Целью данной работы является выяснение энергетических особенностей сверхединичных синхронных генераторов на постоянных магнитах, и, в частности, влияние тока нагрузки, создающего размагничивающее поле (реакцию якоря), на нагрузочную характеристику таких генераторов. Испытанию подвергались два дисковых синхронных генератора различной мощности и конструкции. Первый генератор представлен малым синхронным дисковым генератором с одним магнитным диском диаметром 6 дюймов, с шестью парами полюсов, и обмоточным диском с двенадцатью обмотками. Этот генератор изображен на испытательном стенде (Фото №1), и его полные испытания описаны в моей статье под названием : ,,Экспериментальные исследования энергетической эффективности получения электрической энергии из магнитного поля постоянных магнитов». Второй генератор представлен большим дисковым генератором с двумя магнитными дисками диаметром 14 дюймов, с пятью парами полюсов, и обмоточным диском с десятью обмотками. Этот генератор еще не был комплексно испытан, и изображен на фото №3, самостоятельной электрической машиной, рядом с испытательным стендом маленького генератора. Вращение этого генератора производилось двигателем постоянного тока, установленным на его корпусе.
Выходные переменные напряжения генераторов выпрямлялись, сглаживались конденсаторами большой емкости, и измерение токов и напряжений в обеих генераторах производилось на постоянном токе цифровыми мультиметрами типа DT9205A.Для малого генератора измерения производились на стандартной частоте переменного тока в 60Гц, что для малого генератора соответствовало 600 об/мин. Для малого генератора измерения также производились и на кратной частоте в 120 Гц, что соответствовало 1200 об/мин. Нагрузка в обеих генераторах была чисто активной. В маленьком генераторе с одним магнитным диском магнитная цепь была разомкнута, а воздушный зазор между ротором и статором составлял около 1 мм. В большом генераторе, с двумя магнитными дисками, магнитная цепь была замкнута, а обмотки помещались в воздушном зазоре 12 мм.
При описании физических процессов в обеих генераторах, аксиомой является то, что у постоянных магнитов магнитное поле неизменно, и его нельзя ни уменьшить, ни увеличить. Это важно учитывать при анализе характера внешних характеристик этих генераторов. Поэтому в качестве переменной будем рассматривать только изменяющееся размагничивающее поле нагрузочных обмоток генераторов. Внешняя характеристика маленького генератора, при частоте 60 Гц, приведена на рис.1, на котором также изображена кривая выходной мощности генератора Рген, и кривая КПЭ. Характер кривой внешней характеристики генератора может быть объяснен, исходя из следующих соображений — если величина магнитного поля на поверхности полюсов магнитов и неизменна, то по мере удаления от этой поверхности она уменьшается, и, находясь вне тела магнита, может изменяться. При малых токах нагрузки поле нагрузочных обмоток генератора взаимодействует с ослабленной, рассеяной частью поля магнитов и сильно уменьшает его. В результате их общее поле сильно уменьшается, и выходное напряжение резко падает по параболе, поскольку мощность размагничивающего тока пропорциональка его квадрату. Это подтверждает и картина магнитного поля магнита и обмотки, полученная с помощью железных опилок. На фото №1 видна картина только самого магнита, и четко видно, что силовые линии поля сосредоточены у полюсов, в виде сгустков опилок. Ближе к центру магнита, где поле вообще нулевое, поле сильно ослабевает, так, что не может даже сдвинуть опилки. Вот это ослабленное поле и обнуляет реакция якоря обмотки, при малом токе в 0,1А, как это видно на фото №2. С дальнейшим увеличением тока нагрузки уменьшаются и более сильные поля магнита, находящиеся ближе к их полюсам, но уменьшать дальше, все возрастающее поле магнита, обмотка не может, и кривая внешней характеристики генератора постепенно выпрямляется, и превращается в прямую зависимости выходного напряжения генератора от тока нагрузки. Причем на этой линейной части нагрузочной характеристики, напряжения под нагрузкой уменьшаются меньше чем на нелинейной, и внешняя