = χ MIN / χ MAX << 1 is the known posterior value of the magnetic susceptibility drop in a given saturating magnetic field H HAC , and this expression after changing the variable x = Vt and the notation ε = x / L and L / Vτ = α reduces to mind
где Δχ=χMAX-χ(Δt) - абсолютный перепад магнитной восприимчивости ферроматериала в магнитном поле за время Δt=L/V=L/ωR, когда данный дифференциальный объем dv протягивается в магнитном зазоре постоянного магнита. Это выражение получено с точностью [χ(Δt)-χMIN]/χMAX<<1 и при достаточно большом значении HHAC по сравнению со значением HC выражение (6) оказывается хорошим приближением для вычисления силы F1].where Δ χ = χ MAX- χ (Δt) is the absolute difference in the magnetic susceptibility of the ferromaterial in a magnetic field during the time Δt = L / V = L / ωR, when this differential volume dv is stretched in the magnetic gap of the permanent magnet. This expression was obtained with an accuracy of [χ (Δt) -χ MIN ] / χ MAX << 1 and for a sufficiently large value of H HAC compared to the value of H C, expression (6) is a good approximation for calculating the force F 1 ].
Заметный по интенсивности отрицательный выброс силы взаимодействия перед началом магнитного зазора связан с тем, что ферромагнетик в предыдущем постоянном магните оказался намагниченным и сохранил свою остаточную намагниченность, полярность которой совпадает с полярностью магнитного поля рассматриваемого постоянного магнита, как это указано на рис.4, что вызывает силу отталкивания от последнего. Однако интеграл действия этой дифференциальной силы за весьма короткое время взаимодействия, физически представляющий собой импульс силы, геометрически представляемый площадью этого отрицательного выброса, является малым по сравнению с площадью под кривой dF(x) в пределах 0≤x≤L/2. Поэтому, в первом приближении, влиянием этой силы можно пренебречь, а учет этой силы требует специального и достаточно сложного рассмотрения.A noticeable intensity drop in the interaction force before the start of the magnetic gap is due to the fact that the ferromagnet in the previous permanent magnet turned out to be magnetized and retained its remanent magnetization, the polarity of which coincides with the polarity of the magnetic field of the permanent magnet under consideration, as indicated in Fig. 4, which causes repulsive force from the latter. However, the integral of the action of this differential force over a very short interaction time, physically representing a momentum of force, geometrically represented by the area of this negative ejection, is small compared to the area under the dF (x) curve within 0≤x≤L / 2. Therefore, in a first approximation, the influence of this force can be neglected, and taking this force into account requires a special and rather complicated consideration.
Рассматривая в первом приближении действие силы F1 от каждого из N постоянных магнитов на вращающееся ферромагнитное кольцо, получим общую силу FΣ=N F1 из (6).Considering, to a first approximation, the action of the force F 1 from each of N permanent magnets on a rotating ferromagnetic ring, we obtain the total force F Σ = NF 1 from (6).
Решение интеграла (6) имеет видThe solution of integral (6) has the form
то есть однозначно определяется параметром α=Δt/τ, выражающим относительное пребывание любого произвольно взятого дифференциального объема ферроматериала в магнитном зазоре постоянного магнита по сравнению с постоянной τ магнитной вязкости ферромагнетика, которое определяется скоростью его движения V в насыщающем магнитном поле HHAC.that is, it is uniquely determined by the parameter α = Δt / τ, which expresses the relative stay of any arbitrary differential volume of the ferromaterial in the magnetic gap of the permanent magnet compared to the constant τ of the magnetic viscosity of the ferromagnet, which is determined by its speed V in the saturating magnetic field H HAC .
