Во всех областях деятельности люди, так или иначе, стремятся к эффективности, так как именно она позволяет с наименьшими затратами добиваться поставленных целей.
Электротехника тоже не является исключением и в своё время открытие зубцового эффекта позволило существенно увеличить эффективность электрических двигателей/генераторов, одновременно с упрощением их конструкции.
Использование подобного подхода и в настоящее время не потеряло свою актуальность и вполне может быть применено в ряде самодельных конструкций.
▍ Явление «зубцового эффекта»
Ряд журналов и газет в 1959 году написали об открытии Л.В. Стовбуненко — нового эффекта.
Суть явления, открытого им, заключается в резком усилении магнитного взаимодействия, если взаимодействующие поверхности представлены зубчатым профилем, что позволяет магнитному потоку не «размазываться» по всей поверхности, а как бы концентрироваться на верхушках зубцов, к тому же расположенных наиболее близко к другой поверхности, за счёт своей выступающей формы, что ещё больше усиливает эффект:
Открыл его Стовбуненко совершенно случайно, во время Службы в Армии, когда отвечал за аппаратуру приёма сигналов о засечении цели. Во время одного из выездов на природу, им пришлось ехать по пересечённой местности, из-за чего ввиду тряски, аппаратуру разболтало, и в ней повредились электромагнитные реле. Для уменьшения веса якорей, а также для лучшего крепления на своём месте, ему пришла идея сделать в них пропилы. Однако после этого выяснилось, что электромагниты стали притягивать якоря сильнее, что потребовало, в свою очередь, необходимость в уменьшении количества питающих аккумуляторов. Когда это вскрылось, его сначала хотели наказать, а потом командир заинтересовался и приказал исследовать выявленный эффект.
В результате множества экспериментов с формой, количеством, и расположением зубцов, Стовбуненко разработал свой двигатель, который отличался на тот момент поразительной мощностью и энергоэффективностью: за давностью лет, уже сложно сказать, насколько это правда, однако озвучивается версия, что в 1960 году изобретатель демонстрировал своё решение, установленное на старенький автомобиль Москвич, который благодаря электродвигателям нового типа позволял ему ездить целый день на одном аккумуляторе. Кроме того, подобное решение было представлено военно-промышленному комплексу тех лет, где даже было принято специальное решение по его разработкам.
▍ Устройство двигателя
Так что же собой представлял двигатель разработки Л.В. Стовбуненко?
Если попытаться описать его конструкцию наиболее простыми словами, доступными для понимания, то можно сказать, что это был своеобразной конструкции шаговый двигатель, питаемый импульсным током.
Картинка realstrannik.ru
Конструкция содержала следующие основные детали:
- ось, на которую был насажен полый барабан, в который вделаны участки, набранные из электротехнической стали;
- промежуточная трубка, которая также была изготовлена из немагнитного материала, в которой были вставленные участки, также набранные из электротехнической стали. Эта промежуточная трубка могла колебаться влево/вправо. Для колебаний в одну сторону — использовалась подача электрического тока, для колебаний в другую — действие возвратного устройства, представленного пружиной или постоянным магнитом;
- статор, из электротехнической стали, также имеющий зубцы, направленные в сторону промежуточной трубки. Также содержит обмотку из медного провода.
Картинка ниже показывает устройство в деталях (большая, кликабельно):
Работало устройство следующим образом: при подаче тока на обмотку статора, это приводило к возникновению магнитного потока в нём, что вызывало, в свою очередь, возникновение силы, которая стремилась повернуть промежуточную трубку и ось с полным барабаном, таким образом, чтобы расстояние между зубцами стало минимальным, так как именно это должно было позволить силовым линиям замкнуться по пути наименьшего сопротивления.
