RU2310265C2 - Magnetic motor - Google Patents

Abstract

FIELD: physics; using energy of permanent magnets to set rotor in motion.

SUBSTANCE: proposed magnetic motor has permanent magnets and ferromagnetic rotor in the form of ring or hollow ball accommodating first permanent magnet fixed therein. Second horseshoe permanent magnet is fixed outside the rotor. Magnetic fields set up by first and second permanent magnets are relatively orthogonal in rotor location area and act upon the latter with different magnetic forces. Time constant τ of rotor ferromagnetic material polarity reversal τ ≈ 0.09/ω_st, where ω_st is rated steady state angular velocity of rotor. Rotor revolves due to difference in forces acting upon this rotor while it is being saturated by mentioned permanent magnets which fits torques different in value and opposite in direction applied to mentioned rotor; their difference dictates resultant torque accelerating rotor to angular velocity limited by load torque (including friction of rotation) and magnetic viscosity of rotor ferromagnetic material at preset time constant of its polarity reversal process. Mentioned difference in forces acting on rotor is caused by difference in reluctance of respective magnetic circuits and difference in angles to rotor ring radius at which these forces are acting.

EFFECT: ability of setting rotor in motion in crossed magnetic fields of permanent magnets.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области физики магнетизма и может быть использовано в качестве источника механической энергии, получаемой от преобразования энергии магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами.The invention relates to the field of physics of magnetism and can be used as a source of mechanical energy obtained from the conversion of magnetic field energy generated by permanent magnets.

Магнетизм - особая форма взаимодействия электрических токов и магнитов (тел с магнитным моментом) между собой и одних магнитов с другими магнитами. Магнитное взаимодействие пространственно разнесенных тел осуществляется через магнитное поле Н, которое, как и электрическое поле Е, представляет собой проявление электромагнитной формы движения материи. Между магнитными и электрическими полями нет полной симметрии, так как источниками электрических полей являются электрические заряды, а магнитные заряды - монополи пока не обнаружены, хотя теория предсказывает их существование. Источник магнитного поля - движущийся электрический заряд, то есть электрический ток. В атомных масштабах движение электронов и протонов создает орбитальные микротоки, связанные с переносным движением этих частиц в атомах или атомных ядрах, кроме того, наличие у микрочастиц спина обусловливает существование у них спинового магнитного момента. Поскольку электроны, протоны и нейтроны, образующие атомные ядра, атомы, молекулы и все макротела (газы, жидкости, кристаллические и аморфные твердые тела) имеют собственный магнитный момент, то, в принципе, все вещества подвержены влиянию магнитного поля - обладают магнитными свойствами, то есть являются магнетиками. Магнетики подразделяются на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Последние имеют наибольшую магнитную восприимчивость и используются в технике в качестве эффективных магнитов. В них атомные магнитные моменты спонтанно коллинеарно самоориентируются, образуя аномально большие магнитные моменты. У современных магнитных материалов энергетическое произведение (В Н)_max достигает величины 320 Тл·кА/м (40 млн Гс·Э), например, у материала с высокой коэрцитивной силой SmCo₃ (см., напр., Преображенский А.А., Биширд Е.Г. Магнитные материалы и элементы, 3 изд., М., 1986; Февралева И.Е. Магнитотвердые материалы и постоянные магниты. К., 1969; Постоянные магниты. Справочник, М., 1971).Magnetism is a special form of interaction of electric currents and magnets (bodies with a magnetic moment) between themselves and some magnets with other magnets. The magnetic interaction of spatially separated bodies is carried out through a magnetic field H, which, like the electric field E, is a manifestation of the electromagnetic form of motion of matter. There is no complete symmetry between magnetic and electric fields, since electric charges are sources of electric fields, and monopoles have not yet been discovered magnetic charges, although theory predicts their existence. The source of the magnetic field is a moving electric charge, that is, an electric current. On an atomic scale, the movement of electrons and protons creates orbital microcurrents associated with the transport of these particles in atoms or atomic nuclei, in addition, the presence of spin in the microparticles determines the existence of a spin magnetic moment in them. Since the electrons, protons and neutrons that form atomic nuclei, atoms, molecules and all macrobodies (gases, liquids, crystalline and amorphous solids) have their own magnetic moment, then, in principle, all substances are affected by a magnetic field - they have magnetic properties, then there are magnets. Magnets are divided into diamagnets, paramagnets and ferromagnets. The latter have the greatest magnetic susceptibility and are used in technology as effective magnets. In them, atomic magnetic moments spontaneously collinearly orient themselves, forming anomalously large magnetic moments. In modern magnetic materials, the energy product (V N) _max reaches 320 T · kA / m (40 million G · E), for example, for a material with a high coercive force SmCo ₃ (see, for example, A. Preobrazhensky, Bishird EG Magnetic materials and elements, 3rd ed., M., 1986; Fevaleva IE Magnetosolid materials and permanent magnets. K., 1969; Permanent magnets. Handbook, M., 1971).

Сложность атомной структуры веществ, построенных из огромного числа микрочастиц, дает практически неисчерпаемое разнообразие их магнитных свойств, связь которых с немагнитными свойствами (электрическими, механическими, оптическими и др.) позволяет использовать исследования магнитных свойств для получения информации о внутренней структуре и других свойствах микрочастиц и макротел. Отметим, что магниты обладают внутренней энергией. В случае однородного магнитного поля в объеме магнита V энергия запасенного магнитного поля W~μ₀Н²V/2. 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 Н ² V / 2. 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.