Анализируя выражение (7), отмечаем, что функция I(a)=[exp(- α)(α+2)+α-2]/α2 имеет максимум при значении α*=exp(1)=2,718 (основание натурального логарифма e), и при этом значение максимума I(α*)=0,139. При значениях α→0 и α→∞ величина I(0)=1(∞)→0. То есть максимум силы F1*=0,276 µ0 Δχ HHAC 2S и FΣ*=0,276 N µ0 Δχ HHAC 2S, и эти экстремальные значения силы реализуются при угловой скорости вращения ферромагнитного кольца ω*=L/eRτ.Analyzing expression (7), we note that the function I (a) = [exp (- α) (α + 2) + α-2] / α 2 has a maximum at α * = exp (1) = 2.718 (the base of the natural the logarithm of e), and the maximum value of I (α *) = 0.139. For values α → 0 and α → ∞, the quantity I (0) = 1 (∞) → 0. That is, the maximum force F 1 * = 0.276 μ 0 Δ χ H HAC 2 S and F Σ * = 0.276 N μ 0 Δ χ H HAC 2 S, and these extreme values of the force are realized at the angular velocity of rotation of the ferromagnetic ring ω * = L / eRτ.
Анализируя зависимость силы FΣ от угловой скорости вращения ω ферромагнитного кольца, и такая зависимость приведена на рис.8, отмечаем, что с ростом этой угловой скорости сила FΣ(ω), создающая вращательный момент M(ω)=FΣ(ω)R, сравнительно медленно падает. Как известно, вращательный момент M(ω) в установившемся состоянии должен уравновеситься моментом трения и внешним моментом присоединенной нагрузки. В зависимости от характера присоединенной нагрузки, ее величины, будет изменяться угловая скорость вращения ферромагнитного кольца в установившемся режиме (устойчивом состоянии). На рис.8 приведены три нагрузочные характеристики - для квазикритического, рабочего режимов и режима холостого хода. Чем больше нагрузка, тем круче располагается нагрузочная характеристика и тем меньше угловая скорость установившегося режима. Последний определяется точкой пересечения кривой силовой характеристики с нагрузочной, причем устойчивое равновесие достигается, когда производные указанных пересекающихся характеристик имеют разные знаки, как это следует из теории автоматического регулирования.Analyzing the dependence of the force F Σ on the angular velocity of rotation ω of the ferromagnetic ring, and this dependence is shown in Fig. 8, we note that with the growth of this angular velocity, the force F Σ (ω), which creates the rotational moment M (ω) = F Σ (ω) R, falls relatively slowly. As is known, the steady-state torque M (ω) must be balanced by the moment of friction and the external moment of the connected load. Depending on the nature of the connected load, its magnitude, the angular velocity of rotation of the ferromagnetic ring in the steady state (steady state) will change. Figure 8 shows three load characteristics - for quasicritical, operating and idle modes. The greater the load, the steeper the load characteristic and the lower the angular velocity of the steady state. The latter is determined by the point of intersection of the curve of the power characteristic with the load, and a stable equilibrium is achieved when the derivatives of these intersecting characteristics have different signs, as follows from the theory of automatic control.
На рис.9 приведена характеристика относительной мощности вращательного движения ферромагнитного кольца в функции отношения ω/ω* в диапазоне изменения этого отношения от 1 до 10. Мощность в нагрузке довольно быстро растет для отношения ω/ω* от 1 до 2…3, а затем растет медленно, асимптотически стремясь к значению около 0,45 против значения 0,139 при ω/ω*=1.Figure 9 shows the characteristic of the relative power of the rotational motion of the ferromagnetic ring as a function of the ratio ω / ω * in the range of variation of this ratio from 1 to 10. The power in the load grows quite rapidly for the ratio ω / ω * from 1 to 2 ... 3, and then grows slowly, asymptotically tending to a value of about 0.45 against a value of 0.139 at ω / ω * = 1.
