ВЕЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ В ПРОШЛОМ И НАСТОЯЩЕМ.

Ч.2. Генераторы тока на энергии магнитного поля

Среди устройств, которые ошибочно относят к категории "вечных двигателей", наиболее многочисленным и разнообразным является класс генераторов тока, использующих постоянные магниты. Способность постоянных магнитов совершать полезную внешнюю работу (например, поднимать металлические предметы) была известна еще несколько веков назад. Столько же времени предпринимаются и усилия одиночек-энтузиастов в направлении их использования. Первый магнитный двигатель был предложен еще семь веков назад П. Пилигримом. В XVI веке созданием магнитного "перпетуум - мобиле" занимался иезуитский священник Й. Тайснериус (J. Taisnerius). В последующем число таких проектов лавинообразно нарастало, и к настоящему времени достигло такой величины, что можно вводить разветвленную классификацию таких устройств по различным признакам. Официальным подтверждением работоспособности некоторых из них явилась выдача специфической категории патентов США, требующей представления действующей модели устройства. Поэтому представляет интерес показать, что эта разновидность альтернаторов также не нарушает никаких законов энергодинамики и относятся к "сверхединичным" устройствам лишь по недоразумению.

Магнетизм веществ обусловлен, как известно, в основном орбитальным движением электронов, а также их спиновыми магнитными момен­та­ми. При этом у каждого магнита есть определенный запас "магнитной упорядоченной энергии", т.е. как бы "энергоемкость", измеряемая работой, которую может произвести магнит до своего "истощения". Наиболее значительна она у сравнительно дорогих редкоземельных магнитов и существенно меньше - у магнитов из сплава "Алнико".

То обстоятельство, что в огромном числе случаев магниты, совершая работу, не утрачивают своих свойств, можно объяснить только "подпиткой" их со стороны внешней среды. Установлено, что если постоянные магниты изолировать от внешней среды магнитным экраном, то при работе под нагрузкой они "истощаются" значительно раньше. Ниже это будет подтверждено на основании испытаний магнитных двигателей фирмы "Perendev". В отсутствие же нагрузки, как показали долговременные исследования, коэрцитивная сила постоянных магнитов изменяется крайне незначительно (в пределах от нуля для магнитов из редкоземельных материалов до 3% для магнитов "Алнико" за 10⁴ часов испытаний). Это дает основание считать, что если постоянный магнит хранится вдалеке от линий питания, других магнитов, высоких температур и других факторов, которые неблагоприятно на него влияют, он навсегда сохранит свои магнитные свойства. Удары же и вибрация не влияют на современные магнитные материалы до тех пор, пока не причиняют материалу физического ущерба.

О нарушении равновесия между электромагнитным полем и постоянными магнитами при их работе под нагрузкой однозначно свидетельствует понижение температуры магнитов. Этот эффект был обнаружен во всех без исключения действующих установках на постоянных магнитах. В генераторе Флойда это понижение температуры достигало 20^оС. Разумеется, энергообмен постоянных магнитов с внешней средой не ограничивается диапазоном теплового излучения. О том, что нетепловое излучение воспринимается телами как совершенная над ними работа, свидетельствуют такие явления, как лазерная обработка материалов, фотоэффект, фотосинтез и им подобные. Известно также, что магнитная индукция зависит от площади, "ометаемой" элекронами в их орбитальном движении, и может не только убывать в процессе излучения или совершения постоянным магнитом работы, но и восстанавливаться в процессе поглощения электромагнитных волн, увеличивающем энергию орбитальных электронов. Таким образом, "механизм" такого энергообмена в основном известен - это поглощение энергии электромагнитных колебаний различной частоты, или, как предпочитают говорить некоторые, "радиантной" энергии, отличающейся от направленного потока фотонов (лучистой энергии) изотропным характером. Эту энергию можно приписать колебаниям эфира как всепроникающей среды, напряженное состояние которой и воспринимается как силовое поле. Однако с позиций энергодинамики как термодинамической (безгипотезной) теории физический механизм этого явления не имеет значения. Важно лишь то, что в любом случае длительно допустимая мощность магнитных двигателей лимитируется величиной их энергообмена с источником энергии. Последнее означает, что с позиций энергодинамики относиться к постоянным магнитам необходимо так же, как и к любым другим рабочим телам, совершающим циклический процесс, и ни о каких "вечных двигателях" речи быть не может. В таком случае можно показать, что работа генераторов на постоянных магнитах основывается на тех же закономерностях, что и другие тепловые или нетепловые машины. Работа циклического магнитного генератора или двигателя определяется круговым интегралом от дифференциальной формы