Известно силовое взаимодействие магнитных полей, создаваемых двумя магнитными системами, например, в электрических двигателях, состоящих из подвижного вращающегося ротора и неподвижного статора. В синхронных многофазных двигателях переменного тока в статоре образуется вращающееся магнитное поле, увлекающее за собой намагниченный постоянно ротор: его полюс S постоянно притягивается к полюсу N статора, а противоположный полюс N ротора притягивается полюсом S статора. В коллекторных двигателях постоянного тока, наоборот, вращающиеся за счет работы коллектора магнитные полюса ротора приводят во вращение ротор относительно статора так, что всегда противоположные полюсы статора и ротора тяготеют друг к другу.The force interaction of magnetic fields generated by two magnetic systems is known, for example, in electric motors consisting of a movable rotating rotor and a fixed stator. In synchronous multiphase AC motors, a rotating magnetic field is formed in the stator, which carries away a constantly magnetized rotor: its pole S is constantly attracted to the pole N of the stator, and the opposite pole N of the rotor is attracted by the pole S of the stator. In DC collector motors, on the contrary, the rotor magnetic poles rotating due to the collector work rotate the rotor relative to the stator so that the opposite stator and rotor poles always gravitate towards each other.

Известно, что одноименные полюсы двух магнитных систем отталкивают друг друга, что в технике используется, например, для получения так называемой магнитной подушки, с целью снижения трения при вращении, например в гироскопии.It is known that the poles of the same name of two magnetic systems repel each other, which is used in the technique, for example, to obtain the so-called magnetic cushion, in order to reduce friction during rotation, for example in gyroscopy.

Ближайшим аналогом (прототипом) заявляемому техническому решению является способ силового взаимодействия магнитного поля магнита с магнитным полем, образованным электрическим током в соленоиде, рамке с током, в роторе, статоре двигателя, в электромагните и др. физических и технических объектах на основе закона электромагнитной индукции Фарадея и закона Био-Савара (см., напр., Краткий справочник по физике, Г.Эберт, пер. со 2-го нем.изд. под ред. К.П.Яковлева, ГИФМЛ, М., 1963, с.434-436).The closest analogue (prototype) to the claimed technical solution is a method of force interaction of a magnetic field of a magnet with a magnetic field generated by an electric current in a solenoid, a frame with a current, in a rotor, a motor stator, in an electromagnet and other physical and technical objects based on the Faraday law of electromagnetic induction and the Bio-Savard law (see, e.g., A Brief Guide to Physics, G. Ebert, trans. from the 2nd German edition, edited by K.P. Yakovlev, GIFML, Moscow, 1963, p. 344 -436).

Недостатком известного технического решения при получении механической энергии при взаимодействии магнитных полей является затрата энергии от ее источника с коэффициентом полезного действия, всегда меньшим единицы, поскольку при прохождении в проводнике электромагнитной системы электрического тока имеют место потери на нагревание проводника, и эти тепловые потери невосполнимы.A disadvantage of the known technical solution for obtaining mechanical energy in the interaction of magnetic fields is the energy consumption from its source with a coefficient of efficiency that is always less than unity, since when an electric current passes through an electromagnetic system conductor, there is a loss in heating of the conductor, and these heat losses are irreplaceable.

Известно, что закон Ома применим к магнитным цепям, однако при этом магнитный ток в магнитной цепи с соответствующим магнитным сопротивлением не создает тепловых потерь, то есть магнитная энергия постоянного магнита не расходуется и не превращается в тепло. В этом смысле постоянный магнит, если абстрагироваться от так называемого старения магнита, является «вечным» источником магнитного поля с заданной величиной энергии. Это обстоятельство создает предпосылки к использованию энергии практически неисчерпаемого магнитного поля для получения механической работы.It is known that Ohm's law is applicable to magnetic circuits, however, while the magnetic current in the magnetic circuit with the corresponding magnetic resistance does not create heat loss, that is, the magnetic energy of a permanent magnet is not consumed and does not turn into heat. In this sense, a permanent magnet, if we ignore the so-called aging of the magnet, is an “eternal” source of magnetic field with a given value of energy. This circumstance creates the prerequisites for using the energy of an almost inexhaustible magnetic field to obtain mechanical work.

Заявляемое техническое решение - магнитный двигатель, содержащий постоянные магниты и вращающийся ротор из ферромагнитного вещества, отличающийся тем, что вращающийся ротор из ферромагнитного вещества выполнен, например, в виде кольца или полого шара, внутри которого неподвижно закреплен первый постоянный магнит прямой формы, а снаружи от него неподвижно закреплен второй постоянный магнит подковообразной формы, магнитные поля первого и второго постоянных магнитов взаимно скрещены, а постоянная релаксации магнитной вязкости Т ферромагнитного вещества ротора выбрана, например, равной τ≈0,09/ω_уст. где ω_уст. - угловая скорость вращения ротора в установившемся режиме.The claimed technical solution is a magnetic motor containing permanent magnets and a rotating rotor of ferromagnetic substance, characterized in that the rotating rotor of ferromagnetic substance is made, for example, in the form of a ring or a hollow ball, inside which the first permanent magnet of a straight form is fixedly fixed, and outside the second horseshoe-shaped permanent magnet is fixedly fixed to it, the magnetic fields of the first and second permanent magnets are mutually crossed, and the relaxation constant of the magnetic viscosity T of ferrom the rotor’s magnetic substance is selected, for example, equal to τ≈0.09 / ω _set . where ω _mouth - the angular velocity of rotation of the rotor in steady state.

