Постоянные магниты - типы и свойства, формы, взаимодействие магнитов; Школа электротехники и электронной инженерии - услуги электромонтажа, строительства и ремонта

Вынуждающая сила (дословно с латыни “удерживающая сила”) – это сила, которая не позволяет ферромагнитам менять свою магнитную полярность.

Содержание

Постоянные магниты – типы и свойства, формы, взаимодействие магнитов

Ферромагнитный объект, способный сохранять значительный остаточный магнетизм после удаления внешнего магнитного поля, называется постоянным магнитом.

Постоянные магниты изготавливаются из различных металлов, таких как кобальт, железо, никель, редкоземельных сплавов (в случае неодимовых магнитов) и природных минералов, таких как магнетит.

Сфера применения постоянных магнитов сегодня очень широка, но их функция везде одинакова. В качестве источника постоянного магнитного поля без тока. Таким образом, магнит – это тело, обладающее собственным магнитным полем.

Само слово “магнит” происходит от греческого слова combination, которое переводится как “камень Магнезии”, от названия азиатского города, где в древности были обнаружены залежи магнетита – магнитного железняка.. С физической точки зрения, элементарным магнитом является электрон, а магнитные свойства магнитов обычно основаны на магнитных моментах электронов в намагниченном материале.

Постоянные магниты являются частью магнитной цепи электроприборов. Устройства с постоянными магнитами обычно основаны на преобразовании энергии

механические к механическим (сепараторы, магнитные муфты и т.д.)

от механических до электромагнитных (электрогенераторы, громкоговорители и т.д.);

от электромагнитных до механических (электродвигатели, громкоговорители, магнитоэлектрические системы и т.д.)

механические на внутренние (тормоза и т.д.).

Требования к постоянным магнитам следующие:

высокая удельная магнитная энергия;

минимальные размеры для данной напряженности поля;

доступность в широком диапазоне рабочих температур;

устойчивость к внешним магнитным полям; – технологичность;

низкая стоимость сырья;

стабильность магнитных параметров во времени.

Разнообразие задач, решаемых с помощью постоянных магнитов, обуславливает множество форм их конструкции. Постоянные магниты часто имеют подковообразную форму (так называемые подковообразные магниты).

На рисунке ниже показаны примеры форм промышленно выпускаемых редкоземельных постоянных магнитов с защитным покрытием.

Коммерчески доступные постоянные магниты различной формы: a – диск; b – кольцо; c – параллелограмм; d – цилиндр; e – шар; f – сектор полого цилиндра.

Магниты из твердых металлических сплавов и ферритовые магниты также выпускаются в виде круглых и прямоугольных прутков, труб, С-образных, подковообразных, прямоугольных пластин и т.д.

После придания материалу формы его необходимо намагнитить, т.е. поместить во внешнее магнитное поле, поскольку магнитные параметры постоянных магнитов зависят не только от их формы и материала, но и от направления намагничивания.

Заготовки намагничиваются с помощью постоянных магнитов, электромагнитов постоянного тока или магнитных катушек, через которые пропускаются импульсы тока. Выбор метода намагничивания зависит от материала и формы постоянного магнита.

Постоянные магниты могут частично или полностью потерять свои магнитные свойства (размагнититься) под воздействием экстремальных температур, ударов.

Характеристики области размагничивания петли магнитного гистерезиса материала постоянного магнита определяют свойства постоянного магнита: чем выше коэрцитивная сила Hc и магнитная индукция Vr, тем сильнее и стабильнее магнит.

Принудительная сила (дословно с латинского “удерживающая сила”) – это сила, которая не позволяет ферромагнетику изменить свою магнитную полярность.

Пока ферромагнит не поляризован, т.е. элементарные токи не ориентированы, коэрцитивная сила препятствует ориентации элементарных токов. Однако если ферромагнит уже поляризован, то он сохраняет ориентацию элементарных токов даже после удаления внешнего намагничивающего поля.

Это объясняет остаточный магнетизм, наблюдаемый во многих ферромагнетиках. Чем больше коэрцитивная сила, тем сильнее выражено явление остаточного магнетизма.

Таким образом, коэрцитивная сила – это значение напряженности магнитного поля, необходимое для полного размагничивания ферро- или ферримагнитного вещества. Чем больше коэрцитивная сила магнита, тем более он устойчив к размагничиванию.

Единицей измерения коэрцитивной силы в СИ является ампер/метр. А магнитная индукция, как мы знаем, это векторная величина, которая является характеристической силой магнитного поля. Характерное значение остаточной магнитной индукции постоянных магнитов составляет порядка 1 Тесла.

Магнитный гистерезис – это поляризационный эффект магнетика, который означает, что намагничивание и размагничивание магнитного материала не одинаковы, поскольку намагниченность материала всегда немного отстает от намагничивающего поля.

В этом случае часть энергии, использованной для намагничивания тела, не возвращается в намагничивающее устройство, а преобразуется в тепло при размагничивании. Поэтому многократное перемагничивание материала сопровождается заметной потерей энергии и иногда может привести к сильному нагреву намагниченного тела.

Чем больше гистерезис в материале, тем больше потеря намагниченности. Поэтому для магнитных цепей с переменным магнитным потоком используются материалы, не обладающие гистерезисом (см. Магнитопроводы электрооборудования).

Магнитные свойства постоянных магнитов могут изменяться под воздействием времени и внешних факторов, к которым относятся:

Изменения магнитных свойств характеризуются нестабильностью постоянного магнита, которая может быть структурной или магнитной по своей природе.

Структурная нестабильность вызывается изменениями в кристаллической структуре, фазовыми превращениями, уменьшением внутренних напряжений и т.д. В этом случае исходные магнитные свойства могут быть получены путем восстановления структуры (например, путем термической обработки материала).

Магнитная неустойчивость вызывается изменениями в магнитной структуре вещества магнита, которая стремится к термодинамическому равновесию с течением времени и под влиянием внешних воздействий. Магнитная нестабильность может быть:

обратимый (возврат к начальным условиям восстанавливает исходные магнитные свойства);

необратимый (возврат к исходным свойствам может быть достигнут только при повторном намагничивании).

Постоянный магнит или электромагнит – что лучше?

Использование постоянных магнитов вместо электромагнита, эквивалентного постоянным магнитам, для создания постоянного магнитного поля позволяет

уменьшить вес изделия;

исключают использование дополнительных источников питания (что упрощает конструкцию изделия, снижает производственные и эксплуатационные расходы);

обеспечивают практически неограниченную продолжительность поддержания магнитного поля в рабочих условиях (в зависимости от используемого материала).

Недостатками постоянных магнитов являются:

хрупкость материалов, используемых для их изготовления (это затрудняет механическую обработку изделий);

необходимость защиты от влаги и плесени (для ферритов ГОСТ 24063), а также от воздействия повышенной влажности и температуры.

Типы и свойства постоянных магнитов

Хотя ферритовые магниты хрупкие, они обладают хорошей коррозионной стойкостью, что делает их наиболее распространенными при низкой стоимости. Они изготавливаются из сплава оксида железа с ферритом бария или стронция. Этот материал сохраняет свои магнитные свойства в широком диапазоне температур от -30°C до +270°C.

Магнитные изделия в виде ферритовых колец, стержней и подков находят широкое применение в промышленности, быту, технике и электронике. Они используются в акустических системах, генераторах и двигателях постоянного тока. В автомобильной промышленности ферритовые магниты устанавливаются в стартерах, стеклоподъемниках, системах охлаждения и вентиляторах.

Ферритовые магниты имеют коэрцитивную силу около 200 кА/м и остаточную магнитную индукцию около 0,4 Тесла. В среднем ферритовый магнит служит от 10 до 30 лет.

Постоянные магниты на основе сплава алюминия, никеля и кобальта обладают превосходной термостойкостью и стабильностью: они могут выдерживать температуру до 550 °C, хотя их удельная коэрцитивная сила относительно невелика. При воздействии относительно небольшого магнитного поля они теряют свои первоначальные магнитные свойства.

Судите сами: типичная коэрцитивная сила составляет порядка 50 кА/м при остаточной намагниченности 0,7 Тесла. Однако, несмотря на эту особенность, магниты альнико незаменимы в некоторых научных исследованиях.

Типичное содержание компонентов в высокомагнитных сплавах алнико составляет от 7 до 10% алюминия, от 12 до 15% никеля, от 18 до 40% кобальта и от 3 до 4% меди.

Чем больше кобальта, тем выше индукция насыщения и тем выше магнитная энергия сплава. Добавление от 2 до 8% титана и всего лишь 1% ниобия позволяет увеличить коэрцитивную силу до 145 кА/м. Добавление от 0,5 до 1% кремния обеспечивает изотропные магнитные свойства.

Если требуется исключительная устойчивость к коррозии, окислению и температурам до +350°C, то магнитный сплав самарий-кобальт – это правильный выбор.

Самарий-кобальтовые магниты дороже неодимовых из-за более редкого и дорогого металла – кобальта. Тем не менее, они являются правильным выбором, когда необходимо сохранить размеры и вес конечного продукта как можно меньше.

Он наиболее полезен в космических аппаратах, авиационной и компьютерной технике, миниатюрных электродвигателях и магнитных муфтах, носимых устройствах и оборудовании (часы, наушники, мобильные телефоны и т.д.).

Благодаря особой устойчивости к коррозии самариевые магниты используются в стратегических и военных приложениях. Электродвигатели, генераторы, подъемные системы, автомобили – сильный магнит из самарий-кобальтового сплава идеально подходит для агрессивных сред и сложных применений. Коэрцитивная сила составляет порядка 700 кА/м с остаточной магнитной индукцией порядка 1 Тесла.

Неодимовые магниты в настоящее время представляют большой интерес и кажутся наиболее перспективными. Сплав неодим-железо-бор позволяет создавать супермагниты для самых разных применений – от защелок и игрушек до электрогенераторов и мощных подъемных машин.

Высокая коэрцитивная сила 1000 кА/м и остаточный магнетизм 1,1 Тесла позволяют магниту служить в течение многих лет, за 10 лет неодимовый магнит теряет только 1% своего магнетизма, если рабочая температура не превышает +80°C (для некоторых марок до +200°C). Поэтому неодимовые магниты имеют только два недостатка – хрупкость и низкую рабочую температуру.

Магнитный порошок вместе со связующим компонентом образует мягкий, гибкий и легкий магнит. Связующие элементы, такие как винил, резина, пластик или акрил, позволяют изготавливать магниты различных форм и размеров.

Магнитная сила, конечно, ниже, чем в случае чисто магнитного материала, но такие решения иногда необходимы для достижения некоторых необычных для магнитов целей: в производстве рекламных изделий, в производстве съемных наклеек для автомобилей, в производстве различных канцелярских и сувенирных изделий.

Противоположные полюса магнитов отталкиваются друг от друга, а противоположные полюса притягиваются. Причина взаимодействия магнитов заключается в том, что каждый магнит имеет магнитное поле, и эти магнитные поля взаимодействуют друг с другом. В чем, например, причина того, что железо намагничивается?

Согласно гипотезе французского ученого Ампера, внутри материи существуют элементарные электрические токи (токи Ампера), которые создаются движением электронов вокруг ядер атомов и вокруг собственной оси.

Когда электроны движутся, создаются элементарные магнитные поля. А если кусок железа внести во внешнее магнитное поле, то все элементарные магнитные поля в железе ориентируются одинаково во внешнем магнитном поле, образуя собственное магнитное поле куска железа. Поэтому, если приложенное внешнее магнитное поле было достаточно сильным, то при выключении кусок железа станет постоянным магнитом.

Знание формы и намагниченности постоянного магнита позволяет заменить его для расчетов эквивалентной системой электрических токов намагничивания. Такая замена возможна как при расчете характеристик магнитного поля, так и при расчете сил, действующих на магнит со стороны внешнего поля.

В качестве примера рассчитаем силу взаимодействия двух постоянных магнитов. Пусть магниты имеют форму тонких цилиндров, их радиусы равны r1 и r2, толщина h1 и h2, оси магнитов совпадают, расстояние между магнитами равно z, при этом следует понимать, что оно намного больше размеров магнитов.

Возникновение силы взаимодействия между магнитами объясняется традиционным способом: один магнит создает магнитное поле, которое воздействует на другой магнит.

Для расчета силы взаимодействия заменим магниты с равномерной намагниченностью J1 и J2 круговыми токами, текущими вдоль боковой поверхности цилиндров. Силы этих токов будут выражаться намагниченностями магнитов, а их радиусы мы примем равными радиусам магнитов.