  đW_ц = В∙dZ_м ,                         (1)

где  đW_м - элементарная работа магнитного двигателя на каком-либо участке кругового процесса,

В, Z_м - соответственно магнитная индукция и намагниченность рабочего тела в целом.       

Разделим, как и прежде, круговой процесс на два участка, 1-2 и 2-1, в пределах которых изменение абсолютной величины намагниченности Z_м имеет один и тот же знак (dZ_м > 0 или dZ_м < 0). Тогда, обозначая модуль магнитной индукции В на "прямом" и "обратном" участке цикла соответственно одним и двумя штрихами и учитывая, что dZ_м" = - dZ_м', вместо (1) можем написать: 

           W_ц = ∫_1-2 (В" - В') dZ_м' .          (2)

          Отсюда следует, что если средняя магнитная индукция материала будет одинаковой как в процессе восстановления намагниченности материала (В''), так и при совершении им работы (В'), то работа циклического процесса будет равна нулю. Сказанное иллюстрируется рис. 1, на котором изображен произвольный цикл магнитного двигателя, напоминающий непредельную петлю гистерезиса. Работа этого цикла определяется его площадью. Следовательно, необходимо каким-либо образом изменять характер "прямого" 1-2 и "обратного" 2-1 процесса с тем, чтобы площадь цикла стала отличной от нуля. Это может быть осуществлено, например, за счет временного экранирования магнитного поля в зазоре между ротором и статором, изменением магнитной индукции в роторе или статоре путем временного изменения их температуры (что особенно эффективно вблизи точки Кюри), изменением взаимного положения магнитов в процессе их сближения и удаления, временным размагничиванием одного из магнитов электрическим импульсом в момент их противостояния и т.п. В дальнейшем мы увидим, что именно к этим средствам прибегают изобретатели тех устройств на постоянных магнитах, реальность которых не вызывает сомнений.  

Одним из первых таких устройств был "генератор Грамма" (З.Т. Грамм, 1869 г.). В нем в полюсах неподвижного постоянного магнита размещался вращающийся  кольцевой ротор с тороидальной обмоткой, которая касалась двух диаметрально расположенных контактных щеток. "Ассиметрия" процессов намагничивания и размагничивания кольцевого ротора достигалась смещением момента подачи напряжения на тороидальную обмотку.

Значительно позднее (в 1996 году) российский инженер А. Фролов усовершенствовал генератор Грамма. В его конструкции неподвижным было кольцо с обмотками, а в качестве источника переменного магнитного поля использовалась еще одна обмотка в центре (рис. 2). При этом два магнитных потока от двух катушек нагрузки взаимно компенсируются, и, таким образом, в первичной цепи реакция отсутствует. Эта конструктивная идея стала популярной (О. Беренс (Швеция), Д. Хофманн (США), В. Герману (ФРГ), С. Хартман (США) и др.  В 1999 В. Герману и его группе из Германии при испытаниях этого типа генератора удалось получить более 1200 ватт в нагрузке. В 2003 г. С. Хартман (S. Hartman, USA) сконструировал тороидальный генератор на базе стандартного 10-ти киловатного генератора, питающийся от автомобильной батареи. Ток на входе генератора составил 0,8 А при напряжении 12,92 В; на выходе - 40 А при напряжении 6,5 В. Таким образом, он получил 25-кратную мощность. 

