Мотор на магнитных воротах

В каких случаях возможна трансформация энергии магнитного поля в механическую энергию вращения твердого тела ?

Для этого необходимо, чтобы характер сил (степень зависимости от расстояния), создающих вращательный момент по часовой стрелки на всей длине окружности отличался от характера сил, создающих вращательный момент против часовой стрелки. Другими словами, если сила “F1”, вращающая стержень против часовой стрелки, например зависят от расстояния “r” до магнита как F1 = k1 *mag / (r3) , а сила “F2” , вращающая стержень по часовой стрелки зависит от расстояния как F2 = k1*mag / (r1) , то моменты сил могут быть скомпенсированы только на расстоянии r =1. В этом случае F1 = F2. Если мы увеличим расстояние между верхней и нижней пластинами магнитопровода, между которыми находится железный стержень, то вращение стержня будет регулярно увеличиваться по часовой стрелки. Если мы уменьшим расстояние между пластинами, то вращение стержня будет регулярно импульсами увеличиваться против часовой стрелки.

(Это без учета краевых эффектов на дальних от магнита концах магнитопровода)

Возможно ли создать физически систему, имеющую не равный нулю суммарный момент? Действительно возможно, предложена модель в которой теоретически (без учета многих факторов) получается, что момент может быть не скомпенсирован. Но для окончательного вывода необходим физический эксперимент.

В качестве источника магнитного поля в этой модели используется не просто магниты, а магниты с магнитопроводами. В магнитопроводе поток магнитного поля затухает иначе (практически линейно от длины), чем в воздухе (не менее чем кубическая зависимость), за счет этого мы получаем не скомпенсированный момент сил действующих на металлический стержень. Расстояние между магнитопроводами должно быть минимально (нет ограничения по минимуму зазора, а значит и мощности), стержень двигающийся между магнитопроводами, должен закорачивать через себя практически весь основной поток силовых линий магнитов. Движение и основной момент импульса стержень ротора получает при входе в магнитопровод со стороны расположения магнитов! Так как эта точка входа имеет максимальный градиент магнитного поля, далее движется по инерции, слегка тормозясь слабым градиентом магнитного поля между магнитопроводами. Оптимальность длины магнитопровода, не исследовно.

Расчет моделирующей программы:

Момент силы по часовой стрелке, вращающий пропеллер из трех лопастей (стержней), расположенных под углом 120 градусов. На рисунке хорошо видны 6 отрицательных всплесков ( стремящихся повернуть пропеллер против часовой стрелки ). Причем, чем меньше зазор между ротором и статором, тем сильнее "всплески" момента сил против часовой стрелки и тем меньше по сравнению с ними суммарная тяга по часовой стрелке (сравниваются площади графика <+> и <->).

Примечание: После тестов было обнаружено, что основной "сложный" момент - это когда какой-либо сегмент ротора выходит из зацепления элемента статора. Но это частично решается тем, что в это время уже подводится к магниту следующий элемент ротора - и он перехватывает большинство силовых линий на себя (слегка теряя в тяге, но кажется обойти можно). Далее обнаружено, что регулируя расстояние между сегментами статора (зазор) можно убрать отрицательные влияния - но при этом в зазоре возникают аномалии, которые плохо удается теретически прогнозировать (может кто на современных компьютерных моделях сможет обыграть).

Был проведен успешный тест, на немного упрощенной конструкции:

Как видно из рисунка, в качестве ротора применялся прямоугольный в сечении стержень из мягкого металла (кусок строительной арматуры 140 х 12 х 6 мм) посаженный за один конец на ось с подшипником, в качестве магнитопроводов использовались отрезки того-же прутка длиной 60 мм. В качестве магнитов применялись таблетки диаметром 12 мм и толщиной 3 мм каких-то сильных магнитов (купленных на рынке с рук, стальной блеск и очень любят раскалываться когда схлопываются). В качестве подстроечного магнита применялся кусочек магнитной крошки 3 х 4мм - им двигали вдоль ротора в пределах 1...3 см от оси. Ротор проходил над статорными пластинами на 3-5 мм (по кругу была разная высота - так уж получилось....) Зазор между пластинами статора регулировался 5...10 мм во время настройки конструкции в зависимости от неоднородности силы магнитных таблеток.

Настройка: Довольно нудно и долго... (Обязательно должна быть произведена отборка одинаковых магнитов, так как даже в одной упаковке магниты могут сильно отличаться по характеристикам) Сначала выставляли платформу горизонтально и проверяли ротор от зажима оси в подшипнике (меняли подшипник что бы не было никаких тормозов на малых усилиях). Дальше ставили первый сегмент статора (на клей), затем располагали второй и регулировали расстояние от предыдущего элемента (хвост магнитопровода без магнита) - так что бы при прохождении ротора над первым сегментом статора, ротор проскакивал на следущий сегмент и "ударялся" в конец второго сегмента статора (о пучностьмаг.линий). Затем приклеивали второй сегмент статора и ставили третий сегмент. При тестировании ротор запускали опять сначала с первого сегмента статора перед магнитом. Ротор удерживал деревянной линейкой и резко убирал ее, железный ротор начинал притягиваться к первому сегменту статора со стороны магнита, а затем по инерции двигался до конца сегмента и перепрыгивал на следующий сегмент статора...