Разложим вектор индукции магнитного поля B, создаваемого первым магнитом в месте расположения второго магнита, на две составляющие: осевую, направленную вдоль оси магнита, и радиальную, перпендикулярную ей.

Чтобы рассчитать общую силу, действующую на кольцо, нужно мысленно разделить его на мелкие элементы Idl и сложить силы Ампера, действующие на каждый такой элемент.

Используя правило левой руки, легко показать, что осевая составляющая магнитного поля создает силы Ампера, которые растягивают (или сжимают) кольцо – векторная сумма этих сил равна нулю.

Радиальная составляющая поля создает силы Ампера вдоль оси магнитов, т.е. притяжение или отталкивание. Остается только рассчитать силу Ампера, которая является силой взаимодействия между двумя магнитами.

Важно! В обиходе постоянные магниты бывают двух форм: простая полоса и подкова.

Природа магнетизма

Демонстрация свойств магнита притягивать к себе металлические предметы вызывает вопрос: что такое постоянные магниты? Какова природа явления притяжения металлических предметов к магнетиту?

Первое объяснение природы магнетизма было дано великим ученым Ампером в его гипотезе. Во всей материи протекают электрические токи различной силы. Другими словами, они называются амперными токами. Электроны, вращаясь вокруг собственной оси, дополнительно вращаются вокруг ядра атома. Это создает элементарные магнитные поля, которые, взаимодействуя друг с другом, создают общее поле материи.

В потенциальных магнетитах, в отсутствие внешних взаимодействий, поля элементов атомной решетки ориентированы хаотично. Внешнее магнитное поле “выравнивает” микрополя в структуре материала в строго определенном направлении. Потенциалы на противоположных концах магнетита взаимно отталкивают друг друга. Если одинаковые полюса двух полосатых ПМ расположены близко друг к другу, руки человека будут ощущать сопротивление при движении. Разные полюса будут стремиться двигаться ближе друг к другу.

Когда сталь или сплав железа помещают во внешнее магнитное поле, внутренние поля металла сильно ориентированы в одном направлении. В результате материал становится постоянным магнитом (ПМ).

Постоянный магнит – это магнитиз ферромагнитного материала. Он создает стабильное магнитное поле.

Полярность

Все магниты имеют два полюса: северный и южный. Они всегда встречаются парами. Даже если вы разделите магнит на две равные части, в обеих частях останутся два полюса.

Северный и южный полюса наблюдаются парами. Если вы попытаетесь разделить их, вы только увеличите их количество. В конце концов вы придете к атому железа с полюсами, которые невозможно разделить.

Чтобы намагнитить вещество, необходимо поместить его в магнитное поле.

Что такое постоянный магнит?

Постоянные магниты – это тела, которые остаются намагниченными в течение длительного времени.
Основным свойством магнитов является притяжение железа или сплавов железа (например, железа с высоким магнитным сопротивлением). сталь).

Постоянный магнит всегда имеет два магнитных полюса: северный (N) и южный (S).
Магнитное поле постоянного магнита сильнее всего на его полюсах.

Постоянные магниты обычно изготавливаются из железа, стали, чугуна и других сплавов железа (сильные магниты), а также никеля и кобальта (слабые магниты).
Магниты могут быть естественными (природными) из железной руды и искусственными, полученными путем намагничивания железа в магнитном поле.

Одинаковые полюса отталкиваются друг от друга, а противоположные полюса притягиваются.
Магниты взаимодействуют друг с другом, потому что каждый магнит имеет магнитное поле, и эти магнитные поля взаимодействуют друг с другом.

Магнитное поле постоянных магнитов

Что является причиной намагничивания железа?
Согласно гипотезе французского ученого Ампера, внутри материи существуют элементарные электрические токи (токи Ампера), которые возникают в результате движения электронов вокруг ядер атомов и вокруг собственной оси. При движении электронов создаются элементарные магнитные поля. Когда кусок железа помещается во внешнее магнитное поле, все элементарные магнитные поля в железе ориентируются одинаково во внешнем магнитном поле, создавая собственное магнитное поле. Таким образом, кусок железа становится магнитом.

Как выглядит магнитное поле постоянных магнитов?
Вы можете получить представление о форме магнитного поля, используя кусочек железных опилок. Для этого достаточно положить лист бумаги на магнит и посыпать его железными опилками.

Для постоянного стержневого магнита

Для постоянного дугового магнита

Если поднести магнит к вертелу из железных спиц и поставить рядом факел, что произойдет?

Природные магниты (или натуральные магниты) – это куски магнитного железного камня.

Магнитный железняк или магнетит в разных странах называли по-разному:
Китайцы называли его чу-ши;
Греки называли его адамас и каламита, камень Геракла;
Французы называли его Айман;
Индусы называли его тумбака;
Египтяне, кость Ора,
испанцы, piedramante;
Немцы, магний и цигельштейн;
По-английски – lowstone.
Почти половина этих названий переводится как “любящий”, именно так было описано главное свойство магнитов – притяжение, “любовь” к железу.

По химическому составу магнетит состоит из 31% FeO и 69% Fe2O3.
___

Природные магниты, вырезанные из кусков магнитного железняка, раньше были больших размеров. По сей день самый большой из известных природных магнитов находится в Тартуском университете. Его вес составляет 13 кг, а подъемная сила – 40 кг (в арматуре).
Такие магниты в медной оправе с железными колпачками выпускали уральские заводы. Их использовали горные офицеры, моряки, изготовители компасов, исследователи.
___

Такие магниты заказывали и богатые любители диковинок. Как правило, каркас магнитов представлял собой красиво отделанный медный ящик, к которому сверху крепилась подвижная ручка, а снизу – “ярмо” с профилированной вырезной рамой и крючком для подвешивания груза. Эти магниты поднимали груз в десять раз тяжелее, чем сам магнит.
___

Один из самых сильных природных магнитов был, по легенде, у Ньютона – в его кольцо был помещен магнит, который поднимал предметы в 50 (!) раз больше веса самого магнита.

. что нейтронные звезды являются самыми сильными магнитами во Вселенной. Их магнитное поле во много миллиардов раз превышает магнитное поле Земли.

Искусственные магниты были изготовлены в Англии в 18 веке.
___

Чтобы намагнитить вещество, его необходимо поместить в магнитное поле.

КАК СДЕЛАТЬ МАГНИТ

Искусственные магниты могут быть изготовлены путем:
1. Потирая кусок магнитного железняка (или один конец постоянного магнита) в одном направлении о железные бруски;
2) или просто поместив ненамагниченный брусок железа на постоянный магнит.
Оказывается, таким образом можно получить искусственные магниты гораздо сильнее, чем те, которые вы сотрете друг с другом!
___

Некоторые вещества очень легко намагничиваются. Обычно, однако, вещества, которые легко намагничиваются, так же легко размагничиваются (чистое железо). Такие вещества называются магнитно-мягкими.
___

Трудно намагничиваемые вещества (сталь) остаются сильно намагниченными даже после удаления внешнего магнитного поля; их называют магнитно-твердыми.
___

В конце прошлого века было замечено, что добавление 3% вольфрама к железу улучшает свойства искусственных магнитов примерно в 3 раза. Добавление кобальта улучшает свойства еще в 3 раза.
___

Лучшим довоенным магнитным сплавом был сплав альнико на основе алюминия, никеля и кобальта.
С помощью магнитов альнико можно было поднимать железные предметы весом в 500 раз больше, чем вес самого магнита.
В результате спекания порошкообразного алнико был получен магнит, способный поднять предмет, вес которого в 4 450 раз превышает вес самого магнита!
___

Еще более сильные магниты изготавливаются из сплава magneco, который содержит железо, кобальт, никель и некоторые другие добавки. Порошковые магниты на основе этого сплава могут поднимать массу железа, более чем в 5 000 раз превышающую их собственный вес.
___

Еще более мощными являются так называемые оксидно-баритовые магниты.

Японцы создали магнит, один квадратный сантиметр которого притягивает 900 кг груза.
Изобретение имеет форму цилиндра высотой 2 см и диаметром 1,5 см.
Уникальный сплав магнита включает такие металлы, как неодим и европий.

И ВСЕ ОНИ ТАКИЕ РАЗНЫЕ.