Другой способ создания "ассиметрии" был предложен Дж. Эклиным в 1975 г. (патент США Љ3879622 от 22.04.75). Его двигатель использует попеременное экранирование и открывание магнитного поля и включает в себя два постоянных подковообразных магнита, мотор, вращающий "окна" - магнитные экраны, и якорь из магнитного материала, который попеременно притягивается ­ к одному из магнитов, не экранированному в данный момент времени. Колебания якоря превращаются во вращательное движение с помощью кривошипно-шатунного механизма. В патенте отмечается, что при соответствующем подборе силы полей, формы магнитов, их материалов и т.п. энергия, получаемая за счет возвратно-поступательного движения якоря, может превышать энергию, необходимую для открывания и закрытия "окон". Эклину не удалось сконструировать "самозапускающуюся" машину, однако его идея послужила основой для целого ряда патентов США: Джаффе (Љ3567979, 1976 г.);  Монро (Љ3670189, 1976 г.); Э. Грея (Љ3890548,  1976 г.); В. Риваса (Љ 4006401, 1977 г.); Г. Джонсона (Љ4151431, 1979 г.); Ф. Ричардсона (Љ4077001, 1987 г.); Д. Регана (4883977, 1989 г.); В.Хайда (Љ4897592, 1990 г.); Г.Аспдена (Љ4975608, 1990 г.) и др. Более подробно об этих устройствах можно прочитать в журнале "Новая энергетика", Љ10...23.

Некоторые из устройств на постоянных магнитах вообще не имеют движущихся частей. Одно из таких устройств - "вакуумный триодный усилитель" (Vacuum Triode Amplifier - VTA) С. Флойда (США). Такое название обусловлено тем, что аналогичный принцип управления мощным потоком за счет слабого сигнала используется в триодах. В VTA использовались бариевые магниты, подготовленные путем многократного перемагничивания на частоте 60 Гц. Это облегчало  переход от одного направления поля к другому при подаче на управляющую обмотку слабого сигнала от внешнего генератора и обеспечение таким образом его "триггерного" режима. Одна из демонстрировавшихся конструкций ВТУ включала два набора магнитов 4×6×1 дюймов, расположенных по двум стенкам корпуса так, что между ними создавалось притяжение. Выходные и управляющие катушки располагались между ними. Оси выходных катушек параллельны силовым линиям поля, а оси управляющих расположены под углом 90 градусов к линиям.  Часть выходной мощности устройства Флойда была замкнута в петлю обратной связи для возбуждения процесса, в результате которого в выходной катушке появлялась значительная мощность. Многие исследователи, успешно повторившие опыты Флойда (например, Ж. Нода (Франция), отмечали, что лучшие результаты "кондиционирования" магнитного вещества дает пропускание дугового разряда переменного тока той же частоты, что и управляющий сигнал, непосредственно через керамику постоянного магнита. Таким образом, создается бистабильное твердотельное состояние вещества, в котором проявляется акустический резонанс на частоте колебаний слабого управляющего магнитного поля.

Особое внимание привлекают генераторы тока, основанные на использовании эффекта "самоподдерживающегося вращения" Дж. Серла (Mortimer, Borkshire). В 50-х годах прошлого столетия он обнаружил, что добавление небольшой компоненты  переменного тока   (~100 ma) радиочастоты (~10 MHz) в процессе изготовления постоянных ферритовых магнитов придает им новые и неожиданные свойства. Они заключались в необычном взаимодействии постоянного магнита с магнитными роликами, расположенными на его поверхности, выражающемся в самопроизвольном качении роликов после придания одному из них небольшого импульса. Этот эффект с позиций энергодинамики может быть объяснен явлением "запаздывания потенциалов", которое в средах с перемагничиванием и переполяризацией возникает уже при относительно небольших скоростях взаимного движения магнитов. Он обусловлен различием сил притяжения и отталкивания магнитов при их относительном движении.

В России эффект Серла исследовался в Институте высоких температур РАН. Сотрудники этого института В. Рощин и С. Годин в 1992 г. построили подобный серловскому генератор, который они назвали "магнитодинамическим конвертором". Он представлял собой статор с секторными постоянными магнитами 1 и кольцевой ротор с вращающимися магнитными роликами 2 (рис. 3). Диаметр ротора - 1 м., его масса - 500 кг. Сегменты ротора выполнены на основе редкоземельных магнитов с остаточной индукцией 0,85 Тл. Они намагничивались путём разряда батареи. конденсаторов через индуктор.  В отличие от диска Сёрла в установке В. Рощина и С. Година высокочастотное подмагничивание не применялось. "Зацепление" роликов с кольцевым магнитом ротора осуществлялось по принципу шестерен размещением в статоре и роликах поперечных магнитных вставок из NdFeB с остаточной индукцией 1,2 Тл.  Между поверхностью статора и роликами был оставлен воздушный зазор 1 мм. Элементы магнитной системы были собраны в единую конструкцию на платформе из немагнитных сплавов. Эта платформа была снабжена пружинами, амортизаторами и имела возможность вертикального перемещения по трём направляющим, что измерялось индукционным датчиком 14. Статор 1 был укреплён неподвижно, а ролики 2 были укреплены на общем подвижном сепараторе 3 с помощью динамических воздушных подшипников. Сепаратор был жёстко связан с валом 4 и посредством фрикционных обгонных муфт 5 с  пусковым двигателем 6 и с электродинамическим генератором 7. Вдоль ротора были расположены электромагнитные преобразователи 8 с разомкнутыми магнитопроводами 9. Нагрузка 10 была выполнена в виде ламп накаливания. Установка запускалась в действие путём раскрутки ротора с помощью электродвигателя. При ~ 550 об/мин обороты ротора самопроизвольно начинали возрастать, несмотря на отключение электродвигателя и присоединение к валу электродинамического генератора. Для удержания оборотов к генератору ступенчато подключалась нагрузка в виде набора обыкновенных ТЭНов. Максимальная отводимая мощность в установке составила 7 кВт.

Помимо генерирования "избыточной мощности", в установке наблюдался целый ряд необычных эффектов: уменьшение веса платформы (которое достигло 35% от первоначального веса); вертикальные концентрические зоны повышенной напряженности магнитного поля порядка 0,05 Тл и аномальное падение температуры (на 6...8№C) в непосредственной близости от конвертора. Невозможность объяснить весь этот комплекс эффектов свидетельствует о серьезном отставании теории.         

 Интересный вариант устройства с переключаемым магнитным сопротивлением, получивший широкое признание как один из наиболее удачных двигателей на "свободной энергии", предложил Роберт Адамс (Новая Зеландия, 1977). В мотор-генераторе Адамса (рис. 4) ротор с радиально ориентированными одинаковым полюсом наружу постоянными магнитами вращается, создавая индукционные токи в катушках статора, расположенных вокруг ротора в плоскости вращения. С точки зрения традиционной электротехники, мотор-генератор без замкнутого магнитопровода (сердечники катушек имеют форму бруска) неэффективен. Но именно открытый магнитопровод позволяет генерировать мощность без торможения ротора. Здесь нет явления электромагнитной индукции в полном смысле, есть только магнитная индукция, то есть намагничивание и размагничивание сердечника статора в поле постоянного магнита ротора. При этом наблюдается полная аналогия с явлением электрической индукции, то есть "электризацией влиянием", как говорили раньше. "Намагничивание влиянием" отличается от электромагнитной индукции тем, что создаваемое в обмотке генератора вторичное магнитное поле не тормозит ротор и не взаимодействует с первичным полем. Роберт Адамс работает совместно с Г. Аспденом над патентованием своей системы. Характерно, что работа этой машины может быть полностью объяснена законом Фарадея.

Еще более привлекательным для воспроизведения двигателем на вращающихся магнитах является колесо К. Минато (патент США Љ5594289, 1997). В нем на роторе (представляющем собой велосипедное колесо, вращающееся на горизонтальной оси) закреплено множество постоянных магнитов, расположенных  одинаковыми полюсами в направлении вращения ротора, а также стабилизаторы, предназначенные для уравновешивания ротора (рис.5). Каждый из закрепленных на роторе постоянных магнитов расположен под углом относительно радиуса колеса. Возле внешней окружности ротора вплотную к нему расположен электромагнит, в котором, в зависимости от вращения ротора, периодически возбуждается электрический ток. Эрик Вогелс (Швеция, 1997 г.) повторил и улучшил результаты Минато, расщепив дорожку магнитов на множество маленьких дорожек.

           В американской телесети недавно рассказывалось о революционной технологии, разработанной Дж. Ньюманом. Его электромагнитный мотор способен снабдить электроэнергией производственное помещение, дом или ферму. Он основан на представлении о том, что движение электрона в проводах катушки напоминает движение микрогироскопов, так как электроны вращаются. Это движение в случае применения катушек с большой индуктивностью порождает особые эффекты,  которые проявляются в генерации "избыточной мощности". Характерно, что    более 30 физиков,  инженеров - атомщиков, электротехников и специалистов по электричеству поставили свои подписи под письмом, в котором подтверждалась  революционность этого изобретения.

Создавать электродвижущую силу при вращении  металлического  ротора  способен также известный со времен Фарадея эффект униполярной индукции. Одна из практических разработок этого класса альтернаторов - униполярный генератор де Палма (1991). Результаты  тестов этого генератора показывают, что в нем торможение ротора  за счет обратной ЭДС проявляется в меньшей степени, чем в  традиционных  генераторах.  Поэтому  мощность  на  выходе   системы превосходит мощность, необходимую для вращения ротора. 

Немало патентов на магнитные двигатели выдано и в России (В. Алексеенко, Љ5037775, 1996; В. Рыков, Љ2000101256, 2001; А. Рюмин, Љ2001123502, 2003; В.Левкин,Љ5032711, 1995; М. Остриков и др.,. Љ95103846, 1996; А. Старостин и др., Љ95112010, 1997; А. Калинин, . Љ94019782, 1996; П. Имриш, Љ94026259, 1996 ; В. Дудышев Љ2128872, 1998; Ю. Пилипков, Љ2000119415, 2002, и др.

Следует отметить, что создание альтернаторов перешло уже в стадию практических разработок. Так, совсем недавно швейцарская фирма SEG объявила о намерении выпустить на рынок генератор, работающий на эффекте Серла. Устройством, выпуск которого запланирован в первую очередь, станет компактный 15-ти киловаттный генератор с размерами примерно 46×61×12 см), который можно настроить для выработки постоянного или переменного тока различного напряжения в диапазоне от 12 до 240 В. Каждый такой генератор способен выработать 60 МВт/ч энергии, прежде чем встанет необходимость в его перемагничивании. Предлагаемая модель генератора "D15AP" состоит из трех четырехслойных концентрических колец, каждое из которых изготовлено из композита. Эти кольца расположены по отношению друг к другу концентрически и прикреплены к основанию. Вокруг каждого кольца свободно вращаются ролики в количестве 10 штук вокруг первого кольца, 25 - вокруг второго и 35 - вокруг третьего. За роликами, расположенными по диаметру внешнего кольца, находятся катушки, соединенные различными способами, что дает возможность вырабатывать либо постоянный, либо переменный ток различного напряжения. Выходные катушки должны быть рассчитаны таким образом, чтобы напряжение тока на выходе составляло 240 В при 15 кВт мощности. Генератор представляет собой своего рода набор свободных от трения подшипников и одновременно систему из трех вращающихся трансформаторов в одном корпусе, на выходе которого получается ток очень высокого напряжения.

Одним из недавних добавлений к этому классу устройств явился генератор LUTEC австралийцев Бритс и Кристи  (международный патент Љ00/28656, 2000г). Простота этого двигателя обеспечивается расположением переключаемых катушек на статоре, а постоянного магнита - на роторе. При этом постоянный ток, подводимый к катушкам статора, вызывает силу магнитного отталкивания и является единственным током, необходимым для создания "совокупного движения".

В настоящее время ряд частных предприятий принимают заказы на промышленные образцы двигателей - генераторов на постоянных магнитах. В частности, Фирма GMC Holding Corporation, город Орландо, штат Флорида, США, объявила о том, что после 12 лет исследований ею создано устройство на постоянных магнитах, способное дать решение мировых экономических проблем в области энергетики. Другая компания, "Perendev" (сокращение от "perpetuum energy device") заявляет, что изготавливаемый ею магнитный мотор мощностью 30 кВт готов к выводу на рынок). Примерная стоимость первых устройств - около 8500 Евро. Правда, К. Андерсон (Kieth Anderson), чья фирма была приглашена на тестирование мотора "Perendev" и построила два его работающих аналога, заявляет, что все они истощали свои магниты в нагрузке. Следовательно, необходимы дальнейшие исследования по выявлению условий баланса отдаваемой магнитами внутренней энергии и их подпитки из окружающей среды. Основная проблема конструкций с постоянными магнитами состоит в расчете распределения магнитного потока в магнитной цепи, которая может включать постоянные магниты, воздушные зазоры, элементы высокой магнитной проницаемости и электрические токи. Точные решения магнитных полей требуют сложного анализа многих факторов, хотя возможны и приблизительные решения, основанные на определенных упрощающих предположениях. Для получения оптимальной конструкции с постоянными магнитами часто требуется опыт и компромиссы. А пока же компания "Perendev" принимает заказы от тех, в ком жив авантюрный дух, и кто понимает риски и ограничения этой ранней стадии.

Еще одна разновидность магнитного двигателя, названная "Cycclone"1), была создана недавно на средства американской компании в Австралии. Демонстрационная запись действующего опытного образца этого двигателя, предназначавшегося для размещения в автомобиле, показывалась по телевидению. Таким образом,  мы вправе ожидать появления на рынке малогабаритных энергетических установок, способных обеспечить электроэнергией офисы, дома и фермы, удаленные от линий электропередач.

         Совершенно очевидно, что при оценке перспективности таких устройств недопустимо считать, что магнитная энергия является "дармовой" - ее себестоимость требует такого же учета затрат, как и для любых других энергоустановок на возобновляемых источниках энергии. В альтернаторах эти затраты зависят от класса магнитов. Новейшим добавлением к ранее известным ферритовым (керамическим) и алюминий-никель-кобальтовым (типа "Алнико") магнитным материалам являются спеченные из редкоземельных элементов - самарий-кобальтовые (SmCo) и неодимовые (NdFeB) магниты. В них достигается уровень магнитной энергии до 45-50 MGOe (в мега гаусс эрстедах). Этому способствовали недавние разработки в области изготовления магнитов. Именно они открыли новые захватывающие горизонты усовершенствования технологий двигателей на постоянных магнитах. Кроме затрат на их изготовление следует учитывать и затраты на разработку работоспособных конструкций и на теоретические исследования, призванные устранить серьезное отставание теории от эксперимента.

В заключение хочется сказать, что хотя в работе альтернаторов многое остается неясным, в настоящее время имеются достаточные основания для поиска наиболее удачных технических решений по созданию преобразователей ново­го поколения, использующих практически неисчерпаемую энергию окружающей нас среды.