характеристика становится жеще. Она приближается к характеристике обычного синхронного генератора, но с меньшим начальным напряжением. В промышленных синхронных генераторах допускается до 30% падения напряжения под номинальной нагрузкой. Посмотрим же какие проценты падения напряжения у маленького генератора при 600 и 1200 об/мин. При 600 оборотах, напряжение его холостого хода составляло 26 Вольт, а под током нагрузки в 4 Ампера, упало до 9 Вольт, тоесть уменьшилось на 96,4% — это очень высокое падение напряжения, более чем в три раза превашающее норму. При 1200 оборотах, напряжение холостого хода стало уже 53,5 Вольт, а под тем-же током нагрузки в 4 Ампера, упало до 28 Вольт, тоесть уменьшилось уже на 47,2% — это уже ближе к допустимым 30%. Однако рассмотрим численные изменения жесткости внешней характеристики этого генератора в широком диапазоне нагрузок. Жесткость нагрузочной характеристики генератора определяется скоростью падения выходного напряжения под нагрузкой, поэтому просчитаем её, начиная от напряжения холостого хода генератора. Резкий и нелинейный спад этого напряжения наблюдается примерно до тока в один Ампер, и наиболее ярко выражен до тока в 0,5 Ампера. Так, при токе нагрузки в 0,1 Ампера, напряжение равно 23 Вольта и падает, по сравнению с напряжением холостого хода в 25 Вольт, на 2 Вольта, тоесть скорость падения напряжения составляет 20 В/A. При токе нагрузки в 1.0 Ампера напряжение уже равно 18 Вольт, и падает на 7 Вольт, по сравнению с напряжением холостого хода, тоесть скорость падения напряжения составляет уже 7 В/А, тоесть она уменьшилась в 2,8 раза. Такое повышение жесткости внешней характеристики продолжается и при дальнейшем увеличении нагрузки генератора. Так, при токе нагрузки в 1.7 Ампера, напряжение падает с 18 Вольт до 15,5 Вольт, тоесть скорость падения напряжения составляет уже 3,57 В/А, а при токе нагрузки в 4 Ампера, напряжение с 15,5 Вольт падает до 9 Вольт, тоесть скорость падения напряжения уменьшается до 2,8 В/А. Такой процесс сопровождается и постоянным увеличением выходной мощности генератора (Рис. 1), при одновременном повышением жесткости его внешней характеристики. Повышение выходной мощности, при этих 600 об/мин, обеспечивает при этом и достаточно высокий КПЭ генератора в 3,8 единиц. Аналогичные процессы происходят и при двойной синхронной скорости генератора (Рис. 2), тоже сильное квадратурное снижение выходного напряжения при малых токах нагрузки, с дальнейшим повышением жесткости его внешней характеристики с увеличением нагрузки, отличия только в численных значениях. Возьмем только два крайних случая нагрузки генератора — минимального и максимального токов. Так при минимальном токе нагрузки в 0,08 А, напряжение равно 49,4 В, и падает, по сравнению с напряжением в 53,5 В на 4,1 В. Тоесть скорость падения напряжения составляет 51,25 В/А, и более чем в два раза превышает эту скорость при 600 об/мин. При максимальном токе нагрузки в 3,83 А, напряжение уже равно 28,4 В, и падает, по сравнению с 42 В при токе в 1,0 А, на 13,6 В. Тоесть скорость падения напряжения составила 4,8 В/А, и в 1,7 раза превышает эту скорость при 600 об/мин. Из этого можно сделать вывод, что увеличение скорости вращения генератора значительно снижает жесткость его внешней характеристики на её начальном участке, но не значительно снижает её на линейном участке его нагрузочной характеристики. Характерно, что при этом, при полной нагрузке генератора в 4 Ампера, процентное падение напряжения оказывается при этом меньше чем при 600 оборотах. Это объясняется тем, что выходная мощность генератора пропорциональна квадрату генерируемого напряжения, тоесть оборотам ротора, а мощность размагничивающего тока пропорциональна квадрату тока нагрузки. Поэтому при номинальной, полной нагрузке генератора размагничивающая мощность, по отношению к выходной, оказывается меньше, и прцентное падение напряжения снижается. Главной положительной особенностью более высокой скорости вращения маленького генератора является существенное повышение его КПЭ. При 1200 об/мин КПЭ генератора увеличился, с 3,8 единиц при 600 об/мин, до 5,08 единиц.
Большой генератор концептуально имеет иную конструкцию, основанную на применении второго закона Кирхгофа в магнитных цепях. Этот закон гласит, что если в магнитной цепи имеются два, или несколько источников МДС (в виде постоянных магнитов), то в магнитном контуре эти МДС алгебраически суммируются. Поэтому, если мы возьмем два одинаковых магнита, и одни их разноименные полюса соеденим магнитопроводом, то в воздушном зазоре других двух разноименных полюсов возникает удвоенная МДС. Этот принцип и положен в конструкцию большого генератора. Такие же плоские по форме обмотки, как и в магеньком генераторе, и помещены в этот образовавшийся воздушный зазор с двойной МДС. Как повлияло это на внешнюю характеристику генератора показали его испытания. Испытания этого генератора производились на стандартной частоте в 50Гц, что, так-же, как и в маленьком генераторе, соответствует 600 об/мин. Была сделана попытка сравнить внешние характеристики этих генераторов при одинаковых напряжениях их холостого хода. Для этого скорость вращения большого генератора была понижена до 108 об/мин, и его выходное напряжение понизилось до 50 Вольт, напряжения близкого к напряжению холостого хода маленького генератора при скорости вращения 1200 об/мин. Полученная таким образом внешняя характеристика большого генератора приведена на том-же рисунке №2, где изображена и внешняя характеристика маленького генератора. Сравнение этих характеристик показывает, что при таком, очень низком выходном напряжении для большого генератора, его внешняя характеристика оказывается очень мягкой, даже по сравнения не со столь жесткой внешней характеристикой маленького генератора. Поскольку оба сверединичных генератора способны к самовращению, то предстояло выяснить, что требуется для этого в их энергетических характеристиках. Поэтому проводилось и экспериментальное исследовани мощности, потребляемой приводным электродвигателем, без потребления свободной энергии от большого генератора, тоесть измерение потерь холостого хода генератора. Эти исследования проводились для двух разных передаточных отношений понижающего редуктора между валом электродвигателя и валом генератора, с целью их влияния на потребляемую мощность холостого хода генератора. Все эти измерения проводились в диапазоне от 100 до 1000 об/мин. Измерялось напряжение питания приводного электродвигателя, потребляемый им ток, и рассчитывалась мощность холостого хода генератора, при передаточных отношениях редуктора равных 3,33 и 4,0. На рис.№3 приведены графики изменений этих величин. Напряжение питания приводного электродвигателя линейно возрастало с увеличением оборотов при обеих редукторных отношениях, а потребляемый ток имел небольшую нелинейность, вазванную квадратичной зависимостью электрической составляющей мощности от тока. Механическая же составляющая потребляемой мощности, как известно, линейно зависит от скорости вращения. Замечено, что повышение передаточного отношения редуктора снижает потребляемый ток во всем диапазоне скоростей, и особенно при больших скоростях. И это естественно сказывается и на потребляемой мощности — эта мощность снижается пропорционально увеличению передаточного отношения редуктора, и в данном случае примерно на 20%. Внешняя характеристика большого генератора снималась только при передаточном отношении равном четырем, но при двух значениях оборотов — 600 (частота 50 Гц ) и 720 (частота 60 Гц ). Эти нагрузочные характеристики приведены на рис.4. Это характеристики, в отличие от характеристик маленького генератора, имеют линейный характер, с очень малым падением напряжения под нагрузкой. Так при 600 об/мин напряжение холостого хода в 188 В под током нагрузки 0,63 А упало на 1,0 В. При 720 об/мин напряжение холостого хода в 226 В под током нагрузки 0,76 А упало тоже на 1,0 В. При дальнейшем увеличении нагрузки генератора эта закономерность сохранялась, и можно считать что скорость падения напряжения составляет примерно 1 В на Ампер. Если посчитать процентное падение напряжения, то для 600 оборотов оно составляло 0,5%, а для 720 оборотов 0,4%. Это падение напряжения обусловлено только падением напряжения на активном сопротивлении цепи обмотки генератора — самой обмотки, выпрямителя и соеденительных проводов, а оно равно примерно 1,5 Ом. Размагничивающее действие генераторной обмотки под нагрузкой при этом не проявлялось, или проявлялось очень слабо при больших токах нагрузки. Это объясняется тем, что удвоенное магнитное поле, в столь узком воздушном зазоре, где и находится обмотка генератора, реакция якоря не может преодолеть, и непряжение генерируется в.этом удвоенном магнитном поле магнитов. Главной отличительной особенностью внешних характеристик большого генератора является то, что и при малых токах нагрузки они линейны, нет резких падений напряжения, как в маленьком генераторе, и это объясняется тем, что существующая реакция якоря не может проявить себя, не может преодолеть поле постоянных магнитов. Поэтому можно сделать следующие рекомендации для разработчиков генераторов СЕ на постоянных магнитах:

1. Ни в каком случае не применяйте в них разомкнутых магнитных цепей, это приводит к сильному рассеиванию и недоиспользованию магнитного поля.
2. Поле рассеивания легко преодолевается реакцией якоря, что приводит к резкому смягчению внешней характеристики генератора, и невозможности снять с генератора расчетную мощность.
3. Мощность генератора вы можете удвоить, при одновременном увеличении жесткости внешней характеристики, применив в его магнитной цепи два магнита, и создав поле с удвоенной МДС.
4. В этом поле с удвоенной МДС нельзя помещать катушки с ферромагнитными сердечниками, ибо это приводит к магнитному соединению двух магнитов, и исчезновению эффекта удвоения МДС.
5. В электроприводе генератора применяйте такое передаточное отношение редуктора, которое наиболее эффективно позволит вам уменьшить потери на входе генератор на холостом ходу.
6. Рекомендую дисковую конструкцию генератора, это наиболее простая конструкция, доступная в изготовлении в домашних условиях.
7. Дисковая конструкция позволяет использовать корпус и вал с подшибниками от обычного электродвигателя.

И наконец пожелаю вам упорства и терпения в создании
реально действующего генератора.