После того как зубцы всех трёх (статор, промежуточная трубка, ось с полым барабаном) компонентов совместились, — ток на обмотке статора отключался. Это, в свою очередь, приводило к тому, что промежуточную трубку уже ничто не удерживало, и она возвращалась в исходное положение, так как её толкала туда возвратная пружина или же магнит (в оригинале конструкции Стовбуненко была использована пружина), после чего весь цикл повторялся снова и снова. То есть, можно сказать, что промежуточная трубка как бы «подтаскивала» полый барабан с валом за собой, ровно так же, как гребцы, которые сидят в лодке и гребут вёслами, — «подтаскивают» лодку немного вперёд, после чего возвращают вёсла в исходное положение.
Подобная конструкция позволяла увеличить эффективность (как заявлялось) более чем в 40 раз.
▍ Недостатки двигателя и пути их решения
Однако, не всё было так хорошо, так как описанный двигатель мог вращаться только в одну сторону. В дальнейшем, Л.В. Стовбуненко предложил решение этой проблемы, с помощью симметрично расположенного второго статора. Подавая напряжение на один или другой статор, можно заставить двигатель вращаться в одну или другую сторону.
Альтернативное этому решение было предложено в Америке, где была представлена конструкция из трёх статоров, расположенных в форме равностороннего треугольника, на каждый из которых поочерёдно подаётся напряжение (сильно похоже на трёхфазный двигатель, не так ли?).
▍ Зубцовый эффект в быту
Возвращаясь к теме эффективности подобного устройства (несмотря на некоторую спорность утверждений по поводу многократного её увеличения), тем не менее каждый может провести опыт, или даже просто вспомнить то, с чем многие из нас сталкиваются в быту многократно — обычные мебельные магнитные защёлки:
Картинка sezontorgovli.ru
Подобные защёлки как раз и являются ярким демонстратором проявления зубцового эффекта.
В сети приводятся картинки результатов разных экспериментаторов, одна из которых показывает наглядно, как отличается сила тех же самых магнитов, если использовать зубцовый эффект, а также располагать магниты разными способами:
На картинке выше видно:
- в первом случае обычные мебельные магниты были расположены с чередованием полюсов и смогли удерживать только порядка 100 г;
- во втором случае, были добавлены промежуточные металлические пластинки и те же самые магниты смогли удерживать уже порядка 1200 г;
- в третьем случае, магниты были развёрнуты таким образом, чтобы одни и те же полюса смотрели друг к другу, что позволило удерживать уже порядка 3000 г!
- Это можно было бы игнорировать, если бы люди не проводили реальные опыты и практически показывали отличие удерживающей силы в разных случаях, в ходе реальных экспериментов:
▍ Практическое применение в технике
В настоящее время открытый эффект уже широко применяется в устройствах, известных практически каждому: шаговых двигателях.
Картинка openrobo.ru
Это позволяет обеспечить хорошую удерживающую силу, а также пошаговое перемещение.
Тем не менее потенциал этого эффекта далеко не исчерпывается только применением в двигателях такого типа, так как он способен на большее, например, использование этого эффекта возможно в электрогенераторах.
В своё время в Советском Союзе был разработан электрогенератор, содержащий ряд элегантных инженерных решений, которые в полной мере позволяют, как раскрыть потенциал зубцового эффекта, так и отказаться от большого количества магнитов и электромагнитов в конструкции.
Устроен был генератор следующим образом (картинка большая, кликабельно):
Как можно видеть по картинке выше, генератор содержит в своей конструкции:
- многополюсный постоянный магнит, насаженный на вал. Магнит имеет чётное количество вершин и выполнен в виде тупоконечной звезды;
- магнитные экраны, которые служат для той же цели, что и вышеописанные магнитные защёлки для мебели: магнит и экраны представляют собой единое целое, с точки зрения магнитного поля. Экранов использовано специально две штуки, чтобы выходящие из них полоски в каждый момент времени перекрывали полюса магнита одного знака. Это означает, что в каждый момент времени, каждый магнитный экран представляет собой как плюс, так и минус магнита (попеременно);
- общая единая катушка, в которой возникает ЭДС и генерируется электрический ток.
Работает генератор следующим образом: при вращении магнита на валу, зубцы магнита попеременно совмещаются, то с набором зубцов одного магнитного экрана, то с набором зубцов другого экрана.
Так как у подобного многополюсного магнита одни зубцы являются положительными полюсами, а другие зубцы — отрицательными плюсами, то, соответственно, один и тот же магнитный экран превращается в разные периоды времени, — то в положительный полюс магнита, то в отрицательный.
Таким образом, если посмотреть на экраны, окружающие катушку, то они «мигают» из плюса в минус, представляя собой как бы «большие магниты».
Что это даёт на практике: как мы могли увидеть выше по картинке шагового двигателя, он требует в своём устройстве использовать массив катушек с сердечниками, что уже само по себе является достаточно затратным по изготовлению.
Современные электрогенераторы и двигатели на постоянных магнитах, устроены примерно аналогично (условно, здесь имеется в виду использование массива катушек и магнитов).
Использование же этого старого забытого советского решения позволяет отказаться массива катушек и сердечников, так как генератор с использованием зубцового эффекта отлично работает и с использованием одной-единственной катушки!
Причём эта катушка уже может содержать в своём составе как повышающую, так и понижающую обмотки (или наоборот).
Согласитесь, что намотать одну-единственную катушку намного проще, чем мотать целый массив катушек и вырезать для этого массива кучу сердечников! А учитывая достаточно простую конструкцию устройства, его вполне по силам изготовить самому для ряда своих экспериментов или же практического применения.
Экономия трудозатрат и материальных ресурсов просто бросается в глаза…
Несмотря на то что в своё время подобное решение применялось для создания генераторов в условиях отсутствия достаточно мощных и компактных редкоземельных магнитов, подобный принцип вполне может быть применён и сейчас, особенно если в него привнести плюсы современного момента и центральный магнитный ротор выполнить из редкоземельных магнитов/а. Таким образом, в этом мы сможем совместить как решения прошлого, так и возможности настоящего времени.
Но и это ещё не всё: принцип зубцового эффекта вполне может быть успешно применён и для изготовления бесконтактных магнитных/ электромагнитных редукторов.
В видео ниже показывается принцип подобных магнитных редукторов, правда — там использованы магниты, а не зубцовый эффект, но видео вполне даёт возможность понять суть подобного устройства:
Открытие зубцового эффекта позволило создать множество типов высокоэффективных и простых электрических машин (помимо шаговых двигателей), одной из которых вы, так или иначе, пользовались или пользуетесь практически ежедневно: генератор автомобиля!
Посмотрим на картинки ниже:
Картинка autoustroistvo.ru
Картинка drive2.ru
Не правда ли, очень знакомый вид имеет вся эта конструкция? Всё верно, если выше мы рассматривали генератор на базе многополюсного постоянного магнита, то автомобильные генераторы представляют собой, по сути, ту же самую конструкцию, только немного хитрее: чтобы отказаться от дорогостоящих магнитов, а также для повышения эффективности, в качестве ротора была использована конструкция из двух половин, внутри которой находится катушка возбуждения, к которой подаётся питание через медные скользящие колечки на валу.
В начальный период времени на эту катушку подаётся напряжение от аккумулятора, и зубчатые половины ротора намагничиваются, превращаясь, соответственно, в южный и северный полюса магнита.
Далее, когда двигатель авто начинает раскручивать генератор, во внешней обмотке, которая окружает ротор и является статором, — начинает генерироваться переменный электрический ток, частота которого зависит от скорости вращения ротора. Раскрутившийся ротор питается уже от генерируемого электричества и не требует внешней подпитки для электромагнита ротора.
Благодаря использованию зубцового эффекта, подобная электрическая машина является достаточно эффективной и нашла широкое применение.
Завершая рассказ, хочется отметить, что уверенное движение вперёд, всегда так или иначе базируется на прошлых достижениях и внимательный взгляд на них, переосмысление с учётом современного момента вполне может позволить прийти к новым, интересным результатам.
Знание такого интересного эффекта вполне может позволить и вам создать свои собственные устройства, с его задействованием.
Автор:
DAN_SEA