Поставленная цель - получение механического вращения ротора из ферромагнитного вещества в скрещенных магнитных полях внутреннего и внешнего постоянных магнитов - достигается благодаря различию сил, действующих на намагничивающийся ротор со стороны указанных постоянных магнитов, что отвечает различным по величине и противоположным по направлению вращающим моментам, приложенным к указанному ротору, разность которых определяет результирующий вращающий момент, раскручивающий ротор до угловой скорости, ограниченной величиной момента нагрузки (с учетом трения вращения) и магнитной вязкостью ферромагнитного вещества ротора с заданной постоянной времени процесса его перемагничивания.The goal - obtaining mechanical rotation of the rotor from ferromagnetic material in the crossed magnetic fields of the internal and external permanent magnets - is achieved due to the difference in the forces acting on the magnetized rotor from the side of these permanent magnets, which corresponds to different in magnitude and opposite in direction of the torque applied to the specified the rotor, the difference of which determines the resulting torque, untwisting the rotor to an angular speed limited by the moment n load (taking into account friction of rotation) and magnetic viscosity of the ferromagnetic substance of the rotor with a given time constant of the process of its magnetization reversal.

Устройство одного из вариантов построения магнитного двигателя с вращающимся ротором из ферромагнитного вещества в форме кольца представлено на фиг.1. Оно состоит их внутреннего первого постоянного магнита 1, вращающегося на оси 2 кольцевого ротора 3 из ферромагнитного вещества и внешнего второго постоянного магнита 4, причем магниты 1 и 4 закреплены неподвижно, а их магнитные поля взаимно ортогональны в области расположения ротора 3. Магнитные зазоры между магнитами 1 и 4 и ротором 3 выбраны минимальными, а магнитная индукция магнитов 1 и 4 определяет энергетику устройства.The device of one of the options for constructing a magnetic motor with a rotating rotor from a ferromagnetic substance in the form of a ring is presented in figure 1. It consists of an internal first permanent magnet 1, rotating on the axis 2 of the annular rotor 3 of ferromagnetic material and an external second permanent magnet 4, the magnets 1 and 4 being fixed, and their magnetic fields mutually orthogonal in the region of the rotor 3. Magnetic gaps between the magnets 1 and 4 and rotor 3 are selected as minimum, and the magnetic induction of magnets 1 and 4 determines the energy of the device.

На фиг.2 указаны магнитные полярности намагниченного первым магнитом 1 ферромагнитного вещества ротора 3 и возникающий при этом вращающий момент M₁, направленный по часовой стрелке.Figure 2 shows the magnetic polarities of the rotor 3 magnetized by the first magnet 1 of the ferromagnetic substance 1 and the resulting torque M ₁ clockwise.

На фиг.3 указаны магнитные полярности намагниченного вторым магнитом 4 ферромагнитного вещества ротора 3 и возникающий при этом вращающий момент М₂, направленный против часовой стрелки. На фиг.2 и 3 представлены также эпюры напряженностей магнитного поля, наведенного в соответствующих участках наружной А (для фиг.2) и внутренней В (для фиг.3) поверхностей кольцевого ротора 3, указаны геометрические параметры устройства ротора 3 - радиусы кольца R₁ и R₂, причем R=(R₁+R₂)/2 - средний радиус кольцевого ротора, а также показаны магнитные силовые линии соответствующих магнитных цепей раздельно по действию магнитов 1 и 4 на ротор 3.Figure 3 shows the magnetic polarities of the rotor 3 magnetized by the second magnet 4 of the ferromagnetic substance 4 and the resulting torque M ₂ counterclockwise. Figure 2 and 3 also presents plots of the magnetic field induced in the respective sections of the outer A (for figure 2) and inner B (for figure 3) surfaces of the annular rotor 3, the geometric parameters of the rotor 3 device are indicated - the radii of the ring R ₁ and R ₂ , wherein R = (R ₁ + R ₂ ) / 2 is the average radius of the ring rotor, and the magnetic lines of force of the respective magnetic circuits are shown separately by the action of magnets 1 and 4 on the rotor 3.

Рассмотрим действие заявляемого устройства.Consider the action of the claimed device.

При неравенстве абсолютных величин моментов M₁ и М₂ результирующий вращающий момент, приложенный к ротору 3, равен ΔM=M₁-М₂≠0. Различие указанных моментов достигается самой конфигурацией магнитных цепей магнитов 1 и 4 и ротора 3. Пусть, например, M₁>М₂. В этом случае ротор 3 будет вращаться на оси 2 по часовой стрелке. Поскольку при вращении ротора 3 из ферромагнитного вещества максимумы его намагниченности постоянно смещаются вдоль образующей кольца для системы координат, связанной с ротором, оставаясь неподвижными в системе координат неподвижно закрепленных первого 1 и второго 4 постоянных магнитов, результирующий вращающий момент ΔM действует постоянно во времени, раскручивая ротор 3 при условии, что этот вращающий момент больше момента нагрузки М_нагр на ось 2 с учетом ее момента трения (ΔМ>М_нагр).With the inequality of the absolute values of the moments M ₁ and M _{2, the} resulting torque applied to the rotor 3 is ΔM = M ₁ -M ₂ ≠ 0. The difference in these moments is achieved by the very configuration of the magnetic circuits of magnets 1 and 4 and rotor 3. Let, for example, M ₁ > M ₂ . In this case, the rotor 3 will rotate on the axis 2 clockwise. Since when the rotor 3 is rotated from a ferromagnetic substance, its magnetization maxima constantly shift along the generatrix of the ring for the coordinate system associated with the rotor, remaining motionless in the coordinate system of the first 1 and second 4 permanent magnets fixedly fixed, the resulting torque ΔM acts continuously in time, spinning the rotor 3, with the proviso that this time the torque load M greater _heating at the axis 2 with regard to its frictional moment (ΔM> M _HEAT).

