Устройство ротации магнита около линейного тока

(51)02 16/00, 19/00, 21/00 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО РОТАЦИИ МАГНИТА ОКОЛО ЛИНЕЙНОГО ТОКА(71) Заявитель Сидорович Александр Мечиславович(72) Автор Сидорович Александр Мечиславович(73) Патентообладатель Сидорович Александр Мечиславович(57) 1. Устройство ротации магнита около линейного тока, содержащее линейный проводник с электрическим током и подвижный для осевого вращения магнит с ортогональной к оси вращения намагниченностью, отличающееся тем, что выполнено с относительно массивным ротором из постоянных магнитов с числом пар полюсов, определяемом необходимой синхронной скоростью вращения при выбранной частоте переменного тока в линейном проводнике, например в виде одиночного магнита прямоугольной формы или составного,который расположен вблизи или на удалении до десятка и более сантиметров от линейного тока достаточной для силового воздействия величины порядка 500 А и более с фиксированной или регулируемой промышленной частотой, при этом ось вращения ротора расположена произвольно в плоскости, ортогональной магнитному полю линейного тока. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что выполнено со свободно-опорным ротором в виде одиночного магнита, например прямоугольного параллелепипеда, размещенного внутри полого цилиндра из ненамагниченного материала с гладкой внутренней поверхностью с зазором порядка нескольких десятков процентов от поперечных размеров магнита. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что полый цилиндр со свободно-опорным ротором выполнен подвижным для осевого вращения и соединен с нагрузкой, при этом внутренняя поверхность цилиндра обеспечивает известными способами плавно усиливающееся зацепление по мере раскрутки ротора, например за счет трения скольжения и центробежных сил. 8464. Устройство по п. 2 или 3, отличающееся тем, что выполнено с когтеобразными полюсами магнита ротора. 5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что выполнено в виде системы 2-х или 3-х параллельных линейных проводников с током, сдвинутым по фазе соответственно на 90 или 120 градусов, между которыми соосно расположен ротор с магнитами в алюминиевом корпусе типа беличьей клетки, что обеспечивает асинхронный запуск до синхронной скорости за счет вихревых токов во вращающемся магнитном поле. 6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что снабжено системой преобразования вращательного движения в поступательное по направляющим, например пропеллером,винтовой, шестеренчатой или магнитной зубчатой бесконтактной передачей. 7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что выполнено многороторным на общей механической оси вдоль линейного проводника с током, в том числе при его расположении в виде меандра или многовитковых замкнутых цепочечных контуров. 8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что выполнено многороторным по параллельной схеме расположения и с общим линейным токопроводом, в том числе по схеме меандра или многовитковых замкнутых цепочечных контуров. 9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что выполнено с намагничиваемой промежуточной средой, например в виде магнитной жидкости или системы раздельных или общих магнитопроводов. 10. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что выполнено с электромагнитами постоянного тока на роторе, электропитание к которым подается через контактные кольца со скользящими щетками от источника постоянного тока или индуктивным путем от линейного тока или постороннего источника магнитного поля с последующим выпрямлением вентилями на роторе. 11. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что выполнено с постоянным током в линейном проводнике и с электромагнитами переменного тока на роторе, электропитание к которым подается через контактные кольца и щетки от дополнительного источника переменного тока или индуктивным путем с исполнением электромагнитов в виде катушек или спиралей с магнитопроводящими сердечниками или без таковых, чем обеспечивается вращение с синхронной скоростью в зависимости от частоты переменного тока и числа пар полюсов на роторе., 1820 (прототип) 2..-// . , 1822, , . 283-285. 3..-..//, 1821, . , . 447-467. 4. Вольдек А.И. Электрические машины. - М. - Л. Энергия, 1966 (прототип). Полезная модель относится к области физики и электротехники, к физическим моделям для демонстрации непрерывного вращательного движения магнита около линейного проводника с электрическим током и к электромашинным устройствам автоматики, защиты и контроля, в частности к многороторным микродвигателям с постоянными магнитами и электромагнитами постоянного и переменного тока. Преимущественной областью использования полезной модели может быть непосредственное применение устройства в различном исполнении в виде демонстрационной,учебной и исследовательской физической модели (лабораторной установки с минимальными затратами и практически безопасной) в курсах физики и электротехники средней и 2 846 высшей школы, а также в области измерительной и преобразовательной техники различных отраслей индустрии, где применяются большие токи, например, при автоматизации электротермических установок прямого нагрева, в электрохимии, в устройствах релейной защиты и автоматики высоковольтных линий электропередачи, станций и подстанций энергосистем. Известны только три случая 1-3 принципиально отличающихся устройств ориентационного или непрерывного вращения магнита около линейного электрического тока,осуществленных экспериментально и впервые в 1820-1822 гг. соответственно Г.Х. Эрстедом 1, М. Фарадеем 2, А.-М. Ампером 3. 1. Установка Эрстеда 1 представляет собой линейный проводник, питаемый от источника постоянного тока, и рядом расположенную подвижную магнитную стрелу магнитного компаса (июль 1820 г.). В результате этого фундаментального эксперимента достигнуто переходное вращательное (ориентирующее) движение магнитной стрелки. 2. Аппарат М. Фарадея (сент. 1821 г.) 2 также содержит проводник с постоянным током и подвижный стержневой магнит, частично погруженный в сосуд с ртутью. Здесь Фарадеем впервые осуществлено круговое вращательное непрерывное движение (орбитальное обращение, гирация) магнита около (вокруг) проводника с постоянным током с относительно небольшой скоростью по принципу униполярного двигателя. 3. Устройство Ампера (декабрь 1821 г.) 3 состояло из постоянного цилиндрического магнита, помещенного в пробирку со ртутью в вертикальном положении, через который пропускался постоянный ток. В этом опыте, затем также повторенном М. Фарадеем и позднее Э.Х. Ленцем, впервые осуществлено непрерывное вращение магнита вокруг собственной оси в магнитном поле постоянного тока, однако, в конструкции с общей электрической цепью и контактами в ртути, что ограничивает свободу перемещения вращающегося магнита. Устройство с непрерывным вращением (ротацией) магнита или электромагнита около(рядом, вблизи или на удалении) линейного электрического тока не известны и в этом отношении данная полезная модель рассматривается как пионерная. Хотя переменное магнитное поле оказывает ориентирующее действие на анизотропные магниты (магнитную стрелку и т.п.), например в магнесине на повышенной частоте 400-500 Гц, такое взаимодействие используется ограниченно и преимущественно только для токопроводящих ферромагнитных тел. Известны также, с другой стороны, в качестве аналогов по технической сущности заявляемого устройства однофазные синхронные двигатели (4, с.742-743) с переменным синусоидальным полем статора и постоянными магнитами на роторе, а также реактивного и гистерезисного типа, в которых осуществляется непрерывное вращение магнитов в переменном магнитном поле. Здесь магнитное поле сосредоточено в малом объеме рабочей зоны магнитопровода с фиксированным расположением конструктивных элементов без возможности свободного поступательного перемещения ротора в процессе его вращения, характерного для случая ротации вблизи или на удалении от линейного проводника с током. Наиболее близким по достигаемому результату к заявляемому устройству при его использовании является выбранное в качестве прототипа устройство фундаментального опыта Г.Х. Эрстеда 1, содержащее линейный проводник с током и рядом расположенный подвижный для осевого вращения магнит. Хотя результат непрерывного вращения магнита около линейного тока уже достигнут в устройствах М. Фарадея и А.-М. Ампера,он в обоих случаях относится к иным формам вращения, а именно к круговому орбитальному обращению магнита около токав первом случае и к вращению вокруг собственной оси магнита-проводника, с ограниченными возможностями его поступательного перемещения в процессе непрерывного вращения, - во втором случае. При этом устройства Фарадея и Ампера, а также заявляемое устройство являются впервые реализованными 3 846 принципиально различными физическими моделями (дополнительными приоритетными разработками) на основе фундаментального открытия Эрстеда, в которых экспериментально осуществлено непрерывное вращение магнита в магнитном поле линейного тока. Установка Эрстеда (1820 г.) в качестве составной части включает в себя подвижную магнитную стрелку магнитного компаса, известного еще задолго до нашей эры, многочисленные варианты конструктивного исполнения которого в данном случае не имеют принципиального значения. Существенно только то, что осевое вращение магнитной стрелки реалезуемо как вокруг вертикальной оси (в компасе), так и вокруг горизонтальной оси (в инклинаторе, как модификации компаса для измерения наклонения магнитного поля Земли). Так, в морском компасе Петра Перегрина (1558 г.) впервые использовано расположение стрелки на вертикальных остриях, которое в шторм-компасе Дента (1850 г.) задействовано с креплением обоих концов оси, а в стрелочном инклинаторе (деклинаторе Р. Нормана, 1581 г.)