Интересно, что все вещества, помещенные в магнитное поле, становятся намагниченными.
…Но по-разному!

Различные вещества реагируют по-разному, когда их помещают во внешнее магнитное поле:
– Существуют вещества, которые ослабляют действие внешнего поля внутри себя – это парамагнетики.
– Существуют вещества, которые усиливают внешнее поле внутри себя – это диамагнетики.
– Существуют вещества с огромной способностью (в тысячи раз) усиливать внешнее поле внутри себя (железо, кобальт, никель, сплавы и соединения этих металлов) – это ферромагниты.

Ферромагниты подразделяются на :
– Материалы, которые при воздействии сильного внешнего магнитного поля сами становятся магнитами – это магнитотвердые материалы.
– материалы, которые ведут себя как магниты, пока находятся в сильном внешнем магнитном поле, но если внешнее магнитное поле исчезает, эти материалы сразу же теряют свои магнитные свойства – это магнитно-мягкие материалы.

На городской площади Демокрасии, Гватемала, стоит дюжина древних статуэток, найденных во время раскопок на земле, принадлежавшей ольмекам. Эти скульптуры “толстяков” были высечены из блоков магнитной породы более трех тысяч лет назад.
Интересно, что линии магнитной силы, похоже, выходят из животов “толстяков”!
Помимо “толстяков”, древние ольмеки умели вырезать фигурки морских черепах с намагниченными головами, вероятно, приписывая им способность находить правильный курс в открытом море.
___

Китайские хроники содержат описания магнитных ворот, через которые не мог пройти враг с оружием.
___

Существует рассказ о святилище Мухаммеда с магнитным сводом, под которым плавает железный ларец с прахом пророка. Однако европейские путешественники так и не смогли увидеть это чудо.
___

Плиний писал, что александрийский архитектор Хинократ начал делать свод храма Арсинои из магнитного камня, чтобы железная фигура Арсинои висела в воздухе; этот план, очевидно, не был осуществлен.
Многие церковные историки утверждают, что в александрийском храме Сераписа статуя бога солнца могла, к изумлению молящихся, взлетать к потолку, увлекаемая силой большого магнита.
___

Рисунок 1: Постоянные магниты различной формы. Полосатые и арочные магниты

Где используются постоянные магниты

Превосходные свойства постоянных магнитов используются в различных областях науки, техники, промышленности и повседневной жизни. Это лишь несколько примеров:

Запись и хранение информации (магнитные ленты, компьютерные дискеты и диски);
Пластиковые карты для различных целей (финансовые карты, карты вознаграждения, карты безопасности);
Микрофоны, громкоговорители, аудиооборудование;
Электродвигатели, генераторы, трансформаторы;
Компасы;
В измерительных приборах с отклоняющейся стрелкой, например, в амперметре;
Пластиковые магниты для образовательных и выставочных целей;
Магниты на холодильник;
Изготовление застежек для одежды и сумок:
Мебельные ручки (запирающие двери);
Игрушки для детей.

В настоящее время самыми мощными искусственными магнитами являются те, которые содержат редкоземельные металлы, такие как неодим (сплав Nd-Fe-B) или самарий (сплав Sm-Co). Эти магниты способны сохранять свои свойства без размагничивания в течение 30 лет.

Каков конечный результат? Поскольку центральный магнит можно просто вращать, то будет происходить и перемещение максимума общей плотности магнитного потока по окружности, равное частоте вращения центрального магнита. Другими словами, один центральный магнит может управлять общим полем, которое является суммой сил трех магнитов. При вращении центрального магнита не происходит изменения полной энергии магнитного поля, т.е. вращение центрального магнита происходит без затрат энергии.

Сила и слабость постоянных магнитов

Чистый или нейтральный ток можно описать как ситуацию, в которой существуют условно удаленные заряды, состоящие из равного числа отрицательно и положительно заряженных частиц, одни из которых движутся относительно других в доминирующем направлении. Именно взаимное движение зарядов противоположного знака друг относительно друга и является нейтральным током. Другие варианты движения зарядов, напр. с преимущественно зарядами одного знака, будут в некотором роде производными от нейтрального тока и, соответственно, будут иметь некоторые особенности электрических взаимодействий.