Поскольку намагниченность ферромагнитного вещества при включении магнитного поля устанавливается во времени по закону ΔI(t)=ΔI_m[1-ехр(-t/τ)], где ΔI_m - установившееся (наибольшее возможное) значение разности намагничивании ферромагнетика от магнитов 1 и 4 для заданных значений их магнитных полей, τ - постоянная релаксации магнитной вязкости для выбранного ферромагнитного вещества ротора 3, то с увеличением угловой скорости вращения ω ротора 3 снижается величина результирующего магнитного момента ΔМ(ω), так как ΔМ(ω)~ΔI(t) при t=ατ, где α=Δs/ωτR, Δs - продольный размер вдоль кольца ротора, внутри которого намагниченность максимальна с уровнем, например, 0,9 ΔI_m, R - радиус кольца ротора 3. Таким образом, получаем ΔМ(ω)=0,9βΔI_m=βΔI_m[1-ехр(-Δs/ωτR)], где β - размерный коэффициент пропорциональности, устанавливаемый опытным путем и зависящий от конструкции устройства (в частности, от величины магнитных зазоров между постоянными магнитами 1 и 4 относительно кольцевого ротора 3, а также от конструкции полюсов этих магнитов).Since the magnetization of a ferromagnetic substance when a magnetic field is turned on is established in time according to the law ΔI (t) = ΔI _m [1-exp (-t / τ)], where ΔI _m is the steady-state (largest possible) value of the difference between the magnetization of a ferromagnet from magnets 1 and 4 for given values of their magnetic fields, τ is the relaxation constant of magnetic viscosity for the selected ferromagnetic substance of rotor 3, then with an increase in the angular velocity of rotation ω of rotor 3, the value of the resulting magnetic moment ΔМ (ω) decreases, since ΔМ (ω) ~ ΔI (t) at t = ατ, where α = Δs / ωτR, Δs - n odolny resolution along the rotor ring, inside of which a maximum magnetization level, e.g., 0,9 ΔI _m, R - the radius of the rotor ring 3. Thus, we obtain ΔM _{(ω) = 0,9βΔI m = βΔI} m [ 1-exp (- Δs / ωτR)], where β is the dimensional proportionality coefficient established experimentally and depending on the design of the device (in particular, on the magnitude of the magnetic gaps between the permanent magnets 1 and 4 relative to the annular rotor 3, as well as on the design of the poles of these magnets).

Момент трения оси 2 ротора 3 М_тр(ω), напротив, растет линейно с увеличением угловой скорости ω вращения ротора, то есть М_тр(ω)=μω, где μ - размерный коэффициент. Полагая присоединенный момент нагрузки М_пр.н. неизменным, не зависящим от скорости вращения ротора 3, находим уравнение для нахождения угловой скорости ω вращения ротора 3 в виде ΔМ(ω)=М_пр.н.+М_тр(ω), откуда его явное выражение имеет вид: βΔI_m [1-ехр(-Δs/ωτR)]=М_пр.н.+μω, и при заданных величинах конструктивных параметров устройства и величине присоединенного момента нагрузки легко найти угловую скорость ω вращения ротора 3. При этом в установившемся режиме с угловой скоростью ω_уст присоединенный момент нагрузки М_пр.н.=βΔI_m[1-ехр(-Δs//ω_устτR)]-μω_уст определяет получаемую от магнитного двигателя механическую работу. Полагая величину ехр (-Δs/ω_устτR)=0,1 при k=Δs/R (можно принять, что k=0,2), выбор ферромагнитного вещества для ротора 3 должен удовлетворять условию достижения заданной величины намагниченности ферромагнетика, например, до уровня 0,9 ΔI_m в течение промежутка времени Δt=Δs/ω_уст R=2,2 τ, так что находим выражение для постоянной релаксации τ магнитной вязкости ферромагнитного вещества ротора 3 в виде τ=k/2,2 ω_уст≈0,09/ω_уст. Отметим, что ассортимент ферромагнетиков позволяет выбирать требуемые значения τ, так как эта величина находится для разных ферромагнетиков в чрезвычайно широком диапазоне - от 10^-9 с до нескольких десятков часов.On the contrary, the moment of friction of the axis of the rotor 2 of the rotor 3 M _Tr (ω) grows linearly with an increase in the angular velocity ω of the rotor rotation, that is, M _Tr (ω) = μω, where μ is the dimensional coefficient. Assuming the attached load moment M _pr. unchanged, independent of the speed of rotation of the rotor 3, we find the equation for finding the angular velocity ω of rotation of the rotor 3 in the form ΔM (ω) = M _pr + M _Tr (ω), whence its explicit expression has the form: βΔI _m [1-exp (-Δs / ωτR)] = M _pr. + μω, and for given values of the design parameters of the device and the magnitude of the connected load moment, it is easy to find the angular velocity ω of rotation of the rotor 3. At the same time, in the steady state with the angular velocity ω _{mouth the} connected load moment is M _pr. = βΔI _m [1-exp (-Δs // ω _mouth τR)] - μω _mouth determines the mechanical work received from the magnetic motor. Assuming the value of exp (-Δs / ω _mouth τR) = 0.1 for k = Δs / R (we can assume that k = 0.2), the choice of a ferromagnetic substance for rotor 3 must satisfy the condition for achieving a given magnetization value of a ferromagnet, for example, to the level of 0.9 ΔI _m for a period of time Δt = Δs / ω _mouth R = 2.2 τ, so we find the expression for constant relaxation τ of the magnetic viscosity of the ferromagnetic substance of rotor 3 in the form τ = k / 2.2 ω _mouth ≈ 0.09 / ω _set Note that the assortment of ferromagnets allows you to select the required values of τ, since this value is for different ferromagnets in an extremely wide range - from 10 ^-9 s to several tens of hours.