такое же крепление магнитной стрелки для вращения вокруг горизонтальной оси. При резком изменении магнитного поля в компасе возможно круговое вращение магнитной стрелки, которое быстро затухает, в том числе за счет демпфирования, например,от вихревых токов в корпусе прибора. Наблюдаемое иногда на практике непрерывное круговое вращение магнитной стрелки шторм-компаса Дента во время качки корабля на волне имеет иную (не магнитную) природумеханических автоколебаний резонансного типа, переходящих во вращательное движение, чему посвящены соответствующие исследования (Клонг И.П. О колебаниях картушки компаса, происходящих от боковой качки судна // Морской сборник. 1880,3 Крылов А.Н. Возмущения показаний компаса, происходящие от качки корабля на волнении // Изв. АН СССР, 1938 Терехов И.Н. Основы динамики картушки магнитного компаса // Записки по гидрологии, 1939,3). Явление устраняется отстройкой собственного периода колебаний картушки (магнитной стрелки) от периода качки корабля на волне. Существенно, что направляющая сила, действующая на чувствительную магнитную стрелку, мала и не допускает никакой нагрузки, например даже самые нежные электрические скользящие контакты практически полностью ограничивают свободу вращательного движения магнитной стрелки (картушки) компаса или инклинатора. Недостатком известного устройства прототипа 1 является нереализованная возможность непрерывного вынужденного кругового вращательного движения электромагнитной природы, допускаемого принципом действия устройства, а также невозможность силового применения подвижной легкой магнитной стрелки, например в качестве электродвигателя при возбуждении от линейного тока. Задача, решаемая исполнением полезной модели, заключается в осуществлении ранее неизвестного устройства с непрерывным силовым вращением постоянного магнита или электромагнита вокруг собственной оси (на основе дистанционного взаимодействия через магнитное поле) вблизи или на удалении от линейного проводника с электрическим током с возможностью относительно свободного размещения и перемещения вращающегося ротора-магнита. Указанная задача решается тем, что устройство ротации магнита около линейного тока, содержащее линейный проводник с электрическим током и подвижный магнит с возможностью вращения вокруг собственной оси (вертикальной или горизонтальной), всегда ортогональной направлению его намагничивания, выполнено с относительно массивным ротором с различным числом пар полюсов постоянных магнитов или электромагнитов постоянного и переменного токов, расположенным вблизи или на удалении от линейного тока (соответственно переменного или постоянного) достаточной для силового воздействия величины, чем обеспечивается непрерывное вращение ротора с фиксированной скоростью в зависимости от числа пар полюсов и частоты переменного тока. Указанная задача также решается тем, что ротор выполнен в виде одиночного прямоугольного свободно-опорного постоянного магнита, размещенного внутри полого цилин 4 846 дра из немагнитного материала, что обеспечивает его непрерывное вращение без шума и вибрации с самостоятельной раскруткой до синхронной скорости. Предусмотрены также иные конструктивные элементы для обеспечения самозапуска ротора и выбранного направления вращения (асинхронный пуск, когтеобразные полюса),а также для усиления крутящего момента на валу и отдаваемой мощности нагрузке в качестве микродвигателя с возможностью преобразования движения в поступательное вдоль линейного электропроводника. Существенным отличием устройства является также возможность многороторного исполнения по параллельной или последовательной схеме компоновки отдельных роторов в бескорпусном и корпусном вариантах с использованием в последнем случае усиливающих свойств промежуточной намагничиваем среды или сосредоточенных магнитопроводов. Сопоставительный анализ с прототипом и достигнутым уровнем знания и техники показывает, что заявляемое устройство отличается наряду с наличием новых элементов (относительно массивный ротор составного типа по сравнению с легкой удлиненной магнитной стрелкой в прототипе свободно-опорный ротор-магнит) также получением минимум двух новых неожиданных качественных положительных эффектов, а именно впервые осуществленное (01 января 2002 г.) непрерывное вращение магнита вокруг собственной оси рядом с линейным током самозапуск до синхронной скорости и непрерывное вращение вокруг собственной оси прямоугольного магнита в виде свободно-опорного ротора (приоритет также от 01 января 2002 г.). Кроме того, количественное расширение характеристик устройства (возможность