Во многих ситуациях мы не имеем дело с нейтральными токами, поскольку существует как неравномерное распределение зарядов по длине проводника с током, так и скачки напряженности электрического поля на определенных границах проводника (наличие ЭДС, вызывающей ток, и т.д.). Поэтому для изучения свойств нейтрального тока необходимо использовать либо кольцевой сверхпроводник с током, либо постоянные магниты, которые в этом случае условно можно считать кольцевой нейтральной токовой системой.

Кольцевые токи магнитов

При рассмотрении постоянных магнитов как кольцевых нейтральных токов можно сделать несколько общих замечаний. Электрический кольцевой ток поддерживается без внешней зарядки в течение достаточно длительного периода времени. Процесс нейтрального тока не сопровождается выделением тепла или электромагнитным излучением (просто поддерживается тепловое равновесие с окружающей средой и телом постоянного магнита).

Хотя “магнитные” токи нейтрального кольца, предположим, имеют постоянную величину, при взаимодействии магнитов возникают ситуации, в которых возможны как определенные переходные процессы, так и взаимодействие токов друг с другом. Другими словами, возникает явление электрической взаимной индукции.

Взаимная индукция двух контуров с током при наличии магнитной связи достаточно подробно описана в литературе. Известно, что энергия двух магнитосвязанных контуров тока отличается от суммы собственных энергий этих токов на величину взаимной энергии двух токов. Распространяя этот принцип на взаимодействие постоянных магнитов, можно сказать, что энергия системы магнитов отличается от полной энергии каждого магнита. Это понятно, поскольку механическая работа производится, когда магниты приближаются или удаляются друг от друга.

Но так ли постоянны по величине эквивалентные круговые токи постоянных магнитов? Действительно, они, упрощенно говоря, являются суммой огромного количества элементарных молекулярных токов. Однако, в отличие от других материальных тел, постоянный магнит имеет внешнее и внутреннее магнитное поле, которое “связывает” все элементарные токи, и каждый круговой ток отвечает на колебания остальных, а они, в свою очередь, отвечают на его колебания. Другими словами, в постоянном магните все элементарные токи образуют единый “организм”, который сам по себе является постоянным магнитом. Если этот “организм” разрушается и каждый элементарный ток начинает “существовать” самостоятельно, то магнитные свойства этого объекта теряются.

Вращение – ключ к эффективности

В группе из трех магнитов центральный магнит “модулирует” общее магнитное поле всех трех магнитов. Максимальная плотность смещается в одну сторону, а на противоположной стороне магнитное поле практически отсутствует. Когда мы изменяем магнитную силу среднего магнита, происходит плавное изменение общего поля, при этом плотность магнитного потока как бы перемещается в другую сторону.

Что это дает в итоге? Поскольку центральный магнит можно просто вращать, то будет происходить и перемещение максимума общей плотности магнитного потока по окружности, равное частоте вращения центрального магнита. Другими словами, один центральный магнит может создавать общее поле, равное сумме сил трех магнитов. При вращении центрального магнита не происходит изменения энергии накопленного магнитного поля, т.е. вращение центрального магнита происходит без затрат энергии.

Вращающийся или реверсивный максимальный магнитный поток может использоваться во многих приложениях, от простейших вариантов насосов до двигателей или генераторов. Все устройства будут обладать высокой эффективностью и низким энергопотреблением.

Конечно, вращение центрального постоянного магнита – не единственное практическое применение группы из трех постоянных магнитов в генераторах или двигателях. Этот центральный магнит может быть заменен электромагнитом, по обмотке которого протекает переменный ток различной формы (в зависимости от назначения или конструкции).

Наиболее интересное использование этого эффекта – в двух типах двигателей: линейных возвратно-поступательных и роторных. Эти двигатели могут достигать высоких крутящих моментов при относительно низких рабочих скоростях.

Где можно использовать постоянные магниты?

Характерной особенностью двигателей с активными постоянными магнитами является возможность электрического резонанса. Поскольку приводной электромагнит периодически меняет полярность, то есть питается переменным током, частота которого зависит от скорости (в случае роторного двигателя) в соотношении 1 / K, где K – число полюсов, электромагниты могут быть включены в колебательный контур с емкостью. Соединение электромагнитов может быть последовательным, параллельным или комбинированным, а емкость выбирается по резонансу на рабочей частоте двигателя, в этом случае средний ток, проходящий через электромагниты, будет большим и внешний источник тока будет компенсировать в основном активные потери.