Намагничивание ферромагнитного вещества ротора 3 со стороны постоянного магнита 1 равно I_m1 (соответствует фиг.2), а намагничение со стороны магнита 4 равно I_m2 (соответствует фиг.3), так что ΔI_m=I_m1 -I_m2. При этом вращающий момент M_i определяется силой F₁, приложенной ортогонально радиусу R ротора 3 и возникающей от силового взаимодействия намагниченности I_m1 ферромагнетика ротора 3 с магнитным полем второго постоянного магнита 4, а вращающий момент М₂ - силой F₂, приложенной ортогонально радиусу R ротора 3 и возникающей от силового взаимодействия намагниченности I_m2 ферромагнетика ротора 3 с магнитным полем первого постоянного магнита 1. Причем указанные силы ортогональны друг другу в силу ортогональности исходных магнитных силовых линий для магнитов 1 и 4, а также не равны друг другу по абсолютной величине, а именно F₁>F₂ при заданных конструктивных параметрах устройства, что и создает неуравновешенный вращающий момент ΔM=M₁-М₂≠0.The magnetization of the ferromagnetic substance of the rotor 3 from the side of the permanent magnet 1 is equal to I _m1 (corresponds to figure 2), and the magnetization from the side of the magnet 4 is equal to I _m2 (corresponds to figure 3), so ΔI _m = I _m1 -I _m2 . The torque M _i is determined by the force F ₁ applied orthogonally to the radius R of the rotor 3 and arising from the force interaction of the magnetization I _{m1 of the} ferromagnet of the rotor 3 with the magnetic field of the second permanent magnet 4, and the torque M ₂ is determined by the force F ₂ applied orthogonally to the radius R of the rotor 3 and the magnetization I _m2 arising from the force interaction, the ferromagnet of the rotor 3 with the magnetic field of the first permanent magnet 1. Moreover, these forces are orthogonal to each other due to the orthogonality of the original magnetic field lines for I of magnets 1 and 4, and also are not equal to each other in absolute value, namely F ₁ > F ₂ for given design parameters of the device, which creates an unbalanced torque ΔM = M ₁ -M ₂ ≠ 0.

Как известно, сила, действующая между полюсами с магнитными потоками Ф₁ и Ф₂ на сравнительно большом расстоянии d, равна F=Ф₁Ф₂/4πμ₀d², где μ₀ - абсолютная магнитная проницаемость (μ₀=8,85.10^-12 Ф/м). Намагниченность ферромагнитного кольца ротора 3, образованная соответствующими магнитами 1 и 4, может быть эквивалентно представлена как действие образованных магнитов на соответствующих участках кольца - соответственно на наружной части кольца вблизи магнита 1 (зона А на фиг.2) и на внутренней части кольца вблизи магнита 4 (зона В на фиг.3, в низшей точке кольца). При этом можно полагать, в первом приближении, что произведение магнитных потоков Ф₁ Ф₂, образованных между указанными полюсами наведенных в кольце магнитов и магнитами 4 и 1 соответственно, в обоих случаях взаимодействия оказывается одинаковым. Однако расстояние между областью максимальной намагниченности кольца, вызванной действием первого (внутреннего) постоянного магнита 1, несколько больше радиуса кольца d₁>R, a расстояние между областью максимальной намагниченности кольца, вызванной действием второго (внешнего) постоянного магнита 4, несколько меньше величины (2)^1/2 R, то есть d₂<1,41 R. Следовательно, силы взаимодействия между соответствующими парами полюсов отличаются между собой почти в 2 раза, так как (d₂/d₁)²≈2. Кроме того, сила F₁ ортогональна радиусу кольца R, а сила F₂ - суть проекция на касательную к радиусу кольца от силы, действующей под углом, близким к π/4, то есть составляет от последней часть около 0,707 ее значения. Для идеализированного случая тонкого ферромагнитного кольца с минимальными зазорами между магнитами 1 и 4 и кольцом ротора 3 получаются соотношения сил F₂/F₁=0,707/2=0,353, что означает в этом случае превышение вращающего момента M₁ над вращающим моментов М₂ почти втрое, тогда ΔМ=0,646 M₁=0,646 F₁R=0,162 Ф₁Ф₂/πμ₀R, где Ф₁ - магнитный поток с наружного участка кольца максимальной намагниченности, расположенного вблизи первого постоянного магнита 1, а Ф₂ - аналогичный магнитный поток, образованный вторым постоянным магнитом 4. Корректное решение задачи по определению сил F₁ и F₂ обеспечивается интегрированием с учетом конфигурации магнитных силовых линий и топологии магнитных полюсов 1 и 4 и распределения напряженности магнитного поля в ферромагнитном кольце ротора 3, поэтому вышеприведенная оценка является лишь приблизительной, качественной, не претендующей на строгость.As you know, the force acting between the poles with magnetic fluxes Ф ₁ and Ф ₂ at a relatively large distance d is F = Ф ₁ Ф ₂ / 4πμ ₀ d ² , where μ ₀ is the absolute magnetic permeability (μ ₀ = 8.85.10 ^{- 12} f / m). The magnetization of the ferromagnetic ring of the rotor 3, formed by the corresponding magnets 1 and 4, can be equivalently represented as the action of the formed magnets on the corresponding sections of the ring — respectively, on the outer part of the ring near magnet 1 (zone A in FIG. 2) and on the inner part of the ring near magnet 4 (zone B in figure 3, at the lowest point of the ring). In this case, we can assume, to a first approximation, that the product of magnetic fluxes Φ ₁ Φ ₂ formed between the indicated poles of the magnets in the ring and magnets 4 and 1, respectively, in both cases, the interaction is the same. However, the distance between the region of maximum magnetization of the ring caused by the action of the first (internal) permanent magnet 1 is somewhat larger than the radius of the ring d ₁ > R, and the distance between the region of maximum magnetization of the ring caused by the action of the second (external) permanent magnet 4 is slightly smaller than (2 ) ^1/2 R, that is, d ₂ <1.41 R. Therefore, the interaction forces between the corresponding pairs of poles differ by almost 2 times, since (d ₂ / d ₁ ) ² ≈2. In addition, the force F _{1 is} orthogonal to the radius of the ring R, and the force F ₂ is the projection onto the tangent to the radius of the ring from the force acting at an angle close to π / 4, that is, from the latter part is about 0.707 of its value. For the idealized case of a thin ferromagnetic ring with minimal gaps between the magnets 1 and 4 and the rotor ring 3, the force ratios F ₂ / F ₁ = 0.707 / 2 = 0.353 are obtained, which means in this case the torque M _{1 is} almost three times higher than the torque M ₂ then ΔМ = 0.646 M ₁ = 0.646 F ₁ R = 0.162 Ф ₁ Ф ₂ / πμ ₀ R, where Ф ₁ is the magnetic flux from the outer part of the maximum magnetization ring located near the first permanent magnet 1, and Ф ₂ is a similar magnetic flux formed by the second permanent magnet 4. A correct solution to the problem of the distribution of the forces F ₁ and F _{2 is} ensured by integration, taking into account the configuration of the magnetic field lines and the topology of the magnetic poles 1 and 4 and the distribution of the magnetic field strength in the ferromagnetic ring of the rotor 3, therefore, the above estimate is only an approximate, qualitative, not claiming rigor.

По правилам механики мощность на оси 2 рассмотренного магнитного двигателя, которую можно сообщить механической нагрузке, равна N_н≈(0,9ΔМ-μω_уст)ω_уст при выборе ферромагнетика ротора 3 с величиной постоянной τ≈0,09/ω_уст. Видно, что для приведения ротора 3 во вращательное состояние необходимо, чтобы коэффициент μ мог быть задан как μ<0,9ΔМ/ω_уст, что указывает на имеющееся при работе устройства ограничение по росту угловой скорости ротора 3 при заданном значении величины ΔM, определяемой энергетикой применяемых постоянных магнитов 1 и 4. При выполнении указанного неравенства устройство работает в так называемом «мягком режиме самовозбуждения», то есть приводится во вращательное движение с доведением угловой скорости вращения ротора 3 до значения ω_уст без сообщения ротору какого-либо внешнего толчка (вращательного момента), причем направление вращения всегда жестко определено магнитными полярностями постоянных магнитов 1 и 4 в заданной конструкции и может изменяться на противоположное при смене полярностей любого из названных магнитов.According to the rules of mechanics, the power on axis 2 of the considered magnetic motor, which can be reported to the mechanical load, is N _n ≈ (0.9ΔM-μω _mouth ) ω _mouth when choosing a ferromagnet of rotor 3 with a constant value of τ≈0.09 / ω _mouth . It can be seen that in order to bring the rotor 3 into a rotational state, it is necessary that the coefficient μ can be set as μ <0.9ΔM / ω _mouth , which indicates that the device has a limitation on the increase in the angular velocity of the rotor 3 for a given value of ΔM determined by the energy applied permanent magnets 1 and 4. When this inequality is fulfilled, the device operates in the so-called “soft self-excitation mode”, that is, it is rotationally driven to bring the rotational speed of the rotor 3 to the value ω _mouth without communication to the rotor of any external impulse (torque), and the direction of rotation is always rigidly determined by the magnetic polarities of the permanent magnets 1 and 4 in a given design and can be reversed when changing the polarities of any of these magnets.

Следует указать на важное обстоятельство. Магнитный поток первого постоянного магнита 1 в значительной своей части замыкается по внутренней части кольцевого ротора, однако частично намагничивает кольцо с максимумами намагниченности около полюсов N и S магнита 1, которое снаружи становится обладающим свойством магнита с сохранением полярностей магнита 1 (как видно из фиг.2). То же самое относится и к появлению максимумов намагниченности кольца вблизи полюсов постоянного магнита 4 с сохранением полярности этого магнита на внутренних частях кольца (как видно из фиг.3), хотя основной магнитный поток постоянного магнита 4 замыкается по внешней части кольца ротора 3. Таким образом, кольцо из ферромагнитного материала (или полый шар в случае выполнения ротора 3 в форме полого шара со стенками из ферромагнитного вещества) является магнитным экраном несовершенного действия, то есть частично выпускающего наружу этого экрана магнитные поля для соответствующих магнитных цепей с заданными распределениями напряженностей магнитных полей на этих наружных частях «магнитного экрана», что и используется при работе устройства. Следует при этом отметить, что каждый из постоянных магнитов 1 и 4 создает магнитные поля, составляющие которых, замыкающиеся по соответствующим поверхностям ферромагнитного кольца ротора 3, не создают каких-либо вращающих моментов в этом кольце, а неуравновешенный вращающий момент в кольце возникает как следствие различия расстояний от зоны А (фиг.2) до полюса постоянного магнита 4 и от зоны В (фиг.3) до полюса магнита 1 (для тонкого кольца эти расстояния, как указывалось выше, различаются в 1,41 раза), а также из-за различия в углах действия сил магнитного сцепления (в одном случае сила магнитного сцепления ортогональна радиусу кольца, а в другом - направлена к нему под углом, близким к π/4). В силу однородности магнитных свойств кольца ротора 3 по всему его объему вращение ротора не изменяет действующего вращающего момента ΔМ для заданного значения угловой скорости ω.An important circumstance should be pointed out. The magnetic flux of the first permanent magnet 1 is largely closed along the inner part of the annular rotor, however, it partially magnetizes a ring with magnetization maxima near the poles N and S of magnet 1, which on the outside becomes magnet-like with preservation of the polarities of magnet 1 (as can be seen from figure 2 ) The same applies to the appearance of maxima of the magnetization of the ring near the poles of the permanent magnet 4 while maintaining the polarity of this magnet on the inner parts of the ring (as can be seen from figure 3), although the main magnetic flux of the permanent magnet 4 is closed along the outer part of the ring of the rotor 3. Thus , a ring of ferromagnetic material (or a hollow ball in the case of a rotor 3 in the form of a hollow ball with walls of ferromagnetic material) is a magnetic screen of imperfect action, that is, partially ejecting this e magnetic fields for the corresponding magnetic circuits with predetermined magnetic field strength distributions on these external parts of the "magnetic screen", which is used when the device is operating. It should be noted that each of the permanent magnets 1 and 4 creates magnetic fields, the components of which, closed on the corresponding surfaces of the ferromagnetic ring of the rotor 3, do not create any torques in this ring, and the unbalanced torque in the ring arises as a result of the difference the distances from zone A (FIG. 2) to the pole of the permanent magnet 4 and from zone B (FIG. 3) to the pole of magnet 1 (for a thin ring, these distances, as mentioned above, differ by 1.41 times), as well as for differences in the angles of action of forces m gnitnogo clutch (in one case, the force of the magnetic coupling is orthogonal to the radius of the ring, and in the other - is directed to it at an angle close to π / 4). Due to the homogeneity of the magnetic properties of the rotor ring 3 over its entire volume, the rotation of the rotor does not change the effective torque ΔM for a given value of the angular velocity ω.

Для примера можно указать, что при вращении ротора 3 со скоростью 3000 об/мин оптимальной величиной постоянной релаксации магнитной вязкости ферромагнитного вещества ротора является τ≈290 мкс.As an example, we can indicate that when the rotor 3 is rotated at a speed of 3000 rpm, the optimal value of the constant relaxation of the magnetic viscosity of the rotor ferromagnetic material is τ≈290 μs.

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)kT, где k - постоянная Больцмана, Т - 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: microparticle motion is caused by thermal energy - the momentum p of microparticle mass m ₁ is defined as p ² / 2m ₁ = (3/2) kT, where k is the Boltzmann constant, T is the temperature on the Kelvin scale, and collisions microparticles cause thermal processes among themselves - the medium heats up, that is, a self-reproducing energy exchange occurs, in which it is pointless to talk about heat losses, since thermal energy is the source of microparticle motion, and this movement generates thermal energy itself th. Apparently, more energy is spent on maintaining the chaotic motion of microparticles and, therefore, the chaotic distribution of magnetic moments (spins) in a substance in which it does not detect tangible magnetic properties than for those microparticles that have an ordered arrangement of their magnetic moments. Therefore, the part of the energy released as a result of the ordering of microparticles (domains) constitutes the energy of the magnetic field. This energy is self-renewing, determined by the nature of the processes of energy conversion at the micro level.

Однако остается неясным вопрос, каким образом механическая работа, совершаемая действием постоянного магнитного поля на магнитные тела или другие магниты, осуществляется без потери энергии магнитного поля. Ведь факт, что работа магнитных сил не приводит к исчезновению намагниченности постоянных магнитов. Работа совершается действием сил, в частности, магнитных сил. По третьему закону Ньютона действие силы вызывает равное и противоположно направленное силовое противодействие. В случае с силовым действием постоянных магнитов возникает вопрос об их источнике энергии, вопрос о том, какой объект затрачивает энергию, а какой ее получает. Но, возможно, нет ни того, ни другого, оба объекта - магнит и притягиваемое или отталкиваемое им тело - оказывают друг на друга силовое воздействие. А поскольку магнит при этом не теряет своей энергии, то из этого следует вывод, что магнит как бы восполняет «потраченную» на перемещение тела своей силой энергию за счет обратного силового действия со стороны этого тела, хотя природа этого преобразования пока не понятна.However, the question remains unclear how the mechanical work performed by the action of a constant magnetic field on magnetic bodies or other magnets is carried out without loss of magnetic field energy. After all, the fact that the work of magnetic forces does not lead to the disappearance of the magnetization of permanent magnets. Work is accomplished by the action of forces, in particular magnetic forces. According to Newton’s third law, the action of force causes an equal and oppositely directed force counteraction. In the case of the force action of permanent magnets, the question arises of their source of energy, the question of which object consumes energy and which receives it. But perhaps there is neither one nor the other, both objects - a magnet and a body attracted or repelled by it - exert a force effect on each other. And since the magnet does not lose its energy, it follows from this that the magnet seems to make up for the energy "spent" on moving the body with its own strength due to the inverse force action on the part of this body, although the nature of this transformation is not yet clear.

Таким образом, постоянные магниты потенциально являются источниками энергии, своеобразными неистощимыми аккумуляторами, «подзаряд» которых осуществляется непрерывно во времени за счет происходящих процессов превращения энергии на молекулярном уровне. «Запуск» в работу таких «аккумуляторов» как толчок к началу осуществления указанных молекулярных процессов производится от внешних источников однократно на этапе создания постоянных магнитов путем доведения специальных ферромагнитных материалов с высокой коэрцитивной силой до их насыщения в магнитном поле соленоидов с током намагничивания и необходимой технологической тренировки магнитов по известным правилам.Thus, permanent magnets are potentially energy sources, a kind of inexhaustible batteries, the "recharge" of which is carried out continuously in time due to the processes of energy conversion at the molecular level. The "start-up" of such "batteries" as the impetus to the start of the indicated molecular processes is performed once from external sources at the stage of creating permanent magnets by bringing special ferromagnetic materials with high coercive force to their saturation in the magnetic field of solenoids with a magnetizing current and the necessary technological training magnets by known rules.

Возможной модификацией заявляемого устройства является использование постоянных магнитов 1 и 4 не с плоскими полюсами, а сферическими - для ротора в форме полого шара или сферически-цилиндрическими - для ротора кольцевого типа, что снижает магнитное сопротивление цепей с такими магнитами.A possible modification of the claimed device is the use of permanent magnets 1 and 4, not with flat poles, but spherical - for a hollow-ball rotor or spherical-cylindrical - for a ring-type rotor, which reduces the magnetic resistance of circuits with such magnets.

Излишне говорить, что применение магнитных двигателей рассмотренного типа и аналогичных конструкций, использующих постоянные магниты, вместо электромагнитных двигателей, требующих затраты электрической энергии от постороннего ее источника, представляет большой интерес для энергетики. Физические основы работы таких двигателей представляют самостоятельный интерес для физиков-теоретиков, занимающихся проблемами магнетизма. Они должны со временем открыть этот феномен восполнимости энергии магнитного поля постоянных магнитов, независимо от их силового действия, без учета фактора естественного старения в таких магнитах.Needless to say, the use of magnetic motors of the considered type and similar constructions using permanent magnets instead of electromagnetic motors, which require electric energy from an external source, is of great interest to the power industry. The physical foundations of the operation of such engines are of independent interest to theoretical physicists involved in the problems of magnetism. Over time, they must discover this phenomenon of the replenishment of the magnetic field energy of permanent magnets, regardless of their strength action, without taking into account the natural aging factor in such magnets.

Claims (1)

Магнитный двигатель, содержащий постоянные магниты и ротор из ферромагнитного вещества, отличающийся тем, что ротор из ферромагнитного вещества выполнен в виде кольца или полого шара, внутри которого неподвижно закреплен первый постоянный магнит, а снаружи от него неподвижно закреплен второй постоянный магнит подковообразной формы, причем магнитные поля первого и второго постоянных магнитов взаимно ортогональны в области расположения ротора и действуют на него с различными магнитными силами, постоянная времени τ процесса перемагничивания ферромагнитного вещества ротора равна τ≈0,09/ω_уст., где ω_уст. - расчетная угловая скорость вращения ротора в установившемся режиме.A magnetic motor comprising permanent magnets and a rotor of ferromagnetic substance, characterized in that the rotor of ferromagnetic substance is made in the form of a ring or a hollow ball, inside of which the first permanent magnet is fixedly fixed, and the second horseshoe-shaped permanent magnet is fixedly fixed outside of it. the fields of the first and second permanent magnets are mutually orthogonal in the region of the rotor and act on it with different magnetic forces, the time constant τ of the process of magnetization reversal Bani ferromagnetic material of the rotor is equal τ≈0,09 / ω _mouth. where ω _mouth - the calculated angular velocity of rotation of the rotor in the steady state.

Images