От Фарадея с его дисковым генератором и до настоящего времени, людей интересует проблема получения электрической энергии без затрат топливных ресурсов, то есть без превращения вещества в энергию, в том числе и в атомных электростанциях.

Источником энергии может быть любая сила от движущегося, твердого, жидкого или газообразного вещества.

В качестве природных источников такой силы уже используются: вода в гидроэлектростанциях и ветер в ветрогенераторах. Такой же природной силой является и сила магнитного поля постоянных магнитов. Однако эффективность получения электрической энергии из такого поля в индукторных генераторах изучена недостаточно и бытующее утверждение о возможности получения в таких генераторах коэффициента полезного действия более 100% требует экспериментального подтверждения. Целью настоящих исследований и было проведение экспериментов по оценке энергетической эффективности работы таких генераторов и опровержение возможности получения в них КПД более 100%.

Рассмотрим индукторный генератор теоретически, как преобразователь механической энергии на его валу в электрическую энергию нагрузки. Как известно, механическая входная мощность на валу генератора определяется выражением:

(1) P = F r ω

где F — вращающая сила
r — радиус действия этой силы
ω — угловая скорость вращения

Электрическая же выходная мощность генератора определяется выражением :

(2) P = (B l r ω )(B l r ω) / R

где B — магнитная индукция в генераторе
l — общая длина проводников обмотки генератора
ω — угловая скорость вращения ротора генератора
r — радиус ротора генератора
R — активное сопротивление нагрузки генератора

Чтобы оценить энергетическую преобразовательную эффективность гомополярного генератора , нам необходимо знать соотношение электрической и механической мощностей. Для этого надо выражение (2) разделить на выражение (1). После такого деления и сокращений одинаковых значений «ω,, и «r,, получаем некий коэффициент преобразования — К, назовем его коэффициентом преобразования энергий/коэффициентом получения энергии, сокращено КПЭ.

Поскольку нас интересуют только изменяемые (переменные) величины КПЭ, то можно не учитывать постоянные значения величин — B, l, r и R. Тогда мы получим интересующее нас расчетное значение коэффициента — К :

(3) K = ω/F

Эта формула подтверждает, что существует прямопропорциональная зависимость КПЭ от скорости вращения ротора генератора и обратнопропорциональная от усилия вращающей силы. Однако рассчитать теоретически коэффициент «К» по этой формуле не представляется возможным, поскольку даже для постоянной угловой скорости вращения этот коэффициент будет зависеть от конструкции генератора, величины воздушного зазора в магнитной цепи и напряженности магнитного поля создаваемого постоянными магнитами. Поэтому и возникла необходимость экспериментального определения коэффициента «К» на опытном образце гетерополярного генератора. Можно сделать некоторый общий вывод о значении этого коэффициента на основании анализа соотношений один и два. Во-первых, следует сказать, что для создания магнитной индукции поля в постоянном магните не требуется затрат электрической энергии, как в электромагните — магнит сам является источником энергии. Во-вторых, механическая мощность на валу генератора линейно возрастает с ростом угловой скорости вращения ротора, о чем говорит первое соотношение, а электрическая на выходе имеет квадратичную возрастающую зависимость от угловой скорости вращения, ибо она прямо пропорциональна квадрату генерируемого напряжения, а оно линейно зависит от угловой скорости ротора при любом вращающем усилии. То есть электрическая мощность всегда возрастает гораздо быстрее механической, и это говорит о том, что она всегда больше механической, и тем больше, чем больше угловая скорость. Другими словами, если принять механическую мощность на валу за единицу, то коэффициент повышения энергии всегда будет больше единицы, и никогда не не станет равным ей, ибо это означало прекращение вращения ротора генератора. Но по какому закону будет расти КПЭ с увеличением угловой скорости вращения ротора теоретически рассчитать не представляется возможным, поскольку вращающее механическое усилие на валу генератора зависит от электрической нагрузки, изменяющейся в свою очередь также. Но при постоянной электрической нагрузке это возможно сделать экспериментально: можно утверждать, что этот закон будет нелинейно возрастающим с КПЭ всегда большим единицы.
Для проведения таких экспериментальных исследований был разработан специальный испытательный стенд и создан дисковый двенадцатиполюсный гетерополярный генератор переменного тока. Фотография этого стенда изображена на фото №1, а магнитный диск генераторa на фото №2. На фото №1 можно увидеть диск с плоскими катушками генератора, установленный на динамометрическом диске, цифровой динамометр для измерения усилий на радиусе динамометрического диска и цифровые электроизмерительные приборы. На фото № 2 показаны двенадцать магнитов, радиально расположенных по периметру дискового магнитопровода. Диаметр магнитного диска 6 дюймов (магниты имеют дюймовые размеры), а толщина диска с магнитами чуть больше дюйма. Неодимовые магниты №42 — 13200 Гаус имеют размеры 2 дюйма на 0,5 дюйма, и размещены в два слоя, воздушный зазор в генераторе 0,3 мм. Приводной двигатель постоянного тока серии S001 на 2,5 лс., напряжением 130 Вольт и током до 10 Ампер. На стенде размещены: портативный цифровой динамометр с точностью до 0,01 кгс, цифровые вольтметры и амперметры типа DT9205A, установленные на пределах 200 Вольт и 20 Ампер. Обороты магнитного диска измерялись цифровым лазерным тахометром типа GM1A. Динамометрический диск диаметром 160 мм установлен на шариковых подшипниках, но все же создавал до начала своего движения усилие в 0,5 кгс.
По данным силы, измеренной на радиусе динамометрического диска и числу оборотов магнитного диска, рассчитывалась механическая мощность на валу генератора в Ваттах. Электрическая мощность измерялась на постоянном токе при постоянной нагрузке в 5,6 Ом после выпрямления и фильтрации переменного напряжения генератора. В процессе испытаний обороты магнитного диска изменялись в пределах от 150 до 2000 ( в пределах механической прочности крепления магнитов на диске). Все данные полученных замеров сводились в таблицу, по которой и строились графические зависимости входной механической и выходной электрической мощностей генератора от его оборотов. На рис.1 представлены зависимости этих мощностей под названиями Рвх и Рвых от оборотов генератора. Эти зависимости имеют нелинейный характер с преобладанием выходной электрической мощности над входной механической во всем диапазоне скоростей от 150 до 2000 оборотов в минуту. Это преобладание сохраняется и далее, по мере увеличения числа оборотов. Характерно для данного гетерополярного генератора то, что примерно до 1000 оборотов в минуту, такое преобладание относительно невелико, однако затем кривые мощностей сильно расходятся, крутизна кривой электрической выходной мощности резко возрастает и отношение выходной мощности к входной увеличивается. Неоспорим тот факт, что это отношение не может быть не только меньше единицы, но даже равным ей, поскольку это означало бы остановку генератора. Но это же отношение может быть и гораздо больше единицы, по мере увеличения числа оборотов генератора. Так при 2000 оборотах в минуту КПЭ равен шести, и кривые мощностей продолжают все более расходиться с все большим преобладанием выходной электрической мощности над входной механической и стремлением её к бесконечности. Это указывает на то, что реально КПЭ может доходить до десяти и более, в пределах механической прочности крепления магнитов на диске генератора, если ротором является магнитный диск. Кривые же механического усилия Fвх и КПЭ, наоборот, имеют сходящийся характер. Для получения более высоких КПЭ требуется все меньшее механическое усилие Fвх, создающее вращающий момент в генераторе. Что касается коэффициента полезного действия генератора (КПД), то он может быть рассчитан по выходной мощности генератора и потерям энергии от тока в его обмотках с известным сопротивлением в 1,4 Ома. Для сравнения с кривой КПЭ на рис.1 приведена и кривая КПД генератора. В отличие от КПЭ, кривая КПД имеет линейную зависимость, и как для обычных маломощных электрических машин, КПД изменяется от 68% при 340 оборотах в минуту до 77% при 2000 оборотах в минуту(потери в стали не учитывались, поскольку обмотки генератора не имеют сердечников, а магнитное поле постоянных магнитов было неизменным). При мощности генератора в 250 Ватт наблюдался допустимый нагрев его обмоток, а магниты вообще не нагревались.
Для изучения изменений токов с перспективой возможности самовращения генератора избыточной выходной мощностью, заменим механическую мощность на валу генератора гипотетическим электрическим двигателем той же мощности с КПД равным 100%. На рис.2 представлены расчетные графики изменений мощности такого двигателя «Рдв» и мощности генератора «Рген». Характерно, что эти графики нелинейны и имеют слабо сходящийся характер, практически идут параллельно, но в начальной области малых оборотов генератора наблюдается значительная нелинейность в кривой мощности двигателя. В токах «Iген» и токах «Iдв» также наблюдается значительная нелинейность в области малых оборотов, но затем эта нелинейность уменьшается, и в токах «Iген» и «Iдв» наблюдается расхождение, аналогичное кривым мощностей на рис.1. Характерно, что если мощность генератора всегда больше мощности двигателя, то токи «Iдв» и «Iген» ведут себя по-разному. Примерно до 500 оборотов в минуту и выходном напряжении генератора около 9 Вольт, ток двигателя преобладает над током генератора, а затем происходит перелом в их соотношениях — токи генератора становятся больше токов двигателя. Это говорит о том, что генератор достаточно раскручен и может уже обеспечить током как собственный двигатель, так и создавать, при дальнейшем увеличении оборотов, полезную мощность в нагрузке. Такое поведение токов двигателя и генератора объясняется тем, что мощность на валу двигателя зависит от тока в его обмотках, а мощность генератора от вырабатываемого им напряжения. Конечно, цифра в 500 оборотов в минуту весьма условна и будет зависеть от конструкции генератора и применяемых магнитов, то есть от его способности развивать при данных оборотах мощность, обеспечивающую ток самовращения генератора. Однако непосредственный пуск такого двигателя от генератора без его предварительной раскрутки (для данного образца до 500 оборотов в минуту) оказался невозможен.
При оценке энергетической эффективности гомополярных генераторов не следует путать их КПД с КПЭ — это разные энергетические характеристики. Иными словами, если КПД характеризует потери энергии, то КПЭ её получение(извлечение). Если КПД не может быть больше единицы, то КПЭ наоборот, всегда больше единицы и не может быть равен ей. Графики на рисунках 1 и 2 показывают, что в зависимости от числа оборотов, опытный образец данного генератора (при его самовращении) может выдавать в нагрузку полезную мощность в пять раз большую, чем он потребляет сам, даже при 2000 оборотах в минуту, и рост этого соотношения возможен при еще больших оборотах. В энергетической характеристике гомополярного генератора следует указывать эти оба энергетических параметра.
Не следует считать такую электроэнергию бесплатной, редкоземельные постоянные магниты стоят дорого и производство таких генераторов не будет дешевым. Кроме того, индукторные генераторы не следует относить и к «вечным двигателям» , ибо постоянные магниты теряют свою силу примерно 1% в год. Такие генераторы могут найти применение в неэлектрофицированных районах Земли и в космосе, во всех тех случаях, где требуется автономный, мобильный источник электроэнергии, например в различных экспедициях, палатке бедуина, юрте эскимоса или яранге чукчи. Не следует также путать понимание полезной мощности в термине КПД с полезной мощностью генератора на постоянных магнитах в режиме самовращения и КПЭ большем единицы. Оба коэффициента характеризуют разность между электрической и механической мощностями, но в самовращающемся генераторе часть выходной электрической мощности тратится на его вращение и преобразование электрической энергии в механическую, поэтому его полезная мощность будет равна разности между электрической выходной мощностью и электрической мощностью затраченной на его вращение.  Проведение полномасштабных исследований данных устройств предполагают наличие хороших и оснащенных помещений, а найти такие, всегда большая проблема. Но вот например VIP аренда офисов в Санкт-Петербурге, Вас ждет на http://airportcity.spb.ru/location/airportcity/. Московский район…

Литература:

Кухлин Хорст. Справочник по физике: Пер. с нем. 2-е изд. — М.: Мир,1985. — 520с.

Игорь Васильевич Сурант
3 Января 2011 года Igor V. Surant
bogchelovek@yahoo.com

Продолжение следует…

Начало.