Этот режим работы будет наиболее экономически привлекательным, а двигатель, в котором он используется, будет называться магнитно-резонансным шаговым двигателем. Скорость двигателя в этом случае практически не зависит от нагрузки и определяется частотой электрического резонанса, деленной на число полюсов, несмотря на увеличение потребляемого тока при увеличении нагрузки. Для увеличения скорости работы можно использовать многофазные схемы питания электромагнитов двигателя. Среднее ожидаемое снижение энергопотребления этих резонансных шаговых двигателей может достигать 60-75% по сравнению с обычными электродвигателями. Эти двигатели характеризуются высоким крутящим моментом, достаточно жесткими нагрузочными характеристиками, стабильной скоростью, высокой надежностью (якорь не имеет токопроводящих частей), отсутствием подвижных контактов, искр и т.д.

Тем не менее, они могут иметь некоторые преимущества перед трехфазными асинхронными и синхронными машинами и коллекторными двигателями постоянного тока. Одно из главных преимуществ – низкое энергопотребление.

Генератор с повышенной эффективностью

Использование постоянных магнитов эффективно, например, в конструкции электрогенератора с неподвижным ротором. Преимуществом данного типа генератора является отсутствие движущихся частей, высокая надежность, экономичность и простота конструкции. Магнитные материалы со специальными свойствами могут быть еще более экономичными. Среднее снижение энергопотребления при производстве электроэнергии с помощью генераторов этого типа может достигать 50% и более.

Их конструкция основана на принципе модуляции общего магнитного поля трех постоянных магнитов с помощью центрального магнита, который представляет собой электромагнит. Использование постоянных магнитов позволяет снизить затраты на энергию при выработке электричества.

Магнитная система этого генератора обычно имеет форму “креста в кольце”, где одна из поперечин – постоянные магниты, а другая – катушка управления, катушка которой может быть разделена на две части или использоваться как одна катушка. Кольцо представляет собой вихретоковый магнитопровод с низкими потерями и 4 рабочими обмотками (выходными обмотками), соединенными попарно. Выходное напряжение имеет частоту, в два раза превышающую частоту тока, питающего управляющую катушку.

Если обычный генератор (с вращающимся ротором) работает с постоянным магнитным потоком ротора (постоянные магниты или электромагнит), вращающегося в сторону от внешнего двигателя, который его приводит в движение, периодически изменяя магнитный поток в обмотках статора, то на стороне приводного двигателя возникают повышенные механические затраты.

При неподвижном роторе отсутствуют потери на трение и противодействующий момент от приводного двигателя. По сути, это особый тип трансформаторного инвертора с дополнительным усилением за счет магнитного поля постоянных магнитов. Преобразование входного переменного тока удваивает частоту выходного тока. Поскольку магнитное поле постоянных магнитов не меняет направления – происходит лишь периодическое перераспределение поля вдоль секторов кольца – оно активно участвует, внося свой “вклад” в генерацию ЭМП.

Магнитный поток управляющей или первичной обмотки электромагнита меняет знак, т.е. происходит процесс, аналогичный тому, что происходит в простом трансформаторе. Эффективность трансформаторного преобразования довольно высока. Другими словами, мы получаем трансформатор преобразователя частоты с повышенным КПД.

Каков конечный результат? Получается, что входная мощность как минимум меньше выходной. Превышение выходной мощности над входной происходит за счет энергии постоянных магнитов, которые являются неподвижными, в отличие от обычной генераторной схемы.

Дополнительные возможности этого генератора могут быть получены при использовании магнитных материалов со специальными свойствами для кольцевого сердечника статора.
Недостатками устройства являются удвоение частоты выходного напряжения, определенная сложность в изготовлении магнитопровода и обмоток, необходимость использования компенсационных обмоток для установки требуемых характеристик нагрузки. Максимальная мощность определяется в основном энергией используемых постоянных магнитов, от которой зависят все остальные параметры.

Для выработки трехфазного тока можно использовать либо 3 таких инвертора (питание обмоток управления синхронизировано), либо аналогичную конструкцию, выполненную в трехфазном исполнении.

Читайте далее: