Sanyi nyitott mágnesterű motorral kísérletezett. Az elképzelését és az azokat ellenőrző kísérleteket az itt következő sorokban ismerteti.
Némi magyarázatra szorul a "nyitott mágnesterű"
elnevezés:
A hagyományos motorok mágneses tere zárt, az erővonalak - leszámítva a szórt
fluxust, illetve a légrést - a vastestben (állórész és forgórész) záródnak.
1. ábra. Zárt mágnesterű motorok
Nyitott mágnesterűnek nevezem azokat a megoldásokat, ahol az erővonalak nem
vastestben záródnak.
Az én kialakításom a következő:
Egy tengelyre egy (vagy több) állandó mágnes van szerelve. A mágnes erővonalai
a nyíl irányába (vagy azzal ellentétesen) állnak, lényeg, hogy az érintővel
párhuzamosak legyenek. A mágnes a tengellyel együtt fordul el. A forgó mágnessel
egy vonalban levő álló elektromágnes gondoskodik a forgórész mozgatásáról.
A tekercs csak addig kap feszültséget, míg áthalad előtte a forgó mágnes.
2. ábra. Nyitott mágnesterű motor
Honnan ez a furcsa, szokatlan, látszólag semmire sem jó elrendezés? Egyáltalán
működőképes lehet egy ilyen kialakítású gép?
Régóta "játszom" mágnesekkel, s aki már megtette, bizonyára felfedezte, hogy az egymásra merőleges térrel elhelyezett mágnesek nagy erővel oldalirányban taszítják egymást.
3. ábra.
Ez akkor is igaz, ha a mozgó mágnest egy tengelyre szereljük, mint fentebb ábrázoltam.
Amikor a mozgó mágnessel az 1. Fázis szerinti polaritással közelítünk az álló mágneshez, egyre nagyobb erőt kell legyőznünk a mozgatás során, de ahogy egy adott ponton túljutunk (3. és 4. Fázis), a mozgó mágnes szinte kirepül a kezünkből. Az örömünk nem tart soká, mert az álló mágnes elhagyásához is meg kell küzdeni az erőtérrel. Ha a mozgó mágnesünket egy tengelyre felszereljük, tapasztalhatjuk, hogy ez utóbbi erő mindaddig akadályozza a mozgást, míg visszatérve az elejére, át nem jutunk az említett adott ponton.
4. ábra.
A forgatónyomaték diagramja a következőképpen alakul:
5. ábra. A forgatónyomaték diagramja
Természetesen a fentiek szerint kialakított "gép" nem fog működni.
A diagram ugyan nem pontosan rajzolt, csak szemléltető jellegű, de a lényege,
hogy egy teljes fordulat megtétele alatt fellépő erők (negatív és pozitív)
eredője = 0.
A görbe metszéspontjai (3. és 5. fázis) közti
távolság a mágnesek méreteitől, ("szélességétől") és a forgástengelytől
mért távolságtól függ.
Minél "keskenyebb" a mágnes, - akár az álló, akár a mozgó, vagy
mindkettő együtt - a 3. és 5. fázis annál közelebb kerül egymáshoz, a két
billenési pont között annál kisebb lesz az elfordulás szöge. Ezzel együtt
a görbe pozitív csúcsa is magasabb lesz. (Mivel keskenyebb lett, s hogy a
görbe alatti terület ne változzon, a csúcsa lesz magasabb.) Némiképp a görbe
többi része is változik, de az erők eredője mindig nulla marad.
A tengelytől mért távolság növelésének legszembetűnőbb hatása az 1. 6. 7.
8. fázisban mérhető erők csökkenésében mutatkozik meg. (Itt viszont az út,
azaz kerület meghosszabbodása ellensúlyozza az erők csökkenését.)
Számos megoldást találtam a negatív csúcsok lefaragására, de eddig mindegyiknek volt káros mellékhatása, vagy a pozitív csúcs lett kisebb, vagy a megszűnt negatív csúcs más fázisokban oszlott szét, vagy mindkettő egyszerre jelentkezett. Azért ez még nem lefutott ügy…
Megfordítottam a forgásirányt, ezzel együtt a görbe is a feje tetejére állt.
6. ábra. A forgatónyomaték diagramja ellentétes forgásirány esetén
Úgy okoskodtam, talán egyszerűbb egy rövid úton
ható negatív erőt kézben tartani. Jobb ötletem híján keskeny mágneseket választottam
kísérlet céljára, a negatív erőket mintegy 25-30 °-os elfordulási szögre
korlátozva. Azt találtam ki, hogy a 7.-től 5. fázisig - ne felejtsük el, visszafelé
haladunk, hiszen megfordítottam a forgásirányt - kialakuló erővonalakat (kapcsolatot
a két erőtér között) egyszerűen "elvágom" egy elektromágnes segítségével.
Ez a megoldás csak úgy célravezető, ha nem magát az álló mágnest gerjesztem
le, mert az igen nagy energiát igényelne, hanem a mágnes meghosszabbításaként
hozzáillesztett lágyvas darabot. Itt azonban egy komoly problémákkal kellett
megküzdeni. A vas ugyan jó mágneses vezető, de éppen ez a tulajdonsága fejt
ki árnyékoló hatást. Ha viszont erősebb mágnest választunk, akkor a vas legerjesztése
emészt fel sok energiát. Ezért egy nagyobb mágnest választottam. A vas ugyanis
oldalirányba vezeti el az erővonalak jó részét, ezt azonban a szélesebb mágnesnél
nem teheti oly mértékben. A nagyobb mágnes számunkra "elveszett"
erővonalai szinte párnaként szolgálnak a hasznos erővonalak együtttartásában.
Ezzel az ötlettel két legyet ütöttem egy csapásra,
mert egy másik gond is megoldódott. Ha a mágnes távolabb kerül a forgás tengelyétől,
az jelentősen lerontja az éppen túloldalon levő forgó mágnesre ható erőket,
más szóval a forgatónyomaték lesz csekély. A csokorba fogott erővonalak azonban
kiegyenlítették a távolság megnövelése okozta erőtér gyengülést.
Ettől függetlenül a tekercset elég "laposra" kellett készíteni,
hogy a távolságot a minimumra szorítsam.
7. ábra. A kétféle mágnes erőtereinek összehasonlítása
8. ábra.
Eddig az elmélet, jöjjön a gyakorlat.
Megépítettem a motort. Kiállításra azért nem vinném,
szörnyű masina sikeredett belőle, de a célnak kitűnően megfelelt.
Röviden a leírása:
Egy kb. 150 mm hosszú, 6 mm átmérőjű réz csőre, melyre éppen ráillett egy
kimustrált kézi fúrógép forgórész csapágya egy kéznél levő 40×20×10 mm-es,
a legnagyobb lapjára merőleges mágnesezésű ferritet rögzítettem közvetlen
a tengelyre, műgyanta ellensúllyal az ellenoldalon. A tengellyel párhuzamosan
a 40×10 mm-es oldala áll. Az így elkészült forgórészt amennyire lehetett kiegyensúlyoztam,
csapágyakkal együtt bútorlapból készült állványra szereltem.
(A bútorlap azért jó, mert különböző segédeszközöket gyorsan lehet rá felcsavarozni,
szükség szerint áthelyezni, stb.)
A tengely egyik vége mintegy 40 mm-t túlnyúlt az állványon, erre szereltem
forgási síkban elfordíthatóan, de rögzíthetően egy kisebb mágnest, az állványra
pedig egy REED csövet, hogy a forgórész meghatározott szögállásánál a tekercs
feszültségét be, illetve kb. 35-40 fok megtétele után kikapcsolja. Szereztem
egy tekercset, mely formailag illett a kb. 25 dekás forgórészhez. Ez a tekercs
egy 420 W-os, 7000 menetes. Felszereltem szemben
a forgó mágnessel, tettem bele egy darab lágyvasat, végül egy nagyobbacska
mágnest (több ajtózár mágnesből összerakva) a tekercs hátoldalára ragasztottam.
Így elkészült az első egypólusú nyitott mágnesterű motorom.
Tápfeszültségként 24 V-os trafó szolgált egyenirányítva, 2×3000 µF-os kondikkal
simítva, közte egy 100 W-os ellenállás, hogy a
rajta eső feszültségből az átfolyó áramot mérni tudjam. A kapocsfeszültség
a kondenzátorokon 35 V-ra kerekedett.
9. ábra. A motor bekötési rajza
1. Kisérlet
Rákapcsoltam a tápfeszültséget, s a motor elindult. Mit mondjak, nem szédített el a fordulatszáma, hozzávetőleg 200-300-at pöröghetett. Az áramfelvétele azonban elképesztően alacsony volt. Az ellenálláson mért feszültség 0,39-0,4 V között mozgott, az áramfelvétel 0,004 A, a teljesítménye 0,14 W lett. Ez kevesebb, mint vártam. (35 / 420=0,083 A 0,083×35=2,905 W, amit kb. 10-zel még el kell osztani, mert a tekercs egy fordulat alatt annak kb. 1/10 részéig van bekapcsolva.)
Eredmény. Fordulatszám: 200-300/perc becsült érték
Áramfelvétel: 0,004 A
Teljesítmény: 0,14 W
2. Kisérlet
Másnap új tekercs: 80W 1700 menettel. (Egyszerre hármat szereztem be)
Eredmény. Fordulatszám: 500-700/perc becsült érték
Áramfelvétel: 0,0043 A
Teljesítmény: 0,1505 W
3. Kisérlet
A tekercs nem elég "lapos". Csévetest
készítés 40×6 mm-es magra, melynek hossza 15 mm, fele sem a korábbinak.
Az egyik meglévő tekercset átcsévéltem, egyéb adatai így lényegesen nem változtak.
Eredmény: nincs különösebb változás.
4. Kisérlet:
Kapocsfeszültség megemelve 52 V-ra
Eredmény. Fordulatszám: 1500/perc sztroboszkóppal mérve
Áramfelvétel: 0,009 A
Teljesítmény: 0,468 W
A tekercsre erősített mágnes menet közben leesett.
Kicsit meglepő volt, hogy semmi változás nem történt sem a fordulatszám, sem
az áramfelvétel terén.
Ha fordított polaritással tettem vissza a mágnest, akkor sem változott semmi.
Hmm…
5. Kisérlet:
Második tekercs felszerelése. Külön REED csővel
vezérelve.
Eredmény: Sem a fordulatszám, sem az áramfelvétel nem változik.
REED cső érintkezője többször összeragad. Az előző (kísérletnél is.) Még nem tudom miért, látszólag semmi nem indokolja.
6. Kisérlet:
"Kommutátor" és állítható kefehíd készítés,
felszerelés.
A kommutátor szelet kúpos kivitelű, hogy a bekapcsolt állapot szöge állítható
legyen 25-90° között.
A kefehíd a forgás síkjában elfordítható a tekercs szimmetria-tengelyéhez
viszonyított kapcsolási szög állítása érdekében.
A továbbiakban egy darab, mágnes nélküli tekercset használok, de többször
ellenőrizve a mágnes hatását (mindkét polaritással kipróbálva) a mért paraméterekre.
Erős kefeszikrázás, tekerccsel párhuzamos dióda jelentős fordulatszám csökkenést
okoz, helyette 400 V-os 2,2 µF-os kondival elfogadható szintre csökkentve.
A bekapcsolt állapot szöge hozzávetőleg 60°.
Többféle geometriájú, de azonos ellenállású, menetszámú tekercs alkalmazása
nem okozott említésre méltó változást a mért eredményben.
Eredmény:
Fordulatszám: | 3000/perc | 6000/perc |
Áramfelvétel: | 0,018 A | 0,04 A |
Teljesítmény: | 0,9 W (Uk a motoron 50,2 V) | 1,92 W (Uk a motoron 48 V) |
7. Kísérlet:
Összehasonlítás egy modellmotorral:
Modellmotor adatai:
Működtető fesz. 6,86 V (működtetve akkutöltőről, 6V-os állásban)
Fordulatszám 8000/perc (becsült érték, eredetileg 10500/ perc 12 V feszültség
mellett)
Áramfelvétel 0,28 A (üresjárásban)
Teljesítmény 1.9 W (üresjárásban)
Összekapcsolva a két motort, először a modellmotorral forgattam a kikapcsolt kísérleti példányt.
Eredmény:
Fordulatszám: 6000/perc
Áramfelvétel: 0,8 A (az akkutöltő több mint 1 A-t mutatott)
Teljesítmény: 5.5 W (de lehet, hogy 6-7 W. Egyébként melegedett is.)
Majd a kísérleti példánnyal forgatva a kikapcsolt
modellmotort
Eredmény:
Fordulatszám: 2000-3000/perc
Áramfelvétel: 0,049 A
Teljesítmény: 2,347 W (motoron 47,9 V)
A mérést többször elvégeztem hasonló eredménnyel. Ha mindent összevetünk, - teljesítményt, fordulatszámesést - tulajdonképpen egál.
Ez már valami. Érdemes jobban körüljárni az eddigi eredményeket, s választ keresni a "Hogyan tovább?" kérdésre.
Kiértékelés:
Feladatok:
- Elektronikus kommutátor készítése.
- Eszköz készítése a forgatónyomaték mérésére.
- Indukált feszültség, impedancia vizsgálata.
- Terhelési vizsgálatok.
- Alaki tényezők vizsgálata.
- Többmágneses, többtekercses motorok vizsgálata.
- Más geometriai elrendezésű motorok vizsgálata.
Indukált feszültség, impedancia vizsgálata.
1. Kísérlet: Impedancia vizsgálata
A tekercset leszereltem, elvettem a forgórésztől, amit a modellmotorral 6000-es fordulatra pörgettem. A kapocsfeszültséget ráadva mértem az áramfelvételt. Ezután a kefeszikrázást csökkentő kondenzátort (400 V, 2,2 µF) bekötve végeztem el e mérést. A mérést elvégeztem vasmag nélküli tekerccsel.
10. ábra.
Eredmény:
Fordulatszám: 6000 / perc
A tekercs vasmaggal:
Áramfelvétel: | 0,001-0,003 A | Kondenzátorral: | 0,014-0,027 A |
A tekercs vasmag nélkül:
Áramfelvétel: | 0,004-0,005 A | Kondenzátorral: | 0,035-0,045 A |
A kondenzátor nélkül egy nagyságrenddel nagyobb
a tekercs impedanciája, mint kondenzátorral.
Ez azért fordulhat elő, mert a kondenzátor minden fordulat alatt kisül, s
a tápforrásnak minden bekapcsoláskor fel kell tölteni. Ez tulajdonképpen veszteség.
Érdekes, hogy e különbség nem jelentkezik normál üzemi körülmények között
az áramfelvétel tekintetében, illetve jelentkezik, - ha nem is ilyen mértékben
- de a kefehíd "előbbre" hozásával visszaáll a rend.
2. Kísérlet: Indukált feszültség vizsgálata. 1.
A tekercs fordulatonkénti kikapcsolásakor jelentkező
feszültség-csúcsokra voltam kíváncsi.
Motor újra összeszerelve az alábbi kapcsolás szerint. Elindítva, megforgatva
6000/perc fordulaton.
Ezzel a feszültséggel feltöltöttem a 2,2 µ-os kondit.
11. ábra.
Eredmény: 310 V
A kefeszikrázás egyik (mert lehet, hogy van több is) okát sikerült megtalálni.
3. Kísérlet: Indukált feszültség vizsgálata. 2.
A forgásirányban jelentkező, mozgás által indukált
feszültséget mértem.
A motort a modellmotorral forgattam, kapocsfeszültség nélkül.
12. ábra.
Eredmény:
Dióda rajz szerint kötve:(kapocsfeszültséggel azonos irányú, mozgás által
indukált feszültség mérése)
Fordulatszám: 6000/perc modellmotorral
Kondenzátor feszültség:
Vasmaggal: 14,8 V, 1kW sönttel: 7,7 V
Vasmag nélkül:
6,2 V, 1kW sönttel: Nem mértem
Dióda megfordítva: (kapocsfeszültséggel ellentétes irányú, mozgás által indukált
feszültség mérése)
Fordulatszám: 6000/perc modellmotorral
Kondenzátor feszültség:
Vasmaggal: 86,5 V, 1kW sönttel: 15,2 V
Vasmag nélkül: 24,4
V, 1kW sönttel: Nem mértem
Dióda kivéve: (a két feszültség görbe alatti területének különbségét szeretném
mérni, de mivel nem szinuszos és nem is szimmetrikus a feszültség, csak tájékoztató
jellegűnek veszem a mérést)
Kondenzátor feszültség: 37,2 V váltakozó feszültség. (vasmaggal)
A kapocsfeszültséggel ellentétes irányú indukált
feszültség magasabb, mint a kapocsfeszültség!
Ez azt jelenti, hogy van olyan szakasz, amikor visszafelé folyik az áram.
Erre már korábban is számítottam, ezért van a kapcsoló előtt dióda.
Ez lehet a másik oka a kefeszikrázásnak.
Energiatartalmuk viszonylag kicsi, de úgy látszik a dióda nélküli mérésből
is, hogy az alacsonyabb indukált feszültség (kapocsfeszültséggel azonos irányú)
energiatartalma saját feszültségéhez képest arányaiban nagyobb. Más megközelítésben:
sokkal laposabb a görbéje. A megtett körív nagyobbik szakaszán ez a feszültség
indukálódik, hiszen a tekerccsel szemközti félkörön futó mágnes, ha kismértékben
is, de hatással van a tekercsre. Ez idő alatt elvben nincs bekapcsolva a tekercs.
A nagyobbik, a kapocsfeszültséggel ellentétes irányú viszont csak a bekapcsolt
állapotban jelentkezik, a 20-30°-os rövid szakaszon.
Egyenlőre szkóp hiányában megpróbálom "íróasztal
mellől" kitalálni, valójában mi is játszódik le egy ilyen szerkezetben,
próbálok válasz adni kis masinám ravasz kérdéseire, mert szigorú tanár Ő.
Jobban tudja a fizikát minden földi halandónál. Ez is megérne egy filozófiai
eszmefuttatást a "Találmány és diákja" címmel…
Ezért nem is kell igazán komolyan venni a görbék alakját, mert azok nem valós
értékeket tükröznek. Azt akarom szemléltetni, mit gondolok a motor működéséről,
hogyan képzelem el a benne lejátszódó folyamatokat.
Fluxus alakulása a forgó mágnes hatására az elektromágnes
vasmagjában egy körbefordulás alatt.
A tekercs nem mágnessel szerelt.
A tekercsen nincs kapocsfeszültség.
13. ábra.
14. ábra.
15. ábra.
16. ábra.
A gerjesztett - s ezzel együtt az eredő - fluxus
külön egy kérdéskör, ugyanis szerintem itt hasonló jelenség játszódik le,
mint egy trafónál: Ha a szekunder oldalt terheljük, a vasban levő fluxus lecsökken
(itt a közeledő forgó mágnes miatt, mert ilyenkor annak ellentétes irányú
az erőtere) s ezt a primer oldali nagyobb áramfelvétel egyenlíti ki. Valószínűleg
itt sem engedi meg a tekercs, hogy a fluxus a gerjesztett szint alá csökkenjen,
hanem a gerjesztés fokozásával (többlet áramfelvétel) kiegyenlíti azt.
Az a különbség, ami az 1. Kísérlet Impedancia vizsgálat 0,001-0,003 A értéke
és az üzem közben mérhető 0,04 A érték között van, ennek a többlet áramfelvételnek
az eredménye, s azt az energiát szolgáltatja, ami a forgáshoz éppen szükséges.
Igen nagy a valószínűsége, hogy terhelésnél is, vele arányos áramfelvétel
növekedéssel kell számolni hasonló jelenség miatt. Egyenlőre nem látok lehetőség
a többlet energia nyerésére, bár a két motor összehasonlítása reményt keltő.
Néha az az érzésem vissza kellene kanyarodni az
eredeti elképzelésemhez, a mágnessel szerelt tekercses megoldáshoz. Ott ugyanis
a mágnesek "dolgoznak" a kör megtételének mintegy 90%-ában, kikapcsolt
tekercs mellett. A mágnesek, a tekercs és a vasmag fizikai jellemzőinek ideális
kialakításával talán lehet mit keresni.
A mérleg másik serpenyőjében ellenben ott lapul a tény, hogy a nyomatékgörbe
alsó és felső (piros és kék színnel jelölve) részei tökéletesen kiegyenlítik
egymást, ennek okán úgy tűnik tökmindegy, melyik részét veszem célba. Most
viszont annyival egyszerűbb a dolog, hogy legalább a tekercs mágnesével -
ami nincs - nem kell foglalkozni, így is van épp elég járatlan út. Mindkét
esetben lehet olyan helyzet, mely eddig nem ismert jelenséget tár fel.
Ha a dolgok mélyére nézünk, kiderül, mindkét megoldásban a mozgás kulcsa a
rendszerhez hozzáadott elektromos energia. Az eredeti változatban közvetett
úton, más szóval: egy negatív tényezőt semlegesít, míg az utóbbi esetben közvetlen
létrehozója a mozgásnak.
Mindkét variációban mágnes-elektromágnes viszonyáról van szó, függetlenül
attól, hogy a forgatónyomatékot ténylegesen mi biztosítja: a mágnes, vagy
az elektromágnes.
Vizsgálódásom és okoskodásom során eddig az energiamegmaradás törvényének
érvényesülését látom.
A kérdés az, hogy e motor működése közben van-e, fellép-e olyan fizikai jelenség,
mely eddig nem ismert (el nem ismert) törvény szerint hat, illetve milyen
kialakítás mellett várható a megnyilvánulása.
Ezt jól át kell gondolni, mielőtt a már korábban említett további feladatok
sorát újabbakkal egészítem ki, vagy cserélem fel.
Utolsó frissítés dátuma: 2006 február 14.