После 3-х недельной тщательной настройки всех сегментов статора - ротор вращался по кругу сам! со скоростью ~ 1 оборот/сек. Движение было рывками, энергии разгона от одного магнита хватало, чтобы перескочить на следующий сегмент. Констукция была очень капризная к горизонтальному расположению (магниты слабые, зазоры плавали 3..7 мм). Часто клинил подшипник от магнитного перекоса ротора и мелкой ржавчины (подшипник иногда так клинило - что даже рукой усилие чуствовалось). НО! доказать самовращение на постоянных магнитах удалось! это и была основная задача модели.

Произведен поиск при каких условиях нарушается вращения ротора:

1 если магниты слабые
2 если магниты сильно разнятся по силе
3 если перепутали полюса магнитов
4 если в качестве магнитопровода использовал более толстый (не 6мм, а 10мм - наверное не хватало уже силы магнитов)
5 если в качестве магнитопровода применял другое железо (типа стали - блестящее, а не черное железо от строительной арматуры)
6 если зазор между ротором и статором увеличить
7 если зазор не равномерен по длине статорной пластины
8 если ротор слишком легкий (болванки 10х10х14 уже достаточно)
9 если ротор сделан из слишком широкой пластины (видимо в этом случае надо подбирать расстояния)
10 если система не выровнена по горизонтали
.....
(Дальше заниматься "глупостями" начальство запретило! эта разработка на том и закончилась.... Сама идея разработки появилась после чтения проекта сайта )

Дальнейшее развитие конструкции

(все конструкции должны выполнятся с магнитными зазорами не более 0.3 мм)

Вариант 1 (экспериментальный)

На рисунке луч ротора из хорошего магнитопровода, который затягивается со стороны магнитов в зазор между статорными магнитопроводами. В этот момент ротор получает импульс энергии, затем движется между магнитопроводом (с маленьким зазором!!) по инерции, так как обратная тяга незначительна. Но по мере вращения магнитопровод приближается к оси.
Останавливающий импульс момента выхода железного луча ротора из зазора магнитопровода скомпенсирован уменьшением приложенного момента. В принципе затем можно расположить еще один или несколько магнитопроводов перехватывающий луч ротора, но это только для улучшения характеристик.

Здесь единственно необходимо, что бы был хороший магнитопровод, иначе при большом магнитном сопротивлении резко повышается обратная магнитная тяга на ротор по мере прохода луча ротора через магниопровод.

Самый кончик статорного магнитопровода желательно сделать зауженным - что смягчит импульс обратной тяги при выходе в этой точке луча ротора из щели, разрывая магнитные линии.

Вариант 2 (экспериментальный)

Оптимизированный вариант мотора

(рекомендуемый для изготовления)

В этом варианте вектор магнитной тяги разворачивается на 90 град и если при входе статора в зазор ротора магнитная тяга в сторону вращения, то при выходе статора из зазора ротора магнитная тяга в радиальном направлении, то есть не мешает вращению.

Принцип работы:

В центре ротора магнит-кольцо (например от мощного динамика)
Ротор состоит из двух одинаковых фигурных толстых пластин магнитопроводов, между которыми круглый магнит. В итоге эти два (светло-серых) магнитоппровода ротора являются как бы продолжением полюсов магнита.
если между железными намагниченными полюсами вставлять еще одну железку, то она будет затягиваться так, что бы как можно больше магнитных линий проходило через эту железку.
в итоге железки статора (их три - темного серые) должны затягиваться внутрь между двумя железными магнитопроводами ротора, поворачивая сам ротор. Причем тяга осуществляется в том направлении, в котором будет больше площадь пересечения с железкой статора.
Но железки статора несимметричны и каждая затягивается под разным углом в ротор.
Так как только в одном месте магнитная тяга создает вращение (тягу по касательной к ротору), то в двух остальных случаях тяга хоть и сильнее, но давит на ось по радиусу и не мешает вращению. В итоге баланс сил на вращение практически всегда в одном приоритетном направлении вращения.
Желтым на рисунке - пластик или дерево, серым и темно серым - мягкое отоженное железо. Единственное на что стоит обратить внимание, что бы зазоры между ротором и статором были не более 0.1-0.3 мм, а так же что бы этот зазор был одинаковым по мере вращения ротора.

Ещё вариант: