Ферромагнитовязкий вращатель

Изобретение относится к физике магнетизма и может быть использовано в качестве энергетического устройства. Технический результат состоит в расширении диапазона изменения магнитной восприимчивости при работе устройства. Ферромагнитовязкий вращатель, содержащий магнитно связанные с вращающимся с угловой скоростью ω на оси ферромагнитным кольцом радиуса R несколько симметрично расположенных относительно ферромагнитного кольца постоянных магнитов с насыщающим магнитным полем для используемого ферроматериала с постоянной магнитной вязкостью τ=eL/ωR, где e=2,718 - основание натурального логарифма, L - длина магнитных зазоров постоянных магнитов вдоль тела ферромагнитного кольца. Число постоянных магнитов выбрано четным, смежные постоянные магниты развернуты относительно ферромагнитного кольца так, что векторы их магнитных полей являются взаимно встречными, а материал ферромагнитного кольца выбран с высокой коэрцитивной силой, так что величина остаточной намагниченности ферроматериала соизмерима с его максимальной намагниченностью при насыщающем магнитном поле. Четное число N используемых постоянных магнитов выбрано из условия N≤πR/2L. При взаимодействии вращающегося с угловой скоростью ω*=L/eRτ ферромагнитного кольца с постоянным магнитом с насыщающим магнитным полем H_HAC к указанному кольцу прикладывается касательная сила F₁, направленная вдоль вектора линейной скорости V=ωR движения ферромагнитного кольца и приблизительно равная F_1*=0,276 µ_{0 Δ}χ H_HAC ²S, где µ₀=1,256×10^-6 Гн/м - абсолютная магнитная проницаемость вакуума, _Δχ - перепад магнитной восприимчивости ферромагнетика при прохождении магнитного зазора длиной L постоянного магнита, S - поперечное сечение ферромагнитного кольца, охваченное насыщающим магнитным полем H_HAC. При использовании четного числа N постоянных магнитов результирующая касательная сила F_Σ*=N F₁*. Действие устройства основано на ферромагнитном термодинамическом эффекте и использует тепловую энергию окружающей среды, например вод морей и океанов, то есть имеет практически неограниченный ресурс. 9 ил.

 

Изобретение относится к области физики магнетизма и может быть использовано в качестве энергетического устройства с неограниченным ресурсом функционирования.

Фундаментальным законом физики принято считать закон сохранения и превращения энергии, сформулированный еще Исааком Ньютоном и нашедший свое блестящее подтверждение практически во всех известных опытных результатах классической физики и квантовой электродинамики. В физике известны законы сохранения - физические закономерности, согласно которым численные значения некоторых физических величин не изменяются со временем в любых процессах или в определенном классе процессов. Полное описание физической системы возможно лишь в рамках динамических законов, которые детально определяют изменение состояния системы с течением времени. Однако во многих случаях динамический закон для данной системы неизвестен или слишком сложен. В такой ситуации законы сохранения позволяют сделать некоторые заключения о характере поведения системы. Важнейшими законами сохранения, справедливыми для любых изолированных систем, наряду с указанным выше, являются законы сохранения импульса, углового момента, электрического заряда, в электродинамике - закон сохранения поляризации электромагнитных волн [1-5], а в квантовой теории - закон сохранения четности. Имеются также специфические законы сохранения, имеющие смысл в системах, для которых можно указать класс процессов, в которых они выполняются. Например, законы сохранения странности, изотопического спина, пространственной четности строго выполняются в процессах, протекающих за счет сильного взаимодействия элементарных частиц, но нарушаются в процессах слабого взаимодействия. Электромагнитное взаимодействие нарушает закон сохранения изотопического спина. Таким образом, исследования элементарных частиц вновь напомнили о необходимости проверять существующие законы сохранения в каждой области явлений. Так, считавшийся абсолютно строгим закон сохранения барионного числа на основании теоретических аргументов подвергается сомнению. Проводятся сложные эксперименты, имеющие целью обнаружить возможные слабые нарушения этого закона. Законы сохранения тесно связаны со свойствами симметрии физических систем. При этом симметрия понимается как инвариантность физических законов относительно некоторой группы преобразований входящих в них величин. Наличие симметрии приводит к тому, что для данной системы существует сохраняющаяся физическая величина (теорема Нетера). Таким образом, если известны свойства симметрии системы, можно найти для нее законы сохранения, и наоборот.

Законы сохранения энергии, импульса, углового момента обладают всеобщностью. Это обусловлено тем, что соответствующие симметрии можно рассматривать как симметрии пространства-времени (мира), в котором движутся материальные тела. Так, сохранение энергии связано с однородностью времени, то есть с инвариантностью физических законов относительно изменения начала отсчета времени, сохранение импульса и момента импульса связаны соответственно с однородностью пространства (инвариантность относительно пространственных сдвигов) и изотропностью пространства (инвариантность относительно вращений пространства). Поэтому проверка механических законов сохранения есть проверка соответствующих фундаментальных свойств пространства-времени. Долгое время считалось, что кроме перечисленных элементов симметрии пространство-время обладает зеркальной симметрией, то есть инвариантностью относительно пространственной инверсии. Тогда должна была бы сохраняться пространственная четность. Однако в 1957 году было экспериментально обнаружено несохранение четности в слабом взаимодействии, поставившее вопрос о пересмотре взглядов на глубокие свойства геометрии мира. В связи с развитием теории гравитации наметился дальнейший пересмотр взглядов на симметрии пространства-времени и фундаментальные законы сохранения, в частности, на законы сохранения энергии и импульса (Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Механика, 4 изд., М., 1988; Р. Фейнман. Характер физических законов, пер. с англ., М., 1968; Е. Вигнер. Этюды о симметрии, пер. с англ., М, 1971).

Заявляемое устройство основано на феномене преобразования энергии неподвижно локализованного в пространстве постоянного во времени (стационарного) насыщающего магнитного поля в ферромагнитных материалах, обладающих свойством магнитной вязкости - магнитным последействием (см., Kronmuller Н., Nachwirkung in Ferromsgnetika, 1068; С.В. Вонсовский. Магнетизм, М., 1971; Д.Д. Мишин. Магнитные материалы, М., 1981) и движущихся относительно указанного магнитного поля с некоторой скоростью, в результате которого в ферромагнитном материале, охваченном указанным насыщающим магнитным полем, возникает сила, вектор которой совпадает с вектором скорости ферромагнитного материала и поддерживает указанное движение [6, 7]. Действие устройства связано также с известным для ферромагнетиков свойством уменьшения их относительной магнитной проницаемости в насыщающих магнитных полях (кривая А.Г. Столетова, 1872), а само такое уменьшение (с учетом магнитной вязкости) протекает с запаздыванием во времени.

В качестве ближайшего технического решения (прототипа) заявляемому устройству является ферромагнитовязкий ротатор, ранее предложенный автором [8], который состоит из связанных между собой постоянного магнита с однородным или неоднородным магнитным полем между его полюсами и ферромагнитного диска (кольца) с осью вращения, выполненного из ферромагнитного материала с магнитной вязкостью, постоянная релаксации τ которой по отношению к периоду T вращения ферромагнитного диска (кольца) выбрана, например, согласно условия: τ~L/αωR, где - L длина магнитного зазора между полюсами постоянного магнита, в который помещен край ферромагнитного диска (кольца) радиуса R, ω - угловая скорость вращения диска (кольца), α=2,2…2,8 - постоянный множитель, при этом напряженность магнитного поля в зазоре постоянного магнита выбрана насыщающей для материала ферромагнитного диска (кольца). С целью увеличения эффективности устройства в нем может быть использовано несколько постоянных магнитов, симметрично расположенных относительно кромки диска (кольца) с необходимыми зазорами между смежными постоянными магнитами.

В устройстве-прототипе несколько постоянных магнитов расположены относительно ферромагнитного диска (кольца) так, что векторы их магнитных полей являются однонаправленными. Это приводит к тому, что изменение магнитной восприимчивости χ во времени в магнитном поле каждого из постоянных магнитов при вращении ферромагнитного диска (кольца) происходит от значения начальной магнитной восприимчивости χ_НАЧ до конечной минимальной магнитной восприимчивости χ_min внутри насыщающего магнитного поля H_HAC в зазорах постоянных магнитов. При этом не происходит перемагничивания по полярности ферроматериала диска (кольца), выполненного из магнитомягкого материала с малыми значениями остаточной намагниченности и коэрцитивной силы.

Данное устройство работает по способу, рассмотренному в заявке того же автора [9], а также в работах [10-14].

Недостатком прототипа является сниженный диапазон изменения магнитной восприимчивости при работе устройства, что снижает его полезную мощность при прочих равных условиях.

Указанный недостаток устранен в заявляемом техническом решении.

Целью изобретения является повышение энергетической эффективности устройства при использовании в его составе нескольких постоянных магнитов.

Указанная цель достигается в заявляемом техническом решении - ферромагнитовязком вращателе, содержащем магнитно связанные с вращающимся с угловой скоростью ω на оси ферромагнитным кольцом радиуса R несколько симметрично расположенных относительно ферромагнитного кольца постоянных магнитов с насыщающим магнитным полем для используемого ферроматериала с постоянной магнитной вязкости τ=eL/ωR, где e=2,718 - основание натурального логарифма, L - длина магнитных зазоров постоянных магнитов вдоль тела ферромагнитного кольца, отличающемся тем, что число постоянных магнитов выбрано четным, смежные постоянные магниты развернуты относительно ферромагнитного кольца так, что векторы их магнитных полей являются взаимно встречными, а материал ферромагнитного кольца выбран с высокой коэрцитивной силой, так что величина остаточной намагниченности ферроматериала соизмерима с его максимальной намагниченностью при насыщающем магнитном поле, причем четное число N используемых постоянных магнитов выбрано из условия N≤πR/2L.

Увеличение энергетической эффективности (мощности) заявляемого устройства связано с перемагничиванием ферромагнитного кольца в последовательности постоянных магнитов по ходу вращения ферромагнитного кольца с частотой перемагничивания ферроматериала f_пер=ωN/4π≤ωRN/8L=eN/8τ~N/3τ. Ферроматериал по выходе из магнитного зазора i-го постоянного магнита сохраняет остаточную намагниченность, знак которой противоположен тому, какой будет иметь остаточная намагниченность ферроматериала по выходе его из магнитного зазора (i+1)-го постоянного магнита, где i=1, 2, 3, … N - четное число. Это означает, что каждый дифференциальный объем dv=S dx (S - поперечное сечение кольца, x - координата, ориентированная вдоль длины магнитного зазора) ферроматериала, продвигаясь внутри магнитного зазора постоянного магнита с насыщающим магнитным полем, перемагничивается от значения остаточной намагниченности одного знака до максимальной намагниченности другого знака, что существенно увеличивает размах перемагничивания. Для сравнения отметим, что в устройстве-прототипе происходит изменение намагниченности от нулевого значения до максимального при магнитном насыщении, что определяет размах изменения намагниченности (одного и того же знака), меньший того, какой соответствует размаху в заявляемом устройстве, на величину остаточной намагниченности, которая по величине несколько меньше максимальной намагниченности, следовательно, размах изменения намагниченности в заявляемом устройстве увеличен в сравнении с устройством-прототипом почти в два раза, если используется магнитожесткий ферроматериал с большой коэрцитивной силой.

Изобретение понятно из представленных рисунков.

На рис.1 изображено заявляемое устройство из ферромагнитного кольца 1, связанного спицами с осью вращения 2. Вокруг ферромагнитного кольца симметрично расположены постоянные магниты 3-6, закрепленные неподвижно. Ферромагнитное кольцо магнитно связано с указанными постоянными магнитами, создающими насыщающее магнитное поле

На рис.2 дан график зависимости индукции B, возникающей в ферроматериале, от напряженности магнитного поля H. Поскольку ферроматериал выбран с высокой коэрцитивной силой (изменение напряженности магнитного поля по величине и знаку в квазистатическом приближении), то указанная зависимость B(H) представляет известную петлю гистерезиса, которая пересекает ось абсцисс в точках - H_C и H_C (коэрцитивной силы при B=0) и ось ординат в точках - B_r и B_r (остаточной индукции при H=0) и содержит две ветви a и b соответственно для уменьшения и увеличения напряженности магнитного поля H (ход по ветвям указан стрелками). При напряженности магнитного поля H_HAC положительной или отрицательной полярности возникает режим насыщения и рост величины Н не изменяет сколько-нибудь существенно величину B_max.

На рис.3 представлен график зависимости магнитной восприимчивости χ ферроматериала ферромагнитного кольца 1 от напряженности магнитного поля H в квазистатическом приближении, то есть при медленном изменении напряженности магнитного поля, например, когда время полной перестройки напряженности магнитного поля от - H_нас с до H_нас на один-два порядка больше постоянной магнитной вязкости τ ферроматериала кольца. Максимумы кривой χ(Н) совпадают с точками наибольшей крутизны функции B(H) и равны χ_max. Функция χ(H)=χ_min при H=|H_HAC|. При H=0 магнитная восприимчивость равна χ_НАЧ<χ_max.

На рис.4 изображена развертка фрагмента устройства (рис.1) из двух смежных постоянных магнитов 3 и 4 или 5 и 6, в магнитных зазорах которых шириной h_м расположено ферромагнитное кольцо 1 толщиной d_К. Длина магнитных зазоров L по ходу вращения ферромагнитного кольца (указано стрелкой) в λ раз меньше расстояния между смежными постоянными магнитами λL (значение коэффициента λ выбрано равным λ=3). Полярность в постоянных магнитах указана стрелками в их зазорах. Полярность остаточной намагниченности ферроматериала ферромагнитного кольца в промежутках между постоянными магнитами показана на рисунке буквами S и N (южный и северный полюсы соответственно).

На рис.5 представлен график зависимости магнитной восприимчивости в различных участках ферромагнитного кольца (при использовании двух смежных постоянных магнитов, как на рис.4) от координаты x при неподвижном ферромагнитном кольце (ω=0), а на рис.6 - при вращающемся ферромагнитном кольце, когда скорость протяжки ферроматериала относительно постоянных магнитов V=ωR>0, в частности при оптимальной угловой скорости ω*=L/eRτ, при которой достигается максимум крутящего момента в ферромагнитном кольце. Несимметрия кривой χ(x) при V>0 обусловлена наличием запаздывания во времени установления значения магнитной восприимчивости ферроматериала от приложенного к нему насыщающего магнитного поля |H_HAC| в промежутке L магнитных зазоров постоянных магнитов. Скорость такого запаздывания определяется величиной постоянной τ магнитной вязкости ферромагнетика по экспоненциальному закону.

На рис.7 пунктирной линией повторена зависимость χ(x) в укрупненном масштабе для окрестности одного из постоянных магнитов и сплошной линией - график дифференциальных сил dF, возникающих в дифференциальном объеме dv=S dx, на разных расстояниях x при размещении начала координат в начале магнитного зазора данного постоянного магнита по ходу движения ферромагнитного кольца.

На рис.8 представлен график крутящего момента М(ω) ферромагнитного кольца в зависимости от угловой скорости ω вращения последнего, Максимум крутящего момента достигается при угловой скорости ω*=L/eRτ, то есть определяется геометрией устройства и постоянной магнитной вязкости τ используемого ферромагнетика. Кроме того, на рис.8 приведены нагрузочные характеристики: критическая (вблизи максимального крутящего момента), одна из рабочих характеристик и характеристика холостого хода. Точки пересечения кривой M(ω) с нагрузочными характеристиками - суть точки устойчивого равновесия, а их проекции на ось абсцисс отражают угловые скорости установившегося процесса. Чем больше величина присоединенной к оси вращения 2 (рис.1) нагрузки, тем круче становится нагрузочная характеристика и тем меньше установившаяся угловая скорость вращения ферромагнитного кольца.

На рис.9 представлена зависимость мощности P(ω/ω*) устройства от соотношения угловых скоростей ω/ω*. Максимум мощности max P(ω/ω*) имеет предел при ω→∞, равный

Рассмотрим работу заявляемого технического решения, конструкция которого схематически представлена на рис.1 и содержит четное число постоянных магнитов, магнитные зазоры которых совмещены с малым зазором с ферромагнитным кольцом с осью вращения, ферроматериал которого с большой коэрцитивной силой имеет определенную величину магнитной вязкости τ. Постоянные магниты симметрично рассредоточены относительно ферромагнитного кольца, а направления магнитных силовых линий в их зазорах противоположно в любых смежных парах, как это видно из линейной развертки части конструкции на рис.4. Поэтому при вращении ферромагнитного кольца, при котором линейная скорость V протяжки ферроматериала мимо магнитных зазоров равна V=ωR, в соответствующих дифференциальных объемах dv=S dx ферроматериала возникает периодическое перемагничивание вплоть до глубокого насыщения с частотой перемагничивания f_пер=ωN/4π. При этом магнитная индукция B этого дифференциального объема ферроматериала от напряженности магнитного поля H при сравнительно медленном перемагничивании (когда 1/ f_пер>>τ) описывает так называемую петлю гистерезиса, как это видно из рис.2. Движение изображающей точки по петле гистерезиса указано стрелками, при насыщении магнитная индукция изменяется от - B_нас до B_нас. Коэрцитивная сила ферроматериала ферромагнитного кольца обозначена на рис.2 как H_C, а остаточная магнитная индукция при H=0 изменяется дважды за период перемагничивания от - B_r до B_r при движении изображающей точки соответственно по ветвям a и b.

По определению магнитная индукция B определяется по формуле B=µ₀µH, где µ₀=1,256×10^-6 Гн/м - абсолютная магнитная проницаемость вакуума, µ - относительная магнитная проницаемость ферромагнетика (безразмерная величина). Намагниченность J ферромагнетика определяется как J=B-µ₀H=µ₀H(µ-1)=µ₀χH, где χ - магнитная восприимчивость, и определяет возможность силового взаимодействия с внешним магнитным полем по формуле dF=J dv grad H_X для дифференциального элемента ферромагнетика, где градиент продольного магнитного поля вдоль оси x определяется как grad H_X=dH/dx, а величина J dv - есть дифференциальный магнитный момент.

Для ферромагнетиков намагниченность при скачке напряженности магнитного поля изменяется по экспоненциальному закону с постоянной времени, равной постоянной магнитной вязкости τ. Изменение намагниченности ΔJ(t) в зависимости от времени t описывается как

где J₀ и J_∞ - соответственно значения намагниченности непосредственно после изменения напряженности H магнитного поля в момент t=0 и после установления нового равновесного состояния. Значение τ зависит от природы магнитной вязкости и в различных материалах может изменяться от 10^-9 с до нескольких десятков часов. Поскольку произведение µ₀H_HAC=const(x) внутри магнитного зазора, то изменение намагниченности ΔJ(t) связано с изменением величины магнитной восприимчивости χ(x) по экспоненциальному закону

при учете, что x=Vt=ωRt, где χ_MAX и χ_MIN - соответственно максимальное и минимальное значение магнитной восприимчивости ферроматериала в начале и в конце магнитного зазора длиной L, а значение координаты x задано пределами 0≤x≤L (как на рис.7).

Поскольку относительная магнитная проницаемость µ ферромагнетика определяется выражением µ=B/µ₀H=χ+1, а при насыщении величина индукции B практически не изменяется при увеличении напряженности магнитного поля H, то нетрудно понять, что при этом уменьшается относительная магнитная проницаемость или, что то же, магнитная восприимчивость χ, которая для ферромагнетиков практически не отличается от µ>>1, что было доказано А.Г. Столетовым в 1872 году: при плавном увеличении напряженности магнитного поля магнитная восприимчивость ферромагнетика сначала увеличивается от ненулевого начального значения χ_НАЧ до максимальной величины χ_max, а затем уменьшается до величины χ_min при значении насыщающего магнитного поля H_HAC, что соответствует условию насыщения B_max=µ₀(χ_min+1)H_HAC=const(H), как это видно из рис.3. Такое изменение величины χ(H) не зависит от замены знака вектора магнитного поля H, поэтому кривая χ(H) на рис.3 является симметричной относительно оси ординат, хотя векторы намагничивания J=µ₀χH имеют разные знаки при замене знака вектора напряженности магнитного поля, то есть знаки векторов намагничивания J и напряженности магнитного поля H совпадают.

Учитывая последнее, а также то, что постоянные магниты в смежных парах имеют разнонаправленные векторы магнитной индукции (как это видно из рис.4), распределение магнитной восприимчивости ферромагнетика χ(x) вдоль криволинейной оси x с учетом знака напряженности магнитного поля H может быть представлено кривыми на рис.5 и 6 для случаев неподвижного ферромагнитного кольца (рис.5) и вращающегося, например, с угловой скоростью ω* (рис.6). Поэтому на осях ординат указанных графиков откладывают величины χ(x)×sign H.

Как видно из рис.5, различные по координате x дифференциальные объемы dv=S dx ферромагнетика, находящиеся в магнитных зазорах длиной L постоянных магнитов, имеют одни и те же значения магнитной восприимчивости, равные χ_min, поэтому никаких силовых взаимодействий ферромагнитного кольца с постоянными магнитами не возникает, и ферромагнитное кольцо не испытывает никакого вращательного момента. Пики величин χ(x)×sign H на рис.5 возникают от действия магнитного поля на краях магнитных зазоров, где напряженность магнитного поля уменьшается от величины H_HAC до нуля. Зона действия этого краевого магнитного поля мала по сравнению с длиной L магнитного зазора, например она равна утроенному значению зазора между полюсами постоянного магнита и ферромагнитным кольцом, то есть равна Δ=3(h_M-d_К)<<L. Максимум магнитной восприимчивости ферроматериала χ_{max стат} достигается при напряженности магнитного поля H_C, соответствующей коэрцитивной силе применяемого ферромагнетика.

Совершенно иначе выглядит распределение χ(x)×sign H, представленное на рис.6, при условии достаточно быстрого вращения ферромагнитного кольца, например, с угловой скоростью ω*=L/eRτ. За счет магнитной вязкости ферромагнетика его магнитная восприимчивость уменьшается по экспоненциальному закону (2) с постоянной времени τ. Следовательно, различные по координатам x дифференциальные объемы dv=S dx ферромагнетика, находящиеся в магнитных зазорах постоянных магнитов с насыщающим магнитным полем H_HAC=const (x), имеют разные значения намагниченности J(x) и, соответственно, разные дифференциальные магнитные моменты dm(x)=J(x) dv=sign H×µ₀χ(x)H_HAC S dx, где значение χ(x) указано в выражении (2). При этом важно указать, что наибольшее значение модуля |dm(x)| имеет место в начале магнитных зазоров постоянных магнитов по ходу движения ферромагнитного кольца независимо от знаков вектора магнитной индукции этих постоянных магнитов, как это видно на рис.6.

Рассмотрим силовое взаимодействие ферромагнитного кольца с насыщающим магнитным полем одного из постоянных магнитов, представленное на рис.7. Пунктирной кривой представлена зависимость χ(x) для ферроматериала ферромагнитного кольца вблизи и внутри магнитного зазора постоянного магнита 3 (5), которая повторяет распределение на рис.6, но с переносом начала координат к началу магнитного зазора. При этом максимум магнитной восприимчивости χ_max достигается при x=0, а в конце магнитного зазора при x=L магнитная восприимчивость ферроматериала уменьшается до величины χ(Δt), где интервал времени Δt=L/V=L/ωR. Сплошной кривой на рис.7 представлено распределение дифференциала силы dF(x), вектор которой совпадает по направлению с вектором скорости движения ферроматериала V относительно зазора постоянного магнита.

Легко понять, что однородный ферромагнетик ограниченного размера, имеющий одну степень свободы вдоль оси, параллельной плоским граням зазора постоянного магниита, втягиваясь в магнитное поле последнего, установится так, что его центр тяжести совпадет с центром магнитного зазора (с точкой x=L/2 на рис.7). Втягивание ферромагнетика в однородное магнитное поле связано с градиентом магнитного поля grad H_x=2H[1-(2x/L)]/L в диапазоне изменения координаты 0≤x≤L. Так, дифференциальный объем ферромагнетика S dv, помещенный в центр магнитного зазора, не испытывает никого силового взаимодействия с магнитным полем. Поэтому ясно, что из-за различия дифференциальных магнитных моментов ферромагнетика в насыщающем магнитном поле при вращении ферромагнитного кольца распределение дифференциалов сил втягивания к центру магнитного зазора при x=L/2 будет также различным как по величине, так и по знаку, а именно:

Важно отметить, что значение dF(x) пропорционально квадрату напряженности магнитного поля H_HAC, поэтому направление вектора дифференциала силы не зависит от направления магнитных силовых линий в постоянных магнитах.

Полную силу F₁ ферромагнитного вещества ферромагнитного кольца, находящегося в любой момент времени внутри зазора одного (любого) постоянного магнита находят интегрированием

С учетом (2) выражение (4) можно переписать в виде

где h=χ_MIN/χ_MAX<<1 - известное апостериорно значение перепада магнитной восприимчивости в заданном насыщающем магнитном поле H_HAC, и это выражение после замены переменной x=Vt и обозначения ε=x/L и L/Vτ=α приводится к виду

где _Δχ=χ_MAX-χ(Δt) - абсолютный перепад магнитной восприимчивости ферроматериала в магнитном поле за время Δt=L/V=L/ωR, когда данный дифференциальный объем dv протягивается в магнитном зазоре постоянного магнита. Это выражение получено с точностью [χ(Δt)-χ_MIN]/χ_MAX<<1 и при достаточно большом значении H_HAC по сравнению со значением H_C выражение (6) оказывается хорошим приближением для вычисления силы F₁].

Заметный по интенсивности отрицательный выброс силы взаимодействия перед началом магнитного зазора связан с тем, что ферромагнетик в предыдущем постоянном магните оказался намагниченным и сохранил свою остаточную намагниченность, полярность которой совпадает с полярностью магнитного поля рассматриваемого постоянного магнита, как это указано на рис.4, что вызывает силу отталкивания от последнего. Однако интеграл действия этой дифференциальной силы за весьма короткое время взаимодействия, физически представляющий собой импульс силы, геометрически представляемый площадью этого отрицательного выброса, является малым по сравнению с площадью под кривой dF(x) в пределах 0≤x≤L/2. Поэтому, в первом приближении, влиянием этой силы можно пренебречь, а учет этой силы требует специального и достаточно сложного рассмотрения.

Рассматривая в первом приближении действие силы F₁ от каждого из N постоянных магнитов на вращающееся ферромагнитное кольцо, получим общую силу F_Σ=N F₁ из (6).

Решение интеграла (6) имеет вид

то есть однозначно определяется параметром α=Δt/τ, выражающим относительное пребывание любого произвольно взятого дифференциального объема ферроматериала в магнитном зазоре постоянного магнита по сравнению с постоянной τ магнитной вязкости ферромагнетика, которое определяется скоростью его движения V в насыщающем магнитном поле H_HAC.

Анализируя выражение (7), отмечаем, что функция I(a)=[exp(- α)(α+2)+α-2]/α² имеет максимум при значении α*=exp(1)=2,718 (основание натурального логарифма e), и при этом значение максимума I(α*)=0,139. При значениях α→0 и α→∞ величина I(0)=1(∞)→0. То есть максимум силы F₁*=0,276 µ_{0 Δ}χ H_HAC ²S и F_Σ*=0,276 N µ_{0 Δ}χ H_HAC ²S, и эти экстремальные значения силы реализуются при угловой скорости вращения ферромагнитного кольца ω*=L/eRτ.

Анализируя зависимость силы F_Σ от угловой скорости вращения ω ферромагнитного кольца, и такая зависимость приведена на рис.8, отмечаем, что с ростом этой угловой скорости сила F_Σ(ω), создающая вращательный момент M(ω)=F_Σ(ω)R, сравнительно медленно падает. Как известно, вращательный момент M(ω) в установившемся состоянии должен уравновеситься моментом трения и внешним моментом присоединенной нагрузки. В зависимости от характера присоединенной нагрузки, ее величины, будет изменяться угловая скорость вращения ферромагнитного кольца в установившемся режиме (устойчивом состоянии). На рис.8 приведены три нагрузочные характеристики - для квазикритического, рабочего режимов и режима холостого хода. Чем больше нагрузка, тем круче располагается нагрузочная характеристика и тем меньше угловая скорость установившегося режима. Последний определяется точкой пересечения кривой силовой характеристики с нагрузочной, причем устойчивое равновесие достигается, когда производные указанных пересекающихся характеристик имеют разные знаки, как это следует из теории автоматического регулирования.

На рис.9 приведена характеристика относительной мощности вращательного движения ферромагнитного кольца в функции отношения ω/ω* в диапазоне изменения этого отношения от 1 до 10. Мощность в нагрузке довольно быстро растет для отношения ω/ω* от 1 до 2…3, а затем растет медленно, асимптотически стремясь к значению около 0,45 против значения 0,139 при ω/ω*=1.

Особенностью данного технического решения по сравнению с известным ферромагнитовязким ротатором (прототипом) является фактор перемагничивания магнитотвердого ферромагнетика, что позволяет увеличить диапазон изменения магнитной восприимчивости _Δχ в магнитных зазорах постоянных магнитов с противоположно ориентированными магнитными полями в смежных парах. Использование магнитотвердых ферромагнетиков приводит к возникновению в них остаточных намагниченностей в отсутствие магнитного поля (когда соответствующие участки ферромагнитного кольца находятся в промежутке между постоянными магнитами, где H=0). При перемагничивании происходит движение изображающей точки (см. рис.2) не от начала координат, как это характерно для магнитомягких ферромагнетиков, а от значения остаточной намагниченности одного знака до насыщения с другим знаком намагниченности. Увеличение _Δχ приводит к увеличению полезной мощности, которую можно получить от такого устройства при прочих равных условиях. Интерес представляет также и то, что в заявляемой конструкции расстояние между смежными постоянными магнитами может быть существенно снижено по сравнению с таковым для прототипа, поскольку состояние намагниченности ферроматериала по выходе его из зазора постоянного магнита в зону, где H=0, уже окончательно установлено. Это позволяет увеличить число постоянных магнитов N при неизменных величинах R и L, то есть увеличить удельную мощность устройства на единицу его объема (энергетическую эффективность).

Физическая основа, положенная в работу заявляемого технического решения, заключается в возникновении силы, приложенной к ферромагнитному веществу в направлении его движения в пространственно локализованном насыщающем магнитном поле вследствие отставания центра намагниченности ферромагнитного вещества, находящегося в указанном поле, от центра притяжения последнего в динамике движения ферромагнитного вещества со скоростью, согласованной с его постоянной магнитной вязкости и размерами пространственно локализованного насыщающего магнитного поля, при этом на совершение механической работы, связанной с поддержанием движения ферромагнитного вещества, затрачивается тепловая энергия окружающей среды, компенсирующая охлаждение ферромагнитного вещества при его адиабатическом размагничивании насыщающим магнитным полем.

Действительно, соблюдение закона сохранения и превращения энергии в данном процессе объясняется затратой внутренней энергии W₀ ферромагнитного вещества, определяемой его температурой T₀, участвующей массой m_ФЕР и ее удельной теплоемкостью с₀ по формуле W₀=c₀ m_ФЕР T₀ в отсутствие действующего магнитного поля (то есть при H=0), на совершение механической работы. Помещение некоторой массы m_ФЕР ферромагнитного вещества скачком (адиабатически) в насыщающее магнитное поле, энергия которого W_M в объеме указанной массы пропорциональна квадрату напряженности насыщающего магнитного поля, приводит к уменьшению удельной теплоемкости этой части ферромагнитного вещества при той же его температуре (переводит ферромагнитное вещество в иное агрегатное состояние по аналогии с тем, как вода и лед имеют разные удельные теплоемкости при одной и той же температуре, равной нулю градусов по шкале Цельсия), так что имеет место равенство c_H m_ФЕРT₀+W_M=c₀ m_ФЕР T₀, где c₀ и c_H - удельные теплоемкости массы m_ФЕР ферромагнетика соответственно в отсутствие магнитного поля и в насыщающем магнитном поле H_HAC при неизменной его температуре T₀, c₀>c_H, W_M - запасенная в ферромагнетике энергия магнитного поля. А в последующем на совершение механической работы W_МЕХ затрачивается часть внутренней энергии ферромагнитного вещества, что приводит к уменьшению его температуры до T_H<T₀ согласно выражению c_H m_ФЕР T₀=W_МЕХ+с_H m_ФЕР T_H, и по выходе ферромагнитного вещества из зоны насыщающего магнитного поля происходит дополнительное снижение температуры ферромагнитного вещества при увеличении его удельной теплоемкости от значения c_H к исходному значению c₀ (при H=0) по формуле c_H m_ФЕР T_H=c₀ m_ФЕР T₀*, где T₀*<T_H<T₀. Поскольку при работе устройства энергия магнитного поля постоянных магнитов практически не изменяется (W_M=const(t)), получаем очевидное равенство W_МЕХ=c₀ m_ФЕР(T₀-T₀*), отвечающее основополагающему закону сохранения и превращения энергии. Потеря тепловой энергии ферромагнитным кольцом восполняется ее притоком из окружающей внешней среды за счет теплопроводности. Эффективность теплопередачи можно повысить помещением ферромагнитного кольца с постоянными магнитами в корпус с жидкостью, обладающей достаточно высокой теплопроводностью и малой вязкостью (для снижения момента трения). Тепловую энергию можно черпать в практически неограниченных количествах из вод морей и океанов. Это в известной мере будет способствовать снижению глобального потепления при массовом использовании заявляемого устройства и его различных модификаций в промышленных и бытовых целях путем снижения доли энергетических устройств, использующих тепловую энергию различных топлив (нефти, газа и др.).

Поиск подходящих ферроматериалов с определенными характеристиками по магнитной вязкости и коэрцитивной силе, развитие технологии изготовления ферромагнитных колец достаточно больших размеров (R>0,5…2 м), включая составные конструкции, и синтез материалов для постоянных магнитов с максимально высоким энергетическим произведением (B H)_max позволит создать компактные и энергоемкие устройства с практически неограниченным ресурсом («perpetum mobile»). Изобретение, кроме того, представляет определенный научный интерес для изучения физического механизма прямого преобразования тепловой энергии в механическую с к.п.д. ~1.

Документы патентного поиска: SU 1318844 A1, 23.06.1987. SU 1685271 A3, 15.10.1991. RU 2029160 C1, 20.02.1995. RU 2238461 C1, 20.10.2004. RU 2249732 C2, 10.04.2005. RU 2309527 C1, 20/11/2006. RU 2291546 C1, 10.01.2007. RU 2309527 C2, 27.10.2007. WO 0013297 A1, 09.03.2000. WO 02062492 A1, 15.08.2002. JP 55144784 A, 11.11.1980. JP 2000228865 A, 15.08.2000. US 5138207 A, 11.08.1992.

Литература

1. О.Ф. Меньших. Закон сохранения поляризации электромагнитных волн. Заявка на открытие от 17.11.2003 с приоритетом от 22.04.1975, М., МААНО.

2. О.Ф. Меньших. Генерирование микроволн в анизотропных средах действием оптической ударной волны, Доклад на V Всесоюзном семинаре по оптоэлектронике, М., Институт проблем управления АН СССР, 22.04.1975.

3. О.Ф. Меньших. Способ генерирования электрических колебаний. Авт. свид. СССР №1380476 с приоритетом от 15.04.1983.

4. О.Ф. Меньших. Устройство для обнаружения эффекта резонанса «красного смещения» электромагнитных волн в анизотропных средах. Патент РФ №2276394 с приоритетом от 20.09.2004, опубл. в бюлл. №13 от 10.05.2006.

5. О.Ф. Меньших. Устройство для измерения «красного смещения» плоско поляризованного когерентного излучения. Патент РФ №2276347 с приоритетом от 15.10.2004, опубл. в бюлл. №13 от 10.05.2006.

6. О.Ф. Меньших. Ферромагнитный термодинамический эффект, Заявка на открытие от 23.07.2007 с приоритетом от 23.07.2007, М., МААНО.

7. О.Ф. Меньших. Магнитовязкий маятник. Патент РФ №2291546 с приоритетом от 20.04.2005, опубл. в бюлл. №1 от 10.01.2007.

8. О.Ф. Меньших. Ферромагнитовязкий ротатор. Патент РФ №2309527 с приоритетом от 11.05.2005, опубл. в бюлл. №30 от 27.10.2007.

9. О.Ф. Меньших. Способ получения энергии и устройство для его реализации. Патент РФ №2332778, опубл. в №24 от 27.08.2008.

10. О.Ф. Меньших. Устройство стабилизации частоты генератора. Патент РФ №2368073, опубл. в бюлл. №26 от 20.09.2009.

11. О.Ф. Меньших. Ротор ферромагнитовязкого двигателя. Патент РФ №2412524, опубл. в бюлл. №5 от 20.02.2011.

12. О.Ф. Меньших. Устройство автоматического управления электрогенератором. Патент РФ №2444802, опубл. в бюлл. №7 от 10.03.2012 (получен запрос из Германии о патентовании).

13. О.Ф. Меньших. Способ получения энергии и устройство для его реализации. Патент РФ №2452074, опубл. в бюлл. №15 от 27.05.2012.

14. О.Ф. Меньших, Способ исследования динамики намагничивания ферромагнетика, быстро вводимого в насыщающее сверхсильное магнитное поле. Патент РФ №2488839, опубл. в №21 от 27.07.2013.

Ферромагнитовязкий вращатель, содержащий бесконтактно магнитно связанные с вращающимся с угловой скоростью ω на оси ферромагнитным кольцом радиуса R несколько симметрично расположенных относительно ферромагнитного кольца постоянных магнитов с насыщающим магнитным полем для используемого ферроматериала в ферромагнитном кольце с постоянной магнитной вязкостью τ=eL/ωR, где e=2,718 - основание натурального логарифма, L - длина магнитных зазоров в каждом из постоянных магнитов вдоль тела ферромагнитного кольца, отличающийся тем, что число постоянных магнитов выбрано четным, смежные постоянные магниты развернуты на 180 градусов относительно друг друга, чтобы векторы их магнитных полей являлись встречно направленными и ортогональными к плоскостям ферромагнитного кольца, а материал ферромагнитного кольца выбран с высокой коэрцитивной силой, так что величина остаточной намагниченности ферроматериала соизмерима с его максимальной намагниченностью при насыщающем магнитном поле, причем четное число N используемых постоянных магнитов выбрано из условия N≤πR/2L.