Особенностью данного технического решения по сравнению с известным ферромагнитовязким ротатором (прототипом) является фактор перемагничивания магнитотвердого ферромагнетика, что позволяет увеличить диапазон изменения магнитной восприимчивости Δχ в магнитных зазорах постоянных магнитов с противоположно ориентированными магнитными полями в смежных парах. Использование магнитотвердых ферромагнетиков приводит к возникновению в них остаточных намагниченностей в отсутствие магнитного поля (когда соответствующие участки ферромагнитного кольца находятся в промежутке между постоянными магнитами, где H=0). При перемагничивании происходит движение изображающей точки (см. рис.2) не от начала координат, как это характерно для магнитомягких ферромагнетиков, а от значения остаточной намагниченности одного знака до насыщения с другим знаком намагниченности. Увеличение Δχ приводит к увеличению полезной мощности, которую можно получить от такого устройства при прочих равных условиях. Интерес представляет также и то, что в заявляемой конструкции расстояние между смежными постоянными магнитами может быть существенно снижено по сравнению с таковым для прототипа, поскольку состояние намагниченности ферроматериала по выходе его из зазора постоянного магнита в зону, где H=0, уже окончательно установлено. Это позволяет увеличить число постоянных магнитов N при неизменных величинах R и L, то есть увеличить удельную мощность устройства на единицу его объема (энергетическую эффективность).A feature of this technical solution in comparison with the known ferromagnetically viscous rotator (prototype) is the magnetization reversal factor of a hard magnetic ferromagnet, which allows to increase the range of variation of the magnetic susceptibility Δ χ in the magnetic gaps of permanent magnets with oppositely oriented magnetic fields in adjacent pairs. The use of magnetically solid ferromagnets leads to the appearance of residual magnetizations in them in the absence of a magnetic field (when the corresponding sections of the ferromagnetic ring are in the gap between the permanent magnets, where H = 0). During magnetization reversal, the image point moves (see Fig. 2) not from the origin, as is typical for magnetically soft ferromagnets, but from the value of the residual magnetization of one sign to saturation with another sign of magnetization. An increase in Δ χ leads to an increase in the useful power that can be obtained from such a device, ceteris paribus. Of interest is also the fact that in the claimed design, the distance between adjacent permanent magnets can be significantly reduced compared with that for the prototype, since the magnetization state of the ferromaterial upon its exit from the gap of the permanent magnet to the zone where H = 0 has already been finally established. This allows you to increase the number of permanent magnets N with constant values of R and L, that is, to increase the specific power of the device per unit volume (energy efficiency).
Физическая основа, положенная в работу заявляемого технического решения, заключается в возникновении силы, приложенной к ферромагнитному веществу в направлении его движения в пространственно локализованном насыщающем магнитном поле вследствие отставания центра намагниченности ферромагнитного вещества, находящегося в указанном поле, от центра притяжения последнего в динамике движения ферромагнитного вещества со скоростью, согласованной с его постоянной магнитной вязкости и размерами пространственно локализованного насыщающего магнитного поля, при этом на совершение механической работы, связанной с поддержанием движения ферромагнитного вещества, затрачивается тепловая энергия окружающей среды, компенсирующая охлаждение ферромагнитного вещества при его адиабатическом размагничивании насыщающим магнитным полем.The physical basis laid down in the work of the claimed technical solution consists in the occurrence of a force applied to a ferromagnetic substance in the direction of its movement in a spatially localized saturating magnetic field due to the lag of the center of magnetization of the ferromagnetic substance located in the specified field from the center of attraction of the latter in the dynamics of motion of the ferromagnetic substance at a rate consistent with its constant magnetic viscosity and the dimensions of a spatially localized saturating m magnetic field, while the mechanical work associated with maintaining the movement of a ferromagnetic substance expends the thermal energy of the environment, which compensates for the cooling of the ferromagnetic substance during its adiabatic demagnetization by a saturating magnetic field.
Действительно, соблюдение закона сохранения и превращения энергии в данном процессе объясняется затратой внутренней энергии W0 ферромагнитного вещества, определяемой его температурой T0, участвующей массой mФЕР и ее удельной теплоемкостью с0 по формуле W0=c0 mФЕР T0 в отсутствие действующего магнитного поля (то есть при H=0), на совершение механической работы. Помещение некоторой массы mФЕР ферромагнитного вещества скачком (адиабатически) в насыщающее магнитное поле, энергия которого WM в объеме указанной массы пропорциональна квадрату напряженности насыщающего магнитного поля, приводит к уменьшению удельной теплоемкости этой части ферромагнитного вещества при той же его температуре (переводит ферромагнитное вещество в иное агрегатное состояние по аналогии с тем, как вода и лед имеют разные удельные теплоемкости при одной и той же температуре, равной нулю градусов по шкале Цельсия), так что имеет место равенство cH mФЕРT0+WM=c0 mФЕР T0, где c0 и cH - удельные теплоемкости массы mФЕР ферромагнетика соответственно в отсутствие магнитного поля и в насыщающем магнитном поле HHAC при неизменной его температуре T0, c0>cH, WM - запасенная в ферромагнетике энергия магнитного поля. А в последующем на совершение механической работы WМЕХ затрачивается часть внутренней энергии ферромагнитного вещества, что приводит к уменьшению его температуры до TH<T0 согласно выражению cH mФЕР T0=WМЕХ+сH mФЕР TH, и по выходе ферромагнитного вещества из зоны насыщающего магнитного поля происходит дополнительное снижение температуры ферромагнитного вещества при увеличении его удельной теплоемкости от значения cH к исходному значению c0 (при H=0) по формуле cH mФЕР TH=c0 mФЕР T0*, где T0*<TH<T0. Поскольку при работе устройства энергия магнитного поля постоянных магнитов практически не изменяется (WM=const(t)), получаем очевидное равенство WМЕХ=c0 mФЕР(T0-T0*), отвечающее основополагающему закону сохранения и превращения энергии. Потеря тепловой энергии ферромагнитным кольцом восполняется ее притоком из окружающей внешней среды за счет теплопроводности. Эффективность теплопередачи можно повысить помещением ферромагнитного кольца с постоянными магнитами в корпус с жидкостью, обладающей достаточно высокой теплопроводностью и малой вязкостью (для снижения момента трения). Тепловую энергию можно черпать в практически неограниченных количествах из вод морей и океанов. Это в известной мере будет способствовать снижению глобального потепления при массовом использовании заявляемого устройства и его различных модификаций в промышленных и бытовых целях путем снижения доли энергетических устройств, использующих тепловую энергию различных топлив (нефти, газа и др.).Indeed, the observance of the law of conservation and conversion of energy in this process is explained by the expenditure of internal energy W 0 of the ferromagnetic substance, determined by its temperature T 0 , the participating mass m FER and its specific heat capacity with 0 according to the formula W 0 = c 0 m FER T 0 in the absence of an effective magnetic field (that is, at H = 0), to commit mechanical work. The placement of a certain mass m FER of a ferromagnetic substance in a jump (adiabatically) in a saturating magnetic field whose energy W M in the volume of the indicated mass is proportional to the square of the saturation magnetic field intensity leads to a decrease in the specific heat capacity of this part of the ferromagnetic substance at its same temperature (converts the ferromagnetic substance into another aggregate state, by analogy with how water and ice have different specific heat capacities at the same temperature equal to zero degrees Celsius), so the equality c H m FER T 0 + W M = c 0 m FER T 0 holds , where c 0 and c H are the specific heat of mass m FER of a ferromagnet, respectively, in the absence of a magnetic field and in a saturating magnetic field H HAC at a constant temperature T 0 , c 0 > c H , W M is the magnetic field energy stored in a ferromagnet. Subsequently, part of the internal energy of the ferromagnetic substance is expended on the mechanical work of W MEX , which leads to a decrease in its temperature to T H <T 0 according to the expression c H m FER T 0 = W MEX + with H m FER T H , and the output of ferromagnetic substance from the saturating magnetic field zone, an additional decrease in the temperature of the ferromagnetic substance occurs with an increase in its specific heat from c H to the initial value c 0 (at H = 0) according to the formula c H m FER T H = c 0 m FER T 0 *, where T 0 * <T H <T 0 . Since the energy of the magnetic field of the permanent magnets remains almost unchanged during operation of the device (W M = const (t)), we obtain the obvious equality W MEX = c 0 m FER (T 0 -T 0 *), which meets the fundamental law of conservation and conversion of energy. The loss of thermal energy by a ferromagnetic ring is compensated by its influx from the surrounding external environment due to thermal conductivity. The heat transfer efficiency can be improved by placing a ferromagnetic ring with permanent magnets in a housing with a liquid having a sufficiently high thermal conductivity and low viscosity (to reduce the friction moment). Thermal energy can be scooped in practically unlimited quantities from the waters of the seas and oceans. To a certain extent, this will contribute to reducing global warming with the mass use of the inventive device and its various modifications for industrial and domestic purposes by reducing the share of energy devices using the thermal energy of various fuels (oil, gas, etc.).
Поиск подходящих ферроматериалов с определенными характеристиками по магнитной вязкости и коэрцитивной силе, развитие технологии изготовления ферромагнитных колец достаточно больших размеров (R>0,5…2 м), включая составные конструкции, и синтез материалов для постоянных магнитов с максимально высоким энергетическим произведением (B H)max позволит создать компактные и энергоемкие устройства с практически неограниченным ресурсом («perpetum mobile»). Изобретение, кроме того, представляет определенный научный интерес для изучения физического механизма прямого преобразования тепловой энергии в механическую с к.п.д. ~1.The search for suitable ferromaterials with certain characteristics of magnetic viscosity and coercive force, the development of the technology for manufacturing ferromagnetic rings of sufficiently large sizes (R> 0.5 ... 2 m), including composite structures, and the synthesis of materials for permanent magnets with the highest possible energy product (BH) max allows you to create compact and energy-intensive devices with an almost unlimited resource ("perpetum mobile"). The invention, in addition, is of particular scientific interest for studying the physical mechanism of the direct conversion of thermal energy into mechanical energy with efficiency ~ 1.
Документы патентного поиска: SU 1318844 A1, 23.06.1987. SU 1685271 A3, 15.10.1991. RU 2029160 C1, 20.02.1995. RU 2238461 C1, 20.10.2004. RU 2249732 C2, 10.04.2005. RU 2309527 C1, 20/11/2006. RU 2291546 C1, 10.01.2007. RU 2309527 C2, 27.10.2007. WO 0013297 A1, 09.03.2000. WO 02062492 A1, 15.08.2002. JP 55144784 A, 11.11.1980. JP 2000228865 A, 15.08.2000. US 5138207 A, 11.08.1992.Patent Search Documents: SU 1318844 A1, 06.23.1987. SU 1685271 A3, 10/15/1991. RU 2029160 C1, 02.20.1995. RU 2238461 C1, 20.10.2004. RU 2249732 C2, 04/10/2005. RU 2309527 C1, 11/20/2006. RU 2291546 C1, 01/10/2007. RU 2309527 C2, 10.27.2007. WO 0013297 A1, 09.03.2000. WO 02062492 A1, 08/15/2002. JP 55144784 A, 11.11.1980. JP 2000228865 A, 08/15/2000. US 5138207 A, 08/11/1992.
ЛитератураLiterature
1. О.Ф. Меньших. Закон сохранения поляризации электромагнитных волн. Заявка на открытие от 17.11.2003 с приоритетом от 22.04.1975, М., МААНО.1.O.F. Smaller ones. The law of conservation of polarization of electromagnetic waves. Application for opening of November 17, 2003 with priority of April 22, 1975, M., MAANO.
2. О.Ф. Меньших. Генерирование микроволн в анизотропных средах действием оптической ударной волны, Доклад на V Всесоюзном семинаре по оптоэлектронике, М., Институт проблем управления АН СССР, 22.04.1975.2.O.F. Smaller ones. Generation of microwaves in anisotropic media by the action of an optical shock wave, Report at the V All-Union Seminar on Optoelectronics, Moscow, Institute of Control Problems of the Academy of Sciences of the USSR, 04/22/1975.
3. О.Ф. Меньших. Способ генерирования электрических колебаний. Авт. свид. СССР №1380476 с приоритетом от 15.04.1983.3.O.F. Smaller ones. A method of generating electrical vibrations. Auth. testimonial. USSR No. 1380476 with a priority of 04/15/1983.
4. О.Ф. Меньших. Устройство для обнаружения эффекта резонанса «красного смещения» электромагнитных волн в анизотропных средах. Патент РФ №2276394 с приоритетом от 20.09.2004, опубл. в бюлл. №13 от 10.05.2006.4.O.F. Smaller ones. A device for detecting the effect of resonance "redshift" of electromagnetic waves in anisotropic media. RF patent No. 2276394 with priority of 09/20/2004, publ. in the bull. No. 13 dated 05/10/2006.
5. О.Ф. Меньших. Устройство для измерения «красного смещения» плоско поляризованного когерентного излучения. Патент РФ №2276347 с приоритетом от 15.10.2004, опубл. в бюлл. №13 от 10.05.2006.5.O.F. Smaller ones. Device for measuring the "redshift" of plane-polarized coherent radiation. RF patent No. 2276347 with priority dated 10/15/2004, publ. in the bull. No. 13 dated 05/10/2006.
6. О.Ф. Меньших. Ферромагнитный термодинамический эффект, Заявка на открытие от 23.07.2007 с приоритетом от 23.07.2007, М., МААНО.6.O.F. Smaller ones. Ferromagnetic thermodynamic effect, Application for discovery of 07.23.2007 with priority of 07.23.2007, M., MAANO.
7. О.Ф. Меньших. Магнитовязкий маятник. Патент РФ №2291546 с приоритетом от 20.04.2005, опубл. в бюлл. №1 от 10.01.2007.7.O.F. Smaller ones. Magnetoviscous pendulum. RF patent No. 2291546 with priority of 04/20/2005, publ. in the bull. No. 1 dated January 10, 2007.
8. О.Ф. Меньших. Ферромагнитовязкий ротатор. Патент РФ №2309527 с приоритетом от 11.05.2005, опубл. в бюлл. №30 от 27.10.2007.8.O.F. Smaller ones. Ferromagnetically viscous rotator. RF patent No. 2309527 with priority of 05/11/2005, publ. in the bull. No. 30 dated October 27, 2007.
9. О.Ф. Меньших. Способ получения энергии и устройство для его реализации. Патент РФ №2332778, опубл. в №24 от 27.08.2008.9.O.F. Smaller ones. A method of producing energy and a device for its implementation. RF patent No. 2332778, publ. in No. 24 of 08/27/2008.
10. О.Ф. Меньших. Устройство стабилизации частоты генератора. Патент РФ №2368073, опубл. в бюлл. №26 от 20.09.2009.10.O.F. Smaller ones. Generator frequency stabilization device. RF patent No. 2368073, publ. in the bull. No. 26 dated 09/20/2009.
11. О.Ф. Меньших. Ротор ферромагнитовязкого двигателя. Патент РФ №2412524, опубл. в бюлл. №5 от 20.02.2011.11.O.F. Smaller ones. Rotor of a ferromagnetically viscous engine. RF patent No. 2412524, publ. in the bull. No 5 on 02/20/2011.
12. О.Ф. Меньших. Устройство автоматического управления электрогенератором. Патент РФ №2444802, опубл. в бюлл. №7 от 10.03.2012 (получен запрос из Германии о патентовании).12.O.F. Smaller ones. Device for automatic control of an electric generator. RF patent No. 2444802, publ. in the bull. No. 7 dated 03/10/2012 (a request was received from Germany for patenting).
13. О.Ф. Меньших. Способ получения энергии и устройство для его реализации. Патент РФ №2452074, опубл. в бюлл. №15 от 27.05.2012.13.O.F. Smaller ones. A method of producing energy and a device for its implementation. RF patent No. 2452074, publ. in the bull. No. 15 dated 05/27/2012.
14. О.Ф. Меньших, Способ исследования динамики намагничивания ферромагнетика, быстро вводимого в насыщающее сверхсильное магнитное поле. Патент РФ №2488839, опубл. в №21 от 27.07.2013.14.O.F. Smaller, A method for studying the dynamics of magnetization of a ferromagnet, quickly introduced into a saturating superstrong magnetic field. RF patent No. 2488839, publ. No 21 on 07/27/2013.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013157670/07A RU2556074C1 (en) | 2013-12-24 | 2013-12-24 | Soft ferromagnetic rotator |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013157670/07A RU2556074C1 (en) | 2013-12-24 | 2013-12-24 | Soft ferromagnetic rotator |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2556074C1 true RU2556074C1 (en) | 2015-07-10 |
Family
ID=53538667
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013157670/07A RU2556074C1 (en) | 2013-12-24 | 2013-12-24 | Soft ferromagnetic rotator |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2556074C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1685271A3 (en) * | 1989-12-06 | 1991-10-15 | Г.И.Алексеев и Н.Н.Мрочковский (SU) | Single-phase electric motor |
JP2000228865A (en) * | 1998-12-04 | 2000-08-15 | Tadashi Hayashi | Magnetic rotator |
RU2291546C1 (en) * | 2005-04-20 | 2007-01-10 | Олег Фёдорович Меньших | Magnetically viscous pendulum |
RU2309527C2 (en) * | 2005-05-11 | 2007-10-27 | Олег Федорович Меньших | Ferro-magneto-viscous rotator |
-
2013
- 2013-12-24 RU RU2013157670/07A patent/RU2556074C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1685271A3 (en) * | 1989-12-06 | 1991-10-15 | Г.И.Алексеев и Н.Н.Мрочковский (SU) | Single-phase electric motor |
JP2000228865A (en) * | 1998-12-04 | 2000-08-15 | Tadashi Hayashi | Magnetic rotator |
RU2291546C1 (en) * | 2005-04-20 | 2007-01-10 | Олег Фёдорович Меньших | Magnetically viscous pendulum |
RU2309527C2 (en) * | 2005-05-11 | 2007-10-27 | Олег Федорович Меньших | Ferro-magneto-viscous rotator |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Lafont et al. | Magnetostrictive–piezoelectric composite structures for energy harvesting | |
Mathioudakis et al. | Alfvén waves in the solar atmosphere: from theory to observations | |
Onofrio | Casimir forces and non-Newtonian gravitation | |
Rosensweig | Fluidmagnetic buoyancy. | |
Lu et al. | Formation of dawn‐dusk asymmetry in Earth's magnetotail thin current sheet: A three‐dimensional particle‐in‐cell simulation | |
Zimmerman et al. | A turbulent, high magnetic Reynolds number experimental model of Earth's core | |
Wang et al. | A magnetically levitated vibration energy harvester | |
Chirde et al. | Plane symmetric dark energy models in the form of wet dark fluid in f (R, T) gravity | |
Liang et al. | Design of membrane actuator based on ferromagnetic shape memory alloy composite for synthetic jet applications | |
Solis et al. | Torque density measurements on vortex fluids produced by symmetry-breaking rational magnetic fields | |
RU2556074C1 (en) | Soft ferromagnetic rotator | |
Huang et al. | Thermal properties of a cylindrical YBa2Cu3Ox superconductor in a levitation system: triggered by nonlinear dynamics | |
Chen et al. | Microwave fields driven domain wall motions in antiferromagnetic nanowires | |
Wysin | Vortex dynamics in thin elliptic ferromagnetic nanodisks | |
Rosensweig et al. | Laboratory study of spherical convection in simulated central gravity | |
Leshansky et al. | Shape-controlled anisotropy of superparamagnetic micro-/nanohelices | |
RU2332778C1 (en) | Method of energy generation and related device | |
Sudan et al. | Convective turbulence in weakly ionized plasma | |
Bogdanov et al. | Vortex states in antiferromagnetic crystals | |
RU2542711C1 (en) | Stabilised alternating-current generator | |
Keshtkar et al. | Comparison of inductance gradient and electromagnetic force in two types of railguns with two projectiles by finite-element method | |
RU2325754C1 (en) | Magnetoviscous rotator | |
Miralles et al. | Anisotropic convection in rotating proto-neutron stars | |
Pathak et al. | Novel Applications of Magnetically Controllable Fluids in Energy Harvesting, Sensing, and Thermal Applications | |
Zvezdin et al. | Gyroscopic force acting on the magnetic vortex in a weak ferromagnet |