силового применения в качестве синхронного микродвигателя с вращательным и поступательным перемещением многороторное исполнение) также обеспечивает новый положительный эффект, что в итоге вполне соответствует критериям патентоспособноститехническое решение, новизна, существенные отличия, положительный эффект. Исполнение полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 схематически показаны основные элементы устройства и их расположение. На фиг. 2 представлен многороторный вариант устройства по параллельной меандровой схеме расположения роторов. На фиг. 3 дается такой же многороторный вариант устройства, но с последовательным размещением роторов на общем валу с меандровой конфигурацией линейного проводника с переменным током. Согласно принципу действия полезной модели, пример устройства для простейшего случаяпеременного линейного тока и подвижного одиночного или составного магнита с одной парой полюсов приведен на фиг. 1. Устройство содержит линейный участок провода 1 с переменным синусоидальным током (порядка 500 А и более) любого напряжения,около которого (вблизи или на удалении до 10 см и более) расположены один или несколько подвижных магнитов 2 (прямоугольной формы, в т.ч. из нескольких магнитов с направлением намагниченности, ортогональным оси вращения), закрепленных для осевого вращения любым известным способом (в подшипниках, на оси и т.п.) с произвольным положением оси вращения (перпендикулярно, параллельно или под произвольным углом к линейному проводнику) в плоскости, перпендикулярной вихревому магнитному полю линейного тока. Линейный проводник может быть одиночным (в виде одного полувитка вторичной обмотки трансформатора или проводом воздушной высоковольтной линии электропередачи) или многожильным, в т.ч., линейным участком многовитковой обмотки при исключении или сохранении влияния тока обратного направления. Устройство работает следующим образом. При включении линейного тока в проводнике 1 или внесении подвижных магнитов 2 в зону интенсивного магнитного поля и обеспечении условий запуска в заданном направлении и до синхронной скорости и фазы(механический импульс, раскрутка иным способом) ротор с магнитами втягивается в синхронизм и непрерывно вращается с синхронной скоростью (в данном случае 3000 об/мин для одной пары полюсов и промышленной частоты тока 50 Гц). Вращающийся ротор может нести нагрузку на валу в качестве синхронного микродвигателя. 5 846 Многороторный вариант устройства по фиг. 1 с параллельным расположением роторов приведен на фиг. 2. Здесь линейный проводник 1 с переменным током выполнен в форме меандра, в нишах которого размещены роторы с постоянными магнитами 2. Механическая нагрузка на валу роторов показана условно в виде пропеллеров 3 (вентилятор,электрокалорифер с пропеллером и т.п.). Устройство работает аналогично устройству, приведенному на фиг. 1. Многороторный вариант устройства по фиг. 1 с последовательным расположением роторов приведен на фиг. 3. Линейный проводник 1 с переменным током также выполнен в форме меандра, в нишах которого размещены соосно роторы с постоянными магнитами 2 на общем валу. Механическая нагрузка условно показана в виде пропеллера 3. Устройство работает также аналогично устройству, приведенному на фиг. 1, но с большим вращающим моментом пропорционально числу роторов. Технико-экономическая эффективность полезной модели определяется наличием вышеупомянутых существенных отличий с новым неожиданным (непрерывное вращение около линейного тока и свободно-опорный ротор с самозапуском) качественным положительным эффектом и количественными отличиями (силовое использование в качестве синхронного микродвигателя и многороторное исполнение), а также возможностью преобразования вращательного движения в поступательное с последующим использованием углового или линейного перемещения для решения задач систем автоматики и контроля(например, переключения электрических контактов, которое исключалось в прототипе) в различных отраслях индустрии, в релейной защите и автоматике высоковольтных линий электропередачи, электростанций и подстанций в электроэнергетике. В самом простом варианте заявленное устройство может непосредственно использоваться в качестве полезной физической модели в курсах физики и электричества в средней и высшей школе и системе профессионально-технического образования для демонстрации непрерывного вращения магнитов около тока в воздухе (без использования ртути, медного купороса, кислоты и других жидкостей) в отличие от демонстрационных опытов по Фарадею и Амперу, а также при низком напряжении (до 36 или 42 В). Затраты на изготовление устройства минимальны. Устройство испытано экспериментально 01 января 2002 г. в Лаборатории Фонда Фундаментальных экспериментов (г. Минск). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6