vŠb technická univerzita ostrava - core · 2019. 1. 16. · chapter 9 is focus to analysing its...
TRANSCRIPT
VŠB - Technickaacute univerzita Ostrava
Fakulta elektrotechniky a informatiky
Katedra elektroenergetiky
NEKONVENČNIacute ELEKTRICKYacute STROJ
NON - CONVENT ELECTRO MOTORS
2014 Martin Koutnyacute
Prohlaacutešeniacute
bdquoProhlašuji že jsem tuto diplomovou praacuteci vypracoval samostatně Uvedl jsem všechny
literaacuterniacute prameny a publikace ze kteryacutech jsem čerpalldquo
V Ostravě dne 7 5 2014 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
Poděkovaacuteniacute
Těmito slovy bych chtěl vyjaacutedřit poděkovaacuteniacute vedouciacutemu diplomoveacute praacutece Ing Petru
Bernatovi PhD za vstřiacutecnost trpělivost a možnost konzultovat svou praacuteci Ing Petru Kačorovi
PhD za možnost změřit magnetickeacute vlastnosti jader Daacutele děkuji společnostem Therma FM
VACUUMSCHMELZE a RYSTON Electronics sro a jejich zaacutestupcům za poskytnutiacute vzorků
magnetickyacutech jader
Anotace
Ciacutelem diplomoveacute praacutece nabiacutednout čtenaacuteři informace o nekonvenčniacutech elektrickyacutech strojiacutech o nichž
hovořiacute některeacute publikace odkazy ve spojitosti s energiiacute vakua
Kapitola 2 hovořiacute o přiacutečinaacutech snahy člověka zkonstruovat zařiacutezeniacute na vyacuterobu elektrickeacute energie jež
by bylo ekonomickeacute i ekologickeacute Je zaměřena na probleacutemy spojeneacute s využiacutevaacuteniacutem fosilniacutech paliv
Kapitola 3 popisuje zaacutekony termodynamiky
Kapitola 4 se zaměřuje na vakuum a jeho zajiacutemaveacute vlastnosti Ve spojeniacute s vakuem je popsaacuten
Casimirův efekt jako demonstračniacute přiacuteklad silovyacutech projevů fluktuaciacute elektromagnetickyacutech poliacute ve
vakuu
Kapitola 5 je zaměřena na magnetizmus a zabyacutevaacute se jeho přiacutečinou ve spojitosti s věčnyacutem pohybem
subatomaacuterniacutech čaacutestic
Kapitola 6 uvaacutediacute některeacute nekonvenčniacute elektrickeacute stroje ktereacute jsou uacutedajně schopny pracovat s
koeficientem vyacutekonu COPgt1
Kapitola 7 je věnovaacutena feromagnetickyacutem materiaacutelům možnostem jejich aplikace v elektrickyacutech
strojiacutech a měřeniacute hysterezniacutech charakteristik na vzorciacutech feromagnetickyacutech jader
Kapitola 8 je zaměřena na tvorbu virtuaacutelniacuteho modelu Adamsova pulzniacuteho motoru v programu
SolidWorks zapojeniacute elektrickeacuteho obvodu a praktickou realizaci motoru
Kapitola 9 je zaměřena magnetostatickou analyacutezu modelu v Ansys Workbench
Kapitola 10 je věnovaacutena měřeniacute zatěžovaciacutech charakteristik a stanoveniacute uacutečinnosti motoru
Zaacutevěrem je viacutecekriteriaacutelniacute vyhodnoceniacute vyacuteslednyacutech vlastnostiacute realizovaneacuteho Adamsova motoru
Kliacutečovaacute slova
Nekonvenčniacute elektrickyacute stroj zaacutekony termodynamiky vakuum Casimirův jev magnetickeacute
materiaacutely Johnsonův magnetickyacute motor Adamsův motor generaacutetor měřeniacute momentoveacute
charakteristiky
Abstract
The thesis attempts to prime readers on unconventional electric machines which are often
discussed in the publication in relation to vacuum energy
Chapter 2 tells the story of how such machinery both economic and environmen-friendly in its
very nature came to peoples minds It also discusses fossil fuels related issues
Chapter 3 sums up the thermodynamics laws
Chapter 4 focuses on interesting the vacuum The chapter also briefly touches upon the Casimir
effect
Chapter 5 focuses on magnetism and its source on the background of the eternal movement of
subatomic particles
Chapter 6 lists a number of unconventional electric machines claimed to be able to operate with
COP gt 1
Chapter 7 is dedicated to feromagnetic materials potential application in electric machines and
measuring hysteretic properties of feromagnetic core samples
Chapter 8 discusses modelling the Adams pulsed motor generator using SolidWorks and electric
circuit
Chapter 9 is focus to analysing its magnetostatic properties in Ansys Workbench
Chapter 10 is focus to measuring engine load characteristics and determining engine efficiency
Key Words
Non conventioal electric machine law of thermodynamic vakuum Casimir effect magnetic
materialsJohnson magnetic motor Adams motor generator measurement of speed-torque
characteristic
Seznam použityacutech symbolů a zkratek
Symbol Naacutezev Jednotka
U Energie [J]
W Praacutece [J]
Q Teplo [J]
S Entropie [JmiddotK-1]
T Teplota [K]
V Objem [m3]
P Tlak [Pa]
p Hybnost [kgmiddotmmiddots-1
]
F Siacutela [N]
FCas Casimirova siacutela [N]
d Vzdaacutelenost elektrod [m]
B Magnetickaacute indukce [T]
Br Remanentniacute magnetickaacute indukce [T]
Bmax Maximaacutelniacute magnetickaacute indukce [T]
Bs Saturačniacute magnetickaacute indukce [T]
Bv Magnetickaacute indukce ve vzduchoveacute mezeře [T]
BM Magnetickaacute indukce permanentniacuteho magnetu [T]
Φv Magnetickyacute indukčniacute tok ve vzduchoveacute mezeře [Wb]
Sv Průřez vzduchoveacute mezery [m2]
SM Průřez magnetu [m2]
Ss Průřez poacutelu statoru [m2]
Sr Průřez vynikleacuteho poacutelu rotoru [m2]
H Intenzita magnetickeacuteho pole [Amiddotm-1
]
Hc Koercitivniacute intenzita magnetickeacuteho pole [Amiddotm-1
]
Hmax Maximaacutelniacute intenzita magnetickeacuteho pole [Amiddotm-1
]
Hv Intenzita magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře [Amiddotm-1
]
HM Intenzita magnetickeacuteho pole permanentniacuteho
magnetu
[Amiddotm-1
]
Hžr Intenzita magnetickeacuteho pole železa rotoru [Amiddotm-1
]
Hžs Intenzita magnetickeacuteho pole železa statoru [Amiddotm-1
]
Nd Demagnetizačniacute činitel [-]
lM Deacutelka permanentniacuteho magnetu [m]
lv Deacutelka vzduchoveacute mezery [m]
Činitel rozptylu ve vzduchoveacute mezeře [-]
PFe Měrneacute ztraacutety [Wkg]
E Intenzita elektrickeacuteho pole [Vmiddotm-1
]
q Naacuteboj [C]
qe Naacuteboj elektronu [C]
v Rychlost [mmiddots-1
]
μ Magnetickyacute moment [Amiddotmsup2]
J Moment setrvačnosti [kgmiddotm2]
m Hmotnost [kg]
I Proud [A]
r Poloměr [m]
M Moment siacutely [Nmiddotm]
Mz Zaacutetěžnyacute moment [Nm]
φ Rezistivita [μΩcm]
μ0 Permeabilita vakua [Hmiddotm-1
]
μr Relativniacute permeabilita [-]
P1 Přiacutekon [W]
P2 Vyacutekon [W]
ω Uacutehlovaacute rychlost [rad-1
]
n Otaacutečky [otmiddotmin-1
]
Uacutečinnost []
Δx Změna polohy
Δp Změna hybnosti
Δt Časovaacute změna
ΔE Změna energie
ħ Redukovanaacute Planckova konstanta [Jmiddots]
h Planckova konstanta [Jmiddots]
8
Obsah
1 Uacutevod 10
2 Energetickeacute zdroje ve formě fosilniacutech paliv 11
3 Zaacutekony termodynamiky 12
31 Nultyacute zaacutekon termodynamiky 12
32 Prvniacute zaacutekon termodynamiky 12
321 Perpetuum mobile prvniacuteho druhu 13
33 Druhyacute zaacutekon termodynamiky 13
331 Perpetuum mobile druheacuteho druhu 13
34 Třetiacute zaacutekon termodynamiky 13
4 Vakuum 14
41 Eacuteter vyplňujiacuteciacute praacutezdnyacute prostor 14
42 Heisenbergův princip neurčitosti 16
43 Virtuaacutelniacute čaacutestice 17
44 Casimirův jev 17
441 Casimirova siacutela 18
442 Aparatura pro měřeniacute Casimirova jevu 18
443 Tepelnyacute Casimirův jev 19
5 Magnetismus 21
51 Magnetickeacute pole a jeho siloveacute uacutečinky 21
52 Magnetickyacute moment moment hybnosti a precese momentu hybnosti 22
6 Nekonvenčniacute elektrickeacute stroje 25
61 Johnsonův motor 26
62 Adamsův motor generaacutetor 29
63 Systeacutem pro přeměnu energie elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute na elektrickou energii 36
7 Feromagnetickeacute materiaacutely 37
71 Magneticky měkkaacute feromagnetika 37
711 Vyacuterobci měkkyacutech feromagnetickyacutech materiaacutelů 38
72 Magneticky tvrdaacute feromagnetika 43
73 Měřeniacute hysterezniacutech charakteristik vzorků magnetickyacutech jader 44
9
731 Vyhodnoceniacute naměřenyacutech vyacutesledků 48
8 Realizovanyacute Adamsův motor 49
81 Virtuaacutelniacute model Adamsova motor generaacutetoru a jeho praktickaacute realizace 49
811 Stator 49
812 Rotor 55
82 Elektrickyacute obvod 63
821 Popis a scheacutema zapojeniacute 63
822 Deska plošnyacutech spojů 64
9 Magnetostatickaacute analyacuteza Adamsova motoru 66
91 Vyacutepočet zjednodušeneacuteho magnetickeacuteho obvodu 66
911 Feromagnetika v magnetickeacutem obvodu 66
92 Vyacutepočet magnetickeacuteho obvodu v ANSYS Workbench 72
921 Rozběh motoru 77
922 Průběhy sil působiacuteciacute na rotor během pootočeniacute 81
10 Měřeniacute na realizovaneacutem motoru 83
101 Měřeniacute zaacutekladniacutech charakteristik 87
102 Vyacutepočet uacutečinnosti 87
Zaacutevěr 93
10
1 Uacutevod
Ekologickeacute probleacutemy spojeneacute s těžbou a využiacutevaacuteniacutem fosilniacutech paliv za uacutečelem vyacuteroby elektrickeacute
energie přivaacutediacute lidstvo k naleacutehaveacute potřebě hledat jineacute alternativniacute zdroje Ciacutelem teacuteto praacutece je
nabiacutednout čtenaacuteři informace o zajiacutemavyacutech vlastnostech bdquopraacutezdneacuteho prostoruldquo ve spojitosti s energiiacute
vněm obsaženou Možnosti velice přesneacuteho laboratorniacuteho měřeniacute dnes totiž nabiacuteziacute novyacute pohled na
povahu teacuteto energie Tzv Casimirův jev utvaacuteřiacute novyacute pohled na vakuum jako na systeacutem s dynamickou
povahou kteraacute se za jistyacutech podmiacutenek projevuje silovyacutemi uacutečinky
Představme si systeacutem využiacutevajiacuteciacute pro svou činnost energii vyvěrajiacuteciacute ze zdroje jež se nachaacuteziacute za
hraniciacute našeho vniacutemaacuteniacute daleko za možnostiacute našich smyslovyacutech orgaacutenů naacutem tento zdroj přiacutemo
zprostředkovat Pokud takovyacute systeacutem opravdu existuje existuje zcela jistě i široce rozšiacuteřenaacute barieacutera
lidskeacute neochoty si tuto skutečnost připustit Faktem zůstaacutevaacute že vše je v pohybu od nejmenšiacute struktury
počiacutenaje až po velkeacute teorie konče
Naacutesledujiacuteciacute citaacutet pochaacuteziacute od jednoho z prvniacutech zakladatelů kvantoveacute teorie
bdquoPrincip energie je zaacuteležitost zkušenosti Pokud by tedy jednoho dne měla byacutet jeho všeobecnaacute platnost
zpochybněna což v atomoveacute fyzice neniacute vyloučeneacute pak by se probleacutem perpetua mobile stal naacutehle
aktuaacutelniacutemldquo Max Planck
V přiacutepadě že v prvniacutem momentu nezavrhneme fakt že vlastně neviacuteme kolik toho viacuteme musiacuteme
připustit že je možneacute cokoliv
Počaacutetkem systematickeacuteho zkoumaacuteniacute elektromagnetickyacutech jevů se lidstvu do rukou dostalo mnoho
uacutežasnyacutech strojů a zařiacutezeniacute S vyacutevojem novyacutech materiaacutelů a technologiiacute se staacutele nabiacuteziacute možnosti objevit
noveacute Oblast vyacutevoje magnetickyacutech materiaacutelů neniacute v tomto ohledu vyacutejimkou proto se ve sveacute praacuteci
zabyacutevaacutem i jimi a měřeniacutem jejich hysterezniacutech charakteristik
Na zaacutekladě informaciacute hovořiacuteciacutech o elektrickyacutech strojiacutech ktereacute uacutedajně pracujiacute i bez zjevneacuteho zdroje
vstupniacute energie stojiacute za snahu věnovat tomuto teacutematu alespoň čaacutest sveacute pozornosti Podstata
vesmiacuternyacutech jevů může byacutet totiž daleko za rovnicemi popisujiacuteciacutemi to co je naacutem znaacutemo nyniacute
Jak přihlaacutesil Albert Einstein
bdquoŽaacutedneacute množstviacute pokusů nikdy nemůže dokaacutezat že jsem měl pravdu Jedinyacute pokus však kdykoliv může
dokaacutezat že jsem se myacutelilldquo
V tomto ohledu se v diplomoveacute praacuteci zaměřuji předevšiacutem na motory opředeneacute zvlaacuteštniacutemi informacemi
a pokoušiacutem se o realizaci vzorku Adamsova motoru Vyacutesledky měřeniacute a vyacutepočtů shrnuji v zaacutevěru
praacutece
11
2 Energetickeacute zdroje ve formě fosilniacutech paliv
V současnosti pokryacutevajiacute největšiacute podiacutel energetickeacute spotřeby lidstva zdroje fosilniacutech paliv Zejmeacutena
uhliacute ropa a zemniacute plyn Americkyacute geolog M King Hubbert předložil světu v roce 1956 teorii tzv
Hubbert Peak Theory znaacutemou teacutež pod naacutezvem peak oil Tato teorie se tyacutekaacute dlouhodobeacute těžby a
spotřeby ropy a ostatniacute fosilniacutech paliv Teacutehož roku M K Hubbert nabiacutedl Americkeacutemu ropneacutemu
institutu model tyacutekajiacuteciacute se znaacutemyacutech zaacutesob ropy Podle tohoto modelu měly Spojeneacute staacutety dosaacutehnout
vrcholu produkce ropy mezi rokem 1965 a 1970 Podle M K Hubberta by mělo byacutet vrcholu v
celosvětoveacute produkci ropy dosaženo přibližně o půl stoletiacute později od publikovaacuteniacute jeho teorie [1]
Na Obr 1 je křivka ve tvaru zvonu vytvořenaacute M K Hubbertem na zaacutekladě předpokladu že rezervniacutem
objemem suroveacute ropy je cca 250 miliard barelů Křivka reprezentuje celosvětovou produkci suroveacute
ropy zjištěneacute rezervy a předpoklaacutedaneacute zaacutesoby objeveneacute v budoucnu
Obr 1 Křivka vyacutevoje produkce ropy ve spojenyacutech staacutetech podle M K Hubberta [1]
Produkce ropy kopiacuteruje tvar zvonu tudiacutež v celosvětoveacutem měřiacutetku nedojde k naacutehleacutemu nedostatku ropy
Pokud dosaacutehne celosvětovaacute produkce ropy sveacuteho vrcholu v roce 2000 tak v roce 2020 bude na stejneacute
hodnotě jako v roce 1980 Nicmeacuteně v roce 2020 bude oproti roku 1980 světovaacute populace lidiacute zhruba
dvojnaacutesobnaacute a naacutesledkem značneacuteho zprůmyslněniacute světa bude spotřeba ropy prudce narůstat
Vyacutesledkem snižujiacuteciacutech se zaacutesob ropy je naacuterůst jejiacute ceny Jako naacutesledek nedostatku ropy je možneacute
očekaacutevat vaacutelečneacute konflikty vyspělyacutech zemiacute s ciacutelem ziacuteskat přiacutestup k ropnyacutem zdrojům a udržet si tiacutem
jistou ekonomickou stabilitu Způsoby přeměny energie spalovaacuteniacutem fosilniacutech paliv spojeneacute s
neohleduplnostiacute vůči planetě Zemi a jejiacutem obyvatelům přivaacutediacute člověka k naleacutehaveacute potřebě doplnit a
postupně nahradit staacutevajiacuteciacute energetickeacute zdroje zdroji alternativniacutemi
12
3 Zaacutekony termodynamiky
V dějinaacutech lidstva se objevilo mnoho pokusů o realizaci strojů jež by pracovaly s uacutečinnostiacute většiacute než
100 Snaha realizovat stroj s věčnyacutem pohybem je na programu mnoha konstrukteacuterů i v dnešniacute době
Zejmeacutena na internetu nalezneme mnoho odkazů na různorodeacute konstrukce mechanickyacutech a
elektrickyacutech strojů Zejmeacutena u čistě mechanickyacutech strojů je na prvniacute pohled patrneacute že nemohou
pracovat v nepřetržiteacutem chodu a třeniacute nakonec způsobiacute jejich zastaveniacute Nicmeacuteně lze narazit i na
konstrukce elektrickyacutech strojů doprovaacutezeneacute vlivnyacutem komentaacuteřem jež se opiacuteraacute o teorii kteraacute popisuje
vakuum jako prostor vyplněnyacute energiiacute Na kvantoveacute uacuterovni uacutedajně dochaacuteziacute ve vakuu k
nepřetržityacutem fluktuaciacutem elektromagnetickyacutech poliacute vlivem vzniku a zaacuteniku kladnyacutech a zaacutepornyacutech
virtuaacutelniacutech čaacutestic Bliacuteže se k tomuto fenomeacutenu vraacutetiacutem v naacutesledujiacuteciacute kapitole
Na zaacutekladě interakce s okoliacutem lze systeacutemy rozdělit naacutesledovně
a) izolovaneacute ndash v idealizovaneacutem přiacutepadě např termoska u ktereacute nedochaacuteziacute k vyacuteměně energie ani
hmotnyacutech čaacutestic
b) uzavřeneacute ndash např z obou stran uzavřenaacute trubice u niacutež dochaacuteziacute k vyacuteměně energie s okoliacutem
avšak bez vyacuteměny hmotnyacutech čaacutestic
c) otevřeneacute ndash např strom kteryacute si okoliacutem vyměňuje jak energii tak hmotneacute čaacutestice
31 Nultyacute zaacutekon termodynamiky
Systeacutemy v termickeacute rovnovaacuteze majiacute stejnou teplotu Nultyacute zaacutekon zavaacutediacute teplotu jako
termodynamickou veličinu
32 Prvniacute zaacutekon termodynamiky
Vnitřniacute energie (U) izolovaneacuteho systeacutemu je konstantniacute Změna vnitřniacute energie dU je součtem tepla
ktereacute bylo do systeacutemu dodaacuteno (dQ) a praacutece kteraacute byla na systeacutemu vykonaacutena (dW)
Změnu vnitřniacute energie můžeme zapsat jako
Veličina dW je objemovou praciacute Jde o změnu objemu dV v systeacutemu za konstantniacuteho tlaku P Změna
objemoveacute praacutece se vyjaacutedřiacute rovniciacute
Změnu vnitřniacute energie můžeme zapsat jako
(1)
(2)
(3)
13
Dodaacuteme-li např krystalu energii ve formě tepla vzroste jeho vnitřniacute energie o tolik kolik se
nespotřebuje na praacuteci spojenou s růstem jeho objemu (expanziacute) [2]
321 Perpetuum mobile prvniacuteho druhu
Produkuje nejmeacuteně tolik energie kolik samo spotřebuje Jakmile je jednou stroj spuštěn může
pracovat po neomezeně dlouhou dobu
33 Druhyacute zaacutekon termodynamiky
Druhyacute zaacutekon je postaven na definici entropie kteraacute je extenzivniacute funkciacute definujiacuteciacute stav systeacutemu
Zjednodušeně řečeno entropie definuje neuspořaacutedanost syteacutemu Celkovaacute změna entropie v uzavřeneacutem
systeacutemu je součtem změny entropie uvnitř systeacutemu a entropie kteraacute je do systeacutemu přenesena z jeho
okoliacute Entropii přenaacutešenou do systeacutemu se definuje rovnice (4) kde dQ je dodaneacute teplo a T je teplota
Je zřejmeacute že změna entropie systeacutemu při konstantniacute hodnotě tepla je většiacute při nižšiacute teplotě [2]
Pro reversibilniacute procesy a rovnovaacutežneacute stavy platiacute že změna entropie je nulovaacute dS = 0 Pro spontaacutenniacute
proces v systeacutemu pak platiacute dS gt 0 Můžeme řiacuteci že entropie se nikdy samovolně nezmenšuje [2]
331 Perpetuum mobile druheacuteho druhu
Takeacute nelze sestrojit protože při tepelneacute vyacuteměně těleso o vyššiacute teplotě nemůže samovolně přijiacutemat
teplo od tělesa s nižšiacute teplotou
34 Třetiacute zaacutekon termodynamiky
Jestliže se teplota ideaacutelniacuteho krystalu bliacutežiacute absolutniacute nule bliacutežiacute se nule i jeho entropie [2]
V bliacutezkosti absolutniacute nuly se adiabatickyacute děj přibližuje izotermickeacutemu Tiacutem se ovšem ztraacuteciacute uacutečinnost
libovolneacute ochlazovaciacute metody založeneacute na střiacutedaacuteniacute těchto dějů
Při extreacutemně niacutezkeacute teplotě se projevujiacute zvlaacuteštniacute vlastnosti některyacutech laacutetek jakyacutemi jsou supravodivost a
supratekutost
(4)
14
4 Vakuum
41 Eacuteter vyplňujiacuteciacute praacutezdnyacute prostor
Na zaacutekladě zjištěniacute že zvuk pro sveacute šiacuteřeniacute vyžaduje přenosoveacute meacutedium bylo dřiacuteve předpoklaacutedaacuteno že
i světlo ke sveacutemu přenosu vyžaduje určiteacute prostřediacute Toto meacutedium bylo označeno pojmem eacuteter Eacuteter
byl zaveden nejen pro světlo ale i pro elektřinu magnetismus a teplo Britskyacute fyzik James Clarck
Maxwell zjistil že se elektromagnetickeacute vlny šiacuteřiacute rychlostiacute světla a navrhl existenci pouze jedineacuteho
eacuteteru [3]
Na zaacutekladě Maxwellovyacutech pozorovaacuteniacute provedl Albert Michelson v roce 1881 experiment kteryacute měl
prokaacutezat přiacutetomnost eacuteteru Negativniacute vyacutesledek pokusu byl později zpochybněn a tak byl v roce 1887
pokus mnohem přesněji zopakovaacuten za spolupraacutece Edwarda Morleyho Experiment byl v budoucnu
ještě mnohokraacutet zopakovaacuten avšak původniacute vyacutesledek experimentu byl potvrzen [4]
Na Obr41 je znaacutezorněn princip Michelson-Morleyho experimentu kteryacute jsem doplnil o šipky ve
směru paprsků světla Uprostřed rotujiacuteciacute kruhoveacute aparatury je umiacutestěno polopropustneacute zrcadlo Směr
pohybu eacuteteru vůči aparatuře je znaacutezorněn žlutyacutemi šipkami Ze zdroje světla (vlevo) vychaacuteziacute paprsek a
dopadaacute na polopropustneacute zrcadlo (uprostřed) kde se děliacute na dvě čaacutesti Vzniknou tak dva navzaacutejem
kolmeacute paprsky putujiacuteciacute k zrcadlům po okrajiacutech aparatury kde se opět odraacutežiacute a vracejiacute zpět
k prostředniacutemu polopropustneacutemu zrcadlu Paprsek vracejiacuteciacute se dolů čaacutestečně prochaacuteziacute polopropustnyacutem
zrcadlem směrem dolů ke stiacuteniacutetku a paprsek vracejiacuteciacute se ke středu od leveacuteho zrcadla je odražen takeacute
směrem dolů Čaacutesti obou paprsků tak dopadajiacute na stiacuteniacutetko kde se
a) vzaacutejemně zesiacuteliacute jestliže majiacute stejnou rychlost a dopadajiacute na stiacuteniacutetko se stejnou faacuteziacute
b) vytvořiacute interferenčniacute obrazec v přiacutepadě že pohybujiacuteciacute se eacuteter vůči aparatuře ovlivnil rychlost
jednoho z paprsků
c)
Obr 41 Model demonstrujiacuteciacute princip Michelson- Morleyho experimentu [5]
Experiment existenci takoveacuteho eacuteteru neprokaacutezal a tak se převaacutežnaacute vědeckaacute komunita od představy
eacuteteru odkolonila
15
Neschopnost lidskeacute mysli uchopit praacutezdnyacute prostor dala v historii vzniknout pojmu horror vacui
neboli strach z praacutezdnoty [21]
Italskyacute fyzik a matematik Evangelista Torricelli žijiacuteciacute v 17 stoletiacute vešel do povědomiacute širokeacute
veřejnosti jednak pro vědeckyacute přiacutespěvek v oboru matematiky ale předevšiacutem pro vynalezeniacute
barometru Torricelli při svyacutech pokusech experimentoval s dlouhou skleněnou trubiciacute deacutelky 12 m
kterou naplnil rtutiacute a poteacute ji otevřenyacutem koncem ponořil do naacutedoby plneacute rtuti Pozoroval že velkaacute čaacutest
rtuti v trubici zůstala a nad jejiacute hladinou vnikl vzduchopraacutezdnyacute prostor Stal se tak prvniacutem člověkem
v historii kteryacute vytvořil vzduchopraacutezdno neboli vakuum [7]
Obr 42 Aparatura Evangelisty Torricelliho diacuteky ktereacute vytvořil makroskopickeacute vakuum
Vakuum zastupuje širokou škaacutelu tlaků V technickeacute praxi naleacutezaacute širokeacute praktickeacute využitiacute a je proto
podle velikosti tlaku rozděleno děleno do kategoriiacute ktereacute jsou v Tab 42
Tab 41 Rozděleniacute vakua podle tlakoveacuteho paacutesma a množstviacute hmoty v objemu[22]
Tlakoveacute paacutesmo
Tlak Množstviacute hmoty
v objemu
[Pa] [molekulcm3]
Atmosfeacuterickyacute tlak 101times105 27 x 10
19
Hrubeacute vakuum 10+4
hellip10+2
1019
- 1016
Jemneacute vakuum 10+2
hellip10minus1
1016
- 1013
Vysokeacute vakuum (HV) 10minus1
hellip10minus5
1013
hellip109
Ultra vysokeacute vakuum (UHV) 10minus5
hellip10minus10
109hellip10
4
Extreacutemně vysokeacute vakuum (XHV) lt10minus10
lt104
16
Vynaacutelezce Otto von Guericke demonstroval siacutelu podtlaku analogiiacute s osmi spřaženiacutemi osmi koni kteřiacute
nejsou schopni společnyacutemi silami oddělit dvě poloviny vzduchopraacutezdneacute koule jak ukazuje Obr 43
Obr 43 Osm koniacute neniacute schopno od sebe oddělit dvě poloviny vzduchopraacutezdneacute koule [8]
Zařiacutezeniacute pro tvorbu vakua se nazyacutevaacute vyacutevěva I kdyby se naacutem podařilo sestrojit dokonalou vyacutevěvu
kteraacute by z prostoru odstranila všechny znaacutemeacute hmotneacute čaacutestice prostor by i tehdy nezůstal praacutezdnyacute
Klasickaacute teorie poklaacutedaacute vakuum za praacutezdnyacute prostor bez hmotnyacutech čaacutestic Je však nutneacute přihleacutednout
k faktu že existujiacute teorie a experimenty jež připouštějiacute že vakuum neniacute praacutezdneacute miacutesto toho je plneacute
aktivity a co je ještě důležitějšiacute lze tuto aktivitu využiacutet v našem reaacutelneacutem světě
42 Heisenbergův princip neurčitosti
Velmi důležityacutem zaacutekonem určujiacuteciacutem pravidla v kvantoveacutem světě je Heisenbergův princip neurčitosti
Ten řiacutekaacute že pro současneacute měřeniacute polohy x a hybnosti čaacutestice p nemůže byacutet součin neurčitostiacute v určeniacute
polohy Δx a hybnosti Δp čaacutestice menšiacute než redukovanaacute Planckova konstanta ħ Pro tuto konstantu platiacute
ħ = h2π =105410-34
Js Důsledkem Heisenbergova principu je že se na mikroskopickeacute uacuterovni může
narušovat zaacutekon zachovaacuteniacute energie a to takovyacutem způsobem že součin velikosti tohoto narušeniacute a
doby po kterou trvaacute je menšiacute než redukovanaacute Planckova konstanta V takoveacutem přiacutepadě nelze toto
porušeniacute pozorovat
Heisenbergův princip neurčitosti pro současneacute měřeniacute polohy a hybnosti čaacutestice maacute tvar
(5)
Heisenbergův princip neurčitosti pro současneacute měřeniacute času a energie čaacutestice maacute tvar
(6)
Platnost rovnice (6) vede tomu že ve vakuu mohou existovat velice rychleacute fluktuace energie ktereacute
vznikajiacute jako v důsledku vzniku tzv virtuaacutelniacutech čaacutestic a jejich antičaacutestic ktereacute velice rychle vznikajiacute a
zanikajiacute vlivem vzaacutejemneacute anihilace A to v čase daneacutem Heisenbergovyacutem principem neurčitosti [9]
17
43 Virtuaacutelniacute čaacutestice
Jednaacute se o čaacutestici kteraacute neniacute přiacutemo pozorovatelnaacute je zavedena z důvodu existence řady pozorovanyacutech
jevů Virtuaacutelniacute čaacutestice může existovat diacuteky Heisenbergovu principu neurčitosti a v časoveacutem okamžiku
daneacutem tiacutemto zaacutekonem narušuje zaacutekon o zachovaacuteniacute energie U reaacutelneacute čaacutestice jejiacutež existence nenarušuje
zaacutekon zachovaacuteniacute energie je splněn relativistickyacute vztah mezi celkovou energiiacute čaacutestice E jejiacute hybnostiacute p
a klidovou energiiacute U virtuaacutelniacute čaacutestice tento vztah mezi uvedenyacutemi fyzikaacutelniacutemi veličinami neplatiacute
Virtuaacutelniacute čaacutestice tak může miacutet třeba velmi velkou hybnost a jen velmi malou energii Existence
virtuaacutelniacute čaacutestice je omezena na velice kraacutetkou dobu Při neustaacuteleacutem vzniku a zaacuteniku těchto čaacutestic
vznikajiacute ve vakuu vysokofrekvenčniacute fluktuace elektromagnetickyacutech poliacute různyacutech vlnovyacutech deacutelek [9]
44 Casimirův jev
V roce 1958 holandskyacute fyzik M J Sparnaay předpověděl existenci sil mezi dvěma kovovyacutemi
deskami jejichž přiacutečinou nebylo tepelneacute zaacuteřeniacute Byl zaveden pojem zero point energy (energie
nuloveacuteho bodu) označujiacuteciacute elektromagnetickou energii vyskytujiacuteciacute se ve vakuu při absolutniacute nuloveacute
teplotě [18]
Důkazem existence teacuteto energie je uacutedajně fakt že helium zůstaacutevaacute i při teplotaacutech mezi -272degC až
273degC staacutele v kapalneacutem skupenstviacute a nedojde k jeho přeměně na skupenstviacute pevneacute [17]
Způsob jakyacutem by bylo možneacute projevy virtuaacutelniacutech čaacutestic experimentaacutelně změřit navrhl v roce 1948
holandskyacute fyzik Hendrik Casimir Casimir uvažoval o dvou paralelniacutech elektrodaacutech (zrcadlech)
umiacutestěnyacutech ve vakuu za teploty bliacutezkeacute absolutniacute nule Vně těchto zrcadel vakuoveacute fluktuace
elektromagnetickyacutech poliacute dosahujiacute širokeacuteho spektra energiiacute ovšem v souladu s Heisenbergovyacutemi
relacemi neurčitosti Jinaacute situace nastaacutevaacute mezi elektrodami ktereacute tvořiacute rezonaacutetor Zde mohou vznikat
pouze fluktuace určityacutech vlnovyacutech deacutelek ndash moacutedů rezonaacutetoru Ostatniacute vlnoveacute deacutelky jsou vněm
potlačeny Tato nerovnovaacuteha fluktuaciacute vně elektrod a mezi nimi způsobuje tlakovou siacutelu kteraacute
přitahuje elektrody k sobě Jev se nazyacutevaacute Casimirův jev (efekt) a je makroskopickyacutem projevem
kvantovyacutech jevů stejně jako napřiacuteklad supravodivost nebo supratekutost [10]
Obr 44 Demonstrace Casimirova jevu Dvě kovoveacute desky tvořiacute rezonaacutetor pouze pro některeacute vlnoveacute
deacutelky důsledkem je působeniacute přitažliveacute siacutely mezi těmito deskami [11]
Fluktuace
vakua Casimirovi
desky
18
441 Casimirova siacutela
Casimirův efekt se projevuje jako Casimirova siacutela Casimirovu siacutelu mezi vodivyacutemi elektrodami
způsobuje nerovnovaacuteha mezi kvantovyacutemi fluktuacemi elektromagnetickyacutech poliacute ve vakuu vně
elektrod a mezi nimi [10]
Casimirovu siacutelu lze vypočiacutetat na zaacutekladě vztahu (7) uvedeneacuteho v literatuře[17]
(7)
Na obr45 je graf Prof Dr Davida Iannuzziho kteryacute zobrazuje přibližně exponenciaacutelniacute naacuterůst
publikaciacute pojednaacutevajiacuteciacute o Casimirově vevu Tiacutem dokazuje značnyacute naacuterůst zaacutejmu o tento fenomeacuten
Obr 45 Naacuterůst publikaciacute tyacutekajiacuteciacutech se Casimirova jevu [8]
442 Aparatura pro měřeniacute Casimirova jevu
Laboratorniacute měřeniacute Casimirova jevu v Kalifornskeacute univerzitě v Riverside bylo provedeno na
miniaturniacute aparatuře pro měřeniacute kvantově mechanickyacutech efektů bdquopraacutezdneacuteho prostoruldquo Na Obr 46 je
kulička o průměru 01 mm zobrazenaacute skrze elektronovyacute mikroskop Kulička je umiacutestěna pod hladkou
destičkou (destička neniacute na obraacutezku) Diacuteky kvantově mechanickeacutemu Casimirovu efektu se kulička
k destičce přitahuje Změna pozice kuličky je měřena mikroskopem pro měřeniacute atomaacuterniacutech sil
19
Obr 46 Mikroskopickaacute aparatura pro měřeniacute Casimirova jevu
443 Tepelnyacute Casimirův jev
Při konečneacute teplotě vstupujiacute do hry tepelneacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole a přispiacutevajiacute tak k
siloveacutemu působeniacute mezi elektrodami Tepelneacute fluktuace jsou způsobeny chaotickyacutem pohybem
volnyacutech elektronů v materiaacutelu elektrod Paralelniacute elektrody opět představujiacute rezonaacutetor ve ktereacutem je
možneacute vybudit pouze určiteacute moacutedy Každyacute moacuted představuje stav s přesně určenou energiiacute Tyto stavy
jsou obsazovaacuteny fotony ktereacute reprezentujiacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole Obsazeniacute těchto
hladin popisuje Boseho-Einsteinovo rozděleniacute [10]
Boseho-Einsteinovo rozděleniacute popisuje ve statistickeacute fyzice systeacutemy složeneacute z bosonů tedy čaacutestic se
symetrickou vlnovou funkciacute a celočiacuteselnyacutem spinem Bose-Einsteinovyacutem rozděleniacutem se řiacutediacute napřiacuteklad
fotony je z něj tedy možneacute odvodit napřiacuteklad Planckův vyzařovaciacute zaacutekon [12]
Při nuloveacute teplotě všechny fotony obsadiacute pouze nejnižšiacute energetickou hladinu jak je vidět na Obr 47
S rostouciacute teplotou postupně dochaacuteziacute k obsazovaacuteniacute i dalšiacutech vyššiacutech energetickyacutech hladin Mezi
zrcadly vznikaacute dalšiacute přitažlivaacute siacutela kteraacute ovšem zaacutevisiacute na teplotě Jednaacute se tedy o tepelnyacute Casimirův
jev
Obr 47 Vlevo zaujiacutemajiacute bosony při teplotaacutech bliacutezkyacutech absolutniacute nule jedinyacute stav s nejnižšiacute energiiacute Se
vzrůstajiacuteciacute teplotou bosony (vpravo) postupně obsazujiacute stavy s vyššiacute energiiacute [13]
Přestože tepelnyacute Casimirův jev byl teoreticky předpovězen Jevgenijem Lifšicem v roce 1955 dočkal
se sveacuteho objevu až v roce 2010 Tento uacutekol se podařilo zvlaacutednout skupině vědců na americkeacute Yaleově
univerzitě Tepelneacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole byly opět měřeny prostřednictviacutem přitažliveacute
siacutely mezi dvěma elektrodami Připravit dokonale rovinneacute paralelniacute plochy je poměrně obtiacutežneacute a proto
20
byl experiment provaacuteděn s jednou rovinnou elektrodou a druhou elektrodou ve tvaru kuloveacute plochy
Obě elektrody byly vyrobeny ze zlata s přesnostiacute 10 nm (kulovaacute elektroda) a 1 nm (rovinnaacute elektroda)
Siacutela mezi elektrodami byla měřena pomociacute torzniacuteho kyvadla kde torzniacute siacutela wolframoveacuteho draacutetku o
průměru 25 μm byla vyrovnaacutevaacutena přitažlivou silou mezi elektrodami Kapacitniacute polohovyacute senzor
sniacutemal vyacutechylku torzniacuteho kyvadla Celyacute experiment probiacutehal při teplotě 300 K [14]
Obr 48 Scheacutema zařiacutezeniacute pro měřeniacute tepelneacuteho Casimirova jevu (pohled shora) [14]
Naměřeneacute vyacutesledky byly porovnaacutevaacuteny se dvěma teoretickyacutemi modely ndash plazmovyacutem modelem a
Drudeho modelem Tyto modely popisujiacute chovaacuteniacute permitivity elektrod v zaacutevislosti na frekvenci
Naměřeneacute vyacutesledky ukazujiacute shodu s Drudeho modelem při teplotě 300 K Podle tohoto modelu tepelnaacute
přitažlivaacute siacutela roste lineaacuterně s teplotou a klesaacute s druhou mocninou vzdaacutelenosti To znamenaacute že zatiacutemco
Casimirova siacutela převlaacutedaacute na velmi malyacutech vzdaacutelenostech tepelnaacute Casimirova siacutela dominuje na
velkyacutech vzdaacutelenostech Na obraacutezku niacuteže je znaacutezorněna přitažlivaacute siacutela naacutesobenaacute druhou mocninou
vzdaacutelenosti v zaacutevislosti na vzdaacutelenosti mezi elektrodami Podle Drudeho modelu bychom měli dostat
konstantniacute zaacutevislost v miacutestech kde převlaacutedaacute siacutela způsobenaacute tepelnyacutemi fluktuacemi Z Obr 49 je
patrneacute že od vzdaacutelenosti přibližně 3 μm daacutele dostaacutevaacuteme přibližně konstantniacute zaacutevislost [14]
Obr 49 Na vzdaacutelenostech většiacutech než 3 μm dochaacuteziacute ke změně charakteru přitažliveacute siacutely Převlaacutedaacute zde
siacutela způsobenaacute tepelnyacutemi fluktuacemi zatiacutemco na menšiacutech vzdaacutelenostech se viacutece uplatňuje siacutela
pochaacutezejiacuteciacutech z kvantovyacutech fluktuaciacute vakua [14]
21
5 Magnetismus
51 Magnetickeacute pole a jeho siloveacute uacutečinky
Fakt že některeacute nerosty s obsahem železa a jeho oxidů jeviacute jisteacute vzaacutejemneacute siloveacute působeniacute vedlo
člověka k vyacutezkumu hlubšiacute podstaty tohoto fenomeacutenu Magnetismu znaacutemeacutemu již ze středověku začala
byacutet později věnovaacutena značnaacute pozornost předevšiacutem diacuteky poznatku že lze vnějšiacute magnetickeacute pole
vyvolat průchodem proudu nosičů elektrickyacutech naacutebojů elektrickyacutemi vodiči Pokusy H Ch Oersteda s
vodiči zapojenyacutemi k elektrickeacutemu zdroji vykazovali siloveacute působeniacute na magnetku kompasu později
diacuteky A M Ampeacuterovu pokusu takeacute siloveacute působeniacute mezi vodiči proteacutekanyacutemi proudem [15]
Mezi tělesy z feromagnetickyacutech laacutetek se za jistyacutech okolnostiacute projevuje vnějšiacute působeniacute vnitřniacutech
atomaacuterniacutech sil do vnějšiacuteho prostřediacute prostor v okoliacute tělesa i uvnitř něho je magneticky polarizovaacuten a
magnetickeacute předměty se navzaacutejem přitahujiacute či odpuzujiacute v zaacutevislosti na směru vektoru jejich
magnetizace Ve vzdušneacutem prostřediacute lze magnetickou propustnost definovat jako hodnotu přibližně
rovnou permeabilitě vakua
Po odhaleniacute existence magnetismu došlo časem k prudkeacutemu naacuterůstu pokusů se snahou naleacutezt praktickeacute
využitiacute tohoto jevu v lidskeacutem životě Vznik elektrickyacutech strojů prudce zrychlil rozvoj většiny odvětviacute
lidskeacuteho baacutedaacuteniacute
Magnetickeacute pole a jeho siloveacute uacutečinky jsou přiacutetomny při
a) Pohybu elektrickyacutech naacutebojů v obvodu
b) Zmagnetovaacuteniacute magnetik
Kvantitativniacute miacuterou siloveacuteho působeniacute magnetickeacuteho pole je magnetickaacute indukce B
Magnetickeacute pole o indukci 1 T působiacuteciacute na naacuteboj jednoho coulombu kteryacute se pohybuje rychlostiacute 1ms
silou 1 Newtonu jestliže je směr rychlosti naacuteboje a směru působiacuteciacute siacutely kolmyacute
Siacutelu v elektromagnetickeacutem poli působiacuteciacute na jednotkovyacute zkušebniacute naacuteboj v pohybu lze popsat
Lorenzovyacutem vztahem [15]
Ze vztahu je zřejmeacute že rychlost zkušebniacute čaacutestice nemaacute vliv na siloveacute uacutečinky elektrickeacuteho pole
V poli čistě magnetickeacutem kdy je elektrickeacute pole nuloveacute platiacute pro siacutelu vztah
(8)
(9)
22
52 Magnetickyacute moment moment hybnosti a precese momentu hybnosti
Pohybuje-li se elektron po kružnici (obiacutehaacute-li jaacutedro vlivem dostřediveacute siacutely) jsou si jeho magnetickyacute
moment μ a moment hybnosti J uacuteměrneacute Velikost momentu hybnosti elektronu je rovna hmotnosti
elektronu vynaacutesobeneacute jeho rychlostiacute a poloměrem draacutehy kterou opisuje (Obr 51)
Obr 51 Na kruhoveacute draacuteze je magnetickyacute moment μ(q2m)-naacutesobkem momentu hybnosti J[16]
Jeho směr je kolmiacute na rovinu draacutehy Vztah (10) je ne relativistickyacute je však pro atomy dobryacutem
přibliacuteženiacutem
(10)
Magnetickyacute moment tohoto pohybu lze určit jako proud kraacutet obsah plochy kruhu dle vztahu
Proud se vypočiacutetaacute jako naacuteboj kteryacute za jednotku času projde libovolnyacutem bodem draacutehy tj naacuteboj q kraacutet
frekvence kruhoveacuteho pohybu Frekvence je zase rychlost dělenaacute deacutelkou draacutehy takže platiacute
Plocha maacute obsah magnetickyacute moment je tedy možneacute vyjaacutedřit vztahem
Magnetickyacute moment a teacutež moment hybnosti J jsou kolmeacute na rovinu draacutehy Pro orbitaacutelniacute pohyb tedy
platiacute
Pro orbitaacutelniacute pohyb elektronu platiacute
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
23
Magnetismus od orbitaacutelniacuteho pohybu elektronu neniacute jedinyacute existujiacuteciacute druh magnetismu Elektron maacute i
svou vlastniacute rotaci kolem osy Důsledkem je spinovyacute moment hybnosti elektronu neboli vlastniacute
moment hybnosti Pro spinovyacute moment hybnosti se takeacute použiacutevaacute označeniacute spin Z překladu
z angličtiny jde rotace Pojem spin byl zaveden v době kdy se předpoklaacutedalo že jde o rotaci nicmeacuteně
v makrosvětě nemaacute spin analogii a člověk je nucen použiacutet idealizovanou představou rotace [16]
Poměr a je dvakraacutet tak tak velkyacute oproti orbitaacutelniacutemu pohybu elektronu proto je spinovyacute
magnetickyacute moment
Obecně je v každeacutem atomu několik elektronů a tak je celkovyacute moment hybnosti a celkovyacute magnetickyacute
moment daacuten složeniacutem jejich orbitaacutelniacutech a spinovyacutech momentů hybnosti V kvantoveacute mechanice
obecně platiacute že směr magnetickeacuteho momentu izolovaneacuteho atomu maacute opačnyacute směr než moment
hybnosti [16]
Někdy je magnetickyacute moment směsiciacute orbitaacutelniacutech a spinovyacutech přiacutespěvků jejichž vztah můžeme zapsat
Značka g je tzv Landeacuteho faktor a určeniacute jeho velikosti je předmětem kvantoveacute mechaniky
V přiacutepadě atomovyacutech jader figurujiacute naviacutec i spiny protonů a neutronů Pro jaacutedra obecně piacutešeme
Precese pohyb atomovyacutech magnetů v magnetickeacutem poli
Umiacutestěniacutem atomu do magnetickeacuteho pole je magnetickyacute moment ovlivňovaacuten momentem siacutely kteraacute se
jej snažiacute pootočit do směru pole Atomovyacute magnet je jako setrvačniacutek ndash maacute spinovyacute moment hybnosti
Moment siacutely způsobenyacute magnetickyacutem polem proto nedokaacuteže atomovyacute magnet udržet
v daneacutem směru Magnet proto bude vykonaacutevat precesniacute pohyb podobnyacute precesi mechanickeacuteho
setrvačniacuteku[16]
Rotuje-li těleso okolo osy zaznamenaacuteme u něj jistou podobnost v chovaacuteniacute s elementaacuterniacutem atomovyacutem
magnetem o momentu hybnosti
Jevy zjevneacute při rotaci tělesa lze popsat naacutesledujiacuteciacutemi tvrzeniacutemi
Pokud na rotujiacuteciacute těleso nepůsobiacute vnějšiacute siacutely zachovaacutevaacute si osu svojiacute rotace Nenulovyacute moment
siacutely působiacuteciacute na rotujiacuteciacute těleso ovlivňuje osu jeho rotace tiacutem viacutece čiacutem maacute těleso menšiacute
moment hybnosti
Když nutiacuteme rotujiacuteciacute těleso změnit osu svojiacute rotace chovaacute se tak že se snažiacute ztotožnit s osou
vynuceneacute rotace
(16)
(
) (17)
(
) (18)
24
Precese subatomaacuterniacutech čaacutestic v magnetickeacutem poli se s vyacutehodou využiacutevaacute v metodaacutech magnetickeacute
jaderneacute a elektronoveacute paramagnetickeacute rezonance
Nabiacuteziacute se otaacutezka jestli je možneacute určityacutem způsobem převeacutest siloveacute uacutečinky precesniacuteho pohybu
momentu hybnosti na mechanickyacute pohyb v nějakeacutem elektrickeacutem stroji Projevy rezonančniacutech jevů
jsou u všech typů magnetickyacutech rezonanciacute však velice slabeacute a frekvence Larmorovy precese s jakou
vektor magnetickeacuteho momentu rotuje ve vnějšiacutem poli je u elektronů ktereacute jsou přiacutečinou magnetismu
u feromagnetik až v řaacutedech GHzT Tiacutem paacutedem by musel mechanickyacute systeacutem v pracujiacuteciacute v rezonanci
s precesniacute frekvenciacute momentu hybnosti kmitat či rotovat teacutež v řaacutedech GHz nebo v jisteacutem poměru k
prvniacute harmonickeacute teacuteto frekvence
25
6 Nekonvenčniacute elektrickeacute stroje
Podle autorů elektrickyacutem motorů jsou motory založeneacute na jistyacutech principech schopny pracovat s
uacutečinnostiacute překračujiacuteciacute 100 Ve čtvrteacute kapitole hovořiacuteciacute o vakuu je popsaacuten Casimirův jev jako
důsledek narušeniacute symetrie prostorovyacutech fluktuaciacute elektromagnetickyacutech poliacute vakua mezi dvěma
kovovyacutemi deskami Vezmeme-li v uacutevahu teorii o prostoru vyplněneacutem vznikajiacuteciacutemi a zanikajiacuteciacutemi
virtuaacutelniacutemi čaacutesticemi nabiacuteziacute se otaacutezka Je možneacute zkonstruovat systeacutem kteryacute by energii projevujiacuteciacute se
jako fluktuace elektromagnetickyacutech poliacute vakua proměnil na užitečnou elektrickou či mechanickou
energii v takoveacute měřiacutetku aby byl schopnyacute napaacutejet elektrickeacute obvody sveacuteho řiacutezeniacute popř dodaacutevat
vyacutekon do vnějšiacute zaacutetěže Ze znalosti termodynamickyacutech zaacutekonů jasně vypliacutevaacute možnost využitiacute
teplotniacuteho rozdiacutelu dvou prostřediacute k ziacuteskaacuteniacute užitečneacute energie Tepelnaacute čerpadla jsou toho důkazem
Vzhledem k existenci elektromagnetickeacute energie vakua i při absolutniacute nule je možneacute tuto energii
považovat za vstupniacute energii do systeacutemu zobrazeneacuteho blokově na Obr 61
Obr 61 Blokoveacute scheacutema systeacutemu napaacutejeneacuteho energiiacute odčerpaacutevanou z okolniacuteho prostřediacute
Energie vstupuje do systeacutemu z vnějšiacuteho prostřediacute a sloužiacute pro napaacutejeniacute vnějšiacute zaacutetěže i systeacutemu
samotneacuteho
Systeacutem
Vstup energie do systeacutemu
z okolniacuteho prostřediacute
Vyacutestup využitelneacute
formy energie
Energie potřebnaacute pro řiacutezeniacute
systeacutemu se z vyacutestupu navraciacute
zpětnou vazbou
26
61 Johnsonův motor
V roce 1973 pět let po podaacuteniacute přihlaacutešky byl Howardu Johnsonovi udělen patent US 4151431 na
motor s permanentniacutemi magnety V roce 1995 pak patent US 5402021 popisujiacuteciacute magnetickyacute
pohonnyacute systeacutem založenyacute na obdobneacutem principu Oba tyto systeacutemy uacutedajně využiacutevajiacute ke konaacuteniacute praacutece
pouze siacutely permanentniacutech magnetů Ačkoli dnešniacute věda zavrhuje využitiacute vnějšiacutech projevů
subatomaacuterniacuteho pohybu čaacutestic hmoty permanentniacutech magnetů ke konaacuteniacute nepřetržiteacute praacutece v systeacutemu
Johnson uacutedajně připouštiacute že přesně neviacute odkud se energie kterou čerpaacute bere Ale domniacutevaacute se že
může miacutet souvislost s rotaciacute elektronů možnaacute dokonce souvisiacute s dosud nepojmenovanou čaacutesticiacute
V roce 1980 vyšel v dnes již zanikleacutem časopisu Science and Mechanics člaacutenek o Johnsonově motoru
popisujiacuteciacute vzaacutejemneacute interakce mezi magnety rotoru a statoru
Konstrukčniacute uspořaacutedaacuteniacute Johnsonova motoru
Obr 62 Čelniacute pohled do Johnsonova motoru Stator maacute po obvodu rozmiacutestěny tři obloukoviteacute
magnety Rotoroveacute magnety jsou vzaacutejemně odděleny vzduchovyacutemi mezerami [16]
Z Předniacuteho pohledu do motoru na Obr 62 jsou vidět tři obloukoviteacute permanentniacute magnety statoru
pravidelně rozmiacutestěneacute kolem rotoru
Obr 63 Z bočniacuteho pohledu do motoru je patrnaacute šroubovitaacute hřiacutedel kteraacute sloužiacuteciacute k zabrzděniacute stroje
[16]
27
Obr 64 Horniacute pohled na dva obloukoviteacute statoroveacute magnety navzaacutejem posunuteacute a překryacutevajiacuteciacute
magnety rotoru [16]
Obr 65 Průběhy změny indukce během změny polohy jižniacuteho a severniacuteho poacutelu magnetu statoru vůči
rotorovyacutem magnetům
Obr 66 Naznačeniacute pohybu obloukovyacutech magnetů rotoru nad statorovyacutemi magnety
Popis principu
Obr 66 ukazuje některeacute zaacutekladniacute vztahy Plneacute čaacutery představujiacute přitažliveacute siacutely přerušovaneacute čaacutery
představujiacute odpuzovaacuteniacute a dvojiteacute čaacutery v obou přiacutepadech znaacutezorňujiacute dominantniacute siacutely
Na Obr 66 je obloukově zakřivenyacute permanentniacute magnet ve třech po sobě naacutesledujiacuteciacutech polohaacutech nad
pevnyacutemi statorovyacutemi magnety Obr 66 poskytuje alespoň velmi zjednodušenyacute pohled do teorie
28
pohonu pomociacute permanentniacutech magnetů Johnson řiacutekaacute že zakřiveneacute magnety s ostryacutemi konci jsou
důležiteacute protože koncentrujiacute magnetickou energii mnohem uacutečinněji než magnety s tupyacutemi konci Tyto
obloukoviteacute magnety jsou o něco delšiacute než je deacutelka dvou magnetů statoru včetně mezery mezi nimi V
Johnsonově konstrukci jsou dlouheacute
palce
Všechny statoroveacute magnety majiacute severniacute poacutel nahoře a spočiacutevajiacute na podložce vyrobeneacute z materiaacutelu s
vysokou permeabilitou kteraacute pomaacutehaacute koncentrovat silovaacute pole Optimaacutelniacute mezera mezi konci
rotorovyacutech magnetů a statorem je kolem
palce
Když se severniacute poacutel magnetu rotoru nachaacuteziacute nad statorovyacutem magnetem je jiacutem odpuzovaacuten a je ke
statoru přitahovaacuten když prochaacuteziacute nad mezerou mezi statorovyacutemi magnety Přesně opačneacute siacutely působiacute
u jižniacuteho poacutelu rotoroveacuteho magnetu Je přitahovaacuten když prochaacuteziacute nad statorovyacutem magnetem a je
odpuzovaacuten když se nachaacuteziacute nad mezerou
Předniacute poacutel N rotoru je odpuzovaacuten severniacutemi poacutely dvou přilehlyacutech magnetů Ale v zobrazeneacute poloze
magnetu rotoru tyto dvě odpudiveacute siacutely (ktereacute zřejmě působiacute proti sobě) nejsou totožneacute většiacute z obou sil
(dvojitaacute přerušovanaacute čaacutera) překonaacutevaacute druhou siacutelu a taacutehne rotor doleva Tento pohyb vlevo je zrychlen
přitažlivou silou mezi severniacutem poacutelem rotoru a jižniacutem poacutelem v mezeře mezi statorovyacutemi magnety
Současně na druheacutem konci (S) rotoroveacuteho magnetu Deacutelka tohoto magnetu je cca
palce a je
zvolena s ohledem na velikost paacuteru statorovyacutech magnetů a mezery mezi nimi aby přiacutetažliveacute a
odpudiveacute siacutely taacutehly magnety rotoru doleva V tomto přiacutepadě je poacutel S přitahovaacuten severniacutemi poacutely
přilehlyacutech statorovyacutech magnetů ale z důvodu rozměrů rotoroveacuteho magnetu je rotor silněji tažen
doleva (dvojitaacute plnaacute čaacutera) Takeacute zde je s vyacutehodou využito siloveacute působeniacute mezi koncem rotoroveacuteho
magnetu a mezerou mezi magnety statoru V tomto přiacutepadě majiacute oba poacutely stejnou polaritu (S) proto se
vzaacutejemně odpuzujiacute
Je nutneacute dodržet spraacutevnou deacutelku magnetů rotoru Jestliže jsou buď přiacuteliš dlouheacute nebo přiacuteliš kraacutetkeacute
mohou dosaacutehnout nežaacutedouciacute rovnovaacutehy kteraacute znamenaacute konec pohybu Ciacutelem je optimalizovat
všechny siacutely tak aby bylo dosaženo maximaacutelniacute nerovnovaacutehy ale vždy stejnyacutem směrem Když se rotor
otočiacute o 180 stupňů a dostane se na opačnyacute konec draacutehy bude se chovat stejnyacutem způsobem až na to že
se v tomto přiacutekladu bude pohybovat zleva doprava Takeacute musiacuteme poznamenat že jakmile je rotor v
pohybu maacute moment kteryacute pomůže dostat rotorovyacute magnet do sfeacutery vlivu dalšiacuteho paacuteru magnetů
statoru kde ziacuteskaacute dalšiacute moment [25]
29
62 Adamsův motor generaacutetor
Podle informačniacuteho zdroje [26] byl vynaacutelez Roberta Adamse viacutece než 20 let držen v tajnosti Jeho
autorovi bylo vyhrožovaacuteno smrtiacute v přiacutepadě že bude šiacuteřit informace tyacutekajiacuteciacute se principů na nichž jeho
motorgeneraacutetor pracuje Informace byly po letech zveřejněny internetoveacutem magaziacutenu Nexus
Adams ke sveacutemu stroji vytvořil publikaci The Adams pulsed motor generator manual ve ktereacute uvaacutediacute
naacutesledujiacuteciacute obraacutezkoveacute ilustrace Autor v něm teacutež předklaacutedaacute grafy naměřenyacutech průběhů napětiacute pro
různeacute režimy stroje
Robert Adams tvrdiacute Naacuteš vesmiacuter je moře volneacute čisteacute energie A čekaacute jen na to abychom ji začali
využiacutevat
Vlastnosti a vyacutehody Adamsova motor generaacutetoru uvedeneacute Robertem Adamsem
1) Překonaacutevaacute zpětnou elektromotorickou siacutelu kteraacute je probleacutemem všech konvenčniacutech strojů
2) Střiacutedavě zapřahuje ZES tedy zanikajiacuteciacute magnetickeacute pole čiacutemž zvyšuje moment a snižuje
přiacutekon
3) V režimu motorgeneraacutetoru nevyžaduje k vyacuterobě elektrickeacuteho vyacutestupniacuteho vyacutekonu
oddělenyacute motor
4) Pro běh stroje a vyacuterobu vyacutestupniacuteho vyacutekonu využiacutevaacute jedinyacute rotor
5) Všechny poacutely rotoru majiacute stejnou polaritu
6) Statoroveacute hnaciacute vinutiacute a poacutely jsou menšiacutech rozměrů
7) Velikost vzduchoveacute mezery neniacute kritickaacute
8) Nevyžaduje chladiacuteciacute ventilaacutetor
9) Stroj nevyžaduje konstantniacute vstupniacute proud
10) Naacutevrh stroje je naacutesledujiacuteciacute
a) Energie je vede zpět do baterioveacuteho zdroje
b) Magnetickyacute zpětnyacute tah je prakticky nulovyacute
c) Teplota při plneacutem zatiacuteženiacute je polovičniacute ve srovnaacuteniacute s jakyacutemkoliv konvenčniacutem strojem
d) S ohledem na způsob mechanickeacuteho spiacutenaacuteniacute kteryacute zajišťuje zužujiacuteciacute se hvězda
kontaktniacuteho disku je možneacute měnit střiacutedu impulzů
11) V režimu vysokeacute uacutečinnosti stroj čerpaacute energii z prostoru
12) Čiacutem nižšiacute rychlostiacute se otaacutečiacute tiacutem dosahuje vyššiacute uacutečinnosti a krouticiacuteho momentu na rozdiacutel
od konvenčniacutech strojů
13) V rezonančniacutem režimu nejsou přiacutetomny jaloveacute ztraacutety a stroj vykazuje konstantniacute vyacutekon a
moment
14) Jelikož se směr energie ze zdroje neměniacute nejsou přiacutetomny ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy a
hystereziacute
15) Stroj se ve všech pracovniacutech režimech saacutem chraacuteniacute před některyacutemi nepřiacuteznivyacutemi situacemi
ktereacute v jinyacutech přiacutepadech vyžadujiacute doplňujiacuteciacute zařiacutezeniacute
16) Vysokeacute otaacutečky nejsou nutneacute čiacutemž odpadajiacute probleacutemy s nimi spojeneacute
17) Stroj je možneacute elektricky zatiacutežit a počiacutetat s naacuteslednyacutem naacuterůstem vyacutestupniacute energie od 50
přes 100 a to bez přetiacuteženiacute nebo naacuterůstu teploty nad normaacutelniacute pracovniacute teplotu
30
18) Stroj je saacutem o sobě obdivuhodně jednoduchyacute a nevyžaduje draheacute obvody pro řiacutezeniacute
rychlosti [26]
Popis zaacutekladniacute konstrukce
Adamsův motor-generaacutetor je elektrickyacute stroj s permanentniacutemi magnety radiaacutelně uloženyacutemi v rotoru
Stroj je uacutedajně možneacute zkonstruovat v různyacutech konfiguraciacutech podle toho zda požadujeme vyacutestupniacute
vyacutekon spiacuteše elektrickyacute nebo mechanickyacute
Zaacutekladniacute konfigurace stroje určenaacute pro vyacutestup elektrickeacuteho vyacutekonu ze stroje obsahuje tři druhy
statorovyacutech magnetickyacutech poacutelů vhodně rozmiacutestěnyacutech kolem rotoru s permanentniacutemi magnety
1 Permanentniacute magnety rotoru jsou všechny polarizovaacuteny ve stejneacutem směru Tok
magnetickeacute indukce všech vystupuje buď ven nebo dovnitř směrem ke hřiacutedeli
Obr 67 Magnety jsou pro zvyacutešeniacute vyacutekonu stroje uloženy v několika rotorovyacutech sekciacutech
2 Řiacutediacuteciacute poacutely jsou napaacutejeny pulzně v zaacutevislosti na poloze rotoru vůči statoru a to skrze
mechanickyacute komutaacutetor Ciacutevky jsou navinuty na jaacutedra ze kteryacutech vystupuje magnetickyacute tok
v opačneacutem směru oproti toku permanentniacutech magnetů v rotoru Rotor se pohybuje jelikož je
odpuzovaacuten těmito silovyacutemi uacutečinky
Obr 68 Pulzně buzeneacute ciacutevky
31
3 Zpětnovazebniacute poacutely jsou navinuty na magnetickyacutech jaacutedrech a jsou napaacutejeny elektrickou
energiiacute kteraacute se zpětně indukuje do elektrickeacuteho obvodu řiacutediacuteciacutech ciacutevek v důsledku prudkeacuteho
přerušeniacute dodaacutevky proudu Magnetickeacute pole v prostoru vzduchoveacute mezery a rozptylovyacutech
drahaacutech se snažiacute zaacuteniku proudu zabraacutenit čiacutemž vznikaacute prudkyacute energetickyacute skok
Obr 69 Zpětnovazebniacute ciacutevky
4 Generaacutetorickeacute poacutely generujiacute proud do připojeneacute zaacutetěže
Obr 610 Zpětnovazebniacute ciacutevky
5 Permanentniacute poacutely statoru jsou tvořeny feritovyacutemi magnety rozmiacutestěny po obvodu rotoru podle
konfigurace na Obr611a majiacute za uacutečel zvyacutešit mechanickyacute moment rotoru
32
Obr 611 Rozmiacutestěniacute permanentniacutech magnetů po obvodu statoru
Na Obr 612 je princip spiacutenaacuteniacute proudu do ciacutevek statoru řešenyacute prostřednictviacutem mechanickeacuteho
komutaacutetoru ve tvaru čtyřciacutepeacute hvězdy Při otaacutečeniacute dochaacuteziacute v jistyacutech polohaacutech ke spojeniacute kontaktů
dosedajiacuteciacutech na komutaacutetor a proud tekouciacute ciacutevkami v nich vybudiacute magnetickyacute indukčniacute tok kteryacute
svyacutemi uacutečinky odpuzuje permanentniacute magnety v rotoru Na obraacutezku je naznačen princip motoru a
způsob měřeniacute otepleniacute jaacutedra při daneacute mechanickeacute zaacutetěži Do jaacutedra je vyvrtaacuten otvor do nějž je
zasunuta teplotniacute sonda Otepleniacute jaacutedra by nemělo překročit 40 degC
Obr 612 Zaacutekladniacute konstrukce Adamsova motoru sloužiacuteciacute pro demonstraci nastaveniacute vhodneacute velikosti
proudu tekouciacuteho do vinutiacute ciacutevek při požadovaneacute mechanickeacute zaacutetěži
33
Obr 613 Vyacutekres Adamsova motor generaacutetoru s osmi permanentniacutemi magnety v rotoru
stejnosměrnyacutemi pulzniacutemi ciacutevkami a generaacutetorovyacutemi ciacutevkami navinutyacutemi na odlišnyacutech magnetickyacutech
jaacutedrech
Robert Adams ve sveacute publikaci uvaacutediacute na Obr 614 zaznamenaacuteny průběhy hodnot napětiacute na bateriiacutech
postupně připojovanyacutech na elektrickyacute vyacutestup stroje Přičemž hodnota napětiacute na vstupniacute napaacutejeciacute baterii
se měniacute jen nepatrně Na zaacutekladě těchto dat uvedenyacutech v Tab 61 Adams stanovuje uacutečinnost motor
generaacutetoru
Obr 614 Baterie na vyacutestupu jsou postupně dobiacutejeny přičemž velikost napětiacute na vstupniacute baterii se
snižuje jen nepatrně
34
Naacutesledujiacuteciacute tabulka shrnuje vyacutesledky naměřeneacute v grafu na Obr 614
Tab 61 Souhrn vyacutesledků naměřenyacutech hodnot napětiacute na vyacutestupniacutech bateriiacutech
Dokonalejšiacute konstrukce Adamsova motor generaacutetoru
Konstrukce zde popisovanaacute je realizovaacutena jako model pro měřeniacute uacutečinnosti tohoto motoru avšak
s několika podstatnyacutemi konstrukčniacutemi rozdiacutely o nichž se zmiňuji při popisu realizovaneacuteho stroje
Rotor na Obr 615 maacute 7 vyniklyacutech poacutelů rotoru a 8 statorovyacutech jader Je možneacute použiacutet i 6 jader ve
statoru při použitiacute stejneacuteho rotoru Tiacutem však dojde ke sniacuteženiacute uacutečinnost stroje Počet rotorovyacutech a
statorovyacutech poacutelů by neměl byacutet v celočiacuteselneacutem poměru
Obr 615 Konfigurace se 6 poacutely statoru a 7 poacutely rotoru Magnetizačniacute vinutiacute protějšiacutech poacutelů
statoru jsou spojena do seacuterie
Popis principu činnosti během otaacutečeniacute rotou
Na Obr 616 (a) je poacutel rotoru R1 přesně mezi statorovyacutemi poacuteli S1 a S2 a představme si že směřuje k S2
a je jiacutem přitahovaacuten až do chviacutele kdy je v pozici na obr (c) Nyniacute je zarovnaacuten s jaacutedrem statoru jehož
vinutiacutem začne proteacutekat proud kteryacute maacute takovou polaritu aby došlo k odpuzovaacuteniacute rotoroveacuteho poacutelu ze
zarovnaneacute pozice Tiacutem paacutedem je vlivem siloveacute interakce magnetickyacutech polyacute rotoru urychlovaacutem a
proud teče do statoroveacuteho vinutiacute až do chviacutele kdy je vpozici na obr (e) Nyniacute je protějšiacute statororoveacute
jaacutedro zarovnaacuteno s rotorovyacutem poacutelem
Baterie č
(vyacutestup)
Počaacutetečniacute
napětiacute
baterie
[V]
Doba běhu
stroje [h]
Konečneacute
napětiacute baterie
[V]
Naacuterůst
napětiacute
baterie oproti
počaacutetečniacute
hodnotě 102 V
[V]
Uacutečinnost []
1 102 33 1142 122 610
2 1172 15 1184 162 810
3 114 66 1201 181 905
35
Podiacutevejme se co se během toho děje na protějšiacute straně rotoru
Rotorovyacute poacutel R4 na obr (a) je praacutevě zarovnaacutem se statorovyacutem jaacutedrem S5 Tudiacutež je do vinutiacute tohoto
jaacutedra S5 přiveden proud jehož uacutečinky jsou i vtomto přiacutepadě vyvolajiacute odpuzovaacuteniacute poacutelu R4 Proud
vinutiacutem jaacutesdra S5 proteacutekaacute do chviacutele na obr(c) kdy dojde k demagnetizaci statoroveacuteho jaacutedra S2
Obr 617 Vzaacutejemeacute polohy rotoru vůči statorovyacutem poacutelům pro popis principu
Rotor je roztaacutečen těmito silovyacutemi přiacutespěvky
a) Rotorovyacute poacutel je přitahovaacuten ke statorovyacutem magnetickyacutem jaacutedrům vlivem projevu magnetickyacutech
sil permanentniacutech magnetů prostupujiacuteciacutech vzduchovou mezeru a uzaviacuterajiacuteciacutech se přes jaacutedra
statoru
b) Rotor je po zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru se statorovyacutem daacutele roztaacutečen vlivem odpudivyacutech
sil mezi poacutely rotoru a řiacutediacuteciacutemi poacutely statoru Vinutiacute řiacutediacuteciacutech poacutelů je napaacutejeno elektrickyacutemi
impulzy v zaacutevislosti na poloze rotoru vůči statoru Intenzita magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute
mezeře je nejvyššiacute při zarovnaacuteniacute poacutelů statoru a rotoru
Na Obr je pohled do vnitřniacute struktury magnetickeacuteho obvodu popisovaneacuteho stroje
12 podeacutelneacute magnetickeacute poacutely statoru s vysokou permeabilitou
13 rotoroveacute sekce s vyniklyacutemi poacutely
14 hřiacutedel
15 permanentniacute magnety uloženeacute ve středoveacutem pouzdru
16 otvor pro permanentniacute magnety
17 Disk sloužiacuteciacute jako pouzdro magnetů
Obr 618 Pohled na do struktury rotoru
36
Dalšiacutemi motory ktereacute uacutedajně pracujiacute s vysokou jsou Bediniho motor Takahasiho motor a Kawaiův
motor
63 Systeacutem pro přeměnu energie elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute na
elektrickou energii
Americkyacute patent č 5590031 podanyacute 24 července 1994 Franklinem B Meadem a Jackem
Nachamkinem popisuje zařiacutezeniacute přeměňujiacuteciacute vysokofrekvenčniacute elektromagnetickou energii
vakuovyacutech fluktuaciacute vznikajiacuteciacutech jako projev virtuaacutelniacutech čaacutestic teacutež označovanou pojmem bdquozero point
energyldquo na užitečnou elektrickou energii Pojem zero point energy neboli energie nuloveacuteho bodu byl
zaveden vzhledem k faktu že i při teplotě absolutniacute nule (0 K = -27315 degC) vakuum obsahuje energii
fluktuaciacute elektromagnetickyacute poliacute jako důsledek projevů vznikajiacuteciacutech a zanikajiacuteciacutech virtuaacutelniacutech čaacutestic
Na Obr 619 je znaacutezorněn princip zařiacutezeniacute Čiacuteslo 216 symbolizuje vysokofrekvenčniacute
elektromagnetickeacute zaacuteřeniacute Pomociacute litografickeacute technologie jsou vytvořeny dielektrickeacute struktury
(212) a (214) tvaru koule polokoule či disku Tyto struktury jsou velice maleacute a jejich velikost musiacute
byacutet v přiacutemeacutem poměru k vlnoveacute deacutelce elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute Struktury jsou připevněny na
zaacutekladoveacutem substraacutetu (236) a rozloženy do pole (238) Tyto struktury se vlivem působeniacute
elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute pohybujiacute s mnohem menšiacute frekvenciacute než jakou maacute elektromagnetickeacute
zaacuteřeniacute ktereacute jejich pohyb vyvolalo Naacutesledkem pohybu se v anteacuteně (222) indukuje elektrickaacute energie o
využitelneacute frekvenci Jednotliveacute anteacuteny mohou miacutet tvar smyčky nebo mohou byacutet dipoacuteloveacute
Indukovanyacute proud je naacutesledně veden vodiči (226) nebo vlnovodem do primaacuterniacuteho obvodu (228)
transformaacutetoru (232) Kondenzaacutetor (230) sloužiacute pro vyladěniacute rezonančniacuteho obvodu V sekundaacuterniacutem
obvodu je střiacutedavyacute proud usměrněn diodou (234)[17]
Obr 619 Scheacutema zařiacutezeniacute pro přeměnu vysokofrekvenčniacute elektromagnetickeacute energie na využitelnou
formu elektrickeacute energie [14]
37
7 Feromagnetickeacute materiaacutely
Tvar hysterezniacute smyčky magnetickeacuteho materiaacutelu zaacutevisiacute na chemickeacutem složeniacute feromagnetika a na jeho
tepelneacutem zpracovaacuteniacute Z analogie s mechanickou tvrdostiacute rozlišujeme magneticky měkkaacute
feromagnetika kteraacute dobře vedou magnetickyacute tok a tvrdaacute feromagnetika z nichž se vyraacutebiacute
permanentniacute magnety Na Obr71 je naacutezorneacute rozděleniacute magneticky měkkyacutech polotvrdyacutech a tvrdyacutech
materiaacutelů
Obr 71 Rozděleniacute magnetickyacutech materiaacutelů na měkkeacute polotvrdeacute a tvrdeacute
71 Magneticky měkkaacute feromagnetika
Pro vedeneacute magnetickeacuteho toku v magnetickeacutem obvodu motoru je využito měkkyacutech feromagnetik jež
se vyznačujiacute strmou magnetizačniacute křivkou a uacutezkou hysterezniacute smyčkou Majiacute vysokou počaacutetečniacute
a maximaacutelniacute permeabilitu a malou koercivitu Hclt103
Am Často lze hysterezi zanedbat a je možneacute
uvažovat pouze s magnetizačniacute křivkou1
Na trhu s magnetickyacutemi materiaacutely figuruje řada vyacuterobců a distributorů Naacutesledujiacuteciacute z nich jsem
oslovil s prosbou o poskytnutiacute vzorků magnetickyacutech jader pro měřeniacute magnetickyacutech vlastnostiacute
1 aplik
38
711 Vyacuterobci měkkyacutech feromagnetickyacutech materiaacutelů
a) Firma Therma FM
Firma Therma FM vyraacutebiacute magnetickeacute obvody z anizotropniacutech plechů a nabiacuteziacute i izotropniacute
dynamoplechy Materiaacutely pro vyacuterobu jader firma odebiacuteraacute od společnosti ThyssenKrupp
Jaacutedra pro jednofaacutezoveacute transformaacutetory jsem použil jako statoroveacute jaacutedra realizovaneacuteho motoru
Při vyacuterobě naviacutejeno na obdeacutelniacutekoveacute kopyto o rozměrech odpoviacutedajiacuteciacutech požadovaneacute velikosti okna pro
primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Jaacutedro je po navinutiacute z transformaacutetoroveacuteho plechu rozřiacuteznuto na dvě
poloviny jedna z nich je na Obr Xx Po rozřiacuteznutiacute jaacutedra je možneacute nasunout vinutiacute
Obr 72 Fotografie jedneacute poloviny jaacutedra pro jednofaacutezoveacute transformaacutetory
Magnetickeacute vlastnosti jaacutedra vyrobeneacuteho z materiaacutelu M150-30S jsou uvedeny v Tab71
Tab 71 Magnetickeacute vlastnosti jaacutedra stanoveneacute normou EN 10107
Norma Tloušťka
Max ztraacuteta v
jaacutedře při 15 T
[Wkg]
Maximaacutelniacute ztraacuteta
v jaacutedře při 17 T
[Wkg]
Min
J800
Nejmenšiacute
činitel
plněniacute
Typ
EN 10107 mm 50 Hz 50 Hz 60 Hz T PowerCore
M 150-30 S 030 097 150 197 175 0955 C 150-30
Magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelů jakosti M150-30S a M600-50 na Obrxx jsou zrekonstruovaneacute
podle z katalogovyacutech křivek vyacuterobce Thyssen Krupp
39
Obr 73 B-H charakteristiky jader z orientovanyacutech (M150-30S) trafoplechů a
neorientovanyacutechdynamoplechů M600-50
0
05
1
15
2
25
0 250 500 750 1 000 1 250 1 500 1 750 2 000
B [T]
H [Am]
Magnetizačniacute charakteristiky
M150-30S
M600-50
40
b) Firma Vacuumschmelze (VAC)
Tento německyacute vyacuterobce poskytnul dva vzorky toroidniacutech jader s nanokrystalickou strukturou Materiaacutel
je prodaacutevaacuten pod obchodniacutem naacutezvem Vitroperm 500F a vynikaacute velice uacutezkou hysterezniacute smyčkou
vysokou hodnotou magnetickeacute indukce při maleacute koercivitě Zaacutekladniacute složkou Vitropermu je Fe
s přiacuteměsemi Si B Nb a Cu
Tab 72 Magnetickeacute vlastnosti Vitropermu 500F uvedeneacute v katalogu vyacuterobce
Saturačniacute
indukce
Statickaacute
koercivita
Přibližnaacute
rezistivita
Curieho
teplota Permebilita
Měrneacute ztraacutety
(100kHz 03T)
Bs [T] Hc [Am] φ [μΩcm] tc[degC] μi PFe [Wkg]
12 lt3 115 gt600 15000hellip150000 80
Na Obr Xx jsou vyacuterobcem uvedeneacute magnetizačniacute charakteristiky Vitropermu 500F a 250F
v porovnaacuteniacute s typickou charakteristikou feritu
Obr 74 Jaacutedra z Vitropermu 500F dosahujiacute oproti běžneacutemu feritu mnohem vyššiacute magnetickeacute indukce
Je zřejmeacute že cena Vitropermovyacutech jader je oproti feritovyacutem mnohem většiacute a to diacuteky naacuteročneacutemu
vyacuterobniacutemu procesu
Společnost VAC ve sveacutem sortimentu nabiacuteziacute jaacutedra s amorfniacute strukturou s obchodniacutem naacutezvem Vitrovac
Vyraacutebiacute se metodou rychleacuteho tuhnutiacute kdy se na studenyacute buben otaacutečejiacuteciacute se rychlostiacute 100kmh vleacutevaacute
skrze keramickou trysku směs materiaacutelů roztavenaacute na teplotu okolo 1300degC a prudce se ochlazuje
(1000000 Ks) na meacuteně než 400degC v 1ms Tiacutem vznikaacute paacuteska tloušťky 20 μm s amorfniacute strukturou
Na Obr 77 je pro představu vyobrazenaacute krystalickaacute amorfniacute a nanokrystalickaacute struktura materiaacutelu
41
Obr 75 Detail na krystalickou strukturu (vlevo) amorfniacute a nanokrystalickou strukturu (vpravo)
Mezi dalšiacute materiaacutely ktereacute VAC nabiacuteziacute patřiacute materiaacutely pro elektrickeacute stroje a zařiacutezeniacute kde je
požadovaacutena vysokaacute hodnota indukce Tyto materiaacutely jsou znaacutemi pod obchodniacutemi naacutezvy Ultraperm
Vacoperm Mumetall Permax Permenorm Megaperm Trafoperm Vacoflux Vacofer a Vacodur
Pro srovnaacuteniacute jsou na Obrxx magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelů Vacoflux 50 Vacoflux 17 a Fe a
Fe 3 přiacuteměsiacute Si
Obr 76 Statickeacute magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelu Vacoflux 50 a Vcoflux 17 dosahuiacute vyšiacute
hodnoty magnetickeacute indukce nasyceniacute než běžnaacute křemiacutekovaacute ocel s obsahem 3 křemiacuteku a Fe 999
42
c) Firma Magnetics
Společnost Magnetics vyraacutebiacute jaacutedra lisovaacuteniacutem prachovyacutech přiacuteměsiacute se zaacutekladniacute složkou Na trhu jsou
znaacutemy pod označeniacutem High Flux MPP (Magnetics Molypermalloy Powder) Kool Mμ a Xflux
1 Jaacutedra High Flux jsou složena ze 79 Ni 17 Fe a 4 Mo Majiacute nejnižšiacute měrneacute ztraacutety ze
všech prchovyacutech jader
2 Jaacutedra MMP obsahujiacute 81 NI 17 Fe a 2 Mo Majiacute vynikajiacuteciacute vlastnosti jakyacutemi jsou
vysokaacute rezistivita niacutezkeacute hysterezniacute ztraacutety a ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy Z všch jader majiacute největšiacute
permeabilitu tiacutem paacutedem i vyššiacute hodnotu saturace
3 Jaacutedra Kool Mμ jsou vyrobena lisovaacuteniacutem prachu železnyacutech slitin a vykazujiacute nejmenšiacute
magnetostrikci
4 Jaacutedra XFlux obsahujiacute prach Fe s přiacuteměsiacute 65 Si Jsou vhodnaacute pro niacutezkofrekvenčniacute a
středofrekvenčniacute tlumivky
Tab 73 Magnetickeacute vlastnosti jader společnosti Magnetics katalogu vyacuterobce
Materiaacutel High Flux MMP Kool Mμ XFlux
Permeabilita 14-160 14-555 26-125 60
(Bs) [T] 15 075 105 16
Jaacutedra žeelezoprachovaacute byacutevajiacute teacutež označovanaacute jako železovaacute jaacutedra a jsou vyraacuteběna lisovaacuteniacutem
izolovaneacuteho praacutešku z magneticky měkkeacuteho materiaacutelu s niacutezkou koercitivniacute silou a vysokou
permeabilitou V současneacute době z tohoto materiaacutelu vyraacutebějiacute jaacutedra kromě firmy Magnetics jen někteřiacute
vyacuterobci a to předevšiacutem vaacutelcovaacute ladiacuteciacute jaacutedra pro laděniacute feritovyacutech hrniacutečkovyacutech jader a kruhovaacute jaacutedra
pro odrušovaciacute ciacutevky a filtračniacute tlumivky měničů napětiacute Zvyšovaacuteniacute objemu izolačniacute laacutetky vede ke
snižovaacuteniacute permeability jader a změně teplotniacute zaacutevislosti samotneacuteho magnetickeacuteho materiaacutelu jaacutedra a
roztažnostiacute jeho jednotlivyacutech složek Volbou směsi magnetickyacutech prachů je možneacute předem definovat
teplotniacute činitel permeability kteryacute může nabyacutevat klasnyacutech zaacutepornyacutech popř i nulovyacutech hodnot
Průmyslově se vyraacutebějiacute jaacutedra z jemnyacutech magnetickyacutech prachů s odstupňovanou permeabilitou
v rozsahu = 7 až 550 Jaacutedra toroidniacute s permeabilitou 7 až 150 se použiacutevajiacute v laděnyacutech obvodech
filtrů pro odrušovaciacute tlumivky jaacutedra s permeabilitou 90 až 550 v napaacutejeciacutech spiacutenaciacutech zdrojiacutech
Vysokeacute permeability je dosaženo materiaacutelovyacutem složeniacute magnetickyacutech prachů a změnou velikosti zrn
Čiacutem většiacute jsou prachovaacute zrna tiacutem vyššiacute je permeabilita diacuteky zvyacutešeniacute poměru magnetickeacuteho materiaacutelu
vůči izolačniacute laacutetce
43
72 Magneticky tvrdaacute feromagnetika
Magneticky tvrdeacute feromagnetickeacute materiaacutely majiacute magnetizačniacute křivku s malou strmostiacute a širokou
hysterezniacute smyčku Vykazujiacute poměrně malou permeabilitu a velkou koercivitu Hclt25middot103
Am
Použiacutevajiacute se pro permanentniacute magnety Vyacutevoj v oblasti těchto materiaacutelů nechal vzniknout celeacute řadě
magnetů odlišujiacuteciacutemi se magnetickyacutemi vlastnostmi konduktivitou mechanickyacutemi vlastnostmi a
ekonomickyacutemi parametry Tvrdaacute feromagnetika lze rozdělit naacutesledovně
a) Uhliacutekoveacute oceli ndash s obsahem 15 uhliacuteku Daacutele byly zdokonaleny legovaacuteniacutem wolframem
chromem a kobaltem a zakaleniacutem na martenzitickou strukturu Naacutesledně byly vyrobeny
mnohem vyacutehodnějšiacute slitiny železa niklu a hliniacuteku (Al-Ni) přiacutepadně kobaltu (Al-Ni-Co)
mědi či titanu Nevyacutehodou slitin Al-Ni a Al-Ni-Co je značnaacute mechanickaacute tvrdost křehkost a
tiacutem paacutedem i obtiacutežnaacute opracovatelnost
b) Tvrdeacute ferity ndash např barioveacute (BaFe12O19) nebo stroncioveacute (SrFe12O19) ferity s obsahem
přibližně 80 železa a asi 20 oxidu baria BaO nebo stroncia SrO Mohou byacutet izotropniacute a
anizotropniacute Niacutezkaacute cena a spolehlivost předurčuje tyto materiaacutely pro užitiacute v automatizačniacute
řiacutediacuteciacute a měřiciacute technice
c) Magnety ze vzaacutecnyacutech zemin ndash složeniacute na baacutezi samarium-kobalt (SmCo5 a Sm2Co17) nebo na
baacutezi neodym-železo-boacuter (Nd2Fe14B) Vyraacutebiacute se procesy praacuteškoveacute metalurgie lisovaacuteniacutem
v magnetickeacutem poli s naacuteslednyacutem speacutekaacuteniacutem Patřiacute k nejvyacutekonnějšiacutem permanentniacutem
magnetům Použiacutevajiacute se v silnoproudeacute počiacutetačoveacute a řiacutediacuteciacute technice a u elektroakustickyacutech
zařiacutezeniacute
d) Plastoveacute magnety ndash jsou vyraacuteběny ve formě plastoveacute nemagnetickeacute matrice v niacutež je plnidlem
jemnyacute praacutešek z vhodnyacutech slitin (alni alnico tvrdeacute ferity či materiaacutely na baacutezi vzaacutecnyacutech zemin)
Mohou byacutet izotropniacute nebo anizotropniacute Vyraacutebiacute se lisovaacuteniacutem nebo slinovaacuteniacutem při vysokeacute
teplotě do libovolneacuteho tvaru Použiacutevajiacute se v slaboproudeacute technice
Obr 77 Srovnaacuteniacute demagnetizačniacutech charakteristik permanentniacutech magnetů
44
73 Měřeniacute hysterezniacutech charakteristik vzorků magnetickyacutech jader
Pro měřeniacute hysterezniacutech charakteristik byl použit systeacutem Remacomp-C2
Přiacuteprava vzorků magnetickyacutech jader pro měřeniacute na systeacutemu Remacom-C2
Na jaacutedra bylo před měřeniacutem navinuto primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Mezi primaacuterniacutem a sekundaacuterniacutem
vinutiacute byl proveden izolačniacute proklad lepiciacute paacuteskou Průměr vodiče a počet zaacutevitů v primaacuterniacutem (N1) a
sekundaacuterniacutem (N2) vinutiacute je uveden v Tab Na Obr jsou již vzorky připraveny pro měřeniacute
Tab 74 Bližšiacute specifikace rozměrů počet zaacutevitů vinutiacute a průměr vodičů
Vyacuterobce Therma FM Vacuumschmelze Magnetics
Jaacutedro C150-30S Vitroperm 500F KoolMμ
Tvar Obdeacutelniacutekoveacute Toroid Toroid
Vnějšiacute průměr [mm] 64x36 323 274
Vnitřniacute průměr mm] 55x16 178 145
Vyacuteška mm] 13 122 117
N2 [z] 47 53 41
N2 [z] 47 53 41
Průměr vodiče [mm] 075 05 05
Měřeniacute je provedeno při frekvenciacutech 50Hz a 300Hz a maximaacutelniacute intenzitě 250 Am u jader
M150-30S a Vitropermu 500F Materiaacutel KoolMμ byl měřen při maximaacutelniacute intenzitě 5950 Am
z důvodů zachyceniacute maximaacutelniacute hodnoty indukce tohoto jaacutedra Na Obr71 až 715 jsou pro
srovnaacuteniacute hysterezniacute uvedeny charakteristiky měřenyacutech materiaacutelů
Obr 78 Vzorky jader připraveneacute na měřeniacute hysterezniacutech charakteristik Vlevo M150-30S uprostřed
Vitroperm 500F a vpravo KoolMμ
45
Obr 79 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
Obr 710 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=250 Am Bmax=157 T
Obr 711 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=250 Am Bmax=153 T
Při frekvenci 300Hz došlo k nepatrneacutemu sniacuteženiacute hodnoty Bmax oproti 50 Hz Intenzita Hc se
ztrojnaacutesobila
Remacomp-C2 nebyl schopen naměřit hysterezniacute smyčku Vitropermu 500F na Obr zcela bezchybně
46
Obr 712 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z Vitropermu 500F měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=279 Am při 50Hz vykazuje odskoky od skutečneacuteho průběhu
Obr 713 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z Vitropermu 500F měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě
intenzity magnetickeacuteho pole Hmax=279 Am při 300 Hz takeacute vykazuje odskoky od skutečneacuteho průběhu
Při změně frekvence z 50 Hz na 300Hz došlo k naacuterůstu koercitivity o pohyacutech 07 Am Materiaacutel
vykazuje velice malou hodnotu remanentniacute indukce pro obě frekvence
47
Obr 714 Hysterezniacute smyčka jaacutedra Kool Mμ změřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity magnetickeacuteho
pole Hmax=5950 Am při 50 Hz
Obr 715 Hysterezniacute smyčka jaacutedra Kool Mμ změřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity magnetickeacuteho
pole Hmax=5950 Am při 300 Hz
48
731 Vyhodnoceniacute naměřenyacutech vyacutesledků
Nejvyššiacute hodnoty indukce dosahujiacute jaacutedra z plechů M150-30S Koercitivniacute intenzita se u jaacutedra z plechů
M150-30S stejně jako u matriaacutelu KoolMμ při změně frekvence z 50 Hz na 300 Hz ztrojnaacutesobila
Niacutezkaacute cena jader KoolMμ je z hlediska naměřenyacutech veličin odpoviacutedajiacuteciacute Jaacutedra Kool Mμ vykazujiacute
amplitudovou permeabilitu μa pouze 77 Vyacuterobce uvaacutediacute hodnotu μa=125
Nejnižšiacute koercitivniacute intenzita byla naměřena u materiaacutelu Vitroperm 500F Měřeniacute magnetickeacuteho jaacutedra
Vitropermu 500F při 50 Hz prokaacutezalo velice niacutezkou koercitivniacute intenzitu Hc= 1Am kteraacute odpoviacutedaacute
uacutedajům z katalogoveacuteho listu Tento špičkovyacute materiaacutel se použiacutevaacute pro sveacute charakteristickeacute vlastnosti
pro jednofaacutezoveacute a trojfaacutezoveacute magnetickeacute obvody ve spiacutenanyacutech napaacutejeciacutech zdrojiacutech frekvenčniacutech
měničiacutech ale i pro běžneacute tlumivky Struktura tohoto materiaacutelu je velice křehkaacute neboť je navinuta
z 20 μm tenkyacutech vrstev Diacuteky tomu neniacute vhodneacute tato jaacutedra dělit řezaacuteniacutem
49
8 Realizovanyacute Adamsův motor
81 Virtuaacutelniacute model Adamsova motor generaacutetoru a jeho praktickaacute
realizace
Model motoru je vytvořen v programu SolidWorks SolidWorks je mocnyacutem naacutestrojem konstrukteacutera a
nabiacuteziacute snadnou optimalizaci modelu
Po vytvořeniacute jednotlivyacutech diacutelů je možneacute tyto diacutely pomociacute vazeb navzaacutejem svaacutezat a tiacutem daacutet okamžitou
představu o chovaacuteniacute modelu
Při naacutevrhu Adamsova motoru jsem vychaacutezel předevšiacutem z rozměrů magnetickyacutech jader statoroveacute čaacutesti
stroje
811 Stator
a) Jako nosnaacute konstrukce pro jaacutedra statoru uloženiacute ložisek uchyceniacute desky plošnyacutech spojů
optickyacutech senzorů sloužiacute dvě tabule z plexiskla tloušťky 8 mm ktereacute tvořiacute nosnou konstrukci
neboť jsou po obvodu vzaacutejemně spojeny šesti zaacutevitovyacutemi tyčemi o průměru 5 mm Na Obr je
zadniacute nosnaacute tabule plexiskla
Obr 81 Zadniacute nosnaacute deska z plexiskla
Otvor průměru 26 mm nachaacutezejiacuteciacute se uprostřed sloužiacute pro uloženiacute kuličkoveacuteho ložiska Skrze
otvory průměru 51 mm po jeho obvodu prochaacuteziacute šrouby pro přichyceniacute krytů ložiska
Naacutesledujiacute otvory určeneacute pro upevněniacute optickyacutech čidel dřevěneacuteho krytu pro zakrytiacute vodičů
připojenyacutech k vinutiacutem a optickyacutem senzorům Skrze podlouhleacute draacutežky jsou šrouby přitaženy
dřevěneacute držaacuteky statorovyacutech jader Vzhledem ke tvaru draacutežky je zajištěna možnost jejich
50
polohovaacuteniacute vzhledem k rotoru Volnyacute prostor na praveacute straně je určen pro upevněniacute desky
plošnyacutech spojů s elektronickyacutemi součaacutestkami
b) Nosneacute držaacuteky pro jaacutedra statoru jsou použity dřevěneacute špaliacuteky do kteryacutech jsou jaacutedra vlepena
epoxidovou pryskyřiciacute
c) Optočleny TCST 2103 jsou přitaženy k jejich dutyacutem dřevěnyacutem držaacutekům imbusovyacutemi šrouby
průměru 3 mm Skrze dřevěneacute držaacuteky jsou kolmo na směr vyacutevodů optočlenu vyvrtaacuteny otvory
pro zaacutevitoveacute tyče jež spolu s našroubenyacutemi matkami přitahujiacute držaacutek s čidlem jedneacute k zadniacute
desce plexiskla statoroveacute čaacutesti stroje Jistaacute uacuteroveň dotaženiacute matce dovoluje držaacutek s čidlem
nataacutečet a měnit tak okamžik sepnutiacute optočlenu
Obr 82 Optočlen TCST 2103 připevněnyacute k dřevěneacutemu držaacuteku
d) Stejnou vzdaacutelenost mezi dvěma plexiskly statoru zajišťujiacute distančniacute trubice skrze ktereacute
prochaacuteziacute zmiacuteněneacute zaacutevitoveacute tyče spojujiacuteciacute obě zaacutekladoveacute tabule plexiskla Tyto trubice jsou
vyrobeny z kostry stojanu pro sušeniacute praacutedla Z estetickyacutech důvodů je na nich navlečena a
zatavena teplem smršťovaciacute bužiacuterka
Postup vytvořeniacute ciacutevky v SolidWorksu
1 V předniacute rovině skici na Obr je pomociacute os X a Y vytvořen souřadnicovyacute systeacutem potřebnyacute pro
tvorbu zaacutekladniacutech vazeb využityacutech při ryacutesovaacuteniacute
2 Čelniacute pohled na jeden poacutel magnetickeacuteho jaacutedra ve statoru na ktereacute maacute byacutet umiacutestěna jedna
budiacuteciacutech ciacutevek je vytvořen z konstrukčniacutech přiacutemek a okoacutetovaacuten rozměry 13 mm x 11 mm
3 Vnitřniacute rozměry ciacutevky jsou z čelniacuteho pohledu oproti jaacutedru na každeacute straně zvětšeny o 05 mm
tedy o tloušťku foacutelie jež tvořiacute kostřičku ciacutevky a malou vzduchovou mezeru umožňujiacuteciacute volneacute
nasunutiacute ciacutevky na magnetickeacute jaacutedro
4 Poloměr zaobleniacute vnitřniacute čaacutesti kostry ciacutevky je 08 mm
51
Obr 81 Skica naacutevrhu diacutelu
5 Vnějšiacute rozměry ciacutevky jsou daacuteny počtem vrstev zaacutevitů a celkovyacutem činitelem plněniacute ciacutevky
Deset vrstev zaacutevitů vodičem 03 mm spolu s izolačniacute a nosnou kostrou ciacutevky vytvořiacute 4 mm
vysokou vrstvu zaacutevitů v roziacutech zaoblenou se stejně velkyacutem poloměrem 4mm Vnějšiacute a vnitřniacute
zaobleniacute rohů je od rovnyacutech segmentů skici odděleno uacutesečkami čiacutemž je skica dokončena
6 Využitiacutem funkce přidaacuteniacute vytaženiacutem a jejiacute aplikaciacute na jednotliveacute segmenty skici je ciacutevka
symetricky vytažena do prostoru na deacutelku 19 mm Zamiacutetnutiacutem funkce sloučit vyacutesledky při
vytaženiacute jsou všechny segmenty ciacutevky vytvořeny jako samostatneacute objekty čiacutemž odpadaacute
děleniacute modelu v Ansysu
Obr 82 Model ciacutevky
Magnetickaacute jaacutedra použitaacute ve statoru jsou původně určena pro jednofaacutezoveacute jaacutedroveacute transformaacutetory
Jaacutedro transformaacutetoru je při vyacuterobě naviacutejeno na obdeacutelniacutekoveacute kopyto o rozměrech odpoviacutedajiacuteciacutech
požadovaneacute velikosti okna pro primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Jaacutedro je po navinutiacute
z transformaacutetoroveacuteho plechu rozřiacuteznuto na dvě poloviny jak je zřejmeacute z Obr xx čiacutemž je možneacute do
magnetickeacuteho obvodu nasunout primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute
V našem přiacutepadě je pro každeacute magnetickeacute jaacutedro statoru použita pouze jedna polovina zmiacuteněneacuteho
transformaacutetoroveacuteho jaacutedra Okno statoroveacuteho jaacutedra určeneacute pro umiacutestěniacute obou vinutiacute statoru maacute pouze
polovičniacute deacutelku oproti transformaacutetoru a na straně řezu je otevřeno
52
Obr 83 Pohled na uloženiacute vinutiacute
Obě budiacuteciacute ciacutevky jsou nasunuteacute na jednom jaacutedru statoru a jsou totožneacute tj majiacute stejnyacute počet zaacutevitů
vinutyacutech vodičem o stejneacutem průřezu Jsou spojena do seacuterie a spolu s magnetickyacutem jaacutedrem tvořiacute jeden
z osmi statorovyacutech magnetickyacutech obvodů
Na Obr Xx je bližšiacute pohled na rozloženiacute vodičů v průřezu ciacutevkou Každaacute vrstva zaacutevitů ciacutevky obsahuje
63 zaacutevitů v deseti vrstvaacutech
Obr 84 Rozloženiacute zaacutevitů
Počet zaacutevitů v jedneacute ciacutevce je daacuten naacutesobkem počtu zaacutevitů v jedneacute vrstvě a množstviacute vrstev tedy
63x10= 630 zaacutevitů Jelikož jsou obě ciacutevky na magnetickeacutem jaacutedru spojeny do seacuterie celkovyacute počet
zaacutevitů je dvojnaacutesobnyacute tedy 1260 zaacutevitů Protože statorovaacute jaacutedra odděluje od rotoru vzduchovaacute mezera
05 mm jsou obě vinutiacute od konce jaacutedra umiacutestěny ve vzdaacutelenosti 2 mm pro zajištěniacute bezpečneacute
vzdaacutelenosti od otaacutečejiacuteciacuteho se rotoru Naacutesledkem toho se do jedneacute vrstvy ciacutevky vleze menšiacute počet
zaacutevitů bliacuteže zpraženyacutech s magnetickyacutem tokem v jaacutedru
Počet vrstev obou vinutiacute je teacutež omezen a to jednak velikostiacute okna a mezerou 5 mm mezi oběma
vinutiacutemi Tato mezera zajišťuje možnost volneacuteho nasunutiacute vinutiacute na magnetickeacute jaacutedro a umožňuje
lepšiacute odvod tepla do okoliacute
53
Pro dosaženiacute konstantniacute vzduchoveacute mezery mezi vyniklyacutemi poacutely rotoru a jaacutedry ve statoru jsou konce
statorovyacutech jader zbroušeny na poloměr bliacutezkyacute poloměru plechů v rotoru
Kostřička ciacutevky
Pro vyacuterobu kostřiček ciacutevek posloužila plastovaacute folie určenaacute pro krytiacute předniacute strany dokumentu
svaacutezaneacuteho v kroužkoveacute vazbě Po vyřezaacuteniacute a ohnutiacute do požadovaneacuteho tvaru byla a slepena
oboustrannou lepiciacute paacuteskou
Obr 83 Kostřička ciacutevky vyrobenaacute z plastoveacute folie
Naviacutejeniacute ciacutevek
Pro naviacutejeniacute ciacutevek se realizovalo ručniacute naviacuteječkou s mechanickyacutem počiacutetadlem Na Obr84 je vidět že
obě ciacutevky jsou navinuty nepřerušenyacutem vodičem Obě ciacutevky majiacute 630 zaacutevitů
Obr 84 Pro zpevněniacute čel ciacutevek během naviacutejeniacute na plastovou kostřičku posloužily 5mm širokeacute destičky
z pertinaxu Draacutežky v nich vybroušeneacute umožnily zachyceniacute vyacutestupniacuteho vodiče ciacutevky pod navlečenou
gumičku Levaacute destička pertinaxu je odniacutematelnaacute po uvolněniacute dotaženeacuteho šroubu
Hotovaacute ciacutevka navinutaacute na kostřičce z plastoveacute folie je na Obr Po navinutiacute ciacutevky se čela kostřičky
(plastoveacute folie) zahnula přes horniacute vrstvu zaacutevitů a navzaacutejem slepila sekundovyacutem lepidlem
Obr 85 Pohled na ciacutevku zpevněnou kostřičkou z plastoveacute folie
54
Statoroveacute jaacutedro s ciacutevkami
Na každeacute z osmi statorovyacutech jader jsou nasunuty dvě seacuteriově spojeneacute ciacutevky Pro pevneacute zachyceniacute obou
vinutiacute je použit pružnyacute tmel
Obr 86 Pohled na statoroveacute jaacutedro s nasunutyacutem vinutiacutem
Uchyceniacute statorovyacutech jader
Statorovaacute jaacutedra jsou pevně zalepena epoxidovou plyskyřiciacute do dřevěnyacutech sloupků Po obou stranaacutech
sloupku jsou vyvrtaacuteny otvory v nižchž jsou vyřezaacuteny zaacutevity pro šrouby Dotaženiacutem šroubu jsou
sloupky s jaacutedry pevně uchyceny v deskaacutech z plexiskla
Obr 87 Pohled na jaacutedro zalepeneacute v dřevěneacutem držaacuteku
55
812 Rotor
Průměr rotoru a jeho konstrukčniacute řešeniacute je navrženo s ohledem na rozměry jader ve statoru a velkou
hmotnost dynamoplechů
e) Z velikosti okna pro primaacuterniacute vinutiacute je odvozena potřebnaacute vyacuteška permanentniacutech magnetů a
počet vrstev dynamoplechů v rotoru
f) Rozměry hřiacutedele jsou voleny s ohledem na použitaacute kuličkovaacute ložiska o vnitřniacutem průměru 10
mm a hmotnost rotorovyacutech plechů a je počiacutetaacuteno s jistou rezervou v přiacutepadě působeniacute vyššiacutech
momentů setrvačnosti celeacuteho rotoru Hřiacutedel a středoveacute přiacuteruby zajišťujiacute pevneacute přichyceniacute
středoveacuteho pouzdra permanentniacutech magnetů jelikož jsou vzaacutejemně spojeny čtyřmi šrouby
Hřiacutedel a středoveacute přiacuteruby jsou vysoustruženy z mosazi
Obr 88 Hřiacutedel je vysoustruženaacute z mosazneacute kulatiny
Na Obr je pohled na celkovou sestavu rotoru a statorovaacute jaacutedra Ke hřiacutedeli jsou přiacuteruby připevněny
ve čtyřech miacutestech
Obr 89 Pohled na rotor a jaacutedra statoru opatřenaacute vinutiacutem
g) Přiacuteruby pro uchyceniacute středoveacuteho pouzdra rotoru v němž jsou uloženy magnety jsou
vysoustruženy z mosazi stejně tak i přiacuteruba pro komutačniacute disk Přiacuteruby jsou ke hřiacutedeli pevně
dotaženy imbusovyacutemi šrouby
56
Obr 810 Jedna přiacuterub pro upevněniacute středoveacuteho pouzdra magnetů ke hřiacutedeli
h) Středoveacute pouzdro nesouciacute dynamoplechy a magnety je složeno z třiacute vrstev plexiskla tloušťky
2x4 mm + 1x5 mm Maacute tedy tloušťku 13 mm stejně jako vnitřniacute rozměr okna jaacutedra statoru
Přiacuteruby navlečeneacute na hřiacutedeli z obou stran stahujiacute plexiskla středoveacuteho pouzdra čiacutemž je pevně
spojujiacute s hřiacutedeliacute
Obr 811 Středoveacute pouzdro permanentniacutech magnetů
i) Dynamoplechy jsou po obou stranaacutech středoveacuteho pouzdra navrstveny na požadovanou vyacutešku
11 mm což odpoviacutedaacute přiacuteslušneacutemu rozměru jaacutedra v jeho řezu Při tloušťce dynamoplechu 05
mm je na obou stranaacutech pouzdra 22 vrstev dynamoplechu Jak dynamoplechy tak i středoveacute
pouzdro v sobě majiacute vyřezaacuteny otvory pro zaacutevitoveacute tyče a diacuteky matkaacutem dotaženyacutem po obou
stranaacutech rotoru spojujiacute navzaacutejem tyto čaacutesti s hřiacutedeliacute
Obr 812 Jedna sekce rotoru je složenaacute z 22 vrstev dynamoplechů
j) K dobreacutemu staženiacute dynamoplechů nejen v miacutestech kde k nim ze stran přileacutehajiacute matky
přispiacutevajiacute kryciacute kotouče z plexiskla na Obr813
57
Obr 813 Otvorem uprostřed kryciacuteho kotouče prochaacuteziacute hřiacutedel a je možneacute se diacuteky němu dostat na
šrouby připevňujiacuteciacute přiacuteruby rotoru pevně k řčiacutedeli
Vyacuteroba vyniklyacutech poacutelů rotoru
Rotoroveacute plechy jsou do požadovaneacuteho tvaru na Obr814 vyřezaacuteny pomociacute vodniacute pily Tryska
zařiacutezeniacute žene proud vodniacuteho paprsku spolu s abrazivem kolmo na řezanyacute objekt
Obr 814 Skica rotorovyacutech plechů s vyznačenyacutemi miacutesty pro umiacutestěniacute permanentniacutech magnetů
Na Obrxx zachycena vodniacute pila během vyřezaacutevaacuteniacute požadovaneacuteho tvaru rotoru do tabule
dynamoplechu o rozměrech 1x1metr
58
Obr 815 Sniacutemek pořiacutezenyacute během řezaacuteniacute dynamoplechu vodniacutem paprskem s abrazivem
Magnetickaacute čaacutest obvodu obvod rotoru se sklaacutedaacute ze dvou sekciacute mezi nimiž jsou umiacutestěny permanentniacute
magnety ktereacute sloužiacute jako zdroj magnetickeacuteho pole Každaacute sekce je vytvořena navrstveniacutem
dynamoplechů do vrstvy 11 mm Při tloušťce dynamoplechu to odpoviacutedaacute 22 vrstvaacutem v každeacute sekci
Obr 816 Čelniacute pohled na zkompletovanyacute rotor
Komutaacutetor
Komutaacutetor je realizovaacuten průhlednou foacuteliiacute s černyacutem potiskem Pravidelneacute střiacutedaacuteniacute průsvitnyacutech a
černyacutech oblastiacute na foacutelii během otaacutečeniacute rotoru zajišťuje pravidelneacute přerušovaacuteniacute IR paprsku v osmi
optoelektronickyacutech spiacutenačiacutech TCST 2103 rozmiacutestěnyacutech pravidelně okolo obvodu komutačniacute folie
Na foacutelii je sedm černyacutech a sedm průsvitnyacutech vyacutesečiacute což odpoviacutedaacute počtu sedmi vyniklyacutech poacutelů v obou
sekciacutech rotoru oddělenyacutech permanentniacutemi magnety Nastaveniacute optimaacutelniacute uacutehlu natočeniacute komutačniacute
folie bylo stanoveno měřeniacutem pro uacutehly natočeniacute 1285deg 5 deg 0deg a -1285deg Vyacutesledky jsou shrnuty
v zaacutevěru praacutece
59
Obr 817 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 1285deg
Obr 818 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 5deg
Obr 819 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 0deg
Obr 820 Nastaven uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie -1285deg
Na Obr je čelniacute pohled na realizovanyacute komutaacutetor Po obvodu jsou rovnoměrně rozmiacutestěny černeacute
dřevěneacute držaacuteky s optočleny skrze ktereacute prochaacuteziacute uacutezkeacute zaacutevitoveacute tyče zbroušeneacute tak aby uvnitř držaacuteku
nepoškodily přiacutevodniacute vodiče optočlenů Dotaženiacutem matek našroubovanyacutech na zaacutevitoveacute tyče je možneacute
pevně přitaacutehnout
60
Obr 821 Fotorgrafie realizovaneacuteho komutaacutetoru
Obr 822 Podrobnějšiacute pohled s popisem čaacutestiacute
Optoelektronickeacute
spiacutenače TCST 2103
Jaacutedra statoru
Vinutiacute statoru
Komutaacutetor
s regulaciacute předstihu
Vynikleacute poacutely
rotoru
61
Zkompletovanyacute motor
Na Obr jsou na nosneacute desce namontovaacutena statorovaacute jaacutedra
Obr 823 Horniacute pohled na nosnou desku Uprostřed desky je vidět nachaacuteziacute kryt ložiska
Vodiče ciacutevek na magnetickyacutech jaacutedrech jsou zavedeny do bdquočokolaacutedldquo přišroubovanyacutech po bočniacutech
stranaacutech dřevěnyacutech držaacuteků jader
Obr 824 Bočniacute pohled na dřevěneacute držaacuteky jader statoru
Vyacutevody z čokolaacuted jsou protaženy do dřevěneacuteho tunelu zobrazenyacute ze spodniacute strany na Obr kteryacute
sloužiacute jako ochrana před otaacutečejiacuteciacutem se rotorem
Obr 825 Spodniacute strana kryciacuteho tunelu před vyvrtaacuteniacutem otvorů pro přichyceniacute k nosneacute desce
62
Obr 826 Čelniacute pohled na hotovyacute model Adamsova motoru
Obr 827 Redukce připevněnaacute na hřiacutedeli sloužiacute pro zvětšeniacute jejiacuteho průměru při spojeniacute spojeniacute
motoru s dynamometrem
63
82 Elektrickyacute obvod
821 Popis a scheacutema zapojeniacute
Elektronickaacute čaacutest je spiacutenaacutena přerušovaacuteniacutem infračerveneacuteho paprsku dopadajiacuteciacuteho na fototranzistor
v optočlenu Paprsek prochaacuteziacute průsvitnou čaacutestiacute foacutelie ve chviacuteli kdy jsou vynikleacute poacutely rotoru v čelniacute
pozici se statorovyacutemi jaacutedry a ciacutevky umiacutestěneacute na těchto jaacutedrech v nich majiacute vybudit magnetickyacute
indukčniacute tok opačneacuteho směru oproti toku vystupujiacuteciacuteho z rotorovyacutech poacutelů Naacutesledkem siloveacuteho
působeniacute mezi magnetickyacutemi poli rotoru a statoru je rotor roztaacutečen
Obr 828 Scheacutema zapojeniacute elektrickeacuteho obvodu pro řiacutezeniacute motoru Obvod v praveacute čaacutesti obraacutezku za
přerušovanou čarou se opakuje celkem 4x Pro ušetřeniacute miacutesta je tedy zobrazena pouze jedna čtvrtina
zapojeniacute
Elektrickyacute obvod je možneacute rozdělit na čaacutest vyacutekonovou kteraacute je od čaacutesti niacutezko přiacutekonoveacute oddělena
řiacutediacuteciacute elektrodou vyacutekonovyacutech MOSFET tranzistorů IRF540 Na Obr xx je pro zmenšeniacute ušetřeniacute
miacutesta zobrazena pouze jedna čtvrtina čaacutesti scheacutematu elektrickeacuteho obvodu V leveacute čaacutesti scheacutematu jsou
vyznačena miacutesta připojeniacute napaacutejeciacuteho napětiacute Pro laboratorniacute měřeniacute je vhodneacute vzaacutejemně je oddělit
Kladnyacute poacutel stejnosměrneacuteho napaacutejeciacuteho napětiacute o velikosti 5-31 V je pojen k ciacutevkaacutem skrze konektory
L1až L8 k ke statorovyacutem vinutiacutem Stejnosměrneacute napětiacute 10 ndash 35 V DC je připojeno přes stabilizaacutetor
napětiacute 7808 a Rezistory R1 a R2 k optočlenům TCST 2103 ktereacute jsou ve scheacutematu zastoupeny
vyacutevody označenyacutemi EM1 a DET1 Ty Zkratkovitě označujiacute přiacuteslušnyacute emitor IR zaacuteřeniacute (infračervenaacute
dioda) a detektor (fototranzistor pro infračerveneacute spektrum) implementovaneacute v pouzdru optočlenu
Hodnoty odporů jsou stanoveny na zaacutekladě snahy omezit proud řiacutediacuteciacuteho obvodu na nejnižšiacute hodnotu a
zaacuteroveň zachovat spraacutevnou funkci obvodu Jmenovitaacute hodnota proudu emitorem je 20mA Proud
tekouciacute skrze EM1 až EM8 je nastaven předřadnyacutemi rezistory 6K8 na hodnotu cca 1mA Paprsek
prochaacuteziacute skrze průsvitnou čaacutest komutaacutetoru nebo je přerušen černě potištěnou čaacutestiacute Pokud paprsek
dopadaacute na detektor a otviacuteraacute jej a proud může prochaacutezet přes odpory 39K předřazeneacute detektorům Za
detektory jsou napojeny Schmittovi klopneacute obvody na jejichž vstupech se objeviacute napětiacute v přiacutepadě že
je detektor paprskem neosviacutecen Klopneacute obvody jsou napaacutejeny napětiacutem ze stabilizaacutetoru a na sveacutem
64
vyacutestupu majiacute toteacutež napětiacute pokud je na jejich vstupu napětiacute nuloveacute V jednom pouzdře integrovaneacuteho
obvodu 40106N se nachaacuteziacute 6 investujiacuteciacutech hradel Paralelniacutem spojeniacute třiacute je sniacutežen odpor hradla na
třetinu Naacutesleduje vyacutekonovyacute MOSFET tranzistor IRF560 s odporem přechodu elektrod DS v
sepnuteacutem stavu 44m Ω Niacutezkaacute vyacutekonovaacute ztraacuteta těchto tranzistorů snižuje ztraacutetovyacute vyacutekon na minimum
v porovnaacuteniacute s bipolaacuterniacutemi tranzistory Je-li na vstupniacute elektrodu G připojeno kladneacute napětiacute tranzistor
se otevře a umožniacute průchod proudu přiacuteslušnyacutem vinutiacutem připojenyacutem ke konektoru L1až L8
822 Deska plošnyacutech spojů
Deska plošnyacutech spojů vytvořenaacute stejně tak jako scheacutema v programu Eagle
Obr 829 Deska plošnyacutech spojů elektronickeacute ho obvodu z pohledu součaacutestek
Navrženaacute deska plošnyacutech spojů je vyrobena bdquofotocestouldquo Působeniacutem zdroje ultrafialoveacuteho světla
dojde ke změně chemickeacute struktury fotocitliveacute vrstvy kteraacute se nachaacuteziacute v miacutestech prosviacuteceniacute průsvitneacute
předlohy DPS Po rozpuštěniacute osviacuteceneacute vrstvy fotocitliveacuteho laku v hydroxidu sodneacutem byla deska
omyta vodou a odleptaacutena v chloridu železiteacutem
Obr 830 Osvit desky plošnyacutech spojů 11W UV zaacuteřivkou
65
Obr 831 Hotovaacute deska po odvrtaacuteniacute otvorů pro vyacutevody součaacutestek a protaženiacute vodičů do dřevěneacuteho
kryciacuteho tunelu
66
9 Magnetostatickaacute analyacuteza Adamsova motoru
91 Vyacutepočet zjednodušeneacuteho magnetickeacuteho obvodu
911 Feromagnetika v magnetickeacutem obvodu
Permanentniacute magnety použiteacute rotoru jsou neodymoveacute (Nd-Fe-B) s magnetizaciacute N38 a maximaacutelniacute
pracovniacute teplotě 80degC Magnety majiacute tvar vaacutelce Požadovanaacute vyacuteška magnetů je 13 mm a odpoviacutedaacute
přiacuteslušneacutemu rozměru okna jader ve statoru Požadovaneacute vyacutešky bylo dosazeno spojeniacutem magnetu o
vyacutešce 10 mm a magnetu o vyacutešce 3 mm Magnety majiacute průměr 15mm
Demagnetizačniacute charakteristika magnetu je na Obr
Obr 91 Druhyacute kvadrant pracovniacutech hysterezniacutech smyček B(H) a J(H)=B(H)-μ0H
permanentniacuteho magnetu s magnetizaciacute N38 měřeno při 26degC
Magnetickaacute jaacutedra statoru jsou vyrobena z FeSi transformaacutetoroveacuteho plechu s anizotropniacute strukturou o
jakosti M150-30 Materiaacutel maacute poměrně niacutezkou konduktivitu tedy niacutezkeacute ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy
Magnetickeacute čaacutesti rotoru jsou z dynamoplechů izotropniacute struktury o jakosti M600 - 50
Vyacutepočet magnetickeacute indukce a intenzity magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře mezi rotorovyacutem a
statorovyacutem poacutelem
Magnetickyacute obvod se sklaacutedaacute z permanentniacuteho magnetu dvou vyniklyacutech poacutelů rotoru dvou
vzduchovyacutech mezer a jaacutedra statoru
-14
-12
-1
-08
-06
-04
-02
0
02
04
06
08
1
12
14
-1 200 -1 100 -1 000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0
J B [T]
H [kAm]
Demagnetizačniacute charakteristika NdFeB magnetu (N38)
J magnetu
B magnetu
B vakau
HBHmax=473 kAm BHmax=294 kJm3
BBHmax=0612 T B
J
μ0H
HC=-937 kAm
67
Obr 92 Magnetickyacute obvod s permanentniacutem magnetem
Pro středniacute indukčniacute čaacuteru naznačenou v magnetickeacutem obvodu přerušovanou čarou platiacute podle prvniacute
Maxwellovy rovnice v integraacutelniacutem tvaru
kde indexy značiacute M permanentniacute magnet žr železo rotoru v vzduchovou mezeru a žs železo statoru
Železo rotoru (dynamoplechy) a železo statoru (transformaacutetoroveacute plechy) jsou feromagneticky měkkeacute
materiaacutely Pro zjednodušeniacute vyacutepočtu předpoklaacutedaacuteme že jejich permeability tj jejich
magnetickeacute odpory a tedy i magnetickaacute napětiacute a jsou zanedbatelně maleacute
takže pro intenzitu magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře platiacute
Pro magnetickyacute indukčniacute tok permanentniacuteho magnetu platiacute
kde je činitel rozptylu ve vzduchoveacute mezeře a jestliže k rozptylu toku nedochaacuteziacute tak
Magnetickyacute indukčniacute tok ve vzduchoveacute mezeře je vyjaacutedřen
Pro magnetickyacute indukčniacute tok permanentniacuteho magnetu platiacute
takže magnetickaacute indukce ve vzduchoveacute mezeře je
(19)
(20)
(21)
(22)
(23)
BM HM
lM
lžr
lžr
lv
lv
lžs
Bv
Hv
Sv
Sžr Sžs
SM
Hžr
Hžr
Hžs Bžs
Bžr
Bžr
J
S
Sžr
Bv
Hv
68
odtud
Z rovnosti rovnic (19) a (24)
lze vyjaacutedřit magnetickou indukci permanentniacuteho magnetu jako
kde veličina Nd je tzv demagnetizačniacute činitel pro nějž platiacute
Pro dosazeniacute do (24) je zapotřebiacute stanovit hodnotu činitele rozptylu magnetickeacuteho toku ve vzduchoveacute
mezeře Stanoviacuteme odhadem (
Pro dosazeniacute do (24) je daacutele zapotřebiacute stanovit průřez magnetu Při průměru 15 mm je
Průřez vzduchoveacute mezery mezi statorem a rotorem vypočteme jako aritmetickyacute průměr průřezu poacutelu
jaacutedra statoru a průřezu vynikleacuteho poacutelu rotoru Skutečneacute průřezy poacutelu statoru a rotoru lze jednoduše
odečiacutest z virtuaacutelniacuteho modelu v DesignModeleru Ansysu jak je naznačeno na Obr93 a na Obr94
Průřez poacutelu statoroveacuteho jaacutedra SS je dle DesignModeleru 14328 mmsup2
Obr 93 Po označeniacute plochy jaacutedra statoru vypočte DesignModeler jejiacute průřez
(24)
(25)
(26)
(27)
(28)
(29)
69
Průřez vynikleacuteho poacutelu rotoru SR je dle DesignModeleru 29128 mmsup2
Obr 94 Po označeniacute plochy vynikleacuteho poacutelu rotoru vypočte DesignModeler jeho průřez
Po dosazeniacute průřezů je aritmetickyacute průměr průřezu vzduchoveacute mezery
Vyacuteška použiteacuteho magnetu je daacutena součtem vyacutešek dvou na sobě umiacutestěnyacutech magnetů 10mm a 3 mm
tedy =13 mm
Řešenyacute magnetickyacute obvodu obsahuje dvě vzduchoveacute mezery o velikosti 1 mm Celkovaacute deacutelka
vzduchoveacute mezery je daacutena součtem těchto dvou deacutelek tedy =2 mm
Dosazeniacute všech potřebnyacutech hodnot do rovnice (24) vypočiacutetaacuteme demagnetizačniacute činitel
Dosazeniacutem demagnetizačniacuteho činitele do rovnice pro magnetickou indukci magnetu (26) ziacuteskaacuteme
rovnici přiacutemky
jejiacutež průsečiacutek s demagnetizačniacute křivkou permanentniacuteho magnetu na Obrxx stanoviacute pracovniacute bod
permanentniacuteho magnetu
Z grafu na Obr 95 je možneacute odečiacutest hodnotu magnetickeacute indukce permanentniacuteho magnetu v
pracovniacutem bodu BM=1 T a odpoviacutedajiacuteciacute hodnotu intenzity magnetickeacuteho pole HM=1 T
(30)
(31)
70
Obr 95 V průsečiacuteku přiacutemky s demagnetizačniacute charakteristikou se nachaacuteziacute pracovniacute bod P
permanentniacuteho magnetu v magnetickeacutem obvodu se vzduchovou mezerou
Zvětšeniacutem vzduchoveacute mezery v magnetickeacutem obvodu se zvětšiacute demagnetizačniacute činitel Nd tj zvětšiacute se
směrovyacute uacutehel přiacutemky z hodnoty α na hodnotu α1 a pracovniacute bod P se posune do polohy P1 jak je
naznačeno na Obr96
Obr 96 V průsečiacuteku přiacutemky s demagnetizačniacute charakteristikou se nachaacuteziacute pracovniacute bod
permanentniacuteho magnetu
00
02
04
06
08
10
12
14
-1 000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0
J B [T]
H [kAm]
Stanoveniacute pracovniacuteho bodu magnetu na demagnetizačniacute
charakteristice
B magnetu
Bm=-NdHm
BM=1 T
HM=-183 kAm
P
Br=124 T
HC=-937 kAm
71
Zmenšiacute-li se opět vzduchovaacute mezera na původniacute velikost nevraacutetiacute se pracovniacute bod P1 do sveacute původniacute
polohy v bodě P ale do polohy P2 po křivce k2 Smyčka složenaacute z křivek k1 a k2 je malaacute hysterezniacute
smyčka Přibližně ji můžeme nahradit uacutesečkou P1 P2 sviacuterajiacuteciacute s osou H uacutehel β Pohybuje-li se pracovniacute
bod po maleacute hysterezniacute smyčce jde vratneacute změny tj zanikne-li přiacutečina posuvu pracovniacuteho bodu vraciacute
se pracovniacute bod do sveacute původniacute polohy Pohyb pracovniacuteho bodu po hlavniacute hysterezniacute smyčce je
nevratnyacute K podobnyacutem jevům dochaacuteziacute když miacutesto změn vzduchoveacute mezery působiacuteme na permanentniacute
magnet magnetickyacutem polem ktereacute zvětšuje nebo zmenšuje jeho tok Všechny dalšiacute pohyby
pracovniacuteho bodu probiacutehajiacute přibližně po přiacutemce P1 P2 pokud směrovyacute uacutehel α nepřestoupiacute hodnotu uacutehlu
α1 Překročiacute-li tuto hodnotu pohybuje se pracovniacute bod opět po hlavniacute hysterezniacute smyčce a při naacutevratu
zpět k původniacute hodnotě uacutehlu α přechaacuteziacute na novou bdquomalou hysterezniacute smyčku vyznačenou na Obrxx
čaacuterkovaně [20]
Magnetickaacute indukce ve vzduchoveacute mezeře
Intenzita magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře
(32)
(33)
72
92 Vyacutepočet magnetickeacuteho obvodu v ANSYS Workbench
Magnetickaacute indukce - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 97 Pohled na rozloženiacute magnetickeacute indukce v obvodu při I=0A
Obr 98 Zobrazeniacute vektorů magnetickeacute indukce při I=0A
73
Magnetickaacute indukce - horniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 99 Rozloženiacute magnetickeacute indukce při I=0A
Obr 910 Zobrazeniacute vektorů magnetickeacute indukce při I=0A
74
Intenzita magnetickeacuteho pole - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 911 Rozloženiacute intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
Obr 912 Zobrazeniacute vektorů intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
75
Intenzita magnetickeacuteho pole - horniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 913 Rozloženiacute intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
Obr 914 Zobrazeniacute vektorů intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
76
Rozloženiacute siacutely působiacuteciacute na poacutely rotoru vlivem přiacutetažneacute siacutely permanentniacuteho magnetu
Obr 915 Siacutela mezi poacutely rotoru
Přitažlivaacute siacutela mezi poacutely rotoru v miacutestě magnetu je daacutena rozdiacutelem maximaacutelniacute a minimaacutelniacute hodnoty sil
(34)
77
Magnetickaacute indukce při proudu 1 A - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru při
921 Rozběh motoru
Uacutekolem je naleacutezt nejmenšiacute hodnotu proudu tekouciacuteho vinutiacutem statoroveacuteho jaacutedra při ktereacute dojde k
rozběhu motoru Vychaacutezejme z toho že přiacutetažnaacute siacutela působiacuteciacute na jedno jaacutedro statoru ktereacute je
v zarovnaneacute pozici s vyniklyacutemi poacutely rotou musiacute byacutet vlivem proudu tekouciacuteho vinutiacutem
Proud by měl miacutet takovou velikost aby v jaacutedru statoru vybudil magnetickyacute tok opačneacute polarity oproti
magnetickeacutemu toku vystupujiacuteciacuteho z protějšiacuteho vynikleacuteho poacutelu rotoru A to s takovyacutemi silovyacutemi
uacutečinkly aby byl došlo k pootočeniacute rotoru do pozice ve ktereacute se vedlejšiacute vynikleacute poacutely rotoru začnou
přitahovat k vedlejnšiacutemu statoroveacutemu jaacutedru Celyacute proces se poteacute opakuje i u dalšiacutech jader
Středniacute hodnota proudu tiacutemto vinutiacutem se během rozběhu motoru snižuje až na konstntniacute hodnotu
Dojdek k ustaacuteleniacute otaacuteček a doby průchodu proudu jednotlivyacutemi vinutiacutemi
78
Na Obr je graf průběhu siacutely působiacuteciacute na jaacutedro statoru ve směru osy x při změně velikosti proudu
tekouciacuteho vinutiacutem
Obr 916 Průběh siacutely při změně proudu
Z Obr919 je zřejmeacute že nuloveacute siacutely v ose x na jaacutedro statoru bude dosaženo při proudu 700 mA Tudiacutež
proud vědšiacute než 700 mA vyvolaacute odpuzeniacute rotorovyacutech poacutelů a celyacute proces se opakuje i u ostatniacutech
statorovyacutech jader
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
0 100 200 300 400 500 600 700
I [mA]
Fx [N]
Fx=f(I)
Fx= -2841 N
79
Na Obr je naacutezorně vidět zarovnanyacute vyniklyacute poacutel rotoru s jaacutedrem ve statoru
Obr 917 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru se statorovyacutem jaacutedrem při nuloveacute siacutele na magnetickeacute jaacutedro
Obr 918 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru s jaacutedrem ve statoru bez přiacutetomnosti proudu
Prochaacuteziacute-li vinutiacutem proud 700mA půsovyacute ma magnetickeacute jaacutedro ve směru osy x nulovaacute siacutela Rozloženiacute
magnetickeacute indukce je na Obr
α=0deg
Fx=0 N
I=700 mA
α=0deg
Fx=-2841 N
I=0 mA
80
Obr 919 Rozloženiacute indukce v obvodu při proudu tekouciacutem vinutiacute 700mA
Obr 920 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru s jaacutedrem ve statoru při proudu tekouciacutem vinutiacute 700mA
81
922 Průběhy sil působiacuteciacute na rotor během pootočeniacute
Na obr je osa jaacutedra(v praveacutem rohu) zarovnaacutena s osou vynikleacuteho poacutelu rotoru (vyznačeno červeně) a
naacutesledujiacuteciacute vyniklyacute poacutel rotoru je oproti statoroveacutemu jaacutedru (vpravo) pootočen o uacutehel α = -643deg
Obr 921 Při pootočeniacute rotoru o uacutehel α = -643deg působiacute na rotor siacutela ve směru FY= -5645 N
Průběh siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor během nataacutečeniacute proti směru hodinovyacutech ručiček mezi uacutehly
pootočeniacute v meziacutech α= -643deg až 0deg
Hodnoty jsou vypočiacutetaacuteny v Ansysu s krokem 02 deg a proloženy přiacutemkou
Obr 922 Průběh siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor během pootočeniacute od -643deg do 0deg a vyznačeneacute hodnoty
siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor pro hodnoty natočeniacute uacutehlu α= -643deg a -5deg
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
F [N]
α [deg]
Fy=f(α)
α=-643deg FY=-5645 N
Fy= - 5645 N
I=0 mA
82
Obr 923 Průběh siacutely působiacuteciacute na rotor v ose y během pootočeniacute od -643deg do 0deg a vyznačeneacute hodnoty
siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor pro hodnoty natočeniacute uacutehlu α= -643deg a -5deg
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
N [Nmm]
α [deg]
Fx=f(α)
83
10 Měřeniacute na realizovaneacutem motoru
V Tab101 jsou hodnoty odporu jednotlivyacutech vinutiacute měřeneacute při 20 degC
Tab 101 Hodnoty odporů vinutiacute
Časoveacute průběhy napětiacute a proudu byly naměřeny pomociacute profesionaacutelniacuteho dvoukanaacuteloveacuteho USB
osciloskopu Handyscope HS3 s parametry uvedenyacutemi v tabulce Tab102 Spojeniacutem osciloskopu s PC
bylo možneacute pomociacute napěťoveacute a proudoveacute sondy naměřit časoveacute průběhy napětiacute a proudu Použitaacute
proudovaacute sonda disponuje maximaacutelniacutem rozlišeniacutem 100 mVA
Tab 102 Vlastnosti Osciloskopu Handyscope HS3
Vstup Vyacutestup
max vzorkovaciacute frekvence 100MSs vzorkovaciacute frekvence 50MSs
volitelneacute rozlišeniacute 12-16 bitů rozlišeniacute 12 bitů
maximaacutelniacute napětiacute 200V napětiacute 0 plusmn12 V
impedance 1M Ω20pF maximaacutelniacute proud 05 A DC
Na Obr 101 je zachycen časovyacute průběh napětiacute a proudu změřenyacute na jednom z osmi vinutiacute statoru při
napětiacute 30V a mechanickeacute zaacutetěži Mz = 015 Nm
Rc1 Rc2 Rc3 Rc4 Rc5 Rc6 Rc7 Rc8
[Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω]
203 203 205 202 204 205 202 203 2034
84
Obr 101 Změřeneacute průběhy napětiacute a proudu na vinutiacute během zatiacuteženiacute momentem 015Nm
Hodnoty proudu změřeneacute osciloskopem jsou posunuty o stejnosměrnou složku směrem do
zaacutepornyacutech hodnot Tato chyba znehodnocuje naměřeneacute vyacutesledky proudu uvedeneacute v tabulce a
vznikla z neznaacutemeacute přiacutečiny jako důsledek nastaveniacute citlivosti proudoveacute soncy na hodnotu
100mVA
Tab 103 Hodnoty naměřeneacute osciloskopem Handyscope HS3
Umax Umin Up-p Uef Ustř Δt
[V] [V] [V] [V] [V] [ms]
2958 -7996 10992 3401 -0983 1419
Imax Imin Ip-p Ief Istř f
[mA] [mA] [mA] [mA] [mA] [Hz]
26459 -2276 49219 11375 2421 7048
Na Obr je vidět vysokonapěťovaacute špička opačneacute polarity vzhledem k napaacutejeciacutemu napětiacute kteraacute
dosahuje hodnoty -7996 V Vznikaacute důsledkem naacutehleacuteho přerušeniacute dodaacutevky proudu do obvodu ciacutevky
Magnetickeacute pole vytvořeneacute v magnetickeacutem obvodu se po přerušeniacute dodaacutevky proudu kteryacute jej vybudil
snažiacute zabraacutenit sveacute změně a zachovat proud v elektrickeacutem obvodu čiacutemž zpětně do elektrickeacuteho obvodu
vinutiacute indukuje vysokeacute napětiacute opačneacute polarity Dochaacuteziacute ke zpětneacute indukci napětiacute do elektrickeacuteho
obvodu Tento děj vyjadřuje druhaacute Maxwellova rovnice o zaacutekonu elektromagnetickeacute indukce
v diferenciaacutelniacutem tvaru vyjaacutedřeneacute vztahem
85
Na Obr je teacutež patrnyacute zaacutekmit napětiacute na konci zaacuteporneacute napěťoveacute špičky Tento zaacutekmit je způsoben
parazitniacute kapacitou vinutiacute Časovaacute konstanta s jakou děj odezněniacute je daacutena RLC parametry obvodu
Každyacute způsob provedeniacute vinutiacute maacute sveacute charakteristickeacute vlastnosti předevšiacutem vlastniacute kapacitu vinutiacute
V praxi se např požadavek na sniacuteženiacute vlastniacute kapacity vinutiacute u transformaacutetorů realizuje dvěma
způsoby
a) zmenšeniacute napěťoveacuteho rozdiacutelu mezi vrstvami popř sekcemi vinutiacute nebo zmenšeniacutem vzaacutejemneacute
kapacity těchto čaacutestiacute jejich odděleniacutem
b) sniacuteženiacutem dielektrickeacute konstanty konstrukčniacutech materiaacutelů využitiacutem vhodnyacutech izolantů pro
izolaci vodičů
Nejviacutece možnostiacute nabiacuteziacute prvniacute varianta jež se uplatňuje u hraacutezoveacuteho křiacutežoveacuteho i kotoučoveacuteho vinutiacute
Obvykle neniacute uacutečelneacute ani hospodaacuterneacute dělit vinutiacute viacutece než na tři komory Čiacutem nižšiacute bude celkovyacute činitel
vinutiacute tiacutem menšiacute bude kapacita vinutiacute Impregnaciacute vinutiacute se vlastniacute kapacita vinutiacute zvyšuje asi o 30 až
50 V přiacutepadě spojeniacute jednoho vyacutevodu vinutiacute s magnetickyacutem jaacutedrem se vlastniacute kapacita vinutiacute zvětšiacute
přibližně o 20 [19]
Za zaacutepornou vysokonapěťovou špičkou a zaacutekmitem napětiacute způsobenyacutem parazitniacute kapacitou v obvodu
je vidět na Obr půlperioda sinusoveacuteho průběhu napětiacute zaacuteporneacute polarity Toto napětiacute je v obvodu
indukovaacuteno diacuteky průchodu magnetickeacuteho toku vystupujiacuteciacuteho z vyniklyacutech poacutelů rotoru během otaacutečeniacute
Magnetickyacute tok vystupuje z poacutelů rotoru a uzaviacuteraacute se přes jaacutedro statoru čiacutemž v jeho vinutiacute indukuje
napětiacute
(35)
86
Na Obr102 zaacuteznam sinusoveacuteho průběhu napětiacute indukovaneacuteho ve vinutiacute statoroveacuteho jaacutedra ktereacute bylo
odpojeno od napaacutejeniacute
Obr 102 Časovyacute průběh napětiacute indukovaneacuteho ve vinutiacute během otaacutečeniacute rotoru
Obr 103 Časovyacute průběh napětiacute a proudu při napětiacute 30 V a zatiacuteženiacute momentem 005 Nm
87
101 Měřeniacute zaacutekladniacutech charakteristik
Motor byl pro změřeniacute charakteristik spojen s cize buzenyacutem dynamometrem Možnost regulace
zaacutetěžneacuteho momentu změnou odporu kotvy dynamometru a velikostiacute budiacuteciacuteho proudu umožnila
naměřit průběh momentovyacutech mechanickyacutech a rychlostniacutech charakteristik Spojeniacute hřiacutedele
s tachodynamem naviacutec umožnilo měřit indukovaneacute napětiacute během jednotlivyacutech měřeniacute a vypočiacutetat z něj
otaacutečky Na Obr104 je schematicky naznačena soustava dynamometru a motoru pro měřeniacute
zatěžovaciacute charakteristiky motoru
Obr 104 Soustava pro měřeniacute zatěžovaciacutech charakteristik motoru
Pro změřeniacute zaacutekladniacutech charakteristik potřebnyacutech pro vyacutepočet uacutečinnosti motoru byl využit cize buzenyacute
dynamometr s Iab=5 A(10)
102 Vyacutepočet uacutečinnosti
Pro přiacuteklad vyacutepočtu dosadiacuteme do uvedenyacutech vztahů hodnoty veličin při nichž vyšla uacutečinnost motoru
maximaacutelniacute
Jelikož proud tekouciacute do vinutiacute je stejnosměrnyacute stanoviacuteme přiacutekon motoru součinem napětiacute zdroje o
konstantniacute velikosti 31 V s proudem tekouciacutem obvodem
Po dosazeniacute
Vyacutekon motoru je roven
přičemž pro uacutehlovou rychlost vyjaacutedřenou z otaacuteček platiacute vztah
(36)
(37)
(38)
Ua
Rb Umot
88
Po dosazeniacute
Vyacutekon je po dosazeniacute uacutehloveacute rychlosti
Uacutečinnost motoru při zanedbaacuteniacute ztraacutet v elektronickeacutem obvodu je daacutena vyacuterazem
Podiacutelem vyacutekonu a přiacutekonu je vyacuteslednaacute uacutečinnost
(39)
(40)
(41)
(42)
(43)
89
Charakteristiky změřeneacute při změně zaacutetěžneacuteho momentu M=005 až 05 Nm a napětiacute 31V
Obr 105 Změna otaacuteček v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
Obr 106 Změna proudu v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
50
150
250
350
450
550
650
750
850
950
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
n [otmin]
P2 [W]
n=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
0
05
1
15
2
25
3
35
4
2 4 6 8 10 12 14
I [A]
P2 [W]
I=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
90
Obr 107 Změna přiacutekonu v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
Obr 108 Změna uacutečinnosti v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
0
20
40
60
80
100
120
140
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
P1 [W]
P2 [W]
P1=f(P2)
-1285deg
5deg
1285deg
0deg
000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
η []
P2 [W]
η=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
ηmax=355
P2=86 W
91
Obr 109 Změna uacutečinnosti v zaacutevislosti na momentu při U=31V
000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045 05 055 06
η []
M [Nm]
η=f(M)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
ηmax=355
M=019 Nm
0
01
02
03
04
05
06
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000 1 100
M [Nm]
n [otmin]
Momentoveacute charakteristiky motoru
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
92
Charakteristiky změřeneacute při změně napaacutejeciacuteho napětiacute U=5 až 31V M=015 Nm
Obr 1010 Změna proudu v zaacutevislosti na napětiacute při M=015 Nm
Obr 1011 Změna otaacuteček v zaacutevislosti na napětiacute při M=015 Nm
0
02
04
06
08
1
12
14
16
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
I [A]
U [V]
I=f(U)
5deg
0deg
1285deg
-1285deg
I=078 A
0
100
200
300
400
500
600
700
800
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
n [otmin]
U [V]
n=f(U)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
93
Zaacutevěr
Na zaacutekladě existence měřitelneacuteho kvantově mechanickeacuteho projevu Casimirova jevu se člověk alespoň
teoreticky přibliacutežil k pochopeniacute podstaty vakua Pohled na vakuum jako na systeacutem v němž je možno
za jistyacutech okolnostiacute pozorovat vysokofrekvenčniacute elektromagnetickeacute fluktuace i při teplotaacutech bliacutezkyacutech
0K může nabiacutezet novou perspektivu a přiacutestup ke strojům s věčnyacutem pohybem Vnějšiacute projevy
elektromagnetickeacuteho charakteru vakuovyacutech fluktuaciacute nejsou za běžnyacutech okolnostiacute zjevneacute neboť je
v tomto stavu zajištěna jejich symetrie K porušeniacute symetrie však dochaacuteziacute mezi dvěma bliacutezkyacutemi
deskami v Casimirově pokusu
Permanentniacute magnet se v jisteacutem ohledu může jevit jako systeacutem jež svojiacute přiacutetomnostiacute narušuje tuto
symetrii elektromagnetickyacutech fluktuaciacute vakua a tiacutem v okolniacutem prostoru projevuje jeho dynamickou
jinak skrytou povahu formou projevu permanentniacuteho magnetickeacuteho pole V tomto ohledu by mohl byacutet
projev stavu narušeniacute symetrie vakuovyacutech fluktuaciacute uacuteměrnyacute energii vloženeacute do permanentniacuteho
magnetu během procesu magnetovaacuteniacute Tento nekonvenčniacute pohled na permanentniacute magnetismus
umožňuje objasnit vstup energie vakua do systeacutemu s permanentniacutemi magnety jakyacutem by mohl byacutet
např Johnsonův magnetickyacute motor složenyacute pouze z permanentniacutech magnetů Pokud tento motor
opravdu fungoval a vyacuteše nastiacuteněnaacute teorie by byla pravdivaacute neniacute tento systeacutem již možno povařovat za
izolovanyacute od sveacuteho okoliacute neboť samotnaacute povaha vakua by v tomto přiacutepadě umožňovala napaacutejeniacute
tohoto systeacutemu
V tomto ohledu se jeviacute zajiacutemavyacute i systeacutem pro přeměnu energie elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute na
užitečnou elektrickou energii popisovanaacute v šesteacute kapitole V tomto systeacutemu kmitajiacute drobneacute
dielektrickeacute struktury vytvořeneacute např elektronovou litografiiacute vlivem siloveacuteho působeniacute fluktuaciacute
elektromagnetickyacutech poliacute vakua a tiacutem v mikroskopickyacutech anteacutenaacutech mezi strukturami indukujiacute
využitelnou formu energie Tyto kmity jsou v přiacutemeacutem poměru k frekvenci zaacuteřeniacute avšak mnohem nižšiacute
frekvenci Využitiacutem moderniacutech technologickyacutech postupů a vysoce jakostniacutech materiaacutelů se v tomto
ohledu nabiacuteziacute nepřeberneacute možnosti pro experimentovaacuteniacute
Realizace modelu Adamsova motor generaacutetoru kterou jsem prakticky provedl (však pouze ve funkci
motoru) měla za ciacutel stanovit uacutečinnost tohoto systeacutemu neboť informace popisujiacuteciacute tento stroj hovořiacute
teacutež o vstupu energie vakua do tohoto systeacutemu čiacutemž je uacutedajně možno dosaacutehnout uacutečinnosti přesahujiacuteciacute
100 Autor Robert Adams stanovil uacutečinnost sveacuteho motor generaacutetoru na zaacutekladě několik dnů
trvajiacuteciacuteho měřeniacute Měřil průběhy napětiacute na vstupniacute baterii jež stroj napaacutejela a bateriiacutech ktereacute
postupně připojoval na elektrickyacute vyacutestup stroje Během činnosti stroje dochaacutezelo k postupneacutemu
dobiacutejeniacute bateriiacute na vyacutestupu V jisteacutem ohledu jsou hodnoty napětiacute při průběžneacutem měřeniacute určityacutem
ukazatelem uacutečinnosti stroje avšak pro vyacutepočet přesneacute uacutečinnosti daneacute poměrem vyacutekonu a přiacutekonu by
bylo zapotřebiacute do vyacutepočtu zahrnout i proudy prochaacutezejiacuteciacute obvodem
Dynamoplechy (M600-50) pro rotor a transformaacutetorovaacute jaacutedra (M150-30s) pro stator jsem zakoupil u
společnosti Therma FM a permanentniacute magnety přes internetovyacute obchod Unimagnetcz Virtuaacutelniacute
model motoru vytvořenyacute v programu SolidWorks jsem importoval do programu ANSYS Workbench
a provedl v něm magnetostatickou analyacutezu Analyzoval jsem magnetickyacute obvod složenyacute z jedneacute
osminy statoru (pouze jedno jaacutedro) vzduchoveacute mezery a vynikleacuteho poacutelu rotoru při nuloveacutem proudu ve
statoroveacutem vinutiacute Takteacutež jsem magnetickyacute obvod řešil zjednodušenyacutem vyacutepočtem v němž jsem
94
zanedbal reluktanci železa rotoru i statoru rozdiacutel ve tvaru průřezů statorovyacutech i rotorovyacutech poacutelů a
odhadem jsem stanovil činitel rozptylu v okoliacute vzduchoveacute mezery Vypočiacutetal jsem pro danyacute
magnetickyacute obvod demagnetizačniacute činitel a vykresleniacutem přiacutemky byl nalezen pracovniacute bod P
permanentniacuteho magnetu Bod P vytiacutenaacute na přiacuteslušnyacutech osaacutech demagnetizačniacute charakteristiky
odpoviacutedajiacuteciacute hodnoty BM a HM permanentniacuteho magnetu Z nich byly vypočteny hodnoty indukce a
intenzity ve vzduchoveacute mezeře
Hodnoty magnetickeacute indukce a intenzity magnetickeacuteho pole v prostoru vzduchoveacute mezery vypočteneacute
na zaacutekladě zjednodušeniacute obvodu a hodnoty vypočteneacute v ANSYSu se v přiacutepadě indukce lišiacute o hodnotu
0177 T což vzhledem ke zjednodušeniacute vyacutepočtu a odhadu činitele rozptylu přibližně odpoviacutedaacute Rozdiacutel
v hodnotaacutech intenzity magnetickeacuteho pole činiacute 188 kAm což je opět vzhledem k zjednodušeniacutem
vyhovujiacuteciacute hodnota
Pomociacute programu Ansys byla stanovena nejnižšiacute hodnota proudu (700 mA) tekouciacuteho do vinutiacute
vybraneacuteho jaacutedra statoru při jeho zarovnaacuteniacute s rotorovyacutemi poacutely kteraacute způsobiacute vyrušeniacute přiacutetažneacute siacutely
působiacuteciacute na statoroveacute jaacutedro vlivem permanentniacute magnetizace rotoroveacuteho poacutelu Teoreticky proud většiacute
než 700mA způsobiacute pootočeniacute rotoru a naacuteslednyacute rozběh
Daacutele byly graficky stanoveny průběhy sil v osaacutech x a y působiacuteciacutech na rotor během jeho pootočeniacute o
uacutehel 643deg kdy došlo k zarovnaacuteniacute sousedniacutech poacutelů rotoru a statoru
Změřeniacutem zaacutekladniacutech zatěžovaciacutech charakteristik pomociacute dynamometru byly stanoveny průběhy
momentovyacutech charakteristik pro různeacute uacutehly natočeniacute komutačniacuteho disku vzhledem k rotoru Z grafu
průběhu uacutečinnosti v zaacutevislosti na momentu byla odečtena nejvyššiacute hodnota uacutečinnosti motoru 355
pro natočeniacute komutačniacuteho disku o 5deg a odpoviacutedajiacuteciacute zaacutetěžnyacute moment 019 Nm Tato uacutečinnost je v
porovnaacuteniacute se stejně vyacutekonnyacutemi motory běžnyacutech konstrukciacute poměrně niacutezkaacute Jedniacutem z hlavniacutech
faktorů jež ovlivnil vyacuteslednou uacutečinnost je tvar statorovyacutech jader ktereacute majiacute velkou vzduchovou
mezeru Tiacutem paacutedem dochaacuteziacute ke značneacutemu rozptylu toku magnetickeacute indukce skrze prostor mezi
statorovyacutemi poacutely
Natočeniacutem komutačniacuteho disku do polohy 0deg došlo ke značneacutemu sniacuteženiacute uacutečinnosti na hodnotu okolo 14
majiacuteciacute přiacutečinu ve špatneacutem načasovaacuteniacute počaacutetku průchodu proudu do přiacuteslušneacuteho vinutiacute Vzaacutejemneacute
siloveacute působeniacute magnetickyacutech indukčniacutech toků z jaacutedra a rotoru působilo brzdnyacutem uacutečinkem čiacutemž
došlo ke sniacuteženiacute uacutečinnosti motoru
Momentoveacute charakteristiky jsou teacuteměř lineaacuterniacute Největšiacute moment 05 Nm byl naměřen při napětiacute 31
V při 180 otmin a to v přiacutepadě že komutačniacute disk byl pootočen o 1285deg
95
Použitaacute literatura
[1] Hubbertpeak [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwhubbertpeakcomhubbert19561956pdf
[2] Multimediaacutelniacute studijniacute texty z mineralogie [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpmineralogiescimuniczkap_6_2_termodynkap_6_2_termodynhtm
[3] Molecular and cellular immunology Institute of malecular genetics academy of science of the
Czech Republic Praguee [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpmciimgcasczpdfZakony_termodynamikypdf
[4] Uacutestav teoretickeacute fyziky MFF UK [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httputfmffcuniczvyukaOFY016F2001CermakPhtm
[5] Galileo [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpgalileoandeinsteinphysicsvirginiaedumore_stuffflashletsmmexpt6htm
[6] Encyclopedia Britanica [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwbritannicacomEBcheckedtopic600149Evangelista-Torricelli
[7] ABZ slovniacutek ciziacutech slov [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z httpslovnik-cizich-
slovabzczwebphpslovohorror-vacui-horor-vakui
[8] RAFELSKI Johannn a Berndt MUumlLLER The structured vaccum Thinking about nothing
Published electrically 2006 ISBN 3-97144-889-3
[9] Uacutestav jaderneacute fyziky AV ČR veřejnaacute vyacutezkumnaacute instituce [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httphpujfcascz~wagnerpopclanvakuumvakuumhtml_ftn2
[10] Aldebaran [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwaldebaranczbulletin2011_10_kazphp
[11] Aldebaran [online] Casimir - Network 2005 [cit 2014-05-08] Dostupneacute z httpcasimir-
networkfrIMGpdfCasimir_20effectpdf
[12] KVASNICA Jozef Statistickaacute fyzika Vyd 2 Praha Academia 1998 314 s ISBN 80-200-
0676-1
[13] Aldebaran [online] Annenberg learning 2005 [cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwlearnerorgcoursesphysicsvisualanimationhtmlshortname=PHY06_FermiTrap0
3A
[14] Cornell University Library arXivorg [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httparxivorgpdf10115219v1pdf
[15] Fyzikaacutelniacute sekce Matematicko-fyzikaacutelniacute fakulty UK [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpphysicsmffcuniczkfppskriptakurz_fyziky_pro_DSwwwfyzikahtml
[16] FEYNMAN Richard Phillips Feynmanovy přednaacutešky z fyziky s řešenyacutemi přiacuteklady 1 vyd
Havliacutečkův Brod Fragment 2001 806 s ISBN 80-720-0420-4
[17] VALONE Thomas Zero Point Energy The Fuel of the Future United States Integrity
Research Institiute 2007 228 s ISBN 9780964107021
96
[18] KING Moray B Quest for Zero Point Energy Engineering Principles for Free Energy
Engineering Principles for Free Energy United States Integrity Research Institiute 2001 224 s
ISBN 9780932813947
[19] FAKTOR Zdeněk Transformaacutetory a ciacutevky 1 vyd Praha BEN - technickaacute literatura 1999
393 s ISBN 80-860-5649-X
[20] MAYER Daniel a Josef POLAacuteK Metody řešeniacute elektrickyacutech a magnetickyacutech poliacute [vysokošk
učebnice pro elektrotechn fakulty] 1 vyd Praha SNTL 1983 450 s
[21] ABZ slovniacutek ciziacutech slov [online cit 2014-05-12] Dostupneacute z httpslovnik-cizich-
slovabzczwebphpslovohorror-vacui-horor-vakui
[22] Wikipedie [online cit 2014-05-12] Dostupneacute z httpcswikipediaorgwikiVakuum
[23] VALONE Thomas Practical Conversion of Zero-Point Energy Feasibility Study of the
Extraction of Zero-Point Energy from the Quantum Vacuum for the Performance of Useful
Work United States Integrity Research Institiute 2005 90 s ISBN 9780964107083
[24] BEARDEN By John Bedini and TE Free energy generation circuits 2nd ed Santa Barbara
Calif Cheniere Press 2006 806 s ISBN 09-725-1468-6
[25] Straacutenky věnovaneacute potlačovaneacute vědě a zatajovanyacutem vynaacutelezům [online cit 2014-05-08]
Dostupneacute z httpfree-energyxfczJOHNSONSampMhtm
[26] ADAMS Robert The Adams pulsed motor generator manual 46 Landing Roat Whakanate
Nex Zealand 1992
Prohlaacutešeniacute
bdquoProhlašuji že jsem tuto diplomovou praacuteci vypracoval samostatně Uvedl jsem všechny
literaacuterniacute prameny a publikace ze kteryacutech jsem čerpalldquo
V Ostravě dne 7 5 2014 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
Poděkovaacuteniacute
Těmito slovy bych chtěl vyjaacutedřit poděkovaacuteniacute vedouciacutemu diplomoveacute praacutece Ing Petru
Bernatovi PhD za vstřiacutecnost trpělivost a možnost konzultovat svou praacuteci Ing Petru Kačorovi
PhD za možnost změřit magnetickeacute vlastnosti jader Daacutele děkuji společnostem Therma FM
VACUUMSCHMELZE a RYSTON Electronics sro a jejich zaacutestupcům za poskytnutiacute vzorků
magnetickyacutech jader
Anotace
Ciacutelem diplomoveacute praacutece nabiacutednout čtenaacuteři informace o nekonvenčniacutech elektrickyacutech strojiacutech o nichž
hovořiacute některeacute publikace odkazy ve spojitosti s energiiacute vakua
Kapitola 2 hovořiacute o přiacutečinaacutech snahy člověka zkonstruovat zařiacutezeniacute na vyacuterobu elektrickeacute energie jež
by bylo ekonomickeacute i ekologickeacute Je zaměřena na probleacutemy spojeneacute s využiacutevaacuteniacutem fosilniacutech paliv
Kapitola 3 popisuje zaacutekony termodynamiky
Kapitola 4 se zaměřuje na vakuum a jeho zajiacutemaveacute vlastnosti Ve spojeniacute s vakuem je popsaacuten
Casimirův efekt jako demonstračniacute přiacuteklad silovyacutech projevů fluktuaciacute elektromagnetickyacutech poliacute ve
vakuu
Kapitola 5 je zaměřena na magnetizmus a zabyacutevaacute se jeho přiacutečinou ve spojitosti s věčnyacutem pohybem
subatomaacuterniacutech čaacutestic
Kapitola 6 uvaacutediacute některeacute nekonvenčniacute elektrickeacute stroje ktereacute jsou uacutedajně schopny pracovat s
koeficientem vyacutekonu COPgt1
Kapitola 7 je věnovaacutena feromagnetickyacutem materiaacutelům možnostem jejich aplikace v elektrickyacutech
strojiacutech a měřeniacute hysterezniacutech charakteristik na vzorciacutech feromagnetickyacutech jader
Kapitola 8 je zaměřena na tvorbu virtuaacutelniacuteho modelu Adamsova pulzniacuteho motoru v programu
SolidWorks zapojeniacute elektrickeacuteho obvodu a praktickou realizaci motoru
Kapitola 9 je zaměřena magnetostatickou analyacutezu modelu v Ansys Workbench
Kapitola 10 je věnovaacutena měřeniacute zatěžovaciacutech charakteristik a stanoveniacute uacutečinnosti motoru
Zaacutevěrem je viacutecekriteriaacutelniacute vyhodnoceniacute vyacuteslednyacutech vlastnostiacute realizovaneacuteho Adamsova motoru
Kliacutečovaacute slova
Nekonvenčniacute elektrickyacute stroj zaacutekony termodynamiky vakuum Casimirův jev magnetickeacute
materiaacutely Johnsonův magnetickyacute motor Adamsův motor generaacutetor měřeniacute momentoveacute
charakteristiky
Abstract
The thesis attempts to prime readers on unconventional electric machines which are often
discussed in the publication in relation to vacuum energy
Chapter 2 tells the story of how such machinery both economic and environmen-friendly in its
very nature came to peoples minds It also discusses fossil fuels related issues
Chapter 3 sums up the thermodynamics laws
Chapter 4 focuses on interesting the vacuum The chapter also briefly touches upon the Casimir
effect
Chapter 5 focuses on magnetism and its source on the background of the eternal movement of
subatomic particles
Chapter 6 lists a number of unconventional electric machines claimed to be able to operate with
COP gt 1
Chapter 7 is dedicated to feromagnetic materials potential application in electric machines and
measuring hysteretic properties of feromagnetic core samples
Chapter 8 discusses modelling the Adams pulsed motor generator using SolidWorks and electric
circuit
Chapter 9 is focus to analysing its magnetostatic properties in Ansys Workbench
Chapter 10 is focus to measuring engine load characteristics and determining engine efficiency
Key Words
Non conventioal electric machine law of thermodynamic vakuum Casimir effect magnetic
materialsJohnson magnetic motor Adams motor generator measurement of speed-torque
characteristic
Seznam použityacutech symbolů a zkratek
Symbol Naacutezev Jednotka
U Energie [J]
W Praacutece [J]
Q Teplo [J]
S Entropie [JmiddotK-1]
T Teplota [K]
V Objem [m3]
P Tlak [Pa]
p Hybnost [kgmiddotmmiddots-1
]
F Siacutela [N]
FCas Casimirova siacutela [N]
d Vzdaacutelenost elektrod [m]
B Magnetickaacute indukce [T]
Br Remanentniacute magnetickaacute indukce [T]
Bmax Maximaacutelniacute magnetickaacute indukce [T]
Bs Saturačniacute magnetickaacute indukce [T]
Bv Magnetickaacute indukce ve vzduchoveacute mezeře [T]
BM Magnetickaacute indukce permanentniacuteho magnetu [T]
Φv Magnetickyacute indukčniacute tok ve vzduchoveacute mezeře [Wb]
Sv Průřez vzduchoveacute mezery [m2]
SM Průřez magnetu [m2]
Ss Průřez poacutelu statoru [m2]
Sr Průřez vynikleacuteho poacutelu rotoru [m2]
H Intenzita magnetickeacuteho pole [Amiddotm-1
]
Hc Koercitivniacute intenzita magnetickeacuteho pole [Amiddotm-1
]
Hmax Maximaacutelniacute intenzita magnetickeacuteho pole [Amiddotm-1
]
Hv Intenzita magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře [Amiddotm-1
]
HM Intenzita magnetickeacuteho pole permanentniacuteho
magnetu
[Amiddotm-1
]
Hžr Intenzita magnetickeacuteho pole železa rotoru [Amiddotm-1
]
Hžs Intenzita magnetickeacuteho pole železa statoru [Amiddotm-1
]
Nd Demagnetizačniacute činitel [-]
lM Deacutelka permanentniacuteho magnetu [m]
lv Deacutelka vzduchoveacute mezery [m]
Činitel rozptylu ve vzduchoveacute mezeře [-]
PFe Měrneacute ztraacutety [Wkg]
E Intenzita elektrickeacuteho pole [Vmiddotm-1
]
q Naacuteboj [C]
qe Naacuteboj elektronu [C]
v Rychlost [mmiddots-1
]
μ Magnetickyacute moment [Amiddotmsup2]
J Moment setrvačnosti [kgmiddotm2]
m Hmotnost [kg]
I Proud [A]
r Poloměr [m]
M Moment siacutely [Nmiddotm]
Mz Zaacutetěžnyacute moment [Nm]
φ Rezistivita [μΩcm]
μ0 Permeabilita vakua [Hmiddotm-1
]
μr Relativniacute permeabilita [-]
P1 Přiacutekon [W]
P2 Vyacutekon [W]
ω Uacutehlovaacute rychlost [rad-1
]
n Otaacutečky [otmiddotmin-1
]
Uacutečinnost []
Δx Změna polohy
Δp Změna hybnosti
Δt Časovaacute změna
ΔE Změna energie
ħ Redukovanaacute Planckova konstanta [Jmiddots]
h Planckova konstanta [Jmiddots]
8
Obsah
1 Uacutevod 10
2 Energetickeacute zdroje ve formě fosilniacutech paliv 11
3 Zaacutekony termodynamiky 12
31 Nultyacute zaacutekon termodynamiky 12
32 Prvniacute zaacutekon termodynamiky 12
321 Perpetuum mobile prvniacuteho druhu 13
33 Druhyacute zaacutekon termodynamiky 13
331 Perpetuum mobile druheacuteho druhu 13
34 Třetiacute zaacutekon termodynamiky 13
4 Vakuum 14
41 Eacuteter vyplňujiacuteciacute praacutezdnyacute prostor 14
42 Heisenbergův princip neurčitosti 16
43 Virtuaacutelniacute čaacutestice 17
44 Casimirův jev 17
441 Casimirova siacutela 18
442 Aparatura pro měřeniacute Casimirova jevu 18
443 Tepelnyacute Casimirův jev 19
5 Magnetismus 21
51 Magnetickeacute pole a jeho siloveacute uacutečinky 21
52 Magnetickyacute moment moment hybnosti a precese momentu hybnosti 22
6 Nekonvenčniacute elektrickeacute stroje 25
61 Johnsonův motor 26
62 Adamsův motor generaacutetor 29
63 Systeacutem pro přeměnu energie elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute na elektrickou energii 36
7 Feromagnetickeacute materiaacutely 37
71 Magneticky měkkaacute feromagnetika 37
711 Vyacuterobci měkkyacutech feromagnetickyacutech materiaacutelů 38
72 Magneticky tvrdaacute feromagnetika 43
73 Měřeniacute hysterezniacutech charakteristik vzorků magnetickyacutech jader 44
9
731 Vyhodnoceniacute naměřenyacutech vyacutesledků 48
8 Realizovanyacute Adamsův motor 49
81 Virtuaacutelniacute model Adamsova motor generaacutetoru a jeho praktickaacute realizace 49
811 Stator 49
812 Rotor 55
82 Elektrickyacute obvod 63
821 Popis a scheacutema zapojeniacute 63
822 Deska plošnyacutech spojů 64
9 Magnetostatickaacute analyacuteza Adamsova motoru 66
91 Vyacutepočet zjednodušeneacuteho magnetickeacuteho obvodu 66
911 Feromagnetika v magnetickeacutem obvodu 66
92 Vyacutepočet magnetickeacuteho obvodu v ANSYS Workbench 72
921 Rozběh motoru 77
922 Průběhy sil působiacuteciacute na rotor během pootočeniacute 81
10 Měřeniacute na realizovaneacutem motoru 83
101 Měřeniacute zaacutekladniacutech charakteristik 87
102 Vyacutepočet uacutečinnosti 87
Zaacutevěr 93
10
1 Uacutevod
Ekologickeacute probleacutemy spojeneacute s těžbou a využiacutevaacuteniacutem fosilniacutech paliv za uacutečelem vyacuteroby elektrickeacute
energie přivaacutediacute lidstvo k naleacutehaveacute potřebě hledat jineacute alternativniacute zdroje Ciacutelem teacuteto praacutece je
nabiacutednout čtenaacuteři informace o zajiacutemavyacutech vlastnostech bdquopraacutezdneacuteho prostoruldquo ve spojitosti s energiiacute
vněm obsaženou Možnosti velice přesneacuteho laboratorniacuteho měřeniacute dnes totiž nabiacuteziacute novyacute pohled na
povahu teacuteto energie Tzv Casimirův jev utvaacuteřiacute novyacute pohled na vakuum jako na systeacutem s dynamickou
povahou kteraacute se za jistyacutech podmiacutenek projevuje silovyacutemi uacutečinky
Představme si systeacutem využiacutevajiacuteciacute pro svou činnost energii vyvěrajiacuteciacute ze zdroje jež se nachaacuteziacute za
hraniciacute našeho vniacutemaacuteniacute daleko za možnostiacute našich smyslovyacutech orgaacutenů naacutem tento zdroj přiacutemo
zprostředkovat Pokud takovyacute systeacutem opravdu existuje existuje zcela jistě i široce rozšiacuteřenaacute barieacutera
lidskeacute neochoty si tuto skutečnost připustit Faktem zůstaacutevaacute že vše je v pohybu od nejmenšiacute struktury
počiacutenaje až po velkeacute teorie konče
Naacutesledujiacuteciacute citaacutet pochaacuteziacute od jednoho z prvniacutech zakladatelů kvantoveacute teorie
bdquoPrincip energie je zaacuteležitost zkušenosti Pokud by tedy jednoho dne měla byacutet jeho všeobecnaacute platnost
zpochybněna což v atomoveacute fyzice neniacute vyloučeneacute pak by se probleacutem perpetua mobile stal naacutehle
aktuaacutelniacutemldquo Max Planck
V přiacutepadě že v prvniacutem momentu nezavrhneme fakt že vlastně neviacuteme kolik toho viacuteme musiacuteme
připustit že je možneacute cokoliv
Počaacutetkem systematickeacuteho zkoumaacuteniacute elektromagnetickyacutech jevů se lidstvu do rukou dostalo mnoho
uacutežasnyacutech strojů a zařiacutezeniacute S vyacutevojem novyacutech materiaacutelů a technologiiacute se staacutele nabiacuteziacute možnosti objevit
noveacute Oblast vyacutevoje magnetickyacutech materiaacutelů neniacute v tomto ohledu vyacutejimkou proto se ve sveacute praacuteci
zabyacutevaacutem i jimi a měřeniacutem jejich hysterezniacutech charakteristik
Na zaacutekladě informaciacute hovořiacuteciacutech o elektrickyacutech strojiacutech ktereacute uacutedajně pracujiacute i bez zjevneacuteho zdroje
vstupniacute energie stojiacute za snahu věnovat tomuto teacutematu alespoň čaacutest sveacute pozornosti Podstata
vesmiacuternyacutech jevů může byacutet totiž daleko za rovnicemi popisujiacuteciacutemi to co je naacutem znaacutemo nyniacute
Jak přihlaacutesil Albert Einstein
bdquoŽaacutedneacute množstviacute pokusů nikdy nemůže dokaacutezat že jsem měl pravdu Jedinyacute pokus však kdykoliv může
dokaacutezat že jsem se myacutelilldquo
V tomto ohledu se v diplomoveacute praacuteci zaměřuji předevšiacutem na motory opředeneacute zvlaacuteštniacutemi informacemi
a pokoušiacutem se o realizaci vzorku Adamsova motoru Vyacutesledky měřeniacute a vyacutepočtů shrnuji v zaacutevěru
praacutece
11
2 Energetickeacute zdroje ve formě fosilniacutech paliv
V současnosti pokryacutevajiacute největšiacute podiacutel energetickeacute spotřeby lidstva zdroje fosilniacutech paliv Zejmeacutena
uhliacute ropa a zemniacute plyn Americkyacute geolog M King Hubbert předložil světu v roce 1956 teorii tzv
Hubbert Peak Theory znaacutemou teacutež pod naacutezvem peak oil Tato teorie se tyacutekaacute dlouhodobeacute těžby a
spotřeby ropy a ostatniacute fosilniacutech paliv Teacutehož roku M K Hubbert nabiacutedl Americkeacutemu ropneacutemu
institutu model tyacutekajiacuteciacute se znaacutemyacutech zaacutesob ropy Podle tohoto modelu měly Spojeneacute staacutety dosaacutehnout
vrcholu produkce ropy mezi rokem 1965 a 1970 Podle M K Hubberta by mělo byacutet vrcholu v
celosvětoveacute produkci ropy dosaženo přibližně o půl stoletiacute později od publikovaacuteniacute jeho teorie [1]
Na Obr 1 je křivka ve tvaru zvonu vytvořenaacute M K Hubbertem na zaacutekladě předpokladu že rezervniacutem
objemem suroveacute ropy je cca 250 miliard barelů Křivka reprezentuje celosvětovou produkci suroveacute
ropy zjištěneacute rezervy a předpoklaacutedaneacute zaacutesoby objeveneacute v budoucnu
Obr 1 Křivka vyacutevoje produkce ropy ve spojenyacutech staacutetech podle M K Hubberta [1]
Produkce ropy kopiacuteruje tvar zvonu tudiacutež v celosvětoveacutem měřiacutetku nedojde k naacutehleacutemu nedostatku ropy
Pokud dosaacutehne celosvětovaacute produkce ropy sveacuteho vrcholu v roce 2000 tak v roce 2020 bude na stejneacute
hodnotě jako v roce 1980 Nicmeacuteně v roce 2020 bude oproti roku 1980 světovaacute populace lidiacute zhruba
dvojnaacutesobnaacute a naacutesledkem značneacuteho zprůmyslněniacute světa bude spotřeba ropy prudce narůstat
Vyacutesledkem snižujiacuteciacutech se zaacutesob ropy je naacuterůst jejiacute ceny Jako naacutesledek nedostatku ropy je možneacute
očekaacutevat vaacutelečneacute konflikty vyspělyacutech zemiacute s ciacutelem ziacuteskat přiacutestup k ropnyacutem zdrojům a udržet si tiacutem
jistou ekonomickou stabilitu Způsoby přeměny energie spalovaacuteniacutem fosilniacutech paliv spojeneacute s
neohleduplnostiacute vůči planetě Zemi a jejiacutem obyvatelům přivaacutediacute člověka k naleacutehaveacute potřebě doplnit a
postupně nahradit staacutevajiacuteciacute energetickeacute zdroje zdroji alternativniacutemi
12
3 Zaacutekony termodynamiky
V dějinaacutech lidstva se objevilo mnoho pokusů o realizaci strojů jež by pracovaly s uacutečinnostiacute většiacute než
100 Snaha realizovat stroj s věčnyacutem pohybem je na programu mnoha konstrukteacuterů i v dnešniacute době
Zejmeacutena na internetu nalezneme mnoho odkazů na různorodeacute konstrukce mechanickyacutech a
elektrickyacutech strojů Zejmeacutena u čistě mechanickyacutech strojů je na prvniacute pohled patrneacute že nemohou
pracovat v nepřetržiteacutem chodu a třeniacute nakonec způsobiacute jejich zastaveniacute Nicmeacuteně lze narazit i na
konstrukce elektrickyacutech strojů doprovaacutezeneacute vlivnyacutem komentaacuteřem jež se opiacuteraacute o teorii kteraacute popisuje
vakuum jako prostor vyplněnyacute energiiacute Na kvantoveacute uacuterovni uacutedajně dochaacuteziacute ve vakuu k
nepřetržityacutem fluktuaciacutem elektromagnetickyacutech poliacute vlivem vzniku a zaacuteniku kladnyacutech a zaacutepornyacutech
virtuaacutelniacutech čaacutestic Bliacuteže se k tomuto fenomeacutenu vraacutetiacutem v naacutesledujiacuteciacute kapitole
Na zaacutekladě interakce s okoliacutem lze systeacutemy rozdělit naacutesledovně
a) izolovaneacute ndash v idealizovaneacutem přiacutepadě např termoska u ktereacute nedochaacuteziacute k vyacuteměně energie ani
hmotnyacutech čaacutestic
b) uzavřeneacute ndash např z obou stran uzavřenaacute trubice u niacutež dochaacuteziacute k vyacuteměně energie s okoliacutem
avšak bez vyacuteměny hmotnyacutech čaacutestic
c) otevřeneacute ndash např strom kteryacute si okoliacutem vyměňuje jak energii tak hmotneacute čaacutestice
31 Nultyacute zaacutekon termodynamiky
Systeacutemy v termickeacute rovnovaacuteze majiacute stejnou teplotu Nultyacute zaacutekon zavaacutediacute teplotu jako
termodynamickou veličinu
32 Prvniacute zaacutekon termodynamiky
Vnitřniacute energie (U) izolovaneacuteho systeacutemu je konstantniacute Změna vnitřniacute energie dU je součtem tepla
ktereacute bylo do systeacutemu dodaacuteno (dQ) a praacutece kteraacute byla na systeacutemu vykonaacutena (dW)
Změnu vnitřniacute energie můžeme zapsat jako
Veličina dW je objemovou praciacute Jde o změnu objemu dV v systeacutemu za konstantniacuteho tlaku P Změna
objemoveacute praacutece se vyjaacutedřiacute rovniciacute
Změnu vnitřniacute energie můžeme zapsat jako
(1)
(2)
(3)
13
Dodaacuteme-li např krystalu energii ve formě tepla vzroste jeho vnitřniacute energie o tolik kolik se
nespotřebuje na praacuteci spojenou s růstem jeho objemu (expanziacute) [2]
321 Perpetuum mobile prvniacuteho druhu
Produkuje nejmeacuteně tolik energie kolik samo spotřebuje Jakmile je jednou stroj spuštěn může
pracovat po neomezeně dlouhou dobu
33 Druhyacute zaacutekon termodynamiky
Druhyacute zaacutekon je postaven na definici entropie kteraacute je extenzivniacute funkciacute definujiacuteciacute stav systeacutemu
Zjednodušeně řečeno entropie definuje neuspořaacutedanost syteacutemu Celkovaacute změna entropie v uzavřeneacutem
systeacutemu je součtem změny entropie uvnitř systeacutemu a entropie kteraacute je do systeacutemu přenesena z jeho
okoliacute Entropii přenaacutešenou do systeacutemu se definuje rovnice (4) kde dQ je dodaneacute teplo a T je teplota
Je zřejmeacute že změna entropie systeacutemu při konstantniacute hodnotě tepla je většiacute při nižšiacute teplotě [2]
Pro reversibilniacute procesy a rovnovaacutežneacute stavy platiacute že změna entropie je nulovaacute dS = 0 Pro spontaacutenniacute
proces v systeacutemu pak platiacute dS gt 0 Můžeme řiacuteci že entropie se nikdy samovolně nezmenšuje [2]
331 Perpetuum mobile druheacuteho druhu
Takeacute nelze sestrojit protože při tepelneacute vyacuteměně těleso o vyššiacute teplotě nemůže samovolně přijiacutemat
teplo od tělesa s nižšiacute teplotou
34 Třetiacute zaacutekon termodynamiky
Jestliže se teplota ideaacutelniacuteho krystalu bliacutežiacute absolutniacute nule bliacutežiacute se nule i jeho entropie [2]
V bliacutezkosti absolutniacute nuly se adiabatickyacute děj přibližuje izotermickeacutemu Tiacutem se ovšem ztraacuteciacute uacutečinnost
libovolneacute ochlazovaciacute metody založeneacute na střiacutedaacuteniacute těchto dějů
Při extreacutemně niacutezkeacute teplotě se projevujiacute zvlaacuteštniacute vlastnosti některyacutech laacutetek jakyacutemi jsou supravodivost a
supratekutost
(4)
14
4 Vakuum
41 Eacuteter vyplňujiacuteciacute praacutezdnyacute prostor
Na zaacutekladě zjištěniacute že zvuk pro sveacute šiacuteřeniacute vyžaduje přenosoveacute meacutedium bylo dřiacuteve předpoklaacutedaacuteno že
i světlo ke sveacutemu přenosu vyžaduje určiteacute prostřediacute Toto meacutedium bylo označeno pojmem eacuteter Eacuteter
byl zaveden nejen pro světlo ale i pro elektřinu magnetismus a teplo Britskyacute fyzik James Clarck
Maxwell zjistil že se elektromagnetickeacute vlny šiacuteřiacute rychlostiacute světla a navrhl existenci pouze jedineacuteho
eacuteteru [3]
Na zaacutekladě Maxwellovyacutech pozorovaacuteniacute provedl Albert Michelson v roce 1881 experiment kteryacute měl
prokaacutezat přiacutetomnost eacuteteru Negativniacute vyacutesledek pokusu byl později zpochybněn a tak byl v roce 1887
pokus mnohem přesněji zopakovaacuten za spolupraacutece Edwarda Morleyho Experiment byl v budoucnu
ještě mnohokraacutet zopakovaacuten avšak původniacute vyacutesledek experimentu byl potvrzen [4]
Na Obr41 je znaacutezorněn princip Michelson-Morleyho experimentu kteryacute jsem doplnil o šipky ve
směru paprsků světla Uprostřed rotujiacuteciacute kruhoveacute aparatury je umiacutestěno polopropustneacute zrcadlo Směr
pohybu eacuteteru vůči aparatuře je znaacutezorněn žlutyacutemi šipkami Ze zdroje světla (vlevo) vychaacuteziacute paprsek a
dopadaacute na polopropustneacute zrcadlo (uprostřed) kde se děliacute na dvě čaacutesti Vzniknou tak dva navzaacutejem
kolmeacute paprsky putujiacuteciacute k zrcadlům po okrajiacutech aparatury kde se opět odraacutežiacute a vracejiacute zpět
k prostředniacutemu polopropustneacutemu zrcadlu Paprsek vracejiacuteciacute se dolů čaacutestečně prochaacuteziacute polopropustnyacutem
zrcadlem směrem dolů ke stiacuteniacutetku a paprsek vracejiacuteciacute se ke středu od leveacuteho zrcadla je odražen takeacute
směrem dolů Čaacutesti obou paprsků tak dopadajiacute na stiacuteniacutetko kde se
a) vzaacutejemně zesiacuteliacute jestliže majiacute stejnou rychlost a dopadajiacute na stiacuteniacutetko se stejnou faacuteziacute
b) vytvořiacute interferenčniacute obrazec v přiacutepadě že pohybujiacuteciacute se eacuteter vůči aparatuře ovlivnil rychlost
jednoho z paprsků
c)
Obr 41 Model demonstrujiacuteciacute princip Michelson- Morleyho experimentu [5]
Experiment existenci takoveacuteho eacuteteru neprokaacutezal a tak se převaacutežnaacute vědeckaacute komunita od představy
eacuteteru odkolonila
15
Neschopnost lidskeacute mysli uchopit praacutezdnyacute prostor dala v historii vzniknout pojmu horror vacui
neboli strach z praacutezdnoty [21]
Italskyacute fyzik a matematik Evangelista Torricelli žijiacuteciacute v 17 stoletiacute vešel do povědomiacute širokeacute
veřejnosti jednak pro vědeckyacute přiacutespěvek v oboru matematiky ale předevšiacutem pro vynalezeniacute
barometru Torricelli při svyacutech pokusech experimentoval s dlouhou skleněnou trubiciacute deacutelky 12 m
kterou naplnil rtutiacute a poteacute ji otevřenyacutem koncem ponořil do naacutedoby plneacute rtuti Pozoroval že velkaacute čaacutest
rtuti v trubici zůstala a nad jejiacute hladinou vnikl vzduchopraacutezdnyacute prostor Stal se tak prvniacutem člověkem
v historii kteryacute vytvořil vzduchopraacutezdno neboli vakuum [7]
Obr 42 Aparatura Evangelisty Torricelliho diacuteky ktereacute vytvořil makroskopickeacute vakuum
Vakuum zastupuje širokou škaacutelu tlaků V technickeacute praxi naleacutezaacute širokeacute praktickeacute využitiacute a je proto
podle velikosti tlaku rozděleno děleno do kategoriiacute ktereacute jsou v Tab 42
Tab 41 Rozděleniacute vakua podle tlakoveacuteho paacutesma a množstviacute hmoty v objemu[22]
Tlakoveacute paacutesmo
Tlak Množstviacute hmoty
v objemu
[Pa] [molekulcm3]
Atmosfeacuterickyacute tlak 101times105 27 x 10
19
Hrubeacute vakuum 10+4
hellip10+2
1019
- 1016
Jemneacute vakuum 10+2
hellip10minus1
1016
- 1013
Vysokeacute vakuum (HV) 10minus1
hellip10minus5
1013
hellip109
Ultra vysokeacute vakuum (UHV) 10minus5
hellip10minus10
109hellip10
4
Extreacutemně vysokeacute vakuum (XHV) lt10minus10
lt104
16
Vynaacutelezce Otto von Guericke demonstroval siacutelu podtlaku analogiiacute s osmi spřaženiacutemi osmi koni kteřiacute
nejsou schopni společnyacutemi silami oddělit dvě poloviny vzduchopraacutezdneacute koule jak ukazuje Obr 43
Obr 43 Osm koniacute neniacute schopno od sebe oddělit dvě poloviny vzduchopraacutezdneacute koule [8]
Zařiacutezeniacute pro tvorbu vakua se nazyacutevaacute vyacutevěva I kdyby se naacutem podařilo sestrojit dokonalou vyacutevěvu
kteraacute by z prostoru odstranila všechny znaacutemeacute hmotneacute čaacutestice prostor by i tehdy nezůstal praacutezdnyacute
Klasickaacute teorie poklaacutedaacute vakuum za praacutezdnyacute prostor bez hmotnyacutech čaacutestic Je však nutneacute přihleacutednout
k faktu že existujiacute teorie a experimenty jež připouštějiacute že vakuum neniacute praacutezdneacute miacutesto toho je plneacute
aktivity a co je ještě důležitějšiacute lze tuto aktivitu využiacutet v našem reaacutelneacutem světě
42 Heisenbergův princip neurčitosti
Velmi důležityacutem zaacutekonem určujiacuteciacutem pravidla v kvantoveacutem světě je Heisenbergův princip neurčitosti
Ten řiacutekaacute že pro současneacute měřeniacute polohy x a hybnosti čaacutestice p nemůže byacutet součin neurčitostiacute v určeniacute
polohy Δx a hybnosti Δp čaacutestice menšiacute než redukovanaacute Planckova konstanta ħ Pro tuto konstantu platiacute
ħ = h2π =105410-34
Js Důsledkem Heisenbergova principu je že se na mikroskopickeacute uacuterovni může
narušovat zaacutekon zachovaacuteniacute energie a to takovyacutem způsobem že součin velikosti tohoto narušeniacute a
doby po kterou trvaacute je menšiacute než redukovanaacute Planckova konstanta V takoveacutem přiacutepadě nelze toto
porušeniacute pozorovat
Heisenbergův princip neurčitosti pro současneacute měřeniacute polohy a hybnosti čaacutestice maacute tvar
(5)
Heisenbergův princip neurčitosti pro současneacute měřeniacute času a energie čaacutestice maacute tvar
(6)
Platnost rovnice (6) vede tomu že ve vakuu mohou existovat velice rychleacute fluktuace energie ktereacute
vznikajiacute jako v důsledku vzniku tzv virtuaacutelniacutech čaacutestic a jejich antičaacutestic ktereacute velice rychle vznikajiacute a
zanikajiacute vlivem vzaacutejemneacute anihilace A to v čase daneacutem Heisenbergovyacutem principem neurčitosti [9]
17
43 Virtuaacutelniacute čaacutestice
Jednaacute se o čaacutestici kteraacute neniacute přiacutemo pozorovatelnaacute je zavedena z důvodu existence řady pozorovanyacutech
jevů Virtuaacutelniacute čaacutestice může existovat diacuteky Heisenbergovu principu neurčitosti a v časoveacutem okamžiku
daneacutem tiacutemto zaacutekonem narušuje zaacutekon o zachovaacuteniacute energie U reaacutelneacute čaacutestice jejiacutež existence nenarušuje
zaacutekon zachovaacuteniacute energie je splněn relativistickyacute vztah mezi celkovou energiiacute čaacutestice E jejiacute hybnostiacute p
a klidovou energiiacute U virtuaacutelniacute čaacutestice tento vztah mezi uvedenyacutemi fyzikaacutelniacutemi veličinami neplatiacute
Virtuaacutelniacute čaacutestice tak může miacutet třeba velmi velkou hybnost a jen velmi malou energii Existence
virtuaacutelniacute čaacutestice je omezena na velice kraacutetkou dobu Při neustaacuteleacutem vzniku a zaacuteniku těchto čaacutestic
vznikajiacute ve vakuu vysokofrekvenčniacute fluktuace elektromagnetickyacutech poliacute různyacutech vlnovyacutech deacutelek [9]
44 Casimirův jev
V roce 1958 holandskyacute fyzik M J Sparnaay předpověděl existenci sil mezi dvěma kovovyacutemi
deskami jejichž přiacutečinou nebylo tepelneacute zaacuteřeniacute Byl zaveden pojem zero point energy (energie
nuloveacuteho bodu) označujiacuteciacute elektromagnetickou energii vyskytujiacuteciacute se ve vakuu při absolutniacute nuloveacute
teplotě [18]
Důkazem existence teacuteto energie je uacutedajně fakt že helium zůstaacutevaacute i při teplotaacutech mezi -272degC až
273degC staacutele v kapalneacutem skupenstviacute a nedojde k jeho přeměně na skupenstviacute pevneacute [17]
Způsob jakyacutem by bylo možneacute projevy virtuaacutelniacutech čaacutestic experimentaacutelně změřit navrhl v roce 1948
holandskyacute fyzik Hendrik Casimir Casimir uvažoval o dvou paralelniacutech elektrodaacutech (zrcadlech)
umiacutestěnyacutech ve vakuu za teploty bliacutezkeacute absolutniacute nule Vně těchto zrcadel vakuoveacute fluktuace
elektromagnetickyacutech poliacute dosahujiacute širokeacuteho spektra energiiacute ovšem v souladu s Heisenbergovyacutemi
relacemi neurčitosti Jinaacute situace nastaacutevaacute mezi elektrodami ktereacute tvořiacute rezonaacutetor Zde mohou vznikat
pouze fluktuace určityacutech vlnovyacutech deacutelek ndash moacutedů rezonaacutetoru Ostatniacute vlnoveacute deacutelky jsou vněm
potlačeny Tato nerovnovaacuteha fluktuaciacute vně elektrod a mezi nimi způsobuje tlakovou siacutelu kteraacute
přitahuje elektrody k sobě Jev se nazyacutevaacute Casimirův jev (efekt) a je makroskopickyacutem projevem
kvantovyacutech jevů stejně jako napřiacuteklad supravodivost nebo supratekutost [10]
Obr 44 Demonstrace Casimirova jevu Dvě kovoveacute desky tvořiacute rezonaacutetor pouze pro některeacute vlnoveacute
deacutelky důsledkem je působeniacute přitažliveacute siacutely mezi těmito deskami [11]
Fluktuace
vakua Casimirovi
desky
18
441 Casimirova siacutela
Casimirův efekt se projevuje jako Casimirova siacutela Casimirovu siacutelu mezi vodivyacutemi elektrodami
způsobuje nerovnovaacuteha mezi kvantovyacutemi fluktuacemi elektromagnetickyacutech poliacute ve vakuu vně
elektrod a mezi nimi [10]
Casimirovu siacutelu lze vypočiacutetat na zaacutekladě vztahu (7) uvedeneacuteho v literatuře[17]
(7)
Na obr45 je graf Prof Dr Davida Iannuzziho kteryacute zobrazuje přibližně exponenciaacutelniacute naacuterůst
publikaciacute pojednaacutevajiacuteciacute o Casimirově vevu Tiacutem dokazuje značnyacute naacuterůst zaacutejmu o tento fenomeacuten
Obr 45 Naacuterůst publikaciacute tyacutekajiacuteciacutech se Casimirova jevu [8]
442 Aparatura pro měřeniacute Casimirova jevu
Laboratorniacute měřeniacute Casimirova jevu v Kalifornskeacute univerzitě v Riverside bylo provedeno na
miniaturniacute aparatuře pro měřeniacute kvantově mechanickyacutech efektů bdquopraacutezdneacuteho prostoruldquo Na Obr 46 je
kulička o průměru 01 mm zobrazenaacute skrze elektronovyacute mikroskop Kulička je umiacutestěna pod hladkou
destičkou (destička neniacute na obraacutezku) Diacuteky kvantově mechanickeacutemu Casimirovu efektu se kulička
k destičce přitahuje Změna pozice kuličky je měřena mikroskopem pro měřeniacute atomaacuterniacutech sil
19
Obr 46 Mikroskopickaacute aparatura pro měřeniacute Casimirova jevu
443 Tepelnyacute Casimirův jev
Při konečneacute teplotě vstupujiacute do hry tepelneacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole a přispiacutevajiacute tak k
siloveacutemu působeniacute mezi elektrodami Tepelneacute fluktuace jsou způsobeny chaotickyacutem pohybem
volnyacutech elektronů v materiaacutelu elektrod Paralelniacute elektrody opět představujiacute rezonaacutetor ve ktereacutem je
možneacute vybudit pouze určiteacute moacutedy Každyacute moacuted představuje stav s přesně určenou energiiacute Tyto stavy
jsou obsazovaacuteny fotony ktereacute reprezentujiacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole Obsazeniacute těchto
hladin popisuje Boseho-Einsteinovo rozděleniacute [10]
Boseho-Einsteinovo rozděleniacute popisuje ve statistickeacute fyzice systeacutemy složeneacute z bosonů tedy čaacutestic se
symetrickou vlnovou funkciacute a celočiacuteselnyacutem spinem Bose-Einsteinovyacutem rozděleniacutem se řiacutediacute napřiacuteklad
fotony je z něj tedy možneacute odvodit napřiacuteklad Planckův vyzařovaciacute zaacutekon [12]
Při nuloveacute teplotě všechny fotony obsadiacute pouze nejnižšiacute energetickou hladinu jak je vidět na Obr 47
S rostouciacute teplotou postupně dochaacuteziacute k obsazovaacuteniacute i dalšiacutech vyššiacutech energetickyacutech hladin Mezi
zrcadly vznikaacute dalšiacute přitažlivaacute siacutela kteraacute ovšem zaacutevisiacute na teplotě Jednaacute se tedy o tepelnyacute Casimirův
jev
Obr 47 Vlevo zaujiacutemajiacute bosony při teplotaacutech bliacutezkyacutech absolutniacute nule jedinyacute stav s nejnižšiacute energiiacute Se
vzrůstajiacuteciacute teplotou bosony (vpravo) postupně obsazujiacute stavy s vyššiacute energiiacute [13]
Přestože tepelnyacute Casimirův jev byl teoreticky předpovězen Jevgenijem Lifšicem v roce 1955 dočkal
se sveacuteho objevu až v roce 2010 Tento uacutekol se podařilo zvlaacutednout skupině vědců na americkeacute Yaleově
univerzitě Tepelneacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole byly opět měřeny prostřednictviacutem přitažliveacute
siacutely mezi dvěma elektrodami Připravit dokonale rovinneacute paralelniacute plochy je poměrně obtiacutežneacute a proto
20
byl experiment provaacuteděn s jednou rovinnou elektrodou a druhou elektrodou ve tvaru kuloveacute plochy
Obě elektrody byly vyrobeny ze zlata s přesnostiacute 10 nm (kulovaacute elektroda) a 1 nm (rovinnaacute elektroda)
Siacutela mezi elektrodami byla měřena pomociacute torzniacuteho kyvadla kde torzniacute siacutela wolframoveacuteho draacutetku o
průměru 25 μm byla vyrovnaacutevaacutena přitažlivou silou mezi elektrodami Kapacitniacute polohovyacute senzor
sniacutemal vyacutechylku torzniacuteho kyvadla Celyacute experiment probiacutehal při teplotě 300 K [14]
Obr 48 Scheacutema zařiacutezeniacute pro měřeniacute tepelneacuteho Casimirova jevu (pohled shora) [14]
Naměřeneacute vyacutesledky byly porovnaacutevaacuteny se dvěma teoretickyacutemi modely ndash plazmovyacutem modelem a
Drudeho modelem Tyto modely popisujiacute chovaacuteniacute permitivity elektrod v zaacutevislosti na frekvenci
Naměřeneacute vyacutesledky ukazujiacute shodu s Drudeho modelem při teplotě 300 K Podle tohoto modelu tepelnaacute
přitažlivaacute siacutela roste lineaacuterně s teplotou a klesaacute s druhou mocninou vzdaacutelenosti To znamenaacute že zatiacutemco
Casimirova siacutela převlaacutedaacute na velmi malyacutech vzdaacutelenostech tepelnaacute Casimirova siacutela dominuje na
velkyacutech vzdaacutelenostech Na obraacutezku niacuteže je znaacutezorněna přitažlivaacute siacutela naacutesobenaacute druhou mocninou
vzdaacutelenosti v zaacutevislosti na vzdaacutelenosti mezi elektrodami Podle Drudeho modelu bychom měli dostat
konstantniacute zaacutevislost v miacutestech kde převlaacutedaacute siacutela způsobenaacute tepelnyacutemi fluktuacemi Z Obr 49 je
patrneacute že od vzdaacutelenosti přibližně 3 μm daacutele dostaacutevaacuteme přibližně konstantniacute zaacutevislost [14]
Obr 49 Na vzdaacutelenostech většiacutech než 3 μm dochaacuteziacute ke změně charakteru přitažliveacute siacutely Převlaacutedaacute zde
siacutela způsobenaacute tepelnyacutemi fluktuacemi zatiacutemco na menšiacutech vzdaacutelenostech se viacutece uplatňuje siacutela
pochaacutezejiacuteciacutech z kvantovyacutech fluktuaciacute vakua [14]
21
5 Magnetismus
51 Magnetickeacute pole a jeho siloveacute uacutečinky
Fakt že některeacute nerosty s obsahem železa a jeho oxidů jeviacute jisteacute vzaacutejemneacute siloveacute působeniacute vedlo
člověka k vyacutezkumu hlubšiacute podstaty tohoto fenomeacutenu Magnetismu znaacutemeacutemu již ze středověku začala
byacutet později věnovaacutena značnaacute pozornost předevšiacutem diacuteky poznatku že lze vnějšiacute magnetickeacute pole
vyvolat průchodem proudu nosičů elektrickyacutech naacutebojů elektrickyacutemi vodiči Pokusy H Ch Oersteda s
vodiči zapojenyacutemi k elektrickeacutemu zdroji vykazovali siloveacute působeniacute na magnetku kompasu později
diacuteky A M Ampeacuterovu pokusu takeacute siloveacute působeniacute mezi vodiči proteacutekanyacutemi proudem [15]
Mezi tělesy z feromagnetickyacutech laacutetek se za jistyacutech okolnostiacute projevuje vnějšiacute působeniacute vnitřniacutech
atomaacuterniacutech sil do vnějšiacuteho prostřediacute prostor v okoliacute tělesa i uvnitř něho je magneticky polarizovaacuten a
magnetickeacute předměty se navzaacutejem přitahujiacute či odpuzujiacute v zaacutevislosti na směru vektoru jejich
magnetizace Ve vzdušneacutem prostřediacute lze magnetickou propustnost definovat jako hodnotu přibližně
rovnou permeabilitě vakua
Po odhaleniacute existence magnetismu došlo časem k prudkeacutemu naacuterůstu pokusů se snahou naleacutezt praktickeacute
využitiacute tohoto jevu v lidskeacutem životě Vznik elektrickyacutech strojů prudce zrychlil rozvoj většiny odvětviacute
lidskeacuteho baacutedaacuteniacute
Magnetickeacute pole a jeho siloveacute uacutečinky jsou přiacutetomny při
a) Pohybu elektrickyacutech naacutebojů v obvodu
b) Zmagnetovaacuteniacute magnetik
Kvantitativniacute miacuterou siloveacuteho působeniacute magnetickeacuteho pole je magnetickaacute indukce B
Magnetickeacute pole o indukci 1 T působiacuteciacute na naacuteboj jednoho coulombu kteryacute se pohybuje rychlostiacute 1ms
silou 1 Newtonu jestliže je směr rychlosti naacuteboje a směru působiacuteciacute siacutely kolmyacute
Siacutelu v elektromagnetickeacutem poli působiacuteciacute na jednotkovyacute zkušebniacute naacuteboj v pohybu lze popsat
Lorenzovyacutem vztahem [15]
Ze vztahu je zřejmeacute že rychlost zkušebniacute čaacutestice nemaacute vliv na siloveacute uacutečinky elektrickeacuteho pole
V poli čistě magnetickeacutem kdy je elektrickeacute pole nuloveacute platiacute pro siacutelu vztah
(8)
(9)
22
52 Magnetickyacute moment moment hybnosti a precese momentu hybnosti
Pohybuje-li se elektron po kružnici (obiacutehaacute-li jaacutedro vlivem dostřediveacute siacutely) jsou si jeho magnetickyacute
moment μ a moment hybnosti J uacuteměrneacute Velikost momentu hybnosti elektronu je rovna hmotnosti
elektronu vynaacutesobeneacute jeho rychlostiacute a poloměrem draacutehy kterou opisuje (Obr 51)
Obr 51 Na kruhoveacute draacuteze je magnetickyacute moment μ(q2m)-naacutesobkem momentu hybnosti J[16]
Jeho směr je kolmiacute na rovinu draacutehy Vztah (10) je ne relativistickyacute je však pro atomy dobryacutem
přibliacuteženiacutem
(10)
Magnetickyacute moment tohoto pohybu lze určit jako proud kraacutet obsah plochy kruhu dle vztahu
Proud se vypočiacutetaacute jako naacuteboj kteryacute za jednotku času projde libovolnyacutem bodem draacutehy tj naacuteboj q kraacutet
frekvence kruhoveacuteho pohybu Frekvence je zase rychlost dělenaacute deacutelkou draacutehy takže platiacute
Plocha maacute obsah magnetickyacute moment je tedy možneacute vyjaacutedřit vztahem
Magnetickyacute moment a teacutež moment hybnosti J jsou kolmeacute na rovinu draacutehy Pro orbitaacutelniacute pohyb tedy
platiacute
Pro orbitaacutelniacute pohyb elektronu platiacute
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
23
Magnetismus od orbitaacutelniacuteho pohybu elektronu neniacute jedinyacute existujiacuteciacute druh magnetismu Elektron maacute i
svou vlastniacute rotaci kolem osy Důsledkem je spinovyacute moment hybnosti elektronu neboli vlastniacute
moment hybnosti Pro spinovyacute moment hybnosti se takeacute použiacutevaacute označeniacute spin Z překladu
z angličtiny jde rotace Pojem spin byl zaveden v době kdy se předpoklaacutedalo že jde o rotaci nicmeacuteně
v makrosvětě nemaacute spin analogii a člověk je nucen použiacutet idealizovanou představou rotace [16]
Poměr a je dvakraacutet tak tak velkyacute oproti orbitaacutelniacutemu pohybu elektronu proto je spinovyacute
magnetickyacute moment
Obecně je v každeacutem atomu několik elektronů a tak je celkovyacute moment hybnosti a celkovyacute magnetickyacute
moment daacuten složeniacutem jejich orbitaacutelniacutech a spinovyacutech momentů hybnosti V kvantoveacute mechanice
obecně platiacute že směr magnetickeacuteho momentu izolovaneacuteho atomu maacute opačnyacute směr než moment
hybnosti [16]
Někdy je magnetickyacute moment směsiciacute orbitaacutelniacutech a spinovyacutech přiacutespěvků jejichž vztah můžeme zapsat
Značka g je tzv Landeacuteho faktor a určeniacute jeho velikosti je předmětem kvantoveacute mechaniky
V přiacutepadě atomovyacutech jader figurujiacute naviacutec i spiny protonů a neutronů Pro jaacutedra obecně piacutešeme
Precese pohyb atomovyacutech magnetů v magnetickeacutem poli
Umiacutestěniacutem atomu do magnetickeacuteho pole je magnetickyacute moment ovlivňovaacuten momentem siacutely kteraacute se
jej snažiacute pootočit do směru pole Atomovyacute magnet je jako setrvačniacutek ndash maacute spinovyacute moment hybnosti
Moment siacutely způsobenyacute magnetickyacutem polem proto nedokaacuteže atomovyacute magnet udržet
v daneacutem směru Magnet proto bude vykonaacutevat precesniacute pohyb podobnyacute precesi mechanickeacuteho
setrvačniacuteku[16]
Rotuje-li těleso okolo osy zaznamenaacuteme u něj jistou podobnost v chovaacuteniacute s elementaacuterniacutem atomovyacutem
magnetem o momentu hybnosti
Jevy zjevneacute při rotaci tělesa lze popsat naacutesledujiacuteciacutemi tvrzeniacutemi
Pokud na rotujiacuteciacute těleso nepůsobiacute vnějšiacute siacutely zachovaacutevaacute si osu svojiacute rotace Nenulovyacute moment
siacutely působiacuteciacute na rotujiacuteciacute těleso ovlivňuje osu jeho rotace tiacutem viacutece čiacutem maacute těleso menšiacute
moment hybnosti
Když nutiacuteme rotujiacuteciacute těleso změnit osu svojiacute rotace chovaacute se tak že se snažiacute ztotožnit s osou
vynuceneacute rotace
(16)
(
) (17)
(
) (18)
24
Precese subatomaacuterniacutech čaacutestic v magnetickeacutem poli se s vyacutehodou využiacutevaacute v metodaacutech magnetickeacute
jaderneacute a elektronoveacute paramagnetickeacute rezonance
Nabiacuteziacute se otaacutezka jestli je možneacute určityacutem způsobem převeacutest siloveacute uacutečinky precesniacuteho pohybu
momentu hybnosti na mechanickyacute pohyb v nějakeacutem elektrickeacutem stroji Projevy rezonančniacutech jevů
jsou u všech typů magnetickyacutech rezonanciacute však velice slabeacute a frekvence Larmorovy precese s jakou
vektor magnetickeacuteho momentu rotuje ve vnějšiacutem poli je u elektronů ktereacute jsou přiacutečinou magnetismu
u feromagnetik až v řaacutedech GHzT Tiacutem paacutedem by musel mechanickyacute systeacutem v pracujiacuteciacute v rezonanci
s precesniacute frekvenciacute momentu hybnosti kmitat či rotovat teacutež v řaacutedech GHz nebo v jisteacutem poměru k
prvniacute harmonickeacute teacuteto frekvence
25
6 Nekonvenčniacute elektrickeacute stroje
Podle autorů elektrickyacutem motorů jsou motory založeneacute na jistyacutech principech schopny pracovat s
uacutečinnostiacute překračujiacuteciacute 100 Ve čtvrteacute kapitole hovořiacuteciacute o vakuu je popsaacuten Casimirův jev jako
důsledek narušeniacute symetrie prostorovyacutech fluktuaciacute elektromagnetickyacutech poliacute vakua mezi dvěma
kovovyacutemi deskami Vezmeme-li v uacutevahu teorii o prostoru vyplněneacutem vznikajiacuteciacutemi a zanikajiacuteciacutemi
virtuaacutelniacutemi čaacutesticemi nabiacuteziacute se otaacutezka Je možneacute zkonstruovat systeacutem kteryacute by energii projevujiacuteciacute se
jako fluktuace elektromagnetickyacutech poliacute vakua proměnil na užitečnou elektrickou či mechanickou
energii v takoveacute měřiacutetku aby byl schopnyacute napaacutejet elektrickeacute obvody sveacuteho řiacutezeniacute popř dodaacutevat
vyacutekon do vnějšiacute zaacutetěže Ze znalosti termodynamickyacutech zaacutekonů jasně vypliacutevaacute možnost využitiacute
teplotniacuteho rozdiacutelu dvou prostřediacute k ziacuteskaacuteniacute užitečneacute energie Tepelnaacute čerpadla jsou toho důkazem
Vzhledem k existenci elektromagnetickeacute energie vakua i při absolutniacute nule je možneacute tuto energii
považovat za vstupniacute energii do systeacutemu zobrazeneacuteho blokově na Obr 61
Obr 61 Blokoveacute scheacutema systeacutemu napaacutejeneacuteho energiiacute odčerpaacutevanou z okolniacuteho prostřediacute
Energie vstupuje do systeacutemu z vnějšiacuteho prostřediacute a sloužiacute pro napaacutejeniacute vnějšiacute zaacutetěže i systeacutemu
samotneacuteho
Systeacutem
Vstup energie do systeacutemu
z okolniacuteho prostřediacute
Vyacutestup využitelneacute
formy energie
Energie potřebnaacute pro řiacutezeniacute
systeacutemu se z vyacutestupu navraciacute
zpětnou vazbou
26
61 Johnsonův motor
V roce 1973 pět let po podaacuteniacute přihlaacutešky byl Howardu Johnsonovi udělen patent US 4151431 na
motor s permanentniacutemi magnety V roce 1995 pak patent US 5402021 popisujiacuteciacute magnetickyacute
pohonnyacute systeacutem založenyacute na obdobneacutem principu Oba tyto systeacutemy uacutedajně využiacutevajiacute ke konaacuteniacute praacutece
pouze siacutely permanentniacutech magnetů Ačkoli dnešniacute věda zavrhuje využitiacute vnějšiacutech projevů
subatomaacuterniacuteho pohybu čaacutestic hmoty permanentniacutech magnetů ke konaacuteniacute nepřetržiteacute praacutece v systeacutemu
Johnson uacutedajně připouštiacute že přesně neviacute odkud se energie kterou čerpaacute bere Ale domniacutevaacute se že
může miacutet souvislost s rotaciacute elektronů možnaacute dokonce souvisiacute s dosud nepojmenovanou čaacutesticiacute
V roce 1980 vyšel v dnes již zanikleacutem časopisu Science and Mechanics člaacutenek o Johnsonově motoru
popisujiacuteciacute vzaacutejemneacute interakce mezi magnety rotoru a statoru
Konstrukčniacute uspořaacutedaacuteniacute Johnsonova motoru
Obr 62 Čelniacute pohled do Johnsonova motoru Stator maacute po obvodu rozmiacutestěny tři obloukoviteacute
magnety Rotoroveacute magnety jsou vzaacutejemně odděleny vzduchovyacutemi mezerami [16]
Z Předniacuteho pohledu do motoru na Obr 62 jsou vidět tři obloukoviteacute permanentniacute magnety statoru
pravidelně rozmiacutestěneacute kolem rotoru
Obr 63 Z bočniacuteho pohledu do motoru je patrnaacute šroubovitaacute hřiacutedel kteraacute sloužiacuteciacute k zabrzděniacute stroje
[16]
27
Obr 64 Horniacute pohled na dva obloukoviteacute statoroveacute magnety navzaacutejem posunuteacute a překryacutevajiacuteciacute
magnety rotoru [16]
Obr 65 Průběhy změny indukce během změny polohy jižniacuteho a severniacuteho poacutelu magnetu statoru vůči
rotorovyacutem magnetům
Obr 66 Naznačeniacute pohybu obloukovyacutech magnetů rotoru nad statorovyacutemi magnety
Popis principu
Obr 66 ukazuje některeacute zaacutekladniacute vztahy Plneacute čaacutery představujiacute přitažliveacute siacutely přerušovaneacute čaacutery
představujiacute odpuzovaacuteniacute a dvojiteacute čaacutery v obou přiacutepadech znaacutezorňujiacute dominantniacute siacutely
Na Obr 66 je obloukově zakřivenyacute permanentniacute magnet ve třech po sobě naacutesledujiacuteciacutech polohaacutech nad
pevnyacutemi statorovyacutemi magnety Obr 66 poskytuje alespoň velmi zjednodušenyacute pohled do teorie
28
pohonu pomociacute permanentniacutech magnetů Johnson řiacutekaacute že zakřiveneacute magnety s ostryacutemi konci jsou
důležiteacute protože koncentrujiacute magnetickou energii mnohem uacutečinněji než magnety s tupyacutemi konci Tyto
obloukoviteacute magnety jsou o něco delšiacute než je deacutelka dvou magnetů statoru včetně mezery mezi nimi V
Johnsonově konstrukci jsou dlouheacute
palce
Všechny statoroveacute magnety majiacute severniacute poacutel nahoře a spočiacutevajiacute na podložce vyrobeneacute z materiaacutelu s
vysokou permeabilitou kteraacute pomaacutehaacute koncentrovat silovaacute pole Optimaacutelniacute mezera mezi konci
rotorovyacutech magnetů a statorem je kolem
palce
Když se severniacute poacutel magnetu rotoru nachaacuteziacute nad statorovyacutem magnetem je jiacutem odpuzovaacuten a je ke
statoru přitahovaacuten když prochaacuteziacute nad mezerou mezi statorovyacutemi magnety Přesně opačneacute siacutely působiacute
u jižniacuteho poacutelu rotoroveacuteho magnetu Je přitahovaacuten když prochaacuteziacute nad statorovyacutem magnetem a je
odpuzovaacuten když se nachaacuteziacute nad mezerou
Předniacute poacutel N rotoru je odpuzovaacuten severniacutemi poacutely dvou přilehlyacutech magnetů Ale v zobrazeneacute poloze
magnetu rotoru tyto dvě odpudiveacute siacutely (ktereacute zřejmě působiacute proti sobě) nejsou totožneacute většiacute z obou sil
(dvojitaacute přerušovanaacute čaacutera) překonaacutevaacute druhou siacutelu a taacutehne rotor doleva Tento pohyb vlevo je zrychlen
přitažlivou silou mezi severniacutem poacutelem rotoru a jižniacutem poacutelem v mezeře mezi statorovyacutemi magnety
Současně na druheacutem konci (S) rotoroveacuteho magnetu Deacutelka tohoto magnetu je cca
palce a je
zvolena s ohledem na velikost paacuteru statorovyacutech magnetů a mezery mezi nimi aby přiacutetažliveacute a
odpudiveacute siacutely taacutehly magnety rotoru doleva V tomto přiacutepadě je poacutel S přitahovaacuten severniacutemi poacutely
přilehlyacutech statorovyacutech magnetů ale z důvodu rozměrů rotoroveacuteho magnetu je rotor silněji tažen
doleva (dvojitaacute plnaacute čaacutera) Takeacute zde je s vyacutehodou využito siloveacute působeniacute mezi koncem rotoroveacuteho
magnetu a mezerou mezi magnety statoru V tomto přiacutepadě majiacute oba poacutely stejnou polaritu (S) proto se
vzaacutejemně odpuzujiacute
Je nutneacute dodržet spraacutevnou deacutelku magnetů rotoru Jestliže jsou buď přiacuteliš dlouheacute nebo přiacuteliš kraacutetkeacute
mohou dosaacutehnout nežaacutedouciacute rovnovaacutehy kteraacute znamenaacute konec pohybu Ciacutelem je optimalizovat
všechny siacutely tak aby bylo dosaženo maximaacutelniacute nerovnovaacutehy ale vždy stejnyacutem směrem Když se rotor
otočiacute o 180 stupňů a dostane se na opačnyacute konec draacutehy bude se chovat stejnyacutem způsobem až na to že
se v tomto přiacutekladu bude pohybovat zleva doprava Takeacute musiacuteme poznamenat že jakmile je rotor v
pohybu maacute moment kteryacute pomůže dostat rotorovyacute magnet do sfeacutery vlivu dalšiacuteho paacuteru magnetů
statoru kde ziacuteskaacute dalšiacute moment [25]
29
62 Adamsův motor generaacutetor
Podle informačniacuteho zdroje [26] byl vynaacutelez Roberta Adamse viacutece než 20 let držen v tajnosti Jeho
autorovi bylo vyhrožovaacuteno smrtiacute v přiacutepadě že bude šiacuteřit informace tyacutekajiacuteciacute se principů na nichž jeho
motorgeneraacutetor pracuje Informace byly po letech zveřejněny internetoveacutem magaziacutenu Nexus
Adams ke sveacutemu stroji vytvořil publikaci The Adams pulsed motor generator manual ve ktereacute uvaacutediacute
naacutesledujiacuteciacute obraacutezkoveacute ilustrace Autor v něm teacutež předklaacutedaacute grafy naměřenyacutech průběhů napětiacute pro
různeacute režimy stroje
Robert Adams tvrdiacute Naacuteš vesmiacuter je moře volneacute čisteacute energie A čekaacute jen na to abychom ji začali
využiacutevat
Vlastnosti a vyacutehody Adamsova motor generaacutetoru uvedeneacute Robertem Adamsem
1) Překonaacutevaacute zpětnou elektromotorickou siacutelu kteraacute je probleacutemem všech konvenčniacutech strojů
2) Střiacutedavě zapřahuje ZES tedy zanikajiacuteciacute magnetickeacute pole čiacutemž zvyšuje moment a snižuje
přiacutekon
3) V režimu motorgeneraacutetoru nevyžaduje k vyacuterobě elektrickeacuteho vyacutestupniacuteho vyacutekonu
oddělenyacute motor
4) Pro běh stroje a vyacuterobu vyacutestupniacuteho vyacutekonu využiacutevaacute jedinyacute rotor
5) Všechny poacutely rotoru majiacute stejnou polaritu
6) Statoroveacute hnaciacute vinutiacute a poacutely jsou menšiacutech rozměrů
7) Velikost vzduchoveacute mezery neniacute kritickaacute
8) Nevyžaduje chladiacuteciacute ventilaacutetor
9) Stroj nevyžaduje konstantniacute vstupniacute proud
10) Naacutevrh stroje je naacutesledujiacuteciacute
a) Energie je vede zpět do baterioveacuteho zdroje
b) Magnetickyacute zpětnyacute tah je prakticky nulovyacute
c) Teplota při plneacutem zatiacuteženiacute je polovičniacute ve srovnaacuteniacute s jakyacutemkoliv konvenčniacutem strojem
d) S ohledem na způsob mechanickeacuteho spiacutenaacuteniacute kteryacute zajišťuje zužujiacuteciacute se hvězda
kontaktniacuteho disku je možneacute měnit střiacutedu impulzů
11) V režimu vysokeacute uacutečinnosti stroj čerpaacute energii z prostoru
12) Čiacutem nižšiacute rychlostiacute se otaacutečiacute tiacutem dosahuje vyššiacute uacutečinnosti a krouticiacuteho momentu na rozdiacutel
od konvenčniacutech strojů
13) V rezonančniacutem režimu nejsou přiacutetomny jaloveacute ztraacutety a stroj vykazuje konstantniacute vyacutekon a
moment
14) Jelikož se směr energie ze zdroje neměniacute nejsou přiacutetomny ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy a
hystereziacute
15) Stroj se ve všech pracovniacutech režimech saacutem chraacuteniacute před některyacutemi nepřiacuteznivyacutemi situacemi
ktereacute v jinyacutech přiacutepadech vyžadujiacute doplňujiacuteciacute zařiacutezeniacute
16) Vysokeacute otaacutečky nejsou nutneacute čiacutemž odpadajiacute probleacutemy s nimi spojeneacute
17) Stroj je možneacute elektricky zatiacutežit a počiacutetat s naacuteslednyacutem naacuterůstem vyacutestupniacute energie od 50
přes 100 a to bez přetiacuteženiacute nebo naacuterůstu teploty nad normaacutelniacute pracovniacute teplotu
30
18) Stroj je saacutem o sobě obdivuhodně jednoduchyacute a nevyžaduje draheacute obvody pro řiacutezeniacute
rychlosti [26]
Popis zaacutekladniacute konstrukce
Adamsův motor-generaacutetor je elektrickyacute stroj s permanentniacutemi magnety radiaacutelně uloženyacutemi v rotoru
Stroj je uacutedajně možneacute zkonstruovat v různyacutech konfiguraciacutech podle toho zda požadujeme vyacutestupniacute
vyacutekon spiacuteše elektrickyacute nebo mechanickyacute
Zaacutekladniacute konfigurace stroje určenaacute pro vyacutestup elektrickeacuteho vyacutekonu ze stroje obsahuje tři druhy
statorovyacutech magnetickyacutech poacutelů vhodně rozmiacutestěnyacutech kolem rotoru s permanentniacutemi magnety
1 Permanentniacute magnety rotoru jsou všechny polarizovaacuteny ve stejneacutem směru Tok
magnetickeacute indukce všech vystupuje buď ven nebo dovnitř směrem ke hřiacutedeli
Obr 67 Magnety jsou pro zvyacutešeniacute vyacutekonu stroje uloženy v několika rotorovyacutech sekciacutech
2 Řiacutediacuteciacute poacutely jsou napaacutejeny pulzně v zaacutevislosti na poloze rotoru vůči statoru a to skrze
mechanickyacute komutaacutetor Ciacutevky jsou navinuty na jaacutedra ze kteryacutech vystupuje magnetickyacute tok
v opačneacutem směru oproti toku permanentniacutech magnetů v rotoru Rotor se pohybuje jelikož je
odpuzovaacuten těmito silovyacutemi uacutečinky
Obr 68 Pulzně buzeneacute ciacutevky
31
3 Zpětnovazebniacute poacutely jsou navinuty na magnetickyacutech jaacutedrech a jsou napaacutejeny elektrickou
energiiacute kteraacute se zpětně indukuje do elektrickeacuteho obvodu řiacutediacuteciacutech ciacutevek v důsledku prudkeacuteho
přerušeniacute dodaacutevky proudu Magnetickeacute pole v prostoru vzduchoveacute mezery a rozptylovyacutech
drahaacutech se snažiacute zaacuteniku proudu zabraacutenit čiacutemž vznikaacute prudkyacute energetickyacute skok
Obr 69 Zpětnovazebniacute ciacutevky
4 Generaacutetorickeacute poacutely generujiacute proud do připojeneacute zaacutetěže
Obr 610 Zpětnovazebniacute ciacutevky
5 Permanentniacute poacutely statoru jsou tvořeny feritovyacutemi magnety rozmiacutestěny po obvodu rotoru podle
konfigurace na Obr611a majiacute za uacutečel zvyacutešit mechanickyacute moment rotoru
32
Obr 611 Rozmiacutestěniacute permanentniacutech magnetů po obvodu statoru
Na Obr 612 je princip spiacutenaacuteniacute proudu do ciacutevek statoru řešenyacute prostřednictviacutem mechanickeacuteho
komutaacutetoru ve tvaru čtyřciacutepeacute hvězdy Při otaacutečeniacute dochaacuteziacute v jistyacutech polohaacutech ke spojeniacute kontaktů
dosedajiacuteciacutech na komutaacutetor a proud tekouciacute ciacutevkami v nich vybudiacute magnetickyacute indukčniacute tok kteryacute
svyacutemi uacutečinky odpuzuje permanentniacute magnety v rotoru Na obraacutezku je naznačen princip motoru a
způsob měřeniacute otepleniacute jaacutedra při daneacute mechanickeacute zaacutetěži Do jaacutedra je vyvrtaacuten otvor do nějž je
zasunuta teplotniacute sonda Otepleniacute jaacutedra by nemělo překročit 40 degC
Obr 612 Zaacutekladniacute konstrukce Adamsova motoru sloužiacuteciacute pro demonstraci nastaveniacute vhodneacute velikosti
proudu tekouciacuteho do vinutiacute ciacutevek při požadovaneacute mechanickeacute zaacutetěži
33
Obr 613 Vyacutekres Adamsova motor generaacutetoru s osmi permanentniacutemi magnety v rotoru
stejnosměrnyacutemi pulzniacutemi ciacutevkami a generaacutetorovyacutemi ciacutevkami navinutyacutemi na odlišnyacutech magnetickyacutech
jaacutedrech
Robert Adams ve sveacute publikaci uvaacutediacute na Obr 614 zaznamenaacuteny průběhy hodnot napětiacute na bateriiacutech
postupně připojovanyacutech na elektrickyacute vyacutestup stroje Přičemž hodnota napětiacute na vstupniacute napaacutejeciacute baterii
se měniacute jen nepatrně Na zaacutekladě těchto dat uvedenyacutech v Tab 61 Adams stanovuje uacutečinnost motor
generaacutetoru
Obr 614 Baterie na vyacutestupu jsou postupně dobiacutejeny přičemž velikost napětiacute na vstupniacute baterii se
snižuje jen nepatrně
34
Naacutesledujiacuteciacute tabulka shrnuje vyacutesledky naměřeneacute v grafu na Obr 614
Tab 61 Souhrn vyacutesledků naměřenyacutech hodnot napětiacute na vyacutestupniacutech bateriiacutech
Dokonalejšiacute konstrukce Adamsova motor generaacutetoru
Konstrukce zde popisovanaacute je realizovaacutena jako model pro měřeniacute uacutečinnosti tohoto motoru avšak
s několika podstatnyacutemi konstrukčniacutemi rozdiacutely o nichž se zmiňuji při popisu realizovaneacuteho stroje
Rotor na Obr 615 maacute 7 vyniklyacutech poacutelů rotoru a 8 statorovyacutech jader Je možneacute použiacutet i 6 jader ve
statoru při použitiacute stejneacuteho rotoru Tiacutem však dojde ke sniacuteženiacute uacutečinnost stroje Počet rotorovyacutech a
statorovyacutech poacutelů by neměl byacutet v celočiacuteselneacutem poměru
Obr 615 Konfigurace se 6 poacutely statoru a 7 poacutely rotoru Magnetizačniacute vinutiacute protějšiacutech poacutelů
statoru jsou spojena do seacuterie
Popis principu činnosti během otaacutečeniacute rotou
Na Obr 616 (a) je poacutel rotoru R1 přesně mezi statorovyacutemi poacuteli S1 a S2 a představme si že směřuje k S2
a je jiacutem přitahovaacuten až do chviacutele kdy je v pozici na obr (c) Nyniacute je zarovnaacuten s jaacutedrem statoru jehož
vinutiacutem začne proteacutekat proud kteryacute maacute takovou polaritu aby došlo k odpuzovaacuteniacute rotoroveacuteho poacutelu ze
zarovnaneacute pozice Tiacutem paacutedem je vlivem siloveacute interakce magnetickyacutech polyacute rotoru urychlovaacutem a
proud teče do statoroveacuteho vinutiacute až do chviacutele kdy je vpozici na obr (e) Nyniacute je protějšiacute statororoveacute
jaacutedro zarovnaacuteno s rotorovyacutem poacutelem
Baterie č
(vyacutestup)
Počaacutetečniacute
napětiacute
baterie
[V]
Doba běhu
stroje [h]
Konečneacute
napětiacute baterie
[V]
Naacuterůst
napětiacute
baterie oproti
počaacutetečniacute
hodnotě 102 V
[V]
Uacutečinnost []
1 102 33 1142 122 610
2 1172 15 1184 162 810
3 114 66 1201 181 905
35
Podiacutevejme se co se během toho děje na protějšiacute straně rotoru
Rotorovyacute poacutel R4 na obr (a) je praacutevě zarovnaacutem se statorovyacutem jaacutedrem S5 Tudiacutež je do vinutiacute tohoto
jaacutedra S5 přiveden proud jehož uacutečinky jsou i vtomto přiacutepadě vyvolajiacute odpuzovaacuteniacute poacutelu R4 Proud
vinutiacutem jaacutesdra S5 proteacutekaacute do chviacutele na obr(c) kdy dojde k demagnetizaci statoroveacuteho jaacutedra S2
Obr 617 Vzaacutejemeacute polohy rotoru vůči statorovyacutem poacutelům pro popis principu
Rotor je roztaacutečen těmito silovyacutemi přiacutespěvky
a) Rotorovyacute poacutel je přitahovaacuten ke statorovyacutem magnetickyacutem jaacutedrům vlivem projevu magnetickyacutech
sil permanentniacutech magnetů prostupujiacuteciacutech vzduchovou mezeru a uzaviacuterajiacuteciacutech se přes jaacutedra
statoru
b) Rotor je po zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru se statorovyacutem daacutele roztaacutečen vlivem odpudivyacutech
sil mezi poacutely rotoru a řiacutediacuteciacutemi poacutely statoru Vinutiacute řiacutediacuteciacutech poacutelů je napaacutejeno elektrickyacutemi
impulzy v zaacutevislosti na poloze rotoru vůči statoru Intenzita magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute
mezeře je nejvyššiacute při zarovnaacuteniacute poacutelů statoru a rotoru
Na Obr je pohled do vnitřniacute struktury magnetickeacuteho obvodu popisovaneacuteho stroje
12 podeacutelneacute magnetickeacute poacutely statoru s vysokou permeabilitou
13 rotoroveacute sekce s vyniklyacutemi poacutely
14 hřiacutedel
15 permanentniacute magnety uloženeacute ve středoveacutem pouzdru
16 otvor pro permanentniacute magnety
17 Disk sloužiacuteciacute jako pouzdro magnetů
Obr 618 Pohled na do struktury rotoru
36
Dalšiacutemi motory ktereacute uacutedajně pracujiacute s vysokou jsou Bediniho motor Takahasiho motor a Kawaiův
motor
63 Systeacutem pro přeměnu energie elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute na
elektrickou energii
Americkyacute patent č 5590031 podanyacute 24 července 1994 Franklinem B Meadem a Jackem
Nachamkinem popisuje zařiacutezeniacute přeměňujiacuteciacute vysokofrekvenčniacute elektromagnetickou energii
vakuovyacutech fluktuaciacute vznikajiacuteciacutech jako projev virtuaacutelniacutech čaacutestic teacutež označovanou pojmem bdquozero point
energyldquo na užitečnou elektrickou energii Pojem zero point energy neboli energie nuloveacuteho bodu byl
zaveden vzhledem k faktu že i při teplotě absolutniacute nule (0 K = -27315 degC) vakuum obsahuje energii
fluktuaciacute elektromagnetickyacute poliacute jako důsledek projevů vznikajiacuteciacutech a zanikajiacuteciacutech virtuaacutelniacutech čaacutestic
Na Obr 619 je znaacutezorněn princip zařiacutezeniacute Čiacuteslo 216 symbolizuje vysokofrekvenčniacute
elektromagnetickeacute zaacuteřeniacute Pomociacute litografickeacute technologie jsou vytvořeny dielektrickeacute struktury
(212) a (214) tvaru koule polokoule či disku Tyto struktury jsou velice maleacute a jejich velikost musiacute
byacutet v přiacutemeacutem poměru k vlnoveacute deacutelce elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute Struktury jsou připevněny na
zaacutekladoveacutem substraacutetu (236) a rozloženy do pole (238) Tyto struktury se vlivem působeniacute
elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute pohybujiacute s mnohem menšiacute frekvenciacute než jakou maacute elektromagnetickeacute
zaacuteřeniacute ktereacute jejich pohyb vyvolalo Naacutesledkem pohybu se v anteacuteně (222) indukuje elektrickaacute energie o
využitelneacute frekvenci Jednotliveacute anteacuteny mohou miacutet tvar smyčky nebo mohou byacutet dipoacuteloveacute
Indukovanyacute proud je naacutesledně veden vodiči (226) nebo vlnovodem do primaacuterniacuteho obvodu (228)
transformaacutetoru (232) Kondenzaacutetor (230) sloužiacute pro vyladěniacute rezonančniacuteho obvodu V sekundaacuterniacutem
obvodu je střiacutedavyacute proud usměrněn diodou (234)[17]
Obr 619 Scheacutema zařiacutezeniacute pro přeměnu vysokofrekvenčniacute elektromagnetickeacute energie na využitelnou
formu elektrickeacute energie [14]
37
7 Feromagnetickeacute materiaacutely
Tvar hysterezniacute smyčky magnetickeacuteho materiaacutelu zaacutevisiacute na chemickeacutem složeniacute feromagnetika a na jeho
tepelneacutem zpracovaacuteniacute Z analogie s mechanickou tvrdostiacute rozlišujeme magneticky měkkaacute
feromagnetika kteraacute dobře vedou magnetickyacute tok a tvrdaacute feromagnetika z nichž se vyraacutebiacute
permanentniacute magnety Na Obr71 je naacutezorneacute rozděleniacute magneticky měkkyacutech polotvrdyacutech a tvrdyacutech
materiaacutelů
Obr 71 Rozděleniacute magnetickyacutech materiaacutelů na měkkeacute polotvrdeacute a tvrdeacute
71 Magneticky měkkaacute feromagnetika
Pro vedeneacute magnetickeacuteho toku v magnetickeacutem obvodu motoru je využito měkkyacutech feromagnetik jež
se vyznačujiacute strmou magnetizačniacute křivkou a uacutezkou hysterezniacute smyčkou Majiacute vysokou počaacutetečniacute
a maximaacutelniacute permeabilitu a malou koercivitu Hclt103
Am Často lze hysterezi zanedbat a je možneacute
uvažovat pouze s magnetizačniacute křivkou1
Na trhu s magnetickyacutemi materiaacutely figuruje řada vyacuterobců a distributorů Naacutesledujiacuteciacute z nich jsem
oslovil s prosbou o poskytnutiacute vzorků magnetickyacutech jader pro měřeniacute magnetickyacutech vlastnostiacute
1 aplik
38
711 Vyacuterobci měkkyacutech feromagnetickyacutech materiaacutelů
a) Firma Therma FM
Firma Therma FM vyraacutebiacute magnetickeacute obvody z anizotropniacutech plechů a nabiacuteziacute i izotropniacute
dynamoplechy Materiaacutely pro vyacuterobu jader firma odebiacuteraacute od společnosti ThyssenKrupp
Jaacutedra pro jednofaacutezoveacute transformaacutetory jsem použil jako statoroveacute jaacutedra realizovaneacuteho motoru
Při vyacuterobě naviacutejeno na obdeacutelniacutekoveacute kopyto o rozměrech odpoviacutedajiacuteciacutech požadovaneacute velikosti okna pro
primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Jaacutedro je po navinutiacute z transformaacutetoroveacuteho plechu rozřiacuteznuto na dvě
poloviny jedna z nich je na Obr Xx Po rozřiacuteznutiacute jaacutedra je možneacute nasunout vinutiacute
Obr 72 Fotografie jedneacute poloviny jaacutedra pro jednofaacutezoveacute transformaacutetory
Magnetickeacute vlastnosti jaacutedra vyrobeneacuteho z materiaacutelu M150-30S jsou uvedeny v Tab71
Tab 71 Magnetickeacute vlastnosti jaacutedra stanoveneacute normou EN 10107
Norma Tloušťka
Max ztraacuteta v
jaacutedře při 15 T
[Wkg]
Maximaacutelniacute ztraacuteta
v jaacutedře při 17 T
[Wkg]
Min
J800
Nejmenšiacute
činitel
plněniacute
Typ
EN 10107 mm 50 Hz 50 Hz 60 Hz T PowerCore
M 150-30 S 030 097 150 197 175 0955 C 150-30
Magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelů jakosti M150-30S a M600-50 na Obrxx jsou zrekonstruovaneacute
podle z katalogovyacutech křivek vyacuterobce Thyssen Krupp
39
Obr 73 B-H charakteristiky jader z orientovanyacutech (M150-30S) trafoplechů a
neorientovanyacutechdynamoplechů M600-50
0
05
1
15
2
25
0 250 500 750 1 000 1 250 1 500 1 750 2 000
B [T]
H [Am]
Magnetizačniacute charakteristiky
M150-30S
M600-50
40
b) Firma Vacuumschmelze (VAC)
Tento německyacute vyacuterobce poskytnul dva vzorky toroidniacutech jader s nanokrystalickou strukturou Materiaacutel
je prodaacutevaacuten pod obchodniacutem naacutezvem Vitroperm 500F a vynikaacute velice uacutezkou hysterezniacute smyčkou
vysokou hodnotou magnetickeacute indukce při maleacute koercivitě Zaacutekladniacute složkou Vitropermu je Fe
s přiacuteměsemi Si B Nb a Cu
Tab 72 Magnetickeacute vlastnosti Vitropermu 500F uvedeneacute v katalogu vyacuterobce
Saturačniacute
indukce
Statickaacute
koercivita
Přibližnaacute
rezistivita
Curieho
teplota Permebilita
Měrneacute ztraacutety
(100kHz 03T)
Bs [T] Hc [Am] φ [μΩcm] tc[degC] μi PFe [Wkg]
12 lt3 115 gt600 15000hellip150000 80
Na Obr Xx jsou vyacuterobcem uvedeneacute magnetizačniacute charakteristiky Vitropermu 500F a 250F
v porovnaacuteniacute s typickou charakteristikou feritu
Obr 74 Jaacutedra z Vitropermu 500F dosahujiacute oproti běžneacutemu feritu mnohem vyššiacute magnetickeacute indukce
Je zřejmeacute že cena Vitropermovyacutech jader je oproti feritovyacutem mnohem většiacute a to diacuteky naacuteročneacutemu
vyacuterobniacutemu procesu
Společnost VAC ve sveacutem sortimentu nabiacuteziacute jaacutedra s amorfniacute strukturou s obchodniacutem naacutezvem Vitrovac
Vyraacutebiacute se metodou rychleacuteho tuhnutiacute kdy se na studenyacute buben otaacutečejiacuteciacute se rychlostiacute 100kmh vleacutevaacute
skrze keramickou trysku směs materiaacutelů roztavenaacute na teplotu okolo 1300degC a prudce se ochlazuje
(1000000 Ks) na meacuteně než 400degC v 1ms Tiacutem vznikaacute paacuteska tloušťky 20 μm s amorfniacute strukturou
Na Obr 77 je pro představu vyobrazenaacute krystalickaacute amorfniacute a nanokrystalickaacute struktura materiaacutelu
41
Obr 75 Detail na krystalickou strukturu (vlevo) amorfniacute a nanokrystalickou strukturu (vpravo)
Mezi dalšiacute materiaacutely ktereacute VAC nabiacuteziacute patřiacute materiaacutely pro elektrickeacute stroje a zařiacutezeniacute kde je
požadovaacutena vysokaacute hodnota indukce Tyto materiaacutely jsou znaacutemi pod obchodniacutemi naacutezvy Ultraperm
Vacoperm Mumetall Permax Permenorm Megaperm Trafoperm Vacoflux Vacofer a Vacodur
Pro srovnaacuteniacute jsou na Obrxx magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelů Vacoflux 50 Vacoflux 17 a Fe a
Fe 3 přiacuteměsiacute Si
Obr 76 Statickeacute magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelu Vacoflux 50 a Vcoflux 17 dosahuiacute vyšiacute
hodnoty magnetickeacute indukce nasyceniacute než běžnaacute křemiacutekovaacute ocel s obsahem 3 křemiacuteku a Fe 999
42
c) Firma Magnetics
Společnost Magnetics vyraacutebiacute jaacutedra lisovaacuteniacutem prachovyacutech přiacuteměsiacute se zaacutekladniacute složkou Na trhu jsou
znaacutemy pod označeniacutem High Flux MPP (Magnetics Molypermalloy Powder) Kool Mμ a Xflux
1 Jaacutedra High Flux jsou složena ze 79 Ni 17 Fe a 4 Mo Majiacute nejnižšiacute měrneacute ztraacutety ze
všech prchovyacutech jader
2 Jaacutedra MMP obsahujiacute 81 NI 17 Fe a 2 Mo Majiacute vynikajiacuteciacute vlastnosti jakyacutemi jsou
vysokaacute rezistivita niacutezkeacute hysterezniacute ztraacutety a ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy Z všch jader majiacute největšiacute
permeabilitu tiacutem paacutedem i vyššiacute hodnotu saturace
3 Jaacutedra Kool Mμ jsou vyrobena lisovaacuteniacutem prachu železnyacutech slitin a vykazujiacute nejmenšiacute
magnetostrikci
4 Jaacutedra XFlux obsahujiacute prach Fe s přiacuteměsiacute 65 Si Jsou vhodnaacute pro niacutezkofrekvenčniacute a
středofrekvenčniacute tlumivky
Tab 73 Magnetickeacute vlastnosti jader společnosti Magnetics katalogu vyacuterobce
Materiaacutel High Flux MMP Kool Mμ XFlux
Permeabilita 14-160 14-555 26-125 60
(Bs) [T] 15 075 105 16
Jaacutedra žeelezoprachovaacute byacutevajiacute teacutež označovanaacute jako železovaacute jaacutedra a jsou vyraacuteběna lisovaacuteniacutem
izolovaneacuteho praacutešku z magneticky měkkeacuteho materiaacutelu s niacutezkou koercitivniacute silou a vysokou
permeabilitou V současneacute době z tohoto materiaacutelu vyraacutebějiacute jaacutedra kromě firmy Magnetics jen někteřiacute
vyacuterobci a to předevšiacutem vaacutelcovaacute ladiacuteciacute jaacutedra pro laděniacute feritovyacutech hrniacutečkovyacutech jader a kruhovaacute jaacutedra
pro odrušovaciacute ciacutevky a filtračniacute tlumivky měničů napětiacute Zvyšovaacuteniacute objemu izolačniacute laacutetky vede ke
snižovaacuteniacute permeability jader a změně teplotniacute zaacutevislosti samotneacuteho magnetickeacuteho materiaacutelu jaacutedra a
roztažnostiacute jeho jednotlivyacutech složek Volbou směsi magnetickyacutech prachů je možneacute předem definovat
teplotniacute činitel permeability kteryacute může nabyacutevat klasnyacutech zaacutepornyacutech popř i nulovyacutech hodnot
Průmyslově se vyraacutebějiacute jaacutedra z jemnyacutech magnetickyacutech prachů s odstupňovanou permeabilitou
v rozsahu = 7 až 550 Jaacutedra toroidniacute s permeabilitou 7 až 150 se použiacutevajiacute v laděnyacutech obvodech
filtrů pro odrušovaciacute tlumivky jaacutedra s permeabilitou 90 až 550 v napaacutejeciacutech spiacutenaciacutech zdrojiacutech
Vysokeacute permeability je dosaženo materiaacutelovyacutem složeniacute magnetickyacutech prachů a změnou velikosti zrn
Čiacutem většiacute jsou prachovaacute zrna tiacutem vyššiacute je permeabilita diacuteky zvyacutešeniacute poměru magnetickeacuteho materiaacutelu
vůči izolačniacute laacutetce
43
72 Magneticky tvrdaacute feromagnetika
Magneticky tvrdeacute feromagnetickeacute materiaacutely majiacute magnetizačniacute křivku s malou strmostiacute a širokou
hysterezniacute smyčku Vykazujiacute poměrně malou permeabilitu a velkou koercivitu Hclt25middot103
Am
Použiacutevajiacute se pro permanentniacute magnety Vyacutevoj v oblasti těchto materiaacutelů nechal vzniknout celeacute řadě
magnetů odlišujiacuteciacutemi se magnetickyacutemi vlastnostmi konduktivitou mechanickyacutemi vlastnostmi a
ekonomickyacutemi parametry Tvrdaacute feromagnetika lze rozdělit naacutesledovně
a) Uhliacutekoveacute oceli ndash s obsahem 15 uhliacuteku Daacutele byly zdokonaleny legovaacuteniacutem wolframem
chromem a kobaltem a zakaleniacutem na martenzitickou strukturu Naacutesledně byly vyrobeny
mnohem vyacutehodnějšiacute slitiny železa niklu a hliniacuteku (Al-Ni) přiacutepadně kobaltu (Al-Ni-Co)
mědi či titanu Nevyacutehodou slitin Al-Ni a Al-Ni-Co je značnaacute mechanickaacute tvrdost křehkost a
tiacutem paacutedem i obtiacutežnaacute opracovatelnost
b) Tvrdeacute ferity ndash např barioveacute (BaFe12O19) nebo stroncioveacute (SrFe12O19) ferity s obsahem
přibližně 80 železa a asi 20 oxidu baria BaO nebo stroncia SrO Mohou byacutet izotropniacute a
anizotropniacute Niacutezkaacute cena a spolehlivost předurčuje tyto materiaacutely pro užitiacute v automatizačniacute
řiacutediacuteciacute a měřiciacute technice
c) Magnety ze vzaacutecnyacutech zemin ndash složeniacute na baacutezi samarium-kobalt (SmCo5 a Sm2Co17) nebo na
baacutezi neodym-železo-boacuter (Nd2Fe14B) Vyraacutebiacute se procesy praacuteškoveacute metalurgie lisovaacuteniacutem
v magnetickeacutem poli s naacuteslednyacutem speacutekaacuteniacutem Patřiacute k nejvyacutekonnějšiacutem permanentniacutem
magnetům Použiacutevajiacute se v silnoproudeacute počiacutetačoveacute a řiacutediacuteciacute technice a u elektroakustickyacutech
zařiacutezeniacute
d) Plastoveacute magnety ndash jsou vyraacuteběny ve formě plastoveacute nemagnetickeacute matrice v niacutež je plnidlem
jemnyacute praacutešek z vhodnyacutech slitin (alni alnico tvrdeacute ferity či materiaacutely na baacutezi vzaacutecnyacutech zemin)
Mohou byacutet izotropniacute nebo anizotropniacute Vyraacutebiacute se lisovaacuteniacutem nebo slinovaacuteniacutem při vysokeacute
teplotě do libovolneacuteho tvaru Použiacutevajiacute se v slaboproudeacute technice
Obr 77 Srovnaacuteniacute demagnetizačniacutech charakteristik permanentniacutech magnetů
44
73 Měřeniacute hysterezniacutech charakteristik vzorků magnetickyacutech jader
Pro měřeniacute hysterezniacutech charakteristik byl použit systeacutem Remacomp-C2
Přiacuteprava vzorků magnetickyacutech jader pro měřeniacute na systeacutemu Remacom-C2
Na jaacutedra bylo před měřeniacutem navinuto primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Mezi primaacuterniacutem a sekundaacuterniacutem
vinutiacute byl proveden izolačniacute proklad lepiciacute paacuteskou Průměr vodiče a počet zaacutevitů v primaacuterniacutem (N1) a
sekundaacuterniacutem (N2) vinutiacute je uveden v Tab Na Obr jsou již vzorky připraveny pro měřeniacute
Tab 74 Bližšiacute specifikace rozměrů počet zaacutevitů vinutiacute a průměr vodičů
Vyacuterobce Therma FM Vacuumschmelze Magnetics
Jaacutedro C150-30S Vitroperm 500F KoolMμ
Tvar Obdeacutelniacutekoveacute Toroid Toroid
Vnějšiacute průměr [mm] 64x36 323 274
Vnitřniacute průměr mm] 55x16 178 145
Vyacuteška mm] 13 122 117
N2 [z] 47 53 41
N2 [z] 47 53 41
Průměr vodiče [mm] 075 05 05
Měřeniacute je provedeno při frekvenciacutech 50Hz a 300Hz a maximaacutelniacute intenzitě 250 Am u jader
M150-30S a Vitropermu 500F Materiaacutel KoolMμ byl měřen při maximaacutelniacute intenzitě 5950 Am
z důvodů zachyceniacute maximaacutelniacute hodnoty indukce tohoto jaacutedra Na Obr71 až 715 jsou pro
srovnaacuteniacute hysterezniacute uvedeny charakteristiky měřenyacutech materiaacutelů
Obr 78 Vzorky jader připraveneacute na měřeniacute hysterezniacutech charakteristik Vlevo M150-30S uprostřed
Vitroperm 500F a vpravo KoolMμ
45
Obr 79 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
Obr 710 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=250 Am Bmax=157 T
Obr 711 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=250 Am Bmax=153 T
Při frekvenci 300Hz došlo k nepatrneacutemu sniacuteženiacute hodnoty Bmax oproti 50 Hz Intenzita Hc se
ztrojnaacutesobila
Remacomp-C2 nebyl schopen naměřit hysterezniacute smyčku Vitropermu 500F na Obr zcela bezchybně
46
Obr 712 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z Vitropermu 500F měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=279 Am při 50Hz vykazuje odskoky od skutečneacuteho průběhu
Obr 713 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z Vitropermu 500F měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě
intenzity magnetickeacuteho pole Hmax=279 Am při 300 Hz takeacute vykazuje odskoky od skutečneacuteho průběhu
Při změně frekvence z 50 Hz na 300Hz došlo k naacuterůstu koercitivity o pohyacutech 07 Am Materiaacutel
vykazuje velice malou hodnotu remanentniacute indukce pro obě frekvence
47
Obr 714 Hysterezniacute smyčka jaacutedra Kool Mμ změřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity magnetickeacuteho
pole Hmax=5950 Am při 50 Hz
Obr 715 Hysterezniacute smyčka jaacutedra Kool Mμ změřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity magnetickeacuteho
pole Hmax=5950 Am při 300 Hz
48
731 Vyhodnoceniacute naměřenyacutech vyacutesledků
Nejvyššiacute hodnoty indukce dosahujiacute jaacutedra z plechů M150-30S Koercitivniacute intenzita se u jaacutedra z plechů
M150-30S stejně jako u matriaacutelu KoolMμ při změně frekvence z 50 Hz na 300 Hz ztrojnaacutesobila
Niacutezkaacute cena jader KoolMμ je z hlediska naměřenyacutech veličin odpoviacutedajiacuteciacute Jaacutedra Kool Mμ vykazujiacute
amplitudovou permeabilitu μa pouze 77 Vyacuterobce uvaacutediacute hodnotu μa=125
Nejnižšiacute koercitivniacute intenzita byla naměřena u materiaacutelu Vitroperm 500F Měřeniacute magnetickeacuteho jaacutedra
Vitropermu 500F při 50 Hz prokaacutezalo velice niacutezkou koercitivniacute intenzitu Hc= 1Am kteraacute odpoviacutedaacute
uacutedajům z katalogoveacuteho listu Tento špičkovyacute materiaacutel se použiacutevaacute pro sveacute charakteristickeacute vlastnosti
pro jednofaacutezoveacute a trojfaacutezoveacute magnetickeacute obvody ve spiacutenanyacutech napaacutejeciacutech zdrojiacutech frekvenčniacutech
měničiacutech ale i pro běžneacute tlumivky Struktura tohoto materiaacutelu je velice křehkaacute neboť je navinuta
z 20 μm tenkyacutech vrstev Diacuteky tomu neniacute vhodneacute tato jaacutedra dělit řezaacuteniacutem
49
8 Realizovanyacute Adamsův motor
81 Virtuaacutelniacute model Adamsova motor generaacutetoru a jeho praktickaacute
realizace
Model motoru je vytvořen v programu SolidWorks SolidWorks je mocnyacutem naacutestrojem konstrukteacutera a
nabiacuteziacute snadnou optimalizaci modelu
Po vytvořeniacute jednotlivyacutech diacutelů je možneacute tyto diacutely pomociacute vazeb navzaacutejem svaacutezat a tiacutem daacutet okamžitou
představu o chovaacuteniacute modelu
Při naacutevrhu Adamsova motoru jsem vychaacutezel předevšiacutem z rozměrů magnetickyacutech jader statoroveacute čaacutesti
stroje
811 Stator
a) Jako nosnaacute konstrukce pro jaacutedra statoru uloženiacute ložisek uchyceniacute desky plošnyacutech spojů
optickyacutech senzorů sloužiacute dvě tabule z plexiskla tloušťky 8 mm ktereacute tvořiacute nosnou konstrukci
neboť jsou po obvodu vzaacutejemně spojeny šesti zaacutevitovyacutemi tyčemi o průměru 5 mm Na Obr je
zadniacute nosnaacute tabule plexiskla
Obr 81 Zadniacute nosnaacute deska z plexiskla
Otvor průměru 26 mm nachaacutezejiacuteciacute se uprostřed sloužiacute pro uloženiacute kuličkoveacuteho ložiska Skrze
otvory průměru 51 mm po jeho obvodu prochaacuteziacute šrouby pro přichyceniacute krytů ložiska
Naacutesledujiacute otvory určeneacute pro upevněniacute optickyacutech čidel dřevěneacuteho krytu pro zakrytiacute vodičů
připojenyacutech k vinutiacutem a optickyacutem senzorům Skrze podlouhleacute draacutežky jsou šrouby přitaženy
dřevěneacute držaacuteky statorovyacutech jader Vzhledem ke tvaru draacutežky je zajištěna možnost jejich
50
polohovaacuteniacute vzhledem k rotoru Volnyacute prostor na praveacute straně je určen pro upevněniacute desky
plošnyacutech spojů s elektronickyacutemi součaacutestkami
b) Nosneacute držaacuteky pro jaacutedra statoru jsou použity dřevěneacute špaliacuteky do kteryacutech jsou jaacutedra vlepena
epoxidovou pryskyřiciacute
c) Optočleny TCST 2103 jsou přitaženy k jejich dutyacutem dřevěnyacutem držaacutekům imbusovyacutemi šrouby
průměru 3 mm Skrze dřevěneacute držaacuteky jsou kolmo na směr vyacutevodů optočlenu vyvrtaacuteny otvory
pro zaacutevitoveacute tyče jež spolu s našroubenyacutemi matkami přitahujiacute držaacutek s čidlem jedneacute k zadniacute
desce plexiskla statoroveacute čaacutesti stroje Jistaacute uacuteroveň dotaženiacute matce dovoluje držaacutek s čidlem
nataacutečet a měnit tak okamžik sepnutiacute optočlenu
Obr 82 Optočlen TCST 2103 připevněnyacute k dřevěneacutemu držaacuteku
d) Stejnou vzdaacutelenost mezi dvěma plexiskly statoru zajišťujiacute distančniacute trubice skrze ktereacute
prochaacuteziacute zmiacuteněneacute zaacutevitoveacute tyče spojujiacuteciacute obě zaacutekladoveacute tabule plexiskla Tyto trubice jsou
vyrobeny z kostry stojanu pro sušeniacute praacutedla Z estetickyacutech důvodů je na nich navlečena a
zatavena teplem smršťovaciacute bužiacuterka
Postup vytvořeniacute ciacutevky v SolidWorksu
1 V předniacute rovině skici na Obr je pomociacute os X a Y vytvořen souřadnicovyacute systeacutem potřebnyacute pro
tvorbu zaacutekladniacutech vazeb využityacutech při ryacutesovaacuteniacute
2 Čelniacute pohled na jeden poacutel magnetickeacuteho jaacutedra ve statoru na ktereacute maacute byacutet umiacutestěna jedna
budiacuteciacutech ciacutevek je vytvořen z konstrukčniacutech přiacutemek a okoacutetovaacuten rozměry 13 mm x 11 mm
3 Vnitřniacute rozměry ciacutevky jsou z čelniacuteho pohledu oproti jaacutedru na každeacute straně zvětšeny o 05 mm
tedy o tloušťku foacutelie jež tvořiacute kostřičku ciacutevky a malou vzduchovou mezeru umožňujiacuteciacute volneacute
nasunutiacute ciacutevky na magnetickeacute jaacutedro
4 Poloměr zaobleniacute vnitřniacute čaacutesti kostry ciacutevky je 08 mm
51
Obr 81 Skica naacutevrhu diacutelu
5 Vnějšiacute rozměry ciacutevky jsou daacuteny počtem vrstev zaacutevitů a celkovyacutem činitelem plněniacute ciacutevky
Deset vrstev zaacutevitů vodičem 03 mm spolu s izolačniacute a nosnou kostrou ciacutevky vytvořiacute 4 mm
vysokou vrstvu zaacutevitů v roziacutech zaoblenou se stejně velkyacutem poloměrem 4mm Vnějšiacute a vnitřniacute
zaobleniacute rohů je od rovnyacutech segmentů skici odděleno uacutesečkami čiacutemž je skica dokončena
6 Využitiacutem funkce přidaacuteniacute vytaženiacutem a jejiacute aplikaciacute na jednotliveacute segmenty skici je ciacutevka
symetricky vytažena do prostoru na deacutelku 19 mm Zamiacutetnutiacutem funkce sloučit vyacutesledky při
vytaženiacute jsou všechny segmenty ciacutevky vytvořeny jako samostatneacute objekty čiacutemž odpadaacute
děleniacute modelu v Ansysu
Obr 82 Model ciacutevky
Magnetickaacute jaacutedra použitaacute ve statoru jsou původně určena pro jednofaacutezoveacute jaacutedroveacute transformaacutetory
Jaacutedro transformaacutetoru je při vyacuterobě naviacutejeno na obdeacutelniacutekoveacute kopyto o rozměrech odpoviacutedajiacuteciacutech
požadovaneacute velikosti okna pro primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Jaacutedro je po navinutiacute
z transformaacutetoroveacuteho plechu rozřiacuteznuto na dvě poloviny jak je zřejmeacute z Obr xx čiacutemž je možneacute do
magnetickeacuteho obvodu nasunout primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute
V našem přiacutepadě je pro každeacute magnetickeacute jaacutedro statoru použita pouze jedna polovina zmiacuteněneacuteho
transformaacutetoroveacuteho jaacutedra Okno statoroveacuteho jaacutedra určeneacute pro umiacutestěniacute obou vinutiacute statoru maacute pouze
polovičniacute deacutelku oproti transformaacutetoru a na straně řezu je otevřeno
52
Obr 83 Pohled na uloženiacute vinutiacute
Obě budiacuteciacute ciacutevky jsou nasunuteacute na jednom jaacutedru statoru a jsou totožneacute tj majiacute stejnyacute počet zaacutevitů
vinutyacutech vodičem o stejneacutem průřezu Jsou spojena do seacuterie a spolu s magnetickyacutem jaacutedrem tvořiacute jeden
z osmi statorovyacutech magnetickyacutech obvodů
Na Obr Xx je bližšiacute pohled na rozloženiacute vodičů v průřezu ciacutevkou Každaacute vrstva zaacutevitů ciacutevky obsahuje
63 zaacutevitů v deseti vrstvaacutech
Obr 84 Rozloženiacute zaacutevitů
Počet zaacutevitů v jedneacute ciacutevce je daacuten naacutesobkem počtu zaacutevitů v jedneacute vrstvě a množstviacute vrstev tedy
63x10= 630 zaacutevitů Jelikož jsou obě ciacutevky na magnetickeacutem jaacutedru spojeny do seacuterie celkovyacute počet
zaacutevitů je dvojnaacutesobnyacute tedy 1260 zaacutevitů Protože statorovaacute jaacutedra odděluje od rotoru vzduchovaacute mezera
05 mm jsou obě vinutiacute od konce jaacutedra umiacutestěny ve vzdaacutelenosti 2 mm pro zajištěniacute bezpečneacute
vzdaacutelenosti od otaacutečejiacuteciacuteho se rotoru Naacutesledkem toho se do jedneacute vrstvy ciacutevky vleze menšiacute počet
zaacutevitů bliacuteže zpraženyacutech s magnetickyacutem tokem v jaacutedru
Počet vrstev obou vinutiacute je teacutež omezen a to jednak velikostiacute okna a mezerou 5 mm mezi oběma
vinutiacutemi Tato mezera zajišťuje možnost volneacuteho nasunutiacute vinutiacute na magnetickeacute jaacutedro a umožňuje
lepšiacute odvod tepla do okoliacute
53
Pro dosaženiacute konstantniacute vzduchoveacute mezery mezi vyniklyacutemi poacutely rotoru a jaacutedry ve statoru jsou konce
statorovyacutech jader zbroušeny na poloměr bliacutezkyacute poloměru plechů v rotoru
Kostřička ciacutevky
Pro vyacuterobu kostřiček ciacutevek posloužila plastovaacute folie určenaacute pro krytiacute předniacute strany dokumentu
svaacutezaneacuteho v kroužkoveacute vazbě Po vyřezaacuteniacute a ohnutiacute do požadovaneacuteho tvaru byla a slepena
oboustrannou lepiciacute paacuteskou
Obr 83 Kostřička ciacutevky vyrobenaacute z plastoveacute folie
Naviacutejeniacute ciacutevek
Pro naviacutejeniacute ciacutevek se realizovalo ručniacute naviacuteječkou s mechanickyacutem počiacutetadlem Na Obr84 je vidět že
obě ciacutevky jsou navinuty nepřerušenyacutem vodičem Obě ciacutevky majiacute 630 zaacutevitů
Obr 84 Pro zpevněniacute čel ciacutevek během naviacutejeniacute na plastovou kostřičku posloužily 5mm širokeacute destičky
z pertinaxu Draacutežky v nich vybroušeneacute umožnily zachyceniacute vyacutestupniacuteho vodiče ciacutevky pod navlečenou
gumičku Levaacute destička pertinaxu je odniacutematelnaacute po uvolněniacute dotaženeacuteho šroubu
Hotovaacute ciacutevka navinutaacute na kostřičce z plastoveacute folie je na Obr Po navinutiacute ciacutevky se čela kostřičky
(plastoveacute folie) zahnula přes horniacute vrstvu zaacutevitů a navzaacutejem slepila sekundovyacutem lepidlem
Obr 85 Pohled na ciacutevku zpevněnou kostřičkou z plastoveacute folie
54
Statoroveacute jaacutedro s ciacutevkami
Na každeacute z osmi statorovyacutech jader jsou nasunuty dvě seacuteriově spojeneacute ciacutevky Pro pevneacute zachyceniacute obou
vinutiacute je použit pružnyacute tmel
Obr 86 Pohled na statoroveacute jaacutedro s nasunutyacutem vinutiacutem
Uchyceniacute statorovyacutech jader
Statorovaacute jaacutedra jsou pevně zalepena epoxidovou plyskyřiciacute do dřevěnyacutech sloupků Po obou stranaacutech
sloupku jsou vyvrtaacuteny otvory v nižchž jsou vyřezaacuteny zaacutevity pro šrouby Dotaženiacutem šroubu jsou
sloupky s jaacutedry pevně uchyceny v deskaacutech z plexiskla
Obr 87 Pohled na jaacutedro zalepeneacute v dřevěneacutem držaacuteku
55
812 Rotor
Průměr rotoru a jeho konstrukčniacute řešeniacute je navrženo s ohledem na rozměry jader ve statoru a velkou
hmotnost dynamoplechů
e) Z velikosti okna pro primaacuterniacute vinutiacute je odvozena potřebnaacute vyacuteška permanentniacutech magnetů a
počet vrstev dynamoplechů v rotoru
f) Rozměry hřiacutedele jsou voleny s ohledem na použitaacute kuličkovaacute ložiska o vnitřniacutem průměru 10
mm a hmotnost rotorovyacutech plechů a je počiacutetaacuteno s jistou rezervou v přiacutepadě působeniacute vyššiacutech
momentů setrvačnosti celeacuteho rotoru Hřiacutedel a středoveacute přiacuteruby zajišťujiacute pevneacute přichyceniacute
středoveacuteho pouzdra permanentniacutech magnetů jelikož jsou vzaacutejemně spojeny čtyřmi šrouby
Hřiacutedel a středoveacute přiacuteruby jsou vysoustruženy z mosazi
Obr 88 Hřiacutedel je vysoustruženaacute z mosazneacute kulatiny
Na Obr je pohled na celkovou sestavu rotoru a statorovaacute jaacutedra Ke hřiacutedeli jsou přiacuteruby připevněny
ve čtyřech miacutestech
Obr 89 Pohled na rotor a jaacutedra statoru opatřenaacute vinutiacutem
g) Přiacuteruby pro uchyceniacute středoveacuteho pouzdra rotoru v němž jsou uloženy magnety jsou
vysoustruženy z mosazi stejně tak i přiacuteruba pro komutačniacute disk Přiacuteruby jsou ke hřiacutedeli pevně
dotaženy imbusovyacutemi šrouby
56
Obr 810 Jedna přiacuterub pro upevněniacute středoveacuteho pouzdra magnetů ke hřiacutedeli
h) Středoveacute pouzdro nesouciacute dynamoplechy a magnety je složeno z třiacute vrstev plexiskla tloušťky
2x4 mm + 1x5 mm Maacute tedy tloušťku 13 mm stejně jako vnitřniacute rozměr okna jaacutedra statoru
Přiacuteruby navlečeneacute na hřiacutedeli z obou stran stahujiacute plexiskla středoveacuteho pouzdra čiacutemž je pevně
spojujiacute s hřiacutedeliacute
Obr 811 Středoveacute pouzdro permanentniacutech magnetů
i) Dynamoplechy jsou po obou stranaacutech středoveacuteho pouzdra navrstveny na požadovanou vyacutešku
11 mm což odpoviacutedaacute přiacuteslušneacutemu rozměru jaacutedra v jeho řezu Při tloušťce dynamoplechu 05
mm je na obou stranaacutech pouzdra 22 vrstev dynamoplechu Jak dynamoplechy tak i středoveacute
pouzdro v sobě majiacute vyřezaacuteny otvory pro zaacutevitoveacute tyče a diacuteky matkaacutem dotaženyacutem po obou
stranaacutech rotoru spojujiacute navzaacutejem tyto čaacutesti s hřiacutedeliacute
Obr 812 Jedna sekce rotoru je složenaacute z 22 vrstev dynamoplechů
j) K dobreacutemu staženiacute dynamoplechů nejen v miacutestech kde k nim ze stran přileacutehajiacute matky
přispiacutevajiacute kryciacute kotouče z plexiskla na Obr813
57
Obr 813 Otvorem uprostřed kryciacuteho kotouče prochaacuteziacute hřiacutedel a je možneacute se diacuteky němu dostat na
šrouby připevňujiacuteciacute přiacuteruby rotoru pevně k řčiacutedeli
Vyacuteroba vyniklyacutech poacutelů rotoru
Rotoroveacute plechy jsou do požadovaneacuteho tvaru na Obr814 vyřezaacuteny pomociacute vodniacute pily Tryska
zařiacutezeniacute žene proud vodniacuteho paprsku spolu s abrazivem kolmo na řezanyacute objekt
Obr 814 Skica rotorovyacutech plechů s vyznačenyacutemi miacutesty pro umiacutestěniacute permanentniacutech magnetů
Na Obrxx zachycena vodniacute pila během vyřezaacutevaacuteniacute požadovaneacuteho tvaru rotoru do tabule
dynamoplechu o rozměrech 1x1metr
58
Obr 815 Sniacutemek pořiacutezenyacute během řezaacuteniacute dynamoplechu vodniacutem paprskem s abrazivem
Magnetickaacute čaacutest obvodu obvod rotoru se sklaacutedaacute ze dvou sekciacute mezi nimiž jsou umiacutestěny permanentniacute
magnety ktereacute sloužiacute jako zdroj magnetickeacuteho pole Každaacute sekce je vytvořena navrstveniacutem
dynamoplechů do vrstvy 11 mm Při tloušťce dynamoplechu to odpoviacutedaacute 22 vrstvaacutem v každeacute sekci
Obr 816 Čelniacute pohled na zkompletovanyacute rotor
Komutaacutetor
Komutaacutetor je realizovaacuten průhlednou foacuteliiacute s černyacutem potiskem Pravidelneacute střiacutedaacuteniacute průsvitnyacutech a
černyacutech oblastiacute na foacutelii během otaacutečeniacute rotoru zajišťuje pravidelneacute přerušovaacuteniacute IR paprsku v osmi
optoelektronickyacutech spiacutenačiacutech TCST 2103 rozmiacutestěnyacutech pravidelně okolo obvodu komutačniacute folie
Na foacutelii je sedm černyacutech a sedm průsvitnyacutech vyacutesečiacute což odpoviacutedaacute počtu sedmi vyniklyacutech poacutelů v obou
sekciacutech rotoru oddělenyacutech permanentniacutemi magnety Nastaveniacute optimaacutelniacute uacutehlu natočeniacute komutačniacute
folie bylo stanoveno měřeniacutem pro uacutehly natočeniacute 1285deg 5 deg 0deg a -1285deg Vyacutesledky jsou shrnuty
v zaacutevěru praacutece
59
Obr 817 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 1285deg
Obr 818 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 5deg
Obr 819 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 0deg
Obr 820 Nastaven uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie -1285deg
Na Obr je čelniacute pohled na realizovanyacute komutaacutetor Po obvodu jsou rovnoměrně rozmiacutestěny černeacute
dřevěneacute držaacuteky s optočleny skrze ktereacute prochaacuteziacute uacutezkeacute zaacutevitoveacute tyče zbroušeneacute tak aby uvnitř držaacuteku
nepoškodily přiacutevodniacute vodiče optočlenů Dotaženiacutem matek našroubovanyacutech na zaacutevitoveacute tyče je možneacute
pevně přitaacutehnout
60
Obr 821 Fotorgrafie realizovaneacuteho komutaacutetoru
Obr 822 Podrobnějšiacute pohled s popisem čaacutestiacute
Optoelektronickeacute
spiacutenače TCST 2103
Jaacutedra statoru
Vinutiacute statoru
Komutaacutetor
s regulaciacute předstihu
Vynikleacute poacutely
rotoru
61
Zkompletovanyacute motor
Na Obr jsou na nosneacute desce namontovaacutena statorovaacute jaacutedra
Obr 823 Horniacute pohled na nosnou desku Uprostřed desky je vidět nachaacuteziacute kryt ložiska
Vodiče ciacutevek na magnetickyacutech jaacutedrech jsou zavedeny do bdquočokolaacutedldquo přišroubovanyacutech po bočniacutech
stranaacutech dřevěnyacutech držaacuteků jader
Obr 824 Bočniacute pohled na dřevěneacute držaacuteky jader statoru
Vyacutevody z čokolaacuted jsou protaženy do dřevěneacuteho tunelu zobrazenyacute ze spodniacute strany na Obr kteryacute
sloužiacute jako ochrana před otaacutečejiacuteciacutem se rotorem
Obr 825 Spodniacute strana kryciacuteho tunelu před vyvrtaacuteniacutem otvorů pro přichyceniacute k nosneacute desce
62
Obr 826 Čelniacute pohled na hotovyacute model Adamsova motoru
Obr 827 Redukce připevněnaacute na hřiacutedeli sloužiacute pro zvětšeniacute jejiacuteho průměru při spojeniacute spojeniacute
motoru s dynamometrem
63
82 Elektrickyacute obvod
821 Popis a scheacutema zapojeniacute
Elektronickaacute čaacutest je spiacutenaacutena přerušovaacuteniacutem infračerveneacuteho paprsku dopadajiacuteciacuteho na fototranzistor
v optočlenu Paprsek prochaacuteziacute průsvitnou čaacutestiacute foacutelie ve chviacuteli kdy jsou vynikleacute poacutely rotoru v čelniacute
pozici se statorovyacutemi jaacutedry a ciacutevky umiacutestěneacute na těchto jaacutedrech v nich majiacute vybudit magnetickyacute
indukčniacute tok opačneacuteho směru oproti toku vystupujiacuteciacuteho z rotorovyacutech poacutelů Naacutesledkem siloveacuteho
působeniacute mezi magnetickyacutemi poli rotoru a statoru je rotor roztaacutečen
Obr 828 Scheacutema zapojeniacute elektrickeacuteho obvodu pro řiacutezeniacute motoru Obvod v praveacute čaacutesti obraacutezku za
přerušovanou čarou se opakuje celkem 4x Pro ušetřeniacute miacutesta je tedy zobrazena pouze jedna čtvrtina
zapojeniacute
Elektrickyacute obvod je možneacute rozdělit na čaacutest vyacutekonovou kteraacute je od čaacutesti niacutezko přiacutekonoveacute oddělena
řiacutediacuteciacute elektrodou vyacutekonovyacutech MOSFET tranzistorů IRF540 Na Obr xx je pro zmenšeniacute ušetřeniacute
miacutesta zobrazena pouze jedna čtvrtina čaacutesti scheacutematu elektrickeacuteho obvodu V leveacute čaacutesti scheacutematu jsou
vyznačena miacutesta připojeniacute napaacutejeciacuteho napětiacute Pro laboratorniacute měřeniacute je vhodneacute vzaacutejemně je oddělit
Kladnyacute poacutel stejnosměrneacuteho napaacutejeciacuteho napětiacute o velikosti 5-31 V je pojen k ciacutevkaacutem skrze konektory
L1až L8 k ke statorovyacutem vinutiacutem Stejnosměrneacute napětiacute 10 ndash 35 V DC je připojeno přes stabilizaacutetor
napětiacute 7808 a Rezistory R1 a R2 k optočlenům TCST 2103 ktereacute jsou ve scheacutematu zastoupeny
vyacutevody označenyacutemi EM1 a DET1 Ty Zkratkovitě označujiacute přiacuteslušnyacute emitor IR zaacuteřeniacute (infračervenaacute
dioda) a detektor (fototranzistor pro infračerveneacute spektrum) implementovaneacute v pouzdru optočlenu
Hodnoty odporů jsou stanoveny na zaacutekladě snahy omezit proud řiacutediacuteciacuteho obvodu na nejnižšiacute hodnotu a
zaacuteroveň zachovat spraacutevnou funkci obvodu Jmenovitaacute hodnota proudu emitorem je 20mA Proud
tekouciacute skrze EM1 až EM8 je nastaven předřadnyacutemi rezistory 6K8 na hodnotu cca 1mA Paprsek
prochaacuteziacute skrze průsvitnou čaacutest komutaacutetoru nebo je přerušen černě potištěnou čaacutestiacute Pokud paprsek
dopadaacute na detektor a otviacuteraacute jej a proud může prochaacutezet přes odpory 39K předřazeneacute detektorům Za
detektory jsou napojeny Schmittovi klopneacute obvody na jejichž vstupech se objeviacute napětiacute v přiacutepadě že
je detektor paprskem neosviacutecen Klopneacute obvody jsou napaacutejeny napětiacutem ze stabilizaacutetoru a na sveacutem
64
vyacutestupu majiacute toteacutež napětiacute pokud je na jejich vstupu napětiacute nuloveacute V jednom pouzdře integrovaneacuteho
obvodu 40106N se nachaacuteziacute 6 investujiacuteciacutech hradel Paralelniacutem spojeniacute třiacute je sniacutežen odpor hradla na
třetinu Naacutesleduje vyacutekonovyacute MOSFET tranzistor IRF560 s odporem přechodu elektrod DS v
sepnuteacutem stavu 44m Ω Niacutezkaacute vyacutekonovaacute ztraacuteta těchto tranzistorů snižuje ztraacutetovyacute vyacutekon na minimum
v porovnaacuteniacute s bipolaacuterniacutemi tranzistory Je-li na vstupniacute elektrodu G připojeno kladneacute napětiacute tranzistor
se otevře a umožniacute průchod proudu přiacuteslušnyacutem vinutiacutem připojenyacutem ke konektoru L1až L8
822 Deska plošnyacutech spojů
Deska plošnyacutech spojů vytvořenaacute stejně tak jako scheacutema v programu Eagle
Obr 829 Deska plošnyacutech spojů elektronickeacute ho obvodu z pohledu součaacutestek
Navrženaacute deska plošnyacutech spojů je vyrobena bdquofotocestouldquo Působeniacutem zdroje ultrafialoveacuteho světla
dojde ke změně chemickeacute struktury fotocitliveacute vrstvy kteraacute se nachaacuteziacute v miacutestech prosviacuteceniacute průsvitneacute
předlohy DPS Po rozpuštěniacute osviacuteceneacute vrstvy fotocitliveacuteho laku v hydroxidu sodneacutem byla deska
omyta vodou a odleptaacutena v chloridu železiteacutem
Obr 830 Osvit desky plošnyacutech spojů 11W UV zaacuteřivkou
65
Obr 831 Hotovaacute deska po odvrtaacuteniacute otvorů pro vyacutevody součaacutestek a protaženiacute vodičů do dřevěneacuteho
kryciacuteho tunelu
66
9 Magnetostatickaacute analyacuteza Adamsova motoru
91 Vyacutepočet zjednodušeneacuteho magnetickeacuteho obvodu
911 Feromagnetika v magnetickeacutem obvodu
Permanentniacute magnety použiteacute rotoru jsou neodymoveacute (Nd-Fe-B) s magnetizaciacute N38 a maximaacutelniacute
pracovniacute teplotě 80degC Magnety majiacute tvar vaacutelce Požadovanaacute vyacuteška magnetů je 13 mm a odpoviacutedaacute
přiacuteslušneacutemu rozměru okna jader ve statoru Požadovaneacute vyacutešky bylo dosazeno spojeniacutem magnetu o
vyacutešce 10 mm a magnetu o vyacutešce 3 mm Magnety majiacute průměr 15mm
Demagnetizačniacute charakteristika magnetu je na Obr
Obr 91 Druhyacute kvadrant pracovniacutech hysterezniacutech smyček B(H) a J(H)=B(H)-μ0H
permanentniacuteho magnetu s magnetizaciacute N38 měřeno při 26degC
Magnetickaacute jaacutedra statoru jsou vyrobena z FeSi transformaacutetoroveacuteho plechu s anizotropniacute strukturou o
jakosti M150-30 Materiaacutel maacute poměrně niacutezkou konduktivitu tedy niacutezkeacute ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy
Magnetickeacute čaacutesti rotoru jsou z dynamoplechů izotropniacute struktury o jakosti M600 - 50
Vyacutepočet magnetickeacute indukce a intenzity magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře mezi rotorovyacutem a
statorovyacutem poacutelem
Magnetickyacute obvod se sklaacutedaacute z permanentniacuteho magnetu dvou vyniklyacutech poacutelů rotoru dvou
vzduchovyacutech mezer a jaacutedra statoru
-14
-12
-1
-08
-06
-04
-02
0
02
04
06
08
1
12
14
-1 200 -1 100 -1 000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0
J B [T]
H [kAm]
Demagnetizačniacute charakteristika NdFeB magnetu (N38)
J magnetu
B magnetu
B vakau
HBHmax=473 kAm BHmax=294 kJm3
BBHmax=0612 T B
J
μ0H
HC=-937 kAm
67
Obr 92 Magnetickyacute obvod s permanentniacutem magnetem
Pro středniacute indukčniacute čaacuteru naznačenou v magnetickeacutem obvodu přerušovanou čarou platiacute podle prvniacute
Maxwellovy rovnice v integraacutelniacutem tvaru
kde indexy značiacute M permanentniacute magnet žr železo rotoru v vzduchovou mezeru a žs železo statoru
Železo rotoru (dynamoplechy) a železo statoru (transformaacutetoroveacute plechy) jsou feromagneticky měkkeacute
materiaacutely Pro zjednodušeniacute vyacutepočtu předpoklaacutedaacuteme že jejich permeability tj jejich
magnetickeacute odpory a tedy i magnetickaacute napětiacute a jsou zanedbatelně maleacute
takže pro intenzitu magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře platiacute
Pro magnetickyacute indukčniacute tok permanentniacuteho magnetu platiacute
kde je činitel rozptylu ve vzduchoveacute mezeře a jestliže k rozptylu toku nedochaacuteziacute tak
Magnetickyacute indukčniacute tok ve vzduchoveacute mezeře je vyjaacutedřen
Pro magnetickyacute indukčniacute tok permanentniacuteho magnetu platiacute
takže magnetickaacute indukce ve vzduchoveacute mezeře je
(19)
(20)
(21)
(22)
(23)
BM HM
lM
lžr
lžr
lv
lv
lžs
Bv
Hv
Sv
Sžr Sžs
SM
Hžr
Hžr
Hžs Bžs
Bžr
Bžr
J
S
Sžr
Bv
Hv
68
odtud
Z rovnosti rovnic (19) a (24)
lze vyjaacutedřit magnetickou indukci permanentniacuteho magnetu jako
kde veličina Nd je tzv demagnetizačniacute činitel pro nějž platiacute
Pro dosazeniacute do (24) je zapotřebiacute stanovit hodnotu činitele rozptylu magnetickeacuteho toku ve vzduchoveacute
mezeře Stanoviacuteme odhadem (
Pro dosazeniacute do (24) je daacutele zapotřebiacute stanovit průřez magnetu Při průměru 15 mm je
Průřez vzduchoveacute mezery mezi statorem a rotorem vypočteme jako aritmetickyacute průměr průřezu poacutelu
jaacutedra statoru a průřezu vynikleacuteho poacutelu rotoru Skutečneacute průřezy poacutelu statoru a rotoru lze jednoduše
odečiacutest z virtuaacutelniacuteho modelu v DesignModeleru Ansysu jak je naznačeno na Obr93 a na Obr94
Průřez poacutelu statoroveacuteho jaacutedra SS je dle DesignModeleru 14328 mmsup2
Obr 93 Po označeniacute plochy jaacutedra statoru vypočte DesignModeler jejiacute průřez
(24)
(25)
(26)
(27)
(28)
(29)
69
Průřez vynikleacuteho poacutelu rotoru SR je dle DesignModeleru 29128 mmsup2
Obr 94 Po označeniacute plochy vynikleacuteho poacutelu rotoru vypočte DesignModeler jeho průřez
Po dosazeniacute průřezů je aritmetickyacute průměr průřezu vzduchoveacute mezery
Vyacuteška použiteacuteho magnetu je daacutena součtem vyacutešek dvou na sobě umiacutestěnyacutech magnetů 10mm a 3 mm
tedy =13 mm
Řešenyacute magnetickyacute obvodu obsahuje dvě vzduchoveacute mezery o velikosti 1 mm Celkovaacute deacutelka
vzduchoveacute mezery je daacutena součtem těchto dvou deacutelek tedy =2 mm
Dosazeniacute všech potřebnyacutech hodnot do rovnice (24) vypočiacutetaacuteme demagnetizačniacute činitel
Dosazeniacutem demagnetizačniacuteho činitele do rovnice pro magnetickou indukci magnetu (26) ziacuteskaacuteme
rovnici přiacutemky
jejiacutež průsečiacutek s demagnetizačniacute křivkou permanentniacuteho magnetu na Obrxx stanoviacute pracovniacute bod
permanentniacuteho magnetu
Z grafu na Obr 95 je možneacute odečiacutest hodnotu magnetickeacute indukce permanentniacuteho magnetu v
pracovniacutem bodu BM=1 T a odpoviacutedajiacuteciacute hodnotu intenzity magnetickeacuteho pole HM=1 T
(30)
(31)
70
Obr 95 V průsečiacuteku přiacutemky s demagnetizačniacute charakteristikou se nachaacuteziacute pracovniacute bod P
permanentniacuteho magnetu v magnetickeacutem obvodu se vzduchovou mezerou
Zvětšeniacutem vzduchoveacute mezery v magnetickeacutem obvodu se zvětšiacute demagnetizačniacute činitel Nd tj zvětšiacute se
směrovyacute uacutehel přiacutemky z hodnoty α na hodnotu α1 a pracovniacute bod P se posune do polohy P1 jak je
naznačeno na Obr96
Obr 96 V průsečiacuteku přiacutemky s demagnetizačniacute charakteristikou se nachaacuteziacute pracovniacute bod
permanentniacuteho magnetu
00
02
04
06
08
10
12
14
-1 000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0
J B [T]
H [kAm]
Stanoveniacute pracovniacuteho bodu magnetu na demagnetizačniacute
charakteristice
B magnetu
Bm=-NdHm
BM=1 T
HM=-183 kAm
P
Br=124 T
HC=-937 kAm
71
Zmenšiacute-li se opět vzduchovaacute mezera na původniacute velikost nevraacutetiacute se pracovniacute bod P1 do sveacute původniacute
polohy v bodě P ale do polohy P2 po křivce k2 Smyčka složenaacute z křivek k1 a k2 je malaacute hysterezniacute
smyčka Přibližně ji můžeme nahradit uacutesečkou P1 P2 sviacuterajiacuteciacute s osou H uacutehel β Pohybuje-li se pracovniacute
bod po maleacute hysterezniacute smyčce jde vratneacute změny tj zanikne-li přiacutečina posuvu pracovniacuteho bodu vraciacute
se pracovniacute bod do sveacute původniacute polohy Pohyb pracovniacuteho bodu po hlavniacute hysterezniacute smyčce je
nevratnyacute K podobnyacutem jevům dochaacuteziacute když miacutesto změn vzduchoveacute mezery působiacuteme na permanentniacute
magnet magnetickyacutem polem ktereacute zvětšuje nebo zmenšuje jeho tok Všechny dalšiacute pohyby
pracovniacuteho bodu probiacutehajiacute přibližně po přiacutemce P1 P2 pokud směrovyacute uacutehel α nepřestoupiacute hodnotu uacutehlu
α1 Překročiacute-li tuto hodnotu pohybuje se pracovniacute bod opět po hlavniacute hysterezniacute smyčce a při naacutevratu
zpět k původniacute hodnotě uacutehlu α přechaacuteziacute na novou bdquomalou hysterezniacute smyčku vyznačenou na Obrxx
čaacuterkovaně [20]
Magnetickaacute indukce ve vzduchoveacute mezeře
Intenzita magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře
(32)
(33)
72
92 Vyacutepočet magnetickeacuteho obvodu v ANSYS Workbench
Magnetickaacute indukce - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 97 Pohled na rozloženiacute magnetickeacute indukce v obvodu při I=0A
Obr 98 Zobrazeniacute vektorů magnetickeacute indukce při I=0A
73
Magnetickaacute indukce - horniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 99 Rozloženiacute magnetickeacute indukce při I=0A
Obr 910 Zobrazeniacute vektorů magnetickeacute indukce při I=0A
74
Intenzita magnetickeacuteho pole - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 911 Rozloženiacute intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
Obr 912 Zobrazeniacute vektorů intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
75
Intenzita magnetickeacuteho pole - horniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 913 Rozloženiacute intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
Obr 914 Zobrazeniacute vektorů intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
76
Rozloženiacute siacutely působiacuteciacute na poacutely rotoru vlivem přiacutetažneacute siacutely permanentniacuteho magnetu
Obr 915 Siacutela mezi poacutely rotoru
Přitažlivaacute siacutela mezi poacutely rotoru v miacutestě magnetu je daacutena rozdiacutelem maximaacutelniacute a minimaacutelniacute hodnoty sil
(34)
77
Magnetickaacute indukce při proudu 1 A - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru při
921 Rozběh motoru
Uacutekolem je naleacutezt nejmenšiacute hodnotu proudu tekouciacuteho vinutiacutem statoroveacuteho jaacutedra při ktereacute dojde k
rozběhu motoru Vychaacutezejme z toho že přiacutetažnaacute siacutela působiacuteciacute na jedno jaacutedro statoru ktereacute je
v zarovnaneacute pozici s vyniklyacutemi poacutely rotou musiacute byacutet vlivem proudu tekouciacuteho vinutiacutem
Proud by měl miacutet takovou velikost aby v jaacutedru statoru vybudil magnetickyacute tok opačneacute polarity oproti
magnetickeacutemu toku vystupujiacuteciacuteho z protějšiacuteho vynikleacuteho poacutelu rotoru A to s takovyacutemi silovyacutemi
uacutečinkly aby byl došlo k pootočeniacute rotoru do pozice ve ktereacute se vedlejšiacute vynikleacute poacutely rotoru začnou
přitahovat k vedlejnšiacutemu statoroveacutemu jaacutedru Celyacute proces se poteacute opakuje i u dalšiacutech jader
Středniacute hodnota proudu tiacutemto vinutiacutem se během rozběhu motoru snižuje až na konstntniacute hodnotu
Dojdek k ustaacuteleniacute otaacuteček a doby průchodu proudu jednotlivyacutemi vinutiacutemi
78
Na Obr je graf průběhu siacutely působiacuteciacute na jaacutedro statoru ve směru osy x při změně velikosti proudu
tekouciacuteho vinutiacutem
Obr 916 Průběh siacutely při změně proudu
Z Obr919 je zřejmeacute že nuloveacute siacutely v ose x na jaacutedro statoru bude dosaženo při proudu 700 mA Tudiacutež
proud vědšiacute než 700 mA vyvolaacute odpuzeniacute rotorovyacutech poacutelů a celyacute proces se opakuje i u ostatniacutech
statorovyacutech jader
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
0 100 200 300 400 500 600 700
I [mA]
Fx [N]
Fx=f(I)
Fx= -2841 N
79
Na Obr je naacutezorně vidět zarovnanyacute vyniklyacute poacutel rotoru s jaacutedrem ve statoru
Obr 917 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru se statorovyacutem jaacutedrem při nuloveacute siacutele na magnetickeacute jaacutedro
Obr 918 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru s jaacutedrem ve statoru bez přiacutetomnosti proudu
Prochaacuteziacute-li vinutiacutem proud 700mA půsovyacute ma magnetickeacute jaacutedro ve směru osy x nulovaacute siacutela Rozloženiacute
magnetickeacute indukce je na Obr
α=0deg
Fx=0 N
I=700 mA
α=0deg
Fx=-2841 N
I=0 mA
80
Obr 919 Rozloženiacute indukce v obvodu při proudu tekouciacutem vinutiacute 700mA
Obr 920 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru s jaacutedrem ve statoru při proudu tekouciacutem vinutiacute 700mA
81
922 Průběhy sil působiacuteciacute na rotor během pootočeniacute
Na obr je osa jaacutedra(v praveacutem rohu) zarovnaacutena s osou vynikleacuteho poacutelu rotoru (vyznačeno červeně) a
naacutesledujiacuteciacute vyniklyacute poacutel rotoru je oproti statoroveacutemu jaacutedru (vpravo) pootočen o uacutehel α = -643deg
Obr 921 Při pootočeniacute rotoru o uacutehel α = -643deg působiacute na rotor siacutela ve směru FY= -5645 N
Průběh siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor během nataacutečeniacute proti směru hodinovyacutech ručiček mezi uacutehly
pootočeniacute v meziacutech α= -643deg až 0deg
Hodnoty jsou vypočiacutetaacuteny v Ansysu s krokem 02 deg a proloženy přiacutemkou
Obr 922 Průběh siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor během pootočeniacute od -643deg do 0deg a vyznačeneacute hodnoty
siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor pro hodnoty natočeniacute uacutehlu α= -643deg a -5deg
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
F [N]
α [deg]
Fy=f(α)
α=-643deg FY=-5645 N
Fy= - 5645 N
I=0 mA
82
Obr 923 Průběh siacutely působiacuteciacute na rotor v ose y během pootočeniacute od -643deg do 0deg a vyznačeneacute hodnoty
siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor pro hodnoty natočeniacute uacutehlu α= -643deg a -5deg
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
N [Nmm]
α [deg]
Fx=f(α)
83
10 Měřeniacute na realizovaneacutem motoru
V Tab101 jsou hodnoty odporu jednotlivyacutech vinutiacute měřeneacute při 20 degC
Tab 101 Hodnoty odporů vinutiacute
Časoveacute průběhy napětiacute a proudu byly naměřeny pomociacute profesionaacutelniacuteho dvoukanaacuteloveacuteho USB
osciloskopu Handyscope HS3 s parametry uvedenyacutemi v tabulce Tab102 Spojeniacutem osciloskopu s PC
bylo možneacute pomociacute napěťoveacute a proudoveacute sondy naměřit časoveacute průběhy napětiacute a proudu Použitaacute
proudovaacute sonda disponuje maximaacutelniacutem rozlišeniacutem 100 mVA
Tab 102 Vlastnosti Osciloskopu Handyscope HS3
Vstup Vyacutestup
max vzorkovaciacute frekvence 100MSs vzorkovaciacute frekvence 50MSs
volitelneacute rozlišeniacute 12-16 bitů rozlišeniacute 12 bitů
maximaacutelniacute napětiacute 200V napětiacute 0 plusmn12 V
impedance 1M Ω20pF maximaacutelniacute proud 05 A DC
Na Obr 101 je zachycen časovyacute průběh napětiacute a proudu změřenyacute na jednom z osmi vinutiacute statoru při
napětiacute 30V a mechanickeacute zaacutetěži Mz = 015 Nm
Rc1 Rc2 Rc3 Rc4 Rc5 Rc6 Rc7 Rc8
[Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω]
203 203 205 202 204 205 202 203 2034
84
Obr 101 Změřeneacute průběhy napětiacute a proudu na vinutiacute během zatiacuteženiacute momentem 015Nm
Hodnoty proudu změřeneacute osciloskopem jsou posunuty o stejnosměrnou složku směrem do
zaacutepornyacutech hodnot Tato chyba znehodnocuje naměřeneacute vyacutesledky proudu uvedeneacute v tabulce a
vznikla z neznaacutemeacute přiacutečiny jako důsledek nastaveniacute citlivosti proudoveacute soncy na hodnotu
100mVA
Tab 103 Hodnoty naměřeneacute osciloskopem Handyscope HS3
Umax Umin Up-p Uef Ustř Δt
[V] [V] [V] [V] [V] [ms]
2958 -7996 10992 3401 -0983 1419
Imax Imin Ip-p Ief Istř f
[mA] [mA] [mA] [mA] [mA] [Hz]
26459 -2276 49219 11375 2421 7048
Na Obr je vidět vysokonapěťovaacute špička opačneacute polarity vzhledem k napaacutejeciacutemu napětiacute kteraacute
dosahuje hodnoty -7996 V Vznikaacute důsledkem naacutehleacuteho přerušeniacute dodaacutevky proudu do obvodu ciacutevky
Magnetickeacute pole vytvořeneacute v magnetickeacutem obvodu se po přerušeniacute dodaacutevky proudu kteryacute jej vybudil
snažiacute zabraacutenit sveacute změně a zachovat proud v elektrickeacutem obvodu čiacutemž zpětně do elektrickeacuteho obvodu
vinutiacute indukuje vysokeacute napětiacute opačneacute polarity Dochaacuteziacute ke zpětneacute indukci napětiacute do elektrickeacuteho
obvodu Tento děj vyjadřuje druhaacute Maxwellova rovnice o zaacutekonu elektromagnetickeacute indukce
v diferenciaacutelniacutem tvaru vyjaacutedřeneacute vztahem
85
Na Obr je teacutež patrnyacute zaacutekmit napětiacute na konci zaacuteporneacute napěťoveacute špičky Tento zaacutekmit je způsoben
parazitniacute kapacitou vinutiacute Časovaacute konstanta s jakou děj odezněniacute je daacutena RLC parametry obvodu
Každyacute způsob provedeniacute vinutiacute maacute sveacute charakteristickeacute vlastnosti předevšiacutem vlastniacute kapacitu vinutiacute
V praxi se např požadavek na sniacuteženiacute vlastniacute kapacity vinutiacute u transformaacutetorů realizuje dvěma
způsoby
a) zmenšeniacute napěťoveacuteho rozdiacutelu mezi vrstvami popř sekcemi vinutiacute nebo zmenšeniacutem vzaacutejemneacute
kapacity těchto čaacutestiacute jejich odděleniacutem
b) sniacuteženiacutem dielektrickeacute konstanty konstrukčniacutech materiaacutelů využitiacutem vhodnyacutech izolantů pro
izolaci vodičů
Nejviacutece možnostiacute nabiacuteziacute prvniacute varianta jež se uplatňuje u hraacutezoveacuteho křiacutežoveacuteho i kotoučoveacuteho vinutiacute
Obvykle neniacute uacutečelneacute ani hospodaacuterneacute dělit vinutiacute viacutece než na tři komory Čiacutem nižšiacute bude celkovyacute činitel
vinutiacute tiacutem menšiacute bude kapacita vinutiacute Impregnaciacute vinutiacute se vlastniacute kapacita vinutiacute zvyšuje asi o 30 až
50 V přiacutepadě spojeniacute jednoho vyacutevodu vinutiacute s magnetickyacutem jaacutedrem se vlastniacute kapacita vinutiacute zvětšiacute
přibližně o 20 [19]
Za zaacutepornou vysokonapěťovou špičkou a zaacutekmitem napětiacute způsobenyacutem parazitniacute kapacitou v obvodu
je vidět na Obr půlperioda sinusoveacuteho průběhu napětiacute zaacuteporneacute polarity Toto napětiacute je v obvodu
indukovaacuteno diacuteky průchodu magnetickeacuteho toku vystupujiacuteciacuteho z vyniklyacutech poacutelů rotoru během otaacutečeniacute
Magnetickyacute tok vystupuje z poacutelů rotoru a uzaviacuteraacute se přes jaacutedro statoru čiacutemž v jeho vinutiacute indukuje
napětiacute
(35)
86
Na Obr102 zaacuteznam sinusoveacuteho průběhu napětiacute indukovaneacuteho ve vinutiacute statoroveacuteho jaacutedra ktereacute bylo
odpojeno od napaacutejeniacute
Obr 102 Časovyacute průběh napětiacute indukovaneacuteho ve vinutiacute během otaacutečeniacute rotoru
Obr 103 Časovyacute průběh napětiacute a proudu při napětiacute 30 V a zatiacuteženiacute momentem 005 Nm
87
101 Měřeniacute zaacutekladniacutech charakteristik
Motor byl pro změřeniacute charakteristik spojen s cize buzenyacutem dynamometrem Možnost regulace
zaacutetěžneacuteho momentu změnou odporu kotvy dynamometru a velikostiacute budiacuteciacuteho proudu umožnila
naměřit průběh momentovyacutech mechanickyacutech a rychlostniacutech charakteristik Spojeniacute hřiacutedele
s tachodynamem naviacutec umožnilo měřit indukovaneacute napětiacute během jednotlivyacutech měřeniacute a vypočiacutetat z něj
otaacutečky Na Obr104 je schematicky naznačena soustava dynamometru a motoru pro měřeniacute
zatěžovaciacute charakteristiky motoru
Obr 104 Soustava pro měřeniacute zatěžovaciacutech charakteristik motoru
Pro změřeniacute zaacutekladniacutech charakteristik potřebnyacutech pro vyacutepočet uacutečinnosti motoru byl využit cize buzenyacute
dynamometr s Iab=5 A(10)
102 Vyacutepočet uacutečinnosti
Pro přiacuteklad vyacutepočtu dosadiacuteme do uvedenyacutech vztahů hodnoty veličin při nichž vyšla uacutečinnost motoru
maximaacutelniacute
Jelikož proud tekouciacute do vinutiacute je stejnosměrnyacute stanoviacuteme přiacutekon motoru součinem napětiacute zdroje o
konstantniacute velikosti 31 V s proudem tekouciacutem obvodem
Po dosazeniacute
Vyacutekon motoru je roven
přičemž pro uacutehlovou rychlost vyjaacutedřenou z otaacuteček platiacute vztah
(36)
(37)
(38)
Ua
Rb Umot
88
Po dosazeniacute
Vyacutekon je po dosazeniacute uacutehloveacute rychlosti
Uacutečinnost motoru při zanedbaacuteniacute ztraacutet v elektronickeacutem obvodu je daacutena vyacuterazem
Podiacutelem vyacutekonu a přiacutekonu je vyacuteslednaacute uacutečinnost
(39)
(40)
(41)
(42)
(43)
89
Charakteristiky změřeneacute při změně zaacutetěžneacuteho momentu M=005 až 05 Nm a napětiacute 31V
Obr 105 Změna otaacuteček v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
Obr 106 Změna proudu v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
50
150
250
350
450
550
650
750
850
950
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
n [otmin]
P2 [W]
n=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
0
05
1
15
2
25
3
35
4
2 4 6 8 10 12 14
I [A]
P2 [W]
I=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
90
Obr 107 Změna přiacutekonu v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
Obr 108 Změna uacutečinnosti v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
0
20
40
60
80
100
120
140
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
P1 [W]
P2 [W]
P1=f(P2)
-1285deg
5deg
1285deg
0deg
000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
η []
P2 [W]
η=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
ηmax=355
P2=86 W
91
Obr 109 Změna uacutečinnosti v zaacutevislosti na momentu při U=31V
000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045 05 055 06
η []
M [Nm]
η=f(M)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
ηmax=355
M=019 Nm
0
01
02
03
04
05
06
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000 1 100
M [Nm]
n [otmin]
Momentoveacute charakteristiky motoru
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
92
Charakteristiky změřeneacute při změně napaacutejeciacuteho napětiacute U=5 až 31V M=015 Nm
Obr 1010 Změna proudu v zaacutevislosti na napětiacute při M=015 Nm
Obr 1011 Změna otaacuteček v zaacutevislosti na napětiacute při M=015 Nm
0
02
04
06
08
1
12
14
16
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
I [A]
U [V]
I=f(U)
5deg
0deg
1285deg
-1285deg
I=078 A
0
100
200
300
400
500
600
700
800
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
n [otmin]
U [V]
n=f(U)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
93
Zaacutevěr
Na zaacutekladě existence měřitelneacuteho kvantově mechanickeacuteho projevu Casimirova jevu se člověk alespoň
teoreticky přibliacutežil k pochopeniacute podstaty vakua Pohled na vakuum jako na systeacutem v němž je možno
za jistyacutech okolnostiacute pozorovat vysokofrekvenčniacute elektromagnetickeacute fluktuace i při teplotaacutech bliacutezkyacutech
0K může nabiacutezet novou perspektivu a přiacutestup ke strojům s věčnyacutem pohybem Vnějšiacute projevy
elektromagnetickeacuteho charakteru vakuovyacutech fluktuaciacute nejsou za běžnyacutech okolnostiacute zjevneacute neboť je
v tomto stavu zajištěna jejich symetrie K porušeniacute symetrie však dochaacuteziacute mezi dvěma bliacutezkyacutemi
deskami v Casimirově pokusu
Permanentniacute magnet se v jisteacutem ohledu může jevit jako systeacutem jež svojiacute přiacutetomnostiacute narušuje tuto
symetrii elektromagnetickyacutech fluktuaciacute vakua a tiacutem v okolniacutem prostoru projevuje jeho dynamickou
jinak skrytou povahu formou projevu permanentniacuteho magnetickeacuteho pole V tomto ohledu by mohl byacutet
projev stavu narušeniacute symetrie vakuovyacutech fluktuaciacute uacuteměrnyacute energii vloženeacute do permanentniacuteho
magnetu během procesu magnetovaacuteniacute Tento nekonvenčniacute pohled na permanentniacute magnetismus
umožňuje objasnit vstup energie vakua do systeacutemu s permanentniacutemi magnety jakyacutem by mohl byacutet
např Johnsonův magnetickyacute motor složenyacute pouze z permanentniacutech magnetů Pokud tento motor
opravdu fungoval a vyacuteše nastiacuteněnaacute teorie by byla pravdivaacute neniacute tento systeacutem již možno povařovat za
izolovanyacute od sveacuteho okoliacute neboť samotnaacute povaha vakua by v tomto přiacutepadě umožňovala napaacutejeniacute
tohoto systeacutemu
V tomto ohledu se jeviacute zajiacutemavyacute i systeacutem pro přeměnu energie elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute na
užitečnou elektrickou energii popisovanaacute v šesteacute kapitole V tomto systeacutemu kmitajiacute drobneacute
dielektrickeacute struktury vytvořeneacute např elektronovou litografiiacute vlivem siloveacuteho působeniacute fluktuaciacute
elektromagnetickyacutech poliacute vakua a tiacutem v mikroskopickyacutech anteacutenaacutech mezi strukturami indukujiacute
využitelnou formu energie Tyto kmity jsou v přiacutemeacutem poměru k frekvenci zaacuteřeniacute avšak mnohem nižšiacute
frekvenci Využitiacutem moderniacutech technologickyacutech postupů a vysoce jakostniacutech materiaacutelů se v tomto
ohledu nabiacuteziacute nepřeberneacute možnosti pro experimentovaacuteniacute
Realizace modelu Adamsova motor generaacutetoru kterou jsem prakticky provedl (však pouze ve funkci
motoru) měla za ciacutel stanovit uacutečinnost tohoto systeacutemu neboť informace popisujiacuteciacute tento stroj hovořiacute
teacutež o vstupu energie vakua do tohoto systeacutemu čiacutemž je uacutedajně možno dosaacutehnout uacutečinnosti přesahujiacuteciacute
100 Autor Robert Adams stanovil uacutečinnost sveacuteho motor generaacutetoru na zaacutekladě několik dnů
trvajiacuteciacuteho měřeniacute Měřil průběhy napětiacute na vstupniacute baterii jež stroj napaacutejela a bateriiacutech ktereacute
postupně připojoval na elektrickyacute vyacutestup stroje Během činnosti stroje dochaacutezelo k postupneacutemu
dobiacutejeniacute bateriiacute na vyacutestupu V jisteacutem ohledu jsou hodnoty napětiacute při průběžneacutem měřeniacute určityacutem
ukazatelem uacutečinnosti stroje avšak pro vyacutepočet přesneacute uacutečinnosti daneacute poměrem vyacutekonu a přiacutekonu by
bylo zapotřebiacute do vyacutepočtu zahrnout i proudy prochaacutezejiacuteciacute obvodem
Dynamoplechy (M600-50) pro rotor a transformaacutetorovaacute jaacutedra (M150-30s) pro stator jsem zakoupil u
společnosti Therma FM a permanentniacute magnety přes internetovyacute obchod Unimagnetcz Virtuaacutelniacute
model motoru vytvořenyacute v programu SolidWorks jsem importoval do programu ANSYS Workbench
a provedl v něm magnetostatickou analyacutezu Analyzoval jsem magnetickyacute obvod složenyacute z jedneacute
osminy statoru (pouze jedno jaacutedro) vzduchoveacute mezery a vynikleacuteho poacutelu rotoru při nuloveacutem proudu ve
statoroveacutem vinutiacute Takteacutež jsem magnetickyacute obvod řešil zjednodušenyacutem vyacutepočtem v němž jsem
94
zanedbal reluktanci železa rotoru i statoru rozdiacutel ve tvaru průřezů statorovyacutech i rotorovyacutech poacutelů a
odhadem jsem stanovil činitel rozptylu v okoliacute vzduchoveacute mezery Vypočiacutetal jsem pro danyacute
magnetickyacute obvod demagnetizačniacute činitel a vykresleniacutem přiacutemky byl nalezen pracovniacute bod P
permanentniacuteho magnetu Bod P vytiacutenaacute na přiacuteslušnyacutech osaacutech demagnetizačniacute charakteristiky
odpoviacutedajiacuteciacute hodnoty BM a HM permanentniacuteho magnetu Z nich byly vypočteny hodnoty indukce a
intenzity ve vzduchoveacute mezeře
Hodnoty magnetickeacute indukce a intenzity magnetickeacuteho pole v prostoru vzduchoveacute mezery vypočteneacute
na zaacutekladě zjednodušeniacute obvodu a hodnoty vypočteneacute v ANSYSu se v přiacutepadě indukce lišiacute o hodnotu
0177 T což vzhledem ke zjednodušeniacute vyacutepočtu a odhadu činitele rozptylu přibližně odpoviacutedaacute Rozdiacutel
v hodnotaacutech intenzity magnetickeacuteho pole činiacute 188 kAm což je opět vzhledem k zjednodušeniacutem
vyhovujiacuteciacute hodnota
Pomociacute programu Ansys byla stanovena nejnižšiacute hodnota proudu (700 mA) tekouciacuteho do vinutiacute
vybraneacuteho jaacutedra statoru při jeho zarovnaacuteniacute s rotorovyacutemi poacutely kteraacute způsobiacute vyrušeniacute přiacutetažneacute siacutely
působiacuteciacute na statoroveacute jaacutedro vlivem permanentniacute magnetizace rotoroveacuteho poacutelu Teoreticky proud většiacute
než 700mA způsobiacute pootočeniacute rotoru a naacuteslednyacute rozběh
Daacutele byly graficky stanoveny průběhy sil v osaacutech x a y působiacuteciacutech na rotor během jeho pootočeniacute o
uacutehel 643deg kdy došlo k zarovnaacuteniacute sousedniacutech poacutelů rotoru a statoru
Změřeniacutem zaacutekladniacutech zatěžovaciacutech charakteristik pomociacute dynamometru byly stanoveny průběhy
momentovyacutech charakteristik pro různeacute uacutehly natočeniacute komutačniacuteho disku vzhledem k rotoru Z grafu
průběhu uacutečinnosti v zaacutevislosti na momentu byla odečtena nejvyššiacute hodnota uacutečinnosti motoru 355
pro natočeniacute komutačniacuteho disku o 5deg a odpoviacutedajiacuteciacute zaacutetěžnyacute moment 019 Nm Tato uacutečinnost je v
porovnaacuteniacute se stejně vyacutekonnyacutemi motory běžnyacutech konstrukciacute poměrně niacutezkaacute Jedniacutem z hlavniacutech
faktorů jež ovlivnil vyacuteslednou uacutečinnost je tvar statorovyacutech jader ktereacute majiacute velkou vzduchovou
mezeru Tiacutem paacutedem dochaacuteziacute ke značneacutemu rozptylu toku magnetickeacute indukce skrze prostor mezi
statorovyacutemi poacutely
Natočeniacutem komutačniacuteho disku do polohy 0deg došlo ke značneacutemu sniacuteženiacute uacutečinnosti na hodnotu okolo 14
majiacuteciacute přiacutečinu ve špatneacutem načasovaacuteniacute počaacutetku průchodu proudu do přiacuteslušneacuteho vinutiacute Vzaacutejemneacute
siloveacute působeniacute magnetickyacutech indukčniacutech toků z jaacutedra a rotoru působilo brzdnyacutem uacutečinkem čiacutemž
došlo ke sniacuteženiacute uacutečinnosti motoru
Momentoveacute charakteristiky jsou teacuteměř lineaacuterniacute Největšiacute moment 05 Nm byl naměřen při napětiacute 31
V při 180 otmin a to v přiacutepadě že komutačniacute disk byl pootočen o 1285deg
95
Použitaacute literatura
[1] Hubbertpeak [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwhubbertpeakcomhubbert19561956pdf
[2] Multimediaacutelniacute studijniacute texty z mineralogie [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpmineralogiescimuniczkap_6_2_termodynkap_6_2_termodynhtm
[3] Molecular and cellular immunology Institute of malecular genetics academy of science of the
Czech Republic Praguee [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpmciimgcasczpdfZakony_termodynamikypdf
[4] Uacutestav teoretickeacute fyziky MFF UK [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httputfmffcuniczvyukaOFY016F2001CermakPhtm
[5] Galileo [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpgalileoandeinsteinphysicsvirginiaedumore_stuffflashletsmmexpt6htm
[6] Encyclopedia Britanica [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwbritannicacomEBcheckedtopic600149Evangelista-Torricelli
[7] ABZ slovniacutek ciziacutech slov [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z httpslovnik-cizich-
slovabzczwebphpslovohorror-vacui-horor-vakui
[8] RAFELSKI Johannn a Berndt MUumlLLER The structured vaccum Thinking about nothing
Published electrically 2006 ISBN 3-97144-889-3
[9] Uacutestav jaderneacute fyziky AV ČR veřejnaacute vyacutezkumnaacute instituce [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httphpujfcascz~wagnerpopclanvakuumvakuumhtml_ftn2
[10] Aldebaran [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwaldebaranczbulletin2011_10_kazphp
[11] Aldebaran [online] Casimir - Network 2005 [cit 2014-05-08] Dostupneacute z httpcasimir-
networkfrIMGpdfCasimir_20effectpdf
[12] KVASNICA Jozef Statistickaacute fyzika Vyd 2 Praha Academia 1998 314 s ISBN 80-200-
0676-1
[13] Aldebaran [online] Annenberg learning 2005 [cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwlearnerorgcoursesphysicsvisualanimationhtmlshortname=PHY06_FermiTrap0
3A
[14] Cornell University Library arXivorg [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httparxivorgpdf10115219v1pdf
[15] Fyzikaacutelniacute sekce Matematicko-fyzikaacutelniacute fakulty UK [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpphysicsmffcuniczkfppskriptakurz_fyziky_pro_DSwwwfyzikahtml
[16] FEYNMAN Richard Phillips Feynmanovy přednaacutešky z fyziky s řešenyacutemi přiacuteklady 1 vyd
Havliacutečkův Brod Fragment 2001 806 s ISBN 80-720-0420-4
[17] VALONE Thomas Zero Point Energy The Fuel of the Future United States Integrity
Research Institiute 2007 228 s ISBN 9780964107021
96
[18] KING Moray B Quest for Zero Point Energy Engineering Principles for Free Energy
Engineering Principles for Free Energy United States Integrity Research Institiute 2001 224 s
ISBN 9780932813947
[19] FAKTOR Zdeněk Transformaacutetory a ciacutevky 1 vyd Praha BEN - technickaacute literatura 1999
393 s ISBN 80-860-5649-X
[20] MAYER Daniel a Josef POLAacuteK Metody řešeniacute elektrickyacutech a magnetickyacutech poliacute [vysokošk
učebnice pro elektrotechn fakulty] 1 vyd Praha SNTL 1983 450 s
[21] ABZ slovniacutek ciziacutech slov [online cit 2014-05-12] Dostupneacute z httpslovnik-cizich-
slovabzczwebphpslovohorror-vacui-horor-vakui
[22] Wikipedie [online cit 2014-05-12] Dostupneacute z httpcswikipediaorgwikiVakuum
[23] VALONE Thomas Practical Conversion of Zero-Point Energy Feasibility Study of the
Extraction of Zero-Point Energy from the Quantum Vacuum for the Performance of Useful
Work United States Integrity Research Institiute 2005 90 s ISBN 9780964107083
[24] BEARDEN By John Bedini and TE Free energy generation circuits 2nd ed Santa Barbara
Calif Cheniere Press 2006 806 s ISBN 09-725-1468-6
[25] Straacutenky věnovaneacute potlačovaneacute vědě a zatajovanyacutem vynaacutelezům [online cit 2014-05-08]
Dostupneacute z httpfree-energyxfczJOHNSONSampMhtm
[26] ADAMS Robert The Adams pulsed motor generator manual 46 Landing Roat Whakanate
Nex Zealand 1992
Anotace
Ciacutelem diplomoveacute praacutece nabiacutednout čtenaacuteři informace o nekonvenčniacutech elektrickyacutech strojiacutech o nichž
hovořiacute některeacute publikace odkazy ve spojitosti s energiiacute vakua
Kapitola 2 hovořiacute o přiacutečinaacutech snahy člověka zkonstruovat zařiacutezeniacute na vyacuterobu elektrickeacute energie jež
by bylo ekonomickeacute i ekologickeacute Je zaměřena na probleacutemy spojeneacute s využiacutevaacuteniacutem fosilniacutech paliv
Kapitola 3 popisuje zaacutekony termodynamiky
Kapitola 4 se zaměřuje na vakuum a jeho zajiacutemaveacute vlastnosti Ve spojeniacute s vakuem je popsaacuten
Casimirův efekt jako demonstračniacute přiacuteklad silovyacutech projevů fluktuaciacute elektromagnetickyacutech poliacute ve
vakuu
Kapitola 5 je zaměřena na magnetizmus a zabyacutevaacute se jeho přiacutečinou ve spojitosti s věčnyacutem pohybem
subatomaacuterniacutech čaacutestic
Kapitola 6 uvaacutediacute některeacute nekonvenčniacute elektrickeacute stroje ktereacute jsou uacutedajně schopny pracovat s
koeficientem vyacutekonu COPgt1
Kapitola 7 je věnovaacutena feromagnetickyacutem materiaacutelům možnostem jejich aplikace v elektrickyacutech
strojiacutech a měřeniacute hysterezniacutech charakteristik na vzorciacutech feromagnetickyacutech jader
Kapitola 8 je zaměřena na tvorbu virtuaacutelniacuteho modelu Adamsova pulzniacuteho motoru v programu
SolidWorks zapojeniacute elektrickeacuteho obvodu a praktickou realizaci motoru
Kapitola 9 je zaměřena magnetostatickou analyacutezu modelu v Ansys Workbench
Kapitola 10 je věnovaacutena měřeniacute zatěžovaciacutech charakteristik a stanoveniacute uacutečinnosti motoru
Zaacutevěrem je viacutecekriteriaacutelniacute vyhodnoceniacute vyacuteslednyacutech vlastnostiacute realizovaneacuteho Adamsova motoru
Kliacutečovaacute slova
Nekonvenčniacute elektrickyacute stroj zaacutekony termodynamiky vakuum Casimirův jev magnetickeacute
materiaacutely Johnsonův magnetickyacute motor Adamsův motor generaacutetor měřeniacute momentoveacute
charakteristiky
Abstract
The thesis attempts to prime readers on unconventional electric machines which are often
discussed in the publication in relation to vacuum energy
Chapter 2 tells the story of how such machinery both economic and environmen-friendly in its
very nature came to peoples minds It also discusses fossil fuels related issues
Chapter 3 sums up the thermodynamics laws
Chapter 4 focuses on interesting the vacuum The chapter also briefly touches upon the Casimir
effect
Chapter 5 focuses on magnetism and its source on the background of the eternal movement of
subatomic particles
Chapter 6 lists a number of unconventional electric machines claimed to be able to operate with
COP gt 1
Chapter 7 is dedicated to feromagnetic materials potential application in electric machines and
measuring hysteretic properties of feromagnetic core samples
Chapter 8 discusses modelling the Adams pulsed motor generator using SolidWorks and electric
circuit
Chapter 9 is focus to analysing its magnetostatic properties in Ansys Workbench
Chapter 10 is focus to measuring engine load characteristics and determining engine efficiency
Key Words
Non conventioal electric machine law of thermodynamic vakuum Casimir effect magnetic
materialsJohnson magnetic motor Adams motor generator measurement of speed-torque
characteristic
Seznam použityacutech symbolů a zkratek
Symbol Naacutezev Jednotka
U Energie [J]
W Praacutece [J]
Q Teplo [J]
S Entropie [JmiddotK-1]
T Teplota [K]
V Objem [m3]
P Tlak [Pa]
p Hybnost [kgmiddotmmiddots-1
]
F Siacutela [N]
FCas Casimirova siacutela [N]
d Vzdaacutelenost elektrod [m]
B Magnetickaacute indukce [T]
Br Remanentniacute magnetickaacute indukce [T]
Bmax Maximaacutelniacute magnetickaacute indukce [T]
Bs Saturačniacute magnetickaacute indukce [T]
Bv Magnetickaacute indukce ve vzduchoveacute mezeře [T]
BM Magnetickaacute indukce permanentniacuteho magnetu [T]
Φv Magnetickyacute indukčniacute tok ve vzduchoveacute mezeře [Wb]
Sv Průřez vzduchoveacute mezery [m2]
SM Průřez magnetu [m2]
Ss Průřez poacutelu statoru [m2]
Sr Průřez vynikleacuteho poacutelu rotoru [m2]
H Intenzita magnetickeacuteho pole [Amiddotm-1
]
Hc Koercitivniacute intenzita magnetickeacuteho pole [Amiddotm-1
]
Hmax Maximaacutelniacute intenzita magnetickeacuteho pole [Amiddotm-1
]
Hv Intenzita magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře [Amiddotm-1
]
HM Intenzita magnetickeacuteho pole permanentniacuteho
magnetu
[Amiddotm-1
]
Hžr Intenzita magnetickeacuteho pole železa rotoru [Amiddotm-1
]
Hžs Intenzita magnetickeacuteho pole železa statoru [Amiddotm-1
]
Nd Demagnetizačniacute činitel [-]
lM Deacutelka permanentniacuteho magnetu [m]
lv Deacutelka vzduchoveacute mezery [m]
Činitel rozptylu ve vzduchoveacute mezeře [-]
PFe Měrneacute ztraacutety [Wkg]
E Intenzita elektrickeacuteho pole [Vmiddotm-1
]
q Naacuteboj [C]
qe Naacuteboj elektronu [C]
v Rychlost [mmiddots-1
]
μ Magnetickyacute moment [Amiddotmsup2]
J Moment setrvačnosti [kgmiddotm2]
m Hmotnost [kg]
I Proud [A]
r Poloměr [m]
M Moment siacutely [Nmiddotm]
Mz Zaacutetěžnyacute moment [Nm]
φ Rezistivita [μΩcm]
μ0 Permeabilita vakua [Hmiddotm-1
]
μr Relativniacute permeabilita [-]
P1 Přiacutekon [W]
P2 Vyacutekon [W]
ω Uacutehlovaacute rychlost [rad-1
]
n Otaacutečky [otmiddotmin-1
]
Uacutečinnost []
Δx Změna polohy
Δp Změna hybnosti
Δt Časovaacute změna
ΔE Změna energie
ħ Redukovanaacute Planckova konstanta [Jmiddots]
h Planckova konstanta [Jmiddots]
8
Obsah
1 Uacutevod 10
2 Energetickeacute zdroje ve formě fosilniacutech paliv 11
3 Zaacutekony termodynamiky 12
31 Nultyacute zaacutekon termodynamiky 12
32 Prvniacute zaacutekon termodynamiky 12
321 Perpetuum mobile prvniacuteho druhu 13
33 Druhyacute zaacutekon termodynamiky 13
331 Perpetuum mobile druheacuteho druhu 13
34 Třetiacute zaacutekon termodynamiky 13
4 Vakuum 14
41 Eacuteter vyplňujiacuteciacute praacutezdnyacute prostor 14
42 Heisenbergův princip neurčitosti 16
43 Virtuaacutelniacute čaacutestice 17
44 Casimirův jev 17
441 Casimirova siacutela 18
442 Aparatura pro měřeniacute Casimirova jevu 18
443 Tepelnyacute Casimirův jev 19
5 Magnetismus 21
51 Magnetickeacute pole a jeho siloveacute uacutečinky 21
52 Magnetickyacute moment moment hybnosti a precese momentu hybnosti 22
6 Nekonvenčniacute elektrickeacute stroje 25
61 Johnsonův motor 26
62 Adamsův motor generaacutetor 29
63 Systeacutem pro přeměnu energie elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute na elektrickou energii 36
7 Feromagnetickeacute materiaacutely 37
71 Magneticky měkkaacute feromagnetika 37
711 Vyacuterobci měkkyacutech feromagnetickyacutech materiaacutelů 38
72 Magneticky tvrdaacute feromagnetika 43
73 Měřeniacute hysterezniacutech charakteristik vzorků magnetickyacutech jader 44
9
731 Vyhodnoceniacute naměřenyacutech vyacutesledků 48
8 Realizovanyacute Adamsův motor 49
81 Virtuaacutelniacute model Adamsova motor generaacutetoru a jeho praktickaacute realizace 49
811 Stator 49
812 Rotor 55
82 Elektrickyacute obvod 63
821 Popis a scheacutema zapojeniacute 63
822 Deska plošnyacutech spojů 64
9 Magnetostatickaacute analyacuteza Adamsova motoru 66
91 Vyacutepočet zjednodušeneacuteho magnetickeacuteho obvodu 66
911 Feromagnetika v magnetickeacutem obvodu 66
92 Vyacutepočet magnetickeacuteho obvodu v ANSYS Workbench 72
921 Rozběh motoru 77
922 Průběhy sil působiacuteciacute na rotor během pootočeniacute 81
10 Měřeniacute na realizovaneacutem motoru 83
101 Měřeniacute zaacutekladniacutech charakteristik 87
102 Vyacutepočet uacutečinnosti 87
Zaacutevěr 93
10
1 Uacutevod
Ekologickeacute probleacutemy spojeneacute s těžbou a využiacutevaacuteniacutem fosilniacutech paliv za uacutečelem vyacuteroby elektrickeacute
energie přivaacutediacute lidstvo k naleacutehaveacute potřebě hledat jineacute alternativniacute zdroje Ciacutelem teacuteto praacutece je
nabiacutednout čtenaacuteři informace o zajiacutemavyacutech vlastnostech bdquopraacutezdneacuteho prostoruldquo ve spojitosti s energiiacute
vněm obsaženou Možnosti velice přesneacuteho laboratorniacuteho měřeniacute dnes totiž nabiacuteziacute novyacute pohled na
povahu teacuteto energie Tzv Casimirův jev utvaacuteřiacute novyacute pohled na vakuum jako na systeacutem s dynamickou
povahou kteraacute se za jistyacutech podmiacutenek projevuje silovyacutemi uacutečinky
Představme si systeacutem využiacutevajiacuteciacute pro svou činnost energii vyvěrajiacuteciacute ze zdroje jež se nachaacuteziacute za
hraniciacute našeho vniacutemaacuteniacute daleko za možnostiacute našich smyslovyacutech orgaacutenů naacutem tento zdroj přiacutemo
zprostředkovat Pokud takovyacute systeacutem opravdu existuje existuje zcela jistě i široce rozšiacuteřenaacute barieacutera
lidskeacute neochoty si tuto skutečnost připustit Faktem zůstaacutevaacute že vše je v pohybu od nejmenšiacute struktury
počiacutenaje až po velkeacute teorie konče
Naacutesledujiacuteciacute citaacutet pochaacuteziacute od jednoho z prvniacutech zakladatelů kvantoveacute teorie
bdquoPrincip energie je zaacuteležitost zkušenosti Pokud by tedy jednoho dne měla byacutet jeho všeobecnaacute platnost
zpochybněna což v atomoveacute fyzice neniacute vyloučeneacute pak by se probleacutem perpetua mobile stal naacutehle
aktuaacutelniacutemldquo Max Planck
V přiacutepadě že v prvniacutem momentu nezavrhneme fakt že vlastně neviacuteme kolik toho viacuteme musiacuteme
připustit že je možneacute cokoliv
Počaacutetkem systematickeacuteho zkoumaacuteniacute elektromagnetickyacutech jevů se lidstvu do rukou dostalo mnoho
uacutežasnyacutech strojů a zařiacutezeniacute S vyacutevojem novyacutech materiaacutelů a technologiiacute se staacutele nabiacuteziacute možnosti objevit
noveacute Oblast vyacutevoje magnetickyacutech materiaacutelů neniacute v tomto ohledu vyacutejimkou proto se ve sveacute praacuteci
zabyacutevaacutem i jimi a měřeniacutem jejich hysterezniacutech charakteristik
Na zaacutekladě informaciacute hovořiacuteciacutech o elektrickyacutech strojiacutech ktereacute uacutedajně pracujiacute i bez zjevneacuteho zdroje
vstupniacute energie stojiacute za snahu věnovat tomuto teacutematu alespoň čaacutest sveacute pozornosti Podstata
vesmiacuternyacutech jevů může byacutet totiž daleko za rovnicemi popisujiacuteciacutemi to co je naacutem znaacutemo nyniacute
Jak přihlaacutesil Albert Einstein
bdquoŽaacutedneacute množstviacute pokusů nikdy nemůže dokaacutezat že jsem měl pravdu Jedinyacute pokus však kdykoliv může
dokaacutezat že jsem se myacutelilldquo
V tomto ohledu se v diplomoveacute praacuteci zaměřuji předevšiacutem na motory opředeneacute zvlaacuteštniacutemi informacemi
a pokoušiacutem se o realizaci vzorku Adamsova motoru Vyacutesledky měřeniacute a vyacutepočtů shrnuji v zaacutevěru
praacutece
11
2 Energetickeacute zdroje ve formě fosilniacutech paliv
V současnosti pokryacutevajiacute největšiacute podiacutel energetickeacute spotřeby lidstva zdroje fosilniacutech paliv Zejmeacutena
uhliacute ropa a zemniacute plyn Americkyacute geolog M King Hubbert předložil světu v roce 1956 teorii tzv
Hubbert Peak Theory znaacutemou teacutež pod naacutezvem peak oil Tato teorie se tyacutekaacute dlouhodobeacute těžby a
spotřeby ropy a ostatniacute fosilniacutech paliv Teacutehož roku M K Hubbert nabiacutedl Americkeacutemu ropneacutemu
institutu model tyacutekajiacuteciacute se znaacutemyacutech zaacutesob ropy Podle tohoto modelu měly Spojeneacute staacutety dosaacutehnout
vrcholu produkce ropy mezi rokem 1965 a 1970 Podle M K Hubberta by mělo byacutet vrcholu v
celosvětoveacute produkci ropy dosaženo přibližně o půl stoletiacute později od publikovaacuteniacute jeho teorie [1]
Na Obr 1 je křivka ve tvaru zvonu vytvořenaacute M K Hubbertem na zaacutekladě předpokladu že rezervniacutem
objemem suroveacute ropy je cca 250 miliard barelů Křivka reprezentuje celosvětovou produkci suroveacute
ropy zjištěneacute rezervy a předpoklaacutedaneacute zaacutesoby objeveneacute v budoucnu
Obr 1 Křivka vyacutevoje produkce ropy ve spojenyacutech staacutetech podle M K Hubberta [1]
Produkce ropy kopiacuteruje tvar zvonu tudiacutež v celosvětoveacutem měřiacutetku nedojde k naacutehleacutemu nedostatku ropy
Pokud dosaacutehne celosvětovaacute produkce ropy sveacuteho vrcholu v roce 2000 tak v roce 2020 bude na stejneacute
hodnotě jako v roce 1980 Nicmeacuteně v roce 2020 bude oproti roku 1980 světovaacute populace lidiacute zhruba
dvojnaacutesobnaacute a naacutesledkem značneacuteho zprůmyslněniacute světa bude spotřeba ropy prudce narůstat
Vyacutesledkem snižujiacuteciacutech se zaacutesob ropy je naacuterůst jejiacute ceny Jako naacutesledek nedostatku ropy je možneacute
očekaacutevat vaacutelečneacute konflikty vyspělyacutech zemiacute s ciacutelem ziacuteskat přiacutestup k ropnyacutem zdrojům a udržet si tiacutem
jistou ekonomickou stabilitu Způsoby přeměny energie spalovaacuteniacutem fosilniacutech paliv spojeneacute s
neohleduplnostiacute vůči planetě Zemi a jejiacutem obyvatelům přivaacutediacute člověka k naleacutehaveacute potřebě doplnit a
postupně nahradit staacutevajiacuteciacute energetickeacute zdroje zdroji alternativniacutemi
12
3 Zaacutekony termodynamiky
V dějinaacutech lidstva se objevilo mnoho pokusů o realizaci strojů jež by pracovaly s uacutečinnostiacute většiacute než
100 Snaha realizovat stroj s věčnyacutem pohybem je na programu mnoha konstrukteacuterů i v dnešniacute době
Zejmeacutena na internetu nalezneme mnoho odkazů na různorodeacute konstrukce mechanickyacutech a
elektrickyacutech strojů Zejmeacutena u čistě mechanickyacutech strojů je na prvniacute pohled patrneacute že nemohou
pracovat v nepřetržiteacutem chodu a třeniacute nakonec způsobiacute jejich zastaveniacute Nicmeacuteně lze narazit i na
konstrukce elektrickyacutech strojů doprovaacutezeneacute vlivnyacutem komentaacuteřem jež se opiacuteraacute o teorii kteraacute popisuje
vakuum jako prostor vyplněnyacute energiiacute Na kvantoveacute uacuterovni uacutedajně dochaacuteziacute ve vakuu k
nepřetržityacutem fluktuaciacutem elektromagnetickyacutech poliacute vlivem vzniku a zaacuteniku kladnyacutech a zaacutepornyacutech
virtuaacutelniacutech čaacutestic Bliacuteže se k tomuto fenomeacutenu vraacutetiacutem v naacutesledujiacuteciacute kapitole
Na zaacutekladě interakce s okoliacutem lze systeacutemy rozdělit naacutesledovně
a) izolovaneacute ndash v idealizovaneacutem přiacutepadě např termoska u ktereacute nedochaacuteziacute k vyacuteměně energie ani
hmotnyacutech čaacutestic
b) uzavřeneacute ndash např z obou stran uzavřenaacute trubice u niacutež dochaacuteziacute k vyacuteměně energie s okoliacutem
avšak bez vyacuteměny hmotnyacutech čaacutestic
c) otevřeneacute ndash např strom kteryacute si okoliacutem vyměňuje jak energii tak hmotneacute čaacutestice
31 Nultyacute zaacutekon termodynamiky
Systeacutemy v termickeacute rovnovaacuteze majiacute stejnou teplotu Nultyacute zaacutekon zavaacutediacute teplotu jako
termodynamickou veličinu
32 Prvniacute zaacutekon termodynamiky
Vnitřniacute energie (U) izolovaneacuteho systeacutemu je konstantniacute Změna vnitřniacute energie dU je součtem tepla
ktereacute bylo do systeacutemu dodaacuteno (dQ) a praacutece kteraacute byla na systeacutemu vykonaacutena (dW)
Změnu vnitřniacute energie můžeme zapsat jako
Veličina dW je objemovou praciacute Jde o změnu objemu dV v systeacutemu za konstantniacuteho tlaku P Změna
objemoveacute praacutece se vyjaacutedřiacute rovniciacute
Změnu vnitřniacute energie můžeme zapsat jako
(1)
(2)
(3)
13
Dodaacuteme-li např krystalu energii ve formě tepla vzroste jeho vnitřniacute energie o tolik kolik se
nespotřebuje na praacuteci spojenou s růstem jeho objemu (expanziacute) [2]
321 Perpetuum mobile prvniacuteho druhu
Produkuje nejmeacuteně tolik energie kolik samo spotřebuje Jakmile je jednou stroj spuštěn může
pracovat po neomezeně dlouhou dobu
33 Druhyacute zaacutekon termodynamiky
Druhyacute zaacutekon je postaven na definici entropie kteraacute je extenzivniacute funkciacute definujiacuteciacute stav systeacutemu
Zjednodušeně řečeno entropie definuje neuspořaacutedanost syteacutemu Celkovaacute změna entropie v uzavřeneacutem
systeacutemu je součtem změny entropie uvnitř systeacutemu a entropie kteraacute je do systeacutemu přenesena z jeho
okoliacute Entropii přenaacutešenou do systeacutemu se definuje rovnice (4) kde dQ je dodaneacute teplo a T je teplota
Je zřejmeacute že změna entropie systeacutemu při konstantniacute hodnotě tepla je většiacute při nižšiacute teplotě [2]
Pro reversibilniacute procesy a rovnovaacutežneacute stavy platiacute že změna entropie je nulovaacute dS = 0 Pro spontaacutenniacute
proces v systeacutemu pak platiacute dS gt 0 Můžeme řiacuteci že entropie se nikdy samovolně nezmenšuje [2]
331 Perpetuum mobile druheacuteho druhu
Takeacute nelze sestrojit protože při tepelneacute vyacuteměně těleso o vyššiacute teplotě nemůže samovolně přijiacutemat
teplo od tělesa s nižšiacute teplotou
34 Třetiacute zaacutekon termodynamiky
Jestliže se teplota ideaacutelniacuteho krystalu bliacutežiacute absolutniacute nule bliacutežiacute se nule i jeho entropie [2]
V bliacutezkosti absolutniacute nuly se adiabatickyacute děj přibližuje izotermickeacutemu Tiacutem se ovšem ztraacuteciacute uacutečinnost
libovolneacute ochlazovaciacute metody založeneacute na střiacutedaacuteniacute těchto dějů
Při extreacutemně niacutezkeacute teplotě se projevujiacute zvlaacuteštniacute vlastnosti některyacutech laacutetek jakyacutemi jsou supravodivost a
supratekutost
(4)
14
4 Vakuum
41 Eacuteter vyplňujiacuteciacute praacutezdnyacute prostor
Na zaacutekladě zjištěniacute že zvuk pro sveacute šiacuteřeniacute vyžaduje přenosoveacute meacutedium bylo dřiacuteve předpoklaacutedaacuteno že
i světlo ke sveacutemu přenosu vyžaduje určiteacute prostřediacute Toto meacutedium bylo označeno pojmem eacuteter Eacuteter
byl zaveden nejen pro světlo ale i pro elektřinu magnetismus a teplo Britskyacute fyzik James Clarck
Maxwell zjistil že se elektromagnetickeacute vlny šiacuteřiacute rychlostiacute světla a navrhl existenci pouze jedineacuteho
eacuteteru [3]
Na zaacutekladě Maxwellovyacutech pozorovaacuteniacute provedl Albert Michelson v roce 1881 experiment kteryacute měl
prokaacutezat přiacutetomnost eacuteteru Negativniacute vyacutesledek pokusu byl později zpochybněn a tak byl v roce 1887
pokus mnohem přesněji zopakovaacuten za spolupraacutece Edwarda Morleyho Experiment byl v budoucnu
ještě mnohokraacutet zopakovaacuten avšak původniacute vyacutesledek experimentu byl potvrzen [4]
Na Obr41 je znaacutezorněn princip Michelson-Morleyho experimentu kteryacute jsem doplnil o šipky ve
směru paprsků světla Uprostřed rotujiacuteciacute kruhoveacute aparatury je umiacutestěno polopropustneacute zrcadlo Směr
pohybu eacuteteru vůči aparatuře je znaacutezorněn žlutyacutemi šipkami Ze zdroje světla (vlevo) vychaacuteziacute paprsek a
dopadaacute na polopropustneacute zrcadlo (uprostřed) kde se děliacute na dvě čaacutesti Vzniknou tak dva navzaacutejem
kolmeacute paprsky putujiacuteciacute k zrcadlům po okrajiacutech aparatury kde se opět odraacutežiacute a vracejiacute zpět
k prostředniacutemu polopropustneacutemu zrcadlu Paprsek vracejiacuteciacute se dolů čaacutestečně prochaacuteziacute polopropustnyacutem
zrcadlem směrem dolů ke stiacuteniacutetku a paprsek vracejiacuteciacute se ke středu od leveacuteho zrcadla je odražen takeacute
směrem dolů Čaacutesti obou paprsků tak dopadajiacute na stiacuteniacutetko kde se
a) vzaacutejemně zesiacuteliacute jestliže majiacute stejnou rychlost a dopadajiacute na stiacuteniacutetko se stejnou faacuteziacute
b) vytvořiacute interferenčniacute obrazec v přiacutepadě že pohybujiacuteciacute se eacuteter vůči aparatuře ovlivnil rychlost
jednoho z paprsků
c)
Obr 41 Model demonstrujiacuteciacute princip Michelson- Morleyho experimentu [5]
Experiment existenci takoveacuteho eacuteteru neprokaacutezal a tak se převaacutežnaacute vědeckaacute komunita od představy
eacuteteru odkolonila
15
Neschopnost lidskeacute mysli uchopit praacutezdnyacute prostor dala v historii vzniknout pojmu horror vacui
neboli strach z praacutezdnoty [21]
Italskyacute fyzik a matematik Evangelista Torricelli žijiacuteciacute v 17 stoletiacute vešel do povědomiacute širokeacute
veřejnosti jednak pro vědeckyacute přiacutespěvek v oboru matematiky ale předevšiacutem pro vynalezeniacute
barometru Torricelli při svyacutech pokusech experimentoval s dlouhou skleněnou trubiciacute deacutelky 12 m
kterou naplnil rtutiacute a poteacute ji otevřenyacutem koncem ponořil do naacutedoby plneacute rtuti Pozoroval že velkaacute čaacutest
rtuti v trubici zůstala a nad jejiacute hladinou vnikl vzduchopraacutezdnyacute prostor Stal se tak prvniacutem člověkem
v historii kteryacute vytvořil vzduchopraacutezdno neboli vakuum [7]
Obr 42 Aparatura Evangelisty Torricelliho diacuteky ktereacute vytvořil makroskopickeacute vakuum
Vakuum zastupuje širokou škaacutelu tlaků V technickeacute praxi naleacutezaacute širokeacute praktickeacute využitiacute a je proto
podle velikosti tlaku rozděleno děleno do kategoriiacute ktereacute jsou v Tab 42
Tab 41 Rozděleniacute vakua podle tlakoveacuteho paacutesma a množstviacute hmoty v objemu[22]
Tlakoveacute paacutesmo
Tlak Množstviacute hmoty
v objemu
[Pa] [molekulcm3]
Atmosfeacuterickyacute tlak 101times105 27 x 10
19
Hrubeacute vakuum 10+4
hellip10+2
1019
- 1016
Jemneacute vakuum 10+2
hellip10minus1
1016
- 1013
Vysokeacute vakuum (HV) 10minus1
hellip10minus5
1013
hellip109
Ultra vysokeacute vakuum (UHV) 10minus5
hellip10minus10
109hellip10
4
Extreacutemně vysokeacute vakuum (XHV) lt10minus10
lt104
16
Vynaacutelezce Otto von Guericke demonstroval siacutelu podtlaku analogiiacute s osmi spřaženiacutemi osmi koni kteřiacute
nejsou schopni společnyacutemi silami oddělit dvě poloviny vzduchopraacutezdneacute koule jak ukazuje Obr 43
Obr 43 Osm koniacute neniacute schopno od sebe oddělit dvě poloviny vzduchopraacutezdneacute koule [8]
Zařiacutezeniacute pro tvorbu vakua se nazyacutevaacute vyacutevěva I kdyby se naacutem podařilo sestrojit dokonalou vyacutevěvu
kteraacute by z prostoru odstranila všechny znaacutemeacute hmotneacute čaacutestice prostor by i tehdy nezůstal praacutezdnyacute
Klasickaacute teorie poklaacutedaacute vakuum za praacutezdnyacute prostor bez hmotnyacutech čaacutestic Je však nutneacute přihleacutednout
k faktu že existujiacute teorie a experimenty jež připouštějiacute že vakuum neniacute praacutezdneacute miacutesto toho je plneacute
aktivity a co je ještě důležitějšiacute lze tuto aktivitu využiacutet v našem reaacutelneacutem světě
42 Heisenbergův princip neurčitosti
Velmi důležityacutem zaacutekonem určujiacuteciacutem pravidla v kvantoveacutem světě je Heisenbergův princip neurčitosti
Ten řiacutekaacute že pro současneacute měřeniacute polohy x a hybnosti čaacutestice p nemůže byacutet součin neurčitostiacute v určeniacute
polohy Δx a hybnosti Δp čaacutestice menšiacute než redukovanaacute Planckova konstanta ħ Pro tuto konstantu platiacute
ħ = h2π =105410-34
Js Důsledkem Heisenbergova principu je že se na mikroskopickeacute uacuterovni může
narušovat zaacutekon zachovaacuteniacute energie a to takovyacutem způsobem že součin velikosti tohoto narušeniacute a
doby po kterou trvaacute je menšiacute než redukovanaacute Planckova konstanta V takoveacutem přiacutepadě nelze toto
porušeniacute pozorovat
Heisenbergův princip neurčitosti pro současneacute měřeniacute polohy a hybnosti čaacutestice maacute tvar
(5)
Heisenbergův princip neurčitosti pro současneacute měřeniacute času a energie čaacutestice maacute tvar
(6)
Platnost rovnice (6) vede tomu že ve vakuu mohou existovat velice rychleacute fluktuace energie ktereacute
vznikajiacute jako v důsledku vzniku tzv virtuaacutelniacutech čaacutestic a jejich antičaacutestic ktereacute velice rychle vznikajiacute a
zanikajiacute vlivem vzaacutejemneacute anihilace A to v čase daneacutem Heisenbergovyacutem principem neurčitosti [9]
17
43 Virtuaacutelniacute čaacutestice
Jednaacute se o čaacutestici kteraacute neniacute přiacutemo pozorovatelnaacute je zavedena z důvodu existence řady pozorovanyacutech
jevů Virtuaacutelniacute čaacutestice může existovat diacuteky Heisenbergovu principu neurčitosti a v časoveacutem okamžiku
daneacutem tiacutemto zaacutekonem narušuje zaacutekon o zachovaacuteniacute energie U reaacutelneacute čaacutestice jejiacutež existence nenarušuje
zaacutekon zachovaacuteniacute energie je splněn relativistickyacute vztah mezi celkovou energiiacute čaacutestice E jejiacute hybnostiacute p
a klidovou energiiacute U virtuaacutelniacute čaacutestice tento vztah mezi uvedenyacutemi fyzikaacutelniacutemi veličinami neplatiacute
Virtuaacutelniacute čaacutestice tak může miacutet třeba velmi velkou hybnost a jen velmi malou energii Existence
virtuaacutelniacute čaacutestice je omezena na velice kraacutetkou dobu Při neustaacuteleacutem vzniku a zaacuteniku těchto čaacutestic
vznikajiacute ve vakuu vysokofrekvenčniacute fluktuace elektromagnetickyacutech poliacute různyacutech vlnovyacutech deacutelek [9]
44 Casimirův jev
V roce 1958 holandskyacute fyzik M J Sparnaay předpověděl existenci sil mezi dvěma kovovyacutemi
deskami jejichž přiacutečinou nebylo tepelneacute zaacuteřeniacute Byl zaveden pojem zero point energy (energie
nuloveacuteho bodu) označujiacuteciacute elektromagnetickou energii vyskytujiacuteciacute se ve vakuu při absolutniacute nuloveacute
teplotě [18]
Důkazem existence teacuteto energie je uacutedajně fakt že helium zůstaacutevaacute i při teplotaacutech mezi -272degC až
273degC staacutele v kapalneacutem skupenstviacute a nedojde k jeho přeměně na skupenstviacute pevneacute [17]
Způsob jakyacutem by bylo možneacute projevy virtuaacutelniacutech čaacutestic experimentaacutelně změřit navrhl v roce 1948
holandskyacute fyzik Hendrik Casimir Casimir uvažoval o dvou paralelniacutech elektrodaacutech (zrcadlech)
umiacutestěnyacutech ve vakuu za teploty bliacutezkeacute absolutniacute nule Vně těchto zrcadel vakuoveacute fluktuace
elektromagnetickyacutech poliacute dosahujiacute širokeacuteho spektra energiiacute ovšem v souladu s Heisenbergovyacutemi
relacemi neurčitosti Jinaacute situace nastaacutevaacute mezi elektrodami ktereacute tvořiacute rezonaacutetor Zde mohou vznikat
pouze fluktuace určityacutech vlnovyacutech deacutelek ndash moacutedů rezonaacutetoru Ostatniacute vlnoveacute deacutelky jsou vněm
potlačeny Tato nerovnovaacuteha fluktuaciacute vně elektrod a mezi nimi způsobuje tlakovou siacutelu kteraacute
přitahuje elektrody k sobě Jev se nazyacutevaacute Casimirův jev (efekt) a je makroskopickyacutem projevem
kvantovyacutech jevů stejně jako napřiacuteklad supravodivost nebo supratekutost [10]
Obr 44 Demonstrace Casimirova jevu Dvě kovoveacute desky tvořiacute rezonaacutetor pouze pro některeacute vlnoveacute
deacutelky důsledkem je působeniacute přitažliveacute siacutely mezi těmito deskami [11]
Fluktuace
vakua Casimirovi
desky
18
441 Casimirova siacutela
Casimirův efekt se projevuje jako Casimirova siacutela Casimirovu siacutelu mezi vodivyacutemi elektrodami
způsobuje nerovnovaacuteha mezi kvantovyacutemi fluktuacemi elektromagnetickyacutech poliacute ve vakuu vně
elektrod a mezi nimi [10]
Casimirovu siacutelu lze vypočiacutetat na zaacutekladě vztahu (7) uvedeneacuteho v literatuře[17]
(7)
Na obr45 je graf Prof Dr Davida Iannuzziho kteryacute zobrazuje přibližně exponenciaacutelniacute naacuterůst
publikaciacute pojednaacutevajiacuteciacute o Casimirově vevu Tiacutem dokazuje značnyacute naacuterůst zaacutejmu o tento fenomeacuten
Obr 45 Naacuterůst publikaciacute tyacutekajiacuteciacutech se Casimirova jevu [8]
442 Aparatura pro měřeniacute Casimirova jevu
Laboratorniacute měřeniacute Casimirova jevu v Kalifornskeacute univerzitě v Riverside bylo provedeno na
miniaturniacute aparatuře pro měřeniacute kvantově mechanickyacutech efektů bdquopraacutezdneacuteho prostoruldquo Na Obr 46 je
kulička o průměru 01 mm zobrazenaacute skrze elektronovyacute mikroskop Kulička je umiacutestěna pod hladkou
destičkou (destička neniacute na obraacutezku) Diacuteky kvantově mechanickeacutemu Casimirovu efektu se kulička
k destičce přitahuje Změna pozice kuličky je měřena mikroskopem pro měřeniacute atomaacuterniacutech sil
19
Obr 46 Mikroskopickaacute aparatura pro měřeniacute Casimirova jevu
443 Tepelnyacute Casimirův jev
Při konečneacute teplotě vstupujiacute do hry tepelneacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole a přispiacutevajiacute tak k
siloveacutemu působeniacute mezi elektrodami Tepelneacute fluktuace jsou způsobeny chaotickyacutem pohybem
volnyacutech elektronů v materiaacutelu elektrod Paralelniacute elektrody opět představujiacute rezonaacutetor ve ktereacutem je
možneacute vybudit pouze určiteacute moacutedy Každyacute moacuted představuje stav s přesně určenou energiiacute Tyto stavy
jsou obsazovaacuteny fotony ktereacute reprezentujiacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole Obsazeniacute těchto
hladin popisuje Boseho-Einsteinovo rozděleniacute [10]
Boseho-Einsteinovo rozděleniacute popisuje ve statistickeacute fyzice systeacutemy složeneacute z bosonů tedy čaacutestic se
symetrickou vlnovou funkciacute a celočiacuteselnyacutem spinem Bose-Einsteinovyacutem rozděleniacutem se řiacutediacute napřiacuteklad
fotony je z něj tedy možneacute odvodit napřiacuteklad Planckův vyzařovaciacute zaacutekon [12]
Při nuloveacute teplotě všechny fotony obsadiacute pouze nejnižšiacute energetickou hladinu jak je vidět na Obr 47
S rostouciacute teplotou postupně dochaacuteziacute k obsazovaacuteniacute i dalšiacutech vyššiacutech energetickyacutech hladin Mezi
zrcadly vznikaacute dalšiacute přitažlivaacute siacutela kteraacute ovšem zaacutevisiacute na teplotě Jednaacute se tedy o tepelnyacute Casimirův
jev
Obr 47 Vlevo zaujiacutemajiacute bosony při teplotaacutech bliacutezkyacutech absolutniacute nule jedinyacute stav s nejnižšiacute energiiacute Se
vzrůstajiacuteciacute teplotou bosony (vpravo) postupně obsazujiacute stavy s vyššiacute energiiacute [13]
Přestože tepelnyacute Casimirův jev byl teoreticky předpovězen Jevgenijem Lifšicem v roce 1955 dočkal
se sveacuteho objevu až v roce 2010 Tento uacutekol se podařilo zvlaacutednout skupině vědců na americkeacute Yaleově
univerzitě Tepelneacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole byly opět měřeny prostřednictviacutem přitažliveacute
siacutely mezi dvěma elektrodami Připravit dokonale rovinneacute paralelniacute plochy je poměrně obtiacutežneacute a proto
20
byl experiment provaacuteděn s jednou rovinnou elektrodou a druhou elektrodou ve tvaru kuloveacute plochy
Obě elektrody byly vyrobeny ze zlata s přesnostiacute 10 nm (kulovaacute elektroda) a 1 nm (rovinnaacute elektroda)
Siacutela mezi elektrodami byla měřena pomociacute torzniacuteho kyvadla kde torzniacute siacutela wolframoveacuteho draacutetku o
průměru 25 μm byla vyrovnaacutevaacutena přitažlivou silou mezi elektrodami Kapacitniacute polohovyacute senzor
sniacutemal vyacutechylku torzniacuteho kyvadla Celyacute experiment probiacutehal při teplotě 300 K [14]
Obr 48 Scheacutema zařiacutezeniacute pro měřeniacute tepelneacuteho Casimirova jevu (pohled shora) [14]
Naměřeneacute vyacutesledky byly porovnaacutevaacuteny se dvěma teoretickyacutemi modely ndash plazmovyacutem modelem a
Drudeho modelem Tyto modely popisujiacute chovaacuteniacute permitivity elektrod v zaacutevislosti na frekvenci
Naměřeneacute vyacutesledky ukazujiacute shodu s Drudeho modelem při teplotě 300 K Podle tohoto modelu tepelnaacute
přitažlivaacute siacutela roste lineaacuterně s teplotou a klesaacute s druhou mocninou vzdaacutelenosti To znamenaacute že zatiacutemco
Casimirova siacutela převlaacutedaacute na velmi malyacutech vzdaacutelenostech tepelnaacute Casimirova siacutela dominuje na
velkyacutech vzdaacutelenostech Na obraacutezku niacuteže je znaacutezorněna přitažlivaacute siacutela naacutesobenaacute druhou mocninou
vzdaacutelenosti v zaacutevislosti na vzdaacutelenosti mezi elektrodami Podle Drudeho modelu bychom měli dostat
konstantniacute zaacutevislost v miacutestech kde převlaacutedaacute siacutela způsobenaacute tepelnyacutemi fluktuacemi Z Obr 49 je
patrneacute že od vzdaacutelenosti přibližně 3 μm daacutele dostaacutevaacuteme přibližně konstantniacute zaacutevislost [14]
Obr 49 Na vzdaacutelenostech většiacutech než 3 μm dochaacuteziacute ke změně charakteru přitažliveacute siacutely Převlaacutedaacute zde
siacutela způsobenaacute tepelnyacutemi fluktuacemi zatiacutemco na menšiacutech vzdaacutelenostech se viacutece uplatňuje siacutela
pochaacutezejiacuteciacutech z kvantovyacutech fluktuaciacute vakua [14]
21
5 Magnetismus
51 Magnetickeacute pole a jeho siloveacute uacutečinky
Fakt že některeacute nerosty s obsahem železa a jeho oxidů jeviacute jisteacute vzaacutejemneacute siloveacute působeniacute vedlo
člověka k vyacutezkumu hlubšiacute podstaty tohoto fenomeacutenu Magnetismu znaacutemeacutemu již ze středověku začala
byacutet později věnovaacutena značnaacute pozornost předevšiacutem diacuteky poznatku že lze vnějšiacute magnetickeacute pole
vyvolat průchodem proudu nosičů elektrickyacutech naacutebojů elektrickyacutemi vodiči Pokusy H Ch Oersteda s
vodiči zapojenyacutemi k elektrickeacutemu zdroji vykazovali siloveacute působeniacute na magnetku kompasu později
diacuteky A M Ampeacuterovu pokusu takeacute siloveacute působeniacute mezi vodiči proteacutekanyacutemi proudem [15]
Mezi tělesy z feromagnetickyacutech laacutetek se za jistyacutech okolnostiacute projevuje vnějšiacute působeniacute vnitřniacutech
atomaacuterniacutech sil do vnějšiacuteho prostřediacute prostor v okoliacute tělesa i uvnitř něho je magneticky polarizovaacuten a
magnetickeacute předměty se navzaacutejem přitahujiacute či odpuzujiacute v zaacutevislosti na směru vektoru jejich
magnetizace Ve vzdušneacutem prostřediacute lze magnetickou propustnost definovat jako hodnotu přibližně
rovnou permeabilitě vakua
Po odhaleniacute existence magnetismu došlo časem k prudkeacutemu naacuterůstu pokusů se snahou naleacutezt praktickeacute
využitiacute tohoto jevu v lidskeacutem životě Vznik elektrickyacutech strojů prudce zrychlil rozvoj většiny odvětviacute
lidskeacuteho baacutedaacuteniacute
Magnetickeacute pole a jeho siloveacute uacutečinky jsou přiacutetomny při
a) Pohybu elektrickyacutech naacutebojů v obvodu
b) Zmagnetovaacuteniacute magnetik
Kvantitativniacute miacuterou siloveacuteho působeniacute magnetickeacuteho pole je magnetickaacute indukce B
Magnetickeacute pole o indukci 1 T působiacuteciacute na naacuteboj jednoho coulombu kteryacute se pohybuje rychlostiacute 1ms
silou 1 Newtonu jestliže je směr rychlosti naacuteboje a směru působiacuteciacute siacutely kolmyacute
Siacutelu v elektromagnetickeacutem poli působiacuteciacute na jednotkovyacute zkušebniacute naacuteboj v pohybu lze popsat
Lorenzovyacutem vztahem [15]
Ze vztahu je zřejmeacute že rychlost zkušebniacute čaacutestice nemaacute vliv na siloveacute uacutečinky elektrickeacuteho pole
V poli čistě magnetickeacutem kdy je elektrickeacute pole nuloveacute platiacute pro siacutelu vztah
(8)
(9)
22
52 Magnetickyacute moment moment hybnosti a precese momentu hybnosti
Pohybuje-li se elektron po kružnici (obiacutehaacute-li jaacutedro vlivem dostřediveacute siacutely) jsou si jeho magnetickyacute
moment μ a moment hybnosti J uacuteměrneacute Velikost momentu hybnosti elektronu je rovna hmotnosti
elektronu vynaacutesobeneacute jeho rychlostiacute a poloměrem draacutehy kterou opisuje (Obr 51)
Obr 51 Na kruhoveacute draacuteze je magnetickyacute moment μ(q2m)-naacutesobkem momentu hybnosti J[16]
Jeho směr je kolmiacute na rovinu draacutehy Vztah (10) je ne relativistickyacute je však pro atomy dobryacutem
přibliacuteženiacutem
(10)
Magnetickyacute moment tohoto pohybu lze určit jako proud kraacutet obsah plochy kruhu dle vztahu
Proud se vypočiacutetaacute jako naacuteboj kteryacute za jednotku času projde libovolnyacutem bodem draacutehy tj naacuteboj q kraacutet
frekvence kruhoveacuteho pohybu Frekvence je zase rychlost dělenaacute deacutelkou draacutehy takže platiacute
Plocha maacute obsah magnetickyacute moment je tedy možneacute vyjaacutedřit vztahem
Magnetickyacute moment a teacutež moment hybnosti J jsou kolmeacute na rovinu draacutehy Pro orbitaacutelniacute pohyb tedy
platiacute
Pro orbitaacutelniacute pohyb elektronu platiacute
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
23
Magnetismus od orbitaacutelniacuteho pohybu elektronu neniacute jedinyacute existujiacuteciacute druh magnetismu Elektron maacute i
svou vlastniacute rotaci kolem osy Důsledkem je spinovyacute moment hybnosti elektronu neboli vlastniacute
moment hybnosti Pro spinovyacute moment hybnosti se takeacute použiacutevaacute označeniacute spin Z překladu
z angličtiny jde rotace Pojem spin byl zaveden v době kdy se předpoklaacutedalo že jde o rotaci nicmeacuteně
v makrosvětě nemaacute spin analogii a člověk je nucen použiacutet idealizovanou představou rotace [16]
Poměr a je dvakraacutet tak tak velkyacute oproti orbitaacutelniacutemu pohybu elektronu proto je spinovyacute
magnetickyacute moment
Obecně je v každeacutem atomu několik elektronů a tak je celkovyacute moment hybnosti a celkovyacute magnetickyacute
moment daacuten složeniacutem jejich orbitaacutelniacutech a spinovyacutech momentů hybnosti V kvantoveacute mechanice
obecně platiacute že směr magnetickeacuteho momentu izolovaneacuteho atomu maacute opačnyacute směr než moment
hybnosti [16]
Někdy je magnetickyacute moment směsiciacute orbitaacutelniacutech a spinovyacutech přiacutespěvků jejichž vztah můžeme zapsat
Značka g je tzv Landeacuteho faktor a určeniacute jeho velikosti je předmětem kvantoveacute mechaniky
V přiacutepadě atomovyacutech jader figurujiacute naviacutec i spiny protonů a neutronů Pro jaacutedra obecně piacutešeme
Precese pohyb atomovyacutech magnetů v magnetickeacutem poli
Umiacutestěniacutem atomu do magnetickeacuteho pole je magnetickyacute moment ovlivňovaacuten momentem siacutely kteraacute se
jej snažiacute pootočit do směru pole Atomovyacute magnet je jako setrvačniacutek ndash maacute spinovyacute moment hybnosti
Moment siacutely způsobenyacute magnetickyacutem polem proto nedokaacuteže atomovyacute magnet udržet
v daneacutem směru Magnet proto bude vykonaacutevat precesniacute pohyb podobnyacute precesi mechanickeacuteho
setrvačniacuteku[16]
Rotuje-li těleso okolo osy zaznamenaacuteme u něj jistou podobnost v chovaacuteniacute s elementaacuterniacutem atomovyacutem
magnetem o momentu hybnosti
Jevy zjevneacute při rotaci tělesa lze popsat naacutesledujiacuteciacutemi tvrzeniacutemi
Pokud na rotujiacuteciacute těleso nepůsobiacute vnějšiacute siacutely zachovaacutevaacute si osu svojiacute rotace Nenulovyacute moment
siacutely působiacuteciacute na rotujiacuteciacute těleso ovlivňuje osu jeho rotace tiacutem viacutece čiacutem maacute těleso menšiacute
moment hybnosti
Když nutiacuteme rotujiacuteciacute těleso změnit osu svojiacute rotace chovaacute se tak že se snažiacute ztotožnit s osou
vynuceneacute rotace
(16)
(
) (17)
(
) (18)
24
Precese subatomaacuterniacutech čaacutestic v magnetickeacutem poli se s vyacutehodou využiacutevaacute v metodaacutech magnetickeacute
jaderneacute a elektronoveacute paramagnetickeacute rezonance
Nabiacuteziacute se otaacutezka jestli je možneacute určityacutem způsobem převeacutest siloveacute uacutečinky precesniacuteho pohybu
momentu hybnosti na mechanickyacute pohyb v nějakeacutem elektrickeacutem stroji Projevy rezonančniacutech jevů
jsou u všech typů magnetickyacutech rezonanciacute však velice slabeacute a frekvence Larmorovy precese s jakou
vektor magnetickeacuteho momentu rotuje ve vnějšiacutem poli je u elektronů ktereacute jsou přiacutečinou magnetismu
u feromagnetik až v řaacutedech GHzT Tiacutem paacutedem by musel mechanickyacute systeacutem v pracujiacuteciacute v rezonanci
s precesniacute frekvenciacute momentu hybnosti kmitat či rotovat teacutež v řaacutedech GHz nebo v jisteacutem poměru k
prvniacute harmonickeacute teacuteto frekvence
25
6 Nekonvenčniacute elektrickeacute stroje
Podle autorů elektrickyacutem motorů jsou motory založeneacute na jistyacutech principech schopny pracovat s
uacutečinnostiacute překračujiacuteciacute 100 Ve čtvrteacute kapitole hovořiacuteciacute o vakuu je popsaacuten Casimirův jev jako
důsledek narušeniacute symetrie prostorovyacutech fluktuaciacute elektromagnetickyacutech poliacute vakua mezi dvěma
kovovyacutemi deskami Vezmeme-li v uacutevahu teorii o prostoru vyplněneacutem vznikajiacuteciacutemi a zanikajiacuteciacutemi
virtuaacutelniacutemi čaacutesticemi nabiacuteziacute se otaacutezka Je možneacute zkonstruovat systeacutem kteryacute by energii projevujiacuteciacute se
jako fluktuace elektromagnetickyacutech poliacute vakua proměnil na užitečnou elektrickou či mechanickou
energii v takoveacute měřiacutetku aby byl schopnyacute napaacutejet elektrickeacute obvody sveacuteho řiacutezeniacute popř dodaacutevat
vyacutekon do vnějšiacute zaacutetěže Ze znalosti termodynamickyacutech zaacutekonů jasně vypliacutevaacute možnost využitiacute
teplotniacuteho rozdiacutelu dvou prostřediacute k ziacuteskaacuteniacute užitečneacute energie Tepelnaacute čerpadla jsou toho důkazem
Vzhledem k existenci elektromagnetickeacute energie vakua i při absolutniacute nule je možneacute tuto energii
považovat za vstupniacute energii do systeacutemu zobrazeneacuteho blokově na Obr 61
Obr 61 Blokoveacute scheacutema systeacutemu napaacutejeneacuteho energiiacute odčerpaacutevanou z okolniacuteho prostřediacute
Energie vstupuje do systeacutemu z vnějšiacuteho prostřediacute a sloužiacute pro napaacutejeniacute vnějšiacute zaacutetěže i systeacutemu
samotneacuteho
Systeacutem
Vstup energie do systeacutemu
z okolniacuteho prostřediacute
Vyacutestup využitelneacute
formy energie
Energie potřebnaacute pro řiacutezeniacute
systeacutemu se z vyacutestupu navraciacute
zpětnou vazbou
26
61 Johnsonův motor
V roce 1973 pět let po podaacuteniacute přihlaacutešky byl Howardu Johnsonovi udělen patent US 4151431 na
motor s permanentniacutemi magnety V roce 1995 pak patent US 5402021 popisujiacuteciacute magnetickyacute
pohonnyacute systeacutem založenyacute na obdobneacutem principu Oba tyto systeacutemy uacutedajně využiacutevajiacute ke konaacuteniacute praacutece
pouze siacutely permanentniacutech magnetů Ačkoli dnešniacute věda zavrhuje využitiacute vnějšiacutech projevů
subatomaacuterniacuteho pohybu čaacutestic hmoty permanentniacutech magnetů ke konaacuteniacute nepřetržiteacute praacutece v systeacutemu
Johnson uacutedajně připouštiacute že přesně neviacute odkud se energie kterou čerpaacute bere Ale domniacutevaacute se že
může miacutet souvislost s rotaciacute elektronů možnaacute dokonce souvisiacute s dosud nepojmenovanou čaacutesticiacute
V roce 1980 vyšel v dnes již zanikleacutem časopisu Science and Mechanics člaacutenek o Johnsonově motoru
popisujiacuteciacute vzaacutejemneacute interakce mezi magnety rotoru a statoru
Konstrukčniacute uspořaacutedaacuteniacute Johnsonova motoru
Obr 62 Čelniacute pohled do Johnsonova motoru Stator maacute po obvodu rozmiacutestěny tři obloukoviteacute
magnety Rotoroveacute magnety jsou vzaacutejemně odděleny vzduchovyacutemi mezerami [16]
Z Předniacuteho pohledu do motoru na Obr 62 jsou vidět tři obloukoviteacute permanentniacute magnety statoru
pravidelně rozmiacutestěneacute kolem rotoru
Obr 63 Z bočniacuteho pohledu do motoru je patrnaacute šroubovitaacute hřiacutedel kteraacute sloužiacuteciacute k zabrzděniacute stroje
[16]
27
Obr 64 Horniacute pohled na dva obloukoviteacute statoroveacute magnety navzaacutejem posunuteacute a překryacutevajiacuteciacute
magnety rotoru [16]
Obr 65 Průběhy změny indukce během změny polohy jižniacuteho a severniacuteho poacutelu magnetu statoru vůči
rotorovyacutem magnetům
Obr 66 Naznačeniacute pohybu obloukovyacutech magnetů rotoru nad statorovyacutemi magnety
Popis principu
Obr 66 ukazuje některeacute zaacutekladniacute vztahy Plneacute čaacutery představujiacute přitažliveacute siacutely přerušovaneacute čaacutery
představujiacute odpuzovaacuteniacute a dvojiteacute čaacutery v obou přiacutepadech znaacutezorňujiacute dominantniacute siacutely
Na Obr 66 je obloukově zakřivenyacute permanentniacute magnet ve třech po sobě naacutesledujiacuteciacutech polohaacutech nad
pevnyacutemi statorovyacutemi magnety Obr 66 poskytuje alespoň velmi zjednodušenyacute pohled do teorie
28
pohonu pomociacute permanentniacutech magnetů Johnson řiacutekaacute že zakřiveneacute magnety s ostryacutemi konci jsou
důležiteacute protože koncentrujiacute magnetickou energii mnohem uacutečinněji než magnety s tupyacutemi konci Tyto
obloukoviteacute magnety jsou o něco delšiacute než je deacutelka dvou magnetů statoru včetně mezery mezi nimi V
Johnsonově konstrukci jsou dlouheacute
palce
Všechny statoroveacute magnety majiacute severniacute poacutel nahoře a spočiacutevajiacute na podložce vyrobeneacute z materiaacutelu s
vysokou permeabilitou kteraacute pomaacutehaacute koncentrovat silovaacute pole Optimaacutelniacute mezera mezi konci
rotorovyacutech magnetů a statorem je kolem
palce
Když se severniacute poacutel magnetu rotoru nachaacuteziacute nad statorovyacutem magnetem je jiacutem odpuzovaacuten a je ke
statoru přitahovaacuten když prochaacuteziacute nad mezerou mezi statorovyacutemi magnety Přesně opačneacute siacutely působiacute
u jižniacuteho poacutelu rotoroveacuteho magnetu Je přitahovaacuten když prochaacuteziacute nad statorovyacutem magnetem a je
odpuzovaacuten když se nachaacuteziacute nad mezerou
Předniacute poacutel N rotoru je odpuzovaacuten severniacutemi poacutely dvou přilehlyacutech magnetů Ale v zobrazeneacute poloze
magnetu rotoru tyto dvě odpudiveacute siacutely (ktereacute zřejmě působiacute proti sobě) nejsou totožneacute většiacute z obou sil
(dvojitaacute přerušovanaacute čaacutera) překonaacutevaacute druhou siacutelu a taacutehne rotor doleva Tento pohyb vlevo je zrychlen
přitažlivou silou mezi severniacutem poacutelem rotoru a jižniacutem poacutelem v mezeře mezi statorovyacutemi magnety
Současně na druheacutem konci (S) rotoroveacuteho magnetu Deacutelka tohoto magnetu je cca
palce a je
zvolena s ohledem na velikost paacuteru statorovyacutech magnetů a mezery mezi nimi aby přiacutetažliveacute a
odpudiveacute siacutely taacutehly magnety rotoru doleva V tomto přiacutepadě je poacutel S přitahovaacuten severniacutemi poacutely
přilehlyacutech statorovyacutech magnetů ale z důvodu rozměrů rotoroveacuteho magnetu je rotor silněji tažen
doleva (dvojitaacute plnaacute čaacutera) Takeacute zde je s vyacutehodou využito siloveacute působeniacute mezi koncem rotoroveacuteho
magnetu a mezerou mezi magnety statoru V tomto přiacutepadě majiacute oba poacutely stejnou polaritu (S) proto se
vzaacutejemně odpuzujiacute
Je nutneacute dodržet spraacutevnou deacutelku magnetů rotoru Jestliže jsou buď přiacuteliš dlouheacute nebo přiacuteliš kraacutetkeacute
mohou dosaacutehnout nežaacutedouciacute rovnovaacutehy kteraacute znamenaacute konec pohybu Ciacutelem je optimalizovat
všechny siacutely tak aby bylo dosaženo maximaacutelniacute nerovnovaacutehy ale vždy stejnyacutem směrem Když se rotor
otočiacute o 180 stupňů a dostane se na opačnyacute konec draacutehy bude se chovat stejnyacutem způsobem až na to že
se v tomto přiacutekladu bude pohybovat zleva doprava Takeacute musiacuteme poznamenat že jakmile je rotor v
pohybu maacute moment kteryacute pomůže dostat rotorovyacute magnet do sfeacutery vlivu dalšiacuteho paacuteru magnetů
statoru kde ziacuteskaacute dalšiacute moment [25]
29
62 Adamsův motor generaacutetor
Podle informačniacuteho zdroje [26] byl vynaacutelez Roberta Adamse viacutece než 20 let držen v tajnosti Jeho
autorovi bylo vyhrožovaacuteno smrtiacute v přiacutepadě že bude šiacuteřit informace tyacutekajiacuteciacute se principů na nichž jeho
motorgeneraacutetor pracuje Informace byly po letech zveřejněny internetoveacutem magaziacutenu Nexus
Adams ke sveacutemu stroji vytvořil publikaci The Adams pulsed motor generator manual ve ktereacute uvaacutediacute
naacutesledujiacuteciacute obraacutezkoveacute ilustrace Autor v něm teacutež předklaacutedaacute grafy naměřenyacutech průběhů napětiacute pro
různeacute režimy stroje
Robert Adams tvrdiacute Naacuteš vesmiacuter je moře volneacute čisteacute energie A čekaacute jen na to abychom ji začali
využiacutevat
Vlastnosti a vyacutehody Adamsova motor generaacutetoru uvedeneacute Robertem Adamsem
1) Překonaacutevaacute zpětnou elektromotorickou siacutelu kteraacute je probleacutemem všech konvenčniacutech strojů
2) Střiacutedavě zapřahuje ZES tedy zanikajiacuteciacute magnetickeacute pole čiacutemž zvyšuje moment a snižuje
přiacutekon
3) V režimu motorgeneraacutetoru nevyžaduje k vyacuterobě elektrickeacuteho vyacutestupniacuteho vyacutekonu
oddělenyacute motor
4) Pro běh stroje a vyacuterobu vyacutestupniacuteho vyacutekonu využiacutevaacute jedinyacute rotor
5) Všechny poacutely rotoru majiacute stejnou polaritu
6) Statoroveacute hnaciacute vinutiacute a poacutely jsou menšiacutech rozměrů
7) Velikost vzduchoveacute mezery neniacute kritickaacute
8) Nevyžaduje chladiacuteciacute ventilaacutetor
9) Stroj nevyžaduje konstantniacute vstupniacute proud
10) Naacutevrh stroje je naacutesledujiacuteciacute
a) Energie je vede zpět do baterioveacuteho zdroje
b) Magnetickyacute zpětnyacute tah je prakticky nulovyacute
c) Teplota při plneacutem zatiacuteženiacute je polovičniacute ve srovnaacuteniacute s jakyacutemkoliv konvenčniacutem strojem
d) S ohledem na způsob mechanickeacuteho spiacutenaacuteniacute kteryacute zajišťuje zužujiacuteciacute se hvězda
kontaktniacuteho disku je možneacute měnit střiacutedu impulzů
11) V režimu vysokeacute uacutečinnosti stroj čerpaacute energii z prostoru
12) Čiacutem nižšiacute rychlostiacute se otaacutečiacute tiacutem dosahuje vyššiacute uacutečinnosti a krouticiacuteho momentu na rozdiacutel
od konvenčniacutech strojů
13) V rezonančniacutem režimu nejsou přiacutetomny jaloveacute ztraacutety a stroj vykazuje konstantniacute vyacutekon a
moment
14) Jelikož se směr energie ze zdroje neměniacute nejsou přiacutetomny ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy a
hystereziacute
15) Stroj se ve všech pracovniacutech režimech saacutem chraacuteniacute před některyacutemi nepřiacuteznivyacutemi situacemi
ktereacute v jinyacutech přiacutepadech vyžadujiacute doplňujiacuteciacute zařiacutezeniacute
16) Vysokeacute otaacutečky nejsou nutneacute čiacutemž odpadajiacute probleacutemy s nimi spojeneacute
17) Stroj je možneacute elektricky zatiacutežit a počiacutetat s naacuteslednyacutem naacuterůstem vyacutestupniacute energie od 50
přes 100 a to bez přetiacuteženiacute nebo naacuterůstu teploty nad normaacutelniacute pracovniacute teplotu
30
18) Stroj je saacutem o sobě obdivuhodně jednoduchyacute a nevyžaduje draheacute obvody pro řiacutezeniacute
rychlosti [26]
Popis zaacutekladniacute konstrukce
Adamsův motor-generaacutetor je elektrickyacute stroj s permanentniacutemi magnety radiaacutelně uloženyacutemi v rotoru
Stroj je uacutedajně možneacute zkonstruovat v různyacutech konfiguraciacutech podle toho zda požadujeme vyacutestupniacute
vyacutekon spiacuteše elektrickyacute nebo mechanickyacute
Zaacutekladniacute konfigurace stroje určenaacute pro vyacutestup elektrickeacuteho vyacutekonu ze stroje obsahuje tři druhy
statorovyacutech magnetickyacutech poacutelů vhodně rozmiacutestěnyacutech kolem rotoru s permanentniacutemi magnety
1 Permanentniacute magnety rotoru jsou všechny polarizovaacuteny ve stejneacutem směru Tok
magnetickeacute indukce všech vystupuje buď ven nebo dovnitř směrem ke hřiacutedeli
Obr 67 Magnety jsou pro zvyacutešeniacute vyacutekonu stroje uloženy v několika rotorovyacutech sekciacutech
2 Řiacutediacuteciacute poacutely jsou napaacutejeny pulzně v zaacutevislosti na poloze rotoru vůči statoru a to skrze
mechanickyacute komutaacutetor Ciacutevky jsou navinuty na jaacutedra ze kteryacutech vystupuje magnetickyacute tok
v opačneacutem směru oproti toku permanentniacutech magnetů v rotoru Rotor se pohybuje jelikož je
odpuzovaacuten těmito silovyacutemi uacutečinky
Obr 68 Pulzně buzeneacute ciacutevky
31
3 Zpětnovazebniacute poacutely jsou navinuty na magnetickyacutech jaacutedrech a jsou napaacutejeny elektrickou
energiiacute kteraacute se zpětně indukuje do elektrickeacuteho obvodu řiacutediacuteciacutech ciacutevek v důsledku prudkeacuteho
přerušeniacute dodaacutevky proudu Magnetickeacute pole v prostoru vzduchoveacute mezery a rozptylovyacutech
drahaacutech se snažiacute zaacuteniku proudu zabraacutenit čiacutemž vznikaacute prudkyacute energetickyacute skok
Obr 69 Zpětnovazebniacute ciacutevky
4 Generaacutetorickeacute poacutely generujiacute proud do připojeneacute zaacutetěže
Obr 610 Zpětnovazebniacute ciacutevky
5 Permanentniacute poacutely statoru jsou tvořeny feritovyacutemi magnety rozmiacutestěny po obvodu rotoru podle
konfigurace na Obr611a majiacute za uacutečel zvyacutešit mechanickyacute moment rotoru
32
Obr 611 Rozmiacutestěniacute permanentniacutech magnetů po obvodu statoru
Na Obr 612 je princip spiacutenaacuteniacute proudu do ciacutevek statoru řešenyacute prostřednictviacutem mechanickeacuteho
komutaacutetoru ve tvaru čtyřciacutepeacute hvězdy Při otaacutečeniacute dochaacuteziacute v jistyacutech polohaacutech ke spojeniacute kontaktů
dosedajiacuteciacutech na komutaacutetor a proud tekouciacute ciacutevkami v nich vybudiacute magnetickyacute indukčniacute tok kteryacute
svyacutemi uacutečinky odpuzuje permanentniacute magnety v rotoru Na obraacutezku je naznačen princip motoru a
způsob měřeniacute otepleniacute jaacutedra při daneacute mechanickeacute zaacutetěži Do jaacutedra je vyvrtaacuten otvor do nějž je
zasunuta teplotniacute sonda Otepleniacute jaacutedra by nemělo překročit 40 degC
Obr 612 Zaacutekladniacute konstrukce Adamsova motoru sloužiacuteciacute pro demonstraci nastaveniacute vhodneacute velikosti
proudu tekouciacuteho do vinutiacute ciacutevek při požadovaneacute mechanickeacute zaacutetěži
33
Obr 613 Vyacutekres Adamsova motor generaacutetoru s osmi permanentniacutemi magnety v rotoru
stejnosměrnyacutemi pulzniacutemi ciacutevkami a generaacutetorovyacutemi ciacutevkami navinutyacutemi na odlišnyacutech magnetickyacutech
jaacutedrech
Robert Adams ve sveacute publikaci uvaacutediacute na Obr 614 zaznamenaacuteny průběhy hodnot napětiacute na bateriiacutech
postupně připojovanyacutech na elektrickyacute vyacutestup stroje Přičemž hodnota napětiacute na vstupniacute napaacutejeciacute baterii
se měniacute jen nepatrně Na zaacutekladě těchto dat uvedenyacutech v Tab 61 Adams stanovuje uacutečinnost motor
generaacutetoru
Obr 614 Baterie na vyacutestupu jsou postupně dobiacutejeny přičemž velikost napětiacute na vstupniacute baterii se
snižuje jen nepatrně
34
Naacutesledujiacuteciacute tabulka shrnuje vyacutesledky naměřeneacute v grafu na Obr 614
Tab 61 Souhrn vyacutesledků naměřenyacutech hodnot napětiacute na vyacutestupniacutech bateriiacutech
Dokonalejšiacute konstrukce Adamsova motor generaacutetoru
Konstrukce zde popisovanaacute je realizovaacutena jako model pro měřeniacute uacutečinnosti tohoto motoru avšak
s několika podstatnyacutemi konstrukčniacutemi rozdiacutely o nichž se zmiňuji při popisu realizovaneacuteho stroje
Rotor na Obr 615 maacute 7 vyniklyacutech poacutelů rotoru a 8 statorovyacutech jader Je možneacute použiacutet i 6 jader ve
statoru při použitiacute stejneacuteho rotoru Tiacutem však dojde ke sniacuteženiacute uacutečinnost stroje Počet rotorovyacutech a
statorovyacutech poacutelů by neměl byacutet v celočiacuteselneacutem poměru
Obr 615 Konfigurace se 6 poacutely statoru a 7 poacutely rotoru Magnetizačniacute vinutiacute protějšiacutech poacutelů
statoru jsou spojena do seacuterie
Popis principu činnosti během otaacutečeniacute rotou
Na Obr 616 (a) je poacutel rotoru R1 přesně mezi statorovyacutemi poacuteli S1 a S2 a představme si že směřuje k S2
a je jiacutem přitahovaacuten až do chviacutele kdy je v pozici na obr (c) Nyniacute je zarovnaacuten s jaacutedrem statoru jehož
vinutiacutem začne proteacutekat proud kteryacute maacute takovou polaritu aby došlo k odpuzovaacuteniacute rotoroveacuteho poacutelu ze
zarovnaneacute pozice Tiacutem paacutedem je vlivem siloveacute interakce magnetickyacutech polyacute rotoru urychlovaacutem a
proud teče do statoroveacuteho vinutiacute až do chviacutele kdy je vpozici na obr (e) Nyniacute je protějšiacute statororoveacute
jaacutedro zarovnaacuteno s rotorovyacutem poacutelem
Baterie č
(vyacutestup)
Počaacutetečniacute
napětiacute
baterie
[V]
Doba běhu
stroje [h]
Konečneacute
napětiacute baterie
[V]
Naacuterůst
napětiacute
baterie oproti
počaacutetečniacute
hodnotě 102 V
[V]
Uacutečinnost []
1 102 33 1142 122 610
2 1172 15 1184 162 810
3 114 66 1201 181 905
35
Podiacutevejme se co se během toho děje na protějšiacute straně rotoru
Rotorovyacute poacutel R4 na obr (a) je praacutevě zarovnaacutem se statorovyacutem jaacutedrem S5 Tudiacutež je do vinutiacute tohoto
jaacutedra S5 přiveden proud jehož uacutečinky jsou i vtomto přiacutepadě vyvolajiacute odpuzovaacuteniacute poacutelu R4 Proud
vinutiacutem jaacutesdra S5 proteacutekaacute do chviacutele na obr(c) kdy dojde k demagnetizaci statoroveacuteho jaacutedra S2
Obr 617 Vzaacutejemeacute polohy rotoru vůči statorovyacutem poacutelům pro popis principu
Rotor je roztaacutečen těmito silovyacutemi přiacutespěvky
a) Rotorovyacute poacutel je přitahovaacuten ke statorovyacutem magnetickyacutem jaacutedrům vlivem projevu magnetickyacutech
sil permanentniacutech magnetů prostupujiacuteciacutech vzduchovou mezeru a uzaviacuterajiacuteciacutech se přes jaacutedra
statoru
b) Rotor je po zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru se statorovyacutem daacutele roztaacutečen vlivem odpudivyacutech
sil mezi poacutely rotoru a řiacutediacuteciacutemi poacutely statoru Vinutiacute řiacutediacuteciacutech poacutelů je napaacutejeno elektrickyacutemi
impulzy v zaacutevislosti na poloze rotoru vůči statoru Intenzita magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute
mezeře je nejvyššiacute při zarovnaacuteniacute poacutelů statoru a rotoru
Na Obr je pohled do vnitřniacute struktury magnetickeacuteho obvodu popisovaneacuteho stroje
12 podeacutelneacute magnetickeacute poacutely statoru s vysokou permeabilitou
13 rotoroveacute sekce s vyniklyacutemi poacutely
14 hřiacutedel
15 permanentniacute magnety uloženeacute ve středoveacutem pouzdru
16 otvor pro permanentniacute magnety
17 Disk sloužiacuteciacute jako pouzdro magnetů
Obr 618 Pohled na do struktury rotoru
36
Dalšiacutemi motory ktereacute uacutedajně pracujiacute s vysokou jsou Bediniho motor Takahasiho motor a Kawaiův
motor
63 Systeacutem pro přeměnu energie elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute na
elektrickou energii
Americkyacute patent č 5590031 podanyacute 24 července 1994 Franklinem B Meadem a Jackem
Nachamkinem popisuje zařiacutezeniacute přeměňujiacuteciacute vysokofrekvenčniacute elektromagnetickou energii
vakuovyacutech fluktuaciacute vznikajiacuteciacutech jako projev virtuaacutelniacutech čaacutestic teacutež označovanou pojmem bdquozero point
energyldquo na užitečnou elektrickou energii Pojem zero point energy neboli energie nuloveacuteho bodu byl
zaveden vzhledem k faktu že i při teplotě absolutniacute nule (0 K = -27315 degC) vakuum obsahuje energii
fluktuaciacute elektromagnetickyacute poliacute jako důsledek projevů vznikajiacuteciacutech a zanikajiacuteciacutech virtuaacutelniacutech čaacutestic
Na Obr 619 je znaacutezorněn princip zařiacutezeniacute Čiacuteslo 216 symbolizuje vysokofrekvenčniacute
elektromagnetickeacute zaacuteřeniacute Pomociacute litografickeacute technologie jsou vytvořeny dielektrickeacute struktury
(212) a (214) tvaru koule polokoule či disku Tyto struktury jsou velice maleacute a jejich velikost musiacute
byacutet v přiacutemeacutem poměru k vlnoveacute deacutelce elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute Struktury jsou připevněny na
zaacutekladoveacutem substraacutetu (236) a rozloženy do pole (238) Tyto struktury se vlivem působeniacute
elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute pohybujiacute s mnohem menšiacute frekvenciacute než jakou maacute elektromagnetickeacute
zaacuteřeniacute ktereacute jejich pohyb vyvolalo Naacutesledkem pohybu se v anteacuteně (222) indukuje elektrickaacute energie o
využitelneacute frekvenci Jednotliveacute anteacuteny mohou miacutet tvar smyčky nebo mohou byacutet dipoacuteloveacute
Indukovanyacute proud je naacutesledně veden vodiči (226) nebo vlnovodem do primaacuterniacuteho obvodu (228)
transformaacutetoru (232) Kondenzaacutetor (230) sloužiacute pro vyladěniacute rezonančniacuteho obvodu V sekundaacuterniacutem
obvodu je střiacutedavyacute proud usměrněn diodou (234)[17]
Obr 619 Scheacutema zařiacutezeniacute pro přeměnu vysokofrekvenčniacute elektromagnetickeacute energie na využitelnou
formu elektrickeacute energie [14]
37
7 Feromagnetickeacute materiaacutely
Tvar hysterezniacute smyčky magnetickeacuteho materiaacutelu zaacutevisiacute na chemickeacutem složeniacute feromagnetika a na jeho
tepelneacutem zpracovaacuteniacute Z analogie s mechanickou tvrdostiacute rozlišujeme magneticky měkkaacute
feromagnetika kteraacute dobře vedou magnetickyacute tok a tvrdaacute feromagnetika z nichž se vyraacutebiacute
permanentniacute magnety Na Obr71 je naacutezorneacute rozděleniacute magneticky měkkyacutech polotvrdyacutech a tvrdyacutech
materiaacutelů
Obr 71 Rozděleniacute magnetickyacutech materiaacutelů na měkkeacute polotvrdeacute a tvrdeacute
71 Magneticky měkkaacute feromagnetika
Pro vedeneacute magnetickeacuteho toku v magnetickeacutem obvodu motoru je využito měkkyacutech feromagnetik jež
se vyznačujiacute strmou magnetizačniacute křivkou a uacutezkou hysterezniacute smyčkou Majiacute vysokou počaacutetečniacute
a maximaacutelniacute permeabilitu a malou koercivitu Hclt103
Am Často lze hysterezi zanedbat a je možneacute
uvažovat pouze s magnetizačniacute křivkou1
Na trhu s magnetickyacutemi materiaacutely figuruje řada vyacuterobců a distributorů Naacutesledujiacuteciacute z nich jsem
oslovil s prosbou o poskytnutiacute vzorků magnetickyacutech jader pro měřeniacute magnetickyacutech vlastnostiacute
1 aplik
38
711 Vyacuterobci měkkyacutech feromagnetickyacutech materiaacutelů
a) Firma Therma FM
Firma Therma FM vyraacutebiacute magnetickeacute obvody z anizotropniacutech plechů a nabiacuteziacute i izotropniacute
dynamoplechy Materiaacutely pro vyacuterobu jader firma odebiacuteraacute od společnosti ThyssenKrupp
Jaacutedra pro jednofaacutezoveacute transformaacutetory jsem použil jako statoroveacute jaacutedra realizovaneacuteho motoru
Při vyacuterobě naviacutejeno na obdeacutelniacutekoveacute kopyto o rozměrech odpoviacutedajiacuteciacutech požadovaneacute velikosti okna pro
primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Jaacutedro je po navinutiacute z transformaacutetoroveacuteho plechu rozřiacuteznuto na dvě
poloviny jedna z nich je na Obr Xx Po rozřiacuteznutiacute jaacutedra je možneacute nasunout vinutiacute
Obr 72 Fotografie jedneacute poloviny jaacutedra pro jednofaacutezoveacute transformaacutetory
Magnetickeacute vlastnosti jaacutedra vyrobeneacuteho z materiaacutelu M150-30S jsou uvedeny v Tab71
Tab 71 Magnetickeacute vlastnosti jaacutedra stanoveneacute normou EN 10107
Norma Tloušťka
Max ztraacuteta v
jaacutedře při 15 T
[Wkg]
Maximaacutelniacute ztraacuteta
v jaacutedře při 17 T
[Wkg]
Min
J800
Nejmenšiacute
činitel
plněniacute
Typ
EN 10107 mm 50 Hz 50 Hz 60 Hz T PowerCore
M 150-30 S 030 097 150 197 175 0955 C 150-30
Magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelů jakosti M150-30S a M600-50 na Obrxx jsou zrekonstruovaneacute
podle z katalogovyacutech křivek vyacuterobce Thyssen Krupp
39
Obr 73 B-H charakteristiky jader z orientovanyacutech (M150-30S) trafoplechů a
neorientovanyacutechdynamoplechů M600-50
0
05
1
15
2
25
0 250 500 750 1 000 1 250 1 500 1 750 2 000
B [T]
H [Am]
Magnetizačniacute charakteristiky
M150-30S
M600-50
40
b) Firma Vacuumschmelze (VAC)
Tento německyacute vyacuterobce poskytnul dva vzorky toroidniacutech jader s nanokrystalickou strukturou Materiaacutel
je prodaacutevaacuten pod obchodniacutem naacutezvem Vitroperm 500F a vynikaacute velice uacutezkou hysterezniacute smyčkou
vysokou hodnotou magnetickeacute indukce při maleacute koercivitě Zaacutekladniacute složkou Vitropermu je Fe
s přiacuteměsemi Si B Nb a Cu
Tab 72 Magnetickeacute vlastnosti Vitropermu 500F uvedeneacute v katalogu vyacuterobce
Saturačniacute
indukce
Statickaacute
koercivita
Přibližnaacute
rezistivita
Curieho
teplota Permebilita
Měrneacute ztraacutety
(100kHz 03T)
Bs [T] Hc [Am] φ [μΩcm] tc[degC] μi PFe [Wkg]
12 lt3 115 gt600 15000hellip150000 80
Na Obr Xx jsou vyacuterobcem uvedeneacute magnetizačniacute charakteristiky Vitropermu 500F a 250F
v porovnaacuteniacute s typickou charakteristikou feritu
Obr 74 Jaacutedra z Vitropermu 500F dosahujiacute oproti běžneacutemu feritu mnohem vyššiacute magnetickeacute indukce
Je zřejmeacute že cena Vitropermovyacutech jader je oproti feritovyacutem mnohem většiacute a to diacuteky naacuteročneacutemu
vyacuterobniacutemu procesu
Společnost VAC ve sveacutem sortimentu nabiacuteziacute jaacutedra s amorfniacute strukturou s obchodniacutem naacutezvem Vitrovac
Vyraacutebiacute se metodou rychleacuteho tuhnutiacute kdy se na studenyacute buben otaacutečejiacuteciacute se rychlostiacute 100kmh vleacutevaacute
skrze keramickou trysku směs materiaacutelů roztavenaacute na teplotu okolo 1300degC a prudce se ochlazuje
(1000000 Ks) na meacuteně než 400degC v 1ms Tiacutem vznikaacute paacuteska tloušťky 20 μm s amorfniacute strukturou
Na Obr 77 je pro představu vyobrazenaacute krystalickaacute amorfniacute a nanokrystalickaacute struktura materiaacutelu
41
Obr 75 Detail na krystalickou strukturu (vlevo) amorfniacute a nanokrystalickou strukturu (vpravo)
Mezi dalšiacute materiaacutely ktereacute VAC nabiacuteziacute patřiacute materiaacutely pro elektrickeacute stroje a zařiacutezeniacute kde je
požadovaacutena vysokaacute hodnota indukce Tyto materiaacutely jsou znaacutemi pod obchodniacutemi naacutezvy Ultraperm
Vacoperm Mumetall Permax Permenorm Megaperm Trafoperm Vacoflux Vacofer a Vacodur
Pro srovnaacuteniacute jsou na Obrxx magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelů Vacoflux 50 Vacoflux 17 a Fe a
Fe 3 přiacuteměsiacute Si
Obr 76 Statickeacute magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelu Vacoflux 50 a Vcoflux 17 dosahuiacute vyšiacute
hodnoty magnetickeacute indukce nasyceniacute než běžnaacute křemiacutekovaacute ocel s obsahem 3 křemiacuteku a Fe 999
42
c) Firma Magnetics
Společnost Magnetics vyraacutebiacute jaacutedra lisovaacuteniacutem prachovyacutech přiacuteměsiacute se zaacutekladniacute složkou Na trhu jsou
znaacutemy pod označeniacutem High Flux MPP (Magnetics Molypermalloy Powder) Kool Mμ a Xflux
1 Jaacutedra High Flux jsou složena ze 79 Ni 17 Fe a 4 Mo Majiacute nejnižšiacute měrneacute ztraacutety ze
všech prchovyacutech jader
2 Jaacutedra MMP obsahujiacute 81 NI 17 Fe a 2 Mo Majiacute vynikajiacuteciacute vlastnosti jakyacutemi jsou
vysokaacute rezistivita niacutezkeacute hysterezniacute ztraacutety a ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy Z všch jader majiacute největšiacute
permeabilitu tiacutem paacutedem i vyššiacute hodnotu saturace
3 Jaacutedra Kool Mμ jsou vyrobena lisovaacuteniacutem prachu železnyacutech slitin a vykazujiacute nejmenšiacute
magnetostrikci
4 Jaacutedra XFlux obsahujiacute prach Fe s přiacuteměsiacute 65 Si Jsou vhodnaacute pro niacutezkofrekvenčniacute a
středofrekvenčniacute tlumivky
Tab 73 Magnetickeacute vlastnosti jader společnosti Magnetics katalogu vyacuterobce
Materiaacutel High Flux MMP Kool Mμ XFlux
Permeabilita 14-160 14-555 26-125 60
(Bs) [T] 15 075 105 16
Jaacutedra žeelezoprachovaacute byacutevajiacute teacutež označovanaacute jako železovaacute jaacutedra a jsou vyraacuteběna lisovaacuteniacutem
izolovaneacuteho praacutešku z magneticky měkkeacuteho materiaacutelu s niacutezkou koercitivniacute silou a vysokou
permeabilitou V současneacute době z tohoto materiaacutelu vyraacutebějiacute jaacutedra kromě firmy Magnetics jen někteřiacute
vyacuterobci a to předevšiacutem vaacutelcovaacute ladiacuteciacute jaacutedra pro laděniacute feritovyacutech hrniacutečkovyacutech jader a kruhovaacute jaacutedra
pro odrušovaciacute ciacutevky a filtračniacute tlumivky měničů napětiacute Zvyšovaacuteniacute objemu izolačniacute laacutetky vede ke
snižovaacuteniacute permeability jader a změně teplotniacute zaacutevislosti samotneacuteho magnetickeacuteho materiaacutelu jaacutedra a
roztažnostiacute jeho jednotlivyacutech složek Volbou směsi magnetickyacutech prachů je možneacute předem definovat
teplotniacute činitel permeability kteryacute může nabyacutevat klasnyacutech zaacutepornyacutech popř i nulovyacutech hodnot
Průmyslově se vyraacutebějiacute jaacutedra z jemnyacutech magnetickyacutech prachů s odstupňovanou permeabilitou
v rozsahu = 7 až 550 Jaacutedra toroidniacute s permeabilitou 7 až 150 se použiacutevajiacute v laděnyacutech obvodech
filtrů pro odrušovaciacute tlumivky jaacutedra s permeabilitou 90 až 550 v napaacutejeciacutech spiacutenaciacutech zdrojiacutech
Vysokeacute permeability je dosaženo materiaacutelovyacutem složeniacute magnetickyacutech prachů a změnou velikosti zrn
Čiacutem většiacute jsou prachovaacute zrna tiacutem vyššiacute je permeabilita diacuteky zvyacutešeniacute poměru magnetickeacuteho materiaacutelu
vůči izolačniacute laacutetce
43
72 Magneticky tvrdaacute feromagnetika
Magneticky tvrdeacute feromagnetickeacute materiaacutely majiacute magnetizačniacute křivku s malou strmostiacute a širokou
hysterezniacute smyčku Vykazujiacute poměrně malou permeabilitu a velkou koercivitu Hclt25middot103
Am
Použiacutevajiacute se pro permanentniacute magnety Vyacutevoj v oblasti těchto materiaacutelů nechal vzniknout celeacute řadě
magnetů odlišujiacuteciacutemi se magnetickyacutemi vlastnostmi konduktivitou mechanickyacutemi vlastnostmi a
ekonomickyacutemi parametry Tvrdaacute feromagnetika lze rozdělit naacutesledovně
a) Uhliacutekoveacute oceli ndash s obsahem 15 uhliacuteku Daacutele byly zdokonaleny legovaacuteniacutem wolframem
chromem a kobaltem a zakaleniacutem na martenzitickou strukturu Naacutesledně byly vyrobeny
mnohem vyacutehodnějšiacute slitiny železa niklu a hliniacuteku (Al-Ni) přiacutepadně kobaltu (Al-Ni-Co)
mědi či titanu Nevyacutehodou slitin Al-Ni a Al-Ni-Co je značnaacute mechanickaacute tvrdost křehkost a
tiacutem paacutedem i obtiacutežnaacute opracovatelnost
b) Tvrdeacute ferity ndash např barioveacute (BaFe12O19) nebo stroncioveacute (SrFe12O19) ferity s obsahem
přibližně 80 železa a asi 20 oxidu baria BaO nebo stroncia SrO Mohou byacutet izotropniacute a
anizotropniacute Niacutezkaacute cena a spolehlivost předurčuje tyto materiaacutely pro užitiacute v automatizačniacute
řiacutediacuteciacute a měřiciacute technice
c) Magnety ze vzaacutecnyacutech zemin ndash složeniacute na baacutezi samarium-kobalt (SmCo5 a Sm2Co17) nebo na
baacutezi neodym-železo-boacuter (Nd2Fe14B) Vyraacutebiacute se procesy praacuteškoveacute metalurgie lisovaacuteniacutem
v magnetickeacutem poli s naacuteslednyacutem speacutekaacuteniacutem Patřiacute k nejvyacutekonnějšiacutem permanentniacutem
magnetům Použiacutevajiacute se v silnoproudeacute počiacutetačoveacute a řiacutediacuteciacute technice a u elektroakustickyacutech
zařiacutezeniacute
d) Plastoveacute magnety ndash jsou vyraacuteběny ve formě plastoveacute nemagnetickeacute matrice v niacutež je plnidlem
jemnyacute praacutešek z vhodnyacutech slitin (alni alnico tvrdeacute ferity či materiaacutely na baacutezi vzaacutecnyacutech zemin)
Mohou byacutet izotropniacute nebo anizotropniacute Vyraacutebiacute se lisovaacuteniacutem nebo slinovaacuteniacutem při vysokeacute
teplotě do libovolneacuteho tvaru Použiacutevajiacute se v slaboproudeacute technice
Obr 77 Srovnaacuteniacute demagnetizačniacutech charakteristik permanentniacutech magnetů
44
73 Měřeniacute hysterezniacutech charakteristik vzorků magnetickyacutech jader
Pro měřeniacute hysterezniacutech charakteristik byl použit systeacutem Remacomp-C2
Přiacuteprava vzorků magnetickyacutech jader pro měřeniacute na systeacutemu Remacom-C2
Na jaacutedra bylo před měřeniacutem navinuto primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Mezi primaacuterniacutem a sekundaacuterniacutem
vinutiacute byl proveden izolačniacute proklad lepiciacute paacuteskou Průměr vodiče a počet zaacutevitů v primaacuterniacutem (N1) a
sekundaacuterniacutem (N2) vinutiacute je uveden v Tab Na Obr jsou již vzorky připraveny pro měřeniacute
Tab 74 Bližšiacute specifikace rozměrů počet zaacutevitů vinutiacute a průměr vodičů
Vyacuterobce Therma FM Vacuumschmelze Magnetics
Jaacutedro C150-30S Vitroperm 500F KoolMμ
Tvar Obdeacutelniacutekoveacute Toroid Toroid
Vnějšiacute průměr [mm] 64x36 323 274
Vnitřniacute průměr mm] 55x16 178 145
Vyacuteška mm] 13 122 117
N2 [z] 47 53 41
N2 [z] 47 53 41
Průměr vodiče [mm] 075 05 05
Měřeniacute je provedeno při frekvenciacutech 50Hz a 300Hz a maximaacutelniacute intenzitě 250 Am u jader
M150-30S a Vitropermu 500F Materiaacutel KoolMμ byl měřen při maximaacutelniacute intenzitě 5950 Am
z důvodů zachyceniacute maximaacutelniacute hodnoty indukce tohoto jaacutedra Na Obr71 až 715 jsou pro
srovnaacuteniacute hysterezniacute uvedeny charakteristiky měřenyacutech materiaacutelů
Obr 78 Vzorky jader připraveneacute na měřeniacute hysterezniacutech charakteristik Vlevo M150-30S uprostřed
Vitroperm 500F a vpravo KoolMμ
45
Obr 79 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
Obr 710 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=250 Am Bmax=157 T
Obr 711 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=250 Am Bmax=153 T
Při frekvenci 300Hz došlo k nepatrneacutemu sniacuteženiacute hodnoty Bmax oproti 50 Hz Intenzita Hc se
ztrojnaacutesobila
Remacomp-C2 nebyl schopen naměřit hysterezniacute smyčku Vitropermu 500F na Obr zcela bezchybně
46
Obr 712 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z Vitropermu 500F měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=279 Am při 50Hz vykazuje odskoky od skutečneacuteho průběhu
Obr 713 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z Vitropermu 500F měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě
intenzity magnetickeacuteho pole Hmax=279 Am při 300 Hz takeacute vykazuje odskoky od skutečneacuteho průběhu
Při změně frekvence z 50 Hz na 300Hz došlo k naacuterůstu koercitivity o pohyacutech 07 Am Materiaacutel
vykazuje velice malou hodnotu remanentniacute indukce pro obě frekvence
47
Obr 714 Hysterezniacute smyčka jaacutedra Kool Mμ změřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity magnetickeacuteho
pole Hmax=5950 Am při 50 Hz
Obr 715 Hysterezniacute smyčka jaacutedra Kool Mμ změřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity magnetickeacuteho
pole Hmax=5950 Am při 300 Hz
48
731 Vyhodnoceniacute naměřenyacutech vyacutesledků
Nejvyššiacute hodnoty indukce dosahujiacute jaacutedra z plechů M150-30S Koercitivniacute intenzita se u jaacutedra z plechů
M150-30S stejně jako u matriaacutelu KoolMμ při změně frekvence z 50 Hz na 300 Hz ztrojnaacutesobila
Niacutezkaacute cena jader KoolMμ je z hlediska naměřenyacutech veličin odpoviacutedajiacuteciacute Jaacutedra Kool Mμ vykazujiacute
amplitudovou permeabilitu μa pouze 77 Vyacuterobce uvaacutediacute hodnotu μa=125
Nejnižšiacute koercitivniacute intenzita byla naměřena u materiaacutelu Vitroperm 500F Měřeniacute magnetickeacuteho jaacutedra
Vitropermu 500F při 50 Hz prokaacutezalo velice niacutezkou koercitivniacute intenzitu Hc= 1Am kteraacute odpoviacutedaacute
uacutedajům z katalogoveacuteho listu Tento špičkovyacute materiaacutel se použiacutevaacute pro sveacute charakteristickeacute vlastnosti
pro jednofaacutezoveacute a trojfaacutezoveacute magnetickeacute obvody ve spiacutenanyacutech napaacutejeciacutech zdrojiacutech frekvenčniacutech
měničiacutech ale i pro běžneacute tlumivky Struktura tohoto materiaacutelu je velice křehkaacute neboť je navinuta
z 20 μm tenkyacutech vrstev Diacuteky tomu neniacute vhodneacute tato jaacutedra dělit řezaacuteniacutem
49
8 Realizovanyacute Adamsův motor
81 Virtuaacutelniacute model Adamsova motor generaacutetoru a jeho praktickaacute
realizace
Model motoru je vytvořen v programu SolidWorks SolidWorks je mocnyacutem naacutestrojem konstrukteacutera a
nabiacuteziacute snadnou optimalizaci modelu
Po vytvořeniacute jednotlivyacutech diacutelů je možneacute tyto diacutely pomociacute vazeb navzaacutejem svaacutezat a tiacutem daacutet okamžitou
představu o chovaacuteniacute modelu
Při naacutevrhu Adamsova motoru jsem vychaacutezel předevšiacutem z rozměrů magnetickyacutech jader statoroveacute čaacutesti
stroje
811 Stator
a) Jako nosnaacute konstrukce pro jaacutedra statoru uloženiacute ložisek uchyceniacute desky plošnyacutech spojů
optickyacutech senzorů sloužiacute dvě tabule z plexiskla tloušťky 8 mm ktereacute tvořiacute nosnou konstrukci
neboť jsou po obvodu vzaacutejemně spojeny šesti zaacutevitovyacutemi tyčemi o průměru 5 mm Na Obr je
zadniacute nosnaacute tabule plexiskla
Obr 81 Zadniacute nosnaacute deska z plexiskla
Otvor průměru 26 mm nachaacutezejiacuteciacute se uprostřed sloužiacute pro uloženiacute kuličkoveacuteho ložiska Skrze
otvory průměru 51 mm po jeho obvodu prochaacuteziacute šrouby pro přichyceniacute krytů ložiska
Naacutesledujiacute otvory určeneacute pro upevněniacute optickyacutech čidel dřevěneacuteho krytu pro zakrytiacute vodičů
připojenyacutech k vinutiacutem a optickyacutem senzorům Skrze podlouhleacute draacutežky jsou šrouby přitaženy
dřevěneacute držaacuteky statorovyacutech jader Vzhledem ke tvaru draacutežky je zajištěna možnost jejich
50
polohovaacuteniacute vzhledem k rotoru Volnyacute prostor na praveacute straně je určen pro upevněniacute desky
plošnyacutech spojů s elektronickyacutemi součaacutestkami
b) Nosneacute držaacuteky pro jaacutedra statoru jsou použity dřevěneacute špaliacuteky do kteryacutech jsou jaacutedra vlepena
epoxidovou pryskyřiciacute
c) Optočleny TCST 2103 jsou přitaženy k jejich dutyacutem dřevěnyacutem držaacutekům imbusovyacutemi šrouby
průměru 3 mm Skrze dřevěneacute držaacuteky jsou kolmo na směr vyacutevodů optočlenu vyvrtaacuteny otvory
pro zaacutevitoveacute tyče jež spolu s našroubenyacutemi matkami přitahujiacute držaacutek s čidlem jedneacute k zadniacute
desce plexiskla statoroveacute čaacutesti stroje Jistaacute uacuteroveň dotaženiacute matce dovoluje držaacutek s čidlem
nataacutečet a měnit tak okamžik sepnutiacute optočlenu
Obr 82 Optočlen TCST 2103 připevněnyacute k dřevěneacutemu držaacuteku
d) Stejnou vzdaacutelenost mezi dvěma plexiskly statoru zajišťujiacute distančniacute trubice skrze ktereacute
prochaacuteziacute zmiacuteněneacute zaacutevitoveacute tyče spojujiacuteciacute obě zaacutekladoveacute tabule plexiskla Tyto trubice jsou
vyrobeny z kostry stojanu pro sušeniacute praacutedla Z estetickyacutech důvodů je na nich navlečena a
zatavena teplem smršťovaciacute bužiacuterka
Postup vytvořeniacute ciacutevky v SolidWorksu
1 V předniacute rovině skici na Obr je pomociacute os X a Y vytvořen souřadnicovyacute systeacutem potřebnyacute pro
tvorbu zaacutekladniacutech vazeb využityacutech při ryacutesovaacuteniacute
2 Čelniacute pohled na jeden poacutel magnetickeacuteho jaacutedra ve statoru na ktereacute maacute byacutet umiacutestěna jedna
budiacuteciacutech ciacutevek je vytvořen z konstrukčniacutech přiacutemek a okoacutetovaacuten rozměry 13 mm x 11 mm
3 Vnitřniacute rozměry ciacutevky jsou z čelniacuteho pohledu oproti jaacutedru na každeacute straně zvětšeny o 05 mm
tedy o tloušťku foacutelie jež tvořiacute kostřičku ciacutevky a malou vzduchovou mezeru umožňujiacuteciacute volneacute
nasunutiacute ciacutevky na magnetickeacute jaacutedro
4 Poloměr zaobleniacute vnitřniacute čaacutesti kostry ciacutevky je 08 mm
51
Obr 81 Skica naacutevrhu diacutelu
5 Vnějšiacute rozměry ciacutevky jsou daacuteny počtem vrstev zaacutevitů a celkovyacutem činitelem plněniacute ciacutevky
Deset vrstev zaacutevitů vodičem 03 mm spolu s izolačniacute a nosnou kostrou ciacutevky vytvořiacute 4 mm
vysokou vrstvu zaacutevitů v roziacutech zaoblenou se stejně velkyacutem poloměrem 4mm Vnějšiacute a vnitřniacute
zaobleniacute rohů je od rovnyacutech segmentů skici odděleno uacutesečkami čiacutemž je skica dokončena
6 Využitiacutem funkce přidaacuteniacute vytaženiacutem a jejiacute aplikaciacute na jednotliveacute segmenty skici je ciacutevka
symetricky vytažena do prostoru na deacutelku 19 mm Zamiacutetnutiacutem funkce sloučit vyacutesledky při
vytaženiacute jsou všechny segmenty ciacutevky vytvořeny jako samostatneacute objekty čiacutemž odpadaacute
děleniacute modelu v Ansysu
Obr 82 Model ciacutevky
Magnetickaacute jaacutedra použitaacute ve statoru jsou původně určena pro jednofaacutezoveacute jaacutedroveacute transformaacutetory
Jaacutedro transformaacutetoru je při vyacuterobě naviacutejeno na obdeacutelniacutekoveacute kopyto o rozměrech odpoviacutedajiacuteciacutech
požadovaneacute velikosti okna pro primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Jaacutedro je po navinutiacute
z transformaacutetoroveacuteho plechu rozřiacuteznuto na dvě poloviny jak je zřejmeacute z Obr xx čiacutemž je možneacute do
magnetickeacuteho obvodu nasunout primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute
V našem přiacutepadě je pro každeacute magnetickeacute jaacutedro statoru použita pouze jedna polovina zmiacuteněneacuteho
transformaacutetoroveacuteho jaacutedra Okno statoroveacuteho jaacutedra určeneacute pro umiacutestěniacute obou vinutiacute statoru maacute pouze
polovičniacute deacutelku oproti transformaacutetoru a na straně řezu je otevřeno
52
Obr 83 Pohled na uloženiacute vinutiacute
Obě budiacuteciacute ciacutevky jsou nasunuteacute na jednom jaacutedru statoru a jsou totožneacute tj majiacute stejnyacute počet zaacutevitů
vinutyacutech vodičem o stejneacutem průřezu Jsou spojena do seacuterie a spolu s magnetickyacutem jaacutedrem tvořiacute jeden
z osmi statorovyacutech magnetickyacutech obvodů
Na Obr Xx je bližšiacute pohled na rozloženiacute vodičů v průřezu ciacutevkou Každaacute vrstva zaacutevitů ciacutevky obsahuje
63 zaacutevitů v deseti vrstvaacutech
Obr 84 Rozloženiacute zaacutevitů
Počet zaacutevitů v jedneacute ciacutevce je daacuten naacutesobkem počtu zaacutevitů v jedneacute vrstvě a množstviacute vrstev tedy
63x10= 630 zaacutevitů Jelikož jsou obě ciacutevky na magnetickeacutem jaacutedru spojeny do seacuterie celkovyacute počet
zaacutevitů je dvojnaacutesobnyacute tedy 1260 zaacutevitů Protože statorovaacute jaacutedra odděluje od rotoru vzduchovaacute mezera
05 mm jsou obě vinutiacute od konce jaacutedra umiacutestěny ve vzdaacutelenosti 2 mm pro zajištěniacute bezpečneacute
vzdaacutelenosti od otaacutečejiacuteciacuteho se rotoru Naacutesledkem toho se do jedneacute vrstvy ciacutevky vleze menšiacute počet
zaacutevitů bliacuteže zpraženyacutech s magnetickyacutem tokem v jaacutedru
Počet vrstev obou vinutiacute je teacutež omezen a to jednak velikostiacute okna a mezerou 5 mm mezi oběma
vinutiacutemi Tato mezera zajišťuje možnost volneacuteho nasunutiacute vinutiacute na magnetickeacute jaacutedro a umožňuje
lepšiacute odvod tepla do okoliacute
53
Pro dosaženiacute konstantniacute vzduchoveacute mezery mezi vyniklyacutemi poacutely rotoru a jaacutedry ve statoru jsou konce
statorovyacutech jader zbroušeny na poloměr bliacutezkyacute poloměru plechů v rotoru
Kostřička ciacutevky
Pro vyacuterobu kostřiček ciacutevek posloužila plastovaacute folie určenaacute pro krytiacute předniacute strany dokumentu
svaacutezaneacuteho v kroužkoveacute vazbě Po vyřezaacuteniacute a ohnutiacute do požadovaneacuteho tvaru byla a slepena
oboustrannou lepiciacute paacuteskou
Obr 83 Kostřička ciacutevky vyrobenaacute z plastoveacute folie
Naviacutejeniacute ciacutevek
Pro naviacutejeniacute ciacutevek se realizovalo ručniacute naviacuteječkou s mechanickyacutem počiacutetadlem Na Obr84 je vidět že
obě ciacutevky jsou navinuty nepřerušenyacutem vodičem Obě ciacutevky majiacute 630 zaacutevitů
Obr 84 Pro zpevněniacute čel ciacutevek během naviacutejeniacute na plastovou kostřičku posloužily 5mm širokeacute destičky
z pertinaxu Draacutežky v nich vybroušeneacute umožnily zachyceniacute vyacutestupniacuteho vodiče ciacutevky pod navlečenou
gumičku Levaacute destička pertinaxu je odniacutematelnaacute po uvolněniacute dotaženeacuteho šroubu
Hotovaacute ciacutevka navinutaacute na kostřičce z plastoveacute folie je na Obr Po navinutiacute ciacutevky se čela kostřičky
(plastoveacute folie) zahnula přes horniacute vrstvu zaacutevitů a navzaacutejem slepila sekundovyacutem lepidlem
Obr 85 Pohled na ciacutevku zpevněnou kostřičkou z plastoveacute folie
54
Statoroveacute jaacutedro s ciacutevkami
Na každeacute z osmi statorovyacutech jader jsou nasunuty dvě seacuteriově spojeneacute ciacutevky Pro pevneacute zachyceniacute obou
vinutiacute je použit pružnyacute tmel
Obr 86 Pohled na statoroveacute jaacutedro s nasunutyacutem vinutiacutem
Uchyceniacute statorovyacutech jader
Statorovaacute jaacutedra jsou pevně zalepena epoxidovou plyskyřiciacute do dřevěnyacutech sloupků Po obou stranaacutech
sloupku jsou vyvrtaacuteny otvory v nižchž jsou vyřezaacuteny zaacutevity pro šrouby Dotaženiacutem šroubu jsou
sloupky s jaacutedry pevně uchyceny v deskaacutech z plexiskla
Obr 87 Pohled na jaacutedro zalepeneacute v dřevěneacutem držaacuteku
55
812 Rotor
Průměr rotoru a jeho konstrukčniacute řešeniacute je navrženo s ohledem na rozměry jader ve statoru a velkou
hmotnost dynamoplechů
e) Z velikosti okna pro primaacuterniacute vinutiacute je odvozena potřebnaacute vyacuteška permanentniacutech magnetů a
počet vrstev dynamoplechů v rotoru
f) Rozměry hřiacutedele jsou voleny s ohledem na použitaacute kuličkovaacute ložiska o vnitřniacutem průměru 10
mm a hmotnost rotorovyacutech plechů a je počiacutetaacuteno s jistou rezervou v přiacutepadě působeniacute vyššiacutech
momentů setrvačnosti celeacuteho rotoru Hřiacutedel a středoveacute přiacuteruby zajišťujiacute pevneacute přichyceniacute
středoveacuteho pouzdra permanentniacutech magnetů jelikož jsou vzaacutejemně spojeny čtyřmi šrouby
Hřiacutedel a středoveacute přiacuteruby jsou vysoustruženy z mosazi
Obr 88 Hřiacutedel je vysoustruženaacute z mosazneacute kulatiny
Na Obr je pohled na celkovou sestavu rotoru a statorovaacute jaacutedra Ke hřiacutedeli jsou přiacuteruby připevněny
ve čtyřech miacutestech
Obr 89 Pohled na rotor a jaacutedra statoru opatřenaacute vinutiacutem
g) Přiacuteruby pro uchyceniacute středoveacuteho pouzdra rotoru v němž jsou uloženy magnety jsou
vysoustruženy z mosazi stejně tak i přiacuteruba pro komutačniacute disk Přiacuteruby jsou ke hřiacutedeli pevně
dotaženy imbusovyacutemi šrouby
56
Obr 810 Jedna přiacuterub pro upevněniacute středoveacuteho pouzdra magnetů ke hřiacutedeli
h) Středoveacute pouzdro nesouciacute dynamoplechy a magnety je složeno z třiacute vrstev plexiskla tloušťky
2x4 mm + 1x5 mm Maacute tedy tloušťku 13 mm stejně jako vnitřniacute rozměr okna jaacutedra statoru
Přiacuteruby navlečeneacute na hřiacutedeli z obou stran stahujiacute plexiskla středoveacuteho pouzdra čiacutemž je pevně
spojujiacute s hřiacutedeliacute
Obr 811 Středoveacute pouzdro permanentniacutech magnetů
i) Dynamoplechy jsou po obou stranaacutech středoveacuteho pouzdra navrstveny na požadovanou vyacutešku
11 mm což odpoviacutedaacute přiacuteslušneacutemu rozměru jaacutedra v jeho řezu Při tloušťce dynamoplechu 05
mm je na obou stranaacutech pouzdra 22 vrstev dynamoplechu Jak dynamoplechy tak i středoveacute
pouzdro v sobě majiacute vyřezaacuteny otvory pro zaacutevitoveacute tyče a diacuteky matkaacutem dotaženyacutem po obou
stranaacutech rotoru spojujiacute navzaacutejem tyto čaacutesti s hřiacutedeliacute
Obr 812 Jedna sekce rotoru je složenaacute z 22 vrstev dynamoplechů
j) K dobreacutemu staženiacute dynamoplechů nejen v miacutestech kde k nim ze stran přileacutehajiacute matky
přispiacutevajiacute kryciacute kotouče z plexiskla na Obr813
57
Obr 813 Otvorem uprostřed kryciacuteho kotouče prochaacuteziacute hřiacutedel a je možneacute se diacuteky němu dostat na
šrouby připevňujiacuteciacute přiacuteruby rotoru pevně k řčiacutedeli
Vyacuteroba vyniklyacutech poacutelů rotoru
Rotoroveacute plechy jsou do požadovaneacuteho tvaru na Obr814 vyřezaacuteny pomociacute vodniacute pily Tryska
zařiacutezeniacute žene proud vodniacuteho paprsku spolu s abrazivem kolmo na řezanyacute objekt
Obr 814 Skica rotorovyacutech plechů s vyznačenyacutemi miacutesty pro umiacutestěniacute permanentniacutech magnetů
Na Obrxx zachycena vodniacute pila během vyřezaacutevaacuteniacute požadovaneacuteho tvaru rotoru do tabule
dynamoplechu o rozměrech 1x1metr
58
Obr 815 Sniacutemek pořiacutezenyacute během řezaacuteniacute dynamoplechu vodniacutem paprskem s abrazivem
Magnetickaacute čaacutest obvodu obvod rotoru se sklaacutedaacute ze dvou sekciacute mezi nimiž jsou umiacutestěny permanentniacute
magnety ktereacute sloužiacute jako zdroj magnetickeacuteho pole Každaacute sekce je vytvořena navrstveniacutem
dynamoplechů do vrstvy 11 mm Při tloušťce dynamoplechu to odpoviacutedaacute 22 vrstvaacutem v každeacute sekci
Obr 816 Čelniacute pohled na zkompletovanyacute rotor
Komutaacutetor
Komutaacutetor je realizovaacuten průhlednou foacuteliiacute s černyacutem potiskem Pravidelneacute střiacutedaacuteniacute průsvitnyacutech a
černyacutech oblastiacute na foacutelii během otaacutečeniacute rotoru zajišťuje pravidelneacute přerušovaacuteniacute IR paprsku v osmi
optoelektronickyacutech spiacutenačiacutech TCST 2103 rozmiacutestěnyacutech pravidelně okolo obvodu komutačniacute folie
Na foacutelii je sedm černyacutech a sedm průsvitnyacutech vyacutesečiacute což odpoviacutedaacute počtu sedmi vyniklyacutech poacutelů v obou
sekciacutech rotoru oddělenyacutech permanentniacutemi magnety Nastaveniacute optimaacutelniacute uacutehlu natočeniacute komutačniacute
folie bylo stanoveno měřeniacutem pro uacutehly natočeniacute 1285deg 5 deg 0deg a -1285deg Vyacutesledky jsou shrnuty
v zaacutevěru praacutece
59
Obr 817 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 1285deg
Obr 818 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 5deg
Obr 819 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 0deg
Obr 820 Nastaven uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie -1285deg
Na Obr je čelniacute pohled na realizovanyacute komutaacutetor Po obvodu jsou rovnoměrně rozmiacutestěny černeacute
dřevěneacute držaacuteky s optočleny skrze ktereacute prochaacuteziacute uacutezkeacute zaacutevitoveacute tyče zbroušeneacute tak aby uvnitř držaacuteku
nepoškodily přiacutevodniacute vodiče optočlenů Dotaženiacutem matek našroubovanyacutech na zaacutevitoveacute tyče je možneacute
pevně přitaacutehnout
60
Obr 821 Fotorgrafie realizovaneacuteho komutaacutetoru
Obr 822 Podrobnějšiacute pohled s popisem čaacutestiacute
Optoelektronickeacute
spiacutenače TCST 2103
Jaacutedra statoru
Vinutiacute statoru
Komutaacutetor
s regulaciacute předstihu
Vynikleacute poacutely
rotoru
61
Zkompletovanyacute motor
Na Obr jsou na nosneacute desce namontovaacutena statorovaacute jaacutedra
Obr 823 Horniacute pohled na nosnou desku Uprostřed desky je vidět nachaacuteziacute kryt ložiska
Vodiče ciacutevek na magnetickyacutech jaacutedrech jsou zavedeny do bdquočokolaacutedldquo přišroubovanyacutech po bočniacutech
stranaacutech dřevěnyacutech držaacuteků jader
Obr 824 Bočniacute pohled na dřevěneacute držaacuteky jader statoru
Vyacutevody z čokolaacuted jsou protaženy do dřevěneacuteho tunelu zobrazenyacute ze spodniacute strany na Obr kteryacute
sloužiacute jako ochrana před otaacutečejiacuteciacutem se rotorem
Obr 825 Spodniacute strana kryciacuteho tunelu před vyvrtaacuteniacutem otvorů pro přichyceniacute k nosneacute desce
62
Obr 826 Čelniacute pohled na hotovyacute model Adamsova motoru
Obr 827 Redukce připevněnaacute na hřiacutedeli sloužiacute pro zvětšeniacute jejiacuteho průměru při spojeniacute spojeniacute
motoru s dynamometrem
63
82 Elektrickyacute obvod
821 Popis a scheacutema zapojeniacute
Elektronickaacute čaacutest je spiacutenaacutena přerušovaacuteniacutem infračerveneacuteho paprsku dopadajiacuteciacuteho na fototranzistor
v optočlenu Paprsek prochaacuteziacute průsvitnou čaacutestiacute foacutelie ve chviacuteli kdy jsou vynikleacute poacutely rotoru v čelniacute
pozici se statorovyacutemi jaacutedry a ciacutevky umiacutestěneacute na těchto jaacutedrech v nich majiacute vybudit magnetickyacute
indukčniacute tok opačneacuteho směru oproti toku vystupujiacuteciacuteho z rotorovyacutech poacutelů Naacutesledkem siloveacuteho
působeniacute mezi magnetickyacutemi poli rotoru a statoru je rotor roztaacutečen
Obr 828 Scheacutema zapojeniacute elektrickeacuteho obvodu pro řiacutezeniacute motoru Obvod v praveacute čaacutesti obraacutezku za
přerušovanou čarou se opakuje celkem 4x Pro ušetřeniacute miacutesta je tedy zobrazena pouze jedna čtvrtina
zapojeniacute
Elektrickyacute obvod je možneacute rozdělit na čaacutest vyacutekonovou kteraacute je od čaacutesti niacutezko přiacutekonoveacute oddělena
řiacutediacuteciacute elektrodou vyacutekonovyacutech MOSFET tranzistorů IRF540 Na Obr xx je pro zmenšeniacute ušetřeniacute
miacutesta zobrazena pouze jedna čtvrtina čaacutesti scheacutematu elektrickeacuteho obvodu V leveacute čaacutesti scheacutematu jsou
vyznačena miacutesta připojeniacute napaacutejeciacuteho napětiacute Pro laboratorniacute měřeniacute je vhodneacute vzaacutejemně je oddělit
Kladnyacute poacutel stejnosměrneacuteho napaacutejeciacuteho napětiacute o velikosti 5-31 V je pojen k ciacutevkaacutem skrze konektory
L1až L8 k ke statorovyacutem vinutiacutem Stejnosměrneacute napětiacute 10 ndash 35 V DC je připojeno přes stabilizaacutetor
napětiacute 7808 a Rezistory R1 a R2 k optočlenům TCST 2103 ktereacute jsou ve scheacutematu zastoupeny
vyacutevody označenyacutemi EM1 a DET1 Ty Zkratkovitě označujiacute přiacuteslušnyacute emitor IR zaacuteřeniacute (infračervenaacute
dioda) a detektor (fototranzistor pro infračerveneacute spektrum) implementovaneacute v pouzdru optočlenu
Hodnoty odporů jsou stanoveny na zaacutekladě snahy omezit proud řiacutediacuteciacuteho obvodu na nejnižšiacute hodnotu a
zaacuteroveň zachovat spraacutevnou funkci obvodu Jmenovitaacute hodnota proudu emitorem je 20mA Proud
tekouciacute skrze EM1 až EM8 je nastaven předřadnyacutemi rezistory 6K8 na hodnotu cca 1mA Paprsek
prochaacuteziacute skrze průsvitnou čaacutest komutaacutetoru nebo je přerušen černě potištěnou čaacutestiacute Pokud paprsek
dopadaacute na detektor a otviacuteraacute jej a proud může prochaacutezet přes odpory 39K předřazeneacute detektorům Za
detektory jsou napojeny Schmittovi klopneacute obvody na jejichž vstupech se objeviacute napětiacute v přiacutepadě že
je detektor paprskem neosviacutecen Klopneacute obvody jsou napaacutejeny napětiacutem ze stabilizaacutetoru a na sveacutem
64
vyacutestupu majiacute toteacutež napětiacute pokud je na jejich vstupu napětiacute nuloveacute V jednom pouzdře integrovaneacuteho
obvodu 40106N se nachaacuteziacute 6 investujiacuteciacutech hradel Paralelniacutem spojeniacute třiacute je sniacutežen odpor hradla na
třetinu Naacutesleduje vyacutekonovyacute MOSFET tranzistor IRF560 s odporem přechodu elektrod DS v
sepnuteacutem stavu 44m Ω Niacutezkaacute vyacutekonovaacute ztraacuteta těchto tranzistorů snižuje ztraacutetovyacute vyacutekon na minimum
v porovnaacuteniacute s bipolaacuterniacutemi tranzistory Je-li na vstupniacute elektrodu G připojeno kladneacute napětiacute tranzistor
se otevře a umožniacute průchod proudu přiacuteslušnyacutem vinutiacutem připojenyacutem ke konektoru L1až L8
822 Deska plošnyacutech spojů
Deska plošnyacutech spojů vytvořenaacute stejně tak jako scheacutema v programu Eagle
Obr 829 Deska plošnyacutech spojů elektronickeacute ho obvodu z pohledu součaacutestek
Navrženaacute deska plošnyacutech spojů je vyrobena bdquofotocestouldquo Působeniacutem zdroje ultrafialoveacuteho světla
dojde ke změně chemickeacute struktury fotocitliveacute vrstvy kteraacute se nachaacuteziacute v miacutestech prosviacuteceniacute průsvitneacute
předlohy DPS Po rozpuštěniacute osviacuteceneacute vrstvy fotocitliveacuteho laku v hydroxidu sodneacutem byla deska
omyta vodou a odleptaacutena v chloridu železiteacutem
Obr 830 Osvit desky plošnyacutech spojů 11W UV zaacuteřivkou
65
Obr 831 Hotovaacute deska po odvrtaacuteniacute otvorů pro vyacutevody součaacutestek a protaženiacute vodičů do dřevěneacuteho
kryciacuteho tunelu
66
9 Magnetostatickaacute analyacuteza Adamsova motoru
91 Vyacutepočet zjednodušeneacuteho magnetickeacuteho obvodu
911 Feromagnetika v magnetickeacutem obvodu
Permanentniacute magnety použiteacute rotoru jsou neodymoveacute (Nd-Fe-B) s magnetizaciacute N38 a maximaacutelniacute
pracovniacute teplotě 80degC Magnety majiacute tvar vaacutelce Požadovanaacute vyacuteška magnetů je 13 mm a odpoviacutedaacute
přiacuteslušneacutemu rozměru okna jader ve statoru Požadovaneacute vyacutešky bylo dosazeno spojeniacutem magnetu o
vyacutešce 10 mm a magnetu o vyacutešce 3 mm Magnety majiacute průměr 15mm
Demagnetizačniacute charakteristika magnetu je na Obr
Obr 91 Druhyacute kvadrant pracovniacutech hysterezniacutech smyček B(H) a J(H)=B(H)-μ0H
permanentniacuteho magnetu s magnetizaciacute N38 měřeno při 26degC
Magnetickaacute jaacutedra statoru jsou vyrobena z FeSi transformaacutetoroveacuteho plechu s anizotropniacute strukturou o
jakosti M150-30 Materiaacutel maacute poměrně niacutezkou konduktivitu tedy niacutezkeacute ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy
Magnetickeacute čaacutesti rotoru jsou z dynamoplechů izotropniacute struktury o jakosti M600 - 50
Vyacutepočet magnetickeacute indukce a intenzity magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře mezi rotorovyacutem a
statorovyacutem poacutelem
Magnetickyacute obvod se sklaacutedaacute z permanentniacuteho magnetu dvou vyniklyacutech poacutelů rotoru dvou
vzduchovyacutech mezer a jaacutedra statoru
-14
-12
-1
-08
-06
-04
-02
0
02
04
06
08
1
12
14
-1 200 -1 100 -1 000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0
J B [T]
H [kAm]
Demagnetizačniacute charakteristika NdFeB magnetu (N38)
J magnetu
B magnetu
B vakau
HBHmax=473 kAm BHmax=294 kJm3
BBHmax=0612 T B
J
μ0H
HC=-937 kAm
67
Obr 92 Magnetickyacute obvod s permanentniacutem magnetem
Pro středniacute indukčniacute čaacuteru naznačenou v magnetickeacutem obvodu přerušovanou čarou platiacute podle prvniacute
Maxwellovy rovnice v integraacutelniacutem tvaru
kde indexy značiacute M permanentniacute magnet žr železo rotoru v vzduchovou mezeru a žs železo statoru
Železo rotoru (dynamoplechy) a železo statoru (transformaacutetoroveacute plechy) jsou feromagneticky měkkeacute
materiaacutely Pro zjednodušeniacute vyacutepočtu předpoklaacutedaacuteme že jejich permeability tj jejich
magnetickeacute odpory a tedy i magnetickaacute napětiacute a jsou zanedbatelně maleacute
takže pro intenzitu magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře platiacute
Pro magnetickyacute indukčniacute tok permanentniacuteho magnetu platiacute
kde je činitel rozptylu ve vzduchoveacute mezeře a jestliže k rozptylu toku nedochaacuteziacute tak
Magnetickyacute indukčniacute tok ve vzduchoveacute mezeře je vyjaacutedřen
Pro magnetickyacute indukčniacute tok permanentniacuteho magnetu platiacute
takže magnetickaacute indukce ve vzduchoveacute mezeře je
(19)
(20)
(21)
(22)
(23)
BM HM
lM
lžr
lžr
lv
lv
lžs
Bv
Hv
Sv
Sžr Sžs
SM
Hžr
Hžr
Hžs Bžs
Bžr
Bžr
J
S
Sžr
Bv
Hv
68
odtud
Z rovnosti rovnic (19) a (24)
lze vyjaacutedřit magnetickou indukci permanentniacuteho magnetu jako
kde veličina Nd je tzv demagnetizačniacute činitel pro nějž platiacute
Pro dosazeniacute do (24) je zapotřebiacute stanovit hodnotu činitele rozptylu magnetickeacuteho toku ve vzduchoveacute
mezeře Stanoviacuteme odhadem (
Pro dosazeniacute do (24) je daacutele zapotřebiacute stanovit průřez magnetu Při průměru 15 mm je
Průřez vzduchoveacute mezery mezi statorem a rotorem vypočteme jako aritmetickyacute průměr průřezu poacutelu
jaacutedra statoru a průřezu vynikleacuteho poacutelu rotoru Skutečneacute průřezy poacutelu statoru a rotoru lze jednoduše
odečiacutest z virtuaacutelniacuteho modelu v DesignModeleru Ansysu jak je naznačeno na Obr93 a na Obr94
Průřez poacutelu statoroveacuteho jaacutedra SS je dle DesignModeleru 14328 mmsup2
Obr 93 Po označeniacute plochy jaacutedra statoru vypočte DesignModeler jejiacute průřez
(24)
(25)
(26)
(27)
(28)
(29)
69
Průřez vynikleacuteho poacutelu rotoru SR je dle DesignModeleru 29128 mmsup2
Obr 94 Po označeniacute plochy vynikleacuteho poacutelu rotoru vypočte DesignModeler jeho průřez
Po dosazeniacute průřezů je aritmetickyacute průměr průřezu vzduchoveacute mezery
Vyacuteška použiteacuteho magnetu je daacutena součtem vyacutešek dvou na sobě umiacutestěnyacutech magnetů 10mm a 3 mm
tedy =13 mm
Řešenyacute magnetickyacute obvodu obsahuje dvě vzduchoveacute mezery o velikosti 1 mm Celkovaacute deacutelka
vzduchoveacute mezery je daacutena součtem těchto dvou deacutelek tedy =2 mm
Dosazeniacute všech potřebnyacutech hodnot do rovnice (24) vypočiacutetaacuteme demagnetizačniacute činitel
Dosazeniacutem demagnetizačniacuteho činitele do rovnice pro magnetickou indukci magnetu (26) ziacuteskaacuteme
rovnici přiacutemky
jejiacutež průsečiacutek s demagnetizačniacute křivkou permanentniacuteho magnetu na Obrxx stanoviacute pracovniacute bod
permanentniacuteho magnetu
Z grafu na Obr 95 je možneacute odečiacutest hodnotu magnetickeacute indukce permanentniacuteho magnetu v
pracovniacutem bodu BM=1 T a odpoviacutedajiacuteciacute hodnotu intenzity magnetickeacuteho pole HM=1 T
(30)
(31)
70
Obr 95 V průsečiacuteku přiacutemky s demagnetizačniacute charakteristikou se nachaacuteziacute pracovniacute bod P
permanentniacuteho magnetu v magnetickeacutem obvodu se vzduchovou mezerou
Zvětšeniacutem vzduchoveacute mezery v magnetickeacutem obvodu se zvětšiacute demagnetizačniacute činitel Nd tj zvětšiacute se
směrovyacute uacutehel přiacutemky z hodnoty α na hodnotu α1 a pracovniacute bod P se posune do polohy P1 jak je
naznačeno na Obr96
Obr 96 V průsečiacuteku přiacutemky s demagnetizačniacute charakteristikou se nachaacuteziacute pracovniacute bod
permanentniacuteho magnetu
00
02
04
06
08
10
12
14
-1 000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0
J B [T]
H [kAm]
Stanoveniacute pracovniacuteho bodu magnetu na demagnetizačniacute
charakteristice
B magnetu
Bm=-NdHm
BM=1 T
HM=-183 kAm
P
Br=124 T
HC=-937 kAm
71
Zmenšiacute-li se opět vzduchovaacute mezera na původniacute velikost nevraacutetiacute se pracovniacute bod P1 do sveacute původniacute
polohy v bodě P ale do polohy P2 po křivce k2 Smyčka složenaacute z křivek k1 a k2 je malaacute hysterezniacute
smyčka Přibližně ji můžeme nahradit uacutesečkou P1 P2 sviacuterajiacuteciacute s osou H uacutehel β Pohybuje-li se pracovniacute
bod po maleacute hysterezniacute smyčce jde vratneacute změny tj zanikne-li přiacutečina posuvu pracovniacuteho bodu vraciacute
se pracovniacute bod do sveacute původniacute polohy Pohyb pracovniacuteho bodu po hlavniacute hysterezniacute smyčce je
nevratnyacute K podobnyacutem jevům dochaacuteziacute když miacutesto změn vzduchoveacute mezery působiacuteme na permanentniacute
magnet magnetickyacutem polem ktereacute zvětšuje nebo zmenšuje jeho tok Všechny dalšiacute pohyby
pracovniacuteho bodu probiacutehajiacute přibližně po přiacutemce P1 P2 pokud směrovyacute uacutehel α nepřestoupiacute hodnotu uacutehlu
α1 Překročiacute-li tuto hodnotu pohybuje se pracovniacute bod opět po hlavniacute hysterezniacute smyčce a při naacutevratu
zpět k původniacute hodnotě uacutehlu α přechaacuteziacute na novou bdquomalou hysterezniacute smyčku vyznačenou na Obrxx
čaacuterkovaně [20]
Magnetickaacute indukce ve vzduchoveacute mezeře
Intenzita magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře
(32)
(33)
72
92 Vyacutepočet magnetickeacuteho obvodu v ANSYS Workbench
Magnetickaacute indukce - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 97 Pohled na rozloženiacute magnetickeacute indukce v obvodu při I=0A
Obr 98 Zobrazeniacute vektorů magnetickeacute indukce při I=0A
73
Magnetickaacute indukce - horniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 99 Rozloženiacute magnetickeacute indukce při I=0A
Obr 910 Zobrazeniacute vektorů magnetickeacute indukce při I=0A
74
Intenzita magnetickeacuteho pole - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 911 Rozloženiacute intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
Obr 912 Zobrazeniacute vektorů intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
75
Intenzita magnetickeacuteho pole - horniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 913 Rozloženiacute intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
Obr 914 Zobrazeniacute vektorů intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
76
Rozloženiacute siacutely působiacuteciacute na poacutely rotoru vlivem přiacutetažneacute siacutely permanentniacuteho magnetu
Obr 915 Siacutela mezi poacutely rotoru
Přitažlivaacute siacutela mezi poacutely rotoru v miacutestě magnetu je daacutena rozdiacutelem maximaacutelniacute a minimaacutelniacute hodnoty sil
(34)
77
Magnetickaacute indukce při proudu 1 A - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru při
921 Rozběh motoru
Uacutekolem je naleacutezt nejmenšiacute hodnotu proudu tekouciacuteho vinutiacutem statoroveacuteho jaacutedra při ktereacute dojde k
rozběhu motoru Vychaacutezejme z toho že přiacutetažnaacute siacutela působiacuteciacute na jedno jaacutedro statoru ktereacute je
v zarovnaneacute pozici s vyniklyacutemi poacutely rotou musiacute byacutet vlivem proudu tekouciacuteho vinutiacutem
Proud by měl miacutet takovou velikost aby v jaacutedru statoru vybudil magnetickyacute tok opačneacute polarity oproti
magnetickeacutemu toku vystupujiacuteciacuteho z protějšiacuteho vynikleacuteho poacutelu rotoru A to s takovyacutemi silovyacutemi
uacutečinkly aby byl došlo k pootočeniacute rotoru do pozice ve ktereacute se vedlejšiacute vynikleacute poacutely rotoru začnou
přitahovat k vedlejnšiacutemu statoroveacutemu jaacutedru Celyacute proces se poteacute opakuje i u dalšiacutech jader
Středniacute hodnota proudu tiacutemto vinutiacutem se během rozběhu motoru snižuje až na konstntniacute hodnotu
Dojdek k ustaacuteleniacute otaacuteček a doby průchodu proudu jednotlivyacutemi vinutiacutemi
78
Na Obr je graf průběhu siacutely působiacuteciacute na jaacutedro statoru ve směru osy x při změně velikosti proudu
tekouciacuteho vinutiacutem
Obr 916 Průběh siacutely při změně proudu
Z Obr919 je zřejmeacute že nuloveacute siacutely v ose x na jaacutedro statoru bude dosaženo při proudu 700 mA Tudiacutež
proud vědšiacute než 700 mA vyvolaacute odpuzeniacute rotorovyacutech poacutelů a celyacute proces se opakuje i u ostatniacutech
statorovyacutech jader
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
0 100 200 300 400 500 600 700
I [mA]
Fx [N]
Fx=f(I)
Fx= -2841 N
79
Na Obr je naacutezorně vidět zarovnanyacute vyniklyacute poacutel rotoru s jaacutedrem ve statoru
Obr 917 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru se statorovyacutem jaacutedrem při nuloveacute siacutele na magnetickeacute jaacutedro
Obr 918 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru s jaacutedrem ve statoru bez přiacutetomnosti proudu
Prochaacuteziacute-li vinutiacutem proud 700mA půsovyacute ma magnetickeacute jaacutedro ve směru osy x nulovaacute siacutela Rozloženiacute
magnetickeacute indukce je na Obr
α=0deg
Fx=0 N
I=700 mA
α=0deg
Fx=-2841 N
I=0 mA
80
Obr 919 Rozloženiacute indukce v obvodu při proudu tekouciacutem vinutiacute 700mA
Obr 920 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru s jaacutedrem ve statoru při proudu tekouciacutem vinutiacute 700mA
81
922 Průběhy sil působiacuteciacute na rotor během pootočeniacute
Na obr je osa jaacutedra(v praveacutem rohu) zarovnaacutena s osou vynikleacuteho poacutelu rotoru (vyznačeno červeně) a
naacutesledujiacuteciacute vyniklyacute poacutel rotoru je oproti statoroveacutemu jaacutedru (vpravo) pootočen o uacutehel α = -643deg
Obr 921 Při pootočeniacute rotoru o uacutehel α = -643deg působiacute na rotor siacutela ve směru FY= -5645 N
Průběh siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor během nataacutečeniacute proti směru hodinovyacutech ručiček mezi uacutehly
pootočeniacute v meziacutech α= -643deg až 0deg
Hodnoty jsou vypočiacutetaacuteny v Ansysu s krokem 02 deg a proloženy přiacutemkou
Obr 922 Průběh siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor během pootočeniacute od -643deg do 0deg a vyznačeneacute hodnoty
siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor pro hodnoty natočeniacute uacutehlu α= -643deg a -5deg
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
F [N]
α [deg]
Fy=f(α)
α=-643deg FY=-5645 N
Fy= - 5645 N
I=0 mA
82
Obr 923 Průběh siacutely působiacuteciacute na rotor v ose y během pootočeniacute od -643deg do 0deg a vyznačeneacute hodnoty
siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor pro hodnoty natočeniacute uacutehlu α= -643deg a -5deg
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
N [Nmm]
α [deg]
Fx=f(α)
83
10 Měřeniacute na realizovaneacutem motoru
V Tab101 jsou hodnoty odporu jednotlivyacutech vinutiacute měřeneacute při 20 degC
Tab 101 Hodnoty odporů vinutiacute
Časoveacute průběhy napětiacute a proudu byly naměřeny pomociacute profesionaacutelniacuteho dvoukanaacuteloveacuteho USB
osciloskopu Handyscope HS3 s parametry uvedenyacutemi v tabulce Tab102 Spojeniacutem osciloskopu s PC
bylo možneacute pomociacute napěťoveacute a proudoveacute sondy naměřit časoveacute průběhy napětiacute a proudu Použitaacute
proudovaacute sonda disponuje maximaacutelniacutem rozlišeniacutem 100 mVA
Tab 102 Vlastnosti Osciloskopu Handyscope HS3
Vstup Vyacutestup
max vzorkovaciacute frekvence 100MSs vzorkovaciacute frekvence 50MSs
volitelneacute rozlišeniacute 12-16 bitů rozlišeniacute 12 bitů
maximaacutelniacute napětiacute 200V napětiacute 0 plusmn12 V
impedance 1M Ω20pF maximaacutelniacute proud 05 A DC
Na Obr 101 je zachycen časovyacute průběh napětiacute a proudu změřenyacute na jednom z osmi vinutiacute statoru při
napětiacute 30V a mechanickeacute zaacutetěži Mz = 015 Nm
Rc1 Rc2 Rc3 Rc4 Rc5 Rc6 Rc7 Rc8
[Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω]
203 203 205 202 204 205 202 203 2034
84
Obr 101 Změřeneacute průběhy napětiacute a proudu na vinutiacute během zatiacuteženiacute momentem 015Nm
Hodnoty proudu změřeneacute osciloskopem jsou posunuty o stejnosměrnou složku směrem do
zaacutepornyacutech hodnot Tato chyba znehodnocuje naměřeneacute vyacutesledky proudu uvedeneacute v tabulce a
vznikla z neznaacutemeacute přiacutečiny jako důsledek nastaveniacute citlivosti proudoveacute soncy na hodnotu
100mVA
Tab 103 Hodnoty naměřeneacute osciloskopem Handyscope HS3
Umax Umin Up-p Uef Ustř Δt
[V] [V] [V] [V] [V] [ms]
2958 -7996 10992 3401 -0983 1419
Imax Imin Ip-p Ief Istř f
[mA] [mA] [mA] [mA] [mA] [Hz]
26459 -2276 49219 11375 2421 7048
Na Obr je vidět vysokonapěťovaacute špička opačneacute polarity vzhledem k napaacutejeciacutemu napětiacute kteraacute
dosahuje hodnoty -7996 V Vznikaacute důsledkem naacutehleacuteho přerušeniacute dodaacutevky proudu do obvodu ciacutevky
Magnetickeacute pole vytvořeneacute v magnetickeacutem obvodu se po přerušeniacute dodaacutevky proudu kteryacute jej vybudil
snažiacute zabraacutenit sveacute změně a zachovat proud v elektrickeacutem obvodu čiacutemž zpětně do elektrickeacuteho obvodu
vinutiacute indukuje vysokeacute napětiacute opačneacute polarity Dochaacuteziacute ke zpětneacute indukci napětiacute do elektrickeacuteho
obvodu Tento děj vyjadřuje druhaacute Maxwellova rovnice o zaacutekonu elektromagnetickeacute indukce
v diferenciaacutelniacutem tvaru vyjaacutedřeneacute vztahem
85
Na Obr je teacutež patrnyacute zaacutekmit napětiacute na konci zaacuteporneacute napěťoveacute špičky Tento zaacutekmit je způsoben
parazitniacute kapacitou vinutiacute Časovaacute konstanta s jakou děj odezněniacute je daacutena RLC parametry obvodu
Každyacute způsob provedeniacute vinutiacute maacute sveacute charakteristickeacute vlastnosti předevšiacutem vlastniacute kapacitu vinutiacute
V praxi se např požadavek na sniacuteženiacute vlastniacute kapacity vinutiacute u transformaacutetorů realizuje dvěma
způsoby
a) zmenšeniacute napěťoveacuteho rozdiacutelu mezi vrstvami popř sekcemi vinutiacute nebo zmenšeniacutem vzaacutejemneacute
kapacity těchto čaacutestiacute jejich odděleniacutem
b) sniacuteženiacutem dielektrickeacute konstanty konstrukčniacutech materiaacutelů využitiacutem vhodnyacutech izolantů pro
izolaci vodičů
Nejviacutece možnostiacute nabiacuteziacute prvniacute varianta jež se uplatňuje u hraacutezoveacuteho křiacutežoveacuteho i kotoučoveacuteho vinutiacute
Obvykle neniacute uacutečelneacute ani hospodaacuterneacute dělit vinutiacute viacutece než na tři komory Čiacutem nižšiacute bude celkovyacute činitel
vinutiacute tiacutem menšiacute bude kapacita vinutiacute Impregnaciacute vinutiacute se vlastniacute kapacita vinutiacute zvyšuje asi o 30 až
50 V přiacutepadě spojeniacute jednoho vyacutevodu vinutiacute s magnetickyacutem jaacutedrem se vlastniacute kapacita vinutiacute zvětšiacute
přibližně o 20 [19]
Za zaacutepornou vysokonapěťovou špičkou a zaacutekmitem napětiacute způsobenyacutem parazitniacute kapacitou v obvodu
je vidět na Obr půlperioda sinusoveacuteho průběhu napětiacute zaacuteporneacute polarity Toto napětiacute je v obvodu
indukovaacuteno diacuteky průchodu magnetickeacuteho toku vystupujiacuteciacuteho z vyniklyacutech poacutelů rotoru během otaacutečeniacute
Magnetickyacute tok vystupuje z poacutelů rotoru a uzaviacuteraacute se přes jaacutedro statoru čiacutemž v jeho vinutiacute indukuje
napětiacute
(35)
86
Na Obr102 zaacuteznam sinusoveacuteho průběhu napětiacute indukovaneacuteho ve vinutiacute statoroveacuteho jaacutedra ktereacute bylo
odpojeno od napaacutejeniacute
Obr 102 Časovyacute průběh napětiacute indukovaneacuteho ve vinutiacute během otaacutečeniacute rotoru
Obr 103 Časovyacute průběh napětiacute a proudu při napětiacute 30 V a zatiacuteženiacute momentem 005 Nm
87
101 Měřeniacute zaacutekladniacutech charakteristik
Motor byl pro změřeniacute charakteristik spojen s cize buzenyacutem dynamometrem Možnost regulace
zaacutetěžneacuteho momentu změnou odporu kotvy dynamometru a velikostiacute budiacuteciacuteho proudu umožnila
naměřit průběh momentovyacutech mechanickyacutech a rychlostniacutech charakteristik Spojeniacute hřiacutedele
s tachodynamem naviacutec umožnilo měřit indukovaneacute napětiacute během jednotlivyacutech měřeniacute a vypočiacutetat z něj
otaacutečky Na Obr104 je schematicky naznačena soustava dynamometru a motoru pro měřeniacute
zatěžovaciacute charakteristiky motoru
Obr 104 Soustava pro měřeniacute zatěžovaciacutech charakteristik motoru
Pro změřeniacute zaacutekladniacutech charakteristik potřebnyacutech pro vyacutepočet uacutečinnosti motoru byl využit cize buzenyacute
dynamometr s Iab=5 A(10)
102 Vyacutepočet uacutečinnosti
Pro přiacuteklad vyacutepočtu dosadiacuteme do uvedenyacutech vztahů hodnoty veličin při nichž vyšla uacutečinnost motoru
maximaacutelniacute
Jelikož proud tekouciacute do vinutiacute je stejnosměrnyacute stanoviacuteme přiacutekon motoru součinem napětiacute zdroje o
konstantniacute velikosti 31 V s proudem tekouciacutem obvodem
Po dosazeniacute
Vyacutekon motoru je roven
přičemž pro uacutehlovou rychlost vyjaacutedřenou z otaacuteček platiacute vztah
(36)
(37)
(38)
Ua
Rb Umot
88
Po dosazeniacute
Vyacutekon je po dosazeniacute uacutehloveacute rychlosti
Uacutečinnost motoru při zanedbaacuteniacute ztraacutet v elektronickeacutem obvodu je daacutena vyacuterazem
Podiacutelem vyacutekonu a přiacutekonu je vyacuteslednaacute uacutečinnost
(39)
(40)
(41)
(42)
(43)
89
Charakteristiky změřeneacute při změně zaacutetěžneacuteho momentu M=005 až 05 Nm a napětiacute 31V
Obr 105 Změna otaacuteček v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
Obr 106 Změna proudu v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
50
150
250
350
450
550
650
750
850
950
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
n [otmin]
P2 [W]
n=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
0
05
1
15
2
25
3
35
4
2 4 6 8 10 12 14
I [A]
P2 [W]
I=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
90
Obr 107 Změna přiacutekonu v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
Obr 108 Změna uacutečinnosti v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
0
20
40
60
80
100
120
140
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
P1 [W]
P2 [W]
P1=f(P2)
-1285deg
5deg
1285deg
0deg
000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
η []
P2 [W]
η=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
ηmax=355
P2=86 W
91
Obr 109 Změna uacutečinnosti v zaacutevislosti na momentu při U=31V
000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045 05 055 06
η []
M [Nm]
η=f(M)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
ηmax=355
M=019 Nm
0
01
02
03
04
05
06
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000 1 100
M [Nm]
n [otmin]
Momentoveacute charakteristiky motoru
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
92
Charakteristiky změřeneacute při změně napaacutejeciacuteho napětiacute U=5 až 31V M=015 Nm
Obr 1010 Změna proudu v zaacutevislosti na napětiacute při M=015 Nm
Obr 1011 Změna otaacuteček v zaacutevislosti na napětiacute při M=015 Nm
0
02
04
06
08
1
12
14
16
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
I [A]
U [V]
I=f(U)
5deg
0deg
1285deg
-1285deg
I=078 A
0
100
200
300
400
500
600
700
800
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
n [otmin]
U [V]
n=f(U)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
93
Zaacutevěr
Na zaacutekladě existence měřitelneacuteho kvantově mechanickeacuteho projevu Casimirova jevu se člověk alespoň
teoreticky přibliacutežil k pochopeniacute podstaty vakua Pohled na vakuum jako na systeacutem v němž je možno
za jistyacutech okolnostiacute pozorovat vysokofrekvenčniacute elektromagnetickeacute fluktuace i při teplotaacutech bliacutezkyacutech
0K může nabiacutezet novou perspektivu a přiacutestup ke strojům s věčnyacutem pohybem Vnějšiacute projevy
elektromagnetickeacuteho charakteru vakuovyacutech fluktuaciacute nejsou za běžnyacutech okolnostiacute zjevneacute neboť je
v tomto stavu zajištěna jejich symetrie K porušeniacute symetrie však dochaacuteziacute mezi dvěma bliacutezkyacutemi
deskami v Casimirově pokusu
Permanentniacute magnet se v jisteacutem ohledu může jevit jako systeacutem jež svojiacute přiacutetomnostiacute narušuje tuto
symetrii elektromagnetickyacutech fluktuaciacute vakua a tiacutem v okolniacutem prostoru projevuje jeho dynamickou
jinak skrytou povahu formou projevu permanentniacuteho magnetickeacuteho pole V tomto ohledu by mohl byacutet
projev stavu narušeniacute symetrie vakuovyacutech fluktuaciacute uacuteměrnyacute energii vloženeacute do permanentniacuteho
magnetu během procesu magnetovaacuteniacute Tento nekonvenčniacute pohled na permanentniacute magnetismus
umožňuje objasnit vstup energie vakua do systeacutemu s permanentniacutemi magnety jakyacutem by mohl byacutet
např Johnsonův magnetickyacute motor složenyacute pouze z permanentniacutech magnetů Pokud tento motor
opravdu fungoval a vyacuteše nastiacuteněnaacute teorie by byla pravdivaacute neniacute tento systeacutem již možno povařovat za
izolovanyacute od sveacuteho okoliacute neboť samotnaacute povaha vakua by v tomto přiacutepadě umožňovala napaacutejeniacute
tohoto systeacutemu
V tomto ohledu se jeviacute zajiacutemavyacute i systeacutem pro přeměnu energie elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute na
užitečnou elektrickou energii popisovanaacute v šesteacute kapitole V tomto systeacutemu kmitajiacute drobneacute
dielektrickeacute struktury vytvořeneacute např elektronovou litografiiacute vlivem siloveacuteho působeniacute fluktuaciacute
elektromagnetickyacutech poliacute vakua a tiacutem v mikroskopickyacutech anteacutenaacutech mezi strukturami indukujiacute
využitelnou formu energie Tyto kmity jsou v přiacutemeacutem poměru k frekvenci zaacuteřeniacute avšak mnohem nižšiacute
frekvenci Využitiacutem moderniacutech technologickyacutech postupů a vysoce jakostniacutech materiaacutelů se v tomto
ohledu nabiacuteziacute nepřeberneacute možnosti pro experimentovaacuteniacute
Realizace modelu Adamsova motor generaacutetoru kterou jsem prakticky provedl (však pouze ve funkci
motoru) měla za ciacutel stanovit uacutečinnost tohoto systeacutemu neboť informace popisujiacuteciacute tento stroj hovořiacute
teacutež o vstupu energie vakua do tohoto systeacutemu čiacutemž je uacutedajně možno dosaacutehnout uacutečinnosti přesahujiacuteciacute
100 Autor Robert Adams stanovil uacutečinnost sveacuteho motor generaacutetoru na zaacutekladě několik dnů
trvajiacuteciacuteho měřeniacute Měřil průběhy napětiacute na vstupniacute baterii jež stroj napaacutejela a bateriiacutech ktereacute
postupně připojoval na elektrickyacute vyacutestup stroje Během činnosti stroje dochaacutezelo k postupneacutemu
dobiacutejeniacute bateriiacute na vyacutestupu V jisteacutem ohledu jsou hodnoty napětiacute při průběžneacutem měřeniacute určityacutem
ukazatelem uacutečinnosti stroje avšak pro vyacutepočet přesneacute uacutečinnosti daneacute poměrem vyacutekonu a přiacutekonu by
bylo zapotřebiacute do vyacutepočtu zahrnout i proudy prochaacutezejiacuteciacute obvodem
Dynamoplechy (M600-50) pro rotor a transformaacutetorovaacute jaacutedra (M150-30s) pro stator jsem zakoupil u
společnosti Therma FM a permanentniacute magnety přes internetovyacute obchod Unimagnetcz Virtuaacutelniacute
model motoru vytvořenyacute v programu SolidWorks jsem importoval do programu ANSYS Workbench
a provedl v něm magnetostatickou analyacutezu Analyzoval jsem magnetickyacute obvod složenyacute z jedneacute
osminy statoru (pouze jedno jaacutedro) vzduchoveacute mezery a vynikleacuteho poacutelu rotoru při nuloveacutem proudu ve
statoroveacutem vinutiacute Takteacutež jsem magnetickyacute obvod řešil zjednodušenyacutem vyacutepočtem v němž jsem
94
zanedbal reluktanci železa rotoru i statoru rozdiacutel ve tvaru průřezů statorovyacutech i rotorovyacutech poacutelů a
odhadem jsem stanovil činitel rozptylu v okoliacute vzduchoveacute mezery Vypočiacutetal jsem pro danyacute
magnetickyacute obvod demagnetizačniacute činitel a vykresleniacutem přiacutemky byl nalezen pracovniacute bod P
permanentniacuteho magnetu Bod P vytiacutenaacute na přiacuteslušnyacutech osaacutech demagnetizačniacute charakteristiky
odpoviacutedajiacuteciacute hodnoty BM a HM permanentniacuteho magnetu Z nich byly vypočteny hodnoty indukce a
intenzity ve vzduchoveacute mezeře
Hodnoty magnetickeacute indukce a intenzity magnetickeacuteho pole v prostoru vzduchoveacute mezery vypočteneacute
na zaacutekladě zjednodušeniacute obvodu a hodnoty vypočteneacute v ANSYSu se v přiacutepadě indukce lišiacute o hodnotu
0177 T což vzhledem ke zjednodušeniacute vyacutepočtu a odhadu činitele rozptylu přibližně odpoviacutedaacute Rozdiacutel
v hodnotaacutech intenzity magnetickeacuteho pole činiacute 188 kAm což je opět vzhledem k zjednodušeniacutem
vyhovujiacuteciacute hodnota
Pomociacute programu Ansys byla stanovena nejnižšiacute hodnota proudu (700 mA) tekouciacuteho do vinutiacute
vybraneacuteho jaacutedra statoru při jeho zarovnaacuteniacute s rotorovyacutemi poacutely kteraacute způsobiacute vyrušeniacute přiacutetažneacute siacutely
působiacuteciacute na statoroveacute jaacutedro vlivem permanentniacute magnetizace rotoroveacuteho poacutelu Teoreticky proud většiacute
než 700mA způsobiacute pootočeniacute rotoru a naacuteslednyacute rozběh
Daacutele byly graficky stanoveny průběhy sil v osaacutech x a y působiacuteciacutech na rotor během jeho pootočeniacute o
uacutehel 643deg kdy došlo k zarovnaacuteniacute sousedniacutech poacutelů rotoru a statoru
Změřeniacutem zaacutekladniacutech zatěžovaciacutech charakteristik pomociacute dynamometru byly stanoveny průběhy
momentovyacutech charakteristik pro různeacute uacutehly natočeniacute komutačniacuteho disku vzhledem k rotoru Z grafu
průběhu uacutečinnosti v zaacutevislosti na momentu byla odečtena nejvyššiacute hodnota uacutečinnosti motoru 355
pro natočeniacute komutačniacuteho disku o 5deg a odpoviacutedajiacuteciacute zaacutetěžnyacute moment 019 Nm Tato uacutečinnost je v
porovnaacuteniacute se stejně vyacutekonnyacutemi motory běžnyacutech konstrukciacute poměrně niacutezkaacute Jedniacutem z hlavniacutech
faktorů jež ovlivnil vyacuteslednou uacutečinnost je tvar statorovyacutech jader ktereacute majiacute velkou vzduchovou
mezeru Tiacutem paacutedem dochaacuteziacute ke značneacutemu rozptylu toku magnetickeacute indukce skrze prostor mezi
statorovyacutemi poacutely
Natočeniacutem komutačniacuteho disku do polohy 0deg došlo ke značneacutemu sniacuteženiacute uacutečinnosti na hodnotu okolo 14
majiacuteciacute přiacutečinu ve špatneacutem načasovaacuteniacute počaacutetku průchodu proudu do přiacuteslušneacuteho vinutiacute Vzaacutejemneacute
siloveacute působeniacute magnetickyacutech indukčniacutech toků z jaacutedra a rotoru působilo brzdnyacutem uacutečinkem čiacutemž
došlo ke sniacuteženiacute uacutečinnosti motoru
Momentoveacute charakteristiky jsou teacuteměř lineaacuterniacute Největšiacute moment 05 Nm byl naměřen při napětiacute 31
V při 180 otmin a to v přiacutepadě že komutačniacute disk byl pootočen o 1285deg
95
Použitaacute literatura
[1] Hubbertpeak [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwhubbertpeakcomhubbert19561956pdf
[2] Multimediaacutelniacute studijniacute texty z mineralogie [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpmineralogiescimuniczkap_6_2_termodynkap_6_2_termodynhtm
[3] Molecular and cellular immunology Institute of malecular genetics academy of science of the
Czech Republic Praguee [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpmciimgcasczpdfZakony_termodynamikypdf
[4] Uacutestav teoretickeacute fyziky MFF UK [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httputfmffcuniczvyukaOFY016F2001CermakPhtm
[5] Galileo [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpgalileoandeinsteinphysicsvirginiaedumore_stuffflashletsmmexpt6htm
[6] Encyclopedia Britanica [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwbritannicacomEBcheckedtopic600149Evangelista-Torricelli
[7] ABZ slovniacutek ciziacutech slov [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z httpslovnik-cizich-
slovabzczwebphpslovohorror-vacui-horor-vakui
[8] RAFELSKI Johannn a Berndt MUumlLLER The structured vaccum Thinking about nothing
Published electrically 2006 ISBN 3-97144-889-3
[9] Uacutestav jaderneacute fyziky AV ČR veřejnaacute vyacutezkumnaacute instituce [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httphpujfcascz~wagnerpopclanvakuumvakuumhtml_ftn2
[10] Aldebaran [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwaldebaranczbulletin2011_10_kazphp
[11] Aldebaran [online] Casimir - Network 2005 [cit 2014-05-08] Dostupneacute z httpcasimir-
networkfrIMGpdfCasimir_20effectpdf
[12] KVASNICA Jozef Statistickaacute fyzika Vyd 2 Praha Academia 1998 314 s ISBN 80-200-
0676-1
[13] Aldebaran [online] Annenberg learning 2005 [cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwlearnerorgcoursesphysicsvisualanimationhtmlshortname=PHY06_FermiTrap0
3A
[14] Cornell University Library arXivorg [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httparxivorgpdf10115219v1pdf
[15] Fyzikaacutelniacute sekce Matematicko-fyzikaacutelniacute fakulty UK [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpphysicsmffcuniczkfppskriptakurz_fyziky_pro_DSwwwfyzikahtml
[16] FEYNMAN Richard Phillips Feynmanovy přednaacutešky z fyziky s řešenyacutemi přiacuteklady 1 vyd
Havliacutečkův Brod Fragment 2001 806 s ISBN 80-720-0420-4
[17] VALONE Thomas Zero Point Energy The Fuel of the Future United States Integrity
Research Institiute 2007 228 s ISBN 9780964107021
96
[18] KING Moray B Quest for Zero Point Energy Engineering Principles for Free Energy
Engineering Principles for Free Energy United States Integrity Research Institiute 2001 224 s
ISBN 9780932813947
[19] FAKTOR Zdeněk Transformaacutetory a ciacutevky 1 vyd Praha BEN - technickaacute literatura 1999
393 s ISBN 80-860-5649-X
[20] MAYER Daniel a Josef POLAacuteK Metody řešeniacute elektrickyacutech a magnetickyacutech poliacute [vysokošk
učebnice pro elektrotechn fakulty] 1 vyd Praha SNTL 1983 450 s
[21] ABZ slovniacutek ciziacutech slov [online cit 2014-05-12] Dostupneacute z httpslovnik-cizich-
slovabzczwebphpslovohorror-vacui-horor-vakui
[22] Wikipedie [online cit 2014-05-12] Dostupneacute z httpcswikipediaorgwikiVakuum
[23] VALONE Thomas Practical Conversion of Zero-Point Energy Feasibility Study of the
Extraction of Zero-Point Energy from the Quantum Vacuum for the Performance of Useful
Work United States Integrity Research Institiute 2005 90 s ISBN 9780964107083
[24] BEARDEN By John Bedini and TE Free energy generation circuits 2nd ed Santa Barbara
Calif Cheniere Press 2006 806 s ISBN 09-725-1468-6
[25] Straacutenky věnovaneacute potlačovaneacute vědě a zatajovanyacutem vynaacutelezům [online cit 2014-05-08]
Dostupneacute z httpfree-energyxfczJOHNSONSampMhtm
[26] ADAMS Robert The Adams pulsed motor generator manual 46 Landing Roat Whakanate
Nex Zealand 1992
Abstract
The thesis attempts to prime readers on unconventional electric machines which are often
discussed in the publication in relation to vacuum energy
Chapter 2 tells the story of how such machinery both economic and environmen-friendly in its
very nature came to peoples minds It also discusses fossil fuels related issues
Chapter 3 sums up the thermodynamics laws
Chapter 4 focuses on interesting the vacuum The chapter also briefly touches upon the Casimir
effect
Chapter 5 focuses on magnetism and its source on the background of the eternal movement of
subatomic particles
Chapter 6 lists a number of unconventional electric machines claimed to be able to operate with
COP gt 1
Chapter 7 is dedicated to feromagnetic materials potential application in electric machines and
measuring hysteretic properties of feromagnetic core samples
Chapter 8 discusses modelling the Adams pulsed motor generator using SolidWorks and electric
circuit
Chapter 9 is focus to analysing its magnetostatic properties in Ansys Workbench
Chapter 10 is focus to measuring engine load characteristics and determining engine efficiency
Key Words
Non conventioal electric machine law of thermodynamic vakuum Casimir effect magnetic
materialsJohnson magnetic motor Adams motor generator measurement of speed-torque
characteristic
Seznam použityacutech symbolů a zkratek
Symbol Naacutezev Jednotka
U Energie [J]
W Praacutece [J]
Q Teplo [J]
S Entropie [JmiddotK-1]
T Teplota [K]
V Objem [m3]
P Tlak [Pa]
p Hybnost [kgmiddotmmiddots-1
]
F Siacutela [N]
FCas Casimirova siacutela [N]
d Vzdaacutelenost elektrod [m]
B Magnetickaacute indukce [T]
Br Remanentniacute magnetickaacute indukce [T]
Bmax Maximaacutelniacute magnetickaacute indukce [T]
Bs Saturačniacute magnetickaacute indukce [T]
Bv Magnetickaacute indukce ve vzduchoveacute mezeře [T]
BM Magnetickaacute indukce permanentniacuteho magnetu [T]
Φv Magnetickyacute indukčniacute tok ve vzduchoveacute mezeře [Wb]
Sv Průřez vzduchoveacute mezery [m2]
SM Průřez magnetu [m2]
Ss Průřez poacutelu statoru [m2]
Sr Průřez vynikleacuteho poacutelu rotoru [m2]
H Intenzita magnetickeacuteho pole [Amiddotm-1
]
Hc Koercitivniacute intenzita magnetickeacuteho pole [Amiddotm-1
]
Hmax Maximaacutelniacute intenzita magnetickeacuteho pole [Amiddotm-1
]
Hv Intenzita magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře [Amiddotm-1
]
HM Intenzita magnetickeacuteho pole permanentniacuteho
magnetu
[Amiddotm-1
]
Hžr Intenzita magnetickeacuteho pole železa rotoru [Amiddotm-1
]
Hžs Intenzita magnetickeacuteho pole železa statoru [Amiddotm-1
]
Nd Demagnetizačniacute činitel [-]
lM Deacutelka permanentniacuteho magnetu [m]
lv Deacutelka vzduchoveacute mezery [m]
Činitel rozptylu ve vzduchoveacute mezeře [-]
PFe Měrneacute ztraacutety [Wkg]
E Intenzita elektrickeacuteho pole [Vmiddotm-1
]
q Naacuteboj [C]
qe Naacuteboj elektronu [C]
v Rychlost [mmiddots-1
]
μ Magnetickyacute moment [Amiddotmsup2]
J Moment setrvačnosti [kgmiddotm2]
m Hmotnost [kg]
I Proud [A]
r Poloměr [m]
M Moment siacutely [Nmiddotm]
Mz Zaacutetěžnyacute moment [Nm]
φ Rezistivita [μΩcm]
μ0 Permeabilita vakua [Hmiddotm-1
]
μr Relativniacute permeabilita [-]
P1 Přiacutekon [W]
P2 Vyacutekon [W]
ω Uacutehlovaacute rychlost [rad-1
]
n Otaacutečky [otmiddotmin-1
]
Uacutečinnost []
Δx Změna polohy
Δp Změna hybnosti
Δt Časovaacute změna
ΔE Změna energie
ħ Redukovanaacute Planckova konstanta [Jmiddots]
h Planckova konstanta [Jmiddots]
8
Obsah
1 Uacutevod 10
2 Energetickeacute zdroje ve formě fosilniacutech paliv 11
3 Zaacutekony termodynamiky 12
31 Nultyacute zaacutekon termodynamiky 12
32 Prvniacute zaacutekon termodynamiky 12
321 Perpetuum mobile prvniacuteho druhu 13
33 Druhyacute zaacutekon termodynamiky 13
331 Perpetuum mobile druheacuteho druhu 13
34 Třetiacute zaacutekon termodynamiky 13
4 Vakuum 14
41 Eacuteter vyplňujiacuteciacute praacutezdnyacute prostor 14
42 Heisenbergův princip neurčitosti 16
43 Virtuaacutelniacute čaacutestice 17
44 Casimirův jev 17
441 Casimirova siacutela 18
442 Aparatura pro měřeniacute Casimirova jevu 18
443 Tepelnyacute Casimirův jev 19
5 Magnetismus 21
51 Magnetickeacute pole a jeho siloveacute uacutečinky 21
52 Magnetickyacute moment moment hybnosti a precese momentu hybnosti 22
6 Nekonvenčniacute elektrickeacute stroje 25
61 Johnsonův motor 26
62 Adamsův motor generaacutetor 29
63 Systeacutem pro přeměnu energie elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute na elektrickou energii 36
7 Feromagnetickeacute materiaacutely 37
71 Magneticky měkkaacute feromagnetika 37
711 Vyacuterobci měkkyacutech feromagnetickyacutech materiaacutelů 38
72 Magneticky tvrdaacute feromagnetika 43
73 Měřeniacute hysterezniacutech charakteristik vzorků magnetickyacutech jader 44
9
731 Vyhodnoceniacute naměřenyacutech vyacutesledků 48
8 Realizovanyacute Adamsův motor 49
81 Virtuaacutelniacute model Adamsova motor generaacutetoru a jeho praktickaacute realizace 49
811 Stator 49
812 Rotor 55
82 Elektrickyacute obvod 63
821 Popis a scheacutema zapojeniacute 63
822 Deska plošnyacutech spojů 64
9 Magnetostatickaacute analyacuteza Adamsova motoru 66
91 Vyacutepočet zjednodušeneacuteho magnetickeacuteho obvodu 66
911 Feromagnetika v magnetickeacutem obvodu 66
92 Vyacutepočet magnetickeacuteho obvodu v ANSYS Workbench 72
921 Rozběh motoru 77
922 Průběhy sil působiacuteciacute na rotor během pootočeniacute 81
10 Měřeniacute na realizovaneacutem motoru 83
101 Měřeniacute zaacutekladniacutech charakteristik 87
102 Vyacutepočet uacutečinnosti 87
Zaacutevěr 93
10
1 Uacutevod
Ekologickeacute probleacutemy spojeneacute s těžbou a využiacutevaacuteniacutem fosilniacutech paliv za uacutečelem vyacuteroby elektrickeacute
energie přivaacutediacute lidstvo k naleacutehaveacute potřebě hledat jineacute alternativniacute zdroje Ciacutelem teacuteto praacutece je
nabiacutednout čtenaacuteři informace o zajiacutemavyacutech vlastnostech bdquopraacutezdneacuteho prostoruldquo ve spojitosti s energiiacute
vněm obsaženou Možnosti velice přesneacuteho laboratorniacuteho měřeniacute dnes totiž nabiacuteziacute novyacute pohled na
povahu teacuteto energie Tzv Casimirův jev utvaacuteřiacute novyacute pohled na vakuum jako na systeacutem s dynamickou
povahou kteraacute se za jistyacutech podmiacutenek projevuje silovyacutemi uacutečinky
Představme si systeacutem využiacutevajiacuteciacute pro svou činnost energii vyvěrajiacuteciacute ze zdroje jež se nachaacuteziacute za
hraniciacute našeho vniacutemaacuteniacute daleko za možnostiacute našich smyslovyacutech orgaacutenů naacutem tento zdroj přiacutemo
zprostředkovat Pokud takovyacute systeacutem opravdu existuje existuje zcela jistě i široce rozšiacuteřenaacute barieacutera
lidskeacute neochoty si tuto skutečnost připustit Faktem zůstaacutevaacute že vše je v pohybu od nejmenšiacute struktury
počiacutenaje až po velkeacute teorie konče
Naacutesledujiacuteciacute citaacutet pochaacuteziacute od jednoho z prvniacutech zakladatelů kvantoveacute teorie
bdquoPrincip energie je zaacuteležitost zkušenosti Pokud by tedy jednoho dne měla byacutet jeho všeobecnaacute platnost
zpochybněna což v atomoveacute fyzice neniacute vyloučeneacute pak by se probleacutem perpetua mobile stal naacutehle
aktuaacutelniacutemldquo Max Planck
V přiacutepadě že v prvniacutem momentu nezavrhneme fakt že vlastně neviacuteme kolik toho viacuteme musiacuteme
připustit že je možneacute cokoliv
Počaacutetkem systematickeacuteho zkoumaacuteniacute elektromagnetickyacutech jevů se lidstvu do rukou dostalo mnoho
uacutežasnyacutech strojů a zařiacutezeniacute S vyacutevojem novyacutech materiaacutelů a technologiiacute se staacutele nabiacuteziacute možnosti objevit
noveacute Oblast vyacutevoje magnetickyacutech materiaacutelů neniacute v tomto ohledu vyacutejimkou proto se ve sveacute praacuteci
zabyacutevaacutem i jimi a měřeniacutem jejich hysterezniacutech charakteristik
Na zaacutekladě informaciacute hovořiacuteciacutech o elektrickyacutech strojiacutech ktereacute uacutedajně pracujiacute i bez zjevneacuteho zdroje
vstupniacute energie stojiacute za snahu věnovat tomuto teacutematu alespoň čaacutest sveacute pozornosti Podstata
vesmiacuternyacutech jevů může byacutet totiž daleko za rovnicemi popisujiacuteciacutemi to co je naacutem znaacutemo nyniacute
Jak přihlaacutesil Albert Einstein
bdquoŽaacutedneacute množstviacute pokusů nikdy nemůže dokaacutezat že jsem měl pravdu Jedinyacute pokus však kdykoliv může
dokaacutezat že jsem se myacutelilldquo
V tomto ohledu se v diplomoveacute praacuteci zaměřuji předevšiacutem na motory opředeneacute zvlaacuteštniacutemi informacemi
a pokoušiacutem se o realizaci vzorku Adamsova motoru Vyacutesledky měřeniacute a vyacutepočtů shrnuji v zaacutevěru
praacutece
11
2 Energetickeacute zdroje ve formě fosilniacutech paliv
V současnosti pokryacutevajiacute největšiacute podiacutel energetickeacute spotřeby lidstva zdroje fosilniacutech paliv Zejmeacutena
uhliacute ropa a zemniacute plyn Americkyacute geolog M King Hubbert předložil světu v roce 1956 teorii tzv
Hubbert Peak Theory znaacutemou teacutež pod naacutezvem peak oil Tato teorie se tyacutekaacute dlouhodobeacute těžby a
spotřeby ropy a ostatniacute fosilniacutech paliv Teacutehož roku M K Hubbert nabiacutedl Americkeacutemu ropneacutemu
institutu model tyacutekajiacuteciacute se znaacutemyacutech zaacutesob ropy Podle tohoto modelu měly Spojeneacute staacutety dosaacutehnout
vrcholu produkce ropy mezi rokem 1965 a 1970 Podle M K Hubberta by mělo byacutet vrcholu v
celosvětoveacute produkci ropy dosaženo přibližně o půl stoletiacute později od publikovaacuteniacute jeho teorie [1]
Na Obr 1 je křivka ve tvaru zvonu vytvořenaacute M K Hubbertem na zaacutekladě předpokladu že rezervniacutem
objemem suroveacute ropy je cca 250 miliard barelů Křivka reprezentuje celosvětovou produkci suroveacute
ropy zjištěneacute rezervy a předpoklaacutedaneacute zaacutesoby objeveneacute v budoucnu
Obr 1 Křivka vyacutevoje produkce ropy ve spojenyacutech staacutetech podle M K Hubberta [1]
Produkce ropy kopiacuteruje tvar zvonu tudiacutež v celosvětoveacutem měřiacutetku nedojde k naacutehleacutemu nedostatku ropy
Pokud dosaacutehne celosvětovaacute produkce ropy sveacuteho vrcholu v roce 2000 tak v roce 2020 bude na stejneacute
hodnotě jako v roce 1980 Nicmeacuteně v roce 2020 bude oproti roku 1980 světovaacute populace lidiacute zhruba
dvojnaacutesobnaacute a naacutesledkem značneacuteho zprůmyslněniacute světa bude spotřeba ropy prudce narůstat
Vyacutesledkem snižujiacuteciacutech se zaacutesob ropy je naacuterůst jejiacute ceny Jako naacutesledek nedostatku ropy je možneacute
očekaacutevat vaacutelečneacute konflikty vyspělyacutech zemiacute s ciacutelem ziacuteskat přiacutestup k ropnyacutem zdrojům a udržet si tiacutem
jistou ekonomickou stabilitu Způsoby přeměny energie spalovaacuteniacutem fosilniacutech paliv spojeneacute s
neohleduplnostiacute vůči planetě Zemi a jejiacutem obyvatelům přivaacutediacute člověka k naleacutehaveacute potřebě doplnit a
postupně nahradit staacutevajiacuteciacute energetickeacute zdroje zdroji alternativniacutemi
12
3 Zaacutekony termodynamiky
V dějinaacutech lidstva se objevilo mnoho pokusů o realizaci strojů jež by pracovaly s uacutečinnostiacute většiacute než
100 Snaha realizovat stroj s věčnyacutem pohybem je na programu mnoha konstrukteacuterů i v dnešniacute době
Zejmeacutena na internetu nalezneme mnoho odkazů na různorodeacute konstrukce mechanickyacutech a
elektrickyacutech strojů Zejmeacutena u čistě mechanickyacutech strojů je na prvniacute pohled patrneacute že nemohou
pracovat v nepřetržiteacutem chodu a třeniacute nakonec způsobiacute jejich zastaveniacute Nicmeacuteně lze narazit i na
konstrukce elektrickyacutech strojů doprovaacutezeneacute vlivnyacutem komentaacuteřem jež se opiacuteraacute o teorii kteraacute popisuje
vakuum jako prostor vyplněnyacute energiiacute Na kvantoveacute uacuterovni uacutedajně dochaacuteziacute ve vakuu k
nepřetržityacutem fluktuaciacutem elektromagnetickyacutech poliacute vlivem vzniku a zaacuteniku kladnyacutech a zaacutepornyacutech
virtuaacutelniacutech čaacutestic Bliacuteže se k tomuto fenomeacutenu vraacutetiacutem v naacutesledujiacuteciacute kapitole
Na zaacutekladě interakce s okoliacutem lze systeacutemy rozdělit naacutesledovně
a) izolovaneacute ndash v idealizovaneacutem přiacutepadě např termoska u ktereacute nedochaacuteziacute k vyacuteměně energie ani
hmotnyacutech čaacutestic
b) uzavřeneacute ndash např z obou stran uzavřenaacute trubice u niacutež dochaacuteziacute k vyacuteměně energie s okoliacutem
avšak bez vyacuteměny hmotnyacutech čaacutestic
c) otevřeneacute ndash např strom kteryacute si okoliacutem vyměňuje jak energii tak hmotneacute čaacutestice
31 Nultyacute zaacutekon termodynamiky
Systeacutemy v termickeacute rovnovaacuteze majiacute stejnou teplotu Nultyacute zaacutekon zavaacutediacute teplotu jako
termodynamickou veličinu
32 Prvniacute zaacutekon termodynamiky
Vnitřniacute energie (U) izolovaneacuteho systeacutemu je konstantniacute Změna vnitřniacute energie dU je součtem tepla
ktereacute bylo do systeacutemu dodaacuteno (dQ) a praacutece kteraacute byla na systeacutemu vykonaacutena (dW)
Změnu vnitřniacute energie můžeme zapsat jako
Veličina dW je objemovou praciacute Jde o změnu objemu dV v systeacutemu za konstantniacuteho tlaku P Změna
objemoveacute praacutece se vyjaacutedřiacute rovniciacute
Změnu vnitřniacute energie můžeme zapsat jako
(1)
(2)
(3)
13
Dodaacuteme-li např krystalu energii ve formě tepla vzroste jeho vnitřniacute energie o tolik kolik se
nespotřebuje na praacuteci spojenou s růstem jeho objemu (expanziacute) [2]
321 Perpetuum mobile prvniacuteho druhu
Produkuje nejmeacuteně tolik energie kolik samo spotřebuje Jakmile je jednou stroj spuštěn může
pracovat po neomezeně dlouhou dobu
33 Druhyacute zaacutekon termodynamiky
Druhyacute zaacutekon je postaven na definici entropie kteraacute je extenzivniacute funkciacute definujiacuteciacute stav systeacutemu
Zjednodušeně řečeno entropie definuje neuspořaacutedanost syteacutemu Celkovaacute změna entropie v uzavřeneacutem
systeacutemu je součtem změny entropie uvnitř systeacutemu a entropie kteraacute je do systeacutemu přenesena z jeho
okoliacute Entropii přenaacutešenou do systeacutemu se definuje rovnice (4) kde dQ je dodaneacute teplo a T je teplota
Je zřejmeacute že změna entropie systeacutemu při konstantniacute hodnotě tepla je většiacute při nižšiacute teplotě [2]
Pro reversibilniacute procesy a rovnovaacutežneacute stavy platiacute že změna entropie je nulovaacute dS = 0 Pro spontaacutenniacute
proces v systeacutemu pak platiacute dS gt 0 Můžeme řiacuteci že entropie se nikdy samovolně nezmenšuje [2]
331 Perpetuum mobile druheacuteho druhu
Takeacute nelze sestrojit protože při tepelneacute vyacuteměně těleso o vyššiacute teplotě nemůže samovolně přijiacutemat
teplo od tělesa s nižšiacute teplotou
34 Třetiacute zaacutekon termodynamiky
Jestliže se teplota ideaacutelniacuteho krystalu bliacutežiacute absolutniacute nule bliacutežiacute se nule i jeho entropie [2]
V bliacutezkosti absolutniacute nuly se adiabatickyacute děj přibližuje izotermickeacutemu Tiacutem se ovšem ztraacuteciacute uacutečinnost
libovolneacute ochlazovaciacute metody založeneacute na střiacutedaacuteniacute těchto dějů
Při extreacutemně niacutezkeacute teplotě se projevujiacute zvlaacuteštniacute vlastnosti některyacutech laacutetek jakyacutemi jsou supravodivost a
supratekutost
(4)
14
4 Vakuum
41 Eacuteter vyplňujiacuteciacute praacutezdnyacute prostor
Na zaacutekladě zjištěniacute že zvuk pro sveacute šiacuteřeniacute vyžaduje přenosoveacute meacutedium bylo dřiacuteve předpoklaacutedaacuteno že
i světlo ke sveacutemu přenosu vyžaduje určiteacute prostřediacute Toto meacutedium bylo označeno pojmem eacuteter Eacuteter
byl zaveden nejen pro světlo ale i pro elektřinu magnetismus a teplo Britskyacute fyzik James Clarck
Maxwell zjistil že se elektromagnetickeacute vlny šiacuteřiacute rychlostiacute světla a navrhl existenci pouze jedineacuteho
eacuteteru [3]
Na zaacutekladě Maxwellovyacutech pozorovaacuteniacute provedl Albert Michelson v roce 1881 experiment kteryacute měl
prokaacutezat přiacutetomnost eacuteteru Negativniacute vyacutesledek pokusu byl později zpochybněn a tak byl v roce 1887
pokus mnohem přesněji zopakovaacuten za spolupraacutece Edwarda Morleyho Experiment byl v budoucnu
ještě mnohokraacutet zopakovaacuten avšak původniacute vyacutesledek experimentu byl potvrzen [4]
Na Obr41 je znaacutezorněn princip Michelson-Morleyho experimentu kteryacute jsem doplnil o šipky ve
směru paprsků světla Uprostřed rotujiacuteciacute kruhoveacute aparatury je umiacutestěno polopropustneacute zrcadlo Směr
pohybu eacuteteru vůči aparatuře je znaacutezorněn žlutyacutemi šipkami Ze zdroje světla (vlevo) vychaacuteziacute paprsek a
dopadaacute na polopropustneacute zrcadlo (uprostřed) kde se děliacute na dvě čaacutesti Vzniknou tak dva navzaacutejem
kolmeacute paprsky putujiacuteciacute k zrcadlům po okrajiacutech aparatury kde se opět odraacutežiacute a vracejiacute zpět
k prostředniacutemu polopropustneacutemu zrcadlu Paprsek vracejiacuteciacute se dolů čaacutestečně prochaacuteziacute polopropustnyacutem
zrcadlem směrem dolů ke stiacuteniacutetku a paprsek vracejiacuteciacute se ke středu od leveacuteho zrcadla je odražen takeacute
směrem dolů Čaacutesti obou paprsků tak dopadajiacute na stiacuteniacutetko kde se
a) vzaacutejemně zesiacuteliacute jestliže majiacute stejnou rychlost a dopadajiacute na stiacuteniacutetko se stejnou faacuteziacute
b) vytvořiacute interferenčniacute obrazec v přiacutepadě že pohybujiacuteciacute se eacuteter vůči aparatuře ovlivnil rychlost
jednoho z paprsků
c)
Obr 41 Model demonstrujiacuteciacute princip Michelson- Morleyho experimentu [5]
Experiment existenci takoveacuteho eacuteteru neprokaacutezal a tak se převaacutežnaacute vědeckaacute komunita od představy
eacuteteru odkolonila
15
Neschopnost lidskeacute mysli uchopit praacutezdnyacute prostor dala v historii vzniknout pojmu horror vacui
neboli strach z praacutezdnoty [21]
Italskyacute fyzik a matematik Evangelista Torricelli žijiacuteciacute v 17 stoletiacute vešel do povědomiacute širokeacute
veřejnosti jednak pro vědeckyacute přiacutespěvek v oboru matematiky ale předevšiacutem pro vynalezeniacute
barometru Torricelli při svyacutech pokusech experimentoval s dlouhou skleněnou trubiciacute deacutelky 12 m
kterou naplnil rtutiacute a poteacute ji otevřenyacutem koncem ponořil do naacutedoby plneacute rtuti Pozoroval že velkaacute čaacutest
rtuti v trubici zůstala a nad jejiacute hladinou vnikl vzduchopraacutezdnyacute prostor Stal se tak prvniacutem člověkem
v historii kteryacute vytvořil vzduchopraacutezdno neboli vakuum [7]
Obr 42 Aparatura Evangelisty Torricelliho diacuteky ktereacute vytvořil makroskopickeacute vakuum
Vakuum zastupuje širokou škaacutelu tlaků V technickeacute praxi naleacutezaacute širokeacute praktickeacute využitiacute a je proto
podle velikosti tlaku rozděleno děleno do kategoriiacute ktereacute jsou v Tab 42
Tab 41 Rozděleniacute vakua podle tlakoveacuteho paacutesma a množstviacute hmoty v objemu[22]
Tlakoveacute paacutesmo
Tlak Množstviacute hmoty
v objemu
[Pa] [molekulcm3]
Atmosfeacuterickyacute tlak 101times105 27 x 10
19
Hrubeacute vakuum 10+4
hellip10+2
1019
- 1016
Jemneacute vakuum 10+2
hellip10minus1
1016
- 1013
Vysokeacute vakuum (HV) 10minus1
hellip10minus5
1013
hellip109
Ultra vysokeacute vakuum (UHV) 10minus5
hellip10minus10
109hellip10
4
Extreacutemně vysokeacute vakuum (XHV) lt10minus10
lt104
16
Vynaacutelezce Otto von Guericke demonstroval siacutelu podtlaku analogiiacute s osmi spřaženiacutemi osmi koni kteřiacute
nejsou schopni společnyacutemi silami oddělit dvě poloviny vzduchopraacutezdneacute koule jak ukazuje Obr 43
Obr 43 Osm koniacute neniacute schopno od sebe oddělit dvě poloviny vzduchopraacutezdneacute koule [8]
Zařiacutezeniacute pro tvorbu vakua se nazyacutevaacute vyacutevěva I kdyby se naacutem podařilo sestrojit dokonalou vyacutevěvu
kteraacute by z prostoru odstranila všechny znaacutemeacute hmotneacute čaacutestice prostor by i tehdy nezůstal praacutezdnyacute
Klasickaacute teorie poklaacutedaacute vakuum za praacutezdnyacute prostor bez hmotnyacutech čaacutestic Je však nutneacute přihleacutednout
k faktu že existujiacute teorie a experimenty jež připouštějiacute že vakuum neniacute praacutezdneacute miacutesto toho je plneacute
aktivity a co je ještě důležitějšiacute lze tuto aktivitu využiacutet v našem reaacutelneacutem světě
42 Heisenbergův princip neurčitosti
Velmi důležityacutem zaacutekonem určujiacuteciacutem pravidla v kvantoveacutem světě je Heisenbergův princip neurčitosti
Ten řiacutekaacute že pro současneacute měřeniacute polohy x a hybnosti čaacutestice p nemůže byacutet součin neurčitostiacute v určeniacute
polohy Δx a hybnosti Δp čaacutestice menšiacute než redukovanaacute Planckova konstanta ħ Pro tuto konstantu platiacute
ħ = h2π =105410-34
Js Důsledkem Heisenbergova principu je že se na mikroskopickeacute uacuterovni může
narušovat zaacutekon zachovaacuteniacute energie a to takovyacutem způsobem že součin velikosti tohoto narušeniacute a
doby po kterou trvaacute je menšiacute než redukovanaacute Planckova konstanta V takoveacutem přiacutepadě nelze toto
porušeniacute pozorovat
Heisenbergův princip neurčitosti pro současneacute měřeniacute polohy a hybnosti čaacutestice maacute tvar
(5)
Heisenbergův princip neurčitosti pro současneacute měřeniacute času a energie čaacutestice maacute tvar
(6)
Platnost rovnice (6) vede tomu že ve vakuu mohou existovat velice rychleacute fluktuace energie ktereacute
vznikajiacute jako v důsledku vzniku tzv virtuaacutelniacutech čaacutestic a jejich antičaacutestic ktereacute velice rychle vznikajiacute a
zanikajiacute vlivem vzaacutejemneacute anihilace A to v čase daneacutem Heisenbergovyacutem principem neurčitosti [9]
17
43 Virtuaacutelniacute čaacutestice
Jednaacute se o čaacutestici kteraacute neniacute přiacutemo pozorovatelnaacute je zavedena z důvodu existence řady pozorovanyacutech
jevů Virtuaacutelniacute čaacutestice může existovat diacuteky Heisenbergovu principu neurčitosti a v časoveacutem okamžiku
daneacutem tiacutemto zaacutekonem narušuje zaacutekon o zachovaacuteniacute energie U reaacutelneacute čaacutestice jejiacutež existence nenarušuje
zaacutekon zachovaacuteniacute energie je splněn relativistickyacute vztah mezi celkovou energiiacute čaacutestice E jejiacute hybnostiacute p
a klidovou energiiacute U virtuaacutelniacute čaacutestice tento vztah mezi uvedenyacutemi fyzikaacutelniacutemi veličinami neplatiacute
Virtuaacutelniacute čaacutestice tak může miacutet třeba velmi velkou hybnost a jen velmi malou energii Existence
virtuaacutelniacute čaacutestice je omezena na velice kraacutetkou dobu Při neustaacuteleacutem vzniku a zaacuteniku těchto čaacutestic
vznikajiacute ve vakuu vysokofrekvenčniacute fluktuace elektromagnetickyacutech poliacute různyacutech vlnovyacutech deacutelek [9]
44 Casimirův jev
V roce 1958 holandskyacute fyzik M J Sparnaay předpověděl existenci sil mezi dvěma kovovyacutemi
deskami jejichž přiacutečinou nebylo tepelneacute zaacuteřeniacute Byl zaveden pojem zero point energy (energie
nuloveacuteho bodu) označujiacuteciacute elektromagnetickou energii vyskytujiacuteciacute se ve vakuu při absolutniacute nuloveacute
teplotě [18]
Důkazem existence teacuteto energie je uacutedajně fakt že helium zůstaacutevaacute i při teplotaacutech mezi -272degC až
273degC staacutele v kapalneacutem skupenstviacute a nedojde k jeho přeměně na skupenstviacute pevneacute [17]
Způsob jakyacutem by bylo možneacute projevy virtuaacutelniacutech čaacutestic experimentaacutelně změřit navrhl v roce 1948
holandskyacute fyzik Hendrik Casimir Casimir uvažoval o dvou paralelniacutech elektrodaacutech (zrcadlech)
umiacutestěnyacutech ve vakuu za teploty bliacutezkeacute absolutniacute nule Vně těchto zrcadel vakuoveacute fluktuace
elektromagnetickyacutech poliacute dosahujiacute širokeacuteho spektra energiiacute ovšem v souladu s Heisenbergovyacutemi
relacemi neurčitosti Jinaacute situace nastaacutevaacute mezi elektrodami ktereacute tvořiacute rezonaacutetor Zde mohou vznikat
pouze fluktuace určityacutech vlnovyacutech deacutelek ndash moacutedů rezonaacutetoru Ostatniacute vlnoveacute deacutelky jsou vněm
potlačeny Tato nerovnovaacuteha fluktuaciacute vně elektrod a mezi nimi způsobuje tlakovou siacutelu kteraacute
přitahuje elektrody k sobě Jev se nazyacutevaacute Casimirův jev (efekt) a je makroskopickyacutem projevem
kvantovyacutech jevů stejně jako napřiacuteklad supravodivost nebo supratekutost [10]
Obr 44 Demonstrace Casimirova jevu Dvě kovoveacute desky tvořiacute rezonaacutetor pouze pro některeacute vlnoveacute
deacutelky důsledkem je působeniacute přitažliveacute siacutely mezi těmito deskami [11]
Fluktuace
vakua Casimirovi
desky
18
441 Casimirova siacutela
Casimirův efekt se projevuje jako Casimirova siacutela Casimirovu siacutelu mezi vodivyacutemi elektrodami
způsobuje nerovnovaacuteha mezi kvantovyacutemi fluktuacemi elektromagnetickyacutech poliacute ve vakuu vně
elektrod a mezi nimi [10]
Casimirovu siacutelu lze vypočiacutetat na zaacutekladě vztahu (7) uvedeneacuteho v literatuře[17]
(7)
Na obr45 je graf Prof Dr Davida Iannuzziho kteryacute zobrazuje přibližně exponenciaacutelniacute naacuterůst
publikaciacute pojednaacutevajiacuteciacute o Casimirově vevu Tiacutem dokazuje značnyacute naacuterůst zaacutejmu o tento fenomeacuten
Obr 45 Naacuterůst publikaciacute tyacutekajiacuteciacutech se Casimirova jevu [8]
442 Aparatura pro měřeniacute Casimirova jevu
Laboratorniacute měřeniacute Casimirova jevu v Kalifornskeacute univerzitě v Riverside bylo provedeno na
miniaturniacute aparatuře pro měřeniacute kvantově mechanickyacutech efektů bdquopraacutezdneacuteho prostoruldquo Na Obr 46 je
kulička o průměru 01 mm zobrazenaacute skrze elektronovyacute mikroskop Kulička je umiacutestěna pod hladkou
destičkou (destička neniacute na obraacutezku) Diacuteky kvantově mechanickeacutemu Casimirovu efektu se kulička
k destičce přitahuje Změna pozice kuličky je měřena mikroskopem pro měřeniacute atomaacuterniacutech sil
19
Obr 46 Mikroskopickaacute aparatura pro měřeniacute Casimirova jevu
443 Tepelnyacute Casimirův jev
Při konečneacute teplotě vstupujiacute do hry tepelneacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole a přispiacutevajiacute tak k
siloveacutemu působeniacute mezi elektrodami Tepelneacute fluktuace jsou způsobeny chaotickyacutem pohybem
volnyacutech elektronů v materiaacutelu elektrod Paralelniacute elektrody opět představujiacute rezonaacutetor ve ktereacutem je
možneacute vybudit pouze určiteacute moacutedy Každyacute moacuted představuje stav s přesně určenou energiiacute Tyto stavy
jsou obsazovaacuteny fotony ktereacute reprezentujiacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole Obsazeniacute těchto
hladin popisuje Boseho-Einsteinovo rozděleniacute [10]
Boseho-Einsteinovo rozděleniacute popisuje ve statistickeacute fyzice systeacutemy složeneacute z bosonů tedy čaacutestic se
symetrickou vlnovou funkciacute a celočiacuteselnyacutem spinem Bose-Einsteinovyacutem rozděleniacutem se řiacutediacute napřiacuteklad
fotony je z něj tedy možneacute odvodit napřiacuteklad Planckův vyzařovaciacute zaacutekon [12]
Při nuloveacute teplotě všechny fotony obsadiacute pouze nejnižšiacute energetickou hladinu jak je vidět na Obr 47
S rostouciacute teplotou postupně dochaacuteziacute k obsazovaacuteniacute i dalšiacutech vyššiacutech energetickyacutech hladin Mezi
zrcadly vznikaacute dalšiacute přitažlivaacute siacutela kteraacute ovšem zaacutevisiacute na teplotě Jednaacute se tedy o tepelnyacute Casimirův
jev
Obr 47 Vlevo zaujiacutemajiacute bosony při teplotaacutech bliacutezkyacutech absolutniacute nule jedinyacute stav s nejnižšiacute energiiacute Se
vzrůstajiacuteciacute teplotou bosony (vpravo) postupně obsazujiacute stavy s vyššiacute energiiacute [13]
Přestože tepelnyacute Casimirův jev byl teoreticky předpovězen Jevgenijem Lifšicem v roce 1955 dočkal
se sveacuteho objevu až v roce 2010 Tento uacutekol se podařilo zvlaacutednout skupině vědců na americkeacute Yaleově
univerzitě Tepelneacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole byly opět měřeny prostřednictviacutem přitažliveacute
siacutely mezi dvěma elektrodami Připravit dokonale rovinneacute paralelniacute plochy je poměrně obtiacutežneacute a proto
20
byl experiment provaacuteděn s jednou rovinnou elektrodou a druhou elektrodou ve tvaru kuloveacute plochy
Obě elektrody byly vyrobeny ze zlata s přesnostiacute 10 nm (kulovaacute elektroda) a 1 nm (rovinnaacute elektroda)
Siacutela mezi elektrodami byla měřena pomociacute torzniacuteho kyvadla kde torzniacute siacutela wolframoveacuteho draacutetku o
průměru 25 μm byla vyrovnaacutevaacutena přitažlivou silou mezi elektrodami Kapacitniacute polohovyacute senzor
sniacutemal vyacutechylku torzniacuteho kyvadla Celyacute experiment probiacutehal při teplotě 300 K [14]
Obr 48 Scheacutema zařiacutezeniacute pro měřeniacute tepelneacuteho Casimirova jevu (pohled shora) [14]
Naměřeneacute vyacutesledky byly porovnaacutevaacuteny se dvěma teoretickyacutemi modely ndash plazmovyacutem modelem a
Drudeho modelem Tyto modely popisujiacute chovaacuteniacute permitivity elektrod v zaacutevislosti na frekvenci
Naměřeneacute vyacutesledky ukazujiacute shodu s Drudeho modelem při teplotě 300 K Podle tohoto modelu tepelnaacute
přitažlivaacute siacutela roste lineaacuterně s teplotou a klesaacute s druhou mocninou vzdaacutelenosti To znamenaacute že zatiacutemco
Casimirova siacutela převlaacutedaacute na velmi malyacutech vzdaacutelenostech tepelnaacute Casimirova siacutela dominuje na
velkyacutech vzdaacutelenostech Na obraacutezku niacuteže je znaacutezorněna přitažlivaacute siacutela naacutesobenaacute druhou mocninou
vzdaacutelenosti v zaacutevislosti na vzdaacutelenosti mezi elektrodami Podle Drudeho modelu bychom měli dostat
konstantniacute zaacutevislost v miacutestech kde převlaacutedaacute siacutela způsobenaacute tepelnyacutemi fluktuacemi Z Obr 49 je
patrneacute že od vzdaacutelenosti přibližně 3 μm daacutele dostaacutevaacuteme přibližně konstantniacute zaacutevislost [14]
Obr 49 Na vzdaacutelenostech většiacutech než 3 μm dochaacuteziacute ke změně charakteru přitažliveacute siacutely Převlaacutedaacute zde
siacutela způsobenaacute tepelnyacutemi fluktuacemi zatiacutemco na menšiacutech vzdaacutelenostech se viacutece uplatňuje siacutela
pochaacutezejiacuteciacutech z kvantovyacutech fluktuaciacute vakua [14]
21
5 Magnetismus
51 Magnetickeacute pole a jeho siloveacute uacutečinky
Fakt že některeacute nerosty s obsahem železa a jeho oxidů jeviacute jisteacute vzaacutejemneacute siloveacute působeniacute vedlo
člověka k vyacutezkumu hlubšiacute podstaty tohoto fenomeacutenu Magnetismu znaacutemeacutemu již ze středověku začala
byacutet později věnovaacutena značnaacute pozornost předevšiacutem diacuteky poznatku že lze vnějšiacute magnetickeacute pole
vyvolat průchodem proudu nosičů elektrickyacutech naacutebojů elektrickyacutemi vodiči Pokusy H Ch Oersteda s
vodiči zapojenyacutemi k elektrickeacutemu zdroji vykazovali siloveacute působeniacute na magnetku kompasu později
diacuteky A M Ampeacuterovu pokusu takeacute siloveacute působeniacute mezi vodiči proteacutekanyacutemi proudem [15]
Mezi tělesy z feromagnetickyacutech laacutetek se za jistyacutech okolnostiacute projevuje vnějšiacute působeniacute vnitřniacutech
atomaacuterniacutech sil do vnějšiacuteho prostřediacute prostor v okoliacute tělesa i uvnitř něho je magneticky polarizovaacuten a
magnetickeacute předměty se navzaacutejem přitahujiacute či odpuzujiacute v zaacutevislosti na směru vektoru jejich
magnetizace Ve vzdušneacutem prostřediacute lze magnetickou propustnost definovat jako hodnotu přibližně
rovnou permeabilitě vakua
Po odhaleniacute existence magnetismu došlo časem k prudkeacutemu naacuterůstu pokusů se snahou naleacutezt praktickeacute
využitiacute tohoto jevu v lidskeacutem životě Vznik elektrickyacutech strojů prudce zrychlil rozvoj většiny odvětviacute
lidskeacuteho baacutedaacuteniacute
Magnetickeacute pole a jeho siloveacute uacutečinky jsou přiacutetomny při
a) Pohybu elektrickyacutech naacutebojů v obvodu
b) Zmagnetovaacuteniacute magnetik
Kvantitativniacute miacuterou siloveacuteho působeniacute magnetickeacuteho pole je magnetickaacute indukce B
Magnetickeacute pole o indukci 1 T působiacuteciacute na naacuteboj jednoho coulombu kteryacute se pohybuje rychlostiacute 1ms
silou 1 Newtonu jestliže je směr rychlosti naacuteboje a směru působiacuteciacute siacutely kolmyacute
Siacutelu v elektromagnetickeacutem poli působiacuteciacute na jednotkovyacute zkušebniacute naacuteboj v pohybu lze popsat
Lorenzovyacutem vztahem [15]
Ze vztahu je zřejmeacute že rychlost zkušebniacute čaacutestice nemaacute vliv na siloveacute uacutečinky elektrickeacuteho pole
V poli čistě magnetickeacutem kdy je elektrickeacute pole nuloveacute platiacute pro siacutelu vztah
(8)
(9)
22
52 Magnetickyacute moment moment hybnosti a precese momentu hybnosti
Pohybuje-li se elektron po kružnici (obiacutehaacute-li jaacutedro vlivem dostřediveacute siacutely) jsou si jeho magnetickyacute
moment μ a moment hybnosti J uacuteměrneacute Velikost momentu hybnosti elektronu je rovna hmotnosti
elektronu vynaacutesobeneacute jeho rychlostiacute a poloměrem draacutehy kterou opisuje (Obr 51)
Obr 51 Na kruhoveacute draacuteze je magnetickyacute moment μ(q2m)-naacutesobkem momentu hybnosti J[16]
Jeho směr je kolmiacute na rovinu draacutehy Vztah (10) je ne relativistickyacute je však pro atomy dobryacutem
přibliacuteženiacutem
(10)
Magnetickyacute moment tohoto pohybu lze určit jako proud kraacutet obsah plochy kruhu dle vztahu
Proud se vypočiacutetaacute jako naacuteboj kteryacute za jednotku času projde libovolnyacutem bodem draacutehy tj naacuteboj q kraacutet
frekvence kruhoveacuteho pohybu Frekvence je zase rychlost dělenaacute deacutelkou draacutehy takže platiacute
Plocha maacute obsah magnetickyacute moment je tedy možneacute vyjaacutedřit vztahem
Magnetickyacute moment a teacutež moment hybnosti J jsou kolmeacute na rovinu draacutehy Pro orbitaacutelniacute pohyb tedy
platiacute
Pro orbitaacutelniacute pohyb elektronu platiacute
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
23
Magnetismus od orbitaacutelniacuteho pohybu elektronu neniacute jedinyacute existujiacuteciacute druh magnetismu Elektron maacute i
svou vlastniacute rotaci kolem osy Důsledkem je spinovyacute moment hybnosti elektronu neboli vlastniacute
moment hybnosti Pro spinovyacute moment hybnosti se takeacute použiacutevaacute označeniacute spin Z překladu
z angličtiny jde rotace Pojem spin byl zaveden v době kdy se předpoklaacutedalo že jde o rotaci nicmeacuteně
v makrosvětě nemaacute spin analogii a člověk je nucen použiacutet idealizovanou představou rotace [16]
Poměr a je dvakraacutet tak tak velkyacute oproti orbitaacutelniacutemu pohybu elektronu proto je spinovyacute
magnetickyacute moment
Obecně je v každeacutem atomu několik elektronů a tak je celkovyacute moment hybnosti a celkovyacute magnetickyacute
moment daacuten složeniacutem jejich orbitaacutelniacutech a spinovyacutech momentů hybnosti V kvantoveacute mechanice
obecně platiacute že směr magnetickeacuteho momentu izolovaneacuteho atomu maacute opačnyacute směr než moment
hybnosti [16]
Někdy je magnetickyacute moment směsiciacute orbitaacutelniacutech a spinovyacutech přiacutespěvků jejichž vztah můžeme zapsat
Značka g je tzv Landeacuteho faktor a určeniacute jeho velikosti je předmětem kvantoveacute mechaniky
V přiacutepadě atomovyacutech jader figurujiacute naviacutec i spiny protonů a neutronů Pro jaacutedra obecně piacutešeme
Precese pohyb atomovyacutech magnetů v magnetickeacutem poli
Umiacutestěniacutem atomu do magnetickeacuteho pole je magnetickyacute moment ovlivňovaacuten momentem siacutely kteraacute se
jej snažiacute pootočit do směru pole Atomovyacute magnet je jako setrvačniacutek ndash maacute spinovyacute moment hybnosti
Moment siacutely způsobenyacute magnetickyacutem polem proto nedokaacuteže atomovyacute magnet udržet
v daneacutem směru Magnet proto bude vykonaacutevat precesniacute pohyb podobnyacute precesi mechanickeacuteho
setrvačniacuteku[16]
Rotuje-li těleso okolo osy zaznamenaacuteme u něj jistou podobnost v chovaacuteniacute s elementaacuterniacutem atomovyacutem
magnetem o momentu hybnosti
Jevy zjevneacute při rotaci tělesa lze popsat naacutesledujiacuteciacutemi tvrzeniacutemi
Pokud na rotujiacuteciacute těleso nepůsobiacute vnějšiacute siacutely zachovaacutevaacute si osu svojiacute rotace Nenulovyacute moment
siacutely působiacuteciacute na rotujiacuteciacute těleso ovlivňuje osu jeho rotace tiacutem viacutece čiacutem maacute těleso menšiacute
moment hybnosti
Když nutiacuteme rotujiacuteciacute těleso změnit osu svojiacute rotace chovaacute se tak že se snažiacute ztotožnit s osou
vynuceneacute rotace
(16)
(
) (17)
(
) (18)
24
Precese subatomaacuterniacutech čaacutestic v magnetickeacutem poli se s vyacutehodou využiacutevaacute v metodaacutech magnetickeacute
jaderneacute a elektronoveacute paramagnetickeacute rezonance
Nabiacuteziacute se otaacutezka jestli je možneacute určityacutem způsobem převeacutest siloveacute uacutečinky precesniacuteho pohybu
momentu hybnosti na mechanickyacute pohyb v nějakeacutem elektrickeacutem stroji Projevy rezonančniacutech jevů
jsou u všech typů magnetickyacutech rezonanciacute však velice slabeacute a frekvence Larmorovy precese s jakou
vektor magnetickeacuteho momentu rotuje ve vnějšiacutem poli je u elektronů ktereacute jsou přiacutečinou magnetismu
u feromagnetik až v řaacutedech GHzT Tiacutem paacutedem by musel mechanickyacute systeacutem v pracujiacuteciacute v rezonanci
s precesniacute frekvenciacute momentu hybnosti kmitat či rotovat teacutež v řaacutedech GHz nebo v jisteacutem poměru k
prvniacute harmonickeacute teacuteto frekvence
25
6 Nekonvenčniacute elektrickeacute stroje
Podle autorů elektrickyacutem motorů jsou motory založeneacute na jistyacutech principech schopny pracovat s
uacutečinnostiacute překračujiacuteciacute 100 Ve čtvrteacute kapitole hovořiacuteciacute o vakuu je popsaacuten Casimirův jev jako
důsledek narušeniacute symetrie prostorovyacutech fluktuaciacute elektromagnetickyacutech poliacute vakua mezi dvěma
kovovyacutemi deskami Vezmeme-li v uacutevahu teorii o prostoru vyplněneacutem vznikajiacuteciacutemi a zanikajiacuteciacutemi
virtuaacutelniacutemi čaacutesticemi nabiacuteziacute se otaacutezka Je možneacute zkonstruovat systeacutem kteryacute by energii projevujiacuteciacute se
jako fluktuace elektromagnetickyacutech poliacute vakua proměnil na užitečnou elektrickou či mechanickou
energii v takoveacute měřiacutetku aby byl schopnyacute napaacutejet elektrickeacute obvody sveacuteho řiacutezeniacute popř dodaacutevat
vyacutekon do vnějšiacute zaacutetěže Ze znalosti termodynamickyacutech zaacutekonů jasně vypliacutevaacute možnost využitiacute
teplotniacuteho rozdiacutelu dvou prostřediacute k ziacuteskaacuteniacute užitečneacute energie Tepelnaacute čerpadla jsou toho důkazem
Vzhledem k existenci elektromagnetickeacute energie vakua i při absolutniacute nule je možneacute tuto energii
považovat za vstupniacute energii do systeacutemu zobrazeneacuteho blokově na Obr 61
Obr 61 Blokoveacute scheacutema systeacutemu napaacutejeneacuteho energiiacute odčerpaacutevanou z okolniacuteho prostřediacute
Energie vstupuje do systeacutemu z vnějšiacuteho prostřediacute a sloužiacute pro napaacutejeniacute vnějšiacute zaacutetěže i systeacutemu
samotneacuteho
Systeacutem
Vstup energie do systeacutemu
z okolniacuteho prostřediacute
Vyacutestup využitelneacute
formy energie
Energie potřebnaacute pro řiacutezeniacute
systeacutemu se z vyacutestupu navraciacute
zpětnou vazbou
26
61 Johnsonův motor
V roce 1973 pět let po podaacuteniacute přihlaacutešky byl Howardu Johnsonovi udělen patent US 4151431 na
motor s permanentniacutemi magnety V roce 1995 pak patent US 5402021 popisujiacuteciacute magnetickyacute
pohonnyacute systeacutem založenyacute na obdobneacutem principu Oba tyto systeacutemy uacutedajně využiacutevajiacute ke konaacuteniacute praacutece
pouze siacutely permanentniacutech magnetů Ačkoli dnešniacute věda zavrhuje využitiacute vnějšiacutech projevů
subatomaacuterniacuteho pohybu čaacutestic hmoty permanentniacutech magnetů ke konaacuteniacute nepřetržiteacute praacutece v systeacutemu
Johnson uacutedajně připouštiacute že přesně neviacute odkud se energie kterou čerpaacute bere Ale domniacutevaacute se že
může miacutet souvislost s rotaciacute elektronů možnaacute dokonce souvisiacute s dosud nepojmenovanou čaacutesticiacute
V roce 1980 vyšel v dnes již zanikleacutem časopisu Science and Mechanics člaacutenek o Johnsonově motoru
popisujiacuteciacute vzaacutejemneacute interakce mezi magnety rotoru a statoru
Konstrukčniacute uspořaacutedaacuteniacute Johnsonova motoru
Obr 62 Čelniacute pohled do Johnsonova motoru Stator maacute po obvodu rozmiacutestěny tři obloukoviteacute
magnety Rotoroveacute magnety jsou vzaacutejemně odděleny vzduchovyacutemi mezerami [16]
Z Předniacuteho pohledu do motoru na Obr 62 jsou vidět tři obloukoviteacute permanentniacute magnety statoru
pravidelně rozmiacutestěneacute kolem rotoru
Obr 63 Z bočniacuteho pohledu do motoru je patrnaacute šroubovitaacute hřiacutedel kteraacute sloužiacuteciacute k zabrzděniacute stroje
[16]
27
Obr 64 Horniacute pohled na dva obloukoviteacute statoroveacute magnety navzaacutejem posunuteacute a překryacutevajiacuteciacute
magnety rotoru [16]
Obr 65 Průběhy změny indukce během změny polohy jižniacuteho a severniacuteho poacutelu magnetu statoru vůči
rotorovyacutem magnetům
Obr 66 Naznačeniacute pohybu obloukovyacutech magnetů rotoru nad statorovyacutemi magnety
Popis principu
Obr 66 ukazuje některeacute zaacutekladniacute vztahy Plneacute čaacutery představujiacute přitažliveacute siacutely přerušovaneacute čaacutery
představujiacute odpuzovaacuteniacute a dvojiteacute čaacutery v obou přiacutepadech znaacutezorňujiacute dominantniacute siacutely
Na Obr 66 je obloukově zakřivenyacute permanentniacute magnet ve třech po sobě naacutesledujiacuteciacutech polohaacutech nad
pevnyacutemi statorovyacutemi magnety Obr 66 poskytuje alespoň velmi zjednodušenyacute pohled do teorie
28
pohonu pomociacute permanentniacutech magnetů Johnson řiacutekaacute že zakřiveneacute magnety s ostryacutemi konci jsou
důležiteacute protože koncentrujiacute magnetickou energii mnohem uacutečinněji než magnety s tupyacutemi konci Tyto
obloukoviteacute magnety jsou o něco delšiacute než je deacutelka dvou magnetů statoru včetně mezery mezi nimi V
Johnsonově konstrukci jsou dlouheacute
palce
Všechny statoroveacute magnety majiacute severniacute poacutel nahoře a spočiacutevajiacute na podložce vyrobeneacute z materiaacutelu s
vysokou permeabilitou kteraacute pomaacutehaacute koncentrovat silovaacute pole Optimaacutelniacute mezera mezi konci
rotorovyacutech magnetů a statorem je kolem
palce
Když se severniacute poacutel magnetu rotoru nachaacuteziacute nad statorovyacutem magnetem je jiacutem odpuzovaacuten a je ke
statoru přitahovaacuten když prochaacuteziacute nad mezerou mezi statorovyacutemi magnety Přesně opačneacute siacutely působiacute
u jižniacuteho poacutelu rotoroveacuteho magnetu Je přitahovaacuten když prochaacuteziacute nad statorovyacutem magnetem a je
odpuzovaacuten když se nachaacuteziacute nad mezerou
Předniacute poacutel N rotoru je odpuzovaacuten severniacutemi poacutely dvou přilehlyacutech magnetů Ale v zobrazeneacute poloze
magnetu rotoru tyto dvě odpudiveacute siacutely (ktereacute zřejmě působiacute proti sobě) nejsou totožneacute většiacute z obou sil
(dvojitaacute přerušovanaacute čaacutera) překonaacutevaacute druhou siacutelu a taacutehne rotor doleva Tento pohyb vlevo je zrychlen
přitažlivou silou mezi severniacutem poacutelem rotoru a jižniacutem poacutelem v mezeře mezi statorovyacutemi magnety
Současně na druheacutem konci (S) rotoroveacuteho magnetu Deacutelka tohoto magnetu je cca
palce a je
zvolena s ohledem na velikost paacuteru statorovyacutech magnetů a mezery mezi nimi aby přiacutetažliveacute a
odpudiveacute siacutely taacutehly magnety rotoru doleva V tomto přiacutepadě je poacutel S přitahovaacuten severniacutemi poacutely
přilehlyacutech statorovyacutech magnetů ale z důvodu rozměrů rotoroveacuteho magnetu je rotor silněji tažen
doleva (dvojitaacute plnaacute čaacutera) Takeacute zde je s vyacutehodou využito siloveacute působeniacute mezi koncem rotoroveacuteho
magnetu a mezerou mezi magnety statoru V tomto přiacutepadě majiacute oba poacutely stejnou polaritu (S) proto se
vzaacutejemně odpuzujiacute
Je nutneacute dodržet spraacutevnou deacutelku magnetů rotoru Jestliže jsou buď přiacuteliš dlouheacute nebo přiacuteliš kraacutetkeacute
mohou dosaacutehnout nežaacutedouciacute rovnovaacutehy kteraacute znamenaacute konec pohybu Ciacutelem je optimalizovat
všechny siacutely tak aby bylo dosaženo maximaacutelniacute nerovnovaacutehy ale vždy stejnyacutem směrem Když se rotor
otočiacute o 180 stupňů a dostane se na opačnyacute konec draacutehy bude se chovat stejnyacutem způsobem až na to že
se v tomto přiacutekladu bude pohybovat zleva doprava Takeacute musiacuteme poznamenat že jakmile je rotor v
pohybu maacute moment kteryacute pomůže dostat rotorovyacute magnet do sfeacutery vlivu dalšiacuteho paacuteru magnetů
statoru kde ziacuteskaacute dalšiacute moment [25]
29
62 Adamsův motor generaacutetor
Podle informačniacuteho zdroje [26] byl vynaacutelez Roberta Adamse viacutece než 20 let držen v tajnosti Jeho
autorovi bylo vyhrožovaacuteno smrtiacute v přiacutepadě že bude šiacuteřit informace tyacutekajiacuteciacute se principů na nichž jeho
motorgeneraacutetor pracuje Informace byly po letech zveřejněny internetoveacutem magaziacutenu Nexus
Adams ke sveacutemu stroji vytvořil publikaci The Adams pulsed motor generator manual ve ktereacute uvaacutediacute
naacutesledujiacuteciacute obraacutezkoveacute ilustrace Autor v něm teacutež předklaacutedaacute grafy naměřenyacutech průběhů napětiacute pro
různeacute režimy stroje
Robert Adams tvrdiacute Naacuteš vesmiacuter je moře volneacute čisteacute energie A čekaacute jen na to abychom ji začali
využiacutevat
Vlastnosti a vyacutehody Adamsova motor generaacutetoru uvedeneacute Robertem Adamsem
1) Překonaacutevaacute zpětnou elektromotorickou siacutelu kteraacute je probleacutemem všech konvenčniacutech strojů
2) Střiacutedavě zapřahuje ZES tedy zanikajiacuteciacute magnetickeacute pole čiacutemž zvyšuje moment a snižuje
přiacutekon
3) V režimu motorgeneraacutetoru nevyžaduje k vyacuterobě elektrickeacuteho vyacutestupniacuteho vyacutekonu
oddělenyacute motor
4) Pro běh stroje a vyacuterobu vyacutestupniacuteho vyacutekonu využiacutevaacute jedinyacute rotor
5) Všechny poacutely rotoru majiacute stejnou polaritu
6) Statoroveacute hnaciacute vinutiacute a poacutely jsou menšiacutech rozměrů
7) Velikost vzduchoveacute mezery neniacute kritickaacute
8) Nevyžaduje chladiacuteciacute ventilaacutetor
9) Stroj nevyžaduje konstantniacute vstupniacute proud
10) Naacutevrh stroje je naacutesledujiacuteciacute
a) Energie je vede zpět do baterioveacuteho zdroje
b) Magnetickyacute zpětnyacute tah je prakticky nulovyacute
c) Teplota při plneacutem zatiacuteženiacute je polovičniacute ve srovnaacuteniacute s jakyacutemkoliv konvenčniacutem strojem
d) S ohledem na způsob mechanickeacuteho spiacutenaacuteniacute kteryacute zajišťuje zužujiacuteciacute se hvězda
kontaktniacuteho disku je možneacute měnit střiacutedu impulzů
11) V režimu vysokeacute uacutečinnosti stroj čerpaacute energii z prostoru
12) Čiacutem nižšiacute rychlostiacute se otaacutečiacute tiacutem dosahuje vyššiacute uacutečinnosti a krouticiacuteho momentu na rozdiacutel
od konvenčniacutech strojů
13) V rezonančniacutem režimu nejsou přiacutetomny jaloveacute ztraacutety a stroj vykazuje konstantniacute vyacutekon a
moment
14) Jelikož se směr energie ze zdroje neměniacute nejsou přiacutetomny ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy a
hystereziacute
15) Stroj se ve všech pracovniacutech režimech saacutem chraacuteniacute před některyacutemi nepřiacuteznivyacutemi situacemi
ktereacute v jinyacutech přiacutepadech vyžadujiacute doplňujiacuteciacute zařiacutezeniacute
16) Vysokeacute otaacutečky nejsou nutneacute čiacutemž odpadajiacute probleacutemy s nimi spojeneacute
17) Stroj je možneacute elektricky zatiacutežit a počiacutetat s naacuteslednyacutem naacuterůstem vyacutestupniacute energie od 50
přes 100 a to bez přetiacuteženiacute nebo naacuterůstu teploty nad normaacutelniacute pracovniacute teplotu
30
18) Stroj je saacutem o sobě obdivuhodně jednoduchyacute a nevyžaduje draheacute obvody pro řiacutezeniacute
rychlosti [26]
Popis zaacutekladniacute konstrukce
Adamsův motor-generaacutetor je elektrickyacute stroj s permanentniacutemi magnety radiaacutelně uloženyacutemi v rotoru
Stroj je uacutedajně možneacute zkonstruovat v různyacutech konfiguraciacutech podle toho zda požadujeme vyacutestupniacute
vyacutekon spiacuteše elektrickyacute nebo mechanickyacute
Zaacutekladniacute konfigurace stroje určenaacute pro vyacutestup elektrickeacuteho vyacutekonu ze stroje obsahuje tři druhy
statorovyacutech magnetickyacutech poacutelů vhodně rozmiacutestěnyacutech kolem rotoru s permanentniacutemi magnety
1 Permanentniacute magnety rotoru jsou všechny polarizovaacuteny ve stejneacutem směru Tok
magnetickeacute indukce všech vystupuje buď ven nebo dovnitř směrem ke hřiacutedeli
Obr 67 Magnety jsou pro zvyacutešeniacute vyacutekonu stroje uloženy v několika rotorovyacutech sekciacutech
2 Řiacutediacuteciacute poacutely jsou napaacutejeny pulzně v zaacutevislosti na poloze rotoru vůči statoru a to skrze
mechanickyacute komutaacutetor Ciacutevky jsou navinuty na jaacutedra ze kteryacutech vystupuje magnetickyacute tok
v opačneacutem směru oproti toku permanentniacutech magnetů v rotoru Rotor se pohybuje jelikož je
odpuzovaacuten těmito silovyacutemi uacutečinky
Obr 68 Pulzně buzeneacute ciacutevky
31
3 Zpětnovazebniacute poacutely jsou navinuty na magnetickyacutech jaacutedrech a jsou napaacutejeny elektrickou
energiiacute kteraacute se zpětně indukuje do elektrickeacuteho obvodu řiacutediacuteciacutech ciacutevek v důsledku prudkeacuteho
přerušeniacute dodaacutevky proudu Magnetickeacute pole v prostoru vzduchoveacute mezery a rozptylovyacutech
drahaacutech se snažiacute zaacuteniku proudu zabraacutenit čiacutemž vznikaacute prudkyacute energetickyacute skok
Obr 69 Zpětnovazebniacute ciacutevky
4 Generaacutetorickeacute poacutely generujiacute proud do připojeneacute zaacutetěže
Obr 610 Zpětnovazebniacute ciacutevky
5 Permanentniacute poacutely statoru jsou tvořeny feritovyacutemi magnety rozmiacutestěny po obvodu rotoru podle
konfigurace na Obr611a majiacute za uacutečel zvyacutešit mechanickyacute moment rotoru
32
Obr 611 Rozmiacutestěniacute permanentniacutech magnetů po obvodu statoru
Na Obr 612 je princip spiacutenaacuteniacute proudu do ciacutevek statoru řešenyacute prostřednictviacutem mechanickeacuteho
komutaacutetoru ve tvaru čtyřciacutepeacute hvězdy Při otaacutečeniacute dochaacuteziacute v jistyacutech polohaacutech ke spojeniacute kontaktů
dosedajiacuteciacutech na komutaacutetor a proud tekouciacute ciacutevkami v nich vybudiacute magnetickyacute indukčniacute tok kteryacute
svyacutemi uacutečinky odpuzuje permanentniacute magnety v rotoru Na obraacutezku je naznačen princip motoru a
způsob měřeniacute otepleniacute jaacutedra při daneacute mechanickeacute zaacutetěži Do jaacutedra je vyvrtaacuten otvor do nějž je
zasunuta teplotniacute sonda Otepleniacute jaacutedra by nemělo překročit 40 degC
Obr 612 Zaacutekladniacute konstrukce Adamsova motoru sloužiacuteciacute pro demonstraci nastaveniacute vhodneacute velikosti
proudu tekouciacuteho do vinutiacute ciacutevek při požadovaneacute mechanickeacute zaacutetěži
33
Obr 613 Vyacutekres Adamsova motor generaacutetoru s osmi permanentniacutemi magnety v rotoru
stejnosměrnyacutemi pulzniacutemi ciacutevkami a generaacutetorovyacutemi ciacutevkami navinutyacutemi na odlišnyacutech magnetickyacutech
jaacutedrech
Robert Adams ve sveacute publikaci uvaacutediacute na Obr 614 zaznamenaacuteny průběhy hodnot napětiacute na bateriiacutech
postupně připojovanyacutech na elektrickyacute vyacutestup stroje Přičemž hodnota napětiacute na vstupniacute napaacutejeciacute baterii
se měniacute jen nepatrně Na zaacutekladě těchto dat uvedenyacutech v Tab 61 Adams stanovuje uacutečinnost motor
generaacutetoru
Obr 614 Baterie na vyacutestupu jsou postupně dobiacutejeny přičemž velikost napětiacute na vstupniacute baterii se
snižuje jen nepatrně
34
Naacutesledujiacuteciacute tabulka shrnuje vyacutesledky naměřeneacute v grafu na Obr 614
Tab 61 Souhrn vyacutesledků naměřenyacutech hodnot napětiacute na vyacutestupniacutech bateriiacutech
Dokonalejšiacute konstrukce Adamsova motor generaacutetoru
Konstrukce zde popisovanaacute je realizovaacutena jako model pro měřeniacute uacutečinnosti tohoto motoru avšak
s několika podstatnyacutemi konstrukčniacutemi rozdiacutely o nichž se zmiňuji při popisu realizovaneacuteho stroje
Rotor na Obr 615 maacute 7 vyniklyacutech poacutelů rotoru a 8 statorovyacutech jader Je možneacute použiacutet i 6 jader ve
statoru při použitiacute stejneacuteho rotoru Tiacutem však dojde ke sniacuteženiacute uacutečinnost stroje Počet rotorovyacutech a
statorovyacutech poacutelů by neměl byacutet v celočiacuteselneacutem poměru
Obr 615 Konfigurace se 6 poacutely statoru a 7 poacutely rotoru Magnetizačniacute vinutiacute protějšiacutech poacutelů
statoru jsou spojena do seacuterie
Popis principu činnosti během otaacutečeniacute rotou
Na Obr 616 (a) je poacutel rotoru R1 přesně mezi statorovyacutemi poacuteli S1 a S2 a představme si že směřuje k S2
a je jiacutem přitahovaacuten až do chviacutele kdy je v pozici na obr (c) Nyniacute je zarovnaacuten s jaacutedrem statoru jehož
vinutiacutem začne proteacutekat proud kteryacute maacute takovou polaritu aby došlo k odpuzovaacuteniacute rotoroveacuteho poacutelu ze
zarovnaneacute pozice Tiacutem paacutedem je vlivem siloveacute interakce magnetickyacutech polyacute rotoru urychlovaacutem a
proud teče do statoroveacuteho vinutiacute až do chviacutele kdy je vpozici na obr (e) Nyniacute je protějšiacute statororoveacute
jaacutedro zarovnaacuteno s rotorovyacutem poacutelem
Baterie č
(vyacutestup)
Počaacutetečniacute
napětiacute
baterie
[V]
Doba běhu
stroje [h]
Konečneacute
napětiacute baterie
[V]
Naacuterůst
napětiacute
baterie oproti
počaacutetečniacute
hodnotě 102 V
[V]
Uacutečinnost []
1 102 33 1142 122 610
2 1172 15 1184 162 810
3 114 66 1201 181 905
35
Podiacutevejme se co se během toho děje na protějšiacute straně rotoru
Rotorovyacute poacutel R4 na obr (a) je praacutevě zarovnaacutem se statorovyacutem jaacutedrem S5 Tudiacutež je do vinutiacute tohoto
jaacutedra S5 přiveden proud jehož uacutečinky jsou i vtomto přiacutepadě vyvolajiacute odpuzovaacuteniacute poacutelu R4 Proud
vinutiacutem jaacutesdra S5 proteacutekaacute do chviacutele na obr(c) kdy dojde k demagnetizaci statoroveacuteho jaacutedra S2
Obr 617 Vzaacutejemeacute polohy rotoru vůči statorovyacutem poacutelům pro popis principu
Rotor je roztaacutečen těmito silovyacutemi přiacutespěvky
a) Rotorovyacute poacutel je přitahovaacuten ke statorovyacutem magnetickyacutem jaacutedrům vlivem projevu magnetickyacutech
sil permanentniacutech magnetů prostupujiacuteciacutech vzduchovou mezeru a uzaviacuterajiacuteciacutech se přes jaacutedra
statoru
b) Rotor je po zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru se statorovyacutem daacutele roztaacutečen vlivem odpudivyacutech
sil mezi poacutely rotoru a řiacutediacuteciacutemi poacutely statoru Vinutiacute řiacutediacuteciacutech poacutelů je napaacutejeno elektrickyacutemi
impulzy v zaacutevislosti na poloze rotoru vůči statoru Intenzita magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute
mezeře je nejvyššiacute při zarovnaacuteniacute poacutelů statoru a rotoru
Na Obr je pohled do vnitřniacute struktury magnetickeacuteho obvodu popisovaneacuteho stroje
12 podeacutelneacute magnetickeacute poacutely statoru s vysokou permeabilitou
13 rotoroveacute sekce s vyniklyacutemi poacutely
14 hřiacutedel
15 permanentniacute magnety uloženeacute ve středoveacutem pouzdru
16 otvor pro permanentniacute magnety
17 Disk sloužiacuteciacute jako pouzdro magnetů
Obr 618 Pohled na do struktury rotoru
36
Dalšiacutemi motory ktereacute uacutedajně pracujiacute s vysokou jsou Bediniho motor Takahasiho motor a Kawaiův
motor
63 Systeacutem pro přeměnu energie elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute na
elektrickou energii
Americkyacute patent č 5590031 podanyacute 24 července 1994 Franklinem B Meadem a Jackem
Nachamkinem popisuje zařiacutezeniacute přeměňujiacuteciacute vysokofrekvenčniacute elektromagnetickou energii
vakuovyacutech fluktuaciacute vznikajiacuteciacutech jako projev virtuaacutelniacutech čaacutestic teacutež označovanou pojmem bdquozero point
energyldquo na užitečnou elektrickou energii Pojem zero point energy neboli energie nuloveacuteho bodu byl
zaveden vzhledem k faktu že i při teplotě absolutniacute nule (0 K = -27315 degC) vakuum obsahuje energii
fluktuaciacute elektromagnetickyacute poliacute jako důsledek projevů vznikajiacuteciacutech a zanikajiacuteciacutech virtuaacutelniacutech čaacutestic
Na Obr 619 je znaacutezorněn princip zařiacutezeniacute Čiacuteslo 216 symbolizuje vysokofrekvenčniacute
elektromagnetickeacute zaacuteřeniacute Pomociacute litografickeacute technologie jsou vytvořeny dielektrickeacute struktury
(212) a (214) tvaru koule polokoule či disku Tyto struktury jsou velice maleacute a jejich velikost musiacute
byacutet v přiacutemeacutem poměru k vlnoveacute deacutelce elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute Struktury jsou připevněny na
zaacutekladoveacutem substraacutetu (236) a rozloženy do pole (238) Tyto struktury se vlivem působeniacute
elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute pohybujiacute s mnohem menšiacute frekvenciacute než jakou maacute elektromagnetickeacute
zaacuteřeniacute ktereacute jejich pohyb vyvolalo Naacutesledkem pohybu se v anteacuteně (222) indukuje elektrickaacute energie o
využitelneacute frekvenci Jednotliveacute anteacuteny mohou miacutet tvar smyčky nebo mohou byacutet dipoacuteloveacute
Indukovanyacute proud je naacutesledně veden vodiči (226) nebo vlnovodem do primaacuterniacuteho obvodu (228)
transformaacutetoru (232) Kondenzaacutetor (230) sloužiacute pro vyladěniacute rezonančniacuteho obvodu V sekundaacuterniacutem
obvodu je střiacutedavyacute proud usměrněn diodou (234)[17]
Obr 619 Scheacutema zařiacutezeniacute pro přeměnu vysokofrekvenčniacute elektromagnetickeacute energie na využitelnou
formu elektrickeacute energie [14]
37
7 Feromagnetickeacute materiaacutely
Tvar hysterezniacute smyčky magnetickeacuteho materiaacutelu zaacutevisiacute na chemickeacutem složeniacute feromagnetika a na jeho
tepelneacutem zpracovaacuteniacute Z analogie s mechanickou tvrdostiacute rozlišujeme magneticky měkkaacute
feromagnetika kteraacute dobře vedou magnetickyacute tok a tvrdaacute feromagnetika z nichž se vyraacutebiacute
permanentniacute magnety Na Obr71 je naacutezorneacute rozděleniacute magneticky měkkyacutech polotvrdyacutech a tvrdyacutech
materiaacutelů
Obr 71 Rozděleniacute magnetickyacutech materiaacutelů na měkkeacute polotvrdeacute a tvrdeacute
71 Magneticky měkkaacute feromagnetika
Pro vedeneacute magnetickeacuteho toku v magnetickeacutem obvodu motoru je využito měkkyacutech feromagnetik jež
se vyznačujiacute strmou magnetizačniacute křivkou a uacutezkou hysterezniacute smyčkou Majiacute vysokou počaacutetečniacute
a maximaacutelniacute permeabilitu a malou koercivitu Hclt103
Am Často lze hysterezi zanedbat a je možneacute
uvažovat pouze s magnetizačniacute křivkou1
Na trhu s magnetickyacutemi materiaacutely figuruje řada vyacuterobců a distributorů Naacutesledujiacuteciacute z nich jsem
oslovil s prosbou o poskytnutiacute vzorků magnetickyacutech jader pro měřeniacute magnetickyacutech vlastnostiacute
1 aplik
38
711 Vyacuterobci měkkyacutech feromagnetickyacutech materiaacutelů
a) Firma Therma FM
Firma Therma FM vyraacutebiacute magnetickeacute obvody z anizotropniacutech plechů a nabiacuteziacute i izotropniacute
dynamoplechy Materiaacutely pro vyacuterobu jader firma odebiacuteraacute od společnosti ThyssenKrupp
Jaacutedra pro jednofaacutezoveacute transformaacutetory jsem použil jako statoroveacute jaacutedra realizovaneacuteho motoru
Při vyacuterobě naviacutejeno na obdeacutelniacutekoveacute kopyto o rozměrech odpoviacutedajiacuteciacutech požadovaneacute velikosti okna pro
primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Jaacutedro je po navinutiacute z transformaacutetoroveacuteho plechu rozřiacuteznuto na dvě
poloviny jedna z nich je na Obr Xx Po rozřiacuteznutiacute jaacutedra je možneacute nasunout vinutiacute
Obr 72 Fotografie jedneacute poloviny jaacutedra pro jednofaacutezoveacute transformaacutetory
Magnetickeacute vlastnosti jaacutedra vyrobeneacuteho z materiaacutelu M150-30S jsou uvedeny v Tab71
Tab 71 Magnetickeacute vlastnosti jaacutedra stanoveneacute normou EN 10107
Norma Tloušťka
Max ztraacuteta v
jaacutedře při 15 T
[Wkg]
Maximaacutelniacute ztraacuteta
v jaacutedře při 17 T
[Wkg]
Min
J800
Nejmenšiacute
činitel
plněniacute
Typ
EN 10107 mm 50 Hz 50 Hz 60 Hz T PowerCore
M 150-30 S 030 097 150 197 175 0955 C 150-30
Magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelů jakosti M150-30S a M600-50 na Obrxx jsou zrekonstruovaneacute
podle z katalogovyacutech křivek vyacuterobce Thyssen Krupp
39
Obr 73 B-H charakteristiky jader z orientovanyacutech (M150-30S) trafoplechů a
neorientovanyacutechdynamoplechů M600-50
0
05
1
15
2
25
0 250 500 750 1 000 1 250 1 500 1 750 2 000
B [T]
H [Am]
Magnetizačniacute charakteristiky
M150-30S
M600-50
40
b) Firma Vacuumschmelze (VAC)
Tento německyacute vyacuterobce poskytnul dva vzorky toroidniacutech jader s nanokrystalickou strukturou Materiaacutel
je prodaacutevaacuten pod obchodniacutem naacutezvem Vitroperm 500F a vynikaacute velice uacutezkou hysterezniacute smyčkou
vysokou hodnotou magnetickeacute indukce při maleacute koercivitě Zaacutekladniacute složkou Vitropermu je Fe
s přiacuteměsemi Si B Nb a Cu
Tab 72 Magnetickeacute vlastnosti Vitropermu 500F uvedeneacute v katalogu vyacuterobce
Saturačniacute
indukce
Statickaacute
koercivita
Přibližnaacute
rezistivita
Curieho
teplota Permebilita
Měrneacute ztraacutety
(100kHz 03T)
Bs [T] Hc [Am] φ [μΩcm] tc[degC] μi PFe [Wkg]
12 lt3 115 gt600 15000hellip150000 80
Na Obr Xx jsou vyacuterobcem uvedeneacute magnetizačniacute charakteristiky Vitropermu 500F a 250F
v porovnaacuteniacute s typickou charakteristikou feritu
Obr 74 Jaacutedra z Vitropermu 500F dosahujiacute oproti běžneacutemu feritu mnohem vyššiacute magnetickeacute indukce
Je zřejmeacute že cena Vitropermovyacutech jader je oproti feritovyacutem mnohem většiacute a to diacuteky naacuteročneacutemu
vyacuterobniacutemu procesu
Společnost VAC ve sveacutem sortimentu nabiacuteziacute jaacutedra s amorfniacute strukturou s obchodniacutem naacutezvem Vitrovac
Vyraacutebiacute se metodou rychleacuteho tuhnutiacute kdy se na studenyacute buben otaacutečejiacuteciacute se rychlostiacute 100kmh vleacutevaacute
skrze keramickou trysku směs materiaacutelů roztavenaacute na teplotu okolo 1300degC a prudce se ochlazuje
(1000000 Ks) na meacuteně než 400degC v 1ms Tiacutem vznikaacute paacuteska tloušťky 20 μm s amorfniacute strukturou
Na Obr 77 je pro představu vyobrazenaacute krystalickaacute amorfniacute a nanokrystalickaacute struktura materiaacutelu
41
Obr 75 Detail na krystalickou strukturu (vlevo) amorfniacute a nanokrystalickou strukturu (vpravo)
Mezi dalšiacute materiaacutely ktereacute VAC nabiacuteziacute patřiacute materiaacutely pro elektrickeacute stroje a zařiacutezeniacute kde je
požadovaacutena vysokaacute hodnota indukce Tyto materiaacutely jsou znaacutemi pod obchodniacutemi naacutezvy Ultraperm
Vacoperm Mumetall Permax Permenorm Megaperm Trafoperm Vacoflux Vacofer a Vacodur
Pro srovnaacuteniacute jsou na Obrxx magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelů Vacoflux 50 Vacoflux 17 a Fe a
Fe 3 přiacuteměsiacute Si
Obr 76 Statickeacute magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelu Vacoflux 50 a Vcoflux 17 dosahuiacute vyšiacute
hodnoty magnetickeacute indukce nasyceniacute než běžnaacute křemiacutekovaacute ocel s obsahem 3 křemiacuteku a Fe 999
42
c) Firma Magnetics
Společnost Magnetics vyraacutebiacute jaacutedra lisovaacuteniacutem prachovyacutech přiacuteměsiacute se zaacutekladniacute složkou Na trhu jsou
znaacutemy pod označeniacutem High Flux MPP (Magnetics Molypermalloy Powder) Kool Mμ a Xflux
1 Jaacutedra High Flux jsou složena ze 79 Ni 17 Fe a 4 Mo Majiacute nejnižšiacute měrneacute ztraacutety ze
všech prchovyacutech jader
2 Jaacutedra MMP obsahujiacute 81 NI 17 Fe a 2 Mo Majiacute vynikajiacuteciacute vlastnosti jakyacutemi jsou
vysokaacute rezistivita niacutezkeacute hysterezniacute ztraacutety a ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy Z všch jader majiacute největšiacute
permeabilitu tiacutem paacutedem i vyššiacute hodnotu saturace
3 Jaacutedra Kool Mμ jsou vyrobena lisovaacuteniacutem prachu železnyacutech slitin a vykazujiacute nejmenšiacute
magnetostrikci
4 Jaacutedra XFlux obsahujiacute prach Fe s přiacuteměsiacute 65 Si Jsou vhodnaacute pro niacutezkofrekvenčniacute a
středofrekvenčniacute tlumivky
Tab 73 Magnetickeacute vlastnosti jader společnosti Magnetics katalogu vyacuterobce
Materiaacutel High Flux MMP Kool Mμ XFlux
Permeabilita 14-160 14-555 26-125 60
(Bs) [T] 15 075 105 16
Jaacutedra žeelezoprachovaacute byacutevajiacute teacutež označovanaacute jako železovaacute jaacutedra a jsou vyraacuteběna lisovaacuteniacutem
izolovaneacuteho praacutešku z magneticky měkkeacuteho materiaacutelu s niacutezkou koercitivniacute silou a vysokou
permeabilitou V současneacute době z tohoto materiaacutelu vyraacutebějiacute jaacutedra kromě firmy Magnetics jen někteřiacute
vyacuterobci a to předevšiacutem vaacutelcovaacute ladiacuteciacute jaacutedra pro laděniacute feritovyacutech hrniacutečkovyacutech jader a kruhovaacute jaacutedra
pro odrušovaciacute ciacutevky a filtračniacute tlumivky měničů napětiacute Zvyšovaacuteniacute objemu izolačniacute laacutetky vede ke
snižovaacuteniacute permeability jader a změně teplotniacute zaacutevislosti samotneacuteho magnetickeacuteho materiaacutelu jaacutedra a
roztažnostiacute jeho jednotlivyacutech složek Volbou směsi magnetickyacutech prachů je možneacute předem definovat
teplotniacute činitel permeability kteryacute může nabyacutevat klasnyacutech zaacutepornyacutech popř i nulovyacutech hodnot
Průmyslově se vyraacutebějiacute jaacutedra z jemnyacutech magnetickyacutech prachů s odstupňovanou permeabilitou
v rozsahu = 7 až 550 Jaacutedra toroidniacute s permeabilitou 7 až 150 se použiacutevajiacute v laděnyacutech obvodech
filtrů pro odrušovaciacute tlumivky jaacutedra s permeabilitou 90 až 550 v napaacutejeciacutech spiacutenaciacutech zdrojiacutech
Vysokeacute permeability je dosaženo materiaacutelovyacutem složeniacute magnetickyacutech prachů a změnou velikosti zrn
Čiacutem většiacute jsou prachovaacute zrna tiacutem vyššiacute je permeabilita diacuteky zvyacutešeniacute poměru magnetickeacuteho materiaacutelu
vůči izolačniacute laacutetce
43
72 Magneticky tvrdaacute feromagnetika
Magneticky tvrdeacute feromagnetickeacute materiaacutely majiacute magnetizačniacute křivku s malou strmostiacute a širokou
hysterezniacute smyčku Vykazujiacute poměrně malou permeabilitu a velkou koercivitu Hclt25middot103
Am
Použiacutevajiacute se pro permanentniacute magnety Vyacutevoj v oblasti těchto materiaacutelů nechal vzniknout celeacute řadě
magnetů odlišujiacuteciacutemi se magnetickyacutemi vlastnostmi konduktivitou mechanickyacutemi vlastnostmi a
ekonomickyacutemi parametry Tvrdaacute feromagnetika lze rozdělit naacutesledovně
a) Uhliacutekoveacute oceli ndash s obsahem 15 uhliacuteku Daacutele byly zdokonaleny legovaacuteniacutem wolframem
chromem a kobaltem a zakaleniacutem na martenzitickou strukturu Naacutesledně byly vyrobeny
mnohem vyacutehodnějšiacute slitiny železa niklu a hliniacuteku (Al-Ni) přiacutepadně kobaltu (Al-Ni-Co)
mědi či titanu Nevyacutehodou slitin Al-Ni a Al-Ni-Co je značnaacute mechanickaacute tvrdost křehkost a
tiacutem paacutedem i obtiacutežnaacute opracovatelnost
b) Tvrdeacute ferity ndash např barioveacute (BaFe12O19) nebo stroncioveacute (SrFe12O19) ferity s obsahem
přibližně 80 železa a asi 20 oxidu baria BaO nebo stroncia SrO Mohou byacutet izotropniacute a
anizotropniacute Niacutezkaacute cena a spolehlivost předurčuje tyto materiaacutely pro užitiacute v automatizačniacute
řiacutediacuteciacute a měřiciacute technice
c) Magnety ze vzaacutecnyacutech zemin ndash složeniacute na baacutezi samarium-kobalt (SmCo5 a Sm2Co17) nebo na
baacutezi neodym-železo-boacuter (Nd2Fe14B) Vyraacutebiacute se procesy praacuteškoveacute metalurgie lisovaacuteniacutem
v magnetickeacutem poli s naacuteslednyacutem speacutekaacuteniacutem Patřiacute k nejvyacutekonnějšiacutem permanentniacutem
magnetům Použiacutevajiacute se v silnoproudeacute počiacutetačoveacute a řiacutediacuteciacute technice a u elektroakustickyacutech
zařiacutezeniacute
d) Plastoveacute magnety ndash jsou vyraacuteběny ve formě plastoveacute nemagnetickeacute matrice v niacutež je plnidlem
jemnyacute praacutešek z vhodnyacutech slitin (alni alnico tvrdeacute ferity či materiaacutely na baacutezi vzaacutecnyacutech zemin)
Mohou byacutet izotropniacute nebo anizotropniacute Vyraacutebiacute se lisovaacuteniacutem nebo slinovaacuteniacutem při vysokeacute
teplotě do libovolneacuteho tvaru Použiacutevajiacute se v slaboproudeacute technice
Obr 77 Srovnaacuteniacute demagnetizačniacutech charakteristik permanentniacutech magnetů
44
73 Měřeniacute hysterezniacutech charakteristik vzorků magnetickyacutech jader
Pro měřeniacute hysterezniacutech charakteristik byl použit systeacutem Remacomp-C2
Přiacuteprava vzorků magnetickyacutech jader pro měřeniacute na systeacutemu Remacom-C2
Na jaacutedra bylo před měřeniacutem navinuto primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Mezi primaacuterniacutem a sekundaacuterniacutem
vinutiacute byl proveden izolačniacute proklad lepiciacute paacuteskou Průměr vodiče a počet zaacutevitů v primaacuterniacutem (N1) a
sekundaacuterniacutem (N2) vinutiacute je uveden v Tab Na Obr jsou již vzorky připraveny pro měřeniacute
Tab 74 Bližšiacute specifikace rozměrů počet zaacutevitů vinutiacute a průměr vodičů
Vyacuterobce Therma FM Vacuumschmelze Magnetics
Jaacutedro C150-30S Vitroperm 500F KoolMμ
Tvar Obdeacutelniacutekoveacute Toroid Toroid
Vnějšiacute průměr [mm] 64x36 323 274
Vnitřniacute průměr mm] 55x16 178 145
Vyacuteška mm] 13 122 117
N2 [z] 47 53 41
N2 [z] 47 53 41
Průměr vodiče [mm] 075 05 05
Měřeniacute je provedeno při frekvenciacutech 50Hz a 300Hz a maximaacutelniacute intenzitě 250 Am u jader
M150-30S a Vitropermu 500F Materiaacutel KoolMμ byl měřen při maximaacutelniacute intenzitě 5950 Am
z důvodů zachyceniacute maximaacutelniacute hodnoty indukce tohoto jaacutedra Na Obr71 až 715 jsou pro
srovnaacuteniacute hysterezniacute uvedeny charakteristiky měřenyacutech materiaacutelů
Obr 78 Vzorky jader připraveneacute na měřeniacute hysterezniacutech charakteristik Vlevo M150-30S uprostřed
Vitroperm 500F a vpravo KoolMμ
45
Obr 79 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
Obr 710 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=250 Am Bmax=157 T
Obr 711 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=250 Am Bmax=153 T
Při frekvenci 300Hz došlo k nepatrneacutemu sniacuteženiacute hodnoty Bmax oproti 50 Hz Intenzita Hc se
ztrojnaacutesobila
Remacomp-C2 nebyl schopen naměřit hysterezniacute smyčku Vitropermu 500F na Obr zcela bezchybně
46
Obr 712 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z Vitropermu 500F měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=279 Am při 50Hz vykazuje odskoky od skutečneacuteho průběhu
Obr 713 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z Vitropermu 500F měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě
intenzity magnetickeacuteho pole Hmax=279 Am při 300 Hz takeacute vykazuje odskoky od skutečneacuteho průběhu
Při změně frekvence z 50 Hz na 300Hz došlo k naacuterůstu koercitivity o pohyacutech 07 Am Materiaacutel
vykazuje velice malou hodnotu remanentniacute indukce pro obě frekvence
47
Obr 714 Hysterezniacute smyčka jaacutedra Kool Mμ změřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity magnetickeacuteho
pole Hmax=5950 Am při 50 Hz
Obr 715 Hysterezniacute smyčka jaacutedra Kool Mμ změřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity magnetickeacuteho
pole Hmax=5950 Am při 300 Hz
48
731 Vyhodnoceniacute naměřenyacutech vyacutesledků
Nejvyššiacute hodnoty indukce dosahujiacute jaacutedra z plechů M150-30S Koercitivniacute intenzita se u jaacutedra z plechů
M150-30S stejně jako u matriaacutelu KoolMμ při změně frekvence z 50 Hz na 300 Hz ztrojnaacutesobila
Niacutezkaacute cena jader KoolMμ je z hlediska naměřenyacutech veličin odpoviacutedajiacuteciacute Jaacutedra Kool Mμ vykazujiacute
amplitudovou permeabilitu μa pouze 77 Vyacuterobce uvaacutediacute hodnotu μa=125
Nejnižšiacute koercitivniacute intenzita byla naměřena u materiaacutelu Vitroperm 500F Měřeniacute magnetickeacuteho jaacutedra
Vitropermu 500F při 50 Hz prokaacutezalo velice niacutezkou koercitivniacute intenzitu Hc= 1Am kteraacute odpoviacutedaacute
uacutedajům z katalogoveacuteho listu Tento špičkovyacute materiaacutel se použiacutevaacute pro sveacute charakteristickeacute vlastnosti
pro jednofaacutezoveacute a trojfaacutezoveacute magnetickeacute obvody ve spiacutenanyacutech napaacutejeciacutech zdrojiacutech frekvenčniacutech
měničiacutech ale i pro běžneacute tlumivky Struktura tohoto materiaacutelu je velice křehkaacute neboť je navinuta
z 20 μm tenkyacutech vrstev Diacuteky tomu neniacute vhodneacute tato jaacutedra dělit řezaacuteniacutem
49
8 Realizovanyacute Adamsův motor
81 Virtuaacutelniacute model Adamsova motor generaacutetoru a jeho praktickaacute
realizace
Model motoru je vytvořen v programu SolidWorks SolidWorks je mocnyacutem naacutestrojem konstrukteacutera a
nabiacuteziacute snadnou optimalizaci modelu
Po vytvořeniacute jednotlivyacutech diacutelů je možneacute tyto diacutely pomociacute vazeb navzaacutejem svaacutezat a tiacutem daacutet okamžitou
představu o chovaacuteniacute modelu
Při naacutevrhu Adamsova motoru jsem vychaacutezel předevšiacutem z rozměrů magnetickyacutech jader statoroveacute čaacutesti
stroje
811 Stator
a) Jako nosnaacute konstrukce pro jaacutedra statoru uloženiacute ložisek uchyceniacute desky plošnyacutech spojů
optickyacutech senzorů sloužiacute dvě tabule z plexiskla tloušťky 8 mm ktereacute tvořiacute nosnou konstrukci
neboť jsou po obvodu vzaacutejemně spojeny šesti zaacutevitovyacutemi tyčemi o průměru 5 mm Na Obr je
zadniacute nosnaacute tabule plexiskla
Obr 81 Zadniacute nosnaacute deska z plexiskla
Otvor průměru 26 mm nachaacutezejiacuteciacute se uprostřed sloužiacute pro uloženiacute kuličkoveacuteho ložiska Skrze
otvory průměru 51 mm po jeho obvodu prochaacuteziacute šrouby pro přichyceniacute krytů ložiska
Naacutesledujiacute otvory určeneacute pro upevněniacute optickyacutech čidel dřevěneacuteho krytu pro zakrytiacute vodičů
připojenyacutech k vinutiacutem a optickyacutem senzorům Skrze podlouhleacute draacutežky jsou šrouby přitaženy
dřevěneacute držaacuteky statorovyacutech jader Vzhledem ke tvaru draacutežky je zajištěna možnost jejich
50
polohovaacuteniacute vzhledem k rotoru Volnyacute prostor na praveacute straně je určen pro upevněniacute desky
plošnyacutech spojů s elektronickyacutemi součaacutestkami
b) Nosneacute držaacuteky pro jaacutedra statoru jsou použity dřevěneacute špaliacuteky do kteryacutech jsou jaacutedra vlepena
epoxidovou pryskyřiciacute
c) Optočleny TCST 2103 jsou přitaženy k jejich dutyacutem dřevěnyacutem držaacutekům imbusovyacutemi šrouby
průměru 3 mm Skrze dřevěneacute držaacuteky jsou kolmo na směr vyacutevodů optočlenu vyvrtaacuteny otvory
pro zaacutevitoveacute tyče jež spolu s našroubenyacutemi matkami přitahujiacute držaacutek s čidlem jedneacute k zadniacute
desce plexiskla statoroveacute čaacutesti stroje Jistaacute uacuteroveň dotaženiacute matce dovoluje držaacutek s čidlem
nataacutečet a měnit tak okamžik sepnutiacute optočlenu
Obr 82 Optočlen TCST 2103 připevněnyacute k dřevěneacutemu držaacuteku
d) Stejnou vzdaacutelenost mezi dvěma plexiskly statoru zajišťujiacute distančniacute trubice skrze ktereacute
prochaacuteziacute zmiacuteněneacute zaacutevitoveacute tyče spojujiacuteciacute obě zaacutekladoveacute tabule plexiskla Tyto trubice jsou
vyrobeny z kostry stojanu pro sušeniacute praacutedla Z estetickyacutech důvodů je na nich navlečena a
zatavena teplem smršťovaciacute bužiacuterka
Postup vytvořeniacute ciacutevky v SolidWorksu
1 V předniacute rovině skici na Obr je pomociacute os X a Y vytvořen souřadnicovyacute systeacutem potřebnyacute pro
tvorbu zaacutekladniacutech vazeb využityacutech při ryacutesovaacuteniacute
2 Čelniacute pohled na jeden poacutel magnetickeacuteho jaacutedra ve statoru na ktereacute maacute byacutet umiacutestěna jedna
budiacuteciacutech ciacutevek je vytvořen z konstrukčniacutech přiacutemek a okoacutetovaacuten rozměry 13 mm x 11 mm
3 Vnitřniacute rozměry ciacutevky jsou z čelniacuteho pohledu oproti jaacutedru na každeacute straně zvětšeny o 05 mm
tedy o tloušťku foacutelie jež tvořiacute kostřičku ciacutevky a malou vzduchovou mezeru umožňujiacuteciacute volneacute
nasunutiacute ciacutevky na magnetickeacute jaacutedro
4 Poloměr zaobleniacute vnitřniacute čaacutesti kostry ciacutevky je 08 mm
51
Obr 81 Skica naacutevrhu diacutelu
5 Vnějšiacute rozměry ciacutevky jsou daacuteny počtem vrstev zaacutevitů a celkovyacutem činitelem plněniacute ciacutevky
Deset vrstev zaacutevitů vodičem 03 mm spolu s izolačniacute a nosnou kostrou ciacutevky vytvořiacute 4 mm
vysokou vrstvu zaacutevitů v roziacutech zaoblenou se stejně velkyacutem poloměrem 4mm Vnějšiacute a vnitřniacute
zaobleniacute rohů je od rovnyacutech segmentů skici odděleno uacutesečkami čiacutemž je skica dokončena
6 Využitiacutem funkce přidaacuteniacute vytaženiacutem a jejiacute aplikaciacute na jednotliveacute segmenty skici je ciacutevka
symetricky vytažena do prostoru na deacutelku 19 mm Zamiacutetnutiacutem funkce sloučit vyacutesledky při
vytaženiacute jsou všechny segmenty ciacutevky vytvořeny jako samostatneacute objekty čiacutemž odpadaacute
děleniacute modelu v Ansysu
Obr 82 Model ciacutevky
Magnetickaacute jaacutedra použitaacute ve statoru jsou původně určena pro jednofaacutezoveacute jaacutedroveacute transformaacutetory
Jaacutedro transformaacutetoru je při vyacuterobě naviacutejeno na obdeacutelniacutekoveacute kopyto o rozměrech odpoviacutedajiacuteciacutech
požadovaneacute velikosti okna pro primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Jaacutedro je po navinutiacute
z transformaacutetoroveacuteho plechu rozřiacuteznuto na dvě poloviny jak je zřejmeacute z Obr xx čiacutemž je možneacute do
magnetickeacuteho obvodu nasunout primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute
V našem přiacutepadě je pro každeacute magnetickeacute jaacutedro statoru použita pouze jedna polovina zmiacuteněneacuteho
transformaacutetoroveacuteho jaacutedra Okno statoroveacuteho jaacutedra určeneacute pro umiacutestěniacute obou vinutiacute statoru maacute pouze
polovičniacute deacutelku oproti transformaacutetoru a na straně řezu je otevřeno
52
Obr 83 Pohled na uloženiacute vinutiacute
Obě budiacuteciacute ciacutevky jsou nasunuteacute na jednom jaacutedru statoru a jsou totožneacute tj majiacute stejnyacute počet zaacutevitů
vinutyacutech vodičem o stejneacutem průřezu Jsou spojena do seacuterie a spolu s magnetickyacutem jaacutedrem tvořiacute jeden
z osmi statorovyacutech magnetickyacutech obvodů
Na Obr Xx je bližšiacute pohled na rozloženiacute vodičů v průřezu ciacutevkou Každaacute vrstva zaacutevitů ciacutevky obsahuje
63 zaacutevitů v deseti vrstvaacutech
Obr 84 Rozloženiacute zaacutevitů
Počet zaacutevitů v jedneacute ciacutevce je daacuten naacutesobkem počtu zaacutevitů v jedneacute vrstvě a množstviacute vrstev tedy
63x10= 630 zaacutevitů Jelikož jsou obě ciacutevky na magnetickeacutem jaacutedru spojeny do seacuterie celkovyacute počet
zaacutevitů je dvojnaacutesobnyacute tedy 1260 zaacutevitů Protože statorovaacute jaacutedra odděluje od rotoru vzduchovaacute mezera
05 mm jsou obě vinutiacute od konce jaacutedra umiacutestěny ve vzdaacutelenosti 2 mm pro zajištěniacute bezpečneacute
vzdaacutelenosti od otaacutečejiacuteciacuteho se rotoru Naacutesledkem toho se do jedneacute vrstvy ciacutevky vleze menšiacute počet
zaacutevitů bliacuteže zpraženyacutech s magnetickyacutem tokem v jaacutedru
Počet vrstev obou vinutiacute je teacutež omezen a to jednak velikostiacute okna a mezerou 5 mm mezi oběma
vinutiacutemi Tato mezera zajišťuje možnost volneacuteho nasunutiacute vinutiacute na magnetickeacute jaacutedro a umožňuje
lepšiacute odvod tepla do okoliacute
53
Pro dosaženiacute konstantniacute vzduchoveacute mezery mezi vyniklyacutemi poacutely rotoru a jaacutedry ve statoru jsou konce
statorovyacutech jader zbroušeny na poloměr bliacutezkyacute poloměru plechů v rotoru
Kostřička ciacutevky
Pro vyacuterobu kostřiček ciacutevek posloužila plastovaacute folie určenaacute pro krytiacute předniacute strany dokumentu
svaacutezaneacuteho v kroužkoveacute vazbě Po vyřezaacuteniacute a ohnutiacute do požadovaneacuteho tvaru byla a slepena
oboustrannou lepiciacute paacuteskou
Obr 83 Kostřička ciacutevky vyrobenaacute z plastoveacute folie
Naviacutejeniacute ciacutevek
Pro naviacutejeniacute ciacutevek se realizovalo ručniacute naviacuteječkou s mechanickyacutem počiacutetadlem Na Obr84 je vidět že
obě ciacutevky jsou navinuty nepřerušenyacutem vodičem Obě ciacutevky majiacute 630 zaacutevitů
Obr 84 Pro zpevněniacute čel ciacutevek během naviacutejeniacute na plastovou kostřičku posloužily 5mm širokeacute destičky
z pertinaxu Draacutežky v nich vybroušeneacute umožnily zachyceniacute vyacutestupniacuteho vodiče ciacutevky pod navlečenou
gumičku Levaacute destička pertinaxu je odniacutematelnaacute po uvolněniacute dotaženeacuteho šroubu
Hotovaacute ciacutevka navinutaacute na kostřičce z plastoveacute folie je na Obr Po navinutiacute ciacutevky se čela kostřičky
(plastoveacute folie) zahnula přes horniacute vrstvu zaacutevitů a navzaacutejem slepila sekundovyacutem lepidlem
Obr 85 Pohled na ciacutevku zpevněnou kostřičkou z plastoveacute folie
54
Statoroveacute jaacutedro s ciacutevkami
Na každeacute z osmi statorovyacutech jader jsou nasunuty dvě seacuteriově spojeneacute ciacutevky Pro pevneacute zachyceniacute obou
vinutiacute je použit pružnyacute tmel
Obr 86 Pohled na statoroveacute jaacutedro s nasunutyacutem vinutiacutem
Uchyceniacute statorovyacutech jader
Statorovaacute jaacutedra jsou pevně zalepena epoxidovou plyskyřiciacute do dřevěnyacutech sloupků Po obou stranaacutech
sloupku jsou vyvrtaacuteny otvory v nižchž jsou vyřezaacuteny zaacutevity pro šrouby Dotaženiacutem šroubu jsou
sloupky s jaacutedry pevně uchyceny v deskaacutech z plexiskla
Obr 87 Pohled na jaacutedro zalepeneacute v dřevěneacutem držaacuteku
55
812 Rotor
Průměr rotoru a jeho konstrukčniacute řešeniacute je navrženo s ohledem na rozměry jader ve statoru a velkou
hmotnost dynamoplechů
e) Z velikosti okna pro primaacuterniacute vinutiacute je odvozena potřebnaacute vyacuteška permanentniacutech magnetů a
počet vrstev dynamoplechů v rotoru
f) Rozměry hřiacutedele jsou voleny s ohledem na použitaacute kuličkovaacute ložiska o vnitřniacutem průměru 10
mm a hmotnost rotorovyacutech plechů a je počiacutetaacuteno s jistou rezervou v přiacutepadě působeniacute vyššiacutech
momentů setrvačnosti celeacuteho rotoru Hřiacutedel a středoveacute přiacuteruby zajišťujiacute pevneacute přichyceniacute
středoveacuteho pouzdra permanentniacutech magnetů jelikož jsou vzaacutejemně spojeny čtyřmi šrouby
Hřiacutedel a středoveacute přiacuteruby jsou vysoustruženy z mosazi
Obr 88 Hřiacutedel je vysoustruženaacute z mosazneacute kulatiny
Na Obr je pohled na celkovou sestavu rotoru a statorovaacute jaacutedra Ke hřiacutedeli jsou přiacuteruby připevněny
ve čtyřech miacutestech
Obr 89 Pohled na rotor a jaacutedra statoru opatřenaacute vinutiacutem
g) Přiacuteruby pro uchyceniacute středoveacuteho pouzdra rotoru v němž jsou uloženy magnety jsou
vysoustruženy z mosazi stejně tak i přiacuteruba pro komutačniacute disk Přiacuteruby jsou ke hřiacutedeli pevně
dotaženy imbusovyacutemi šrouby
56
Obr 810 Jedna přiacuterub pro upevněniacute středoveacuteho pouzdra magnetů ke hřiacutedeli
h) Středoveacute pouzdro nesouciacute dynamoplechy a magnety je složeno z třiacute vrstev plexiskla tloušťky
2x4 mm + 1x5 mm Maacute tedy tloušťku 13 mm stejně jako vnitřniacute rozměr okna jaacutedra statoru
Přiacuteruby navlečeneacute na hřiacutedeli z obou stran stahujiacute plexiskla středoveacuteho pouzdra čiacutemž je pevně
spojujiacute s hřiacutedeliacute
Obr 811 Středoveacute pouzdro permanentniacutech magnetů
i) Dynamoplechy jsou po obou stranaacutech středoveacuteho pouzdra navrstveny na požadovanou vyacutešku
11 mm což odpoviacutedaacute přiacuteslušneacutemu rozměru jaacutedra v jeho řezu Při tloušťce dynamoplechu 05
mm je na obou stranaacutech pouzdra 22 vrstev dynamoplechu Jak dynamoplechy tak i středoveacute
pouzdro v sobě majiacute vyřezaacuteny otvory pro zaacutevitoveacute tyče a diacuteky matkaacutem dotaženyacutem po obou
stranaacutech rotoru spojujiacute navzaacutejem tyto čaacutesti s hřiacutedeliacute
Obr 812 Jedna sekce rotoru je složenaacute z 22 vrstev dynamoplechů
j) K dobreacutemu staženiacute dynamoplechů nejen v miacutestech kde k nim ze stran přileacutehajiacute matky
přispiacutevajiacute kryciacute kotouče z plexiskla na Obr813
57
Obr 813 Otvorem uprostřed kryciacuteho kotouče prochaacuteziacute hřiacutedel a je možneacute se diacuteky němu dostat na
šrouby připevňujiacuteciacute přiacuteruby rotoru pevně k řčiacutedeli
Vyacuteroba vyniklyacutech poacutelů rotoru
Rotoroveacute plechy jsou do požadovaneacuteho tvaru na Obr814 vyřezaacuteny pomociacute vodniacute pily Tryska
zařiacutezeniacute žene proud vodniacuteho paprsku spolu s abrazivem kolmo na řezanyacute objekt
Obr 814 Skica rotorovyacutech plechů s vyznačenyacutemi miacutesty pro umiacutestěniacute permanentniacutech magnetů
Na Obrxx zachycena vodniacute pila během vyřezaacutevaacuteniacute požadovaneacuteho tvaru rotoru do tabule
dynamoplechu o rozměrech 1x1metr
58
Obr 815 Sniacutemek pořiacutezenyacute během řezaacuteniacute dynamoplechu vodniacutem paprskem s abrazivem
Magnetickaacute čaacutest obvodu obvod rotoru se sklaacutedaacute ze dvou sekciacute mezi nimiž jsou umiacutestěny permanentniacute
magnety ktereacute sloužiacute jako zdroj magnetickeacuteho pole Každaacute sekce je vytvořena navrstveniacutem
dynamoplechů do vrstvy 11 mm Při tloušťce dynamoplechu to odpoviacutedaacute 22 vrstvaacutem v každeacute sekci
Obr 816 Čelniacute pohled na zkompletovanyacute rotor
Komutaacutetor
Komutaacutetor je realizovaacuten průhlednou foacuteliiacute s černyacutem potiskem Pravidelneacute střiacutedaacuteniacute průsvitnyacutech a
černyacutech oblastiacute na foacutelii během otaacutečeniacute rotoru zajišťuje pravidelneacute přerušovaacuteniacute IR paprsku v osmi
optoelektronickyacutech spiacutenačiacutech TCST 2103 rozmiacutestěnyacutech pravidelně okolo obvodu komutačniacute folie
Na foacutelii je sedm černyacutech a sedm průsvitnyacutech vyacutesečiacute což odpoviacutedaacute počtu sedmi vyniklyacutech poacutelů v obou
sekciacutech rotoru oddělenyacutech permanentniacutemi magnety Nastaveniacute optimaacutelniacute uacutehlu natočeniacute komutačniacute
folie bylo stanoveno měřeniacutem pro uacutehly natočeniacute 1285deg 5 deg 0deg a -1285deg Vyacutesledky jsou shrnuty
v zaacutevěru praacutece
59
Obr 817 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 1285deg
Obr 818 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 5deg
Obr 819 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 0deg
Obr 820 Nastaven uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie -1285deg
Na Obr je čelniacute pohled na realizovanyacute komutaacutetor Po obvodu jsou rovnoměrně rozmiacutestěny černeacute
dřevěneacute držaacuteky s optočleny skrze ktereacute prochaacuteziacute uacutezkeacute zaacutevitoveacute tyče zbroušeneacute tak aby uvnitř držaacuteku
nepoškodily přiacutevodniacute vodiče optočlenů Dotaženiacutem matek našroubovanyacutech na zaacutevitoveacute tyče je možneacute
pevně přitaacutehnout
60
Obr 821 Fotorgrafie realizovaneacuteho komutaacutetoru
Obr 822 Podrobnějšiacute pohled s popisem čaacutestiacute
Optoelektronickeacute
spiacutenače TCST 2103
Jaacutedra statoru
Vinutiacute statoru
Komutaacutetor
s regulaciacute předstihu
Vynikleacute poacutely
rotoru
61
Zkompletovanyacute motor
Na Obr jsou na nosneacute desce namontovaacutena statorovaacute jaacutedra
Obr 823 Horniacute pohled na nosnou desku Uprostřed desky je vidět nachaacuteziacute kryt ložiska
Vodiče ciacutevek na magnetickyacutech jaacutedrech jsou zavedeny do bdquočokolaacutedldquo přišroubovanyacutech po bočniacutech
stranaacutech dřevěnyacutech držaacuteků jader
Obr 824 Bočniacute pohled na dřevěneacute držaacuteky jader statoru
Vyacutevody z čokolaacuted jsou protaženy do dřevěneacuteho tunelu zobrazenyacute ze spodniacute strany na Obr kteryacute
sloužiacute jako ochrana před otaacutečejiacuteciacutem se rotorem
Obr 825 Spodniacute strana kryciacuteho tunelu před vyvrtaacuteniacutem otvorů pro přichyceniacute k nosneacute desce
62
Obr 826 Čelniacute pohled na hotovyacute model Adamsova motoru
Obr 827 Redukce připevněnaacute na hřiacutedeli sloužiacute pro zvětšeniacute jejiacuteho průměru při spojeniacute spojeniacute
motoru s dynamometrem
63
82 Elektrickyacute obvod
821 Popis a scheacutema zapojeniacute
Elektronickaacute čaacutest je spiacutenaacutena přerušovaacuteniacutem infračerveneacuteho paprsku dopadajiacuteciacuteho na fototranzistor
v optočlenu Paprsek prochaacuteziacute průsvitnou čaacutestiacute foacutelie ve chviacuteli kdy jsou vynikleacute poacutely rotoru v čelniacute
pozici se statorovyacutemi jaacutedry a ciacutevky umiacutestěneacute na těchto jaacutedrech v nich majiacute vybudit magnetickyacute
indukčniacute tok opačneacuteho směru oproti toku vystupujiacuteciacuteho z rotorovyacutech poacutelů Naacutesledkem siloveacuteho
působeniacute mezi magnetickyacutemi poli rotoru a statoru je rotor roztaacutečen
Obr 828 Scheacutema zapojeniacute elektrickeacuteho obvodu pro řiacutezeniacute motoru Obvod v praveacute čaacutesti obraacutezku za
přerušovanou čarou se opakuje celkem 4x Pro ušetřeniacute miacutesta je tedy zobrazena pouze jedna čtvrtina
zapojeniacute
Elektrickyacute obvod je možneacute rozdělit na čaacutest vyacutekonovou kteraacute je od čaacutesti niacutezko přiacutekonoveacute oddělena
řiacutediacuteciacute elektrodou vyacutekonovyacutech MOSFET tranzistorů IRF540 Na Obr xx je pro zmenšeniacute ušetřeniacute
miacutesta zobrazena pouze jedna čtvrtina čaacutesti scheacutematu elektrickeacuteho obvodu V leveacute čaacutesti scheacutematu jsou
vyznačena miacutesta připojeniacute napaacutejeciacuteho napětiacute Pro laboratorniacute měřeniacute je vhodneacute vzaacutejemně je oddělit
Kladnyacute poacutel stejnosměrneacuteho napaacutejeciacuteho napětiacute o velikosti 5-31 V je pojen k ciacutevkaacutem skrze konektory
L1až L8 k ke statorovyacutem vinutiacutem Stejnosměrneacute napětiacute 10 ndash 35 V DC je připojeno přes stabilizaacutetor
napětiacute 7808 a Rezistory R1 a R2 k optočlenům TCST 2103 ktereacute jsou ve scheacutematu zastoupeny
vyacutevody označenyacutemi EM1 a DET1 Ty Zkratkovitě označujiacute přiacuteslušnyacute emitor IR zaacuteřeniacute (infračervenaacute
dioda) a detektor (fototranzistor pro infračerveneacute spektrum) implementovaneacute v pouzdru optočlenu
Hodnoty odporů jsou stanoveny na zaacutekladě snahy omezit proud řiacutediacuteciacuteho obvodu na nejnižšiacute hodnotu a
zaacuteroveň zachovat spraacutevnou funkci obvodu Jmenovitaacute hodnota proudu emitorem je 20mA Proud
tekouciacute skrze EM1 až EM8 je nastaven předřadnyacutemi rezistory 6K8 na hodnotu cca 1mA Paprsek
prochaacuteziacute skrze průsvitnou čaacutest komutaacutetoru nebo je přerušen černě potištěnou čaacutestiacute Pokud paprsek
dopadaacute na detektor a otviacuteraacute jej a proud může prochaacutezet přes odpory 39K předřazeneacute detektorům Za
detektory jsou napojeny Schmittovi klopneacute obvody na jejichž vstupech se objeviacute napětiacute v přiacutepadě že
je detektor paprskem neosviacutecen Klopneacute obvody jsou napaacutejeny napětiacutem ze stabilizaacutetoru a na sveacutem
64
vyacutestupu majiacute toteacutež napětiacute pokud je na jejich vstupu napětiacute nuloveacute V jednom pouzdře integrovaneacuteho
obvodu 40106N se nachaacuteziacute 6 investujiacuteciacutech hradel Paralelniacutem spojeniacute třiacute je sniacutežen odpor hradla na
třetinu Naacutesleduje vyacutekonovyacute MOSFET tranzistor IRF560 s odporem přechodu elektrod DS v
sepnuteacutem stavu 44m Ω Niacutezkaacute vyacutekonovaacute ztraacuteta těchto tranzistorů snižuje ztraacutetovyacute vyacutekon na minimum
v porovnaacuteniacute s bipolaacuterniacutemi tranzistory Je-li na vstupniacute elektrodu G připojeno kladneacute napětiacute tranzistor
se otevře a umožniacute průchod proudu přiacuteslušnyacutem vinutiacutem připojenyacutem ke konektoru L1až L8
822 Deska plošnyacutech spojů
Deska plošnyacutech spojů vytvořenaacute stejně tak jako scheacutema v programu Eagle
Obr 829 Deska plošnyacutech spojů elektronickeacute ho obvodu z pohledu součaacutestek
Navrženaacute deska plošnyacutech spojů je vyrobena bdquofotocestouldquo Působeniacutem zdroje ultrafialoveacuteho světla
dojde ke změně chemickeacute struktury fotocitliveacute vrstvy kteraacute se nachaacuteziacute v miacutestech prosviacuteceniacute průsvitneacute
předlohy DPS Po rozpuštěniacute osviacuteceneacute vrstvy fotocitliveacuteho laku v hydroxidu sodneacutem byla deska
omyta vodou a odleptaacutena v chloridu železiteacutem
Obr 830 Osvit desky plošnyacutech spojů 11W UV zaacuteřivkou
65
Obr 831 Hotovaacute deska po odvrtaacuteniacute otvorů pro vyacutevody součaacutestek a protaženiacute vodičů do dřevěneacuteho
kryciacuteho tunelu
66
9 Magnetostatickaacute analyacuteza Adamsova motoru
91 Vyacutepočet zjednodušeneacuteho magnetickeacuteho obvodu
911 Feromagnetika v magnetickeacutem obvodu
Permanentniacute magnety použiteacute rotoru jsou neodymoveacute (Nd-Fe-B) s magnetizaciacute N38 a maximaacutelniacute
pracovniacute teplotě 80degC Magnety majiacute tvar vaacutelce Požadovanaacute vyacuteška magnetů je 13 mm a odpoviacutedaacute
přiacuteslušneacutemu rozměru okna jader ve statoru Požadovaneacute vyacutešky bylo dosazeno spojeniacutem magnetu o
vyacutešce 10 mm a magnetu o vyacutešce 3 mm Magnety majiacute průměr 15mm
Demagnetizačniacute charakteristika magnetu je na Obr
Obr 91 Druhyacute kvadrant pracovniacutech hysterezniacutech smyček B(H) a J(H)=B(H)-μ0H
permanentniacuteho magnetu s magnetizaciacute N38 měřeno při 26degC
Magnetickaacute jaacutedra statoru jsou vyrobena z FeSi transformaacutetoroveacuteho plechu s anizotropniacute strukturou o
jakosti M150-30 Materiaacutel maacute poměrně niacutezkou konduktivitu tedy niacutezkeacute ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy
Magnetickeacute čaacutesti rotoru jsou z dynamoplechů izotropniacute struktury o jakosti M600 - 50
Vyacutepočet magnetickeacute indukce a intenzity magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře mezi rotorovyacutem a
statorovyacutem poacutelem
Magnetickyacute obvod se sklaacutedaacute z permanentniacuteho magnetu dvou vyniklyacutech poacutelů rotoru dvou
vzduchovyacutech mezer a jaacutedra statoru
-14
-12
-1
-08
-06
-04
-02
0
02
04
06
08
1
12
14
-1 200 -1 100 -1 000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0
J B [T]
H [kAm]
Demagnetizačniacute charakteristika NdFeB magnetu (N38)
J magnetu
B magnetu
B vakau
HBHmax=473 kAm BHmax=294 kJm3
BBHmax=0612 T B
J
μ0H
HC=-937 kAm
67
Obr 92 Magnetickyacute obvod s permanentniacutem magnetem
Pro středniacute indukčniacute čaacuteru naznačenou v magnetickeacutem obvodu přerušovanou čarou platiacute podle prvniacute
Maxwellovy rovnice v integraacutelniacutem tvaru
kde indexy značiacute M permanentniacute magnet žr železo rotoru v vzduchovou mezeru a žs železo statoru
Železo rotoru (dynamoplechy) a železo statoru (transformaacutetoroveacute plechy) jsou feromagneticky měkkeacute
materiaacutely Pro zjednodušeniacute vyacutepočtu předpoklaacutedaacuteme že jejich permeability tj jejich
magnetickeacute odpory a tedy i magnetickaacute napětiacute a jsou zanedbatelně maleacute
takže pro intenzitu magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře platiacute
Pro magnetickyacute indukčniacute tok permanentniacuteho magnetu platiacute
kde je činitel rozptylu ve vzduchoveacute mezeře a jestliže k rozptylu toku nedochaacuteziacute tak
Magnetickyacute indukčniacute tok ve vzduchoveacute mezeře je vyjaacutedřen
Pro magnetickyacute indukčniacute tok permanentniacuteho magnetu platiacute
takže magnetickaacute indukce ve vzduchoveacute mezeře je
(19)
(20)
(21)
(22)
(23)
BM HM
lM
lžr
lžr
lv
lv
lžs
Bv
Hv
Sv
Sžr Sžs
SM
Hžr
Hžr
Hžs Bžs
Bžr
Bžr
J
S
Sžr
Bv
Hv
68
odtud
Z rovnosti rovnic (19) a (24)
lze vyjaacutedřit magnetickou indukci permanentniacuteho magnetu jako
kde veličina Nd je tzv demagnetizačniacute činitel pro nějž platiacute
Pro dosazeniacute do (24) je zapotřebiacute stanovit hodnotu činitele rozptylu magnetickeacuteho toku ve vzduchoveacute
mezeře Stanoviacuteme odhadem (
Pro dosazeniacute do (24) je daacutele zapotřebiacute stanovit průřez magnetu Při průměru 15 mm je
Průřez vzduchoveacute mezery mezi statorem a rotorem vypočteme jako aritmetickyacute průměr průřezu poacutelu
jaacutedra statoru a průřezu vynikleacuteho poacutelu rotoru Skutečneacute průřezy poacutelu statoru a rotoru lze jednoduše
odečiacutest z virtuaacutelniacuteho modelu v DesignModeleru Ansysu jak je naznačeno na Obr93 a na Obr94
Průřez poacutelu statoroveacuteho jaacutedra SS je dle DesignModeleru 14328 mmsup2
Obr 93 Po označeniacute plochy jaacutedra statoru vypočte DesignModeler jejiacute průřez
(24)
(25)
(26)
(27)
(28)
(29)
69
Průřez vynikleacuteho poacutelu rotoru SR je dle DesignModeleru 29128 mmsup2
Obr 94 Po označeniacute plochy vynikleacuteho poacutelu rotoru vypočte DesignModeler jeho průřez
Po dosazeniacute průřezů je aritmetickyacute průměr průřezu vzduchoveacute mezery
Vyacuteška použiteacuteho magnetu je daacutena součtem vyacutešek dvou na sobě umiacutestěnyacutech magnetů 10mm a 3 mm
tedy =13 mm
Řešenyacute magnetickyacute obvodu obsahuje dvě vzduchoveacute mezery o velikosti 1 mm Celkovaacute deacutelka
vzduchoveacute mezery je daacutena součtem těchto dvou deacutelek tedy =2 mm
Dosazeniacute všech potřebnyacutech hodnot do rovnice (24) vypočiacutetaacuteme demagnetizačniacute činitel
Dosazeniacutem demagnetizačniacuteho činitele do rovnice pro magnetickou indukci magnetu (26) ziacuteskaacuteme
rovnici přiacutemky
jejiacutež průsečiacutek s demagnetizačniacute křivkou permanentniacuteho magnetu na Obrxx stanoviacute pracovniacute bod
permanentniacuteho magnetu
Z grafu na Obr 95 je možneacute odečiacutest hodnotu magnetickeacute indukce permanentniacuteho magnetu v
pracovniacutem bodu BM=1 T a odpoviacutedajiacuteciacute hodnotu intenzity magnetickeacuteho pole HM=1 T
(30)
(31)
70
Obr 95 V průsečiacuteku přiacutemky s demagnetizačniacute charakteristikou se nachaacuteziacute pracovniacute bod P
permanentniacuteho magnetu v magnetickeacutem obvodu se vzduchovou mezerou
Zvětšeniacutem vzduchoveacute mezery v magnetickeacutem obvodu se zvětšiacute demagnetizačniacute činitel Nd tj zvětšiacute se
směrovyacute uacutehel přiacutemky z hodnoty α na hodnotu α1 a pracovniacute bod P se posune do polohy P1 jak je
naznačeno na Obr96
Obr 96 V průsečiacuteku přiacutemky s demagnetizačniacute charakteristikou se nachaacuteziacute pracovniacute bod
permanentniacuteho magnetu
00
02
04
06
08
10
12
14
-1 000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0
J B [T]
H [kAm]
Stanoveniacute pracovniacuteho bodu magnetu na demagnetizačniacute
charakteristice
B magnetu
Bm=-NdHm
BM=1 T
HM=-183 kAm
P
Br=124 T
HC=-937 kAm
71
Zmenšiacute-li se opět vzduchovaacute mezera na původniacute velikost nevraacutetiacute se pracovniacute bod P1 do sveacute původniacute
polohy v bodě P ale do polohy P2 po křivce k2 Smyčka složenaacute z křivek k1 a k2 je malaacute hysterezniacute
smyčka Přibližně ji můžeme nahradit uacutesečkou P1 P2 sviacuterajiacuteciacute s osou H uacutehel β Pohybuje-li se pracovniacute
bod po maleacute hysterezniacute smyčce jde vratneacute změny tj zanikne-li přiacutečina posuvu pracovniacuteho bodu vraciacute
se pracovniacute bod do sveacute původniacute polohy Pohyb pracovniacuteho bodu po hlavniacute hysterezniacute smyčce je
nevratnyacute K podobnyacutem jevům dochaacuteziacute když miacutesto změn vzduchoveacute mezery působiacuteme na permanentniacute
magnet magnetickyacutem polem ktereacute zvětšuje nebo zmenšuje jeho tok Všechny dalšiacute pohyby
pracovniacuteho bodu probiacutehajiacute přibližně po přiacutemce P1 P2 pokud směrovyacute uacutehel α nepřestoupiacute hodnotu uacutehlu
α1 Překročiacute-li tuto hodnotu pohybuje se pracovniacute bod opět po hlavniacute hysterezniacute smyčce a při naacutevratu
zpět k původniacute hodnotě uacutehlu α přechaacuteziacute na novou bdquomalou hysterezniacute smyčku vyznačenou na Obrxx
čaacuterkovaně [20]
Magnetickaacute indukce ve vzduchoveacute mezeře
Intenzita magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře
(32)
(33)
72
92 Vyacutepočet magnetickeacuteho obvodu v ANSYS Workbench
Magnetickaacute indukce - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 97 Pohled na rozloženiacute magnetickeacute indukce v obvodu při I=0A
Obr 98 Zobrazeniacute vektorů magnetickeacute indukce při I=0A
73
Magnetickaacute indukce - horniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 99 Rozloženiacute magnetickeacute indukce při I=0A
Obr 910 Zobrazeniacute vektorů magnetickeacute indukce při I=0A
74
Intenzita magnetickeacuteho pole - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 911 Rozloženiacute intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
Obr 912 Zobrazeniacute vektorů intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
75
Intenzita magnetickeacuteho pole - horniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 913 Rozloženiacute intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
Obr 914 Zobrazeniacute vektorů intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
76
Rozloženiacute siacutely působiacuteciacute na poacutely rotoru vlivem přiacutetažneacute siacutely permanentniacuteho magnetu
Obr 915 Siacutela mezi poacutely rotoru
Přitažlivaacute siacutela mezi poacutely rotoru v miacutestě magnetu je daacutena rozdiacutelem maximaacutelniacute a minimaacutelniacute hodnoty sil
(34)
77
Magnetickaacute indukce při proudu 1 A - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru při
921 Rozběh motoru
Uacutekolem je naleacutezt nejmenšiacute hodnotu proudu tekouciacuteho vinutiacutem statoroveacuteho jaacutedra při ktereacute dojde k
rozběhu motoru Vychaacutezejme z toho že přiacutetažnaacute siacutela působiacuteciacute na jedno jaacutedro statoru ktereacute je
v zarovnaneacute pozici s vyniklyacutemi poacutely rotou musiacute byacutet vlivem proudu tekouciacuteho vinutiacutem
Proud by měl miacutet takovou velikost aby v jaacutedru statoru vybudil magnetickyacute tok opačneacute polarity oproti
magnetickeacutemu toku vystupujiacuteciacuteho z protějšiacuteho vynikleacuteho poacutelu rotoru A to s takovyacutemi silovyacutemi
uacutečinkly aby byl došlo k pootočeniacute rotoru do pozice ve ktereacute se vedlejšiacute vynikleacute poacutely rotoru začnou
přitahovat k vedlejnšiacutemu statoroveacutemu jaacutedru Celyacute proces se poteacute opakuje i u dalšiacutech jader
Středniacute hodnota proudu tiacutemto vinutiacutem se během rozběhu motoru snižuje až na konstntniacute hodnotu
Dojdek k ustaacuteleniacute otaacuteček a doby průchodu proudu jednotlivyacutemi vinutiacutemi
78
Na Obr je graf průběhu siacutely působiacuteciacute na jaacutedro statoru ve směru osy x při změně velikosti proudu
tekouciacuteho vinutiacutem
Obr 916 Průběh siacutely při změně proudu
Z Obr919 je zřejmeacute že nuloveacute siacutely v ose x na jaacutedro statoru bude dosaženo při proudu 700 mA Tudiacutež
proud vědšiacute než 700 mA vyvolaacute odpuzeniacute rotorovyacutech poacutelů a celyacute proces se opakuje i u ostatniacutech
statorovyacutech jader
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
0 100 200 300 400 500 600 700
I [mA]
Fx [N]
Fx=f(I)
Fx= -2841 N
79
Na Obr je naacutezorně vidět zarovnanyacute vyniklyacute poacutel rotoru s jaacutedrem ve statoru
Obr 917 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru se statorovyacutem jaacutedrem při nuloveacute siacutele na magnetickeacute jaacutedro
Obr 918 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru s jaacutedrem ve statoru bez přiacutetomnosti proudu
Prochaacuteziacute-li vinutiacutem proud 700mA půsovyacute ma magnetickeacute jaacutedro ve směru osy x nulovaacute siacutela Rozloženiacute
magnetickeacute indukce je na Obr
α=0deg
Fx=0 N
I=700 mA
α=0deg
Fx=-2841 N
I=0 mA
80
Obr 919 Rozloženiacute indukce v obvodu při proudu tekouciacutem vinutiacute 700mA
Obr 920 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru s jaacutedrem ve statoru při proudu tekouciacutem vinutiacute 700mA
81
922 Průběhy sil působiacuteciacute na rotor během pootočeniacute
Na obr je osa jaacutedra(v praveacutem rohu) zarovnaacutena s osou vynikleacuteho poacutelu rotoru (vyznačeno červeně) a
naacutesledujiacuteciacute vyniklyacute poacutel rotoru je oproti statoroveacutemu jaacutedru (vpravo) pootočen o uacutehel α = -643deg
Obr 921 Při pootočeniacute rotoru o uacutehel α = -643deg působiacute na rotor siacutela ve směru FY= -5645 N
Průběh siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor během nataacutečeniacute proti směru hodinovyacutech ručiček mezi uacutehly
pootočeniacute v meziacutech α= -643deg až 0deg
Hodnoty jsou vypočiacutetaacuteny v Ansysu s krokem 02 deg a proloženy přiacutemkou
Obr 922 Průběh siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor během pootočeniacute od -643deg do 0deg a vyznačeneacute hodnoty
siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor pro hodnoty natočeniacute uacutehlu α= -643deg a -5deg
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
F [N]
α [deg]
Fy=f(α)
α=-643deg FY=-5645 N
Fy= - 5645 N
I=0 mA
82
Obr 923 Průběh siacutely působiacuteciacute na rotor v ose y během pootočeniacute od -643deg do 0deg a vyznačeneacute hodnoty
siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor pro hodnoty natočeniacute uacutehlu α= -643deg a -5deg
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
N [Nmm]
α [deg]
Fx=f(α)
83
10 Měřeniacute na realizovaneacutem motoru
V Tab101 jsou hodnoty odporu jednotlivyacutech vinutiacute měřeneacute při 20 degC
Tab 101 Hodnoty odporů vinutiacute
Časoveacute průběhy napětiacute a proudu byly naměřeny pomociacute profesionaacutelniacuteho dvoukanaacuteloveacuteho USB
osciloskopu Handyscope HS3 s parametry uvedenyacutemi v tabulce Tab102 Spojeniacutem osciloskopu s PC
bylo možneacute pomociacute napěťoveacute a proudoveacute sondy naměřit časoveacute průběhy napětiacute a proudu Použitaacute
proudovaacute sonda disponuje maximaacutelniacutem rozlišeniacutem 100 mVA
Tab 102 Vlastnosti Osciloskopu Handyscope HS3
Vstup Vyacutestup
max vzorkovaciacute frekvence 100MSs vzorkovaciacute frekvence 50MSs
volitelneacute rozlišeniacute 12-16 bitů rozlišeniacute 12 bitů
maximaacutelniacute napětiacute 200V napětiacute 0 plusmn12 V
impedance 1M Ω20pF maximaacutelniacute proud 05 A DC
Na Obr 101 je zachycen časovyacute průběh napětiacute a proudu změřenyacute na jednom z osmi vinutiacute statoru při
napětiacute 30V a mechanickeacute zaacutetěži Mz = 015 Nm
Rc1 Rc2 Rc3 Rc4 Rc5 Rc6 Rc7 Rc8
[Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω]
203 203 205 202 204 205 202 203 2034
84
Obr 101 Změřeneacute průběhy napětiacute a proudu na vinutiacute během zatiacuteženiacute momentem 015Nm
Hodnoty proudu změřeneacute osciloskopem jsou posunuty o stejnosměrnou složku směrem do
zaacutepornyacutech hodnot Tato chyba znehodnocuje naměřeneacute vyacutesledky proudu uvedeneacute v tabulce a
vznikla z neznaacutemeacute přiacutečiny jako důsledek nastaveniacute citlivosti proudoveacute soncy na hodnotu
100mVA
Tab 103 Hodnoty naměřeneacute osciloskopem Handyscope HS3
Umax Umin Up-p Uef Ustř Δt
[V] [V] [V] [V] [V] [ms]
2958 -7996 10992 3401 -0983 1419
Imax Imin Ip-p Ief Istř f
[mA] [mA] [mA] [mA] [mA] [Hz]
26459 -2276 49219 11375 2421 7048
Na Obr je vidět vysokonapěťovaacute špička opačneacute polarity vzhledem k napaacutejeciacutemu napětiacute kteraacute
dosahuje hodnoty -7996 V Vznikaacute důsledkem naacutehleacuteho přerušeniacute dodaacutevky proudu do obvodu ciacutevky
Magnetickeacute pole vytvořeneacute v magnetickeacutem obvodu se po přerušeniacute dodaacutevky proudu kteryacute jej vybudil
snažiacute zabraacutenit sveacute změně a zachovat proud v elektrickeacutem obvodu čiacutemž zpětně do elektrickeacuteho obvodu
vinutiacute indukuje vysokeacute napětiacute opačneacute polarity Dochaacuteziacute ke zpětneacute indukci napětiacute do elektrickeacuteho
obvodu Tento děj vyjadřuje druhaacute Maxwellova rovnice o zaacutekonu elektromagnetickeacute indukce
v diferenciaacutelniacutem tvaru vyjaacutedřeneacute vztahem
85
Na Obr je teacutež patrnyacute zaacutekmit napětiacute na konci zaacuteporneacute napěťoveacute špičky Tento zaacutekmit je způsoben
parazitniacute kapacitou vinutiacute Časovaacute konstanta s jakou děj odezněniacute je daacutena RLC parametry obvodu
Každyacute způsob provedeniacute vinutiacute maacute sveacute charakteristickeacute vlastnosti předevšiacutem vlastniacute kapacitu vinutiacute
V praxi se např požadavek na sniacuteženiacute vlastniacute kapacity vinutiacute u transformaacutetorů realizuje dvěma
způsoby
a) zmenšeniacute napěťoveacuteho rozdiacutelu mezi vrstvami popř sekcemi vinutiacute nebo zmenšeniacutem vzaacutejemneacute
kapacity těchto čaacutestiacute jejich odděleniacutem
b) sniacuteženiacutem dielektrickeacute konstanty konstrukčniacutech materiaacutelů využitiacutem vhodnyacutech izolantů pro
izolaci vodičů
Nejviacutece možnostiacute nabiacuteziacute prvniacute varianta jež se uplatňuje u hraacutezoveacuteho křiacutežoveacuteho i kotoučoveacuteho vinutiacute
Obvykle neniacute uacutečelneacute ani hospodaacuterneacute dělit vinutiacute viacutece než na tři komory Čiacutem nižšiacute bude celkovyacute činitel
vinutiacute tiacutem menšiacute bude kapacita vinutiacute Impregnaciacute vinutiacute se vlastniacute kapacita vinutiacute zvyšuje asi o 30 až
50 V přiacutepadě spojeniacute jednoho vyacutevodu vinutiacute s magnetickyacutem jaacutedrem se vlastniacute kapacita vinutiacute zvětšiacute
přibližně o 20 [19]
Za zaacutepornou vysokonapěťovou špičkou a zaacutekmitem napětiacute způsobenyacutem parazitniacute kapacitou v obvodu
je vidět na Obr půlperioda sinusoveacuteho průběhu napětiacute zaacuteporneacute polarity Toto napětiacute je v obvodu
indukovaacuteno diacuteky průchodu magnetickeacuteho toku vystupujiacuteciacuteho z vyniklyacutech poacutelů rotoru během otaacutečeniacute
Magnetickyacute tok vystupuje z poacutelů rotoru a uzaviacuteraacute se přes jaacutedro statoru čiacutemž v jeho vinutiacute indukuje
napětiacute
(35)
86
Na Obr102 zaacuteznam sinusoveacuteho průběhu napětiacute indukovaneacuteho ve vinutiacute statoroveacuteho jaacutedra ktereacute bylo
odpojeno od napaacutejeniacute
Obr 102 Časovyacute průběh napětiacute indukovaneacuteho ve vinutiacute během otaacutečeniacute rotoru
Obr 103 Časovyacute průběh napětiacute a proudu při napětiacute 30 V a zatiacuteženiacute momentem 005 Nm
87
101 Měřeniacute zaacutekladniacutech charakteristik
Motor byl pro změřeniacute charakteristik spojen s cize buzenyacutem dynamometrem Možnost regulace
zaacutetěžneacuteho momentu změnou odporu kotvy dynamometru a velikostiacute budiacuteciacuteho proudu umožnila
naměřit průběh momentovyacutech mechanickyacutech a rychlostniacutech charakteristik Spojeniacute hřiacutedele
s tachodynamem naviacutec umožnilo měřit indukovaneacute napětiacute během jednotlivyacutech měřeniacute a vypočiacutetat z něj
otaacutečky Na Obr104 je schematicky naznačena soustava dynamometru a motoru pro měřeniacute
zatěžovaciacute charakteristiky motoru
Obr 104 Soustava pro měřeniacute zatěžovaciacutech charakteristik motoru
Pro změřeniacute zaacutekladniacutech charakteristik potřebnyacutech pro vyacutepočet uacutečinnosti motoru byl využit cize buzenyacute
dynamometr s Iab=5 A(10)
102 Vyacutepočet uacutečinnosti
Pro přiacuteklad vyacutepočtu dosadiacuteme do uvedenyacutech vztahů hodnoty veličin při nichž vyšla uacutečinnost motoru
maximaacutelniacute
Jelikož proud tekouciacute do vinutiacute je stejnosměrnyacute stanoviacuteme přiacutekon motoru součinem napětiacute zdroje o
konstantniacute velikosti 31 V s proudem tekouciacutem obvodem
Po dosazeniacute
Vyacutekon motoru je roven
přičemž pro uacutehlovou rychlost vyjaacutedřenou z otaacuteček platiacute vztah
(36)
(37)
(38)
Ua
Rb Umot
88
Po dosazeniacute
Vyacutekon je po dosazeniacute uacutehloveacute rychlosti
Uacutečinnost motoru při zanedbaacuteniacute ztraacutet v elektronickeacutem obvodu je daacutena vyacuterazem
Podiacutelem vyacutekonu a přiacutekonu je vyacuteslednaacute uacutečinnost
(39)
(40)
(41)
(42)
(43)
89
Charakteristiky změřeneacute při změně zaacutetěžneacuteho momentu M=005 až 05 Nm a napětiacute 31V
Obr 105 Změna otaacuteček v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
Obr 106 Změna proudu v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
50
150
250
350
450
550
650
750
850
950
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
n [otmin]
P2 [W]
n=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
0
05
1
15
2
25
3
35
4
2 4 6 8 10 12 14
I [A]
P2 [W]
I=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
90
Obr 107 Změna přiacutekonu v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
Obr 108 Změna uacutečinnosti v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
0
20
40
60
80
100
120
140
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
P1 [W]
P2 [W]
P1=f(P2)
-1285deg
5deg
1285deg
0deg
000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
η []
P2 [W]
η=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
ηmax=355
P2=86 W
91
Obr 109 Změna uacutečinnosti v zaacutevislosti na momentu při U=31V
000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045 05 055 06
η []
M [Nm]
η=f(M)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
ηmax=355
M=019 Nm
0
01
02
03
04
05
06
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000 1 100
M [Nm]
n [otmin]
Momentoveacute charakteristiky motoru
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
92
Charakteristiky změřeneacute při změně napaacutejeciacuteho napětiacute U=5 až 31V M=015 Nm
Obr 1010 Změna proudu v zaacutevislosti na napětiacute při M=015 Nm
Obr 1011 Změna otaacuteček v zaacutevislosti na napětiacute při M=015 Nm
0
02
04
06
08
1
12
14
16
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
I [A]
U [V]
I=f(U)
5deg
0deg
1285deg
-1285deg
I=078 A
0
100
200
300
400
500
600
700
800
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
n [otmin]
U [V]
n=f(U)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
93
Zaacutevěr
Na zaacutekladě existence měřitelneacuteho kvantově mechanickeacuteho projevu Casimirova jevu se člověk alespoň
teoreticky přibliacutežil k pochopeniacute podstaty vakua Pohled na vakuum jako na systeacutem v němž je možno
za jistyacutech okolnostiacute pozorovat vysokofrekvenčniacute elektromagnetickeacute fluktuace i při teplotaacutech bliacutezkyacutech
0K může nabiacutezet novou perspektivu a přiacutestup ke strojům s věčnyacutem pohybem Vnějšiacute projevy
elektromagnetickeacuteho charakteru vakuovyacutech fluktuaciacute nejsou za běžnyacutech okolnostiacute zjevneacute neboť je
v tomto stavu zajištěna jejich symetrie K porušeniacute symetrie však dochaacuteziacute mezi dvěma bliacutezkyacutemi
deskami v Casimirově pokusu
Permanentniacute magnet se v jisteacutem ohledu může jevit jako systeacutem jež svojiacute přiacutetomnostiacute narušuje tuto
symetrii elektromagnetickyacutech fluktuaciacute vakua a tiacutem v okolniacutem prostoru projevuje jeho dynamickou
jinak skrytou povahu formou projevu permanentniacuteho magnetickeacuteho pole V tomto ohledu by mohl byacutet
projev stavu narušeniacute symetrie vakuovyacutech fluktuaciacute uacuteměrnyacute energii vloženeacute do permanentniacuteho
magnetu během procesu magnetovaacuteniacute Tento nekonvenčniacute pohled na permanentniacute magnetismus
umožňuje objasnit vstup energie vakua do systeacutemu s permanentniacutemi magnety jakyacutem by mohl byacutet
např Johnsonův magnetickyacute motor složenyacute pouze z permanentniacutech magnetů Pokud tento motor
opravdu fungoval a vyacuteše nastiacuteněnaacute teorie by byla pravdivaacute neniacute tento systeacutem již možno povařovat za
izolovanyacute od sveacuteho okoliacute neboť samotnaacute povaha vakua by v tomto přiacutepadě umožňovala napaacutejeniacute
tohoto systeacutemu
V tomto ohledu se jeviacute zajiacutemavyacute i systeacutem pro přeměnu energie elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute na
užitečnou elektrickou energii popisovanaacute v šesteacute kapitole V tomto systeacutemu kmitajiacute drobneacute
dielektrickeacute struktury vytvořeneacute např elektronovou litografiiacute vlivem siloveacuteho působeniacute fluktuaciacute
elektromagnetickyacutech poliacute vakua a tiacutem v mikroskopickyacutech anteacutenaacutech mezi strukturami indukujiacute
využitelnou formu energie Tyto kmity jsou v přiacutemeacutem poměru k frekvenci zaacuteřeniacute avšak mnohem nižšiacute
frekvenci Využitiacutem moderniacutech technologickyacutech postupů a vysoce jakostniacutech materiaacutelů se v tomto
ohledu nabiacuteziacute nepřeberneacute možnosti pro experimentovaacuteniacute
Realizace modelu Adamsova motor generaacutetoru kterou jsem prakticky provedl (však pouze ve funkci
motoru) měla za ciacutel stanovit uacutečinnost tohoto systeacutemu neboť informace popisujiacuteciacute tento stroj hovořiacute
teacutež o vstupu energie vakua do tohoto systeacutemu čiacutemž je uacutedajně možno dosaacutehnout uacutečinnosti přesahujiacuteciacute
100 Autor Robert Adams stanovil uacutečinnost sveacuteho motor generaacutetoru na zaacutekladě několik dnů
trvajiacuteciacuteho měřeniacute Měřil průběhy napětiacute na vstupniacute baterii jež stroj napaacutejela a bateriiacutech ktereacute
postupně připojoval na elektrickyacute vyacutestup stroje Během činnosti stroje dochaacutezelo k postupneacutemu
dobiacutejeniacute bateriiacute na vyacutestupu V jisteacutem ohledu jsou hodnoty napětiacute při průběžneacutem měřeniacute určityacutem
ukazatelem uacutečinnosti stroje avšak pro vyacutepočet přesneacute uacutečinnosti daneacute poměrem vyacutekonu a přiacutekonu by
bylo zapotřebiacute do vyacutepočtu zahrnout i proudy prochaacutezejiacuteciacute obvodem
Dynamoplechy (M600-50) pro rotor a transformaacutetorovaacute jaacutedra (M150-30s) pro stator jsem zakoupil u
společnosti Therma FM a permanentniacute magnety přes internetovyacute obchod Unimagnetcz Virtuaacutelniacute
model motoru vytvořenyacute v programu SolidWorks jsem importoval do programu ANSYS Workbench
a provedl v něm magnetostatickou analyacutezu Analyzoval jsem magnetickyacute obvod složenyacute z jedneacute
osminy statoru (pouze jedno jaacutedro) vzduchoveacute mezery a vynikleacuteho poacutelu rotoru při nuloveacutem proudu ve
statoroveacutem vinutiacute Takteacutež jsem magnetickyacute obvod řešil zjednodušenyacutem vyacutepočtem v němž jsem
94
zanedbal reluktanci železa rotoru i statoru rozdiacutel ve tvaru průřezů statorovyacutech i rotorovyacutech poacutelů a
odhadem jsem stanovil činitel rozptylu v okoliacute vzduchoveacute mezery Vypočiacutetal jsem pro danyacute
magnetickyacute obvod demagnetizačniacute činitel a vykresleniacutem přiacutemky byl nalezen pracovniacute bod P
permanentniacuteho magnetu Bod P vytiacutenaacute na přiacuteslušnyacutech osaacutech demagnetizačniacute charakteristiky
odpoviacutedajiacuteciacute hodnoty BM a HM permanentniacuteho magnetu Z nich byly vypočteny hodnoty indukce a
intenzity ve vzduchoveacute mezeře
Hodnoty magnetickeacute indukce a intenzity magnetickeacuteho pole v prostoru vzduchoveacute mezery vypočteneacute
na zaacutekladě zjednodušeniacute obvodu a hodnoty vypočteneacute v ANSYSu se v přiacutepadě indukce lišiacute o hodnotu
0177 T což vzhledem ke zjednodušeniacute vyacutepočtu a odhadu činitele rozptylu přibližně odpoviacutedaacute Rozdiacutel
v hodnotaacutech intenzity magnetickeacuteho pole činiacute 188 kAm což je opět vzhledem k zjednodušeniacutem
vyhovujiacuteciacute hodnota
Pomociacute programu Ansys byla stanovena nejnižšiacute hodnota proudu (700 mA) tekouciacuteho do vinutiacute
vybraneacuteho jaacutedra statoru při jeho zarovnaacuteniacute s rotorovyacutemi poacutely kteraacute způsobiacute vyrušeniacute přiacutetažneacute siacutely
působiacuteciacute na statoroveacute jaacutedro vlivem permanentniacute magnetizace rotoroveacuteho poacutelu Teoreticky proud většiacute
než 700mA způsobiacute pootočeniacute rotoru a naacuteslednyacute rozběh
Daacutele byly graficky stanoveny průběhy sil v osaacutech x a y působiacuteciacutech na rotor během jeho pootočeniacute o
uacutehel 643deg kdy došlo k zarovnaacuteniacute sousedniacutech poacutelů rotoru a statoru
Změřeniacutem zaacutekladniacutech zatěžovaciacutech charakteristik pomociacute dynamometru byly stanoveny průběhy
momentovyacutech charakteristik pro různeacute uacutehly natočeniacute komutačniacuteho disku vzhledem k rotoru Z grafu
průběhu uacutečinnosti v zaacutevislosti na momentu byla odečtena nejvyššiacute hodnota uacutečinnosti motoru 355
pro natočeniacute komutačniacuteho disku o 5deg a odpoviacutedajiacuteciacute zaacutetěžnyacute moment 019 Nm Tato uacutečinnost je v
porovnaacuteniacute se stejně vyacutekonnyacutemi motory běžnyacutech konstrukciacute poměrně niacutezkaacute Jedniacutem z hlavniacutech
faktorů jež ovlivnil vyacuteslednou uacutečinnost je tvar statorovyacutech jader ktereacute majiacute velkou vzduchovou
mezeru Tiacutem paacutedem dochaacuteziacute ke značneacutemu rozptylu toku magnetickeacute indukce skrze prostor mezi
statorovyacutemi poacutely
Natočeniacutem komutačniacuteho disku do polohy 0deg došlo ke značneacutemu sniacuteženiacute uacutečinnosti na hodnotu okolo 14
majiacuteciacute přiacutečinu ve špatneacutem načasovaacuteniacute počaacutetku průchodu proudu do přiacuteslušneacuteho vinutiacute Vzaacutejemneacute
siloveacute působeniacute magnetickyacutech indukčniacutech toků z jaacutedra a rotoru působilo brzdnyacutem uacutečinkem čiacutemž
došlo ke sniacuteženiacute uacutečinnosti motoru
Momentoveacute charakteristiky jsou teacuteměř lineaacuterniacute Největšiacute moment 05 Nm byl naměřen při napětiacute 31
V při 180 otmin a to v přiacutepadě že komutačniacute disk byl pootočen o 1285deg
95
Použitaacute literatura
[1] Hubbertpeak [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwhubbertpeakcomhubbert19561956pdf
[2] Multimediaacutelniacute studijniacute texty z mineralogie [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpmineralogiescimuniczkap_6_2_termodynkap_6_2_termodynhtm
[3] Molecular and cellular immunology Institute of malecular genetics academy of science of the
Czech Republic Praguee [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpmciimgcasczpdfZakony_termodynamikypdf
[4] Uacutestav teoretickeacute fyziky MFF UK [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httputfmffcuniczvyukaOFY016F2001CermakPhtm
[5] Galileo [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpgalileoandeinsteinphysicsvirginiaedumore_stuffflashletsmmexpt6htm
[6] Encyclopedia Britanica [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwbritannicacomEBcheckedtopic600149Evangelista-Torricelli
[7] ABZ slovniacutek ciziacutech slov [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z httpslovnik-cizich-
slovabzczwebphpslovohorror-vacui-horor-vakui
[8] RAFELSKI Johannn a Berndt MUumlLLER The structured vaccum Thinking about nothing
Published electrically 2006 ISBN 3-97144-889-3
[9] Uacutestav jaderneacute fyziky AV ČR veřejnaacute vyacutezkumnaacute instituce [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httphpujfcascz~wagnerpopclanvakuumvakuumhtml_ftn2
[10] Aldebaran [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwaldebaranczbulletin2011_10_kazphp
[11] Aldebaran [online] Casimir - Network 2005 [cit 2014-05-08] Dostupneacute z httpcasimir-
networkfrIMGpdfCasimir_20effectpdf
[12] KVASNICA Jozef Statistickaacute fyzika Vyd 2 Praha Academia 1998 314 s ISBN 80-200-
0676-1
[13] Aldebaran [online] Annenberg learning 2005 [cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwlearnerorgcoursesphysicsvisualanimationhtmlshortname=PHY06_FermiTrap0
3A
[14] Cornell University Library arXivorg [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httparxivorgpdf10115219v1pdf
[15] Fyzikaacutelniacute sekce Matematicko-fyzikaacutelniacute fakulty UK [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpphysicsmffcuniczkfppskriptakurz_fyziky_pro_DSwwwfyzikahtml
[16] FEYNMAN Richard Phillips Feynmanovy přednaacutešky z fyziky s řešenyacutemi přiacuteklady 1 vyd
Havliacutečkův Brod Fragment 2001 806 s ISBN 80-720-0420-4
[17] VALONE Thomas Zero Point Energy The Fuel of the Future United States Integrity
Research Institiute 2007 228 s ISBN 9780964107021
96
[18] KING Moray B Quest for Zero Point Energy Engineering Principles for Free Energy
Engineering Principles for Free Energy United States Integrity Research Institiute 2001 224 s
ISBN 9780932813947
[19] FAKTOR Zdeněk Transformaacutetory a ciacutevky 1 vyd Praha BEN - technickaacute literatura 1999
393 s ISBN 80-860-5649-X
[20] MAYER Daniel a Josef POLAacuteK Metody řešeniacute elektrickyacutech a magnetickyacutech poliacute [vysokošk
učebnice pro elektrotechn fakulty] 1 vyd Praha SNTL 1983 450 s
[21] ABZ slovniacutek ciziacutech slov [online cit 2014-05-12] Dostupneacute z httpslovnik-cizich-
slovabzczwebphpslovohorror-vacui-horor-vakui
[22] Wikipedie [online cit 2014-05-12] Dostupneacute z httpcswikipediaorgwikiVakuum
[23] VALONE Thomas Practical Conversion of Zero-Point Energy Feasibility Study of the
Extraction of Zero-Point Energy from the Quantum Vacuum for the Performance of Useful
Work United States Integrity Research Institiute 2005 90 s ISBN 9780964107083
[24] BEARDEN By John Bedini and TE Free energy generation circuits 2nd ed Santa Barbara
Calif Cheniere Press 2006 806 s ISBN 09-725-1468-6
[25] Straacutenky věnovaneacute potlačovaneacute vědě a zatajovanyacutem vynaacutelezům [online cit 2014-05-08]
Dostupneacute z httpfree-energyxfczJOHNSONSampMhtm
[26] ADAMS Robert The Adams pulsed motor generator manual 46 Landing Roat Whakanate
Nex Zealand 1992
Seznam použityacutech symbolů a zkratek
Symbol Naacutezev Jednotka
U Energie [J]
W Praacutece [J]
Q Teplo [J]
S Entropie [JmiddotK-1]
T Teplota [K]
V Objem [m3]
P Tlak [Pa]
p Hybnost [kgmiddotmmiddots-1
]
F Siacutela [N]
FCas Casimirova siacutela [N]
d Vzdaacutelenost elektrod [m]
B Magnetickaacute indukce [T]
Br Remanentniacute magnetickaacute indukce [T]
Bmax Maximaacutelniacute magnetickaacute indukce [T]
Bs Saturačniacute magnetickaacute indukce [T]
Bv Magnetickaacute indukce ve vzduchoveacute mezeře [T]
BM Magnetickaacute indukce permanentniacuteho magnetu [T]
Φv Magnetickyacute indukčniacute tok ve vzduchoveacute mezeře [Wb]
Sv Průřez vzduchoveacute mezery [m2]
SM Průřez magnetu [m2]
Ss Průřez poacutelu statoru [m2]
Sr Průřez vynikleacuteho poacutelu rotoru [m2]
H Intenzita magnetickeacuteho pole [Amiddotm-1
]
Hc Koercitivniacute intenzita magnetickeacuteho pole [Amiddotm-1
]
Hmax Maximaacutelniacute intenzita magnetickeacuteho pole [Amiddotm-1
]
Hv Intenzita magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře [Amiddotm-1
]
HM Intenzita magnetickeacuteho pole permanentniacuteho
magnetu
[Amiddotm-1
]
Hžr Intenzita magnetickeacuteho pole železa rotoru [Amiddotm-1
]
Hžs Intenzita magnetickeacuteho pole železa statoru [Amiddotm-1
]
Nd Demagnetizačniacute činitel [-]
lM Deacutelka permanentniacuteho magnetu [m]
lv Deacutelka vzduchoveacute mezery [m]
Činitel rozptylu ve vzduchoveacute mezeře [-]
PFe Měrneacute ztraacutety [Wkg]
E Intenzita elektrickeacuteho pole [Vmiddotm-1
]
q Naacuteboj [C]
qe Naacuteboj elektronu [C]
v Rychlost [mmiddots-1
]
μ Magnetickyacute moment [Amiddotmsup2]
J Moment setrvačnosti [kgmiddotm2]
m Hmotnost [kg]
I Proud [A]
r Poloměr [m]
M Moment siacutely [Nmiddotm]
Mz Zaacutetěžnyacute moment [Nm]
φ Rezistivita [μΩcm]
μ0 Permeabilita vakua [Hmiddotm-1
]
μr Relativniacute permeabilita [-]
P1 Přiacutekon [W]
P2 Vyacutekon [W]
ω Uacutehlovaacute rychlost [rad-1
]
n Otaacutečky [otmiddotmin-1
]
Uacutečinnost []
Δx Změna polohy
Δp Změna hybnosti
Δt Časovaacute změna
ΔE Změna energie
ħ Redukovanaacute Planckova konstanta [Jmiddots]
h Planckova konstanta [Jmiddots]
8
Obsah
1 Uacutevod 10
2 Energetickeacute zdroje ve formě fosilniacutech paliv 11
3 Zaacutekony termodynamiky 12
31 Nultyacute zaacutekon termodynamiky 12
32 Prvniacute zaacutekon termodynamiky 12
321 Perpetuum mobile prvniacuteho druhu 13
33 Druhyacute zaacutekon termodynamiky 13
331 Perpetuum mobile druheacuteho druhu 13
34 Třetiacute zaacutekon termodynamiky 13
4 Vakuum 14
41 Eacuteter vyplňujiacuteciacute praacutezdnyacute prostor 14
42 Heisenbergův princip neurčitosti 16
43 Virtuaacutelniacute čaacutestice 17
44 Casimirův jev 17
441 Casimirova siacutela 18
442 Aparatura pro měřeniacute Casimirova jevu 18
443 Tepelnyacute Casimirův jev 19
5 Magnetismus 21
51 Magnetickeacute pole a jeho siloveacute uacutečinky 21
52 Magnetickyacute moment moment hybnosti a precese momentu hybnosti 22
6 Nekonvenčniacute elektrickeacute stroje 25
61 Johnsonův motor 26
62 Adamsův motor generaacutetor 29
63 Systeacutem pro přeměnu energie elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute na elektrickou energii 36
7 Feromagnetickeacute materiaacutely 37
71 Magneticky měkkaacute feromagnetika 37
711 Vyacuterobci měkkyacutech feromagnetickyacutech materiaacutelů 38
72 Magneticky tvrdaacute feromagnetika 43
73 Měřeniacute hysterezniacutech charakteristik vzorků magnetickyacutech jader 44
9
731 Vyhodnoceniacute naměřenyacutech vyacutesledků 48
8 Realizovanyacute Adamsův motor 49
81 Virtuaacutelniacute model Adamsova motor generaacutetoru a jeho praktickaacute realizace 49
811 Stator 49
812 Rotor 55
82 Elektrickyacute obvod 63
821 Popis a scheacutema zapojeniacute 63
822 Deska plošnyacutech spojů 64
9 Magnetostatickaacute analyacuteza Adamsova motoru 66
91 Vyacutepočet zjednodušeneacuteho magnetickeacuteho obvodu 66
911 Feromagnetika v magnetickeacutem obvodu 66
92 Vyacutepočet magnetickeacuteho obvodu v ANSYS Workbench 72
921 Rozběh motoru 77
922 Průběhy sil působiacuteciacute na rotor během pootočeniacute 81
10 Měřeniacute na realizovaneacutem motoru 83
101 Měřeniacute zaacutekladniacutech charakteristik 87
102 Vyacutepočet uacutečinnosti 87
Zaacutevěr 93
10
1 Uacutevod
Ekologickeacute probleacutemy spojeneacute s těžbou a využiacutevaacuteniacutem fosilniacutech paliv za uacutečelem vyacuteroby elektrickeacute
energie přivaacutediacute lidstvo k naleacutehaveacute potřebě hledat jineacute alternativniacute zdroje Ciacutelem teacuteto praacutece je
nabiacutednout čtenaacuteři informace o zajiacutemavyacutech vlastnostech bdquopraacutezdneacuteho prostoruldquo ve spojitosti s energiiacute
vněm obsaženou Možnosti velice přesneacuteho laboratorniacuteho měřeniacute dnes totiž nabiacuteziacute novyacute pohled na
povahu teacuteto energie Tzv Casimirův jev utvaacuteřiacute novyacute pohled na vakuum jako na systeacutem s dynamickou
povahou kteraacute se za jistyacutech podmiacutenek projevuje silovyacutemi uacutečinky
Představme si systeacutem využiacutevajiacuteciacute pro svou činnost energii vyvěrajiacuteciacute ze zdroje jež se nachaacuteziacute za
hraniciacute našeho vniacutemaacuteniacute daleko za možnostiacute našich smyslovyacutech orgaacutenů naacutem tento zdroj přiacutemo
zprostředkovat Pokud takovyacute systeacutem opravdu existuje existuje zcela jistě i široce rozšiacuteřenaacute barieacutera
lidskeacute neochoty si tuto skutečnost připustit Faktem zůstaacutevaacute že vše je v pohybu od nejmenšiacute struktury
počiacutenaje až po velkeacute teorie konče
Naacutesledujiacuteciacute citaacutet pochaacuteziacute od jednoho z prvniacutech zakladatelů kvantoveacute teorie
bdquoPrincip energie je zaacuteležitost zkušenosti Pokud by tedy jednoho dne měla byacutet jeho všeobecnaacute platnost
zpochybněna což v atomoveacute fyzice neniacute vyloučeneacute pak by se probleacutem perpetua mobile stal naacutehle
aktuaacutelniacutemldquo Max Planck
V přiacutepadě že v prvniacutem momentu nezavrhneme fakt že vlastně neviacuteme kolik toho viacuteme musiacuteme
připustit že je možneacute cokoliv
Počaacutetkem systematickeacuteho zkoumaacuteniacute elektromagnetickyacutech jevů se lidstvu do rukou dostalo mnoho
uacutežasnyacutech strojů a zařiacutezeniacute S vyacutevojem novyacutech materiaacutelů a technologiiacute se staacutele nabiacuteziacute možnosti objevit
noveacute Oblast vyacutevoje magnetickyacutech materiaacutelů neniacute v tomto ohledu vyacutejimkou proto se ve sveacute praacuteci
zabyacutevaacutem i jimi a měřeniacutem jejich hysterezniacutech charakteristik
Na zaacutekladě informaciacute hovořiacuteciacutech o elektrickyacutech strojiacutech ktereacute uacutedajně pracujiacute i bez zjevneacuteho zdroje
vstupniacute energie stojiacute za snahu věnovat tomuto teacutematu alespoň čaacutest sveacute pozornosti Podstata
vesmiacuternyacutech jevů může byacutet totiž daleko za rovnicemi popisujiacuteciacutemi to co je naacutem znaacutemo nyniacute
Jak přihlaacutesil Albert Einstein
bdquoŽaacutedneacute množstviacute pokusů nikdy nemůže dokaacutezat že jsem měl pravdu Jedinyacute pokus však kdykoliv může
dokaacutezat že jsem se myacutelilldquo
V tomto ohledu se v diplomoveacute praacuteci zaměřuji předevšiacutem na motory opředeneacute zvlaacuteštniacutemi informacemi
a pokoušiacutem se o realizaci vzorku Adamsova motoru Vyacutesledky měřeniacute a vyacutepočtů shrnuji v zaacutevěru
praacutece
11
2 Energetickeacute zdroje ve formě fosilniacutech paliv
V současnosti pokryacutevajiacute největšiacute podiacutel energetickeacute spotřeby lidstva zdroje fosilniacutech paliv Zejmeacutena
uhliacute ropa a zemniacute plyn Americkyacute geolog M King Hubbert předložil světu v roce 1956 teorii tzv
Hubbert Peak Theory znaacutemou teacutež pod naacutezvem peak oil Tato teorie se tyacutekaacute dlouhodobeacute těžby a
spotřeby ropy a ostatniacute fosilniacutech paliv Teacutehož roku M K Hubbert nabiacutedl Americkeacutemu ropneacutemu
institutu model tyacutekajiacuteciacute se znaacutemyacutech zaacutesob ropy Podle tohoto modelu měly Spojeneacute staacutety dosaacutehnout
vrcholu produkce ropy mezi rokem 1965 a 1970 Podle M K Hubberta by mělo byacutet vrcholu v
celosvětoveacute produkci ropy dosaženo přibližně o půl stoletiacute později od publikovaacuteniacute jeho teorie [1]
Na Obr 1 je křivka ve tvaru zvonu vytvořenaacute M K Hubbertem na zaacutekladě předpokladu že rezervniacutem
objemem suroveacute ropy je cca 250 miliard barelů Křivka reprezentuje celosvětovou produkci suroveacute
ropy zjištěneacute rezervy a předpoklaacutedaneacute zaacutesoby objeveneacute v budoucnu
Obr 1 Křivka vyacutevoje produkce ropy ve spojenyacutech staacutetech podle M K Hubberta [1]
Produkce ropy kopiacuteruje tvar zvonu tudiacutež v celosvětoveacutem měřiacutetku nedojde k naacutehleacutemu nedostatku ropy
Pokud dosaacutehne celosvětovaacute produkce ropy sveacuteho vrcholu v roce 2000 tak v roce 2020 bude na stejneacute
hodnotě jako v roce 1980 Nicmeacuteně v roce 2020 bude oproti roku 1980 světovaacute populace lidiacute zhruba
dvojnaacutesobnaacute a naacutesledkem značneacuteho zprůmyslněniacute světa bude spotřeba ropy prudce narůstat
Vyacutesledkem snižujiacuteciacutech se zaacutesob ropy je naacuterůst jejiacute ceny Jako naacutesledek nedostatku ropy je možneacute
očekaacutevat vaacutelečneacute konflikty vyspělyacutech zemiacute s ciacutelem ziacuteskat přiacutestup k ropnyacutem zdrojům a udržet si tiacutem
jistou ekonomickou stabilitu Způsoby přeměny energie spalovaacuteniacutem fosilniacutech paliv spojeneacute s
neohleduplnostiacute vůči planetě Zemi a jejiacutem obyvatelům přivaacutediacute člověka k naleacutehaveacute potřebě doplnit a
postupně nahradit staacutevajiacuteciacute energetickeacute zdroje zdroji alternativniacutemi
12
3 Zaacutekony termodynamiky
V dějinaacutech lidstva se objevilo mnoho pokusů o realizaci strojů jež by pracovaly s uacutečinnostiacute většiacute než
100 Snaha realizovat stroj s věčnyacutem pohybem je na programu mnoha konstrukteacuterů i v dnešniacute době
Zejmeacutena na internetu nalezneme mnoho odkazů na různorodeacute konstrukce mechanickyacutech a
elektrickyacutech strojů Zejmeacutena u čistě mechanickyacutech strojů je na prvniacute pohled patrneacute že nemohou
pracovat v nepřetržiteacutem chodu a třeniacute nakonec způsobiacute jejich zastaveniacute Nicmeacuteně lze narazit i na
konstrukce elektrickyacutech strojů doprovaacutezeneacute vlivnyacutem komentaacuteřem jež se opiacuteraacute o teorii kteraacute popisuje
vakuum jako prostor vyplněnyacute energiiacute Na kvantoveacute uacuterovni uacutedajně dochaacuteziacute ve vakuu k
nepřetržityacutem fluktuaciacutem elektromagnetickyacutech poliacute vlivem vzniku a zaacuteniku kladnyacutech a zaacutepornyacutech
virtuaacutelniacutech čaacutestic Bliacuteže se k tomuto fenomeacutenu vraacutetiacutem v naacutesledujiacuteciacute kapitole
Na zaacutekladě interakce s okoliacutem lze systeacutemy rozdělit naacutesledovně
a) izolovaneacute ndash v idealizovaneacutem přiacutepadě např termoska u ktereacute nedochaacuteziacute k vyacuteměně energie ani
hmotnyacutech čaacutestic
b) uzavřeneacute ndash např z obou stran uzavřenaacute trubice u niacutež dochaacuteziacute k vyacuteměně energie s okoliacutem
avšak bez vyacuteměny hmotnyacutech čaacutestic
c) otevřeneacute ndash např strom kteryacute si okoliacutem vyměňuje jak energii tak hmotneacute čaacutestice
31 Nultyacute zaacutekon termodynamiky
Systeacutemy v termickeacute rovnovaacuteze majiacute stejnou teplotu Nultyacute zaacutekon zavaacutediacute teplotu jako
termodynamickou veličinu
32 Prvniacute zaacutekon termodynamiky
Vnitřniacute energie (U) izolovaneacuteho systeacutemu je konstantniacute Změna vnitřniacute energie dU je součtem tepla
ktereacute bylo do systeacutemu dodaacuteno (dQ) a praacutece kteraacute byla na systeacutemu vykonaacutena (dW)
Změnu vnitřniacute energie můžeme zapsat jako
Veličina dW je objemovou praciacute Jde o změnu objemu dV v systeacutemu za konstantniacuteho tlaku P Změna
objemoveacute praacutece se vyjaacutedřiacute rovniciacute
Změnu vnitřniacute energie můžeme zapsat jako
(1)
(2)
(3)
13
Dodaacuteme-li např krystalu energii ve formě tepla vzroste jeho vnitřniacute energie o tolik kolik se
nespotřebuje na praacuteci spojenou s růstem jeho objemu (expanziacute) [2]
321 Perpetuum mobile prvniacuteho druhu
Produkuje nejmeacuteně tolik energie kolik samo spotřebuje Jakmile je jednou stroj spuštěn může
pracovat po neomezeně dlouhou dobu
33 Druhyacute zaacutekon termodynamiky
Druhyacute zaacutekon je postaven na definici entropie kteraacute je extenzivniacute funkciacute definujiacuteciacute stav systeacutemu
Zjednodušeně řečeno entropie definuje neuspořaacutedanost syteacutemu Celkovaacute změna entropie v uzavřeneacutem
systeacutemu je součtem změny entropie uvnitř systeacutemu a entropie kteraacute je do systeacutemu přenesena z jeho
okoliacute Entropii přenaacutešenou do systeacutemu se definuje rovnice (4) kde dQ je dodaneacute teplo a T je teplota
Je zřejmeacute že změna entropie systeacutemu při konstantniacute hodnotě tepla je většiacute při nižšiacute teplotě [2]
Pro reversibilniacute procesy a rovnovaacutežneacute stavy platiacute že změna entropie je nulovaacute dS = 0 Pro spontaacutenniacute
proces v systeacutemu pak platiacute dS gt 0 Můžeme řiacuteci že entropie se nikdy samovolně nezmenšuje [2]
331 Perpetuum mobile druheacuteho druhu
Takeacute nelze sestrojit protože při tepelneacute vyacuteměně těleso o vyššiacute teplotě nemůže samovolně přijiacutemat
teplo od tělesa s nižšiacute teplotou
34 Třetiacute zaacutekon termodynamiky
Jestliže se teplota ideaacutelniacuteho krystalu bliacutežiacute absolutniacute nule bliacutežiacute se nule i jeho entropie [2]
V bliacutezkosti absolutniacute nuly se adiabatickyacute děj přibližuje izotermickeacutemu Tiacutem se ovšem ztraacuteciacute uacutečinnost
libovolneacute ochlazovaciacute metody založeneacute na střiacutedaacuteniacute těchto dějů
Při extreacutemně niacutezkeacute teplotě se projevujiacute zvlaacuteštniacute vlastnosti některyacutech laacutetek jakyacutemi jsou supravodivost a
supratekutost
(4)
14
4 Vakuum
41 Eacuteter vyplňujiacuteciacute praacutezdnyacute prostor
Na zaacutekladě zjištěniacute že zvuk pro sveacute šiacuteřeniacute vyžaduje přenosoveacute meacutedium bylo dřiacuteve předpoklaacutedaacuteno že
i světlo ke sveacutemu přenosu vyžaduje určiteacute prostřediacute Toto meacutedium bylo označeno pojmem eacuteter Eacuteter
byl zaveden nejen pro světlo ale i pro elektřinu magnetismus a teplo Britskyacute fyzik James Clarck
Maxwell zjistil že se elektromagnetickeacute vlny šiacuteřiacute rychlostiacute světla a navrhl existenci pouze jedineacuteho
eacuteteru [3]
Na zaacutekladě Maxwellovyacutech pozorovaacuteniacute provedl Albert Michelson v roce 1881 experiment kteryacute měl
prokaacutezat přiacutetomnost eacuteteru Negativniacute vyacutesledek pokusu byl později zpochybněn a tak byl v roce 1887
pokus mnohem přesněji zopakovaacuten za spolupraacutece Edwarda Morleyho Experiment byl v budoucnu
ještě mnohokraacutet zopakovaacuten avšak původniacute vyacutesledek experimentu byl potvrzen [4]
Na Obr41 je znaacutezorněn princip Michelson-Morleyho experimentu kteryacute jsem doplnil o šipky ve
směru paprsků světla Uprostřed rotujiacuteciacute kruhoveacute aparatury je umiacutestěno polopropustneacute zrcadlo Směr
pohybu eacuteteru vůči aparatuře je znaacutezorněn žlutyacutemi šipkami Ze zdroje světla (vlevo) vychaacuteziacute paprsek a
dopadaacute na polopropustneacute zrcadlo (uprostřed) kde se děliacute na dvě čaacutesti Vzniknou tak dva navzaacutejem
kolmeacute paprsky putujiacuteciacute k zrcadlům po okrajiacutech aparatury kde se opět odraacutežiacute a vracejiacute zpět
k prostředniacutemu polopropustneacutemu zrcadlu Paprsek vracejiacuteciacute se dolů čaacutestečně prochaacuteziacute polopropustnyacutem
zrcadlem směrem dolů ke stiacuteniacutetku a paprsek vracejiacuteciacute se ke středu od leveacuteho zrcadla je odražen takeacute
směrem dolů Čaacutesti obou paprsků tak dopadajiacute na stiacuteniacutetko kde se
a) vzaacutejemně zesiacuteliacute jestliže majiacute stejnou rychlost a dopadajiacute na stiacuteniacutetko se stejnou faacuteziacute
b) vytvořiacute interferenčniacute obrazec v přiacutepadě že pohybujiacuteciacute se eacuteter vůči aparatuře ovlivnil rychlost
jednoho z paprsků
c)
Obr 41 Model demonstrujiacuteciacute princip Michelson- Morleyho experimentu [5]
Experiment existenci takoveacuteho eacuteteru neprokaacutezal a tak se převaacutežnaacute vědeckaacute komunita od představy
eacuteteru odkolonila
15
Neschopnost lidskeacute mysli uchopit praacutezdnyacute prostor dala v historii vzniknout pojmu horror vacui
neboli strach z praacutezdnoty [21]
Italskyacute fyzik a matematik Evangelista Torricelli žijiacuteciacute v 17 stoletiacute vešel do povědomiacute širokeacute
veřejnosti jednak pro vědeckyacute přiacutespěvek v oboru matematiky ale předevšiacutem pro vynalezeniacute
barometru Torricelli při svyacutech pokusech experimentoval s dlouhou skleněnou trubiciacute deacutelky 12 m
kterou naplnil rtutiacute a poteacute ji otevřenyacutem koncem ponořil do naacutedoby plneacute rtuti Pozoroval že velkaacute čaacutest
rtuti v trubici zůstala a nad jejiacute hladinou vnikl vzduchopraacutezdnyacute prostor Stal se tak prvniacutem člověkem
v historii kteryacute vytvořil vzduchopraacutezdno neboli vakuum [7]
Obr 42 Aparatura Evangelisty Torricelliho diacuteky ktereacute vytvořil makroskopickeacute vakuum
Vakuum zastupuje širokou škaacutelu tlaků V technickeacute praxi naleacutezaacute širokeacute praktickeacute využitiacute a je proto
podle velikosti tlaku rozděleno děleno do kategoriiacute ktereacute jsou v Tab 42
Tab 41 Rozděleniacute vakua podle tlakoveacuteho paacutesma a množstviacute hmoty v objemu[22]
Tlakoveacute paacutesmo
Tlak Množstviacute hmoty
v objemu
[Pa] [molekulcm3]
Atmosfeacuterickyacute tlak 101times105 27 x 10
19
Hrubeacute vakuum 10+4
hellip10+2
1019
- 1016
Jemneacute vakuum 10+2
hellip10minus1
1016
- 1013
Vysokeacute vakuum (HV) 10minus1
hellip10minus5
1013
hellip109
Ultra vysokeacute vakuum (UHV) 10minus5
hellip10minus10
109hellip10
4
Extreacutemně vysokeacute vakuum (XHV) lt10minus10
lt104
16
Vynaacutelezce Otto von Guericke demonstroval siacutelu podtlaku analogiiacute s osmi spřaženiacutemi osmi koni kteřiacute
nejsou schopni společnyacutemi silami oddělit dvě poloviny vzduchopraacutezdneacute koule jak ukazuje Obr 43
Obr 43 Osm koniacute neniacute schopno od sebe oddělit dvě poloviny vzduchopraacutezdneacute koule [8]
Zařiacutezeniacute pro tvorbu vakua se nazyacutevaacute vyacutevěva I kdyby se naacutem podařilo sestrojit dokonalou vyacutevěvu
kteraacute by z prostoru odstranila všechny znaacutemeacute hmotneacute čaacutestice prostor by i tehdy nezůstal praacutezdnyacute
Klasickaacute teorie poklaacutedaacute vakuum za praacutezdnyacute prostor bez hmotnyacutech čaacutestic Je však nutneacute přihleacutednout
k faktu že existujiacute teorie a experimenty jež připouštějiacute že vakuum neniacute praacutezdneacute miacutesto toho je plneacute
aktivity a co je ještě důležitějšiacute lze tuto aktivitu využiacutet v našem reaacutelneacutem světě
42 Heisenbergův princip neurčitosti
Velmi důležityacutem zaacutekonem určujiacuteciacutem pravidla v kvantoveacutem světě je Heisenbergův princip neurčitosti
Ten řiacutekaacute že pro současneacute měřeniacute polohy x a hybnosti čaacutestice p nemůže byacutet součin neurčitostiacute v určeniacute
polohy Δx a hybnosti Δp čaacutestice menšiacute než redukovanaacute Planckova konstanta ħ Pro tuto konstantu platiacute
ħ = h2π =105410-34
Js Důsledkem Heisenbergova principu je že se na mikroskopickeacute uacuterovni může
narušovat zaacutekon zachovaacuteniacute energie a to takovyacutem způsobem že součin velikosti tohoto narušeniacute a
doby po kterou trvaacute je menšiacute než redukovanaacute Planckova konstanta V takoveacutem přiacutepadě nelze toto
porušeniacute pozorovat
Heisenbergův princip neurčitosti pro současneacute měřeniacute polohy a hybnosti čaacutestice maacute tvar
(5)
Heisenbergův princip neurčitosti pro současneacute měřeniacute času a energie čaacutestice maacute tvar
(6)
Platnost rovnice (6) vede tomu že ve vakuu mohou existovat velice rychleacute fluktuace energie ktereacute
vznikajiacute jako v důsledku vzniku tzv virtuaacutelniacutech čaacutestic a jejich antičaacutestic ktereacute velice rychle vznikajiacute a
zanikajiacute vlivem vzaacutejemneacute anihilace A to v čase daneacutem Heisenbergovyacutem principem neurčitosti [9]
17
43 Virtuaacutelniacute čaacutestice
Jednaacute se o čaacutestici kteraacute neniacute přiacutemo pozorovatelnaacute je zavedena z důvodu existence řady pozorovanyacutech
jevů Virtuaacutelniacute čaacutestice může existovat diacuteky Heisenbergovu principu neurčitosti a v časoveacutem okamžiku
daneacutem tiacutemto zaacutekonem narušuje zaacutekon o zachovaacuteniacute energie U reaacutelneacute čaacutestice jejiacutež existence nenarušuje
zaacutekon zachovaacuteniacute energie je splněn relativistickyacute vztah mezi celkovou energiiacute čaacutestice E jejiacute hybnostiacute p
a klidovou energiiacute U virtuaacutelniacute čaacutestice tento vztah mezi uvedenyacutemi fyzikaacutelniacutemi veličinami neplatiacute
Virtuaacutelniacute čaacutestice tak může miacutet třeba velmi velkou hybnost a jen velmi malou energii Existence
virtuaacutelniacute čaacutestice je omezena na velice kraacutetkou dobu Při neustaacuteleacutem vzniku a zaacuteniku těchto čaacutestic
vznikajiacute ve vakuu vysokofrekvenčniacute fluktuace elektromagnetickyacutech poliacute různyacutech vlnovyacutech deacutelek [9]
44 Casimirův jev
V roce 1958 holandskyacute fyzik M J Sparnaay předpověděl existenci sil mezi dvěma kovovyacutemi
deskami jejichž přiacutečinou nebylo tepelneacute zaacuteřeniacute Byl zaveden pojem zero point energy (energie
nuloveacuteho bodu) označujiacuteciacute elektromagnetickou energii vyskytujiacuteciacute se ve vakuu při absolutniacute nuloveacute
teplotě [18]
Důkazem existence teacuteto energie je uacutedajně fakt že helium zůstaacutevaacute i při teplotaacutech mezi -272degC až
273degC staacutele v kapalneacutem skupenstviacute a nedojde k jeho přeměně na skupenstviacute pevneacute [17]
Způsob jakyacutem by bylo možneacute projevy virtuaacutelniacutech čaacutestic experimentaacutelně změřit navrhl v roce 1948
holandskyacute fyzik Hendrik Casimir Casimir uvažoval o dvou paralelniacutech elektrodaacutech (zrcadlech)
umiacutestěnyacutech ve vakuu za teploty bliacutezkeacute absolutniacute nule Vně těchto zrcadel vakuoveacute fluktuace
elektromagnetickyacutech poliacute dosahujiacute širokeacuteho spektra energiiacute ovšem v souladu s Heisenbergovyacutemi
relacemi neurčitosti Jinaacute situace nastaacutevaacute mezi elektrodami ktereacute tvořiacute rezonaacutetor Zde mohou vznikat
pouze fluktuace určityacutech vlnovyacutech deacutelek ndash moacutedů rezonaacutetoru Ostatniacute vlnoveacute deacutelky jsou vněm
potlačeny Tato nerovnovaacuteha fluktuaciacute vně elektrod a mezi nimi způsobuje tlakovou siacutelu kteraacute
přitahuje elektrody k sobě Jev se nazyacutevaacute Casimirův jev (efekt) a je makroskopickyacutem projevem
kvantovyacutech jevů stejně jako napřiacuteklad supravodivost nebo supratekutost [10]
Obr 44 Demonstrace Casimirova jevu Dvě kovoveacute desky tvořiacute rezonaacutetor pouze pro některeacute vlnoveacute
deacutelky důsledkem je působeniacute přitažliveacute siacutely mezi těmito deskami [11]
Fluktuace
vakua Casimirovi
desky
18
441 Casimirova siacutela
Casimirův efekt se projevuje jako Casimirova siacutela Casimirovu siacutelu mezi vodivyacutemi elektrodami
způsobuje nerovnovaacuteha mezi kvantovyacutemi fluktuacemi elektromagnetickyacutech poliacute ve vakuu vně
elektrod a mezi nimi [10]
Casimirovu siacutelu lze vypočiacutetat na zaacutekladě vztahu (7) uvedeneacuteho v literatuře[17]
(7)
Na obr45 je graf Prof Dr Davida Iannuzziho kteryacute zobrazuje přibližně exponenciaacutelniacute naacuterůst
publikaciacute pojednaacutevajiacuteciacute o Casimirově vevu Tiacutem dokazuje značnyacute naacuterůst zaacutejmu o tento fenomeacuten
Obr 45 Naacuterůst publikaciacute tyacutekajiacuteciacutech se Casimirova jevu [8]
442 Aparatura pro měřeniacute Casimirova jevu
Laboratorniacute měřeniacute Casimirova jevu v Kalifornskeacute univerzitě v Riverside bylo provedeno na
miniaturniacute aparatuře pro měřeniacute kvantově mechanickyacutech efektů bdquopraacutezdneacuteho prostoruldquo Na Obr 46 je
kulička o průměru 01 mm zobrazenaacute skrze elektronovyacute mikroskop Kulička je umiacutestěna pod hladkou
destičkou (destička neniacute na obraacutezku) Diacuteky kvantově mechanickeacutemu Casimirovu efektu se kulička
k destičce přitahuje Změna pozice kuličky je měřena mikroskopem pro měřeniacute atomaacuterniacutech sil
19
Obr 46 Mikroskopickaacute aparatura pro měřeniacute Casimirova jevu
443 Tepelnyacute Casimirův jev
Při konečneacute teplotě vstupujiacute do hry tepelneacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole a přispiacutevajiacute tak k
siloveacutemu působeniacute mezi elektrodami Tepelneacute fluktuace jsou způsobeny chaotickyacutem pohybem
volnyacutech elektronů v materiaacutelu elektrod Paralelniacute elektrody opět představujiacute rezonaacutetor ve ktereacutem je
možneacute vybudit pouze určiteacute moacutedy Každyacute moacuted představuje stav s přesně určenou energiiacute Tyto stavy
jsou obsazovaacuteny fotony ktereacute reprezentujiacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole Obsazeniacute těchto
hladin popisuje Boseho-Einsteinovo rozděleniacute [10]
Boseho-Einsteinovo rozděleniacute popisuje ve statistickeacute fyzice systeacutemy složeneacute z bosonů tedy čaacutestic se
symetrickou vlnovou funkciacute a celočiacuteselnyacutem spinem Bose-Einsteinovyacutem rozděleniacutem se řiacutediacute napřiacuteklad
fotony je z něj tedy možneacute odvodit napřiacuteklad Planckův vyzařovaciacute zaacutekon [12]
Při nuloveacute teplotě všechny fotony obsadiacute pouze nejnižšiacute energetickou hladinu jak je vidět na Obr 47
S rostouciacute teplotou postupně dochaacuteziacute k obsazovaacuteniacute i dalšiacutech vyššiacutech energetickyacutech hladin Mezi
zrcadly vznikaacute dalšiacute přitažlivaacute siacutela kteraacute ovšem zaacutevisiacute na teplotě Jednaacute se tedy o tepelnyacute Casimirův
jev
Obr 47 Vlevo zaujiacutemajiacute bosony při teplotaacutech bliacutezkyacutech absolutniacute nule jedinyacute stav s nejnižšiacute energiiacute Se
vzrůstajiacuteciacute teplotou bosony (vpravo) postupně obsazujiacute stavy s vyššiacute energiiacute [13]
Přestože tepelnyacute Casimirův jev byl teoreticky předpovězen Jevgenijem Lifšicem v roce 1955 dočkal
se sveacuteho objevu až v roce 2010 Tento uacutekol se podařilo zvlaacutednout skupině vědců na americkeacute Yaleově
univerzitě Tepelneacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole byly opět měřeny prostřednictviacutem přitažliveacute
siacutely mezi dvěma elektrodami Připravit dokonale rovinneacute paralelniacute plochy je poměrně obtiacutežneacute a proto
20
byl experiment provaacuteděn s jednou rovinnou elektrodou a druhou elektrodou ve tvaru kuloveacute plochy
Obě elektrody byly vyrobeny ze zlata s přesnostiacute 10 nm (kulovaacute elektroda) a 1 nm (rovinnaacute elektroda)
Siacutela mezi elektrodami byla měřena pomociacute torzniacuteho kyvadla kde torzniacute siacutela wolframoveacuteho draacutetku o
průměru 25 μm byla vyrovnaacutevaacutena přitažlivou silou mezi elektrodami Kapacitniacute polohovyacute senzor
sniacutemal vyacutechylku torzniacuteho kyvadla Celyacute experiment probiacutehal při teplotě 300 K [14]
Obr 48 Scheacutema zařiacutezeniacute pro měřeniacute tepelneacuteho Casimirova jevu (pohled shora) [14]
Naměřeneacute vyacutesledky byly porovnaacutevaacuteny se dvěma teoretickyacutemi modely ndash plazmovyacutem modelem a
Drudeho modelem Tyto modely popisujiacute chovaacuteniacute permitivity elektrod v zaacutevislosti na frekvenci
Naměřeneacute vyacutesledky ukazujiacute shodu s Drudeho modelem při teplotě 300 K Podle tohoto modelu tepelnaacute
přitažlivaacute siacutela roste lineaacuterně s teplotou a klesaacute s druhou mocninou vzdaacutelenosti To znamenaacute že zatiacutemco
Casimirova siacutela převlaacutedaacute na velmi malyacutech vzdaacutelenostech tepelnaacute Casimirova siacutela dominuje na
velkyacutech vzdaacutelenostech Na obraacutezku niacuteže je znaacutezorněna přitažlivaacute siacutela naacutesobenaacute druhou mocninou
vzdaacutelenosti v zaacutevislosti na vzdaacutelenosti mezi elektrodami Podle Drudeho modelu bychom měli dostat
konstantniacute zaacutevislost v miacutestech kde převlaacutedaacute siacutela způsobenaacute tepelnyacutemi fluktuacemi Z Obr 49 je
patrneacute že od vzdaacutelenosti přibližně 3 μm daacutele dostaacutevaacuteme přibližně konstantniacute zaacutevislost [14]
Obr 49 Na vzdaacutelenostech většiacutech než 3 μm dochaacuteziacute ke změně charakteru přitažliveacute siacutely Převlaacutedaacute zde
siacutela způsobenaacute tepelnyacutemi fluktuacemi zatiacutemco na menšiacutech vzdaacutelenostech se viacutece uplatňuje siacutela
pochaacutezejiacuteciacutech z kvantovyacutech fluktuaciacute vakua [14]
21
5 Magnetismus
51 Magnetickeacute pole a jeho siloveacute uacutečinky
Fakt že některeacute nerosty s obsahem železa a jeho oxidů jeviacute jisteacute vzaacutejemneacute siloveacute působeniacute vedlo
člověka k vyacutezkumu hlubšiacute podstaty tohoto fenomeacutenu Magnetismu znaacutemeacutemu již ze středověku začala
byacutet později věnovaacutena značnaacute pozornost předevšiacutem diacuteky poznatku že lze vnějšiacute magnetickeacute pole
vyvolat průchodem proudu nosičů elektrickyacutech naacutebojů elektrickyacutemi vodiči Pokusy H Ch Oersteda s
vodiči zapojenyacutemi k elektrickeacutemu zdroji vykazovali siloveacute působeniacute na magnetku kompasu později
diacuteky A M Ampeacuterovu pokusu takeacute siloveacute působeniacute mezi vodiči proteacutekanyacutemi proudem [15]
Mezi tělesy z feromagnetickyacutech laacutetek se za jistyacutech okolnostiacute projevuje vnějšiacute působeniacute vnitřniacutech
atomaacuterniacutech sil do vnějšiacuteho prostřediacute prostor v okoliacute tělesa i uvnitř něho je magneticky polarizovaacuten a
magnetickeacute předměty se navzaacutejem přitahujiacute či odpuzujiacute v zaacutevislosti na směru vektoru jejich
magnetizace Ve vzdušneacutem prostřediacute lze magnetickou propustnost definovat jako hodnotu přibližně
rovnou permeabilitě vakua
Po odhaleniacute existence magnetismu došlo časem k prudkeacutemu naacuterůstu pokusů se snahou naleacutezt praktickeacute
využitiacute tohoto jevu v lidskeacutem životě Vznik elektrickyacutech strojů prudce zrychlil rozvoj většiny odvětviacute
lidskeacuteho baacutedaacuteniacute
Magnetickeacute pole a jeho siloveacute uacutečinky jsou přiacutetomny při
a) Pohybu elektrickyacutech naacutebojů v obvodu
b) Zmagnetovaacuteniacute magnetik
Kvantitativniacute miacuterou siloveacuteho působeniacute magnetickeacuteho pole je magnetickaacute indukce B
Magnetickeacute pole o indukci 1 T působiacuteciacute na naacuteboj jednoho coulombu kteryacute se pohybuje rychlostiacute 1ms
silou 1 Newtonu jestliže je směr rychlosti naacuteboje a směru působiacuteciacute siacutely kolmyacute
Siacutelu v elektromagnetickeacutem poli působiacuteciacute na jednotkovyacute zkušebniacute naacuteboj v pohybu lze popsat
Lorenzovyacutem vztahem [15]
Ze vztahu je zřejmeacute že rychlost zkušebniacute čaacutestice nemaacute vliv na siloveacute uacutečinky elektrickeacuteho pole
V poli čistě magnetickeacutem kdy je elektrickeacute pole nuloveacute platiacute pro siacutelu vztah
(8)
(9)
22
52 Magnetickyacute moment moment hybnosti a precese momentu hybnosti
Pohybuje-li se elektron po kružnici (obiacutehaacute-li jaacutedro vlivem dostřediveacute siacutely) jsou si jeho magnetickyacute
moment μ a moment hybnosti J uacuteměrneacute Velikost momentu hybnosti elektronu je rovna hmotnosti
elektronu vynaacutesobeneacute jeho rychlostiacute a poloměrem draacutehy kterou opisuje (Obr 51)
Obr 51 Na kruhoveacute draacuteze je magnetickyacute moment μ(q2m)-naacutesobkem momentu hybnosti J[16]
Jeho směr je kolmiacute na rovinu draacutehy Vztah (10) je ne relativistickyacute je však pro atomy dobryacutem
přibliacuteženiacutem
(10)
Magnetickyacute moment tohoto pohybu lze určit jako proud kraacutet obsah plochy kruhu dle vztahu
Proud se vypočiacutetaacute jako naacuteboj kteryacute za jednotku času projde libovolnyacutem bodem draacutehy tj naacuteboj q kraacutet
frekvence kruhoveacuteho pohybu Frekvence je zase rychlost dělenaacute deacutelkou draacutehy takže platiacute
Plocha maacute obsah magnetickyacute moment je tedy možneacute vyjaacutedřit vztahem
Magnetickyacute moment a teacutež moment hybnosti J jsou kolmeacute na rovinu draacutehy Pro orbitaacutelniacute pohyb tedy
platiacute
Pro orbitaacutelniacute pohyb elektronu platiacute
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
23
Magnetismus od orbitaacutelniacuteho pohybu elektronu neniacute jedinyacute existujiacuteciacute druh magnetismu Elektron maacute i
svou vlastniacute rotaci kolem osy Důsledkem je spinovyacute moment hybnosti elektronu neboli vlastniacute
moment hybnosti Pro spinovyacute moment hybnosti se takeacute použiacutevaacute označeniacute spin Z překladu
z angličtiny jde rotace Pojem spin byl zaveden v době kdy se předpoklaacutedalo že jde o rotaci nicmeacuteně
v makrosvětě nemaacute spin analogii a člověk je nucen použiacutet idealizovanou představou rotace [16]
Poměr a je dvakraacutet tak tak velkyacute oproti orbitaacutelniacutemu pohybu elektronu proto je spinovyacute
magnetickyacute moment
Obecně je v každeacutem atomu několik elektronů a tak je celkovyacute moment hybnosti a celkovyacute magnetickyacute
moment daacuten složeniacutem jejich orbitaacutelniacutech a spinovyacutech momentů hybnosti V kvantoveacute mechanice
obecně platiacute že směr magnetickeacuteho momentu izolovaneacuteho atomu maacute opačnyacute směr než moment
hybnosti [16]
Někdy je magnetickyacute moment směsiciacute orbitaacutelniacutech a spinovyacutech přiacutespěvků jejichž vztah můžeme zapsat
Značka g je tzv Landeacuteho faktor a určeniacute jeho velikosti je předmětem kvantoveacute mechaniky
V přiacutepadě atomovyacutech jader figurujiacute naviacutec i spiny protonů a neutronů Pro jaacutedra obecně piacutešeme
Precese pohyb atomovyacutech magnetů v magnetickeacutem poli
Umiacutestěniacutem atomu do magnetickeacuteho pole je magnetickyacute moment ovlivňovaacuten momentem siacutely kteraacute se
jej snažiacute pootočit do směru pole Atomovyacute magnet je jako setrvačniacutek ndash maacute spinovyacute moment hybnosti
Moment siacutely způsobenyacute magnetickyacutem polem proto nedokaacuteže atomovyacute magnet udržet
v daneacutem směru Magnet proto bude vykonaacutevat precesniacute pohyb podobnyacute precesi mechanickeacuteho
setrvačniacuteku[16]
Rotuje-li těleso okolo osy zaznamenaacuteme u něj jistou podobnost v chovaacuteniacute s elementaacuterniacutem atomovyacutem
magnetem o momentu hybnosti
Jevy zjevneacute při rotaci tělesa lze popsat naacutesledujiacuteciacutemi tvrzeniacutemi
Pokud na rotujiacuteciacute těleso nepůsobiacute vnějšiacute siacutely zachovaacutevaacute si osu svojiacute rotace Nenulovyacute moment
siacutely působiacuteciacute na rotujiacuteciacute těleso ovlivňuje osu jeho rotace tiacutem viacutece čiacutem maacute těleso menšiacute
moment hybnosti
Když nutiacuteme rotujiacuteciacute těleso změnit osu svojiacute rotace chovaacute se tak že se snažiacute ztotožnit s osou
vynuceneacute rotace
(16)
(
) (17)
(
) (18)
24
Precese subatomaacuterniacutech čaacutestic v magnetickeacutem poli se s vyacutehodou využiacutevaacute v metodaacutech magnetickeacute
jaderneacute a elektronoveacute paramagnetickeacute rezonance
Nabiacuteziacute se otaacutezka jestli je možneacute určityacutem způsobem převeacutest siloveacute uacutečinky precesniacuteho pohybu
momentu hybnosti na mechanickyacute pohyb v nějakeacutem elektrickeacutem stroji Projevy rezonančniacutech jevů
jsou u všech typů magnetickyacutech rezonanciacute však velice slabeacute a frekvence Larmorovy precese s jakou
vektor magnetickeacuteho momentu rotuje ve vnějšiacutem poli je u elektronů ktereacute jsou přiacutečinou magnetismu
u feromagnetik až v řaacutedech GHzT Tiacutem paacutedem by musel mechanickyacute systeacutem v pracujiacuteciacute v rezonanci
s precesniacute frekvenciacute momentu hybnosti kmitat či rotovat teacutež v řaacutedech GHz nebo v jisteacutem poměru k
prvniacute harmonickeacute teacuteto frekvence
25
6 Nekonvenčniacute elektrickeacute stroje
Podle autorů elektrickyacutem motorů jsou motory založeneacute na jistyacutech principech schopny pracovat s
uacutečinnostiacute překračujiacuteciacute 100 Ve čtvrteacute kapitole hovořiacuteciacute o vakuu je popsaacuten Casimirův jev jako
důsledek narušeniacute symetrie prostorovyacutech fluktuaciacute elektromagnetickyacutech poliacute vakua mezi dvěma
kovovyacutemi deskami Vezmeme-li v uacutevahu teorii o prostoru vyplněneacutem vznikajiacuteciacutemi a zanikajiacuteciacutemi
virtuaacutelniacutemi čaacutesticemi nabiacuteziacute se otaacutezka Je možneacute zkonstruovat systeacutem kteryacute by energii projevujiacuteciacute se
jako fluktuace elektromagnetickyacutech poliacute vakua proměnil na užitečnou elektrickou či mechanickou
energii v takoveacute měřiacutetku aby byl schopnyacute napaacutejet elektrickeacute obvody sveacuteho řiacutezeniacute popř dodaacutevat
vyacutekon do vnějšiacute zaacutetěže Ze znalosti termodynamickyacutech zaacutekonů jasně vypliacutevaacute možnost využitiacute
teplotniacuteho rozdiacutelu dvou prostřediacute k ziacuteskaacuteniacute užitečneacute energie Tepelnaacute čerpadla jsou toho důkazem
Vzhledem k existenci elektromagnetickeacute energie vakua i při absolutniacute nule je možneacute tuto energii
považovat za vstupniacute energii do systeacutemu zobrazeneacuteho blokově na Obr 61
Obr 61 Blokoveacute scheacutema systeacutemu napaacutejeneacuteho energiiacute odčerpaacutevanou z okolniacuteho prostřediacute
Energie vstupuje do systeacutemu z vnějšiacuteho prostřediacute a sloužiacute pro napaacutejeniacute vnějšiacute zaacutetěže i systeacutemu
samotneacuteho
Systeacutem
Vstup energie do systeacutemu
z okolniacuteho prostřediacute
Vyacutestup využitelneacute
formy energie
Energie potřebnaacute pro řiacutezeniacute
systeacutemu se z vyacutestupu navraciacute
zpětnou vazbou
26
61 Johnsonův motor
V roce 1973 pět let po podaacuteniacute přihlaacutešky byl Howardu Johnsonovi udělen patent US 4151431 na
motor s permanentniacutemi magnety V roce 1995 pak patent US 5402021 popisujiacuteciacute magnetickyacute
pohonnyacute systeacutem založenyacute na obdobneacutem principu Oba tyto systeacutemy uacutedajně využiacutevajiacute ke konaacuteniacute praacutece
pouze siacutely permanentniacutech magnetů Ačkoli dnešniacute věda zavrhuje využitiacute vnějšiacutech projevů
subatomaacuterniacuteho pohybu čaacutestic hmoty permanentniacutech magnetů ke konaacuteniacute nepřetržiteacute praacutece v systeacutemu
Johnson uacutedajně připouštiacute že přesně neviacute odkud se energie kterou čerpaacute bere Ale domniacutevaacute se že
může miacutet souvislost s rotaciacute elektronů možnaacute dokonce souvisiacute s dosud nepojmenovanou čaacutesticiacute
V roce 1980 vyšel v dnes již zanikleacutem časopisu Science and Mechanics člaacutenek o Johnsonově motoru
popisujiacuteciacute vzaacutejemneacute interakce mezi magnety rotoru a statoru
Konstrukčniacute uspořaacutedaacuteniacute Johnsonova motoru
Obr 62 Čelniacute pohled do Johnsonova motoru Stator maacute po obvodu rozmiacutestěny tři obloukoviteacute
magnety Rotoroveacute magnety jsou vzaacutejemně odděleny vzduchovyacutemi mezerami [16]
Z Předniacuteho pohledu do motoru na Obr 62 jsou vidět tři obloukoviteacute permanentniacute magnety statoru
pravidelně rozmiacutestěneacute kolem rotoru
Obr 63 Z bočniacuteho pohledu do motoru je patrnaacute šroubovitaacute hřiacutedel kteraacute sloužiacuteciacute k zabrzděniacute stroje
[16]
27
Obr 64 Horniacute pohled na dva obloukoviteacute statoroveacute magnety navzaacutejem posunuteacute a překryacutevajiacuteciacute
magnety rotoru [16]
Obr 65 Průběhy změny indukce během změny polohy jižniacuteho a severniacuteho poacutelu magnetu statoru vůči
rotorovyacutem magnetům
Obr 66 Naznačeniacute pohybu obloukovyacutech magnetů rotoru nad statorovyacutemi magnety
Popis principu
Obr 66 ukazuje některeacute zaacutekladniacute vztahy Plneacute čaacutery představujiacute přitažliveacute siacutely přerušovaneacute čaacutery
představujiacute odpuzovaacuteniacute a dvojiteacute čaacutery v obou přiacutepadech znaacutezorňujiacute dominantniacute siacutely
Na Obr 66 je obloukově zakřivenyacute permanentniacute magnet ve třech po sobě naacutesledujiacuteciacutech polohaacutech nad
pevnyacutemi statorovyacutemi magnety Obr 66 poskytuje alespoň velmi zjednodušenyacute pohled do teorie
28
pohonu pomociacute permanentniacutech magnetů Johnson řiacutekaacute že zakřiveneacute magnety s ostryacutemi konci jsou
důležiteacute protože koncentrujiacute magnetickou energii mnohem uacutečinněji než magnety s tupyacutemi konci Tyto
obloukoviteacute magnety jsou o něco delšiacute než je deacutelka dvou magnetů statoru včetně mezery mezi nimi V
Johnsonově konstrukci jsou dlouheacute
palce
Všechny statoroveacute magnety majiacute severniacute poacutel nahoře a spočiacutevajiacute na podložce vyrobeneacute z materiaacutelu s
vysokou permeabilitou kteraacute pomaacutehaacute koncentrovat silovaacute pole Optimaacutelniacute mezera mezi konci
rotorovyacutech magnetů a statorem je kolem
palce
Když se severniacute poacutel magnetu rotoru nachaacuteziacute nad statorovyacutem magnetem je jiacutem odpuzovaacuten a je ke
statoru přitahovaacuten když prochaacuteziacute nad mezerou mezi statorovyacutemi magnety Přesně opačneacute siacutely působiacute
u jižniacuteho poacutelu rotoroveacuteho magnetu Je přitahovaacuten když prochaacuteziacute nad statorovyacutem magnetem a je
odpuzovaacuten když se nachaacuteziacute nad mezerou
Předniacute poacutel N rotoru je odpuzovaacuten severniacutemi poacutely dvou přilehlyacutech magnetů Ale v zobrazeneacute poloze
magnetu rotoru tyto dvě odpudiveacute siacutely (ktereacute zřejmě působiacute proti sobě) nejsou totožneacute většiacute z obou sil
(dvojitaacute přerušovanaacute čaacutera) překonaacutevaacute druhou siacutelu a taacutehne rotor doleva Tento pohyb vlevo je zrychlen
přitažlivou silou mezi severniacutem poacutelem rotoru a jižniacutem poacutelem v mezeře mezi statorovyacutemi magnety
Současně na druheacutem konci (S) rotoroveacuteho magnetu Deacutelka tohoto magnetu je cca
palce a je
zvolena s ohledem na velikost paacuteru statorovyacutech magnetů a mezery mezi nimi aby přiacutetažliveacute a
odpudiveacute siacutely taacutehly magnety rotoru doleva V tomto přiacutepadě je poacutel S přitahovaacuten severniacutemi poacutely
přilehlyacutech statorovyacutech magnetů ale z důvodu rozměrů rotoroveacuteho magnetu je rotor silněji tažen
doleva (dvojitaacute plnaacute čaacutera) Takeacute zde je s vyacutehodou využito siloveacute působeniacute mezi koncem rotoroveacuteho
magnetu a mezerou mezi magnety statoru V tomto přiacutepadě majiacute oba poacutely stejnou polaritu (S) proto se
vzaacutejemně odpuzujiacute
Je nutneacute dodržet spraacutevnou deacutelku magnetů rotoru Jestliže jsou buď přiacuteliš dlouheacute nebo přiacuteliš kraacutetkeacute
mohou dosaacutehnout nežaacutedouciacute rovnovaacutehy kteraacute znamenaacute konec pohybu Ciacutelem je optimalizovat
všechny siacutely tak aby bylo dosaženo maximaacutelniacute nerovnovaacutehy ale vždy stejnyacutem směrem Když se rotor
otočiacute o 180 stupňů a dostane se na opačnyacute konec draacutehy bude se chovat stejnyacutem způsobem až na to že
se v tomto přiacutekladu bude pohybovat zleva doprava Takeacute musiacuteme poznamenat že jakmile je rotor v
pohybu maacute moment kteryacute pomůže dostat rotorovyacute magnet do sfeacutery vlivu dalšiacuteho paacuteru magnetů
statoru kde ziacuteskaacute dalšiacute moment [25]
29
62 Adamsův motor generaacutetor
Podle informačniacuteho zdroje [26] byl vynaacutelez Roberta Adamse viacutece než 20 let držen v tajnosti Jeho
autorovi bylo vyhrožovaacuteno smrtiacute v přiacutepadě že bude šiacuteřit informace tyacutekajiacuteciacute se principů na nichž jeho
motorgeneraacutetor pracuje Informace byly po letech zveřejněny internetoveacutem magaziacutenu Nexus
Adams ke sveacutemu stroji vytvořil publikaci The Adams pulsed motor generator manual ve ktereacute uvaacutediacute
naacutesledujiacuteciacute obraacutezkoveacute ilustrace Autor v něm teacutež předklaacutedaacute grafy naměřenyacutech průběhů napětiacute pro
různeacute režimy stroje
Robert Adams tvrdiacute Naacuteš vesmiacuter je moře volneacute čisteacute energie A čekaacute jen na to abychom ji začali
využiacutevat
Vlastnosti a vyacutehody Adamsova motor generaacutetoru uvedeneacute Robertem Adamsem
1) Překonaacutevaacute zpětnou elektromotorickou siacutelu kteraacute je probleacutemem všech konvenčniacutech strojů
2) Střiacutedavě zapřahuje ZES tedy zanikajiacuteciacute magnetickeacute pole čiacutemž zvyšuje moment a snižuje
přiacutekon
3) V režimu motorgeneraacutetoru nevyžaduje k vyacuterobě elektrickeacuteho vyacutestupniacuteho vyacutekonu
oddělenyacute motor
4) Pro běh stroje a vyacuterobu vyacutestupniacuteho vyacutekonu využiacutevaacute jedinyacute rotor
5) Všechny poacutely rotoru majiacute stejnou polaritu
6) Statoroveacute hnaciacute vinutiacute a poacutely jsou menšiacutech rozměrů
7) Velikost vzduchoveacute mezery neniacute kritickaacute
8) Nevyžaduje chladiacuteciacute ventilaacutetor
9) Stroj nevyžaduje konstantniacute vstupniacute proud
10) Naacutevrh stroje je naacutesledujiacuteciacute
a) Energie je vede zpět do baterioveacuteho zdroje
b) Magnetickyacute zpětnyacute tah je prakticky nulovyacute
c) Teplota při plneacutem zatiacuteženiacute je polovičniacute ve srovnaacuteniacute s jakyacutemkoliv konvenčniacutem strojem
d) S ohledem na způsob mechanickeacuteho spiacutenaacuteniacute kteryacute zajišťuje zužujiacuteciacute se hvězda
kontaktniacuteho disku je možneacute měnit střiacutedu impulzů
11) V režimu vysokeacute uacutečinnosti stroj čerpaacute energii z prostoru
12) Čiacutem nižšiacute rychlostiacute se otaacutečiacute tiacutem dosahuje vyššiacute uacutečinnosti a krouticiacuteho momentu na rozdiacutel
od konvenčniacutech strojů
13) V rezonančniacutem režimu nejsou přiacutetomny jaloveacute ztraacutety a stroj vykazuje konstantniacute vyacutekon a
moment
14) Jelikož se směr energie ze zdroje neměniacute nejsou přiacutetomny ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy a
hystereziacute
15) Stroj se ve všech pracovniacutech režimech saacutem chraacuteniacute před některyacutemi nepřiacuteznivyacutemi situacemi
ktereacute v jinyacutech přiacutepadech vyžadujiacute doplňujiacuteciacute zařiacutezeniacute
16) Vysokeacute otaacutečky nejsou nutneacute čiacutemž odpadajiacute probleacutemy s nimi spojeneacute
17) Stroj je možneacute elektricky zatiacutežit a počiacutetat s naacuteslednyacutem naacuterůstem vyacutestupniacute energie od 50
přes 100 a to bez přetiacuteženiacute nebo naacuterůstu teploty nad normaacutelniacute pracovniacute teplotu
30
18) Stroj je saacutem o sobě obdivuhodně jednoduchyacute a nevyžaduje draheacute obvody pro řiacutezeniacute
rychlosti [26]
Popis zaacutekladniacute konstrukce
Adamsův motor-generaacutetor je elektrickyacute stroj s permanentniacutemi magnety radiaacutelně uloženyacutemi v rotoru
Stroj je uacutedajně možneacute zkonstruovat v různyacutech konfiguraciacutech podle toho zda požadujeme vyacutestupniacute
vyacutekon spiacuteše elektrickyacute nebo mechanickyacute
Zaacutekladniacute konfigurace stroje určenaacute pro vyacutestup elektrickeacuteho vyacutekonu ze stroje obsahuje tři druhy
statorovyacutech magnetickyacutech poacutelů vhodně rozmiacutestěnyacutech kolem rotoru s permanentniacutemi magnety
1 Permanentniacute magnety rotoru jsou všechny polarizovaacuteny ve stejneacutem směru Tok
magnetickeacute indukce všech vystupuje buď ven nebo dovnitř směrem ke hřiacutedeli
Obr 67 Magnety jsou pro zvyacutešeniacute vyacutekonu stroje uloženy v několika rotorovyacutech sekciacutech
2 Řiacutediacuteciacute poacutely jsou napaacutejeny pulzně v zaacutevislosti na poloze rotoru vůči statoru a to skrze
mechanickyacute komutaacutetor Ciacutevky jsou navinuty na jaacutedra ze kteryacutech vystupuje magnetickyacute tok
v opačneacutem směru oproti toku permanentniacutech magnetů v rotoru Rotor se pohybuje jelikož je
odpuzovaacuten těmito silovyacutemi uacutečinky
Obr 68 Pulzně buzeneacute ciacutevky
31
3 Zpětnovazebniacute poacutely jsou navinuty na magnetickyacutech jaacutedrech a jsou napaacutejeny elektrickou
energiiacute kteraacute se zpětně indukuje do elektrickeacuteho obvodu řiacutediacuteciacutech ciacutevek v důsledku prudkeacuteho
přerušeniacute dodaacutevky proudu Magnetickeacute pole v prostoru vzduchoveacute mezery a rozptylovyacutech
drahaacutech se snažiacute zaacuteniku proudu zabraacutenit čiacutemž vznikaacute prudkyacute energetickyacute skok
Obr 69 Zpětnovazebniacute ciacutevky
4 Generaacutetorickeacute poacutely generujiacute proud do připojeneacute zaacutetěže
Obr 610 Zpětnovazebniacute ciacutevky
5 Permanentniacute poacutely statoru jsou tvořeny feritovyacutemi magnety rozmiacutestěny po obvodu rotoru podle
konfigurace na Obr611a majiacute za uacutečel zvyacutešit mechanickyacute moment rotoru
32
Obr 611 Rozmiacutestěniacute permanentniacutech magnetů po obvodu statoru
Na Obr 612 je princip spiacutenaacuteniacute proudu do ciacutevek statoru řešenyacute prostřednictviacutem mechanickeacuteho
komutaacutetoru ve tvaru čtyřciacutepeacute hvězdy Při otaacutečeniacute dochaacuteziacute v jistyacutech polohaacutech ke spojeniacute kontaktů
dosedajiacuteciacutech na komutaacutetor a proud tekouciacute ciacutevkami v nich vybudiacute magnetickyacute indukčniacute tok kteryacute
svyacutemi uacutečinky odpuzuje permanentniacute magnety v rotoru Na obraacutezku je naznačen princip motoru a
způsob měřeniacute otepleniacute jaacutedra při daneacute mechanickeacute zaacutetěži Do jaacutedra je vyvrtaacuten otvor do nějž je
zasunuta teplotniacute sonda Otepleniacute jaacutedra by nemělo překročit 40 degC
Obr 612 Zaacutekladniacute konstrukce Adamsova motoru sloužiacuteciacute pro demonstraci nastaveniacute vhodneacute velikosti
proudu tekouciacuteho do vinutiacute ciacutevek při požadovaneacute mechanickeacute zaacutetěži
33
Obr 613 Vyacutekres Adamsova motor generaacutetoru s osmi permanentniacutemi magnety v rotoru
stejnosměrnyacutemi pulzniacutemi ciacutevkami a generaacutetorovyacutemi ciacutevkami navinutyacutemi na odlišnyacutech magnetickyacutech
jaacutedrech
Robert Adams ve sveacute publikaci uvaacutediacute na Obr 614 zaznamenaacuteny průběhy hodnot napětiacute na bateriiacutech
postupně připojovanyacutech na elektrickyacute vyacutestup stroje Přičemž hodnota napětiacute na vstupniacute napaacutejeciacute baterii
se měniacute jen nepatrně Na zaacutekladě těchto dat uvedenyacutech v Tab 61 Adams stanovuje uacutečinnost motor
generaacutetoru
Obr 614 Baterie na vyacutestupu jsou postupně dobiacutejeny přičemž velikost napětiacute na vstupniacute baterii se
snižuje jen nepatrně
34
Naacutesledujiacuteciacute tabulka shrnuje vyacutesledky naměřeneacute v grafu na Obr 614
Tab 61 Souhrn vyacutesledků naměřenyacutech hodnot napětiacute na vyacutestupniacutech bateriiacutech
Dokonalejšiacute konstrukce Adamsova motor generaacutetoru
Konstrukce zde popisovanaacute je realizovaacutena jako model pro měřeniacute uacutečinnosti tohoto motoru avšak
s několika podstatnyacutemi konstrukčniacutemi rozdiacutely o nichž se zmiňuji při popisu realizovaneacuteho stroje
Rotor na Obr 615 maacute 7 vyniklyacutech poacutelů rotoru a 8 statorovyacutech jader Je možneacute použiacutet i 6 jader ve
statoru při použitiacute stejneacuteho rotoru Tiacutem však dojde ke sniacuteženiacute uacutečinnost stroje Počet rotorovyacutech a
statorovyacutech poacutelů by neměl byacutet v celočiacuteselneacutem poměru
Obr 615 Konfigurace se 6 poacutely statoru a 7 poacutely rotoru Magnetizačniacute vinutiacute protějšiacutech poacutelů
statoru jsou spojena do seacuterie
Popis principu činnosti během otaacutečeniacute rotou
Na Obr 616 (a) je poacutel rotoru R1 přesně mezi statorovyacutemi poacuteli S1 a S2 a představme si že směřuje k S2
a je jiacutem přitahovaacuten až do chviacutele kdy je v pozici na obr (c) Nyniacute je zarovnaacuten s jaacutedrem statoru jehož
vinutiacutem začne proteacutekat proud kteryacute maacute takovou polaritu aby došlo k odpuzovaacuteniacute rotoroveacuteho poacutelu ze
zarovnaneacute pozice Tiacutem paacutedem je vlivem siloveacute interakce magnetickyacutech polyacute rotoru urychlovaacutem a
proud teče do statoroveacuteho vinutiacute až do chviacutele kdy je vpozici na obr (e) Nyniacute je protějšiacute statororoveacute
jaacutedro zarovnaacuteno s rotorovyacutem poacutelem
Baterie č
(vyacutestup)
Počaacutetečniacute
napětiacute
baterie
[V]
Doba běhu
stroje [h]
Konečneacute
napětiacute baterie
[V]
Naacuterůst
napětiacute
baterie oproti
počaacutetečniacute
hodnotě 102 V
[V]
Uacutečinnost []
1 102 33 1142 122 610
2 1172 15 1184 162 810
3 114 66 1201 181 905
35
Podiacutevejme se co se během toho děje na protějšiacute straně rotoru
Rotorovyacute poacutel R4 na obr (a) je praacutevě zarovnaacutem se statorovyacutem jaacutedrem S5 Tudiacutež je do vinutiacute tohoto
jaacutedra S5 přiveden proud jehož uacutečinky jsou i vtomto přiacutepadě vyvolajiacute odpuzovaacuteniacute poacutelu R4 Proud
vinutiacutem jaacutesdra S5 proteacutekaacute do chviacutele na obr(c) kdy dojde k demagnetizaci statoroveacuteho jaacutedra S2
Obr 617 Vzaacutejemeacute polohy rotoru vůči statorovyacutem poacutelům pro popis principu
Rotor je roztaacutečen těmito silovyacutemi přiacutespěvky
a) Rotorovyacute poacutel je přitahovaacuten ke statorovyacutem magnetickyacutem jaacutedrům vlivem projevu magnetickyacutech
sil permanentniacutech magnetů prostupujiacuteciacutech vzduchovou mezeru a uzaviacuterajiacuteciacutech se přes jaacutedra
statoru
b) Rotor je po zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru se statorovyacutem daacutele roztaacutečen vlivem odpudivyacutech
sil mezi poacutely rotoru a řiacutediacuteciacutemi poacutely statoru Vinutiacute řiacutediacuteciacutech poacutelů je napaacutejeno elektrickyacutemi
impulzy v zaacutevislosti na poloze rotoru vůči statoru Intenzita magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute
mezeře je nejvyššiacute při zarovnaacuteniacute poacutelů statoru a rotoru
Na Obr je pohled do vnitřniacute struktury magnetickeacuteho obvodu popisovaneacuteho stroje
12 podeacutelneacute magnetickeacute poacutely statoru s vysokou permeabilitou
13 rotoroveacute sekce s vyniklyacutemi poacutely
14 hřiacutedel
15 permanentniacute magnety uloženeacute ve středoveacutem pouzdru
16 otvor pro permanentniacute magnety
17 Disk sloužiacuteciacute jako pouzdro magnetů
Obr 618 Pohled na do struktury rotoru
36
Dalšiacutemi motory ktereacute uacutedajně pracujiacute s vysokou jsou Bediniho motor Takahasiho motor a Kawaiův
motor
63 Systeacutem pro přeměnu energie elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute na
elektrickou energii
Americkyacute patent č 5590031 podanyacute 24 července 1994 Franklinem B Meadem a Jackem
Nachamkinem popisuje zařiacutezeniacute přeměňujiacuteciacute vysokofrekvenčniacute elektromagnetickou energii
vakuovyacutech fluktuaciacute vznikajiacuteciacutech jako projev virtuaacutelniacutech čaacutestic teacutež označovanou pojmem bdquozero point
energyldquo na užitečnou elektrickou energii Pojem zero point energy neboli energie nuloveacuteho bodu byl
zaveden vzhledem k faktu že i při teplotě absolutniacute nule (0 K = -27315 degC) vakuum obsahuje energii
fluktuaciacute elektromagnetickyacute poliacute jako důsledek projevů vznikajiacuteciacutech a zanikajiacuteciacutech virtuaacutelniacutech čaacutestic
Na Obr 619 je znaacutezorněn princip zařiacutezeniacute Čiacuteslo 216 symbolizuje vysokofrekvenčniacute
elektromagnetickeacute zaacuteřeniacute Pomociacute litografickeacute technologie jsou vytvořeny dielektrickeacute struktury
(212) a (214) tvaru koule polokoule či disku Tyto struktury jsou velice maleacute a jejich velikost musiacute
byacutet v přiacutemeacutem poměru k vlnoveacute deacutelce elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute Struktury jsou připevněny na
zaacutekladoveacutem substraacutetu (236) a rozloženy do pole (238) Tyto struktury se vlivem působeniacute
elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute pohybujiacute s mnohem menšiacute frekvenciacute než jakou maacute elektromagnetickeacute
zaacuteřeniacute ktereacute jejich pohyb vyvolalo Naacutesledkem pohybu se v anteacuteně (222) indukuje elektrickaacute energie o
využitelneacute frekvenci Jednotliveacute anteacuteny mohou miacutet tvar smyčky nebo mohou byacutet dipoacuteloveacute
Indukovanyacute proud je naacutesledně veden vodiči (226) nebo vlnovodem do primaacuterniacuteho obvodu (228)
transformaacutetoru (232) Kondenzaacutetor (230) sloužiacute pro vyladěniacute rezonančniacuteho obvodu V sekundaacuterniacutem
obvodu je střiacutedavyacute proud usměrněn diodou (234)[17]
Obr 619 Scheacutema zařiacutezeniacute pro přeměnu vysokofrekvenčniacute elektromagnetickeacute energie na využitelnou
formu elektrickeacute energie [14]
37
7 Feromagnetickeacute materiaacutely
Tvar hysterezniacute smyčky magnetickeacuteho materiaacutelu zaacutevisiacute na chemickeacutem složeniacute feromagnetika a na jeho
tepelneacutem zpracovaacuteniacute Z analogie s mechanickou tvrdostiacute rozlišujeme magneticky měkkaacute
feromagnetika kteraacute dobře vedou magnetickyacute tok a tvrdaacute feromagnetika z nichž se vyraacutebiacute
permanentniacute magnety Na Obr71 je naacutezorneacute rozděleniacute magneticky měkkyacutech polotvrdyacutech a tvrdyacutech
materiaacutelů
Obr 71 Rozděleniacute magnetickyacutech materiaacutelů na měkkeacute polotvrdeacute a tvrdeacute
71 Magneticky měkkaacute feromagnetika
Pro vedeneacute magnetickeacuteho toku v magnetickeacutem obvodu motoru je využito měkkyacutech feromagnetik jež
se vyznačujiacute strmou magnetizačniacute křivkou a uacutezkou hysterezniacute smyčkou Majiacute vysokou počaacutetečniacute
a maximaacutelniacute permeabilitu a malou koercivitu Hclt103
Am Často lze hysterezi zanedbat a je možneacute
uvažovat pouze s magnetizačniacute křivkou1
Na trhu s magnetickyacutemi materiaacutely figuruje řada vyacuterobců a distributorů Naacutesledujiacuteciacute z nich jsem
oslovil s prosbou o poskytnutiacute vzorků magnetickyacutech jader pro měřeniacute magnetickyacutech vlastnostiacute
1 aplik
38
711 Vyacuterobci měkkyacutech feromagnetickyacutech materiaacutelů
a) Firma Therma FM
Firma Therma FM vyraacutebiacute magnetickeacute obvody z anizotropniacutech plechů a nabiacuteziacute i izotropniacute
dynamoplechy Materiaacutely pro vyacuterobu jader firma odebiacuteraacute od společnosti ThyssenKrupp
Jaacutedra pro jednofaacutezoveacute transformaacutetory jsem použil jako statoroveacute jaacutedra realizovaneacuteho motoru
Při vyacuterobě naviacutejeno na obdeacutelniacutekoveacute kopyto o rozměrech odpoviacutedajiacuteciacutech požadovaneacute velikosti okna pro
primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Jaacutedro je po navinutiacute z transformaacutetoroveacuteho plechu rozřiacuteznuto na dvě
poloviny jedna z nich je na Obr Xx Po rozřiacuteznutiacute jaacutedra je možneacute nasunout vinutiacute
Obr 72 Fotografie jedneacute poloviny jaacutedra pro jednofaacutezoveacute transformaacutetory
Magnetickeacute vlastnosti jaacutedra vyrobeneacuteho z materiaacutelu M150-30S jsou uvedeny v Tab71
Tab 71 Magnetickeacute vlastnosti jaacutedra stanoveneacute normou EN 10107
Norma Tloušťka
Max ztraacuteta v
jaacutedře při 15 T
[Wkg]
Maximaacutelniacute ztraacuteta
v jaacutedře při 17 T
[Wkg]
Min
J800
Nejmenšiacute
činitel
plněniacute
Typ
EN 10107 mm 50 Hz 50 Hz 60 Hz T PowerCore
M 150-30 S 030 097 150 197 175 0955 C 150-30
Magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelů jakosti M150-30S a M600-50 na Obrxx jsou zrekonstruovaneacute
podle z katalogovyacutech křivek vyacuterobce Thyssen Krupp
39
Obr 73 B-H charakteristiky jader z orientovanyacutech (M150-30S) trafoplechů a
neorientovanyacutechdynamoplechů M600-50
0
05
1
15
2
25
0 250 500 750 1 000 1 250 1 500 1 750 2 000
B [T]
H [Am]
Magnetizačniacute charakteristiky
M150-30S
M600-50
40
b) Firma Vacuumschmelze (VAC)
Tento německyacute vyacuterobce poskytnul dva vzorky toroidniacutech jader s nanokrystalickou strukturou Materiaacutel
je prodaacutevaacuten pod obchodniacutem naacutezvem Vitroperm 500F a vynikaacute velice uacutezkou hysterezniacute smyčkou
vysokou hodnotou magnetickeacute indukce při maleacute koercivitě Zaacutekladniacute složkou Vitropermu je Fe
s přiacuteměsemi Si B Nb a Cu
Tab 72 Magnetickeacute vlastnosti Vitropermu 500F uvedeneacute v katalogu vyacuterobce
Saturačniacute
indukce
Statickaacute
koercivita
Přibližnaacute
rezistivita
Curieho
teplota Permebilita
Měrneacute ztraacutety
(100kHz 03T)
Bs [T] Hc [Am] φ [μΩcm] tc[degC] μi PFe [Wkg]
12 lt3 115 gt600 15000hellip150000 80
Na Obr Xx jsou vyacuterobcem uvedeneacute magnetizačniacute charakteristiky Vitropermu 500F a 250F
v porovnaacuteniacute s typickou charakteristikou feritu
Obr 74 Jaacutedra z Vitropermu 500F dosahujiacute oproti běžneacutemu feritu mnohem vyššiacute magnetickeacute indukce
Je zřejmeacute že cena Vitropermovyacutech jader je oproti feritovyacutem mnohem většiacute a to diacuteky naacuteročneacutemu
vyacuterobniacutemu procesu
Společnost VAC ve sveacutem sortimentu nabiacuteziacute jaacutedra s amorfniacute strukturou s obchodniacutem naacutezvem Vitrovac
Vyraacutebiacute se metodou rychleacuteho tuhnutiacute kdy se na studenyacute buben otaacutečejiacuteciacute se rychlostiacute 100kmh vleacutevaacute
skrze keramickou trysku směs materiaacutelů roztavenaacute na teplotu okolo 1300degC a prudce se ochlazuje
(1000000 Ks) na meacuteně než 400degC v 1ms Tiacutem vznikaacute paacuteska tloušťky 20 μm s amorfniacute strukturou
Na Obr 77 je pro představu vyobrazenaacute krystalickaacute amorfniacute a nanokrystalickaacute struktura materiaacutelu
41
Obr 75 Detail na krystalickou strukturu (vlevo) amorfniacute a nanokrystalickou strukturu (vpravo)
Mezi dalšiacute materiaacutely ktereacute VAC nabiacuteziacute patřiacute materiaacutely pro elektrickeacute stroje a zařiacutezeniacute kde je
požadovaacutena vysokaacute hodnota indukce Tyto materiaacutely jsou znaacutemi pod obchodniacutemi naacutezvy Ultraperm
Vacoperm Mumetall Permax Permenorm Megaperm Trafoperm Vacoflux Vacofer a Vacodur
Pro srovnaacuteniacute jsou na Obrxx magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelů Vacoflux 50 Vacoflux 17 a Fe a
Fe 3 přiacuteměsiacute Si
Obr 76 Statickeacute magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelu Vacoflux 50 a Vcoflux 17 dosahuiacute vyšiacute
hodnoty magnetickeacute indukce nasyceniacute než běžnaacute křemiacutekovaacute ocel s obsahem 3 křemiacuteku a Fe 999
42
c) Firma Magnetics
Společnost Magnetics vyraacutebiacute jaacutedra lisovaacuteniacutem prachovyacutech přiacuteměsiacute se zaacutekladniacute složkou Na trhu jsou
znaacutemy pod označeniacutem High Flux MPP (Magnetics Molypermalloy Powder) Kool Mμ a Xflux
1 Jaacutedra High Flux jsou složena ze 79 Ni 17 Fe a 4 Mo Majiacute nejnižšiacute měrneacute ztraacutety ze
všech prchovyacutech jader
2 Jaacutedra MMP obsahujiacute 81 NI 17 Fe a 2 Mo Majiacute vynikajiacuteciacute vlastnosti jakyacutemi jsou
vysokaacute rezistivita niacutezkeacute hysterezniacute ztraacutety a ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy Z všch jader majiacute největšiacute
permeabilitu tiacutem paacutedem i vyššiacute hodnotu saturace
3 Jaacutedra Kool Mμ jsou vyrobena lisovaacuteniacutem prachu železnyacutech slitin a vykazujiacute nejmenšiacute
magnetostrikci
4 Jaacutedra XFlux obsahujiacute prach Fe s přiacuteměsiacute 65 Si Jsou vhodnaacute pro niacutezkofrekvenčniacute a
středofrekvenčniacute tlumivky
Tab 73 Magnetickeacute vlastnosti jader společnosti Magnetics katalogu vyacuterobce
Materiaacutel High Flux MMP Kool Mμ XFlux
Permeabilita 14-160 14-555 26-125 60
(Bs) [T] 15 075 105 16
Jaacutedra žeelezoprachovaacute byacutevajiacute teacutež označovanaacute jako železovaacute jaacutedra a jsou vyraacuteběna lisovaacuteniacutem
izolovaneacuteho praacutešku z magneticky měkkeacuteho materiaacutelu s niacutezkou koercitivniacute silou a vysokou
permeabilitou V současneacute době z tohoto materiaacutelu vyraacutebějiacute jaacutedra kromě firmy Magnetics jen někteřiacute
vyacuterobci a to předevšiacutem vaacutelcovaacute ladiacuteciacute jaacutedra pro laděniacute feritovyacutech hrniacutečkovyacutech jader a kruhovaacute jaacutedra
pro odrušovaciacute ciacutevky a filtračniacute tlumivky měničů napětiacute Zvyšovaacuteniacute objemu izolačniacute laacutetky vede ke
snižovaacuteniacute permeability jader a změně teplotniacute zaacutevislosti samotneacuteho magnetickeacuteho materiaacutelu jaacutedra a
roztažnostiacute jeho jednotlivyacutech složek Volbou směsi magnetickyacutech prachů je možneacute předem definovat
teplotniacute činitel permeability kteryacute může nabyacutevat klasnyacutech zaacutepornyacutech popř i nulovyacutech hodnot
Průmyslově se vyraacutebějiacute jaacutedra z jemnyacutech magnetickyacutech prachů s odstupňovanou permeabilitou
v rozsahu = 7 až 550 Jaacutedra toroidniacute s permeabilitou 7 až 150 se použiacutevajiacute v laděnyacutech obvodech
filtrů pro odrušovaciacute tlumivky jaacutedra s permeabilitou 90 až 550 v napaacutejeciacutech spiacutenaciacutech zdrojiacutech
Vysokeacute permeability je dosaženo materiaacutelovyacutem složeniacute magnetickyacutech prachů a změnou velikosti zrn
Čiacutem většiacute jsou prachovaacute zrna tiacutem vyššiacute je permeabilita diacuteky zvyacutešeniacute poměru magnetickeacuteho materiaacutelu
vůči izolačniacute laacutetce
43
72 Magneticky tvrdaacute feromagnetika
Magneticky tvrdeacute feromagnetickeacute materiaacutely majiacute magnetizačniacute křivku s malou strmostiacute a širokou
hysterezniacute smyčku Vykazujiacute poměrně malou permeabilitu a velkou koercivitu Hclt25middot103
Am
Použiacutevajiacute se pro permanentniacute magnety Vyacutevoj v oblasti těchto materiaacutelů nechal vzniknout celeacute řadě
magnetů odlišujiacuteciacutemi se magnetickyacutemi vlastnostmi konduktivitou mechanickyacutemi vlastnostmi a
ekonomickyacutemi parametry Tvrdaacute feromagnetika lze rozdělit naacutesledovně
a) Uhliacutekoveacute oceli ndash s obsahem 15 uhliacuteku Daacutele byly zdokonaleny legovaacuteniacutem wolframem
chromem a kobaltem a zakaleniacutem na martenzitickou strukturu Naacutesledně byly vyrobeny
mnohem vyacutehodnějšiacute slitiny železa niklu a hliniacuteku (Al-Ni) přiacutepadně kobaltu (Al-Ni-Co)
mědi či titanu Nevyacutehodou slitin Al-Ni a Al-Ni-Co je značnaacute mechanickaacute tvrdost křehkost a
tiacutem paacutedem i obtiacutežnaacute opracovatelnost
b) Tvrdeacute ferity ndash např barioveacute (BaFe12O19) nebo stroncioveacute (SrFe12O19) ferity s obsahem
přibližně 80 železa a asi 20 oxidu baria BaO nebo stroncia SrO Mohou byacutet izotropniacute a
anizotropniacute Niacutezkaacute cena a spolehlivost předurčuje tyto materiaacutely pro užitiacute v automatizačniacute
řiacutediacuteciacute a měřiciacute technice
c) Magnety ze vzaacutecnyacutech zemin ndash složeniacute na baacutezi samarium-kobalt (SmCo5 a Sm2Co17) nebo na
baacutezi neodym-železo-boacuter (Nd2Fe14B) Vyraacutebiacute se procesy praacuteškoveacute metalurgie lisovaacuteniacutem
v magnetickeacutem poli s naacuteslednyacutem speacutekaacuteniacutem Patřiacute k nejvyacutekonnějšiacutem permanentniacutem
magnetům Použiacutevajiacute se v silnoproudeacute počiacutetačoveacute a řiacutediacuteciacute technice a u elektroakustickyacutech
zařiacutezeniacute
d) Plastoveacute magnety ndash jsou vyraacuteběny ve formě plastoveacute nemagnetickeacute matrice v niacutež je plnidlem
jemnyacute praacutešek z vhodnyacutech slitin (alni alnico tvrdeacute ferity či materiaacutely na baacutezi vzaacutecnyacutech zemin)
Mohou byacutet izotropniacute nebo anizotropniacute Vyraacutebiacute se lisovaacuteniacutem nebo slinovaacuteniacutem při vysokeacute
teplotě do libovolneacuteho tvaru Použiacutevajiacute se v slaboproudeacute technice
Obr 77 Srovnaacuteniacute demagnetizačniacutech charakteristik permanentniacutech magnetů
44
73 Měřeniacute hysterezniacutech charakteristik vzorků magnetickyacutech jader
Pro měřeniacute hysterezniacutech charakteristik byl použit systeacutem Remacomp-C2
Přiacuteprava vzorků magnetickyacutech jader pro měřeniacute na systeacutemu Remacom-C2
Na jaacutedra bylo před měřeniacutem navinuto primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Mezi primaacuterniacutem a sekundaacuterniacutem
vinutiacute byl proveden izolačniacute proklad lepiciacute paacuteskou Průměr vodiče a počet zaacutevitů v primaacuterniacutem (N1) a
sekundaacuterniacutem (N2) vinutiacute je uveden v Tab Na Obr jsou již vzorky připraveny pro měřeniacute
Tab 74 Bližšiacute specifikace rozměrů počet zaacutevitů vinutiacute a průměr vodičů
Vyacuterobce Therma FM Vacuumschmelze Magnetics
Jaacutedro C150-30S Vitroperm 500F KoolMμ
Tvar Obdeacutelniacutekoveacute Toroid Toroid
Vnějšiacute průměr [mm] 64x36 323 274
Vnitřniacute průměr mm] 55x16 178 145
Vyacuteška mm] 13 122 117
N2 [z] 47 53 41
N2 [z] 47 53 41
Průměr vodiče [mm] 075 05 05
Měřeniacute je provedeno při frekvenciacutech 50Hz a 300Hz a maximaacutelniacute intenzitě 250 Am u jader
M150-30S a Vitropermu 500F Materiaacutel KoolMμ byl měřen při maximaacutelniacute intenzitě 5950 Am
z důvodů zachyceniacute maximaacutelniacute hodnoty indukce tohoto jaacutedra Na Obr71 až 715 jsou pro
srovnaacuteniacute hysterezniacute uvedeny charakteristiky měřenyacutech materiaacutelů
Obr 78 Vzorky jader připraveneacute na měřeniacute hysterezniacutech charakteristik Vlevo M150-30S uprostřed
Vitroperm 500F a vpravo KoolMμ
45
Obr 79 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
Obr 710 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=250 Am Bmax=157 T
Obr 711 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=250 Am Bmax=153 T
Při frekvenci 300Hz došlo k nepatrneacutemu sniacuteženiacute hodnoty Bmax oproti 50 Hz Intenzita Hc se
ztrojnaacutesobila
Remacomp-C2 nebyl schopen naměřit hysterezniacute smyčku Vitropermu 500F na Obr zcela bezchybně
46
Obr 712 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z Vitropermu 500F měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=279 Am při 50Hz vykazuje odskoky od skutečneacuteho průběhu
Obr 713 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z Vitropermu 500F měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě
intenzity magnetickeacuteho pole Hmax=279 Am při 300 Hz takeacute vykazuje odskoky od skutečneacuteho průběhu
Při změně frekvence z 50 Hz na 300Hz došlo k naacuterůstu koercitivity o pohyacutech 07 Am Materiaacutel
vykazuje velice malou hodnotu remanentniacute indukce pro obě frekvence
47
Obr 714 Hysterezniacute smyčka jaacutedra Kool Mμ změřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity magnetickeacuteho
pole Hmax=5950 Am při 50 Hz
Obr 715 Hysterezniacute smyčka jaacutedra Kool Mμ změřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity magnetickeacuteho
pole Hmax=5950 Am při 300 Hz
48
731 Vyhodnoceniacute naměřenyacutech vyacutesledků
Nejvyššiacute hodnoty indukce dosahujiacute jaacutedra z plechů M150-30S Koercitivniacute intenzita se u jaacutedra z plechů
M150-30S stejně jako u matriaacutelu KoolMμ při změně frekvence z 50 Hz na 300 Hz ztrojnaacutesobila
Niacutezkaacute cena jader KoolMμ je z hlediska naměřenyacutech veličin odpoviacutedajiacuteciacute Jaacutedra Kool Mμ vykazujiacute
amplitudovou permeabilitu μa pouze 77 Vyacuterobce uvaacutediacute hodnotu μa=125
Nejnižšiacute koercitivniacute intenzita byla naměřena u materiaacutelu Vitroperm 500F Měřeniacute magnetickeacuteho jaacutedra
Vitropermu 500F při 50 Hz prokaacutezalo velice niacutezkou koercitivniacute intenzitu Hc= 1Am kteraacute odpoviacutedaacute
uacutedajům z katalogoveacuteho listu Tento špičkovyacute materiaacutel se použiacutevaacute pro sveacute charakteristickeacute vlastnosti
pro jednofaacutezoveacute a trojfaacutezoveacute magnetickeacute obvody ve spiacutenanyacutech napaacutejeciacutech zdrojiacutech frekvenčniacutech
měničiacutech ale i pro běžneacute tlumivky Struktura tohoto materiaacutelu je velice křehkaacute neboť je navinuta
z 20 μm tenkyacutech vrstev Diacuteky tomu neniacute vhodneacute tato jaacutedra dělit řezaacuteniacutem
49
8 Realizovanyacute Adamsův motor
81 Virtuaacutelniacute model Adamsova motor generaacutetoru a jeho praktickaacute
realizace
Model motoru je vytvořen v programu SolidWorks SolidWorks je mocnyacutem naacutestrojem konstrukteacutera a
nabiacuteziacute snadnou optimalizaci modelu
Po vytvořeniacute jednotlivyacutech diacutelů je možneacute tyto diacutely pomociacute vazeb navzaacutejem svaacutezat a tiacutem daacutet okamžitou
představu o chovaacuteniacute modelu
Při naacutevrhu Adamsova motoru jsem vychaacutezel předevšiacutem z rozměrů magnetickyacutech jader statoroveacute čaacutesti
stroje
811 Stator
a) Jako nosnaacute konstrukce pro jaacutedra statoru uloženiacute ložisek uchyceniacute desky plošnyacutech spojů
optickyacutech senzorů sloužiacute dvě tabule z plexiskla tloušťky 8 mm ktereacute tvořiacute nosnou konstrukci
neboť jsou po obvodu vzaacutejemně spojeny šesti zaacutevitovyacutemi tyčemi o průměru 5 mm Na Obr je
zadniacute nosnaacute tabule plexiskla
Obr 81 Zadniacute nosnaacute deska z plexiskla
Otvor průměru 26 mm nachaacutezejiacuteciacute se uprostřed sloužiacute pro uloženiacute kuličkoveacuteho ložiska Skrze
otvory průměru 51 mm po jeho obvodu prochaacuteziacute šrouby pro přichyceniacute krytů ložiska
Naacutesledujiacute otvory určeneacute pro upevněniacute optickyacutech čidel dřevěneacuteho krytu pro zakrytiacute vodičů
připojenyacutech k vinutiacutem a optickyacutem senzorům Skrze podlouhleacute draacutežky jsou šrouby přitaženy
dřevěneacute držaacuteky statorovyacutech jader Vzhledem ke tvaru draacutežky je zajištěna možnost jejich
50
polohovaacuteniacute vzhledem k rotoru Volnyacute prostor na praveacute straně je určen pro upevněniacute desky
plošnyacutech spojů s elektronickyacutemi součaacutestkami
b) Nosneacute držaacuteky pro jaacutedra statoru jsou použity dřevěneacute špaliacuteky do kteryacutech jsou jaacutedra vlepena
epoxidovou pryskyřiciacute
c) Optočleny TCST 2103 jsou přitaženy k jejich dutyacutem dřevěnyacutem držaacutekům imbusovyacutemi šrouby
průměru 3 mm Skrze dřevěneacute držaacuteky jsou kolmo na směr vyacutevodů optočlenu vyvrtaacuteny otvory
pro zaacutevitoveacute tyče jež spolu s našroubenyacutemi matkami přitahujiacute držaacutek s čidlem jedneacute k zadniacute
desce plexiskla statoroveacute čaacutesti stroje Jistaacute uacuteroveň dotaženiacute matce dovoluje držaacutek s čidlem
nataacutečet a měnit tak okamžik sepnutiacute optočlenu
Obr 82 Optočlen TCST 2103 připevněnyacute k dřevěneacutemu držaacuteku
d) Stejnou vzdaacutelenost mezi dvěma plexiskly statoru zajišťujiacute distančniacute trubice skrze ktereacute
prochaacuteziacute zmiacuteněneacute zaacutevitoveacute tyče spojujiacuteciacute obě zaacutekladoveacute tabule plexiskla Tyto trubice jsou
vyrobeny z kostry stojanu pro sušeniacute praacutedla Z estetickyacutech důvodů je na nich navlečena a
zatavena teplem smršťovaciacute bužiacuterka
Postup vytvořeniacute ciacutevky v SolidWorksu
1 V předniacute rovině skici na Obr je pomociacute os X a Y vytvořen souřadnicovyacute systeacutem potřebnyacute pro
tvorbu zaacutekladniacutech vazeb využityacutech při ryacutesovaacuteniacute
2 Čelniacute pohled na jeden poacutel magnetickeacuteho jaacutedra ve statoru na ktereacute maacute byacutet umiacutestěna jedna
budiacuteciacutech ciacutevek je vytvořen z konstrukčniacutech přiacutemek a okoacutetovaacuten rozměry 13 mm x 11 mm
3 Vnitřniacute rozměry ciacutevky jsou z čelniacuteho pohledu oproti jaacutedru na každeacute straně zvětšeny o 05 mm
tedy o tloušťku foacutelie jež tvořiacute kostřičku ciacutevky a malou vzduchovou mezeru umožňujiacuteciacute volneacute
nasunutiacute ciacutevky na magnetickeacute jaacutedro
4 Poloměr zaobleniacute vnitřniacute čaacutesti kostry ciacutevky je 08 mm
51
Obr 81 Skica naacutevrhu diacutelu
5 Vnějšiacute rozměry ciacutevky jsou daacuteny počtem vrstev zaacutevitů a celkovyacutem činitelem plněniacute ciacutevky
Deset vrstev zaacutevitů vodičem 03 mm spolu s izolačniacute a nosnou kostrou ciacutevky vytvořiacute 4 mm
vysokou vrstvu zaacutevitů v roziacutech zaoblenou se stejně velkyacutem poloměrem 4mm Vnějšiacute a vnitřniacute
zaobleniacute rohů je od rovnyacutech segmentů skici odděleno uacutesečkami čiacutemž je skica dokončena
6 Využitiacutem funkce přidaacuteniacute vytaženiacutem a jejiacute aplikaciacute na jednotliveacute segmenty skici je ciacutevka
symetricky vytažena do prostoru na deacutelku 19 mm Zamiacutetnutiacutem funkce sloučit vyacutesledky při
vytaženiacute jsou všechny segmenty ciacutevky vytvořeny jako samostatneacute objekty čiacutemž odpadaacute
děleniacute modelu v Ansysu
Obr 82 Model ciacutevky
Magnetickaacute jaacutedra použitaacute ve statoru jsou původně určena pro jednofaacutezoveacute jaacutedroveacute transformaacutetory
Jaacutedro transformaacutetoru je při vyacuterobě naviacutejeno na obdeacutelniacutekoveacute kopyto o rozměrech odpoviacutedajiacuteciacutech
požadovaneacute velikosti okna pro primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Jaacutedro je po navinutiacute
z transformaacutetoroveacuteho plechu rozřiacuteznuto na dvě poloviny jak je zřejmeacute z Obr xx čiacutemž je možneacute do
magnetickeacuteho obvodu nasunout primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute
V našem přiacutepadě je pro každeacute magnetickeacute jaacutedro statoru použita pouze jedna polovina zmiacuteněneacuteho
transformaacutetoroveacuteho jaacutedra Okno statoroveacuteho jaacutedra určeneacute pro umiacutestěniacute obou vinutiacute statoru maacute pouze
polovičniacute deacutelku oproti transformaacutetoru a na straně řezu je otevřeno
52
Obr 83 Pohled na uloženiacute vinutiacute
Obě budiacuteciacute ciacutevky jsou nasunuteacute na jednom jaacutedru statoru a jsou totožneacute tj majiacute stejnyacute počet zaacutevitů
vinutyacutech vodičem o stejneacutem průřezu Jsou spojena do seacuterie a spolu s magnetickyacutem jaacutedrem tvořiacute jeden
z osmi statorovyacutech magnetickyacutech obvodů
Na Obr Xx je bližšiacute pohled na rozloženiacute vodičů v průřezu ciacutevkou Každaacute vrstva zaacutevitů ciacutevky obsahuje
63 zaacutevitů v deseti vrstvaacutech
Obr 84 Rozloženiacute zaacutevitů
Počet zaacutevitů v jedneacute ciacutevce je daacuten naacutesobkem počtu zaacutevitů v jedneacute vrstvě a množstviacute vrstev tedy
63x10= 630 zaacutevitů Jelikož jsou obě ciacutevky na magnetickeacutem jaacutedru spojeny do seacuterie celkovyacute počet
zaacutevitů je dvojnaacutesobnyacute tedy 1260 zaacutevitů Protože statorovaacute jaacutedra odděluje od rotoru vzduchovaacute mezera
05 mm jsou obě vinutiacute od konce jaacutedra umiacutestěny ve vzdaacutelenosti 2 mm pro zajištěniacute bezpečneacute
vzdaacutelenosti od otaacutečejiacuteciacuteho se rotoru Naacutesledkem toho se do jedneacute vrstvy ciacutevky vleze menšiacute počet
zaacutevitů bliacuteže zpraženyacutech s magnetickyacutem tokem v jaacutedru
Počet vrstev obou vinutiacute je teacutež omezen a to jednak velikostiacute okna a mezerou 5 mm mezi oběma
vinutiacutemi Tato mezera zajišťuje možnost volneacuteho nasunutiacute vinutiacute na magnetickeacute jaacutedro a umožňuje
lepšiacute odvod tepla do okoliacute
53
Pro dosaženiacute konstantniacute vzduchoveacute mezery mezi vyniklyacutemi poacutely rotoru a jaacutedry ve statoru jsou konce
statorovyacutech jader zbroušeny na poloměr bliacutezkyacute poloměru plechů v rotoru
Kostřička ciacutevky
Pro vyacuterobu kostřiček ciacutevek posloužila plastovaacute folie určenaacute pro krytiacute předniacute strany dokumentu
svaacutezaneacuteho v kroužkoveacute vazbě Po vyřezaacuteniacute a ohnutiacute do požadovaneacuteho tvaru byla a slepena
oboustrannou lepiciacute paacuteskou
Obr 83 Kostřička ciacutevky vyrobenaacute z plastoveacute folie
Naviacutejeniacute ciacutevek
Pro naviacutejeniacute ciacutevek se realizovalo ručniacute naviacuteječkou s mechanickyacutem počiacutetadlem Na Obr84 je vidět že
obě ciacutevky jsou navinuty nepřerušenyacutem vodičem Obě ciacutevky majiacute 630 zaacutevitů
Obr 84 Pro zpevněniacute čel ciacutevek během naviacutejeniacute na plastovou kostřičku posloužily 5mm širokeacute destičky
z pertinaxu Draacutežky v nich vybroušeneacute umožnily zachyceniacute vyacutestupniacuteho vodiče ciacutevky pod navlečenou
gumičku Levaacute destička pertinaxu je odniacutematelnaacute po uvolněniacute dotaženeacuteho šroubu
Hotovaacute ciacutevka navinutaacute na kostřičce z plastoveacute folie je na Obr Po navinutiacute ciacutevky se čela kostřičky
(plastoveacute folie) zahnula přes horniacute vrstvu zaacutevitů a navzaacutejem slepila sekundovyacutem lepidlem
Obr 85 Pohled na ciacutevku zpevněnou kostřičkou z plastoveacute folie
54
Statoroveacute jaacutedro s ciacutevkami
Na každeacute z osmi statorovyacutech jader jsou nasunuty dvě seacuteriově spojeneacute ciacutevky Pro pevneacute zachyceniacute obou
vinutiacute je použit pružnyacute tmel
Obr 86 Pohled na statoroveacute jaacutedro s nasunutyacutem vinutiacutem
Uchyceniacute statorovyacutech jader
Statorovaacute jaacutedra jsou pevně zalepena epoxidovou plyskyřiciacute do dřevěnyacutech sloupků Po obou stranaacutech
sloupku jsou vyvrtaacuteny otvory v nižchž jsou vyřezaacuteny zaacutevity pro šrouby Dotaženiacutem šroubu jsou
sloupky s jaacutedry pevně uchyceny v deskaacutech z plexiskla
Obr 87 Pohled na jaacutedro zalepeneacute v dřevěneacutem držaacuteku
55
812 Rotor
Průměr rotoru a jeho konstrukčniacute řešeniacute je navrženo s ohledem na rozměry jader ve statoru a velkou
hmotnost dynamoplechů
e) Z velikosti okna pro primaacuterniacute vinutiacute je odvozena potřebnaacute vyacuteška permanentniacutech magnetů a
počet vrstev dynamoplechů v rotoru
f) Rozměry hřiacutedele jsou voleny s ohledem na použitaacute kuličkovaacute ložiska o vnitřniacutem průměru 10
mm a hmotnost rotorovyacutech plechů a je počiacutetaacuteno s jistou rezervou v přiacutepadě působeniacute vyššiacutech
momentů setrvačnosti celeacuteho rotoru Hřiacutedel a středoveacute přiacuteruby zajišťujiacute pevneacute přichyceniacute
středoveacuteho pouzdra permanentniacutech magnetů jelikož jsou vzaacutejemně spojeny čtyřmi šrouby
Hřiacutedel a středoveacute přiacuteruby jsou vysoustruženy z mosazi
Obr 88 Hřiacutedel je vysoustruženaacute z mosazneacute kulatiny
Na Obr je pohled na celkovou sestavu rotoru a statorovaacute jaacutedra Ke hřiacutedeli jsou přiacuteruby připevněny
ve čtyřech miacutestech
Obr 89 Pohled na rotor a jaacutedra statoru opatřenaacute vinutiacutem
g) Přiacuteruby pro uchyceniacute středoveacuteho pouzdra rotoru v němž jsou uloženy magnety jsou
vysoustruženy z mosazi stejně tak i přiacuteruba pro komutačniacute disk Přiacuteruby jsou ke hřiacutedeli pevně
dotaženy imbusovyacutemi šrouby
56
Obr 810 Jedna přiacuterub pro upevněniacute středoveacuteho pouzdra magnetů ke hřiacutedeli
h) Středoveacute pouzdro nesouciacute dynamoplechy a magnety je složeno z třiacute vrstev plexiskla tloušťky
2x4 mm + 1x5 mm Maacute tedy tloušťku 13 mm stejně jako vnitřniacute rozměr okna jaacutedra statoru
Přiacuteruby navlečeneacute na hřiacutedeli z obou stran stahujiacute plexiskla středoveacuteho pouzdra čiacutemž je pevně
spojujiacute s hřiacutedeliacute
Obr 811 Středoveacute pouzdro permanentniacutech magnetů
i) Dynamoplechy jsou po obou stranaacutech středoveacuteho pouzdra navrstveny na požadovanou vyacutešku
11 mm což odpoviacutedaacute přiacuteslušneacutemu rozměru jaacutedra v jeho řezu Při tloušťce dynamoplechu 05
mm je na obou stranaacutech pouzdra 22 vrstev dynamoplechu Jak dynamoplechy tak i středoveacute
pouzdro v sobě majiacute vyřezaacuteny otvory pro zaacutevitoveacute tyče a diacuteky matkaacutem dotaženyacutem po obou
stranaacutech rotoru spojujiacute navzaacutejem tyto čaacutesti s hřiacutedeliacute
Obr 812 Jedna sekce rotoru je složenaacute z 22 vrstev dynamoplechů
j) K dobreacutemu staženiacute dynamoplechů nejen v miacutestech kde k nim ze stran přileacutehajiacute matky
přispiacutevajiacute kryciacute kotouče z plexiskla na Obr813
57
Obr 813 Otvorem uprostřed kryciacuteho kotouče prochaacuteziacute hřiacutedel a je možneacute se diacuteky němu dostat na
šrouby připevňujiacuteciacute přiacuteruby rotoru pevně k řčiacutedeli
Vyacuteroba vyniklyacutech poacutelů rotoru
Rotoroveacute plechy jsou do požadovaneacuteho tvaru na Obr814 vyřezaacuteny pomociacute vodniacute pily Tryska
zařiacutezeniacute žene proud vodniacuteho paprsku spolu s abrazivem kolmo na řezanyacute objekt
Obr 814 Skica rotorovyacutech plechů s vyznačenyacutemi miacutesty pro umiacutestěniacute permanentniacutech magnetů
Na Obrxx zachycena vodniacute pila během vyřezaacutevaacuteniacute požadovaneacuteho tvaru rotoru do tabule
dynamoplechu o rozměrech 1x1metr
58
Obr 815 Sniacutemek pořiacutezenyacute během řezaacuteniacute dynamoplechu vodniacutem paprskem s abrazivem
Magnetickaacute čaacutest obvodu obvod rotoru se sklaacutedaacute ze dvou sekciacute mezi nimiž jsou umiacutestěny permanentniacute
magnety ktereacute sloužiacute jako zdroj magnetickeacuteho pole Každaacute sekce je vytvořena navrstveniacutem
dynamoplechů do vrstvy 11 mm Při tloušťce dynamoplechu to odpoviacutedaacute 22 vrstvaacutem v každeacute sekci
Obr 816 Čelniacute pohled na zkompletovanyacute rotor
Komutaacutetor
Komutaacutetor je realizovaacuten průhlednou foacuteliiacute s černyacutem potiskem Pravidelneacute střiacutedaacuteniacute průsvitnyacutech a
černyacutech oblastiacute na foacutelii během otaacutečeniacute rotoru zajišťuje pravidelneacute přerušovaacuteniacute IR paprsku v osmi
optoelektronickyacutech spiacutenačiacutech TCST 2103 rozmiacutestěnyacutech pravidelně okolo obvodu komutačniacute folie
Na foacutelii je sedm černyacutech a sedm průsvitnyacutech vyacutesečiacute což odpoviacutedaacute počtu sedmi vyniklyacutech poacutelů v obou
sekciacutech rotoru oddělenyacutech permanentniacutemi magnety Nastaveniacute optimaacutelniacute uacutehlu natočeniacute komutačniacute
folie bylo stanoveno měřeniacutem pro uacutehly natočeniacute 1285deg 5 deg 0deg a -1285deg Vyacutesledky jsou shrnuty
v zaacutevěru praacutece
59
Obr 817 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 1285deg
Obr 818 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 5deg
Obr 819 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 0deg
Obr 820 Nastaven uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie -1285deg
Na Obr je čelniacute pohled na realizovanyacute komutaacutetor Po obvodu jsou rovnoměrně rozmiacutestěny černeacute
dřevěneacute držaacuteky s optočleny skrze ktereacute prochaacuteziacute uacutezkeacute zaacutevitoveacute tyče zbroušeneacute tak aby uvnitř držaacuteku
nepoškodily přiacutevodniacute vodiče optočlenů Dotaženiacutem matek našroubovanyacutech na zaacutevitoveacute tyče je možneacute
pevně přitaacutehnout
60
Obr 821 Fotorgrafie realizovaneacuteho komutaacutetoru
Obr 822 Podrobnějšiacute pohled s popisem čaacutestiacute
Optoelektronickeacute
spiacutenače TCST 2103
Jaacutedra statoru
Vinutiacute statoru
Komutaacutetor
s regulaciacute předstihu
Vynikleacute poacutely
rotoru
61
Zkompletovanyacute motor
Na Obr jsou na nosneacute desce namontovaacutena statorovaacute jaacutedra
Obr 823 Horniacute pohled na nosnou desku Uprostřed desky je vidět nachaacuteziacute kryt ložiska
Vodiče ciacutevek na magnetickyacutech jaacutedrech jsou zavedeny do bdquočokolaacutedldquo přišroubovanyacutech po bočniacutech
stranaacutech dřevěnyacutech držaacuteků jader
Obr 824 Bočniacute pohled na dřevěneacute držaacuteky jader statoru
Vyacutevody z čokolaacuted jsou protaženy do dřevěneacuteho tunelu zobrazenyacute ze spodniacute strany na Obr kteryacute
sloužiacute jako ochrana před otaacutečejiacuteciacutem se rotorem
Obr 825 Spodniacute strana kryciacuteho tunelu před vyvrtaacuteniacutem otvorů pro přichyceniacute k nosneacute desce
62
Obr 826 Čelniacute pohled na hotovyacute model Adamsova motoru
Obr 827 Redukce připevněnaacute na hřiacutedeli sloužiacute pro zvětšeniacute jejiacuteho průměru při spojeniacute spojeniacute
motoru s dynamometrem
63
82 Elektrickyacute obvod
821 Popis a scheacutema zapojeniacute
Elektronickaacute čaacutest je spiacutenaacutena přerušovaacuteniacutem infračerveneacuteho paprsku dopadajiacuteciacuteho na fototranzistor
v optočlenu Paprsek prochaacuteziacute průsvitnou čaacutestiacute foacutelie ve chviacuteli kdy jsou vynikleacute poacutely rotoru v čelniacute
pozici se statorovyacutemi jaacutedry a ciacutevky umiacutestěneacute na těchto jaacutedrech v nich majiacute vybudit magnetickyacute
indukčniacute tok opačneacuteho směru oproti toku vystupujiacuteciacuteho z rotorovyacutech poacutelů Naacutesledkem siloveacuteho
působeniacute mezi magnetickyacutemi poli rotoru a statoru je rotor roztaacutečen
Obr 828 Scheacutema zapojeniacute elektrickeacuteho obvodu pro řiacutezeniacute motoru Obvod v praveacute čaacutesti obraacutezku za
přerušovanou čarou se opakuje celkem 4x Pro ušetřeniacute miacutesta je tedy zobrazena pouze jedna čtvrtina
zapojeniacute
Elektrickyacute obvod je možneacute rozdělit na čaacutest vyacutekonovou kteraacute je od čaacutesti niacutezko přiacutekonoveacute oddělena
řiacutediacuteciacute elektrodou vyacutekonovyacutech MOSFET tranzistorů IRF540 Na Obr xx je pro zmenšeniacute ušetřeniacute
miacutesta zobrazena pouze jedna čtvrtina čaacutesti scheacutematu elektrickeacuteho obvodu V leveacute čaacutesti scheacutematu jsou
vyznačena miacutesta připojeniacute napaacutejeciacuteho napětiacute Pro laboratorniacute měřeniacute je vhodneacute vzaacutejemně je oddělit
Kladnyacute poacutel stejnosměrneacuteho napaacutejeciacuteho napětiacute o velikosti 5-31 V je pojen k ciacutevkaacutem skrze konektory
L1až L8 k ke statorovyacutem vinutiacutem Stejnosměrneacute napětiacute 10 ndash 35 V DC je připojeno přes stabilizaacutetor
napětiacute 7808 a Rezistory R1 a R2 k optočlenům TCST 2103 ktereacute jsou ve scheacutematu zastoupeny
vyacutevody označenyacutemi EM1 a DET1 Ty Zkratkovitě označujiacute přiacuteslušnyacute emitor IR zaacuteřeniacute (infračervenaacute
dioda) a detektor (fototranzistor pro infračerveneacute spektrum) implementovaneacute v pouzdru optočlenu
Hodnoty odporů jsou stanoveny na zaacutekladě snahy omezit proud řiacutediacuteciacuteho obvodu na nejnižšiacute hodnotu a
zaacuteroveň zachovat spraacutevnou funkci obvodu Jmenovitaacute hodnota proudu emitorem je 20mA Proud
tekouciacute skrze EM1 až EM8 je nastaven předřadnyacutemi rezistory 6K8 na hodnotu cca 1mA Paprsek
prochaacuteziacute skrze průsvitnou čaacutest komutaacutetoru nebo je přerušen černě potištěnou čaacutestiacute Pokud paprsek
dopadaacute na detektor a otviacuteraacute jej a proud může prochaacutezet přes odpory 39K předřazeneacute detektorům Za
detektory jsou napojeny Schmittovi klopneacute obvody na jejichž vstupech se objeviacute napětiacute v přiacutepadě že
je detektor paprskem neosviacutecen Klopneacute obvody jsou napaacutejeny napětiacutem ze stabilizaacutetoru a na sveacutem
64
vyacutestupu majiacute toteacutež napětiacute pokud je na jejich vstupu napětiacute nuloveacute V jednom pouzdře integrovaneacuteho
obvodu 40106N se nachaacuteziacute 6 investujiacuteciacutech hradel Paralelniacutem spojeniacute třiacute je sniacutežen odpor hradla na
třetinu Naacutesleduje vyacutekonovyacute MOSFET tranzistor IRF560 s odporem přechodu elektrod DS v
sepnuteacutem stavu 44m Ω Niacutezkaacute vyacutekonovaacute ztraacuteta těchto tranzistorů snižuje ztraacutetovyacute vyacutekon na minimum
v porovnaacuteniacute s bipolaacuterniacutemi tranzistory Je-li na vstupniacute elektrodu G připojeno kladneacute napětiacute tranzistor
se otevře a umožniacute průchod proudu přiacuteslušnyacutem vinutiacutem připojenyacutem ke konektoru L1až L8
822 Deska plošnyacutech spojů
Deska plošnyacutech spojů vytvořenaacute stejně tak jako scheacutema v programu Eagle
Obr 829 Deska plošnyacutech spojů elektronickeacute ho obvodu z pohledu součaacutestek
Navrženaacute deska plošnyacutech spojů je vyrobena bdquofotocestouldquo Působeniacutem zdroje ultrafialoveacuteho světla
dojde ke změně chemickeacute struktury fotocitliveacute vrstvy kteraacute se nachaacuteziacute v miacutestech prosviacuteceniacute průsvitneacute
předlohy DPS Po rozpuštěniacute osviacuteceneacute vrstvy fotocitliveacuteho laku v hydroxidu sodneacutem byla deska
omyta vodou a odleptaacutena v chloridu železiteacutem
Obr 830 Osvit desky plošnyacutech spojů 11W UV zaacuteřivkou
65
Obr 831 Hotovaacute deska po odvrtaacuteniacute otvorů pro vyacutevody součaacutestek a protaženiacute vodičů do dřevěneacuteho
kryciacuteho tunelu
66
9 Magnetostatickaacute analyacuteza Adamsova motoru
91 Vyacutepočet zjednodušeneacuteho magnetickeacuteho obvodu
911 Feromagnetika v magnetickeacutem obvodu
Permanentniacute magnety použiteacute rotoru jsou neodymoveacute (Nd-Fe-B) s magnetizaciacute N38 a maximaacutelniacute
pracovniacute teplotě 80degC Magnety majiacute tvar vaacutelce Požadovanaacute vyacuteška magnetů je 13 mm a odpoviacutedaacute
přiacuteslušneacutemu rozměru okna jader ve statoru Požadovaneacute vyacutešky bylo dosazeno spojeniacutem magnetu o
vyacutešce 10 mm a magnetu o vyacutešce 3 mm Magnety majiacute průměr 15mm
Demagnetizačniacute charakteristika magnetu je na Obr
Obr 91 Druhyacute kvadrant pracovniacutech hysterezniacutech smyček B(H) a J(H)=B(H)-μ0H
permanentniacuteho magnetu s magnetizaciacute N38 měřeno při 26degC
Magnetickaacute jaacutedra statoru jsou vyrobena z FeSi transformaacutetoroveacuteho plechu s anizotropniacute strukturou o
jakosti M150-30 Materiaacutel maacute poměrně niacutezkou konduktivitu tedy niacutezkeacute ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy
Magnetickeacute čaacutesti rotoru jsou z dynamoplechů izotropniacute struktury o jakosti M600 - 50
Vyacutepočet magnetickeacute indukce a intenzity magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře mezi rotorovyacutem a
statorovyacutem poacutelem
Magnetickyacute obvod se sklaacutedaacute z permanentniacuteho magnetu dvou vyniklyacutech poacutelů rotoru dvou
vzduchovyacutech mezer a jaacutedra statoru
-14
-12
-1
-08
-06
-04
-02
0
02
04
06
08
1
12
14
-1 200 -1 100 -1 000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0
J B [T]
H [kAm]
Demagnetizačniacute charakteristika NdFeB magnetu (N38)
J magnetu
B magnetu
B vakau
HBHmax=473 kAm BHmax=294 kJm3
BBHmax=0612 T B
J
μ0H
HC=-937 kAm
67
Obr 92 Magnetickyacute obvod s permanentniacutem magnetem
Pro středniacute indukčniacute čaacuteru naznačenou v magnetickeacutem obvodu přerušovanou čarou platiacute podle prvniacute
Maxwellovy rovnice v integraacutelniacutem tvaru
kde indexy značiacute M permanentniacute magnet žr železo rotoru v vzduchovou mezeru a žs železo statoru
Železo rotoru (dynamoplechy) a železo statoru (transformaacutetoroveacute plechy) jsou feromagneticky měkkeacute
materiaacutely Pro zjednodušeniacute vyacutepočtu předpoklaacutedaacuteme že jejich permeability tj jejich
magnetickeacute odpory a tedy i magnetickaacute napětiacute a jsou zanedbatelně maleacute
takže pro intenzitu magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře platiacute
Pro magnetickyacute indukčniacute tok permanentniacuteho magnetu platiacute
kde je činitel rozptylu ve vzduchoveacute mezeře a jestliže k rozptylu toku nedochaacuteziacute tak
Magnetickyacute indukčniacute tok ve vzduchoveacute mezeře je vyjaacutedřen
Pro magnetickyacute indukčniacute tok permanentniacuteho magnetu platiacute
takže magnetickaacute indukce ve vzduchoveacute mezeře je
(19)
(20)
(21)
(22)
(23)
BM HM
lM
lžr
lžr
lv
lv
lžs
Bv
Hv
Sv
Sžr Sžs
SM
Hžr
Hžr
Hžs Bžs
Bžr
Bžr
J
S
Sžr
Bv
Hv
68
odtud
Z rovnosti rovnic (19) a (24)
lze vyjaacutedřit magnetickou indukci permanentniacuteho magnetu jako
kde veličina Nd je tzv demagnetizačniacute činitel pro nějž platiacute
Pro dosazeniacute do (24) je zapotřebiacute stanovit hodnotu činitele rozptylu magnetickeacuteho toku ve vzduchoveacute
mezeře Stanoviacuteme odhadem (
Pro dosazeniacute do (24) je daacutele zapotřebiacute stanovit průřez magnetu Při průměru 15 mm je
Průřez vzduchoveacute mezery mezi statorem a rotorem vypočteme jako aritmetickyacute průměr průřezu poacutelu
jaacutedra statoru a průřezu vynikleacuteho poacutelu rotoru Skutečneacute průřezy poacutelu statoru a rotoru lze jednoduše
odečiacutest z virtuaacutelniacuteho modelu v DesignModeleru Ansysu jak je naznačeno na Obr93 a na Obr94
Průřez poacutelu statoroveacuteho jaacutedra SS je dle DesignModeleru 14328 mmsup2
Obr 93 Po označeniacute plochy jaacutedra statoru vypočte DesignModeler jejiacute průřez
(24)
(25)
(26)
(27)
(28)
(29)
69
Průřez vynikleacuteho poacutelu rotoru SR je dle DesignModeleru 29128 mmsup2
Obr 94 Po označeniacute plochy vynikleacuteho poacutelu rotoru vypočte DesignModeler jeho průřez
Po dosazeniacute průřezů je aritmetickyacute průměr průřezu vzduchoveacute mezery
Vyacuteška použiteacuteho magnetu je daacutena součtem vyacutešek dvou na sobě umiacutestěnyacutech magnetů 10mm a 3 mm
tedy =13 mm
Řešenyacute magnetickyacute obvodu obsahuje dvě vzduchoveacute mezery o velikosti 1 mm Celkovaacute deacutelka
vzduchoveacute mezery je daacutena součtem těchto dvou deacutelek tedy =2 mm
Dosazeniacute všech potřebnyacutech hodnot do rovnice (24) vypočiacutetaacuteme demagnetizačniacute činitel
Dosazeniacutem demagnetizačniacuteho činitele do rovnice pro magnetickou indukci magnetu (26) ziacuteskaacuteme
rovnici přiacutemky
jejiacutež průsečiacutek s demagnetizačniacute křivkou permanentniacuteho magnetu na Obrxx stanoviacute pracovniacute bod
permanentniacuteho magnetu
Z grafu na Obr 95 je možneacute odečiacutest hodnotu magnetickeacute indukce permanentniacuteho magnetu v
pracovniacutem bodu BM=1 T a odpoviacutedajiacuteciacute hodnotu intenzity magnetickeacuteho pole HM=1 T
(30)
(31)
70
Obr 95 V průsečiacuteku přiacutemky s demagnetizačniacute charakteristikou se nachaacuteziacute pracovniacute bod P
permanentniacuteho magnetu v magnetickeacutem obvodu se vzduchovou mezerou
Zvětšeniacutem vzduchoveacute mezery v magnetickeacutem obvodu se zvětšiacute demagnetizačniacute činitel Nd tj zvětšiacute se
směrovyacute uacutehel přiacutemky z hodnoty α na hodnotu α1 a pracovniacute bod P se posune do polohy P1 jak je
naznačeno na Obr96
Obr 96 V průsečiacuteku přiacutemky s demagnetizačniacute charakteristikou se nachaacuteziacute pracovniacute bod
permanentniacuteho magnetu
00
02
04
06
08
10
12
14
-1 000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0
J B [T]
H [kAm]
Stanoveniacute pracovniacuteho bodu magnetu na demagnetizačniacute
charakteristice
B magnetu
Bm=-NdHm
BM=1 T
HM=-183 kAm
P
Br=124 T
HC=-937 kAm
71
Zmenšiacute-li se opět vzduchovaacute mezera na původniacute velikost nevraacutetiacute se pracovniacute bod P1 do sveacute původniacute
polohy v bodě P ale do polohy P2 po křivce k2 Smyčka složenaacute z křivek k1 a k2 je malaacute hysterezniacute
smyčka Přibližně ji můžeme nahradit uacutesečkou P1 P2 sviacuterajiacuteciacute s osou H uacutehel β Pohybuje-li se pracovniacute
bod po maleacute hysterezniacute smyčce jde vratneacute změny tj zanikne-li přiacutečina posuvu pracovniacuteho bodu vraciacute
se pracovniacute bod do sveacute původniacute polohy Pohyb pracovniacuteho bodu po hlavniacute hysterezniacute smyčce je
nevratnyacute K podobnyacutem jevům dochaacuteziacute když miacutesto změn vzduchoveacute mezery působiacuteme na permanentniacute
magnet magnetickyacutem polem ktereacute zvětšuje nebo zmenšuje jeho tok Všechny dalšiacute pohyby
pracovniacuteho bodu probiacutehajiacute přibližně po přiacutemce P1 P2 pokud směrovyacute uacutehel α nepřestoupiacute hodnotu uacutehlu
α1 Překročiacute-li tuto hodnotu pohybuje se pracovniacute bod opět po hlavniacute hysterezniacute smyčce a při naacutevratu
zpět k původniacute hodnotě uacutehlu α přechaacuteziacute na novou bdquomalou hysterezniacute smyčku vyznačenou na Obrxx
čaacuterkovaně [20]
Magnetickaacute indukce ve vzduchoveacute mezeře
Intenzita magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře
(32)
(33)
72
92 Vyacutepočet magnetickeacuteho obvodu v ANSYS Workbench
Magnetickaacute indukce - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 97 Pohled na rozloženiacute magnetickeacute indukce v obvodu při I=0A
Obr 98 Zobrazeniacute vektorů magnetickeacute indukce při I=0A
73
Magnetickaacute indukce - horniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 99 Rozloženiacute magnetickeacute indukce při I=0A
Obr 910 Zobrazeniacute vektorů magnetickeacute indukce při I=0A
74
Intenzita magnetickeacuteho pole - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 911 Rozloženiacute intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
Obr 912 Zobrazeniacute vektorů intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
75
Intenzita magnetickeacuteho pole - horniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 913 Rozloženiacute intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
Obr 914 Zobrazeniacute vektorů intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
76
Rozloženiacute siacutely působiacuteciacute na poacutely rotoru vlivem přiacutetažneacute siacutely permanentniacuteho magnetu
Obr 915 Siacutela mezi poacutely rotoru
Přitažlivaacute siacutela mezi poacutely rotoru v miacutestě magnetu je daacutena rozdiacutelem maximaacutelniacute a minimaacutelniacute hodnoty sil
(34)
77
Magnetickaacute indukce při proudu 1 A - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru při
921 Rozběh motoru
Uacutekolem je naleacutezt nejmenšiacute hodnotu proudu tekouciacuteho vinutiacutem statoroveacuteho jaacutedra při ktereacute dojde k
rozběhu motoru Vychaacutezejme z toho že přiacutetažnaacute siacutela působiacuteciacute na jedno jaacutedro statoru ktereacute je
v zarovnaneacute pozici s vyniklyacutemi poacutely rotou musiacute byacutet vlivem proudu tekouciacuteho vinutiacutem
Proud by měl miacutet takovou velikost aby v jaacutedru statoru vybudil magnetickyacute tok opačneacute polarity oproti
magnetickeacutemu toku vystupujiacuteciacuteho z protějšiacuteho vynikleacuteho poacutelu rotoru A to s takovyacutemi silovyacutemi
uacutečinkly aby byl došlo k pootočeniacute rotoru do pozice ve ktereacute se vedlejšiacute vynikleacute poacutely rotoru začnou
přitahovat k vedlejnšiacutemu statoroveacutemu jaacutedru Celyacute proces se poteacute opakuje i u dalšiacutech jader
Středniacute hodnota proudu tiacutemto vinutiacutem se během rozběhu motoru snižuje až na konstntniacute hodnotu
Dojdek k ustaacuteleniacute otaacuteček a doby průchodu proudu jednotlivyacutemi vinutiacutemi
78
Na Obr je graf průběhu siacutely působiacuteciacute na jaacutedro statoru ve směru osy x při změně velikosti proudu
tekouciacuteho vinutiacutem
Obr 916 Průběh siacutely při změně proudu
Z Obr919 je zřejmeacute že nuloveacute siacutely v ose x na jaacutedro statoru bude dosaženo při proudu 700 mA Tudiacutež
proud vědšiacute než 700 mA vyvolaacute odpuzeniacute rotorovyacutech poacutelů a celyacute proces se opakuje i u ostatniacutech
statorovyacutech jader
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
0 100 200 300 400 500 600 700
I [mA]
Fx [N]
Fx=f(I)
Fx= -2841 N
79
Na Obr je naacutezorně vidět zarovnanyacute vyniklyacute poacutel rotoru s jaacutedrem ve statoru
Obr 917 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru se statorovyacutem jaacutedrem při nuloveacute siacutele na magnetickeacute jaacutedro
Obr 918 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru s jaacutedrem ve statoru bez přiacutetomnosti proudu
Prochaacuteziacute-li vinutiacutem proud 700mA půsovyacute ma magnetickeacute jaacutedro ve směru osy x nulovaacute siacutela Rozloženiacute
magnetickeacute indukce je na Obr
α=0deg
Fx=0 N
I=700 mA
α=0deg
Fx=-2841 N
I=0 mA
80
Obr 919 Rozloženiacute indukce v obvodu při proudu tekouciacutem vinutiacute 700mA
Obr 920 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru s jaacutedrem ve statoru při proudu tekouciacutem vinutiacute 700mA
81
922 Průběhy sil působiacuteciacute na rotor během pootočeniacute
Na obr je osa jaacutedra(v praveacutem rohu) zarovnaacutena s osou vynikleacuteho poacutelu rotoru (vyznačeno červeně) a
naacutesledujiacuteciacute vyniklyacute poacutel rotoru je oproti statoroveacutemu jaacutedru (vpravo) pootočen o uacutehel α = -643deg
Obr 921 Při pootočeniacute rotoru o uacutehel α = -643deg působiacute na rotor siacutela ve směru FY= -5645 N
Průběh siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor během nataacutečeniacute proti směru hodinovyacutech ručiček mezi uacutehly
pootočeniacute v meziacutech α= -643deg až 0deg
Hodnoty jsou vypočiacutetaacuteny v Ansysu s krokem 02 deg a proloženy přiacutemkou
Obr 922 Průběh siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor během pootočeniacute od -643deg do 0deg a vyznačeneacute hodnoty
siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor pro hodnoty natočeniacute uacutehlu α= -643deg a -5deg
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
F [N]
α [deg]
Fy=f(α)
α=-643deg FY=-5645 N
Fy= - 5645 N
I=0 mA
82
Obr 923 Průběh siacutely působiacuteciacute na rotor v ose y během pootočeniacute od -643deg do 0deg a vyznačeneacute hodnoty
siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor pro hodnoty natočeniacute uacutehlu α= -643deg a -5deg
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
N [Nmm]
α [deg]
Fx=f(α)
83
10 Měřeniacute na realizovaneacutem motoru
V Tab101 jsou hodnoty odporu jednotlivyacutech vinutiacute měřeneacute při 20 degC
Tab 101 Hodnoty odporů vinutiacute
Časoveacute průběhy napětiacute a proudu byly naměřeny pomociacute profesionaacutelniacuteho dvoukanaacuteloveacuteho USB
osciloskopu Handyscope HS3 s parametry uvedenyacutemi v tabulce Tab102 Spojeniacutem osciloskopu s PC
bylo možneacute pomociacute napěťoveacute a proudoveacute sondy naměřit časoveacute průběhy napětiacute a proudu Použitaacute
proudovaacute sonda disponuje maximaacutelniacutem rozlišeniacutem 100 mVA
Tab 102 Vlastnosti Osciloskopu Handyscope HS3
Vstup Vyacutestup
max vzorkovaciacute frekvence 100MSs vzorkovaciacute frekvence 50MSs
volitelneacute rozlišeniacute 12-16 bitů rozlišeniacute 12 bitů
maximaacutelniacute napětiacute 200V napětiacute 0 plusmn12 V
impedance 1M Ω20pF maximaacutelniacute proud 05 A DC
Na Obr 101 je zachycen časovyacute průběh napětiacute a proudu změřenyacute na jednom z osmi vinutiacute statoru při
napětiacute 30V a mechanickeacute zaacutetěži Mz = 015 Nm
Rc1 Rc2 Rc3 Rc4 Rc5 Rc6 Rc7 Rc8
[Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω]
203 203 205 202 204 205 202 203 2034
84
Obr 101 Změřeneacute průběhy napětiacute a proudu na vinutiacute během zatiacuteženiacute momentem 015Nm
Hodnoty proudu změřeneacute osciloskopem jsou posunuty o stejnosměrnou složku směrem do
zaacutepornyacutech hodnot Tato chyba znehodnocuje naměřeneacute vyacutesledky proudu uvedeneacute v tabulce a
vznikla z neznaacutemeacute přiacutečiny jako důsledek nastaveniacute citlivosti proudoveacute soncy na hodnotu
100mVA
Tab 103 Hodnoty naměřeneacute osciloskopem Handyscope HS3
Umax Umin Up-p Uef Ustř Δt
[V] [V] [V] [V] [V] [ms]
2958 -7996 10992 3401 -0983 1419
Imax Imin Ip-p Ief Istř f
[mA] [mA] [mA] [mA] [mA] [Hz]
26459 -2276 49219 11375 2421 7048
Na Obr je vidět vysokonapěťovaacute špička opačneacute polarity vzhledem k napaacutejeciacutemu napětiacute kteraacute
dosahuje hodnoty -7996 V Vznikaacute důsledkem naacutehleacuteho přerušeniacute dodaacutevky proudu do obvodu ciacutevky
Magnetickeacute pole vytvořeneacute v magnetickeacutem obvodu se po přerušeniacute dodaacutevky proudu kteryacute jej vybudil
snažiacute zabraacutenit sveacute změně a zachovat proud v elektrickeacutem obvodu čiacutemž zpětně do elektrickeacuteho obvodu
vinutiacute indukuje vysokeacute napětiacute opačneacute polarity Dochaacuteziacute ke zpětneacute indukci napětiacute do elektrickeacuteho
obvodu Tento děj vyjadřuje druhaacute Maxwellova rovnice o zaacutekonu elektromagnetickeacute indukce
v diferenciaacutelniacutem tvaru vyjaacutedřeneacute vztahem
85
Na Obr je teacutež patrnyacute zaacutekmit napětiacute na konci zaacuteporneacute napěťoveacute špičky Tento zaacutekmit je způsoben
parazitniacute kapacitou vinutiacute Časovaacute konstanta s jakou děj odezněniacute je daacutena RLC parametry obvodu
Každyacute způsob provedeniacute vinutiacute maacute sveacute charakteristickeacute vlastnosti předevšiacutem vlastniacute kapacitu vinutiacute
V praxi se např požadavek na sniacuteženiacute vlastniacute kapacity vinutiacute u transformaacutetorů realizuje dvěma
způsoby
a) zmenšeniacute napěťoveacuteho rozdiacutelu mezi vrstvami popř sekcemi vinutiacute nebo zmenšeniacutem vzaacutejemneacute
kapacity těchto čaacutestiacute jejich odděleniacutem
b) sniacuteženiacutem dielektrickeacute konstanty konstrukčniacutech materiaacutelů využitiacutem vhodnyacutech izolantů pro
izolaci vodičů
Nejviacutece možnostiacute nabiacuteziacute prvniacute varianta jež se uplatňuje u hraacutezoveacuteho křiacutežoveacuteho i kotoučoveacuteho vinutiacute
Obvykle neniacute uacutečelneacute ani hospodaacuterneacute dělit vinutiacute viacutece než na tři komory Čiacutem nižšiacute bude celkovyacute činitel
vinutiacute tiacutem menšiacute bude kapacita vinutiacute Impregnaciacute vinutiacute se vlastniacute kapacita vinutiacute zvyšuje asi o 30 až
50 V přiacutepadě spojeniacute jednoho vyacutevodu vinutiacute s magnetickyacutem jaacutedrem se vlastniacute kapacita vinutiacute zvětšiacute
přibližně o 20 [19]
Za zaacutepornou vysokonapěťovou špičkou a zaacutekmitem napětiacute způsobenyacutem parazitniacute kapacitou v obvodu
je vidět na Obr půlperioda sinusoveacuteho průběhu napětiacute zaacuteporneacute polarity Toto napětiacute je v obvodu
indukovaacuteno diacuteky průchodu magnetickeacuteho toku vystupujiacuteciacuteho z vyniklyacutech poacutelů rotoru během otaacutečeniacute
Magnetickyacute tok vystupuje z poacutelů rotoru a uzaviacuteraacute se přes jaacutedro statoru čiacutemž v jeho vinutiacute indukuje
napětiacute
(35)
86
Na Obr102 zaacuteznam sinusoveacuteho průběhu napětiacute indukovaneacuteho ve vinutiacute statoroveacuteho jaacutedra ktereacute bylo
odpojeno od napaacutejeniacute
Obr 102 Časovyacute průběh napětiacute indukovaneacuteho ve vinutiacute během otaacutečeniacute rotoru
Obr 103 Časovyacute průběh napětiacute a proudu při napětiacute 30 V a zatiacuteženiacute momentem 005 Nm
87
101 Měřeniacute zaacutekladniacutech charakteristik
Motor byl pro změřeniacute charakteristik spojen s cize buzenyacutem dynamometrem Možnost regulace
zaacutetěžneacuteho momentu změnou odporu kotvy dynamometru a velikostiacute budiacuteciacuteho proudu umožnila
naměřit průběh momentovyacutech mechanickyacutech a rychlostniacutech charakteristik Spojeniacute hřiacutedele
s tachodynamem naviacutec umožnilo měřit indukovaneacute napětiacute během jednotlivyacutech měřeniacute a vypočiacutetat z něj
otaacutečky Na Obr104 je schematicky naznačena soustava dynamometru a motoru pro měřeniacute
zatěžovaciacute charakteristiky motoru
Obr 104 Soustava pro měřeniacute zatěžovaciacutech charakteristik motoru
Pro změřeniacute zaacutekladniacutech charakteristik potřebnyacutech pro vyacutepočet uacutečinnosti motoru byl využit cize buzenyacute
dynamometr s Iab=5 A(10)
102 Vyacutepočet uacutečinnosti
Pro přiacuteklad vyacutepočtu dosadiacuteme do uvedenyacutech vztahů hodnoty veličin při nichž vyšla uacutečinnost motoru
maximaacutelniacute
Jelikož proud tekouciacute do vinutiacute je stejnosměrnyacute stanoviacuteme přiacutekon motoru součinem napětiacute zdroje o
konstantniacute velikosti 31 V s proudem tekouciacutem obvodem
Po dosazeniacute
Vyacutekon motoru je roven
přičemž pro uacutehlovou rychlost vyjaacutedřenou z otaacuteček platiacute vztah
(36)
(37)
(38)
Ua
Rb Umot
88
Po dosazeniacute
Vyacutekon je po dosazeniacute uacutehloveacute rychlosti
Uacutečinnost motoru při zanedbaacuteniacute ztraacutet v elektronickeacutem obvodu je daacutena vyacuterazem
Podiacutelem vyacutekonu a přiacutekonu je vyacuteslednaacute uacutečinnost
(39)
(40)
(41)
(42)
(43)
89
Charakteristiky změřeneacute při změně zaacutetěžneacuteho momentu M=005 až 05 Nm a napětiacute 31V
Obr 105 Změna otaacuteček v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
Obr 106 Změna proudu v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
50
150
250
350
450
550
650
750
850
950
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
n [otmin]
P2 [W]
n=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
0
05
1
15
2
25
3
35
4
2 4 6 8 10 12 14
I [A]
P2 [W]
I=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
90
Obr 107 Změna přiacutekonu v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
Obr 108 Změna uacutečinnosti v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
0
20
40
60
80
100
120
140
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
P1 [W]
P2 [W]
P1=f(P2)
-1285deg
5deg
1285deg
0deg
000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
η []
P2 [W]
η=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
ηmax=355
P2=86 W
91
Obr 109 Změna uacutečinnosti v zaacutevislosti na momentu při U=31V
000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045 05 055 06
η []
M [Nm]
η=f(M)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
ηmax=355
M=019 Nm
0
01
02
03
04
05
06
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000 1 100
M [Nm]
n [otmin]
Momentoveacute charakteristiky motoru
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
92
Charakteristiky změřeneacute při změně napaacutejeciacuteho napětiacute U=5 až 31V M=015 Nm
Obr 1010 Změna proudu v zaacutevislosti na napětiacute při M=015 Nm
Obr 1011 Změna otaacuteček v zaacutevislosti na napětiacute při M=015 Nm
0
02
04
06
08
1
12
14
16
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
I [A]
U [V]
I=f(U)
5deg
0deg
1285deg
-1285deg
I=078 A
0
100
200
300
400
500
600
700
800
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
n [otmin]
U [V]
n=f(U)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
93
Zaacutevěr
Na zaacutekladě existence měřitelneacuteho kvantově mechanickeacuteho projevu Casimirova jevu se člověk alespoň
teoreticky přibliacutežil k pochopeniacute podstaty vakua Pohled na vakuum jako na systeacutem v němž je možno
za jistyacutech okolnostiacute pozorovat vysokofrekvenčniacute elektromagnetickeacute fluktuace i při teplotaacutech bliacutezkyacutech
0K může nabiacutezet novou perspektivu a přiacutestup ke strojům s věčnyacutem pohybem Vnějšiacute projevy
elektromagnetickeacuteho charakteru vakuovyacutech fluktuaciacute nejsou za běžnyacutech okolnostiacute zjevneacute neboť je
v tomto stavu zajištěna jejich symetrie K porušeniacute symetrie však dochaacuteziacute mezi dvěma bliacutezkyacutemi
deskami v Casimirově pokusu
Permanentniacute magnet se v jisteacutem ohledu může jevit jako systeacutem jež svojiacute přiacutetomnostiacute narušuje tuto
symetrii elektromagnetickyacutech fluktuaciacute vakua a tiacutem v okolniacutem prostoru projevuje jeho dynamickou
jinak skrytou povahu formou projevu permanentniacuteho magnetickeacuteho pole V tomto ohledu by mohl byacutet
projev stavu narušeniacute symetrie vakuovyacutech fluktuaciacute uacuteměrnyacute energii vloženeacute do permanentniacuteho
magnetu během procesu magnetovaacuteniacute Tento nekonvenčniacute pohled na permanentniacute magnetismus
umožňuje objasnit vstup energie vakua do systeacutemu s permanentniacutemi magnety jakyacutem by mohl byacutet
např Johnsonův magnetickyacute motor složenyacute pouze z permanentniacutech magnetů Pokud tento motor
opravdu fungoval a vyacuteše nastiacuteněnaacute teorie by byla pravdivaacute neniacute tento systeacutem již možno povařovat za
izolovanyacute od sveacuteho okoliacute neboť samotnaacute povaha vakua by v tomto přiacutepadě umožňovala napaacutejeniacute
tohoto systeacutemu
V tomto ohledu se jeviacute zajiacutemavyacute i systeacutem pro přeměnu energie elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute na
užitečnou elektrickou energii popisovanaacute v šesteacute kapitole V tomto systeacutemu kmitajiacute drobneacute
dielektrickeacute struktury vytvořeneacute např elektronovou litografiiacute vlivem siloveacuteho působeniacute fluktuaciacute
elektromagnetickyacutech poliacute vakua a tiacutem v mikroskopickyacutech anteacutenaacutech mezi strukturami indukujiacute
využitelnou formu energie Tyto kmity jsou v přiacutemeacutem poměru k frekvenci zaacuteřeniacute avšak mnohem nižšiacute
frekvenci Využitiacutem moderniacutech technologickyacutech postupů a vysoce jakostniacutech materiaacutelů se v tomto
ohledu nabiacuteziacute nepřeberneacute možnosti pro experimentovaacuteniacute
Realizace modelu Adamsova motor generaacutetoru kterou jsem prakticky provedl (však pouze ve funkci
motoru) měla za ciacutel stanovit uacutečinnost tohoto systeacutemu neboť informace popisujiacuteciacute tento stroj hovořiacute
teacutež o vstupu energie vakua do tohoto systeacutemu čiacutemž je uacutedajně možno dosaacutehnout uacutečinnosti přesahujiacuteciacute
100 Autor Robert Adams stanovil uacutečinnost sveacuteho motor generaacutetoru na zaacutekladě několik dnů
trvajiacuteciacuteho měřeniacute Měřil průběhy napětiacute na vstupniacute baterii jež stroj napaacutejela a bateriiacutech ktereacute
postupně připojoval na elektrickyacute vyacutestup stroje Během činnosti stroje dochaacutezelo k postupneacutemu
dobiacutejeniacute bateriiacute na vyacutestupu V jisteacutem ohledu jsou hodnoty napětiacute při průběžneacutem měřeniacute určityacutem
ukazatelem uacutečinnosti stroje avšak pro vyacutepočet přesneacute uacutečinnosti daneacute poměrem vyacutekonu a přiacutekonu by
bylo zapotřebiacute do vyacutepočtu zahrnout i proudy prochaacutezejiacuteciacute obvodem
Dynamoplechy (M600-50) pro rotor a transformaacutetorovaacute jaacutedra (M150-30s) pro stator jsem zakoupil u
společnosti Therma FM a permanentniacute magnety přes internetovyacute obchod Unimagnetcz Virtuaacutelniacute
model motoru vytvořenyacute v programu SolidWorks jsem importoval do programu ANSYS Workbench
a provedl v něm magnetostatickou analyacutezu Analyzoval jsem magnetickyacute obvod složenyacute z jedneacute
osminy statoru (pouze jedno jaacutedro) vzduchoveacute mezery a vynikleacuteho poacutelu rotoru při nuloveacutem proudu ve
statoroveacutem vinutiacute Takteacutež jsem magnetickyacute obvod řešil zjednodušenyacutem vyacutepočtem v němž jsem
94
zanedbal reluktanci železa rotoru i statoru rozdiacutel ve tvaru průřezů statorovyacutech i rotorovyacutech poacutelů a
odhadem jsem stanovil činitel rozptylu v okoliacute vzduchoveacute mezery Vypočiacutetal jsem pro danyacute
magnetickyacute obvod demagnetizačniacute činitel a vykresleniacutem přiacutemky byl nalezen pracovniacute bod P
permanentniacuteho magnetu Bod P vytiacutenaacute na přiacuteslušnyacutech osaacutech demagnetizačniacute charakteristiky
odpoviacutedajiacuteciacute hodnoty BM a HM permanentniacuteho magnetu Z nich byly vypočteny hodnoty indukce a
intenzity ve vzduchoveacute mezeře
Hodnoty magnetickeacute indukce a intenzity magnetickeacuteho pole v prostoru vzduchoveacute mezery vypočteneacute
na zaacutekladě zjednodušeniacute obvodu a hodnoty vypočteneacute v ANSYSu se v přiacutepadě indukce lišiacute o hodnotu
0177 T což vzhledem ke zjednodušeniacute vyacutepočtu a odhadu činitele rozptylu přibližně odpoviacutedaacute Rozdiacutel
v hodnotaacutech intenzity magnetickeacuteho pole činiacute 188 kAm což je opět vzhledem k zjednodušeniacutem
vyhovujiacuteciacute hodnota
Pomociacute programu Ansys byla stanovena nejnižšiacute hodnota proudu (700 mA) tekouciacuteho do vinutiacute
vybraneacuteho jaacutedra statoru při jeho zarovnaacuteniacute s rotorovyacutemi poacutely kteraacute způsobiacute vyrušeniacute přiacutetažneacute siacutely
působiacuteciacute na statoroveacute jaacutedro vlivem permanentniacute magnetizace rotoroveacuteho poacutelu Teoreticky proud většiacute
než 700mA způsobiacute pootočeniacute rotoru a naacuteslednyacute rozběh
Daacutele byly graficky stanoveny průběhy sil v osaacutech x a y působiacuteciacutech na rotor během jeho pootočeniacute o
uacutehel 643deg kdy došlo k zarovnaacuteniacute sousedniacutech poacutelů rotoru a statoru
Změřeniacutem zaacutekladniacutech zatěžovaciacutech charakteristik pomociacute dynamometru byly stanoveny průběhy
momentovyacutech charakteristik pro různeacute uacutehly natočeniacute komutačniacuteho disku vzhledem k rotoru Z grafu
průběhu uacutečinnosti v zaacutevislosti na momentu byla odečtena nejvyššiacute hodnota uacutečinnosti motoru 355
pro natočeniacute komutačniacuteho disku o 5deg a odpoviacutedajiacuteciacute zaacutetěžnyacute moment 019 Nm Tato uacutečinnost je v
porovnaacuteniacute se stejně vyacutekonnyacutemi motory běžnyacutech konstrukciacute poměrně niacutezkaacute Jedniacutem z hlavniacutech
faktorů jež ovlivnil vyacuteslednou uacutečinnost je tvar statorovyacutech jader ktereacute majiacute velkou vzduchovou
mezeru Tiacutem paacutedem dochaacuteziacute ke značneacutemu rozptylu toku magnetickeacute indukce skrze prostor mezi
statorovyacutemi poacutely
Natočeniacutem komutačniacuteho disku do polohy 0deg došlo ke značneacutemu sniacuteženiacute uacutečinnosti na hodnotu okolo 14
majiacuteciacute přiacutečinu ve špatneacutem načasovaacuteniacute počaacutetku průchodu proudu do přiacuteslušneacuteho vinutiacute Vzaacutejemneacute
siloveacute působeniacute magnetickyacutech indukčniacutech toků z jaacutedra a rotoru působilo brzdnyacutem uacutečinkem čiacutemž
došlo ke sniacuteženiacute uacutečinnosti motoru
Momentoveacute charakteristiky jsou teacuteměř lineaacuterniacute Největšiacute moment 05 Nm byl naměřen při napětiacute 31
V při 180 otmin a to v přiacutepadě že komutačniacute disk byl pootočen o 1285deg
95
Použitaacute literatura
[1] Hubbertpeak [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwhubbertpeakcomhubbert19561956pdf
[2] Multimediaacutelniacute studijniacute texty z mineralogie [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpmineralogiescimuniczkap_6_2_termodynkap_6_2_termodynhtm
[3] Molecular and cellular immunology Institute of malecular genetics academy of science of the
Czech Republic Praguee [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpmciimgcasczpdfZakony_termodynamikypdf
[4] Uacutestav teoretickeacute fyziky MFF UK [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httputfmffcuniczvyukaOFY016F2001CermakPhtm
[5] Galileo [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpgalileoandeinsteinphysicsvirginiaedumore_stuffflashletsmmexpt6htm
[6] Encyclopedia Britanica [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwbritannicacomEBcheckedtopic600149Evangelista-Torricelli
[7] ABZ slovniacutek ciziacutech slov [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z httpslovnik-cizich-
slovabzczwebphpslovohorror-vacui-horor-vakui
[8] RAFELSKI Johannn a Berndt MUumlLLER The structured vaccum Thinking about nothing
Published electrically 2006 ISBN 3-97144-889-3
[9] Uacutestav jaderneacute fyziky AV ČR veřejnaacute vyacutezkumnaacute instituce [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httphpujfcascz~wagnerpopclanvakuumvakuumhtml_ftn2
[10] Aldebaran [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwaldebaranczbulletin2011_10_kazphp
[11] Aldebaran [online] Casimir - Network 2005 [cit 2014-05-08] Dostupneacute z httpcasimir-
networkfrIMGpdfCasimir_20effectpdf
[12] KVASNICA Jozef Statistickaacute fyzika Vyd 2 Praha Academia 1998 314 s ISBN 80-200-
0676-1
[13] Aldebaran [online] Annenberg learning 2005 [cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwlearnerorgcoursesphysicsvisualanimationhtmlshortname=PHY06_FermiTrap0
3A
[14] Cornell University Library arXivorg [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httparxivorgpdf10115219v1pdf
[15] Fyzikaacutelniacute sekce Matematicko-fyzikaacutelniacute fakulty UK [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpphysicsmffcuniczkfppskriptakurz_fyziky_pro_DSwwwfyzikahtml
[16] FEYNMAN Richard Phillips Feynmanovy přednaacutešky z fyziky s řešenyacutemi přiacuteklady 1 vyd
Havliacutečkův Brod Fragment 2001 806 s ISBN 80-720-0420-4
[17] VALONE Thomas Zero Point Energy The Fuel of the Future United States Integrity
Research Institiute 2007 228 s ISBN 9780964107021
96
[18] KING Moray B Quest for Zero Point Energy Engineering Principles for Free Energy
Engineering Principles for Free Energy United States Integrity Research Institiute 2001 224 s
ISBN 9780932813947
[19] FAKTOR Zdeněk Transformaacutetory a ciacutevky 1 vyd Praha BEN - technickaacute literatura 1999
393 s ISBN 80-860-5649-X
[20] MAYER Daniel a Josef POLAacuteK Metody řešeniacute elektrickyacutech a magnetickyacutech poliacute [vysokošk
učebnice pro elektrotechn fakulty] 1 vyd Praha SNTL 1983 450 s
[21] ABZ slovniacutek ciziacutech slov [online cit 2014-05-12] Dostupneacute z httpslovnik-cizich-
slovabzczwebphpslovohorror-vacui-horor-vakui
[22] Wikipedie [online cit 2014-05-12] Dostupneacute z httpcswikipediaorgwikiVakuum
[23] VALONE Thomas Practical Conversion of Zero-Point Energy Feasibility Study of the
Extraction of Zero-Point Energy from the Quantum Vacuum for the Performance of Useful
Work United States Integrity Research Institiute 2005 90 s ISBN 9780964107083
[24] BEARDEN By John Bedini and TE Free energy generation circuits 2nd ed Santa Barbara
Calif Cheniere Press 2006 806 s ISBN 09-725-1468-6
[25] Straacutenky věnovaneacute potlačovaneacute vědě a zatajovanyacutem vynaacutelezům [online cit 2014-05-08]
Dostupneacute z httpfree-energyxfczJOHNSONSampMhtm
[26] ADAMS Robert The Adams pulsed motor generator manual 46 Landing Roat Whakanate
Nex Zealand 1992
Hžs Intenzita magnetickeacuteho pole železa statoru [Amiddotm-1
]
Nd Demagnetizačniacute činitel [-]
lM Deacutelka permanentniacuteho magnetu [m]
lv Deacutelka vzduchoveacute mezery [m]
Činitel rozptylu ve vzduchoveacute mezeře [-]
PFe Měrneacute ztraacutety [Wkg]
E Intenzita elektrickeacuteho pole [Vmiddotm-1
]
q Naacuteboj [C]
qe Naacuteboj elektronu [C]
v Rychlost [mmiddots-1
]
μ Magnetickyacute moment [Amiddotmsup2]
J Moment setrvačnosti [kgmiddotm2]
m Hmotnost [kg]
I Proud [A]
r Poloměr [m]
M Moment siacutely [Nmiddotm]
Mz Zaacutetěžnyacute moment [Nm]
φ Rezistivita [μΩcm]
μ0 Permeabilita vakua [Hmiddotm-1
]
μr Relativniacute permeabilita [-]
P1 Přiacutekon [W]
P2 Vyacutekon [W]
ω Uacutehlovaacute rychlost [rad-1
]
n Otaacutečky [otmiddotmin-1
]
Uacutečinnost []
Δx Změna polohy
Δp Změna hybnosti
Δt Časovaacute změna
ΔE Změna energie
ħ Redukovanaacute Planckova konstanta [Jmiddots]
h Planckova konstanta [Jmiddots]
8
Obsah
1 Uacutevod 10
2 Energetickeacute zdroje ve formě fosilniacutech paliv 11
3 Zaacutekony termodynamiky 12
31 Nultyacute zaacutekon termodynamiky 12
32 Prvniacute zaacutekon termodynamiky 12
321 Perpetuum mobile prvniacuteho druhu 13
33 Druhyacute zaacutekon termodynamiky 13
331 Perpetuum mobile druheacuteho druhu 13
34 Třetiacute zaacutekon termodynamiky 13
4 Vakuum 14
41 Eacuteter vyplňujiacuteciacute praacutezdnyacute prostor 14
42 Heisenbergův princip neurčitosti 16
43 Virtuaacutelniacute čaacutestice 17
44 Casimirův jev 17
441 Casimirova siacutela 18
442 Aparatura pro měřeniacute Casimirova jevu 18
443 Tepelnyacute Casimirův jev 19
5 Magnetismus 21
51 Magnetickeacute pole a jeho siloveacute uacutečinky 21
52 Magnetickyacute moment moment hybnosti a precese momentu hybnosti 22
6 Nekonvenčniacute elektrickeacute stroje 25
61 Johnsonův motor 26
62 Adamsův motor generaacutetor 29
63 Systeacutem pro přeměnu energie elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute na elektrickou energii 36
7 Feromagnetickeacute materiaacutely 37
71 Magneticky měkkaacute feromagnetika 37
711 Vyacuterobci měkkyacutech feromagnetickyacutech materiaacutelů 38
72 Magneticky tvrdaacute feromagnetika 43
73 Měřeniacute hysterezniacutech charakteristik vzorků magnetickyacutech jader 44
9
731 Vyhodnoceniacute naměřenyacutech vyacutesledků 48
8 Realizovanyacute Adamsův motor 49
81 Virtuaacutelniacute model Adamsova motor generaacutetoru a jeho praktickaacute realizace 49
811 Stator 49
812 Rotor 55
82 Elektrickyacute obvod 63
821 Popis a scheacutema zapojeniacute 63
822 Deska plošnyacutech spojů 64
9 Magnetostatickaacute analyacuteza Adamsova motoru 66
91 Vyacutepočet zjednodušeneacuteho magnetickeacuteho obvodu 66
911 Feromagnetika v magnetickeacutem obvodu 66
92 Vyacutepočet magnetickeacuteho obvodu v ANSYS Workbench 72
921 Rozběh motoru 77
922 Průběhy sil působiacuteciacute na rotor během pootočeniacute 81
10 Měřeniacute na realizovaneacutem motoru 83
101 Měřeniacute zaacutekladniacutech charakteristik 87
102 Vyacutepočet uacutečinnosti 87
Zaacutevěr 93
10
1 Uacutevod
Ekologickeacute probleacutemy spojeneacute s těžbou a využiacutevaacuteniacutem fosilniacutech paliv za uacutečelem vyacuteroby elektrickeacute
energie přivaacutediacute lidstvo k naleacutehaveacute potřebě hledat jineacute alternativniacute zdroje Ciacutelem teacuteto praacutece je
nabiacutednout čtenaacuteři informace o zajiacutemavyacutech vlastnostech bdquopraacutezdneacuteho prostoruldquo ve spojitosti s energiiacute
vněm obsaženou Možnosti velice přesneacuteho laboratorniacuteho měřeniacute dnes totiž nabiacuteziacute novyacute pohled na
povahu teacuteto energie Tzv Casimirův jev utvaacuteřiacute novyacute pohled na vakuum jako na systeacutem s dynamickou
povahou kteraacute se za jistyacutech podmiacutenek projevuje silovyacutemi uacutečinky
Představme si systeacutem využiacutevajiacuteciacute pro svou činnost energii vyvěrajiacuteciacute ze zdroje jež se nachaacuteziacute za
hraniciacute našeho vniacutemaacuteniacute daleko za možnostiacute našich smyslovyacutech orgaacutenů naacutem tento zdroj přiacutemo
zprostředkovat Pokud takovyacute systeacutem opravdu existuje existuje zcela jistě i široce rozšiacuteřenaacute barieacutera
lidskeacute neochoty si tuto skutečnost připustit Faktem zůstaacutevaacute že vše je v pohybu od nejmenšiacute struktury
počiacutenaje až po velkeacute teorie konče
Naacutesledujiacuteciacute citaacutet pochaacuteziacute od jednoho z prvniacutech zakladatelů kvantoveacute teorie
bdquoPrincip energie je zaacuteležitost zkušenosti Pokud by tedy jednoho dne měla byacutet jeho všeobecnaacute platnost
zpochybněna což v atomoveacute fyzice neniacute vyloučeneacute pak by se probleacutem perpetua mobile stal naacutehle
aktuaacutelniacutemldquo Max Planck
V přiacutepadě že v prvniacutem momentu nezavrhneme fakt že vlastně neviacuteme kolik toho viacuteme musiacuteme
připustit že je možneacute cokoliv
Počaacutetkem systematickeacuteho zkoumaacuteniacute elektromagnetickyacutech jevů se lidstvu do rukou dostalo mnoho
uacutežasnyacutech strojů a zařiacutezeniacute S vyacutevojem novyacutech materiaacutelů a technologiiacute se staacutele nabiacuteziacute možnosti objevit
noveacute Oblast vyacutevoje magnetickyacutech materiaacutelů neniacute v tomto ohledu vyacutejimkou proto se ve sveacute praacuteci
zabyacutevaacutem i jimi a měřeniacutem jejich hysterezniacutech charakteristik
Na zaacutekladě informaciacute hovořiacuteciacutech o elektrickyacutech strojiacutech ktereacute uacutedajně pracujiacute i bez zjevneacuteho zdroje
vstupniacute energie stojiacute za snahu věnovat tomuto teacutematu alespoň čaacutest sveacute pozornosti Podstata
vesmiacuternyacutech jevů může byacutet totiž daleko za rovnicemi popisujiacuteciacutemi to co je naacutem znaacutemo nyniacute
Jak přihlaacutesil Albert Einstein
bdquoŽaacutedneacute množstviacute pokusů nikdy nemůže dokaacutezat že jsem měl pravdu Jedinyacute pokus však kdykoliv může
dokaacutezat že jsem se myacutelilldquo
V tomto ohledu se v diplomoveacute praacuteci zaměřuji předevšiacutem na motory opředeneacute zvlaacuteštniacutemi informacemi
a pokoušiacutem se o realizaci vzorku Adamsova motoru Vyacutesledky měřeniacute a vyacutepočtů shrnuji v zaacutevěru
praacutece
11
2 Energetickeacute zdroje ve formě fosilniacutech paliv
V současnosti pokryacutevajiacute největšiacute podiacutel energetickeacute spotřeby lidstva zdroje fosilniacutech paliv Zejmeacutena
uhliacute ropa a zemniacute plyn Americkyacute geolog M King Hubbert předložil světu v roce 1956 teorii tzv
Hubbert Peak Theory znaacutemou teacutež pod naacutezvem peak oil Tato teorie se tyacutekaacute dlouhodobeacute těžby a
spotřeby ropy a ostatniacute fosilniacutech paliv Teacutehož roku M K Hubbert nabiacutedl Americkeacutemu ropneacutemu
institutu model tyacutekajiacuteciacute se znaacutemyacutech zaacutesob ropy Podle tohoto modelu měly Spojeneacute staacutety dosaacutehnout
vrcholu produkce ropy mezi rokem 1965 a 1970 Podle M K Hubberta by mělo byacutet vrcholu v
celosvětoveacute produkci ropy dosaženo přibližně o půl stoletiacute později od publikovaacuteniacute jeho teorie [1]
Na Obr 1 je křivka ve tvaru zvonu vytvořenaacute M K Hubbertem na zaacutekladě předpokladu že rezervniacutem
objemem suroveacute ropy je cca 250 miliard barelů Křivka reprezentuje celosvětovou produkci suroveacute
ropy zjištěneacute rezervy a předpoklaacutedaneacute zaacutesoby objeveneacute v budoucnu
Obr 1 Křivka vyacutevoje produkce ropy ve spojenyacutech staacutetech podle M K Hubberta [1]
Produkce ropy kopiacuteruje tvar zvonu tudiacutež v celosvětoveacutem měřiacutetku nedojde k naacutehleacutemu nedostatku ropy
Pokud dosaacutehne celosvětovaacute produkce ropy sveacuteho vrcholu v roce 2000 tak v roce 2020 bude na stejneacute
hodnotě jako v roce 1980 Nicmeacuteně v roce 2020 bude oproti roku 1980 světovaacute populace lidiacute zhruba
dvojnaacutesobnaacute a naacutesledkem značneacuteho zprůmyslněniacute světa bude spotřeba ropy prudce narůstat
Vyacutesledkem snižujiacuteciacutech se zaacutesob ropy je naacuterůst jejiacute ceny Jako naacutesledek nedostatku ropy je možneacute
očekaacutevat vaacutelečneacute konflikty vyspělyacutech zemiacute s ciacutelem ziacuteskat přiacutestup k ropnyacutem zdrojům a udržet si tiacutem
jistou ekonomickou stabilitu Způsoby přeměny energie spalovaacuteniacutem fosilniacutech paliv spojeneacute s
neohleduplnostiacute vůči planetě Zemi a jejiacutem obyvatelům přivaacutediacute člověka k naleacutehaveacute potřebě doplnit a
postupně nahradit staacutevajiacuteciacute energetickeacute zdroje zdroji alternativniacutemi
12
3 Zaacutekony termodynamiky
V dějinaacutech lidstva se objevilo mnoho pokusů o realizaci strojů jež by pracovaly s uacutečinnostiacute většiacute než
100 Snaha realizovat stroj s věčnyacutem pohybem je na programu mnoha konstrukteacuterů i v dnešniacute době
Zejmeacutena na internetu nalezneme mnoho odkazů na různorodeacute konstrukce mechanickyacutech a
elektrickyacutech strojů Zejmeacutena u čistě mechanickyacutech strojů je na prvniacute pohled patrneacute že nemohou
pracovat v nepřetržiteacutem chodu a třeniacute nakonec způsobiacute jejich zastaveniacute Nicmeacuteně lze narazit i na
konstrukce elektrickyacutech strojů doprovaacutezeneacute vlivnyacutem komentaacuteřem jež se opiacuteraacute o teorii kteraacute popisuje
vakuum jako prostor vyplněnyacute energiiacute Na kvantoveacute uacuterovni uacutedajně dochaacuteziacute ve vakuu k
nepřetržityacutem fluktuaciacutem elektromagnetickyacutech poliacute vlivem vzniku a zaacuteniku kladnyacutech a zaacutepornyacutech
virtuaacutelniacutech čaacutestic Bliacuteže se k tomuto fenomeacutenu vraacutetiacutem v naacutesledujiacuteciacute kapitole
Na zaacutekladě interakce s okoliacutem lze systeacutemy rozdělit naacutesledovně
a) izolovaneacute ndash v idealizovaneacutem přiacutepadě např termoska u ktereacute nedochaacuteziacute k vyacuteměně energie ani
hmotnyacutech čaacutestic
b) uzavřeneacute ndash např z obou stran uzavřenaacute trubice u niacutež dochaacuteziacute k vyacuteměně energie s okoliacutem
avšak bez vyacuteměny hmotnyacutech čaacutestic
c) otevřeneacute ndash např strom kteryacute si okoliacutem vyměňuje jak energii tak hmotneacute čaacutestice
31 Nultyacute zaacutekon termodynamiky
Systeacutemy v termickeacute rovnovaacuteze majiacute stejnou teplotu Nultyacute zaacutekon zavaacutediacute teplotu jako
termodynamickou veličinu
32 Prvniacute zaacutekon termodynamiky
Vnitřniacute energie (U) izolovaneacuteho systeacutemu je konstantniacute Změna vnitřniacute energie dU je součtem tepla
ktereacute bylo do systeacutemu dodaacuteno (dQ) a praacutece kteraacute byla na systeacutemu vykonaacutena (dW)
Změnu vnitřniacute energie můžeme zapsat jako
Veličina dW je objemovou praciacute Jde o změnu objemu dV v systeacutemu za konstantniacuteho tlaku P Změna
objemoveacute praacutece se vyjaacutedřiacute rovniciacute
Změnu vnitřniacute energie můžeme zapsat jako
(1)
(2)
(3)
13
Dodaacuteme-li např krystalu energii ve formě tepla vzroste jeho vnitřniacute energie o tolik kolik se
nespotřebuje na praacuteci spojenou s růstem jeho objemu (expanziacute) [2]
321 Perpetuum mobile prvniacuteho druhu
Produkuje nejmeacuteně tolik energie kolik samo spotřebuje Jakmile je jednou stroj spuštěn může
pracovat po neomezeně dlouhou dobu
33 Druhyacute zaacutekon termodynamiky
Druhyacute zaacutekon je postaven na definici entropie kteraacute je extenzivniacute funkciacute definujiacuteciacute stav systeacutemu
Zjednodušeně řečeno entropie definuje neuspořaacutedanost syteacutemu Celkovaacute změna entropie v uzavřeneacutem
systeacutemu je součtem změny entropie uvnitř systeacutemu a entropie kteraacute je do systeacutemu přenesena z jeho
okoliacute Entropii přenaacutešenou do systeacutemu se definuje rovnice (4) kde dQ je dodaneacute teplo a T je teplota
Je zřejmeacute že změna entropie systeacutemu při konstantniacute hodnotě tepla je většiacute při nižšiacute teplotě [2]
Pro reversibilniacute procesy a rovnovaacutežneacute stavy platiacute že změna entropie je nulovaacute dS = 0 Pro spontaacutenniacute
proces v systeacutemu pak platiacute dS gt 0 Můžeme řiacuteci že entropie se nikdy samovolně nezmenšuje [2]
331 Perpetuum mobile druheacuteho druhu
Takeacute nelze sestrojit protože při tepelneacute vyacuteměně těleso o vyššiacute teplotě nemůže samovolně přijiacutemat
teplo od tělesa s nižšiacute teplotou
34 Třetiacute zaacutekon termodynamiky
Jestliže se teplota ideaacutelniacuteho krystalu bliacutežiacute absolutniacute nule bliacutežiacute se nule i jeho entropie [2]
V bliacutezkosti absolutniacute nuly se adiabatickyacute děj přibližuje izotermickeacutemu Tiacutem se ovšem ztraacuteciacute uacutečinnost
libovolneacute ochlazovaciacute metody založeneacute na střiacutedaacuteniacute těchto dějů
Při extreacutemně niacutezkeacute teplotě se projevujiacute zvlaacuteštniacute vlastnosti některyacutech laacutetek jakyacutemi jsou supravodivost a
supratekutost
(4)
14
4 Vakuum
41 Eacuteter vyplňujiacuteciacute praacutezdnyacute prostor
Na zaacutekladě zjištěniacute že zvuk pro sveacute šiacuteřeniacute vyžaduje přenosoveacute meacutedium bylo dřiacuteve předpoklaacutedaacuteno že
i světlo ke sveacutemu přenosu vyžaduje určiteacute prostřediacute Toto meacutedium bylo označeno pojmem eacuteter Eacuteter
byl zaveden nejen pro světlo ale i pro elektřinu magnetismus a teplo Britskyacute fyzik James Clarck
Maxwell zjistil že se elektromagnetickeacute vlny šiacuteřiacute rychlostiacute světla a navrhl existenci pouze jedineacuteho
eacuteteru [3]
Na zaacutekladě Maxwellovyacutech pozorovaacuteniacute provedl Albert Michelson v roce 1881 experiment kteryacute měl
prokaacutezat přiacutetomnost eacuteteru Negativniacute vyacutesledek pokusu byl později zpochybněn a tak byl v roce 1887
pokus mnohem přesněji zopakovaacuten za spolupraacutece Edwarda Morleyho Experiment byl v budoucnu
ještě mnohokraacutet zopakovaacuten avšak původniacute vyacutesledek experimentu byl potvrzen [4]
Na Obr41 je znaacutezorněn princip Michelson-Morleyho experimentu kteryacute jsem doplnil o šipky ve
směru paprsků světla Uprostřed rotujiacuteciacute kruhoveacute aparatury je umiacutestěno polopropustneacute zrcadlo Směr
pohybu eacuteteru vůči aparatuře je znaacutezorněn žlutyacutemi šipkami Ze zdroje světla (vlevo) vychaacuteziacute paprsek a
dopadaacute na polopropustneacute zrcadlo (uprostřed) kde se děliacute na dvě čaacutesti Vzniknou tak dva navzaacutejem
kolmeacute paprsky putujiacuteciacute k zrcadlům po okrajiacutech aparatury kde se opět odraacutežiacute a vracejiacute zpět
k prostředniacutemu polopropustneacutemu zrcadlu Paprsek vracejiacuteciacute se dolů čaacutestečně prochaacuteziacute polopropustnyacutem
zrcadlem směrem dolů ke stiacuteniacutetku a paprsek vracejiacuteciacute se ke středu od leveacuteho zrcadla je odražen takeacute
směrem dolů Čaacutesti obou paprsků tak dopadajiacute na stiacuteniacutetko kde se
a) vzaacutejemně zesiacuteliacute jestliže majiacute stejnou rychlost a dopadajiacute na stiacuteniacutetko se stejnou faacuteziacute
b) vytvořiacute interferenčniacute obrazec v přiacutepadě že pohybujiacuteciacute se eacuteter vůči aparatuře ovlivnil rychlost
jednoho z paprsků
c)
Obr 41 Model demonstrujiacuteciacute princip Michelson- Morleyho experimentu [5]
Experiment existenci takoveacuteho eacuteteru neprokaacutezal a tak se převaacutežnaacute vědeckaacute komunita od představy
eacuteteru odkolonila
15
Neschopnost lidskeacute mysli uchopit praacutezdnyacute prostor dala v historii vzniknout pojmu horror vacui
neboli strach z praacutezdnoty [21]
Italskyacute fyzik a matematik Evangelista Torricelli žijiacuteciacute v 17 stoletiacute vešel do povědomiacute širokeacute
veřejnosti jednak pro vědeckyacute přiacutespěvek v oboru matematiky ale předevšiacutem pro vynalezeniacute
barometru Torricelli při svyacutech pokusech experimentoval s dlouhou skleněnou trubiciacute deacutelky 12 m
kterou naplnil rtutiacute a poteacute ji otevřenyacutem koncem ponořil do naacutedoby plneacute rtuti Pozoroval že velkaacute čaacutest
rtuti v trubici zůstala a nad jejiacute hladinou vnikl vzduchopraacutezdnyacute prostor Stal se tak prvniacutem člověkem
v historii kteryacute vytvořil vzduchopraacutezdno neboli vakuum [7]
Obr 42 Aparatura Evangelisty Torricelliho diacuteky ktereacute vytvořil makroskopickeacute vakuum
Vakuum zastupuje širokou škaacutelu tlaků V technickeacute praxi naleacutezaacute širokeacute praktickeacute využitiacute a je proto
podle velikosti tlaku rozděleno děleno do kategoriiacute ktereacute jsou v Tab 42
Tab 41 Rozděleniacute vakua podle tlakoveacuteho paacutesma a množstviacute hmoty v objemu[22]
Tlakoveacute paacutesmo
Tlak Množstviacute hmoty
v objemu
[Pa] [molekulcm3]
Atmosfeacuterickyacute tlak 101times105 27 x 10
19
Hrubeacute vakuum 10+4
hellip10+2
1019
- 1016
Jemneacute vakuum 10+2
hellip10minus1
1016
- 1013
Vysokeacute vakuum (HV) 10minus1
hellip10minus5
1013
hellip109
Ultra vysokeacute vakuum (UHV) 10minus5
hellip10minus10
109hellip10
4
Extreacutemně vysokeacute vakuum (XHV) lt10minus10
lt104
16
Vynaacutelezce Otto von Guericke demonstroval siacutelu podtlaku analogiiacute s osmi spřaženiacutemi osmi koni kteřiacute
nejsou schopni společnyacutemi silami oddělit dvě poloviny vzduchopraacutezdneacute koule jak ukazuje Obr 43
Obr 43 Osm koniacute neniacute schopno od sebe oddělit dvě poloviny vzduchopraacutezdneacute koule [8]
Zařiacutezeniacute pro tvorbu vakua se nazyacutevaacute vyacutevěva I kdyby se naacutem podařilo sestrojit dokonalou vyacutevěvu
kteraacute by z prostoru odstranila všechny znaacutemeacute hmotneacute čaacutestice prostor by i tehdy nezůstal praacutezdnyacute
Klasickaacute teorie poklaacutedaacute vakuum za praacutezdnyacute prostor bez hmotnyacutech čaacutestic Je však nutneacute přihleacutednout
k faktu že existujiacute teorie a experimenty jež připouštějiacute že vakuum neniacute praacutezdneacute miacutesto toho je plneacute
aktivity a co je ještě důležitějšiacute lze tuto aktivitu využiacutet v našem reaacutelneacutem světě
42 Heisenbergův princip neurčitosti
Velmi důležityacutem zaacutekonem určujiacuteciacutem pravidla v kvantoveacutem světě je Heisenbergův princip neurčitosti
Ten řiacutekaacute že pro současneacute měřeniacute polohy x a hybnosti čaacutestice p nemůže byacutet součin neurčitostiacute v určeniacute
polohy Δx a hybnosti Δp čaacutestice menšiacute než redukovanaacute Planckova konstanta ħ Pro tuto konstantu platiacute
ħ = h2π =105410-34
Js Důsledkem Heisenbergova principu je že se na mikroskopickeacute uacuterovni může
narušovat zaacutekon zachovaacuteniacute energie a to takovyacutem způsobem že součin velikosti tohoto narušeniacute a
doby po kterou trvaacute je menšiacute než redukovanaacute Planckova konstanta V takoveacutem přiacutepadě nelze toto
porušeniacute pozorovat
Heisenbergův princip neurčitosti pro současneacute měřeniacute polohy a hybnosti čaacutestice maacute tvar
(5)
Heisenbergův princip neurčitosti pro současneacute měřeniacute času a energie čaacutestice maacute tvar
(6)
Platnost rovnice (6) vede tomu že ve vakuu mohou existovat velice rychleacute fluktuace energie ktereacute
vznikajiacute jako v důsledku vzniku tzv virtuaacutelniacutech čaacutestic a jejich antičaacutestic ktereacute velice rychle vznikajiacute a
zanikajiacute vlivem vzaacutejemneacute anihilace A to v čase daneacutem Heisenbergovyacutem principem neurčitosti [9]
17
43 Virtuaacutelniacute čaacutestice
Jednaacute se o čaacutestici kteraacute neniacute přiacutemo pozorovatelnaacute je zavedena z důvodu existence řady pozorovanyacutech
jevů Virtuaacutelniacute čaacutestice může existovat diacuteky Heisenbergovu principu neurčitosti a v časoveacutem okamžiku
daneacutem tiacutemto zaacutekonem narušuje zaacutekon o zachovaacuteniacute energie U reaacutelneacute čaacutestice jejiacutež existence nenarušuje
zaacutekon zachovaacuteniacute energie je splněn relativistickyacute vztah mezi celkovou energiiacute čaacutestice E jejiacute hybnostiacute p
a klidovou energiiacute U virtuaacutelniacute čaacutestice tento vztah mezi uvedenyacutemi fyzikaacutelniacutemi veličinami neplatiacute
Virtuaacutelniacute čaacutestice tak může miacutet třeba velmi velkou hybnost a jen velmi malou energii Existence
virtuaacutelniacute čaacutestice je omezena na velice kraacutetkou dobu Při neustaacuteleacutem vzniku a zaacuteniku těchto čaacutestic
vznikajiacute ve vakuu vysokofrekvenčniacute fluktuace elektromagnetickyacutech poliacute různyacutech vlnovyacutech deacutelek [9]
44 Casimirův jev
V roce 1958 holandskyacute fyzik M J Sparnaay předpověděl existenci sil mezi dvěma kovovyacutemi
deskami jejichž přiacutečinou nebylo tepelneacute zaacuteřeniacute Byl zaveden pojem zero point energy (energie
nuloveacuteho bodu) označujiacuteciacute elektromagnetickou energii vyskytujiacuteciacute se ve vakuu při absolutniacute nuloveacute
teplotě [18]
Důkazem existence teacuteto energie je uacutedajně fakt že helium zůstaacutevaacute i při teplotaacutech mezi -272degC až
273degC staacutele v kapalneacutem skupenstviacute a nedojde k jeho přeměně na skupenstviacute pevneacute [17]
Způsob jakyacutem by bylo možneacute projevy virtuaacutelniacutech čaacutestic experimentaacutelně změřit navrhl v roce 1948
holandskyacute fyzik Hendrik Casimir Casimir uvažoval o dvou paralelniacutech elektrodaacutech (zrcadlech)
umiacutestěnyacutech ve vakuu za teploty bliacutezkeacute absolutniacute nule Vně těchto zrcadel vakuoveacute fluktuace
elektromagnetickyacutech poliacute dosahujiacute širokeacuteho spektra energiiacute ovšem v souladu s Heisenbergovyacutemi
relacemi neurčitosti Jinaacute situace nastaacutevaacute mezi elektrodami ktereacute tvořiacute rezonaacutetor Zde mohou vznikat
pouze fluktuace určityacutech vlnovyacutech deacutelek ndash moacutedů rezonaacutetoru Ostatniacute vlnoveacute deacutelky jsou vněm
potlačeny Tato nerovnovaacuteha fluktuaciacute vně elektrod a mezi nimi způsobuje tlakovou siacutelu kteraacute
přitahuje elektrody k sobě Jev se nazyacutevaacute Casimirův jev (efekt) a je makroskopickyacutem projevem
kvantovyacutech jevů stejně jako napřiacuteklad supravodivost nebo supratekutost [10]
Obr 44 Demonstrace Casimirova jevu Dvě kovoveacute desky tvořiacute rezonaacutetor pouze pro některeacute vlnoveacute
deacutelky důsledkem je působeniacute přitažliveacute siacutely mezi těmito deskami [11]
Fluktuace
vakua Casimirovi
desky
18
441 Casimirova siacutela
Casimirův efekt se projevuje jako Casimirova siacutela Casimirovu siacutelu mezi vodivyacutemi elektrodami
způsobuje nerovnovaacuteha mezi kvantovyacutemi fluktuacemi elektromagnetickyacutech poliacute ve vakuu vně
elektrod a mezi nimi [10]
Casimirovu siacutelu lze vypočiacutetat na zaacutekladě vztahu (7) uvedeneacuteho v literatuře[17]
(7)
Na obr45 je graf Prof Dr Davida Iannuzziho kteryacute zobrazuje přibližně exponenciaacutelniacute naacuterůst
publikaciacute pojednaacutevajiacuteciacute o Casimirově vevu Tiacutem dokazuje značnyacute naacuterůst zaacutejmu o tento fenomeacuten
Obr 45 Naacuterůst publikaciacute tyacutekajiacuteciacutech se Casimirova jevu [8]
442 Aparatura pro měřeniacute Casimirova jevu
Laboratorniacute měřeniacute Casimirova jevu v Kalifornskeacute univerzitě v Riverside bylo provedeno na
miniaturniacute aparatuře pro měřeniacute kvantově mechanickyacutech efektů bdquopraacutezdneacuteho prostoruldquo Na Obr 46 je
kulička o průměru 01 mm zobrazenaacute skrze elektronovyacute mikroskop Kulička je umiacutestěna pod hladkou
destičkou (destička neniacute na obraacutezku) Diacuteky kvantově mechanickeacutemu Casimirovu efektu se kulička
k destičce přitahuje Změna pozice kuličky je měřena mikroskopem pro měřeniacute atomaacuterniacutech sil
19
Obr 46 Mikroskopickaacute aparatura pro měřeniacute Casimirova jevu
443 Tepelnyacute Casimirův jev
Při konečneacute teplotě vstupujiacute do hry tepelneacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole a přispiacutevajiacute tak k
siloveacutemu působeniacute mezi elektrodami Tepelneacute fluktuace jsou způsobeny chaotickyacutem pohybem
volnyacutech elektronů v materiaacutelu elektrod Paralelniacute elektrody opět představujiacute rezonaacutetor ve ktereacutem je
možneacute vybudit pouze určiteacute moacutedy Každyacute moacuted představuje stav s přesně určenou energiiacute Tyto stavy
jsou obsazovaacuteny fotony ktereacute reprezentujiacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole Obsazeniacute těchto
hladin popisuje Boseho-Einsteinovo rozděleniacute [10]
Boseho-Einsteinovo rozděleniacute popisuje ve statistickeacute fyzice systeacutemy složeneacute z bosonů tedy čaacutestic se
symetrickou vlnovou funkciacute a celočiacuteselnyacutem spinem Bose-Einsteinovyacutem rozděleniacutem se řiacutediacute napřiacuteklad
fotony je z něj tedy možneacute odvodit napřiacuteklad Planckův vyzařovaciacute zaacutekon [12]
Při nuloveacute teplotě všechny fotony obsadiacute pouze nejnižšiacute energetickou hladinu jak je vidět na Obr 47
S rostouciacute teplotou postupně dochaacuteziacute k obsazovaacuteniacute i dalšiacutech vyššiacutech energetickyacutech hladin Mezi
zrcadly vznikaacute dalšiacute přitažlivaacute siacutela kteraacute ovšem zaacutevisiacute na teplotě Jednaacute se tedy o tepelnyacute Casimirův
jev
Obr 47 Vlevo zaujiacutemajiacute bosony při teplotaacutech bliacutezkyacutech absolutniacute nule jedinyacute stav s nejnižšiacute energiiacute Se
vzrůstajiacuteciacute teplotou bosony (vpravo) postupně obsazujiacute stavy s vyššiacute energiiacute [13]
Přestože tepelnyacute Casimirův jev byl teoreticky předpovězen Jevgenijem Lifšicem v roce 1955 dočkal
se sveacuteho objevu až v roce 2010 Tento uacutekol se podařilo zvlaacutednout skupině vědců na americkeacute Yaleově
univerzitě Tepelneacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole byly opět měřeny prostřednictviacutem přitažliveacute
siacutely mezi dvěma elektrodami Připravit dokonale rovinneacute paralelniacute plochy je poměrně obtiacutežneacute a proto
20
byl experiment provaacuteděn s jednou rovinnou elektrodou a druhou elektrodou ve tvaru kuloveacute plochy
Obě elektrody byly vyrobeny ze zlata s přesnostiacute 10 nm (kulovaacute elektroda) a 1 nm (rovinnaacute elektroda)
Siacutela mezi elektrodami byla měřena pomociacute torzniacuteho kyvadla kde torzniacute siacutela wolframoveacuteho draacutetku o
průměru 25 μm byla vyrovnaacutevaacutena přitažlivou silou mezi elektrodami Kapacitniacute polohovyacute senzor
sniacutemal vyacutechylku torzniacuteho kyvadla Celyacute experiment probiacutehal při teplotě 300 K [14]
Obr 48 Scheacutema zařiacutezeniacute pro měřeniacute tepelneacuteho Casimirova jevu (pohled shora) [14]
Naměřeneacute vyacutesledky byly porovnaacutevaacuteny se dvěma teoretickyacutemi modely ndash plazmovyacutem modelem a
Drudeho modelem Tyto modely popisujiacute chovaacuteniacute permitivity elektrod v zaacutevislosti na frekvenci
Naměřeneacute vyacutesledky ukazujiacute shodu s Drudeho modelem při teplotě 300 K Podle tohoto modelu tepelnaacute
přitažlivaacute siacutela roste lineaacuterně s teplotou a klesaacute s druhou mocninou vzdaacutelenosti To znamenaacute že zatiacutemco
Casimirova siacutela převlaacutedaacute na velmi malyacutech vzdaacutelenostech tepelnaacute Casimirova siacutela dominuje na
velkyacutech vzdaacutelenostech Na obraacutezku niacuteže je znaacutezorněna přitažlivaacute siacutela naacutesobenaacute druhou mocninou
vzdaacutelenosti v zaacutevislosti na vzdaacutelenosti mezi elektrodami Podle Drudeho modelu bychom měli dostat
konstantniacute zaacutevislost v miacutestech kde převlaacutedaacute siacutela způsobenaacute tepelnyacutemi fluktuacemi Z Obr 49 je
patrneacute že od vzdaacutelenosti přibližně 3 μm daacutele dostaacutevaacuteme přibližně konstantniacute zaacutevislost [14]
Obr 49 Na vzdaacutelenostech většiacutech než 3 μm dochaacuteziacute ke změně charakteru přitažliveacute siacutely Převlaacutedaacute zde
siacutela způsobenaacute tepelnyacutemi fluktuacemi zatiacutemco na menšiacutech vzdaacutelenostech se viacutece uplatňuje siacutela
pochaacutezejiacuteciacutech z kvantovyacutech fluktuaciacute vakua [14]
21
5 Magnetismus
51 Magnetickeacute pole a jeho siloveacute uacutečinky
Fakt že některeacute nerosty s obsahem železa a jeho oxidů jeviacute jisteacute vzaacutejemneacute siloveacute působeniacute vedlo
člověka k vyacutezkumu hlubšiacute podstaty tohoto fenomeacutenu Magnetismu znaacutemeacutemu již ze středověku začala
byacutet později věnovaacutena značnaacute pozornost předevšiacutem diacuteky poznatku že lze vnějšiacute magnetickeacute pole
vyvolat průchodem proudu nosičů elektrickyacutech naacutebojů elektrickyacutemi vodiči Pokusy H Ch Oersteda s
vodiči zapojenyacutemi k elektrickeacutemu zdroji vykazovali siloveacute působeniacute na magnetku kompasu později
diacuteky A M Ampeacuterovu pokusu takeacute siloveacute působeniacute mezi vodiči proteacutekanyacutemi proudem [15]
Mezi tělesy z feromagnetickyacutech laacutetek se za jistyacutech okolnostiacute projevuje vnějšiacute působeniacute vnitřniacutech
atomaacuterniacutech sil do vnějšiacuteho prostřediacute prostor v okoliacute tělesa i uvnitř něho je magneticky polarizovaacuten a
magnetickeacute předměty se navzaacutejem přitahujiacute či odpuzujiacute v zaacutevislosti na směru vektoru jejich
magnetizace Ve vzdušneacutem prostřediacute lze magnetickou propustnost definovat jako hodnotu přibližně
rovnou permeabilitě vakua
Po odhaleniacute existence magnetismu došlo časem k prudkeacutemu naacuterůstu pokusů se snahou naleacutezt praktickeacute
využitiacute tohoto jevu v lidskeacutem životě Vznik elektrickyacutech strojů prudce zrychlil rozvoj většiny odvětviacute
lidskeacuteho baacutedaacuteniacute
Magnetickeacute pole a jeho siloveacute uacutečinky jsou přiacutetomny při
a) Pohybu elektrickyacutech naacutebojů v obvodu
b) Zmagnetovaacuteniacute magnetik
Kvantitativniacute miacuterou siloveacuteho působeniacute magnetickeacuteho pole je magnetickaacute indukce B
Magnetickeacute pole o indukci 1 T působiacuteciacute na naacuteboj jednoho coulombu kteryacute se pohybuje rychlostiacute 1ms
silou 1 Newtonu jestliže je směr rychlosti naacuteboje a směru působiacuteciacute siacutely kolmyacute
Siacutelu v elektromagnetickeacutem poli působiacuteciacute na jednotkovyacute zkušebniacute naacuteboj v pohybu lze popsat
Lorenzovyacutem vztahem [15]
Ze vztahu je zřejmeacute že rychlost zkušebniacute čaacutestice nemaacute vliv na siloveacute uacutečinky elektrickeacuteho pole
V poli čistě magnetickeacutem kdy je elektrickeacute pole nuloveacute platiacute pro siacutelu vztah
(8)
(9)
22
52 Magnetickyacute moment moment hybnosti a precese momentu hybnosti
Pohybuje-li se elektron po kružnici (obiacutehaacute-li jaacutedro vlivem dostřediveacute siacutely) jsou si jeho magnetickyacute
moment μ a moment hybnosti J uacuteměrneacute Velikost momentu hybnosti elektronu je rovna hmotnosti
elektronu vynaacutesobeneacute jeho rychlostiacute a poloměrem draacutehy kterou opisuje (Obr 51)
Obr 51 Na kruhoveacute draacuteze je magnetickyacute moment μ(q2m)-naacutesobkem momentu hybnosti J[16]
Jeho směr je kolmiacute na rovinu draacutehy Vztah (10) je ne relativistickyacute je však pro atomy dobryacutem
přibliacuteženiacutem
(10)
Magnetickyacute moment tohoto pohybu lze určit jako proud kraacutet obsah plochy kruhu dle vztahu
Proud se vypočiacutetaacute jako naacuteboj kteryacute za jednotku času projde libovolnyacutem bodem draacutehy tj naacuteboj q kraacutet
frekvence kruhoveacuteho pohybu Frekvence je zase rychlost dělenaacute deacutelkou draacutehy takže platiacute
Plocha maacute obsah magnetickyacute moment je tedy možneacute vyjaacutedřit vztahem
Magnetickyacute moment a teacutež moment hybnosti J jsou kolmeacute na rovinu draacutehy Pro orbitaacutelniacute pohyb tedy
platiacute
Pro orbitaacutelniacute pohyb elektronu platiacute
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
23
Magnetismus od orbitaacutelniacuteho pohybu elektronu neniacute jedinyacute existujiacuteciacute druh magnetismu Elektron maacute i
svou vlastniacute rotaci kolem osy Důsledkem je spinovyacute moment hybnosti elektronu neboli vlastniacute
moment hybnosti Pro spinovyacute moment hybnosti se takeacute použiacutevaacute označeniacute spin Z překladu
z angličtiny jde rotace Pojem spin byl zaveden v době kdy se předpoklaacutedalo že jde o rotaci nicmeacuteně
v makrosvětě nemaacute spin analogii a člověk je nucen použiacutet idealizovanou představou rotace [16]
Poměr a je dvakraacutet tak tak velkyacute oproti orbitaacutelniacutemu pohybu elektronu proto je spinovyacute
magnetickyacute moment
Obecně je v každeacutem atomu několik elektronů a tak je celkovyacute moment hybnosti a celkovyacute magnetickyacute
moment daacuten složeniacutem jejich orbitaacutelniacutech a spinovyacutech momentů hybnosti V kvantoveacute mechanice
obecně platiacute že směr magnetickeacuteho momentu izolovaneacuteho atomu maacute opačnyacute směr než moment
hybnosti [16]
Někdy je magnetickyacute moment směsiciacute orbitaacutelniacutech a spinovyacutech přiacutespěvků jejichž vztah můžeme zapsat
Značka g je tzv Landeacuteho faktor a určeniacute jeho velikosti je předmětem kvantoveacute mechaniky
V přiacutepadě atomovyacutech jader figurujiacute naviacutec i spiny protonů a neutronů Pro jaacutedra obecně piacutešeme
Precese pohyb atomovyacutech magnetů v magnetickeacutem poli
Umiacutestěniacutem atomu do magnetickeacuteho pole je magnetickyacute moment ovlivňovaacuten momentem siacutely kteraacute se
jej snažiacute pootočit do směru pole Atomovyacute magnet je jako setrvačniacutek ndash maacute spinovyacute moment hybnosti
Moment siacutely způsobenyacute magnetickyacutem polem proto nedokaacuteže atomovyacute magnet udržet
v daneacutem směru Magnet proto bude vykonaacutevat precesniacute pohyb podobnyacute precesi mechanickeacuteho
setrvačniacuteku[16]
Rotuje-li těleso okolo osy zaznamenaacuteme u něj jistou podobnost v chovaacuteniacute s elementaacuterniacutem atomovyacutem
magnetem o momentu hybnosti
Jevy zjevneacute při rotaci tělesa lze popsat naacutesledujiacuteciacutemi tvrzeniacutemi
Pokud na rotujiacuteciacute těleso nepůsobiacute vnějšiacute siacutely zachovaacutevaacute si osu svojiacute rotace Nenulovyacute moment
siacutely působiacuteciacute na rotujiacuteciacute těleso ovlivňuje osu jeho rotace tiacutem viacutece čiacutem maacute těleso menšiacute
moment hybnosti
Když nutiacuteme rotujiacuteciacute těleso změnit osu svojiacute rotace chovaacute se tak že se snažiacute ztotožnit s osou
vynuceneacute rotace
(16)
(
) (17)
(
) (18)
24
Precese subatomaacuterniacutech čaacutestic v magnetickeacutem poli se s vyacutehodou využiacutevaacute v metodaacutech magnetickeacute
jaderneacute a elektronoveacute paramagnetickeacute rezonance
Nabiacuteziacute se otaacutezka jestli je možneacute určityacutem způsobem převeacutest siloveacute uacutečinky precesniacuteho pohybu
momentu hybnosti na mechanickyacute pohyb v nějakeacutem elektrickeacutem stroji Projevy rezonančniacutech jevů
jsou u všech typů magnetickyacutech rezonanciacute však velice slabeacute a frekvence Larmorovy precese s jakou
vektor magnetickeacuteho momentu rotuje ve vnějšiacutem poli je u elektronů ktereacute jsou přiacutečinou magnetismu
u feromagnetik až v řaacutedech GHzT Tiacutem paacutedem by musel mechanickyacute systeacutem v pracujiacuteciacute v rezonanci
s precesniacute frekvenciacute momentu hybnosti kmitat či rotovat teacutež v řaacutedech GHz nebo v jisteacutem poměru k
prvniacute harmonickeacute teacuteto frekvence
25
6 Nekonvenčniacute elektrickeacute stroje
Podle autorů elektrickyacutem motorů jsou motory založeneacute na jistyacutech principech schopny pracovat s
uacutečinnostiacute překračujiacuteciacute 100 Ve čtvrteacute kapitole hovořiacuteciacute o vakuu je popsaacuten Casimirův jev jako
důsledek narušeniacute symetrie prostorovyacutech fluktuaciacute elektromagnetickyacutech poliacute vakua mezi dvěma
kovovyacutemi deskami Vezmeme-li v uacutevahu teorii o prostoru vyplněneacutem vznikajiacuteciacutemi a zanikajiacuteciacutemi
virtuaacutelniacutemi čaacutesticemi nabiacuteziacute se otaacutezka Je možneacute zkonstruovat systeacutem kteryacute by energii projevujiacuteciacute se
jako fluktuace elektromagnetickyacutech poliacute vakua proměnil na užitečnou elektrickou či mechanickou
energii v takoveacute měřiacutetku aby byl schopnyacute napaacutejet elektrickeacute obvody sveacuteho řiacutezeniacute popř dodaacutevat
vyacutekon do vnějšiacute zaacutetěže Ze znalosti termodynamickyacutech zaacutekonů jasně vypliacutevaacute možnost využitiacute
teplotniacuteho rozdiacutelu dvou prostřediacute k ziacuteskaacuteniacute užitečneacute energie Tepelnaacute čerpadla jsou toho důkazem
Vzhledem k existenci elektromagnetickeacute energie vakua i při absolutniacute nule je možneacute tuto energii
považovat za vstupniacute energii do systeacutemu zobrazeneacuteho blokově na Obr 61
Obr 61 Blokoveacute scheacutema systeacutemu napaacutejeneacuteho energiiacute odčerpaacutevanou z okolniacuteho prostřediacute
Energie vstupuje do systeacutemu z vnějšiacuteho prostřediacute a sloužiacute pro napaacutejeniacute vnějšiacute zaacutetěže i systeacutemu
samotneacuteho
Systeacutem
Vstup energie do systeacutemu
z okolniacuteho prostřediacute
Vyacutestup využitelneacute
formy energie
Energie potřebnaacute pro řiacutezeniacute
systeacutemu se z vyacutestupu navraciacute
zpětnou vazbou
26
61 Johnsonův motor
V roce 1973 pět let po podaacuteniacute přihlaacutešky byl Howardu Johnsonovi udělen patent US 4151431 na
motor s permanentniacutemi magnety V roce 1995 pak patent US 5402021 popisujiacuteciacute magnetickyacute
pohonnyacute systeacutem založenyacute na obdobneacutem principu Oba tyto systeacutemy uacutedajně využiacutevajiacute ke konaacuteniacute praacutece
pouze siacutely permanentniacutech magnetů Ačkoli dnešniacute věda zavrhuje využitiacute vnějšiacutech projevů
subatomaacuterniacuteho pohybu čaacutestic hmoty permanentniacutech magnetů ke konaacuteniacute nepřetržiteacute praacutece v systeacutemu
Johnson uacutedajně připouštiacute že přesně neviacute odkud se energie kterou čerpaacute bere Ale domniacutevaacute se že
může miacutet souvislost s rotaciacute elektronů možnaacute dokonce souvisiacute s dosud nepojmenovanou čaacutesticiacute
V roce 1980 vyšel v dnes již zanikleacutem časopisu Science and Mechanics člaacutenek o Johnsonově motoru
popisujiacuteciacute vzaacutejemneacute interakce mezi magnety rotoru a statoru
Konstrukčniacute uspořaacutedaacuteniacute Johnsonova motoru
Obr 62 Čelniacute pohled do Johnsonova motoru Stator maacute po obvodu rozmiacutestěny tři obloukoviteacute
magnety Rotoroveacute magnety jsou vzaacutejemně odděleny vzduchovyacutemi mezerami [16]
Z Předniacuteho pohledu do motoru na Obr 62 jsou vidět tři obloukoviteacute permanentniacute magnety statoru
pravidelně rozmiacutestěneacute kolem rotoru
Obr 63 Z bočniacuteho pohledu do motoru je patrnaacute šroubovitaacute hřiacutedel kteraacute sloužiacuteciacute k zabrzděniacute stroje
[16]
27
Obr 64 Horniacute pohled na dva obloukoviteacute statoroveacute magnety navzaacutejem posunuteacute a překryacutevajiacuteciacute
magnety rotoru [16]
Obr 65 Průběhy změny indukce během změny polohy jižniacuteho a severniacuteho poacutelu magnetu statoru vůči
rotorovyacutem magnetům
Obr 66 Naznačeniacute pohybu obloukovyacutech magnetů rotoru nad statorovyacutemi magnety
Popis principu
Obr 66 ukazuje některeacute zaacutekladniacute vztahy Plneacute čaacutery představujiacute přitažliveacute siacutely přerušovaneacute čaacutery
představujiacute odpuzovaacuteniacute a dvojiteacute čaacutery v obou přiacutepadech znaacutezorňujiacute dominantniacute siacutely
Na Obr 66 je obloukově zakřivenyacute permanentniacute magnet ve třech po sobě naacutesledujiacuteciacutech polohaacutech nad
pevnyacutemi statorovyacutemi magnety Obr 66 poskytuje alespoň velmi zjednodušenyacute pohled do teorie
28
pohonu pomociacute permanentniacutech magnetů Johnson řiacutekaacute že zakřiveneacute magnety s ostryacutemi konci jsou
důležiteacute protože koncentrujiacute magnetickou energii mnohem uacutečinněji než magnety s tupyacutemi konci Tyto
obloukoviteacute magnety jsou o něco delšiacute než je deacutelka dvou magnetů statoru včetně mezery mezi nimi V
Johnsonově konstrukci jsou dlouheacute
palce
Všechny statoroveacute magnety majiacute severniacute poacutel nahoře a spočiacutevajiacute na podložce vyrobeneacute z materiaacutelu s
vysokou permeabilitou kteraacute pomaacutehaacute koncentrovat silovaacute pole Optimaacutelniacute mezera mezi konci
rotorovyacutech magnetů a statorem je kolem
palce
Když se severniacute poacutel magnetu rotoru nachaacuteziacute nad statorovyacutem magnetem je jiacutem odpuzovaacuten a je ke
statoru přitahovaacuten když prochaacuteziacute nad mezerou mezi statorovyacutemi magnety Přesně opačneacute siacutely působiacute
u jižniacuteho poacutelu rotoroveacuteho magnetu Je přitahovaacuten když prochaacuteziacute nad statorovyacutem magnetem a je
odpuzovaacuten když se nachaacuteziacute nad mezerou
Předniacute poacutel N rotoru je odpuzovaacuten severniacutemi poacutely dvou přilehlyacutech magnetů Ale v zobrazeneacute poloze
magnetu rotoru tyto dvě odpudiveacute siacutely (ktereacute zřejmě působiacute proti sobě) nejsou totožneacute většiacute z obou sil
(dvojitaacute přerušovanaacute čaacutera) překonaacutevaacute druhou siacutelu a taacutehne rotor doleva Tento pohyb vlevo je zrychlen
přitažlivou silou mezi severniacutem poacutelem rotoru a jižniacutem poacutelem v mezeře mezi statorovyacutemi magnety
Současně na druheacutem konci (S) rotoroveacuteho magnetu Deacutelka tohoto magnetu je cca
palce a je
zvolena s ohledem na velikost paacuteru statorovyacutech magnetů a mezery mezi nimi aby přiacutetažliveacute a
odpudiveacute siacutely taacutehly magnety rotoru doleva V tomto přiacutepadě je poacutel S přitahovaacuten severniacutemi poacutely
přilehlyacutech statorovyacutech magnetů ale z důvodu rozměrů rotoroveacuteho magnetu je rotor silněji tažen
doleva (dvojitaacute plnaacute čaacutera) Takeacute zde je s vyacutehodou využito siloveacute působeniacute mezi koncem rotoroveacuteho
magnetu a mezerou mezi magnety statoru V tomto přiacutepadě majiacute oba poacutely stejnou polaritu (S) proto se
vzaacutejemně odpuzujiacute
Je nutneacute dodržet spraacutevnou deacutelku magnetů rotoru Jestliže jsou buď přiacuteliš dlouheacute nebo přiacuteliš kraacutetkeacute
mohou dosaacutehnout nežaacutedouciacute rovnovaacutehy kteraacute znamenaacute konec pohybu Ciacutelem je optimalizovat
všechny siacutely tak aby bylo dosaženo maximaacutelniacute nerovnovaacutehy ale vždy stejnyacutem směrem Když se rotor
otočiacute o 180 stupňů a dostane se na opačnyacute konec draacutehy bude se chovat stejnyacutem způsobem až na to že
se v tomto přiacutekladu bude pohybovat zleva doprava Takeacute musiacuteme poznamenat že jakmile je rotor v
pohybu maacute moment kteryacute pomůže dostat rotorovyacute magnet do sfeacutery vlivu dalšiacuteho paacuteru magnetů
statoru kde ziacuteskaacute dalšiacute moment [25]
29
62 Adamsův motor generaacutetor
Podle informačniacuteho zdroje [26] byl vynaacutelez Roberta Adamse viacutece než 20 let držen v tajnosti Jeho
autorovi bylo vyhrožovaacuteno smrtiacute v přiacutepadě že bude šiacuteřit informace tyacutekajiacuteciacute se principů na nichž jeho
motorgeneraacutetor pracuje Informace byly po letech zveřejněny internetoveacutem magaziacutenu Nexus
Adams ke sveacutemu stroji vytvořil publikaci The Adams pulsed motor generator manual ve ktereacute uvaacutediacute
naacutesledujiacuteciacute obraacutezkoveacute ilustrace Autor v něm teacutež předklaacutedaacute grafy naměřenyacutech průběhů napětiacute pro
různeacute režimy stroje
Robert Adams tvrdiacute Naacuteš vesmiacuter je moře volneacute čisteacute energie A čekaacute jen na to abychom ji začali
využiacutevat
Vlastnosti a vyacutehody Adamsova motor generaacutetoru uvedeneacute Robertem Adamsem
1) Překonaacutevaacute zpětnou elektromotorickou siacutelu kteraacute je probleacutemem všech konvenčniacutech strojů
2) Střiacutedavě zapřahuje ZES tedy zanikajiacuteciacute magnetickeacute pole čiacutemž zvyšuje moment a snižuje
přiacutekon
3) V režimu motorgeneraacutetoru nevyžaduje k vyacuterobě elektrickeacuteho vyacutestupniacuteho vyacutekonu
oddělenyacute motor
4) Pro běh stroje a vyacuterobu vyacutestupniacuteho vyacutekonu využiacutevaacute jedinyacute rotor
5) Všechny poacutely rotoru majiacute stejnou polaritu
6) Statoroveacute hnaciacute vinutiacute a poacutely jsou menšiacutech rozměrů
7) Velikost vzduchoveacute mezery neniacute kritickaacute
8) Nevyžaduje chladiacuteciacute ventilaacutetor
9) Stroj nevyžaduje konstantniacute vstupniacute proud
10) Naacutevrh stroje je naacutesledujiacuteciacute
a) Energie je vede zpět do baterioveacuteho zdroje
b) Magnetickyacute zpětnyacute tah je prakticky nulovyacute
c) Teplota při plneacutem zatiacuteženiacute je polovičniacute ve srovnaacuteniacute s jakyacutemkoliv konvenčniacutem strojem
d) S ohledem na způsob mechanickeacuteho spiacutenaacuteniacute kteryacute zajišťuje zužujiacuteciacute se hvězda
kontaktniacuteho disku je možneacute měnit střiacutedu impulzů
11) V režimu vysokeacute uacutečinnosti stroj čerpaacute energii z prostoru
12) Čiacutem nižšiacute rychlostiacute se otaacutečiacute tiacutem dosahuje vyššiacute uacutečinnosti a krouticiacuteho momentu na rozdiacutel
od konvenčniacutech strojů
13) V rezonančniacutem režimu nejsou přiacutetomny jaloveacute ztraacutety a stroj vykazuje konstantniacute vyacutekon a
moment
14) Jelikož se směr energie ze zdroje neměniacute nejsou přiacutetomny ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy a
hystereziacute
15) Stroj se ve všech pracovniacutech režimech saacutem chraacuteniacute před některyacutemi nepřiacuteznivyacutemi situacemi
ktereacute v jinyacutech přiacutepadech vyžadujiacute doplňujiacuteciacute zařiacutezeniacute
16) Vysokeacute otaacutečky nejsou nutneacute čiacutemž odpadajiacute probleacutemy s nimi spojeneacute
17) Stroj je možneacute elektricky zatiacutežit a počiacutetat s naacuteslednyacutem naacuterůstem vyacutestupniacute energie od 50
přes 100 a to bez přetiacuteženiacute nebo naacuterůstu teploty nad normaacutelniacute pracovniacute teplotu
30
18) Stroj je saacutem o sobě obdivuhodně jednoduchyacute a nevyžaduje draheacute obvody pro řiacutezeniacute
rychlosti [26]
Popis zaacutekladniacute konstrukce
Adamsův motor-generaacutetor je elektrickyacute stroj s permanentniacutemi magnety radiaacutelně uloženyacutemi v rotoru
Stroj je uacutedajně možneacute zkonstruovat v různyacutech konfiguraciacutech podle toho zda požadujeme vyacutestupniacute
vyacutekon spiacuteše elektrickyacute nebo mechanickyacute
Zaacutekladniacute konfigurace stroje určenaacute pro vyacutestup elektrickeacuteho vyacutekonu ze stroje obsahuje tři druhy
statorovyacutech magnetickyacutech poacutelů vhodně rozmiacutestěnyacutech kolem rotoru s permanentniacutemi magnety
1 Permanentniacute magnety rotoru jsou všechny polarizovaacuteny ve stejneacutem směru Tok
magnetickeacute indukce všech vystupuje buď ven nebo dovnitř směrem ke hřiacutedeli
Obr 67 Magnety jsou pro zvyacutešeniacute vyacutekonu stroje uloženy v několika rotorovyacutech sekciacutech
2 Řiacutediacuteciacute poacutely jsou napaacutejeny pulzně v zaacutevislosti na poloze rotoru vůči statoru a to skrze
mechanickyacute komutaacutetor Ciacutevky jsou navinuty na jaacutedra ze kteryacutech vystupuje magnetickyacute tok
v opačneacutem směru oproti toku permanentniacutech magnetů v rotoru Rotor se pohybuje jelikož je
odpuzovaacuten těmito silovyacutemi uacutečinky
Obr 68 Pulzně buzeneacute ciacutevky
31
3 Zpětnovazebniacute poacutely jsou navinuty na magnetickyacutech jaacutedrech a jsou napaacutejeny elektrickou
energiiacute kteraacute se zpětně indukuje do elektrickeacuteho obvodu řiacutediacuteciacutech ciacutevek v důsledku prudkeacuteho
přerušeniacute dodaacutevky proudu Magnetickeacute pole v prostoru vzduchoveacute mezery a rozptylovyacutech
drahaacutech se snažiacute zaacuteniku proudu zabraacutenit čiacutemž vznikaacute prudkyacute energetickyacute skok
Obr 69 Zpětnovazebniacute ciacutevky
4 Generaacutetorickeacute poacutely generujiacute proud do připojeneacute zaacutetěže
Obr 610 Zpětnovazebniacute ciacutevky
5 Permanentniacute poacutely statoru jsou tvořeny feritovyacutemi magnety rozmiacutestěny po obvodu rotoru podle
konfigurace na Obr611a majiacute za uacutečel zvyacutešit mechanickyacute moment rotoru
32
Obr 611 Rozmiacutestěniacute permanentniacutech magnetů po obvodu statoru
Na Obr 612 je princip spiacutenaacuteniacute proudu do ciacutevek statoru řešenyacute prostřednictviacutem mechanickeacuteho
komutaacutetoru ve tvaru čtyřciacutepeacute hvězdy Při otaacutečeniacute dochaacuteziacute v jistyacutech polohaacutech ke spojeniacute kontaktů
dosedajiacuteciacutech na komutaacutetor a proud tekouciacute ciacutevkami v nich vybudiacute magnetickyacute indukčniacute tok kteryacute
svyacutemi uacutečinky odpuzuje permanentniacute magnety v rotoru Na obraacutezku je naznačen princip motoru a
způsob měřeniacute otepleniacute jaacutedra při daneacute mechanickeacute zaacutetěži Do jaacutedra je vyvrtaacuten otvor do nějž je
zasunuta teplotniacute sonda Otepleniacute jaacutedra by nemělo překročit 40 degC
Obr 612 Zaacutekladniacute konstrukce Adamsova motoru sloužiacuteciacute pro demonstraci nastaveniacute vhodneacute velikosti
proudu tekouciacuteho do vinutiacute ciacutevek při požadovaneacute mechanickeacute zaacutetěži
33
Obr 613 Vyacutekres Adamsova motor generaacutetoru s osmi permanentniacutemi magnety v rotoru
stejnosměrnyacutemi pulzniacutemi ciacutevkami a generaacutetorovyacutemi ciacutevkami navinutyacutemi na odlišnyacutech magnetickyacutech
jaacutedrech
Robert Adams ve sveacute publikaci uvaacutediacute na Obr 614 zaznamenaacuteny průběhy hodnot napětiacute na bateriiacutech
postupně připojovanyacutech na elektrickyacute vyacutestup stroje Přičemž hodnota napětiacute na vstupniacute napaacutejeciacute baterii
se měniacute jen nepatrně Na zaacutekladě těchto dat uvedenyacutech v Tab 61 Adams stanovuje uacutečinnost motor
generaacutetoru
Obr 614 Baterie na vyacutestupu jsou postupně dobiacutejeny přičemž velikost napětiacute na vstupniacute baterii se
snižuje jen nepatrně
34
Naacutesledujiacuteciacute tabulka shrnuje vyacutesledky naměřeneacute v grafu na Obr 614
Tab 61 Souhrn vyacutesledků naměřenyacutech hodnot napětiacute na vyacutestupniacutech bateriiacutech
Dokonalejšiacute konstrukce Adamsova motor generaacutetoru
Konstrukce zde popisovanaacute je realizovaacutena jako model pro měřeniacute uacutečinnosti tohoto motoru avšak
s několika podstatnyacutemi konstrukčniacutemi rozdiacutely o nichž se zmiňuji při popisu realizovaneacuteho stroje
Rotor na Obr 615 maacute 7 vyniklyacutech poacutelů rotoru a 8 statorovyacutech jader Je možneacute použiacutet i 6 jader ve
statoru při použitiacute stejneacuteho rotoru Tiacutem však dojde ke sniacuteženiacute uacutečinnost stroje Počet rotorovyacutech a
statorovyacutech poacutelů by neměl byacutet v celočiacuteselneacutem poměru
Obr 615 Konfigurace se 6 poacutely statoru a 7 poacutely rotoru Magnetizačniacute vinutiacute protějšiacutech poacutelů
statoru jsou spojena do seacuterie
Popis principu činnosti během otaacutečeniacute rotou
Na Obr 616 (a) je poacutel rotoru R1 přesně mezi statorovyacutemi poacuteli S1 a S2 a představme si že směřuje k S2
a je jiacutem přitahovaacuten až do chviacutele kdy je v pozici na obr (c) Nyniacute je zarovnaacuten s jaacutedrem statoru jehož
vinutiacutem začne proteacutekat proud kteryacute maacute takovou polaritu aby došlo k odpuzovaacuteniacute rotoroveacuteho poacutelu ze
zarovnaneacute pozice Tiacutem paacutedem je vlivem siloveacute interakce magnetickyacutech polyacute rotoru urychlovaacutem a
proud teče do statoroveacuteho vinutiacute až do chviacutele kdy je vpozici na obr (e) Nyniacute je protějšiacute statororoveacute
jaacutedro zarovnaacuteno s rotorovyacutem poacutelem
Baterie č
(vyacutestup)
Počaacutetečniacute
napětiacute
baterie
[V]
Doba běhu
stroje [h]
Konečneacute
napětiacute baterie
[V]
Naacuterůst
napětiacute
baterie oproti
počaacutetečniacute
hodnotě 102 V
[V]
Uacutečinnost []
1 102 33 1142 122 610
2 1172 15 1184 162 810
3 114 66 1201 181 905
35
Podiacutevejme se co se během toho děje na protějšiacute straně rotoru
Rotorovyacute poacutel R4 na obr (a) je praacutevě zarovnaacutem se statorovyacutem jaacutedrem S5 Tudiacutež je do vinutiacute tohoto
jaacutedra S5 přiveden proud jehož uacutečinky jsou i vtomto přiacutepadě vyvolajiacute odpuzovaacuteniacute poacutelu R4 Proud
vinutiacutem jaacutesdra S5 proteacutekaacute do chviacutele na obr(c) kdy dojde k demagnetizaci statoroveacuteho jaacutedra S2
Obr 617 Vzaacutejemeacute polohy rotoru vůči statorovyacutem poacutelům pro popis principu
Rotor je roztaacutečen těmito silovyacutemi přiacutespěvky
a) Rotorovyacute poacutel je přitahovaacuten ke statorovyacutem magnetickyacutem jaacutedrům vlivem projevu magnetickyacutech
sil permanentniacutech magnetů prostupujiacuteciacutech vzduchovou mezeru a uzaviacuterajiacuteciacutech se přes jaacutedra
statoru
b) Rotor je po zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru se statorovyacutem daacutele roztaacutečen vlivem odpudivyacutech
sil mezi poacutely rotoru a řiacutediacuteciacutemi poacutely statoru Vinutiacute řiacutediacuteciacutech poacutelů je napaacutejeno elektrickyacutemi
impulzy v zaacutevislosti na poloze rotoru vůči statoru Intenzita magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute
mezeře je nejvyššiacute při zarovnaacuteniacute poacutelů statoru a rotoru
Na Obr je pohled do vnitřniacute struktury magnetickeacuteho obvodu popisovaneacuteho stroje
12 podeacutelneacute magnetickeacute poacutely statoru s vysokou permeabilitou
13 rotoroveacute sekce s vyniklyacutemi poacutely
14 hřiacutedel
15 permanentniacute magnety uloženeacute ve středoveacutem pouzdru
16 otvor pro permanentniacute magnety
17 Disk sloužiacuteciacute jako pouzdro magnetů
Obr 618 Pohled na do struktury rotoru
36
Dalšiacutemi motory ktereacute uacutedajně pracujiacute s vysokou jsou Bediniho motor Takahasiho motor a Kawaiův
motor
63 Systeacutem pro přeměnu energie elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute na
elektrickou energii
Americkyacute patent č 5590031 podanyacute 24 července 1994 Franklinem B Meadem a Jackem
Nachamkinem popisuje zařiacutezeniacute přeměňujiacuteciacute vysokofrekvenčniacute elektromagnetickou energii
vakuovyacutech fluktuaciacute vznikajiacuteciacutech jako projev virtuaacutelniacutech čaacutestic teacutež označovanou pojmem bdquozero point
energyldquo na užitečnou elektrickou energii Pojem zero point energy neboli energie nuloveacuteho bodu byl
zaveden vzhledem k faktu že i při teplotě absolutniacute nule (0 K = -27315 degC) vakuum obsahuje energii
fluktuaciacute elektromagnetickyacute poliacute jako důsledek projevů vznikajiacuteciacutech a zanikajiacuteciacutech virtuaacutelniacutech čaacutestic
Na Obr 619 je znaacutezorněn princip zařiacutezeniacute Čiacuteslo 216 symbolizuje vysokofrekvenčniacute
elektromagnetickeacute zaacuteřeniacute Pomociacute litografickeacute technologie jsou vytvořeny dielektrickeacute struktury
(212) a (214) tvaru koule polokoule či disku Tyto struktury jsou velice maleacute a jejich velikost musiacute
byacutet v přiacutemeacutem poměru k vlnoveacute deacutelce elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute Struktury jsou připevněny na
zaacutekladoveacutem substraacutetu (236) a rozloženy do pole (238) Tyto struktury se vlivem působeniacute
elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute pohybujiacute s mnohem menšiacute frekvenciacute než jakou maacute elektromagnetickeacute
zaacuteřeniacute ktereacute jejich pohyb vyvolalo Naacutesledkem pohybu se v anteacuteně (222) indukuje elektrickaacute energie o
využitelneacute frekvenci Jednotliveacute anteacuteny mohou miacutet tvar smyčky nebo mohou byacutet dipoacuteloveacute
Indukovanyacute proud je naacutesledně veden vodiči (226) nebo vlnovodem do primaacuterniacuteho obvodu (228)
transformaacutetoru (232) Kondenzaacutetor (230) sloužiacute pro vyladěniacute rezonančniacuteho obvodu V sekundaacuterniacutem
obvodu je střiacutedavyacute proud usměrněn diodou (234)[17]
Obr 619 Scheacutema zařiacutezeniacute pro přeměnu vysokofrekvenčniacute elektromagnetickeacute energie na využitelnou
formu elektrickeacute energie [14]
37
7 Feromagnetickeacute materiaacutely
Tvar hysterezniacute smyčky magnetickeacuteho materiaacutelu zaacutevisiacute na chemickeacutem složeniacute feromagnetika a na jeho
tepelneacutem zpracovaacuteniacute Z analogie s mechanickou tvrdostiacute rozlišujeme magneticky měkkaacute
feromagnetika kteraacute dobře vedou magnetickyacute tok a tvrdaacute feromagnetika z nichž se vyraacutebiacute
permanentniacute magnety Na Obr71 je naacutezorneacute rozděleniacute magneticky měkkyacutech polotvrdyacutech a tvrdyacutech
materiaacutelů
Obr 71 Rozděleniacute magnetickyacutech materiaacutelů na měkkeacute polotvrdeacute a tvrdeacute
71 Magneticky měkkaacute feromagnetika
Pro vedeneacute magnetickeacuteho toku v magnetickeacutem obvodu motoru je využito měkkyacutech feromagnetik jež
se vyznačujiacute strmou magnetizačniacute křivkou a uacutezkou hysterezniacute smyčkou Majiacute vysokou počaacutetečniacute
a maximaacutelniacute permeabilitu a malou koercivitu Hclt103
Am Často lze hysterezi zanedbat a je možneacute
uvažovat pouze s magnetizačniacute křivkou1
Na trhu s magnetickyacutemi materiaacutely figuruje řada vyacuterobců a distributorů Naacutesledujiacuteciacute z nich jsem
oslovil s prosbou o poskytnutiacute vzorků magnetickyacutech jader pro měřeniacute magnetickyacutech vlastnostiacute
1 aplik
38
711 Vyacuterobci měkkyacutech feromagnetickyacutech materiaacutelů
a) Firma Therma FM
Firma Therma FM vyraacutebiacute magnetickeacute obvody z anizotropniacutech plechů a nabiacuteziacute i izotropniacute
dynamoplechy Materiaacutely pro vyacuterobu jader firma odebiacuteraacute od společnosti ThyssenKrupp
Jaacutedra pro jednofaacutezoveacute transformaacutetory jsem použil jako statoroveacute jaacutedra realizovaneacuteho motoru
Při vyacuterobě naviacutejeno na obdeacutelniacutekoveacute kopyto o rozměrech odpoviacutedajiacuteciacutech požadovaneacute velikosti okna pro
primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Jaacutedro je po navinutiacute z transformaacutetoroveacuteho plechu rozřiacuteznuto na dvě
poloviny jedna z nich je na Obr Xx Po rozřiacuteznutiacute jaacutedra je možneacute nasunout vinutiacute
Obr 72 Fotografie jedneacute poloviny jaacutedra pro jednofaacutezoveacute transformaacutetory
Magnetickeacute vlastnosti jaacutedra vyrobeneacuteho z materiaacutelu M150-30S jsou uvedeny v Tab71
Tab 71 Magnetickeacute vlastnosti jaacutedra stanoveneacute normou EN 10107
Norma Tloušťka
Max ztraacuteta v
jaacutedře při 15 T
[Wkg]
Maximaacutelniacute ztraacuteta
v jaacutedře při 17 T
[Wkg]
Min
J800
Nejmenšiacute
činitel
plněniacute
Typ
EN 10107 mm 50 Hz 50 Hz 60 Hz T PowerCore
M 150-30 S 030 097 150 197 175 0955 C 150-30
Magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelů jakosti M150-30S a M600-50 na Obrxx jsou zrekonstruovaneacute
podle z katalogovyacutech křivek vyacuterobce Thyssen Krupp
39
Obr 73 B-H charakteristiky jader z orientovanyacutech (M150-30S) trafoplechů a
neorientovanyacutechdynamoplechů M600-50
0
05
1
15
2
25
0 250 500 750 1 000 1 250 1 500 1 750 2 000
B [T]
H [Am]
Magnetizačniacute charakteristiky
M150-30S
M600-50
40
b) Firma Vacuumschmelze (VAC)
Tento německyacute vyacuterobce poskytnul dva vzorky toroidniacutech jader s nanokrystalickou strukturou Materiaacutel
je prodaacutevaacuten pod obchodniacutem naacutezvem Vitroperm 500F a vynikaacute velice uacutezkou hysterezniacute smyčkou
vysokou hodnotou magnetickeacute indukce při maleacute koercivitě Zaacutekladniacute složkou Vitropermu je Fe
s přiacuteměsemi Si B Nb a Cu
Tab 72 Magnetickeacute vlastnosti Vitropermu 500F uvedeneacute v katalogu vyacuterobce
Saturačniacute
indukce
Statickaacute
koercivita
Přibližnaacute
rezistivita
Curieho
teplota Permebilita
Měrneacute ztraacutety
(100kHz 03T)
Bs [T] Hc [Am] φ [μΩcm] tc[degC] μi PFe [Wkg]
12 lt3 115 gt600 15000hellip150000 80
Na Obr Xx jsou vyacuterobcem uvedeneacute magnetizačniacute charakteristiky Vitropermu 500F a 250F
v porovnaacuteniacute s typickou charakteristikou feritu
Obr 74 Jaacutedra z Vitropermu 500F dosahujiacute oproti běžneacutemu feritu mnohem vyššiacute magnetickeacute indukce
Je zřejmeacute že cena Vitropermovyacutech jader je oproti feritovyacutem mnohem většiacute a to diacuteky naacuteročneacutemu
vyacuterobniacutemu procesu
Společnost VAC ve sveacutem sortimentu nabiacuteziacute jaacutedra s amorfniacute strukturou s obchodniacutem naacutezvem Vitrovac
Vyraacutebiacute se metodou rychleacuteho tuhnutiacute kdy se na studenyacute buben otaacutečejiacuteciacute se rychlostiacute 100kmh vleacutevaacute
skrze keramickou trysku směs materiaacutelů roztavenaacute na teplotu okolo 1300degC a prudce se ochlazuje
(1000000 Ks) na meacuteně než 400degC v 1ms Tiacutem vznikaacute paacuteska tloušťky 20 μm s amorfniacute strukturou
Na Obr 77 je pro představu vyobrazenaacute krystalickaacute amorfniacute a nanokrystalickaacute struktura materiaacutelu
41
Obr 75 Detail na krystalickou strukturu (vlevo) amorfniacute a nanokrystalickou strukturu (vpravo)
Mezi dalšiacute materiaacutely ktereacute VAC nabiacuteziacute patřiacute materiaacutely pro elektrickeacute stroje a zařiacutezeniacute kde je
požadovaacutena vysokaacute hodnota indukce Tyto materiaacutely jsou znaacutemi pod obchodniacutemi naacutezvy Ultraperm
Vacoperm Mumetall Permax Permenorm Megaperm Trafoperm Vacoflux Vacofer a Vacodur
Pro srovnaacuteniacute jsou na Obrxx magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelů Vacoflux 50 Vacoflux 17 a Fe a
Fe 3 přiacuteměsiacute Si
Obr 76 Statickeacute magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelu Vacoflux 50 a Vcoflux 17 dosahuiacute vyšiacute
hodnoty magnetickeacute indukce nasyceniacute než běžnaacute křemiacutekovaacute ocel s obsahem 3 křemiacuteku a Fe 999
42
c) Firma Magnetics
Společnost Magnetics vyraacutebiacute jaacutedra lisovaacuteniacutem prachovyacutech přiacuteměsiacute se zaacutekladniacute složkou Na trhu jsou
znaacutemy pod označeniacutem High Flux MPP (Magnetics Molypermalloy Powder) Kool Mμ a Xflux
1 Jaacutedra High Flux jsou složena ze 79 Ni 17 Fe a 4 Mo Majiacute nejnižšiacute měrneacute ztraacutety ze
všech prchovyacutech jader
2 Jaacutedra MMP obsahujiacute 81 NI 17 Fe a 2 Mo Majiacute vynikajiacuteciacute vlastnosti jakyacutemi jsou
vysokaacute rezistivita niacutezkeacute hysterezniacute ztraacutety a ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy Z všch jader majiacute největšiacute
permeabilitu tiacutem paacutedem i vyššiacute hodnotu saturace
3 Jaacutedra Kool Mμ jsou vyrobena lisovaacuteniacutem prachu železnyacutech slitin a vykazujiacute nejmenšiacute
magnetostrikci
4 Jaacutedra XFlux obsahujiacute prach Fe s přiacuteměsiacute 65 Si Jsou vhodnaacute pro niacutezkofrekvenčniacute a
středofrekvenčniacute tlumivky
Tab 73 Magnetickeacute vlastnosti jader společnosti Magnetics katalogu vyacuterobce
Materiaacutel High Flux MMP Kool Mμ XFlux
Permeabilita 14-160 14-555 26-125 60
(Bs) [T] 15 075 105 16
Jaacutedra žeelezoprachovaacute byacutevajiacute teacutež označovanaacute jako železovaacute jaacutedra a jsou vyraacuteběna lisovaacuteniacutem
izolovaneacuteho praacutešku z magneticky měkkeacuteho materiaacutelu s niacutezkou koercitivniacute silou a vysokou
permeabilitou V současneacute době z tohoto materiaacutelu vyraacutebějiacute jaacutedra kromě firmy Magnetics jen někteřiacute
vyacuterobci a to předevšiacutem vaacutelcovaacute ladiacuteciacute jaacutedra pro laděniacute feritovyacutech hrniacutečkovyacutech jader a kruhovaacute jaacutedra
pro odrušovaciacute ciacutevky a filtračniacute tlumivky měničů napětiacute Zvyšovaacuteniacute objemu izolačniacute laacutetky vede ke
snižovaacuteniacute permeability jader a změně teplotniacute zaacutevislosti samotneacuteho magnetickeacuteho materiaacutelu jaacutedra a
roztažnostiacute jeho jednotlivyacutech složek Volbou směsi magnetickyacutech prachů je možneacute předem definovat
teplotniacute činitel permeability kteryacute může nabyacutevat klasnyacutech zaacutepornyacutech popř i nulovyacutech hodnot
Průmyslově se vyraacutebějiacute jaacutedra z jemnyacutech magnetickyacutech prachů s odstupňovanou permeabilitou
v rozsahu = 7 až 550 Jaacutedra toroidniacute s permeabilitou 7 až 150 se použiacutevajiacute v laděnyacutech obvodech
filtrů pro odrušovaciacute tlumivky jaacutedra s permeabilitou 90 až 550 v napaacutejeciacutech spiacutenaciacutech zdrojiacutech
Vysokeacute permeability je dosaženo materiaacutelovyacutem složeniacute magnetickyacutech prachů a změnou velikosti zrn
Čiacutem většiacute jsou prachovaacute zrna tiacutem vyššiacute je permeabilita diacuteky zvyacutešeniacute poměru magnetickeacuteho materiaacutelu
vůči izolačniacute laacutetce
43
72 Magneticky tvrdaacute feromagnetika
Magneticky tvrdeacute feromagnetickeacute materiaacutely majiacute magnetizačniacute křivku s malou strmostiacute a širokou
hysterezniacute smyčku Vykazujiacute poměrně malou permeabilitu a velkou koercivitu Hclt25middot103
Am
Použiacutevajiacute se pro permanentniacute magnety Vyacutevoj v oblasti těchto materiaacutelů nechal vzniknout celeacute řadě
magnetů odlišujiacuteciacutemi se magnetickyacutemi vlastnostmi konduktivitou mechanickyacutemi vlastnostmi a
ekonomickyacutemi parametry Tvrdaacute feromagnetika lze rozdělit naacutesledovně
a) Uhliacutekoveacute oceli ndash s obsahem 15 uhliacuteku Daacutele byly zdokonaleny legovaacuteniacutem wolframem
chromem a kobaltem a zakaleniacutem na martenzitickou strukturu Naacutesledně byly vyrobeny
mnohem vyacutehodnějšiacute slitiny železa niklu a hliniacuteku (Al-Ni) přiacutepadně kobaltu (Al-Ni-Co)
mědi či titanu Nevyacutehodou slitin Al-Ni a Al-Ni-Co je značnaacute mechanickaacute tvrdost křehkost a
tiacutem paacutedem i obtiacutežnaacute opracovatelnost
b) Tvrdeacute ferity ndash např barioveacute (BaFe12O19) nebo stroncioveacute (SrFe12O19) ferity s obsahem
přibližně 80 železa a asi 20 oxidu baria BaO nebo stroncia SrO Mohou byacutet izotropniacute a
anizotropniacute Niacutezkaacute cena a spolehlivost předurčuje tyto materiaacutely pro užitiacute v automatizačniacute
řiacutediacuteciacute a měřiciacute technice
c) Magnety ze vzaacutecnyacutech zemin ndash složeniacute na baacutezi samarium-kobalt (SmCo5 a Sm2Co17) nebo na
baacutezi neodym-železo-boacuter (Nd2Fe14B) Vyraacutebiacute se procesy praacuteškoveacute metalurgie lisovaacuteniacutem
v magnetickeacutem poli s naacuteslednyacutem speacutekaacuteniacutem Patřiacute k nejvyacutekonnějšiacutem permanentniacutem
magnetům Použiacutevajiacute se v silnoproudeacute počiacutetačoveacute a řiacutediacuteciacute technice a u elektroakustickyacutech
zařiacutezeniacute
d) Plastoveacute magnety ndash jsou vyraacuteběny ve formě plastoveacute nemagnetickeacute matrice v niacutež je plnidlem
jemnyacute praacutešek z vhodnyacutech slitin (alni alnico tvrdeacute ferity či materiaacutely na baacutezi vzaacutecnyacutech zemin)
Mohou byacutet izotropniacute nebo anizotropniacute Vyraacutebiacute se lisovaacuteniacutem nebo slinovaacuteniacutem při vysokeacute
teplotě do libovolneacuteho tvaru Použiacutevajiacute se v slaboproudeacute technice
Obr 77 Srovnaacuteniacute demagnetizačniacutech charakteristik permanentniacutech magnetů
44
73 Měřeniacute hysterezniacutech charakteristik vzorků magnetickyacutech jader
Pro měřeniacute hysterezniacutech charakteristik byl použit systeacutem Remacomp-C2
Přiacuteprava vzorků magnetickyacutech jader pro měřeniacute na systeacutemu Remacom-C2
Na jaacutedra bylo před měřeniacutem navinuto primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Mezi primaacuterniacutem a sekundaacuterniacutem
vinutiacute byl proveden izolačniacute proklad lepiciacute paacuteskou Průměr vodiče a počet zaacutevitů v primaacuterniacutem (N1) a
sekundaacuterniacutem (N2) vinutiacute je uveden v Tab Na Obr jsou již vzorky připraveny pro měřeniacute
Tab 74 Bližšiacute specifikace rozměrů počet zaacutevitů vinutiacute a průměr vodičů
Vyacuterobce Therma FM Vacuumschmelze Magnetics
Jaacutedro C150-30S Vitroperm 500F KoolMμ
Tvar Obdeacutelniacutekoveacute Toroid Toroid
Vnějšiacute průměr [mm] 64x36 323 274
Vnitřniacute průměr mm] 55x16 178 145
Vyacuteška mm] 13 122 117
N2 [z] 47 53 41
N2 [z] 47 53 41
Průměr vodiče [mm] 075 05 05
Měřeniacute je provedeno při frekvenciacutech 50Hz a 300Hz a maximaacutelniacute intenzitě 250 Am u jader
M150-30S a Vitropermu 500F Materiaacutel KoolMμ byl měřen při maximaacutelniacute intenzitě 5950 Am
z důvodů zachyceniacute maximaacutelniacute hodnoty indukce tohoto jaacutedra Na Obr71 až 715 jsou pro
srovnaacuteniacute hysterezniacute uvedeny charakteristiky měřenyacutech materiaacutelů
Obr 78 Vzorky jader připraveneacute na měřeniacute hysterezniacutech charakteristik Vlevo M150-30S uprostřed
Vitroperm 500F a vpravo KoolMμ
45
Obr 79 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
Obr 710 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=250 Am Bmax=157 T
Obr 711 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=250 Am Bmax=153 T
Při frekvenci 300Hz došlo k nepatrneacutemu sniacuteženiacute hodnoty Bmax oproti 50 Hz Intenzita Hc se
ztrojnaacutesobila
Remacomp-C2 nebyl schopen naměřit hysterezniacute smyčku Vitropermu 500F na Obr zcela bezchybně
46
Obr 712 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z Vitropermu 500F měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=279 Am při 50Hz vykazuje odskoky od skutečneacuteho průběhu
Obr 713 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z Vitropermu 500F měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě
intenzity magnetickeacuteho pole Hmax=279 Am při 300 Hz takeacute vykazuje odskoky od skutečneacuteho průběhu
Při změně frekvence z 50 Hz na 300Hz došlo k naacuterůstu koercitivity o pohyacutech 07 Am Materiaacutel
vykazuje velice malou hodnotu remanentniacute indukce pro obě frekvence
47
Obr 714 Hysterezniacute smyčka jaacutedra Kool Mμ změřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity magnetickeacuteho
pole Hmax=5950 Am při 50 Hz
Obr 715 Hysterezniacute smyčka jaacutedra Kool Mμ změřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity magnetickeacuteho
pole Hmax=5950 Am při 300 Hz
48
731 Vyhodnoceniacute naměřenyacutech vyacutesledků
Nejvyššiacute hodnoty indukce dosahujiacute jaacutedra z plechů M150-30S Koercitivniacute intenzita se u jaacutedra z plechů
M150-30S stejně jako u matriaacutelu KoolMμ při změně frekvence z 50 Hz na 300 Hz ztrojnaacutesobila
Niacutezkaacute cena jader KoolMμ je z hlediska naměřenyacutech veličin odpoviacutedajiacuteciacute Jaacutedra Kool Mμ vykazujiacute
amplitudovou permeabilitu μa pouze 77 Vyacuterobce uvaacutediacute hodnotu μa=125
Nejnižšiacute koercitivniacute intenzita byla naměřena u materiaacutelu Vitroperm 500F Měřeniacute magnetickeacuteho jaacutedra
Vitropermu 500F při 50 Hz prokaacutezalo velice niacutezkou koercitivniacute intenzitu Hc= 1Am kteraacute odpoviacutedaacute
uacutedajům z katalogoveacuteho listu Tento špičkovyacute materiaacutel se použiacutevaacute pro sveacute charakteristickeacute vlastnosti
pro jednofaacutezoveacute a trojfaacutezoveacute magnetickeacute obvody ve spiacutenanyacutech napaacutejeciacutech zdrojiacutech frekvenčniacutech
měničiacutech ale i pro běžneacute tlumivky Struktura tohoto materiaacutelu je velice křehkaacute neboť je navinuta
z 20 μm tenkyacutech vrstev Diacuteky tomu neniacute vhodneacute tato jaacutedra dělit řezaacuteniacutem
49
8 Realizovanyacute Adamsův motor
81 Virtuaacutelniacute model Adamsova motor generaacutetoru a jeho praktickaacute
realizace
Model motoru je vytvořen v programu SolidWorks SolidWorks je mocnyacutem naacutestrojem konstrukteacutera a
nabiacuteziacute snadnou optimalizaci modelu
Po vytvořeniacute jednotlivyacutech diacutelů je možneacute tyto diacutely pomociacute vazeb navzaacutejem svaacutezat a tiacutem daacutet okamžitou
představu o chovaacuteniacute modelu
Při naacutevrhu Adamsova motoru jsem vychaacutezel předevšiacutem z rozměrů magnetickyacutech jader statoroveacute čaacutesti
stroje
811 Stator
a) Jako nosnaacute konstrukce pro jaacutedra statoru uloženiacute ložisek uchyceniacute desky plošnyacutech spojů
optickyacutech senzorů sloužiacute dvě tabule z plexiskla tloušťky 8 mm ktereacute tvořiacute nosnou konstrukci
neboť jsou po obvodu vzaacutejemně spojeny šesti zaacutevitovyacutemi tyčemi o průměru 5 mm Na Obr je
zadniacute nosnaacute tabule plexiskla
Obr 81 Zadniacute nosnaacute deska z plexiskla
Otvor průměru 26 mm nachaacutezejiacuteciacute se uprostřed sloužiacute pro uloženiacute kuličkoveacuteho ložiska Skrze
otvory průměru 51 mm po jeho obvodu prochaacuteziacute šrouby pro přichyceniacute krytů ložiska
Naacutesledujiacute otvory určeneacute pro upevněniacute optickyacutech čidel dřevěneacuteho krytu pro zakrytiacute vodičů
připojenyacutech k vinutiacutem a optickyacutem senzorům Skrze podlouhleacute draacutežky jsou šrouby přitaženy
dřevěneacute držaacuteky statorovyacutech jader Vzhledem ke tvaru draacutežky je zajištěna možnost jejich
50
polohovaacuteniacute vzhledem k rotoru Volnyacute prostor na praveacute straně je určen pro upevněniacute desky
plošnyacutech spojů s elektronickyacutemi součaacutestkami
b) Nosneacute držaacuteky pro jaacutedra statoru jsou použity dřevěneacute špaliacuteky do kteryacutech jsou jaacutedra vlepena
epoxidovou pryskyřiciacute
c) Optočleny TCST 2103 jsou přitaženy k jejich dutyacutem dřevěnyacutem držaacutekům imbusovyacutemi šrouby
průměru 3 mm Skrze dřevěneacute držaacuteky jsou kolmo na směr vyacutevodů optočlenu vyvrtaacuteny otvory
pro zaacutevitoveacute tyče jež spolu s našroubenyacutemi matkami přitahujiacute držaacutek s čidlem jedneacute k zadniacute
desce plexiskla statoroveacute čaacutesti stroje Jistaacute uacuteroveň dotaženiacute matce dovoluje držaacutek s čidlem
nataacutečet a měnit tak okamžik sepnutiacute optočlenu
Obr 82 Optočlen TCST 2103 připevněnyacute k dřevěneacutemu držaacuteku
d) Stejnou vzdaacutelenost mezi dvěma plexiskly statoru zajišťujiacute distančniacute trubice skrze ktereacute
prochaacuteziacute zmiacuteněneacute zaacutevitoveacute tyče spojujiacuteciacute obě zaacutekladoveacute tabule plexiskla Tyto trubice jsou
vyrobeny z kostry stojanu pro sušeniacute praacutedla Z estetickyacutech důvodů je na nich navlečena a
zatavena teplem smršťovaciacute bužiacuterka
Postup vytvořeniacute ciacutevky v SolidWorksu
1 V předniacute rovině skici na Obr je pomociacute os X a Y vytvořen souřadnicovyacute systeacutem potřebnyacute pro
tvorbu zaacutekladniacutech vazeb využityacutech při ryacutesovaacuteniacute
2 Čelniacute pohled na jeden poacutel magnetickeacuteho jaacutedra ve statoru na ktereacute maacute byacutet umiacutestěna jedna
budiacuteciacutech ciacutevek je vytvořen z konstrukčniacutech přiacutemek a okoacutetovaacuten rozměry 13 mm x 11 mm
3 Vnitřniacute rozměry ciacutevky jsou z čelniacuteho pohledu oproti jaacutedru na každeacute straně zvětšeny o 05 mm
tedy o tloušťku foacutelie jež tvořiacute kostřičku ciacutevky a malou vzduchovou mezeru umožňujiacuteciacute volneacute
nasunutiacute ciacutevky na magnetickeacute jaacutedro
4 Poloměr zaobleniacute vnitřniacute čaacutesti kostry ciacutevky je 08 mm
51
Obr 81 Skica naacutevrhu diacutelu
5 Vnějšiacute rozměry ciacutevky jsou daacuteny počtem vrstev zaacutevitů a celkovyacutem činitelem plněniacute ciacutevky
Deset vrstev zaacutevitů vodičem 03 mm spolu s izolačniacute a nosnou kostrou ciacutevky vytvořiacute 4 mm
vysokou vrstvu zaacutevitů v roziacutech zaoblenou se stejně velkyacutem poloměrem 4mm Vnějšiacute a vnitřniacute
zaobleniacute rohů je od rovnyacutech segmentů skici odděleno uacutesečkami čiacutemž je skica dokončena
6 Využitiacutem funkce přidaacuteniacute vytaženiacutem a jejiacute aplikaciacute na jednotliveacute segmenty skici je ciacutevka
symetricky vytažena do prostoru na deacutelku 19 mm Zamiacutetnutiacutem funkce sloučit vyacutesledky při
vytaženiacute jsou všechny segmenty ciacutevky vytvořeny jako samostatneacute objekty čiacutemž odpadaacute
děleniacute modelu v Ansysu
Obr 82 Model ciacutevky
Magnetickaacute jaacutedra použitaacute ve statoru jsou původně určena pro jednofaacutezoveacute jaacutedroveacute transformaacutetory
Jaacutedro transformaacutetoru je při vyacuterobě naviacutejeno na obdeacutelniacutekoveacute kopyto o rozměrech odpoviacutedajiacuteciacutech
požadovaneacute velikosti okna pro primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Jaacutedro je po navinutiacute
z transformaacutetoroveacuteho plechu rozřiacuteznuto na dvě poloviny jak je zřejmeacute z Obr xx čiacutemž je možneacute do
magnetickeacuteho obvodu nasunout primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute
V našem přiacutepadě je pro každeacute magnetickeacute jaacutedro statoru použita pouze jedna polovina zmiacuteněneacuteho
transformaacutetoroveacuteho jaacutedra Okno statoroveacuteho jaacutedra určeneacute pro umiacutestěniacute obou vinutiacute statoru maacute pouze
polovičniacute deacutelku oproti transformaacutetoru a na straně řezu je otevřeno
52
Obr 83 Pohled na uloženiacute vinutiacute
Obě budiacuteciacute ciacutevky jsou nasunuteacute na jednom jaacutedru statoru a jsou totožneacute tj majiacute stejnyacute počet zaacutevitů
vinutyacutech vodičem o stejneacutem průřezu Jsou spojena do seacuterie a spolu s magnetickyacutem jaacutedrem tvořiacute jeden
z osmi statorovyacutech magnetickyacutech obvodů
Na Obr Xx je bližšiacute pohled na rozloženiacute vodičů v průřezu ciacutevkou Každaacute vrstva zaacutevitů ciacutevky obsahuje
63 zaacutevitů v deseti vrstvaacutech
Obr 84 Rozloženiacute zaacutevitů
Počet zaacutevitů v jedneacute ciacutevce je daacuten naacutesobkem počtu zaacutevitů v jedneacute vrstvě a množstviacute vrstev tedy
63x10= 630 zaacutevitů Jelikož jsou obě ciacutevky na magnetickeacutem jaacutedru spojeny do seacuterie celkovyacute počet
zaacutevitů je dvojnaacutesobnyacute tedy 1260 zaacutevitů Protože statorovaacute jaacutedra odděluje od rotoru vzduchovaacute mezera
05 mm jsou obě vinutiacute od konce jaacutedra umiacutestěny ve vzdaacutelenosti 2 mm pro zajištěniacute bezpečneacute
vzdaacutelenosti od otaacutečejiacuteciacuteho se rotoru Naacutesledkem toho se do jedneacute vrstvy ciacutevky vleze menšiacute počet
zaacutevitů bliacuteže zpraženyacutech s magnetickyacutem tokem v jaacutedru
Počet vrstev obou vinutiacute je teacutež omezen a to jednak velikostiacute okna a mezerou 5 mm mezi oběma
vinutiacutemi Tato mezera zajišťuje možnost volneacuteho nasunutiacute vinutiacute na magnetickeacute jaacutedro a umožňuje
lepšiacute odvod tepla do okoliacute
53
Pro dosaženiacute konstantniacute vzduchoveacute mezery mezi vyniklyacutemi poacutely rotoru a jaacutedry ve statoru jsou konce
statorovyacutech jader zbroušeny na poloměr bliacutezkyacute poloměru plechů v rotoru
Kostřička ciacutevky
Pro vyacuterobu kostřiček ciacutevek posloužila plastovaacute folie určenaacute pro krytiacute předniacute strany dokumentu
svaacutezaneacuteho v kroužkoveacute vazbě Po vyřezaacuteniacute a ohnutiacute do požadovaneacuteho tvaru byla a slepena
oboustrannou lepiciacute paacuteskou
Obr 83 Kostřička ciacutevky vyrobenaacute z plastoveacute folie
Naviacutejeniacute ciacutevek
Pro naviacutejeniacute ciacutevek se realizovalo ručniacute naviacuteječkou s mechanickyacutem počiacutetadlem Na Obr84 je vidět že
obě ciacutevky jsou navinuty nepřerušenyacutem vodičem Obě ciacutevky majiacute 630 zaacutevitů
Obr 84 Pro zpevněniacute čel ciacutevek během naviacutejeniacute na plastovou kostřičku posloužily 5mm širokeacute destičky
z pertinaxu Draacutežky v nich vybroušeneacute umožnily zachyceniacute vyacutestupniacuteho vodiče ciacutevky pod navlečenou
gumičku Levaacute destička pertinaxu je odniacutematelnaacute po uvolněniacute dotaženeacuteho šroubu
Hotovaacute ciacutevka navinutaacute na kostřičce z plastoveacute folie je na Obr Po navinutiacute ciacutevky se čela kostřičky
(plastoveacute folie) zahnula přes horniacute vrstvu zaacutevitů a navzaacutejem slepila sekundovyacutem lepidlem
Obr 85 Pohled na ciacutevku zpevněnou kostřičkou z plastoveacute folie
54
Statoroveacute jaacutedro s ciacutevkami
Na každeacute z osmi statorovyacutech jader jsou nasunuty dvě seacuteriově spojeneacute ciacutevky Pro pevneacute zachyceniacute obou
vinutiacute je použit pružnyacute tmel
Obr 86 Pohled na statoroveacute jaacutedro s nasunutyacutem vinutiacutem
Uchyceniacute statorovyacutech jader
Statorovaacute jaacutedra jsou pevně zalepena epoxidovou plyskyřiciacute do dřevěnyacutech sloupků Po obou stranaacutech
sloupku jsou vyvrtaacuteny otvory v nižchž jsou vyřezaacuteny zaacutevity pro šrouby Dotaženiacutem šroubu jsou
sloupky s jaacutedry pevně uchyceny v deskaacutech z plexiskla
Obr 87 Pohled na jaacutedro zalepeneacute v dřevěneacutem držaacuteku
55
812 Rotor
Průměr rotoru a jeho konstrukčniacute řešeniacute je navrženo s ohledem na rozměry jader ve statoru a velkou
hmotnost dynamoplechů
e) Z velikosti okna pro primaacuterniacute vinutiacute je odvozena potřebnaacute vyacuteška permanentniacutech magnetů a
počet vrstev dynamoplechů v rotoru
f) Rozměry hřiacutedele jsou voleny s ohledem na použitaacute kuličkovaacute ložiska o vnitřniacutem průměru 10
mm a hmotnost rotorovyacutech plechů a je počiacutetaacuteno s jistou rezervou v přiacutepadě působeniacute vyššiacutech
momentů setrvačnosti celeacuteho rotoru Hřiacutedel a středoveacute přiacuteruby zajišťujiacute pevneacute přichyceniacute
středoveacuteho pouzdra permanentniacutech magnetů jelikož jsou vzaacutejemně spojeny čtyřmi šrouby
Hřiacutedel a středoveacute přiacuteruby jsou vysoustruženy z mosazi
Obr 88 Hřiacutedel je vysoustruženaacute z mosazneacute kulatiny
Na Obr je pohled na celkovou sestavu rotoru a statorovaacute jaacutedra Ke hřiacutedeli jsou přiacuteruby připevněny
ve čtyřech miacutestech
Obr 89 Pohled na rotor a jaacutedra statoru opatřenaacute vinutiacutem
g) Přiacuteruby pro uchyceniacute středoveacuteho pouzdra rotoru v němž jsou uloženy magnety jsou
vysoustruženy z mosazi stejně tak i přiacuteruba pro komutačniacute disk Přiacuteruby jsou ke hřiacutedeli pevně
dotaženy imbusovyacutemi šrouby
56
Obr 810 Jedna přiacuterub pro upevněniacute středoveacuteho pouzdra magnetů ke hřiacutedeli
h) Středoveacute pouzdro nesouciacute dynamoplechy a magnety je složeno z třiacute vrstev plexiskla tloušťky
2x4 mm + 1x5 mm Maacute tedy tloušťku 13 mm stejně jako vnitřniacute rozměr okna jaacutedra statoru
Přiacuteruby navlečeneacute na hřiacutedeli z obou stran stahujiacute plexiskla středoveacuteho pouzdra čiacutemž je pevně
spojujiacute s hřiacutedeliacute
Obr 811 Středoveacute pouzdro permanentniacutech magnetů
i) Dynamoplechy jsou po obou stranaacutech středoveacuteho pouzdra navrstveny na požadovanou vyacutešku
11 mm což odpoviacutedaacute přiacuteslušneacutemu rozměru jaacutedra v jeho řezu Při tloušťce dynamoplechu 05
mm je na obou stranaacutech pouzdra 22 vrstev dynamoplechu Jak dynamoplechy tak i středoveacute
pouzdro v sobě majiacute vyřezaacuteny otvory pro zaacutevitoveacute tyče a diacuteky matkaacutem dotaženyacutem po obou
stranaacutech rotoru spojujiacute navzaacutejem tyto čaacutesti s hřiacutedeliacute
Obr 812 Jedna sekce rotoru je složenaacute z 22 vrstev dynamoplechů
j) K dobreacutemu staženiacute dynamoplechů nejen v miacutestech kde k nim ze stran přileacutehajiacute matky
přispiacutevajiacute kryciacute kotouče z plexiskla na Obr813
57
Obr 813 Otvorem uprostřed kryciacuteho kotouče prochaacuteziacute hřiacutedel a je možneacute se diacuteky němu dostat na
šrouby připevňujiacuteciacute přiacuteruby rotoru pevně k řčiacutedeli
Vyacuteroba vyniklyacutech poacutelů rotoru
Rotoroveacute plechy jsou do požadovaneacuteho tvaru na Obr814 vyřezaacuteny pomociacute vodniacute pily Tryska
zařiacutezeniacute žene proud vodniacuteho paprsku spolu s abrazivem kolmo na řezanyacute objekt
Obr 814 Skica rotorovyacutech plechů s vyznačenyacutemi miacutesty pro umiacutestěniacute permanentniacutech magnetů
Na Obrxx zachycena vodniacute pila během vyřezaacutevaacuteniacute požadovaneacuteho tvaru rotoru do tabule
dynamoplechu o rozměrech 1x1metr
58
Obr 815 Sniacutemek pořiacutezenyacute během řezaacuteniacute dynamoplechu vodniacutem paprskem s abrazivem
Magnetickaacute čaacutest obvodu obvod rotoru se sklaacutedaacute ze dvou sekciacute mezi nimiž jsou umiacutestěny permanentniacute
magnety ktereacute sloužiacute jako zdroj magnetickeacuteho pole Každaacute sekce je vytvořena navrstveniacutem
dynamoplechů do vrstvy 11 mm Při tloušťce dynamoplechu to odpoviacutedaacute 22 vrstvaacutem v každeacute sekci
Obr 816 Čelniacute pohled na zkompletovanyacute rotor
Komutaacutetor
Komutaacutetor je realizovaacuten průhlednou foacuteliiacute s černyacutem potiskem Pravidelneacute střiacutedaacuteniacute průsvitnyacutech a
černyacutech oblastiacute na foacutelii během otaacutečeniacute rotoru zajišťuje pravidelneacute přerušovaacuteniacute IR paprsku v osmi
optoelektronickyacutech spiacutenačiacutech TCST 2103 rozmiacutestěnyacutech pravidelně okolo obvodu komutačniacute folie
Na foacutelii je sedm černyacutech a sedm průsvitnyacutech vyacutesečiacute což odpoviacutedaacute počtu sedmi vyniklyacutech poacutelů v obou
sekciacutech rotoru oddělenyacutech permanentniacutemi magnety Nastaveniacute optimaacutelniacute uacutehlu natočeniacute komutačniacute
folie bylo stanoveno měřeniacutem pro uacutehly natočeniacute 1285deg 5 deg 0deg a -1285deg Vyacutesledky jsou shrnuty
v zaacutevěru praacutece
59
Obr 817 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 1285deg
Obr 818 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 5deg
Obr 819 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 0deg
Obr 820 Nastaven uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie -1285deg
Na Obr je čelniacute pohled na realizovanyacute komutaacutetor Po obvodu jsou rovnoměrně rozmiacutestěny černeacute
dřevěneacute držaacuteky s optočleny skrze ktereacute prochaacuteziacute uacutezkeacute zaacutevitoveacute tyče zbroušeneacute tak aby uvnitř držaacuteku
nepoškodily přiacutevodniacute vodiče optočlenů Dotaženiacutem matek našroubovanyacutech na zaacutevitoveacute tyče je možneacute
pevně přitaacutehnout
60
Obr 821 Fotorgrafie realizovaneacuteho komutaacutetoru
Obr 822 Podrobnějšiacute pohled s popisem čaacutestiacute
Optoelektronickeacute
spiacutenače TCST 2103
Jaacutedra statoru
Vinutiacute statoru
Komutaacutetor
s regulaciacute předstihu
Vynikleacute poacutely
rotoru
61
Zkompletovanyacute motor
Na Obr jsou na nosneacute desce namontovaacutena statorovaacute jaacutedra
Obr 823 Horniacute pohled na nosnou desku Uprostřed desky je vidět nachaacuteziacute kryt ložiska
Vodiče ciacutevek na magnetickyacutech jaacutedrech jsou zavedeny do bdquočokolaacutedldquo přišroubovanyacutech po bočniacutech
stranaacutech dřevěnyacutech držaacuteků jader
Obr 824 Bočniacute pohled na dřevěneacute držaacuteky jader statoru
Vyacutevody z čokolaacuted jsou protaženy do dřevěneacuteho tunelu zobrazenyacute ze spodniacute strany na Obr kteryacute
sloužiacute jako ochrana před otaacutečejiacuteciacutem se rotorem
Obr 825 Spodniacute strana kryciacuteho tunelu před vyvrtaacuteniacutem otvorů pro přichyceniacute k nosneacute desce
62
Obr 826 Čelniacute pohled na hotovyacute model Adamsova motoru
Obr 827 Redukce připevněnaacute na hřiacutedeli sloužiacute pro zvětšeniacute jejiacuteho průměru při spojeniacute spojeniacute
motoru s dynamometrem
63
82 Elektrickyacute obvod
821 Popis a scheacutema zapojeniacute
Elektronickaacute čaacutest je spiacutenaacutena přerušovaacuteniacutem infračerveneacuteho paprsku dopadajiacuteciacuteho na fototranzistor
v optočlenu Paprsek prochaacuteziacute průsvitnou čaacutestiacute foacutelie ve chviacuteli kdy jsou vynikleacute poacutely rotoru v čelniacute
pozici se statorovyacutemi jaacutedry a ciacutevky umiacutestěneacute na těchto jaacutedrech v nich majiacute vybudit magnetickyacute
indukčniacute tok opačneacuteho směru oproti toku vystupujiacuteciacuteho z rotorovyacutech poacutelů Naacutesledkem siloveacuteho
působeniacute mezi magnetickyacutemi poli rotoru a statoru je rotor roztaacutečen
Obr 828 Scheacutema zapojeniacute elektrickeacuteho obvodu pro řiacutezeniacute motoru Obvod v praveacute čaacutesti obraacutezku za
přerušovanou čarou se opakuje celkem 4x Pro ušetřeniacute miacutesta je tedy zobrazena pouze jedna čtvrtina
zapojeniacute
Elektrickyacute obvod je možneacute rozdělit na čaacutest vyacutekonovou kteraacute je od čaacutesti niacutezko přiacutekonoveacute oddělena
řiacutediacuteciacute elektrodou vyacutekonovyacutech MOSFET tranzistorů IRF540 Na Obr xx je pro zmenšeniacute ušetřeniacute
miacutesta zobrazena pouze jedna čtvrtina čaacutesti scheacutematu elektrickeacuteho obvodu V leveacute čaacutesti scheacutematu jsou
vyznačena miacutesta připojeniacute napaacutejeciacuteho napětiacute Pro laboratorniacute měřeniacute je vhodneacute vzaacutejemně je oddělit
Kladnyacute poacutel stejnosměrneacuteho napaacutejeciacuteho napětiacute o velikosti 5-31 V je pojen k ciacutevkaacutem skrze konektory
L1až L8 k ke statorovyacutem vinutiacutem Stejnosměrneacute napětiacute 10 ndash 35 V DC je připojeno přes stabilizaacutetor
napětiacute 7808 a Rezistory R1 a R2 k optočlenům TCST 2103 ktereacute jsou ve scheacutematu zastoupeny
vyacutevody označenyacutemi EM1 a DET1 Ty Zkratkovitě označujiacute přiacuteslušnyacute emitor IR zaacuteřeniacute (infračervenaacute
dioda) a detektor (fototranzistor pro infračerveneacute spektrum) implementovaneacute v pouzdru optočlenu
Hodnoty odporů jsou stanoveny na zaacutekladě snahy omezit proud řiacutediacuteciacuteho obvodu na nejnižšiacute hodnotu a
zaacuteroveň zachovat spraacutevnou funkci obvodu Jmenovitaacute hodnota proudu emitorem je 20mA Proud
tekouciacute skrze EM1 až EM8 je nastaven předřadnyacutemi rezistory 6K8 na hodnotu cca 1mA Paprsek
prochaacuteziacute skrze průsvitnou čaacutest komutaacutetoru nebo je přerušen černě potištěnou čaacutestiacute Pokud paprsek
dopadaacute na detektor a otviacuteraacute jej a proud může prochaacutezet přes odpory 39K předřazeneacute detektorům Za
detektory jsou napojeny Schmittovi klopneacute obvody na jejichž vstupech se objeviacute napětiacute v přiacutepadě že
je detektor paprskem neosviacutecen Klopneacute obvody jsou napaacutejeny napětiacutem ze stabilizaacutetoru a na sveacutem
64
vyacutestupu majiacute toteacutež napětiacute pokud je na jejich vstupu napětiacute nuloveacute V jednom pouzdře integrovaneacuteho
obvodu 40106N se nachaacuteziacute 6 investujiacuteciacutech hradel Paralelniacutem spojeniacute třiacute je sniacutežen odpor hradla na
třetinu Naacutesleduje vyacutekonovyacute MOSFET tranzistor IRF560 s odporem přechodu elektrod DS v
sepnuteacutem stavu 44m Ω Niacutezkaacute vyacutekonovaacute ztraacuteta těchto tranzistorů snižuje ztraacutetovyacute vyacutekon na minimum
v porovnaacuteniacute s bipolaacuterniacutemi tranzistory Je-li na vstupniacute elektrodu G připojeno kladneacute napětiacute tranzistor
se otevře a umožniacute průchod proudu přiacuteslušnyacutem vinutiacutem připojenyacutem ke konektoru L1až L8
822 Deska plošnyacutech spojů
Deska plošnyacutech spojů vytvořenaacute stejně tak jako scheacutema v programu Eagle
Obr 829 Deska plošnyacutech spojů elektronickeacute ho obvodu z pohledu součaacutestek
Navrženaacute deska plošnyacutech spojů je vyrobena bdquofotocestouldquo Působeniacutem zdroje ultrafialoveacuteho světla
dojde ke změně chemickeacute struktury fotocitliveacute vrstvy kteraacute se nachaacuteziacute v miacutestech prosviacuteceniacute průsvitneacute
předlohy DPS Po rozpuštěniacute osviacuteceneacute vrstvy fotocitliveacuteho laku v hydroxidu sodneacutem byla deska
omyta vodou a odleptaacutena v chloridu železiteacutem
Obr 830 Osvit desky plošnyacutech spojů 11W UV zaacuteřivkou
65
Obr 831 Hotovaacute deska po odvrtaacuteniacute otvorů pro vyacutevody součaacutestek a protaženiacute vodičů do dřevěneacuteho
kryciacuteho tunelu
66
9 Magnetostatickaacute analyacuteza Adamsova motoru
91 Vyacutepočet zjednodušeneacuteho magnetickeacuteho obvodu
911 Feromagnetika v magnetickeacutem obvodu
Permanentniacute magnety použiteacute rotoru jsou neodymoveacute (Nd-Fe-B) s magnetizaciacute N38 a maximaacutelniacute
pracovniacute teplotě 80degC Magnety majiacute tvar vaacutelce Požadovanaacute vyacuteška magnetů je 13 mm a odpoviacutedaacute
přiacuteslušneacutemu rozměru okna jader ve statoru Požadovaneacute vyacutešky bylo dosazeno spojeniacutem magnetu o
vyacutešce 10 mm a magnetu o vyacutešce 3 mm Magnety majiacute průměr 15mm
Demagnetizačniacute charakteristika magnetu je na Obr
Obr 91 Druhyacute kvadrant pracovniacutech hysterezniacutech smyček B(H) a J(H)=B(H)-μ0H
permanentniacuteho magnetu s magnetizaciacute N38 měřeno při 26degC
Magnetickaacute jaacutedra statoru jsou vyrobena z FeSi transformaacutetoroveacuteho plechu s anizotropniacute strukturou o
jakosti M150-30 Materiaacutel maacute poměrně niacutezkou konduktivitu tedy niacutezkeacute ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy
Magnetickeacute čaacutesti rotoru jsou z dynamoplechů izotropniacute struktury o jakosti M600 - 50
Vyacutepočet magnetickeacute indukce a intenzity magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře mezi rotorovyacutem a
statorovyacutem poacutelem
Magnetickyacute obvod se sklaacutedaacute z permanentniacuteho magnetu dvou vyniklyacutech poacutelů rotoru dvou
vzduchovyacutech mezer a jaacutedra statoru
-14
-12
-1
-08
-06
-04
-02
0
02
04
06
08
1
12
14
-1 200 -1 100 -1 000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0
J B [T]
H [kAm]
Demagnetizačniacute charakteristika NdFeB magnetu (N38)
J magnetu
B magnetu
B vakau
HBHmax=473 kAm BHmax=294 kJm3
BBHmax=0612 T B
J
μ0H
HC=-937 kAm
67
Obr 92 Magnetickyacute obvod s permanentniacutem magnetem
Pro středniacute indukčniacute čaacuteru naznačenou v magnetickeacutem obvodu přerušovanou čarou platiacute podle prvniacute
Maxwellovy rovnice v integraacutelniacutem tvaru
kde indexy značiacute M permanentniacute magnet žr železo rotoru v vzduchovou mezeru a žs železo statoru
Železo rotoru (dynamoplechy) a železo statoru (transformaacutetoroveacute plechy) jsou feromagneticky měkkeacute
materiaacutely Pro zjednodušeniacute vyacutepočtu předpoklaacutedaacuteme že jejich permeability tj jejich
magnetickeacute odpory a tedy i magnetickaacute napětiacute a jsou zanedbatelně maleacute
takže pro intenzitu magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře platiacute
Pro magnetickyacute indukčniacute tok permanentniacuteho magnetu platiacute
kde je činitel rozptylu ve vzduchoveacute mezeře a jestliže k rozptylu toku nedochaacuteziacute tak
Magnetickyacute indukčniacute tok ve vzduchoveacute mezeře je vyjaacutedřen
Pro magnetickyacute indukčniacute tok permanentniacuteho magnetu platiacute
takže magnetickaacute indukce ve vzduchoveacute mezeře je
(19)
(20)
(21)
(22)
(23)
BM HM
lM
lžr
lžr
lv
lv
lžs
Bv
Hv
Sv
Sžr Sžs
SM
Hžr
Hžr
Hžs Bžs
Bžr
Bžr
J
S
Sžr
Bv
Hv
68
odtud
Z rovnosti rovnic (19) a (24)
lze vyjaacutedřit magnetickou indukci permanentniacuteho magnetu jako
kde veličina Nd je tzv demagnetizačniacute činitel pro nějž platiacute
Pro dosazeniacute do (24) je zapotřebiacute stanovit hodnotu činitele rozptylu magnetickeacuteho toku ve vzduchoveacute
mezeře Stanoviacuteme odhadem (
Pro dosazeniacute do (24) je daacutele zapotřebiacute stanovit průřez magnetu Při průměru 15 mm je
Průřez vzduchoveacute mezery mezi statorem a rotorem vypočteme jako aritmetickyacute průměr průřezu poacutelu
jaacutedra statoru a průřezu vynikleacuteho poacutelu rotoru Skutečneacute průřezy poacutelu statoru a rotoru lze jednoduše
odečiacutest z virtuaacutelniacuteho modelu v DesignModeleru Ansysu jak je naznačeno na Obr93 a na Obr94
Průřez poacutelu statoroveacuteho jaacutedra SS je dle DesignModeleru 14328 mmsup2
Obr 93 Po označeniacute plochy jaacutedra statoru vypočte DesignModeler jejiacute průřez
(24)
(25)
(26)
(27)
(28)
(29)
69
Průřez vynikleacuteho poacutelu rotoru SR je dle DesignModeleru 29128 mmsup2
Obr 94 Po označeniacute plochy vynikleacuteho poacutelu rotoru vypočte DesignModeler jeho průřez
Po dosazeniacute průřezů je aritmetickyacute průměr průřezu vzduchoveacute mezery
Vyacuteška použiteacuteho magnetu je daacutena součtem vyacutešek dvou na sobě umiacutestěnyacutech magnetů 10mm a 3 mm
tedy =13 mm
Řešenyacute magnetickyacute obvodu obsahuje dvě vzduchoveacute mezery o velikosti 1 mm Celkovaacute deacutelka
vzduchoveacute mezery je daacutena součtem těchto dvou deacutelek tedy =2 mm
Dosazeniacute všech potřebnyacutech hodnot do rovnice (24) vypočiacutetaacuteme demagnetizačniacute činitel
Dosazeniacutem demagnetizačniacuteho činitele do rovnice pro magnetickou indukci magnetu (26) ziacuteskaacuteme
rovnici přiacutemky
jejiacutež průsečiacutek s demagnetizačniacute křivkou permanentniacuteho magnetu na Obrxx stanoviacute pracovniacute bod
permanentniacuteho magnetu
Z grafu na Obr 95 je možneacute odečiacutest hodnotu magnetickeacute indukce permanentniacuteho magnetu v
pracovniacutem bodu BM=1 T a odpoviacutedajiacuteciacute hodnotu intenzity magnetickeacuteho pole HM=1 T
(30)
(31)
70
Obr 95 V průsečiacuteku přiacutemky s demagnetizačniacute charakteristikou se nachaacuteziacute pracovniacute bod P
permanentniacuteho magnetu v magnetickeacutem obvodu se vzduchovou mezerou
Zvětšeniacutem vzduchoveacute mezery v magnetickeacutem obvodu se zvětšiacute demagnetizačniacute činitel Nd tj zvětšiacute se
směrovyacute uacutehel přiacutemky z hodnoty α na hodnotu α1 a pracovniacute bod P se posune do polohy P1 jak je
naznačeno na Obr96
Obr 96 V průsečiacuteku přiacutemky s demagnetizačniacute charakteristikou se nachaacuteziacute pracovniacute bod
permanentniacuteho magnetu
00
02
04
06
08
10
12
14
-1 000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0
J B [T]
H [kAm]
Stanoveniacute pracovniacuteho bodu magnetu na demagnetizačniacute
charakteristice
B magnetu
Bm=-NdHm
BM=1 T
HM=-183 kAm
P
Br=124 T
HC=-937 kAm
71
Zmenšiacute-li se opět vzduchovaacute mezera na původniacute velikost nevraacutetiacute se pracovniacute bod P1 do sveacute původniacute
polohy v bodě P ale do polohy P2 po křivce k2 Smyčka složenaacute z křivek k1 a k2 je malaacute hysterezniacute
smyčka Přibližně ji můžeme nahradit uacutesečkou P1 P2 sviacuterajiacuteciacute s osou H uacutehel β Pohybuje-li se pracovniacute
bod po maleacute hysterezniacute smyčce jde vratneacute změny tj zanikne-li přiacutečina posuvu pracovniacuteho bodu vraciacute
se pracovniacute bod do sveacute původniacute polohy Pohyb pracovniacuteho bodu po hlavniacute hysterezniacute smyčce je
nevratnyacute K podobnyacutem jevům dochaacuteziacute když miacutesto změn vzduchoveacute mezery působiacuteme na permanentniacute
magnet magnetickyacutem polem ktereacute zvětšuje nebo zmenšuje jeho tok Všechny dalšiacute pohyby
pracovniacuteho bodu probiacutehajiacute přibližně po přiacutemce P1 P2 pokud směrovyacute uacutehel α nepřestoupiacute hodnotu uacutehlu
α1 Překročiacute-li tuto hodnotu pohybuje se pracovniacute bod opět po hlavniacute hysterezniacute smyčce a při naacutevratu
zpět k původniacute hodnotě uacutehlu α přechaacuteziacute na novou bdquomalou hysterezniacute smyčku vyznačenou na Obrxx
čaacuterkovaně [20]
Magnetickaacute indukce ve vzduchoveacute mezeře
Intenzita magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře
(32)
(33)
72
92 Vyacutepočet magnetickeacuteho obvodu v ANSYS Workbench
Magnetickaacute indukce - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 97 Pohled na rozloženiacute magnetickeacute indukce v obvodu při I=0A
Obr 98 Zobrazeniacute vektorů magnetickeacute indukce při I=0A
73
Magnetickaacute indukce - horniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 99 Rozloženiacute magnetickeacute indukce při I=0A
Obr 910 Zobrazeniacute vektorů magnetickeacute indukce při I=0A
74
Intenzita magnetickeacuteho pole - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 911 Rozloženiacute intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
Obr 912 Zobrazeniacute vektorů intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
75
Intenzita magnetickeacuteho pole - horniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 913 Rozloženiacute intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
Obr 914 Zobrazeniacute vektorů intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
76
Rozloženiacute siacutely působiacuteciacute na poacutely rotoru vlivem přiacutetažneacute siacutely permanentniacuteho magnetu
Obr 915 Siacutela mezi poacutely rotoru
Přitažlivaacute siacutela mezi poacutely rotoru v miacutestě magnetu je daacutena rozdiacutelem maximaacutelniacute a minimaacutelniacute hodnoty sil
(34)
77
Magnetickaacute indukce při proudu 1 A - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru při
921 Rozběh motoru
Uacutekolem je naleacutezt nejmenšiacute hodnotu proudu tekouciacuteho vinutiacutem statoroveacuteho jaacutedra při ktereacute dojde k
rozběhu motoru Vychaacutezejme z toho že přiacutetažnaacute siacutela působiacuteciacute na jedno jaacutedro statoru ktereacute je
v zarovnaneacute pozici s vyniklyacutemi poacutely rotou musiacute byacutet vlivem proudu tekouciacuteho vinutiacutem
Proud by měl miacutet takovou velikost aby v jaacutedru statoru vybudil magnetickyacute tok opačneacute polarity oproti
magnetickeacutemu toku vystupujiacuteciacuteho z protějšiacuteho vynikleacuteho poacutelu rotoru A to s takovyacutemi silovyacutemi
uacutečinkly aby byl došlo k pootočeniacute rotoru do pozice ve ktereacute se vedlejšiacute vynikleacute poacutely rotoru začnou
přitahovat k vedlejnšiacutemu statoroveacutemu jaacutedru Celyacute proces se poteacute opakuje i u dalšiacutech jader
Středniacute hodnota proudu tiacutemto vinutiacutem se během rozběhu motoru snižuje až na konstntniacute hodnotu
Dojdek k ustaacuteleniacute otaacuteček a doby průchodu proudu jednotlivyacutemi vinutiacutemi
78
Na Obr je graf průběhu siacutely působiacuteciacute na jaacutedro statoru ve směru osy x při změně velikosti proudu
tekouciacuteho vinutiacutem
Obr 916 Průběh siacutely při změně proudu
Z Obr919 je zřejmeacute že nuloveacute siacutely v ose x na jaacutedro statoru bude dosaženo při proudu 700 mA Tudiacutež
proud vědšiacute než 700 mA vyvolaacute odpuzeniacute rotorovyacutech poacutelů a celyacute proces se opakuje i u ostatniacutech
statorovyacutech jader
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
0 100 200 300 400 500 600 700
I [mA]
Fx [N]
Fx=f(I)
Fx= -2841 N
79
Na Obr je naacutezorně vidět zarovnanyacute vyniklyacute poacutel rotoru s jaacutedrem ve statoru
Obr 917 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru se statorovyacutem jaacutedrem při nuloveacute siacutele na magnetickeacute jaacutedro
Obr 918 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru s jaacutedrem ve statoru bez přiacutetomnosti proudu
Prochaacuteziacute-li vinutiacutem proud 700mA půsovyacute ma magnetickeacute jaacutedro ve směru osy x nulovaacute siacutela Rozloženiacute
magnetickeacute indukce je na Obr
α=0deg
Fx=0 N
I=700 mA
α=0deg
Fx=-2841 N
I=0 mA
80
Obr 919 Rozloženiacute indukce v obvodu při proudu tekouciacutem vinutiacute 700mA
Obr 920 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru s jaacutedrem ve statoru při proudu tekouciacutem vinutiacute 700mA
81
922 Průběhy sil působiacuteciacute na rotor během pootočeniacute
Na obr je osa jaacutedra(v praveacutem rohu) zarovnaacutena s osou vynikleacuteho poacutelu rotoru (vyznačeno červeně) a
naacutesledujiacuteciacute vyniklyacute poacutel rotoru je oproti statoroveacutemu jaacutedru (vpravo) pootočen o uacutehel α = -643deg
Obr 921 Při pootočeniacute rotoru o uacutehel α = -643deg působiacute na rotor siacutela ve směru FY= -5645 N
Průběh siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor během nataacutečeniacute proti směru hodinovyacutech ručiček mezi uacutehly
pootočeniacute v meziacutech α= -643deg až 0deg
Hodnoty jsou vypočiacutetaacuteny v Ansysu s krokem 02 deg a proloženy přiacutemkou
Obr 922 Průběh siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor během pootočeniacute od -643deg do 0deg a vyznačeneacute hodnoty
siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor pro hodnoty natočeniacute uacutehlu α= -643deg a -5deg
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
F [N]
α [deg]
Fy=f(α)
α=-643deg FY=-5645 N
Fy= - 5645 N
I=0 mA
82
Obr 923 Průběh siacutely působiacuteciacute na rotor v ose y během pootočeniacute od -643deg do 0deg a vyznačeneacute hodnoty
siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor pro hodnoty natočeniacute uacutehlu α= -643deg a -5deg
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
N [Nmm]
α [deg]
Fx=f(α)
83
10 Měřeniacute na realizovaneacutem motoru
V Tab101 jsou hodnoty odporu jednotlivyacutech vinutiacute měřeneacute při 20 degC
Tab 101 Hodnoty odporů vinutiacute
Časoveacute průběhy napětiacute a proudu byly naměřeny pomociacute profesionaacutelniacuteho dvoukanaacuteloveacuteho USB
osciloskopu Handyscope HS3 s parametry uvedenyacutemi v tabulce Tab102 Spojeniacutem osciloskopu s PC
bylo možneacute pomociacute napěťoveacute a proudoveacute sondy naměřit časoveacute průběhy napětiacute a proudu Použitaacute
proudovaacute sonda disponuje maximaacutelniacutem rozlišeniacutem 100 mVA
Tab 102 Vlastnosti Osciloskopu Handyscope HS3
Vstup Vyacutestup
max vzorkovaciacute frekvence 100MSs vzorkovaciacute frekvence 50MSs
volitelneacute rozlišeniacute 12-16 bitů rozlišeniacute 12 bitů
maximaacutelniacute napětiacute 200V napětiacute 0 plusmn12 V
impedance 1M Ω20pF maximaacutelniacute proud 05 A DC
Na Obr 101 je zachycen časovyacute průběh napětiacute a proudu změřenyacute na jednom z osmi vinutiacute statoru při
napětiacute 30V a mechanickeacute zaacutetěži Mz = 015 Nm
Rc1 Rc2 Rc3 Rc4 Rc5 Rc6 Rc7 Rc8
[Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω]
203 203 205 202 204 205 202 203 2034
84
Obr 101 Změřeneacute průběhy napětiacute a proudu na vinutiacute během zatiacuteženiacute momentem 015Nm
Hodnoty proudu změřeneacute osciloskopem jsou posunuty o stejnosměrnou složku směrem do
zaacutepornyacutech hodnot Tato chyba znehodnocuje naměřeneacute vyacutesledky proudu uvedeneacute v tabulce a
vznikla z neznaacutemeacute přiacutečiny jako důsledek nastaveniacute citlivosti proudoveacute soncy na hodnotu
100mVA
Tab 103 Hodnoty naměřeneacute osciloskopem Handyscope HS3
Umax Umin Up-p Uef Ustř Δt
[V] [V] [V] [V] [V] [ms]
2958 -7996 10992 3401 -0983 1419
Imax Imin Ip-p Ief Istř f
[mA] [mA] [mA] [mA] [mA] [Hz]
26459 -2276 49219 11375 2421 7048
Na Obr je vidět vysokonapěťovaacute špička opačneacute polarity vzhledem k napaacutejeciacutemu napětiacute kteraacute
dosahuje hodnoty -7996 V Vznikaacute důsledkem naacutehleacuteho přerušeniacute dodaacutevky proudu do obvodu ciacutevky
Magnetickeacute pole vytvořeneacute v magnetickeacutem obvodu se po přerušeniacute dodaacutevky proudu kteryacute jej vybudil
snažiacute zabraacutenit sveacute změně a zachovat proud v elektrickeacutem obvodu čiacutemž zpětně do elektrickeacuteho obvodu
vinutiacute indukuje vysokeacute napětiacute opačneacute polarity Dochaacuteziacute ke zpětneacute indukci napětiacute do elektrickeacuteho
obvodu Tento děj vyjadřuje druhaacute Maxwellova rovnice o zaacutekonu elektromagnetickeacute indukce
v diferenciaacutelniacutem tvaru vyjaacutedřeneacute vztahem
85
Na Obr je teacutež patrnyacute zaacutekmit napětiacute na konci zaacuteporneacute napěťoveacute špičky Tento zaacutekmit je způsoben
parazitniacute kapacitou vinutiacute Časovaacute konstanta s jakou děj odezněniacute je daacutena RLC parametry obvodu
Každyacute způsob provedeniacute vinutiacute maacute sveacute charakteristickeacute vlastnosti předevšiacutem vlastniacute kapacitu vinutiacute
V praxi se např požadavek na sniacuteženiacute vlastniacute kapacity vinutiacute u transformaacutetorů realizuje dvěma
způsoby
a) zmenšeniacute napěťoveacuteho rozdiacutelu mezi vrstvami popř sekcemi vinutiacute nebo zmenšeniacutem vzaacutejemneacute
kapacity těchto čaacutestiacute jejich odděleniacutem
b) sniacuteženiacutem dielektrickeacute konstanty konstrukčniacutech materiaacutelů využitiacutem vhodnyacutech izolantů pro
izolaci vodičů
Nejviacutece možnostiacute nabiacuteziacute prvniacute varianta jež se uplatňuje u hraacutezoveacuteho křiacutežoveacuteho i kotoučoveacuteho vinutiacute
Obvykle neniacute uacutečelneacute ani hospodaacuterneacute dělit vinutiacute viacutece než na tři komory Čiacutem nižšiacute bude celkovyacute činitel
vinutiacute tiacutem menšiacute bude kapacita vinutiacute Impregnaciacute vinutiacute se vlastniacute kapacita vinutiacute zvyšuje asi o 30 až
50 V přiacutepadě spojeniacute jednoho vyacutevodu vinutiacute s magnetickyacutem jaacutedrem se vlastniacute kapacita vinutiacute zvětšiacute
přibližně o 20 [19]
Za zaacutepornou vysokonapěťovou špičkou a zaacutekmitem napětiacute způsobenyacutem parazitniacute kapacitou v obvodu
je vidět na Obr půlperioda sinusoveacuteho průběhu napětiacute zaacuteporneacute polarity Toto napětiacute je v obvodu
indukovaacuteno diacuteky průchodu magnetickeacuteho toku vystupujiacuteciacuteho z vyniklyacutech poacutelů rotoru během otaacutečeniacute
Magnetickyacute tok vystupuje z poacutelů rotoru a uzaviacuteraacute se přes jaacutedro statoru čiacutemž v jeho vinutiacute indukuje
napětiacute
(35)
86
Na Obr102 zaacuteznam sinusoveacuteho průběhu napětiacute indukovaneacuteho ve vinutiacute statoroveacuteho jaacutedra ktereacute bylo
odpojeno od napaacutejeniacute
Obr 102 Časovyacute průběh napětiacute indukovaneacuteho ve vinutiacute během otaacutečeniacute rotoru
Obr 103 Časovyacute průběh napětiacute a proudu při napětiacute 30 V a zatiacuteženiacute momentem 005 Nm
87
101 Měřeniacute zaacutekladniacutech charakteristik
Motor byl pro změřeniacute charakteristik spojen s cize buzenyacutem dynamometrem Možnost regulace
zaacutetěžneacuteho momentu změnou odporu kotvy dynamometru a velikostiacute budiacuteciacuteho proudu umožnila
naměřit průběh momentovyacutech mechanickyacutech a rychlostniacutech charakteristik Spojeniacute hřiacutedele
s tachodynamem naviacutec umožnilo měřit indukovaneacute napětiacute během jednotlivyacutech měřeniacute a vypočiacutetat z něj
otaacutečky Na Obr104 je schematicky naznačena soustava dynamometru a motoru pro měřeniacute
zatěžovaciacute charakteristiky motoru
Obr 104 Soustava pro měřeniacute zatěžovaciacutech charakteristik motoru
Pro změřeniacute zaacutekladniacutech charakteristik potřebnyacutech pro vyacutepočet uacutečinnosti motoru byl využit cize buzenyacute
dynamometr s Iab=5 A(10)
102 Vyacutepočet uacutečinnosti
Pro přiacuteklad vyacutepočtu dosadiacuteme do uvedenyacutech vztahů hodnoty veličin při nichž vyšla uacutečinnost motoru
maximaacutelniacute
Jelikož proud tekouciacute do vinutiacute je stejnosměrnyacute stanoviacuteme přiacutekon motoru součinem napětiacute zdroje o
konstantniacute velikosti 31 V s proudem tekouciacutem obvodem
Po dosazeniacute
Vyacutekon motoru je roven
přičemž pro uacutehlovou rychlost vyjaacutedřenou z otaacuteček platiacute vztah
(36)
(37)
(38)
Ua
Rb Umot
88
Po dosazeniacute
Vyacutekon je po dosazeniacute uacutehloveacute rychlosti
Uacutečinnost motoru při zanedbaacuteniacute ztraacutet v elektronickeacutem obvodu je daacutena vyacuterazem
Podiacutelem vyacutekonu a přiacutekonu je vyacuteslednaacute uacutečinnost
(39)
(40)
(41)
(42)
(43)
89
Charakteristiky změřeneacute při změně zaacutetěžneacuteho momentu M=005 až 05 Nm a napětiacute 31V
Obr 105 Změna otaacuteček v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
Obr 106 Změna proudu v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
50
150
250
350
450
550
650
750
850
950
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
n [otmin]
P2 [W]
n=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
0
05
1
15
2
25
3
35
4
2 4 6 8 10 12 14
I [A]
P2 [W]
I=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
90
Obr 107 Změna přiacutekonu v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
Obr 108 Změna uacutečinnosti v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
0
20
40
60
80
100
120
140
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
P1 [W]
P2 [W]
P1=f(P2)
-1285deg
5deg
1285deg
0deg
000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
η []
P2 [W]
η=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
ηmax=355
P2=86 W
91
Obr 109 Změna uacutečinnosti v zaacutevislosti na momentu při U=31V
000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045 05 055 06
η []
M [Nm]
η=f(M)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
ηmax=355
M=019 Nm
0
01
02
03
04
05
06
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000 1 100
M [Nm]
n [otmin]
Momentoveacute charakteristiky motoru
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
92
Charakteristiky změřeneacute při změně napaacutejeciacuteho napětiacute U=5 až 31V M=015 Nm
Obr 1010 Změna proudu v zaacutevislosti na napětiacute při M=015 Nm
Obr 1011 Změna otaacuteček v zaacutevislosti na napětiacute při M=015 Nm
0
02
04
06
08
1
12
14
16
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
I [A]
U [V]
I=f(U)
5deg
0deg
1285deg
-1285deg
I=078 A
0
100
200
300
400
500
600
700
800
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
n [otmin]
U [V]
n=f(U)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
93
Zaacutevěr
Na zaacutekladě existence měřitelneacuteho kvantově mechanickeacuteho projevu Casimirova jevu se člověk alespoň
teoreticky přibliacutežil k pochopeniacute podstaty vakua Pohled na vakuum jako na systeacutem v němž je možno
za jistyacutech okolnostiacute pozorovat vysokofrekvenčniacute elektromagnetickeacute fluktuace i při teplotaacutech bliacutezkyacutech
0K může nabiacutezet novou perspektivu a přiacutestup ke strojům s věčnyacutem pohybem Vnějšiacute projevy
elektromagnetickeacuteho charakteru vakuovyacutech fluktuaciacute nejsou za běžnyacutech okolnostiacute zjevneacute neboť je
v tomto stavu zajištěna jejich symetrie K porušeniacute symetrie však dochaacuteziacute mezi dvěma bliacutezkyacutemi
deskami v Casimirově pokusu
Permanentniacute magnet se v jisteacutem ohledu může jevit jako systeacutem jež svojiacute přiacutetomnostiacute narušuje tuto
symetrii elektromagnetickyacutech fluktuaciacute vakua a tiacutem v okolniacutem prostoru projevuje jeho dynamickou
jinak skrytou povahu formou projevu permanentniacuteho magnetickeacuteho pole V tomto ohledu by mohl byacutet
projev stavu narušeniacute symetrie vakuovyacutech fluktuaciacute uacuteměrnyacute energii vloženeacute do permanentniacuteho
magnetu během procesu magnetovaacuteniacute Tento nekonvenčniacute pohled na permanentniacute magnetismus
umožňuje objasnit vstup energie vakua do systeacutemu s permanentniacutemi magnety jakyacutem by mohl byacutet
např Johnsonův magnetickyacute motor složenyacute pouze z permanentniacutech magnetů Pokud tento motor
opravdu fungoval a vyacuteše nastiacuteněnaacute teorie by byla pravdivaacute neniacute tento systeacutem již možno povařovat za
izolovanyacute od sveacuteho okoliacute neboť samotnaacute povaha vakua by v tomto přiacutepadě umožňovala napaacutejeniacute
tohoto systeacutemu
V tomto ohledu se jeviacute zajiacutemavyacute i systeacutem pro přeměnu energie elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute na
užitečnou elektrickou energii popisovanaacute v šesteacute kapitole V tomto systeacutemu kmitajiacute drobneacute
dielektrickeacute struktury vytvořeneacute např elektronovou litografiiacute vlivem siloveacuteho působeniacute fluktuaciacute
elektromagnetickyacutech poliacute vakua a tiacutem v mikroskopickyacutech anteacutenaacutech mezi strukturami indukujiacute
využitelnou formu energie Tyto kmity jsou v přiacutemeacutem poměru k frekvenci zaacuteřeniacute avšak mnohem nižšiacute
frekvenci Využitiacutem moderniacutech technologickyacutech postupů a vysoce jakostniacutech materiaacutelů se v tomto
ohledu nabiacuteziacute nepřeberneacute možnosti pro experimentovaacuteniacute
Realizace modelu Adamsova motor generaacutetoru kterou jsem prakticky provedl (však pouze ve funkci
motoru) měla za ciacutel stanovit uacutečinnost tohoto systeacutemu neboť informace popisujiacuteciacute tento stroj hovořiacute
teacutež o vstupu energie vakua do tohoto systeacutemu čiacutemž je uacutedajně možno dosaacutehnout uacutečinnosti přesahujiacuteciacute
100 Autor Robert Adams stanovil uacutečinnost sveacuteho motor generaacutetoru na zaacutekladě několik dnů
trvajiacuteciacuteho měřeniacute Měřil průběhy napětiacute na vstupniacute baterii jež stroj napaacutejela a bateriiacutech ktereacute
postupně připojoval na elektrickyacute vyacutestup stroje Během činnosti stroje dochaacutezelo k postupneacutemu
dobiacutejeniacute bateriiacute na vyacutestupu V jisteacutem ohledu jsou hodnoty napětiacute při průběžneacutem měřeniacute určityacutem
ukazatelem uacutečinnosti stroje avšak pro vyacutepočet přesneacute uacutečinnosti daneacute poměrem vyacutekonu a přiacutekonu by
bylo zapotřebiacute do vyacutepočtu zahrnout i proudy prochaacutezejiacuteciacute obvodem
Dynamoplechy (M600-50) pro rotor a transformaacutetorovaacute jaacutedra (M150-30s) pro stator jsem zakoupil u
společnosti Therma FM a permanentniacute magnety přes internetovyacute obchod Unimagnetcz Virtuaacutelniacute
model motoru vytvořenyacute v programu SolidWorks jsem importoval do programu ANSYS Workbench
a provedl v něm magnetostatickou analyacutezu Analyzoval jsem magnetickyacute obvod složenyacute z jedneacute
osminy statoru (pouze jedno jaacutedro) vzduchoveacute mezery a vynikleacuteho poacutelu rotoru při nuloveacutem proudu ve
statoroveacutem vinutiacute Takteacutež jsem magnetickyacute obvod řešil zjednodušenyacutem vyacutepočtem v němž jsem
94
zanedbal reluktanci železa rotoru i statoru rozdiacutel ve tvaru průřezů statorovyacutech i rotorovyacutech poacutelů a
odhadem jsem stanovil činitel rozptylu v okoliacute vzduchoveacute mezery Vypočiacutetal jsem pro danyacute
magnetickyacute obvod demagnetizačniacute činitel a vykresleniacutem přiacutemky byl nalezen pracovniacute bod P
permanentniacuteho magnetu Bod P vytiacutenaacute na přiacuteslušnyacutech osaacutech demagnetizačniacute charakteristiky
odpoviacutedajiacuteciacute hodnoty BM a HM permanentniacuteho magnetu Z nich byly vypočteny hodnoty indukce a
intenzity ve vzduchoveacute mezeře
Hodnoty magnetickeacute indukce a intenzity magnetickeacuteho pole v prostoru vzduchoveacute mezery vypočteneacute
na zaacutekladě zjednodušeniacute obvodu a hodnoty vypočteneacute v ANSYSu se v přiacutepadě indukce lišiacute o hodnotu
0177 T což vzhledem ke zjednodušeniacute vyacutepočtu a odhadu činitele rozptylu přibližně odpoviacutedaacute Rozdiacutel
v hodnotaacutech intenzity magnetickeacuteho pole činiacute 188 kAm což je opět vzhledem k zjednodušeniacutem
vyhovujiacuteciacute hodnota
Pomociacute programu Ansys byla stanovena nejnižšiacute hodnota proudu (700 mA) tekouciacuteho do vinutiacute
vybraneacuteho jaacutedra statoru při jeho zarovnaacuteniacute s rotorovyacutemi poacutely kteraacute způsobiacute vyrušeniacute přiacutetažneacute siacutely
působiacuteciacute na statoroveacute jaacutedro vlivem permanentniacute magnetizace rotoroveacuteho poacutelu Teoreticky proud většiacute
než 700mA způsobiacute pootočeniacute rotoru a naacuteslednyacute rozběh
Daacutele byly graficky stanoveny průběhy sil v osaacutech x a y působiacuteciacutech na rotor během jeho pootočeniacute o
uacutehel 643deg kdy došlo k zarovnaacuteniacute sousedniacutech poacutelů rotoru a statoru
Změřeniacutem zaacutekladniacutech zatěžovaciacutech charakteristik pomociacute dynamometru byly stanoveny průběhy
momentovyacutech charakteristik pro různeacute uacutehly natočeniacute komutačniacuteho disku vzhledem k rotoru Z grafu
průběhu uacutečinnosti v zaacutevislosti na momentu byla odečtena nejvyššiacute hodnota uacutečinnosti motoru 355
pro natočeniacute komutačniacuteho disku o 5deg a odpoviacutedajiacuteciacute zaacutetěžnyacute moment 019 Nm Tato uacutečinnost je v
porovnaacuteniacute se stejně vyacutekonnyacutemi motory běžnyacutech konstrukciacute poměrně niacutezkaacute Jedniacutem z hlavniacutech
faktorů jež ovlivnil vyacuteslednou uacutečinnost je tvar statorovyacutech jader ktereacute majiacute velkou vzduchovou
mezeru Tiacutem paacutedem dochaacuteziacute ke značneacutemu rozptylu toku magnetickeacute indukce skrze prostor mezi
statorovyacutemi poacutely
Natočeniacutem komutačniacuteho disku do polohy 0deg došlo ke značneacutemu sniacuteženiacute uacutečinnosti na hodnotu okolo 14
majiacuteciacute přiacutečinu ve špatneacutem načasovaacuteniacute počaacutetku průchodu proudu do přiacuteslušneacuteho vinutiacute Vzaacutejemneacute
siloveacute působeniacute magnetickyacutech indukčniacutech toků z jaacutedra a rotoru působilo brzdnyacutem uacutečinkem čiacutemž
došlo ke sniacuteženiacute uacutečinnosti motoru
Momentoveacute charakteristiky jsou teacuteměř lineaacuterniacute Největšiacute moment 05 Nm byl naměřen při napětiacute 31
V při 180 otmin a to v přiacutepadě že komutačniacute disk byl pootočen o 1285deg
95
Použitaacute literatura
[1] Hubbertpeak [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwhubbertpeakcomhubbert19561956pdf
[2] Multimediaacutelniacute studijniacute texty z mineralogie [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpmineralogiescimuniczkap_6_2_termodynkap_6_2_termodynhtm
[3] Molecular and cellular immunology Institute of malecular genetics academy of science of the
Czech Republic Praguee [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpmciimgcasczpdfZakony_termodynamikypdf
[4] Uacutestav teoretickeacute fyziky MFF UK [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httputfmffcuniczvyukaOFY016F2001CermakPhtm
[5] Galileo [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpgalileoandeinsteinphysicsvirginiaedumore_stuffflashletsmmexpt6htm
[6] Encyclopedia Britanica [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwbritannicacomEBcheckedtopic600149Evangelista-Torricelli
[7] ABZ slovniacutek ciziacutech slov [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z httpslovnik-cizich-
slovabzczwebphpslovohorror-vacui-horor-vakui
[8] RAFELSKI Johannn a Berndt MUumlLLER The structured vaccum Thinking about nothing
Published electrically 2006 ISBN 3-97144-889-3
[9] Uacutestav jaderneacute fyziky AV ČR veřejnaacute vyacutezkumnaacute instituce [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httphpujfcascz~wagnerpopclanvakuumvakuumhtml_ftn2
[10] Aldebaran [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwaldebaranczbulletin2011_10_kazphp
[11] Aldebaran [online] Casimir - Network 2005 [cit 2014-05-08] Dostupneacute z httpcasimir-
networkfrIMGpdfCasimir_20effectpdf
[12] KVASNICA Jozef Statistickaacute fyzika Vyd 2 Praha Academia 1998 314 s ISBN 80-200-
0676-1
[13] Aldebaran [online] Annenberg learning 2005 [cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwlearnerorgcoursesphysicsvisualanimationhtmlshortname=PHY06_FermiTrap0
3A
[14] Cornell University Library arXivorg [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httparxivorgpdf10115219v1pdf
[15] Fyzikaacutelniacute sekce Matematicko-fyzikaacutelniacute fakulty UK [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpphysicsmffcuniczkfppskriptakurz_fyziky_pro_DSwwwfyzikahtml
[16] FEYNMAN Richard Phillips Feynmanovy přednaacutešky z fyziky s řešenyacutemi přiacuteklady 1 vyd
Havliacutečkův Brod Fragment 2001 806 s ISBN 80-720-0420-4
[17] VALONE Thomas Zero Point Energy The Fuel of the Future United States Integrity
Research Institiute 2007 228 s ISBN 9780964107021
96
[18] KING Moray B Quest for Zero Point Energy Engineering Principles for Free Energy
Engineering Principles for Free Energy United States Integrity Research Institiute 2001 224 s
ISBN 9780932813947
[19] FAKTOR Zdeněk Transformaacutetory a ciacutevky 1 vyd Praha BEN - technickaacute literatura 1999
393 s ISBN 80-860-5649-X
[20] MAYER Daniel a Josef POLAacuteK Metody řešeniacute elektrickyacutech a magnetickyacutech poliacute [vysokošk
učebnice pro elektrotechn fakulty] 1 vyd Praha SNTL 1983 450 s
[21] ABZ slovniacutek ciziacutech slov [online cit 2014-05-12] Dostupneacute z httpslovnik-cizich-
slovabzczwebphpslovohorror-vacui-horor-vakui
[22] Wikipedie [online cit 2014-05-12] Dostupneacute z httpcswikipediaorgwikiVakuum
[23] VALONE Thomas Practical Conversion of Zero-Point Energy Feasibility Study of the
Extraction of Zero-Point Energy from the Quantum Vacuum for the Performance of Useful
Work United States Integrity Research Institiute 2005 90 s ISBN 9780964107083
[24] BEARDEN By John Bedini and TE Free energy generation circuits 2nd ed Santa Barbara
Calif Cheniere Press 2006 806 s ISBN 09-725-1468-6
[25] Straacutenky věnovaneacute potlačovaneacute vědě a zatajovanyacutem vynaacutelezům [online cit 2014-05-08]
Dostupneacute z httpfree-energyxfczJOHNSONSampMhtm
[26] ADAMS Robert The Adams pulsed motor generator manual 46 Landing Roat Whakanate
Nex Zealand 1992
8
Obsah
1 Uacutevod 10
2 Energetickeacute zdroje ve formě fosilniacutech paliv 11
3 Zaacutekony termodynamiky 12
31 Nultyacute zaacutekon termodynamiky 12
32 Prvniacute zaacutekon termodynamiky 12
321 Perpetuum mobile prvniacuteho druhu 13
33 Druhyacute zaacutekon termodynamiky 13
331 Perpetuum mobile druheacuteho druhu 13
34 Třetiacute zaacutekon termodynamiky 13
4 Vakuum 14
41 Eacuteter vyplňujiacuteciacute praacutezdnyacute prostor 14
42 Heisenbergův princip neurčitosti 16
43 Virtuaacutelniacute čaacutestice 17
44 Casimirův jev 17
441 Casimirova siacutela 18
442 Aparatura pro měřeniacute Casimirova jevu 18
443 Tepelnyacute Casimirův jev 19
5 Magnetismus 21
51 Magnetickeacute pole a jeho siloveacute uacutečinky 21
52 Magnetickyacute moment moment hybnosti a precese momentu hybnosti 22
6 Nekonvenčniacute elektrickeacute stroje 25
61 Johnsonův motor 26
62 Adamsův motor generaacutetor 29
63 Systeacutem pro přeměnu energie elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute na elektrickou energii 36
7 Feromagnetickeacute materiaacutely 37
71 Magneticky měkkaacute feromagnetika 37
711 Vyacuterobci měkkyacutech feromagnetickyacutech materiaacutelů 38
72 Magneticky tvrdaacute feromagnetika 43
73 Měřeniacute hysterezniacutech charakteristik vzorků magnetickyacutech jader 44
9
731 Vyhodnoceniacute naměřenyacutech vyacutesledků 48
8 Realizovanyacute Adamsův motor 49
81 Virtuaacutelniacute model Adamsova motor generaacutetoru a jeho praktickaacute realizace 49
811 Stator 49
812 Rotor 55
82 Elektrickyacute obvod 63
821 Popis a scheacutema zapojeniacute 63
822 Deska plošnyacutech spojů 64
9 Magnetostatickaacute analyacuteza Adamsova motoru 66
91 Vyacutepočet zjednodušeneacuteho magnetickeacuteho obvodu 66
911 Feromagnetika v magnetickeacutem obvodu 66
92 Vyacutepočet magnetickeacuteho obvodu v ANSYS Workbench 72
921 Rozběh motoru 77
922 Průběhy sil působiacuteciacute na rotor během pootočeniacute 81
10 Měřeniacute na realizovaneacutem motoru 83
101 Měřeniacute zaacutekladniacutech charakteristik 87
102 Vyacutepočet uacutečinnosti 87
Zaacutevěr 93
10
1 Uacutevod
Ekologickeacute probleacutemy spojeneacute s těžbou a využiacutevaacuteniacutem fosilniacutech paliv za uacutečelem vyacuteroby elektrickeacute
energie přivaacutediacute lidstvo k naleacutehaveacute potřebě hledat jineacute alternativniacute zdroje Ciacutelem teacuteto praacutece je
nabiacutednout čtenaacuteři informace o zajiacutemavyacutech vlastnostech bdquopraacutezdneacuteho prostoruldquo ve spojitosti s energiiacute
vněm obsaženou Možnosti velice přesneacuteho laboratorniacuteho měřeniacute dnes totiž nabiacuteziacute novyacute pohled na
povahu teacuteto energie Tzv Casimirův jev utvaacuteřiacute novyacute pohled na vakuum jako na systeacutem s dynamickou
povahou kteraacute se za jistyacutech podmiacutenek projevuje silovyacutemi uacutečinky
Představme si systeacutem využiacutevajiacuteciacute pro svou činnost energii vyvěrajiacuteciacute ze zdroje jež se nachaacuteziacute za
hraniciacute našeho vniacutemaacuteniacute daleko za možnostiacute našich smyslovyacutech orgaacutenů naacutem tento zdroj přiacutemo
zprostředkovat Pokud takovyacute systeacutem opravdu existuje existuje zcela jistě i široce rozšiacuteřenaacute barieacutera
lidskeacute neochoty si tuto skutečnost připustit Faktem zůstaacutevaacute že vše je v pohybu od nejmenšiacute struktury
počiacutenaje až po velkeacute teorie konče
Naacutesledujiacuteciacute citaacutet pochaacuteziacute od jednoho z prvniacutech zakladatelů kvantoveacute teorie
bdquoPrincip energie je zaacuteležitost zkušenosti Pokud by tedy jednoho dne měla byacutet jeho všeobecnaacute platnost
zpochybněna což v atomoveacute fyzice neniacute vyloučeneacute pak by se probleacutem perpetua mobile stal naacutehle
aktuaacutelniacutemldquo Max Planck
V přiacutepadě že v prvniacutem momentu nezavrhneme fakt že vlastně neviacuteme kolik toho viacuteme musiacuteme
připustit že je možneacute cokoliv
Počaacutetkem systematickeacuteho zkoumaacuteniacute elektromagnetickyacutech jevů se lidstvu do rukou dostalo mnoho
uacutežasnyacutech strojů a zařiacutezeniacute S vyacutevojem novyacutech materiaacutelů a technologiiacute se staacutele nabiacuteziacute možnosti objevit
noveacute Oblast vyacutevoje magnetickyacutech materiaacutelů neniacute v tomto ohledu vyacutejimkou proto se ve sveacute praacuteci
zabyacutevaacutem i jimi a měřeniacutem jejich hysterezniacutech charakteristik
Na zaacutekladě informaciacute hovořiacuteciacutech o elektrickyacutech strojiacutech ktereacute uacutedajně pracujiacute i bez zjevneacuteho zdroje
vstupniacute energie stojiacute za snahu věnovat tomuto teacutematu alespoň čaacutest sveacute pozornosti Podstata
vesmiacuternyacutech jevů může byacutet totiž daleko za rovnicemi popisujiacuteciacutemi to co je naacutem znaacutemo nyniacute
Jak přihlaacutesil Albert Einstein
bdquoŽaacutedneacute množstviacute pokusů nikdy nemůže dokaacutezat že jsem měl pravdu Jedinyacute pokus však kdykoliv může
dokaacutezat že jsem se myacutelilldquo
V tomto ohledu se v diplomoveacute praacuteci zaměřuji předevšiacutem na motory opředeneacute zvlaacuteštniacutemi informacemi
a pokoušiacutem se o realizaci vzorku Adamsova motoru Vyacutesledky měřeniacute a vyacutepočtů shrnuji v zaacutevěru
praacutece
11
2 Energetickeacute zdroje ve formě fosilniacutech paliv
V současnosti pokryacutevajiacute největšiacute podiacutel energetickeacute spotřeby lidstva zdroje fosilniacutech paliv Zejmeacutena
uhliacute ropa a zemniacute plyn Americkyacute geolog M King Hubbert předložil světu v roce 1956 teorii tzv
Hubbert Peak Theory znaacutemou teacutež pod naacutezvem peak oil Tato teorie se tyacutekaacute dlouhodobeacute těžby a
spotřeby ropy a ostatniacute fosilniacutech paliv Teacutehož roku M K Hubbert nabiacutedl Americkeacutemu ropneacutemu
institutu model tyacutekajiacuteciacute se znaacutemyacutech zaacutesob ropy Podle tohoto modelu měly Spojeneacute staacutety dosaacutehnout
vrcholu produkce ropy mezi rokem 1965 a 1970 Podle M K Hubberta by mělo byacutet vrcholu v
celosvětoveacute produkci ropy dosaženo přibližně o půl stoletiacute později od publikovaacuteniacute jeho teorie [1]
Na Obr 1 je křivka ve tvaru zvonu vytvořenaacute M K Hubbertem na zaacutekladě předpokladu že rezervniacutem
objemem suroveacute ropy je cca 250 miliard barelů Křivka reprezentuje celosvětovou produkci suroveacute
ropy zjištěneacute rezervy a předpoklaacutedaneacute zaacutesoby objeveneacute v budoucnu
Obr 1 Křivka vyacutevoje produkce ropy ve spojenyacutech staacutetech podle M K Hubberta [1]
Produkce ropy kopiacuteruje tvar zvonu tudiacutež v celosvětoveacutem měřiacutetku nedojde k naacutehleacutemu nedostatku ropy
Pokud dosaacutehne celosvětovaacute produkce ropy sveacuteho vrcholu v roce 2000 tak v roce 2020 bude na stejneacute
hodnotě jako v roce 1980 Nicmeacuteně v roce 2020 bude oproti roku 1980 světovaacute populace lidiacute zhruba
dvojnaacutesobnaacute a naacutesledkem značneacuteho zprůmyslněniacute světa bude spotřeba ropy prudce narůstat
Vyacutesledkem snižujiacuteciacutech se zaacutesob ropy je naacuterůst jejiacute ceny Jako naacutesledek nedostatku ropy je možneacute
očekaacutevat vaacutelečneacute konflikty vyspělyacutech zemiacute s ciacutelem ziacuteskat přiacutestup k ropnyacutem zdrojům a udržet si tiacutem
jistou ekonomickou stabilitu Způsoby přeměny energie spalovaacuteniacutem fosilniacutech paliv spojeneacute s
neohleduplnostiacute vůči planetě Zemi a jejiacutem obyvatelům přivaacutediacute člověka k naleacutehaveacute potřebě doplnit a
postupně nahradit staacutevajiacuteciacute energetickeacute zdroje zdroji alternativniacutemi
12
3 Zaacutekony termodynamiky
V dějinaacutech lidstva se objevilo mnoho pokusů o realizaci strojů jež by pracovaly s uacutečinnostiacute většiacute než
100 Snaha realizovat stroj s věčnyacutem pohybem je na programu mnoha konstrukteacuterů i v dnešniacute době
Zejmeacutena na internetu nalezneme mnoho odkazů na různorodeacute konstrukce mechanickyacutech a
elektrickyacutech strojů Zejmeacutena u čistě mechanickyacutech strojů je na prvniacute pohled patrneacute že nemohou
pracovat v nepřetržiteacutem chodu a třeniacute nakonec způsobiacute jejich zastaveniacute Nicmeacuteně lze narazit i na
konstrukce elektrickyacutech strojů doprovaacutezeneacute vlivnyacutem komentaacuteřem jež se opiacuteraacute o teorii kteraacute popisuje
vakuum jako prostor vyplněnyacute energiiacute Na kvantoveacute uacuterovni uacutedajně dochaacuteziacute ve vakuu k
nepřetržityacutem fluktuaciacutem elektromagnetickyacutech poliacute vlivem vzniku a zaacuteniku kladnyacutech a zaacutepornyacutech
virtuaacutelniacutech čaacutestic Bliacuteže se k tomuto fenomeacutenu vraacutetiacutem v naacutesledujiacuteciacute kapitole
Na zaacutekladě interakce s okoliacutem lze systeacutemy rozdělit naacutesledovně
a) izolovaneacute ndash v idealizovaneacutem přiacutepadě např termoska u ktereacute nedochaacuteziacute k vyacuteměně energie ani
hmotnyacutech čaacutestic
b) uzavřeneacute ndash např z obou stran uzavřenaacute trubice u niacutež dochaacuteziacute k vyacuteměně energie s okoliacutem
avšak bez vyacuteměny hmotnyacutech čaacutestic
c) otevřeneacute ndash např strom kteryacute si okoliacutem vyměňuje jak energii tak hmotneacute čaacutestice
31 Nultyacute zaacutekon termodynamiky
Systeacutemy v termickeacute rovnovaacuteze majiacute stejnou teplotu Nultyacute zaacutekon zavaacutediacute teplotu jako
termodynamickou veličinu
32 Prvniacute zaacutekon termodynamiky
Vnitřniacute energie (U) izolovaneacuteho systeacutemu je konstantniacute Změna vnitřniacute energie dU je součtem tepla
ktereacute bylo do systeacutemu dodaacuteno (dQ) a praacutece kteraacute byla na systeacutemu vykonaacutena (dW)
Změnu vnitřniacute energie můžeme zapsat jako
Veličina dW je objemovou praciacute Jde o změnu objemu dV v systeacutemu za konstantniacuteho tlaku P Změna
objemoveacute praacutece se vyjaacutedřiacute rovniciacute
Změnu vnitřniacute energie můžeme zapsat jako
(1)
(2)
(3)
13
Dodaacuteme-li např krystalu energii ve formě tepla vzroste jeho vnitřniacute energie o tolik kolik se
nespotřebuje na praacuteci spojenou s růstem jeho objemu (expanziacute) [2]
321 Perpetuum mobile prvniacuteho druhu
Produkuje nejmeacuteně tolik energie kolik samo spotřebuje Jakmile je jednou stroj spuštěn může
pracovat po neomezeně dlouhou dobu
33 Druhyacute zaacutekon termodynamiky
Druhyacute zaacutekon je postaven na definici entropie kteraacute je extenzivniacute funkciacute definujiacuteciacute stav systeacutemu
Zjednodušeně řečeno entropie definuje neuspořaacutedanost syteacutemu Celkovaacute změna entropie v uzavřeneacutem
systeacutemu je součtem změny entropie uvnitř systeacutemu a entropie kteraacute je do systeacutemu přenesena z jeho
okoliacute Entropii přenaacutešenou do systeacutemu se definuje rovnice (4) kde dQ je dodaneacute teplo a T je teplota
Je zřejmeacute že změna entropie systeacutemu při konstantniacute hodnotě tepla je většiacute při nižšiacute teplotě [2]
Pro reversibilniacute procesy a rovnovaacutežneacute stavy platiacute že změna entropie je nulovaacute dS = 0 Pro spontaacutenniacute
proces v systeacutemu pak platiacute dS gt 0 Můžeme řiacuteci že entropie se nikdy samovolně nezmenšuje [2]
331 Perpetuum mobile druheacuteho druhu
Takeacute nelze sestrojit protože při tepelneacute vyacuteměně těleso o vyššiacute teplotě nemůže samovolně přijiacutemat
teplo od tělesa s nižšiacute teplotou
34 Třetiacute zaacutekon termodynamiky
Jestliže se teplota ideaacutelniacuteho krystalu bliacutežiacute absolutniacute nule bliacutežiacute se nule i jeho entropie [2]
V bliacutezkosti absolutniacute nuly se adiabatickyacute děj přibližuje izotermickeacutemu Tiacutem se ovšem ztraacuteciacute uacutečinnost
libovolneacute ochlazovaciacute metody založeneacute na střiacutedaacuteniacute těchto dějů
Při extreacutemně niacutezkeacute teplotě se projevujiacute zvlaacuteštniacute vlastnosti některyacutech laacutetek jakyacutemi jsou supravodivost a
supratekutost
(4)
14
4 Vakuum
41 Eacuteter vyplňujiacuteciacute praacutezdnyacute prostor
Na zaacutekladě zjištěniacute že zvuk pro sveacute šiacuteřeniacute vyžaduje přenosoveacute meacutedium bylo dřiacuteve předpoklaacutedaacuteno že
i světlo ke sveacutemu přenosu vyžaduje určiteacute prostřediacute Toto meacutedium bylo označeno pojmem eacuteter Eacuteter
byl zaveden nejen pro světlo ale i pro elektřinu magnetismus a teplo Britskyacute fyzik James Clarck
Maxwell zjistil že se elektromagnetickeacute vlny šiacuteřiacute rychlostiacute světla a navrhl existenci pouze jedineacuteho
eacuteteru [3]
Na zaacutekladě Maxwellovyacutech pozorovaacuteniacute provedl Albert Michelson v roce 1881 experiment kteryacute měl
prokaacutezat přiacutetomnost eacuteteru Negativniacute vyacutesledek pokusu byl později zpochybněn a tak byl v roce 1887
pokus mnohem přesněji zopakovaacuten za spolupraacutece Edwarda Morleyho Experiment byl v budoucnu
ještě mnohokraacutet zopakovaacuten avšak původniacute vyacutesledek experimentu byl potvrzen [4]
Na Obr41 je znaacutezorněn princip Michelson-Morleyho experimentu kteryacute jsem doplnil o šipky ve
směru paprsků světla Uprostřed rotujiacuteciacute kruhoveacute aparatury je umiacutestěno polopropustneacute zrcadlo Směr
pohybu eacuteteru vůči aparatuře je znaacutezorněn žlutyacutemi šipkami Ze zdroje světla (vlevo) vychaacuteziacute paprsek a
dopadaacute na polopropustneacute zrcadlo (uprostřed) kde se děliacute na dvě čaacutesti Vzniknou tak dva navzaacutejem
kolmeacute paprsky putujiacuteciacute k zrcadlům po okrajiacutech aparatury kde se opět odraacutežiacute a vracejiacute zpět
k prostředniacutemu polopropustneacutemu zrcadlu Paprsek vracejiacuteciacute se dolů čaacutestečně prochaacuteziacute polopropustnyacutem
zrcadlem směrem dolů ke stiacuteniacutetku a paprsek vracejiacuteciacute se ke středu od leveacuteho zrcadla je odražen takeacute
směrem dolů Čaacutesti obou paprsků tak dopadajiacute na stiacuteniacutetko kde se
a) vzaacutejemně zesiacuteliacute jestliže majiacute stejnou rychlost a dopadajiacute na stiacuteniacutetko se stejnou faacuteziacute
b) vytvořiacute interferenčniacute obrazec v přiacutepadě že pohybujiacuteciacute se eacuteter vůči aparatuře ovlivnil rychlost
jednoho z paprsků
c)
Obr 41 Model demonstrujiacuteciacute princip Michelson- Morleyho experimentu [5]
Experiment existenci takoveacuteho eacuteteru neprokaacutezal a tak se převaacutežnaacute vědeckaacute komunita od představy
eacuteteru odkolonila
15
Neschopnost lidskeacute mysli uchopit praacutezdnyacute prostor dala v historii vzniknout pojmu horror vacui
neboli strach z praacutezdnoty [21]
Italskyacute fyzik a matematik Evangelista Torricelli žijiacuteciacute v 17 stoletiacute vešel do povědomiacute širokeacute
veřejnosti jednak pro vědeckyacute přiacutespěvek v oboru matematiky ale předevšiacutem pro vynalezeniacute
barometru Torricelli při svyacutech pokusech experimentoval s dlouhou skleněnou trubiciacute deacutelky 12 m
kterou naplnil rtutiacute a poteacute ji otevřenyacutem koncem ponořil do naacutedoby plneacute rtuti Pozoroval že velkaacute čaacutest
rtuti v trubici zůstala a nad jejiacute hladinou vnikl vzduchopraacutezdnyacute prostor Stal se tak prvniacutem člověkem
v historii kteryacute vytvořil vzduchopraacutezdno neboli vakuum [7]
Obr 42 Aparatura Evangelisty Torricelliho diacuteky ktereacute vytvořil makroskopickeacute vakuum
Vakuum zastupuje širokou škaacutelu tlaků V technickeacute praxi naleacutezaacute širokeacute praktickeacute využitiacute a je proto
podle velikosti tlaku rozděleno děleno do kategoriiacute ktereacute jsou v Tab 42
Tab 41 Rozděleniacute vakua podle tlakoveacuteho paacutesma a množstviacute hmoty v objemu[22]
Tlakoveacute paacutesmo
Tlak Množstviacute hmoty
v objemu
[Pa] [molekulcm3]
Atmosfeacuterickyacute tlak 101times105 27 x 10
19
Hrubeacute vakuum 10+4
hellip10+2
1019
- 1016
Jemneacute vakuum 10+2
hellip10minus1
1016
- 1013
Vysokeacute vakuum (HV) 10minus1
hellip10minus5
1013
hellip109
Ultra vysokeacute vakuum (UHV) 10minus5
hellip10minus10
109hellip10
4
Extreacutemně vysokeacute vakuum (XHV) lt10minus10
lt104
16
Vynaacutelezce Otto von Guericke demonstroval siacutelu podtlaku analogiiacute s osmi spřaženiacutemi osmi koni kteřiacute
nejsou schopni společnyacutemi silami oddělit dvě poloviny vzduchopraacutezdneacute koule jak ukazuje Obr 43
Obr 43 Osm koniacute neniacute schopno od sebe oddělit dvě poloviny vzduchopraacutezdneacute koule [8]
Zařiacutezeniacute pro tvorbu vakua se nazyacutevaacute vyacutevěva I kdyby se naacutem podařilo sestrojit dokonalou vyacutevěvu
kteraacute by z prostoru odstranila všechny znaacutemeacute hmotneacute čaacutestice prostor by i tehdy nezůstal praacutezdnyacute
Klasickaacute teorie poklaacutedaacute vakuum za praacutezdnyacute prostor bez hmotnyacutech čaacutestic Je však nutneacute přihleacutednout
k faktu že existujiacute teorie a experimenty jež připouštějiacute že vakuum neniacute praacutezdneacute miacutesto toho je plneacute
aktivity a co je ještě důležitějšiacute lze tuto aktivitu využiacutet v našem reaacutelneacutem světě
42 Heisenbergův princip neurčitosti
Velmi důležityacutem zaacutekonem určujiacuteciacutem pravidla v kvantoveacutem světě je Heisenbergův princip neurčitosti
Ten řiacutekaacute že pro současneacute měřeniacute polohy x a hybnosti čaacutestice p nemůže byacutet součin neurčitostiacute v určeniacute
polohy Δx a hybnosti Δp čaacutestice menšiacute než redukovanaacute Planckova konstanta ħ Pro tuto konstantu platiacute
ħ = h2π =105410-34
Js Důsledkem Heisenbergova principu je že se na mikroskopickeacute uacuterovni může
narušovat zaacutekon zachovaacuteniacute energie a to takovyacutem způsobem že součin velikosti tohoto narušeniacute a
doby po kterou trvaacute je menšiacute než redukovanaacute Planckova konstanta V takoveacutem přiacutepadě nelze toto
porušeniacute pozorovat
Heisenbergův princip neurčitosti pro současneacute měřeniacute polohy a hybnosti čaacutestice maacute tvar
(5)
Heisenbergův princip neurčitosti pro současneacute měřeniacute času a energie čaacutestice maacute tvar
(6)
Platnost rovnice (6) vede tomu že ve vakuu mohou existovat velice rychleacute fluktuace energie ktereacute
vznikajiacute jako v důsledku vzniku tzv virtuaacutelniacutech čaacutestic a jejich antičaacutestic ktereacute velice rychle vznikajiacute a
zanikajiacute vlivem vzaacutejemneacute anihilace A to v čase daneacutem Heisenbergovyacutem principem neurčitosti [9]
17
43 Virtuaacutelniacute čaacutestice
Jednaacute se o čaacutestici kteraacute neniacute přiacutemo pozorovatelnaacute je zavedena z důvodu existence řady pozorovanyacutech
jevů Virtuaacutelniacute čaacutestice může existovat diacuteky Heisenbergovu principu neurčitosti a v časoveacutem okamžiku
daneacutem tiacutemto zaacutekonem narušuje zaacutekon o zachovaacuteniacute energie U reaacutelneacute čaacutestice jejiacutež existence nenarušuje
zaacutekon zachovaacuteniacute energie je splněn relativistickyacute vztah mezi celkovou energiiacute čaacutestice E jejiacute hybnostiacute p
a klidovou energiiacute U virtuaacutelniacute čaacutestice tento vztah mezi uvedenyacutemi fyzikaacutelniacutemi veličinami neplatiacute
Virtuaacutelniacute čaacutestice tak může miacutet třeba velmi velkou hybnost a jen velmi malou energii Existence
virtuaacutelniacute čaacutestice je omezena na velice kraacutetkou dobu Při neustaacuteleacutem vzniku a zaacuteniku těchto čaacutestic
vznikajiacute ve vakuu vysokofrekvenčniacute fluktuace elektromagnetickyacutech poliacute různyacutech vlnovyacutech deacutelek [9]
44 Casimirův jev
V roce 1958 holandskyacute fyzik M J Sparnaay předpověděl existenci sil mezi dvěma kovovyacutemi
deskami jejichž přiacutečinou nebylo tepelneacute zaacuteřeniacute Byl zaveden pojem zero point energy (energie
nuloveacuteho bodu) označujiacuteciacute elektromagnetickou energii vyskytujiacuteciacute se ve vakuu při absolutniacute nuloveacute
teplotě [18]
Důkazem existence teacuteto energie je uacutedajně fakt že helium zůstaacutevaacute i při teplotaacutech mezi -272degC až
273degC staacutele v kapalneacutem skupenstviacute a nedojde k jeho přeměně na skupenstviacute pevneacute [17]
Způsob jakyacutem by bylo možneacute projevy virtuaacutelniacutech čaacutestic experimentaacutelně změřit navrhl v roce 1948
holandskyacute fyzik Hendrik Casimir Casimir uvažoval o dvou paralelniacutech elektrodaacutech (zrcadlech)
umiacutestěnyacutech ve vakuu za teploty bliacutezkeacute absolutniacute nule Vně těchto zrcadel vakuoveacute fluktuace
elektromagnetickyacutech poliacute dosahujiacute širokeacuteho spektra energiiacute ovšem v souladu s Heisenbergovyacutemi
relacemi neurčitosti Jinaacute situace nastaacutevaacute mezi elektrodami ktereacute tvořiacute rezonaacutetor Zde mohou vznikat
pouze fluktuace určityacutech vlnovyacutech deacutelek ndash moacutedů rezonaacutetoru Ostatniacute vlnoveacute deacutelky jsou vněm
potlačeny Tato nerovnovaacuteha fluktuaciacute vně elektrod a mezi nimi způsobuje tlakovou siacutelu kteraacute
přitahuje elektrody k sobě Jev se nazyacutevaacute Casimirův jev (efekt) a je makroskopickyacutem projevem
kvantovyacutech jevů stejně jako napřiacuteklad supravodivost nebo supratekutost [10]
Obr 44 Demonstrace Casimirova jevu Dvě kovoveacute desky tvořiacute rezonaacutetor pouze pro některeacute vlnoveacute
deacutelky důsledkem je působeniacute přitažliveacute siacutely mezi těmito deskami [11]
Fluktuace
vakua Casimirovi
desky
18
441 Casimirova siacutela
Casimirův efekt se projevuje jako Casimirova siacutela Casimirovu siacutelu mezi vodivyacutemi elektrodami
způsobuje nerovnovaacuteha mezi kvantovyacutemi fluktuacemi elektromagnetickyacutech poliacute ve vakuu vně
elektrod a mezi nimi [10]
Casimirovu siacutelu lze vypočiacutetat na zaacutekladě vztahu (7) uvedeneacuteho v literatuře[17]
(7)
Na obr45 je graf Prof Dr Davida Iannuzziho kteryacute zobrazuje přibližně exponenciaacutelniacute naacuterůst
publikaciacute pojednaacutevajiacuteciacute o Casimirově vevu Tiacutem dokazuje značnyacute naacuterůst zaacutejmu o tento fenomeacuten
Obr 45 Naacuterůst publikaciacute tyacutekajiacuteciacutech se Casimirova jevu [8]
442 Aparatura pro měřeniacute Casimirova jevu
Laboratorniacute měřeniacute Casimirova jevu v Kalifornskeacute univerzitě v Riverside bylo provedeno na
miniaturniacute aparatuře pro měřeniacute kvantově mechanickyacutech efektů bdquopraacutezdneacuteho prostoruldquo Na Obr 46 je
kulička o průměru 01 mm zobrazenaacute skrze elektronovyacute mikroskop Kulička je umiacutestěna pod hladkou
destičkou (destička neniacute na obraacutezku) Diacuteky kvantově mechanickeacutemu Casimirovu efektu se kulička
k destičce přitahuje Změna pozice kuličky je měřena mikroskopem pro měřeniacute atomaacuterniacutech sil
19
Obr 46 Mikroskopickaacute aparatura pro měřeniacute Casimirova jevu
443 Tepelnyacute Casimirův jev
Při konečneacute teplotě vstupujiacute do hry tepelneacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole a přispiacutevajiacute tak k
siloveacutemu působeniacute mezi elektrodami Tepelneacute fluktuace jsou způsobeny chaotickyacutem pohybem
volnyacutech elektronů v materiaacutelu elektrod Paralelniacute elektrody opět představujiacute rezonaacutetor ve ktereacutem je
možneacute vybudit pouze určiteacute moacutedy Každyacute moacuted představuje stav s přesně určenou energiiacute Tyto stavy
jsou obsazovaacuteny fotony ktereacute reprezentujiacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole Obsazeniacute těchto
hladin popisuje Boseho-Einsteinovo rozděleniacute [10]
Boseho-Einsteinovo rozděleniacute popisuje ve statistickeacute fyzice systeacutemy složeneacute z bosonů tedy čaacutestic se
symetrickou vlnovou funkciacute a celočiacuteselnyacutem spinem Bose-Einsteinovyacutem rozděleniacutem se řiacutediacute napřiacuteklad
fotony je z něj tedy možneacute odvodit napřiacuteklad Planckův vyzařovaciacute zaacutekon [12]
Při nuloveacute teplotě všechny fotony obsadiacute pouze nejnižšiacute energetickou hladinu jak je vidět na Obr 47
S rostouciacute teplotou postupně dochaacuteziacute k obsazovaacuteniacute i dalšiacutech vyššiacutech energetickyacutech hladin Mezi
zrcadly vznikaacute dalšiacute přitažlivaacute siacutela kteraacute ovšem zaacutevisiacute na teplotě Jednaacute se tedy o tepelnyacute Casimirův
jev
Obr 47 Vlevo zaujiacutemajiacute bosony při teplotaacutech bliacutezkyacutech absolutniacute nule jedinyacute stav s nejnižšiacute energiiacute Se
vzrůstajiacuteciacute teplotou bosony (vpravo) postupně obsazujiacute stavy s vyššiacute energiiacute [13]
Přestože tepelnyacute Casimirův jev byl teoreticky předpovězen Jevgenijem Lifšicem v roce 1955 dočkal
se sveacuteho objevu až v roce 2010 Tento uacutekol se podařilo zvlaacutednout skupině vědců na americkeacute Yaleově
univerzitě Tepelneacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole byly opět měřeny prostřednictviacutem přitažliveacute
siacutely mezi dvěma elektrodami Připravit dokonale rovinneacute paralelniacute plochy je poměrně obtiacutežneacute a proto
20
byl experiment provaacuteděn s jednou rovinnou elektrodou a druhou elektrodou ve tvaru kuloveacute plochy
Obě elektrody byly vyrobeny ze zlata s přesnostiacute 10 nm (kulovaacute elektroda) a 1 nm (rovinnaacute elektroda)
Siacutela mezi elektrodami byla měřena pomociacute torzniacuteho kyvadla kde torzniacute siacutela wolframoveacuteho draacutetku o
průměru 25 μm byla vyrovnaacutevaacutena přitažlivou silou mezi elektrodami Kapacitniacute polohovyacute senzor
sniacutemal vyacutechylku torzniacuteho kyvadla Celyacute experiment probiacutehal při teplotě 300 K [14]
Obr 48 Scheacutema zařiacutezeniacute pro měřeniacute tepelneacuteho Casimirova jevu (pohled shora) [14]
Naměřeneacute vyacutesledky byly porovnaacutevaacuteny se dvěma teoretickyacutemi modely ndash plazmovyacutem modelem a
Drudeho modelem Tyto modely popisujiacute chovaacuteniacute permitivity elektrod v zaacutevislosti na frekvenci
Naměřeneacute vyacutesledky ukazujiacute shodu s Drudeho modelem při teplotě 300 K Podle tohoto modelu tepelnaacute
přitažlivaacute siacutela roste lineaacuterně s teplotou a klesaacute s druhou mocninou vzdaacutelenosti To znamenaacute že zatiacutemco
Casimirova siacutela převlaacutedaacute na velmi malyacutech vzdaacutelenostech tepelnaacute Casimirova siacutela dominuje na
velkyacutech vzdaacutelenostech Na obraacutezku niacuteže je znaacutezorněna přitažlivaacute siacutela naacutesobenaacute druhou mocninou
vzdaacutelenosti v zaacutevislosti na vzdaacutelenosti mezi elektrodami Podle Drudeho modelu bychom měli dostat
konstantniacute zaacutevislost v miacutestech kde převlaacutedaacute siacutela způsobenaacute tepelnyacutemi fluktuacemi Z Obr 49 je
patrneacute že od vzdaacutelenosti přibližně 3 μm daacutele dostaacutevaacuteme přibližně konstantniacute zaacutevislost [14]
Obr 49 Na vzdaacutelenostech většiacutech než 3 μm dochaacuteziacute ke změně charakteru přitažliveacute siacutely Převlaacutedaacute zde
siacutela způsobenaacute tepelnyacutemi fluktuacemi zatiacutemco na menšiacutech vzdaacutelenostech se viacutece uplatňuje siacutela
pochaacutezejiacuteciacutech z kvantovyacutech fluktuaciacute vakua [14]
21
5 Magnetismus
51 Magnetickeacute pole a jeho siloveacute uacutečinky
Fakt že některeacute nerosty s obsahem železa a jeho oxidů jeviacute jisteacute vzaacutejemneacute siloveacute působeniacute vedlo
člověka k vyacutezkumu hlubšiacute podstaty tohoto fenomeacutenu Magnetismu znaacutemeacutemu již ze středověku začala
byacutet později věnovaacutena značnaacute pozornost předevšiacutem diacuteky poznatku že lze vnějšiacute magnetickeacute pole
vyvolat průchodem proudu nosičů elektrickyacutech naacutebojů elektrickyacutemi vodiči Pokusy H Ch Oersteda s
vodiči zapojenyacutemi k elektrickeacutemu zdroji vykazovali siloveacute působeniacute na magnetku kompasu později
diacuteky A M Ampeacuterovu pokusu takeacute siloveacute působeniacute mezi vodiči proteacutekanyacutemi proudem [15]
Mezi tělesy z feromagnetickyacutech laacutetek se za jistyacutech okolnostiacute projevuje vnějšiacute působeniacute vnitřniacutech
atomaacuterniacutech sil do vnějšiacuteho prostřediacute prostor v okoliacute tělesa i uvnitř něho je magneticky polarizovaacuten a
magnetickeacute předměty se navzaacutejem přitahujiacute či odpuzujiacute v zaacutevislosti na směru vektoru jejich
magnetizace Ve vzdušneacutem prostřediacute lze magnetickou propustnost definovat jako hodnotu přibližně
rovnou permeabilitě vakua
Po odhaleniacute existence magnetismu došlo časem k prudkeacutemu naacuterůstu pokusů se snahou naleacutezt praktickeacute
využitiacute tohoto jevu v lidskeacutem životě Vznik elektrickyacutech strojů prudce zrychlil rozvoj většiny odvětviacute
lidskeacuteho baacutedaacuteniacute
Magnetickeacute pole a jeho siloveacute uacutečinky jsou přiacutetomny při
a) Pohybu elektrickyacutech naacutebojů v obvodu
b) Zmagnetovaacuteniacute magnetik
Kvantitativniacute miacuterou siloveacuteho působeniacute magnetickeacuteho pole je magnetickaacute indukce B
Magnetickeacute pole o indukci 1 T působiacuteciacute na naacuteboj jednoho coulombu kteryacute se pohybuje rychlostiacute 1ms
silou 1 Newtonu jestliže je směr rychlosti naacuteboje a směru působiacuteciacute siacutely kolmyacute
Siacutelu v elektromagnetickeacutem poli působiacuteciacute na jednotkovyacute zkušebniacute naacuteboj v pohybu lze popsat
Lorenzovyacutem vztahem [15]
Ze vztahu je zřejmeacute že rychlost zkušebniacute čaacutestice nemaacute vliv na siloveacute uacutečinky elektrickeacuteho pole
V poli čistě magnetickeacutem kdy je elektrickeacute pole nuloveacute platiacute pro siacutelu vztah
(8)
(9)
22
52 Magnetickyacute moment moment hybnosti a precese momentu hybnosti
Pohybuje-li se elektron po kružnici (obiacutehaacute-li jaacutedro vlivem dostřediveacute siacutely) jsou si jeho magnetickyacute
moment μ a moment hybnosti J uacuteměrneacute Velikost momentu hybnosti elektronu je rovna hmotnosti
elektronu vynaacutesobeneacute jeho rychlostiacute a poloměrem draacutehy kterou opisuje (Obr 51)
Obr 51 Na kruhoveacute draacuteze je magnetickyacute moment μ(q2m)-naacutesobkem momentu hybnosti J[16]
Jeho směr je kolmiacute na rovinu draacutehy Vztah (10) je ne relativistickyacute je však pro atomy dobryacutem
přibliacuteženiacutem
(10)
Magnetickyacute moment tohoto pohybu lze určit jako proud kraacutet obsah plochy kruhu dle vztahu
Proud se vypočiacutetaacute jako naacuteboj kteryacute za jednotku času projde libovolnyacutem bodem draacutehy tj naacuteboj q kraacutet
frekvence kruhoveacuteho pohybu Frekvence je zase rychlost dělenaacute deacutelkou draacutehy takže platiacute
Plocha maacute obsah magnetickyacute moment je tedy možneacute vyjaacutedřit vztahem
Magnetickyacute moment a teacutež moment hybnosti J jsou kolmeacute na rovinu draacutehy Pro orbitaacutelniacute pohyb tedy
platiacute
Pro orbitaacutelniacute pohyb elektronu platiacute
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
23
Magnetismus od orbitaacutelniacuteho pohybu elektronu neniacute jedinyacute existujiacuteciacute druh magnetismu Elektron maacute i
svou vlastniacute rotaci kolem osy Důsledkem je spinovyacute moment hybnosti elektronu neboli vlastniacute
moment hybnosti Pro spinovyacute moment hybnosti se takeacute použiacutevaacute označeniacute spin Z překladu
z angličtiny jde rotace Pojem spin byl zaveden v době kdy se předpoklaacutedalo že jde o rotaci nicmeacuteně
v makrosvětě nemaacute spin analogii a člověk je nucen použiacutet idealizovanou představou rotace [16]
Poměr a je dvakraacutet tak tak velkyacute oproti orbitaacutelniacutemu pohybu elektronu proto je spinovyacute
magnetickyacute moment
Obecně je v každeacutem atomu několik elektronů a tak je celkovyacute moment hybnosti a celkovyacute magnetickyacute
moment daacuten složeniacutem jejich orbitaacutelniacutech a spinovyacutech momentů hybnosti V kvantoveacute mechanice
obecně platiacute že směr magnetickeacuteho momentu izolovaneacuteho atomu maacute opačnyacute směr než moment
hybnosti [16]
Někdy je magnetickyacute moment směsiciacute orbitaacutelniacutech a spinovyacutech přiacutespěvků jejichž vztah můžeme zapsat
Značka g je tzv Landeacuteho faktor a určeniacute jeho velikosti je předmětem kvantoveacute mechaniky
V přiacutepadě atomovyacutech jader figurujiacute naviacutec i spiny protonů a neutronů Pro jaacutedra obecně piacutešeme
Precese pohyb atomovyacutech magnetů v magnetickeacutem poli
Umiacutestěniacutem atomu do magnetickeacuteho pole je magnetickyacute moment ovlivňovaacuten momentem siacutely kteraacute se
jej snažiacute pootočit do směru pole Atomovyacute magnet je jako setrvačniacutek ndash maacute spinovyacute moment hybnosti
Moment siacutely způsobenyacute magnetickyacutem polem proto nedokaacuteže atomovyacute magnet udržet
v daneacutem směru Magnet proto bude vykonaacutevat precesniacute pohyb podobnyacute precesi mechanickeacuteho
setrvačniacuteku[16]
Rotuje-li těleso okolo osy zaznamenaacuteme u něj jistou podobnost v chovaacuteniacute s elementaacuterniacutem atomovyacutem
magnetem o momentu hybnosti
Jevy zjevneacute při rotaci tělesa lze popsat naacutesledujiacuteciacutemi tvrzeniacutemi
Pokud na rotujiacuteciacute těleso nepůsobiacute vnějšiacute siacutely zachovaacutevaacute si osu svojiacute rotace Nenulovyacute moment
siacutely působiacuteciacute na rotujiacuteciacute těleso ovlivňuje osu jeho rotace tiacutem viacutece čiacutem maacute těleso menšiacute
moment hybnosti
Když nutiacuteme rotujiacuteciacute těleso změnit osu svojiacute rotace chovaacute se tak že se snažiacute ztotožnit s osou
vynuceneacute rotace
(16)
(
) (17)
(
) (18)
24
Precese subatomaacuterniacutech čaacutestic v magnetickeacutem poli se s vyacutehodou využiacutevaacute v metodaacutech magnetickeacute
jaderneacute a elektronoveacute paramagnetickeacute rezonance
Nabiacuteziacute se otaacutezka jestli je možneacute určityacutem způsobem převeacutest siloveacute uacutečinky precesniacuteho pohybu
momentu hybnosti na mechanickyacute pohyb v nějakeacutem elektrickeacutem stroji Projevy rezonančniacutech jevů
jsou u všech typů magnetickyacutech rezonanciacute však velice slabeacute a frekvence Larmorovy precese s jakou
vektor magnetickeacuteho momentu rotuje ve vnějšiacutem poli je u elektronů ktereacute jsou přiacutečinou magnetismu
u feromagnetik až v řaacutedech GHzT Tiacutem paacutedem by musel mechanickyacute systeacutem v pracujiacuteciacute v rezonanci
s precesniacute frekvenciacute momentu hybnosti kmitat či rotovat teacutež v řaacutedech GHz nebo v jisteacutem poměru k
prvniacute harmonickeacute teacuteto frekvence
25
6 Nekonvenčniacute elektrickeacute stroje
Podle autorů elektrickyacutem motorů jsou motory založeneacute na jistyacutech principech schopny pracovat s
uacutečinnostiacute překračujiacuteciacute 100 Ve čtvrteacute kapitole hovořiacuteciacute o vakuu je popsaacuten Casimirův jev jako
důsledek narušeniacute symetrie prostorovyacutech fluktuaciacute elektromagnetickyacutech poliacute vakua mezi dvěma
kovovyacutemi deskami Vezmeme-li v uacutevahu teorii o prostoru vyplněneacutem vznikajiacuteciacutemi a zanikajiacuteciacutemi
virtuaacutelniacutemi čaacutesticemi nabiacuteziacute se otaacutezka Je možneacute zkonstruovat systeacutem kteryacute by energii projevujiacuteciacute se
jako fluktuace elektromagnetickyacutech poliacute vakua proměnil na užitečnou elektrickou či mechanickou
energii v takoveacute měřiacutetku aby byl schopnyacute napaacutejet elektrickeacute obvody sveacuteho řiacutezeniacute popř dodaacutevat
vyacutekon do vnějšiacute zaacutetěže Ze znalosti termodynamickyacutech zaacutekonů jasně vypliacutevaacute možnost využitiacute
teplotniacuteho rozdiacutelu dvou prostřediacute k ziacuteskaacuteniacute užitečneacute energie Tepelnaacute čerpadla jsou toho důkazem
Vzhledem k existenci elektromagnetickeacute energie vakua i při absolutniacute nule je možneacute tuto energii
považovat za vstupniacute energii do systeacutemu zobrazeneacuteho blokově na Obr 61
Obr 61 Blokoveacute scheacutema systeacutemu napaacutejeneacuteho energiiacute odčerpaacutevanou z okolniacuteho prostřediacute
Energie vstupuje do systeacutemu z vnějšiacuteho prostřediacute a sloužiacute pro napaacutejeniacute vnějšiacute zaacutetěže i systeacutemu
samotneacuteho
Systeacutem
Vstup energie do systeacutemu
z okolniacuteho prostřediacute
Vyacutestup využitelneacute
formy energie
Energie potřebnaacute pro řiacutezeniacute
systeacutemu se z vyacutestupu navraciacute
zpětnou vazbou
26
61 Johnsonův motor
V roce 1973 pět let po podaacuteniacute přihlaacutešky byl Howardu Johnsonovi udělen patent US 4151431 na
motor s permanentniacutemi magnety V roce 1995 pak patent US 5402021 popisujiacuteciacute magnetickyacute
pohonnyacute systeacutem založenyacute na obdobneacutem principu Oba tyto systeacutemy uacutedajně využiacutevajiacute ke konaacuteniacute praacutece
pouze siacutely permanentniacutech magnetů Ačkoli dnešniacute věda zavrhuje využitiacute vnějšiacutech projevů
subatomaacuterniacuteho pohybu čaacutestic hmoty permanentniacutech magnetů ke konaacuteniacute nepřetržiteacute praacutece v systeacutemu
Johnson uacutedajně připouštiacute že přesně neviacute odkud se energie kterou čerpaacute bere Ale domniacutevaacute se že
může miacutet souvislost s rotaciacute elektronů možnaacute dokonce souvisiacute s dosud nepojmenovanou čaacutesticiacute
V roce 1980 vyšel v dnes již zanikleacutem časopisu Science and Mechanics člaacutenek o Johnsonově motoru
popisujiacuteciacute vzaacutejemneacute interakce mezi magnety rotoru a statoru
Konstrukčniacute uspořaacutedaacuteniacute Johnsonova motoru
Obr 62 Čelniacute pohled do Johnsonova motoru Stator maacute po obvodu rozmiacutestěny tři obloukoviteacute
magnety Rotoroveacute magnety jsou vzaacutejemně odděleny vzduchovyacutemi mezerami [16]
Z Předniacuteho pohledu do motoru na Obr 62 jsou vidět tři obloukoviteacute permanentniacute magnety statoru
pravidelně rozmiacutestěneacute kolem rotoru
Obr 63 Z bočniacuteho pohledu do motoru je patrnaacute šroubovitaacute hřiacutedel kteraacute sloužiacuteciacute k zabrzděniacute stroje
[16]
27
Obr 64 Horniacute pohled na dva obloukoviteacute statoroveacute magnety navzaacutejem posunuteacute a překryacutevajiacuteciacute
magnety rotoru [16]
Obr 65 Průběhy změny indukce během změny polohy jižniacuteho a severniacuteho poacutelu magnetu statoru vůči
rotorovyacutem magnetům
Obr 66 Naznačeniacute pohybu obloukovyacutech magnetů rotoru nad statorovyacutemi magnety
Popis principu
Obr 66 ukazuje některeacute zaacutekladniacute vztahy Plneacute čaacutery představujiacute přitažliveacute siacutely přerušovaneacute čaacutery
představujiacute odpuzovaacuteniacute a dvojiteacute čaacutery v obou přiacutepadech znaacutezorňujiacute dominantniacute siacutely
Na Obr 66 je obloukově zakřivenyacute permanentniacute magnet ve třech po sobě naacutesledujiacuteciacutech polohaacutech nad
pevnyacutemi statorovyacutemi magnety Obr 66 poskytuje alespoň velmi zjednodušenyacute pohled do teorie
28
pohonu pomociacute permanentniacutech magnetů Johnson řiacutekaacute že zakřiveneacute magnety s ostryacutemi konci jsou
důležiteacute protože koncentrujiacute magnetickou energii mnohem uacutečinněji než magnety s tupyacutemi konci Tyto
obloukoviteacute magnety jsou o něco delšiacute než je deacutelka dvou magnetů statoru včetně mezery mezi nimi V
Johnsonově konstrukci jsou dlouheacute
palce
Všechny statoroveacute magnety majiacute severniacute poacutel nahoře a spočiacutevajiacute na podložce vyrobeneacute z materiaacutelu s
vysokou permeabilitou kteraacute pomaacutehaacute koncentrovat silovaacute pole Optimaacutelniacute mezera mezi konci
rotorovyacutech magnetů a statorem je kolem
palce
Když se severniacute poacutel magnetu rotoru nachaacuteziacute nad statorovyacutem magnetem je jiacutem odpuzovaacuten a je ke
statoru přitahovaacuten když prochaacuteziacute nad mezerou mezi statorovyacutemi magnety Přesně opačneacute siacutely působiacute
u jižniacuteho poacutelu rotoroveacuteho magnetu Je přitahovaacuten když prochaacuteziacute nad statorovyacutem magnetem a je
odpuzovaacuten když se nachaacuteziacute nad mezerou
Předniacute poacutel N rotoru je odpuzovaacuten severniacutemi poacutely dvou přilehlyacutech magnetů Ale v zobrazeneacute poloze
magnetu rotoru tyto dvě odpudiveacute siacutely (ktereacute zřejmě působiacute proti sobě) nejsou totožneacute většiacute z obou sil
(dvojitaacute přerušovanaacute čaacutera) překonaacutevaacute druhou siacutelu a taacutehne rotor doleva Tento pohyb vlevo je zrychlen
přitažlivou silou mezi severniacutem poacutelem rotoru a jižniacutem poacutelem v mezeře mezi statorovyacutemi magnety
Současně na druheacutem konci (S) rotoroveacuteho magnetu Deacutelka tohoto magnetu je cca
palce a je
zvolena s ohledem na velikost paacuteru statorovyacutech magnetů a mezery mezi nimi aby přiacutetažliveacute a
odpudiveacute siacutely taacutehly magnety rotoru doleva V tomto přiacutepadě je poacutel S přitahovaacuten severniacutemi poacutely
přilehlyacutech statorovyacutech magnetů ale z důvodu rozměrů rotoroveacuteho magnetu je rotor silněji tažen
doleva (dvojitaacute plnaacute čaacutera) Takeacute zde je s vyacutehodou využito siloveacute působeniacute mezi koncem rotoroveacuteho
magnetu a mezerou mezi magnety statoru V tomto přiacutepadě majiacute oba poacutely stejnou polaritu (S) proto se
vzaacutejemně odpuzujiacute
Je nutneacute dodržet spraacutevnou deacutelku magnetů rotoru Jestliže jsou buď přiacuteliš dlouheacute nebo přiacuteliš kraacutetkeacute
mohou dosaacutehnout nežaacutedouciacute rovnovaacutehy kteraacute znamenaacute konec pohybu Ciacutelem je optimalizovat
všechny siacutely tak aby bylo dosaženo maximaacutelniacute nerovnovaacutehy ale vždy stejnyacutem směrem Když se rotor
otočiacute o 180 stupňů a dostane se na opačnyacute konec draacutehy bude se chovat stejnyacutem způsobem až na to že
se v tomto přiacutekladu bude pohybovat zleva doprava Takeacute musiacuteme poznamenat že jakmile je rotor v
pohybu maacute moment kteryacute pomůže dostat rotorovyacute magnet do sfeacutery vlivu dalšiacuteho paacuteru magnetů
statoru kde ziacuteskaacute dalšiacute moment [25]
29
62 Adamsův motor generaacutetor
Podle informačniacuteho zdroje [26] byl vynaacutelez Roberta Adamse viacutece než 20 let držen v tajnosti Jeho
autorovi bylo vyhrožovaacuteno smrtiacute v přiacutepadě že bude šiacuteřit informace tyacutekajiacuteciacute se principů na nichž jeho
motorgeneraacutetor pracuje Informace byly po letech zveřejněny internetoveacutem magaziacutenu Nexus
Adams ke sveacutemu stroji vytvořil publikaci The Adams pulsed motor generator manual ve ktereacute uvaacutediacute
naacutesledujiacuteciacute obraacutezkoveacute ilustrace Autor v něm teacutež předklaacutedaacute grafy naměřenyacutech průběhů napětiacute pro
různeacute režimy stroje
Robert Adams tvrdiacute Naacuteš vesmiacuter je moře volneacute čisteacute energie A čekaacute jen na to abychom ji začali
využiacutevat
Vlastnosti a vyacutehody Adamsova motor generaacutetoru uvedeneacute Robertem Adamsem
1) Překonaacutevaacute zpětnou elektromotorickou siacutelu kteraacute je probleacutemem všech konvenčniacutech strojů
2) Střiacutedavě zapřahuje ZES tedy zanikajiacuteciacute magnetickeacute pole čiacutemž zvyšuje moment a snižuje
přiacutekon
3) V režimu motorgeneraacutetoru nevyžaduje k vyacuterobě elektrickeacuteho vyacutestupniacuteho vyacutekonu
oddělenyacute motor
4) Pro běh stroje a vyacuterobu vyacutestupniacuteho vyacutekonu využiacutevaacute jedinyacute rotor
5) Všechny poacutely rotoru majiacute stejnou polaritu
6) Statoroveacute hnaciacute vinutiacute a poacutely jsou menšiacutech rozměrů
7) Velikost vzduchoveacute mezery neniacute kritickaacute
8) Nevyžaduje chladiacuteciacute ventilaacutetor
9) Stroj nevyžaduje konstantniacute vstupniacute proud
10) Naacutevrh stroje je naacutesledujiacuteciacute
a) Energie je vede zpět do baterioveacuteho zdroje
b) Magnetickyacute zpětnyacute tah je prakticky nulovyacute
c) Teplota při plneacutem zatiacuteženiacute je polovičniacute ve srovnaacuteniacute s jakyacutemkoliv konvenčniacutem strojem
d) S ohledem na způsob mechanickeacuteho spiacutenaacuteniacute kteryacute zajišťuje zužujiacuteciacute se hvězda
kontaktniacuteho disku je možneacute měnit střiacutedu impulzů
11) V režimu vysokeacute uacutečinnosti stroj čerpaacute energii z prostoru
12) Čiacutem nižšiacute rychlostiacute se otaacutečiacute tiacutem dosahuje vyššiacute uacutečinnosti a krouticiacuteho momentu na rozdiacutel
od konvenčniacutech strojů
13) V rezonančniacutem režimu nejsou přiacutetomny jaloveacute ztraacutety a stroj vykazuje konstantniacute vyacutekon a
moment
14) Jelikož se směr energie ze zdroje neměniacute nejsou přiacutetomny ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy a
hystereziacute
15) Stroj se ve všech pracovniacutech režimech saacutem chraacuteniacute před některyacutemi nepřiacuteznivyacutemi situacemi
ktereacute v jinyacutech přiacutepadech vyžadujiacute doplňujiacuteciacute zařiacutezeniacute
16) Vysokeacute otaacutečky nejsou nutneacute čiacutemž odpadajiacute probleacutemy s nimi spojeneacute
17) Stroj je možneacute elektricky zatiacutežit a počiacutetat s naacuteslednyacutem naacuterůstem vyacutestupniacute energie od 50
přes 100 a to bez přetiacuteženiacute nebo naacuterůstu teploty nad normaacutelniacute pracovniacute teplotu
30
18) Stroj je saacutem o sobě obdivuhodně jednoduchyacute a nevyžaduje draheacute obvody pro řiacutezeniacute
rychlosti [26]
Popis zaacutekladniacute konstrukce
Adamsův motor-generaacutetor je elektrickyacute stroj s permanentniacutemi magnety radiaacutelně uloženyacutemi v rotoru
Stroj je uacutedajně možneacute zkonstruovat v různyacutech konfiguraciacutech podle toho zda požadujeme vyacutestupniacute
vyacutekon spiacuteše elektrickyacute nebo mechanickyacute
Zaacutekladniacute konfigurace stroje určenaacute pro vyacutestup elektrickeacuteho vyacutekonu ze stroje obsahuje tři druhy
statorovyacutech magnetickyacutech poacutelů vhodně rozmiacutestěnyacutech kolem rotoru s permanentniacutemi magnety
1 Permanentniacute magnety rotoru jsou všechny polarizovaacuteny ve stejneacutem směru Tok
magnetickeacute indukce všech vystupuje buď ven nebo dovnitř směrem ke hřiacutedeli
Obr 67 Magnety jsou pro zvyacutešeniacute vyacutekonu stroje uloženy v několika rotorovyacutech sekciacutech
2 Řiacutediacuteciacute poacutely jsou napaacutejeny pulzně v zaacutevislosti na poloze rotoru vůči statoru a to skrze
mechanickyacute komutaacutetor Ciacutevky jsou navinuty na jaacutedra ze kteryacutech vystupuje magnetickyacute tok
v opačneacutem směru oproti toku permanentniacutech magnetů v rotoru Rotor se pohybuje jelikož je
odpuzovaacuten těmito silovyacutemi uacutečinky
Obr 68 Pulzně buzeneacute ciacutevky
31
3 Zpětnovazebniacute poacutely jsou navinuty na magnetickyacutech jaacutedrech a jsou napaacutejeny elektrickou
energiiacute kteraacute se zpětně indukuje do elektrickeacuteho obvodu řiacutediacuteciacutech ciacutevek v důsledku prudkeacuteho
přerušeniacute dodaacutevky proudu Magnetickeacute pole v prostoru vzduchoveacute mezery a rozptylovyacutech
drahaacutech se snažiacute zaacuteniku proudu zabraacutenit čiacutemž vznikaacute prudkyacute energetickyacute skok
Obr 69 Zpětnovazebniacute ciacutevky
4 Generaacutetorickeacute poacutely generujiacute proud do připojeneacute zaacutetěže
Obr 610 Zpětnovazebniacute ciacutevky
5 Permanentniacute poacutely statoru jsou tvořeny feritovyacutemi magnety rozmiacutestěny po obvodu rotoru podle
konfigurace na Obr611a majiacute za uacutečel zvyacutešit mechanickyacute moment rotoru
32
Obr 611 Rozmiacutestěniacute permanentniacutech magnetů po obvodu statoru
Na Obr 612 je princip spiacutenaacuteniacute proudu do ciacutevek statoru řešenyacute prostřednictviacutem mechanickeacuteho
komutaacutetoru ve tvaru čtyřciacutepeacute hvězdy Při otaacutečeniacute dochaacuteziacute v jistyacutech polohaacutech ke spojeniacute kontaktů
dosedajiacuteciacutech na komutaacutetor a proud tekouciacute ciacutevkami v nich vybudiacute magnetickyacute indukčniacute tok kteryacute
svyacutemi uacutečinky odpuzuje permanentniacute magnety v rotoru Na obraacutezku je naznačen princip motoru a
způsob měřeniacute otepleniacute jaacutedra při daneacute mechanickeacute zaacutetěži Do jaacutedra je vyvrtaacuten otvor do nějž je
zasunuta teplotniacute sonda Otepleniacute jaacutedra by nemělo překročit 40 degC
Obr 612 Zaacutekladniacute konstrukce Adamsova motoru sloužiacuteciacute pro demonstraci nastaveniacute vhodneacute velikosti
proudu tekouciacuteho do vinutiacute ciacutevek při požadovaneacute mechanickeacute zaacutetěži
33
Obr 613 Vyacutekres Adamsova motor generaacutetoru s osmi permanentniacutemi magnety v rotoru
stejnosměrnyacutemi pulzniacutemi ciacutevkami a generaacutetorovyacutemi ciacutevkami navinutyacutemi na odlišnyacutech magnetickyacutech
jaacutedrech
Robert Adams ve sveacute publikaci uvaacutediacute na Obr 614 zaznamenaacuteny průběhy hodnot napětiacute na bateriiacutech
postupně připojovanyacutech na elektrickyacute vyacutestup stroje Přičemž hodnota napětiacute na vstupniacute napaacutejeciacute baterii
se měniacute jen nepatrně Na zaacutekladě těchto dat uvedenyacutech v Tab 61 Adams stanovuje uacutečinnost motor
generaacutetoru
Obr 614 Baterie na vyacutestupu jsou postupně dobiacutejeny přičemž velikost napětiacute na vstupniacute baterii se
snižuje jen nepatrně
34
Naacutesledujiacuteciacute tabulka shrnuje vyacutesledky naměřeneacute v grafu na Obr 614
Tab 61 Souhrn vyacutesledků naměřenyacutech hodnot napětiacute na vyacutestupniacutech bateriiacutech
Dokonalejšiacute konstrukce Adamsova motor generaacutetoru
Konstrukce zde popisovanaacute je realizovaacutena jako model pro měřeniacute uacutečinnosti tohoto motoru avšak
s několika podstatnyacutemi konstrukčniacutemi rozdiacutely o nichž se zmiňuji při popisu realizovaneacuteho stroje
Rotor na Obr 615 maacute 7 vyniklyacutech poacutelů rotoru a 8 statorovyacutech jader Je možneacute použiacutet i 6 jader ve
statoru při použitiacute stejneacuteho rotoru Tiacutem však dojde ke sniacuteženiacute uacutečinnost stroje Počet rotorovyacutech a
statorovyacutech poacutelů by neměl byacutet v celočiacuteselneacutem poměru
Obr 615 Konfigurace se 6 poacutely statoru a 7 poacutely rotoru Magnetizačniacute vinutiacute protějšiacutech poacutelů
statoru jsou spojena do seacuterie
Popis principu činnosti během otaacutečeniacute rotou
Na Obr 616 (a) je poacutel rotoru R1 přesně mezi statorovyacutemi poacuteli S1 a S2 a představme si že směřuje k S2
a je jiacutem přitahovaacuten až do chviacutele kdy je v pozici na obr (c) Nyniacute je zarovnaacuten s jaacutedrem statoru jehož
vinutiacutem začne proteacutekat proud kteryacute maacute takovou polaritu aby došlo k odpuzovaacuteniacute rotoroveacuteho poacutelu ze
zarovnaneacute pozice Tiacutem paacutedem je vlivem siloveacute interakce magnetickyacutech polyacute rotoru urychlovaacutem a
proud teče do statoroveacuteho vinutiacute až do chviacutele kdy je vpozici na obr (e) Nyniacute je protějšiacute statororoveacute
jaacutedro zarovnaacuteno s rotorovyacutem poacutelem
Baterie č
(vyacutestup)
Počaacutetečniacute
napětiacute
baterie
[V]
Doba běhu
stroje [h]
Konečneacute
napětiacute baterie
[V]
Naacuterůst
napětiacute
baterie oproti
počaacutetečniacute
hodnotě 102 V
[V]
Uacutečinnost []
1 102 33 1142 122 610
2 1172 15 1184 162 810
3 114 66 1201 181 905
35
Podiacutevejme se co se během toho děje na protějšiacute straně rotoru
Rotorovyacute poacutel R4 na obr (a) je praacutevě zarovnaacutem se statorovyacutem jaacutedrem S5 Tudiacutež je do vinutiacute tohoto
jaacutedra S5 přiveden proud jehož uacutečinky jsou i vtomto přiacutepadě vyvolajiacute odpuzovaacuteniacute poacutelu R4 Proud
vinutiacutem jaacutesdra S5 proteacutekaacute do chviacutele na obr(c) kdy dojde k demagnetizaci statoroveacuteho jaacutedra S2
Obr 617 Vzaacutejemeacute polohy rotoru vůči statorovyacutem poacutelům pro popis principu
Rotor je roztaacutečen těmito silovyacutemi přiacutespěvky
a) Rotorovyacute poacutel je přitahovaacuten ke statorovyacutem magnetickyacutem jaacutedrům vlivem projevu magnetickyacutech
sil permanentniacutech magnetů prostupujiacuteciacutech vzduchovou mezeru a uzaviacuterajiacuteciacutech se přes jaacutedra
statoru
b) Rotor je po zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru se statorovyacutem daacutele roztaacutečen vlivem odpudivyacutech
sil mezi poacutely rotoru a řiacutediacuteciacutemi poacutely statoru Vinutiacute řiacutediacuteciacutech poacutelů je napaacutejeno elektrickyacutemi
impulzy v zaacutevislosti na poloze rotoru vůči statoru Intenzita magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute
mezeře je nejvyššiacute při zarovnaacuteniacute poacutelů statoru a rotoru
Na Obr je pohled do vnitřniacute struktury magnetickeacuteho obvodu popisovaneacuteho stroje
12 podeacutelneacute magnetickeacute poacutely statoru s vysokou permeabilitou
13 rotoroveacute sekce s vyniklyacutemi poacutely
14 hřiacutedel
15 permanentniacute magnety uloženeacute ve středoveacutem pouzdru
16 otvor pro permanentniacute magnety
17 Disk sloužiacuteciacute jako pouzdro magnetů
Obr 618 Pohled na do struktury rotoru
36
Dalšiacutemi motory ktereacute uacutedajně pracujiacute s vysokou jsou Bediniho motor Takahasiho motor a Kawaiův
motor
63 Systeacutem pro přeměnu energie elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute na
elektrickou energii
Americkyacute patent č 5590031 podanyacute 24 července 1994 Franklinem B Meadem a Jackem
Nachamkinem popisuje zařiacutezeniacute přeměňujiacuteciacute vysokofrekvenčniacute elektromagnetickou energii
vakuovyacutech fluktuaciacute vznikajiacuteciacutech jako projev virtuaacutelniacutech čaacutestic teacutež označovanou pojmem bdquozero point
energyldquo na užitečnou elektrickou energii Pojem zero point energy neboli energie nuloveacuteho bodu byl
zaveden vzhledem k faktu že i při teplotě absolutniacute nule (0 K = -27315 degC) vakuum obsahuje energii
fluktuaciacute elektromagnetickyacute poliacute jako důsledek projevů vznikajiacuteciacutech a zanikajiacuteciacutech virtuaacutelniacutech čaacutestic
Na Obr 619 je znaacutezorněn princip zařiacutezeniacute Čiacuteslo 216 symbolizuje vysokofrekvenčniacute
elektromagnetickeacute zaacuteřeniacute Pomociacute litografickeacute technologie jsou vytvořeny dielektrickeacute struktury
(212) a (214) tvaru koule polokoule či disku Tyto struktury jsou velice maleacute a jejich velikost musiacute
byacutet v přiacutemeacutem poměru k vlnoveacute deacutelce elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute Struktury jsou připevněny na
zaacutekladoveacutem substraacutetu (236) a rozloženy do pole (238) Tyto struktury se vlivem působeniacute
elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute pohybujiacute s mnohem menšiacute frekvenciacute než jakou maacute elektromagnetickeacute
zaacuteřeniacute ktereacute jejich pohyb vyvolalo Naacutesledkem pohybu se v anteacuteně (222) indukuje elektrickaacute energie o
využitelneacute frekvenci Jednotliveacute anteacuteny mohou miacutet tvar smyčky nebo mohou byacutet dipoacuteloveacute
Indukovanyacute proud je naacutesledně veden vodiči (226) nebo vlnovodem do primaacuterniacuteho obvodu (228)
transformaacutetoru (232) Kondenzaacutetor (230) sloužiacute pro vyladěniacute rezonančniacuteho obvodu V sekundaacuterniacutem
obvodu je střiacutedavyacute proud usměrněn diodou (234)[17]
Obr 619 Scheacutema zařiacutezeniacute pro přeměnu vysokofrekvenčniacute elektromagnetickeacute energie na využitelnou
formu elektrickeacute energie [14]
37
7 Feromagnetickeacute materiaacutely
Tvar hysterezniacute smyčky magnetickeacuteho materiaacutelu zaacutevisiacute na chemickeacutem složeniacute feromagnetika a na jeho
tepelneacutem zpracovaacuteniacute Z analogie s mechanickou tvrdostiacute rozlišujeme magneticky měkkaacute
feromagnetika kteraacute dobře vedou magnetickyacute tok a tvrdaacute feromagnetika z nichž se vyraacutebiacute
permanentniacute magnety Na Obr71 je naacutezorneacute rozděleniacute magneticky měkkyacutech polotvrdyacutech a tvrdyacutech
materiaacutelů
Obr 71 Rozděleniacute magnetickyacutech materiaacutelů na měkkeacute polotvrdeacute a tvrdeacute
71 Magneticky měkkaacute feromagnetika
Pro vedeneacute magnetickeacuteho toku v magnetickeacutem obvodu motoru je využito měkkyacutech feromagnetik jež
se vyznačujiacute strmou magnetizačniacute křivkou a uacutezkou hysterezniacute smyčkou Majiacute vysokou počaacutetečniacute
a maximaacutelniacute permeabilitu a malou koercivitu Hclt103
Am Často lze hysterezi zanedbat a je možneacute
uvažovat pouze s magnetizačniacute křivkou1
Na trhu s magnetickyacutemi materiaacutely figuruje řada vyacuterobců a distributorů Naacutesledujiacuteciacute z nich jsem
oslovil s prosbou o poskytnutiacute vzorků magnetickyacutech jader pro měřeniacute magnetickyacutech vlastnostiacute
1 aplik
38
711 Vyacuterobci měkkyacutech feromagnetickyacutech materiaacutelů
a) Firma Therma FM
Firma Therma FM vyraacutebiacute magnetickeacute obvody z anizotropniacutech plechů a nabiacuteziacute i izotropniacute
dynamoplechy Materiaacutely pro vyacuterobu jader firma odebiacuteraacute od společnosti ThyssenKrupp
Jaacutedra pro jednofaacutezoveacute transformaacutetory jsem použil jako statoroveacute jaacutedra realizovaneacuteho motoru
Při vyacuterobě naviacutejeno na obdeacutelniacutekoveacute kopyto o rozměrech odpoviacutedajiacuteciacutech požadovaneacute velikosti okna pro
primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Jaacutedro je po navinutiacute z transformaacutetoroveacuteho plechu rozřiacuteznuto na dvě
poloviny jedna z nich je na Obr Xx Po rozřiacuteznutiacute jaacutedra je možneacute nasunout vinutiacute
Obr 72 Fotografie jedneacute poloviny jaacutedra pro jednofaacutezoveacute transformaacutetory
Magnetickeacute vlastnosti jaacutedra vyrobeneacuteho z materiaacutelu M150-30S jsou uvedeny v Tab71
Tab 71 Magnetickeacute vlastnosti jaacutedra stanoveneacute normou EN 10107
Norma Tloušťka
Max ztraacuteta v
jaacutedře při 15 T
[Wkg]
Maximaacutelniacute ztraacuteta
v jaacutedře při 17 T
[Wkg]
Min
J800
Nejmenšiacute
činitel
plněniacute
Typ
EN 10107 mm 50 Hz 50 Hz 60 Hz T PowerCore
M 150-30 S 030 097 150 197 175 0955 C 150-30
Magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelů jakosti M150-30S a M600-50 na Obrxx jsou zrekonstruovaneacute
podle z katalogovyacutech křivek vyacuterobce Thyssen Krupp
39
Obr 73 B-H charakteristiky jader z orientovanyacutech (M150-30S) trafoplechů a
neorientovanyacutechdynamoplechů M600-50
0
05
1
15
2
25
0 250 500 750 1 000 1 250 1 500 1 750 2 000
B [T]
H [Am]
Magnetizačniacute charakteristiky
M150-30S
M600-50
40
b) Firma Vacuumschmelze (VAC)
Tento německyacute vyacuterobce poskytnul dva vzorky toroidniacutech jader s nanokrystalickou strukturou Materiaacutel
je prodaacutevaacuten pod obchodniacutem naacutezvem Vitroperm 500F a vynikaacute velice uacutezkou hysterezniacute smyčkou
vysokou hodnotou magnetickeacute indukce při maleacute koercivitě Zaacutekladniacute složkou Vitropermu je Fe
s přiacuteměsemi Si B Nb a Cu
Tab 72 Magnetickeacute vlastnosti Vitropermu 500F uvedeneacute v katalogu vyacuterobce
Saturačniacute
indukce
Statickaacute
koercivita
Přibližnaacute
rezistivita
Curieho
teplota Permebilita
Měrneacute ztraacutety
(100kHz 03T)
Bs [T] Hc [Am] φ [μΩcm] tc[degC] μi PFe [Wkg]
12 lt3 115 gt600 15000hellip150000 80
Na Obr Xx jsou vyacuterobcem uvedeneacute magnetizačniacute charakteristiky Vitropermu 500F a 250F
v porovnaacuteniacute s typickou charakteristikou feritu
Obr 74 Jaacutedra z Vitropermu 500F dosahujiacute oproti běžneacutemu feritu mnohem vyššiacute magnetickeacute indukce
Je zřejmeacute že cena Vitropermovyacutech jader je oproti feritovyacutem mnohem většiacute a to diacuteky naacuteročneacutemu
vyacuterobniacutemu procesu
Společnost VAC ve sveacutem sortimentu nabiacuteziacute jaacutedra s amorfniacute strukturou s obchodniacutem naacutezvem Vitrovac
Vyraacutebiacute se metodou rychleacuteho tuhnutiacute kdy se na studenyacute buben otaacutečejiacuteciacute se rychlostiacute 100kmh vleacutevaacute
skrze keramickou trysku směs materiaacutelů roztavenaacute na teplotu okolo 1300degC a prudce se ochlazuje
(1000000 Ks) na meacuteně než 400degC v 1ms Tiacutem vznikaacute paacuteska tloušťky 20 μm s amorfniacute strukturou
Na Obr 77 je pro představu vyobrazenaacute krystalickaacute amorfniacute a nanokrystalickaacute struktura materiaacutelu
41
Obr 75 Detail na krystalickou strukturu (vlevo) amorfniacute a nanokrystalickou strukturu (vpravo)
Mezi dalšiacute materiaacutely ktereacute VAC nabiacuteziacute patřiacute materiaacutely pro elektrickeacute stroje a zařiacutezeniacute kde je
požadovaacutena vysokaacute hodnota indukce Tyto materiaacutely jsou znaacutemi pod obchodniacutemi naacutezvy Ultraperm
Vacoperm Mumetall Permax Permenorm Megaperm Trafoperm Vacoflux Vacofer a Vacodur
Pro srovnaacuteniacute jsou na Obrxx magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelů Vacoflux 50 Vacoflux 17 a Fe a
Fe 3 přiacuteměsiacute Si
Obr 76 Statickeacute magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelu Vacoflux 50 a Vcoflux 17 dosahuiacute vyšiacute
hodnoty magnetickeacute indukce nasyceniacute než běžnaacute křemiacutekovaacute ocel s obsahem 3 křemiacuteku a Fe 999
42
c) Firma Magnetics
Společnost Magnetics vyraacutebiacute jaacutedra lisovaacuteniacutem prachovyacutech přiacuteměsiacute se zaacutekladniacute složkou Na trhu jsou
znaacutemy pod označeniacutem High Flux MPP (Magnetics Molypermalloy Powder) Kool Mμ a Xflux
1 Jaacutedra High Flux jsou složena ze 79 Ni 17 Fe a 4 Mo Majiacute nejnižšiacute měrneacute ztraacutety ze
všech prchovyacutech jader
2 Jaacutedra MMP obsahujiacute 81 NI 17 Fe a 2 Mo Majiacute vynikajiacuteciacute vlastnosti jakyacutemi jsou
vysokaacute rezistivita niacutezkeacute hysterezniacute ztraacutety a ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy Z všch jader majiacute největšiacute
permeabilitu tiacutem paacutedem i vyššiacute hodnotu saturace
3 Jaacutedra Kool Mμ jsou vyrobena lisovaacuteniacutem prachu železnyacutech slitin a vykazujiacute nejmenšiacute
magnetostrikci
4 Jaacutedra XFlux obsahujiacute prach Fe s přiacuteměsiacute 65 Si Jsou vhodnaacute pro niacutezkofrekvenčniacute a
středofrekvenčniacute tlumivky
Tab 73 Magnetickeacute vlastnosti jader společnosti Magnetics katalogu vyacuterobce
Materiaacutel High Flux MMP Kool Mμ XFlux
Permeabilita 14-160 14-555 26-125 60
(Bs) [T] 15 075 105 16
Jaacutedra žeelezoprachovaacute byacutevajiacute teacutež označovanaacute jako železovaacute jaacutedra a jsou vyraacuteběna lisovaacuteniacutem
izolovaneacuteho praacutešku z magneticky měkkeacuteho materiaacutelu s niacutezkou koercitivniacute silou a vysokou
permeabilitou V současneacute době z tohoto materiaacutelu vyraacutebějiacute jaacutedra kromě firmy Magnetics jen někteřiacute
vyacuterobci a to předevšiacutem vaacutelcovaacute ladiacuteciacute jaacutedra pro laděniacute feritovyacutech hrniacutečkovyacutech jader a kruhovaacute jaacutedra
pro odrušovaciacute ciacutevky a filtračniacute tlumivky měničů napětiacute Zvyšovaacuteniacute objemu izolačniacute laacutetky vede ke
snižovaacuteniacute permeability jader a změně teplotniacute zaacutevislosti samotneacuteho magnetickeacuteho materiaacutelu jaacutedra a
roztažnostiacute jeho jednotlivyacutech složek Volbou směsi magnetickyacutech prachů je možneacute předem definovat
teplotniacute činitel permeability kteryacute může nabyacutevat klasnyacutech zaacutepornyacutech popř i nulovyacutech hodnot
Průmyslově se vyraacutebějiacute jaacutedra z jemnyacutech magnetickyacutech prachů s odstupňovanou permeabilitou
v rozsahu = 7 až 550 Jaacutedra toroidniacute s permeabilitou 7 až 150 se použiacutevajiacute v laděnyacutech obvodech
filtrů pro odrušovaciacute tlumivky jaacutedra s permeabilitou 90 až 550 v napaacutejeciacutech spiacutenaciacutech zdrojiacutech
Vysokeacute permeability je dosaženo materiaacutelovyacutem složeniacute magnetickyacutech prachů a změnou velikosti zrn
Čiacutem většiacute jsou prachovaacute zrna tiacutem vyššiacute je permeabilita diacuteky zvyacutešeniacute poměru magnetickeacuteho materiaacutelu
vůči izolačniacute laacutetce
43
72 Magneticky tvrdaacute feromagnetika
Magneticky tvrdeacute feromagnetickeacute materiaacutely majiacute magnetizačniacute křivku s malou strmostiacute a širokou
hysterezniacute smyčku Vykazujiacute poměrně malou permeabilitu a velkou koercivitu Hclt25middot103
Am
Použiacutevajiacute se pro permanentniacute magnety Vyacutevoj v oblasti těchto materiaacutelů nechal vzniknout celeacute řadě
magnetů odlišujiacuteciacutemi se magnetickyacutemi vlastnostmi konduktivitou mechanickyacutemi vlastnostmi a
ekonomickyacutemi parametry Tvrdaacute feromagnetika lze rozdělit naacutesledovně
a) Uhliacutekoveacute oceli ndash s obsahem 15 uhliacuteku Daacutele byly zdokonaleny legovaacuteniacutem wolframem
chromem a kobaltem a zakaleniacutem na martenzitickou strukturu Naacutesledně byly vyrobeny
mnohem vyacutehodnějšiacute slitiny železa niklu a hliniacuteku (Al-Ni) přiacutepadně kobaltu (Al-Ni-Co)
mědi či titanu Nevyacutehodou slitin Al-Ni a Al-Ni-Co je značnaacute mechanickaacute tvrdost křehkost a
tiacutem paacutedem i obtiacutežnaacute opracovatelnost
b) Tvrdeacute ferity ndash např barioveacute (BaFe12O19) nebo stroncioveacute (SrFe12O19) ferity s obsahem
přibližně 80 železa a asi 20 oxidu baria BaO nebo stroncia SrO Mohou byacutet izotropniacute a
anizotropniacute Niacutezkaacute cena a spolehlivost předurčuje tyto materiaacutely pro užitiacute v automatizačniacute
řiacutediacuteciacute a měřiciacute technice
c) Magnety ze vzaacutecnyacutech zemin ndash složeniacute na baacutezi samarium-kobalt (SmCo5 a Sm2Co17) nebo na
baacutezi neodym-železo-boacuter (Nd2Fe14B) Vyraacutebiacute se procesy praacuteškoveacute metalurgie lisovaacuteniacutem
v magnetickeacutem poli s naacuteslednyacutem speacutekaacuteniacutem Patřiacute k nejvyacutekonnějšiacutem permanentniacutem
magnetům Použiacutevajiacute se v silnoproudeacute počiacutetačoveacute a řiacutediacuteciacute technice a u elektroakustickyacutech
zařiacutezeniacute
d) Plastoveacute magnety ndash jsou vyraacuteběny ve formě plastoveacute nemagnetickeacute matrice v niacutež je plnidlem
jemnyacute praacutešek z vhodnyacutech slitin (alni alnico tvrdeacute ferity či materiaacutely na baacutezi vzaacutecnyacutech zemin)
Mohou byacutet izotropniacute nebo anizotropniacute Vyraacutebiacute se lisovaacuteniacutem nebo slinovaacuteniacutem při vysokeacute
teplotě do libovolneacuteho tvaru Použiacutevajiacute se v slaboproudeacute technice
Obr 77 Srovnaacuteniacute demagnetizačniacutech charakteristik permanentniacutech magnetů
44
73 Měřeniacute hysterezniacutech charakteristik vzorků magnetickyacutech jader
Pro měřeniacute hysterezniacutech charakteristik byl použit systeacutem Remacomp-C2
Přiacuteprava vzorků magnetickyacutech jader pro měřeniacute na systeacutemu Remacom-C2
Na jaacutedra bylo před měřeniacutem navinuto primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Mezi primaacuterniacutem a sekundaacuterniacutem
vinutiacute byl proveden izolačniacute proklad lepiciacute paacuteskou Průměr vodiče a počet zaacutevitů v primaacuterniacutem (N1) a
sekundaacuterniacutem (N2) vinutiacute je uveden v Tab Na Obr jsou již vzorky připraveny pro měřeniacute
Tab 74 Bližšiacute specifikace rozměrů počet zaacutevitů vinutiacute a průměr vodičů
Vyacuterobce Therma FM Vacuumschmelze Magnetics
Jaacutedro C150-30S Vitroperm 500F KoolMμ
Tvar Obdeacutelniacutekoveacute Toroid Toroid
Vnějšiacute průměr [mm] 64x36 323 274
Vnitřniacute průměr mm] 55x16 178 145
Vyacuteška mm] 13 122 117
N2 [z] 47 53 41
N2 [z] 47 53 41
Průměr vodiče [mm] 075 05 05
Měřeniacute je provedeno při frekvenciacutech 50Hz a 300Hz a maximaacutelniacute intenzitě 250 Am u jader
M150-30S a Vitropermu 500F Materiaacutel KoolMμ byl měřen při maximaacutelniacute intenzitě 5950 Am
z důvodů zachyceniacute maximaacutelniacute hodnoty indukce tohoto jaacutedra Na Obr71 až 715 jsou pro
srovnaacuteniacute hysterezniacute uvedeny charakteristiky měřenyacutech materiaacutelů
Obr 78 Vzorky jader připraveneacute na měřeniacute hysterezniacutech charakteristik Vlevo M150-30S uprostřed
Vitroperm 500F a vpravo KoolMμ
45
Obr 79 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
Obr 710 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=250 Am Bmax=157 T
Obr 711 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=250 Am Bmax=153 T
Při frekvenci 300Hz došlo k nepatrneacutemu sniacuteženiacute hodnoty Bmax oproti 50 Hz Intenzita Hc se
ztrojnaacutesobila
Remacomp-C2 nebyl schopen naměřit hysterezniacute smyčku Vitropermu 500F na Obr zcela bezchybně
46
Obr 712 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z Vitropermu 500F měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=279 Am při 50Hz vykazuje odskoky od skutečneacuteho průběhu
Obr 713 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z Vitropermu 500F měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě
intenzity magnetickeacuteho pole Hmax=279 Am při 300 Hz takeacute vykazuje odskoky od skutečneacuteho průběhu
Při změně frekvence z 50 Hz na 300Hz došlo k naacuterůstu koercitivity o pohyacutech 07 Am Materiaacutel
vykazuje velice malou hodnotu remanentniacute indukce pro obě frekvence
47
Obr 714 Hysterezniacute smyčka jaacutedra Kool Mμ změřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity magnetickeacuteho
pole Hmax=5950 Am při 50 Hz
Obr 715 Hysterezniacute smyčka jaacutedra Kool Mμ změřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity magnetickeacuteho
pole Hmax=5950 Am při 300 Hz
48
731 Vyhodnoceniacute naměřenyacutech vyacutesledků
Nejvyššiacute hodnoty indukce dosahujiacute jaacutedra z plechů M150-30S Koercitivniacute intenzita se u jaacutedra z plechů
M150-30S stejně jako u matriaacutelu KoolMμ při změně frekvence z 50 Hz na 300 Hz ztrojnaacutesobila
Niacutezkaacute cena jader KoolMμ je z hlediska naměřenyacutech veličin odpoviacutedajiacuteciacute Jaacutedra Kool Mμ vykazujiacute
amplitudovou permeabilitu μa pouze 77 Vyacuterobce uvaacutediacute hodnotu μa=125
Nejnižšiacute koercitivniacute intenzita byla naměřena u materiaacutelu Vitroperm 500F Měřeniacute magnetickeacuteho jaacutedra
Vitropermu 500F při 50 Hz prokaacutezalo velice niacutezkou koercitivniacute intenzitu Hc= 1Am kteraacute odpoviacutedaacute
uacutedajům z katalogoveacuteho listu Tento špičkovyacute materiaacutel se použiacutevaacute pro sveacute charakteristickeacute vlastnosti
pro jednofaacutezoveacute a trojfaacutezoveacute magnetickeacute obvody ve spiacutenanyacutech napaacutejeciacutech zdrojiacutech frekvenčniacutech
měničiacutech ale i pro běžneacute tlumivky Struktura tohoto materiaacutelu je velice křehkaacute neboť je navinuta
z 20 μm tenkyacutech vrstev Diacuteky tomu neniacute vhodneacute tato jaacutedra dělit řezaacuteniacutem
49
8 Realizovanyacute Adamsův motor
81 Virtuaacutelniacute model Adamsova motor generaacutetoru a jeho praktickaacute
realizace
Model motoru je vytvořen v programu SolidWorks SolidWorks je mocnyacutem naacutestrojem konstrukteacutera a
nabiacuteziacute snadnou optimalizaci modelu
Po vytvořeniacute jednotlivyacutech diacutelů je možneacute tyto diacutely pomociacute vazeb navzaacutejem svaacutezat a tiacutem daacutet okamžitou
představu o chovaacuteniacute modelu
Při naacutevrhu Adamsova motoru jsem vychaacutezel předevšiacutem z rozměrů magnetickyacutech jader statoroveacute čaacutesti
stroje
811 Stator
a) Jako nosnaacute konstrukce pro jaacutedra statoru uloženiacute ložisek uchyceniacute desky plošnyacutech spojů
optickyacutech senzorů sloužiacute dvě tabule z plexiskla tloušťky 8 mm ktereacute tvořiacute nosnou konstrukci
neboť jsou po obvodu vzaacutejemně spojeny šesti zaacutevitovyacutemi tyčemi o průměru 5 mm Na Obr je
zadniacute nosnaacute tabule plexiskla
Obr 81 Zadniacute nosnaacute deska z plexiskla
Otvor průměru 26 mm nachaacutezejiacuteciacute se uprostřed sloužiacute pro uloženiacute kuličkoveacuteho ložiska Skrze
otvory průměru 51 mm po jeho obvodu prochaacuteziacute šrouby pro přichyceniacute krytů ložiska
Naacutesledujiacute otvory určeneacute pro upevněniacute optickyacutech čidel dřevěneacuteho krytu pro zakrytiacute vodičů
připojenyacutech k vinutiacutem a optickyacutem senzorům Skrze podlouhleacute draacutežky jsou šrouby přitaženy
dřevěneacute držaacuteky statorovyacutech jader Vzhledem ke tvaru draacutežky je zajištěna možnost jejich
50
polohovaacuteniacute vzhledem k rotoru Volnyacute prostor na praveacute straně je určen pro upevněniacute desky
plošnyacutech spojů s elektronickyacutemi součaacutestkami
b) Nosneacute držaacuteky pro jaacutedra statoru jsou použity dřevěneacute špaliacuteky do kteryacutech jsou jaacutedra vlepena
epoxidovou pryskyřiciacute
c) Optočleny TCST 2103 jsou přitaženy k jejich dutyacutem dřevěnyacutem držaacutekům imbusovyacutemi šrouby
průměru 3 mm Skrze dřevěneacute držaacuteky jsou kolmo na směr vyacutevodů optočlenu vyvrtaacuteny otvory
pro zaacutevitoveacute tyče jež spolu s našroubenyacutemi matkami přitahujiacute držaacutek s čidlem jedneacute k zadniacute
desce plexiskla statoroveacute čaacutesti stroje Jistaacute uacuteroveň dotaženiacute matce dovoluje držaacutek s čidlem
nataacutečet a měnit tak okamžik sepnutiacute optočlenu
Obr 82 Optočlen TCST 2103 připevněnyacute k dřevěneacutemu držaacuteku
d) Stejnou vzdaacutelenost mezi dvěma plexiskly statoru zajišťujiacute distančniacute trubice skrze ktereacute
prochaacuteziacute zmiacuteněneacute zaacutevitoveacute tyče spojujiacuteciacute obě zaacutekladoveacute tabule plexiskla Tyto trubice jsou
vyrobeny z kostry stojanu pro sušeniacute praacutedla Z estetickyacutech důvodů je na nich navlečena a
zatavena teplem smršťovaciacute bužiacuterka
Postup vytvořeniacute ciacutevky v SolidWorksu
1 V předniacute rovině skici na Obr je pomociacute os X a Y vytvořen souřadnicovyacute systeacutem potřebnyacute pro
tvorbu zaacutekladniacutech vazeb využityacutech při ryacutesovaacuteniacute
2 Čelniacute pohled na jeden poacutel magnetickeacuteho jaacutedra ve statoru na ktereacute maacute byacutet umiacutestěna jedna
budiacuteciacutech ciacutevek je vytvořen z konstrukčniacutech přiacutemek a okoacutetovaacuten rozměry 13 mm x 11 mm
3 Vnitřniacute rozměry ciacutevky jsou z čelniacuteho pohledu oproti jaacutedru na každeacute straně zvětšeny o 05 mm
tedy o tloušťku foacutelie jež tvořiacute kostřičku ciacutevky a malou vzduchovou mezeru umožňujiacuteciacute volneacute
nasunutiacute ciacutevky na magnetickeacute jaacutedro
4 Poloměr zaobleniacute vnitřniacute čaacutesti kostry ciacutevky je 08 mm
51
Obr 81 Skica naacutevrhu diacutelu
5 Vnějšiacute rozměry ciacutevky jsou daacuteny počtem vrstev zaacutevitů a celkovyacutem činitelem plněniacute ciacutevky
Deset vrstev zaacutevitů vodičem 03 mm spolu s izolačniacute a nosnou kostrou ciacutevky vytvořiacute 4 mm
vysokou vrstvu zaacutevitů v roziacutech zaoblenou se stejně velkyacutem poloměrem 4mm Vnějšiacute a vnitřniacute
zaobleniacute rohů je od rovnyacutech segmentů skici odděleno uacutesečkami čiacutemž je skica dokončena
6 Využitiacutem funkce přidaacuteniacute vytaženiacutem a jejiacute aplikaciacute na jednotliveacute segmenty skici je ciacutevka
symetricky vytažena do prostoru na deacutelku 19 mm Zamiacutetnutiacutem funkce sloučit vyacutesledky při
vytaženiacute jsou všechny segmenty ciacutevky vytvořeny jako samostatneacute objekty čiacutemž odpadaacute
děleniacute modelu v Ansysu
Obr 82 Model ciacutevky
Magnetickaacute jaacutedra použitaacute ve statoru jsou původně určena pro jednofaacutezoveacute jaacutedroveacute transformaacutetory
Jaacutedro transformaacutetoru je při vyacuterobě naviacutejeno na obdeacutelniacutekoveacute kopyto o rozměrech odpoviacutedajiacuteciacutech
požadovaneacute velikosti okna pro primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Jaacutedro je po navinutiacute
z transformaacutetoroveacuteho plechu rozřiacuteznuto na dvě poloviny jak je zřejmeacute z Obr xx čiacutemž je možneacute do
magnetickeacuteho obvodu nasunout primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute
V našem přiacutepadě je pro každeacute magnetickeacute jaacutedro statoru použita pouze jedna polovina zmiacuteněneacuteho
transformaacutetoroveacuteho jaacutedra Okno statoroveacuteho jaacutedra určeneacute pro umiacutestěniacute obou vinutiacute statoru maacute pouze
polovičniacute deacutelku oproti transformaacutetoru a na straně řezu je otevřeno
52
Obr 83 Pohled na uloženiacute vinutiacute
Obě budiacuteciacute ciacutevky jsou nasunuteacute na jednom jaacutedru statoru a jsou totožneacute tj majiacute stejnyacute počet zaacutevitů
vinutyacutech vodičem o stejneacutem průřezu Jsou spojena do seacuterie a spolu s magnetickyacutem jaacutedrem tvořiacute jeden
z osmi statorovyacutech magnetickyacutech obvodů
Na Obr Xx je bližšiacute pohled na rozloženiacute vodičů v průřezu ciacutevkou Každaacute vrstva zaacutevitů ciacutevky obsahuje
63 zaacutevitů v deseti vrstvaacutech
Obr 84 Rozloženiacute zaacutevitů
Počet zaacutevitů v jedneacute ciacutevce je daacuten naacutesobkem počtu zaacutevitů v jedneacute vrstvě a množstviacute vrstev tedy
63x10= 630 zaacutevitů Jelikož jsou obě ciacutevky na magnetickeacutem jaacutedru spojeny do seacuterie celkovyacute počet
zaacutevitů je dvojnaacutesobnyacute tedy 1260 zaacutevitů Protože statorovaacute jaacutedra odděluje od rotoru vzduchovaacute mezera
05 mm jsou obě vinutiacute od konce jaacutedra umiacutestěny ve vzdaacutelenosti 2 mm pro zajištěniacute bezpečneacute
vzdaacutelenosti od otaacutečejiacuteciacuteho se rotoru Naacutesledkem toho se do jedneacute vrstvy ciacutevky vleze menšiacute počet
zaacutevitů bliacuteže zpraženyacutech s magnetickyacutem tokem v jaacutedru
Počet vrstev obou vinutiacute je teacutež omezen a to jednak velikostiacute okna a mezerou 5 mm mezi oběma
vinutiacutemi Tato mezera zajišťuje možnost volneacuteho nasunutiacute vinutiacute na magnetickeacute jaacutedro a umožňuje
lepšiacute odvod tepla do okoliacute
53
Pro dosaženiacute konstantniacute vzduchoveacute mezery mezi vyniklyacutemi poacutely rotoru a jaacutedry ve statoru jsou konce
statorovyacutech jader zbroušeny na poloměr bliacutezkyacute poloměru plechů v rotoru
Kostřička ciacutevky
Pro vyacuterobu kostřiček ciacutevek posloužila plastovaacute folie určenaacute pro krytiacute předniacute strany dokumentu
svaacutezaneacuteho v kroužkoveacute vazbě Po vyřezaacuteniacute a ohnutiacute do požadovaneacuteho tvaru byla a slepena
oboustrannou lepiciacute paacuteskou
Obr 83 Kostřička ciacutevky vyrobenaacute z plastoveacute folie
Naviacutejeniacute ciacutevek
Pro naviacutejeniacute ciacutevek se realizovalo ručniacute naviacuteječkou s mechanickyacutem počiacutetadlem Na Obr84 je vidět že
obě ciacutevky jsou navinuty nepřerušenyacutem vodičem Obě ciacutevky majiacute 630 zaacutevitů
Obr 84 Pro zpevněniacute čel ciacutevek během naviacutejeniacute na plastovou kostřičku posloužily 5mm širokeacute destičky
z pertinaxu Draacutežky v nich vybroušeneacute umožnily zachyceniacute vyacutestupniacuteho vodiče ciacutevky pod navlečenou
gumičku Levaacute destička pertinaxu je odniacutematelnaacute po uvolněniacute dotaženeacuteho šroubu
Hotovaacute ciacutevka navinutaacute na kostřičce z plastoveacute folie je na Obr Po navinutiacute ciacutevky se čela kostřičky
(plastoveacute folie) zahnula přes horniacute vrstvu zaacutevitů a navzaacutejem slepila sekundovyacutem lepidlem
Obr 85 Pohled na ciacutevku zpevněnou kostřičkou z plastoveacute folie
54
Statoroveacute jaacutedro s ciacutevkami
Na každeacute z osmi statorovyacutech jader jsou nasunuty dvě seacuteriově spojeneacute ciacutevky Pro pevneacute zachyceniacute obou
vinutiacute je použit pružnyacute tmel
Obr 86 Pohled na statoroveacute jaacutedro s nasunutyacutem vinutiacutem
Uchyceniacute statorovyacutech jader
Statorovaacute jaacutedra jsou pevně zalepena epoxidovou plyskyřiciacute do dřevěnyacutech sloupků Po obou stranaacutech
sloupku jsou vyvrtaacuteny otvory v nižchž jsou vyřezaacuteny zaacutevity pro šrouby Dotaženiacutem šroubu jsou
sloupky s jaacutedry pevně uchyceny v deskaacutech z plexiskla
Obr 87 Pohled na jaacutedro zalepeneacute v dřevěneacutem držaacuteku
55
812 Rotor
Průměr rotoru a jeho konstrukčniacute řešeniacute je navrženo s ohledem na rozměry jader ve statoru a velkou
hmotnost dynamoplechů
e) Z velikosti okna pro primaacuterniacute vinutiacute je odvozena potřebnaacute vyacuteška permanentniacutech magnetů a
počet vrstev dynamoplechů v rotoru
f) Rozměry hřiacutedele jsou voleny s ohledem na použitaacute kuličkovaacute ložiska o vnitřniacutem průměru 10
mm a hmotnost rotorovyacutech plechů a je počiacutetaacuteno s jistou rezervou v přiacutepadě působeniacute vyššiacutech
momentů setrvačnosti celeacuteho rotoru Hřiacutedel a středoveacute přiacuteruby zajišťujiacute pevneacute přichyceniacute
středoveacuteho pouzdra permanentniacutech magnetů jelikož jsou vzaacutejemně spojeny čtyřmi šrouby
Hřiacutedel a středoveacute přiacuteruby jsou vysoustruženy z mosazi
Obr 88 Hřiacutedel je vysoustruženaacute z mosazneacute kulatiny
Na Obr je pohled na celkovou sestavu rotoru a statorovaacute jaacutedra Ke hřiacutedeli jsou přiacuteruby připevněny
ve čtyřech miacutestech
Obr 89 Pohled na rotor a jaacutedra statoru opatřenaacute vinutiacutem
g) Přiacuteruby pro uchyceniacute středoveacuteho pouzdra rotoru v němž jsou uloženy magnety jsou
vysoustruženy z mosazi stejně tak i přiacuteruba pro komutačniacute disk Přiacuteruby jsou ke hřiacutedeli pevně
dotaženy imbusovyacutemi šrouby
56
Obr 810 Jedna přiacuterub pro upevněniacute středoveacuteho pouzdra magnetů ke hřiacutedeli
h) Středoveacute pouzdro nesouciacute dynamoplechy a magnety je složeno z třiacute vrstev plexiskla tloušťky
2x4 mm + 1x5 mm Maacute tedy tloušťku 13 mm stejně jako vnitřniacute rozměr okna jaacutedra statoru
Přiacuteruby navlečeneacute na hřiacutedeli z obou stran stahujiacute plexiskla středoveacuteho pouzdra čiacutemž je pevně
spojujiacute s hřiacutedeliacute
Obr 811 Středoveacute pouzdro permanentniacutech magnetů
i) Dynamoplechy jsou po obou stranaacutech středoveacuteho pouzdra navrstveny na požadovanou vyacutešku
11 mm což odpoviacutedaacute přiacuteslušneacutemu rozměru jaacutedra v jeho řezu Při tloušťce dynamoplechu 05
mm je na obou stranaacutech pouzdra 22 vrstev dynamoplechu Jak dynamoplechy tak i středoveacute
pouzdro v sobě majiacute vyřezaacuteny otvory pro zaacutevitoveacute tyče a diacuteky matkaacutem dotaženyacutem po obou
stranaacutech rotoru spojujiacute navzaacutejem tyto čaacutesti s hřiacutedeliacute
Obr 812 Jedna sekce rotoru je složenaacute z 22 vrstev dynamoplechů
j) K dobreacutemu staženiacute dynamoplechů nejen v miacutestech kde k nim ze stran přileacutehajiacute matky
přispiacutevajiacute kryciacute kotouče z plexiskla na Obr813
57
Obr 813 Otvorem uprostřed kryciacuteho kotouče prochaacuteziacute hřiacutedel a je možneacute se diacuteky němu dostat na
šrouby připevňujiacuteciacute přiacuteruby rotoru pevně k řčiacutedeli
Vyacuteroba vyniklyacutech poacutelů rotoru
Rotoroveacute plechy jsou do požadovaneacuteho tvaru na Obr814 vyřezaacuteny pomociacute vodniacute pily Tryska
zařiacutezeniacute žene proud vodniacuteho paprsku spolu s abrazivem kolmo na řezanyacute objekt
Obr 814 Skica rotorovyacutech plechů s vyznačenyacutemi miacutesty pro umiacutestěniacute permanentniacutech magnetů
Na Obrxx zachycena vodniacute pila během vyřezaacutevaacuteniacute požadovaneacuteho tvaru rotoru do tabule
dynamoplechu o rozměrech 1x1metr
58
Obr 815 Sniacutemek pořiacutezenyacute během řezaacuteniacute dynamoplechu vodniacutem paprskem s abrazivem
Magnetickaacute čaacutest obvodu obvod rotoru se sklaacutedaacute ze dvou sekciacute mezi nimiž jsou umiacutestěny permanentniacute
magnety ktereacute sloužiacute jako zdroj magnetickeacuteho pole Každaacute sekce je vytvořena navrstveniacutem
dynamoplechů do vrstvy 11 mm Při tloušťce dynamoplechu to odpoviacutedaacute 22 vrstvaacutem v každeacute sekci
Obr 816 Čelniacute pohled na zkompletovanyacute rotor
Komutaacutetor
Komutaacutetor je realizovaacuten průhlednou foacuteliiacute s černyacutem potiskem Pravidelneacute střiacutedaacuteniacute průsvitnyacutech a
černyacutech oblastiacute na foacutelii během otaacutečeniacute rotoru zajišťuje pravidelneacute přerušovaacuteniacute IR paprsku v osmi
optoelektronickyacutech spiacutenačiacutech TCST 2103 rozmiacutestěnyacutech pravidelně okolo obvodu komutačniacute folie
Na foacutelii je sedm černyacutech a sedm průsvitnyacutech vyacutesečiacute což odpoviacutedaacute počtu sedmi vyniklyacutech poacutelů v obou
sekciacutech rotoru oddělenyacutech permanentniacutemi magnety Nastaveniacute optimaacutelniacute uacutehlu natočeniacute komutačniacute
folie bylo stanoveno měřeniacutem pro uacutehly natočeniacute 1285deg 5 deg 0deg a -1285deg Vyacutesledky jsou shrnuty
v zaacutevěru praacutece
59
Obr 817 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 1285deg
Obr 818 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 5deg
Obr 819 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 0deg
Obr 820 Nastaven uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie -1285deg
Na Obr je čelniacute pohled na realizovanyacute komutaacutetor Po obvodu jsou rovnoměrně rozmiacutestěny černeacute
dřevěneacute držaacuteky s optočleny skrze ktereacute prochaacuteziacute uacutezkeacute zaacutevitoveacute tyče zbroušeneacute tak aby uvnitř držaacuteku
nepoškodily přiacutevodniacute vodiče optočlenů Dotaženiacutem matek našroubovanyacutech na zaacutevitoveacute tyče je možneacute
pevně přitaacutehnout
60
Obr 821 Fotorgrafie realizovaneacuteho komutaacutetoru
Obr 822 Podrobnějšiacute pohled s popisem čaacutestiacute
Optoelektronickeacute
spiacutenače TCST 2103
Jaacutedra statoru
Vinutiacute statoru
Komutaacutetor
s regulaciacute předstihu
Vynikleacute poacutely
rotoru
61
Zkompletovanyacute motor
Na Obr jsou na nosneacute desce namontovaacutena statorovaacute jaacutedra
Obr 823 Horniacute pohled na nosnou desku Uprostřed desky je vidět nachaacuteziacute kryt ložiska
Vodiče ciacutevek na magnetickyacutech jaacutedrech jsou zavedeny do bdquočokolaacutedldquo přišroubovanyacutech po bočniacutech
stranaacutech dřevěnyacutech držaacuteků jader
Obr 824 Bočniacute pohled na dřevěneacute držaacuteky jader statoru
Vyacutevody z čokolaacuted jsou protaženy do dřevěneacuteho tunelu zobrazenyacute ze spodniacute strany na Obr kteryacute
sloužiacute jako ochrana před otaacutečejiacuteciacutem se rotorem
Obr 825 Spodniacute strana kryciacuteho tunelu před vyvrtaacuteniacutem otvorů pro přichyceniacute k nosneacute desce
62
Obr 826 Čelniacute pohled na hotovyacute model Adamsova motoru
Obr 827 Redukce připevněnaacute na hřiacutedeli sloužiacute pro zvětšeniacute jejiacuteho průměru při spojeniacute spojeniacute
motoru s dynamometrem
63
82 Elektrickyacute obvod
821 Popis a scheacutema zapojeniacute
Elektronickaacute čaacutest je spiacutenaacutena přerušovaacuteniacutem infračerveneacuteho paprsku dopadajiacuteciacuteho na fototranzistor
v optočlenu Paprsek prochaacuteziacute průsvitnou čaacutestiacute foacutelie ve chviacuteli kdy jsou vynikleacute poacutely rotoru v čelniacute
pozici se statorovyacutemi jaacutedry a ciacutevky umiacutestěneacute na těchto jaacutedrech v nich majiacute vybudit magnetickyacute
indukčniacute tok opačneacuteho směru oproti toku vystupujiacuteciacuteho z rotorovyacutech poacutelů Naacutesledkem siloveacuteho
působeniacute mezi magnetickyacutemi poli rotoru a statoru je rotor roztaacutečen
Obr 828 Scheacutema zapojeniacute elektrickeacuteho obvodu pro řiacutezeniacute motoru Obvod v praveacute čaacutesti obraacutezku za
přerušovanou čarou se opakuje celkem 4x Pro ušetřeniacute miacutesta je tedy zobrazena pouze jedna čtvrtina
zapojeniacute
Elektrickyacute obvod je možneacute rozdělit na čaacutest vyacutekonovou kteraacute je od čaacutesti niacutezko přiacutekonoveacute oddělena
řiacutediacuteciacute elektrodou vyacutekonovyacutech MOSFET tranzistorů IRF540 Na Obr xx je pro zmenšeniacute ušetřeniacute
miacutesta zobrazena pouze jedna čtvrtina čaacutesti scheacutematu elektrickeacuteho obvodu V leveacute čaacutesti scheacutematu jsou
vyznačena miacutesta připojeniacute napaacutejeciacuteho napětiacute Pro laboratorniacute měřeniacute je vhodneacute vzaacutejemně je oddělit
Kladnyacute poacutel stejnosměrneacuteho napaacutejeciacuteho napětiacute o velikosti 5-31 V je pojen k ciacutevkaacutem skrze konektory
L1až L8 k ke statorovyacutem vinutiacutem Stejnosměrneacute napětiacute 10 ndash 35 V DC je připojeno přes stabilizaacutetor
napětiacute 7808 a Rezistory R1 a R2 k optočlenům TCST 2103 ktereacute jsou ve scheacutematu zastoupeny
vyacutevody označenyacutemi EM1 a DET1 Ty Zkratkovitě označujiacute přiacuteslušnyacute emitor IR zaacuteřeniacute (infračervenaacute
dioda) a detektor (fototranzistor pro infračerveneacute spektrum) implementovaneacute v pouzdru optočlenu
Hodnoty odporů jsou stanoveny na zaacutekladě snahy omezit proud řiacutediacuteciacuteho obvodu na nejnižšiacute hodnotu a
zaacuteroveň zachovat spraacutevnou funkci obvodu Jmenovitaacute hodnota proudu emitorem je 20mA Proud
tekouciacute skrze EM1 až EM8 je nastaven předřadnyacutemi rezistory 6K8 na hodnotu cca 1mA Paprsek
prochaacuteziacute skrze průsvitnou čaacutest komutaacutetoru nebo je přerušen černě potištěnou čaacutestiacute Pokud paprsek
dopadaacute na detektor a otviacuteraacute jej a proud může prochaacutezet přes odpory 39K předřazeneacute detektorům Za
detektory jsou napojeny Schmittovi klopneacute obvody na jejichž vstupech se objeviacute napětiacute v přiacutepadě že
je detektor paprskem neosviacutecen Klopneacute obvody jsou napaacutejeny napětiacutem ze stabilizaacutetoru a na sveacutem
64
vyacutestupu majiacute toteacutež napětiacute pokud je na jejich vstupu napětiacute nuloveacute V jednom pouzdře integrovaneacuteho
obvodu 40106N se nachaacuteziacute 6 investujiacuteciacutech hradel Paralelniacutem spojeniacute třiacute je sniacutežen odpor hradla na
třetinu Naacutesleduje vyacutekonovyacute MOSFET tranzistor IRF560 s odporem přechodu elektrod DS v
sepnuteacutem stavu 44m Ω Niacutezkaacute vyacutekonovaacute ztraacuteta těchto tranzistorů snižuje ztraacutetovyacute vyacutekon na minimum
v porovnaacuteniacute s bipolaacuterniacutemi tranzistory Je-li na vstupniacute elektrodu G připojeno kladneacute napětiacute tranzistor
se otevře a umožniacute průchod proudu přiacuteslušnyacutem vinutiacutem připojenyacutem ke konektoru L1až L8
822 Deska plošnyacutech spojů
Deska plošnyacutech spojů vytvořenaacute stejně tak jako scheacutema v programu Eagle
Obr 829 Deska plošnyacutech spojů elektronickeacute ho obvodu z pohledu součaacutestek
Navrženaacute deska plošnyacutech spojů je vyrobena bdquofotocestouldquo Působeniacutem zdroje ultrafialoveacuteho světla
dojde ke změně chemickeacute struktury fotocitliveacute vrstvy kteraacute se nachaacuteziacute v miacutestech prosviacuteceniacute průsvitneacute
předlohy DPS Po rozpuštěniacute osviacuteceneacute vrstvy fotocitliveacuteho laku v hydroxidu sodneacutem byla deska
omyta vodou a odleptaacutena v chloridu železiteacutem
Obr 830 Osvit desky plošnyacutech spojů 11W UV zaacuteřivkou
65
Obr 831 Hotovaacute deska po odvrtaacuteniacute otvorů pro vyacutevody součaacutestek a protaženiacute vodičů do dřevěneacuteho
kryciacuteho tunelu
66
9 Magnetostatickaacute analyacuteza Adamsova motoru
91 Vyacutepočet zjednodušeneacuteho magnetickeacuteho obvodu
911 Feromagnetika v magnetickeacutem obvodu
Permanentniacute magnety použiteacute rotoru jsou neodymoveacute (Nd-Fe-B) s magnetizaciacute N38 a maximaacutelniacute
pracovniacute teplotě 80degC Magnety majiacute tvar vaacutelce Požadovanaacute vyacuteška magnetů je 13 mm a odpoviacutedaacute
přiacuteslušneacutemu rozměru okna jader ve statoru Požadovaneacute vyacutešky bylo dosazeno spojeniacutem magnetu o
vyacutešce 10 mm a magnetu o vyacutešce 3 mm Magnety majiacute průměr 15mm
Demagnetizačniacute charakteristika magnetu je na Obr
Obr 91 Druhyacute kvadrant pracovniacutech hysterezniacutech smyček B(H) a J(H)=B(H)-μ0H
permanentniacuteho magnetu s magnetizaciacute N38 měřeno při 26degC
Magnetickaacute jaacutedra statoru jsou vyrobena z FeSi transformaacutetoroveacuteho plechu s anizotropniacute strukturou o
jakosti M150-30 Materiaacutel maacute poměrně niacutezkou konduktivitu tedy niacutezkeacute ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy
Magnetickeacute čaacutesti rotoru jsou z dynamoplechů izotropniacute struktury o jakosti M600 - 50
Vyacutepočet magnetickeacute indukce a intenzity magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře mezi rotorovyacutem a
statorovyacutem poacutelem
Magnetickyacute obvod se sklaacutedaacute z permanentniacuteho magnetu dvou vyniklyacutech poacutelů rotoru dvou
vzduchovyacutech mezer a jaacutedra statoru
-14
-12
-1
-08
-06
-04
-02
0
02
04
06
08
1
12
14
-1 200 -1 100 -1 000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0
J B [T]
H [kAm]
Demagnetizačniacute charakteristika NdFeB magnetu (N38)
J magnetu
B magnetu
B vakau
HBHmax=473 kAm BHmax=294 kJm3
BBHmax=0612 T B
J
μ0H
HC=-937 kAm
67
Obr 92 Magnetickyacute obvod s permanentniacutem magnetem
Pro středniacute indukčniacute čaacuteru naznačenou v magnetickeacutem obvodu přerušovanou čarou platiacute podle prvniacute
Maxwellovy rovnice v integraacutelniacutem tvaru
kde indexy značiacute M permanentniacute magnet žr železo rotoru v vzduchovou mezeru a žs železo statoru
Železo rotoru (dynamoplechy) a železo statoru (transformaacutetoroveacute plechy) jsou feromagneticky měkkeacute
materiaacutely Pro zjednodušeniacute vyacutepočtu předpoklaacutedaacuteme že jejich permeability tj jejich
magnetickeacute odpory a tedy i magnetickaacute napětiacute a jsou zanedbatelně maleacute
takže pro intenzitu magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře platiacute
Pro magnetickyacute indukčniacute tok permanentniacuteho magnetu platiacute
kde je činitel rozptylu ve vzduchoveacute mezeře a jestliže k rozptylu toku nedochaacuteziacute tak
Magnetickyacute indukčniacute tok ve vzduchoveacute mezeře je vyjaacutedřen
Pro magnetickyacute indukčniacute tok permanentniacuteho magnetu platiacute
takže magnetickaacute indukce ve vzduchoveacute mezeře je
(19)
(20)
(21)
(22)
(23)
BM HM
lM
lžr
lžr
lv
lv
lžs
Bv
Hv
Sv
Sžr Sžs
SM
Hžr
Hžr
Hžs Bžs
Bžr
Bžr
J
S
Sžr
Bv
Hv
68
odtud
Z rovnosti rovnic (19) a (24)
lze vyjaacutedřit magnetickou indukci permanentniacuteho magnetu jako
kde veličina Nd je tzv demagnetizačniacute činitel pro nějž platiacute
Pro dosazeniacute do (24) je zapotřebiacute stanovit hodnotu činitele rozptylu magnetickeacuteho toku ve vzduchoveacute
mezeře Stanoviacuteme odhadem (
Pro dosazeniacute do (24) je daacutele zapotřebiacute stanovit průřez magnetu Při průměru 15 mm je
Průřez vzduchoveacute mezery mezi statorem a rotorem vypočteme jako aritmetickyacute průměr průřezu poacutelu
jaacutedra statoru a průřezu vynikleacuteho poacutelu rotoru Skutečneacute průřezy poacutelu statoru a rotoru lze jednoduše
odečiacutest z virtuaacutelniacuteho modelu v DesignModeleru Ansysu jak je naznačeno na Obr93 a na Obr94
Průřez poacutelu statoroveacuteho jaacutedra SS je dle DesignModeleru 14328 mmsup2
Obr 93 Po označeniacute plochy jaacutedra statoru vypočte DesignModeler jejiacute průřez
(24)
(25)
(26)
(27)
(28)
(29)
69
Průřez vynikleacuteho poacutelu rotoru SR je dle DesignModeleru 29128 mmsup2
Obr 94 Po označeniacute plochy vynikleacuteho poacutelu rotoru vypočte DesignModeler jeho průřez
Po dosazeniacute průřezů je aritmetickyacute průměr průřezu vzduchoveacute mezery
Vyacuteška použiteacuteho magnetu je daacutena součtem vyacutešek dvou na sobě umiacutestěnyacutech magnetů 10mm a 3 mm
tedy =13 mm
Řešenyacute magnetickyacute obvodu obsahuje dvě vzduchoveacute mezery o velikosti 1 mm Celkovaacute deacutelka
vzduchoveacute mezery je daacutena součtem těchto dvou deacutelek tedy =2 mm
Dosazeniacute všech potřebnyacutech hodnot do rovnice (24) vypočiacutetaacuteme demagnetizačniacute činitel
Dosazeniacutem demagnetizačniacuteho činitele do rovnice pro magnetickou indukci magnetu (26) ziacuteskaacuteme
rovnici přiacutemky
jejiacutež průsečiacutek s demagnetizačniacute křivkou permanentniacuteho magnetu na Obrxx stanoviacute pracovniacute bod
permanentniacuteho magnetu
Z grafu na Obr 95 je možneacute odečiacutest hodnotu magnetickeacute indukce permanentniacuteho magnetu v
pracovniacutem bodu BM=1 T a odpoviacutedajiacuteciacute hodnotu intenzity magnetickeacuteho pole HM=1 T
(30)
(31)
70
Obr 95 V průsečiacuteku přiacutemky s demagnetizačniacute charakteristikou se nachaacuteziacute pracovniacute bod P
permanentniacuteho magnetu v magnetickeacutem obvodu se vzduchovou mezerou
Zvětšeniacutem vzduchoveacute mezery v magnetickeacutem obvodu se zvětšiacute demagnetizačniacute činitel Nd tj zvětšiacute se
směrovyacute uacutehel přiacutemky z hodnoty α na hodnotu α1 a pracovniacute bod P se posune do polohy P1 jak je
naznačeno na Obr96
Obr 96 V průsečiacuteku přiacutemky s demagnetizačniacute charakteristikou se nachaacuteziacute pracovniacute bod
permanentniacuteho magnetu
00
02
04
06
08
10
12
14
-1 000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0
J B [T]
H [kAm]
Stanoveniacute pracovniacuteho bodu magnetu na demagnetizačniacute
charakteristice
B magnetu
Bm=-NdHm
BM=1 T
HM=-183 kAm
P
Br=124 T
HC=-937 kAm
71
Zmenšiacute-li se opět vzduchovaacute mezera na původniacute velikost nevraacutetiacute se pracovniacute bod P1 do sveacute původniacute
polohy v bodě P ale do polohy P2 po křivce k2 Smyčka složenaacute z křivek k1 a k2 je malaacute hysterezniacute
smyčka Přibližně ji můžeme nahradit uacutesečkou P1 P2 sviacuterajiacuteciacute s osou H uacutehel β Pohybuje-li se pracovniacute
bod po maleacute hysterezniacute smyčce jde vratneacute změny tj zanikne-li přiacutečina posuvu pracovniacuteho bodu vraciacute
se pracovniacute bod do sveacute původniacute polohy Pohyb pracovniacuteho bodu po hlavniacute hysterezniacute smyčce je
nevratnyacute K podobnyacutem jevům dochaacuteziacute když miacutesto změn vzduchoveacute mezery působiacuteme na permanentniacute
magnet magnetickyacutem polem ktereacute zvětšuje nebo zmenšuje jeho tok Všechny dalšiacute pohyby
pracovniacuteho bodu probiacutehajiacute přibližně po přiacutemce P1 P2 pokud směrovyacute uacutehel α nepřestoupiacute hodnotu uacutehlu
α1 Překročiacute-li tuto hodnotu pohybuje se pracovniacute bod opět po hlavniacute hysterezniacute smyčce a při naacutevratu
zpět k původniacute hodnotě uacutehlu α přechaacuteziacute na novou bdquomalou hysterezniacute smyčku vyznačenou na Obrxx
čaacuterkovaně [20]
Magnetickaacute indukce ve vzduchoveacute mezeře
Intenzita magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře
(32)
(33)
72
92 Vyacutepočet magnetickeacuteho obvodu v ANSYS Workbench
Magnetickaacute indukce - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 97 Pohled na rozloženiacute magnetickeacute indukce v obvodu při I=0A
Obr 98 Zobrazeniacute vektorů magnetickeacute indukce při I=0A
73
Magnetickaacute indukce - horniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 99 Rozloženiacute magnetickeacute indukce při I=0A
Obr 910 Zobrazeniacute vektorů magnetickeacute indukce při I=0A
74
Intenzita magnetickeacuteho pole - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 911 Rozloženiacute intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
Obr 912 Zobrazeniacute vektorů intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
75
Intenzita magnetickeacuteho pole - horniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 913 Rozloženiacute intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
Obr 914 Zobrazeniacute vektorů intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
76
Rozloženiacute siacutely působiacuteciacute na poacutely rotoru vlivem přiacutetažneacute siacutely permanentniacuteho magnetu
Obr 915 Siacutela mezi poacutely rotoru
Přitažlivaacute siacutela mezi poacutely rotoru v miacutestě magnetu je daacutena rozdiacutelem maximaacutelniacute a minimaacutelniacute hodnoty sil
(34)
77
Magnetickaacute indukce při proudu 1 A - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru při
921 Rozběh motoru
Uacutekolem je naleacutezt nejmenšiacute hodnotu proudu tekouciacuteho vinutiacutem statoroveacuteho jaacutedra při ktereacute dojde k
rozběhu motoru Vychaacutezejme z toho že přiacutetažnaacute siacutela působiacuteciacute na jedno jaacutedro statoru ktereacute je
v zarovnaneacute pozici s vyniklyacutemi poacutely rotou musiacute byacutet vlivem proudu tekouciacuteho vinutiacutem
Proud by měl miacutet takovou velikost aby v jaacutedru statoru vybudil magnetickyacute tok opačneacute polarity oproti
magnetickeacutemu toku vystupujiacuteciacuteho z protějšiacuteho vynikleacuteho poacutelu rotoru A to s takovyacutemi silovyacutemi
uacutečinkly aby byl došlo k pootočeniacute rotoru do pozice ve ktereacute se vedlejšiacute vynikleacute poacutely rotoru začnou
přitahovat k vedlejnšiacutemu statoroveacutemu jaacutedru Celyacute proces se poteacute opakuje i u dalšiacutech jader
Středniacute hodnota proudu tiacutemto vinutiacutem se během rozběhu motoru snižuje až na konstntniacute hodnotu
Dojdek k ustaacuteleniacute otaacuteček a doby průchodu proudu jednotlivyacutemi vinutiacutemi
78
Na Obr je graf průběhu siacutely působiacuteciacute na jaacutedro statoru ve směru osy x při změně velikosti proudu
tekouciacuteho vinutiacutem
Obr 916 Průběh siacutely při změně proudu
Z Obr919 je zřejmeacute že nuloveacute siacutely v ose x na jaacutedro statoru bude dosaženo při proudu 700 mA Tudiacutež
proud vědšiacute než 700 mA vyvolaacute odpuzeniacute rotorovyacutech poacutelů a celyacute proces se opakuje i u ostatniacutech
statorovyacutech jader
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
0 100 200 300 400 500 600 700
I [mA]
Fx [N]
Fx=f(I)
Fx= -2841 N
79
Na Obr je naacutezorně vidět zarovnanyacute vyniklyacute poacutel rotoru s jaacutedrem ve statoru
Obr 917 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru se statorovyacutem jaacutedrem při nuloveacute siacutele na magnetickeacute jaacutedro
Obr 918 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru s jaacutedrem ve statoru bez přiacutetomnosti proudu
Prochaacuteziacute-li vinutiacutem proud 700mA půsovyacute ma magnetickeacute jaacutedro ve směru osy x nulovaacute siacutela Rozloženiacute
magnetickeacute indukce je na Obr
α=0deg
Fx=0 N
I=700 mA
α=0deg
Fx=-2841 N
I=0 mA
80
Obr 919 Rozloženiacute indukce v obvodu při proudu tekouciacutem vinutiacute 700mA
Obr 920 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru s jaacutedrem ve statoru při proudu tekouciacutem vinutiacute 700mA
81
922 Průběhy sil působiacuteciacute na rotor během pootočeniacute
Na obr je osa jaacutedra(v praveacutem rohu) zarovnaacutena s osou vynikleacuteho poacutelu rotoru (vyznačeno červeně) a
naacutesledujiacuteciacute vyniklyacute poacutel rotoru je oproti statoroveacutemu jaacutedru (vpravo) pootočen o uacutehel α = -643deg
Obr 921 Při pootočeniacute rotoru o uacutehel α = -643deg působiacute na rotor siacutela ve směru FY= -5645 N
Průběh siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor během nataacutečeniacute proti směru hodinovyacutech ručiček mezi uacutehly
pootočeniacute v meziacutech α= -643deg až 0deg
Hodnoty jsou vypočiacutetaacuteny v Ansysu s krokem 02 deg a proloženy přiacutemkou
Obr 922 Průběh siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor během pootočeniacute od -643deg do 0deg a vyznačeneacute hodnoty
siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor pro hodnoty natočeniacute uacutehlu α= -643deg a -5deg
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
F [N]
α [deg]
Fy=f(α)
α=-643deg FY=-5645 N
Fy= - 5645 N
I=0 mA
82
Obr 923 Průběh siacutely působiacuteciacute na rotor v ose y během pootočeniacute od -643deg do 0deg a vyznačeneacute hodnoty
siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor pro hodnoty natočeniacute uacutehlu α= -643deg a -5deg
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
N [Nmm]
α [deg]
Fx=f(α)
83
10 Měřeniacute na realizovaneacutem motoru
V Tab101 jsou hodnoty odporu jednotlivyacutech vinutiacute měřeneacute při 20 degC
Tab 101 Hodnoty odporů vinutiacute
Časoveacute průběhy napětiacute a proudu byly naměřeny pomociacute profesionaacutelniacuteho dvoukanaacuteloveacuteho USB
osciloskopu Handyscope HS3 s parametry uvedenyacutemi v tabulce Tab102 Spojeniacutem osciloskopu s PC
bylo možneacute pomociacute napěťoveacute a proudoveacute sondy naměřit časoveacute průběhy napětiacute a proudu Použitaacute
proudovaacute sonda disponuje maximaacutelniacutem rozlišeniacutem 100 mVA
Tab 102 Vlastnosti Osciloskopu Handyscope HS3
Vstup Vyacutestup
max vzorkovaciacute frekvence 100MSs vzorkovaciacute frekvence 50MSs
volitelneacute rozlišeniacute 12-16 bitů rozlišeniacute 12 bitů
maximaacutelniacute napětiacute 200V napětiacute 0 plusmn12 V
impedance 1M Ω20pF maximaacutelniacute proud 05 A DC
Na Obr 101 je zachycen časovyacute průběh napětiacute a proudu změřenyacute na jednom z osmi vinutiacute statoru při
napětiacute 30V a mechanickeacute zaacutetěži Mz = 015 Nm
Rc1 Rc2 Rc3 Rc4 Rc5 Rc6 Rc7 Rc8
[Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω]
203 203 205 202 204 205 202 203 2034
84
Obr 101 Změřeneacute průběhy napětiacute a proudu na vinutiacute během zatiacuteženiacute momentem 015Nm
Hodnoty proudu změřeneacute osciloskopem jsou posunuty o stejnosměrnou složku směrem do
zaacutepornyacutech hodnot Tato chyba znehodnocuje naměřeneacute vyacutesledky proudu uvedeneacute v tabulce a
vznikla z neznaacutemeacute přiacutečiny jako důsledek nastaveniacute citlivosti proudoveacute soncy na hodnotu
100mVA
Tab 103 Hodnoty naměřeneacute osciloskopem Handyscope HS3
Umax Umin Up-p Uef Ustř Δt
[V] [V] [V] [V] [V] [ms]
2958 -7996 10992 3401 -0983 1419
Imax Imin Ip-p Ief Istř f
[mA] [mA] [mA] [mA] [mA] [Hz]
26459 -2276 49219 11375 2421 7048
Na Obr je vidět vysokonapěťovaacute špička opačneacute polarity vzhledem k napaacutejeciacutemu napětiacute kteraacute
dosahuje hodnoty -7996 V Vznikaacute důsledkem naacutehleacuteho přerušeniacute dodaacutevky proudu do obvodu ciacutevky
Magnetickeacute pole vytvořeneacute v magnetickeacutem obvodu se po přerušeniacute dodaacutevky proudu kteryacute jej vybudil
snažiacute zabraacutenit sveacute změně a zachovat proud v elektrickeacutem obvodu čiacutemž zpětně do elektrickeacuteho obvodu
vinutiacute indukuje vysokeacute napětiacute opačneacute polarity Dochaacuteziacute ke zpětneacute indukci napětiacute do elektrickeacuteho
obvodu Tento děj vyjadřuje druhaacute Maxwellova rovnice o zaacutekonu elektromagnetickeacute indukce
v diferenciaacutelniacutem tvaru vyjaacutedřeneacute vztahem
85
Na Obr je teacutež patrnyacute zaacutekmit napětiacute na konci zaacuteporneacute napěťoveacute špičky Tento zaacutekmit je způsoben
parazitniacute kapacitou vinutiacute Časovaacute konstanta s jakou děj odezněniacute je daacutena RLC parametry obvodu
Každyacute způsob provedeniacute vinutiacute maacute sveacute charakteristickeacute vlastnosti předevšiacutem vlastniacute kapacitu vinutiacute
V praxi se např požadavek na sniacuteženiacute vlastniacute kapacity vinutiacute u transformaacutetorů realizuje dvěma
způsoby
a) zmenšeniacute napěťoveacuteho rozdiacutelu mezi vrstvami popř sekcemi vinutiacute nebo zmenšeniacutem vzaacutejemneacute
kapacity těchto čaacutestiacute jejich odděleniacutem
b) sniacuteženiacutem dielektrickeacute konstanty konstrukčniacutech materiaacutelů využitiacutem vhodnyacutech izolantů pro
izolaci vodičů
Nejviacutece možnostiacute nabiacuteziacute prvniacute varianta jež se uplatňuje u hraacutezoveacuteho křiacutežoveacuteho i kotoučoveacuteho vinutiacute
Obvykle neniacute uacutečelneacute ani hospodaacuterneacute dělit vinutiacute viacutece než na tři komory Čiacutem nižšiacute bude celkovyacute činitel
vinutiacute tiacutem menšiacute bude kapacita vinutiacute Impregnaciacute vinutiacute se vlastniacute kapacita vinutiacute zvyšuje asi o 30 až
50 V přiacutepadě spojeniacute jednoho vyacutevodu vinutiacute s magnetickyacutem jaacutedrem se vlastniacute kapacita vinutiacute zvětšiacute
přibližně o 20 [19]
Za zaacutepornou vysokonapěťovou špičkou a zaacutekmitem napětiacute způsobenyacutem parazitniacute kapacitou v obvodu
je vidět na Obr půlperioda sinusoveacuteho průběhu napětiacute zaacuteporneacute polarity Toto napětiacute je v obvodu
indukovaacuteno diacuteky průchodu magnetickeacuteho toku vystupujiacuteciacuteho z vyniklyacutech poacutelů rotoru během otaacutečeniacute
Magnetickyacute tok vystupuje z poacutelů rotoru a uzaviacuteraacute se přes jaacutedro statoru čiacutemž v jeho vinutiacute indukuje
napětiacute
(35)
86
Na Obr102 zaacuteznam sinusoveacuteho průběhu napětiacute indukovaneacuteho ve vinutiacute statoroveacuteho jaacutedra ktereacute bylo
odpojeno od napaacutejeniacute
Obr 102 Časovyacute průběh napětiacute indukovaneacuteho ve vinutiacute během otaacutečeniacute rotoru
Obr 103 Časovyacute průběh napětiacute a proudu při napětiacute 30 V a zatiacuteženiacute momentem 005 Nm
87
101 Měřeniacute zaacutekladniacutech charakteristik
Motor byl pro změřeniacute charakteristik spojen s cize buzenyacutem dynamometrem Možnost regulace
zaacutetěžneacuteho momentu změnou odporu kotvy dynamometru a velikostiacute budiacuteciacuteho proudu umožnila
naměřit průběh momentovyacutech mechanickyacutech a rychlostniacutech charakteristik Spojeniacute hřiacutedele
s tachodynamem naviacutec umožnilo měřit indukovaneacute napětiacute během jednotlivyacutech měřeniacute a vypočiacutetat z něj
otaacutečky Na Obr104 je schematicky naznačena soustava dynamometru a motoru pro měřeniacute
zatěžovaciacute charakteristiky motoru
Obr 104 Soustava pro měřeniacute zatěžovaciacutech charakteristik motoru
Pro změřeniacute zaacutekladniacutech charakteristik potřebnyacutech pro vyacutepočet uacutečinnosti motoru byl využit cize buzenyacute
dynamometr s Iab=5 A(10)
102 Vyacutepočet uacutečinnosti
Pro přiacuteklad vyacutepočtu dosadiacuteme do uvedenyacutech vztahů hodnoty veličin při nichž vyšla uacutečinnost motoru
maximaacutelniacute
Jelikož proud tekouciacute do vinutiacute je stejnosměrnyacute stanoviacuteme přiacutekon motoru součinem napětiacute zdroje o
konstantniacute velikosti 31 V s proudem tekouciacutem obvodem
Po dosazeniacute
Vyacutekon motoru je roven
přičemž pro uacutehlovou rychlost vyjaacutedřenou z otaacuteček platiacute vztah
(36)
(37)
(38)
Ua
Rb Umot
88
Po dosazeniacute
Vyacutekon je po dosazeniacute uacutehloveacute rychlosti
Uacutečinnost motoru při zanedbaacuteniacute ztraacutet v elektronickeacutem obvodu je daacutena vyacuterazem
Podiacutelem vyacutekonu a přiacutekonu je vyacuteslednaacute uacutečinnost
(39)
(40)
(41)
(42)
(43)
89
Charakteristiky změřeneacute při změně zaacutetěžneacuteho momentu M=005 až 05 Nm a napětiacute 31V
Obr 105 Změna otaacuteček v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
Obr 106 Změna proudu v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
50
150
250
350
450
550
650
750
850
950
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
n [otmin]
P2 [W]
n=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
0
05
1
15
2
25
3
35
4
2 4 6 8 10 12 14
I [A]
P2 [W]
I=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
90
Obr 107 Změna přiacutekonu v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
Obr 108 Změna uacutečinnosti v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
0
20
40
60
80
100
120
140
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
P1 [W]
P2 [W]
P1=f(P2)
-1285deg
5deg
1285deg
0deg
000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
η []
P2 [W]
η=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
ηmax=355
P2=86 W
91
Obr 109 Změna uacutečinnosti v zaacutevislosti na momentu při U=31V
000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045 05 055 06
η []
M [Nm]
η=f(M)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
ηmax=355
M=019 Nm
0
01
02
03
04
05
06
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000 1 100
M [Nm]
n [otmin]
Momentoveacute charakteristiky motoru
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
92
Charakteristiky změřeneacute při změně napaacutejeciacuteho napětiacute U=5 až 31V M=015 Nm
Obr 1010 Změna proudu v zaacutevislosti na napětiacute při M=015 Nm
Obr 1011 Změna otaacuteček v zaacutevislosti na napětiacute při M=015 Nm
0
02
04
06
08
1
12
14
16
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
I [A]
U [V]
I=f(U)
5deg
0deg
1285deg
-1285deg
I=078 A
0
100
200
300
400
500
600
700
800
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
n [otmin]
U [V]
n=f(U)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
93
Zaacutevěr
Na zaacutekladě existence měřitelneacuteho kvantově mechanickeacuteho projevu Casimirova jevu se člověk alespoň
teoreticky přibliacutežil k pochopeniacute podstaty vakua Pohled na vakuum jako na systeacutem v němž je možno
za jistyacutech okolnostiacute pozorovat vysokofrekvenčniacute elektromagnetickeacute fluktuace i při teplotaacutech bliacutezkyacutech
0K může nabiacutezet novou perspektivu a přiacutestup ke strojům s věčnyacutem pohybem Vnějšiacute projevy
elektromagnetickeacuteho charakteru vakuovyacutech fluktuaciacute nejsou za běžnyacutech okolnostiacute zjevneacute neboť je
v tomto stavu zajištěna jejich symetrie K porušeniacute symetrie však dochaacuteziacute mezi dvěma bliacutezkyacutemi
deskami v Casimirově pokusu
Permanentniacute magnet se v jisteacutem ohledu může jevit jako systeacutem jež svojiacute přiacutetomnostiacute narušuje tuto
symetrii elektromagnetickyacutech fluktuaciacute vakua a tiacutem v okolniacutem prostoru projevuje jeho dynamickou
jinak skrytou povahu formou projevu permanentniacuteho magnetickeacuteho pole V tomto ohledu by mohl byacutet
projev stavu narušeniacute symetrie vakuovyacutech fluktuaciacute uacuteměrnyacute energii vloženeacute do permanentniacuteho
magnetu během procesu magnetovaacuteniacute Tento nekonvenčniacute pohled na permanentniacute magnetismus
umožňuje objasnit vstup energie vakua do systeacutemu s permanentniacutemi magnety jakyacutem by mohl byacutet
např Johnsonův magnetickyacute motor složenyacute pouze z permanentniacutech magnetů Pokud tento motor
opravdu fungoval a vyacuteše nastiacuteněnaacute teorie by byla pravdivaacute neniacute tento systeacutem již možno povařovat za
izolovanyacute od sveacuteho okoliacute neboť samotnaacute povaha vakua by v tomto přiacutepadě umožňovala napaacutejeniacute
tohoto systeacutemu
V tomto ohledu se jeviacute zajiacutemavyacute i systeacutem pro přeměnu energie elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute na
užitečnou elektrickou energii popisovanaacute v šesteacute kapitole V tomto systeacutemu kmitajiacute drobneacute
dielektrickeacute struktury vytvořeneacute např elektronovou litografiiacute vlivem siloveacuteho působeniacute fluktuaciacute
elektromagnetickyacutech poliacute vakua a tiacutem v mikroskopickyacutech anteacutenaacutech mezi strukturami indukujiacute
využitelnou formu energie Tyto kmity jsou v přiacutemeacutem poměru k frekvenci zaacuteřeniacute avšak mnohem nižšiacute
frekvenci Využitiacutem moderniacutech technologickyacutech postupů a vysoce jakostniacutech materiaacutelů se v tomto
ohledu nabiacuteziacute nepřeberneacute možnosti pro experimentovaacuteniacute
Realizace modelu Adamsova motor generaacutetoru kterou jsem prakticky provedl (však pouze ve funkci
motoru) měla za ciacutel stanovit uacutečinnost tohoto systeacutemu neboť informace popisujiacuteciacute tento stroj hovořiacute
teacutež o vstupu energie vakua do tohoto systeacutemu čiacutemž je uacutedajně možno dosaacutehnout uacutečinnosti přesahujiacuteciacute
100 Autor Robert Adams stanovil uacutečinnost sveacuteho motor generaacutetoru na zaacutekladě několik dnů
trvajiacuteciacuteho měřeniacute Měřil průběhy napětiacute na vstupniacute baterii jež stroj napaacutejela a bateriiacutech ktereacute
postupně připojoval na elektrickyacute vyacutestup stroje Během činnosti stroje dochaacutezelo k postupneacutemu
dobiacutejeniacute bateriiacute na vyacutestupu V jisteacutem ohledu jsou hodnoty napětiacute při průběžneacutem měřeniacute určityacutem
ukazatelem uacutečinnosti stroje avšak pro vyacutepočet přesneacute uacutečinnosti daneacute poměrem vyacutekonu a přiacutekonu by
bylo zapotřebiacute do vyacutepočtu zahrnout i proudy prochaacutezejiacuteciacute obvodem
Dynamoplechy (M600-50) pro rotor a transformaacutetorovaacute jaacutedra (M150-30s) pro stator jsem zakoupil u
společnosti Therma FM a permanentniacute magnety přes internetovyacute obchod Unimagnetcz Virtuaacutelniacute
model motoru vytvořenyacute v programu SolidWorks jsem importoval do programu ANSYS Workbench
a provedl v něm magnetostatickou analyacutezu Analyzoval jsem magnetickyacute obvod složenyacute z jedneacute
osminy statoru (pouze jedno jaacutedro) vzduchoveacute mezery a vynikleacuteho poacutelu rotoru při nuloveacutem proudu ve
statoroveacutem vinutiacute Takteacutež jsem magnetickyacute obvod řešil zjednodušenyacutem vyacutepočtem v němž jsem
94
zanedbal reluktanci železa rotoru i statoru rozdiacutel ve tvaru průřezů statorovyacutech i rotorovyacutech poacutelů a
odhadem jsem stanovil činitel rozptylu v okoliacute vzduchoveacute mezery Vypočiacutetal jsem pro danyacute
magnetickyacute obvod demagnetizačniacute činitel a vykresleniacutem přiacutemky byl nalezen pracovniacute bod P
permanentniacuteho magnetu Bod P vytiacutenaacute na přiacuteslušnyacutech osaacutech demagnetizačniacute charakteristiky
odpoviacutedajiacuteciacute hodnoty BM a HM permanentniacuteho magnetu Z nich byly vypočteny hodnoty indukce a
intenzity ve vzduchoveacute mezeře
Hodnoty magnetickeacute indukce a intenzity magnetickeacuteho pole v prostoru vzduchoveacute mezery vypočteneacute
na zaacutekladě zjednodušeniacute obvodu a hodnoty vypočteneacute v ANSYSu se v přiacutepadě indukce lišiacute o hodnotu
0177 T což vzhledem ke zjednodušeniacute vyacutepočtu a odhadu činitele rozptylu přibližně odpoviacutedaacute Rozdiacutel
v hodnotaacutech intenzity magnetickeacuteho pole činiacute 188 kAm což je opět vzhledem k zjednodušeniacutem
vyhovujiacuteciacute hodnota
Pomociacute programu Ansys byla stanovena nejnižšiacute hodnota proudu (700 mA) tekouciacuteho do vinutiacute
vybraneacuteho jaacutedra statoru při jeho zarovnaacuteniacute s rotorovyacutemi poacutely kteraacute způsobiacute vyrušeniacute přiacutetažneacute siacutely
působiacuteciacute na statoroveacute jaacutedro vlivem permanentniacute magnetizace rotoroveacuteho poacutelu Teoreticky proud většiacute
než 700mA způsobiacute pootočeniacute rotoru a naacuteslednyacute rozběh
Daacutele byly graficky stanoveny průběhy sil v osaacutech x a y působiacuteciacutech na rotor během jeho pootočeniacute o
uacutehel 643deg kdy došlo k zarovnaacuteniacute sousedniacutech poacutelů rotoru a statoru
Změřeniacutem zaacutekladniacutech zatěžovaciacutech charakteristik pomociacute dynamometru byly stanoveny průběhy
momentovyacutech charakteristik pro různeacute uacutehly natočeniacute komutačniacuteho disku vzhledem k rotoru Z grafu
průběhu uacutečinnosti v zaacutevislosti na momentu byla odečtena nejvyššiacute hodnota uacutečinnosti motoru 355
pro natočeniacute komutačniacuteho disku o 5deg a odpoviacutedajiacuteciacute zaacutetěžnyacute moment 019 Nm Tato uacutečinnost je v
porovnaacuteniacute se stejně vyacutekonnyacutemi motory běžnyacutech konstrukciacute poměrně niacutezkaacute Jedniacutem z hlavniacutech
faktorů jež ovlivnil vyacuteslednou uacutečinnost je tvar statorovyacutech jader ktereacute majiacute velkou vzduchovou
mezeru Tiacutem paacutedem dochaacuteziacute ke značneacutemu rozptylu toku magnetickeacute indukce skrze prostor mezi
statorovyacutemi poacutely
Natočeniacutem komutačniacuteho disku do polohy 0deg došlo ke značneacutemu sniacuteženiacute uacutečinnosti na hodnotu okolo 14
majiacuteciacute přiacutečinu ve špatneacutem načasovaacuteniacute počaacutetku průchodu proudu do přiacuteslušneacuteho vinutiacute Vzaacutejemneacute
siloveacute působeniacute magnetickyacutech indukčniacutech toků z jaacutedra a rotoru působilo brzdnyacutem uacutečinkem čiacutemž
došlo ke sniacuteženiacute uacutečinnosti motoru
Momentoveacute charakteristiky jsou teacuteměř lineaacuterniacute Největšiacute moment 05 Nm byl naměřen při napětiacute 31
V při 180 otmin a to v přiacutepadě že komutačniacute disk byl pootočen o 1285deg
95
Použitaacute literatura
[1] Hubbertpeak [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwhubbertpeakcomhubbert19561956pdf
[2] Multimediaacutelniacute studijniacute texty z mineralogie [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpmineralogiescimuniczkap_6_2_termodynkap_6_2_termodynhtm
[3] Molecular and cellular immunology Institute of malecular genetics academy of science of the
Czech Republic Praguee [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpmciimgcasczpdfZakony_termodynamikypdf
[4] Uacutestav teoretickeacute fyziky MFF UK [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httputfmffcuniczvyukaOFY016F2001CermakPhtm
[5] Galileo [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpgalileoandeinsteinphysicsvirginiaedumore_stuffflashletsmmexpt6htm
[6] Encyclopedia Britanica [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwbritannicacomEBcheckedtopic600149Evangelista-Torricelli
[7] ABZ slovniacutek ciziacutech slov [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z httpslovnik-cizich-
slovabzczwebphpslovohorror-vacui-horor-vakui
[8] RAFELSKI Johannn a Berndt MUumlLLER The structured vaccum Thinking about nothing
Published electrically 2006 ISBN 3-97144-889-3
[9] Uacutestav jaderneacute fyziky AV ČR veřejnaacute vyacutezkumnaacute instituce [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httphpujfcascz~wagnerpopclanvakuumvakuumhtml_ftn2
[10] Aldebaran [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwaldebaranczbulletin2011_10_kazphp
[11] Aldebaran [online] Casimir - Network 2005 [cit 2014-05-08] Dostupneacute z httpcasimir-
networkfrIMGpdfCasimir_20effectpdf
[12] KVASNICA Jozef Statistickaacute fyzika Vyd 2 Praha Academia 1998 314 s ISBN 80-200-
0676-1
[13] Aldebaran [online] Annenberg learning 2005 [cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwlearnerorgcoursesphysicsvisualanimationhtmlshortname=PHY06_FermiTrap0
3A
[14] Cornell University Library arXivorg [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httparxivorgpdf10115219v1pdf
[15] Fyzikaacutelniacute sekce Matematicko-fyzikaacutelniacute fakulty UK [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpphysicsmffcuniczkfppskriptakurz_fyziky_pro_DSwwwfyzikahtml
[16] FEYNMAN Richard Phillips Feynmanovy přednaacutešky z fyziky s řešenyacutemi přiacuteklady 1 vyd
Havliacutečkův Brod Fragment 2001 806 s ISBN 80-720-0420-4
[17] VALONE Thomas Zero Point Energy The Fuel of the Future United States Integrity
Research Institiute 2007 228 s ISBN 9780964107021
96
[18] KING Moray B Quest for Zero Point Energy Engineering Principles for Free Energy
Engineering Principles for Free Energy United States Integrity Research Institiute 2001 224 s
ISBN 9780932813947
[19] FAKTOR Zdeněk Transformaacutetory a ciacutevky 1 vyd Praha BEN - technickaacute literatura 1999
393 s ISBN 80-860-5649-X
[20] MAYER Daniel a Josef POLAacuteK Metody řešeniacute elektrickyacutech a magnetickyacutech poliacute [vysokošk
učebnice pro elektrotechn fakulty] 1 vyd Praha SNTL 1983 450 s
[21] ABZ slovniacutek ciziacutech slov [online cit 2014-05-12] Dostupneacute z httpslovnik-cizich-
slovabzczwebphpslovohorror-vacui-horor-vakui
[22] Wikipedie [online cit 2014-05-12] Dostupneacute z httpcswikipediaorgwikiVakuum
[23] VALONE Thomas Practical Conversion of Zero-Point Energy Feasibility Study of the
Extraction of Zero-Point Energy from the Quantum Vacuum for the Performance of Useful
Work United States Integrity Research Institiute 2005 90 s ISBN 9780964107083
[24] BEARDEN By John Bedini and TE Free energy generation circuits 2nd ed Santa Barbara
Calif Cheniere Press 2006 806 s ISBN 09-725-1468-6
[25] Straacutenky věnovaneacute potlačovaneacute vědě a zatajovanyacutem vynaacutelezům [online cit 2014-05-08]
Dostupneacute z httpfree-energyxfczJOHNSONSampMhtm
[26] ADAMS Robert The Adams pulsed motor generator manual 46 Landing Roat Whakanate
Nex Zealand 1992
9
731 Vyhodnoceniacute naměřenyacutech vyacutesledků 48
8 Realizovanyacute Adamsův motor 49
81 Virtuaacutelniacute model Adamsova motor generaacutetoru a jeho praktickaacute realizace 49
811 Stator 49
812 Rotor 55
82 Elektrickyacute obvod 63
821 Popis a scheacutema zapojeniacute 63
822 Deska plošnyacutech spojů 64
9 Magnetostatickaacute analyacuteza Adamsova motoru 66
91 Vyacutepočet zjednodušeneacuteho magnetickeacuteho obvodu 66
911 Feromagnetika v magnetickeacutem obvodu 66
92 Vyacutepočet magnetickeacuteho obvodu v ANSYS Workbench 72
921 Rozběh motoru 77
922 Průběhy sil působiacuteciacute na rotor během pootočeniacute 81
10 Měřeniacute na realizovaneacutem motoru 83
101 Měřeniacute zaacutekladniacutech charakteristik 87
102 Vyacutepočet uacutečinnosti 87
Zaacutevěr 93
10
1 Uacutevod
Ekologickeacute probleacutemy spojeneacute s těžbou a využiacutevaacuteniacutem fosilniacutech paliv za uacutečelem vyacuteroby elektrickeacute
energie přivaacutediacute lidstvo k naleacutehaveacute potřebě hledat jineacute alternativniacute zdroje Ciacutelem teacuteto praacutece je
nabiacutednout čtenaacuteři informace o zajiacutemavyacutech vlastnostech bdquopraacutezdneacuteho prostoruldquo ve spojitosti s energiiacute
vněm obsaženou Možnosti velice přesneacuteho laboratorniacuteho měřeniacute dnes totiž nabiacuteziacute novyacute pohled na
povahu teacuteto energie Tzv Casimirův jev utvaacuteřiacute novyacute pohled na vakuum jako na systeacutem s dynamickou
povahou kteraacute se za jistyacutech podmiacutenek projevuje silovyacutemi uacutečinky
Představme si systeacutem využiacutevajiacuteciacute pro svou činnost energii vyvěrajiacuteciacute ze zdroje jež se nachaacuteziacute za
hraniciacute našeho vniacutemaacuteniacute daleko za možnostiacute našich smyslovyacutech orgaacutenů naacutem tento zdroj přiacutemo
zprostředkovat Pokud takovyacute systeacutem opravdu existuje existuje zcela jistě i široce rozšiacuteřenaacute barieacutera
lidskeacute neochoty si tuto skutečnost připustit Faktem zůstaacutevaacute že vše je v pohybu od nejmenšiacute struktury
počiacutenaje až po velkeacute teorie konče
Naacutesledujiacuteciacute citaacutet pochaacuteziacute od jednoho z prvniacutech zakladatelů kvantoveacute teorie
bdquoPrincip energie je zaacuteležitost zkušenosti Pokud by tedy jednoho dne měla byacutet jeho všeobecnaacute platnost
zpochybněna což v atomoveacute fyzice neniacute vyloučeneacute pak by se probleacutem perpetua mobile stal naacutehle
aktuaacutelniacutemldquo Max Planck
V přiacutepadě že v prvniacutem momentu nezavrhneme fakt že vlastně neviacuteme kolik toho viacuteme musiacuteme
připustit že je možneacute cokoliv
Počaacutetkem systematickeacuteho zkoumaacuteniacute elektromagnetickyacutech jevů se lidstvu do rukou dostalo mnoho
uacutežasnyacutech strojů a zařiacutezeniacute S vyacutevojem novyacutech materiaacutelů a technologiiacute se staacutele nabiacuteziacute možnosti objevit
noveacute Oblast vyacutevoje magnetickyacutech materiaacutelů neniacute v tomto ohledu vyacutejimkou proto se ve sveacute praacuteci
zabyacutevaacutem i jimi a měřeniacutem jejich hysterezniacutech charakteristik
Na zaacutekladě informaciacute hovořiacuteciacutech o elektrickyacutech strojiacutech ktereacute uacutedajně pracujiacute i bez zjevneacuteho zdroje
vstupniacute energie stojiacute za snahu věnovat tomuto teacutematu alespoň čaacutest sveacute pozornosti Podstata
vesmiacuternyacutech jevů může byacutet totiž daleko za rovnicemi popisujiacuteciacutemi to co je naacutem znaacutemo nyniacute
Jak přihlaacutesil Albert Einstein
bdquoŽaacutedneacute množstviacute pokusů nikdy nemůže dokaacutezat že jsem měl pravdu Jedinyacute pokus však kdykoliv může
dokaacutezat že jsem se myacutelilldquo
V tomto ohledu se v diplomoveacute praacuteci zaměřuji předevšiacutem na motory opředeneacute zvlaacuteštniacutemi informacemi
a pokoušiacutem se o realizaci vzorku Adamsova motoru Vyacutesledky měřeniacute a vyacutepočtů shrnuji v zaacutevěru
praacutece
11
2 Energetickeacute zdroje ve formě fosilniacutech paliv
V současnosti pokryacutevajiacute největšiacute podiacutel energetickeacute spotřeby lidstva zdroje fosilniacutech paliv Zejmeacutena
uhliacute ropa a zemniacute plyn Americkyacute geolog M King Hubbert předložil světu v roce 1956 teorii tzv
Hubbert Peak Theory znaacutemou teacutež pod naacutezvem peak oil Tato teorie se tyacutekaacute dlouhodobeacute těžby a
spotřeby ropy a ostatniacute fosilniacutech paliv Teacutehož roku M K Hubbert nabiacutedl Americkeacutemu ropneacutemu
institutu model tyacutekajiacuteciacute se znaacutemyacutech zaacutesob ropy Podle tohoto modelu měly Spojeneacute staacutety dosaacutehnout
vrcholu produkce ropy mezi rokem 1965 a 1970 Podle M K Hubberta by mělo byacutet vrcholu v
celosvětoveacute produkci ropy dosaženo přibližně o půl stoletiacute později od publikovaacuteniacute jeho teorie [1]
Na Obr 1 je křivka ve tvaru zvonu vytvořenaacute M K Hubbertem na zaacutekladě předpokladu že rezervniacutem
objemem suroveacute ropy je cca 250 miliard barelů Křivka reprezentuje celosvětovou produkci suroveacute
ropy zjištěneacute rezervy a předpoklaacutedaneacute zaacutesoby objeveneacute v budoucnu
Obr 1 Křivka vyacutevoje produkce ropy ve spojenyacutech staacutetech podle M K Hubberta [1]
Produkce ropy kopiacuteruje tvar zvonu tudiacutež v celosvětoveacutem měřiacutetku nedojde k naacutehleacutemu nedostatku ropy
Pokud dosaacutehne celosvětovaacute produkce ropy sveacuteho vrcholu v roce 2000 tak v roce 2020 bude na stejneacute
hodnotě jako v roce 1980 Nicmeacuteně v roce 2020 bude oproti roku 1980 světovaacute populace lidiacute zhruba
dvojnaacutesobnaacute a naacutesledkem značneacuteho zprůmyslněniacute světa bude spotřeba ropy prudce narůstat
Vyacutesledkem snižujiacuteciacutech se zaacutesob ropy je naacuterůst jejiacute ceny Jako naacutesledek nedostatku ropy je možneacute
očekaacutevat vaacutelečneacute konflikty vyspělyacutech zemiacute s ciacutelem ziacuteskat přiacutestup k ropnyacutem zdrojům a udržet si tiacutem
jistou ekonomickou stabilitu Způsoby přeměny energie spalovaacuteniacutem fosilniacutech paliv spojeneacute s
neohleduplnostiacute vůči planetě Zemi a jejiacutem obyvatelům přivaacutediacute člověka k naleacutehaveacute potřebě doplnit a
postupně nahradit staacutevajiacuteciacute energetickeacute zdroje zdroji alternativniacutemi
12
3 Zaacutekony termodynamiky
V dějinaacutech lidstva se objevilo mnoho pokusů o realizaci strojů jež by pracovaly s uacutečinnostiacute většiacute než
100 Snaha realizovat stroj s věčnyacutem pohybem je na programu mnoha konstrukteacuterů i v dnešniacute době
Zejmeacutena na internetu nalezneme mnoho odkazů na různorodeacute konstrukce mechanickyacutech a
elektrickyacutech strojů Zejmeacutena u čistě mechanickyacutech strojů je na prvniacute pohled patrneacute že nemohou
pracovat v nepřetržiteacutem chodu a třeniacute nakonec způsobiacute jejich zastaveniacute Nicmeacuteně lze narazit i na
konstrukce elektrickyacutech strojů doprovaacutezeneacute vlivnyacutem komentaacuteřem jež se opiacuteraacute o teorii kteraacute popisuje
vakuum jako prostor vyplněnyacute energiiacute Na kvantoveacute uacuterovni uacutedajně dochaacuteziacute ve vakuu k
nepřetržityacutem fluktuaciacutem elektromagnetickyacutech poliacute vlivem vzniku a zaacuteniku kladnyacutech a zaacutepornyacutech
virtuaacutelniacutech čaacutestic Bliacuteže se k tomuto fenomeacutenu vraacutetiacutem v naacutesledujiacuteciacute kapitole
Na zaacutekladě interakce s okoliacutem lze systeacutemy rozdělit naacutesledovně
a) izolovaneacute ndash v idealizovaneacutem přiacutepadě např termoska u ktereacute nedochaacuteziacute k vyacuteměně energie ani
hmotnyacutech čaacutestic
b) uzavřeneacute ndash např z obou stran uzavřenaacute trubice u niacutež dochaacuteziacute k vyacuteměně energie s okoliacutem
avšak bez vyacuteměny hmotnyacutech čaacutestic
c) otevřeneacute ndash např strom kteryacute si okoliacutem vyměňuje jak energii tak hmotneacute čaacutestice
31 Nultyacute zaacutekon termodynamiky
Systeacutemy v termickeacute rovnovaacuteze majiacute stejnou teplotu Nultyacute zaacutekon zavaacutediacute teplotu jako
termodynamickou veličinu
32 Prvniacute zaacutekon termodynamiky
Vnitřniacute energie (U) izolovaneacuteho systeacutemu je konstantniacute Změna vnitřniacute energie dU je součtem tepla
ktereacute bylo do systeacutemu dodaacuteno (dQ) a praacutece kteraacute byla na systeacutemu vykonaacutena (dW)
Změnu vnitřniacute energie můžeme zapsat jako
Veličina dW je objemovou praciacute Jde o změnu objemu dV v systeacutemu za konstantniacuteho tlaku P Změna
objemoveacute praacutece se vyjaacutedřiacute rovniciacute
Změnu vnitřniacute energie můžeme zapsat jako
(1)
(2)
(3)
13
Dodaacuteme-li např krystalu energii ve formě tepla vzroste jeho vnitřniacute energie o tolik kolik se
nespotřebuje na praacuteci spojenou s růstem jeho objemu (expanziacute) [2]
321 Perpetuum mobile prvniacuteho druhu
Produkuje nejmeacuteně tolik energie kolik samo spotřebuje Jakmile je jednou stroj spuštěn může
pracovat po neomezeně dlouhou dobu
33 Druhyacute zaacutekon termodynamiky
Druhyacute zaacutekon je postaven na definici entropie kteraacute je extenzivniacute funkciacute definujiacuteciacute stav systeacutemu
Zjednodušeně řečeno entropie definuje neuspořaacutedanost syteacutemu Celkovaacute změna entropie v uzavřeneacutem
systeacutemu je součtem změny entropie uvnitř systeacutemu a entropie kteraacute je do systeacutemu přenesena z jeho
okoliacute Entropii přenaacutešenou do systeacutemu se definuje rovnice (4) kde dQ je dodaneacute teplo a T je teplota
Je zřejmeacute že změna entropie systeacutemu při konstantniacute hodnotě tepla je většiacute při nižšiacute teplotě [2]
Pro reversibilniacute procesy a rovnovaacutežneacute stavy platiacute že změna entropie je nulovaacute dS = 0 Pro spontaacutenniacute
proces v systeacutemu pak platiacute dS gt 0 Můžeme řiacuteci že entropie se nikdy samovolně nezmenšuje [2]
331 Perpetuum mobile druheacuteho druhu
Takeacute nelze sestrojit protože při tepelneacute vyacuteměně těleso o vyššiacute teplotě nemůže samovolně přijiacutemat
teplo od tělesa s nižšiacute teplotou
34 Třetiacute zaacutekon termodynamiky
Jestliže se teplota ideaacutelniacuteho krystalu bliacutežiacute absolutniacute nule bliacutežiacute se nule i jeho entropie [2]
V bliacutezkosti absolutniacute nuly se adiabatickyacute děj přibližuje izotermickeacutemu Tiacutem se ovšem ztraacuteciacute uacutečinnost
libovolneacute ochlazovaciacute metody založeneacute na střiacutedaacuteniacute těchto dějů
Při extreacutemně niacutezkeacute teplotě se projevujiacute zvlaacuteštniacute vlastnosti některyacutech laacutetek jakyacutemi jsou supravodivost a
supratekutost
(4)
14
4 Vakuum
41 Eacuteter vyplňujiacuteciacute praacutezdnyacute prostor
Na zaacutekladě zjištěniacute že zvuk pro sveacute šiacuteřeniacute vyžaduje přenosoveacute meacutedium bylo dřiacuteve předpoklaacutedaacuteno že
i světlo ke sveacutemu přenosu vyžaduje určiteacute prostřediacute Toto meacutedium bylo označeno pojmem eacuteter Eacuteter
byl zaveden nejen pro světlo ale i pro elektřinu magnetismus a teplo Britskyacute fyzik James Clarck
Maxwell zjistil že se elektromagnetickeacute vlny šiacuteřiacute rychlostiacute světla a navrhl existenci pouze jedineacuteho
eacuteteru [3]
Na zaacutekladě Maxwellovyacutech pozorovaacuteniacute provedl Albert Michelson v roce 1881 experiment kteryacute měl
prokaacutezat přiacutetomnost eacuteteru Negativniacute vyacutesledek pokusu byl později zpochybněn a tak byl v roce 1887
pokus mnohem přesněji zopakovaacuten za spolupraacutece Edwarda Morleyho Experiment byl v budoucnu
ještě mnohokraacutet zopakovaacuten avšak původniacute vyacutesledek experimentu byl potvrzen [4]
Na Obr41 je znaacutezorněn princip Michelson-Morleyho experimentu kteryacute jsem doplnil o šipky ve
směru paprsků světla Uprostřed rotujiacuteciacute kruhoveacute aparatury je umiacutestěno polopropustneacute zrcadlo Směr
pohybu eacuteteru vůči aparatuře je znaacutezorněn žlutyacutemi šipkami Ze zdroje světla (vlevo) vychaacuteziacute paprsek a
dopadaacute na polopropustneacute zrcadlo (uprostřed) kde se děliacute na dvě čaacutesti Vzniknou tak dva navzaacutejem
kolmeacute paprsky putujiacuteciacute k zrcadlům po okrajiacutech aparatury kde se opět odraacutežiacute a vracejiacute zpět
k prostředniacutemu polopropustneacutemu zrcadlu Paprsek vracejiacuteciacute se dolů čaacutestečně prochaacuteziacute polopropustnyacutem
zrcadlem směrem dolů ke stiacuteniacutetku a paprsek vracejiacuteciacute se ke středu od leveacuteho zrcadla je odražen takeacute
směrem dolů Čaacutesti obou paprsků tak dopadajiacute na stiacuteniacutetko kde se
a) vzaacutejemně zesiacuteliacute jestliže majiacute stejnou rychlost a dopadajiacute na stiacuteniacutetko se stejnou faacuteziacute
b) vytvořiacute interferenčniacute obrazec v přiacutepadě že pohybujiacuteciacute se eacuteter vůči aparatuře ovlivnil rychlost
jednoho z paprsků
c)
Obr 41 Model demonstrujiacuteciacute princip Michelson- Morleyho experimentu [5]
Experiment existenci takoveacuteho eacuteteru neprokaacutezal a tak se převaacutežnaacute vědeckaacute komunita od představy
eacuteteru odkolonila
15
Neschopnost lidskeacute mysli uchopit praacutezdnyacute prostor dala v historii vzniknout pojmu horror vacui
neboli strach z praacutezdnoty [21]
Italskyacute fyzik a matematik Evangelista Torricelli žijiacuteciacute v 17 stoletiacute vešel do povědomiacute širokeacute
veřejnosti jednak pro vědeckyacute přiacutespěvek v oboru matematiky ale předevšiacutem pro vynalezeniacute
barometru Torricelli při svyacutech pokusech experimentoval s dlouhou skleněnou trubiciacute deacutelky 12 m
kterou naplnil rtutiacute a poteacute ji otevřenyacutem koncem ponořil do naacutedoby plneacute rtuti Pozoroval že velkaacute čaacutest
rtuti v trubici zůstala a nad jejiacute hladinou vnikl vzduchopraacutezdnyacute prostor Stal se tak prvniacutem člověkem
v historii kteryacute vytvořil vzduchopraacutezdno neboli vakuum [7]
Obr 42 Aparatura Evangelisty Torricelliho diacuteky ktereacute vytvořil makroskopickeacute vakuum
Vakuum zastupuje širokou škaacutelu tlaků V technickeacute praxi naleacutezaacute širokeacute praktickeacute využitiacute a je proto
podle velikosti tlaku rozděleno děleno do kategoriiacute ktereacute jsou v Tab 42
Tab 41 Rozděleniacute vakua podle tlakoveacuteho paacutesma a množstviacute hmoty v objemu[22]
Tlakoveacute paacutesmo
Tlak Množstviacute hmoty
v objemu
[Pa] [molekulcm3]
Atmosfeacuterickyacute tlak 101times105 27 x 10
19
Hrubeacute vakuum 10+4
hellip10+2
1019
- 1016
Jemneacute vakuum 10+2
hellip10minus1
1016
- 1013
Vysokeacute vakuum (HV) 10minus1
hellip10minus5
1013
hellip109
Ultra vysokeacute vakuum (UHV) 10minus5
hellip10minus10
109hellip10
4
Extreacutemně vysokeacute vakuum (XHV) lt10minus10
lt104
16
Vynaacutelezce Otto von Guericke demonstroval siacutelu podtlaku analogiiacute s osmi spřaženiacutemi osmi koni kteřiacute
nejsou schopni společnyacutemi silami oddělit dvě poloviny vzduchopraacutezdneacute koule jak ukazuje Obr 43
Obr 43 Osm koniacute neniacute schopno od sebe oddělit dvě poloviny vzduchopraacutezdneacute koule [8]
Zařiacutezeniacute pro tvorbu vakua se nazyacutevaacute vyacutevěva I kdyby se naacutem podařilo sestrojit dokonalou vyacutevěvu
kteraacute by z prostoru odstranila všechny znaacutemeacute hmotneacute čaacutestice prostor by i tehdy nezůstal praacutezdnyacute
Klasickaacute teorie poklaacutedaacute vakuum za praacutezdnyacute prostor bez hmotnyacutech čaacutestic Je však nutneacute přihleacutednout
k faktu že existujiacute teorie a experimenty jež připouštějiacute že vakuum neniacute praacutezdneacute miacutesto toho je plneacute
aktivity a co je ještě důležitějšiacute lze tuto aktivitu využiacutet v našem reaacutelneacutem světě
42 Heisenbergův princip neurčitosti
Velmi důležityacutem zaacutekonem určujiacuteciacutem pravidla v kvantoveacutem světě je Heisenbergův princip neurčitosti
Ten řiacutekaacute že pro současneacute měřeniacute polohy x a hybnosti čaacutestice p nemůže byacutet součin neurčitostiacute v určeniacute
polohy Δx a hybnosti Δp čaacutestice menšiacute než redukovanaacute Planckova konstanta ħ Pro tuto konstantu platiacute
ħ = h2π =105410-34
Js Důsledkem Heisenbergova principu je že se na mikroskopickeacute uacuterovni může
narušovat zaacutekon zachovaacuteniacute energie a to takovyacutem způsobem že součin velikosti tohoto narušeniacute a
doby po kterou trvaacute je menšiacute než redukovanaacute Planckova konstanta V takoveacutem přiacutepadě nelze toto
porušeniacute pozorovat
Heisenbergův princip neurčitosti pro současneacute měřeniacute polohy a hybnosti čaacutestice maacute tvar
(5)
Heisenbergův princip neurčitosti pro současneacute měřeniacute času a energie čaacutestice maacute tvar
(6)
Platnost rovnice (6) vede tomu že ve vakuu mohou existovat velice rychleacute fluktuace energie ktereacute
vznikajiacute jako v důsledku vzniku tzv virtuaacutelniacutech čaacutestic a jejich antičaacutestic ktereacute velice rychle vznikajiacute a
zanikajiacute vlivem vzaacutejemneacute anihilace A to v čase daneacutem Heisenbergovyacutem principem neurčitosti [9]
17
43 Virtuaacutelniacute čaacutestice
Jednaacute se o čaacutestici kteraacute neniacute přiacutemo pozorovatelnaacute je zavedena z důvodu existence řady pozorovanyacutech
jevů Virtuaacutelniacute čaacutestice může existovat diacuteky Heisenbergovu principu neurčitosti a v časoveacutem okamžiku
daneacutem tiacutemto zaacutekonem narušuje zaacutekon o zachovaacuteniacute energie U reaacutelneacute čaacutestice jejiacutež existence nenarušuje
zaacutekon zachovaacuteniacute energie je splněn relativistickyacute vztah mezi celkovou energiiacute čaacutestice E jejiacute hybnostiacute p
a klidovou energiiacute U virtuaacutelniacute čaacutestice tento vztah mezi uvedenyacutemi fyzikaacutelniacutemi veličinami neplatiacute
Virtuaacutelniacute čaacutestice tak může miacutet třeba velmi velkou hybnost a jen velmi malou energii Existence
virtuaacutelniacute čaacutestice je omezena na velice kraacutetkou dobu Při neustaacuteleacutem vzniku a zaacuteniku těchto čaacutestic
vznikajiacute ve vakuu vysokofrekvenčniacute fluktuace elektromagnetickyacutech poliacute různyacutech vlnovyacutech deacutelek [9]
44 Casimirův jev
V roce 1958 holandskyacute fyzik M J Sparnaay předpověděl existenci sil mezi dvěma kovovyacutemi
deskami jejichž přiacutečinou nebylo tepelneacute zaacuteřeniacute Byl zaveden pojem zero point energy (energie
nuloveacuteho bodu) označujiacuteciacute elektromagnetickou energii vyskytujiacuteciacute se ve vakuu při absolutniacute nuloveacute
teplotě [18]
Důkazem existence teacuteto energie je uacutedajně fakt že helium zůstaacutevaacute i při teplotaacutech mezi -272degC až
273degC staacutele v kapalneacutem skupenstviacute a nedojde k jeho přeměně na skupenstviacute pevneacute [17]
Způsob jakyacutem by bylo možneacute projevy virtuaacutelniacutech čaacutestic experimentaacutelně změřit navrhl v roce 1948
holandskyacute fyzik Hendrik Casimir Casimir uvažoval o dvou paralelniacutech elektrodaacutech (zrcadlech)
umiacutestěnyacutech ve vakuu za teploty bliacutezkeacute absolutniacute nule Vně těchto zrcadel vakuoveacute fluktuace
elektromagnetickyacutech poliacute dosahujiacute širokeacuteho spektra energiiacute ovšem v souladu s Heisenbergovyacutemi
relacemi neurčitosti Jinaacute situace nastaacutevaacute mezi elektrodami ktereacute tvořiacute rezonaacutetor Zde mohou vznikat
pouze fluktuace určityacutech vlnovyacutech deacutelek ndash moacutedů rezonaacutetoru Ostatniacute vlnoveacute deacutelky jsou vněm
potlačeny Tato nerovnovaacuteha fluktuaciacute vně elektrod a mezi nimi způsobuje tlakovou siacutelu kteraacute
přitahuje elektrody k sobě Jev se nazyacutevaacute Casimirův jev (efekt) a je makroskopickyacutem projevem
kvantovyacutech jevů stejně jako napřiacuteklad supravodivost nebo supratekutost [10]
Obr 44 Demonstrace Casimirova jevu Dvě kovoveacute desky tvořiacute rezonaacutetor pouze pro některeacute vlnoveacute
deacutelky důsledkem je působeniacute přitažliveacute siacutely mezi těmito deskami [11]
Fluktuace
vakua Casimirovi
desky
18
441 Casimirova siacutela
Casimirův efekt se projevuje jako Casimirova siacutela Casimirovu siacutelu mezi vodivyacutemi elektrodami
způsobuje nerovnovaacuteha mezi kvantovyacutemi fluktuacemi elektromagnetickyacutech poliacute ve vakuu vně
elektrod a mezi nimi [10]
Casimirovu siacutelu lze vypočiacutetat na zaacutekladě vztahu (7) uvedeneacuteho v literatuře[17]
(7)
Na obr45 je graf Prof Dr Davida Iannuzziho kteryacute zobrazuje přibližně exponenciaacutelniacute naacuterůst
publikaciacute pojednaacutevajiacuteciacute o Casimirově vevu Tiacutem dokazuje značnyacute naacuterůst zaacutejmu o tento fenomeacuten
Obr 45 Naacuterůst publikaciacute tyacutekajiacuteciacutech se Casimirova jevu [8]
442 Aparatura pro měřeniacute Casimirova jevu
Laboratorniacute měřeniacute Casimirova jevu v Kalifornskeacute univerzitě v Riverside bylo provedeno na
miniaturniacute aparatuře pro měřeniacute kvantově mechanickyacutech efektů bdquopraacutezdneacuteho prostoruldquo Na Obr 46 je
kulička o průměru 01 mm zobrazenaacute skrze elektronovyacute mikroskop Kulička je umiacutestěna pod hladkou
destičkou (destička neniacute na obraacutezku) Diacuteky kvantově mechanickeacutemu Casimirovu efektu se kulička
k destičce přitahuje Změna pozice kuličky je měřena mikroskopem pro měřeniacute atomaacuterniacutech sil
19
Obr 46 Mikroskopickaacute aparatura pro měřeniacute Casimirova jevu
443 Tepelnyacute Casimirův jev
Při konečneacute teplotě vstupujiacute do hry tepelneacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole a přispiacutevajiacute tak k
siloveacutemu působeniacute mezi elektrodami Tepelneacute fluktuace jsou způsobeny chaotickyacutem pohybem
volnyacutech elektronů v materiaacutelu elektrod Paralelniacute elektrody opět představujiacute rezonaacutetor ve ktereacutem je
možneacute vybudit pouze určiteacute moacutedy Každyacute moacuted představuje stav s přesně určenou energiiacute Tyto stavy
jsou obsazovaacuteny fotony ktereacute reprezentujiacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole Obsazeniacute těchto
hladin popisuje Boseho-Einsteinovo rozděleniacute [10]
Boseho-Einsteinovo rozděleniacute popisuje ve statistickeacute fyzice systeacutemy složeneacute z bosonů tedy čaacutestic se
symetrickou vlnovou funkciacute a celočiacuteselnyacutem spinem Bose-Einsteinovyacutem rozděleniacutem se řiacutediacute napřiacuteklad
fotony je z něj tedy možneacute odvodit napřiacuteklad Planckův vyzařovaciacute zaacutekon [12]
Při nuloveacute teplotě všechny fotony obsadiacute pouze nejnižšiacute energetickou hladinu jak je vidět na Obr 47
S rostouciacute teplotou postupně dochaacuteziacute k obsazovaacuteniacute i dalšiacutech vyššiacutech energetickyacutech hladin Mezi
zrcadly vznikaacute dalšiacute přitažlivaacute siacutela kteraacute ovšem zaacutevisiacute na teplotě Jednaacute se tedy o tepelnyacute Casimirův
jev
Obr 47 Vlevo zaujiacutemajiacute bosony při teplotaacutech bliacutezkyacutech absolutniacute nule jedinyacute stav s nejnižšiacute energiiacute Se
vzrůstajiacuteciacute teplotou bosony (vpravo) postupně obsazujiacute stavy s vyššiacute energiiacute [13]
Přestože tepelnyacute Casimirův jev byl teoreticky předpovězen Jevgenijem Lifšicem v roce 1955 dočkal
se sveacuteho objevu až v roce 2010 Tento uacutekol se podařilo zvlaacutednout skupině vědců na americkeacute Yaleově
univerzitě Tepelneacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole byly opět měřeny prostřednictviacutem přitažliveacute
siacutely mezi dvěma elektrodami Připravit dokonale rovinneacute paralelniacute plochy je poměrně obtiacutežneacute a proto
20
byl experiment provaacuteděn s jednou rovinnou elektrodou a druhou elektrodou ve tvaru kuloveacute plochy
Obě elektrody byly vyrobeny ze zlata s přesnostiacute 10 nm (kulovaacute elektroda) a 1 nm (rovinnaacute elektroda)
Siacutela mezi elektrodami byla měřena pomociacute torzniacuteho kyvadla kde torzniacute siacutela wolframoveacuteho draacutetku o
průměru 25 μm byla vyrovnaacutevaacutena přitažlivou silou mezi elektrodami Kapacitniacute polohovyacute senzor
sniacutemal vyacutechylku torzniacuteho kyvadla Celyacute experiment probiacutehal při teplotě 300 K [14]
Obr 48 Scheacutema zařiacutezeniacute pro měřeniacute tepelneacuteho Casimirova jevu (pohled shora) [14]
Naměřeneacute vyacutesledky byly porovnaacutevaacuteny se dvěma teoretickyacutemi modely ndash plazmovyacutem modelem a
Drudeho modelem Tyto modely popisujiacute chovaacuteniacute permitivity elektrod v zaacutevislosti na frekvenci
Naměřeneacute vyacutesledky ukazujiacute shodu s Drudeho modelem při teplotě 300 K Podle tohoto modelu tepelnaacute
přitažlivaacute siacutela roste lineaacuterně s teplotou a klesaacute s druhou mocninou vzdaacutelenosti To znamenaacute že zatiacutemco
Casimirova siacutela převlaacutedaacute na velmi malyacutech vzdaacutelenostech tepelnaacute Casimirova siacutela dominuje na
velkyacutech vzdaacutelenostech Na obraacutezku niacuteže je znaacutezorněna přitažlivaacute siacutela naacutesobenaacute druhou mocninou
vzdaacutelenosti v zaacutevislosti na vzdaacutelenosti mezi elektrodami Podle Drudeho modelu bychom měli dostat
konstantniacute zaacutevislost v miacutestech kde převlaacutedaacute siacutela způsobenaacute tepelnyacutemi fluktuacemi Z Obr 49 je
patrneacute že od vzdaacutelenosti přibližně 3 μm daacutele dostaacutevaacuteme přibližně konstantniacute zaacutevislost [14]
Obr 49 Na vzdaacutelenostech většiacutech než 3 μm dochaacuteziacute ke změně charakteru přitažliveacute siacutely Převlaacutedaacute zde
siacutela způsobenaacute tepelnyacutemi fluktuacemi zatiacutemco na menšiacutech vzdaacutelenostech se viacutece uplatňuje siacutela
pochaacutezejiacuteciacutech z kvantovyacutech fluktuaciacute vakua [14]
21
5 Magnetismus
51 Magnetickeacute pole a jeho siloveacute uacutečinky
Fakt že některeacute nerosty s obsahem železa a jeho oxidů jeviacute jisteacute vzaacutejemneacute siloveacute působeniacute vedlo
člověka k vyacutezkumu hlubšiacute podstaty tohoto fenomeacutenu Magnetismu znaacutemeacutemu již ze středověku začala
byacutet později věnovaacutena značnaacute pozornost předevšiacutem diacuteky poznatku že lze vnějšiacute magnetickeacute pole
vyvolat průchodem proudu nosičů elektrickyacutech naacutebojů elektrickyacutemi vodiči Pokusy H Ch Oersteda s
vodiči zapojenyacutemi k elektrickeacutemu zdroji vykazovali siloveacute působeniacute na magnetku kompasu později
diacuteky A M Ampeacuterovu pokusu takeacute siloveacute působeniacute mezi vodiči proteacutekanyacutemi proudem [15]
Mezi tělesy z feromagnetickyacutech laacutetek se za jistyacutech okolnostiacute projevuje vnějšiacute působeniacute vnitřniacutech
atomaacuterniacutech sil do vnějšiacuteho prostřediacute prostor v okoliacute tělesa i uvnitř něho je magneticky polarizovaacuten a
magnetickeacute předměty se navzaacutejem přitahujiacute či odpuzujiacute v zaacutevislosti na směru vektoru jejich
magnetizace Ve vzdušneacutem prostřediacute lze magnetickou propustnost definovat jako hodnotu přibližně
rovnou permeabilitě vakua
Po odhaleniacute existence magnetismu došlo časem k prudkeacutemu naacuterůstu pokusů se snahou naleacutezt praktickeacute
využitiacute tohoto jevu v lidskeacutem životě Vznik elektrickyacutech strojů prudce zrychlil rozvoj většiny odvětviacute
lidskeacuteho baacutedaacuteniacute
Magnetickeacute pole a jeho siloveacute uacutečinky jsou přiacutetomny při
a) Pohybu elektrickyacutech naacutebojů v obvodu
b) Zmagnetovaacuteniacute magnetik
Kvantitativniacute miacuterou siloveacuteho působeniacute magnetickeacuteho pole je magnetickaacute indukce B
Magnetickeacute pole o indukci 1 T působiacuteciacute na naacuteboj jednoho coulombu kteryacute se pohybuje rychlostiacute 1ms
silou 1 Newtonu jestliže je směr rychlosti naacuteboje a směru působiacuteciacute siacutely kolmyacute
Siacutelu v elektromagnetickeacutem poli působiacuteciacute na jednotkovyacute zkušebniacute naacuteboj v pohybu lze popsat
Lorenzovyacutem vztahem [15]
Ze vztahu je zřejmeacute že rychlost zkušebniacute čaacutestice nemaacute vliv na siloveacute uacutečinky elektrickeacuteho pole
V poli čistě magnetickeacutem kdy je elektrickeacute pole nuloveacute platiacute pro siacutelu vztah
(8)
(9)
22
52 Magnetickyacute moment moment hybnosti a precese momentu hybnosti
Pohybuje-li se elektron po kružnici (obiacutehaacute-li jaacutedro vlivem dostřediveacute siacutely) jsou si jeho magnetickyacute
moment μ a moment hybnosti J uacuteměrneacute Velikost momentu hybnosti elektronu je rovna hmotnosti
elektronu vynaacutesobeneacute jeho rychlostiacute a poloměrem draacutehy kterou opisuje (Obr 51)
Obr 51 Na kruhoveacute draacuteze je magnetickyacute moment μ(q2m)-naacutesobkem momentu hybnosti J[16]
Jeho směr je kolmiacute na rovinu draacutehy Vztah (10) je ne relativistickyacute je však pro atomy dobryacutem
přibliacuteženiacutem
(10)
Magnetickyacute moment tohoto pohybu lze určit jako proud kraacutet obsah plochy kruhu dle vztahu
Proud se vypočiacutetaacute jako naacuteboj kteryacute za jednotku času projde libovolnyacutem bodem draacutehy tj naacuteboj q kraacutet
frekvence kruhoveacuteho pohybu Frekvence je zase rychlost dělenaacute deacutelkou draacutehy takže platiacute
Plocha maacute obsah magnetickyacute moment je tedy možneacute vyjaacutedřit vztahem
Magnetickyacute moment a teacutež moment hybnosti J jsou kolmeacute na rovinu draacutehy Pro orbitaacutelniacute pohyb tedy
platiacute
Pro orbitaacutelniacute pohyb elektronu platiacute
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
23
Magnetismus od orbitaacutelniacuteho pohybu elektronu neniacute jedinyacute existujiacuteciacute druh magnetismu Elektron maacute i
svou vlastniacute rotaci kolem osy Důsledkem je spinovyacute moment hybnosti elektronu neboli vlastniacute
moment hybnosti Pro spinovyacute moment hybnosti se takeacute použiacutevaacute označeniacute spin Z překladu
z angličtiny jde rotace Pojem spin byl zaveden v době kdy se předpoklaacutedalo že jde o rotaci nicmeacuteně
v makrosvětě nemaacute spin analogii a člověk je nucen použiacutet idealizovanou představou rotace [16]
Poměr a je dvakraacutet tak tak velkyacute oproti orbitaacutelniacutemu pohybu elektronu proto je spinovyacute
magnetickyacute moment
Obecně je v každeacutem atomu několik elektronů a tak je celkovyacute moment hybnosti a celkovyacute magnetickyacute
moment daacuten složeniacutem jejich orbitaacutelniacutech a spinovyacutech momentů hybnosti V kvantoveacute mechanice
obecně platiacute že směr magnetickeacuteho momentu izolovaneacuteho atomu maacute opačnyacute směr než moment
hybnosti [16]
Někdy je magnetickyacute moment směsiciacute orbitaacutelniacutech a spinovyacutech přiacutespěvků jejichž vztah můžeme zapsat
Značka g je tzv Landeacuteho faktor a určeniacute jeho velikosti je předmětem kvantoveacute mechaniky
V přiacutepadě atomovyacutech jader figurujiacute naviacutec i spiny protonů a neutronů Pro jaacutedra obecně piacutešeme
Precese pohyb atomovyacutech magnetů v magnetickeacutem poli
Umiacutestěniacutem atomu do magnetickeacuteho pole je magnetickyacute moment ovlivňovaacuten momentem siacutely kteraacute se
jej snažiacute pootočit do směru pole Atomovyacute magnet je jako setrvačniacutek ndash maacute spinovyacute moment hybnosti
Moment siacutely způsobenyacute magnetickyacutem polem proto nedokaacuteže atomovyacute magnet udržet
v daneacutem směru Magnet proto bude vykonaacutevat precesniacute pohyb podobnyacute precesi mechanickeacuteho
setrvačniacuteku[16]
Rotuje-li těleso okolo osy zaznamenaacuteme u něj jistou podobnost v chovaacuteniacute s elementaacuterniacutem atomovyacutem
magnetem o momentu hybnosti
Jevy zjevneacute při rotaci tělesa lze popsat naacutesledujiacuteciacutemi tvrzeniacutemi
Pokud na rotujiacuteciacute těleso nepůsobiacute vnějšiacute siacutely zachovaacutevaacute si osu svojiacute rotace Nenulovyacute moment
siacutely působiacuteciacute na rotujiacuteciacute těleso ovlivňuje osu jeho rotace tiacutem viacutece čiacutem maacute těleso menšiacute
moment hybnosti
Když nutiacuteme rotujiacuteciacute těleso změnit osu svojiacute rotace chovaacute se tak že se snažiacute ztotožnit s osou
vynuceneacute rotace
(16)
(
) (17)
(
) (18)
24
Precese subatomaacuterniacutech čaacutestic v magnetickeacutem poli se s vyacutehodou využiacutevaacute v metodaacutech magnetickeacute
jaderneacute a elektronoveacute paramagnetickeacute rezonance
Nabiacuteziacute se otaacutezka jestli je možneacute určityacutem způsobem převeacutest siloveacute uacutečinky precesniacuteho pohybu
momentu hybnosti na mechanickyacute pohyb v nějakeacutem elektrickeacutem stroji Projevy rezonančniacutech jevů
jsou u všech typů magnetickyacutech rezonanciacute však velice slabeacute a frekvence Larmorovy precese s jakou
vektor magnetickeacuteho momentu rotuje ve vnějšiacutem poli je u elektronů ktereacute jsou přiacutečinou magnetismu
u feromagnetik až v řaacutedech GHzT Tiacutem paacutedem by musel mechanickyacute systeacutem v pracujiacuteciacute v rezonanci
s precesniacute frekvenciacute momentu hybnosti kmitat či rotovat teacutež v řaacutedech GHz nebo v jisteacutem poměru k
prvniacute harmonickeacute teacuteto frekvence
25
6 Nekonvenčniacute elektrickeacute stroje
Podle autorů elektrickyacutem motorů jsou motory založeneacute na jistyacutech principech schopny pracovat s
uacutečinnostiacute překračujiacuteciacute 100 Ve čtvrteacute kapitole hovořiacuteciacute o vakuu je popsaacuten Casimirův jev jako
důsledek narušeniacute symetrie prostorovyacutech fluktuaciacute elektromagnetickyacutech poliacute vakua mezi dvěma
kovovyacutemi deskami Vezmeme-li v uacutevahu teorii o prostoru vyplněneacutem vznikajiacuteciacutemi a zanikajiacuteciacutemi
virtuaacutelniacutemi čaacutesticemi nabiacuteziacute se otaacutezka Je možneacute zkonstruovat systeacutem kteryacute by energii projevujiacuteciacute se
jako fluktuace elektromagnetickyacutech poliacute vakua proměnil na užitečnou elektrickou či mechanickou
energii v takoveacute měřiacutetku aby byl schopnyacute napaacutejet elektrickeacute obvody sveacuteho řiacutezeniacute popř dodaacutevat
vyacutekon do vnějšiacute zaacutetěže Ze znalosti termodynamickyacutech zaacutekonů jasně vypliacutevaacute možnost využitiacute
teplotniacuteho rozdiacutelu dvou prostřediacute k ziacuteskaacuteniacute užitečneacute energie Tepelnaacute čerpadla jsou toho důkazem
Vzhledem k existenci elektromagnetickeacute energie vakua i při absolutniacute nule je možneacute tuto energii
považovat za vstupniacute energii do systeacutemu zobrazeneacuteho blokově na Obr 61
Obr 61 Blokoveacute scheacutema systeacutemu napaacutejeneacuteho energiiacute odčerpaacutevanou z okolniacuteho prostřediacute
Energie vstupuje do systeacutemu z vnějšiacuteho prostřediacute a sloužiacute pro napaacutejeniacute vnějšiacute zaacutetěže i systeacutemu
samotneacuteho
Systeacutem
Vstup energie do systeacutemu
z okolniacuteho prostřediacute
Vyacutestup využitelneacute
formy energie
Energie potřebnaacute pro řiacutezeniacute
systeacutemu se z vyacutestupu navraciacute
zpětnou vazbou
26
61 Johnsonův motor
V roce 1973 pět let po podaacuteniacute přihlaacutešky byl Howardu Johnsonovi udělen patent US 4151431 na
motor s permanentniacutemi magnety V roce 1995 pak patent US 5402021 popisujiacuteciacute magnetickyacute
pohonnyacute systeacutem založenyacute na obdobneacutem principu Oba tyto systeacutemy uacutedajně využiacutevajiacute ke konaacuteniacute praacutece
pouze siacutely permanentniacutech magnetů Ačkoli dnešniacute věda zavrhuje využitiacute vnějšiacutech projevů
subatomaacuterniacuteho pohybu čaacutestic hmoty permanentniacutech magnetů ke konaacuteniacute nepřetržiteacute praacutece v systeacutemu
Johnson uacutedajně připouštiacute že přesně neviacute odkud se energie kterou čerpaacute bere Ale domniacutevaacute se že
může miacutet souvislost s rotaciacute elektronů možnaacute dokonce souvisiacute s dosud nepojmenovanou čaacutesticiacute
V roce 1980 vyšel v dnes již zanikleacutem časopisu Science and Mechanics člaacutenek o Johnsonově motoru
popisujiacuteciacute vzaacutejemneacute interakce mezi magnety rotoru a statoru
Konstrukčniacute uspořaacutedaacuteniacute Johnsonova motoru
Obr 62 Čelniacute pohled do Johnsonova motoru Stator maacute po obvodu rozmiacutestěny tři obloukoviteacute
magnety Rotoroveacute magnety jsou vzaacutejemně odděleny vzduchovyacutemi mezerami [16]
Z Předniacuteho pohledu do motoru na Obr 62 jsou vidět tři obloukoviteacute permanentniacute magnety statoru
pravidelně rozmiacutestěneacute kolem rotoru
Obr 63 Z bočniacuteho pohledu do motoru je patrnaacute šroubovitaacute hřiacutedel kteraacute sloužiacuteciacute k zabrzděniacute stroje
[16]
27
Obr 64 Horniacute pohled na dva obloukoviteacute statoroveacute magnety navzaacutejem posunuteacute a překryacutevajiacuteciacute
magnety rotoru [16]
Obr 65 Průběhy změny indukce během změny polohy jižniacuteho a severniacuteho poacutelu magnetu statoru vůči
rotorovyacutem magnetům
Obr 66 Naznačeniacute pohybu obloukovyacutech magnetů rotoru nad statorovyacutemi magnety
Popis principu
Obr 66 ukazuje některeacute zaacutekladniacute vztahy Plneacute čaacutery představujiacute přitažliveacute siacutely přerušovaneacute čaacutery
představujiacute odpuzovaacuteniacute a dvojiteacute čaacutery v obou přiacutepadech znaacutezorňujiacute dominantniacute siacutely
Na Obr 66 je obloukově zakřivenyacute permanentniacute magnet ve třech po sobě naacutesledujiacuteciacutech polohaacutech nad
pevnyacutemi statorovyacutemi magnety Obr 66 poskytuje alespoň velmi zjednodušenyacute pohled do teorie
28
pohonu pomociacute permanentniacutech magnetů Johnson řiacutekaacute že zakřiveneacute magnety s ostryacutemi konci jsou
důležiteacute protože koncentrujiacute magnetickou energii mnohem uacutečinněji než magnety s tupyacutemi konci Tyto
obloukoviteacute magnety jsou o něco delšiacute než je deacutelka dvou magnetů statoru včetně mezery mezi nimi V
Johnsonově konstrukci jsou dlouheacute
palce
Všechny statoroveacute magnety majiacute severniacute poacutel nahoře a spočiacutevajiacute na podložce vyrobeneacute z materiaacutelu s
vysokou permeabilitou kteraacute pomaacutehaacute koncentrovat silovaacute pole Optimaacutelniacute mezera mezi konci
rotorovyacutech magnetů a statorem je kolem
palce
Když se severniacute poacutel magnetu rotoru nachaacuteziacute nad statorovyacutem magnetem je jiacutem odpuzovaacuten a je ke
statoru přitahovaacuten když prochaacuteziacute nad mezerou mezi statorovyacutemi magnety Přesně opačneacute siacutely působiacute
u jižniacuteho poacutelu rotoroveacuteho magnetu Je přitahovaacuten když prochaacuteziacute nad statorovyacutem magnetem a je
odpuzovaacuten když se nachaacuteziacute nad mezerou
Předniacute poacutel N rotoru je odpuzovaacuten severniacutemi poacutely dvou přilehlyacutech magnetů Ale v zobrazeneacute poloze
magnetu rotoru tyto dvě odpudiveacute siacutely (ktereacute zřejmě působiacute proti sobě) nejsou totožneacute většiacute z obou sil
(dvojitaacute přerušovanaacute čaacutera) překonaacutevaacute druhou siacutelu a taacutehne rotor doleva Tento pohyb vlevo je zrychlen
přitažlivou silou mezi severniacutem poacutelem rotoru a jižniacutem poacutelem v mezeře mezi statorovyacutemi magnety
Současně na druheacutem konci (S) rotoroveacuteho magnetu Deacutelka tohoto magnetu je cca
palce a je
zvolena s ohledem na velikost paacuteru statorovyacutech magnetů a mezery mezi nimi aby přiacutetažliveacute a
odpudiveacute siacutely taacutehly magnety rotoru doleva V tomto přiacutepadě je poacutel S přitahovaacuten severniacutemi poacutely
přilehlyacutech statorovyacutech magnetů ale z důvodu rozměrů rotoroveacuteho magnetu je rotor silněji tažen
doleva (dvojitaacute plnaacute čaacutera) Takeacute zde je s vyacutehodou využito siloveacute působeniacute mezi koncem rotoroveacuteho
magnetu a mezerou mezi magnety statoru V tomto přiacutepadě majiacute oba poacutely stejnou polaritu (S) proto se
vzaacutejemně odpuzujiacute
Je nutneacute dodržet spraacutevnou deacutelku magnetů rotoru Jestliže jsou buď přiacuteliš dlouheacute nebo přiacuteliš kraacutetkeacute
mohou dosaacutehnout nežaacutedouciacute rovnovaacutehy kteraacute znamenaacute konec pohybu Ciacutelem je optimalizovat
všechny siacutely tak aby bylo dosaženo maximaacutelniacute nerovnovaacutehy ale vždy stejnyacutem směrem Když se rotor
otočiacute o 180 stupňů a dostane se na opačnyacute konec draacutehy bude se chovat stejnyacutem způsobem až na to že
se v tomto přiacutekladu bude pohybovat zleva doprava Takeacute musiacuteme poznamenat že jakmile je rotor v
pohybu maacute moment kteryacute pomůže dostat rotorovyacute magnet do sfeacutery vlivu dalšiacuteho paacuteru magnetů
statoru kde ziacuteskaacute dalšiacute moment [25]
29
62 Adamsův motor generaacutetor
Podle informačniacuteho zdroje [26] byl vynaacutelez Roberta Adamse viacutece než 20 let držen v tajnosti Jeho
autorovi bylo vyhrožovaacuteno smrtiacute v přiacutepadě že bude šiacuteřit informace tyacutekajiacuteciacute se principů na nichž jeho
motorgeneraacutetor pracuje Informace byly po letech zveřejněny internetoveacutem magaziacutenu Nexus
Adams ke sveacutemu stroji vytvořil publikaci The Adams pulsed motor generator manual ve ktereacute uvaacutediacute
naacutesledujiacuteciacute obraacutezkoveacute ilustrace Autor v něm teacutež předklaacutedaacute grafy naměřenyacutech průběhů napětiacute pro
různeacute režimy stroje
Robert Adams tvrdiacute Naacuteš vesmiacuter je moře volneacute čisteacute energie A čekaacute jen na to abychom ji začali
využiacutevat
Vlastnosti a vyacutehody Adamsova motor generaacutetoru uvedeneacute Robertem Adamsem
1) Překonaacutevaacute zpětnou elektromotorickou siacutelu kteraacute je probleacutemem všech konvenčniacutech strojů
2) Střiacutedavě zapřahuje ZES tedy zanikajiacuteciacute magnetickeacute pole čiacutemž zvyšuje moment a snižuje
přiacutekon
3) V režimu motorgeneraacutetoru nevyžaduje k vyacuterobě elektrickeacuteho vyacutestupniacuteho vyacutekonu
oddělenyacute motor
4) Pro běh stroje a vyacuterobu vyacutestupniacuteho vyacutekonu využiacutevaacute jedinyacute rotor
5) Všechny poacutely rotoru majiacute stejnou polaritu
6) Statoroveacute hnaciacute vinutiacute a poacutely jsou menšiacutech rozměrů
7) Velikost vzduchoveacute mezery neniacute kritickaacute
8) Nevyžaduje chladiacuteciacute ventilaacutetor
9) Stroj nevyžaduje konstantniacute vstupniacute proud
10) Naacutevrh stroje je naacutesledujiacuteciacute
a) Energie je vede zpět do baterioveacuteho zdroje
b) Magnetickyacute zpětnyacute tah je prakticky nulovyacute
c) Teplota při plneacutem zatiacuteženiacute je polovičniacute ve srovnaacuteniacute s jakyacutemkoliv konvenčniacutem strojem
d) S ohledem na způsob mechanickeacuteho spiacutenaacuteniacute kteryacute zajišťuje zužujiacuteciacute se hvězda
kontaktniacuteho disku je možneacute měnit střiacutedu impulzů
11) V režimu vysokeacute uacutečinnosti stroj čerpaacute energii z prostoru
12) Čiacutem nižšiacute rychlostiacute se otaacutečiacute tiacutem dosahuje vyššiacute uacutečinnosti a krouticiacuteho momentu na rozdiacutel
od konvenčniacutech strojů
13) V rezonančniacutem režimu nejsou přiacutetomny jaloveacute ztraacutety a stroj vykazuje konstantniacute vyacutekon a
moment
14) Jelikož se směr energie ze zdroje neměniacute nejsou přiacutetomny ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy a
hystereziacute
15) Stroj se ve všech pracovniacutech režimech saacutem chraacuteniacute před některyacutemi nepřiacuteznivyacutemi situacemi
ktereacute v jinyacutech přiacutepadech vyžadujiacute doplňujiacuteciacute zařiacutezeniacute
16) Vysokeacute otaacutečky nejsou nutneacute čiacutemž odpadajiacute probleacutemy s nimi spojeneacute
17) Stroj je možneacute elektricky zatiacutežit a počiacutetat s naacuteslednyacutem naacuterůstem vyacutestupniacute energie od 50
přes 100 a to bez přetiacuteženiacute nebo naacuterůstu teploty nad normaacutelniacute pracovniacute teplotu
30
18) Stroj je saacutem o sobě obdivuhodně jednoduchyacute a nevyžaduje draheacute obvody pro řiacutezeniacute
rychlosti [26]
Popis zaacutekladniacute konstrukce
Adamsův motor-generaacutetor je elektrickyacute stroj s permanentniacutemi magnety radiaacutelně uloženyacutemi v rotoru
Stroj je uacutedajně možneacute zkonstruovat v různyacutech konfiguraciacutech podle toho zda požadujeme vyacutestupniacute
vyacutekon spiacuteše elektrickyacute nebo mechanickyacute
Zaacutekladniacute konfigurace stroje určenaacute pro vyacutestup elektrickeacuteho vyacutekonu ze stroje obsahuje tři druhy
statorovyacutech magnetickyacutech poacutelů vhodně rozmiacutestěnyacutech kolem rotoru s permanentniacutemi magnety
1 Permanentniacute magnety rotoru jsou všechny polarizovaacuteny ve stejneacutem směru Tok
magnetickeacute indukce všech vystupuje buď ven nebo dovnitř směrem ke hřiacutedeli
Obr 67 Magnety jsou pro zvyacutešeniacute vyacutekonu stroje uloženy v několika rotorovyacutech sekciacutech
2 Řiacutediacuteciacute poacutely jsou napaacutejeny pulzně v zaacutevislosti na poloze rotoru vůči statoru a to skrze
mechanickyacute komutaacutetor Ciacutevky jsou navinuty na jaacutedra ze kteryacutech vystupuje magnetickyacute tok
v opačneacutem směru oproti toku permanentniacutech magnetů v rotoru Rotor se pohybuje jelikož je
odpuzovaacuten těmito silovyacutemi uacutečinky
Obr 68 Pulzně buzeneacute ciacutevky
31
3 Zpětnovazebniacute poacutely jsou navinuty na magnetickyacutech jaacutedrech a jsou napaacutejeny elektrickou
energiiacute kteraacute se zpětně indukuje do elektrickeacuteho obvodu řiacutediacuteciacutech ciacutevek v důsledku prudkeacuteho
přerušeniacute dodaacutevky proudu Magnetickeacute pole v prostoru vzduchoveacute mezery a rozptylovyacutech
drahaacutech se snažiacute zaacuteniku proudu zabraacutenit čiacutemž vznikaacute prudkyacute energetickyacute skok
Obr 69 Zpětnovazebniacute ciacutevky
4 Generaacutetorickeacute poacutely generujiacute proud do připojeneacute zaacutetěže
Obr 610 Zpětnovazebniacute ciacutevky
5 Permanentniacute poacutely statoru jsou tvořeny feritovyacutemi magnety rozmiacutestěny po obvodu rotoru podle
konfigurace na Obr611a majiacute za uacutečel zvyacutešit mechanickyacute moment rotoru
32
Obr 611 Rozmiacutestěniacute permanentniacutech magnetů po obvodu statoru
Na Obr 612 je princip spiacutenaacuteniacute proudu do ciacutevek statoru řešenyacute prostřednictviacutem mechanickeacuteho
komutaacutetoru ve tvaru čtyřciacutepeacute hvězdy Při otaacutečeniacute dochaacuteziacute v jistyacutech polohaacutech ke spojeniacute kontaktů
dosedajiacuteciacutech na komutaacutetor a proud tekouciacute ciacutevkami v nich vybudiacute magnetickyacute indukčniacute tok kteryacute
svyacutemi uacutečinky odpuzuje permanentniacute magnety v rotoru Na obraacutezku je naznačen princip motoru a
způsob měřeniacute otepleniacute jaacutedra při daneacute mechanickeacute zaacutetěži Do jaacutedra je vyvrtaacuten otvor do nějž je
zasunuta teplotniacute sonda Otepleniacute jaacutedra by nemělo překročit 40 degC
Obr 612 Zaacutekladniacute konstrukce Adamsova motoru sloužiacuteciacute pro demonstraci nastaveniacute vhodneacute velikosti
proudu tekouciacuteho do vinutiacute ciacutevek při požadovaneacute mechanickeacute zaacutetěži
33
Obr 613 Vyacutekres Adamsova motor generaacutetoru s osmi permanentniacutemi magnety v rotoru
stejnosměrnyacutemi pulzniacutemi ciacutevkami a generaacutetorovyacutemi ciacutevkami navinutyacutemi na odlišnyacutech magnetickyacutech
jaacutedrech
Robert Adams ve sveacute publikaci uvaacutediacute na Obr 614 zaznamenaacuteny průběhy hodnot napětiacute na bateriiacutech
postupně připojovanyacutech na elektrickyacute vyacutestup stroje Přičemž hodnota napětiacute na vstupniacute napaacutejeciacute baterii
se měniacute jen nepatrně Na zaacutekladě těchto dat uvedenyacutech v Tab 61 Adams stanovuje uacutečinnost motor
generaacutetoru
Obr 614 Baterie na vyacutestupu jsou postupně dobiacutejeny přičemž velikost napětiacute na vstupniacute baterii se
snižuje jen nepatrně
34
Naacutesledujiacuteciacute tabulka shrnuje vyacutesledky naměřeneacute v grafu na Obr 614
Tab 61 Souhrn vyacutesledků naměřenyacutech hodnot napětiacute na vyacutestupniacutech bateriiacutech
Dokonalejšiacute konstrukce Adamsova motor generaacutetoru
Konstrukce zde popisovanaacute je realizovaacutena jako model pro měřeniacute uacutečinnosti tohoto motoru avšak
s několika podstatnyacutemi konstrukčniacutemi rozdiacutely o nichž se zmiňuji při popisu realizovaneacuteho stroje
Rotor na Obr 615 maacute 7 vyniklyacutech poacutelů rotoru a 8 statorovyacutech jader Je možneacute použiacutet i 6 jader ve
statoru při použitiacute stejneacuteho rotoru Tiacutem však dojde ke sniacuteženiacute uacutečinnost stroje Počet rotorovyacutech a
statorovyacutech poacutelů by neměl byacutet v celočiacuteselneacutem poměru
Obr 615 Konfigurace se 6 poacutely statoru a 7 poacutely rotoru Magnetizačniacute vinutiacute protějšiacutech poacutelů
statoru jsou spojena do seacuterie
Popis principu činnosti během otaacutečeniacute rotou
Na Obr 616 (a) je poacutel rotoru R1 přesně mezi statorovyacutemi poacuteli S1 a S2 a představme si že směřuje k S2
a je jiacutem přitahovaacuten až do chviacutele kdy je v pozici na obr (c) Nyniacute je zarovnaacuten s jaacutedrem statoru jehož
vinutiacutem začne proteacutekat proud kteryacute maacute takovou polaritu aby došlo k odpuzovaacuteniacute rotoroveacuteho poacutelu ze
zarovnaneacute pozice Tiacutem paacutedem je vlivem siloveacute interakce magnetickyacutech polyacute rotoru urychlovaacutem a
proud teče do statoroveacuteho vinutiacute až do chviacutele kdy je vpozici na obr (e) Nyniacute je protějšiacute statororoveacute
jaacutedro zarovnaacuteno s rotorovyacutem poacutelem
Baterie č
(vyacutestup)
Počaacutetečniacute
napětiacute
baterie
[V]
Doba běhu
stroje [h]
Konečneacute
napětiacute baterie
[V]
Naacuterůst
napětiacute
baterie oproti
počaacutetečniacute
hodnotě 102 V
[V]
Uacutečinnost []
1 102 33 1142 122 610
2 1172 15 1184 162 810
3 114 66 1201 181 905
35
Podiacutevejme se co se během toho děje na protějšiacute straně rotoru
Rotorovyacute poacutel R4 na obr (a) je praacutevě zarovnaacutem se statorovyacutem jaacutedrem S5 Tudiacutež je do vinutiacute tohoto
jaacutedra S5 přiveden proud jehož uacutečinky jsou i vtomto přiacutepadě vyvolajiacute odpuzovaacuteniacute poacutelu R4 Proud
vinutiacutem jaacutesdra S5 proteacutekaacute do chviacutele na obr(c) kdy dojde k demagnetizaci statoroveacuteho jaacutedra S2
Obr 617 Vzaacutejemeacute polohy rotoru vůči statorovyacutem poacutelům pro popis principu
Rotor je roztaacutečen těmito silovyacutemi přiacutespěvky
a) Rotorovyacute poacutel je přitahovaacuten ke statorovyacutem magnetickyacutem jaacutedrům vlivem projevu magnetickyacutech
sil permanentniacutech magnetů prostupujiacuteciacutech vzduchovou mezeru a uzaviacuterajiacuteciacutech se přes jaacutedra
statoru
b) Rotor je po zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru se statorovyacutem daacutele roztaacutečen vlivem odpudivyacutech
sil mezi poacutely rotoru a řiacutediacuteciacutemi poacutely statoru Vinutiacute řiacutediacuteciacutech poacutelů je napaacutejeno elektrickyacutemi
impulzy v zaacutevislosti na poloze rotoru vůči statoru Intenzita magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute
mezeře je nejvyššiacute při zarovnaacuteniacute poacutelů statoru a rotoru
Na Obr je pohled do vnitřniacute struktury magnetickeacuteho obvodu popisovaneacuteho stroje
12 podeacutelneacute magnetickeacute poacutely statoru s vysokou permeabilitou
13 rotoroveacute sekce s vyniklyacutemi poacutely
14 hřiacutedel
15 permanentniacute magnety uloženeacute ve středoveacutem pouzdru
16 otvor pro permanentniacute magnety
17 Disk sloužiacuteciacute jako pouzdro magnetů
Obr 618 Pohled na do struktury rotoru
36
Dalšiacutemi motory ktereacute uacutedajně pracujiacute s vysokou jsou Bediniho motor Takahasiho motor a Kawaiův
motor
63 Systeacutem pro přeměnu energie elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute na
elektrickou energii
Americkyacute patent č 5590031 podanyacute 24 července 1994 Franklinem B Meadem a Jackem
Nachamkinem popisuje zařiacutezeniacute přeměňujiacuteciacute vysokofrekvenčniacute elektromagnetickou energii
vakuovyacutech fluktuaciacute vznikajiacuteciacutech jako projev virtuaacutelniacutech čaacutestic teacutež označovanou pojmem bdquozero point
energyldquo na užitečnou elektrickou energii Pojem zero point energy neboli energie nuloveacuteho bodu byl
zaveden vzhledem k faktu že i při teplotě absolutniacute nule (0 K = -27315 degC) vakuum obsahuje energii
fluktuaciacute elektromagnetickyacute poliacute jako důsledek projevů vznikajiacuteciacutech a zanikajiacuteciacutech virtuaacutelniacutech čaacutestic
Na Obr 619 je znaacutezorněn princip zařiacutezeniacute Čiacuteslo 216 symbolizuje vysokofrekvenčniacute
elektromagnetickeacute zaacuteřeniacute Pomociacute litografickeacute technologie jsou vytvořeny dielektrickeacute struktury
(212) a (214) tvaru koule polokoule či disku Tyto struktury jsou velice maleacute a jejich velikost musiacute
byacutet v přiacutemeacutem poměru k vlnoveacute deacutelce elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute Struktury jsou připevněny na
zaacutekladoveacutem substraacutetu (236) a rozloženy do pole (238) Tyto struktury se vlivem působeniacute
elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute pohybujiacute s mnohem menšiacute frekvenciacute než jakou maacute elektromagnetickeacute
zaacuteřeniacute ktereacute jejich pohyb vyvolalo Naacutesledkem pohybu se v anteacuteně (222) indukuje elektrickaacute energie o
využitelneacute frekvenci Jednotliveacute anteacuteny mohou miacutet tvar smyčky nebo mohou byacutet dipoacuteloveacute
Indukovanyacute proud je naacutesledně veden vodiči (226) nebo vlnovodem do primaacuterniacuteho obvodu (228)
transformaacutetoru (232) Kondenzaacutetor (230) sloužiacute pro vyladěniacute rezonančniacuteho obvodu V sekundaacuterniacutem
obvodu je střiacutedavyacute proud usměrněn diodou (234)[17]
Obr 619 Scheacutema zařiacutezeniacute pro přeměnu vysokofrekvenčniacute elektromagnetickeacute energie na využitelnou
formu elektrickeacute energie [14]
37
7 Feromagnetickeacute materiaacutely
Tvar hysterezniacute smyčky magnetickeacuteho materiaacutelu zaacutevisiacute na chemickeacutem složeniacute feromagnetika a na jeho
tepelneacutem zpracovaacuteniacute Z analogie s mechanickou tvrdostiacute rozlišujeme magneticky měkkaacute
feromagnetika kteraacute dobře vedou magnetickyacute tok a tvrdaacute feromagnetika z nichž se vyraacutebiacute
permanentniacute magnety Na Obr71 je naacutezorneacute rozděleniacute magneticky měkkyacutech polotvrdyacutech a tvrdyacutech
materiaacutelů
Obr 71 Rozděleniacute magnetickyacutech materiaacutelů na měkkeacute polotvrdeacute a tvrdeacute
71 Magneticky měkkaacute feromagnetika
Pro vedeneacute magnetickeacuteho toku v magnetickeacutem obvodu motoru je využito měkkyacutech feromagnetik jež
se vyznačujiacute strmou magnetizačniacute křivkou a uacutezkou hysterezniacute smyčkou Majiacute vysokou počaacutetečniacute
a maximaacutelniacute permeabilitu a malou koercivitu Hclt103
Am Často lze hysterezi zanedbat a je možneacute
uvažovat pouze s magnetizačniacute křivkou1
Na trhu s magnetickyacutemi materiaacutely figuruje řada vyacuterobců a distributorů Naacutesledujiacuteciacute z nich jsem
oslovil s prosbou o poskytnutiacute vzorků magnetickyacutech jader pro měřeniacute magnetickyacutech vlastnostiacute
1 aplik
38
711 Vyacuterobci měkkyacutech feromagnetickyacutech materiaacutelů
a) Firma Therma FM
Firma Therma FM vyraacutebiacute magnetickeacute obvody z anizotropniacutech plechů a nabiacuteziacute i izotropniacute
dynamoplechy Materiaacutely pro vyacuterobu jader firma odebiacuteraacute od společnosti ThyssenKrupp
Jaacutedra pro jednofaacutezoveacute transformaacutetory jsem použil jako statoroveacute jaacutedra realizovaneacuteho motoru
Při vyacuterobě naviacutejeno na obdeacutelniacutekoveacute kopyto o rozměrech odpoviacutedajiacuteciacutech požadovaneacute velikosti okna pro
primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Jaacutedro je po navinutiacute z transformaacutetoroveacuteho plechu rozřiacuteznuto na dvě
poloviny jedna z nich je na Obr Xx Po rozřiacuteznutiacute jaacutedra je možneacute nasunout vinutiacute
Obr 72 Fotografie jedneacute poloviny jaacutedra pro jednofaacutezoveacute transformaacutetory
Magnetickeacute vlastnosti jaacutedra vyrobeneacuteho z materiaacutelu M150-30S jsou uvedeny v Tab71
Tab 71 Magnetickeacute vlastnosti jaacutedra stanoveneacute normou EN 10107
Norma Tloušťka
Max ztraacuteta v
jaacutedře při 15 T
[Wkg]
Maximaacutelniacute ztraacuteta
v jaacutedře při 17 T
[Wkg]
Min
J800
Nejmenšiacute
činitel
plněniacute
Typ
EN 10107 mm 50 Hz 50 Hz 60 Hz T PowerCore
M 150-30 S 030 097 150 197 175 0955 C 150-30
Magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelů jakosti M150-30S a M600-50 na Obrxx jsou zrekonstruovaneacute
podle z katalogovyacutech křivek vyacuterobce Thyssen Krupp
39
Obr 73 B-H charakteristiky jader z orientovanyacutech (M150-30S) trafoplechů a
neorientovanyacutechdynamoplechů M600-50
0
05
1
15
2
25
0 250 500 750 1 000 1 250 1 500 1 750 2 000
B [T]
H [Am]
Magnetizačniacute charakteristiky
M150-30S
M600-50
40
b) Firma Vacuumschmelze (VAC)
Tento německyacute vyacuterobce poskytnul dva vzorky toroidniacutech jader s nanokrystalickou strukturou Materiaacutel
je prodaacutevaacuten pod obchodniacutem naacutezvem Vitroperm 500F a vynikaacute velice uacutezkou hysterezniacute smyčkou
vysokou hodnotou magnetickeacute indukce při maleacute koercivitě Zaacutekladniacute složkou Vitropermu je Fe
s přiacuteměsemi Si B Nb a Cu
Tab 72 Magnetickeacute vlastnosti Vitropermu 500F uvedeneacute v katalogu vyacuterobce
Saturačniacute
indukce
Statickaacute
koercivita
Přibližnaacute
rezistivita
Curieho
teplota Permebilita
Měrneacute ztraacutety
(100kHz 03T)
Bs [T] Hc [Am] φ [μΩcm] tc[degC] μi PFe [Wkg]
12 lt3 115 gt600 15000hellip150000 80
Na Obr Xx jsou vyacuterobcem uvedeneacute magnetizačniacute charakteristiky Vitropermu 500F a 250F
v porovnaacuteniacute s typickou charakteristikou feritu
Obr 74 Jaacutedra z Vitropermu 500F dosahujiacute oproti běžneacutemu feritu mnohem vyššiacute magnetickeacute indukce
Je zřejmeacute že cena Vitropermovyacutech jader je oproti feritovyacutem mnohem většiacute a to diacuteky naacuteročneacutemu
vyacuterobniacutemu procesu
Společnost VAC ve sveacutem sortimentu nabiacuteziacute jaacutedra s amorfniacute strukturou s obchodniacutem naacutezvem Vitrovac
Vyraacutebiacute se metodou rychleacuteho tuhnutiacute kdy se na studenyacute buben otaacutečejiacuteciacute se rychlostiacute 100kmh vleacutevaacute
skrze keramickou trysku směs materiaacutelů roztavenaacute na teplotu okolo 1300degC a prudce se ochlazuje
(1000000 Ks) na meacuteně než 400degC v 1ms Tiacutem vznikaacute paacuteska tloušťky 20 μm s amorfniacute strukturou
Na Obr 77 je pro představu vyobrazenaacute krystalickaacute amorfniacute a nanokrystalickaacute struktura materiaacutelu
41
Obr 75 Detail na krystalickou strukturu (vlevo) amorfniacute a nanokrystalickou strukturu (vpravo)
Mezi dalšiacute materiaacutely ktereacute VAC nabiacuteziacute patřiacute materiaacutely pro elektrickeacute stroje a zařiacutezeniacute kde je
požadovaacutena vysokaacute hodnota indukce Tyto materiaacutely jsou znaacutemi pod obchodniacutemi naacutezvy Ultraperm
Vacoperm Mumetall Permax Permenorm Megaperm Trafoperm Vacoflux Vacofer a Vacodur
Pro srovnaacuteniacute jsou na Obrxx magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelů Vacoflux 50 Vacoflux 17 a Fe a
Fe 3 přiacuteměsiacute Si
Obr 76 Statickeacute magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelu Vacoflux 50 a Vcoflux 17 dosahuiacute vyšiacute
hodnoty magnetickeacute indukce nasyceniacute než běžnaacute křemiacutekovaacute ocel s obsahem 3 křemiacuteku a Fe 999
42
c) Firma Magnetics
Společnost Magnetics vyraacutebiacute jaacutedra lisovaacuteniacutem prachovyacutech přiacuteměsiacute se zaacutekladniacute složkou Na trhu jsou
znaacutemy pod označeniacutem High Flux MPP (Magnetics Molypermalloy Powder) Kool Mμ a Xflux
1 Jaacutedra High Flux jsou složena ze 79 Ni 17 Fe a 4 Mo Majiacute nejnižšiacute měrneacute ztraacutety ze
všech prchovyacutech jader
2 Jaacutedra MMP obsahujiacute 81 NI 17 Fe a 2 Mo Majiacute vynikajiacuteciacute vlastnosti jakyacutemi jsou
vysokaacute rezistivita niacutezkeacute hysterezniacute ztraacutety a ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy Z všch jader majiacute největšiacute
permeabilitu tiacutem paacutedem i vyššiacute hodnotu saturace
3 Jaacutedra Kool Mμ jsou vyrobena lisovaacuteniacutem prachu železnyacutech slitin a vykazujiacute nejmenšiacute
magnetostrikci
4 Jaacutedra XFlux obsahujiacute prach Fe s přiacuteměsiacute 65 Si Jsou vhodnaacute pro niacutezkofrekvenčniacute a
středofrekvenčniacute tlumivky
Tab 73 Magnetickeacute vlastnosti jader společnosti Magnetics katalogu vyacuterobce
Materiaacutel High Flux MMP Kool Mμ XFlux
Permeabilita 14-160 14-555 26-125 60
(Bs) [T] 15 075 105 16
Jaacutedra žeelezoprachovaacute byacutevajiacute teacutež označovanaacute jako železovaacute jaacutedra a jsou vyraacuteběna lisovaacuteniacutem
izolovaneacuteho praacutešku z magneticky měkkeacuteho materiaacutelu s niacutezkou koercitivniacute silou a vysokou
permeabilitou V současneacute době z tohoto materiaacutelu vyraacutebějiacute jaacutedra kromě firmy Magnetics jen někteřiacute
vyacuterobci a to předevšiacutem vaacutelcovaacute ladiacuteciacute jaacutedra pro laděniacute feritovyacutech hrniacutečkovyacutech jader a kruhovaacute jaacutedra
pro odrušovaciacute ciacutevky a filtračniacute tlumivky měničů napětiacute Zvyšovaacuteniacute objemu izolačniacute laacutetky vede ke
snižovaacuteniacute permeability jader a změně teplotniacute zaacutevislosti samotneacuteho magnetickeacuteho materiaacutelu jaacutedra a
roztažnostiacute jeho jednotlivyacutech složek Volbou směsi magnetickyacutech prachů je možneacute předem definovat
teplotniacute činitel permeability kteryacute může nabyacutevat klasnyacutech zaacutepornyacutech popř i nulovyacutech hodnot
Průmyslově se vyraacutebějiacute jaacutedra z jemnyacutech magnetickyacutech prachů s odstupňovanou permeabilitou
v rozsahu = 7 až 550 Jaacutedra toroidniacute s permeabilitou 7 až 150 se použiacutevajiacute v laděnyacutech obvodech
filtrů pro odrušovaciacute tlumivky jaacutedra s permeabilitou 90 až 550 v napaacutejeciacutech spiacutenaciacutech zdrojiacutech
Vysokeacute permeability je dosaženo materiaacutelovyacutem složeniacute magnetickyacutech prachů a změnou velikosti zrn
Čiacutem většiacute jsou prachovaacute zrna tiacutem vyššiacute je permeabilita diacuteky zvyacutešeniacute poměru magnetickeacuteho materiaacutelu
vůči izolačniacute laacutetce
43
72 Magneticky tvrdaacute feromagnetika
Magneticky tvrdeacute feromagnetickeacute materiaacutely majiacute magnetizačniacute křivku s malou strmostiacute a širokou
hysterezniacute smyčku Vykazujiacute poměrně malou permeabilitu a velkou koercivitu Hclt25middot103
Am
Použiacutevajiacute se pro permanentniacute magnety Vyacutevoj v oblasti těchto materiaacutelů nechal vzniknout celeacute řadě
magnetů odlišujiacuteciacutemi se magnetickyacutemi vlastnostmi konduktivitou mechanickyacutemi vlastnostmi a
ekonomickyacutemi parametry Tvrdaacute feromagnetika lze rozdělit naacutesledovně
a) Uhliacutekoveacute oceli ndash s obsahem 15 uhliacuteku Daacutele byly zdokonaleny legovaacuteniacutem wolframem
chromem a kobaltem a zakaleniacutem na martenzitickou strukturu Naacutesledně byly vyrobeny
mnohem vyacutehodnějšiacute slitiny železa niklu a hliniacuteku (Al-Ni) přiacutepadně kobaltu (Al-Ni-Co)
mědi či titanu Nevyacutehodou slitin Al-Ni a Al-Ni-Co je značnaacute mechanickaacute tvrdost křehkost a
tiacutem paacutedem i obtiacutežnaacute opracovatelnost
b) Tvrdeacute ferity ndash např barioveacute (BaFe12O19) nebo stroncioveacute (SrFe12O19) ferity s obsahem
přibližně 80 železa a asi 20 oxidu baria BaO nebo stroncia SrO Mohou byacutet izotropniacute a
anizotropniacute Niacutezkaacute cena a spolehlivost předurčuje tyto materiaacutely pro užitiacute v automatizačniacute
řiacutediacuteciacute a měřiciacute technice
c) Magnety ze vzaacutecnyacutech zemin ndash složeniacute na baacutezi samarium-kobalt (SmCo5 a Sm2Co17) nebo na
baacutezi neodym-železo-boacuter (Nd2Fe14B) Vyraacutebiacute se procesy praacuteškoveacute metalurgie lisovaacuteniacutem
v magnetickeacutem poli s naacuteslednyacutem speacutekaacuteniacutem Patřiacute k nejvyacutekonnějšiacutem permanentniacutem
magnetům Použiacutevajiacute se v silnoproudeacute počiacutetačoveacute a řiacutediacuteciacute technice a u elektroakustickyacutech
zařiacutezeniacute
d) Plastoveacute magnety ndash jsou vyraacuteběny ve formě plastoveacute nemagnetickeacute matrice v niacutež je plnidlem
jemnyacute praacutešek z vhodnyacutech slitin (alni alnico tvrdeacute ferity či materiaacutely na baacutezi vzaacutecnyacutech zemin)
Mohou byacutet izotropniacute nebo anizotropniacute Vyraacutebiacute se lisovaacuteniacutem nebo slinovaacuteniacutem při vysokeacute
teplotě do libovolneacuteho tvaru Použiacutevajiacute se v slaboproudeacute technice
Obr 77 Srovnaacuteniacute demagnetizačniacutech charakteristik permanentniacutech magnetů
44
73 Měřeniacute hysterezniacutech charakteristik vzorků magnetickyacutech jader
Pro měřeniacute hysterezniacutech charakteristik byl použit systeacutem Remacomp-C2
Přiacuteprava vzorků magnetickyacutech jader pro měřeniacute na systeacutemu Remacom-C2
Na jaacutedra bylo před měřeniacutem navinuto primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Mezi primaacuterniacutem a sekundaacuterniacutem
vinutiacute byl proveden izolačniacute proklad lepiciacute paacuteskou Průměr vodiče a počet zaacutevitů v primaacuterniacutem (N1) a
sekundaacuterniacutem (N2) vinutiacute je uveden v Tab Na Obr jsou již vzorky připraveny pro měřeniacute
Tab 74 Bližšiacute specifikace rozměrů počet zaacutevitů vinutiacute a průměr vodičů
Vyacuterobce Therma FM Vacuumschmelze Magnetics
Jaacutedro C150-30S Vitroperm 500F KoolMμ
Tvar Obdeacutelniacutekoveacute Toroid Toroid
Vnějšiacute průměr [mm] 64x36 323 274
Vnitřniacute průměr mm] 55x16 178 145
Vyacuteška mm] 13 122 117
N2 [z] 47 53 41
N2 [z] 47 53 41
Průměr vodiče [mm] 075 05 05
Měřeniacute je provedeno při frekvenciacutech 50Hz a 300Hz a maximaacutelniacute intenzitě 250 Am u jader
M150-30S a Vitropermu 500F Materiaacutel KoolMμ byl měřen při maximaacutelniacute intenzitě 5950 Am
z důvodů zachyceniacute maximaacutelniacute hodnoty indukce tohoto jaacutedra Na Obr71 až 715 jsou pro
srovnaacuteniacute hysterezniacute uvedeny charakteristiky měřenyacutech materiaacutelů
Obr 78 Vzorky jader připraveneacute na měřeniacute hysterezniacutech charakteristik Vlevo M150-30S uprostřed
Vitroperm 500F a vpravo KoolMμ
45
Obr 79 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
Obr 710 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=250 Am Bmax=157 T
Obr 711 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=250 Am Bmax=153 T
Při frekvenci 300Hz došlo k nepatrneacutemu sniacuteženiacute hodnoty Bmax oproti 50 Hz Intenzita Hc se
ztrojnaacutesobila
Remacomp-C2 nebyl schopen naměřit hysterezniacute smyčku Vitropermu 500F na Obr zcela bezchybně
46
Obr 712 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z Vitropermu 500F měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=279 Am při 50Hz vykazuje odskoky od skutečneacuteho průběhu
Obr 713 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z Vitropermu 500F měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě
intenzity magnetickeacuteho pole Hmax=279 Am při 300 Hz takeacute vykazuje odskoky od skutečneacuteho průběhu
Při změně frekvence z 50 Hz na 300Hz došlo k naacuterůstu koercitivity o pohyacutech 07 Am Materiaacutel
vykazuje velice malou hodnotu remanentniacute indukce pro obě frekvence
47
Obr 714 Hysterezniacute smyčka jaacutedra Kool Mμ změřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity magnetickeacuteho
pole Hmax=5950 Am při 50 Hz
Obr 715 Hysterezniacute smyčka jaacutedra Kool Mμ změřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity magnetickeacuteho
pole Hmax=5950 Am při 300 Hz
48
731 Vyhodnoceniacute naměřenyacutech vyacutesledků
Nejvyššiacute hodnoty indukce dosahujiacute jaacutedra z plechů M150-30S Koercitivniacute intenzita se u jaacutedra z plechů
M150-30S stejně jako u matriaacutelu KoolMμ při změně frekvence z 50 Hz na 300 Hz ztrojnaacutesobila
Niacutezkaacute cena jader KoolMμ je z hlediska naměřenyacutech veličin odpoviacutedajiacuteciacute Jaacutedra Kool Mμ vykazujiacute
amplitudovou permeabilitu μa pouze 77 Vyacuterobce uvaacutediacute hodnotu μa=125
Nejnižšiacute koercitivniacute intenzita byla naměřena u materiaacutelu Vitroperm 500F Měřeniacute magnetickeacuteho jaacutedra
Vitropermu 500F při 50 Hz prokaacutezalo velice niacutezkou koercitivniacute intenzitu Hc= 1Am kteraacute odpoviacutedaacute
uacutedajům z katalogoveacuteho listu Tento špičkovyacute materiaacutel se použiacutevaacute pro sveacute charakteristickeacute vlastnosti
pro jednofaacutezoveacute a trojfaacutezoveacute magnetickeacute obvody ve spiacutenanyacutech napaacutejeciacutech zdrojiacutech frekvenčniacutech
měničiacutech ale i pro běžneacute tlumivky Struktura tohoto materiaacutelu je velice křehkaacute neboť je navinuta
z 20 μm tenkyacutech vrstev Diacuteky tomu neniacute vhodneacute tato jaacutedra dělit řezaacuteniacutem
49
8 Realizovanyacute Adamsův motor
81 Virtuaacutelniacute model Adamsova motor generaacutetoru a jeho praktickaacute
realizace
Model motoru je vytvořen v programu SolidWorks SolidWorks je mocnyacutem naacutestrojem konstrukteacutera a
nabiacuteziacute snadnou optimalizaci modelu
Po vytvořeniacute jednotlivyacutech diacutelů je možneacute tyto diacutely pomociacute vazeb navzaacutejem svaacutezat a tiacutem daacutet okamžitou
představu o chovaacuteniacute modelu
Při naacutevrhu Adamsova motoru jsem vychaacutezel předevšiacutem z rozměrů magnetickyacutech jader statoroveacute čaacutesti
stroje
811 Stator
a) Jako nosnaacute konstrukce pro jaacutedra statoru uloženiacute ložisek uchyceniacute desky plošnyacutech spojů
optickyacutech senzorů sloužiacute dvě tabule z plexiskla tloušťky 8 mm ktereacute tvořiacute nosnou konstrukci
neboť jsou po obvodu vzaacutejemně spojeny šesti zaacutevitovyacutemi tyčemi o průměru 5 mm Na Obr je
zadniacute nosnaacute tabule plexiskla
Obr 81 Zadniacute nosnaacute deska z plexiskla
Otvor průměru 26 mm nachaacutezejiacuteciacute se uprostřed sloužiacute pro uloženiacute kuličkoveacuteho ložiska Skrze
otvory průměru 51 mm po jeho obvodu prochaacuteziacute šrouby pro přichyceniacute krytů ložiska
Naacutesledujiacute otvory určeneacute pro upevněniacute optickyacutech čidel dřevěneacuteho krytu pro zakrytiacute vodičů
připojenyacutech k vinutiacutem a optickyacutem senzorům Skrze podlouhleacute draacutežky jsou šrouby přitaženy
dřevěneacute držaacuteky statorovyacutech jader Vzhledem ke tvaru draacutežky je zajištěna možnost jejich
50
polohovaacuteniacute vzhledem k rotoru Volnyacute prostor na praveacute straně je určen pro upevněniacute desky
plošnyacutech spojů s elektronickyacutemi součaacutestkami
b) Nosneacute držaacuteky pro jaacutedra statoru jsou použity dřevěneacute špaliacuteky do kteryacutech jsou jaacutedra vlepena
epoxidovou pryskyřiciacute
c) Optočleny TCST 2103 jsou přitaženy k jejich dutyacutem dřevěnyacutem držaacutekům imbusovyacutemi šrouby
průměru 3 mm Skrze dřevěneacute držaacuteky jsou kolmo na směr vyacutevodů optočlenu vyvrtaacuteny otvory
pro zaacutevitoveacute tyče jež spolu s našroubenyacutemi matkami přitahujiacute držaacutek s čidlem jedneacute k zadniacute
desce plexiskla statoroveacute čaacutesti stroje Jistaacute uacuteroveň dotaženiacute matce dovoluje držaacutek s čidlem
nataacutečet a měnit tak okamžik sepnutiacute optočlenu
Obr 82 Optočlen TCST 2103 připevněnyacute k dřevěneacutemu držaacuteku
d) Stejnou vzdaacutelenost mezi dvěma plexiskly statoru zajišťujiacute distančniacute trubice skrze ktereacute
prochaacuteziacute zmiacuteněneacute zaacutevitoveacute tyče spojujiacuteciacute obě zaacutekladoveacute tabule plexiskla Tyto trubice jsou
vyrobeny z kostry stojanu pro sušeniacute praacutedla Z estetickyacutech důvodů je na nich navlečena a
zatavena teplem smršťovaciacute bužiacuterka
Postup vytvořeniacute ciacutevky v SolidWorksu
1 V předniacute rovině skici na Obr je pomociacute os X a Y vytvořen souřadnicovyacute systeacutem potřebnyacute pro
tvorbu zaacutekladniacutech vazeb využityacutech při ryacutesovaacuteniacute
2 Čelniacute pohled na jeden poacutel magnetickeacuteho jaacutedra ve statoru na ktereacute maacute byacutet umiacutestěna jedna
budiacuteciacutech ciacutevek je vytvořen z konstrukčniacutech přiacutemek a okoacutetovaacuten rozměry 13 mm x 11 mm
3 Vnitřniacute rozměry ciacutevky jsou z čelniacuteho pohledu oproti jaacutedru na každeacute straně zvětšeny o 05 mm
tedy o tloušťku foacutelie jež tvořiacute kostřičku ciacutevky a malou vzduchovou mezeru umožňujiacuteciacute volneacute
nasunutiacute ciacutevky na magnetickeacute jaacutedro
4 Poloměr zaobleniacute vnitřniacute čaacutesti kostry ciacutevky je 08 mm
51
Obr 81 Skica naacutevrhu diacutelu
5 Vnějšiacute rozměry ciacutevky jsou daacuteny počtem vrstev zaacutevitů a celkovyacutem činitelem plněniacute ciacutevky
Deset vrstev zaacutevitů vodičem 03 mm spolu s izolačniacute a nosnou kostrou ciacutevky vytvořiacute 4 mm
vysokou vrstvu zaacutevitů v roziacutech zaoblenou se stejně velkyacutem poloměrem 4mm Vnějšiacute a vnitřniacute
zaobleniacute rohů je od rovnyacutech segmentů skici odděleno uacutesečkami čiacutemž je skica dokončena
6 Využitiacutem funkce přidaacuteniacute vytaženiacutem a jejiacute aplikaciacute na jednotliveacute segmenty skici je ciacutevka
symetricky vytažena do prostoru na deacutelku 19 mm Zamiacutetnutiacutem funkce sloučit vyacutesledky při
vytaženiacute jsou všechny segmenty ciacutevky vytvořeny jako samostatneacute objekty čiacutemž odpadaacute
děleniacute modelu v Ansysu
Obr 82 Model ciacutevky
Magnetickaacute jaacutedra použitaacute ve statoru jsou původně určena pro jednofaacutezoveacute jaacutedroveacute transformaacutetory
Jaacutedro transformaacutetoru je při vyacuterobě naviacutejeno na obdeacutelniacutekoveacute kopyto o rozměrech odpoviacutedajiacuteciacutech
požadovaneacute velikosti okna pro primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Jaacutedro je po navinutiacute
z transformaacutetoroveacuteho plechu rozřiacuteznuto na dvě poloviny jak je zřejmeacute z Obr xx čiacutemž je možneacute do
magnetickeacuteho obvodu nasunout primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute
V našem přiacutepadě je pro každeacute magnetickeacute jaacutedro statoru použita pouze jedna polovina zmiacuteněneacuteho
transformaacutetoroveacuteho jaacutedra Okno statoroveacuteho jaacutedra určeneacute pro umiacutestěniacute obou vinutiacute statoru maacute pouze
polovičniacute deacutelku oproti transformaacutetoru a na straně řezu je otevřeno
52
Obr 83 Pohled na uloženiacute vinutiacute
Obě budiacuteciacute ciacutevky jsou nasunuteacute na jednom jaacutedru statoru a jsou totožneacute tj majiacute stejnyacute počet zaacutevitů
vinutyacutech vodičem o stejneacutem průřezu Jsou spojena do seacuterie a spolu s magnetickyacutem jaacutedrem tvořiacute jeden
z osmi statorovyacutech magnetickyacutech obvodů
Na Obr Xx je bližšiacute pohled na rozloženiacute vodičů v průřezu ciacutevkou Každaacute vrstva zaacutevitů ciacutevky obsahuje
63 zaacutevitů v deseti vrstvaacutech
Obr 84 Rozloženiacute zaacutevitů
Počet zaacutevitů v jedneacute ciacutevce je daacuten naacutesobkem počtu zaacutevitů v jedneacute vrstvě a množstviacute vrstev tedy
63x10= 630 zaacutevitů Jelikož jsou obě ciacutevky na magnetickeacutem jaacutedru spojeny do seacuterie celkovyacute počet
zaacutevitů je dvojnaacutesobnyacute tedy 1260 zaacutevitů Protože statorovaacute jaacutedra odděluje od rotoru vzduchovaacute mezera
05 mm jsou obě vinutiacute od konce jaacutedra umiacutestěny ve vzdaacutelenosti 2 mm pro zajištěniacute bezpečneacute
vzdaacutelenosti od otaacutečejiacuteciacuteho se rotoru Naacutesledkem toho se do jedneacute vrstvy ciacutevky vleze menšiacute počet
zaacutevitů bliacuteže zpraženyacutech s magnetickyacutem tokem v jaacutedru
Počet vrstev obou vinutiacute je teacutež omezen a to jednak velikostiacute okna a mezerou 5 mm mezi oběma
vinutiacutemi Tato mezera zajišťuje možnost volneacuteho nasunutiacute vinutiacute na magnetickeacute jaacutedro a umožňuje
lepšiacute odvod tepla do okoliacute
53
Pro dosaženiacute konstantniacute vzduchoveacute mezery mezi vyniklyacutemi poacutely rotoru a jaacutedry ve statoru jsou konce
statorovyacutech jader zbroušeny na poloměr bliacutezkyacute poloměru plechů v rotoru
Kostřička ciacutevky
Pro vyacuterobu kostřiček ciacutevek posloužila plastovaacute folie určenaacute pro krytiacute předniacute strany dokumentu
svaacutezaneacuteho v kroužkoveacute vazbě Po vyřezaacuteniacute a ohnutiacute do požadovaneacuteho tvaru byla a slepena
oboustrannou lepiciacute paacuteskou
Obr 83 Kostřička ciacutevky vyrobenaacute z plastoveacute folie
Naviacutejeniacute ciacutevek
Pro naviacutejeniacute ciacutevek se realizovalo ručniacute naviacuteječkou s mechanickyacutem počiacutetadlem Na Obr84 je vidět že
obě ciacutevky jsou navinuty nepřerušenyacutem vodičem Obě ciacutevky majiacute 630 zaacutevitů
Obr 84 Pro zpevněniacute čel ciacutevek během naviacutejeniacute na plastovou kostřičku posloužily 5mm širokeacute destičky
z pertinaxu Draacutežky v nich vybroušeneacute umožnily zachyceniacute vyacutestupniacuteho vodiče ciacutevky pod navlečenou
gumičku Levaacute destička pertinaxu je odniacutematelnaacute po uvolněniacute dotaženeacuteho šroubu
Hotovaacute ciacutevka navinutaacute na kostřičce z plastoveacute folie je na Obr Po navinutiacute ciacutevky se čela kostřičky
(plastoveacute folie) zahnula přes horniacute vrstvu zaacutevitů a navzaacutejem slepila sekundovyacutem lepidlem
Obr 85 Pohled na ciacutevku zpevněnou kostřičkou z plastoveacute folie
54
Statoroveacute jaacutedro s ciacutevkami
Na každeacute z osmi statorovyacutech jader jsou nasunuty dvě seacuteriově spojeneacute ciacutevky Pro pevneacute zachyceniacute obou
vinutiacute je použit pružnyacute tmel
Obr 86 Pohled na statoroveacute jaacutedro s nasunutyacutem vinutiacutem
Uchyceniacute statorovyacutech jader
Statorovaacute jaacutedra jsou pevně zalepena epoxidovou plyskyřiciacute do dřevěnyacutech sloupků Po obou stranaacutech
sloupku jsou vyvrtaacuteny otvory v nižchž jsou vyřezaacuteny zaacutevity pro šrouby Dotaženiacutem šroubu jsou
sloupky s jaacutedry pevně uchyceny v deskaacutech z plexiskla
Obr 87 Pohled na jaacutedro zalepeneacute v dřevěneacutem držaacuteku
55
812 Rotor
Průměr rotoru a jeho konstrukčniacute řešeniacute je navrženo s ohledem na rozměry jader ve statoru a velkou
hmotnost dynamoplechů
e) Z velikosti okna pro primaacuterniacute vinutiacute je odvozena potřebnaacute vyacuteška permanentniacutech magnetů a
počet vrstev dynamoplechů v rotoru
f) Rozměry hřiacutedele jsou voleny s ohledem na použitaacute kuličkovaacute ložiska o vnitřniacutem průměru 10
mm a hmotnost rotorovyacutech plechů a je počiacutetaacuteno s jistou rezervou v přiacutepadě působeniacute vyššiacutech
momentů setrvačnosti celeacuteho rotoru Hřiacutedel a středoveacute přiacuteruby zajišťujiacute pevneacute přichyceniacute
středoveacuteho pouzdra permanentniacutech magnetů jelikož jsou vzaacutejemně spojeny čtyřmi šrouby
Hřiacutedel a středoveacute přiacuteruby jsou vysoustruženy z mosazi
Obr 88 Hřiacutedel je vysoustruženaacute z mosazneacute kulatiny
Na Obr je pohled na celkovou sestavu rotoru a statorovaacute jaacutedra Ke hřiacutedeli jsou přiacuteruby připevněny
ve čtyřech miacutestech
Obr 89 Pohled na rotor a jaacutedra statoru opatřenaacute vinutiacutem
g) Přiacuteruby pro uchyceniacute středoveacuteho pouzdra rotoru v němž jsou uloženy magnety jsou
vysoustruženy z mosazi stejně tak i přiacuteruba pro komutačniacute disk Přiacuteruby jsou ke hřiacutedeli pevně
dotaženy imbusovyacutemi šrouby
56
Obr 810 Jedna přiacuterub pro upevněniacute středoveacuteho pouzdra magnetů ke hřiacutedeli
h) Středoveacute pouzdro nesouciacute dynamoplechy a magnety je složeno z třiacute vrstev plexiskla tloušťky
2x4 mm + 1x5 mm Maacute tedy tloušťku 13 mm stejně jako vnitřniacute rozměr okna jaacutedra statoru
Přiacuteruby navlečeneacute na hřiacutedeli z obou stran stahujiacute plexiskla středoveacuteho pouzdra čiacutemž je pevně
spojujiacute s hřiacutedeliacute
Obr 811 Středoveacute pouzdro permanentniacutech magnetů
i) Dynamoplechy jsou po obou stranaacutech středoveacuteho pouzdra navrstveny na požadovanou vyacutešku
11 mm což odpoviacutedaacute přiacuteslušneacutemu rozměru jaacutedra v jeho řezu Při tloušťce dynamoplechu 05
mm je na obou stranaacutech pouzdra 22 vrstev dynamoplechu Jak dynamoplechy tak i středoveacute
pouzdro v sobě majiacute vyřezaacuteny otvory pro zaacutevitoveacute tyče a diacuteky matkaacutem dotaženyacutem po obou
stranaacutech rotoru spojujiacute navzaacutejem tyto čaacutesti s hřiacutedeliacute
Obr 812 Jedna sekce rotoru je složenaacute z 22 vrstev dynamoplechů
j) K dobreacutemu staženiacute dynamoplechů nejen v miacutestech kde k nim ze stran přileacutehajiacute matky
přispiacutevajiacute kryciacute kotouče z plexiskla na Obr813
57
Obr 813 Otvorem uprostřed kryciacuteho kotouče prochaacuteziacute hřiacutedel a je možneacute se diacuteky němu dostat na
šrouby připevňujiacuteciacute přiacuteruby rotoru pevně k řčiacutedeli
Vyacuteroba vyniklyacutech poacutelů rotoru
Rotoroveacute plechy jsou do požadovaneacuteho tvaru na Obr814 vyřezaacuteny pomociacute vodniacute pily Tryska
zařiacutezeniacute žene proud vodniacuteho paprsku spolu s abrazivem kolmo na řezanyacute objekt
Obr 814 Skica rotorovyacutech plechů s vyznačenyacutemi miacutesty pro umiacutestěniacute permanentniacutech magnetů
Na Obrxx zachycena vodniacute pila během vyřezaacutevaacuteniacute požadovaneacuteho tvaru rotoru do tabule
dynamoplechu o rozměrech 1x1metr
58
Obr 815 Sniacutemek pořiacutezenyacute během řezaacuteniacute dynamoplechu vodniacutem paprskem s abrazivem
Magnetickaacute čaacutest obvodu obvod rotoru se sklaacutedaacute ze dvou sekciacute mezi nimiž jsou umiacutestěny permanentniacute
magnety ktereacute sloužiacute jako zdroj magnetickeacuteho pole Každaacute sekce je vytvořena navrstveniacutem
dynamoplechů do vrstvy 11 mm Při tloušťce dynamoplechu to odpoviacutedaacute 22 vrstvaacutem v každeacute sekci
Obr 816 Čelniacute pohled na zkompletovanyacute rotor
Komutaacutetor
Komutaacutetor je realizovaacuten průhlednou foacuteliiacute s černyacutem potiskem Pravidelneacute střiacutedaacuteniacute průsvitnyacutech a
černyacutech oblastiacute na foacutelii během otaacutečeniacute rotoru zajišťuje pravidelneacute přerušovaacuteniacute IR paprsku v osmi
optoelektronickyacutech spiacutenačiacutech TCST 2103 rozmiacutestěnyacutech pravidelně okolo obvodu komutačniacute folie
Na foacutelii je sedm černyacutech a sedm průsvitnyacutech vyacutesečiacute což odpoviacutedaacute počtu sedmi vyniklyacutech poacutelů v obou
sekciacutech rotoru oddělenyacutech permanentniacutemi magnety Nastaveniacute optimaacutelniacute uacutehlu natočeniacute komutačniacute
folie bylo stanoveno měřeniacutem pro uacutehly natočeniacute 1285deg 5 deg 0deg a -1285deg Vyacutesledky jsou shrnuty
v zaacutevěru praacutece
59
Obr 817 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 1285deg
Obr 818 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 5deg
Obr 819 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 0deg
Obr 820 Nastaven uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie -1285deg
Na Obr je čelniacute pohled na realizovanyacute komutaacutetor Po obvodu jsou rovnoměrně rozmiacutestěny černeacute
dřevěneacute držaacuteky s optočleny skrze ktereacute prochaacuteziacute uacutezkeacute zaacutevitoveacute tyče zbroušeneacute tak aby uvnitř držaacuteku
nepoškodily přiacutevodniacute vodiče optočlenů Dotaženiacutem matek našroubovanyacutech na zaacutevitoveacute tyče je možneacute
pevně přitaacutehnout
60
Obr 821 Fotorgrafie realizovaneacuteho komutaacutetoru
Obr 822 Podrobnějšiacute pohled s popisem čaacutestiacute
Optoelektronickeacute
spiacutenače TCST 2103
Jaacutedra statoru
Vinutiacute statoru
Komutaacutetor
s regulaciacute předstihu
Vynikleacute poacutely
rotoru
61
Zkompletovanyacute motor
Na Obr jsou na nosneacute desce namontovaacutena statorovaacute jaacutedra
Obr 823 Horniacute pohled na nosnou desku Uprostřed desky je vidět nachaacuteziacute kryt ložiska
Vodiče ciacutevek na magnetickyacutech jaacutedrech jsou zavedeny do bdquočokolaacutedldquo přišroubovanyacutech po bočniacutech
stranaacutech dřevěnyacutech držaacuteků jader
Obr 824 Bočniacute pohled na dřevěneacute držaacuteky jader statoru
Vyacutevody z čokolaacuted jsou protaženy do dřevěneacuteho tunelu zobrazenyacute ze spodniacute strany na Obr kteryacute
sloužiacute jako ochrana před otaacutečejiacuteciacutem se rotorem
Obr 825 Spodniacute strana kryciacuteho tunelu před vyvrtaacuteniacutem otvorů pro přichyceniacute k nosneacute desce
62
Obr 826 Čelniacute pohled na hotovyacute model Adamsova motoru
Obr 827 Redukce připevněnaacute na hřiacutedeli sloužiacute pro zvětšeniacute jejiacuteho průměru při spojeniacute spojeniacute
motoru s dynamometrem
63
82 Elektrickyacute obvod
821 Popis a scheacutema zapojeniacute
Elektronickaacute čaacutest je spiacutenaacutena přerušovaacuteniacutem infračerveneacuteho paprsku dopadajiacuteciacuteho na fototranzistor
v optočlenu Paprsek prochaacuteziacute průsvitnou čaacutestiacute foacutelie ve chviacuteli kdy jsou vynikleacute poacutely rotoru v čelniacute
pozici se statorovyacutemi jaacutedry a ciacutevky umiacutestěneacute na těchto jaacutedrech v nich majiacute vybudit magnetickyacute
indukčniacute tok opačneacuteho směru oproti toku vystupujiacuteciacuteho z rotorovyacutech poacutelů Naacutesledkem siloveacuteho
působeniacute mezi magnetickyacutemi poli rotoru a statoru je rotor roztaacutečen
Obr 828 Scheacutema zapojeniacute elektrickeacuteho obvodu pro řiacutezeniacute motoru Obvod v praveacute čaacutesti obraacutezku za
přerušovanou čarou se opakuje celkem 4x Pro ušetřeniacute miacutesta je tedy zobrazena pouze jedna čtvrtina
zapojeniacute
Elektrickyacute obvod je možneacute rozdělit na čaacutest vyacutekonovou kteraacute je od čaacutesti niacutezko přiacutekonoveacute oddělena
řiacutediacuteciacute elektrodou vyacutekonovyacutech MOSFET tranzistorů IRF540 Na Obr xx je pro zmenšeniacute ušetřeniacute
miacutesta zobrazena pouze jedna čtvrtina čaacutesti scheacutematu elektrickeacuteho obvodu V leveacute čaacutesti scheacutematu jsou
vyznačena miacutesta připojeniacute napaacutejeciacuteho napětiacute Pro laboratorniacute měřeniacute je vhodneacute vzaacutejemně je oddělit
Kladnyacute poacutel stejnosměrneacuteho napaacutejeciacuteho napětiacute o velikosti 5-31 V je pojen k ciacutevkaacutem skrze konektory
L1až L8 k ke statorovyacutem vinutiacutem Stejnosměrneacute napětiacute 10 ndash 35 V DC je připojeno přes stabilizaacutetor
napětiacute 7808 a Rezistory R1 a R2 k optočlenům TCST 2103 ktereacute jsou ve scheacutematu zastoupeny
vyacutevody označenyacutemi EM1 a DET1 Ty Zkratkovitě označujiacute přiacuteslušnyacute emitor IR zaacuteřeniacute (infračervenaacute
dioda) a detektor (fototranzistor pro infračerveneacute spektrum) implementovaneacute v pouzdru optočlenu
Hodnoty odporů jsou stanoveny na zaacutekladě snahy omezit proud řiacutediacuteciacuteho obvodu na nejnižšiacute hodnotu a
zaacuteroveň zachovat spraacutevnou funkci obvodu Jmenovitaacute hodnota proudu emitorem je 20mA Proud
tekouciacute skrze EM1 až EM8 je nastaven předřadnyacutemi rezistory 6K8 na hodnotu cca 1mA Paprsek
prochaacuteziacute skrze průsvitnou čaacutest komutaacutetoru nebo je přerušen černě potištěnou čaacutestiacute Pokud paprsek
dopadaacute na detektor a otviacuteraacute jej a proud může prochaacutezet přes odpory 39K předřazeneacute detektorům Za
detektory jsou napojeny Schmittovi klopneacute obvody na jejichž vstupech se objeviacute napětiacute v přiacutepadě že
je detektor paprskem neosviacutecen Klopneacute obvody jsou napaacutejeny napětiacutem ze stabilizaacutetoru a na sveacutem
64
vyacutestupu majiacute toteacutež napětiacute pokud je na jejich vstupu napětiacute nuloveacute V jednom pouzdře integrovaneacuteho
obvodu 40106N se nachaacuteziacute 6 investujiacuteciacutech hradel Paralelniacutem spojeniacute třiacute je sniacutežen odpor hradla na
třetinu Naacutesleduje vyacutekonovyacute MOSFET tranzistor IRF560 s odporem přechodu elektrod DS v
sepnuteacutem stavu 44m Ω Niacutezkaacute vyacutekonovaacute ztraacuteta těchto tranzistorů snižuje ztraacutetovyacute vyacutekon na minimum
v porovnaacuteniacute s bipolaacuterniacutemi tranzistory Je-li na vstupniacute elektrodu G připojeno kladneacute napětiacute tranzistor
se otevře a umožniacute průchod proudu přiacuteslušnyacutem vinutiacutem připojenyacutem ke konektoru L1až L8
822 Deska plošnyacutech spojů
Deska plošnyacutech spojů vytvořenaacute stejně tak jako scheacutema v programu Eagle
Obr 829 Deska plošnyacutech spojů elektronickeacute ho obvodu z pohledu součaacutestek
Navrženaacute deska plošnyacutech spojů je vyrobena bdquofotocestouldquo Působeniacutem zdroje ultrafialoveacuteho světla
dojde ke změně chemickeacute struktury fotocitliveacute vrstvy kteraacute se nachaacuteziacute v miacutestech prosviacuteceniacute průsvitneacute
předlohy DPS Po rozpuštěniacute osviacuteceneacute vrstvy fotocitliveacuteho laku v hydroxidu sodneacutem byla deska
omyta vodou a odleptaacutena v chloridu železiteacutem
Obr 830 Osvit desky plošnyacutech spojů 11W UV zaacuteřivkou
65
Obr 831 Hotovaacute deska po odvrtaacuteniacute otvorů pro vyacutevody součaacutestek a protaženiacute vodičů do dřevěneacuteho
kryciacuteho tunelu
66
9 Magnetostatickaacute analyacuteza Adamsova motoru
91 Vyacutepočet zjednodušeneacuteho magnetickeacuteho obvodu
911 Feromagnetika v magnetickeacutem obvodu
Permanentniacute magnety použiteacute rotoru jsou neodymoveacute (Nd-Fe-B) s magnetizaciacute N38 a maximaacutelniacute
pracovniacute teplotě 80degC Magnety majiacute tvar vaacutelce Požadovanaacute vyacuteška magnetů je 13 mm a odpoviacutedaacute
přiacuteslušneacutemu rozměru okna jader ve statoru Požadovaneacute vyacutešky bylo dosazeno spojeniacutem magnetu o
vyacutešce 10 mm a magnetu o vyacutešce 3 mm Magnety majiacute průměr 15mm
Demagnetizačniacute charakteristika magnetu je na Obr
Obr 91 Druhyacute kvadrant pracovniacutech hysterezniacutech smyček B(H) a J(H)=B(H)-μ0H
permanentniacuteho magnetu s magnetizaciacute N38 měřeno při 26degC
Magnetickaacute jaacutedra statoru jsou vyrobena z FeSi transformaacutetoroveacuteho plechu s anizotropniacute strukturou o
jakosti M150-30 Materiaacutel maacute poměrně niacutezkou konduktivitu tedy niacutezkeacute ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy
Magnetickeacute čaacutesti rotoru jsou z dynamoplechů izotropniacute struktury o jakosti M600 - 50
Vyacutepočet magnetickeacute indukce a intenzity magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře mezi rotorovyacutem a
statorovyacutem poacutelem
Magnetickyacute obvod se sklaacutedaacute z permanentniacuteho magnetu dvou vyniklyacutech poacutelů rotoru dvou
vzduchovyacutech mezer a jaacutedra statoru
-14
-12
-1
-08
-06
-04
-02
0
02
04
06
08
1
12
14
-1 200 -1 100 -1 000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0
J B [T]
H [kAm]
Demagnetizačniacute charakteristika NdFeB magnetu (N38)
J magnetu
B magnetu
B vakau
HBHmax=473 kAm BHmax=294 kJm3
BBHmax=0612 T B
J
μ0H
HC=-937 kAm
67
Obr 92 Magnetickyacute obvod s permanentniacutem magnetem
Pro středniacute indukčniacute čaacuteru naznačenou v magnetickeacutem obvodu přerušovanou čarou platiacute podle prvniacute
Maxwellovy rovnice v integraacutelniacutem tvaru
kde indexy značiacute M permanentniacute magnet žr železo rotoru v vzduchovou mezeru a žs železo statoru
Železo rotoru (dynamoplechy) a železo statoru (transformaacutetoroveacute plechy) jsou feromagneticky měkkeacute
materiaacutely Pro zjednodušeniacute vyacutepočtu předpoklaacutedaacuteme že jejich permeability tj jejich
magnetickeacute odpory a tedy i magnetickaacute napětiacute a jsou zanedbatelně maleacute
takže pro intenzitu magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře platiacute
Pro magnetickyacute indukčniacute tok permanentniacuteho magnetu platiacute
kde je činitel rozptylu ve vzduchoveacute mezeře a jestliže k rozptylu toku nedochaacuteziacute tak
Magnetickyacute indukčniacute tok ve vzduchoveacute mezeře je vyjaacutedřen
Pro magnetickyacute indukčniacute tok permanentniacuteho magnetu platiacute
takže magnetickaacute indukce ve vzduchoveacute mezeře je
(19)
(20)
(21)
(22)
(23)
BM HM
lM
lžr
lžr
lv
lv
lžs
Bv
Hv
Sv
Sžr Sžs
SM
Hžr
Hžr
Hžs Bžs
Bžr
Bžr
J
S
Sžr
Bv
Hv
68
odtud
Z rovnosti rovnic (19) a (24)
lze vyjaacutedřit magnetickou indukci permanentniacuteho magnetu jako
kde veličina Nd je tzv demagnetizačniacute činitel pro nějž platiacute
Pro dosazeniacute do (24) je zapotřebiacute stanovit hodnotu činitele rozptylu magnetickeacuteho toku ve vzduchoveacute
mezeře Stanoviacuteme odhadem (
Pro dosazeniacute do (24) je daacutele zapotřebiacute stanovit průřez magnetu Při průměru 15 mm je
Průřez vzduchoveacute mezery mezi statorem a rotorem vypočteme jako aritmetickyacute průměr průřezu poacutelu
jaacutedra statoru a průřezu vynikleacuteho poacutelu rotoru Skutečneacute průřezy poacutelu statoru a rotoru lze jednoduše
odečiacutest z virtuaacutelniacuteho modelu v DesignModeleru Ansysu jak je naznačeno na Obr93 a na Obr94
Průřez poacutelu statoroveacuteho jaacutedra SS je dle DesignModeleru 14328 mmsup2
Obr 93 Po označeniacute plochy jaacutedra statoru vypočte DesignModeler jejiacute průřez
(24)
(25)
(26)
(27)
(28)
(29)
69
Průřez vynikleacuteho poacutelu rotoru SR je dle DesignModeleru 29128 mmsup2
Obr 94 Po označeniacute plochy vynikleacuteho poacutelu rotoru vypočte DesignModeler jeho průřez
Po dosazeniacute průřezů je aritmetickyacute průměr průřezu vzduchoveacute mezery
Vyacuteška použiteacuteho magnetu je daacutena součtem vyacutešek dvou na sobě umiacutestěnyacutech magnetů 10mm a 3 mm
tedy =13 mm
Řešenyacute magnetickyacute obvodu obsahuje dvě vzduchoveacute mezery o velikosti 1 mm Celkovaacute deacutelka
vzduchoveacute mezery je daacutena součtem těchto dvou deacutelek tedy =2 mm
Dosazeniacute všech potřebnyacutech hodnot do rovnice (24) vypočiacutetaacuteme demagnetizačniacute činitel
Dosazeniacutem demagnetizačniacuteho činitele do rovnice pro magnetickou indukci magnetu (26) ziacuteskaacuteme
rovnici přiacutemky
jejiacutež průsečiacutek s demagnetizačniacute křivkou permanentniacuteho magnetu na Obrxx stanoviacute pracovniacute bod
permanentniacuteho magnetu
Z grafu na Obr 95 je možneacute odečiacutest hodnotu magnetickeacute indukce permanentniacuteho magnetu v
pracovniacutem bodu BM=1 T a odpoviacutedajiacuteciacute hodnotu intenzity magnetickeacuteho pole HM=1 T
(30)
(31)
70
Obr 95 V průsečiacuteku přiacutemky s demagnetizačniacute charakteristikou se nachaacuteziacute pracovniacute bod P
permanentniacuteho magnetu v magnetickeacutem obvodu se vzduchovou mezerou
Zvětšeniacutem vzduchoveacute mezery v magnetickeacutem obvodu se zvětšiacute demagnetizačniacute činitel Nd tj zvětšiacute se
směrovyacute uacutehel přiacutemky z hodnoty α na hodnotu α1 a pracovniacute bod P se posune do polohy P1 jak je
naznačeno na Obr96
Obr 96 V průsečiacuteku přiacutemky s demagnetizačniacute charakteristikou se nachaacuteziacute pracovniacute bod
permanentniacuteho magnetu
00
02
04
06
08
10
12
14
-1 000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0
J B [T]
H [kAm]
Stanoveniacute pracovniacuteho bodu magnetu na demagnetizačniacute
charakteristice
B magnetu
Bm=-NdHm
BM=1 T
HM=-183 kAm
P
Br=124 T
HC=-937 kAm
71
Zmenšiacute-li se opět vzduchovaacute mezera na původniacute velikost nevraacutetiacute se pracovniacute bod P1 do sveacute původniacute
polohy v bodě P ale do polohy P2 po křivce k2 Smyčka složenaacute z křivek k1 a k2 je malaacute hysterezniacute
smyčka Přibližně ji můžeme nahradit uacutesečkou P1 P2 sviacuterajiacuteciacute s osou H uacutehel β Pohybuje-li se pracovniacute
bod po maleacute hysterezniacute smyčce jde vratneacute změny tj zanikne-li přiacutečina posuvu pracovniacuteho bodu vraciacute
se pracovniacute bod do sveacute původniacute polohy Pohyb pracovniacuteho bodu po hlavniacute hysterezniacute smyčce je
nevratnyacute K podobnyacutem jevům dochaacuteziacute když miacutesto změn vzduchoveacute mezery působiacuteme na permanentniacute
magnet magnetickyacutem polem ktereacute zvětšuje nebo zmenšuje jeho tok Všechny dalšiacute pohyby
pracovniacuteho bodu probiacutehajiacute přibližně po přiacutemce P1 P2 pokud směrovyacute uacutehel α nepřestoupiacute hodnotu uacutehlu
α1 Překročiacute-li tuto hodnotu pohybuje se pracovniacute bod opět po hlavniacute hysterezniacute smyčce a při naacutevratu
zpět k původniacute hodnotě uacutehlu α přechaacuteziacute na novou bdquomalou hysterezniacute smyčku vyznačenou na Obrxx
čaacuterkovaně [20]
Magnetickaacute indukce ve vzduchoveacute mezeře
Intenzita magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře
(32)
(33)
72
92 Vyacutepočet magnetickeacuteho obvodu v ANSYS Workbench
Magnetickaacute indukce - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 97 Pohled na rozloženiacute magnetickeacute indukce v obvodu při I=0A
Obr 98 Zobrazeniacute vektorů magnetickeacute indukce při I=0A
73
Magnetickaacute indukce - horniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 99 Rozloženiacute magnetickeacute indukce při I=0A
Obr 910 Zobrazeniacute vektorů magnetickeacute indukce při I=0A
74
Intenzita magnetickeacuteho pole - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 911 Rozloženiacute intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
Obr 912 Zobrazeniacute vektorů intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
75
Intenzita magnetickeacuteho pole - horniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 913 Rozloženiacute intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
Obr 914 Zobrazeniacute vektorů intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
76
Rozloženiacute siacutely působiacuteciacute na poacutely rotoru vlivem přiacutetažneacute siacutely permanentniacuteho magnetu
Obr 915 Siacutela mezi poacutely rotoru
Přitažlivaacute siacutela mezi poacutely rotoru v miacutestě magnetu je daacutena rozdiacutelem maximaacutelniacute a minimaacutelniacute hodnoty sil
(34)
77
Magnetickaacute indukce při proudu 1 A - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru při
921 Rozběh motoru
Uacutekolem je naleacutezt nejmenšiacute hodnotu proudu tekouciacuteho vinutiacutem statoroveacuteho jaacutedra při ktereacute dojde k
rozběhu motoru Vychaacutezejme z toho že přiacutetažnaacute siacutela působiacuteciacute na jedno jaacutedro statoru ktereacute je
v zarovnaneacute pozici s vyniklyacutemi poacutely rotou musiacute byacutet vlivem proudu tekouciacuteho vinutiacutem
Proud by měl miacutet takovou velikost aby v jaacutedru statoru vybudil magnetickyacute tok opačneacute polarity oproti
magnetickeacutemu toku vystupujiacuteciacuteho z protějšiacuteho vynikleacuteho poacutelu rotoru A to s takovyacutemi silovyacutemi
uacutečinkly aby byl došlo k pootočeniacute rotoru do pozice ve ktereacute se vedlejšiacute vynikleacute poacutely rotoru začnou
přitahovat k vedlejnšiacutemu statoroveacutemu jaacutedru Celyacute proces se poteacute opakuje i u dalšiacutech jader
Středniacute hodnota proudu tiacutemto vinutiacutem se během rozběhu motoru snižuje až na konstntniacute hodnotu
Dojdek k ustaacuteleniacute otaacuteček a doby průchodu proudu jednotlivyacutemi vinutiacutemi
78
Na Obr je graf průběhu siacutely působiacuteciacute na jaacutedro statoru ve směru osy x při změně velikosti proudu
tekouciacuteho vinutiacutem
Obr 916 Průběh siacutely při změně proudu
Z Obr919 je zřejmeacute že nuloveacute siacutely v ose x na jaacutedro statoru bude dosaženo při proudu 700 mA Tudiacutež
proud vědšiacute než 700 mA vyvolaacute odpuzeniacute rotorovyacutech poacutelů a celyacute proces se opakuje i u ostatniacutech
statorovyacutech jader
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
0 100 200 300 400 500 600 700
I [mA]
Fx [N]
Fx=f(I)
Fx= -2841 N
79
Na Obr je naacutezorně vidět zarovnanyacute vyniklyacute poacutel rotoru s jaacutedrem ve statoru
Obr 917 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru se statorovyacutem jaacutedrem při nuloveacute siacutele na magnetickeacute jaacutedro
Obr 918 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru s jaacutedrem ve statoru bez přiacutetomnosti proudu
Prochaacuteziacute-li vinutiacutem proud 700mA půsovyacute ma magnetickeacute jaacutedro ve směru osy x nulovaacute siacutela Rozloženiacute
magnetickeacute indukce je na Obr
α=0deg
Fx=0 N
I=700 mA
α=0deg
Fx=-2841 N
I=0 mA
80
Obr 919 Rozloženiacute indukce v obvodu při proudu tekouciacutem vinutiacute 700mA
Obr 920 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru s jaacutedrem ve statoru při proudu tekouciacutem vinutiacute 700mA
81
922 Průběhy sil působiacuteciacute na rotor během pootočeniacute
Na obr je osa jaacutedra(v praveacutem rohu) zarovnaacutena s osou vynikleacuteho poacutelu rotoru (vyznačeno červeně) a
naacutesledujiacuteciacute vyniklyacute poacutel rotoru je oproti statoroveacutemu jaacutedru (vpravo) pootočen o uacutehel α = -643deg
Obr 921 Při pootočeniacute rotoru o uacutehel α = -643deg působiacute na rotor siacutela ve směru FY= -5645 N
Průběh siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor během nataacutečeniacute proti směru hodinovyacutech ručiček mezi uacutehly
pootočeniacute v meziacutech α= -643deg až 0deg
Hodnoty jsou vypočiacutetaacuteny v Ansysu s krokem 02 deg a proloženy přiacutemkou
Obr 922 Průběh siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor během pootočeniacute od -643deg do 0deg a vyznačeneacute hodnoty
siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor pro hodnoty natočeniacute uacutehlu α= -643deg a -5deg
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
F [N]
α [deg]
Fy=f(α)
α=-643deg FY=-5645 N
Fy= - 5645 N
I=0 mA
82
Obr 923 Průběh siacutely působiacuteciacute na rotor v ose y během pootočeniacute od -643deg do 0deg a vyznačeneacute hodnoty
siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor pro hodnoty natočeniacute uacutehlu α= -643deg a -5deg
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
N [Nmm]
α [deg]
Fx=f(α)
83
10 Měřeniacute na realizovaneacutem motoru
V Tab101 jsou hodnoty odporu jednotlivyacutech vinutiacute měřeneacute při 20 degC
Tab 101 Hodnoty odporů vinutiacute
Časoveacute průběhy napětiacute a proudu byly naměřeny pomociacute profesionaacutelniacuteho dvoukanaacuteloveacuteho USB
osciloskopu Handyscope HS3 s parametry uvedenyacutemi v tabulce Tab102 Spojeniacutem osciloskopu s PC
bylo možneacute pomociacute napěťoveacute a proudoveacute sondy naměřit časoveacute průběhy napětiacute a proudu Použitaacute
proudovaacute sonda disponuje maximaacutelniacutem rozlišeniacutem 100 mVA
Tab 102 Vlastnosti Osciloskopu Handyscope HS3
Vstup Vyacutestup
max vzorkovaciacute frekvence 100MSs vzorkovaciacute frekvence 50MSs
volitelneacute rozlišeniacute 12-16 bitů rozlišeniacute 12 bitů
maximaacutelniacute napětiacute 200V napětiacute 0 plusmn12 V
impedance 1M Ω20pF maximaacutelniacute proud 05 A DC
Na Obr 101 je zachycen časovyacute průběh napětiacute a proudu změřenyacute na jednom z osmi vinutiacute statoru při
napětiacute 30V a mechanickeacute zaacutetěži Mz = 015 Nm
Rc1 Rc2 Rc3 Rc4 Rc5 Rc6 Rc7 Rc8
[Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω]
203 203 205 202 204 205 202 203 2034
84
Obr 101 Změřeneacute průběhy napětiacute a proudu na vinutiacute během zatiacuteženiacute momentem 015Nm
Hodnoty proudu změřeneacute osciloskopem jsou posunuty o stejnosměrnou složku směrem do
zaacutepornyacutech hodnot Tato chyba znehodnocuje naměřeneacute vyacutesledky proudu uvedeneacute v tabulce a
vznikla z neznaacutemeacute přiacutečiny jako důsledek nastaveniacute citlivosti proudoveacute soncy na hodnotu
100mVA
Tab 103 Hodnoty naměřeneacute osciloskopem Handyscope HS3
Umax Umin Up-p Uef Ustř Δt
[V] [V] [V] [V] [V] [ms]
2958 -7996 10992 3401 -0983 1419
Imax Imin Ip-p Ief Istř f
[mA] [mA] [mA] [mA] [mA] [Hz]
26459 -2276 49219 11375 2421 7048
Na Obr je vidět vysokonapěťovaacute špička opačneacute polarity vzhledem k napaacutejeciacutemu napětiacute kteraacute
dosahuje hodnoty -7996 V Vznikaacute důsledkem naacutehleacuteho přerušeniacute dodaacutevky proudu do obvodu ciacutevky
Magnetickeacute pole vytvořeneacute v magnetickeacutem obvodu se po přerušeniacute dodaacutevky proudu kteryacute jej vybudil
snažiacute zabraacutenit sveacute změně a zachovat proud v elektrickeacutem obvodu čiacutemž zpětně do elektrickeacuteho obvodu
vinutiacute indukuje vysokeacute napětiacute opačneacute polarity Dochaacuteziacute ke zpětneacute indukci napětiacute do elektrickeacuteho
obvodu Tento děj vyjadřuje druhaacute Maxwellova rovnice o zaacutekonu elektromagnetickeacute indukce
v diferenciaacutelniacutem tvaru vyjaacutedřeneacute vztahem
85
Na Obr je teacutež patrnyacute zaacutekmit napětiacute na konci zaacuteporneacute napěťoveacute špičky Tento zaacutekmit je způsoben
parazitniacute kapacitou vinutiacute Časovaacute konstanta s jakou děj odezněniacute je daacutena RLC parametry obvodu
Každyacute způsob provedeniacute vinutiacute maacute sveacute charakteristickeacute vlastnosti předevšiacutem vlastniacute kapacitu vinutiacute
V praxi se např požadavek na sniacuteženiacute vlastniacute kapacity vinutiacute u transformaacutetorů realizuje dvěma
způsoby
a) zmenšeniacute napěťoveacuteho rozdiacutelu mezi vrstvami popř sekcemi vinutiacute nebo zmenšeniacutem vzaacutejemneacute
kapacity těchto čaacutestiacute jejich odděleniacutem
b) sniacuteženiacutem dielektrickeacute konstanty konstrukčniacutech materiaacutelů využitiacutem vhodnyacutech izolantů pro
izolaci vodičů
Nejviacutece možnostiacute nabiacuteziacute prvniacute varianta jež se uplatňuje u hraacutezoveacuteho křiacutežoveacuteho i kotoučoveacuteho vinutiacute
Obvykle neniacute uacutečelneacute ani hospodaacuterneacute dělit vinutiacute viacutece než na tři komory Čiacutem nižšiacute bude celkovyacute činitel
vinutiacute tiacutem menšiacute bude kapacita vinutiacute Impregnaciacute vinutiacute se vlastniacute kapacita vinutiacute zvyšuje asi o 30 až
50 V přiacutepadě spojeniacute jednoho vyacutevodu vinutiacute s magnetickyacutem jaacutedrem se vlastniacute kapacita vinutiacute zvětšiacute
přibližně o 20 [19]
Za zaacutepornou vysokonapěťovou špičkou a zaacutekmitem napětiacute způsobenyacutem parazitniacute kapacitou v obvodu
je vidět na Obr půlperioda sinusoveacuteho průběhu napětiacute zaacuteporneacute polarity Toto napětiacute je v obvodu
indukovaacuteno diacuteky průchodu magnetickeacuteho toku vystupujiacuteciacuteho z vyniklyacutech poacutelů rotoru během otaacutečeniacute
Magnetickyacute tok vystupuje z poacutelů rotoru a uzaviacuteraacute se přes jaacutedro statoru čiacutemž v jeho vinutiacute indukuje
napětiacute
(35)
86
Na Obr102 zaacuteznam sinusoveacuteho průběhu napětiacute indukovaneacuteho ve vinutiacute statoroveacuteho jaacutedra ktereacute bylo
odpojeno od napaacutejeniacute
Obr 102 Časovyacute průběh napětiacute indukovaneacuteho ve vinutiacute během otaacutečeniacute rotoru
Obr 103 Časovyacute průběh napětiacute a proudu při napětiacute 30 V a zatiacuteženiacute momentem 005 Nm
87
101 Měřeniacute zaacutekladniacutech charakteristik
Motor byl pro změřeniacute charakteristik spojen s cize buzenyacutem dynamometrem Možnost regulace
zaacutetěžneacuteho momentu změnou odporu kotvy dynamometru a velikostiacute budiacuteciacuteho proudu umožnila
naměřit průběh momentovyacutech mechanickyacutech a rychlostniacutech charakteristik Spojeniacute hřiacutedele
s tachodynamem naviacutec umožnilo měřit indukovaneacute napětiacute během jednotlivyacutech měřeniacute a vypočiacutetat z něj
otaacutečky Na Obr104 je schematicky naznačena soustava dynamometru a motoru pro měřeniacute
zatěžovaciacute charakteristiky motoru
Obr 104 Soustava pro měřeniacute zatěžovaciacutech charakteristik motoru
Pro změřeniacute zaacutekladniacutech charakteristik potřebnyacutech pro vyacutepočet uacutečinnosti motoru byl využit cize buzenyacute
dynamometr s Iab=5 A(10)
102 Vyacutepočet uacutečinnosti
Pro přiacuteklad vyacutepočtu dosadiacuteme do uvedenyacutech vztahů hodnoty veličin při nichž vyšla uacutečinnost motoru
maximaacutelniacute
Jelikož proud tekouciacute do vinutiacute je stejnosměrnyacute stanoviacuteme přiacutekon motoru součinem napětiacute zdroje o
konstantniacute velikosti 31 V s proudem tekouciacutem obvodem
Po dosazeniacute
Vyacutekon motoru je roven
přičemž pro uacutehlovou rychlost vyjaacutedřenou z otaacuteček platiacute vztah
(36)
(37)
(38)
Ua
Rb Umot
88
Po dosazeniacute
Vyacutekon je po dosazeniacute uacutehloveacute rychlosti
Uacutečinnost motoru při zanedbaacuteniacute ztraacutet v elektronickeacutem obvodu je daacutena vyacuterazem
Podiacutelem vyacutekonu a přiacutekonu je vyacuteslednaacute uacutečinnost
(39)
(40)
(41)
(42)
(43)
89
Charakteristiky změřeneacute při změně zaacutetěžneacuteho momentu M=005 až 05 Nm a napětiacute 31V
Obr 105 Změna otaacuteček v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
Obr 106 Změna proudu v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
50
150
250
350
450
550
650
750
850
950
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
n [otmin]
P2 [W]
n=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
0
05
1
15
2
25
3
35
4
2 4 6 8 10 12 14
I [A]
P2 [W]
I=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
90
Obr 107 Změna přiacutekonu v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
Obr 108 Změna uacutečinnosti v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
0
20
40
60
80
100
120
140
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
P1 [W]
P2 [W]
P1=f(P2)
-1285deg
5deg
1285deg
0deg
000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
η []
P2 [W]
η=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
ηmax=355
P2=86 W
91
Obr 109 Změna uacutečinnosti v zaacutevislosti na momentu při U=31V
000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045 05 055 06
η []
M [Nm]
η=f(M)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
ηmax=355
M=019 Nm
0
01
02
03
04
05
06
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000 1 100
M [Nm]
n [otmin]
Momentoveacute charakteristiky motoru
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
92
Charakteristiky změřeneacute při změně napaacutejeciacuteho napětiacute U=5 až 31V M=015 Nm
Obr 1010 Změna proudu v zaacutevislosti na napětiacute při M=015 Nm
Obr 1011 Změna otaacuteček v zaacutevislosti na napětiacute při M=015 Nm
0
02
04
06
08
1
12
14
16
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
I [A]
U [V]
I=f(U)
5deg
0deg
1285deg
-1285deg
I=078 A
0
100
200
300
400
500
600
700
800
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
n [otmin]
U [V]
n=f(U)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
93
Zaacutevěr
Na zaacutekladě existence měřitelneacuteho kvantově mechanickeacuteho projevu Casimirova jevu se člověk alespoň
teoreticky přibliacutežil k pochopeniacute podstaty vakua Pohled na vakuum jako na systeacutem v němž je možno
za jistyacutech okolnostiacute pozorovat vysokofrekvenčniacute elektromagnetickeacute fluktuace i při teplotaacutech bliacutezkyacutech
0K může nabiacutezet novou perspektivu a přiacutestup ke strojům s věčnyacutem pohybem Vnějšiacute projevy
elektromagnetickeacuteho charakteru vakuovyacutech fluktuaciacute nejsou za běžnyacutech okolnostiacute zjevneacute neboť je
v tomto stavu zajištěna jejich symetrie K porušeniacute symetrie však dochaacuteziacute mezi dvěma bliacutezkyacutemi
deskami v Casimirově pokusu
Permanentniacute magnet se v jisteacutem ohledu může jevit jako systeacutem jež svojiacute přiacutetomnostiacute narušuje tuto
symetrii elektromagnetickyacutech fluktuaciacute vakua a tiacutem v okolniacutem prostoru projevuje jeho dynamickou
jinak skrytou povahu formou projevu permanentniacuteho magnetickeacuteho pole V tomto ohledu by mohl byacutet
projev stavu narušeniacute symetrie vakuovyacutech fluktuaciacute uacuteměrnyacute energii vloženeacute do permanentniacuteho
magnetu během procesu magnetovaacuteniacute Tento nekonvenčniacute pohled na permanentniacute magnetismus
umožňuje objasnit vstup energie vakua do systeacutemu s permanentniacutemi magnety jakyacutem by mohl byacutet
např Johnsonův magnetickyacute motor složenyacute pouze z permanentniacutech magnetů Pokud tento motor
opravdu fungoval a vyacuteše nastiacuteněnaacute teorie by byla pravdivaacute neniacute tento systeacutem již možno povařovat za
izolovanyacute od sveacuteho okoliacute neboť samotnaacute povaha vakua by v tomto přiacutepadě umožňovala napaacutejeniacute
tohoto systeacutemu
V tomto ohledu se jeviacute zajiacutemavyacute i systeacutem pro přeměnu energie elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute na
užitečnou elektrickou energii popisovanaacute v šesteacute kapitole V tomto systeacutemu kmitajiacute drobneacute
dielektrickeacute struktury vytvořeneacute např elektronovou litografiiacute vlivem siloveacuteho působeniacute fluktuaciacute
elektromagnetickyacutech poliacute vakua a tiacutem v mikroskopickyacutech anteacutenaacutech mezi strukturami indukujiacute
využitelnou formu energie Tyto kmity jsou v přiacutemeacutem poměru k frekvenci zaacuteřeniacute avšak mnohem nižšiacute
frekvenci Využitiacutem moderniacutech technologickyacutech postupů a vysoce jakostniacutech materiaacutelů se v tomto
ohledu nabiacuteziacute nepřeberneacute možnosti pro experimentovaacuteniacute
Realizace modelu Adamsova motor generaacutetoru kterou jsem prakticky provedl (však pouze ve funkci
motoru) měla za ciacutel stanovit uacutečinnost tohoto systeacutemu neboť informace popisujiacuteciacute tento stroj hovořiacute
teacutež o vstupu energie vakua do tohoto systeacutemu čiacutemž je uacutedajně možno dosaacutehnout uacutečinnosti přesahujiacuteciacute
100 Autor Robert Adams stanovil uacutečinnost sveacuteho motor generaacutetoru na zaacutekladě několik dnů
trvajiacuteciacuteho měřeniacute Měřil průběhy napětiacute na vstupniacute baterii jež stroj napaacutejela a bateriiacutech ktereacute
postupně připojoval na elektrickyacute vyacutestup stroje Během činnosti stroje dochaacutezelo k postupneacutemu
dobiacutejeniacute bateriiacute na vyacutestupu V jisteacutem ohledu jsou hodnoty napětiacute při průběžneacutem měřeniacute určityacutem
ukazatelem uacutečinnosti stroje avšak pro vyacutepočet přesneacute uacutečinnosti daneacute poměrem vyacutekonu a přiacutekonu by
bylo zapotřebiacute do vyacutepočtu zahrnout i proudy prochaacutezejiacuteciacute obvodem
Dynamoplechy (M600-50) pro rotor a transformaacutetorovaacute jaacutedra (M150-30s) pro stator jsem zakoupil u
společnosti Therma FM a permanentniacute magnety přes internetovyacute obchod Unimagnetcz Virtuaacutelniacute
model motoru vytvořenyacute v programu SolidWorks jsem importoval do programu ANSYS Workbench
a provedl v něm magnetostatickou analyacutezu Analyzoval jsem magnetickyacute obvod složenyacute z jedneacute
osminy statoru (pouze jedno jaacutedro) vzduchoveacute mezery a vynikleacuteho poacutelu rotoru při nuloveacutem proudu ve
statoroveacutem vinutiacute Takteacutež jsem magnetickyacute obvod řešil zjednodušenyacutem vyacutepočtem v němž jsem
94
zanedbal reluktanci železa rotoru i statoru rozdiacutel ve tvaru průřezů statorovyacutech i rotorovyacutech poacutelů a
odhadem jsem stanovil činitel rozptylu v okoliacute vzduchoveacute mezery Vypočiacutetal jsem pro danyacute
magnetickyacute obvod demagnetizačniacute činitel a vykresleniacutem přiacutemky byl nalezen pracovniacute bod P
permanentniacuteho magnetu Bod P vytiacutenaacute na přiacuteslušnyacutech osaacutech demagnetizačniacute charakteristiky
odpoviacutedajiacuteciacute hodnoty BM a HM permanentniacuteho magnetu Z nich byly vypočteny hodnoty indukce a
intenzity ve vzduchoveacute mezeře
Hodnoty magnetickeacute indukce a intenzity magnetickeacuteho pole v prostoru vzduchoveacute mezery vypočteneacute
na zaacutekladě zjednodušeniacute obvodu a hodnoty vypočteneacute v ANSYSu se v přiacutepadě indukce lišiacute o hodnotu
0177 T což vzhledem ke zjednodušeniacute vyacutepočtu a odhadu činitele rozptylu přibližně odpoviacutedaacute Rozdiacutel
v hodnotaacutech intenzity magnetickeacuteho pole činiacute 188 kAm což je opět vzhledem k zjednodušeniacutem
vyhovujiacuteciacute hodnota
Pomociacute programu Ansys byla stanovena nejnižšiacute hodnota proudu (700 mA) tekouciacuteho do vinutiacute
vybraneacuteho jaacutedra statoru při jeho zarovnaacuteniacute s rotorovyacutemi poacutely kteraacute způsobiacute vyrušeniacute přiacutetažneacute siacutely
působiacuteciacute na statoroveacute jaacutedro vlivem permanentniacute magnetizace rotoroveacuteho poacutelu Teoreticky proud většiacute
než 700mA způsobiacute pootočeniacute rotoru a naacuteslednyacute rozběh
Daacutele byly graficky stanoveny průběhy sil v osaacutech x a y působiacuteciacutech na rotor během jeho pootočeniacute o
uacutehel 643deg kdy došlo k zarovnaacuteniacute sousedniacutech poacutelů rotoru a statoru
Změřeniacutem zaacutekladniacutech zatěžovaciacutech charakteristik pomociacute dynamometru byly stanoveny průběhy
momentovyacutech charakteristik pro různeacute uacutehly natočeniacute komutačniacuteho disku vzhledem k rotoru Z grafu
průběhu uacutečinnosti v zaacutevislosti na momentu byla odečtena nejvyššiacute hodnota uacutečinnosti motoru 355
pro natočeniacute komutačniacuteho disku o 5deg a odpoviacutedajiacuteciacute zaacutetěžnyacute moment 019 Nm Tato uacutečinnost je v
porovnaacuteniacute se stejně vyacutekonnyacutemi motory běžnyacutech konstrukciacute poměrně niacutezkaacute Jedniacutem z hlavniacutech
faktorů jež ovlivnil vyacuteslednou uacutečinnost je tvar statorovyacutech jader ktereacute majiacute velkou vzduchovou
mezeru Tiacutem paacutedem dochaacuteziacute ke značneacutemu rozptylu toku magnetickeacute indukce skrze prostor mezi
statorovyacutemi poacutely
Natočeniacutem komutačniacuteho disku do polohy 0deg došlo ke značneacutemu sniacuteženiacute uacutečinnosti na hodnotu okolo 14
majiacuteciacute přiacutečinu ve špatneacutem načasovaacuteniacute počaacutetku průchodu proudu do přiacuteslušneacuteho vinutiacute Vzaacutejemneacute
siloveacute působeniacute magnetickyacutech indukčniacutech toků z jaacutedra a rotoru působilo brzdnyacutem uacutečinkem čiacutemž
došlo ke sniacuteženiacute uacutečinnosti motoru
Momentoveacute charakteristiky jsou teacuteměř lineaacuterniacute Největšiacute moment 05 Nm byl naměřen při napětiacute 31
V při 180 otmin a to v přiacutepadě že komutačniacute disk byl pootočen o 1285deg
95
Použitaacute literatura
[1] Hubbertpeak [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwhubbertpeakcomhubbert19561956pdf
[2] Multimediaacutelniacute studijniacute texty z mineralogie [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpmineralogiescimuniczkap_6_2_termodynkap_6_2_termodynhtm
[3] Molecular and cellular immunology Institute of malecular genetics academy of science of the
Czech Republic Praguee [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpmciimgcasczpdfZakony_termodynamikypdf
[4] Uacutestav teoretickeacute fyziky MFF UK [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httputfmffcuniczvyukaOFY016F2001CermakPhtm
[5] Galileo [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpgalileoandeinsteinphysicsvirginiaedumore_stuffflashletsmmexpt6htm
[6] Encyclopedia Britanica [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwbritannicacomEBcheckedtopic600149Evangelista-Torricelli
[7] ABZ slovniacutek ciziacutech slov [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z httpslovnik-cizich-
slovabzczwebphpslovohorror-vacui-horor-vakui
[8] RAFELSKI Johannn a Berndt MUumlLLER The structured vaccum Thinking about nothing
Published electrically 2006 ISBN 3-97144-889-3
[9] Uacutestav jaderneacute fyziky AV ČR veřejnaacute vyacutezkumnaacute instituce [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httphpujfcascz~wagnerpopclanvakuumvakuumhtml_ftn2
[10] Aldebaran [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwaldebaranczbulletin2011_10_kazphp
[11] Aldebaran [online] Casimir - Network 2005 [cit 2014-05-08] Dostupneacute z httpcasimir-
networkfrIMGpdfCasimir_20effectpdf
[12] KVASNICA Jozef Statistickaacute fyzika Vyd 2 Praha Academia 1998 314 s ISBN 80-200-
0676-1
[13] Aldebaran [online] Annenberg learning 2005 [cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwlearnerorgcoursesphysicsvisualanimationhtmlshortname=PHY06_FermiTrap0
3A
[14] Cornell University Library arXivorg [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httparxivorgpdf10115219v1pdf
[15] Fyzikaacutelniacute sekce Matematicko-fyzikaacutelniacute fakulty UK [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpphysicsmffcuniczkfppskriptakurz_fyziky_pro_DSwwwfyzikahtml
[16] FEYNMAN Richard Phillips Feynmanovy přednaacutešky z fyziky s řešenyacutemi přiacuteklady 1 vyd
Havliacutečkův Brod Fragment 2001 806 s ISBN 80-720-0420-4
[17] VALONE Thomas Zero Point Energy The Fuel of the Future United States Integrity
Research Institiute 2007 228 s ISBN 9780964107021
96
[18] KING Moray B Quest for Zero Point Energy Engineering Principles for Free Energy
Engineering Principles for Free Energy United States Integrity Research Institiute 2001 224 s
ISBN 9780932813947
[19] FAKTOR Zdeněk Transformaacutetory a ciacutevky 1 vyd Praha BEN - technickaacute literatura 1999
393 s ISBN 80-860-5649-X
[20] MAYER Daniel a Josef POLAacuteK Metody řešeniacute elektrickyacutech a magnetickyacutech poliacute [vysokošk
učebnice pro elektrotechn fakulty] 1 vyd Praha SNTL 1983 450 s
[21] ABZ slovniacutek ciziacutech slov [online cit 2014-05-12] Dostupneacute z httpslovnik-cizich-
slovabzczwebphpslovohorror-vacui-horor-vakui
[22] Wikipedie [online cit 2014-05-12] Dostupneacute z httpcswikipediaorgwikiVakuum
[23] VALONE Thomas Practical Conversion of Zero-Point Energy Feasibility Study of the
Extraction of Zero-Point Energy from the Quantum Vacuum for the Performance of Useful
Work United States Integrity Research Institiute 2005 90 s ISBN 9780964107083
[24] BEARDEN By John Bedini and TE Free energy generation circuits 2nd ed Santa Barbara
Calif Cheniere Press 2006 806 s ISBN 09-725-1468-6
[25] Straacutenky věnovaneacute potlačovaneacute vědě a zatajovanyacutem vynaacutelezům [online cit 2014-05-08]
Dostupneacute z httpfree-energyxfczJOHNSONSampMhtm
[26] ADAMS Robert The Adams pulsed motor generator manual 46 Landing Roat Whakanate
Nex Zealand 1992
10
1 Uacutevod
Ekologickeacute probleacutemy spojeneacute s těžbou a využiacutevaacuteniacutem fosilniacutech paliv za uacutečelem vyacuteroby elektrickeacute
energie přivaacutediacute lidstvo k naleacutehaveacute potřebě hledat jineacute alternativniacute zdroje Ciacutelem teacuteto praacutece je
nabiacutednout čtenaacuteři informace o zajiacutemavyacutech vlastnostech bdquopraacutezdneacuteho prostoruldquo ve spojitosti s energiiacute
vněm obsaženou Možnosti velice přesneacuteho laboratorniacuteho měřeniacute dnes totiž nabiacuteziacute novyacute pohled na
povahu teacuteto energie Tzv Casimirův jev utvaacuteřiacute novyacute pohled na vakuum jako na systeacutem s dynamickou
povahou kteraacute se za jistyacutech podmiacutenek projevuje silovyacutemi uacutečinky
Představme si systeacutem využiacutevajiacuteciacute pro svou činnost energii vyvěrajiacuteciacute ze zdroje jež se nachaacuteziacute za
hraniciacute našeho vniacutemaacuteniacute daleko za možnostiacute našich smyslovyacutech orgaacutenů naacutem tento zdroj přiacutemo
zprostředkovat Pokud takovyacute systeacutem opravdu existuje existuje zcela jistě i široce rozšiacuteřenaacute barieacutera
lidskeacute neochoty si tuto skutečnost připustit Faktem zůstaacutevaacute že vše je v pohybu od nejmenšiacute struktury
počiacutenaje až po velkeacute teorie konče
Naacutesledujiacuteciacute citaacutet pochaacuteziacute od jednoho z prvniacutech zakladatelů kvantoveacute teorie
bdquoPrincip energie je zaacuteležitost zkušenosti Pokud by tedy jednoho dne měla byacutet jeho všeobecnaacute platnost
zpochybněna což v atomoveacute fyzice neniacute vyloučeneacute pak by se probleacutem perpetua mobile stal naacutehle
aktuaacutelniacutemldquo Max Planck
V přiacutepadě že v prvniacutem momentu nezavrhneme fakt že vlastně neviacuteme kolik toho viacuteme musiacuteme
připustit že je možneacute cokoliv
Počaacutetkem systematickeacuteho zkoumaacuteniacute elektromagnetickyacutech jevů se lidstvu do rukou dostalo mnoho
uacutežasnyacutech strojů a zařiacutezeniacute S vyacutevojem novyacutech materiaacutelů a technologiiacute se staacutele nabiacuteziacute možnosti objevit
noveacute Oblast vyacutevoje magnetickyacutech materiaacutelů neniacute v tomto ohledu vyacutejimkou proto se ve sveacute praacuteci
zabyacutevaacutem i jimi a měřeniacutem jejich hysterezniacutech charakteristik
Na zaacutekladě informaciacute hovořiacuteciacutech o elektrickyacutech strojiacutech ktereacute uacutedajně pracujiacute i bez zjevneacuteho zdroje
vstupniacute energie stojiacute za snahu věnovat tomuto teacutematu alespoň čaacutest sveacute pozornosti Podstata
vesmiacuternyacutech jevů může byacutet totiž daleko za rovnicemi popisujiacuteciacutemi to co je naacutem znaacutemo nyniacute
Jak přihlaacutesil Albert Einstein
bdquoŽaacutedneacute množstviacute pokusů nikdy nemůže dokaacutezat že jsem měl pravdu Jedinyacute pokus však kdykoliv může
dokaacutezat že jsem se myacutelilldquo
V tomto ohledu se v diplomoveacute praacuteci zaměřuji předevšiacutem na motory opředeneacute zvlaacuteštniacutemi informacemi
a pokoušiacutem se o realizaci vzorku Adamsova motoru Vyacutesledky měřeniacute a vyacutepočtů shrnuji v zaacutevěru
praacutece
11
2 Energetickeacute zdroje ve formě fosilniacutech paliv
V současnosti pokryacutevajiacute největšiacute podiacutel energetickeacute spotřeby lidstva zdroje fosilniacutech paliv Zejmeacutena
uhliacute ropa a zemniacute plyn Americkyacute geolog M King Hubbert předložil světu v roce 1956 teorii tzv
Hubbert Peak Theory znaacutemou teacutež pod naacutezvem peak oil Tato teorie se tyacutekaacute dlouhodobeacute těžby a
spotřeby ropy a ostatniacute fosilniacutech paliv Teacutehož roku M K Hubbert nabiacutedl Americkeacutemu ropneacutemu
institutu model tyacutekajiacuteciacute se znaacutemyacutech zaacutesob ropy Podle tohoto modelu měly Spojeneacute staacutety dosaacutehnout
vrcholu produkce ropy mezi rokem 1965 a 1970 Podle M K Hubberta by mělo byacutet vrcholu v
celosvětoveacute produkci ropy dosaženo přibližně o půl stoletiacute později od publikovaacuteniacute jeho teorie [1]
Na Obr 1 je křivka ve tvaru zvonu vytvořenaacute M K Hubbertem na zaacutekladě předpokladu že rezervniacutem
objemem suroveacute ropy je cca 250 miliard barelů Křivka reprezentuje celosvětovou produkci suroveacute
ropy zjištěneacute rezervy a předpoklaacutedaneacute zaacutesoby objeveneacute v budoucnu
Obr 1 Křivka vyacutevoje produkce ropy ve spojenyacutech staacutetech podle M K Hubberta [1]
Produkce ropy kopiacuteruje tvar zvonu tudiacutež v celosvětoveacutem měřiacutetku nedojde k naacutehleacutemu nedostatku ropy
Pokud dosaacutehne celosvětovaacute produkce ropy sveacuteho vrcholu v roce 2000 tak v roce 2020 bude na stejneacute
hodnotě jako v roce 1980 Nicmeacuteně v roce 2020 bude oproti roku 1980 světovaacute populace lidiacute zhruba
dvojnaacutesobnaacute a naacutesledkem značneacuteho zprůmyslněniacute světa bude spotřeba ropy prudce narůstat
Vyacutesledkem snižujiacuteciacutech se zaacutesob ropy je naacuterůst jejiacute ceny Jako naacutesledek nedostatku ropy je možneacute
očekaacutevat vaacutelečneacute konflikty vyspělyacutech zemiacute s ciacutelem ziacuteskat přiacutestup k ropnyacutem zdrojům a udržet si tiacutem
jistou ekonomickou stabilitu Způsoby přeměny energie spalovaacuteniacutem fosilniacutech paliv spojeneacute s
neohleduplnostiacute vůči planetě Zemi a jejiacutem obyvatelům přivaacutediacute člověka k naleacutehaveacute potřebě doplnit a
postupně nahradit staacutevajiacuteciacute energetickeacute zdroje zdroji alternativniacutemi
12
3 Zaacutekony termodynamiky
V dějinaacutech lidstva se objevilo mnoho pokusů o realizaci strojů jež by pracovaly s uacutečinnostiacute většiacute než
100 Snaha realizovat stroj s věčnyacutem pohybem je na programu mnoha konstrukteacuterů i v dnešniacute době
Zejmeacutena na internetu nalezneme mnoho odkazů na různorodeacute konstrukce mechanickyacutech a
elektrickyacutech strojů Zejmeacutena u čistě mechanickyacutech strojů je na prvniacute pohled patrneacute že nemohou
pracovat v nepřetržiteacutem chodu a třeniacute nakonec způsobiacute jejich zastaveniacute Nicmeacuteně lze narazit i na
konstrukce elektrickyacutech strojů doprovaacutezeneacute vlivnyacutem komentaacuteřem jež se opiacuteraacute o teorii kteraacute popisuje
vakuum jako prostor vyplněnyacute energiiacute Na kvantoveacute uacuterovni uacutedajně dochaacuteziacute ve vakuu k
nepřetržityacutem fluktuaciacutem elektromagnetickyacutech poliacute vlivem vzniku a zaacuteniku kladnyacutech a zaacutepornyacutech
virtuaacutelniacutech čaacutestic Bliacuteže se k tomuto fenomeacutenu vraacutetiacutem v naacutesledujiacuteciacute kapitole
Na zaacutekladě interakce s okoliacutem lze systeacutemy rozdělit naacutesledovně
a) izolovaneacute ndash v idealizovaneacutem přiacutepadě např termoska u ktereacute nedochaacuteziacute k vyacuteměně energie ani
hmotnyacutech čaacutestic
b) uzavřeneacute ndash např z obou stran uzavřenaacute trubice u niacutež dochaacuteziacute k vyacuteměně energie s okoliacutem
avšak bez vyacuteměny hmotnyacutech čaacutestic
c) otevřeneacute ndash např strom kteryacute si okoliacutem vyměňuje jak energii tak hmotneacute čaacutestice
31 Nultyacute zaacutekon termodynamiky
Systeacutemy v termickeacute rovnovaacuteze majiacute stejnou teplotu Nultyacute zaacutekon zavaacutediacute teplotu jako
termodynamickou veličinu
32 Prvniacute zaacutekon termodynamiky
Vnitřniacute energie (U) izolovaneacuteho systeacutemu je konstantniacute Změna vnitřniacute energie dU je součtem tepla
ktereacute bylo do systeacutemu dodaacuteno (dQ) a praacutece kteraacute byla na systeacutemu vykonaacutena (dW)
Změnu vnitřniacute energie můžeme zapsat jako
Veličina dW je objemovou praciacute Jde o změnu objemu dV v systeacutemu za konstantniacuteho tlaku P Změna
objemoveacute praacutece se vyjaacutedřiacute rovniciacute
Změnu vnitřniacute energie můžeme zapsat jako
(1)
(2)
(3)
13
Dodaacuteme-li např krystalu energii ve formě tepla vzroste jeho vnitřniacute energie o tolik kolik se
nespotřebuje na praacuteci spojenou s růstem jeho objemu (expanziacute) [2]
321 Perpetuum mobile prvniacuteho druhu
Produkuje nejmeacuteně tolik energie kolik samo spotřebuje Jakmile je jednou stroj spuštěn může
pracovat po neomezeně dlouhou dobu
33 Druhyacute zaacutekon termodynamiky
Druhyacute zaacutekon je postaven na definici entropie kteraacute je extenzivniacute funkciacute definujiacuteciacute stav systeacutemu
Zjednodušeně řečeno entropie definuje neuspořaacutedanost syteacutemu Celkovaacute změna entropie v uzavřeneacutem
systeacutemu je součtem změny entropie uvnitř systeacutemu a entropie kteraacute je do systeacutemu přenesena z jeho
okoliacute Entropii přenaacutešenou do systeacutemu se definuje rovnice (4) kde dQ je dodaneacute teplo a T je teplota
Je zřejmeacute že změna entropie systeacutemu při konstantniacute hodnotě tepla je většiacute při nižšiacute teplotě [2]
Pro reversibilniacute procesy a rovnovaacutežneacute stavy platiacute že změna entropie je nulovaacute dS = 0 Pro spontaacutenniacute
proces v systeacutemu pak platiacute dS gt 0 Můžeme řiacuteci že entropie se nikdy samovolně nezmenšuje [2]
331 Perpetuum mobile druheacuteho druhu
Takeacute nelze sestrojit protože při tepelneacute vyacuteměně těleso o vyššiacute teplotě nemůže samovolně přijiacutemat
teplo od tělesa s nižšiacute teplotou
34 Třetiacute zaacutekon termodynamiky
Jestliže se teplota ideaacutelniacuteho krystalu bliacutežiacute absolutniacute nule bliacutežiacute se nule i jeho entropie [2]
V bliacutezkosti absolutniacute nuly se adiabatickyacute děj přibližuje izotermickeacutemu Tiacutem se ovšem ztraacuteciacute uacutečinnost
libovolneacute ochlazovaciacute metody založeneacute na střiacutedaacuteniacute těchto dějů
Při extreacutemně niacutezkeacute teplotě se projevujiacute zvlaacuteštniacute vlastnosti některyacutech laacutetek jakyacutemi jsou supravodivost a
supratekutost
(4)
14
4 Vakuum
41 Eacuteter vyplňujiacuteciacute praacutezdnyacute prostor
Na zaacutekladě zjištěniacute že zvuk pro sveacute šiacuteřeniacute vyžaduje přenosoveacute meacutedium bylo dřiacuteve předpoklaacutedaacuteno že
i světlo ke sveacutemu přenosu vyžaduje určiteacute prostřediacute Toto meacutedium bylo označeno pojmem eacuteter Eacuteter
byl zaveden nejen pro světlo ale i pro elektřinu magnetismus a teplo Britskyacute fyzik James Clarck
Maxwell zjistil že se elektromagnetickeacute vlny šiacuteřiacute rychlostiacute světla a navrhl existenci pouze jedineacuteho
eacuteteru [3]
Na zaacutekladě Maxwellovyacutech pozorovaacuteniacute provedl Albert Michelson v roce 1881 experiment kteryacute měl
prokaacutezat přiacutetomnost eacuteteru Negativniacute vyacutesledek pokusu byl později zpochybněn a tak byl v roce 1887
pokus mnohem přesněji zopakovaacuten za spolupraacutece Edwarda Morleyho Experiment byl v budoucnu
ještě mnohokraacutet zopakovaacuten avšak původniacute vyacutesledek experimentu byl potvrzen [4]
Na Obr41 je znaacutezorněn princip Michelson-Morleyho experimentu kteryacute jsem doplnil o šipky ve
směru paprsků světla Uprostřed rotujiacuteciacute kruhoveacute aparatury je umiacutestěno polopropustneacute zrcadlo Směr
pohybu eacuteteru vůči aparatuře je znaacutezorněn žlutyacutemi šipkami Ze zdroje světla (vlevo) vychaacuteziacute paprsek a
dopadaacute na polopropustneacute zrcadlo (uprostřed) kde se děliacute na dvě čaacutesti Vzniknou tak dva navzaacutejem
kolmeacute paprsky putujiacuteciacute k zrcadlům po okrajiacutech aparatury kde se opět odraacutežiacute a vracejiacute zpět
k prostředniacutemu polopropustneacutemu zrcadlu Paprsek vracejiacuteciacute se dolů čaacutestečně prochaacuteziacute polopropustnyacutem
zrcadlem směrem dolů ke stiacuteniacutetku a paprsek vracejiacuteciacute se ke středu od leveacuteho zrcadla je odražen takeacute
směrem dolů Čaacutesti obou paprsků tak dopadajiacute na stiacuteniacutetko kde se
a) vzaacutejemně zesiacuteliacute jestliže majiacute stejnou rychlost a dopadajiacute na stiacuteniacutetko se stejnou faacuteziacute
b) vytvořiacute interferenčniacute obrazec v přiacutepadě že pohybujiacuteciacute se eacuteter vůči aparatuře ovlivnil rychlost
jednoho z paprsků
c)
Obr 41 Model demonstrujiacuteciacute princip Michelson- Morleyho experimentu [5]
Experiment existenci takoveacuteho eacuteteru neprokaacutezal a tak se převaacutežnaacute vědeckaacute komunita od představy
eacuteteru odkolonila
15
Neschopnost lidskeacute mysli uchopit praacutezdnyacute prostor dala v historii vzniknout pojmu horror vacui
neboli strach z praacutezdnoty [21]
Italskyacute fyzik a matematik Evangelista Torricelli žijiacuteciacute v 17 stoletiacute vešel do povědomiacute širokeacute
veřejnosti jednak pro vědeckyacute přiacutespěvek v oboru matematiky ale předevšiacutem pro vynalezeniacute
barometru Torricelli při svyacutech pokusech experimentoval s dlouhou skleněnou trubiciacute deacutelky 12 m
kterou naplnil rtutiacute a poteacute ji otevřenyacutem koncem ponořil do naacutedoby plneacute rtuti Pozoroval že velkaacute čaacutest
rtuti v trubici zůstala a nad jejiacute hladinou vnikl vzduchopraacutezdnyacute prostor Stal se tak prvniacutem člověkem
v historii kteryacute vytvořil vzduchopraacutezdno neboli vakuum [7]
Obr 42 Aparatura Evangelisty Torricelliho diacuteky ktereacute vytvořil makroskopickeacute vakuum
Vakuum zastupuje širokou škaacutelu tlaků V technickeacute praxi naleacutezaacute širokeacute praktickeacute využitiacute a je proto
podle velikosti tlaku rozděleno děleno do kategoriiacute ktereacute jsou v Tab 42
Tab 41 Rozděleniacute vakua podle tlakoveacuteho paacutesma a množstviacute hmoty v objemu[22]
Tlakoveacute paacutesmo
Tlak Množstviacute hmoty
v objemu
[Pa] [molekulcm3]
Atmosfeacuterickyacute tlak 101times105 27 x 10
19
Hrubeacute vakuum 10+4
hellip10+2
1019
- 1016
Jemneacute vakuum 10+2
hellip10minus1
1016
- 1013
Vysokeacute vakuum (HV) 10minus1
hellip10minus5
1013
hellip109
Ultra vysokeacute vakuum (UHV) 10minus5
hellip10minus10
109hellip10
4
Extreacutemně vysokeacute vakuum (XHV) lt10minus10
lt104
16
Vynaacutelezce Otto von Guericke demonstroval siacutelu podtlaku analogiiacute s osmi spřaženiacutemi osmi koni kteřiacute
nejsou schopni společnyacutemi silami oddělit dvě poloviny vzduchopraacutezdneacute koule jak ukazuje Obr 43
Obr 43 Osm koniacute neniacute schopno od sebe oddělit dvě poloviny vzduchopraacutezdneacute koule [8]
Zařiacutezeniacute pro tvorbu vakua se nazyacutevaacute vyacutevěva I kdyby se naacutem podařilo sestrojit dokonalou vyacutevěvu
kteraacute by z prostoru odstranila všechny znaacutemeacute hmotneacute čaacutestice prostor by i tehdy nezůstal praacutezdnyacute
Klasickaacute teorie poklaacutedaacute vakuum za praacutezdnyacute prostor bez hmotnyacutech čaacutestic Je však nutneacute přihleacutednout
k faktu že existujiacute teorie a experimenty jež připouštějiacute že vakuum neniacute praacutezdneacute miacutesto toho je plneacute
aktivity a co je ještě důležitějšiacute lze tuto aktivitu využiacutet v našem reaacutelneacutem světě
42 Heisenbergův princip neurčitosti
Velmi důležityacutem zaacutekonem určujiacuteciacutem pravidla v kvantoveacutem světě je Heisenbergův princip neurčitosti
Ten řiacutekaacute že pro současneacute měřeniacute polohy x a hybnosti čaacutestice p nemůže byacutet součin neurčitostiacute v určeniacute
polohy Δx a hybnosti Δp čaacutestice menšiacute než redukovanaacute Planckova konstanta ħ Pro tuto konstantu platiacute
ħ = h2π =105410-34
Js Důsledkem Heisenbergova principu je že se na mikroskopickeacute uacuterovni může
narušovat zaacutekon zachovaacuteniacute energie a to takovyacutem způsobem že součin velikosti tohoto narušeniacute a
doby po kterou trvaacute je menšiacute než redukovanaacute Planckova konstanta V takoveacutem přiacutepadě nelze toto
porušeniacute pozorovat
Heisenbergův princip neurčitosti pro současneacute měřeniacute polohy a hybnosti čaacutestice maacute tvar
(5)
Heisenbergův princip neurčitosti pro současneacute měřeniacute času a energie čaacutestice maacute tvar
(6)
Platnost rovnice (6) vede tomu že ve vakuu mohou existovat velice rychleacute fluktuace energie ktereacute
vznikajiacute jako v důsledku vzniku tzv virtuaacutelniacutech čaacutestic a jejich antičaacutestic ktereacute velice rychle vznikajiacute a
zanikajiacute vlivem vzaacutejemneacute anihilace A to v čase daneacutem Heisenbergovyacutem principem neurčitosti [9]
17
43 Virtuaacutelniacute čaacutestice
Jednaacute se o čaacutestici kteraacute neniacute přiacutemo pozorovatelnaacute je zavedena z důvodu existence řady pozorovanyacutech
jevů Virtuaacutelniacute čaacutestice může existovat diacuteky Heisenbergovu principu neurčitosti a v časoveacutem okamžiku
daneacutem tiacutemto zaacutekonem narušuje zaacutekon o zachovaacuteniacute energie U reaacutelneacute čaacutestice jejiacutež existence nenarušuje
zaacutekon zachovaacuteniacute energie je splněn relativistickyacute vztah mezi celkovou energiiacute čaacutestice E jejiacute hybnostiacute p
a klidovou energiiacute U virtuaacutelniacute čaacutestice tento vztah mezi uvedenyacutemi fyzikaacutelniacutemi veličinami neplatiacute
Virtuaacutelniacute čaacutestice tak může miacutet třeba velmi velkou hybnost a jen velmi malou energii Existence
virtuaacutelniacute čaacutestice je omezena na velice kraacutetkou dobu Při neustaacuteleacutem vzniku a zaacuteniku těchto čaacutestic
vznikajiacute ve vakuu vysokofrekvenčniacute fluktuace elektromagnetickyacutech poliacute různyacutech vlnovyacutech deacutelek [9]
44 Casimirův jev
V roce 1958 holandskyacute fyzik M J Sparnaay předpověděl existenci sil mezi dvěma kovovyacutemi
deskami jejichž přiacutečinou nebylo tepelneacute zaacuteřeniacute Byl zaveden pojem zero point energy (energie
nuloveacuteho bodu) označujiacuteciacute elektromagnetickou energii vyskytujiacuteciacute se ve vakuu při absolutniacute nuloveacute
teplotě [18]
Důkazem existence teacuteto energie je uacutedajně fakt že helium zůstaacutevaacute i při teplotaacutech mezi -272degC až
273degC staacutele v kapalneacutem skupenstviacute a nedojde k jeho přeměně na skupenstviacute pevneacute [17]
Způsob jakyacutem by bylo možneacute projevy virtuaacutelniacutech čaacutestic experimentaacutelně změřit navrhl v roce 1948
holandskyacute fyzik Hendrik Casimir Casimir uvažoval o dvou paralelniacutech elektrodaacutech (zrcadlech)
umiacutestěnyacutech ve vakuu za teploty bliacutezkeacute absolutniacute nule Vně těchto zrcadel vakuoveacute fluktuace
elektromagnetickyacutech poliacute dosahujiacute širokeacuteho spektra energiiacute ovšem v souladu s Heisenbergovyacutemi
relacemi neurčitosti Jinaacute situace nastaacutevaacute mezi elektrodami ktereacute tvořiacute rezonaacutetor Zde mohou vznikat
pouze fluktuace určityacutech vlnovyacutech deacutelek ndash moacutedů rezonaacutetoru Ostatniacute vlnoveacute deacutelky jsou vněm
potlačeny Tato nerovnovaacuteha fluktuaciacute vně elektrod a mezi nimi způsobuje tlakovou siacutelu kteraacute
přitahuje elektrody k sobě Jev se nazyacutevaacute Casimirův jev (efekt) a je makroskopickyacutem projevem
kvantovyacutech jevů stejně jako napřiacuteklad supravodivost nebo supratekutost [10]
Obr 44 Demonstrace Casimirova jevu Dvě kovoveacute desky tvořiacute rezonaacutetor pouze pro některeacute vlnoveacute
deacutelky důsledkem je působeniacute přitažliveacute siacutely mezi těmito deskami [11]
Fluktuace
vakua Casimirovi
desky
18
441 Casimirova siacutela
Casimirův efekt se projevuje jako Casimirova siacutela Casimirovu siacutelu mezi vodivyacutemi elektrodami
způsobuje nerovnovaacuteha mezi kvantovyacutemi fluktuacemi elektromagnetickyacutech poliacute ve vakuu vně
elektrod a mezi nimi [10]
Casimirovu siacutelu lze vypočiacutetat na zaacutekladě vztahu (7) uvedeneacuteho v literatuře[17]
(7)
Na obr45 je graf Prof Dr Davida Iannuzziho kteryacute zobrazuje přibližně exponenciaacutelniacute naacuterůst
publikaciacute pojednaacutevajiacuteciacute o Casimirově vevu Tiacutem dokazuje značnyacute naacuterůst zaacutejmu o tento fenomeacuten
Obr 45 Naacuterůst publikaciacute tyacutekajiacuteciacutech se Casimirova jevu [8]
442 Aparatura pro měřeniacute Casimirova jevu
Laboratorniacute měřeniacute Casimirova jevu v Kalifornskeacute univerzitě v Riverside bylo provedeno na
miniaturniacute aparatuře pro měřeniacute kvantově mechanickyacutech efektů bdquopraacutezdneacuteho prostoruldquo Na Obr 46 je
kulička o průměru 01 mm zobrazenaacute skrze elektronovyacute mikroskop Kulička je umiacutestěna pod hladkou
destičkou (destička neniacute na obraacutezku) Diacuteky kvantově mechanickeacutemu Casimirovu efektu se kulička
k destičce přitahuje Změna pozice kuličky je měřena mikroskopem pro měřeniacute atomaacuterniacutech sil
19
Obr 46 Mikroskopickaacute aparatura pro měřeniacute Casimirova jevu
443 Tepelnyacute Casimirův jev
Při konečneacute teplotě vstupujiacute do hry tepelneacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole a přispiacutevajiacute tak k
siloveacutemu působeniacute mezi elektrodami Tepelneacute fluktuace jsou způsobeny chaotickyacutem pohybem
volnyacutech elektronů v materiaacutelu elektrod Paralelniacute elektrody opět představujiacute rezonaacutetor ve ktereacutem je
možneacute vybudit pouze určiteacute moacutedy Každyacute moacuted představuje stav s přesně určenou energiiacute Tyto stavy
jsou obsazovaacuteny fotony ktereacute reprezentujiacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole Obsazeniacute těchto
hladin popisuje Boseho-Einsteinovo rozděleniacute [10]
Boseho-Einsteinovo rozděleniacute popisuje ve statistickeacute fyzice systeacutemy složeneacute z bosonů tedy čaacutestic se
symetrickou vlnovou funkciacute a celočiacuteselnyacutem spinem Bose-Einsteinovyacutem rozděleniacutem se řiacutediacute napřiacuteklad
fotony je z něj tedy možneacute odvodit napřiacuteklad Planckův vyzařovaciacute zaacutekon [12]
Při nuloveacute teplotě všechny fotony obsadiacute pouze nejnižšiacute energetickou hladinu jak je vidět na Obr 47
S rostouciacute teplotou postupně dochaacuteziacute k obsazovaacuteniacute i dalšiacutech vyššiacutech energetickyacutech hladin Mezi
zrcadly vznikaacute dalšiacute přitažlivaacute siacutela kteraacute ovšem zaacutevisiacute na teplotě Jednaacute se tedy o tepelnyacute Casimirův
jev
Obr 47 Vlevo zaujiacutemajiacute bosony při teplotaacutech bliacutezkyacutech absolutniacute nule jedinyacute stav s nejnižšiacute energiiacute Se
vzrůstajiacuteciacute teplotou bosony (vpravo) postupně obsazujiacute stavy s vyššiacute energiiacute [13]
Přestože tepelnyacute Casimirův jev byl teoreticky předpovězen Jevgenijem Lifšicem v roce 1955 dočkal
se sveacuteho objevu až v roce 2010 Tento uacutekol se podařilo zvlaacutednout skupině vědců na americkeacute Yaleově
univerzitě Tepelneacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole byly opět měřeny prostřednictviacutem přitažliveacute
siacutely mezi dvěma elektrodami Připravit dokonale rovinneacute paralelniacute plochy je poměrně obtiacutežneacute a proto
20
byl experiment provaacuteděn s jednou rovinnou elektrodou a druhou elektrodou ve tvaru kuloveacute plochy
Obě elektrody byly vyrobeny ze zlata s přesnostiacute 10 nm (kulovaacute elektroda) a 1 nm (rovinnaacute elektroda)
Siacutela mezi elektrodami byla měřena pomociacute torzniacuteho kyvadla kde torzniacute siacutela wolframoveacuteho draacutetku o
průměru 25 μm byla vyrovnaacutevaacutena přitažlivou silou mezi elektrodami Kapacitniacute polohovyacute senzor
sniacutemal vyacutechylku torzniacuteho kyvadla Celyacute experiment probiacutehal při teplotě 300 K [14]
Obr 48 Scheacutema zařiacutezeniacute pro měřeniacute tepelneacuteho Casimirova jevu (pohled shora) [14]
Naměřeneacute vyacutesledky byly porovnaacutevaacuteny se dvěma teoretickyacutemi modely ndash plazmovyacutem modelem a
Drudeho modelem Tyto modely popisujiacute chovaacuteniacute permitivity elektrod v zaacutevislosti na frekvenci
Naměřeneacute vyacutesledky ukazujiacute shodu s Drudeho modelem při teplotě 300 K Podle tohoto modelu tepelnaacute
přitažlivaacute siacutela roste lineaacuterně s teplotou a klesaacute s druhou mocninou vzdaacutelenosti To znamenaacute že zatiacutemco
Casimirova siacutela převlaacutedaacute na velmi malyacutech vzdaacutelenostech tepelnaacute Casimirova siacutela dominuje na
velkyacutech vzdaacutelenostech Na obraacutezku niacuteže je znaacutezorněna přitažlivaacute siacutela naacutesobenaacute druhou mocninou
vzdaacutelenosti v zaacutevislosti na vzdaacutelenosti mezi elektrodami Podle Drudeho modelu bychom měli dostat
konstantniacute zaacutevislost v miacutestech kde převlaacutedaacute siacutela způsobenaacute tepelnyacutemi fluktuacemi Z Obr 49 je
patrneacute že od vzdaacutelenosti přibližně 3 μm daacutele dostaacutevaacuteme přibližně konstantniacute zaacutevislost [14]
Obr 49 Na vzdaacutelenostech většiacutech než 3 μm dochaacuteziacute ke změně charakteru přitažliveacute siacutely Převlaacutedaacute zde
siacutela způsobenaacute tepelnyacutemi fluktuacemi zatiacutemco na menšiacutech vzdaacutelenostech se viacutece uplatňuje siacutela
pochaacutezejiacuteciacutech z kvantovyacutech fluktuaciacute vakua [14]
21
5 Magnetismus
51 Magnetickeacute pole a jeho siloveacute uacutečinky
Fakt že některeacute nerosty s obsahem železa a jeho oxidů jeviacute jisteacute vzaacutejemneacute siloveacute působeniacute vedlo
člověka k vyacutezkumu hlubšiacute podstaty tohoto fenomeacutenu Magnetismu znaacutemeacutemu již ze středověku začala
byacutet později věnovaacutena značnaacute pozornost předevšiacutem diacuteky poznatku že lze vnějšiacute magnetickeacute pole
vyvolat průchodem proudu nosičů elektrickyacutech naacutebojů elektrickyacutemi vodiči Pokusy H Ch Oersteda s
vodiči zapojenyacutemi k elektrickeacutemu zdroji vykazovali siloveacute působeniacute na magnetku kompasu později
diacuteky A M Ampeacuterovu pokusu takeacute siloveacute působeniacute mezi vodiči proteacutekanyacutemi proudem [15]
Mezi tělesy z feromagnetickyacutech laacutetek se za jistyacutech okolnostiacute projevuje vnějšiacute působeniacute vnitřniacutech
atomaacuterniacutech sil do vnějšiacuteho prostřediacute prostor v okoliacute tělesa i uvnitř něho je magneticky polarizovaacuten a
magnetickeacute předměty se navzaacutejem přitahujiacute či odpuzujiacute v zaacutevislosti na směru vektoru jejich
magnetizace Ve vzdušneacutem prostřediacute lze magnetickou propustnost definovat jako hodnotu přibližně
rovnou permeabilitě vakua
Po odhaleniacute existence magnetismu došlo časem k prudkeacutemu naacuterůstu pokusů se snahou naleacutezt praktickeacute
využitiacute tohoto jevu v lidskeacutem životě Vznik elektrickyacutech strojů prudce zrychlil rozvoj většiny odvětviacute
lidskeacuteho baacutedaacuteniacute
Magnetickeacute pole a jeho siloveacute uacutečinky jsou přiacutetomny při
a) Pohybu elektrickyacutech naacutebojů v obvodu
b) Zmagnetovaacuteniacute magnetik
Kvantitativniacute miacuterou siloveacuteho působeniacute magnetickeacuteho pole je magnetickaacute indukce B
Magnetickeacute pole o indukci 1 T působiacuteciacute na naacuteboj jednoho coulombu kteryacute se pohybuje rychlostiacute 1ms
silou 1 Newtonu jestliže je směr rychlosti naacuteboje a směru působiacuteciacute siacutely kolmyacute
Siacutelu v elektromagnetickeacutem poli působiacuteciacute na jednotkovyacute zkušebniacute naacuteboj v pohybu lze popsat
Lorenzovyacutem vztahem [15]
Ze vztahu je zřejmeacute že rychlost zkušebniacute čaacutestice nemaacute vliv na siloveacute uacutečinky elektrickeacuteho pole
V poli čistě magnetickeacutem kdy je elektrickeacute pole nuloveacute platiacute pro siacutelu vztah
(8)
(9)
22
52 Magnetickyacute moment moment hybnosti a precese momentu hybnosti
Pohybuje-li se elektron po kružnici (obiacutehaacute-li jaacutedro vlivem dostřediveacute siacutely) jsou si jeho magnetickyacute
moment μ a moment hybnosti J uacuteměrneacute Velikost momentu hybnosti elektronu je rovna hmotnosti
elektronu vynaacutesobeneacute jeho rychlostiacute a poloměrem draacutehy kterou opisuje (Obr 51)
Obr 51 Na kruhoveacute draacuteze je magnetickyacute moment μ(q2m)-naacutesobkem momentu hybnosti J[16]
Jeho směr je kolmiacute na rovinu draacutehy Vztah (10) je ne relativistickyacute je však pro atomy dobryacutem
přibliacuteženiacutem
(10)
Magnetickyacute moment tohoto pohybu lze určit jako proud kraacutet obsah plochy kruhu dle vztahu
Proud se vypočiacutetaacute jako naacuteboj kteryacute za jednotku času projde libovolnyacutem bodem draacutehy tj naacuteboj q kraacutet
frekvence kruhoveacuteho pohybu Frekvence je zase rychlost dělenaacute deacutelkou draacutehy takže platiacute
Plocha maacute obsah magnetickyacute moment je tedy možneacute vyjaacutedřit vztahem
Magnetickyacute moment a teacutež moment hybnosti J jsou kolmeacute na rovinu draacutehy Pro orbitaacutelniacute pohyb tedy
platiacute
Pro orbitaacutelniacute pohyb elektronu platiacute
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
23
Magnetismus od orbitaacutelniacuteho pohybu elektronu neniacute jedinyacute existujiacuteciacute druh magnetismu Elektron maacute i
svou vlastniacute rotaci kolem osy Důsledkem je spinovyacute moment hybnosti elektronu neboli vlastniacute
moment hybnosti Pro spinovyacute moment hybnosti se takeacute použiacutevaacute označeniacute spin Z překladu
z angličtiny jde rotace Pojem spin byl zaveden v době kdy se předpoklaacutedalo že jde o rotaci nicmeacuteně
v makrosvětě nemaacute spin analogii a člověk je nucen použiacutet idealizovanou představou rotace [16]
Poměr a je dvakraacutet tak tak velkyacute oproti orbitaacutelniacutemu pohybu elektronu proto je spinovyacute
magnetickyacute moment
Obecně je v každeacutem atomu několik elektronů a tak je celkovyacute moment hybnosti a celkovyacute magnetickyacute
moment daacuten složeniacutem jejich orbitaacutelniacutech a spinovyacutech momentů hybnosti V kvantoveacute mechanice
obecně platiacute že směr magnetickeacuteho momentu izolovaneacuteho atomu maacute opačnyacute směr než moment
hybnosti [16]
Někdy je magnetickyacute moment směsiciacute orbitaacutelniacutech a spinovyacutech přiacutespěvků jejichž vztah můžeme zapsat
Značka g je tzv Landeacuteho faktor a určeniacute jeho velikosti je předmětem kvantoveacute mechaniky
V přiacutepadě atomovyacutech jader figurujiacute naviacutec i spiny protonů a neutronů Pro jaacutedra obecně piacutešeme
Precese pohyb atomovyacutech magnetů v magnetickeacutem poli
Umiacutestěniacutem atomu do magnetickeacuteho pole je magnetickyacute moment ovlivňovaacuten momentem siacutely kteraacute se
jej snažiacute pootočit do směru pole Atomovyacute magnet je jako setrvačniacutek ndash maacute spinovyacute moment hybnosti
Moment siacutely způsobenyacute magnetickyacutem polem proto nedokaacuteže atomovyacute magnet udržet
v daneacutem směru Magnet proto bude vykonaacutevat precesniacute pohyb podobnyacute precesi mechanickeacuteho
setrvačniacuteku[16]
Rotuje-li těleso okolo osy zaznamenaacuteme u něj jistou podobnost v chovaacuteniacute s elementaacuterniacutem atomovyacutem
magnetem o momentu hybnosti
Jevy zjevneacute při rotaci tělesa lze popsat naacutesledujiacuteciacutemi tvrzeniacutemi
Pokud na rotujiacuteciacute těleso nepůsobiacute vnějšiacute siacutely zachovaacutevaacute si osu svojiacute rotace Nenulovyacute moment
siacutely působiacuteciacute na rotujiacuteciacute těleso ovlivňuje osu jeho rotace tiacutem viacutece čiacutem maacute těleso menšiacute
moment hybnosti
Když nutiacuteme rotujiacuteciacute těleso změnit osu svojiacute rotace chovaacute se tak že se snažiacute ztotožnit s osou
vynuceneacute rotace
(16)
(
) (17)
(
) (18)
24
Precese subatomaacuterniacutech čaacutestic v magnetickeacutem poli se s vyacutehodou využiacutevaacute v metodaacutech magnetickeacute
jaderneacute a elektronoveacute paramagnetickeacute rezonance
Nabiacuteziacute se otaacutezka jestli je možneacute určityacutem způsobem převeacutest siloveacute uacutečinky precesniacuteho pohybu
momentu hybnosti na mechanickyacute pohyb v nějakeacutem elektrickeacutem stroji Projevy rezonančniacutech jevů
jsou u všech typů magnetickyacutech rezonanciacute však velice slabeacute a frekvence Larmorovy precese s jakou
vektor magnetickeacuteho momentu rotuje ve vnějšiacutem poli je u elektronů ktereacute jsou přiacutečinou magnetismu
u feromagnetik až v řaacutedech GHzT Tiacutem paacutedem by musel mechanickyacute systeacutem v pracujiacuteciacute v rezonanci
s precesniacute frekvenciacute momentu hybnosti kmitat či rotovat teacutež v řaacutedech GHz nebo v jisteacutem poměru k
prvniacute harmonickeacute teacuteto frekvence
25
6 Nekonvenčniacute elektrickeacute stroje
Podle autorů elektrickyacutem motorů jsou motory založeneacute na jistyacutech principech schopny pracovat s
uacutečinnostiacute překračujiacuteciacute 100 Ve čtvrteacute kapitole hovořiacuteciacute o vakuu je popsaacuten Casimirův jev jako
důsledek narušeniacute symetrie prostorovyacutech fluktuaciacute elektromagnetickyacutech poliacute vakua mezi dvěma
kovovyacutemi deskami Vezmeme-li v uacutevahu teorii o prostoru vyplněneacutem vznikajiacuteciacutemi a zanikajiacuteciacutemi
virtuaacutelniacutemi čaacutesticemi nabiacuteziacute se otaacutezka Je možneacute zkonstruovat systeacutem kteryacute by energii projevujiacuteciacute se
jako fluktuace elektromagnetickyacutech poliacute vakua proměnil na užitečnou elektrickou či mechanickou
energii v takoveacute měřiacutetku aby byl schopnyacute napaacutejet elektrickeacute obvody sveacuteho řiacutezeniacute popř dodaacutevat
vyacutekon do vnějšiacute zaacutetěže Ze znalosti termodynamickyacutech zaacutekonů jasně vypliacutevaacute možnost využitiacute
teplotniacuteho rozdiacutelu dvou prostřediacute k ziacuteskaacuteniacute užitečneacute energie Tepelnaacute čerpadla jsou toho důkazem
Vzhledem k existenci elektromagnetickeacute energie vakua i při absolutniacute nule je možneacute tuto energii
považovat za vstupniacute energii do systeacutemu zobrazeneacuteho blokově na Obr 61
Obr 61 Blokoveacute scheacutema systeacutemu napaacutejeneacuteho energiiacute odčerpaacutevanou z okolniacuteho prostřediacute
Energie vstupuje do systeacutemu z vnějšiacuteho prostřediacute a sloužiacute pro napaacutejeniacute vnějšiacute zaacutetěže i systeacutemu
samotneacuteho
Systeacutem
Vstup energie do systeacutemu
z okolniacuteho prostřediacute
Vyacutestup využitelneacute
formy energie
Energie potřebnaacute pro řiacutezeniacute
systeacutemu se z vyacutestupu navraciacute
zpětnou vazbou
26
61 Johnsonův motor
V roce 1973 pět let po podaacuteniacute přihlaacutešky byl Howardu Johnsonovi udělen patent US 4151431 na
motor s permanentniacutemi magnety V roce 1995 pak patent US 5402021 popisujiacuteciacute magnetickyacute
pohonnyacute systeacutem založenyacute na obdobneacutem principu Oba tyto systeacutemy uacutedajně využiacutevajiacute ke konaacuteniacute praacutece
pouze siacutely permanentniacutech magnetů Ačkoli dnešniacute věda zavrhuje využitiacute vnějšiacutech projevů
subatomaacuterniacuteho pohybu čaacutestic hmoty permanentniacutech magnetů ke konaacuteniacute nepřetržiteacute praacutece v systeacutemu
Johnson uacutedajně připouštiacute že přesně neviacute odkud se energie kterou čerpaacute bere Ale domniacutevaacute se že
může miacutet souvislost s rotaciacute elektronů možnaacute dokonce souvisiacute s dosud nepojmenovanou čaacutesticiacute
V roce 1980 vyšel v dnes již zanikleacutem časopisu Science and Mechanics člaacutenek o Johnsonově motoru
popisujiacuteciacute vzaacutejemneacute interakce mezi magnety rotoru a statoru
Konstrukčniacute uspořaacutedaacuteniacute Johnsonova motoru
Obr 62 Čelniacute pohled do Johnsonova motoru Stator maacute po obvodu rozmiacutestěny tři obloukoviteacute
magnety Rotoroveacute magnety jsou vzaacutejemně odděleny vzduchovyacutemi mezerami [16]
Z Předniacuteho pohledu do motoru na Obr 62 jsou vidět tři obloukoviteacute permanentniacute magnety statoru
pravidelně rozmiacutestěneacute kolem rotoru
Obr 63 Z bočniacuteho pohledu do motoru je patrnaacute šroubovitaacute hřiacutedel kteraacute sloužiacuteciacute k zabrzděniacute stroje
[16]
27
Obr 64 Horniacute pohled na dva obloukoviteacute statoroveacute magnety navzaacutejem posunuteacute a překryacutevajiacuteciacute
magnety rotoru [16]
Obr 65 Průběhy změny indukce během změny polohy jižniacuteho a severniacuteho poacutelu magnetu statoru vůči
rotorovyacutem magnetům
Obr 66 Naznačeniacute pohybu obloukovyacutech magnetů rotoru nad statorovyacutemi magnety
Popis principu
Obr 66 ukazuje některeacute zaacutekladniacute vztahy Plneacute čaacutery představujiacute přitažliveacute siacutely přerušovaneacute čaacutery
představujiacute odpuzovaacuteniacute a dvojiteacute čaacutery v obou přiacutepadech znaacutezorňujiacute dominantniacute siacutely
Na Obr 66 je obloukově zakřivenyacute permanentniacute magnet ve třech po sobě naacutesledujiacuteciacutech polohaacutech nad
pevnyacutemi statorovyacutemi magnety Obr 66 poskytuje alespoň velmi zjednodušenyacute pohled do teorie
28
pohonu pomociacute permanentniacutech magnetů Johnson řiacutekaacute že zakřiveneacute magnety s ostryacutemi konci jsou
důležiteacute protože koncentrujiacute magnetickou energii mnohem uacutečinněji než magnety s tupyacutemi konci Tyto
obloukoviteacute magnety jsou o něco delšiacute než je deacutelka dvou magnetů statoru včetně mezery mezi nimi V
Johnsonově konstrukci jsou dlouheacute
palce
Všechny statoroveacute magnety majiacute severniacute poacutel nahoře a spočiacutevajiacute na podložce vyrobeneacute z materiaacutelu s
vysokou permeabilitou kteraacute pomaacutehaacute koncentrovat silovaacute pole Optimaacutelniacute mezera mezi konci
rotorovyacutech magnetů a statorem je kolem
palce
Když se severniacute poacutel magnetu rotoru nachaacuteziacute nad statorovyacutem magnetem je jiacutem odpuzovaacuten a je ke
statoru přitahovaacuten když prochaacuteziacute nad mezerou mezi statorovyacutemi magnety Přesně opačneacute siacutely působiacute
u jižniacuteho poacutelu rotoroveacuteho magnetu Je přitahovaacuten když prochaacuteziacute nad statorovyacutem magnetem a je
odpuzovaacuten když se nachaacuteziacute nad mezerou
Předniacute poacutel N rotoru je odpuzovaacuten severniacutemi poacutely dvou přilehlyacutech magnetů Ale v zobrazeneacute poloze
magnetu rotoru tyto dvě odpudiveacute siacutely (ktereacute zřejmě působiacute proti sobě) nejsou totožneacute většiacute z obou sil
(dvojitaacute přerušovanaacute čaacutera) překonaacutevaacute druhou siacutelu a taacutehne rotor doleva Tento pohyb vlevo je zrychlen
přitažlivou silou mezi severniacutem poacutelem rotoru a jižniacutem poacutelem v mezeře mezi statorovyacutemi magnety
Současně na druheacutem konci (S) rotoroveacuteho magnetu Deacutelka tohoto magnetu je cca
palce a je
zvolena s ohledem na velikost paacuteru statorovyacutech magnetů a mezery mezi nimi aby přiacutetažliveacute a
odpudiveacute siacutely taacutehly magnety rotoru doleva V tomto přiacutepadě je poacutel S přitahovaacuten severniacutemi poacutely
přilehlyacutech statorovyacutech magnetů ale z důvodu rozměrů rotoroveacuteho magnetu je rotor silněji tažen
doleva (dvojitaacute plnaacute čaacutera) Takeacute zde je s vyacutehodou využito siloveacute působeniacute mezi koncem rotoroveacuteho
magnetu a mezerou mezi magnety statoru V tomto přiacutepadě majiacute oba poacutely stejnou polaritu (S) proto se
vzaacutejemně odpuzujiacute
Je nutneacute dodržet spraacutevnou deacutelku magnetů rotoru Jestliže jsou buď přiacuteliš dlouheacute nebo přiacuteliš kraacutetkeacute
mohou dosaacutehnout nežaacutedouciacute rovnovaacutehy kteraacute znamenaacute konec pohybu Ciacutelem je optimalizovat
všechny siacutely tak aby bylo dosaženo maximaacutelniacute nerovnovaacutehy ale vždy stejnyacutem směrem Když se rotor
otočiacute o 180 stupňů a dostane se na opačnyacute konec draacutehy bude se chovat stejnyacutem způsobem až na to že
se v tomto přiacutekladu bude pohybovat zleva doprava Takeacute musiacuteme poznamenat že jakmile je rotor v
pohybu maacute moment kteryacute pomůže dostat rotorovyacute magnet do sfeacutery vlivu dalšiacuteho paacuteru magnetů
statoru kde ziacuteskaacute dalšiacute moment [25]
29
62 Adamsův motor generaacutetor
Podle informačniacuteho zdroje [26] byl vynaacutelez Roberta Adamse viacutece než 20 let držen v tajnosti Jeho
autorovi bylo vyhrožovaacuteno smrtiacute v přiacutepadě že bude šiacuteřit informace tyacutekajiacuteciacute se principů na nichž jeho
motorgeneraacutetor pracuje Informace byly po letech zveřejněny internetoveacutem magaziacutenu Nexus
Adams ke sveacutemu stroji vytvořil publikaci The Adams pulsed motor generator manual ve ktereacute uvaacutediacute
naacutesledujiacuteciacute obraacutezkoveacute ilustrace Autor v něm teacutež předklaacutedaacute grafy naměřenyacutech průběhů napětiacute pro
různeacute režimy stroje
Robert Adams tvrdiacute Naacuteš vesmiacuter je moře volneacute čisteacute energie A čekaacute jen na to abychom ji začali
využiacutevat
Vlastnosti a vyacutehody Adamsova motor generaacutetoru uvedeneacute Robertem Adamsem
1) Překonaacutevaacute zpětnou elektromotorickou siacutelu kteraacute je probleacutemem všech konvenčniacutech strojů
2) Střiacutedavě zapřahuje ZES tedy zanikajiacuteciacute magnetickeacute pole čiacutemž zvyšuje moment a snižuje
přiacutekon
3) V režimu motorgeneraacutetoru nevyžaduje k vyacuterobě elektrickeacuteho vyacutestupniacuteho vyacutekonu
oddělenyacute motor
4) Pro běh stroje a vyacuterobu vyacutestupniacuteho vyacutekonu využiacutevaacute jedinyacute rotor
5) Všechny poacutely rotoru majiacute stejnou polaritu
6) Statoroveacute hnaciacute vinutiacute a poacutely jsou menšiacutech rozměrů
7) Velikost vzduchoveacute mezery neniacute kritickaacute
8) Nevyžaduje chladiacuteciacute ventilaacutetor
9) Stroj nevyžaduje konstantniacute vstupniacute proud
10) Naacutevrh stroje je naacutesledujiacuteciacute
a) Energie je vede zpět do baterioveacuteho zdroje
b) Magnetickyacute zpětnyacute tah je prakticky nulovyacute
c) Teplota při plneacutem zatiacuteženiacute je polovičniacute ve srovnaacuteniacute s jakyacutemkoliv konvenčniacutem strojem
d) S ohledem na způsob mechanickeacuteho spiacutenaacuteniacute kteryacute zajišťuje zužujiacuteciacute se hvězda
kontaktniacuteho disku je možneacute měnit střiacutedu impulzů
11) V režimu vysokeacute uacutečinnosti stroj čerpaacute energii z prostoru
12) Čiacutem nižšiacute rychlostiacute se otaacutečiacute tiacutem dosahuje vyššiacute uacutečinnosti a krouticiacuteho momentu na rozdiacutel
od konvenčniacutech strojů
13) V rezonančniacutem režimu nejsou přiacutetomny jaloveacute ztraacutety a stroj vykazuje konstantniacute vyacutekon a
moment
14) Jelikož se směr energie ze zdroje neměniacute nejsou přiacutetomny ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy a
hystereziacute
15) Stroj se ve všech pracovniacutech režimech saacutem chraacuteniacute před některyacutemi nepřiacuteznivyacutemi situacemi
ktereacute v jinyacutech přiacutepadech vyžadujiacute doplňujiacuteciacute zařiacutezeniacute
16) Vysokeacute otaacutečky nejsou nutneacute čiacutemž odpadajiacute probleacutemy s nimi spojeneacute
17) Stroj je možneacute elektricky zatiacutežit a počiacutetat s naacuteslednyacutem naacuterůstem vyacutestupniacute energie od 50
přes 100 a to bez přetiacuteženiacute nebo naacuterůstu teploty nad normaacutelniacute pracovniacute teplotu
30
18) Stroj je saacutem o sobě obdivuhodně jednoduchyacute a nevyžaduje draheacute obvody pro řiacutezeniacute
rychlosti [26]
Popis zaacutekladniacute konstrukce
Adamsův motor-generaacutetor je elektrickyacute stroj s permanentniacutemi magnety radiaacutelně uloženyacutemi v rotoru
Stroj je uacutedajně možneacute zkonstruovat v různyacutech konfiguraciacutech podle toho zda požadujeme vyacutestupniacute
vyacutekon spiacuteše elektrickyacute nebo mechanickyacute
Zaacutekladniacute konfigurace stroje určenaacute pro vyacutestup elektrickeacuteho vyacutekonu ze stroje obsahuje tři druhy
statorovyacutech magnetickyacutech poacutelů vhodně rozmiacutestěnyacutech kolem rotoru s permanentniacutemi magnety
1 Permanentniacute magnety rotoru jsou všechny polarizovaacuteny ve stejneacutem směru Tok
magnetickeacute indukce všech vystupuje buď ven nebo dovnitř směrem ke hřiacutedeli
Obr 67 Magnety jsou pro zvyacutešeniacute vyacutekonu stroje uloženy v několika rotorovyacutech sekciacutech
2 Řiacutediacuteciacute poacutely jsou napaacutejeny pulzně v zaacutevislosti na poloze rotoru vůči statoru a to skrze
mechanickyacute komutaacutetor Ciacutevky jsou navinuty na jaacutedra ze kteryacutech vystupuje magnetickyacute tok
v opačneacutem směru oproti toku permanentniacutech magnetů v rotoru Rotor se pohybuje jelikož je
odpuzovaacuten těmito silovyacutemi uacutečinky
Obr 68 Pulzně buzeneacute ciacutevky
31
3 Zpětnovazebniacute poacutely jsou navinuty na magnetickyacutech jaacutedrech a jsou napaacutejeny elektrickou
energiiacute kteraacute se zpětně indukuje do elektrickeacuteho obvodu řiacutediacuteciacutech ciacutevek v důsledku prudkeacuteho
přerušeniacute dodaacutevky proudu Magnetickeacute pole v prostoru vzduchoveacute mezery a rozptylovyacutech
drahaacutech se snažiacute zaacuteniku proudu zabraacutenit čiacutemž vznikaacute prudkyacute energetickyacute skok
Obr 69 Zpětnovazebniacute ciacutevky
4 Generaacutetorickeacute poacutely generujiacute proud do připojeneacute zaacutetěže
Obr 610 Zpětnovazebniacute ciacutevky
5 Permanentniacute poacutely statoru jsou tvořeny feritovyacutemi magnety rozmiacutestěny po obvodu rotoru podle
konfigurace na Obr611a majiacute za uacutečel zvyacutešit mechanickyacute moment rotoru
32
Obr 611 Rozmiacutestěniacute permanentniacutech magnetů po obvodu statoru
Na Obr 612 je princip spiacutenaacuteniacute proudu do ciacutevek statoru řešenyacute prostřednictviacutem mechanickeacuteho
komutaacutetoru ve tvaru čtyřciacutepeacute hvězdy Při otaacutečeniacute dochaacuteziacute v jistyacutech polohaacutech ke spojeniacute kontaktů
dosedajiacuteciacutech na komutaacutetor a proud tekouciacute ciacutevkami v nich vybudiacute magnetickyacute indukčniacute tok kteryacute
svyacutemi uacutečinky odpuzuje permanentniacute magnety v rotoru Na obraacutezku je naznačen princip motoru a
způsob měřeniacute otepleniacute jaacutedra při daneacute mechanickeacute zaacutetěži Do jaacutedra je vyvrtaacuten otvor do nějž je
zasunuta teplotniacute sonda Otepleniacute jaacutedra by nemělo překročit 40 degC
Obr 612 Zaacutekladniacute konstrukce Adamsova motoru sloužiacuteciacute pro demonstraci nastaveniacute vhodneacute velikosti
proudu tekouciacuteho do vinutiacute ciacutevek při požadovaneacute mechanickeacute zaacutetěži
33
Obr 613 Vyacutekres Adamsova motor generaacutetoru s osmi permanentniacutemi magnety v rotoru
stejnosměrnyacutemi pulzniacutemi ciacutevkami a generaacutetorovyacutemi ciacutevkami navinutyacutemi na odlišnyacutech magnetickyacutech
jaacutedrech
Robert Adams ve sveacute publikaci uvaacutediacute na Obr 614 zaznamenaacuteny průběhy hodnot napětiacute na bateriiacutech
postupně připojovanyacutech na elektrickyacute vyacutestup stroje Přičemž hodnota napětiacute na vstupniacute napaacutejeciacute baterii
se měniacute jen nepatrně Na zaacutekladě těchto dat uvedenyacutech v Tab 61 Adams stanovuje uacutečinnost motor
generaacutetoru
Obr 614 Baterie na vyacutestupu jsou postupně dobiacutejeny přičemž velikost napětiacute na vstupniacute baterii se
snižuje jen nepatrně
34
Naacutesledujiacuteciacute tabulka shrnuje vyacutesledky naměřeneacute v grafu na Obr 614
Tab 61 Souhrn vyacutesledků naměřenyacutech hodnot napětiacute na vyacutestupniacutech bateriiacutech
Dokonalejšiacute konstrukce Adamsova motor generaacutetoru
Konstrukce zde popisovanaacute je realizovaacutena jako model pro měřeniacute uacutečinnosti tohoto motoru avšak
s několika podstatnyacutemi konstrukčniacutemi rozdiacutely o nichž se zmiňuji při popisu realizovaneacuteho stroje
Rotor na Obr 615 maacute 7 vyniklyacutech poacutelů rotoru a 8 statorovyacutech jader Je možneacute použiacutet i 6 jader ve
statoru při použitiacute stejneacuteho rotoru Tiacutem však dojde ke sniacuteženiacute uacutečinnost stroje Počet rotorovyacutech a
statorovyacutech poacutelů by neměl byacutet v celočiacuteselneacutem poměru
Obr 615 Konfigurace se 6 poacutely statoru a 7 poacutely rotoru Magnetizačniacute vinutiacute protějšiacutech poacutelů
statoru jsou spojena do seacuterie
Popis principu činnosti během otaacutečeniacute rotou
Na Obr 616 (a) je poacutel rotoru R1 přesně mezi statorovyacutemi poacuteli S1 a S2 a představme si že směřuje k S2
a je jiacutem přitahovaacuten až do chviacutele kdy je v pozici na obr (c) Nyniacute je zarovnaacuten s jaacutedrem statoru jehož
vinutiacutem začne proteacutekat proud kteryacute maacute takovou polaritu aby došlo k odpuzovaacuteniacute rotoroveacuteho poacutelu ze
zarovnaneacute pozice Tiacutem paacutedem je vlivem siloveacute interakce magnetickyacutech polyacute rotoru urychlovaacutem a
proud teče do statoroveacuteho vinutiacute až do chviacutele kdy je vpozici na obr (e) Nyniacute je protějšiacute statororoveacute
jaacutedro zarovnaacuteno s rotorovyacutem poacutelem
Baterie č
(vyacutestup)
Počaacutetečniacute
napětiacute
baterie
[V]
Doba běhu
stroje [h]
Konečneacute
napětiacute baterie
[V]
Naacuterůst
napětiacute
baterie oproti
počaacutetečniacute
hodnotě 102 V
[V]
Uacutečinnost []
1 102 33 1142 122 610
2 1172 15 1184 162 810
3 114 66 1201 181 905
35
Podiacutevejme se co se během toho děje na protějšiacute straně rotoru
Rotorovyacute poacutel R4 na obr (a) je praacutevě zarovnaacutem se statorovyacutem jaacutedrem S5 Tudiacutež je do vinutiacute tohoto
jaacutedra S5 přiveden proud jehož uacutečinky jsou i vtomto přiacutepadě vyvolajiacute odpuzovaacuteniacute poacutelu R4 Proud
vinutiacutem jaacutesdra S5 proteacutekaacute do chviacutele na obr(c) kdy dojde k demagnetizaci statoroveacuteho jaacutedra S2
Obr 617 Vzaacutejemeacute polohy rotoru vůči statorovyacutem poacutelům pro popis principu
Rotor je roztaacutečen těmito silovyacutemi přiacutespěvky
a) Rotorovyacute poacutel je přitahovaacuten ke statorovyacutem magnetickyacutem jaacutedrům vlivem projevu magnetickyacutech
sil permanentniacutech magnetů prostupujiacuteciacutech vzduchovou mezeru a uzaviacuterajiacuteciacutech se přes jaacutedra
statoru
b) Rotor je po zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru se statorovyacutem daacutele roztaacutečen vlivem odpudivyacutech
sil mezi poacutely rotoru a řiacutediacuteciacutemi poacutely statoru Vinutiacute řiacutediacuteciacutech poacutelů je napaacutejeno elektrickyacutemi
impulzy v zaacutevislosti na poloze rotoru vůči statoru Intenzita magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute
mezeře je nejvyššiacute při zarovnaacuteniacute poacutelů statoru a rotoru
Na Obr je pohled do vnitřniacute struktury magnetickeacuteho obvodu popisovaneacuteho stroje
12 podeacutelneacute magnetickeacute poacutely statoru s vysokou permeabilitou
13 rotoroveacute sekce s vyniklyacutemi poacutely
14 hřiacutedel
15 permanentniacute magnety uloženeacute ve středoveacutem pouzdru
16 otvor pro permanentniacute magnety
17 Disk sloužiacuteciacute jako pouzdro magnetů
Obr 618 Pohled na do struktury rotoru
36
Dalšiacutemi motory ktereacute uacutedajně pracujiacute s vysokou jsou Bediniho motor Takahasiho motor a Kawaiův
motor
63 Systeacutem pro přeměnu energie elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute na
elektrickou energii
Americkyacute patent č 5590031 podanyacute 24 července 1994 Franklinem B Meadem a Jackem
Nachamkinem popisuje zařiacutezeniacute přeměňujiacuteciacute vysokofrekvenčniacute elektromagnetickou energii
vakuovyacutech fluktuaciacute vznikajiacuteciacutech jako projev virtuaacutelniacutech čaacutestic teacutež označovanou pojmem bdquozero point
energyldquo na užitečnou elektrickou energii Pojem zero point energy neboli energie nuloveacuteho bodu byl
zaveden vzhledem k faktu že i při teplotě absolutniacute nule (0 K = -27315 degC) vakuum obsahuje energii
fluktuaciacute elektromagnetickyacute poliacute jako důsledek projevů vznikajiacuteciacutech a zanikajiacuteciacutech virtuaacutelniacutech čaacutestic
Na Obr 619 je znaacutezorněn princip zařiacutezeniacute Čiacuteslo 216 symbolizuje vysokofrekvenčniacute
elektromagnetickeacute zaacuteřeniacute Pomociacute litografickeacute technologie jsou vytvořeny dielektrickeacute struktury
(212) a (214) tvaru koule polokoule či disku Tyto struktury jsou velice maleacute a jejich velikost musiacute
byacutet v přiacutemeacutem poměru k vlnoveacute deacutelce elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute Struktury jsou připevněny na
zaacutekladoveacutem substraacutetu (236) a rozloženy do pole (238) Tyto struktury se vlivem působeniacute
elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute pohybujiacute s mnohem menšiacute frekvenciacute než jakou maacute elektromagnetickeacute
zaacuteřeniacute ktereacute jejich pohyb vyvolalo Naacutesledkem pohybu se v anteacuteně (222) indukuje elektrickaacute energie o
využitelneacute frekvenci Jednotliveacute anteacuteny mohou miacutet tvar smyčky nebo mohou byacutet dipoacuteloveacute
Indukovanyacute proud je naacutesledně veden vodiči (226) nebo vlnovodem do primaacuterniacuteho obvodu (228)
transformaacutetoru (232) Kondenzaacutetor (230) sloužiacute pro vyladěniacute rezonančniacuteho obvodu V sekundaacuterniacutem
obvodu je střiacutedavyacute proud usměrněn diodou (234)[17]
Obr 619 Scheacutema zařiacutezeniacute pro přeměnu vysokofrekvenčniacute elektromagnetickeacute energie na využitelnou
formu elektrickeacute energie [14]
37
7 Feromagnetickeacute materiaacutely
Tvar hysterezniacute smyčky magnetickeacuteho materiaacutelu zaacutevisiacute na chemickeacutem složeniacute feromagnetika a na jeho
tepelneacutem zpracovaacuteniacute Z analogie s mechanickou tvrdostiacute rozlišujeme magneticky měkkaacute
feromagnetika kteraacute dobře vedou magnetickyacute tok a tvrdaacute feromagnetika z nichž se vyraacutebiacute
permanentniacute magnety Na Obr71 je naacutezorneacute rozděleniacute magneticky měkkyacutech polotvrdyacutech a tvrdyacutech
materiaacutelů
Obr 71 Rozděleniacute magnetickyacutech materiaacutelů na měkkeacute polotvrdeacute a tvrdeacute
71 Magneticky měkkaacute feromagnetika
Pro vedeneacute magnetickeacuteho toku v magnetickeacutem obvodu motoru je využito měkkyacutech feromagnetik jež
se vyznačujiacute strmou magnetizačniacute křivkou a uacutezkou hysterezniacute smyčkou Majiacute vysokou počaacutetečniacute
a maximaacutelniacute permeabilitu a malou koercivitu Hclt103
Am Často lze hysterezi zanedbat a je možneacute
uvažovat pouze s magnetizačniacute křivkou1
Na trhu s magnetickyacutemi materiaacutely figuruje řada vyacuterobců a distributorů Naacutesledujiacuteciacute z nich jsem
oslovil s prosbou o poskytnutiacute vzorků magnetickyacutech jader pro měřeniacute magnetickyacutech vlastnostiacute
1 aplik
38
711 Vyacuterobci měkkyacutech feromagnetickyacutech materiaacutelů
a) Firma Therma FM
Firma Therma FM vyraacutebiacute magnetickeacute obvody z anizotropniacutech plechů a nabiacuteziacute i izotropniacute
dynamoplechy Materiaacutely pro vyacuterobu jader firma odebiacuteraacute od společnosti ThyssenKrupp
Jaacutedra pro jednofaacutezoveacute transformaacutetory jsem použil jako statoroveacute jaacutedra realizovaneacuteho motoru
Při vyacuterobě naviacutejeno na obdeacutelniacutekoveacute kopyto o rozměrech odpoviacutedajiacuteciacutech požadovaneacute velikosti okna pro
primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Jaacutedro je po navinutiacute z transformaacutetoroveacuteho plechu rozřiacuteznuto na dvě
poloviny jedna z nich je na Obr Xx Po rozřiacuteznutiacute jaacutedra je možneacute nasunout vinutiacute
Obr 72 Fotografie jedneacute poloviny jaacutedra pro jednofaacutezoveacute transformaacutetory
Magnetickeacute vlastnosti jaacutedra vyrobeneacuteho z materiaacutelu M150-30S jsou uvedeny v Tab71
Tab 71 Magnetickeacute vlastnosti jaacutedra stanoveneacute normou EN 10107
Norma Tloušťka
Max ztraacuteta v
jaacutedře při 15 T
[Wkg]
Maximaacutelniacute ztraacuteta
v jaacutedře při 17 T
[Wkg]
Min
J800
Nejmenšiacute
činitel
plněniacute
Typ
EN 10107 mm 50 Hz 50 Hz 60 Hz T PowerCore
M 150-30 S 030 097 150 197 175 0955 C 150-30
Magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelů jakosti M150-30S a M600-50 na Obrxx jsou zrekonstruovaneacute
podle z katalogovyacutech křivek vyacuterobce Thyssen Krupp
39
Obr 73 B-H charakteristiky jader z orientovanyacutech (M150-30S) trafoplechů a
neorientovanyacutechdynamoplechů M600-50
0
05
1
15
2
25
0 250 500 750 1 000 1 250 1 500 1 750 2 000
B [T]
H [Am]
Magnetizačniacute charakteristiky
M150-30S
M600-50
40
b) Firma Vacuumschmelze (VAC)
Tento německyacute vyacuterobce poskytnul dva vzorky toroidniacutech jader s nanokrystalickou strukturou Materiaacutel
je prodaacutevaacuten pod obchodniacutem naacutezvem Vitroperm 500F a vynikaacute velice uacutezkou hysterezniacute smyčkou
vysokou hodnotou magnetickeacute indukce při maleacute koercivitě Zaacutekladniacute složkou Vitropermu je Fe
s přiacuteměsemi Si B Nb a Cu
Tab 72 Magnetickeacute vlastnosti Vitropermu 500F uvedeneacute v katalogu vyacuterobce
Saturačniacute
indukce
Statickaacute
koercivita
Přibližnaacute
rezistivita
Curieho
teplota Permebilita
Měrneacute ztraacutety
(100kHz 03T)
Bs [T] Hc [Am] φ [μΩcm] tc[degC] μi PFe [Wkg]
12 lt3 115 gt600 15000hellip150000 80
Na Obr Xx jsou vyacuterobcem uvedeneacute magnetizačniacute charakteristiky Vitropermu 500F a 250F
v porovnaacuteniacute s typickou charakteristikou feritu
Obr 74 Jaacutedra z Vitropermu 500F dosahujiacute oproti běžneacutemu feritu mnohem vyššiacute magnetickeacute indukce
Je zřejmeacute že cena Vitropermovyacutech jader je oproti feritovyacutem mnohem většiacute a to diacuteky naacuteročneacutemu
vyacuterobniacutemu procesu
Společnost VAC ve sveacutem sortimentu nabiacuteziacute jaacutedra s amorfniacute strukturou s obchodniacutem naacutezvem Vitrovac
Vyraacutebiacute se metodou rychleacuteho tuhnutiacute kdy se na studenyacute buben otaacutečejiacuteciacute se rychlostiacute 100kmh vleacutevaacute
skrze keramickou trysku směs materiaacutelů roztavenaacute na teplotu okolo 1300degC a prudce se ochlazuje
(1000000 Ks) na meacuteně než 400degC v 1ms Tiacutem vznikaacute paacuteska tloušťky 20 μm s amorfniacute strukturou
Na Obr 77 je pro představu vyobrazenaacute krystalickaacute amorfniacute a nanokrystalickaacute struktura materiaacutelu
41
Obr 75 Detail na krystalickou strukturu (vlevo) amorfniacute a nanokrystalickou strukturu (vpravo)
Mezi dalšiacute materiaacutely ktereacute VAC nabiacuteziacute patřiacute materiaacutely pro elektrickeacute stroje a zařiacutezeniacute kde je
požadovaacutena vysokaacute hodnota indukce Tyto materiaacutely jsou znaacutemi pod obchodniacutemi naacutezvy Ultraperm
Vacoperm Mumetall Permax Permenorm Megaperm Trafoperm Vacoflux Vacofer a Vacodur
Pro srovnaacuteniacute jsou na Obrxx magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelů Vacoflux 50 Vacoflux 17 a Fe a
Fe 3 přiacuteměsiacute Si
Obr 76 Statickeacute magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelu Vacoflux 50 a Vcoflux 17 dosahuiacute vyšiacute
hodnoty magnetickeacute indukce nasyceniacute než běžnaacute křemiacutekovaacute ocel s obsahem 3 křemiacuteku a Fe 999
42
c) Firma Magnetics
Společnost Magnetics vyraacutebiacute jaacutedra lisovaacuteniacutem prachovyacutech přiacuteměsiacute se zaacutekladniacute složkou Na trhu jsou
znaacutemy pod označeniacutem High Flux MPP (Magnetics Molypermalloy Powder) Kool Mμ a Xflux
1 Jaacutedra High Flux jsou složena ze 79 Ni 17 Fe a 4 Mo Majiacute nejnižšiacute měrneacute ztraacutety ze
všech prchovyacutech jader
2 Jaacutedra MMP obsahujiacute 81 NI 17 Fe a 2 Mo Majiacute vynikajiacuteciacute vlastnosti jakyacutemi jsou
vysokaacute rezistivita niacutezkeacute hysterezniacute ztraacutety a ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy Z všch jader majiacute největšiacute
permeabilitu tiacutem paacutedem i vyššiacute hodnotu saturace
3 Jaacutedra Kool Mμ jsou vyrobena lisovaacuteniacutem prachu železnyacutech slitin a vykazujiacute nejmenšiacute
magnetostrikci
4 Jaacutedra XFlux obsahujiacute prach Fe s přiacuteměsiacute 65 Si Jsou vhodnaacute pro niacutezkofrekvenčniacute a
středofrekvenčniacute tlumivky
Tab 73 Magnetickeacute vlastnosti jader společnosti Magnetics katalogu vyacuterobce
Materiaacutel High Flux MMP Kool Mμ XFlux
Permeabilita 14-160 14-555 26-125 60
(Bs) [T] 15 075 105 16
Jaacutedra žeelezoprachovaacute byacutevajiacute teacutež označovanaacute jako železovaacute jaacutedra a jsou vyraacuteběna lisovaacuteniacutem
izolovaneacuteho praacutešku z magneticky měkkeacuteho materiaacutelu s niacutezkou koercitivniacute silou a vysokou
permeabilitou V současneacute době z tohoto materiaacutelu vyraacutebějiacute jaacutedra kromě firmy Magnetics jen někteřiacute
vyacuterobci a to předevšiacutem vaacutelcovaacute ladiacuteciacute jaacutedra pro laděniacute feritovyacutech hrniacutečkovyacutech jader a kruhovaacute jaacutedra
pro odrušovaciacute ciacutevky a filtračniacute tlumivky měničů napětiacute Zvyšovaacuteniacute objemu izolačniacute laacutetky vede ke
snižovaacuteniacute permeability jader a změně teplotniacute zaacutevislosti samotneacuteho magnetickeacuteho materiaacutelu jaacutedra a
roztažnostiacute jeho jednotlivyacutech složek Volbou směsi magnetickyacutech prachů je možneacute předem definovat
teplotniacute činitel permeability kteryacute může nabyacutevat klasnyacutech zaacutepornyacutech popř i nulovyacutech hodnot
Průmyslově se vyraacutebějiacute jaacutedra z jemnyacutech magnetickyacutech prachů s odstupňovanou permeabilitou
v rozsahu = 7 až 550 Jaacutedra toroidniacute s permeabilitou 7 až 150 se použiacutevajiacute v laděnyacutech obvodech
filtrů pro odrušovaciacute tlumivky jaacutedra s permeabilitou 90 až 550 v napaacutejeciacutech spiacutenaciacutech zdrojiacutech
Vysokeacute permeability je dosaženo materiaacutelovyacutem složeniacute magnetickyacutech prachů a změnou velikosti zrn
Čiacutem většiacute jsou prachovaacute zrna tiacutem vyššiacute je permeabilita diacuteky zvyacutešeniacute poměru magnetickeacuteho materiaacutelu
vůči izolačniacute laacutetce
43
72 Magneticky tvrdaacute feromagnetika
Magneticky tvrdeacute feromagnetickeacute materiaacutely majiacute magnetizačniacute křivku s malou strmostiacute a širokou
hysterezniacute smyčku Vykazujiacute poměrně malou permeabilitu a velkou koercivitu Hclt25middot103
Am
Použiacutevajiacute se pro permanentniacute magnety Vyacutevoj v oblasti těchto materiaacutelů nechal vzniknout celeacute řadě
magnetů odlišujiacuteciacutemi se magnetickyacutemi vlastnostmi konduktivitou mechanickyacutemi vlastnostmi a
ekonomickyacutemi parametry Tvrdaacute feromagnetika lze rozdělit naacutesledovně
a) Uhliacutekoveacute oceli ndash s obsahem 15 uhliacuteku Daacutele byly zdokonaleny legovaacuteniacutem wolframem
chromem a kobaltem a zakaleniacutem na martenzitickou strukturu Naacutesledně byly vyrobeny
mnohem vyacutehodnějšiacute slitiny železa niklu a hliniacuteku (Al-Ni) přiacutepadně kobaltu (Al-Ni-Co)
mědi či titanu Nevyacutehodou slitin Al-Ni a Al-Ni-Co je značnaacute mechanickaacute tvrdost křehkost a
tiacutem paacutedem i obtiacutežnaacute opracovatelnost
b) Tvrdeacute ferity ndash např barioveacute (BaFe12O19) nebo stroncioveacute (SrFe12O19) ferity s obsahem
přibližně 80 železa a asi 20 oxidu baria BaO nebo stroncia SrO Mohou byacutet izotropniacute a
anizotropniacute Niacutezkaacute cena a spolehlivost předurčuje tyto materiaacutely pro užitiacute v automatizačniacute
řiacutediacuteciacute a měřiciacute technice
c) Magnety ze vzaacutecnyacutech zemin ndash složeniacute na baacutezi samarium-kobalt (SmCo5 a Sm2Co17) nebo na
baacutezi neodym-železo-boacuter (Nd2Fe14B) Vyraacutebiacute se procesy praacuteškoveacute metalurgie lisovaacuteniacutem
v magnetickeacutem poli s naacuteslednyacutem speacutekaacuteniacutem Patřiacute k nejvyacutekonnějšiacutem permanentniacutem
magnetům Použiacutevajiacute se v silnoproudeacute počiacutetačoveacute a řiacutediacuteciacute technice a u elektroakustickyacutech
zařiacutezeniacute
d) Plastoveacute magnety ndash jsou vyraacuteběny ve formě plastoveacute nemagnetickeacute matrice v niacutež je plnidlem
jemnyacute praacutešek z vhodnyacutech slitin (alni alnico tvrdeacute ferity či materiaacutely na baacutezi vzaacutecnyacutech zemin)
Mohou byacutet izotropniacute nebo anizotropniacute Vyraacutebiacute se lisovaacuteniacutem nebo slinovaacuteniacutem při vysokeacute
teplotě do libovolneacuteho tvaru Použiacutevajiacute se v slaboproudeacute technice
Obr 77 Srovnaacuteniacute demagnetizačniacutech charakteristik permanentniacutech magnetů
44
73 Měřeniacute hysterezniacutech charakteristik vzorků magnetickyacutech jader
Pro měřeniacute hysterezniacutech charakteristik byl použit systeacutem Remacomp-C2
Přiacuteprava vzorků magnetickyacutech jader pro měřeniacute na systeacutemu Remacom-C2
Na jaacutedra bylo před měřeniacutem navinuto primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Mezi primaacuterniacutem a sekundaacuterniacutem
vinutiacute byl proveden izolačniacute proklad lepiciacute paacuteskou Průměr vodiče a počet zaacutevitů v primaacuterniacutem (N1) a
sekundaacuterniacutem (N2) vinutiacute je uveden v Tab Na Obr jsou již vzorky připraveny pro měřeniacute
Tab 74 Bližšiacute specifikace rozměrů počet zaacutevitů vinutiacute a průměr vodičů
Vyacuterobce Therma FM Vacuumschmelze Magnetics
Jaacutedro C150-30S Vitroperm 500F KoolMμ
Tvar Obdeacutelniacutekoveacute Toroid Toroid
Vnějšiacute průměr [mm] 64x36 323 274
Vnitřniacute průměr mm] 55x16 178 145
Vyacuteška mm] 13 122 117
N2 [z] 47 53 41
N2 [z] 47 53 41
Průměr vodiče [mm] 075 05 05
Měřeniacute je provedeno při frekvenciacutech 50Hz a 300Hz a maximaacutelniacute intenzitě 250 Am u jader
M150-30S a Vitropermu 500F Materiaacutel KoolMμ byl měřen při maximaacutelniacute intenzitě 5950 Am
z důvodů zachyceniacute maximaacutelniacute hodnoty indukce tohoto jaacutedra Na Obr71 až 715 jsou pro
srovnaacuteniacute hysterezniacute uvedeny charakteristiky měřenyacutech materiaacutelů
Obr 78 Vzorky jader připraveneacute na měřeniacute hysterezniacutech charakteristik Vlevo M150-30S uprostřed
Vitroperm 500F a vpravo KoolMμ
45
Obr 79 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
Obr 710 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=250 Am Bmax=157 T
Obr 711 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=250 Am Bmax=153 T
Při frekvenci 300Hz došlo k nepatrneacutemu sniacuteženiacute hodnoty Bmax oproti 50 Hz Intenzita Hc se
ztrojnaacutesobila
Remacomp-C2 nebyl schopen naměřit hysterezniacute smyčku Vitropermu 500F na Obr zcela bezchybně
46
Obr 712 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z Vitropermu 500F měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=279 Am při 50Hz vykazuje odskoky od skutečneacuteho průběhu
Obr 713 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z Vitropermu 500F měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě
intenzity magnetickeacuteho pole Hmax=279 Am při 300 Hz takeacute vykazuje odskoky od skutečneacuteho průběhu
Při změně frekvence z 50 Hz na 300Hz došlo k naacuterůstu koercitivity o pohyacutech 07 Am Materiaacutel
vykazuje velice malou hodnotu remanentniacute indukce pro obě frekvence
47
Obr 714 Hysterezniacute smyčka jaacutedra Kool Mμ změřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity magnetickeacuteho
pole Hmax=5950 Am při 50 Hz
Obr 715 Hysterezniacute smyčka jaacutedra Kool Mμ změřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity magnetickeacuteho
pole Hmax=5950 Am při 300 Hz
48
731 Vyhodnoceniacute naměřenyacutech vyacutesledků
Nejvyššiacute hodnoty indukce dosahujiacute jaacutedra z plechů M150-30S Koercitivniacute intenzita se u jaacutedra z plechů
M150-30S stejně jako u matriaacutelu KoolMμ při změně frekvence z 50 Hz na 300 Hz ztrojnaacutesobila
Niacutezkaacute cena jader KoolMμ je z hlediska naměřenyacutech veličin odpoviacutedajiacuteciacute Jaacutedra Kool Mμ vykazujiacute
amplitudovou permeabilitu μa pouze 77 Vyacuterobce uvaacutediacute hodnotu μa=125
Nejnižšiacute koercitivniacute intenzita byla naměřena u materiaacutelu Vitroperm 500F Měřeniacute magnetickeacuteho jaacutedra
Vitropermu 500F při 50 Hz prokaacutezalo velice niacutezkou koercitivniacute intenzitu Hc= 1Am kteraacute odpoviacutedaacute
uacutedajům z katalogoveacuteho listu Tento špičkovyacute materiaacutel se použiacutevaacute pro sveacute charakteristickeacute vlastnosti
pro jednofaacutezoveacute a trojfaacutezoveacute magnetickeacute obvody ve spiacutenanyacutech napaacutejeciacutech zdrojiacutech frekvenčniacutech
měničiacutech ale i pro běžneacute tlumivky Struktura tohoto materiaacutelu je velice křehkaacute neboť je navinuta
z 20 μm tenkyacutech vrstev Diacuteky tomu neniacute vhodneacute tato jaacutedra dělit řezaacuteniacutem
49
8 Realizovanyacute Adamsův motor
81 Virtuaacutelniacute model Adamsova motor generaacutetoru a jeho praktickaacute
realizace
Model motoru je vytvořen v programu SolidWorks SolidWorks je mocnyacutem naacutestrojem konstrukteacutera a
nabiacuteziacute snadnou optimalizaci modelu
Po vytvořeniacute jednotlivyacutech diacutelů je možneacute tyto diacutely pomociacute vazeb navzaacutejem svaacutezat a tiacutem daacutet okamžitou
představu o chovaacuteniacute modelu
Při naacutevrhu Adamsova motoru jsem vychaacutezel předevšiacutem z rozměrů magnetickyacutech jader statoroveacute čaacutesti
stroje
811 Stator
a) Jako nosnaacute konstrukce pro jaacutedra statoru uloženiacute ložisek uchyceniacute desky plošnyacutech spojů
optickyacutech senzorů sloužiacute dvě tabule z plexiskla tloušťky 8 mm ktereacute tvořiacute nosnou konstrukci
neboť jsou po obvodu vzaacutejemně spojeny šesti zaacutevitovyacutemi tyčemi o průměru 5 mm Na Obr je
zadniacute nosnaacute tabule plexiskla
Obr 81 Zadniacute nosnaacute deska z plexiskla
Otvor průměru 26 mm nachaacutezejiacuteciacute se uprostřed sloužiacute pro uloženiacute kuličkoveacuteho ložiska Skrze
otvory průměru 51 mm po jeho obvodu prochaacuteziacute šrouby pro přichyceniacute krytů ložiska
Naacutesledujiacute otvory určeneacute pro upevněniacute optickyacutech čidel dřevěneacuteho krytu pro zakrytiacute vodičů
připojenyacutech k vinutiacutem a optickyacutem senzorům Skrze podlouhleacute draacutežky jsou šrouby přitaženy
dřevěneacute držaacuteky statorovyacutech jader Vzhledem ke tvaru draacutežky je zajištěna možnost jejich
50
polohovaacuteniacute vzhledem k rotoru Volnyacute prostor na praveacute straně je určen pro upevněniacute desky
plošnyacutech spojů s elektronickyacutemi součaacutestkami
b) Nosneacute držaacuteky pro jaacutedra statoru jsou použity dřevěneacute špaliacuteky do kteryacutech jsou jaacutedra vlepena
epoxidovou pryskyřiciacute
c) Optočleny TCST 2103 jsou přitaženy k jejich dutyacutem dřevěnyacutem držaacutekům imbusovyacutemi šrouby
průměru 3 mm Skrze dřevěneacute držaacuteky jsou kolmo na směr vyacutevodů optočlenu vyvrtaacuteny otvory
pro zaacutevitoveacute tyče jež spolu s našroubenyacutemi matkami přitahujiacute držaacutek s čidlem jedneacute k zadniacute
desce plexiskla statoroveacute čaacutesti stroje Jistaacute uacuteroveň dotaženiacute matce dovoluje držaacutek s čidlem
nataacutečet a měnit tak okamžik sepnutiacute optočlenu
Obr 82 Optočlen TCST 2103 připevněnyacute k dřevěneacutemu držaacuteku
d) Stejnou vzdaacutelenost mezi dvěma plexiskly statoru zajišťujiacute distančniacute trubice skrze ktereacute
prochaacuteziacute zmiacuteněneacute zaacutevitoveacute tyče spojujiacuteciacute obě zaacutekladoveacute tabule plexiskla Tyto trubice jsou
vyrobeny z kostry stojanu pro sušeniacute praacutedla Z estetickyacutech důvodů je na nich navlečena a
zatavena teplem smršťovaciacute bužiacuterka
Postup vytvořeniacute ciacutevky v SolidWorksu
1 V předniacute rovině skici na Obr je pomociacute os X a Y vytvořen souřadnicovyacute systeacutem potřebnyacute pro
tvorbu zaacutekladniacutech vazeb využityacutech při ryacutesovaacuteniacute
2 Čelniacute pohled na jeden poacutel magnetickeacuteho jaacutedra ve statoru na ktereacute maacute byacutet umiacutestěna jedna
budiacuteciacutech ciacutevek je vytvořen z konstrukčniacutech přiacutemek a okoacutetovaacuten rozměry 13 mm x 11 mm
3 Vnitřniacute rozměry ciacutevky jsou z čelniacuteho pohledu oproti jaacutedru na každeacute straně zvětšeny o 05 mm
tedy o tloušťku foacutelie jež tvořiacute kostřičku ciacutevky a malou vzduchovou mezeru umožňujiacuteciacute volneacute
nasunutiacute ciacutevky na magnetickeacute jaacutedro
4 Poloměr zaobleniacute vnitřniacute čaacutesti kostry ciacutevky je 08 mm
51
Obr 81 Skica naacutevrhu diacutelu
5 Vnějšiacute rozměry ciacutevky jsou daacuteny počtem vrstev zaacutevitů a celkovyacutem činitelem plněniacute ciacutevky
Deset vrstev zaacutevitů vodičem 03 mm spolu s izolačniacute a nosnou kostrou ciacutevky vytvořiacute 4 mm
vysokou vrstvu zaacutevitů v roziacutech zaoblenou se stejně velkyacutem poloměrem 4mm Vnějšiacute a vnitřniacute
zaobleniacute rohů je od rovnyacutech segmentů skici odděleno uacutesečkami čiacutemž je skica dokončena
6 Využitiacutem funkce přidaacuteniacute vytaženiacutem a jejiacute aplikaciacute na jednotliveacute segmenty skici je ciacutevka
symetricky vytažena do prostoru na deacutelku 19 mm Zamiacutetnutiacutem funkce sloučit vyacutesledky při
vytaženiacute jsou všechny segmenty ciacutevky vytvořeny jako samostatneacute objekty čiacutemž odpadaacute
děleniacute modelu v Ansysu
Obr 82 Model ciacutevky
Magnetickaacute jaacutedra použitaacute ve statoru jsou původně určena pro jednofaacutezoveacute jaacutedroveacute transformaacutetory
Jaacutedro transformaacutetoru je při vyacuterobě naviacutejeno na obdeacutelniacutekoveacute kopyto o rozměrech odpoviacutedajiacuteciacutech
požadovaneacute velikosti okna pro primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Jaacutedro je po navinutiacute
z transformaacutetoroveacuteho plechu rozřiacuteznuto na dvě poloviny jak je zřejmeacute z Obr xx čiacutemž je možneacute do
magnetickeacuteho obvodu nasunout primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute
V našem přiacutepadě je pro každeacute magnetickeacute jaacutedro statoru použita pouze jedna polovina zmiacuteněneacuteho
transformaacutetoroveacuteho jaacutedra Okno statoroveacuteho jaacutedra určeneacute pro umiacutestěniacute obou vinutiacute statoru maacute pouze
polovičniacute deacutelku oproti transformaacutetoru a na straně řezu je otevřeno
52
Obr 83 Pohled na uloženiacute vinutiacute
Obě budiacuteciacute ciacutevky jsou nasunuteacute na jednom jaacutedru statoru a jsou totožneacute tj majiacute stejnyacute počet zaacutevitů
vinutyacutech vodičem o stejneacutem průřezu Jsou spojena do seacuterie a spolu s magnetickyacutem jaacutedrem tvořiacute jeden
z osmi statorovyacutech magnetickyacutech obvodů
Na Obr Xx je bližšiacute pohled na rozloženiacute vodičů v průřezu ciacutevkou Každaacute vrstva zaacutevitů ciacutevky obsahuje
63 zaacutevitů v deseti vrstvaacutech
Obr 84 Rozloženiacute zaacutevitů
Počet zaacutevitů v jedneacute ciacutevce je daacuten naacutesobkem počtu zaacutevitů v jedneacute vrstvě a množstviacute vrstev tedy
63x10= 630 zaacutevitů Jelikož jsou obě ciacutevky na magnetickeacutem jaacutedru spojeny do seacuterie celkovyacute počet
zaacutevitů je dvojnaacutesobnyacute tedy 1260 zaacutevitů Protože statorovaacute jaacutedra odděluje od rotoru vzduchovaacute mezera
05 mm jsou obě vinutiacute od konce jaacutedra umiacutestěny ve vzdaacutelenosti 2 mm pro zajištěniacute bezpečneacute
vzdaacutelenosti od otaacutečejiacuteciacuteho se rotoru Naacutesledkem toho se do jedneacute vrstvy ciacutevky vleze menšiacute počet
zaacutevitů bliacuteže zpraženyacutech s magnetickyacutem tokem v jaacutedru
Počet vrstev obou vinutiacute je teacutež omezen a to jednak velikostiacute okna a mezerou 5 mm mezi oběma
vinutiacutemi Tato mezera zajišťuje možnost volneacuteho nasunutiacute vinutiacute na magnetickeacute jaacutedro a umožňuje
lepšiacute odvod tepla do okoliacute
53
Pro dosaženiacute konstantniacute vzduchoveacute mezery mezi vyniklyacutemi poacutely rotoru a jaacutedry ve statoru jsou konce
statorovyacutech jader zbroušeny na poloměr bliacutezkyacute poloměru plechů v rotoru
Kostřička ciacutevky
Pro vyacuterobu kostřiček ciacutevek posloužila plastovaacute folie určenaacute pro krytiacute předniacute strany dokumentu
svaacutezaneacuteho v kroužkoveacute vazbě Po vyřezaacuteniacute a ohnutiacute do požadovaneacuteho tvaru byla a slepena
oboustrannou lepiciacute paacuteskou
Obr 83 Kostřička ciacutevky vyrobenaacute z plastoveacute folie
Naviacutejeniacute ciacutevek
Pro naviacutejeniacute ciacutevek se realizovalo ručniacute naviacuteječkou s mechanickyacutem počiacutetadlem Na Obr84 je vidět že
obě ciacutevky jsou navinuty nepřerušenyacutem vodičem Obě ciacutevky majiacute 630 zaacutevitů
Obr 84 Pro zpevněniacute čel ciacutevek během naviacutejeniacute na plastovou kostřičku posloužily 5mm širokeacute destičky
z pertinaxu Draacutežky v nich vybroušeneacute umožnily zachyceniacute vyacutestupniacuteho vodiče ciacutevky pod navlečenou
gumičku Levaacute destička pertinaxu je odniacutematelnaacute po uvolněniacute dotaženeacuteho šroubu
Hotovaacute ciacutevka navinutaacute na kostřičce z plastoveacute folie je na Obr Po navinutiacute ciacutevky se čela kostřičky
(plastoveacute folie) zahnula přes horniacute vrstvu zaacutevitů a navzaacutejem slepila sekundovyacutem lepidlem
Obr 85 Pohled na ciacutevku zpevněnou kostřičkou z plastoveacute folie
54
Statoroveacute jaacutedro s ciacutevkami
Na každeacute z osmi statorovyacutech jader jsou nasunuty dvě seacuteriově spojeneacute ciacutevky Pro pevneacute zachyceniacute obou
vinutiacute je použit pružnyacute tmel
Obr 86 Pohled na statoroveacute jaacutedro s nasunutyacutem vinutiacutem
Uchyceniacute statorovyacutech jader
Statorovaacute jaacutedra jsou pevně zalepena epoxidovou plyskyřiciacute do dřevěnyacutech sloupků Po obou stranaacutech
sloupku jsou vyvrtaacuteny otvory v nižchž jsou vyřezaacuteny zaacutevity pro šrouby Dotaženiacutem šroubu jsou
sloupky s jaacutedry pevně uchyceny v deskaacutech z plexiskla
Obr 87 Pohled na jaacutedro zalepeneacute v dřevěneacutem držaacuteku
55
812 Rotor
Průměr rotoru a jeho konstrukčniacute řešeniacute je navrženo s ohledem na rozměry jader ve statoru a velkou
hmotnost dynamoplechů
e) Z velikosti okna pro primaacuterniacute vinutiacute je odvozena potřebnaacute vyacuteška permanentniacutech magnetů a
počet vrstev dynamoplechů v rotoru
f) Rozměry hřiacutedele jsou voleny s ohledem na použitaacute kuličkovaacute ložiska o vnitřniacutem průměru 10
mm a hmotnost rotorovyacutech plechů a je počiacutetaacuteno s jistou rezervou v přiacutepadě působeniacute vyššiacutech
momentů setrvačnosti celeacuteho rotoru Hřiacutedel a středoveacute přiacuteruby zajišťujiacute pevneacute přichyceniacute
středoveacuteho pouzdra permanentniacutech magnetů jelikož jsou vzaacutejemně spojeny čtyřmi šrouby
Hřiacutedel a středoveacute přiacuteruby jsou vysoustruženy z mosazi
Obr 88 Hřiacutedel je vysoustruženaacute z mosazneacute kulatiny
Na Obr je pohled na celkovou sestavu rotoru a statorovaacute jaacutedra Ke hřiacutedeli jsou přiacuteruby připevněny
ve čtyřech miacutestech
Obr 89 Pohled na rotor a jaacutedra statoru opatřenaacute vinutiacutem
g) Přiacuteruby pro uchyceniacute středoveacuteho pouzdra rotoru v němž jsou uloženy magnety jsou
vysoustruženy z mosazi stejně tak i přiacuteruba pro komutačniacute disk Přiacuteruby jsou ke hřiacutedeli pevně
dotaženy imbusovyacutemi šrouby
56
Obr 810 Jedna přiacuterub pro upevněniacute středoveacuteho pouzdra magnetů ke hřiacutedeli
h) Středoveacute pouzdro nesouciacute dynamoplechy a magnety je složeno z třiacute vrstev plexiskla tloušťky
2x4 mm + 1x5 mm Maacute tedy tloušťku 13 mm stejně jako vnitřniacute rozměr okna jaacutedra statoru
Přiacuteruby navlečeneacute na hřiacutedeli z obou stran stahujiacute plexiskla středoveacuteho pouzdra čiacutemž je pevně
spojujiacute s hřiacutedeliacute
Obr 811 Středoveacute pouzdro permanentniacutech magnetů
i) Dynamoplechy jsou po obou stranaacutech středoveacuteho pouzdra navrstveny na požadovanou vyacutešku
11 mm což odpoviacutedaacute přiacuteslušneacutemu rozměru jaacutedra v jeho řezu Při tloušťce dynamoplechu 05
mm je na obou stranaacutech pouzdra 22 vrstev dynamoplechu Jak dynamoplechy tak i středoveacute
pouzdro v sobě majiacute vyřezaacuteny otvory pro zaacutevitoveacute tyče a diacuteky matkaacutem dotaženyacutem po obou
stranaacutech rotoru spojujiacute navzaacutejem tyto čaacutesti s hřiacutedeliacute
Obr 812 Jedna sekce rotoru je složenaacute z 22 vrstev dynamoplechů
j) K dobreacutemu staženiacute dynamoplechů nejen v miacutestech kde k nim ze stran přileacutehajiacute matky
přispiacutevajiacute kryciacute kotouče z plexiskla na Obr813
57
Obr 813 Otvorem uprostřed kryciacuteho kotouče prochaacuteziacute hřiacutedel a je možneacute se diacuteky němu dostat na
šrouby připevňujiacuteciacute přiacuteruby rotoru pevně k řčiacutedeli
Vyacuteroba vyniklyacutech poacutelů rotoru
Rotoroveacute plechy jsou do požadovaneacuteho tvaru na Obr814 vyřezaacuteny pomociacute vodniacute pily Tryska
zařiacutezeniacute žene proud vodniacuteho paprsku spolu s abrazivem kolmo na řezanyacute objekt
Obr 814 Skica rotorovyacutech plechů s vyznačenyacutemi miacutesty pro umiacutestěniacute permanentniacutech magnetů
Na Obrxx zachycena vodniacute pila během vyřezaacutevaacuteniacute požadovaneacuteho tvaru rotoru do tabule
dynamoplechu o rozměrech 1x1metr
58
Obr 815 Sniacutemek pořiacutezenyacute během řezaacuteniacute dynamoplechu vodniacutem paprskem s abrazivem
Magnetickaacute čaacutest obvodu obvod rotoru se sklaacutedaacute ze dvou sekciacute mezi nimiž jsou umiacutestěny permanentniacute
magnety ktereacute sloužiacute jako zdroj magnetickeacuteho pole Každaacute sekce je vytvořena navrstveniacutem
dynamoplechů do vrstvy 11 mm Při tloušťce dynamoplechu to odpoviacutedaacute 22 vrstvaacutem v každeacute sekci
Obr 816 Čelniacute pohled na zkompletovanyacute rotor
Komutaacutetor
Komutaacutetor je realizovaacuten průhlednou foacuteliiacute s černyacutem potiskem Pravidelneacute střiacutedaacuteniacute průsvitnyacutech a
černyacutech oblastiacute na foacutelii během otaacutečeniacute rotoru zajišťuje pravidelneacute přerušovaacuteniacute IR paprsku v osmi
optoelektronickyacutech spiacutenačiacutech TCST 2103 rozmiacutestěnyacutech pravidelně okolo obvodu komutačniacute folie
Na foacutelii je sedm černyacutech a sedm průsvitnyacutech vyacutesečiacute což odpoviacutedaacute počtu sedmi vyniklyacutech poacutelů v obou
sekciacutech rotoru oddělenyacutech permanentniacutemi magnety Nastaveniacute optimaacutelniacute uacutehlu natočeniacute komutačniacute
folie bylo stanoveno měřeniacutem pro uacutehly natočeniacute 1285deg 5 deg 0deg a -1285deg Vyacutesledky jsou shrnuty
v zaacutevěru praacutece
59
Obr 817 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 1285deg
Obr 818 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 5deg
Obr 819 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 0deg
Obr 820 Nastaven uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie -1285deg
Na Obr je čelniacute pohled na realizovanyacute komutaacutetor Po obvodu jsou rovnoměrně rozmiacutestěny černeacute
dřevěneacute držaacuteky s optočleny skrze ktereacute prochaacuteziacute uacutezkeacute zaacutevitoveacute tyče zbroušeneacute tak aby uvnitř držaacuteku
nepoškodily přiacutevodniacute vodiče optočlenů Dotaženiacutem matek našroubovanyacutech na zaacutevitoveacute tyče je možneacute
pevně přitaacutehnout
60
Obr 821 Fotorgrafie realizovaneacuteho komutaacutetoru
Obr 822 Podrobnějšiacute pohled s popisem čaacutestiacute
Optoelektronickeacute
spiacutenače TCST 2103
Jaacutedra statoru
Vinutiacute statoru
Komutaacutetor
s regulaciacute předstihu
Vynikleacute poacutely
rotoru
61
Zkompletovanyacute motor
Na Obr jsou na nosneacute desce namontovaacutena statorovaacute jaacutedra
Obr 823 Horniacute pohled na nosnou desku Uprostřed desky je vidět nachaacuteziacute kryt ložiska
Vodiče ciacutevek na magnetickyacutech jaacutedrech jsou zavedeny do bdquočokolaacutedldquo přišroubovanyacutech po bočniacutech
stranaacutech dřevěnyacutech držaacuteků jader
Obr 824 Bočniacute pohled na dřevěneacute držaacuteky jader statoru
Vyacutevody z čokolaacuted jsou protaženy do dřevěneacuteho tunelu zobrazenyacute ze spodniacute strany na Obr kteryacute
sloužiacute jako ochrana před otaacutečejiacuteciacutem se rotorem
Obr 825 Spodniacute strana kryciacuteho tunelu před vyvrtaacuteniacutem otvorů pro přichyceniacute k nosneacute desce
62
Obr 826 Čelniacute pohled na hotovyacute model Adamsova motoru
Obr 827 Redukce připevněnaacute na hřiacutedeli sloužiacute pro zvětšeniacute jejiacuteho průměru při spojeniacute spojeniacute
motoru s dynamometrem
63
82 Elektrickyacute obvod
821 Popis a scheacutema zapojeniacute
Elektronickaacute čaacutest je spiacutenaacutena přerušovaacuteniacutem infračerveneacuteho paprsku dopadajiacuteciacuteho na fototranzistor
v optočlenu Paprsek prochaacuteziacute průsvitnou čaacutestiacute foacutelie ve chviacuteli kdy jsou vynikleacute poacutely rotoru v čelniacute
pozici se statorovyacutemi jaacutedry a ciacutevky umiacutestěneacute na těchto jaacutedrech v nich majiacute vybudit magnetickyacute
indukčniacute tok opačneacuteho směru oproti toku vystupujiacuteciacuteho z rotorovyacutech poacutelů Naacutesledkem siloveacuteho
působeniacute mezi magnetickyacutemi poli rotoru a statoru je rotor roztaacutečen
Obr 828 Scheacutema zapojeniacute elektrickeacuteho obvodu pro řiacutezeniacute motoru Obvod v praveacute čaacutesti obraacutezku za
přerušovanou čarou se opakuje celkem 4x Pro ušetřeniacute miacutesta je tedy zobrazena pouze jedna čtvrtina
zapojeniacute
Elektrickyacute obvod je možneacute rozdělit na čaacutest vyacutekonovou kteraacute je od čaacutesti niacutezko přiacutekonoveacute oddělena
řiacutediacuteciacute elektrodou vyacutekonovyacutech MOSFET tranzistorů IRF540 Na Obr xx je pro zmenšeniacute ušetřeniacute
miacutesta zobrazena pouze jedna čtvrtina čaacutesti scheacutematu elektrickeacuteho obvodu V leveacute čaacutesti scheacutematu jsou
vyznačena miacutesta připojeniacute napaacutejeciacuteho napětiacute Pro laboratorniacute měřeniacute je vhodneacute vzaacutejemně je oddělit
Kladnyacute poacutel stejnosměrneacuteho napaacutejeciacuteho napětiacute o velikosti 5-31 V je pojen k ciacutevkaacutem skrze konektory
L1až L8 k ke statorovyacutem vinutiacutem Stejnosměrneacute napětiacute 10 ndash 35 V DC je připojeno přes stabilizaacutetor
napětiacute 7808 a Rezistory R1 a R2 k optočlenům TCST 2103 ktereacute jsou ve scheacutematu zastoupeny
vyacutevody označenyacutemi EM1 a DET1 Ty Zkratkovitě označujiacute přiacuteslušnyacute emitor IR zaacuteřeniacute (infračervenaacute
dioda) a detektor (fototranzistor pro infračerveneacute spektrum) implementovaneacute v pouzdru optočlenu
Hodnoty odporů jsou stanoveny na zaacutekladě snahy omezit proud řiacutediacuteciacuteho obvodu na nejnižšiacute hodnotu a
zaacuteroveň zachovat spraacutevnou funkci obvodu Jmenovitaacute hodnota proudu emitorem je 20mA Proud
tekouciacute skrze EM1 až EM8 je nastaven předřadnyacutemi rezistory 6K8 na hodnotu cca 1mA Paprsek
prochaacuteziacute skrze průsvitnou čaacutest komutaacutetoru nebo je přerušen černě potištěnou čaacutestiacute Pokud paprsek
dopadaacute na detektor a otviacuteraacute jej a proud může prochaacutezet přes odpory 39K předřazeneacute detektorům Za
detektory jsou napojeny Schmittovi klopneacute obvody na jejichž vstupech se objeviacute napětiacute v přiacutepadě že
je detektor paprskem neosviacutecen Klopneacute obvody jsou napaacutejeny napětiacutem ze stabilizaacutetoru a na sveacutem
64
vyacutestupu majiacute toteacutež napětiacute pokud je na jejich vstupu napětiacute nuloveacute V jednom pouzdře integrovaneacuteho
obvodu 40106N se nachaacuteziacute 6 investujiacuteciacutech hradel Paralelniacutem spojeniacute třiacute je sniacutežen odpor hradla na
třetinu Naacutesleduje vyacutekonovyacute MOSFET tranzistor IRF560 s odporem přechodu elektrod DS v
sepnuteacutem stavu 44m Ω Niacutezkaacute vyacutekonovaacute ztraacuteta těchto tranzistorů snižuje ztraacutetovyacute vyacutekon na minimum
v porovnaacuteniacute s bipolaacuterniacutemi tranzistory Je-li na vstupniacute elektrodu G připojeno kladneacute napětiacute tranzistor
se otevře a umožniacute průchod proudu přiacuteslušnyacutem vinutiacutem připojenyacutem ke konektoru L1až L8
822 Deska plošnyacutech spojů
Deska plošnyacutech spojů vytvořenaacute stejně tak jako scheacutema v programu Eagle
Obr 829 Deska plošnyacutech spojů elektronickeacute ho obvodu z pohledu součaacutestek
Navrženaacute deska plošnyacutech spojů je vyrobena bdquofotocestouldquo Působeniacutem zdroje ultrafialoveacuteho světla
dojde ke změně chemickeacute struktury fotocitliveacute vrstvy kteraacute se nachaacuteziacute v miacutestech prosviacuteceniacute průsvitneacute
předlohy DPS Po rozpuštěniacute osviacuteceneacute vrstvy fotocitliveacuteho laku v hydroxidu sodneacutem byla deska
omyta vodou a odleptaacutena v chloridu železiteacutem
Obr 830 Osvit desky plošnyacutech spojů 11W UV zaacuteřivkou
65
Obr 831 Hotovaacute deska po odvrtaacuteniacute otvorů pro vyacutevody součaacutestek a protaženiacute vodičů do dřevěneacuteho
kryciacuteho tunelu
66
9 Magnetostatickaacute analyacuteza Adamsova motoru
91 Vyacutepočet zjednodušeneacuteho magnetickeacuteho obvodu
911 Feromagnetika v magnetickeacutem obvodu
Permanentniacute magnety použiteacute rotoru jsou neodymoveacute (Nd-Fe-B) s magnetizaciacute N38 a maximaacutelniacute
pracovniacute teplotě 80degC Magnety majiacute tvar vaacutelce Požadovanaacute vyacuteška magnetů je 13 mm a odpoviacutedaacute
přiacuteslušneacutemu rozměru okna jader ve statoru Požadovaneacute vyacutešky bylo dosazeno spojeniacutem magnetu o
vyacutešce 10 mm a magnetu o vyacutešce 3 mm Magnety majiacute průměr 15mm
Demagnetizačniacute charakteristika magnetu je na Obr
Obr 91 Druhyacute kvadrant pracovniacutech hysterezniacutech smyček B(H) a J(H)=B(H)-μ0H
permanentniacuteho magnetu s magnetizaciacute N38 měřeno při 26degC
Magnetickaacute jaacutedra statoru jsou vyrobena z FeSi transformaacutetoroveacuteho plechu s anizotropniacute strukturou o
jakosti M150-30 Materiaacutel maacute poměrně niacutezkou konduktivitu tedy niacutezkeacute ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy
Magnetickeacute čaacutesti rotoru jsou z dynamoplechů izotropniacute struktury o jakosti M600 - 50
Vyacutepočet magnetickeacute indukce a intenzity magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře mezi rotorovyacutem a
statorovyacutem poacutelem
Magnetickyacute obvod se sklaacutedaacute z permanentniacuteho magnetu dvou vyniklyacutech poacutelů rotoru dvou
vzduchovyacutech mezer a jaacutedra statoru
-14
-12
-1
-08
-06
-04
-02
0
02
04
06
08
1
12
14
-1 200 -1 100 -1 000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0
J B [T]
H [kAm]
Demagnetizačniacute charakteristika NdFeB magnetu (N38)
J magnetu
B magnetu
B vakau
HBHmax=473 kAm BHmax=294 kJm3
BBHmax=0612 T B
J
μ0H
HC=-937 kAm
67
Obr 92 Magnetickyacute obvod s permanentniacutem magnetem
Pro středniacute indukčniacute čaacuteru naznačenou v magnetickeacutem obvodu přerušovanou čarou platiacute podle prvniacute
Maxwellovy rovnice v integraacutelniacutem tvaru
kde indexy značiacute M permanentniacute magnet žr železo rotoru v vzduchovou mezeru a žs železo statoru
Železo rotoru (dynamoplechy) a železo statoru (transformaacutetoroveacute plechy) jsou feromagneticky měkkeacute
materiaacutely Pro zjednodušeniacute vyacutepočtu předpoklaacutedaacuteme že jejich permeability tj jejich
magnetickeacute odpory a tedy i magnetickaacute napětiacute a jsou zanedbatelně maleacute
takže pro intenzitu magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře platiacute
Pro magnetickyacute indukčniacute tok permanentniacuteho magnetu platiacute
kde je činitel rozptylu ve vzduchoveacute mezeře a jestliže k rozptylu toku nedochaacuteziacute tak
Magnetickyacute indukčniacute tok ve vzduchoveacute mezeře je vyjaacutedřen
Pro magnetickyacute indukčniacute tok permanentniacuteho magnetu platiacute
takže magnetickaacute indukce ve vzduchoveacute mezeře je
(19)
(20)
(21)
(22)
(23)
BM HM
lM
lžr
lžr
lv
lv
lžs
Bv
Hv
Sv
Sžr Sžs
SM
Hžr
Hžr
Hžs Bžs
Bžr
Bžr
J
S
Sžr
Bv
Hv
68
odtud
Z rovnosti rovnic (19) a (24)
lze vyjaacutedřit magnetickou indukci permanentniacuteho magnetu jako
kde veličina Nd je tzv demagnetizačniacute činitel pro nějž platiacute
Pro dosazeniacute do (24) je zapotřebiacute stanovit hodnotu činitele rozptylu magnetickeacuteho toku ve vzduchoveacute
mezeře Stanoviacuteme odhadem (
Pro dosazeniacute do (24) je daacutele zapotřebiacute stanovit průřez magnetu Při průměru 15 mm je
Průřez vzduchoveacute mezery mezi statorem a rotorem vypočteme jako aritmetickyacute průměr průřezu poacutelu
jaacutedra statoru a průřezu vynikleacuteho poacutelu rotoru Skutečneacute průřezy poacutelu statoru a rotoru lze jednoduše
odečiacutest z virtuaacutelniacuteho modelu v DesignModeleru Ansysu jak je naznačeno na Obr93 a na Obr94
Průřez poacutelu statoroveacuteho jaacutedra SS je dle DesignModeleru 14328 mmsup2
Obr 93 Po označeniacute plochy jaacutedra statoru vypočte DesignModeler jejiacute průřez
(24)
(25)
(26)
(27)
(28)
(29)
69
Průřez vynikleacuteho poacutelu rotoru SR je dle DesignModeleru 29128 mmsup2
Obr 94 Po označeniacute plochy vynikleacuteho poacutelu rotoru vypočte DesignModeler jeho průřez
Po dosazeniacute průřezů je aritmetickyacute průměr průřezu vzduchoveacute mezery
Vyacuteška použiteacuteho magnetu je daacutena součtem vyacutešek dvou na sobě umiacutestěnyacutech magnetů 10mm a 3 mm
tedy =13 mm
Řešenyacute magnetickyacute obvodu obsahuje dvě vzduchoveacute mezery o velikosti 1 mm Celkovaacute deacutelka
vzduchoveacute mezery je daacutena součtem těchto dvou deacutelek tedy =2 mm
Dosazeniacute všech potřebnyacutech hodnot do rovnice (24) vypočiacutetaacuteme demagnetizačniacute činitel
Dosazeniacutem demagnetizačniacuteho činitele do rovnice pro magnetickou indukci magnetu (26) ziacuteskaacuteme
rovnici přiacutemky
jejiacutež průsečiacutek s demagnetizačniacute křivkou permanentniacuteho magnetu na Obrxx stanoviacute pracovniacute bod
permanentniacuteho magnetu
Z grafu na Obr 95 je možneacute odečiacutest hodnotu magnetickeacute indukce permanentniacuteho magnetu v
pracovniacutem bodu BM=1 T a odpoviacutedajiacuteciacute hodnotu intenzity magnetickeacuteho pole HM=1 T
(30)
(31)
70
Obr 95 V průsečiacuteku přiacutemky s demagnetizačniacute charakteristikou se nachaacuteziacute pracovniacute bod P
permanentniacuteho magnetu v magnetickeacutem obvodu se vzduchovou mezerou
Zvětšeniacutem vzduchoveacute mezery v magnetickeacutem obvodu se zvětšiacute demagnetizačniacute činitel Nd tj zvětšiacute se
směrovyacute uacutehel přiacutemky z hodnoty α na hodnotu α1 a pracovniacute bod P se posune do polohy P1 jak je
naznačeno na Obr96
Obr 96 V průsečiacuteku přiacutemky s demagnetizačniacute charakteristikou se nachaacuteziacute pracovniacute bod
permanentniacuteho magnetu
00
02
04
06
08
10
12
14
-1 000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0
J B [T]
H [kAm]
Stanoveniacute pracovniacuteho bodu magnetu na demagnetizačniacute
charakteristice
B magnetu
Bm=-NdHm
BM=1 T
HM=-183 kAm
P
Br=124 T
HC=-937 kAm
71
Zmenšiacute-li se opět vzduchovaacute mezera na původniacute velikost nevraacutetiacute se pracovniacute bod P1 do sveacute původniacute
polohy v bodě P ale do polohy P2 po křivce k2 Smyčka složenaacute z křivek k1 a k2 je malaacute hysterezniacute
smyčka Přibližně ji můžeme nahradit uacutesečkou P1 P2 sviacuterajiacuteciacute s osou H uacutehel β Pohybuje-li se pracovniacute
bod po maleacute hysterezniacute smyčce jde vratneacute změny tj zanikne-li přiacutečina posuvu pracovniacuteho bodu vraciacute
se pracovniacute bod do sveacute původniacute polohy Pohyb pracovniacuteho bodu po hlavniacute hysterezniacute smyčce je
nevratnyacute K podobnyacutem jevům dochaacuteziacute když miacutesto změn vzduchoveacute mezery působiacuteme na permanentniacute
magnet magnetickyacutem polem ktereacute zvětšuje nebo zmenšuje jeho tok Všechny dalšiacute pohyby
pracovniacuteho bodu probiacutehajiacute přibližně po přiacutemce P1 P2 pokud směrovyacute uacutehel α nepřestoupiacute hodnotu uacutehlu
α1 Překročiacute-li tuto hodnotu pohybuje se pracovniacute bod opět po hlavniacute hysterezniacute smyčce a při naacutevratu
zpět k původniacute hodnotě uacutehlu α přechaacuteziacute na novou bdquomalou hysterezniacute smyčku vyznačenou na Obrxx
čaacuterkovaně [20]
Magnetickaacute indukce ve vzduchoveacute mezeře
Intenzita magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře
(32)
(33)
72
92 Vyacutepočet magnetickeacuteho obvodu v ANSYS Workbench
Magnetickaacute indukce - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 97 Pohled na rozloženiacute magnetickeacute indukce v obvodu při I=0A
Obr 98 Zobrazeniacute vektorů magnetickeacute indukce při I=0A
73
Magnetickaacute indukce - horniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 99 Rozloženiacute magnetickeacute indukce při I=0A
Obr 910 Zobrazeniacute vektorů magnetickeacute indukce při I=0A
74
Intenzita magnetickeacuteho pole - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 911 Rozloženiacute intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
Obr 912 Zobrazeniacute vektorů intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
75
Intenzita magnetickeacuteho pole - horniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 913 Rozloženiacute intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
Obr 914 Zobrazeniacute vektorů intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
76
Rozloženiacute siacutely působiacuteciacute na poacutely rotoru vlivem přiacutetažneacute siacutely permanentniacuteho magnetu
Obr 915 Siacutela mezi poacutely rotoru
Přitažlivaacute siacutela mezi poacutely rotoru v miacutestě magnetu je daacutena rozdiacutelem maximaacutelniacute a minimaacutelniacute hodnoty sil
(34)
77
Magnetickaacute indukce při proudu 1 A - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru při
921 Rozběh motoru
Uacutekolem je naleacutezt nejmenšiacute hodnotu proudu tekouciacuteho vinutiacutem statoroveacuteho jaacutedra při ktereacute dojde k
rozběhu motoru Vychaacutezejme z toho že přiacutetažnaacute siacutela působiacuteciacute na jedno jaacutedro statoru ktereacute je
v zarovnaneacute pozici s vyniklyacutemi poacutely rotou musiacute byacutet vlivem proudu tekouciacuteho vinutiacutem
Proud by měl miacutet takovou velikost aby v jaacutedru statoru vybudil magnetickyacute tok opačneacute polarity oproti
magnetickeacutemu toku vystupujiacuteciacuteho z protějšiacuteho vynikleacuteho poacutelu rotoru A to s takovyacutemi silovyacutemi
uacutečinkly aby byl došlo k pootočeniacute rotoru do pozice ve ktereacute se vedlejšiacute vynikleacute poacutely rotoru začnou
přitahovat k vedlejnšiacutemu statoroveacutemu jaacutedru Celyacute proces se poteacute opakuje i u dalšiacutech jader
Středniacute hodnota proudu tiacutemto vinutiacutem se během rozběhu motoru snižuje až na konstntniacute hodnotu
Dojdek k ustaacuteleniacute otaacuteček a doby průchodu proudu jednotlivyacutemi vinutiacutemi
78
Na Obr je graf průběhu siacutely působiacuteciacute na jaacutedro statoru ve směru osy x při změně velikosti proudu
tekouciacuteho vinutiacutem
Obr 916 Průběh siacutely při změně proudu
Z Obr919 je zřejmeacute že nuloveacute siacutely v ose x na jaacutedro statoru bude dosaženo při proudu 700 mA Tudiacutež
proud vědšiacute než 700 mA vyvolaacute odpuzeniacute rotorovyacutech poacutelů a celyacute proces se opakuje i u ostatniacutech
statorovyacutech jader
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
0 100 200 300 400 500 600 700
I [mA]
Fx [N]
Fx=f(I)
Fx= -2841 N
79
Na Obr je naacutezorně vidět zarovnanyacute vyniklyacute poacutel rotoru s jaacutedrem ve statoru
Obr 917 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru se statorovyacutem jaacutedrem při nuloveacute siacutele na magnetickeacute jaacutedro
Obr 918 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru s jaacutedrem ve statoru bez přiacutetomnosti proudu
Prochaacuteziacute-li vinutiacutem proud 700mA půsovyacute ma magnetickeacute jaacutedro ve směru osy x nulovaacute siacutela Rozloženiacute
magnetickeacute indukce je na Obr
α=0deg
Fx=0 N
I=700 mA
α=0deg
Fx=-2841 N
I=0 mA
80
Obr 919 Rozloženiacute indukce v obvodu při proudu tekouciacutem vinutiacute 700mA
Obr 920 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru s jaacutedrem ve statoru při proudu tekouciacutem vinutiacute 700mA
81
922 Průběhy sil působiacuteciacute na rotor během pootočeniacute
Na obr je osa jaacutedra(v praveacutem rohu) zarovnaacutena s osou vynikleacuteho poacutelu rotoru (vyznačeno červeně) a
naacutesledujiacuteciacute vyniklyacute poacutel rotoru je oproti statoroveacutemu jaacutedru (vpravo) pootočen o uacutehel α = -643deg
Obr 921 Při pootočeniacute rotoru o uacutehel α = -643deg působiacute na rotor siacutela ve směru FY= -5645 N
Průběh siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor během nataacutečeniacute proti směru hodinovyacutech ručiček mezi uacutehly
pootočeniacute v meziacutech α= -643deg až 0deg
Hodnoty jsou vypočiacutetaacuteny v Ansysu s krokem 02 deg a proloženy přiacutemkou
Obr 922 Průběh siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor během pootočeniacute od -643deg do 0deg a vyznačeneacute hodnoty
siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor pro hodnoty natočeniacute uacutehlu α= -643deg a -5deg
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
F [N]
α [deg]
Fy=f(α)
α=-643deg FY=-5645 N
Fy= - 5645 N
I=0 mA
82
Obr 923 Průběh siacutely působiacuteciacute na rotor v ose y během pootočeniacute od -643deg do 0deg a vyznačeneacute hodnoty
siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor pro hodnoty natočeniacute uacutehlu α= -643deg a -5deg
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
N [Nmm]
α [deg]
Fx=f(α)
83
10 Měřeniacute na realizovaneacutem motoru
V Tab101 jsou hodnoty odporu jednotlivyacutech vinutiacute měřeneacute při 20 degC
Tab 101 Hodnoty odporů vinutiacute
Časoveacute průběhy napětiacute a proudu byly naměřeny pomociacute profesionaacutelniacuteho dvoukanaacuteloveacuteho USB
osciloskopu Handyscope HS3 s parametry uvedenyacutemi v tabulce Tab102 Spojeniacutem osciloskopu s PC
bylo možneacute pomociacute napěťoveacute a proudoveacute sondy naměřit časoveacute průběhy napětiacute a proudu Použitaacute
proudovaacute sonda disponuje maximaacutelniacutem rozlišeniacutem 100 mVA
Tab 102 Vlastnosti Osciloskopu Handyscope HS3
Vstup Vyacutestup
max vzorkovaciacute frekvence 100MSs vzorkovaciacute frekvence 50MSs
volitelneacute rozlišeniacute 12-16 bitů rozlišeniacute 12 bitů
maximaacutelniacute napětiacute 200V napětiacute 0 plusmn12 V
impedance 1M Ω20pF maximaacutelniacute proud 05 A DC
Na Obr 101 je zachycen časovyacute průběh napětiacute a proudu změřenyacute na jednom z osmi vinutiacute statoru při
napětiacute 30V a mechanickeacute zaacutetěži Mz = 015 Nm
Rc1 Rc2 Rc3 Rc4 Rc5 Rc6 Rc7 Rc8
[Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω]
203 203 205 202 204 205 202 203 2034
84
Obr 101 Změřeneacute průběhy napětiacute a proudu na vinutiacute během zatiacuteženiacute momentem 015Nm
Hodnoty proudu změřeneacute osciloskopem jsou posunuty o stejnosměrnou složku směrem do
zaacutepornyacutech hodnot Tato chyba znehodnocuje naměřeneacute vyacutesledky proudu uvedeneacute v tabulce a
vznikla z neznaacutemeacute přiacutečiny jako důsledek nastaveniacute citlivosti proudoveacute soncy na hodnotu
100mVA
Tab 103 Hodnoty naměřeneacute osciloskopem Handyscope HS3
Umax Umin Up-p Uef Ustř Δt
[V] [V] [V] [V] [V] [ms]
2958 -7996 10992 3401 -0983 1419
Imax Imin Ip-p Ief Istř f
[mA] [mA] [mA] [mA] [mA] [Hz]
26459 -2276 49219 11375 2421 7048
Na Obr je vidět vysokonapěťovaacute špička opačneacute polarity vzhledem k napaacutejeciacutemu napětiacute kteraacute
dosahuje hodnoty -7996 V Vznikaacute důsledkem naacutehleacuteho přerušeniacute dodaacutevky proudu do obvodu ciacutevky
Magnetickeacute pole vytvořeneacute v magnetickeacutem obvodu se po přerušeniacute dodaacutevky proudu kteryacute jej vybudil
snažiacute zabraacutenit sveacute změně a zachovat proud v elektrickeacutem obvodu čiacutemž zpětně do elektrickeacuteho obvodu
vinutiacute indukuje vysokeacute napětiacute opačneacute polarity Dochaacuteziacute ke zpětneacute indukci napětiacute do elektrickeacuteho
obvodu Tento děj vyjadřuje druhaacute Maxwellova rovnice o zaacutekonu elektromagnetickeacute indukce
v diferenciaacutelniacutem tvaru vyjaacutedřeneacute vztahem
85
Na Obr je teacutež patrnyacute zaacutekmit napětiacute na konci zaacuteporneacute napěťoveacute špičky Tento zaacutekmit je způsoben
parazitniacute kapacitou vinutiacute Časovaacute konstanta s jakou děj odezněniacute je daacutena RLC parametry obvodu
Každyacute způsob provedeniacute vinutiacute maacute sveacute charakteristickeacute vlastnosti předevšiacutem vlastniacute kapacitu vinutiacute
V praxi se např požadavek na sniacuteženiacute vlastniacute kapacity vinutiacute u transformaacutetorů realizuje dvěma
způsoby
a) zmenšeniacute napěťoveacuteho rozdiacutelu mezi vrstvami popř sekcemi vinutiacute nebo zmenšeniacutem vzaacutejemneacute
kapacity těchto čaacutestiacute jejich odděleniacutem
b) sniacuteženiacutem dielektrickeacute konstanty konstrukčniacutech materiaacutelů využitiacutem vhodnyacutech izolantů pro
izolaci vodičů
Nejviacutece možnostiacute nabiacuteziacute prvniacute varianta jež se uplatňuje u hraacutezoveacuteho křiacutežoveacuteho i kotoučoveacuteho vinutiacute
Obvykle neniacute uacutečelneacute ani hospodaacuterneacute dělit vinutiacute viacutece než na tři komory Čiacutem nižšiacute bude celkovyacute činitel
vinutiacute tiacutem menšiacute bude kapacita vinutiacute Impregnaciacute vinutiacute se vlastniacute kapacita vinutiacute zvyšuje asi o 30 až
50 V přiacutepadě spojeniacute jednoho vyacutevodu vinutiacute s magnetickyacutem jaacutedrem se vlastniacute kapacita vinutiacute zvětšiacute
přibližně o 20 [19]
Za zaacutepornou vysokonapěťovou špičkou a zaacutekmitem napětiacute způsobenyacutem parazitniacute kapacitou v obvodu
je vidět na Obr půlperioda sinusoveacuteho průběhu napětiacute zaacuteporneacute polarity Toto napětiacute je v obvodu
indukovaacuteno diacuteky průchodu magnetickeacuteho toku vystupujiacuteciacuteho z vyniklyacutech poacutelů rotoru během otaacutečeniacute
Magnetickyacute tok vystupuje z poacutelů rotoru a uzaviacuteraacute se přes jaacutedro statoru čiacutemž v jeho vinutiacute indukuje
napětiacute
(35)
86
Na Obr102 zaacuteznam sinusoveacuteho průběhu napětiacute indukovaneacuteho ve vinutiacute statoroveacuteho jaacutedra ktereacute bylo
odpojeno od napaacutejeniacute
Obr 102 Časovyacute průběh napětiacute indukovaneacuteho ve vinutiacute během otaacutečeniacute rotoru
Obr 103 Časovyacute průběh napětiacute a proudu při napětiacute 30 V a zatiacuteženiacute momentem 005 Nm
87
101 Měřeniacute zaacutekladniacutech charakteristik
Motor byl pro změřeniacute charakteristik spojen s cize buzenyacutem dynamometrem Možnost regulace
zaacutetěžneacuteho momentu změnou odporu kotvy dynamometru a velikostiacute budiacuteciacuteho proudu umožnila
naměřit průběh momentovyacutech mechanickyacutech a rychlostniacutech charakteristik Spojeniacute hřiacutedele
s tachodynamem naviacutec umožnilo měřit indukovaneacute napětiacute během jednotlivyacutech měřeniacute a vypočiacutetat z něj
otaacutečky Na Obr104 je schematicky naznačena soustava dynamometru a motoru pro měřeniacute
zatěžovaciacute charakteristiky motoru
Obr 104 Soustava pro měřeniacute zatěžovaciacutech charakteristik motoru
Pro změřeniacute zaacutekladniacutech charakteristik potřebnyacutech pro vyacutepočet uacutečinnosti motoru byl využit cize buzenyacute
dynamometr s Iab=5 A(10)
102 Vyacutepočet uacutečinnosti
Pro přiacuteklad vyacutepočtu dosadiacuteme do uvedenyacutech vztahů hodnoty veličin při nichž vyšla uacutečinnost motoru
maximaacutelniacute
Jelikož proud tekouciacute do vinutiacute je stejnosměrnyacute stanoviacuteme přiacutekon motoru součinem napětiacute zdroje o
konstantniacute velikosti 31 V s proudem tekouciacutem obvodem
Po dosazeniacute
Vyacutekon motoru je roven
přičemž pro uacutehlovou rychlost vyjaacutedřenou z otaacuteček platiacute vztah
(36)
(37)
(38)
Ua
Rb Umot
88
Po dosazeniacute
Vyacutekon je po dosazeniacute uacutehloveacute rychlosti
Uacutečinnost motoru při zanedbaacuteniacute ztraacutet v elektronickeacutem obvodu je daacutena vyacuterazem
Podiacutelem vyacutekonu a přiacutekonu je vyacuteslednaacute uacutečinnost
(39)
(40)
(41)
(42)
(43)
89
Charakteristiky změřeneacute při změně zaacutetěžneacuteho momentu M=005 až 05 Nm a napětiacute 31V
Obr 105 Změna otaacuteček v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
Obr 106 Změna proudu v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
50
150
250
350
450
550
650
750
850
950
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
n [otmin]
P2 [W]
n=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
0
05
1
15
2
25
3
35
4
2 4 6 8 10 12 14
I [A]
P2 [W]
I=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
90
Obr 107 Změna přiacutekonu v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
Obr 108 Změna uacutečinnosti v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
0
20
40
60
80
100
120
140
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
P1 [W]
P2 [W]
P1=f(P2)
-1285deg
5deg
1285deg
0deg
000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
η []
P2 [W]
η=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
ηmax=355
P2=86 W
91
Obr 109 Změna uacutečinnosti v zaacutevislosti na momentu při U=31V
000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045 05 055 06
η []
M [Nm]
η=f(M)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
ηmax=355
M=019 Nm
0
01
02
03
04
05
06
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000 1 100
M [Nm]
n [otmin]
Momentoveacute charakteristiky motoru
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
92
Charakteristiky změřeneacute při změně napaacutejeciacuteho napětiacute U=5 až 31V M=015 Nm
Obr 1010 Změna proudu v zaacutevislosti na napětiacute při M=015 Nm
Obr 1011 Změna otaacuteček v zaacutevislosti na napětiacute při M=015 Nm
0
02
04
06
08
1
12
14
16
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
I [A]
U [V]
I=f(U)
5deg
0deg
1285deg
-1285deg
I=078 A
0
100
200
300
400
500
600
700
800
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
n [otmin]
U [V]
n=f(U)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
93
Zaacutevěr
Na zaacutekladě existence měřitelneacuteho kvantově mechanickeacuteho projevu Casimirova jevu se člověk alespoň
teoreticky přibliacutežil k pochopeniacute podstaty vakua Pohled na vakuum jako na systeacutem v němž je možno
za jistyacutech okolnostiacute pozorovat vysokofrekvenčniacute elektromagnetickeacute fluktuace i při teplotaacutech bliacutezkyacutech
0K může nabiacutezet novou perspektivu a přiacutestup ke strojům s věčnyacutem pohybem Vnějšiacute projevy
elektromagnetickeacuteho charakteru vakuovyacutech fluktuaciacute nejsou za běžnyacutech okolnostiacute zjevneacute neboť je
v tomto stavu zajištěna jejich symetrie K porušeniacute symetrie však dochaacuteziacute mezi dvěma bliacutezkyacutemi
deskami v Casimirově pokusu
Permanentniacute magnet se v jisteacutem ohledu může jevit jako systeacutem jež svojiacute přiacutetomnostiacute narušuje tuto
symetrii elektromagnetickyacutech fluktuaciacute vakua a tiacutem v okolniacutem prostoru projevuje jeho dynamickou
jinak skrytou povahu formou projevu permanentniacuteho magnetickeacuteho pole V tomto ohledu by mohl byacutet
projev stavu narušeniacute symetrie vakuovyacutech fluktuaciacute uacuteměrnyacute energii vloženeacute do permanentniacuteho
magnetu během procesu magnetovaacuteniacute Tento nekonvenčniacute pohled na permanentniacute magnetismus
umožňuje objasnit vstup energie vakua do systeacutemu s permanentniacutemi magnety jakyacutem by mohl byacutet
např Johnsonův magnetickyacute motor složenyacute pouze z permanentniacutech magnetů Pokud tento motor
opravdu fungoval a vyacuteše nastiacuteněnaacute teorie by byla pravdivaacute neniacute tento systeacutem již možno povařovat za
izolovanyacute od sveacuteho okoliacute neboť samotnaacute povaha vakua by v tomto přiacutepadě umožňovala napaacutejeniacute
tohoto systeacutemu
V tomto ohledu se jeviacute zajiacutemavyacute i systeacutem pro přeměnu energie elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute na
užitečnou elektrickou energii popisovanaacute v šesteacute kapitole V tomto systeacutemu kmitajiacute drobneacute
dielektrickeacute struktury vytvořeneacute např elektronovou litografiiacute vlivem siloveacuteho působeniacute fluktuaciacute
elektromagnetickyacutech poliacute vakua a tiacutem v mikroskopickyacutech anteacutenaacutech mezi strukturami indukujiacute
využitelnou formu energie Tyto kmity jsou v přiacutemeacutem poměru k frekvenci zaacuteřeniacute avšak mnohem nižšiacute
frekvenci Využitiacutem moderniacutech technologickyacutech postupů a vysoce jakostniacutech materiaacutelů se v tomto
ohledu nabiacuteziacute nepřeberneacute možnosti pro experimentovaacuteniacute
Realizace modelu Adamsova motor generaacutetoru kterou jsem prakticky provedl (však pouze ve funkci
motoru) měla za ciacutel stanovit uacutečinnost tohoto systeacutemu neboť informace popisujiacuteciacute tento stroj hovořiacute
teacutež o vstupu energie vakua do tohoto systeacutemu čiacutemž je uacutedajně možno dosaacutehnout uacutečinnosti přesahujiacuteciacute
100 Autor Robert Adams stanovil uacutečinnost sveacuteho motor generaacutetoru na zaacutekladě několik dnů
trvajiacuteciacuteho měřeniacute Měřil průběhy napětiacute na vstupniacute baterii jež stroj napaacutejela a bateriiacutech ktereacute
postupně připojoval na elektrickyacute vyacutestup stroje Během činnosti stroje dochaacutezelo k postupneacutemu
dobiacutejeniacute bateriiacute na vyacutestupu V jisteacutem ohledu jsou hodnoty napětiacute při průběžneacutem měřeniacute určityacutem
ukazatelem uacutečinnosti stroje avšak pro vyacutepočet přesneacute uacutečinnosti daneacute poměrem vyacutekonu a přiacutekonu by
bylo zapotřebiacute do vyacutepočtu zahrnout i proudy prochaacutezejiacuteciacute obvodem
Dynamoplechy (M600-50) pro rotor a transformaacutetorovaacute jaacutedra (M150-30s) pro stator jsem zakoupil u
společnosti Therma FM a permanentniacute magnety přes internetovyacute obchod Unimagnetcz Virtuaacutelniacute
model motoru vytvořenyacute v programu SolidWorks jsem importoval do programu ANSYS Workbench
a provedl v něm magnetostatickou analyacutezu Analyzoval jsem magnetickyacute obvod složenyacute z jedneacute
osminy statoru (pouze jedno jaacutedro) vzduchoveacute mezery a vynikleacuteho poacutelu rotoru při nuloveacutem proudu ve
statoroveacutem vinutiacute Takteacutež jsem magnetickyacute obvod řešil zjednodušenyacutem vyacutepočtem v němž jsem
94
zanedbal reluktanci železa rotoru i statoru rozdiacutel ve tvaru průřezů statorovyacutech i rotorovyacutech poacutelů a
odhadem jsem stanovil činitel rozptylu v okoliacute vzduchoveacute mezery Vypočiacutetal jsem pro danyacute
magnetickyacute obvod demagnetizačniacute činitel a vykresleniacutem přiacutemky byl nalezen pracovniacute bod P
permanentniacuteho magnetu Bod P vytiacutenaacute na přiacuteslušnyacutech osaacutech demagnetizačniacute charakteristiky
odpoviacutedajiacuteciacute hodnoty BM a HM permanentniacuteho magnetu Z nich byly vypočteny hodnoty indukce a
intenzity ve vzduchoveacute mezeře
Hodnoty magnetickeacute indukce a intenzity magnetickeacuteho pole v prostoru vzduchoveacute mezery vypočteneacute
na zaacutekladě zjednodušeniacute obvodu a hodnoty vypočteneacute v ANSYSu se v přiacutepadě indukce lišiacute o hodnotu
0177 T což vzhledem ke zjednodušeniacute vyacutepočtu a odhadu činitele rozptylu přibližně odpoviacutedaacute Rozdiacutel
v hodnotaacutech intenzity magnetickeacuteho pole činiacute 188 kAm což je opět vzhledem k zjednodušeniacutem
vyhovujiacuteciacute hodnota
Pomociacute programu Ansys byla stanovena nejnižšiacute hodnota proudu (700 mA) tekouciacuteho do vinutiacute
vybraneacuteho jaacutedra statoru při jeho zarovnaacuteniacute s rotorovyacutemi poacutely kteraacute způsobiacute vyrušeniacute přiacutetažneacute siacutely
působiacuteciacute na statoroveacute jaacutedro vlivem permanentniacute magnetizace rotoroveacuteho poacutelu Teoreticky proud většiacute
než 700mA způsobiacute pootočeniacute rotoru a naacuteslednyacute rozběh
Daacutele byly graficky stanoveny průběhy sil v osaacutech x a y působiacuteciacutech na rotor během jeho pootočeniacute o
uacutehel 643deg kdy došlo k zarovnaacuteniacute sousedniacutech poacutelů rotoru a statoru
Změřeniacutem zaacutekladniacutech zatěžovaciacutech charakteristik pomociacute dynamometru byly stanoveny průběhy
momentovyacutech charakteristik pro různeacute uacutehly natočeniacute komutačniacuteho disku vzhledem k rotoru Z grafu
průběhu uacutečinnosti v zaacutevislosti na momentu byla odečtena nejvyššiacute hodnota uacutečinnosti motoru 355
pro natočeniacute komutačniacuteho disku o 5deg a odpoviacutedajiacuteciacute zaacutetěžnyacute moment 019 Nm Tato uacutečinnost je v
porovnaacuteniacute se stejně vyacutekonnyacutemi motory běžnyacutech konstrukciacute poměrně niacutezkaacute Jedniacutem z hlavniacutech
faktorů jež ovlivnil vyacuteslednou uacutečinnost je tvar statorovyacutech jader ktereacute majiacute velkou vzduchovou
mezeru Tiacutem paacutedem dochaacuteziacute ke značneacutemu rozptylu toku magnetickeacute indukce skrze prostor mezi
statorovyacutemi poacutely
Natočeniacutem komutačniacuteho disku do polohy 0deg došlo ke značneacutemu sniacuteženiacute uacutečinnosti na hodnotu okolo 14
majiacuteciacute přiacutečinu ve špatneacutem načasovaacuteniacute počaacutetku průchodu proudu do přiacuteslušneacuteho vinutiacute Vzaacutejemneacute
siloveacute působeniacute magnetickyacutech indukčniacutech toků z jaacutedra a rotoru působilo brzdnyacutem uacutečinkem čiacutemž
došlo ke sniacuteženiacute uacutečinnosti motoru
Momentoveacute charakteristiky jsou teacuteměř lineaacuterniacute Největšiacute moment 05 Nm byl naměřen při napětiacute 31
V při 180 otmin a to v přiacutepadě že komutačniacute disk byl pootočen o 1285deg
95
Použitaacute literatura
[1] Hubbertpeak [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwhubbertpeakcomhubbert19561956pdf
[2] Multimediaacutelniacute studijniacute texty z mineralogie [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpmineralogiescimuniczkap_6_2_termodynkap_6_2_termodynhtm
[3] Molecular and cellular immunology Institute of malecular genetics academy of science of the
Czech Republic Praguee [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpmciimgcasczpdfZakony_termodynamikypdf
[4] Uacutestav teoretickeacute fyziky MFF UK [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httputfmffcuniczvyukaOFY016F2001CermakPhtm
[5] Galileo [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpgalileoandeinsteinphysicsvirginiaedumore_stuffflashletsmmexpt6htm
[6] Encyclopedia Britanica [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwbritannicacomEBcheckedtopic600149Evangelista-Torricelli
[7] ABZ slovniacutek ciziacutech slov [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z httpslovnik-cizich-
slovabzczwebphpslovohorror-vacui-horor-vakui
[8] RAFELSKI Johannn a Berndt MUumlLLER The structured vaccum Thinking about nothing
Published electrically 2006 ISBN 3-97144-889-3
[9] Uacutestav jaderneacute fyziky AV ČR veřejnaacute vyacutezkumnaacute instituce [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httphpujfcascz~wagnerpopclanvakuumvakuumhtml_ftn2
[10] Aldebaran [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwaldebaranczbulletin2011_10_kazphp
[11] Aldebaran [online] Casimir - Network 2005 [cit 2014-05-08] Dostupneacute z httpcasimir-
networkfrIMGpdfCasimir_20effectpdf
[12] KVASNICA Jozef Statistickaacute fyzika Vyd 2 Praha Academia 1998 314 s ISBN 80-200-
0676-1
[13] Aldebaran [online] Annenberg learning 2005 [cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwlearnerorgcoursesphysicsvisualanimationhtmlshortname=PHY06_FermiTrap0
3A
[14] Cornell University Library arXivorg [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httparxivorgpdf10115219v1pdf
[15] Fyzikaacutelniacute sekce Matematicko-fyzikaacutelniacute fakulty UK [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpphysicsmffcuniczkfppskriptakurz_fyziky_pro_DSwwwfyzikahtml
[16] FEYNMAN Richard Phillips Feynmanovy přednaacutešky z fyziky s řešenyacutemi přiacuteklady 1 vyd
Havliacutečkův Brod Fragment 2001 806 s ISBN 80-720-0420-4
[17] VALONE Thomas Zero Point Energy The Fuel of the Future United States Integrity
Research Institiute 2007 228 s ISBN 9780964107021
96
[18] KING Moray B Quest for Zero Point Energy Engineering Principles for Free Energy
Engineering Principles for Free Energy United States Integrity Research Institiute 2001 224 s
ISBN 9780932813947
[19] FAKTOR Zdeněk Transformaacutetory a ciacutevky 1 vyd Praha BEN - technickaacute literatura 1999
393 s ISBN 80-860-5649-X
[20] MAYER Daniel a Josef POLAacuteK Metody řešeniacute elektrickyacutech a magnetickyacutech poliacute [vysokošk
učebnice pro elektrotechn fakulty] 1 vyd Praha SNTL 1983 450 s
[21] ABZ slovniacutek ciziacutech slov [online cit 2014-05-12] Dostupneacute z httpslovnik-cizich-
slovabzczwebphpslovohorror-vacui-horor-vakui
[22] Wikipedie [online cit 2014-05-12] Dostupneacute z httpcswikipediaorgwikiVakuum
[23] VALONE Thomas Practical Conversion of Zero-Point Energy Feasibility Study of the
Extraction of Zero-Point Energy from the Quantum Vacuum for the Performance of Useful
Work United States Integrity Research Institiute 2005 90 s ISBN 9780964107083
[24] BEARDEN By John Bedini and TE Free energy generation circuits 2nd ed Santa Barbara
Calif Cheniere Press 2006 806 s ISBN 09-725-1468-6
[25] Straacutenky věnovaneacute potlačovaneacute vědě a zatajovanyacutem vynaacutelezům [online cit 2014-05-08]
Dostupneacute z httpfree-energyxfczJOHNSONSampMhtm
[26] ADAMS Robert The Adams pulsed motor generator manual 46 Landing Roat Whakanate
Nex Zealand 1992
11
2 Energetickeacute zdroje ve formě fosilniacutech paliv
V současnosti pokryacutevajiacute největšiacute podiacutel energetickeacute spotřeby lidstva zdroje fosilniacutech paliv Zejmeacutena
uhliacute ropa a zemniacute plyn Americkyacute geolog M King Hubbert předložil světu v roce 1956 teorii tzv
Hubbert Peak Theory znaacutemou teacutež pod naacutezvem peak oil Tato teorie se tyacutekaacute dlouhodobeacute těžby a
spotřeby ropy a ostatniacute fosilniacutech paliv Teacutehož roku M K Hubbert nabiacutedl Americkeacutemu ropneacutemu
institutu model tyacutekajiacuteciacute se znaacutemyacutech zaacutesob ropy Podle tohoto modelu měly Spojeneacute staacutety dosaacutehnout
vrcholu produkce ropy mezi rokem 1965 a 1970 Podle M K Hubberta by mělo byacutet vrcholu v
celosvětoveacute produkci ropy dosaženo přibližně o půl stoletiacute později od publikovaacuteniacute jeho teorie [1]
Na Obr 1 je křivka ve tvaru zvonu vytvořenaacute M K Hubbertem na zaacutekladě předpokladu že rezervniacutem
objemem suroveacute ropy je cca 250 miliard barelů Křivka reprezentuje celosvětovou produkci suroveacute
ropy zjištěneacute rezervy a předpoklaacutedaneacute zaacutesoby objeveneacute v budoucnu
Obr 1 Křivka vyacutevoje produkce ropy ve spojenyacutech staacutetech podle M K Hubberta [1]
Produkce ropy kopiacuteruje tvar zvonu tudiacutež v celosvětoveacutem měřiacutetku nedojde k naacutehleacutemu nedostatku ropy
Pokud dosaacutehne celosvětovaacute produkce ropy sveacuteho vrcholu v roce 2000 tak v roce 2020 bude na stejneacute
hodnotě jako v roce 1980 Nicmeacuteně v roce 2020 bude oproti roku 1980 světovaacute populace lidiacute zhruba
dvojnaacutesobnaacute a naacutesledkem značneacuteho zprůmyslněniacute světa bude spotřeba ropy prudce narůstat
Vyacutesledkem snižujiacuteciacutech se zaacutesob ropy je naacuterůst jejiacute ceny Jako naacutesledek nedostatku ropy je možneacute
očekaacutevat vaacutelečneacute konflikty vyspělyacutech zemiacute s ciacutelem ziacuteskat přiacutestup k ropnyacutem zdrojům a udržet si tiacutem
jistou ekonomickou stabilitu Způsoby přeměny energie spalovaacuteniacutem fosilniacutech paliv spojeneacute s
neohleduplnostiacute vůči planetě Zemi a jejiacutem obyvatelům přivaacutediacute člověka k naleacutehaveacute potřebě doplnit a
postupně nahradit staacutevajiacuteciacute energetickeacute zdroje zdroji alternativniacutemi
12
3 Zaacutekony termodynamiky
V dějinaacutech lidstva se objevilo mnoho pokusů o realizaci strojů jež by pracovaly s uacutečinnostiacute většiacute než
100 Snaha realizovat stroj s věčnyacutem pohybem je na programu mnoha konstrukteacuterů i v dnešniacute době
Zejmeacutena na internetu nalezneme mnoho odkazů na různorodeacute konstrukce mechanickyacutech a
elektrickyacutech strojů Zejmeacutena u čistě mechanickyacutech strojů je na prvniacute pohled patrneacute že nemohou
pracovat v nepřetržiteacutem chodu a třeniacute nakonec způsobiacute jejich zastaveniacute Nicmeacuteně lze narazit i na
konstrukce elektrickyacutech strojů doprovaacutezeneacute vlivnyacutem komentaacuteřem jež se opiacuteraacute o teorii kteraacute popisuje
vakuum jako prostor vyplněnyacute energiiacute Na kvantoveacute uacuterovni uacutedajně dochaacuteziacute ve vakuu k
nepřetržityacutem fluktuaciacutem elektromagnetickyacutech poliacute vlivem vzniku a zaacuteniku kladnyacutech a zaacutepornyacutech
virtuaacutelniacutech čaacutestic Bliacuteže se k tomuto fenomeacutenu vraacutetiacutem v naacutesledujiacuteciacute kapitole
Na zaacutekladě interakce s okoliacutem lze systeacutemy rozdělit naacutesledovně
a) izolovaneacute ndash v idealizovaneacutem přiacutepadě např termoska u ktereacute nedochaacuteziacute k vyacuteměně energie ani
hmotnyacutech čaacutestic
b) uzavřeneacute ndash např z obou stran uzavřenaacute trubice u niacutež dochaacuteziacute k vyacuteměně energie s okoliacutem
avšak bez vyacuteměny hmotnyacutech čaacutestic
c) otevřeneacute ndash např strom kteryacute si okoliacutem vyměňuje jak energii tak hmotneacute čaacutestice
31 Nultyacute zaacutekon termodynamiky
Systeacutemy v termickeacute rovnovaacuteze majiacute stejnou teplotu Nultyacute zaacutekon zavaacutediacute teplotu jako
termodynamickou veličinu
32 Prvniacute zaacutekon termodynamiky
Vnitřniacute energie (U) izolovaneacuteho systeacutemu je konstantniacute Změna vnitřniacute energie dU je součtem tepla
ktereacute bylo do systeacutemu dodaacuteno (dQ) a praacutece kteraacute byla na systeacutemu vykonaacutena (dW)
Změnu vnitřniacute energie můžeme zapsat jako
Veličina dW je objemovou praciacute Jde o změnu objemu dV v systeacutemu za konstantniacuteho tlaku P Změna
objemoveacute praacutece se vyjaacutedřiacute rovniciacute
Změnu vnitřniacute energie můžeme zapsat jako
(1)
(2)
(3)
13
Dodaacuteme-li např krystalu energii ve formě tepla vzroste jeho vnitřniacute energie o tolik kolik se
nespotřebuje na praacuteci spojenou s růstem jeho objemu (expanziacute) [2]
321 Perpetuum mobile prvniacuteho druhu
Produkuje nejmeacuteně tolik energie kolik samo spotřebuje Jakmile je jednou stroj spuštěn může
pracovat po neomezeně dlouhou dobu
33 Druhyacute zaacutekon termodynamiky
Druhyacute zaacutekon je postaven na definici entropie kteraacute je extenzivniacute funkciacute definujiacuteciacute stav systeacutemu
Zjednodušeně řečeno entropie definuje neuspořaacutedanost syteacutemu Celkovaacute změna entropie v uzavřeneacutem
systeacutemu je součtem změny entropie uvnitř systeacutemu a entropie kteraacute je do systeacutemu přenesena z jeho
okoliacute Entropii přenaacutešenou do systeacutemu se definuje rovnice (4) kde dQ je dodaneacute teplo a T je teplota
Je zřejmeacute že změna entropie systeacutemu při konstantniacute hodnotě tepla je většiacute při nižšiacute teplotě [2]
Pro reversibilniacute procesy a rovnovaacutežneacute stavy platiacute že změna entropie je nulovaacute dS = 0 Pro spontaacutenniacute
proces v systeacutemu pak platiacute dS gt 0 Můžeme řiacuteci že entropie se nikdy samovolně nezmenšuje [2]
331 Perpetuum mobile druheacuteho druhu
Takeacute nelze sestrojit protože při tepelneacute vyacuteměně těleso o vyššiacute teplotě nemůže samovolně přijiacutemat
teplo od tělesa s nižšiacute teplotou
34 Třetiacute zaacutekon termodynamiky
Jestliže se teplota ideaacutelniacuteho krystalu bliacutežiacute absolutniacute nule bliacutežiacute se nule i jeho entropie [2]
V bliacutezkosti absolutniacute nuly se adiabatickyacute děj přibližuje izotermickeacutemu Tiacutem se ovšem ztraacuteciacute uacutečinnost
libovolneacute ochlazovaciacute metody založeneacute na střiacutedaacuteniacute těchto dějů
Při extreacutemně niacutezkeacute teplotě se projevujiacute zvlaacuteštniacute vlastnosti některyacutech laacutetek jakyacutemi jsou supravodivost a
supratekutost
(4)
14
4 Vakuum
41 Eacuteter vyplňujiacuteciacute praacutezdnyacute prostor
Na zaacutekladě zjištěniacute že zvuk pro sveacute šiacuteřeniacute vyžaduje přenosoveacute meacutedium bylo dřiacuteve předpoklaacutedaacuteno že
i světlo ke sveacutemu přenosu vyžaduje určiteacute prostřediacute Toto meacutedium bylo označeno pojmem eacuteter Eacuteter
byl zaveden nejen pro světlo ale i pro elektřinu magnetismus a teplo Britskyacute fyzik James Clarck
Maxwell zjistil že se elektromagnetickeacute vlny šiacuteřiacute rychlostiacute světla a navrhl existenci pouze jedineacuteho
eacuteteru [3]
Na zaacutekladě Maxwellovyacutech pozorovaacuteniacute provedl Albert Michelson v roce 1881 experiment kteryacute měl
prokaacutezat přiacutetomnost eacuteteru Negativniacute vyacutesledek pokusu byl později zpochybněn a tak byl v roce 1887
pokus mnohem přesněji zopakovaacuten za spolupraacutece Edwarda Morleyho Experiment byl v budoucnu
ještě mnohokraacutet zopakovaacuten avšak původniacute vyacutesledek experimentu byl potvrzen [4]
Na Obr41 je znaacutezorněn princip Michelson-Morleyho experimentu kteryacute jsem doplnil o šipky ve
směru paprsků světla Uprostřed rotujiacuteciacute kruhoveacute aparatury je umiacutestěno polopropustneacute zrcadlo Směr
pohybu eacuteteru vůči aparatuře je znaacutezorněn žlutyacutemi šipkami Ze zdroje světla (vlevo) vychaacuteziacute paprsek a
dopadaacute na polopropustneacute zrcadlo (uprostřed) kde se děliacute na dvě čaacutesti Vzniknou tak dva navzaacutejem
kolmeacute paprsky putujiacuteciacute k zrcadlům po okrajiacutech aparatury kde se opět odraacutežiacute a vracejiacute zpět
k prostředniacutemu polopropustneacutemu zrcadlu Paprsek vracejiacuteciacute se dolů čaacutestečně prochaacuteziacute polopropustnyacutem
zrcadlem směrem dolů ke stiacuteniacutetku a paprsek vracejiacuteciacute se ke středu od leveacuteho zrcadla je odražen takeacute
směrem dolů Čaacutesti obou paprsků tak dopadajiacute na stiacuteniacutetko kde se
a) vzaacutejemně zesiacuteliacute jestliže majiacute stejnou rychlost a dopadajiacute na stiacuteniacutetko se stejnou faacuteziacute
b) vytvořiacute interferenčniacute obrazec v přiacutepadě že pohybujiacuteciacute se eacuteter vůči aparatuře ovlivnil rychlost
jednoho z paprsků
c)
Obr 41 Model demonstrujiacuteciacute princip Michelson- Morleyho experimentu [5]
Experiment existenci takoveacuteho eacuteteru neprokaacutezal a tak se převaacutežnaacute vědeckaacute komunita od představy
eacuteteru odkolonila
15
Neschopnost lidskeacute mysli uchopit praacutezdnyacute prostor dala v historii vzniknout pojmu horror vacui
neboli strach z praacutezdnoty [21]
Italskyacute fyzik a matematik Evangelista Torricelli žijiacuteciacute v 17 stoletiacute vešel do povědomiacute širokeacute
veřejnosti jednak pro vědeckyacute přiacutespěvek v oboru matematiky ale předevšiacutem pro vynalezeniacute
barometru Torricelli při svyacutech pokusech experimentoval s dlouhou skleněnou trubiciacute deacutelky 12 m
kterou naplnil rtutiacute a poteacute ji otevřenyacutem koncem ponořil do naacutedoby plneacute rtuti Pozoroval že velkaacute čaacutest
rtuti v trubici zůstala a nad jejiacute hladinou vnikl vzduchopraacutezdnyacute prostor Stal se tak prvniacutem člověkem
v historii kteryacute vytvořil vzduchopraacutezdno neboli vakuum [7]
Obr 42 Aparatura Evangelisty Torricelliho diacuteky ktereacute vytvořil makroskopickeacute vakuum
Vakuum zastupuje širokou škaacutelu tlaků V technickeacute praxi naleacutezaacute širokeacute praktickeacute využitiacute a je proto
podle velikosti tlaku rozděleno děleno do kategoriiacute ktereacute jsou v Tab 42
Tab 41 Rozděleniacute vakua podle tlakoveacuteho paacutesma a množstviacute hmoty v objemu[22]
Tlakoveacute paacutesmo
Tlak Množstviacute hmoty
v objemu
[Pa] [molekulcm3]
Atmosfeacuterickyacute tlak 101times105 27 x 10
19
Hrubeacute vakuum 10+4
hellip10+2
1019
- 1016
Jemneacute vakuum 10+2
hellip10minus1
1016
- 1013
Vysokeacute vakuum (HV) 10minus1
hellip10minus5
1013
hellip109
Ultra vysokeacute vakuum (UHV) 10minus5
hellip10minus10
109hellip10
4
Extreacutemně vysokeacute vakuum (XHV) lt10minus10
lt104
16
Vynaacutelezce Otto von Guericke demonstroval siacutelu podtlaku analogiiacute s osmi spřaženiacutemi osmi koni kteřiacute
nejsou schopni společnyacutemi silami oddělit dvě poloviny vzduchopraacutezdneacute koule jak ukazuje Obr 43
Obr 43 Osm koniacute neniacute schopno od sebe oddělit dvě poloviny vzduchopraacutezdneacute koule [8]
Zařiacutezeniacute pro tvorbu vakua se nazyacutevaacute vyacutevěva I kdyby se naacutem podařilo sestrojit dokonalou vyacutevěvu
kteraacute by z prostoru odstranila všechny znaacutemeacute hmotneacute čaacutestice prostor by i tehdy nezůstal praacutezdnyacute
Klasickaacute teorie poklaacutedaacute vakuum za praacutezdnyacute prostor bez hmotnyacutech čaacutestic Je však nutneacute přihleacutednout
k faktu že existujiacute teorie a experimenty jež připouštějiacute že vakuum neniacute praacutezdneacute miacutesto toho je plneacute
aktivity a co je ještě důležitějšiacute lze tuto aktivitu využiacutet v našem reaacutelneacutem světě
42 Heisenbergův princip neurčitosti
Velmi důležityacutem zaacutekonem určujiacuteciacutem pravidla v kvantoveacutem světě je Heisenbergův princip neurčitosti
Ten řiacutekaacute že pro současneacute měřeniacute polohy x a hybnosti čaacutestice p nemůže byacutet součin neurčitostiacute v určeniacute
polohy Δx a hybnosti Δp čaacutestice menšiacute než redukovanaacute Planckova konstanta ħ Pro tuto konstantu platiacute
ħ = h2π =105410-34
Js Důsledkem Heisenbergova principu je že se na mikroskopickeacute uacuterovni může
narušovat zaacutekon zachovaacuteniacute energie a to takovyacutem způsobem že součin velikosti tohoto narušeniacute a
doby po kterou trvaacute je menšiacute než redukovanaacute Planckova konstanta V takoveacutem přiacutepadě nelze toto
porušeniacute pozorovat
Heisenbergův princip neurčitosti pro současneacute měřeniacute polohy a hybnosti čaacutestice maacute tvar
(5)
Heisenbergův princip neurčitosti pro současneacute měřeniacute času a energie čaacutestice maacute tvar
(6)
Platnost rovnice (6) vede tomu že ve vakuu mohou existovat velice rychleacute fluktuace energie ktereacute
vznikajiacute jako v důsledku vzniku tzv virtuaacutelniacutech čaacutestic a jejich antičaacutestic ktereacute velice rychle vznikajiacute a
zanikajiacute vlivem vzaacutejemneacute anihilace A to v čase daneacutem Heisenbergovyacutem principem neurčitosti [9]
17
43 Virtuaacutelniacute čaacutestice
Jednaacute se o čaacutestici kteraacute neniacute přiacutemo pozorovatelnaacute je zavedena z důvodu existence řady pozorovanyacutech
jevů Virtuaacutelniacute čaacutestice může existovat diacuteky Heisenbergovu principu neurčitosti a v časoveacutem okamžiku
daneacutem tiacutemto zaacutekonem narušuje zaacutekon o zachovaacuteniacute energie U reaacutelneacute čaacutestice jejiacutež existence nenarušuje
zaacutekon zachovaacuteniacute energie je splněn relativistickyacute vztah mezi celkovou energiiacute čaacutestice E jejiacute hybnostiacute p
a klidovou energiiacute U virtuaacutelniacute čaacutestice tento vztah mezi uvedenyacutemi fyzikaacutelniacutemi veličinami neplatiacute
Virtuaacutelniacute čaacutestice tak může miacutet třeba velmi velkou hybnost a jen velmi malou energii Existence
virtuaacutelniacute čaacutestice je omezena na velice kraacutetkou dobu Při neustaacuteleacutem vzniku a zaacuteniku těchto čaacutestic
vznikajiacute ve vakuu vysokofrekvenčniacute fluktuace elektromagnetickyacutech poliacute různyacutech vlnovyacutech deacutelek [9]
44 Casimirův jev
V roce 1958 holandskyacute fyzik M J Sparnaay předpověděl existenci sil mezi dvěma kovovyacutemi
deskami jejichž přiacutečinou nebylo tepelneacute zaacuteřeniacute Byl zaveden pojem zero point energy (energie
nuloveacuteho bodu) označujiacuteciacute elektromagnetickou energii vyskytujiacuteciacute se ve vakuu při absolutniacute nuloveacute
teplotě [18]
Důkazem existence teacuteto energie je uacutedajně fakt že helium zůstaacutevaacute i při teplotaacutech mezi -272degC až
273degC staacutele v kapalneacutem skupenstviacute a nedojde k jeho přeměně na skupenstviacute pevneacute [17]
Způsob jakyacutem by bylo možneacute projevy virtuaacutelniacutech čaacutestic experimentaacutelně změřit navrhl v roce 1948
holandskyacute fyzik Hendrik Casimir Casimir uvažoval o dvou paralelniacutech elektrodaacutech (zrcadlech)
umiacutestěnyacutech ve vakuu za teploty bliacutezkeacute absolutniacute nule Vně těchto zrcadel vakuoveacute fluktuace
elektromagnetickyacutech poliacute dosahujiacute širokeacuteho spektra energiiacute ovšem v souladu s Heisenbergovyacutemi
relacemi neurčitosti Jinaacute situace nastaacutevaacute mezi elektrodami ktereacute tvořiacute rezonaacutetor Zde mohou vznikat
pouze fluktuace určityacutech vlnovyacutech deacutelek ndash moacutedů rezonaacutetoru Ostatniacute vlnoveacute deacutelky jsou vněm
potlačeny Tato nerovnovaacuteha fluktuaciacute vně elektrod a mezi nimi způsobuje tlakovou siacutelu kteraacute
přitahuje elektrody k sobě Jev se nazyacutevaacute Casimirův jev (efekt) a je makroskopickyacutem projevem
kvantovyacutech jevů stejně jako napřiacuteklad supravodivost nebo supratekutost [10]
Obr 44 Demonstrace Casimirova jevu Dvě kovoveacute desky tvořiacute rezonaacutetor pouze pro některeacute vlnoveacute
deacutelky důsledkem je působeniacute přitažliveacute siacutely mezi těmito deskami [11]
Fluktuace
vakua Casimirovi
desky
18
441 Casimirova siacutela
Casimirův efekt se projevuje jako Casimirova siacutela Casimirovu siacutelu mezi vodivyacutemi elektrodami
způsobuje nerovnovaacuteha mezi kvantovyacutemi fluktuacemi elektromagnetickyacutech poliacute ve vakuu vně
elektrod a mezi nimi [10]
Casimirovu siacutelu lze vypočiacutetat na zaacutekladě vztahu (7) uvedeneacuteho v literatuře[17]
(7)
Na obr45 je graf Prof Dr Davida Iannuzziho kteryacute zobrazuje přibližně exponenciaacutelniacute naacuterůst
publikaciacute pojednaacutevajiacuteciacute o Casimirově vevu Tiacutem dokazuje značnyacute naacuterůst zaacutejmu o tento fenomeacuten
Obr 45 Naacuterůst publikaciacute tyacutekajiacuteciacutech se Casimirova jevu [8]
442 Aparatura pro měřeniacute Casimirova jevu
Laboratorniacute měřeniacute Casimirova jevu v Kalifornskeacute univerzitě v Riverside bylo provedeno na
miniaturniacute aparatuře pro měřeniacute kvantově mechanickyacutech efektů bdquopraacutezdneacuteho prostoruldquo Na Obr 46 je
kulička o průměru 01 mm zobrazenaacute skrze elektronovyacute mikroskop Kulička je umiacutestěna pod hladkou
destičkou (destička neniacute na obraacutezku) Diacuteky kvantově mechanickeacutemu Casimirovu efektu se kulička
k destičce přitahuje Změna pozice kuličky je měřena mikroskopem pro měřeniacute atomaacuterniacutech sil
19
Obr 46 Mikroskopickaacute aparatura pro měřeniacute Casimirova jevu
443 Tepelnyacute Casimirův jev
Při konečneacute teplotě vstupujiacute do hry tepelneacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole a přispiacutevajiacute tak k
siloveacutemu působeniacute mezi elektrodami Tepelneacute fluktuace jsou způsobeny chaotickyacutem pohybem
volnyacutech elektronů v materiaacutelu elektrod Paralelniacute elektrody opět představujiacute rezonaacutetor ve ktereacutem je
možneacute vybudit pouze určiteacute moacutedy Každyacute moacuted představuje stav s přesně určenou energiiacute Tyto stavy
jsou obsazovaacuteny fotony ktereacute reprezentujiacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole Obsazeniacute těchto
hladin popisuje Boseho-Einsteinovo rozděleniacute [10]
Boseho-Einsteinovo rozděleniacute popisuje ve statistickeacute fyzice systeacutemy složeneacute z bosonů tedy čaacutestic se
symetrickou vlnovou funkciacute a celočiacuteselnyacutem spinem Bose-Einsteinovyacutem rozděleniacutem se řiacutediacute napřiacuteklad
fotony je z něj tedy možneacute odvodit napřiacuteklad Planckův vyzařovaciacute zaacutekon [12]
Při nuloveacute teplotě všechny fotony obsadiacute pouze nejnižšiacute energetickou hladinu jak je vidět na Obr 47
S rostouciacute teplotou postupně dochaacuteziacute k obsazovaacuteniacute i dalšiacutech vyššiacutech energetickyacutech hladin Mezi
zrcadly vznikaacute dalšiacute přitažlivaacute siacutela kteraacute ovšem zaacutevisiacute na teplotě Jednaacute se tedy o tepelnyacute Casimirův
jev
Obr 47 Vlevo zaujiacutemajiacute bosony při teplotaacutech bliacutezkyacutech absolutniacute nule jedinyacute stav s nejnižšiacute energiiacute Se
vzrůstajiacuteciacute teplotou bosony (vpravo) postupně obsazujiacute stavy s vyššiacute energiiacute [13]
Přestože tepelnyacute Casimirův jev byl teoreticky předpovězen Jevgenijem Lifšicem v roce 1955 dočkal
se sveacuteho objevu až v roce 2010 Tento uacutekol se podařilo zvlaacutednout skupině vědců na americkeacute Yaleově
univerzitě Tepelneacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole byly opět měřeny prostřednictviacutem přitažliveacute
siacutely mezi dvěma elektrodami Připravit dokonale rovinneacute paralelniacute plochy je poměrně obtiacutežneacute a proto
20
byl experiment provaacuteděn s jednou rovinnou elektrodou a druhou elektrodou ve tvaru kuloveacute plochy
Obě elektrody byly vyrobeny ze zlata s přesnostiacute 10 nm (kulovaacute elektroda) a 1 nm (rovinnaacute elektroda)
Siacutela mezi elektrodami byla měřena pomociacute torzniacuteho kyvadla kde torzniacute siacutela wolframoveacuteho draacutetku o
průměru 25 μm byla vyrovnaacutevaacutena přitažlivou silou mezi elektrodami Kapacitniacute polohovyacute senzor
sniacutemal vyacutechylku torzniacuteho kyvadla Celyacute experiment probiacutehal při teplotě 300 K [14]
Obr 48 Scheacutema zařiacutezeniacute pro měřeniacute tepelneacuteho Casimirova jevu (pohled shora) [14]
Naměřeneacute vyacutesledky byly porovnaacutevaacuteny se dvěma teoretickyacutemi modely ndash plazmovyacutem modelem a
Drudeho modelem Tyto modely popisujiacute chovaacuteniacute permitivity elektrod v zaacutevislosti na frekvenci
Naměřeneacute vyacutesledky ukazujiacute shodu s Drudeho modelem při teplotě 300 K Podle tohoto modelu tepelnaacute
přitažlivaacute siacutela roste lineaacuterně s teplotou a klesaacute s druhou mocninou vzdaacutelenosti To znamenaacute že zatiacutemco
Casimirova siacutela převlaacutedaacute na velmi malyacutech vzdaacutelenostech tepelnaacute Casimirova siacutela dominuje na
velkyacutech vzdaacutelenostech Na obraacutezku niacuteže je znaacutezorněna přitažlivaacute siacutela naacutesobenaacute druhou mocninou
vzdaacutelenosti v zaacutevislosti na vzdaacutelenosti mezi elektrodami Podle Drudeho modelu bychom měli dostat
konstantniacute zaacutevislost v miacutestech kde převlaacutedaacute siacutela způsobenaacute tepelnyacutemi fluktuacemi Z Obr 49 je
patrneacute že od vzdaacutelenosti přibližně 3 μm daacutele dostaacutevaacuteme přibližně konstantniacute zaacutevislost [14]
Obr 49 Na vzdaacutelenostech většiacutech než 3 μm dochaacuteziacute ke změně charakteru přitažliveacute siacutely Převlaacutedaacute zde
siacutela způsobenaacute tepelnyacutemi fluktuacemi zatiacutemco na menšiacutech vzdaacutelenostech se viacutece uplatňuje siacutela
pochaacutezejiacuteciacutech z kvantovyacutech fluktuaciacute vakua [14]
21
5 Magnetismus
51 Magnetickeacute pole a jeho siloveacute uacutečinky
Fakt že některeacute nerosty s obsahem železa a jeho oxidů jeviacute jisteacute vzaacutejemneacute siloveacute působeniacute vedlo
člověka k vyacutezkumu hlubšiacute podstaty tohoto fenomeacutenu Magnetismu znaacutemeacutemu již ze středověku začala
byacutet později věnovaacutena značnaacute pozornost předevšiacutem diacuteky poznatku že lze vnějšiacute magnetickeacute pole
vyvolat průchodem proudu nosičů elektrickyacutech naacutebojů elektrickyacutemi vodiči Pokusy H Ch Oersteda s
vodiči zapojenyacutemi k elektrickeacutemu zdroji vykazovali siloveacute působeniacute na magnetku kompasu později
diacuteky A M Ampeacuterovu pokusu takeacute siloveacute působeniacute mezi vodiči proteacutekanyacutemi proudem [15]
Mezi tělesy z feromagnetickyacutech laacutetek se za jistyacutech okolnostiacute projevuje vnějšiacute působeniacute vnitřniacutech
atomaacuterniacutech sil do vnějšiacuteho prostřediacute prostor v okoliacute tělesa i uvnitř něho je magneticky polarizovaacuten a
magnetickeacute předměty se navzaacutejem přitahujiacute či odpuzujiacute v zaacutevislosti na směru vektoru jejich
magnetizace Ve vzdušneacutem prostřediacute lze magnetickou propustnost definovat jako hodnotu přibližně
rovnou permeabilitě vakua
Po odhaleniacute existence magnetismu došlo časem k prudkeacutemu naacuterůstu pokusů se snahou naleacutezt praktickeacute
využitiacute tohoto jevu v lidskeacutem životě Vznik elektrickyacutech strojů prudce zrychlil rozvoj většiny odvětviacute
lidskeacuteho baacutedaacuteniacute
Magnetickeacute pole a jeho siloveacute uacutečinky jsou přiacutetomny při
a) Pohybu elektrickyacutech naacutebojů v obvodu
b) Zmagnetovaacuteniacute magnetik
Kvantitativniacute miacuterou siloveacuteho působeniacute magnetickeacuteho pole je magnetickaacute indukce B
Magnetickeacute pole o indukci 1 T působiacuteciacute na naacuteboj jednoho coulombu kteryacute se pohybuje rychlostiacute 1ms
silou 1 Newtonu jestliže je směr rychlosti naacuteboje a směru působiacuteciacute siacutely kolmyacute
Siacutelu v elektromagnetickeacutem poli působiacuteciacute na jednotkovyacute zkušebniacute naacuteboj v pohybu lze popsat
Lorenzovyacutem vztahem [15]
Ze vztahu je zřejmeacute že rychlost zkušebniacute čaacutestice nemaacute vliv na siloveacute uacutečinky elektrickeacuteho pole
V poli čistě magnetickeacutem kdy je elektrickeacute pole nuloveacute platiacute pro siacutelu vztah
(8)
(9)
22
52 Magnetickyacute moment moment hybnosti a precese momentu hybnosti
Pohybuje-li se elektron po kružnici (obiacutehaacute-li jaacutedro vlivem dostřediveacute siacutely) jsou si jeho magnetickyacute
moment μ a moment hybnosti J uacuteměrneacute Velikost momentu hybnosti elektronu je rovna hmotnosti
elektronu vynaacutesobeneacute jeho rychlostiacute a poloměrem draacutehy kterou opisuje (Obr 51)
Obr 51 Na kruhoveacute draacuteze je magnetickyacute moment μ(q2m)-naacutesobkem momentu hybnosti J[16]
Jeho směr je kolmiacute na rovinu draacutehy Vztah (10) je ne relativistickyacute je však pro atomy dobryacutem
přibliacuteženiacutem
(10)
Magnetickyacute moment tohoto pohybu lze určit jako proud kraacutet obsah plochy kruhu dle vztahu
Proud se vypočiacutetaacute jako naacuteboj kteryacute za jednotku času projde libovolnyacutem bodem draacutehy tj naacuteboj q kraacutet
frekvence kruhoveacuteho pohybu Frekvence je zase rychlost dělenaacute deacutelkou draacutehy takže platiacute
Plocha maacute obsah magnetickyacute moment je tedy možneacute vyjaacutedřit vztahem
Magnetickyacute moment a teacutež moment hybnosti J jsou kolmeacute na rovinu draacutehy Pro orbitaacutelniacute pohyb tedy
platiacute
Pro orbitaacutelniacute pohyb elektronu platiacute
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
23
Magnetismus od orbitaacutelniacuteho pohybu elektronu neniacute jedinyacute existujiacuteciacute druh magnetismu Elektron maacute i
svou vlastniacute rotaci kolem osy Důsledkem je spinovyacute moment hybnosti elektronu neboli vlastniacute
moment hybnosti Pro spinovyacute moment hybnosti se takeacute použiacutevaacute označeniacute spin Z překladu
z angličtiny jde rotace Pojem spin byl zaveden v době kdy se předpoklaacutedalo že jde o rotaci nicmeacuteně
v makrosvětě nemaacute spin analogii a člověk je nucen použiacutet idealizovanou představou rotace [16]
Poměr a je dvakraacutet tak tak velkyacute oproti orbitaacutelniacutemu pohybu elektronu proto je spinovyacute
magnetickyacute moment
Obecně je v každeacutem atomu několik elektronů a tak je celkovyacute moment hybnosti a celkovyacute magnetickyacute
moment daacuten složeniacutem jejich orbitaacutelniacutech a spinovyacutech momentů hybnosti V kvantoveacute mechanice
obecně platiacute že směr magnetickeacuteho momentu izolovaneacuteho atomu maacute opačnyacute směr než moment
hybnosti [16]
Někdy je magnetickyacute moment směsiciacute orbitaacutelniacutech a spinovyacutech přiacutespěvků jejichž vztah můžeme zapsat
Značka g je tzv Landeacuteho faktor a určeniacute jeho velikosti je předmětem kvantoveacute mechaniky
V přiacutepadě atomovyacutech jader figurujiacute naviacutec i spiny protonů a neutronů Pro jaacutedra obecně piacutešeme
Precese pohyb atomovyacutech magnetů v magnetickeacutem poli
Umiacutestěniacutem atomu do magnetickeacuteho pole je magnetickyacute moment ovlivňovaacuten momentem siacutely kteraacute se
jej snažiacute pootočit do směru pole Atomovyacute magnet je jako setrvačniacutek ndash maacute spinovyacute moment hybnosti
Moment siacutely způsobenyacute magnetickyacutem polem proto nedokaacuteže atomovyacute magnet udržet
v daneacutem směru Magnet proto bude vykonaacutevat precesniacute pohyb podobnyacute precesi mechanickeacuteho
setrvačniacuteku[16]
Rotuje-li těleso okolo osy zaznamenaacuteme u něj jistou podobnost v chovaacuteniacute s elementaacuterniacutem atomovyacutem
magnetem o momentu hybnosti
Jevy zjevneacute při rotaci tělesa lze popsat naacutesledujiacuteciacutemi tvrzeniacutemi
Pokud na rotujiacuteciacute těleso nepůsobiacute vnějšiacute siacutely zachovaacutevaacute si osu svojiacute rotace Nenulovyacute moment
siacutely působiacuteciacute na rotujiacuteciacute těleso ovlivňuje osu jeho rotace tiacutem viacutece čiacutem maacute těleso menšiacute
moment hybnosti
Když nutiacuteme rotujiacuteciacute těleso změnit osu svojiacute rotace chovaacute se tak že se snažiacute ztotožnit s osou
vynuceneacute rotace
(16)
(
) (17)
(
) (18)
24
Precese subatomaacuterniacutech čaacutestic v magnetickeacutem poli se s vyacutehodou využiacutevaacute v metodaacutech magnetickeacute
jaderneacute a elektronoveacute paramagnetickeacute rezonance
Nabiacuteziacute se otaacutezka jestli je možneacute určityacutem způsobem převeacutest siloveacute uacutečinky precesniacuteho pohybu
momentu hybnosti na mechanickyacute pohyb v nějakeacutem elektrickeacutem stroji Projevy rezonančniacutech jevů
jsou u všech typů magnetickyacutech rezonanciacute však velice slabeacute a frekvence Larmorovy precese s jakou
vektor magnetickeacuteho momentu rotuje ve vnějšiacutem poli je u elektronů ktereacute jsou přiacutečinou magnetismu
u feromagnetik až v řaacutedech GHzT Tiacutem paacutedem by musel mechanickyacute systeacutem v pracujiacuteciacute v rezonanci
s precesniacute frekvenciacute momentu hybnosti kmitat či rotovat teacutež v řaacutedech GHz nebo v jisteacutem poměru k
prvniacute harmonickeacute teacuteto frekvence
25
6 Nekonvenčniacute elektrickeacute stroje
Podle autorů elektrickyacutem motorů jsou motory založeneacute na jistyacutech principech schopny pracovat s
uacutečinnostiacute překračujiacuteciacute 100 Ve čtvrteacute kapitole hovořiacuteciacute o vakuu je popsaacuten Casimirův jev jako
důsledek narušeniacute symetrie prostorovyacutech fluktuaciacute elektromagnetickyacutech poliacute vakua mezi dvěma
kovovyacutemi deskami Vezmeme-li v uacutevahu teorii o prostoru vyplněneacutem vznikajiacuteciacutemi a zanikajiacuteciacutemi
virtuaacutelniacutemi čaacutesticemi nabiacuteziacute se otaacutezka Je možneacute zkonstruovat systeacutem kteryacute by energii projevujiacuteciacute se
jako fluktuace elektromagnetickyacutech poliacute vakua proměnil na užitečnou elektrickou či mechanickou
energii v takoveacute měřiacutetku aby byl schopnyacute napaacutejet elektrickeacute obvody sveacuteho řiacutezeniacute popř dodaacutevat
vyacutekon do vnějšiacute zaacutetěže Ze znalosti termodynamickyacutech zaacutekonů jasně vypliacutevaacute možnost využitiacute
teplotniacuteho rozdiacutelu dvou prostřediacute k ziacuteskaacuteniacute užitečneacute energie Tepelnaacute čerpadla jsou toho důkazem
Vzhledem k existenci elektromagnetickeacute energie vakua i při absolutniacute nule je možneacute tuto energii
považovat za vstupniacute energii do systeacutemu zobrazeneacuteho blokově na Obr 61
Obr 61 Blokoveacute scheacutema systeacutemu napaacutejeneacuteho energiiacute odčerpaacutevanou z okolniacuteho prostřediacute
Energie vstupuje do systeacutemu z vnějšiacuteho prostřediacute a sloužiacute pro napaacutejeniacute vnějšiacute zaacutetěže i systeacutemu
samotneacuteho
Systeacutem
Vstup energie do systeacutemu
z okolniacuteho prostřediacute
Vyacutestup využitelneacute
formy energie
Energie potřebnaacute pro řiacutezeniacute
systeacutemu se z vyacutestupu navraciacute
zpětnou vazbou
26
61 Johnsonův motor
V roce 1973 pět let po podaacuteniacute přihlaacutešky byl Howardu Johnsonovi udělen patent US 4151431 na
motor s permanentniacutemi magnety V roce 1995 pak patent US 5402021 popisujiacuteciacute magnetickyacute
pohonnyacute systeacutem založenyacute na obdobneacutem principu Oba tyto systeacutemy uacutedajně využiacutevajiacute ke konaacuteniacute praacutece
pouze siacutely permanentniacutech magnetů Ačkoli dnešniacute věda zavrhuje využitiacute vnějšiacutech projevů
subatomaacuterniacuteho pohybu čaacutestic hmoty permanentniacutech magnetů ke konaacuteniacute nepřetržiteacute praacutece v systeacutemu
Johnson uacutedajně připouštiacute že přesně neviacute odkud se energie kterou čerpaacute bere Ale domniacutevaacute se že
může miacutet souvislost s rotaciacute elektronů možnaacute dokonce souvisiacute s dosud nepojmenovanou čaacutesticiacute
V roce 1980 vyšel v dnes již zanikleacutem časopisu Science and Mechanics člaacutenek o Johnsonově motoru
popisujiacuteciacute vzaacutejemneacute interakce mezi magnety rotoru a statoru
Konstrukčniacute uspořaacutedaacuteniacute Johnsonova motoru
Obr 62 Čelniacute pohled do Johnsonova motoru Stator maacute po obvodu rozmiacutestěny tři obloukoviteacute
magnety Rotoroveacute magnety jsou vzaacutejemně odděleny vzduchovyacutemi mezerami [16]
Z Předniacuteho pohledu do motoru na Obr 62 jsou vidět tři obloukoviteacute permanentniacute magnety statoru
pravidelně rozmiacutestěneacute kolem rotoru
Obr 63 Z bočniacuteho pohledu do motoru je patrnaacute šroubovitaacute hřiacutedel kteraacute sloužiacuteciacute k zabrzděniacute stroje
[16]
27
Obr 64 Horniacute pohled na dva obloukoviteacute statoroveacute magnety navzaacutejem posunuteacute a překryacutevajiacuteciacute
magnety rotoru [16]
Obr 65 Průběhy změny indukce během změny polohy jižniacuteho a severniacuteho poacutelu magnetu statoru vůči
rotorovyacutem magnetům
Obr 66 Naznačeniacute pohybu obloukovyacutech magnetů rotoru nad statorovyacutemi magnety
Popis principu
Obr 66 ukazuje některeacute zaacutekladniacute vztahy Plneacute čaacutery představujiacute přitažliveacute siacutely přerušovaneacute čaacutery
představujiacute odpuzovaacuteniacute a dvojiteacute čaacutery v obou přiacutepadech znaacutezorňujiacute dominantniacute siacutely
Na Obr 66 je obloukově zakřivenyacute permanentniacute magnet ve třech po sobě naacutesledujiacuteciacutech polohaacutech nad
pevnyacutemi statorovyacutemi magnety Obr 66 poskytuje alespoň velmi zjednodušenyacute pohled do teorie
28
pohonu pomociacute permanentniacutech magnetů Johnson řiacutekaacute že zakřiveneacute magnety s ostryacutemi konci jsou
důležiteacute protože koncentrujiacute magnetickou energii mnohem uacutečinněji než magnety s tupyacutemi konci Tyto
obloukoviteacute magnety jsou o něco delšiacute než je deacutelka dvou magnetů statoru včetně mezery mezi nimi V
Johnsonově konstrukci jsou dlouheacute
palce
Všechny statoroveacute magnety majiacute severniacute poacutel nahoře a spočiacutevajiacute na podložce vyrobeneacute z materiaacutelu s
vysokou permeabilitou kteraacute pomaacutehaacute koncentrovat silovaacute pole Optimaacutelniacute mezera mezi konci
rotorovyacutech magnetů a statorem je kolem
palce
Když se severniacute poacutel magnetu rotoru nachaacuteziacute nad statorovyacutem magnetem je jiacutem odpuzovaacuten a je ke
statoru přitahovaacuten když prochaacuteziacute nad mezerou mezi statorovyacutemi magnety Přesně opačneacute siacutely působiacute
u jižniacuteho poacutelu rotoroveacuteho magnetu Je přitahovaacuten když prochaacuteziacute nad statorovyacutem magnetem a je
odpuzovaacuten když se nachaacuteziacute nad mezerou
Předniacute poacutel N rotoru je odpuzovaacuten severniacutemi poacutely dvou přilehlyacutech magnetů Ale v zobrazeneacute poloze
magnetu rotoru tyto dvě odpudiveacute siacutely (ktereacute zřejmě působiacute proti sobě) nejsou totožneacute většiacute z obou sil
(dvojitaacute přerušovanaacute čaacutera) překonaacutevaacute druhou siacutelu a taacutehne rotor doleva Tento pohyb vlevo je zrychlen
přitažlivou silou mezi severniacutem poacutelem rotoru a jižniacutem poacutelem v mezeře mezi statorovyacutemi magnety
Současně na druheacutem konci (S) rotoroveacuteho magnetu Deacutelka tohoto magnetu je cca
palce a je
zvolena s ohledem na velikost paacuteru statorovyacutech magnetů a mezery mezi nimi aby přiacutetažliveacute a
odpudiveacute siacutely taacutehly magnety rotoru doleva V tomto přiacutepadě je poacutel S přitahovaacuten severniacutemi poacutely
přilehlyacutech statorovyacutech magnetů ale z důvodu rozměrů rotoroveacuteho magnetu je rotor silněji tažen
doleva (dvojitaacute plnaacute čaacutera) Takeacute zde je s vyacutehodou využito siloveacute působeniacute mezi koncem rotoroveacuteho
magnetu a mezerou mezi magnety statoru V tomto přiacutepadě majiacute oba poacutely stejnou polaritu (S) proto se
vzaacutejemně odpuzujiacute
Je nutneacute dodržet spraacutevnou deacutelku magnetů rotoru Jestliže jsou buď přiacuteliš dlouheacute nebo přiacuteliš kraacutetkeacute
mohou dosaacutehnout nežaacutedouciacute rovnovaacutehy kteraacute znamenaacute konec pohybu Ciacutelem je optimalizovat
všechny siacutely tak aby bylo dosaženo maximaacutelniacute nerovnovaacutehy ale vždy stejnyacutem směrem Když se rotor
otočiacute o 180 stupňů a dostane se na opačnyacute konec draacutehy bude se chovat stejnyacutem způsobem až na to že
se v tomto přiacutekladu bude pohybovat zleva doprava Takeacute musiacuteme poznamenat že jakmile je rotor v
pohybu maacute moment kteryacute pomůže dostat rotorovyacute magnet do sfeacutery vlivu dalšiacuteho paacuteru magnetů
statoru kde ziacuteskaacute dalšiacute moment [25]
29
62 Adamsův motor generaacutetor
Podle informačniacuteho zdroje [26] byl vynaacutelez Roberta Adamse viacutece než 20 let držen v tajnosti Jeho
autorovi bylo vyhrožovaacuteno smrtiacute v přiacutepadě že bude šiacuteřit informace tyacutekajiacuteciacute se principů na nichž jeho
motorgeneraacutetor pracuje Informace byly po letech zveřejněny internetoveacutem magaziacutenu Nexus
Adams ke sveacutemu stroji vytvořil publikaci The Adams pulsed motor generator manual ve ktereacute uvaacutediacute
naacutesledujiacuteciacute obraacutezkoveacute ilustrace Autor v něm teacutež předklaacutedaacute grafy naměřenyacutech průběhů napětiacute pro
různeacute režimy stroje
Robert Adams tvrdiacute Naacuteš vesmiacuter je moře volneacute čisteacute energie A čekaacute jen na to abychom ji začali
využiacutevat
Vlastnosti a vyacutehody Adamsova motor generaacutetoru uvedeneacute Robertem Adamsem
1) Překonaacutevaacute zpětnou elektromotorickou siacutelu kteraacute je probleacutemem všech konvenčniacutech strojů
2) Střiacutedavě zapřahuje ZES tedy zanikajiacuteciacute magnetickeacute pole čiacutemž zvyšuje moment a snižuje
přiacutekon
3) V režimu motorgeneraacutetoru nevyžaduje k vyacuterobě elektrickeacuteho vyacutestupniacuteho vyacutekonu
oddělenyacute motor
4) Pro běh stroje a vyacuterobu vyacutestupniacuteho vyacutekonu využiacutevaacute jedinyacute rotor
5) Všechny poacutely rotoru majiacute stejnou polaritu
6) Statoroveacute hnaciacute vinutiacute a poacutely jsou menšiacutech rozměrů
7) Velikost vzduchoveacute mezery neniacute kritickaacute
8) Nevyžaduje chladiacuteciacute ventilaacutetor
9) Stroj nevyžaduje konstantniacute vstupniacute proud
10) Naacutevrh stroje je naacutesledujiacuteciacute
a) Energie je vede zpět do baterioveacuteho zdroje
b) Magnetickyacute zpětnyacute tah je prakticky nulovyacute
c) Teplota při plneacutem zatiacuteženiacute je polovičniacute ve srovnaacuteniacute s jakyacutemkoliv konvenčniacutem strojem
d) S ohledem na způsob mechanickeacuteho spiacutenaacuteniacute kteryacute zajišťuje zužujiacuteciacute se hvězda
kontaktniacuteho disku je možneacute měnit střiacutedu impulzů
11) V režimu vysokeacute uacutečinnosti stroj čerpaacute energii z prostoru
12) Čiacutem nižšiacute rychlostiacute se otaacutečiacute tiacutem dosahuje vyššiacute uacutečinnosti a krouticiacuteho momentu na rozdiacutel
od konvenčniacutech strojů
13) V rezonančniacutem režimu nejsou přiacutetomny jaloveacute ztraacutety a stroj vykazuje konstantniacute vyacutekon a
moment
14) Jelikož se směr energie ze zdroje neměniacute nejsou přiacutetomny ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy a
hystereziacute
15) Stroj se ve všech pracovniacutech režimech saacutem chraacuteniacute před některyacutemi nepřiacuteznivyacutemi situacemi
ktereacute v jinyacutech přiacutepadech vyžadujiacute doplňujiacuteciacute zařiacutezeniacute
16) Vysokeacute otaacutečky nejsou nutneacute čiacutemž odpadajiacute probleacutemy s nimi spojeneacute
17) Stroj je možneacute elektricky zatiacutežit a počiacutetat s naacuteslednyacutem naacuterůstem vyacutestupniacute energie od 50
přes 100 a to bez přetiacuteženiacute nebo naacuterůstu teploty nad normaacutelniacute pracovniacute teplotu
30
18) Stroj je saacutem o sobě obdivuhodně jednoduchyacute a nevyžaduje draheacute obvody pro řiacutezeniacute
rychlosti [26]
Popis zaacutekladniacute konstrukce
Adamsův motor-generaacutetor je elektrickyacute stroj s permanentniacutemi magnety radiaacutelně uloženyacutemi v rotoru
Stroj je uacutedajně možneacute zkonstruovat v různyacutech konfiguraciacutech podle toho zda požadujeme vyacutestupniacute
vyacutekon spiacuteše elektrickyacute nebo mechanickyacute
Zaacutekladniacute konfigurace stroje určenaacute pro vyacutestup elektrickeacuteho vyacutekonu ze stroje obsahuje tři druhy
statorovyacutech magnetickyacutech poacutelů vhodně rozmiacutestěnyacutech kolem rotoru s permanentniacutemi magnety
1 Permanentniacute magnety rotoru jsou všechny polarizovaacuteny ve stejneacutem směru Tok
magnetickeacute indukce všech vystupuje buď ven nebo dovnitř směrem ke hřiacutedeli
Obr 67 Magnety jsou pro zvyacutešeniacute vyacutekonu stroje uloženy v několika rotorovyacutech sekciacutech
2 Řiacutediacuteciacute poacutely jsou napaacutejeny pulzně v zaacutevislosti na poloze rotoru vůči statoru a to skrze
mechanickyacute komutaacutetor Ciacutevky jsou navinuty na jaacutedra ze kteryacutech vystupuje magnetickyacute tok
v opačneacutem směru oproti toku permanentniacutech magnetů v rotoru Rotor se pohybuje jelikož je
odpuzovaacuten těmito silovyacutemi uacutečinky
Obr 68 Pulzně buzeneacute ciacutevky
31
3 Zpětnovazebniacute poacutely jsou navinuty na magnetickyacutech jaacutedrech a jsou napaacutejeny elektrickou
energiiacute kteraacute se zpětně indukuje do elektrickeacuteho obvodu řiacutediacuteciacutech ciacutevek v důsledku prudkeacuteho
přerušeniacute dodaacutevky proudu Magnetickeacute pole v prostoru vzduchoveacute mezery a rozptylovyacutech
drahaacutech se snažiacute zaacuteniku proudu zabraacutenit čiacutemž vznikaacute prudkyacute energetickyacute skok
Obr 69 Zpětnovazebniacute ciacutevky
4 Generaacutetorickeacute poacutely generujiacute proud do připojeneacute zaacutetěže
Obr 610 Zpětnovazebniacute ciacutevky
5 Permanentniacute poacutely statoru jsou tvořeny feritovyacutemi magnety rozmiacutestěny po obvodu rotoru podle
konfigurace na Obr611a majiacute za uacutečel zvyacutešit mechanickyacute moment rotoru
32
Obr 611 Rozmiacutestěniacute permanentniacutech magnetů po obvodu statoru
Na Obr 612 je princip spiacutenaacuteniacute proudu do ciacutevek statoru řešenyacute prostřednictviacutem mechanickeacuteho
komutaacutetoru ve tvaru čtyřciacutepeacute hvězdy Při otaacutečeniacute dochaacuteziacute v jistyacutech polohaacutech ke spojeniacute kontaktů
dosedajiacuteciacutech na komutaacutetor a proud tekouciacute ciacutevkami v nich vybudiacute magnetickyacute indukčniacute tok kteryacute
svyacutemi uacutečinky odpuzuje permanentniacute magnety v rotoru Na obraacutezku je naznačen princip motoru a
způsob měřeniacute otepleniacute jaacutedra při daneacute mechanickeacute zaacutetěži Do jaacutedra je vyvrtaacuten otvor do nějž je
zasunuta teplotniacute sonda Otepleniacute jaacutedra by nemělo překročit 40 degC
Obr 612 Zaacutekladniacute konstrukce Adamsova motoru sloužiacuteciacute pro demonstraci nastaveniacute vhodneacute velikosti
proudu tekouciacuteho do vinutiacute ciacutevek při požadovaneacute mechanickeacute zaacutetěži
33
Obr 613 Vyacutekres Adamsova motor generaacutetoru s osmi permanentniacutemi magnety v rotoru
stejnosměrnyacutemi pulzniacutemi ciacutevkami a generaacutetorovyacutemi ciacutevkami navinutyacutemi na odlišnyacutech magnetickyacutech
jaacutedrech
Robert Adams ve sveacute publikaci uvaacutediacute na Obr 614 zaznamenaacuteny průběhy hodnot napětiacute na bateriiacutech
postupně připojovanyacutech na elektrickyacute vyacutestup stroje Přičemž hodnota napětiacute na vstupniacute napaacutejeciacute baterii
se měniacute jen nepatrně Na zaacutekladě těchto dat uvedenyacutech v Tab 61 Adams stanovuje uacutečinnost motor
generaacutetoru
Obr 614 Baterie na vyacutestupu jsou postupně dobiacutejeny přičemž velikost napětiacute na vstupniacute baterii se
snižuje jen nepatrně
34
Naacutesledujiacuteciacute tabulka shrnuje vyacutesledky naměřeneacute v grafu na Obr 614
Tab 61 Souhrn vyacutesledků naměřenyacutech hodnot napětiacute na vyacutestupniacutech bateriiacutech
Dokonalejšiacute konstrukce Adamsova motor generaacutetoru
Konstrukce zde popisovanaacute je realizovaacutena jako model pro měřeniacute uacutečinnosti tohoto motoru avšak
s několika podstatnyacutemi konstrukčniacutemi rozdiacutely o nichž se zmiňuji při popisu realizovaneacuteho stroje
Rotor na Obr 615 maacute 7 vyniklyacutech poacutelů rotoru a 8 statorovyacutech jader Je možneacute použiacutet i 6 jader ve
statoru při použitiacute stejneacuteho rotoru Tiacutem však dojde ke sniacuteženiacute uacutečinnost stroje Počet rotorovyacutech a
statorovyacutech poacutelů by neměl byacutet v celočiacuteselneacutem poměru
Obr 615 Konfigurace se 6 poacutely statoru a 7 poacutely rotoru Magnetizačniacute vinutiacute protějšiacutech poacutelů
statoru jsou spojena do seacuterie
Popis principu činnosti během otaacutečeniacute rotou
Na Obr 616 (a) je poacutel rotoru R1 přesně mezi statorovyacutemi poacuteli S1 a S2 a představme si že směřuje k S2
a je jiacutem přitahovaacuten až do chviacutele kdy je v pozici na obr (c) Nyniacute je zarovnaacuten s jaacutedrem statoru jehož
vinutiacutem začne proteacutekat proud kteryacute maacute takovou polaritu aby došlo k odpuzovaacuteniacute rotoroveacuteho poacutelu ze
zarovnaneacute pozice Tiacutem paacutedem je vlivem siloveacute interakce magnetickyacutech polyacute rotoru urychlovaacutem a
proud teče do statoroveacuteho vinutiacute až do chviacutele kdy je vpozici na obr (e) Nyniacute je protějšiacute statororoveacute
jaacutedro zarovnaacuteno s rotorovyacutem poacutelem
Baterie č
(vyacutestup)
Počaacutetečniacute
napětiacute
baterie
[V]
Doba běhu
stroje [h]
Konečneacute
napětiacute baterie
[V]
Naacuterůst
napětiacute
baterie oproti
počaacutetečniacute
hodnotě 102 V
[V]
Uacutečinnost []
1 102 33 1142 122 610
2 1172 15 1184 162 810
3 114 66 1201 181 905
35
Podiacutevejme se co se během toho děje na protějšiacute straně rotoru
Rotorovyacute poacutel R4 na obr (a) je praacutevě zarovnaacutem se statorovyacutem jaacutedrem S5 Tudiacutež je do vinutiacute tohoto
jaacutedra S5 přiveden proud jehož uacutečinky jsou i vtomto přiacutepadě vyvolajiacute odpuzovaacuteniacute poacutelu R4 Proud
vinutiacutem jaacutesdra S5 proteacutekaacute do chviacutele na obr(c) kdy dojde k demagnetizaci statoroveacuteho jaacutedra S2
Obr 617 Vzaacutejemeacute polohy rotoru vůči statorovyacutem poacutelům pro popis principu
Rotor je roztaacutečen těmito silovyacutemi přiacutespěvky
a) Rotorovyacute poacutel je přitahovaacuten ke statorovyacutem magnetickyacutem jaacutedrům vlivem projevu magnetickyacutech
sil permanentniacutech magnetů prostupujiacuteciacutech vzduchovou mezeru a uzaviacuterajiacuteciacutech se přes jaacutedra
statoru
b) Rotor je po zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru se statorovyacutem daacutele roztaacutečen vlivem odpudivyacutech
sil mezi poacutely rotoru a řiacutediacuteciacutemi poacutely statoru Vinutiacute řiacutediacuteciacutech poacutelů je napaacutejeno elektrickyacutemi
impulzy v zaacutevislosti na poloze rotoru vůči statoru Intenzita magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute
mezeře je nejvyššiacute při zarovnaacuteniacute poacutelů statoru a rotoru
Na Obr je pohled do vnitřniacute struktury magnetickeacuteho obvodu popisovaneacuteho stroje
12 podeacutelneacute magnetickeacute poacutely statoru s vysokou permeabilitou
13 rotoroveacute sekce s vyniklyacutemi poacutely
14 hřiacutedel
15 permanentniacute magnety uloženeacute ve středoveacutem pouzdru
16 otvor pro permanentniacute magnety
17 Disk sloužiacuteciacute jako pouzdro magnetů
Obr 618 Pohled na do struktury rotoru
36
Dalšiacutemi motory ktereacute uacutedajně pracujiacute s vysokou jsou Bediniho motor Takahasiho motor a Kawaiův
motor
63 Systeacutem pro přeměnu energie elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute na
elektrickou energii
Americkyacute patent č 5590031 podanyacute 24 července 1994 Franklinem B Meadem a Jackem
Nachamkinem popisuje zařiacutezeniacute přeměňujiacuteciacute vysokofrekvenčniacute elektromagnetickou energii
vakuovyacutech fluktuaciacute vznikajiacuteciacutech jako projev virtuaacutelniacutech čaacutestic teacutež označovanou pojmem bdquozero point
energyldquo na užitečnou elektrickou energii Pojem zero point energy neboli energie nuloveacuteho bodu byl
zaveden vzhledem k faktu že i při teplotě absolutniacute nule (0 K = -27315 degC) vakuum obsahuje energii
fluktuaciacute elektromagnetickyacute poliacute jako důsledek projevů vznikajiacuteciacutech a zanikajiacuteciacutech virtuaacutelniacutech čaacutestic
Na Obr 619 je znaacutezorněn princip zařiacutezeniacute Čiacuteslo 216 symbolizuje vysokofrekvenčniacute
elektromagnetickeacute zaacuteřeniacute Pomociacute litografickeacute technologie jsou vytvořeny dielektrickeacute struktury
(212) a (214) tvaru koule polokoule či disku Tyto struktury jsou velice maleacute a jejich velikost musiacute
byacutet v přiacutemeacutem poměru k vlnoveacute deacutelce elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute Struktury jsou připevněny na
zaacutekladoveacutem substraacutetu (236) a rozloženy do pole (238) Tyto struktury se vlivem působeniacute
elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute pohybujiacute s mnohem menšiacute frekvenciacute než jakou maacute elektromagnetickeacute
zaacuteřeniacute ktereacute jejich pohyb vyvolalo Naacutesledkem pohybu se v anteacuteně (222) indukuje elektrickaacute energie o
využitelneacute frekvenci Jednotliveacute anteacuteny mohou miacutet tvar smyčky nebo mohou byacutet dipoacuteloveacute
Indukovanyacute proud je naacutesledně veden vodiči (226) nebo vlnovodem do primaacuterniacuteho obvodu (228)
transformaacutetoru (232) Kondenzaacutetor (230) sloužiacute pro vyladěniacute rezonančniacuteho obvodu V sekundaacuterniacutem
obvodu je střiacutedavyacute proud usměrněn diodou (234)[17]
Obr 619 Scheacutema zařiacutezeniacute pro přeměnu vysokofrekvenčniacute elektromagnetickeacute energie na využitelnou
formu elektrickeacute energie [14]
37
7 Feromagnetickeacute materiaacutely
Tvar hysterezniacute smyčky magnetickeacuteho materiaacutelu zaacutevisiacute na chemickeacutem složeniacute feromagnetika a na jeho
tepelneacutem zpracovaacuteniacute Z analogie s mechanickou tvrdostiacute rozlišujeme magneticky měkkaacute
feromagnetika kteraacute dobře vedou magnetickyacute tok a tvrdaacute feromagnetika z nichž se vyraacutebiacute
permanentniacute magnety Na Obr71 je naacutezorneacute rozděleniacute magneticky měkkyacutech polotvrdyacutech a tvrdyacutech
materiaacutelů
Obr 71 Rozděleniacute magnetickyacutech materiaacutelů na měkkeacute polotvrdeacute a tvrdeacute
71 Magneticky měkkaacute feromagnetika
Pro vedeneacute magnetickeacuteho toku v magnetickeacutem obvodu motoru je využito měkkyacutech feromagnetik jež
se vyznačujiacute strmou magnetizačniacute křivkou a uacutezkou hysterezniacute smyčkou Majiacute vysokou počaacutetečniacute
a maximaacutelniacute permeabilitu a malou koercivitu Hclt103
Am Často lze hysterezi zanedbat a je možneacute
uvažovat pouze s magnetizačniacute křivkou1
Na trhu s magnetickyacutemi materiaacutely figuruje řada vyacuterobců a distributorů Naacutesledujiacuteciacute z nich jsem
oslovil s prosbou o poskytnutiacute vzorků magnetickyacutech jader pro měřeniacute magnetickyacutech vlastnostiacute
1 aplik
38
711 Vyacuterobci měkkyacutech feromagnetickyacutech materiaacutelů
a) Firma Therma FM
Firma Therma FM vyraacutebiacute magnetickeacute obvody z anizotropniacutech plechů a nabiacuteziacute i izotropniacute
dynamoplechy Materiaacutely pro vyacuterobu jader firma odebiacuteraacute od společnosti ThyssenKrupp
Jaacutedra pro jednofaacutezoveacute transformaacutetory jsem použil jako statoroveacute jaacutedra realizovaneacuteho motoru
Při vyacuterobě naviacutejeno na obdeacutelniacutekoveacute kopyto o rozměrech odpoviacutedajiacuteciacutech požadovaneacute velikosti okna pro
primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Jaacutedro je po navinutiacute z transformaacutetoroveacuteho plechu rozřiacuteznuto na dvě
poloviny jedna z nich je na Obr Xx Po rozřiacuteznutiacute jaacutedra je možneacute nasunout vinutiacute
Obr 72 Fotografie jedneacute poloviny jaacutedra pro jednofaacutezoveacute transformaacutetory
Magnetickeacute vlastnosti jaacutedra vyrobeneacuteho z materiaacutelu M150-30S jsou uvedeny v Tab71
Tab 71 Magnetickeacute vlastnosti jaacutedra stanoveneacute normou EN 10107
Norma Tloušťka
Max ztraacuteta v
jaacutedře při 15 T
[Wkg]
Maximaacutelniacute ztraacuteta
v jaacutedře při 17 T
[Wkg]
Min
J800
Nejmenšiacute
činitel
plněniacute
Typ
EN 10107 mm 50 Hz 50 Hz 60 Hz T PowerCore
M 150-30 S 030 097 150 197 175 0955 C 150-30
Magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelů jakosti M150-30S a M600-50 na Obrxx jsou zrekonstruovaneacute
podle z katalogovyacutech křivek vyacuterobce Thyssen Krupp
39
Obr 73 B-H charakteristiky jader z orientovanyacutech (M150-30S) trafoplechů a
neorientovanyacutechdynamoplechů M600-50
0
05
1
15
2
25
0 250 500 750 1 000 1 250 1 500 1 750 2 000
B [T]
H [Am]
Magnetizačniacute charakteristiky
M150-30S
M600-50
40
b) Firma Vacuumschmelze (VAC)
Tento německyacute vyacuterobce poskytnul dva vzorky toroidniacutech jader s nanokrystalickou strukturou Materiaacutel
je prodaacutevaacuten pod obchodniacutem naacutezvem Vitroperm 500F a vynikaacute velice uacutezkou hysterezniacute smyčkou
vysokou hodnotou magnetickeacute indukce při maleacute koercivitě Zaacutekladniacute složkou Vitropermu je Fe
s přiacuteměsemi Si B Nb a Cu
Tab 72 Magnetickeacute vlastnosti Vitropermu 500F uvedeneacute v katalogu vyacuterobce
Saturačniacute
indukce
Statickaacute
koercivita
Přibližnaacute
rezistivita
Curieho
teplota Permebilita
Měrneacute ztraacutety
(100kHz 03T)
Bs [T] Hc [Am] φ [μΩcm] tc[degC] μi PFe [Wkg]
12 lt3 115 gt600 15000hellip150000 80
Na Obr Xx jsou vyacuterobcem uvedeneacute magnetizačniacute charakteristiky Vitropermu 500F a 250F
v porovnaacuteniacute s typickou charakteristikou feritu
Obr 74 Jaacutedra z Vitropermu 500F dosahujiacute oproti běžneacutemu feritu mnohem vyššiacute magnetickeacute indukce
Je zřejmeacute že cena Vitropermovyacutech jader je oproti feritovyacutem mnohem většiacute a to diacuteky naacuteročneacutemu
vyacuterobniacutemu procesu
Společnost VAC ve sveacutem sortimentu nabiacuteziacute jaacutedra s amorfniacute strukturou s obchodniacutem naacutezvem Vitrovac
Vyraacutebiacute se metodou rychleacuteho tuhnutiacute kdy se na studenyacute buben otaacutečejiacuteciacute se rychlostiacute 100kmh vleacutevaacute
skrze keramickou trysku směs materiaacutelů roztavenaacute na teplotu okolo 1300degC a prudce se ochlazuje
(1000000 Ks) na meacuteně než 400degC v 1ms Tiacutem vznikaacute paacuteska tloušťky 20 μm s amorfniacute strukturou
Na Obr 77 je pro představu vyobrazenaacute krystalickaacute amorfniacute a nanokrystalickaacute struktura materiaacutelu
41
Obr 75 Detail na krystalickou strukturu (vlevo) amorfniacute a nanokrystalickou strukturu (vpravo)
Mezi dalšiacute materiaacutely ktereacute VAC nabiacuteziacute patřiacute materiaacutely pro elektrickeacute stroje a zařiacutezeniacute kde je
požadovaacutena vysokaacute hodnota indukce Tyto materiaacutely jsou znaacutemi pod obchodniacutemi naacutezvy Ultraperm
Vacoperm Mumetall Permax Permenorm Megaperm Trafoperm Vacoflux Vacofer a Vacodur
Pro srovnaacuteniacute jsou na Obrxx magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelů Vacoflux 50 Vacoflux 17 a Fe a
Fe 3 přiacuteměsiacute Si
Obr 76 Statickeacute magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelu Vacoflux 50 a Vcoflux 17 dosahuiacute vyšiacute
hodnoty magnetickeacute indukce nasyceniacute než běžnaacute křemiacutekovaacute ocel s obsahem 3 křemiacuteku a Fe 999
42
c) Firma Magnetics
Společnost Magnetics vyraacutebiacute jaacutedra lisovaacuteniacutem prachovyacutech přiacuteměsiacute se zaacutekladniacute složkou Na trhu jsou
znaacutemy pod označeniacutem High Flux MPP (Magnetics Molypermalloy Powder) Kool Mμ a Xflux
1 Jaacutedra High Flux jsou složena ze 79 Ni 17 Fe a 4 Mo Majiacute nejnižšiacute měrneacute ztraacutety ze
všech prchovyacutech jader
2 Jaacutedra MMP obsahujiacute 81 NI 17 Fe a 2 Mo Majiacute vynikajiacuteciacute vlastnosti jakyacutemi jsou
vysokaacute rezistivita niacutezkeacute hysterezniacute ztraacutety a ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy Z všch jader majiacute největšiacute
permeabilitu tiacutem paacutedem i vyššiacute hodnotu saturace
3 Jaacutedra Kool Mμ jsou vyrobena lisovaacuteniacutem prachu železnyacutech slitin a vykazujiacute nejmenšiacute
magnetostrikci
4 Jaacutedra XFlux obsahujiacute prach Fe s přiacuteměsiacute 65 Si Jsou vhodnaacute pro niacutezkofrekvenčniacute a
středofrekvenčniacute tlumivky
Tab 73 Magnetickeacute vlastnosti jader společnosti Magnetics katalogu vyacuterobce
Materiaacutel High Flux MMP Kool Mμ XFlux
Permeabilita 14-160 14-555 26-125 60
(Bs) [T] 15 075 105 16
Jaacutedra žeelezoprachovaacute byacutevajiacute teacutež označovanaacute jako železovaacute jaacutedra a jsou vyraacuteběna lisovaacuteniacutem
izolovaneacuteho praacutešku z magneticky měkkeacuteho materiaacutelu s niacutezkou koercitivniacute silou a vysokou
permeabilitou V současneacute době z tohoto materiaacutelu vyraacutebějiacute jaacutedra kromě firmy Magnetics jen někteřiacute
vyacuterobci a to předevšiacutem vaacutelcovaacute ladiacuteciacute jaacutedra pro laděniacute feritovyacutech hrniacutečkovyacutech jader a kruhovaacute jaacutedra
pro odrušovaciacute ciacutevky a filtračniacute tlumivky měničů napětiacute Zvyšovaacuteniacute objemu izolačniacute laacutetky vede ke
snižovaacuteniacute permeability jader a změně teplotniacute zaacutevislosti samotneacuteho magnetickeacuteho materiaacutelu jaacutedra a
roztažnostiacute jeho jednotlivyacutech složek Volbou směsi magnetickyacutech prachů je možneacute předem definovat
teplotniacute činitel permeability kteryacute může nabyacutevat klasnyacutech zaacutepornyacutech popř i nulovyacutech hodnot
Průmyslově se vyraacutebějiacute jaacutedra z jemnyacutech magnetickyacutech prachů s odstupňovanou permeabilitou
v rozsahu = 7 až 550 Jaacutedra toroidniacute s permeabilitou 7 až 150 se použiacutevajiacute v laděnyacutech obvodech
filtrů pro odrušovaciacute tlumivky jaacutedra s permeabilitou 90 až 550 v napaacutejeciacutech spiacutenaciacutech zdrojiacutech
Vysokeacute permeability je dosaženo materiaacutelovyacutem složeniacute magnetickyacutech prachů a změnou velikosti zrn
Čiacutem většiacute jsou prachovaacute zrna tiacutem vyššiacute je permeabilita diacuteky zvyacutešeniacute poměru magnetickeacuteho materiaacutelu
vůči izolačniacute laacutetce
43
72 Magneticky tvrdaacute feromagnetika
Magneticky tvrdeacute feromagnetickeacute materiaacutely majiacute magnetizačniacute křivku s malou strmostiacute a širokou
hysterezniacute smyčku Vykazujiacute poměrně malou permeabilitu a velkou koercivitu Hclt25middot103
Am
Použiacutevajiacute se pro permanentniacute magnety Vyacutevoj v oblasti těchto materiaacutelů nechal vzniknout celeacute řadě
magnetů odlišujiacuteciacutemi se magnetickyacutemi vlastnostmi konduktivitou mechanickyacutemi vlastnostmi a
ekonomickyacutemi parametry Tvrdaacute feromagnetika lze rozdělit naacutesledovně
a) Uhliacutekoveacute oceli ndash s obsahem 15 uhliacuteku Daacutele byly zdokonaleny legovaacuteniacutem wolframem
chromem a kobaltem a zakaleniacutem na martenzitickou strukturu Naacutesledně byly vyrobeny
mnohem vyacutehodnějšiacute slitiny železa niklu a hliniacuteku (Al-Ni) přiacutepadně kobaltu (Al-Ni-Co)
mědi či titanu Nevyacutehodou slitin Al-Ni a Al-Ni-Co je značnaacute mechanickaacute tvrdost křehkost a
tiacutem paacutedem i obtiacutežnaacute opracovatelnost
b) Tvrdeacute ferity ndash např barioveacute (BaFe12O19) nebo stroncioveacute (SrFe12O19) ferity s obsahem
přibližně 80 železa a asi 20 oxidu baria BaO nebo stroncia SrO Mohou byacutet izotropniacute a
anizotropniacute Niacutezkaacute cena a spolehlivost předurčuje tyto materiaacutely pro užitiacute v automatizačniacute
řiacutediacuteciacute a měřiciacute technice
c) Magnety ze vzaacutecnyacutech zemin ndash složeniacute na baacutezi samarium-kobalt (SmCo5 a Sm2Co17) nebo na
baacutezi neodym-železo-boacuter (Nd2Fe14B) Vyraacutebiacute se procesy praacuteškoveacute metalurgie lisovaacuteniacutem
v magnetickeacutem poli s naacuteslednyacutem speacutekaacuteniacutem Patřiacute k nejvyacutekonnějšiacutem permanentniacutem
magnetům Použiacutevajiacute se v silnoproudeacute počiacutetačoveacute a řiacutediacuteciacute technice a u elektroakustickyacutech
zařiacutezeniacute
d) Plastoveacute magnety ndash jsou vyraacuteběny ve formě plastoveacute nemagnetickeacute matrice v niacutež je plnidlem
jemnyacute praacutešek z vhodnyacutech slitin (alni alnico tvrdeacute ferity či materiaacutely na baacutezi vzaacutecnyacutech zemin)
Mohou byacutet izotropniacute nebo anizotropniacute Vyraacutebiacute se lisovaacuteniacutem nebo slinovaacuteniacutem při vysokeacute
teplotě do libovolneacuteho tvaru Použiacutevajiacute se v slaboproudeacute technice
Obr 77 Srovnaacuteniacute demagnetizačniacutech charakteristik permanentniacutech magnetů
44
73 Měřeniacute hysterezniacutech charakteristik vzorků magnetickyacutech jader
Pro měřeniacute hysterezniacutech charakteristik byl použit systeacutem Remacomp-C2
Přiacuteprava vzorků magnetickyacutech jader pro měřeniacute na systeacutemu Remacom-C2
Na jaacutedra bylo před měřeniacutem navinuto primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Mezi primaacuterniacutem a sekundaacuterniacutem
vinutiacute byl proveden izolačniacute proklad lepiciacute paacuteskou Průměr vodiče a počet zaacutevitů v primaacuterniacutem (N1) a
sekundaacuterniacutem (N2) vinutiacute je uveden v Tab Na Obr jsou již vzorky připraveny pro měřeniacute
Tab 74 Bližšiacute specifikace rozměrů počet zaacutevitů vinutiacute a průměr vodičů
Vyacuterobce Therma FM Vacuumschmelze Magnetics
Jaacutedro C150-30S Vitroperm 500F KoolMμ
Tvar Obdeacutelniacutekoveacute Toroid Toroid
Vnějšiacute průměr [mm] 64x36 323 274
Vnitřniacute průměr mm] 55x16 178 145
Vyacuteška mm] 13 122 117
N2 [z] 47 53 41
N2 [z] 47 53 41
Průměr vodiče [mm] 075 05 05
Měřeniacute je provedeno při frekvenciacutech 50Hz a 300Hz a maximaacutelniacute intenzitě 250 Am u jader
M150-30S a Vitropermu 500F Materiaacutel KoolMμ byl měřen při maximaacutelniacute intenzitě 5950 Am
z důvodů zachyceniacute maximaacutelniacute hodnoty indukce tohoto jaacutedra Na Obr71 až 715 jsou pro
srovnaacuteniacute hysterezniacute uvedeny charakteristiky měřenyacutech materiaacutelů
Obr 78 Vzorky jader připraveneacute na měřeniacute hysterezniacutech charakteristik Vlevo M150-30S uprostřed
Vitroperm 500F a vpravo KoolMμ
45
Obr 79 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
Obr 710 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=250 Am Bmax=157 T
Obr 711 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=250 Am Bmax=153 T
Při frekvenci 300Hz došlo k nepatrneacutemu sniacuteženiacute hodnoty Bmax oproti 50 Hz Intenzita Hc se
ztrojnaacutesobila
Remacomp-C2 nebyl schopen naměřit hysterezniacute smyčku Vitropermu 500F na Obr zcela bezchybně
46
Obr 712 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z Vitropermu 500F měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=279 Am při 50Hz vykazuje odskoky od skutečneacuteho průběhu
Obr 713 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z Vitropermu 500F měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě
intenzity magnetickeacuteho pole Hmax=279 Am při 300 Hz takeacute vykazuje odskoky od skutečneacuteho průběhu
Při změně frekvence z 50 Hz na 300Hz došlo k naacuterůstu koercitivity o pohyacutech 07 Am Materiaacutel
vykazuje velice malou hodnotu remanentniacute indukce pro obě frekvence
47
Obr 714 Hysterezniacute smyčka jaacutedra Kool Mμ změřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity magnetickeacuteho
pole Hmax=5950 Am při 50 Hz
Obr 715 Hysterezniacute smyčka jaacutedra Kool Mμ změřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity magnetickeacuteho
pole Hmax=5950 Am při 300 Hz
48
731 Vyhodnoceniacute naměřenyacutech vyacutesledků
Nejvyššiacute hodnoty indukce dosahujiacute jaacutedra z plechů M150-30S Koercitivniacute intenzita se u jaacutedra z plechů
M150-30S stejně jako u matriaacutelu KoolMμ při změně frekvence z 50 Hz na 300 Hz ztrojnaacutesobila
Niacutezkaacute cena jader KoolMμ je z hlediska naměřenyacutech veličin odpoviacutedajiacuteciacute Jaacutedra Kool Mμ vykazujiacute
amplitudovou permeabilitu μa pouze 77 Vyacuterobce uvaacutediacute hodnotu μa=125
Nejnižšiacute koercitivniacute intenzita byla naměřena u materiaacutelu Vitroperm 500F Měřeniacute magnetickeacuteho jaacutedra
Vitropermu 500F při 50 Hz prokaacutezalo velice niacutezkou koercitivniacute intenzitu Hc= 1Am kteraacute odpoviacutedaacute
uacutedajům z katalogoveacuteho listu Tento špičkovyacute materiaacutel se použiacutevaacute pro sveacute charakteristickeacute vlastnosti
pro jednofaacutezoveacute a trojfaacutezoveacute magnetickeacute obvody ve spiacutenanyacutech napaacutejeciacutech zdrojiacutech frekvenčniacutech
měničiacutech ale i pro běžneacute tlumivky Struktura tohoto materiaacutelu je velice křehkaacute neboť je navinuta
z 20 μm tenkyacutech vrstev Diacuteky tomu neniacute vhodneacute tato jaacutedra dělit řezaacuteniacutem
49
8 Realizovanyacute Adamsův motor
81 Virtuaacutelniacute model Adamsova motor generaacutetoru a jeho praktickaacute
realizace
Model motoru je vytvořen v programu SolidWorks SolidWorks je mocnyacutem naacutestrojem konstrukteacutera a
nabiacuteziacute snadnou optimalizaci modelu
Po vytvořeniacute jednotlivyacutech diacutelů je možneacute tyto diacutely pomociacute vazeb navzaacutejem svaacutezat a tiacutem daacutet okamžitou
představu o chovaacuteniacute modelu
Při naacutevrhu Adamsova motoru jsem vychaacutezel předevšiacutem z rozměrů magnetickyacutech jader statoroveacute čaacutesti
stroje
811 Stator
a) Jako nosnaacute konstrukce pro jaacutedra statoru uloženiacute ložisek uchyceniacute desky plošnyacutech spojů
optickyacutech senzorů sloužiacute dvě tabule z plexiskla tloušťky 8 mm ktereacute tvořiacute nosnou konstrukci
neboť jsou po obvodu vzaacutejemně spojeny šesti zaacutevitovyacutemi tyčemi o průměru 5 mm Na Obr je
zadniacute nosnaacute tabule plexiskla
Obr 81 Zadniacute nosnaacute deska z plexiskla
Otvor průměru 26 mm nachaacutezejiacuteciacute se uprostřed sloužiacute pro uloženiacute kuličkoveacuteho ložiska Skrze
otvory průměru 51 mm po jeho obvodu prochaacuteziacute šrouby pro přichyceniacute krytů ložiska
Naacutesledujiacute otvory určeneacute pro upevněniacute optickyacutech čidel dřevěneacuteho krytu pro zakrytiacute vodičů
připojenyacutech k vinutiacutem a optickyacutem senzorům Skrze podlouhleacute draacutežky jsou šrouby přitaženy
dřevěneacute držaacuteky statorovyacutech jader Vzhledem ke tvaru draacutežky je zajištěna možnost jejich
50
polohovaacuteniacute vzhledem k rotoru Volnyacute prostor na praveacute straně je určen pro upevněniacute desky
plošnyacutech spojů s elektronickyacutemi součaacutestkami
b) Nosneacute držaacuteky pro jaacutedra statoru jsou použity dřevěneacute špaliacuteky do kteryacutech jsou jaacutedra vlepena
epoxidovou pryskyřiciacute
c) Optočleny TCST 2103 jsou přitaženy k jejich dutyacutem dřevěnyacutem držaacutekům imbusovyacutemi šrouby
průměru 3 mm Skrze dřevěneacute držaacuteky jsou kolmo na směr vyacutevodů optočlenu vyvrtaacuteny otvory
pro zaacutevitoveacute tyče jež spolu s našroubenyacutemi matkami přitahujiacute držaacutek s čidlem jedneacute k zadniacute
desce plexiskla statoroveacute čaacutesti stroje Jistaacute uacuteroveň dotaženiacute matce dovoluje držaacutek s čidlem
nataacutečet a měnit tak okamžik sepnutiacute optočlenu
Obr 82 Optočlen TCST 2103 připevněnyacute k dřevěneacutemu držaacuteku
d) Stejnou vzdaacutelenost mezi dvěma plexiskly statoru zajišťujiacute distančniacute trubice skrze ktereacute
prochaacuteziacute zmiacuteněneacute zaacutevitoveacute tyče spojujiacuteciacute obě zaacutekladoveacute tabule plexiskla Tyto trubice jsou
vyrobeny z kostry stojanu pro sušeniacute praacutedla Z estetickyacutech důvodů je na nich navlečena a
zatavena teplem smršťovaciacute bužiacuterka
Postup vytvořeniacute ciacutevky v SolidWorksu
1 V předniacute rovině skici na Obr je pomociacute os X a Y vytvořen souřadnicovyacute systeacutem potřebnyacute pro
tvorbu zaacutekladniacutech vazeb využityacutech při ryacutesovaacuteniacute
2 Čelniacute pohled na jeden poacutel magnetickeacuteho jaacutedra ve statoru na ktereacute maacute byacutet umiacutestěna jedna
budiacuteciacutech ciacutevek je vytvořen z konstrukčniacutech přiacutemek a okoacutetovaacuten rozměry 13 mm x 11 mm
3 Vnitřniacute rozměry ciacutevky jsou z čelniacuteho pohledu oproti jaacutedru na každeacute straně zvětšeny o 05 mm
tedy o tloušťku foacutelie jež tvořiacute kostřičku ciacutevky a malou vzduchovou mezeru umožňujiacuteciacute volneacute
nasunutiacute ciacutevky na magnetickeacute jaacutedro
4 Poloměr zaobleniacute vnitřniacute čaacutesti kostry ciacutevky je 08 mm
51
Obr 81 Skica naacutevrhu diacutelu
5 Vnějšiacute rozměry ciacutevky jsou daacuteny počtem vrstev zaacutevitů a celkovyacutem činitelem plněniacute ciacutevky
Deset vrstev zaacutevitů vodičem 03 mm spolu s izolačniacute a nosnou kostrou ciacutevky vytvořiacute 4 mm
vysokou vrstvu zaacutevitů v roziacutech zaoblenou se stejně velkyacutem poloměrem 4mm Vnějšiacute a vnitřniacute
zaobleniacute rohů je od rovnyacutech segmentů skici odděleno uacutesečkami čiacutemž je skica dokončena
6 Využitiacutem funkce přidaacuteniacute vytaženiacutem a jejiacute aplikaciacute na jednotliveacute segmenty skici je ciacutevka
symetricky vytažena do prostoru na deacutelku 19 mm Zamiacutetnutiacutem funkce sloučit vyacutesledky při
vytaženiacute jsou všechny segmenty ciacutevky vytvořeny jako samostatneacute objekty čiacutemž odpadaacute
děleniacute modelu v Ansysu
Obr 82 Model ciacutevky
Magnetickaacute jaacutedra použitaacute ve statoru jsou původně určena pro jednofaacutezoveacute jaacutedroveacute transformaacutetory
Jaacutedro transformaacutetoru je při vyacuterobě naviacutejeno na obdeacutelniacutekoveacute kopyto o rozměrech odpoviacutedajiacuteciacutech
požadovaneacute velikosti okna pro primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Jaacutedro je po navinutiacute
z transformaacutetoroveacuteho plechu rozřiacuteznuto na dvě poloviny jak je zřejmeacute z Obr xx čiacutemž je možneacute do
magnetickeacuteho obvodu nasunout primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute
V našem přiacutepadě je pro každeacute magnetickeacute jaacutedro statoru použita pouze jedna polovina zmiacuteněneacuteho
transformaacutetoroveacuteho jaacutedra Okno statoroveacuteho jaacutedra určeneacute pro umiacutestěniacute obou vinutiacute statoru maacute pouze
polovičniacute deacutelku oproti transformaacutetoru a na straně řezu je otevřeno
52
Obr 83 Pohled na uloženiacute vinutiacute
Obě budiacuteciacute ciacutevky jsou nasunuteacute na jednom jaacutedru statoru a jsou totožneacute tj majiacute stejnyacute počet zaacutevitů
vinutyacutech vodičem o stejneacutem průřezu Jsou spojena do seacuterie a spolu s magnetickyacutem jaacutedrem tvořiacute jeden
z osmi statorovyacutech magnetickyacutech obvodů
Na Obr Xx je bližšiacute pohled na rozloženiacute vodičů v průřezu ciacutevkou Každaacute vrstva zaacutevitů ciacutevky obsahuje
63 zaacutevitů v deseti vrstvaacutech
Obr 84 Rozloženiacute zaacutevitů
Počet zaacutevitů v jedneacute ciacutevce je daacuten naacutesobkem počtu zaacutevitů v jedneacute vrstvě a množstviacute vrstev tedy
63x10= 630 zaacutevitů Jelikož jsou obě ciacutevky na magnetickeacutem jaacutedru spojeny do seacuterie celkovyacute počet
zaacutevitů je dvojnaacutesobnyacute tedy 1260 zaacutevitů Protože statorovaacute jaacutedra odděluje od rotoru vzduchovaacute mezera
05 mm jsou obě vinutiacute od konce jaacutedra umiacutestěny ve vzdaacutelenosti 2 mm pro zajištěniacute bezpečneacute
vzdaacutelenosti od otaacutečejiacuteciacuteho se rotoru Naacutesledkem toho se do jedneacute vrstvy ciacutevky vleze menšiacute počet
zaacutevitů bliacuteže zpraženyacutech s magnetickyacutem tokem v jaacutedru
Počet vrstev obou vinutiacute je teacutež omezen a to jednak velikostiacute okna a mezerou 5 mm mezi oběma
vinutiacutemi Tato mezera zajišťuje možnost volneacuteho nasunutiacute vinutiacute na magnetickeacute jaacutedro a umožňuje
lepšiacute odvod tepla do okoliacute
53
Pro dosaženiacute konstantniacute vzduchoveacute mezery mezi vyniklyacutemi poacutely rotoru a jaacutedry ve statoru jsou konce
statorovyacutech jader zbroušeny na poloměr bliacutezkyacute poloměru plechů v rotoru
Kostřička ciacutevky
Pro vyacuterobu kostřiček ciacutevek posloužila plastovaacute folie určenaacute pro krytiacute předniacute strany dokumentu
svaacutezaneacuteho v kroužkoveacute vazbě Po vyřezaacuteniacute a ohnutiacute do požadovaneacuteho tvaru byla a slepena
oboustrannou lepiciacute paacuteskou
Obr 83 Kostřička ciacutevky vyrobenaacute z plastoveacute folie
Naviacutejeniacute ciacutevek
Pro naviacutejeniacute ciacutevek se realizovalo ručniacute naviacuteječkou s mechanickyacutem počiacutetadlem Na Obr84 je vidět že
obě ciacutevky jsou navinuty nepřerušenyacutem vodičem Obě ciacutevky majiacute 630 zaacutevitů
Obr 84 Pro zpevněniacute čel ciacutevek během naviacutejeniacute na plastovou kostřičku posloužily 5mm širokeacute destičky
z pertinaxu Draacutežky v nich vybroušeneacute umožnily zachyceniacute vyacutestupniacuteho vodiče ciacutevky pod navlečenou
gumičku Levaacute destička pertinaxu je odniacutematelnaacute po uvolněniacute dotaženeacuteho šroubu
Hotovaacute ciacutevka navinutaacute na kostřičce z plastoveacute folie je na Obr Po navinutiacute ciacutevky se čela kostřičky
(plastoveacute folie) zahnula přes horniacute vrstvu zaacutevitů a navzaacutejem slepila sekundovyacutem lepidlem
Obr 85 Pohled na ciacutevku zpevněnou kostřičkou z plastoveacute folie
54
Statoroveacute jaacutedro s ciacutevkami
Na každeacute z osmi statorovyacutech jader jsou nasunuty dvě seacuteriově spojeneacute ciacutevky Pro pevneacute zachyceniacute obou
vinutiacute je použit pružnyacute tmel
Obr 86 Pohled na statoroveacute jaacutedro s nasunutyacutem vinutiacutem
Uchyceniacute statorovyacutech jader
Statorovaacute jaacutedra jsou pevně zalepena epoxidovou plyskyřiciacute do dřevěnyacutech sloupků Po obou stranaacutech
sloupku jsou vyvrtaacuteny otvory v nižchž jsou vyřezaacuteny zaacutevity pro šrouby Dotaženiacutem šroubu jsou
sloupky s jaacutedry pevně uchyceny v deskaacutech z plexiskla
Obr 87 Pohled na jaacutedro zalepeneacute v dřevěneacutem držaacuteku
55
812 Rotor
Průměr rotoru a jeho konstrukčniacute řešeniacute je navrženo s ohledem na rozměry jader ve statoru a velkou
hmotnost dynamoplechů
e) Z velikosti okna pro primaacuterniacute vinutiacute je odvozena potřebnaacute vyacuteška permanentniacutech magnetů a
počet vrstev dynamoplechů v rotoru
f) Rozměry hřiacutedele jsou voleny s ohledem na použitaacute kuličkovaacute ložiska o vnitřniacutem průměru 10
mm a hmotnost rotorovyacutech plechů a je počiacutetaacuteno s jistou rezervou v přiacutepadě působeniacute vyššiacutech
momentů setrvačnosti celeacuteho rotoru Hřiacutedel a středoveacute přiacuteruby zajišťujiacute pevneacute přichyceniacute
středoveacuteho pouzdra permanentniacutech magnetů jelikož jsou vzaacutejemně spojeny čtyřmi šrouby
Hřiacutedel a středoveacute přiacuteruby jsou vysoustruženy z mosazi
Obr 88 Hřiacutedel je vysoustruženaacute z mosazneacute kulatiny
Na Obr je pohled na celkovou sestavu rotoru a statorovaacute jaacutedra Ke hřiacutedeli jsou přiacuteruby připevněny
ve čtyřech miacutestech
Obr 89 Pohled na rotor a jaacutedra statoru opatřenaacute vinutiacutem
g) Přiacuteruby pro uchyceniacute středoveacuteho pouzdra rotoru v němž jsou uloženy magnety jsou
vysoustruženy z mosazi stejně tak i přiacuteruba pro komutačniacute disk Přiacuteruby jsou ke hřiacutedeli pevně
dotaženy imbusovyacutemi šrouby
56
Obr 810 Jedna přiacuterub pro upevněniacute středoveacuteho pouzdra magnetů ke hřiacutedeli
h) Středoveacute pouzdro nesouciacute dynamoplechy a magnety je složeno z třiacute vrstev plexiskla tloušťky
2x4 mm + 1x5 mm Maacute tedy tloušťku 13 mm stejně jako vnitřniacute rozměr okna jaacutedra statoru
Přiacuteruby navlečeneacute na hřiacutedeli z obou stran stahujiacute plexiskla středoveacuteho pouzdra čiacutemž je pevně
spojujiacute s hřiacutedeliacute
Obr 811 Středoveacute pouzdro permanentniacutech magnetů
i) Dynamoplechy jsou po obou stranaacutech středoveacuteho pouzdra navrstveny na požadovanou vyacutešku
11 mm což odpoviacutedaacute přiacuteslušneacutemu rozměru jaacutedra v jeho řezu Při tloušťce dynamoplechu 05
mm je na obou stranaacutech pouzdra 22 vrstev dynamoplechu Jak dynamoplechy tak i středoveacute
pouzdro v sobě majiacute vyřezaacuteny otvory pro zaacutevitoveacute tyče a diacuteky matkaacutem dotaženyacutem po obou
stranaacutech rotoru spojujiacute navzaacutejem tyto čaacutesti s hřiacutedeliacute
Obr 812 Jedna sekce rotoru je složenaacute z 22 vrstev dynamoplechů
j) K dobreacutemu staženiacute dynamoplechů nejen v miacutestech kde k nim ze stran přileacutehajiacute matky
přispiacutevajiacute kryciacute kotouče z plexiskla na Obr813
57
Obr 813 Otvorem uprostřed kryciacuteho kotouče prochaacuteziacute hřiacutedel a je možneacute se diacuteky němu dostat na
šrouby připevňujiacuteciacute přiacuteruby rotoru pevně k řčiacutedeli
Vyacuteroba vyniklyacutech poacutelů rotoru
Rotoroveacute plechy jsou do požadovaneacuteho tvaru na Obr814 vyřezaacuteny pomociacute vodniacute pily Tryska
zařiacutezeniacute žene proud vodniacuteho paprsku spolu s abrazivem kolmo na řezanyacute objekt
Obr 814 Skica rotorovyacutech plechů s vyznačenyacutemi miacutesty pro umiacutestěniacute permanentniacutech magnetů
Na Obrxx zachycena vodniacute pila během vyřezaacutevaacuteniacute požadovaneacuteho tvaru rotoru do tabule
dynamoplechu o rozměrech 1x1metr
58
Obr 815 Sniacutemek pořiacutezenyacute během řezaacuteniacute dynamoplechu vodniacutem paprskem s abrazivem
Magnetickaacute čaacutest obvodu obvod rotoru se sklaacutedaacute ze dvou sekciacute mezi nimiž jsou umiacutestěny permanentniacute
magnety ktereacute sloužiacute jako zdroj magnetickeacuteho pole Každaacute sekce je vytvořena navrstveniacutem
dynamoplechů do vrstvy 11 mm Při tloušťce dynamoplechu to odpoviacutedaacute 22 vrstvaacutem v každeacute sekci
Obr 816 Čelniacute pohled na zkompletovanyacute rotor
Komutaacutetor
Komutaacutetor je realizovaacuten průhlednou foacuteliiacute s černyacutem potiskem Pravidelneacute střiacutedaacuteniacute průsvitnyacutech a
černyacutech oblastiacute na foacutelii během otaacutečeniacute rotoru zajišťuje pravidelneacute přerušovaacuteniacute IR paprsku v osmi
optoelektronickyacutech spiacutenačiacutech TCST 2103 rozmiacutestěnyacutech pravidelně okolo obvodu komutačniacute folie
Na foacutelii je sedm černyacutech a sedm průsvitnyacutech vyacutesečiacute což odpoviacutedaacute počtu sedmi vyniklyacutech poacutelů v obou
sekciacutech rotoru oddělenyacutech permanentniacutemi magnety Nastaveniacute optimaacutelniacute uacutehlu natočeniacute komutačniacute
folie bylo stanoveno měřeniacutem pro uacutehly natočeniacute 1285deg 5 deg 0deg a -1285deg Vyacutesledky jsou shrnuty
v zaacutevěru praacutece
59
Obr 817 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 1285deg
Obr 818 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 5deg
Obr 819 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 0deg
Obr 820 Nastaven uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie -1285deg
Na Obr je čelniacute pohled na realizovanyacute komutaacutetor Po obvodu jsou rovnoměrně rozmiacutestěny černeacute
dřevěneacute držaacuteky s optočleny skrze ktereacute prochaacuteziacute uacutezkeacute zaacutevitoveacute tyče zbroušeneacute tak aby uvnitř držaacuteku
nepoškodily přiacutevodniacute vodiče optočlenů Dotaženiacutem matek našroubovanyacutech na zaacutevitoveacute tyče je možneacute
pevně přitaacutehnout
60
Obr 821 Fotorgrafie realizovaneacuteho komutaacutetoru
Obr 822 Podrobnějšiacute pohled s popisem čaacutestiacute
Optoelektronickeacute
spiacutenače TCST 2103
Jaacutedra statoru
Vinutiacute statoru
Komutaacutetor
s regulaciacute předstihu
Vynikleacute poacutely
rotoru
61
Zkompletovanyacute motor
Na Obr jsou na nosneacute desce namontovaacutena statorovaacute jaacutedra
Obr 823 Horniacute pohled na nosnou desku Uprostřed desky je vidět nachaacuteziacute kryt ložiska
Vodiče ciacutevek na magnetickyacutech jaacutedrech jsou zavedeny do bdquočokolaacutedldquo přišroubovanyacutech po bočniacutech
stranaacutech dřevěnyacutech držaacuteků jader
Obr 824 Bočniacute pohled na dřevěneacute držaacuteky jader statoru
Vyacutevody z čokolaacuted jsou protaženy do dřevěneacuteho tunelu zobrazenyacute ze spodniacute strany na Obr kteryacute
sloužiacute jako ochrana před otaacutečejiacuteciacutem se rotorem
Obr 825 Spodniacute strana kryciacuteho tunelu před vyvrtaacuteniacutem otvorů pro přichyceniacute k nosneacute desce
62
Obr 826 Čelniacute pohled na hotovyacute model Adamsova motoru
Obr 827 Redukce připevněnaacute na hřiacutedeli sloužiacute pro zvětšeniacute jejiacuteho průměru při spojeniacute spojeniacute
motoru s dynamometrem
63
82 Elektrickyacute obvod
821 Popis a scheacutema zapojeniacute
Elektronickaacute čaacutest je spiacutenaacutena přerušovaacuteniacutem infračerveneacuteho paprsku dopadajiacuteciacuteho na fototranzistor
v optočlenu Paprsek prochaacuteziacute průsvitnou čaacutestiacute foacutelie ve chviacuteli kdy jsou vynikleacute poacutely rotoru v čelniacute
pozici se statorovyacutemi jaacutedry a ciacutevky umiacutestěneacute na těchto jaacutedrech v nich majiacute vybudit magnetickyacute
indukčniacute tok opačneacuteho směru oproti toku vystupujiacuteciacuteho z rotorovyacutech poacutelů Naacutesledkem siloveacuteho
působeniacute mezi magnetickyacutemi poli rotoru a statoru je rotor roztaacutečen
Obr 828 Scheacutema zapojeniacute elektrickeacuteho obvodu pro řiacutezeniacute motoru Obvod v praveacute čaacutesti obraacutezku za
přerušovanou čarou se opakuje celkem 4x Pro ušetřeniacute miacutesta je tedy zobrazena pouze jedna čtvrtina
zapojeniacute
Elektrickyacute obvod je možneacute rozdělit na čaacutest vyacutekonovou kteraacute je od čaacutesti niacutezko přiacutekonoveacute oddělena
řiacutediacuteciacute elektrodou vyacutekonovyacutech MOSFET tranzistorů IRF540 Na Obr xx je pro zmenšeniacute ušetřeniacute
miacutesta zobrazena pouze jedna čtvrtina čaacutesti scheacutematu elektrickeacuteho obvodu V leveacute čaacutesti scheacutematu jsou
vyznačena miacutesta připojeniacute napaacutejeciacuteho napětiacute Pro laboratorniacute měřeniacute je vhodneacute vzaacutejemně je oddělit
Kladnyacute poacutel stejnosměrneacuteho napaacutejeciacuteho napětiacute o velikosti 5-31 V je pojen k ciacutevkaacutem skrze konektory
L1až L8 k ke statorovyacutem vinutiacutem Stejnosměrneacute napětiacute 10 ndash 35 V DC je připojeno přes stabilizaacutetor
napětiacute 7808 a Rezistory R1 a R2 k optočlenům TCST 2103 ktereacute jsou ve scheacutematu zastoupeny
vyacutevody označenyacutemi EM1 a DET1 Ty Zkratkovitě označujiacute přiacuteslušnyacute emitor IR zaacuteřeniacute (infračervenaacute
dioda) a detektor (fototranzistor pro infračerveneacute spektrum) implementovaneacute v pouzdru optočlenu
Hodnoty odporů jsou stanoveny na zaacutekladě snahy omezit proud řiacutediacuteciacuteho obvodu na nejnižšiacute hodnotu a
zaacuteroveň zachovat spraacutevnou funkci obvodu Jmenovitaacute hodnota proudu emitorem je 20mA Proud
tekouciacute skrze EM1 až EM8 je nastaven předřadnyacutemi rezistory 6K8 na hodnotu cca 1mA Paprsek
prochaacuteziacute skrze průsvitnou čaacutest komutaacutetoru nebo je přerušen černě potištěnou čaacutestiacute Pokud paprsek
dopadaacute na detektor a otviacuteraacute jej a proud může prochaacutezet přes odpory 39K předřazeneacute detektorům Za
detektory jsou napojeny Schmittovi klopneacute obvody na jejichž vstupech se objeviacute napětiacute v přiacutepadě že
je detektor paprskem neosviacutecen Klopneacute obvody jsou napaacutejeny napětiacutem ze stabilizaacutetoru a na sveacutem
64
vyacutestupu majiacute toteacutež napětiacute pokud je na jejich vstupu napětiacute nuloveacute V jednom pouzdře integrovaneacuteho
obvodu 40106N se nachaacuteziacute 6 investujiacuteciacutech hradel Paralelniacutem spojeniacute třiacute je sniacutežen odpor hradla na
třetinu Naacutesleduje vyacutekonovyacute MOSFET tranzistor IRF560 s odporem přechodu elektrod DS v
sepnuteacutem stavu 44m Ω Niacutezkaacute vyacutekonovaacute ztraacuteta těchto tranzistorů snižuje ztraacutetovyacute vyacutekon na minimum
v porovnaacuteniacute s bipolaacuterniacutemi tranzistory Je-li na vstupniacute elektrodu G připojeno kladneacute napětiacute tranzistor
se otevře a umožniacute průchod proudu přiacuteslušnyacutem vinutiacutem připojenyacutem ke konektoru L1až L8
822 Deska plošnyacutech spojů
Deska plošnyacutech spojů vytvořenaacute stejně tak jako scheacutema v programu Eagle
Obr 829 Deska plošnyacutech spojů elektronickeacute ho obvodu z pohledu součaacutestek
Navrženaacute deska plošnyacutech spojů je vyrobena bdquofotocestouldquo Působeniacutem zdroje ultrafialoveacuteho světla
dojde ke změně chemickeacute struktury fotocitliveacute vrstvy kteraacute se nachaacuteziacute v miacutestech prosviacuteceniacute průsvitneacute
předlohy DPS Po rozpuštěniacute osviacuteceneacute vrstvy fotocitliveacuteho laku v hydroxidu sodneacutem byla deska
omyta vodou a odleptaacutena v chloridu železiteacutem
Obr 830 Osvit desky plošnyacutech spojů 11W UV zaacuteřivkou
65
Obr 831 Hotovaacute deska po odvrtaacuteniacute otvorů pro vyacutevody součaacutestek a protaženiacute vodičů do dřevěneacuteho
kryciacuteho tunelu
66
9 Magnetostatickaacute analyacuteza Adamsova motoru
91 Vyacutepočet zjednodušeneacuteho magnetickeacuteho obvodu
911 Feromagnetika v magnetickeacutem obvodu
Permanentniacute magnety použiteacute rotoru jsou neodymoveacute (Nd-Fe-B) s magnetizaciacute N38 a maximaacutelniacute
pracovniacute teplotě 80degC Magnety majiacute tvar vaacutelce Požadovanaacute vyacuteška magnetů je 13 mm a odpoviacutedaacute
přiacuteslušneacutemu rozměru okna jader ve statoru Požadovaneacute vyacutešky bylo dosazeno spojeniacutem magnetu o
vyacutešce 10 mm a magnetu o vyacutešce 3 mm Magnety majiacute průměr 15mm
Demagnetizačniacute charakteristika magnetu je na Obr
Obr 91 Druhyacute kvadrant pracovniacutech hysterezniacutech smyček B(H) a J(H)=B(H)-μ0H
permanentniacuteho magnetu s magnetizaciacute N38 měřeno při 26degC
Magnetickaacute jaacutedra statoru jsou vyrobena z FeSi transformaacutetoroveacuteho plechu s anizotropniacute strukturou o
jakosti M150-30 Materiaacutel maacute poměrně niacutezkou konduktivitu tedy niacutezkeacute ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy
Magnetickeacute čaacutesti rotoru jsou z dynamoplechů izotropniacute struktury o jakosti M600 - 50
Vyacutepočet magnetickeacute indukce a intenzity magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře mezi rotorovyacutem a
statorovyacutem poacutelem
Magnetickyacute obvod se sklaacutedaacute z permanentniacuteho magnetu dvou vyniklyacutech poacutelů rotoru dvou
vzduchovyacutech mezer a jaacutedra statoru
-14
-12
-1
-08
-06
-04
-02
0
02
04
06
08
1
12
14
-1 200 -1 100 -1 000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0
J B [T]
H [kAm]
Demagnetizačniacute charakteristika NdFeB magnetu (N38)
J magnetu
B magnetu
B vakau
HBHmax=473 kAm BHmax=294 kJm3
BBHmax=0612 T B
J
μ0H
HC=-937 kAm
67
Obr 92 Magnetickyacute obvod s permanentniacutem magnetem
Pro středniacute indukčniacute čaacuteru naznačenou v magnetickeacutem obvodu přerušovanou čarou platiacute podle prvniacute
Maxwellovy rovnice v integraacutelniacutem tvaru
kde indexy značiacute M permanentniacute magnet žr železo rotoru v vzduchovou mezeru a žs železo statoru
Železo rotoru (dynamoplechy) a železo statoru (transformaacutetoroveacute plechy) jsou feromagneticky měkkeacute
materiaacutely Pro zjednodušeniacute vyacutepočtu předpoklaacutedaacuteme že jejich permeability tj jejich
magnetickeacute odpory a tedy i magnetickaacute napětiacute a jsou zanedbatelně maleacute
takže pro intenzitu magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře platiacute
Pro magnetickyacute indukčniacute tok permanentniacuteho magnetu platiacute
kde je činitel rozptylu ve vzduchoveacute mezeře a jestliže k rozptylu toku nedochaacuteziacute tak
Magnetickyacute indukčniacute tok ve vzduchoveacute mezeře je vyjaacutedřen
Pro magnetickyacute indukčniacute tok permanentniacuteho magnetu platiacute
takže magnetickaacute indukce ve vzduchoveacute mezeře je
(19)
(20)
(21)
(22)
(23)
BM HM
lM
lžr
lžr
lv
lv
lžs
Bv
Hv
Sv
Sžr Sžs
SM
Hžr
Hžr
Hžs Bžs
Bžr
Bžr
J
S
Sžr
Bv
Hv
68
odtud
Z rovnosti rovnic (19) a (24)
lze vyjaacutedřit magnetickou indukci permanentniacuteho magnetu jako
kde veličina Nd je tzv demagnetizačniacute činitel pro nějž platiacute
Pro dosazeniacute do (24) je zapotřebiacute stanovit hodnotu činitele rozptylu magnetickeacuteho toku ve vzduchoveacute
mezeře Stanoviacuteme odhadem (
Pro dosazeniacute do (24) je daacutele zapotřebiacute stanovit průřez magnetu Při průměru 15 mm je
Průřez vzduchoveacute mezery mezi statorem a rotorem vypočteme jako aritmetickyacute průměr průřezu poacutelu
jaacutedra statoru a průřezu vynikleacuteho poacutelu rotoru Skutečneacute průřezy poacutelu statoru a rotoru lze jednoduše
odečiacutest z virtuaacutelniacuteho modelu v DesignModeleru Ansysu jak je naznačeno na Obr93 a na Obr94
Průřez poacutelu statoroveacuteho jaacutedra SS je dle DesignModeleru 14328 mmsup2
Obr 93 Po označeniacute plochy jaacutedra statoru vypočte DesignModeler jejiacute průřez
(24)
(25)
(26)
(27)
(28)
(29)
69
Průřez vynikleacuteho poacutelu rotoru SR je dle DesignModeleru 29128 mmsup2
Obr 94 Po označeniacute plochy vynikleacuteho poacutelu rotoru vypočte DesignModeler jeho průřez
Po dosazeniacute průřezů je aritmetickyacute průměr průřezu vzduchoveacute mezery
Vyacuteška použiteacuteho magnetu je daacutena součtem vyacutešek dvou na sobě umiacutestěnyacutech magnetů 10mm a 3 mm
tedy =13 mm
Řešenyacute magnetickyacute obvodu obsahuje dvě vzduchoveacute mezery o velikosti 1 mm Celkovaacute deacutelka
vzduchoveacute mezery je daacutena součtem těchto dvou deacutelek tedy =2 mm
Dosazeniacute všech potřebnyacutech hodnot do rovnice (24) vypočiacutetaacuteme demagnetizačniacute činitel
Dosazeniacutem demagnetizačniacuteho činitele do rovnice pro magnetickou indukci magnetu (26) ziacuteskaacuteme
rovnici přiacutemky
jejiacutež průsečiacutek s demagnetizačniacute křivkou permanentniacuteho magnetu na Obrxx stanoviacute pracovniacute bod
permanentniacuteho magnetu
Z grafu na Obr 95 je možneacute odečiacutest hodnotu magnetickeacute indukce permanentniacuteho magnetu v
pracovniacutem bodu BM=1 T a odpoviacutedajiacuteciacute hodnotu intenzity magnetickeacuteho pole HM=1 T
(30)
(31)
70
Obr 95 V průsečiacuteku přiacutemky s demagnetizačniacute charakteristikou se nachaacuteziacute pracovniacute bod P
permanentniacuteho magnetu v magnetickeacutem obvodu se vzduchovou mezerou
Zvětšeniacutem vzduchoveacute mezery v magnetickeacutem obvodu se zvětšiacute demagnetizačniacute činitel Nd tj zvětšiacute se
směrovyacute uacutehel přiacutemky z hodnoty α na hodnotu α1 a pracovniacute bod P se posune do polohy P1 jak je
naznačeno na Obr96
Obr 96 V průsečiacuteku přiacutemky s demagnetizačniacute charakteristikou se nachaacuteziacute pracovniacute bod
permanentniacuteho magnetu
00
02
04
06
08
10
12
14
-1 000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0
J B [T]
H [kAm]
Stanoveniacute pracovniacuteho bodu magnetu na demagnetizačniacute
charakteristice
B magnetu
Bm=-NdHm
BM=1 T
HM=-183 kAm
P
Br=124 T
HC=-937 kAm
71
Zmenšiacute-li se opět vzduchovaacute mezera na původniacute velikost nevraacutetiacute se pracovniacute bod P1 do sveacute původniacute
polohy v bodě P ale do polohy P2 po křivce k2 Smyčka složenaacute z křivek k1 a k2 je malaacute hysterezniacute
smyčka Přibližně ji můžeme nahradit uacutesečkou P1 P2 sviacuterajiacuteciacute s osou H uacutehel β Pohybuje-li se pracovniacute
bod po maleacute hysterezniacute smyčce jde vratneacute změny tj zanikne-li přiacutečina posuvu pracovniacuteho bodu vraciacute
se pracovniacute bod do sveacute původniacute polohy Pohyb pracovniacuteho bodu po hlavniacute hysterezniacute smyčce je
nevratnyacute K podobnyacutem jevům dochaacuteziacute když miacutesto změn vzduchoveacute mezery působiacuteme na permanentniacute
magnet magnetickyacutem polem ktereacute zvětšuje nebo zmenšuje jeho tok Všechny dalšiacute pohyby
pracovniacuteho bodu probiacutehajiacute přibližně po přiacutemce P1 P2 pokud směrovyacute uacutehel α nepřestoupiacute hodnotu uacutehlu
α1 Překročiacute-li tuto hodnotu pohybuje se pracovniacute bod opět po hlavniacute hysterezniacute smyčce a při naacutevratu
zpět k původniacute hodnotě uacutehlu α přechaacuteziacute na novou bdquomalou hysterezniacute smyčku vyznačenou na Obrxx
čaacuterkovaně [20]
Magnetickaacute indukce ve vzduchoveacute mezeře
Intenzita magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře
(32)
(33)
72
92 Vyacutepočet magnetickeacuteho obvodu v ANSYS Workbench
Magnetickaacute indukce - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 97 Pohled na rozloženiacute magnetickeacute indukce v obvodu při I=0A
Obr 98 Zobrazeniacute vektorů magnetickeacute indukce při I=0A
73
Magnetickaacute indukce - horniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 99 Rozloženiacute magnetickeacute indukce při I=0A
Obr 910 Zobrazeniacute vektorů magnetickeacute indukce při I=0A
74
Intenzita magnetickeacuteho pole - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 911 Rozloženiacute intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
Obr 912 Zobrazeniacute vektorů intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
75
Intenzita magnetickeacuteho pole - horniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 913 Rozloženiacute intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
Obr 914 Zobrazeniacute vektorů intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
76
Rozloženiacute siacutely působiacuteciacute na poacutely rotoru vlivem přiacutetažneacute siacutely permanentniacuteho magnetu
Obr 915 Siacutela mezi poacutely rotoru
Přitažlivaacute siacutela mezi poacutely rotoru v miacutestě magnetu je daacutena rozdiacutelem maximaacutelniacute a minimaacutelniacute hodnoty sil
(34)
77
Magnetickaacute indukce při proudu 1 A - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru při
921 Rozběh motoru
Uacutekolem je naleacutezt nejmenšiacute hodnotu proudu tekouciacuteho vinutiacutem statoroveacuteho jaacutedra při ktereacute dojde k
rozběhu motoru Vychaacutezejme z toho že přiacutetažnaacute siacutela působiacuteciacute na jedno jaacutedro statoru ktereacute je
v zarovnaneacute pozici s vyniklyacutemi poacutely rotou musiacute byacutet vlivem proudu tekouciacuteho vinutiacutem
Proud by měl miacutet takovou velikost aby v jaacutedru statoru vybudil magnetickyacute tok opačneacute polarity oproti
magnetickeacutemu toku vystupujiacuteciacuteho z protějšiacuteho vynikleacuteho poacutelu rotoru A to s takovyacutemi silovyacutemi
uacutečinkly aby byl došlo k pootočeniacute rotoru do pozice ve ktereacute se vedlejšiacute vynikleacute poacutely rotoru začnou
přitahovat k vedlejnšiacutemu statoroveacutemu jaacutedru Celyacute proces se poteacute opakuje i u dalšiacutech jader
Středniacute hodnota proudu tiacutemto vinutiacutem se během rozběhu motoru snižuje až na konstntniacute hodnotu
Dojdek k ustaacuteleniacute otaacuteček a doby průchodu proudu jednotlivyacutemi vinutiacutemi
78
Na Obr je graf průběhu siacutely působiacuteciacute na jaacutedro statoru ve směru osy x při změně velikosti proudu
tekouciacuteho vinutiacutem
Obr 916 Průběh siacutely při změně proudu
Z Obr919 je zřejmeacute že nuloveacute siacutely v ose x na jaacutedro statoru bude dosaženo při proudu 700 mA Tudiacutež
proud vědšiacute než 700 mA vyvolaacute odpuzeniacute rotorovyacutech poacutelů a celyacute proces se opakuje i u ostatniacutech
statorovyacutech jader
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
0 100 200 300 400 500 600 700
I [mA]
Fx [N]
Fx=f(I)
Fx= -2841 N
79
Na Obr je naacutezorně vidět zarovnanyacute vyniklyacute poacutel rotoru s jaacutedrem ve statoru
Obr 917 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru se statorovyacutem jaacutedrem při nuloveacute siacutele na magnetickeacute jaacutedro
Obr 918 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru s jaacutedrem ve statoru bez přiacutetomnosti proudu
Prochaacuteziacute-li vinutiacutem proud 700mA půsovyacute ma magnetickeacute jaacutedro ve směru osy x nulovaacute siacutela Rozloženiacute
magnetickeacute indukce je na Obr
α=0deg
Fx=0 N
I=700 mA
α=0deg
Fx=-2841 N
I=0 mA
80
Obr 919 Rozloženiacute indukce v obvodu při proudu tekouciacutem vinutiacute 700mA
Obr 920 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru s jaacutedrem ve statoru při proudu tekouciacutem vinutiacute 700mA
81
922 Průběhy sil působiacuteciacute na rotor během pootočeniacute
Na obr je osa jaacutedra(v praveacutem rohu) zarovnaacutena s osou vynikleacuteho poacutelu rotoru (vyznačeno červeně) a
naacutesledujiacuteciacute vyniklyacute poacutel rotoru je oproti statoroveacutemu jaacutedru (vpravo) pootočen o uacutehel α = -643deg
Obr 921 Při pootočeniacute rotoru o uacutehel α = -643deg působiacute na rotor siacutela ve směru FY= -5645 N
Průběh siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor během nataacutečeniacute proti směru hodinovyacutech ručiček mezi uacutehly
pootočeniacute v meziacutech α= -643deg až 0deg
Hodnoty jsou vypočiacutetaacuteny v Ansysu s krokem 02 deg a proloženy přiacutemkou
Obr 922 Průběh siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor během pootočeniacute od -643deg do 0deg a vyznačeneacute hodnoty
siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor pro hodnoty natočeniacute uacutehlu α= -643deg a -5deg
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
F [N]
α [deg]
Fy=f(α)
α=-643deg FY=-5645 N
Fy= - 5645 N
I=0 mA
82
Obr 923 Průběh siacutely působiacuteciacute na rotor v ose y během pootočeniacute od -643deg do 0deg a vyznačeneacute hodnoty
siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor pro hodnoty natočeniacute uacutehlu α= -643deg a -5deg
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
N [Nmm]
α [deg]
Fx=f(α)
83
10 Měřeniacute na realizovaneacutem motoru
V Tab101 jsou hodnoty odporu jednotlivyacutech vinutiacute měřeneacute při 20 degC
Tab 101 Hodnoty odporů vinutiacute
Časoveacute průběhy napětiacute a proudu byly naměřeny pomociacute profesionaacutelniacuteho dvoukanaacuteloveacuteho USB
osciloskopu Handyscope HS3 s parametry uvedenyacutemi v tabulce Tab102 Spojeniacutem osciloskopu s PC
bylo možneacute pomociacute napěťoveacute a proudoveacute sondy naměřit časoveacute průběhy napětiacute a proudu Použitaacute
proudovaacute sonda disponuje maximaacutelniacutem rozlišeniacutem 100 mVA
Tab 102 Vlastnosti Osciloskopu Handyscope HS3
Vstup Vyacutestup
max vzorkovaciacute frekvence 100MSs vzorkovaciacute frekvence 50MSs
volitelneacute rozlišeniacute 12-16 bitů rozlišeniacute 12 bitů
maximaacutelniacute napětiacute 200V napětiacute 0 plusmn12 V
impedance 1M Ω20pF maximaacutelniacute proud 05 A DC
Na Obr 101 je zachycen časovyacute průběh napětiacute a proudu změřenyacute na jednom z osmi vinutiacute statoru při
napětiacute 30V a mechanickeacute zaacutetěži Mz = 015 Nm
Rc1 Rc2 Rc3 Rc4 Rc5 Rc6 Rc7 Rc8
[Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω]
203 203 205 202 204 205 202 203 2034
84
Obr 101 Změřeneacute průběhy napětiacute a proudu na vinutiacute během zatiacuteženiacute momentem 015Nm
Hodnoty proudu změřeneacute osciloskopem jsou posunuty o stejnosměrnou složku směrem do
zaacutepornyacutech hodnot Tato chyba znehodnocuje naměřeneacute vyacutesledky proudu uvedeneacute v tabulce a
vznikla z neznaacutemeacute přiacutečiny jako důsledek nastaveniacute citlivosti proudoveacute soncy na hodnotu
100mVA
Tab 103 Hodnoty naměřeneacute osciloskopem Handyscope HS3
Umax Umin Up-p Uef Ustř Δt
[V] [V] [V] [V] [V] [ms]
2958 -7996 10992 3401 -0983 1419
Imax Imin Ip-p Ief Istř f
[mA] [mA] [mA] [mA] [mA] [Hz]
26459 -2276 49219 11375 2421 7048
Na Obr je vidět vysokonapěťovaacute špička opačneacute polarity vzhledem k napaacutejeciacutemu napětiacute kteraacute
dosahuje hodnoty -7996 V Vznikaacute důsledkem naacutehleacuteho přerušeniacute dodaacutevky proudu do obvodu ciacutevky
Magnetickeacute pole vytvořeneacute v magnetickeacutem obvodu se po přerušeniacute dodaacutevky proudu kteryacute jej vybudil
snažiacute zabraacutenit sveacute změně a zachovat proud v elektrickeacutem obvodu čiacutemž zpětně do elektrickeacuteho obvodu
vinutiacute indukuje vysokeacute napětiacute opačneacute polarity Dochaacuteziacute ke zpětneacute indukci napětiacute do elektrickeacuteho
obvodu Tento děj vyjadřuje druhaacute Maxwellova rovnice o zaacutekonu elektromagnetickeacute indukce
v diferenciaacutelniacutem tvaru vyjaacutedřeneacute vztahem
85
Na Obr je teacutež patrnyacute zaacutekmit napětiacute na konci zaacuteporneacute napěťoveacute špičky Tento zaacutekmit je způsoben
parazitniacute kapacitou vinutiacute Časovaacute konstanta s jakou děj odezněniacute je daacutena RLC parametry obvodu
Každyacute způsob provedeniacute vinutiacute maacute sveacute charakteristickeacute vlastnosti předevšiacutem vlastniacute kapacitu vinutiacute
V praxi se např požadavek na sniacuteženiacute vlastniacute kapacity vinutiacute u transformaacutetorů realizuje dvěma
způsoby
a) zmenšeniacute napěťoveacuteho rozdiacutelu mezi vrstvami popř sekcemi vinutiacute nebo zmenšeniacutem vzaacutejemneacute
kapacity těchto čaacutestiacute jejich odděleniacutem
b) sniacuteženiacutem dielektrickeacute konstanty konstrukčniacutech materiaacutelů využitiacutem vhodnyacutech izolantů pro
izolaci vodičů
Nejviacutece možnostiacute nabiacuteziacute prvniacute varianta jež se uplatňuje u hraacutezoveacuteho křiacutežoveacuteho i kotoučoveacuteho vinutiacute
Obvykle neniacute uacutečelneacute ani hospodaacuterneacute dělit vinutiacute viacutece než na tři komory Čiacutem nižšiacute bude celkovyacute činitel
vinutiacute tiacutem menšiacute bude kapacita vinutiacute Impregnaciacute vinutiacute se vlastniacute kapacita vinutiacute zvyšuje asi o 30 až
50 V přiacutepadě spojeniacute jednoho vyacutevodu vinutiacute s magnetickyacutem jaacutedrem se vlastniacute kapacita vinutiacute zvětšiacute
přibližně o 20 [19]
Za zaacutepornou vysokonapěťovou špičkou a zaacutekmitem napětiacute způsobenyacutem parazitniacute kapacitou v obvodu
je vidět na Obr půlperioda sinusoveacuteho průběhu napětiacute zaacuteporneacute polarity Toto napětiacute je v obvodu
indukovaacuteno diacuteky průchodu magnetickeacuteho toku vystupujiacuteciacuteho z vyniklyacutech poacutelů rotoru během otaacutečeniacute
Magnetickyacute tok vystupuje z poacutelů rotoru a uzaviacuteraacute se přes jaacutedro statoru čiacutemž v jeho vinutiacute indukuje
napětiacute
(35)
86
Na Obr102 zaacuteznam sinusoveacuteho průběhu napětiacute indukovaneacuteho ve vinutiacute statoroveacuteho jaacutedra ktereacute bylo
odpojeno od napaacutejeniacute
Obr 102 Časovyacute průběh napětiacute indukovaneacuteho ve vinutiacute během otaacutečeniacute rotoru
Obr 103 Časovyacute průběh napětiacute a proudu při napětiacute 30 V a zatiacuteženiacute momentem 005 Nm
87
101 Měřeniacute zaacutekladniacutech charakteristik
Motor byl pro změřeniacute charakteristik spojen s cize buzenyacutem dynamometrem Možnost regulace
zaacutetěžneacuteho momentu změnou odporu kotvy dynamometru a velikostiacute budiacuteciacuteho proudu umožnila
naměřit průběh momentovyacutech mechanickyacutech a rychlostniacutech charakteristik Spojeniacute hřiacutedele
s tachodynamem naviacutec umožnilo měřit indukovaneacute napětiacute během jednotlivyacutech měřeniacute a vypočiacutetat z něj
otaacutečky Na Obr104 je schematicky naznačena soustava dynamometru a motoru pro měřeniacute
zatěžovaciacute charakteristiky motoru
Obr 104 Soustava pro měřeniacute zatěžovaciacutech charakteristik motoru
Pro změřeniacute zaacutekladniacutech charakteristik potřebnyacutech pro vyacutepočet uacutečinnosti motoru byl využit cize buzenyacute
dynamometr s Iab=5 A(10)
102 Vyacutepočet uacutečinnosti
Pro přiacuteklad vyacutepočtu dosadiacuteme do uvedenyacutech vztahů hodnoty veličin při nichž vyšla uacutečinnost motoru
maximaacutelniacute
Jelikož proud tekouciacute do vinutiacute je stejnosměrnyacute stanoviacuteme přiacutekon motoru součinem napětiacute zdroje o
konstantniacute velikosti 31 V s proudem tekouciacutem obvodem
Po dosazeniacute
Vyacutekon motoru je roven
přičemž pro uacutehlovou rychlost vyjaacutedřenou z otaacuteček platiacute vztah
(36)
(37)
(38)
Ua
Rb Umot
88
Po dosazeniacute
Vyacutekon je po dosazeniacute uacutehloveacute rychlosti
Uacutečinnost motoru při zanedbaacuteniacute ztraacutet v elektronickeacutem obvodu je daacutena vyacuterazem
Podiacutelem vyacutekonu a přiacutekonu je vyacuteslednaacute uacutečinnost
(39)
(40)
(41)
(42)
(43)
89
Charakteristiky změřeneacute při změně zaacutetěžneacuteho momentu M=005 až 05 Nm a napětiacute 31V
Obr 105 Změna otaacuteček v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
Obr 106 Změna proudu v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
50
150
250
350
450
550
650
750
850
950
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
n [otmin]
P2 [W]
n=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
0
05
1
15
2
25
3
35
4
2 4 6 8 10 12 14
I [A]
P2 [W]
I=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
90
Obr 107 Změna přiacutekonu v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
Obr 108 Změna uacutečinnosti v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
0
20
40
60
80
100
120
140
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
P1 [W]
P2 [W]
P1=f(P2)
-1285deg
5deg
1285deg
0deg
000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
η []
P2 [W]
η=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
ηmax=355
P2=86 W
91
Obr 109 Změna uacutečinnosti v zaacutevislosti na momentu při U=31V
000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045 05 055 06
η []
M [Nm]
η=f(M)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
ηmax=355
M=019 Nm
0
01
02
03
04
05
06
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000 1 100
M [Nm]
n [otmin]
Momentoveacute charakteristiky motoru
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
92
Charakteristiky změřeneacute při změně napaacutejeciacuteho napětiacute U=5 až 31V M=015 Nm
Obr 1010 Změna proudu v zaacutevislosti na napětiacute při M=015 Nm
Obr 1011 Změna otaacuteček v zaacutevislosti na napětiacute při M=015 Nm
0
02
04
06
08
1
12
14
16
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
I [A]
U [V]
I=f(U)
5deg
0deg
1285deg
-1285deg
I=078 A
0
100
200
300
400
500
600
700
800
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
n [otmin]
U [V]
n=f(U)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
93
Zaacutevěr
Na zaacutekladě existence měřitelneacuteho kvantově mechanickeacuteho projevu Casimirova jevu se člověk alespoň
teoreticky přibliacutežil k pochopeniacute podstaty vakua Pohled na vakuum jako na systeacutem v němž je možno
za jistyacutech okolnostiacute pozorovat vysokofrekvenčniacute elektromagnetickeacute fluktuace i při teplotaacutech bliacutezkyacutech
0K může nabiacutezet novou perspektivu a přiacutestup ke strojům s věčnyacutem pohybem Vnějšiacute projevy
elektromagnetickeacuteho charakteru vakuovyacutech fluktuaciacute nejsou za běžnyacutech okolnostiacute zjevneacute neboť je
v tomto stavu zajištěna jejich symetrie K porušeniacute symetrie však dochaacuteziacute mezi dvěma bliacutezkyacutemi
deskami v Casimirově pokusu
Permanentniacute magnet se v jisteacutem ohledu může jevit jako systeacutem jež svojiacute přiacutetomnostiacute narušuje tuto
symetrii elektromagnetickyacutech fluktuaciacute vakua a tiacutem v okolniacutem prostoru projevuje jeho dynamickou
jinak skrytou povahu formou projevu permanentniacuteho magnetickeacuteho pole V tomto ohledu by mohl byacutet
projev stavu narušeniacute symetrie vakuovyacutech fluktuaciacute uacuteměrnyacute energii vloženeacute do permanentniacuteho
magnetu během procesu magnetovaacuteniacute Tento nekonvenčniacute pohled na permanentniacute magnetismus
umožňuje objasnit vstup energie vakua do systeacutemu s permanentniacutemi magnety jakyacutem by mohl byacutet
např Johnsonův magnetickyacute motor složenyacute pouze z permanentniacutech magnetů Pokud tento motor
opravdu fungoval a vyacuteše nastiacuteněnaacute teorie by byla pravdivaacute neniacute tento systeacutem již možno povařovat za
izolovanyacute od sveacuteho okoliacute neboť samotnaacute povaha vakua by v tomto přiacutepadě umožňovala napaacutejeniacute
tohoto systeacutemu
V tomto ohledu se jeviacute zajiacutemavyacute i systeacutem pro přeměnu energie elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute na
užitečnou elektrickou energii popisovanaacute v šesteacute kapitole V tomto systeacutemu kmitajiacute drobneacute
dielektrickeacute struktury vytvořeneacute např elektronovou litografiiacute vlivem siloveacuteho působeniacute fluktuaciacute
elektromagnetickyacutech poliacute vakua a tiacutem v mikroskopickyacutech anteacutenaacutech mezi strukturami indukujiacute
využitelnou formu energie Tyto kmity jsou v přiacutemeacutem poměru k frekvenci zaacuteřeniacute avšak mnohem nižšiacute
frekvenci Využitiacutem moderniacutech technologickyacutech postupů a vysoce jakostniacutech materiaacutelů se v tomto
ohledu nabiacuteziacute nepřeberneacute možnosti pro experimentovaacuteniacute
Realizace modelu Adamsova motor generaacutetoru kterou jsem prakticky provedl (však pouze ve funkci
motoru) měla za ciacutel stanovit uacutečinnost tohoto systeacutemu neboť informace popisujiacuteciacute tento stroj hovořiacute
teacutež o vstupu energie vakua do tohoto systeacutemu čiacutemž je uacutedajně možno dosaacutehnout uacutečinnosti přesahujiacuteciacute
100 Autor Robert Adams stanovil uacutečinnost sveacuteho motor generaacutetoru na zaacutekladě několik dnů
trvajiacuteciacuteho měřeniacute Měřil průběhy napětiacute na vstupniacute baterii jež stroj napaacutejela a bateriiacutech ktereacute
postupně připojoval na elektrickyacute vyacutestup stroje Během činnosti stroje dochaacutezelo k postupneacutemu
dobiacutejeniacute bateriiacute na vyacutestupu V jisteacutem ohledu jsou hodnoty napětiacute při průběžneacutem měřeniacute určityacutem
ukazatelem uacutečinnosti stroje avšak pro vyacutepočet přesneacute uacutečinnosti daneacute poměrem vyacutekonu a přiacutekonu by
bylo zapotřebiacute do vyacutepočtu zahrnout i proudy prochaacutezejiacuteciacute obvodem
Dynamoplechy (M600-50) pro rotor a transformaacutetorovaacute jaacutedra (M150-30s) pro stator jsem zakoupil u
společnosti Therma FM a permanentniacute magnety přes internetovyacute obchod Unimagnetcz Virtuaacutelniacute
model motoru vytvořenyacute v programu SolidWorks jsem importoval do programu ANSYS Workbench
a provedl v něm magnetostatickou analyacutezu Analyzoval jsem magnetickyacute obvod složenyacute z jedneacute
osminy statoru (pouze jedno jaacutedro) vzduchoveacute mezery a vynikleacuteho poacutelu rotoru při nuloveacutem proudu ve
statoroveacutem vinutiacute Takteacutež jsem magnetickyacute obvod řešil zjednodušenyacutem vyacutepočtem v němž jsem
94
zanedbal reluktanci železa rotoru i statoru rozdiacutel ve tvaru průřezů statorovyacutech i rotorovyacutech poacutelů a
odhadem jsem stanovil činitel rozptylu v okoliacute vzduchoveacute mezery Vypočiacutetal jsem pro danyacute
magnetickyacute obvod demagnetizačniacute činitel a vykresleniacutem přiacutemky byl nalezen pracovniacute bod P
permanentniacuteho magnetu Bod P vytiacutenaacute na přiacuteslušnyacutech osaacutech demagnetizačniacute charakteristiky
odpoviacutedajiacuteciacute hodnoty BM a HM permanentniacuteho magnetu Z nich byly vypočteny hodnoty indukce a
intenzity ve vzduchoveacute mezeře
Hodnoty magnetickeacute indukce a intenzity magnetickeacuteho pole v prostoru vzduchoveacute mezery vypočteneacute
na zaacutekladě zjednodušeniacute obvodu a hodnoty vypočteneacute v ANSYSu se v přiacutepadě indukce lišiacute o hodnotu
0177 T což vzhledem ke zjednodušeniacute vyacutepočtu a odhadu činitele rozptylu přibližně odpoviacutedaacute Rozdiacutel
v hodnotaacutech intenzity magnetickeacuteho pole činiacute 188 kAm což je opět vzhledem k zjednodušeniacutem
vyhovujiacuteciacute hodnota
Pomociacute programu Ansys byla stanovena nejnižšiacute hodnota proudu (700 mA) tekouciacuteho do vinutiacute
vybraneacuteho jaacutedra statoru při jeho zarovnaacuteniacute s rotorovyacutemi poacutely kteraacute způsobiacute vyrušeniacute přiacutetažneacute siacutely
působiacuteciacute na statoroveacute jaacutedro vlivem permanentniacute magnetizace rotoroveacuteho poacutelu Teoreticky proud většiacute
než 700mA způsobiacute pootočeniacute rotoru a naacuteslednyacute rozběh
Daacutele byly graficky stanoveny průběhy sil v osaacutech x a y působiacuteciacutech na rotor během jeho pootočeniacute o
uacutehel 643deg kdy došlo k zarovnaacuteniacute sousedniacutech poacutelů rotoru a statoru
Změřeniacutem zaacutekladniacutech zatěžovaciacutech charakteristik pomociacute dynamometru byly stanoveny průběhy
momentovyacutech charakteristik pro různeacute uacutehly natočeniacute komutačniacuteho disku vzhledem k rotoru Z grafu
průběhu uacutečinnosti v zaacutevislosti na momentu byla odečtena nejvyššiacute hodnota uacutečinnosti motoru 355
pro natočeniacute komutačniacuteho disku o 5deg a odpoviacutedajiacuteciacute zaacutetěžnyacute moment 019 Nm Tato uacutečinnost je v
porovnaacuteniacute se stejně vyacutekonnyacutemi motory běžnyacutech konstrukciacute poměrně niacutezkaacute Jedniacutem z hlavniacutech
faktorů jež ovlivnil vyacuteslednou uacutečinnost je tvar statorovyacutech jader ktereacute majiacute velkou vzduchovou
mezeru Tiacutem paacutedem dochaacuteziacute ke značneacutemu rozptylu toku magnetickeacute indukce skrze prostor mezi
statorovyacutemi poacutely
Natočeniacutem komutačniacuteho disku do polohy 0deg došlo ke značneacutemu sniacuteženiacute uacutečinnosti na hodnotu okolo 14
majiacuteciacute přiacutečinu ve špatneacutem načasovaacuteniacute počaacutetku průchodu proudu do přiacuteslušneacuteho vinutiacute Vzaacutejemneacute
siloveacute působeniacute magnetickyacutech indukčniacutech toků z jaacutedra a rotoru působilo brzdnyacutem uacutečinkem čiacutemž
došlo ke sniacuteženiacute uacutečinnosti motoru
Momentoveacute charakteristiky jsou teacuteměř lineaacuterniacute Největšiacute moment 05 Nm byl naměřen při napětiacute 31
V při 180 otmin a to v přiacutepadě že komutačniacute disk byl pootočen o 1285deg
95
Použitaacute literatura
[1] Hubbertpeak [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwhubbertpeakcomhubbert19561956pdf
[2] Multimediaacutelniacute studijniacute texty z mineralogie [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpmineralogiescimuniczkap_6_2_termodynkap_6_2_termodynhtm
[3] Molecular and cellular immunology Institute of malecular genetics academy of science of the
Czech Republic Praguee [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpmciimgcasczpdfZakony_termodynamikypdf
[4] Uacutestav teoretickeacute fyziky MFF UK [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httputfmffcuniczvyukaOFY016F2001CermakPhtm
[5] Galileo [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpgalileoandeinsteinphysicsvirginiaedumore_stuffflashletsmmexpt6htm
[6] Encyclopedia Britanica [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwbritannicacomEBcheckedtopic600149Evangelista-Torricelli
[7] ABZ slovniacutek ciziacutech slov [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z httpslovnik-cizich-
slovabzczwebphpslovohorror-vacui-horor-vakui
[8] RAFELSKI Johannn a Berndt MUumlLLER The structured vaccum Thinking about nothing
Published electrically 2006 ISBN 3-97144-889-3
[9] Uacutestav jaderneacute fyziky AV ČR veřejnaacute vyacutezkumnaacute instituce [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httphpujfcascz~wagnerpopclanvakuumvakuumhtml_ftn2
[10] Aldebaran [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwaldebaranczbulletin2011_10_kazphp
[11] Aldebaran [online] Casimir - Network 2005 [cit 2014-05-08] Dostupneacute z httpcasimir-
networkfrIMGpdfCasimir_20effectpdf
[12] KVASNICA Jozef Statistickaacute fyzika Vyd 2 Praha Academia 1998 314 s ISBN 80-200-
0676-1
[13] Aldebaran [online] Annenberg learning 2005 [cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwlearnerorgcoursesphysicsvisualanimationhtmlshortname=PHY06_FermiTrap0
3A
[14] Cornell University Library arXivorg [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httparxivorgpdf10115219v1pdf
[15] Fyzikaacutelniacute sekce Matematicko-fyzikaacutelniacute fakulty UK [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpphysicsmffcuniczkfppskriptakurz_fyziky_pro_DSwwwfyzikahtml
[16] FEYNMAN Richard Phillips Feynmanovy přednaacutešky z fyziky s řešenyacutemi přiacuteklady 1 vyd
Havliacutečkův Brod Fragment 2001 806 s ISBN 80-720-0420-4
[17] VALONE Thomas Zero Point Energy The Fuel of the Future United States Integrity
Research Institiute 2007 228 s ISBN 9780964107021
96
[18] KING Moray B Quest for Zero Point Energy Engineering Principles for Free Energy
Engineering Principles for Free Energy United States Integrity Research Institiute 2001 224 s
ISBN 9780932813947
[19] FAKTOR Zdeněk Transformaacutetory a ciacutevky 1 vyd Praha BEN - technickaacute literatura 1999
393 s ISBN 80-860-5649-X
[20] MAYER Daniel a Josef POLAacuteK Metody řešeniacute elektrickyacutech a magnetickyacutech poliacute [vysokošk
učebnice pro elektrotechn fakulty] 1 vyd Praha SNTL 1983 450 s
[21] ABZ slovniacutek ciziacutech slov [online cit 2014-05-12] Dostupneacute z httpslovnik-cizich-
slovabzczwebphpslovohorror-vacui-horor-vakui
[22] Wikipedie [online cit 2014-05-12] Dostupneacute z httpcswikipediaorgwikiVakuum
[23] VALONE Thomas Practical Conversion of Zero-Point Energy Feasibility Study of the
Extraction of Zero-Point Energy from the Quantum Vacuum for the Performance of Useful
Work United States Integrity Research Institiute 2005 90 s ISBN 9780964107083
[24] BEARDEN By John Bedini and TE Free energy generation circuits 2nd ed Santa Barbara
Calif Cheniere Press 2006 806 s ISBN 09-725-1468-6
[25] Straacutenky věnovaneacute potlačovaneacute vědě a zatajovanyacutem vynaacutelezům [online cit 2014-05-08]
Dostupneacute z httpfree-energyxfczJOHNSONSampMhtm
[26] ADAMS Robert The Adams pulsed motor generator manual 46 Landing Roat Whakanate
Nex Zealand 1992
12
3 Zaacutekony termodynamiky
V dějinaacutech lidstva se objevilo mnoho pokusů o realizaci strojů jež by pracovaly s uacutečinnostiacute většiacute než
100 Snaha realizovat stroj s věčnyacutem pohybem je na programu mnoha konstrukteacuterů i v dnešniacute době
Zejmeacutena na internetu nalezneme mnoho odkazů na různorodeacute konstrukce mechanickyacutech a
elektrickyacutech strojů Zejmeacutena u čistě mechanickyacutech strojů je na prvniacute pohled patrneacute že nemohou
pracovat v nepřetržiteacutem chodu a třeniacute nakonec způsobiacute jejich zastaveniacute Nicmeacuteně lze narazit i na
konstrukce elektrickyacutech strojů doprovaacutezeneacute vlivnyacutem komentaacuteřem jež se opiacuteraacute o teorii kteraacute popisuje
vakuum jako prostor vyplněnyacute energiiacute Na kvantoveacute uacuterovni uacutedajně dochaacuteziacute ve vakuu k
nepřetržityacutem fluktuaciacutem elektromagnetickyacutech poliacute vlivem vzniku a zaacuteniku kladnyacutech a zaacutepornyacutech
virtuaacutelniacutech čaacutestic Bliacuteže se k tomuto fenomeacutenu vraacutetiacutem v naacutesledujiacuteciacute kapitole
Na zaacutekladě interakce s okoliacutem lze systeacutemy rozdělit naacutesledovně
a) izolovaneacute ndash v idealizovaneacutem přiacutepadě např termoska u ktereacute nedochaacuteziacute k vyacuteměně energie ani
hmotnyacutech čaacutestic
b) uzavřeneacute ndash např z obou stran uzavřenaacute trubice u niacutež dochaacuteziacute k vyacuteměně energie s okoliacutem
avšak bez vyacuteměny hmotnyacutech čaacutestic
c) otevřeneacute ndash např strom kteryacute si okoliacutem vyměňuje jak energii tak hmotneacute čaacutestice
31 Nultyacute zaacutekon termodynamiky
Systeacutemy v termickeacute rovnovaacuteze majiacute stejnou teplotu Nultyacute zaacutekon zavaacutediacute teplotu jako
termodynamickou veličinu
32 Prvniacute zaacutekon termodynamiky
Vnitřniacute energie (U) izolovaneacuteho systeacutemu je konstantniacute Změna vnitřniacute energie dU je součtem tepla
ktereacute bylo do systeacutemu dodaacuteno (dQ) a praacutece kteraacute byla na systeacutemu vykonaacutena (dW)
Změnu vnitřniacute energie můžeme zapsat jako
Veličina dW je objemovou praciacute Jde o změnu objemu dV v systeacutemu za konstantniacuteho tlaku P Změna
objemoveacute praacutece se vyjaacutedřiacute rovniciacute
Změnu vnitřniacute energie můžeme zapsat jako
(1)
(2)
(3)
13
Dodaacuteme-li např krystalu energii ve formě tepla vzroste jeho vnitřniacute energie o tolik kolik se
nespotřebuje na praacuteci spojenou s růstem jeho objemu (expanziacute) [2]
321 Perpetuum mobile prvniacuteho druhu
Produkuje nejmeacuteně tolik energie kolik samo spotřebuje Jakmile je jednou stroj spuštěn může
pracovat po neomezeně dlouhou dobu
33 Druhyacute zaacutekon termodynamiky
Druhyacute zaacutekon je postaven na definici entropie kteraacute je extenzivniacute funkciacute definujiacuteciacute stav systeacutemu
Zjednodušeně řečeno entropie definuje neuspořaacutedanost syteacutemu Celkovaacute změna entropie v uzavřeneacutem
systeacutemu je součtem změny entropie uvnitř systeacutemu a entropie kteraacute je do systeacutemu přenesena z jeho
okoliacute Entropii přenaacutešenou do systeacutemu se definuje rovnice (4) kde dQ je dodaneacute teplo a T je teplota
Je zřejmeacute že změna entropie systeacutemu při konstantniacute hodnotě tepla je většiacute při nižšiacute teplotě [2]
Pro reversibilniacute procesy a rovnovaacutežneacute stavy platiacute že změna entropie je nulovaacute dS = 0 Pro spontaacutenniacute
proces v systeacutemu pak platiacute dS gt 0 Můžeme řiacuteci že entropie se nikdy samovolně nezmenšuje [2]
331 Perpetuum mobile druheacuteho druhu
Takeacute nelze sestrojit protože při tepelneacute vyacuteměně těleso o vyššiacute teplotě nemůže samovolně přijiacutemat
teplo od tělesa s nižšiacute teplotou
34 Třetiacute zaacutekon termodynamiky
Jestliže se teplota ideaacutelniacuteho krystalu bliacutežiacute absolutniacute nule bliacutežiacute se nule i jeho entropie [2]
V bliacutezkosti absolutniacute nuly se adiabatickyacute děj přibližuje izotermickeacutemu Tiacutem se ovšem ztraacuteciacute uacutečinnost
libovolneacute ochlazovaciacute metody založeneacute na střiacutedaacuteniacute těchto dějů
Při extreacutemně niacutezkeacute teplotě se projevujiacute zvlaacuteštniacute vlastnosti některyacutech laacutetek jakyacutemi jsou supravodivost a
supratekutost
(4)
14
4 Vakuum
41 Eacuteter vyplňujiacuteciacute praacutezdnyacute prostor
Na zaacutekladě zjištěniacute že zvuk pro sveacute šiacuteřeniacute vyžaduje přenosoveacute meacutedium bylo dřiacuteve předpoklaacutedaacuteno že
i světlo ke sveacutemu přenosu vyžaduje určiteacute prostřediacute Toto meacutedium bylo označeno pojmem eacuteter Eacuteter
byl zaveden nejen pro světlo ale i pro elektřinu magnetismus a teplo Britskyacute fyzik James Clarck
Maxwell zjistil že se elektromagnetickeacute vlny šiacuteřiacute rychlostiacute světla a navrhl existenci pouze jedineacuteho
eacuteteru [3]
Na zaacutekladě Maxwellovyacutech pozorovaacuteniacute provedl Albert Michelson v roce 1881 experiment kteryacute měl
prokaacutezat přiacutetomnost eacuteteru Negativniacute vyacutesledek pokusu byl později zpochybněn a tak byl v roce 1887
pokus mnohem přesněji zopakovaacuten za spolupraacutece Edwarda Morleyho Experiment byl v budoucnu
ještě mnohokraacutet zopakovaacuten avšak původniacute vyacutesledek experimentu byl potvrzen [4]
Na Obr41 je znaacutezorněn princip Michelson-Morleyho experimentu kteryacute jsem doplnil o šipky ve
směru paprsků světla Uprostřed rotujiacuteciacute kruhoveacute aparatury je umiacutestěno polopropustneacute zrcadlo Směr
pohybu eacuteteru vůči aparatuře je znaacutezorněn žlutyacutemi šipkami Ze zdroje světla (vlevo) vychaacuteziacute paprsek a
dopadaacute na polopropustneacute zrcadlo (uprostřed) kde se děliacute na dvě čaacutesti Vzniknou tak dva navzaacutejem
kolmeacute paprsky putujiacuteciacute k zrcadlům po okrajiacutech aparatury kde se opět odraacutežiacute a vracejiacute zpět
k prostředniacutemu polopropustneacutemu zrcadlu Paprsek vracejiacuteciacute se dolů čaacutestečně prochaacuteziacute polopropustnyacutem
zrcadlem směrem dolů ke stiacuteniacutetku a paprsek vracejiacuteciacute se ke středu od leveacuteho zrcadla je odražen takeacute
směrem dolů Čaacutesti obou paprsků tak dopadajiacute na stiacuteniacutetko kde se
a) vzaacutejemně zesiacuteliacute jestliže majiacute stejnou rychlost a dopadajiacute na stiacuteniacutetko se stejnou faacuteziacute
b) vytvořiacute interferenčniacute obrazec v přiacutepadě že pohybujiacuteciacute se eacuteter vůči aparatuře ovlivnil rychlost
jednoho z paprsků
c)
Obr 41 Model demonstrujiacuteciacute princip Michelson- Morleyho experimentu [5]
Experiment existenci takoveacuteho eacuteteru neprokaacutezal a tak se převaacutežnaacute vědeckaacute komunita od představy
eacuteteru odkolonila
15
Neschopnost lidskeacute mysli uchopit praacutezdnyacute prostor dala v historii vzniknout pojmu horror vacui
neboli strach z praacutezdnoty [21]
Italskyacute fyzik a matematik Evangelista Torricelli žijiacuteciacute v 17 stoletiacute vešel do povědomiacute širokeacute
veřejnosti jednak pro vědeckyacute přiacutespěvek v oboru matematiky ale předevšiacutem pro vynalezeniacute
barometru Torricelli při svyacutech pokusech experimentoval s dlouhou skleněnou trubiciacute deacutelky 12 m
kterou naplnil rtutiacute a poteacute ji otevřenyacutem koncem ponořil do naacutedoby plneacute rtuti Pozoroval že velkaacute čaacutest
rtuti v trubici zůstala a nad jejiacute hladinou vnikl vzduchopraacutezdnyacute prostor Stal se tak prvniacutem člověkem
v historii kteryacute vytvořil vzduchopraacutezdno neboli vakuum [7]
Obr 42 Aparatura Evangelisty Torricelliho diacuteky ktereacute vytvořil makroskopickeacute vakuum
Vakuum zastupuje širokou škaacutelu tlaků V technickeacute praxi naleacutezaacute širokeacute praktickeacute využitiacute a je proto
podle velikosti tlaku rozděleno děleno do kategoriiacute ktereacute jsou v Tab 42
Tab 41 Rozděleniacute vakua podle tlakoveacuteho paacutesma a množstviacute hmoty v objemu[22]
Tlakoveacute paacutesmo
Tlak Množstviacute hmoty
v objemu
[Pa] [molekulcm3]
Atmosfeacuterickyacute tlak 101times105 27 x 10
19
Hrubeacute vakuum 10+4
hellip10+2
1019
- 1016
Jemneacute vakuum 10+2
hellip10minus1
1016
- 1013
Vysokeacute vakuum (HV) 10minus1
hellip10minus5
1013
hellip109
Ultra vysokeacute vakuum (UHV) 10minus5
hellip10minus10
109hellip10
4
Extreacutemně vysokeacute vakuum (XHV) lt10minus10
lt104
16
Vynaacutelezce Otto von Guericke demonstroval siacutelu podtlaku analogiiacute s osmi spřaženiacutemi osmi koni kteřiacute
nejsou schopni společnyacutemi silami oddělit dvě poloviny vzduchopraacutezdneacute koule jak ukazuje Obr 43
Obr 43 Osm koniacute neniacute schopno od sebe oddělit dvě poloviny vzduchopraacutezdneacute koule [8]
Zařiacutezeniacute pro tvorbu vakua se nazyacutevaacute vyacutevěva I kdyby se naacutem podařilo sestrojit dokonalou vyacutevěvu
kteraacute by z prostoru odstranila všechny znaacutemeacute hmotneacute čaacutestice prostor by i tehdy nezůstal praacutezdnyacute
Klasickaacute teorie poklaacutedaacute vakuum za praacutezdnyacute prostor bez hmotnyacutech čaacutestic Je však nutneacute přihleacutednout
k faktu že existujiacute teorie a experimenty jež připouštějiacute že vakuum neniacute praacutezdneacute miacutesto toho je plneacute
aktivity a co je ještě důležitějšiacute lze tuto aktivitu využiacutet v našem reaacutelneacutem světě
42 Heisenbergův princip neurčitosti
Velmi důležityacutem zaacutekonem určujiacuteciacutem pravidla v kvantoveacutem světě je Heisenbergův princip neurčitosti
Ten řiacutekaacute že pro současneacute měřeniacute polohy x a hybnosti čaacutestice p nemůže byacutet součin neurčitostiacute v určeniacute
polohy Δx a hybnosti Δp čaacutestice menšiacute než redukovanaacute Planckova konstanta ħ Pro tuto konstantu platiacute
ħ = h2π =105410-34
Js Důsledkem Heisenbergova principu je že se na mikroskopickeacute uacuterovni může
narušovat zaacutekon zachovaacuteniacute energie a to takovyacutem způsobem že součin velikosti tohoto narušeniacute a
doby po kterou trvaacute je menšiacute než redukovanaacute Planckova konstanta V takoveacutem přiacutepadě nelze toto
porušeniacute pozorovat
Heisenbergův princip neurčitosti pro současneacute měřeniacute polohy a hybnosti čaacutestice maacute tvar
(5)
Heisenbergův princip neurčitosti pro současneacute měřeniacute času a energie čaacutestice maacute tvar
(6)
Platnost rovnice (6) vede tomu že ve vakuu mohou existovat velice rychleacute fluktuace energie ktereacute
vznikajiacute jako v důsledku vzniku tzv virtuaacutelniacutech čaacutestic a jejich antičaacutestic ktereacute velice rychle vznikajiacute a
zanikajiacute vlivem vzaacutejemneacute anihilace A to v čase daneacutem Heisenbergovyacutem principem neurčitosti [9]
17
43 Virtuaacutelniacute čaacutestice
Jednaacute se o čaacutestici kteraacute neniacute přiacutemo pozorovatelnaacute je zavedena z důvodu existence řady pozorovanyacutech
jevů Virtuaacutelniacute čaacutestice může existovat diacuteky Heisenbergovu principu neurčitosti a v časoveacutem okamžiku
daneacutem tiacutemto zaacutekonem narušuje zaacutekon o zachovaacuteniacute energie U reaacutelneacute čaacutestice jejiacutež existence nenarušuje
zaacutekon zachovaacuteniacute energie je splněn relativistickyacute vztah mezi celkovou energiiacute čaacutestice E jejiacute hybnostiacute p
a klidovou energiiacute U virtuaacutelniacute čaacutestice tento vztah mezi uvedenyacutemi fyzikaacutelniacutemi veličinami neplatiacute
Virtuaacutelniacute čaacutestice tak může miacutet třeba velmi velkou hybnost a jen velmi malou energii Existence
virtuaacutelniacute čaacutestice je omezena na velice kraacutetkou dobu Při neustaacuteleacutem vzniku a zaacuteniku těchto čaacutestic
vznikajiacute ve vakuu vysokofrekvenčniacute fluktuace elektromagnetickyacutech poliacute různyacutech vlnovyacutech deacutelek [9]
44 Casimirův jev
V roce 1958 holandskyacute fyzik M J Sparnaay předpověděl existenci sil mezi dvěma kovovyacutemi
deskami jejichž přiacutečinou nebylo tepelneacute zaacuteřeniacute Byl zaveden pojem zero point energy (energie
nuloveacuteho bodu) označujiacuteciacute elektromagnetickou energii vyskytujiacuteciacute se ve vakuu při absolutniacute nuloveacute
teplotě [18]
Důkazem existence teacuteto energie je uacutedajně fakt že helium zůstaacutevaacute i při teplotaacutech mezi -272degC až
273degC staacutele v kapalneacutem skupenstviacute a nedojde k jeho přeměně na skupenstviacute pevneacute [17]
Způsob jakyacutem by bylo možneacute projevy virtuaacutelniacutech čaacutestic experimentaacutelně změřit navrhl v roce 1948
holandskyacute fyzik Hendrik Casimir Casimir uvažoval o dvou paralelniacutech elektrodaacutech (zrcadlech)
umiacutestěnyacutech ve vakuu za teploty bliacutezkeacute absolutniacute nule Vně těchto zrcadel vakuoveacute fluktuace
elektromagnetickyacutech poliacute dosahujiacute širokeacuteho spektra energiiacute ovšem v souladu s Heisenbergovyacutemi
relacemi neurčitosti Jinaacute situace nastaacutevaacute mezi elektrodami ktereacute tvořiacute rezonaacutetor Zde mohou vznikat
pouze fluktuace určityacutech vlnovyacutech deacutelek ndash moacutedů rezonaacutetoru Ostatniacute vlnoveacute deacutelky jsou vněm
potlačeny Tato nerovnovaacuteha fluktuaciacute vně elektrod a mezi nimi způsobuje tlakovou siacutelu kteraacute
přitahuje elektrody k sobě Jev se nazyacutevaacute Casimirův jev (efekt) a je makroskopickyacutem projevem
kvantovyacutech jevů stejně jako napřiacuteklad supravodivost nebo supratekutost [10]
Obr 44 Demonstrace Casimirova jevu Dvě kovoveacute desky tvořiacute rezonaacutetor pouze pro některeacute vlnoveacute
deacutelky důsledkem je působeniacute přitažliveacute siacutely mezi těmito deskami [11]
Fluktuace
vakua Casimirovi
desky
18
441 Casimirova siacutela
Casimirův efekt se projevuje jako Casimirova siacutela Casimirovu siacutelu mezi vodivyacutemi elektrodami
způsobuje nerovnovaacuteha mezi kvantovyacutemi fluktuacemi elektromagnetickyacutech poliacute ve vakuu vně
elektrod a mezi nimi [10]
Casimirovu siacutelu lze vypočiacutetat na zaacutekladě vztahu (7) uvedeneacuteho v literatuře[17]
(7)
Na obr45 je graf Prof Dr Davida Iannuzziho kteryacute zobrazuje přibližně exponenciaacutelniacute naacuterůst
publikaciacute pojednaacutevajiacuteciacute o Casimirově vevu Tiacutem dokazuje značnyacute naacuterůst zaacutejmu o tento fenomeacuten
Obr 45 Naacuterůst publikaciacute tyacutekajiacuteciacutech se Casimirova jevu [8]
442 Aparatura pro měřeniacute Casimirova jevu
Laboratorniacute měřeniacute Casimirova jevu v Kalifornskeacute univerzitě v Riverside bylo provedeno na
miniaturniacute aparatuře pro měřeniacute kvantově mechanickyacutech efektů bdquopraacutezdneacuteho prostoruldquo Na Obr 46 je
kulička o průměru 01 mm zobrazenaacute skrze elektronovyacute mikroskop Kulička je umiacutestěna pod hladkou
destičkou (destička neniacute na obraacutezku) Diacuteky kvantově mechanickeacutemu Casimirovu efektu se kulička
k destičce přitahuje Změna pozice kuličky je měřena mikroskopem pro měřeniacute atomaacuterniacutech sil
19
Obr 46 Mikroskopickaacute aparatura pro měřeniacute Casimirova jevu
443 Tepelnyacute Casimirův jev
Při konečneacute teplotě vstupujiacute do hry tepelneacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole a přispiacutevajiacute tak k
siloveacutemu působeniacute mezi elektrodami Tepelneacute fluktuace jsou způsobeny chaotickyacutem pohybem
volnyacutech elektronů v materiaacutelu elektrod Paralelniacute elektrody opět představujiacute rezonaacutetor ve ktereacutem je
možneacute vybudit pouze určiteacute moacutedy Každyacute moacuted představuje stav s přesně určenou energiiacute Tyto stavy
jsou obsazovaacuteny fotony ktereacute reprezentujiacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole Obsazeniacute těchto
hladin popisuje Boseho-Einsteinovo rozděleniacute [10]
Boseho-Einsteinovo rozděleniacute popisuje ve statistickeacute fyzice systeacutemy složeneacute z bosonů tedy čaacutestic se
symetrickou vlnovou funkciacute a celočiacuteselnyacutem spinem Bose-Einsteinovyacutem rozděleniacutem se řiacutediacute napřiacuteklad
fotony je z něj tedy možneacute odvodit napřiacuteklad Planckův vyzařovaciacute zaacutekon [12]
Při nuloveacute teplotě všechny fotony obsadiacute pouze nejnižšiacute energetickou hladinu jak je vidět na Obr 47
S rostouciacute teplotou postupně dochaacuteziacute k obsazovaacuteniacute i dalšiacutech vyššiacutech energetickyacutech hladin Mezi
zrcadly vznikaacute dalšiacute přitažlivaacute siacutela kteraacute ovšem zaacutevisiacute na teplotě Jednaacute se tedy o tepelnyacute Casimirův
jev
Obr 47 Vlevo zaujiacutemajiacute bosony při teplotaacutech bliacutezkyacutech absolutniacute nule jedinyacute stav s nejnižšiacute energiiacute Se
vzrůstajiacuteciacute teplotou bosony (vpravo) postupně obsazujiacute stavy s vyššiacute energiiacute [13]
Přestože tepelnyacute Casimirův jev byl teoreticky předpovězen Jevgenijem Lifšicem v roce 1955 dočkal
se sveacuteho objevu až v roce 2010 Tento uacutekol se podařilo zvlaacutednout skupině vědců na americkeacute Yaleově
univerzitě Tepelneacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole byly opět měřeny prostřednictviacutem přitažliveacute
siacutely mezi dvěma elektrodami Připravit dokonale rovinneacute paralelniacute plochy je poměrně obtiacutežneacute a proto
20
byl experiment provaacuteděn s jednou rovinnou elektrodou a druhou elektrodou ve tvaru kuloveacute plochy
Obě elektrody byly vyrobeny ze zlata s přesnostiacute 10 nm (kulovaacute elektroda) a 1 nm (rovinnaacute elektroda)
Siacutela mezi elektrodami byla měřena pomociacute torzniacuteho kyvadla kde torzniacute siacutela wolframoveacuteho draacutetku o
průměru 25 μm byla vyrovnaacutevaacutena přitažlivou silou mezi elektrodami Kapacitniacute polohovyacute senzor
sniacutemal vyacutechylku torzniacuteho kyvadla Celyacute experiment probiacutehal při teplotě 300 K [14]
Obr 48 Scheacutema zařiacutezeniacute pro měřeniacute tepelneacuteho Casimirova jevu (pohled shora) [14]
Naměřeneacute vyacutesledky byly porovnaacutevaacuteny se dvěma teoretickyacutemi modely ndash plazmovyacutem modelem a
Drudeho modelem Tyto modely popisujiacute chovaacuteniacute permitivity elektrod v zaacutevislosti na frekvenci
Naměřeneacute vyacutesledky ukazujiacute shodu s Drudeho modelem při teplotě 300 K Podle tohoto modelu tepelnaacute
přitažlivaacute siacutela roste lineaacuterně s teplotou a klesaacute s druhou mocninou vzdaacutelenosti To znamenaacute že zatiacutemco
Casimirova siacutela převlaacutedaacute na velmi malyacutech vzdaacutelenostech tepelnaacute Casimirova siacutela dominuje na
velkyacutech vzdaacutelenostech Na obraacutezku niacuteže je znaacutezorněna přitažlivaacute siacutela naacutesobenaacute druhou mocninou
vzdaacutelenosti v zaacutevislosti na vzdaacutelenosti mezi elektrodami Podle Drudeho modelu bychom měli dostat
konstantniacute zaacutevislost v miacutestech kde převlaacutedaacute siacutela způsobenaacute tepelnyacutemi fluktuacemi Z Obr 49 je
patrneacute že od vzdaacutelenosti přibližně 3 μm daacutele dostaacutevaacuteme přibližně konstantniacute zaacutevislost [14]
Obr 49 Na vzdaacutelenostech většiacutech než 3 μm dochaacuteziacute ke změně charakteru přitažliveacute siacutely Převlaacutedaacute zde
siacutela způsobenaacute tepelnyacutemi fluktuacemi zatiacutemco na menšiacutech vzdaacutelenostech se viacutece uplatňuje siacutela
pochaacutezejiacuteciacutech z kvantovyacutech fluktuaciacute vakua [14]
21
5 Magnetismus
51 Magnetickeacute pole a jeho siloveacute uacutečinky
Fakt že některeacute nerosty s obsahem železa a jeho oxidů jeviacute jisteacute vzaacutejemneacute siloveacute působeniacute vedlo
člověka k vyacutezkumu hlubšiacute podstaty tohoto fenomeacutenu Magnetismu znaacutemeacutemu již ze středověku začala
byacutet později věnovaacutena značnaacute pozornost předevšiacutem diacuteky poznatku že lze vnějšiacute magnetickeacute pole
vyvolat průchodem proudu nosičů elektrickyacutech naacutebojů elektrickyacutemi vodiči Pokusy H Ch Oersteda s
vodiči zapojenyacutemi k elektrickeacutemu zdroji vykazovali siloveacute působeniacute na magnetku kompasu později
diacuteky A M Ampeacuterovu pokusu takeacute siloveacute působeniacute mezi vodiči proteacutekanyacutemi proudem [15]
Mezi tělesy z feromagnetickyacutech laacutetek se za jistyacutech okolnostiacute projevuje vnějšiacute působeniacute vnitřniacutech
atomaacuterniacutech sil do vnějšiacuteho prostřediacute prostor v okoliacute tělesa i uvnitř něho je magneticky polarizovaacuten a
magnetickeacute předměty se navzaacutejem přitahujiacute či odpuzujiacute v zaacutevislosti na směru vektoru jejich
magnetizace Ve vzdušneacutem prostřediacute lze magnetickou propustnost definovat jako hodnotu přibližně
rovnou permeabilitě vakua
Po odhaleniacute existence magnetismu došlo časem k prudkeacutemu naacuterůstu pokusů se snahou naleacutezt praktickeacute
využitiacute tohoto jevu v lidskeacutem životě Vznik elektrickyacutech strojů prudce zrychlil rozvoj většiny odvětviacute
lidskeacuteho baacutedaacuteniacute
Magnetickeacute pole a jeho siloveacute uacutečinky jsou přiacutetomny při
a) Pohybu elektrickyacutech naacutebojů v obvodu
b) Zmagnetovaacuteniacute magnetik
Kvantitativniacute miacuterou siloveacuteho působeniacute magnetickeacuteho pole je magnetickaacute indukce B
Magnetickeacute pole o indukci 1 T působiacuteciacute na naacuteboj jednoho coulombu kteryacute se pohybuje rychlostiacute 1ms
silou 1 Newtonu jestliže je směr rychlosti naacuteboje a směru působiacuteciacute siacutely kolmyacute
Siacutelu v elektromagnetickeacutem poli působiacuteciacute na jednotkovyacute zkušebniacute naacuteboj v pohybu lze popsat
Lorenzovyacutem vztahem [15]
Ze vztahu je zřejmeacute že rychlost zkušebniacute čaacutestice nemaacute vliv na siloveacute uacutečinky elektrickeacuteho pole
V poli čistě magnetickeacutem kdy je elektrickeacute pole nuloveacute platiacute pro siacutelu vztah
(8)
(9)
22
52 Magnetickyacute moment moment hybnosti a precese momentu hybnosti
Pohybuje-li se elektron po kružnici (obiacutehaacute-li jaacutedro vlivem dostřediveacute siacutely) jsou si jeho magnetickyacute
moment μ a moment hybnosti J uacuteměrneacute Velikost momentu hybnosti elektronu je rovna hmotnosti
elektronu vynaacutesobeneacute jeho rychlostiacute a poloměrem draacutehy kterou opisuje (Obr 51)
Obr 51 Na kruhoveacute draacuteze je magnetickyacute moment μ(q2m)-naacutesobkem momentu hybnosti J[16]
Jeho směr je kolmiacute na rovinu draacutehy Vztah (10) je ne relativistickyacute je však pro atomy dobryacutem
přibliacuteženiacutem
(10)
Magnetickyacute moment tohoto pohybu lze určit jako proud kraacutet obsah plochy kruhu dle vztahu
Proud se vypočiacutetaacute jako naacuteboj kteryacute za jednotku času projde libovolnyacutem bodem draacutehy tj naacuteboj q kraacutet
frekvence kruhoveacuteho pohybu Frekvence je zase rychlost dělenaacute deacutelkou draacutehy takže platiacute
Plocha maacute obsah magnetickyacute moment je tedy možneacute vyjaacutedřit vztahem
Magnetickyacute moment a teacutež moment hybnosti J jsou kolmeacute na rovinu draacutehy Pro orbitaacutelniacute pohyb tedy
platiacute
Pro orbitaacutelniacute pohyb elektronu platiacute
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
23
Magnetismus od orbitaacutelniacuteho pohybu elektronu neniacute jedinyacute existujiacuteciacute druh magnetismu Elektron maacute i
svou vlastniacute rotaci kolem osy Důsledkem je spinovyacute moment hybnosti elektronu neboli vlastniacute
moment hybnosti Pro spinovyacute moment hybnosti se takeacute použiacutevaacute označeniacute spin Z překladu
z angličtiny jde rotace Pojem spin byl zaveden v době kdy se předpoklaacutedalo že jde o rotaci nicmeacuteně
v makrosvětě nemaacute spin analogii a člověk je nucen použiacutet idealizovanou představou rotace [16]
Poměr a je dvakraacutet tak tak velkyacute oproti orbitaacutelniacutemu pohybu elektronu proto je spinovyacute
magnetickyacute moment
Obecně je v každeacutem atomu několik elektronů a tak je celkovyacute moment hybnosti a celkovyacute magnetickyacute
moment daacuten složeniacutem jejich orbitaacutelniacutech a spinovyacutech momentů hybnosti V kvantoveacute mechanice
obecně platiacute že směr magnetickeacuteho momentu izolovaneacuteho atomu maacute opačnyacute směr než moment
hybnosti [16]
Někdy je magnetickyacute moment směsiciacute orbitaacutelniacutech a spinovyacutech přiacutespěvků jejichž vztah můžeme zapsat
Značka g je tzv Landeacuteho faktor a určeniacute jeho velikosti je předmětem kvantoveacute mechaniky
V přiacutepadě atomovyacutech jader figurujiacute naviacutec i spiny protonů a neutronů Pro jaacutedra obecně piacutešeme
Precese pohyb atomovyacutech magnetů v magnetickeacutem poli
Umiacutestěniacutem atomu do magnetickeacuteho pole je magnetickyacute moment ovlivňovaacuten momentem siacutely kteraacute se
jej snažiacute pootočit do směru pole Atomovyacute magnet je jako setrvačniacutek ndash maacute spinovyacute moment hybnosti
Moment siacutely způsobenyacute magnetickyacutem polem proto nedokaacuteže atomovyacute magnet udržet
v daneacutem směru Magnet proto bude vykonaacutevat precesniacute pohyb podobnyacute precesi mechanickeacuteho
setrvačniacuteku[16]
Rotuje-li těleso okolo osy zaznamenaacuteme u něj jistou podobnost v chovaacuteniacute s elementaacuterniacutem atomovyacutem
magnetem o momentu hybnosti
Jevy zjevneacute při rotaci tělesa lze popsat naacutesledujiacuteciacutemi tvrzeniacutemi
Pokud na rotujiacuteciacute těleso nepůsobiacute vnějšiacute siacutely zachovaacutevaacute si osu svojiacute rotace Nenulovyacute moment
siacutely působiacuteciacute na rotujiacuteciacute těleso ovlivňuje osu jeho rotace tiacutem viacutece čiacutem maacute těleso menšiacute
moment hybnosti
Když nutiacuteme rotujiacuteciacute těleso změnit osu svojiacute rotace chovaacute se tak že se snažiacute ztotožnit s osou
vynuceneacute rotace
(16)
(
) (17)
(
) (18)
24
Precese subatomaacuterniacutech čaacutestic v magnetickeacutem poli se s vyacutehodou využiacutevaacute v metodaacutech magnetickeacute
jaderneacute a elektronoveacute paramagnetickeacute rezonance
Nabiacuteziacute se otaacutezka jestli je možneacute určityacutem způsobem převeacutest siloveacute uacutečinky precesniacuteho pohybu
momentu hybnosti na mechanickyacute pohyb v nějakeacutem elektrickeacutem stroji Projevy rezonančniacutech jevů
jsou u všech typů magnetickyacutech rezonanciacute však velice slabeacute a frekvence Larmorovy precese s jakou
vektor magnetickeacuteho momentu rotuje ve vnějšiacutem poli je u elektronů ktereacute jsou přiacutečinou magnetismu
u feromagnetik až v řaacutedech GHzT Tiacutem paacutedem by musel mechanickyacute systeacutem v pracujiacuteciacute v rezonanci
s precesniacute frekvenciacute momentu hybnosti kmitat či rotovat teacutež v řaacutedech GHz nebo v jisteacutem poměru k
prvniacute harmonickeacute teacuteto frekvence
25
6 Nekonvenčniacute elektrickeacute stroje
Podle autorů elektrickyacutem motorů jsou motory založeneacute na jistyacutech principech schopny pracovat s
uacutečinnostiacute překračujiacuteciacute 100 Ve čtvrteacute kapitole hovořiacuteciacute o vakuu je popsaacuten Casimirův jev jako
důsledek narušeniacute symetrie prostorovyacutech fluktuaciacute elektromagnetickyacutech poliacute vakua mezi dvěma
kovovyacutemi deskami Vezmeme-li v uacutevahu teorii o prostoru vyplněneacutem vznikajiacuteciacutemi a zanikajiacuteciacutemi
virtuaacutelniacutemi čaacutesticemi nabiacuteziacute se otaacutezka Je možneacute zkonstruovat systeacutem kteryacute by energii projevujiacuteciacute se
jako fluktuace elektromagnetickyacutech poliacute vakua proměnil na užitečnou elektrickou či mechanickou
energii v takoveacute měřiacutetku aby byl schopnyacute napaacutejet elektrickeacute obvody sveacuteho řiacutezeniacute popř dodaacutevat
vyacutekon do vnějšiacute zaacutetěže Ze znalosti termodynamickyacutech zaacutekonů jasně vypliacutevaacute možnost využitiacute
teplotniacuteho rozdiacutelu dvou prostřediacute k ziacuteskaacuteniacute užitečneacute energie Tepelnaacute čerpadla jsou toho důkazem
Vzhledem k existenci elektromagnetickeacute energie vakua i při absolutniacute nule je možneacute tuto energii
považovat za vstupniacute energii do systeacutemu zobrazeneacuteho blokově na Obr 61
Obr 61 Blokoveacute scheacutema systeacutemu napaacutejeneacuteho energiiacute odčerpaacutevanou z okolniacuteho prostřediacute
Energie vstupuje do systeacutemu z vnějšiacuteho prostřediacute a sloužiacute pro napaacutejeniacute vnějšiacute zaacutetěže i systeacutemu
samotneacuteho
Systeacutem
Vstup energie do systeacutemu
z okolniacuteho prostřediacute
Vyacutestup využitelneacute
formy energie
Energie potřebnaacute pro řiacutezeniacute
systeacutemu se z vyacutestupu navraciacute
zpětnou vazbou
26
61 Johnsonův motor
V roce 1973 pět let po podaacuteniacute přihlaacutešky byl Howardu Johnsonovi udělen patent US 4151431 na
motor s permanentniacutemi magnety V roce 1995 pak patent US 5402021 popisujiacuteciacute magnetickyacute
pohonnyacute systeacutem založenyacute na obdobneacutem principu Oba tyto systeacutemy uacutedajně využiacutevajiacute ke konaacuteniacute praacutece
pouze siacutely permanentniacutech magnetů Ačkoli dnešniacute věda zavrhuje využitiacute vnějšiacutech projevů
subatomaacuterniacuteho pohybu čaacutestic hmoty permanentniacutech magnetů ke konaacuteniacute nepřetržiteacute praacutece v systeacutemu
Johnson uacutedajně připouštiacute že přesně neviacute odkud se energie kterou čerpaacute bere Ale domniacutevaacute se že
může miacutet souvislost s rotaciacute elektronů možnaacute dokonce souvisiacute s dosud nepojmenovanou čaacutesticiacute
V roce 1980 vyšel v dnes již zanikleacutem časopisu Science and Mechanics člaacutenek o Johnsonově motoru
popisujiacuteciacute vzaacutejemneacute interakce mezi magnety rotoru a statoru
Konstrukčniacute uspořaacutedaacuteniacute Johnsonova motoru
Obr 62 Čelniacute pohled do Johnsonova motoru Stator maacute po obvodu rozmiacutestěny tři obloukoviteacute
magnety Rotoroveacute magnety jsou vzaacutejemně odděleny vzduchovyacutemi mezerami [16]
Z Předniacuteho pohledu do motoru na Obr 62 jsou vidět tři obloukoviteacute permanentniacute magnety statoru
pravidelně rozmiacutestěneacute kolem rotoru
Obr 63 Z bočniacuteho pohledu do motoru je patrnaacute šroubovitaacute hřiacutedel kteraacute sloužiacuteciacute k zabrzděniacute stroje
[16]
27
Obr 64 Horniacute pohled na dva obloukoviteacute statoroveacute magnety navzaacutejem posunuteacute a překryacutevajiacuteciacute
magnety rotoru [16]
Obr 65 Průběhy změny indukce během změny polohy jižniacuteho a severniacuteho poacutelu magnetu statoru vůči
rotorovyacutem magnetům
Obr 66 Naznačeniacute pohybu obloukovyacutech magnetů rotoru nad statorovyacutemi magnety
Popis principu
Obr 66 ukazuje některeacute zaacutekladniacute vztahy Plneacute čaacutery představujiacute přitažliveacute siacutely přerušovaneacute čaacutery
představujiacute odpuzovaacuteniacute a dvojiteacute čaacutery v obou přiacutepadech znaacutezorňujiacute dominantniacute siacutely
Na Obr 66 je obloukově zakřivenyacute permanentniacute magnet ve třech po sobě naacutesledujiacuteciacutech polohaacutech nad
pevnyacutemi statorovyacutemi magnety Obr 66 poskytuje alespoň velmi zjednodušenyacute pohled do teorie
28
pohonu pomociacute permanentniacutech magnetů Johnson řiacutekaacute že zakřiveneacute magnety s ostryacutemi konci jsou
důležiteacute protože koncentrujiacute magnetickou energii mnohem uacutečinněji než magnety s tupyacutemi konci Tyto
obloukoviteacute magnety jsou o něco delšiacute než je deacutelka dvou magnetů statoru včetně mezery mezi nimi V
Johnsonově konstrukci jsou dlouheacute
palce
Všechny statoroveacute magnety majiacute severniacute poacutel nahoře a spočiacutevajiacute na podložce vyrobeneacute z materiaacutelu s
vysokou permeabilitou kteraacute pomaacutehaacute koncentrovat silovaacute pole Optimaacutelniacute mezera mezi konci
rotorovyacutech magnetů a statorem je kolem
palce
Když se severniacute poacutel magnetu rotoru nachaacuteziacute nad statorovyacutem magnetem je jiacutem odpuzovaacuten a je ke
statoru přitahovaacuten když prochaacuteziacute nad mezerou mezi statorovyacutemi magnety Přesně opačneacute siacutely působiacute
u jižniacuteho poacutelu rotoroveacuteho magnetu Je přitahovaacuten když prochaacuteziacute nad statorovyacutem magnetem a je
odpuzovaacuten když se nachaacuteziacute nad mezerou
Předniacute poacutel N rotoru je odpuzovaacuten severniacutemi poacutely dvou přilehlyacutech magnetů Ale v zobrazeneacute poloze
magnetu rotoru tyto dvě odpudiveacute siacutely (ktereacute zřejmě působiacute proti sobě) nejsou totožneacute většiacute z obou sil
(dvojitaacute přerušovanaacute čaacutera) překonaacutevaacute druhou siacutelu a taacutehne rotor doleva Tento pohyb vlevo je zrychlen
přitažlivou silou mezi severniacutem poacutelem rotoru a jižniacutem poacutelem v mezeře mezi statorovyacutemi magnety
Současně na druheacutem konci (S) rotoroveacuteho magnetu Deacutelka tohoto magnetu je cca
palce a je
zvolena s ohledem na velikost paacuteru statorovyacutech magnetů a mezery mezi nimi aby přiacutetažliveacute a
odpudiveacute siacutely taacutehly magnety rotoru doleva V tomto přiacutepadě je poacutel S přitahovaacuten severniacutemi poacutely
přilehlyacutech statorovyacutech magnetů ale z důvodu rozměrů rotoroveacuteho magnetu je rotor silněji tažen
doleva (dvojitaacute plnaacute čaacutera) Takeacute zde je s vyacutehodou využito siloveacute působeniacute mezi koncem rotoroveacuteho
magnetu a mezerou mezi magnety statoru V tomto přiacutepadě majiacute oba poacutely stejnou polaritu (S) proto se
vzaacutejemně odpuzujiacute
Je nutneacute dodržet spraacutevnou deacutelku magnetů rotoru Jestliže jsou buď přiacuteliš dlouheacute nebo přiacuteliš kraacutetkeacute
mohou dosaacutehnout nežaacutedouciacute rovnovaacutehy kteraacute znamenaacute konec pohybu Ciacutelem je optimalizovat
všechny siacutely tak aby bylo dosaženo maximaacutelniacute nerovnovaacutehy ale vždy stejnyacutem směrem Když se rotor
otočiacute o 180 stupňů a dostane se na opačnyacute konec draacutehy bude se chovat stejnyacutem způsobem až na to že
se v tomto přiacutekladu bude pohybovat zleva doprava Takeacute musiacuteme poznamenat že jakmile je rotor v
pohybu maacute moment kteryacute pomůže dostat rotorovyacute magnet do sfeacutery vlivu dalšiacuteho paacuteru magnetů
statoru kde ziacuteskaacute dalšiacute moment [25]
29
62 Adamsův motor generaacutetor
Podle informačniacuteho zdroje [26] byl vynaacutelez Roberta Adamse viacutece než 20 let držen v tajnosti Jeho
autorovi bylo vyhrožovaacuteno smrtiacute v přiacutepadě že bude šiacuteřit informace tyacutekajiacuteciacute se principů na nichž jeho
motorgeneraacutetor pracuje Informace byly po letech zveřejněny internetoveacutem magaziacutenu Nexus
Adams ke sveacutemu stroji vytvořil publikaci The Adams pulsed motor generator manual ve ktereacute uvaacutediacute
naacutesledujiacuteciacute obraacutezkoveacute ilustrace Autor v něm teacutež předklaacutedaacute grafy naměřenyacutech průběhů napětiacute pro
různeacute režimy stroje
Robert Adams tvrdiacute Naacuteš vesmiacuter je moře volneacute čisteacute energie A čekaacute jen na to abychom ji začali
využiacutevat
Vlastnosti a vyacutehody Adamsova motor generaacutetoru uvedeneacute Robertem Adamsem
1) Překonaacutevaacute zpětnou elektromotorickou siacutelu kteraacute je probleacutemem všech konvenčniacutech strojů
2) Střiacutedavě zapřahuje ZES tedy zanikajiacuteciacute magnetickeacute pole čiacutemž zvyšuje moment a snižuje
přiacutekon
3) V režimu motorgeneraacutetoru nevyžaduje k vyacuterobě elektrickeacuteho vyacutestupniacuteho vyacutekonu
oddělenyacute motor
4) Pro běh stroje a vyacuterobu vyacutestupniacuteho vyacutekonu využiacutevaacute jedinyacute rotor
5) Všechny poacutely rotoru majiacute stejnou polaritu
6) Statoroveacute hnaciacute vinutiacute a poacutely jsou menšiacutech rozměrů
7) Velikost vzduchoveacute mezery neniacute kritickaacute
8) Nevyžaduje chladiacuteciacute ventilaacutetor
9) Stroj nevyžaduje konstantniacute vstupniacute proud
10) Naacutevrh stroje je naacutesledujiacuteciacute
a) Energie je vede zpět do baterioveacuteho zdroje
b) Magnetickyacute zpětnyacute tah je prakticky nulovyacute
c) Teplota při plneacutem zatiacuteženiacute je polovičniacute ve srovnaacuteniacute s jakyacutemkoliv konvenčniacutem strojem
d) S ohledem na způsob mechanickeacuteho spiacutenaacuteniacute kteryacute zajišťuje zužujiacuteciacute se hvězda
kontaktniacuteho disku je možneacute měnit střiacutedu impulzů
11) V režimu vysokeacute uacutečinnosti stroj čerpaacute energii z prostoru
12) Čiacutem nižšiacute rychlostiacute se otaacutečiacute tiacutem dosahuje vyššiacute uacutečinnosti a krouticiacuteho momentu na rozdiacutel
od konvenčniacutech strojů
13) V rezonančniacutem režimu nejsou přiacutetomny jaloveacute ztraacutety a stroj vykazuje konstantniacute vyacutekon a
moment
14) Jelikož se směr energie ze zdroje neměniacute nejsou přiacutetomny ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy a
hystereziacute
15) Stroj se ve všech pracovniacutech režimech saacutem chraacuteniacute před některyacutemi nepřiacuteznivyacutemi situacemi
ktereacute v jinyacutech přiacutepadech vyžadujiacute doplňujiacuteciacute zařiacutezeniacute
16) Vysokeacute otaacutečky nejsou nutneacute čiacutemž odpadajiacute probleacutemy s nimi spojeneacute
17) Stroj je možneacute elektricky zatiacutežit a počiacutetat s naacuteslednyacutem naacuterůstem vyacutestupniacute energie od 50
přes 100 a to bez přetiacuteženiacute nebo naacuterůstu teploty nad normaacutelniacute pracovniacute teplotu
30
18) Stroj je saacutem o sobě obdivuhodně jednoduchyacute a nevyžaduje draheacute obvody pro řiacutezeniacute
rychlosti [26]
Popis zaacutekladniacute konstrukce
Adamsův motor-generaacutetor je elektrickyacute stroj s permanentniacutemi magnety radiaacutelně uloženyacutemi v rotoru
Stroj je uacutedajně možneacute zkonstruovat v různyacutech konfiguraciacutech podle toho zda požadujeme vyacutestupniacute
vyacutekon spiacuteše elektrickyacute nebo mechanickyacute
Zaacutekladniacute konfigurace stroje určenaacute pro vyacutestup elektrickeacuteho vyacutekonu ze stroje obsahuje tři druhy
statorovyacutech magnetickyacutech poacutelů vhodně rozmiacutestěnyacutech kolem rotoru s permanentniacutemi magnety
1 Permanentniacute magnety rotoru jsou všechny polarizovaacuteny ve stejneacutem směru Tok
magnetickeacute indukce všech vystupuje buď ven nebo dovnitř směrem ke hřiacutedeli
Obr 67 Magnety jsou pro zvyacutešeniacute vyacutekonu stroje uloženy v několika rotorovyacutech sekciacutech
2 Řiacutediacuteciacute poacutely jsou napaacutejeny pulzně v zaacutevislosti na poloze rotoru vůči statoru a to skrze
mechanickyacute komutaacutetor Ciacutevky jsou navinuty na jaacutedra ze kteryacutech vystupuje magnetickyacute tok
v opačneacutem směru oproti toku permanentniacutech magnetů v rotoru Rotor se pohybuje jelikož je
odpuzovaacuten těmito silovyacutemi uacutečinky
Obr 68 Pulzně buzeneacute ciacutevky
31
3 Zpětnovazebniacute poacutely jsou navinuty na magnetickyacutech jaacutedrech a jsou napaacutejeny elektrickou
energiiacute kteraacute se zpětně indukuje do elektrickeacuteho obvodu řiacutediacuteciacutech ciacutevek v důsledku prudkeacuteho
přerušeniacute dodaacutevky proudu Magnetickeacute pole v prostoru vzduchoveacute mezery a rozptylovyacutech
drahaacutech se snažiacute zaacuteniku proudu zabraacutenit čiacutemž vznikaacute prudkyacute energetickyacute skok
Obr 69 Zpětnovazebniacute ciacutevky
4 Generaacutetorickeacute poacutely generujiacute proud do připojeneacute zaacutetěže
Obr 610 Zpětnovazebniacute ciacutevky
5 Permanentniacute poacutely statoru jsou tvořeny feritovyacutemi magnety rozmiacutestěny po obvodu rotoru podle
konfigurace na Obr611a majiacute za uacutečel zvyacutešit mechanickyacute moment rotoru
32
Obr 611 Rozmiacutestěniacute permanentniacutech magnetů po obvodu statoru
Na Obr 612 je princip spiacutenaacuteniacute proudu do ciacutevek statoru řešenyacute prostřednictviacutem mechanickeacuteho
komutaacutetoru ve tvaru čtyřciacutepeacute hvězdy Při otaacutečeniacute dochaacuteziacute v jistyacutech polohaacutech ke spojeniacute kontaktů
dosedajiacuteciacutech na komutaacutetor a proud tekouciacute ciacutevkami v nich vybudiacute magnetickyacute indukčniacute tok kteryacute
svyacutemi uacutečinky odpuzuje permanentniacute magnety v rotoru Na obraacutezku je naznačen princip motoru a
způsob měřeniacute otepleniacute jaacutedra při daneacute mechanickeacute zaacutetěži Do jaacutedra je vyvrtaacuten otvor do nějž je
zasunuta teplotniacute sonda Otepleniacute jaacutedra by nemělo překročit 40 degC
Obr 612 Zaacutekladniacute konstrukce Adamsova motoru sloužiacuteciacute pro demonstraci nastaveniacute vhodneacute velikosti
proudu tekouciacuteho do vinutiacute ciacutevek při požadovaneacute mechanickeacute zaacutetěži
33
Obr 613 Vyacutekres Adamsova motor generaacutetoru s osmi permanentniacutemi magnety v rotoru
stejnosměrnyacutemi pulzniacutemi ciacutevkami a generaacutetorovyacutemi ciacutevkami navinutyacutemi na odlišnyacutech magnetickyacutech
jaacutedrech
Robert Adams ve sveacute publikaci uvaacutediacute na Obr 614 zaznamenaacuteny průběhy hodnot napětiacute na bateriiacutech
postupně připojovanyacutech na elektrickyacute vyacutestup stroje Přičemž hodnota napětiacute na vstupniacute napaacutejeciacute baterii
se měniacute jen nepatrně Na zaacutekladě těchto dat uvedenyacutech v Tab 61 Adams stanovuje uacutečinnost motor
generaacutetoru
Obr 614 Baterie na vyacutestupu jsou postupně dobiacutejeny přičemž velikost napětiacute na vstupniacute baterii se
snižuje jen nepatrně
34
Naacutesledujiacuteciacute tabulka shrnuje vyacutesledky naměřeneacute v grafu na Obr 614
Tab 61 Souhrn vyacutesledků naměřenyacutech hodnot napětiacute na vyacutestupniacutech bateriiacutech
Dokonalejšiacute konstrukce Adamsova motor generaacutetoru
Konstrukce zde popisovanaacute je realizovaacutena jako model pro měřeniacute uacutečinnosti tohoto motoru avšak
s několika podstatnyacutemi konstrukčniacutemi rozdiacutely o nichž se zmiňuji při popisu realizovaneacuteho stroje
Rotor na Obr 615 maacute 7 vyniklyacutech poacutelů rotoru a 8 statorovyacutech jader Je možneacute použiacutet i 6 jader ve
statoru při použitiacute stejneacuteho rotoru Tiacutem však dojde ke sniacuteženiacute uacutečinnost stroje Počet rotorovyacutech a
statorovyacutech poacutelů by neměl byacutet v celočiacuteselneacutem poměru
Obr 615 Konfigurace se 6 poacutely statoru a 7 poacutely rotoru Magnetizačniacute vinutiacute protějšiacutech poacutelů
statoru jsou spojena do seacuterie
Popis principu činnosti během otaacutečeniacute rotou
Na Obr 616 (a) je poacutel rotoru R1 přesně mezi statorovyacutemi poacuteli S1 a S2 a představme si že směřuje k S2
a je jiacutem přitahovaacuten až do chviacutele kdy je v pozici na obr (c) Nyniacute je zarovnaacuten s jaacutedrem statoru jehož
vinutiacutem začne proteacutekat proud kteryacute maacute takovou polaritu aby došlo k odpuzovaacuteniacute rotoroveacuteho poacutelu ze
zarovnaneacute pozice Tiacutem paacutedem je vlivem siloveacute interakce magnetickyacutech polyacute rotoru urychlovaacutem a
proud teče do statoroveacuteho vinutiacute až do chviacutele kdy je vpozici na obr (e) Nyniacute je protějšiacute statororoveacute
jaacutedro zarovnaacuteno s rotorovyacutem poacutelem
Baterie č
(vyacutestup)
Počaacutetečniacute
napětiacute
baterie
[V]
Doba běhu
stroje [h]
Konečneacute
napětiacute baterie
[V]
Naacuterůst
napětiacute
baterie oproti
počaacutetečniacute
hodnotě 102 V
[V]
Uacutečinnost []
1 102 33 1142 122 610
2 1172 15 1184 162 810
3 114 66 1201 181 905
35
Podiacutevejme se co se během toho děje na protějšiacute straně rotoru
Rotorovyacute poacutel R4 na obr (a) je praacutevě zarovnaacutem se statorovyacutem jaacutedrem S5 Tudiacutež je do vinutiacute tohoto
jaacutedra S5 přiveden proud jehož uacutečinky jsou i vtomto přiacutepadě vyvolajiacute odpuzovaacuteniacute poacutelu R4 Proud
vinutiacutem jaacutesdra S5 proteacutekaacute do chviacutele na obr(c) kdy dojde k demagnetizaci statoroveacuteho jaacutedra S2
Obr 617 Vzaacutejemeacute polohy rotoru vůči statorovyacutem poacutelům pro popis principu
Rotor je roztaacutečen těmito silovyacutemi přiacutespěvky
a) Rotorovyacute poacutel je přitahovaacuten ke statorovyacutem magnetickyacutem jaacutedrům vlivem projevu magnetickyacutech
sil permanentniacutech magnetů prostupujiacuteciacutech vzduchovou mezeru a uzaviacuterajiacuteciacutech se přes jaacutedra
statoru
b) Rotor je po zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru se statorovyacutem daacutele roztaacutečen vlivem odpudivyacutech
sil mezi poacutely rotoru a řiacutediacuteciacutemi poacutely statoru Vinutiacute řiacutediacuteciacutech poacutelů je napaacutejeno elektrickyacutemi
impulzy v zaacutevislosti na poloze rotoru vůči statoru Intenzita magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute
mezeře je nejvyššiacute při zarovnaacuteniacute poacutelů statoru a rotoru
Na Obr je pohled do vnitřniacute struktury magnetickeacuteho obvodu popisovaneacuteho stroje
12 podeacutelneacute magnetickeacute poacutely statoru s vysokou permeabilitou
13 rotoroveacute sekce s vyniklyacutemi poacutely
14 hřiacutedel
15 permanentniacute magnety uloženeacute ve středoveacutem pouzdru
16 otvor pro permanentniacute magnety
17 Disk sloužiacuteciacute jako pouzdro magnetů
Obr 618 Pohled na do struktury rotoru
36
Dalšiacutemi motory ktereacute uacutedajně pracujiacute s vysokou jsou Bediniho motor Takahasiho motor a Kawaiův
motor
63 Systeacutem pro přeměnu energie elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute na
elektrickou energii
Americkyacute patent č 5590031 podanyacute 24 července 1994 Franklinem B Meadem a Jackem
Nachamkinem popisuje zařiacutezeniacute přeměňujiacuteciacute vysokofrekvenčniacute elektromagnetickou energii
vakuovyacutech fluktuaciacute vznikajiacuteciacutech jako projev virtuaacutelniacutech čaacutestic teacutež označovanou pojmem bdquozero point
energyldquo na užitečnou elektrickou energii Pojem zero point energy neboli energie nuloveacuteho bodu byl
zaveden vzhledem k faktu že i při teplotě absolutniacute nule (0 K = -27315 degC) vakuum obsahuje energii
fluktuaciacute elektromagnetickyacute poliacute jako důsledek projevů vznikajiacuteciacutech a zanikajiacuteciacutech virtuaacutelniacutech čaacutestic
Na Obr 619 je znaacutezorněn princip zařiacutezeniacute Čiacuteslo 216 symbolizuje vysokofrekvenčniacute
elektromagnetickeacute zaacuteřeniacute Pomociacute litografickeacute technologie jsou vytvořeny dielektrickeacute struktury
(212) a (214) tvaru koule polokoule či disku Tyto struktury jsou velice maleacute a jejich velikost musiacute
byacutet v přiacutemeacutem poměru k vlnoveacute deacutelce elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute Struktury jsou připevněny na
zaacutekladoveacutem substraacutetu (236) a rozloženy do pole (238) Tyto struktury se vlivem působeniacute
elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute pohybujiacute s mnohem menšiacute frekvenciacute než jakou maacute elektromagnetickeacute
zaacuteřeniacute ktereacute jejich pohyb vyvolalo Naacutesledkem pohybu se v anteacuteně (222) indukuje elektrickaacute energie o
využitelneacute frekvenci Jednotliveacute anteacuteny mohou miacutet tvar smyčky nebo mohou byacutet dipoacuteloveacute
Indukovanyacute proud je naacutesledně veden vodiči (226) nebo vlnovodem do primaacuterniacuteho obvodu (228)
transformaacutetoru (232) Kondenzaacutetor (230) sloužiacute pro vyladěniacute rezonančniacuteho obvodu V sekundaacuterniacutem
obvodu je střiacutedavyacute proud usměrněn diodou (234)[17]
Obr 619 Scheacutema zařiacutezeniacute pro přeměnu vysokofrekvenčniacute elektromagnetickeacute energie na využitelnou
formu elektrickeacute energie [14]
37
7 Feromagnetickeacute materiaacutely
Tvar hysterezniacute smyčky magnetickeacuteho materiaacutelu zaacutevisiacute na chemickeacutem složeniacute feromagnetika a na jeho
tepelneacutem zpracovaacuteniacute Z analogie s mechanickou tvrdostiacute rozlišujeme magneticky měkkaacute
feromagnetika kteraacute dobře vedou magnetickyacute tok a tvrdaacute feromagnetika z nichž se vyraacutebiacute
permanentniacute magnety Na Obr71 je naacutezorneacute rozděleniacute magneticky měkkyacutech polotvrdyacutech a tvrdyacutech
materiaacutelů
Obr 71 Rozděleniacute magnetickyacutech materiaacutelů na měkkeacute polotvrdeacute a tvrdeacute
71 Magneticky měkkaacute feromagnetika
Pro vedeneacute magnetickeacuteho toku v magnetickeacutem obvodu motoru je využito měkkyacutech feromagnetik jež
se vyznačujiacute strmou magnetizačniacute křivkou a uacutezkou hysterezniacute smyčkou Majiacute vysokou počaacutetečniacute
a maximaacutelniacute permeabilitu a malou koercivitu Hclt103
Am Často lze hysterezi zanedbat a je možneacute
uvažovat pouze s magnetizačniacute křivkou1
Na trhu s magnetickyacutemi materiaacutely figuruje řada vyacuterobců a distributorů Naacutesledujiacuteciacute z nich jsem
oslovil s prosbou o poskytnutiacute vzorků magnetickyacutech jader pro měřeniacute magnetickyacutech vlastnostiacute
1 aplik
38
711 Vyacuterobci měkkyacutech feromagnetickyacutech materiaacutelů
a) Firma Therma FM
Firma Therma FM vyraacutebiacute magnetickeacute obvody z anizotropniacutech plechů a nabiacuteziacute i izotropniacute
dynamoplechy Materiaacutely pro vyacuterobu jader firma odebiacuteraacute od společnosti ThyssenKrupp
Jaacutedra pro jednofaacutezoveacute transformaacutetory jsem použil jako statoroveacute jaacutedra realizovaneacuteho motoru
Při vyacuterobě naviacutejeno na obdeacutelniacutekoveacute kopyto o rozměrech odpoviacutedajiacuteciacutech požadovaneacute velikosti okna pro
primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Jaacutedro je po navinutiacute z transformaacutetoroveacuteho plechu rozřiacuteznuto na dvě
poloviny jedna z nich je na Obr Xx Po rozřiacuteznutiacute jaacutedra je možneacute nasunout vinutiacute
Obr 72 Fotografie jedneacute poloviny jaacutedra pro jednofaacutezoveacute transformaacutetory
Magnetickeacute vlastnosti jaacutedra vyrobeneacuteho z materiaacutelu M150-30S jsou uvedeny v Tab71
Tab 71 Magnetickeacute vlastnosti jaacutedra stanoveneacute normou EN 10107
Norma Tloušťka
Max ztraacuteta v
jaacutedře při 15 T
[Wkg]
Maximaacutelniacute ztraacuteta
v jaacutedře při 17 T
[Wkg]
Min
J800
Nejmenšiacute
činitel
plněniacute
Typ
EN 10107 mm 50 Hz 50 Hz 60 Hz T PowerCore
M 150-30 S 030 097 150 197 175 0955 C 150-30
Magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelů jakosti M150-30S a M600-50 na Obrxx jsou zrekonstruovaneacute
podle z katalogovyacutech křivek vyacuterobce Thyssen Krupp
39
Obr 73 B-H charakteristiky jader z orientovanyacutech (M150-30S) trafoplechů a
neorientovanyacutechdynamoplechů M600-50
0
05
1
15
2
25
0 250 500 750 1 000 1 250 1 500 1 750 2 000
B [T]
H [Am]
Magnetizačniacute charakteristiky
M150-30S
M600-50
40
b) Firma Vacuumschmelze (VAC)
Tento německyacute vyacuterobce poskytnul dva vzorky toroidniacutech jader s nanokrystalickou strukturou Materiaacutel
je prodaacutevaacuten pod obchodniacutem naacutezvem Vitroperm 500F a vynikaacute velice uacutezkou hysterezniacute smyčkou
vysokou hodnotou magnetickeacute indukce při maleacute koercivitě Zaacutekladniacute složkou Vitropermu je Fe
s přiacuteměsemi Si B Nb a Cu
Tab 72 Magnetickeacute vlastnosti Vitropermu 500F uvedeneacute v katalogu vyacuterobce
Saturačniacute
indukce
Statickaacute
koercivita
Přibližnaacute
rezistivita
Curieho
teplota Permebilita
Měrneacute ztraacutety
(100kHz 03T)
Bs [T] Hc [Am] φ [μΩcm] tc[degC] μi PFe [Wkg]
12 lt3 115 gt600 15000hellip150000 80
Na Obr Xx jsou vyacuterobcem uvedeneacute magnetizačniacute charakteristiky Vitropermu 500F a 250F
v porovnaacuteniacute s typickou charakteristikou feritu
Obr 74 Jaacutedra z Vitropermu 500F dosahujiacute oproti běžneacutemu feritu mnohem vyššiacute magnetickeacute indukce
Je zřejmeacute že cena Vitropermovyacutech jader je oproti feritovyacutem mnohem většiacute a to diacuteky naacuteročneacutemu
vyacuterobniacutemu procesu
Společnost VAC ve sveacutem sortimentu nabiacuteziacute jaacutedra s amorfniacute strukturou s obchodniacutem naacutezvem Vitrovac
Vyraacutebiacute se metodou rychleacuteho tuhnutiacute kdy se na studenyacute buben otaacutečejiacuteciacute se rychlostiacute 100kmh vleacutevaacute
skrze keramickou trysku směs materiaacutelů roztavenaacute na teplotu okolo 1300degC a prudce se ochlazuje
(1000000 Ks) na meacuteně než 400degC v 1ms Tiacutem vznikaacute paacuteska tloušťky 20 μm s amorfniacute strukturou
Na Obr 77 je pro představu vyobrazenaacute krystalickaacute amorfniacute a nanokrystalickaacute struktura materiaacutelu
41
Obr 75 Detail na krystalickou strukturu (vlevo) amorfniacute a nanokrystalickou strukturu (vpravo)
Mezi dalšiacute materiaacutely ktereacute VAC nabiacuteziacute patřiacute materiaacutely pro elektrickeacute stroje a zařiacutezeniacute kde je
požadovaacutena vysokaacute hodnota indukce Tyto materiaacutely jsou znaacutemi pod obchodniacutemi naacutezvy Ultraperm
Vacoperm Mumetall Permax Permenorm Megaperm Trafoperm Vacoflux Vacofer a Vacodur
Pro srovnaacuteniacute jsou na Obrxx magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelů Vacoflux 50 Vacoflux 17 a Fe a
Fe 3 přiacuteměsiacute Si
Obr 76 Statickeacute magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelu Vacoflux 50 a Vcoflux 17 dosahuiacute vyšiacute
hodnoty magnetickeacute indukce nasyceniacute než běžnaacute křemiacutekovaacute ocel s obsahem 3 křemiacuteku a Fe 999
42
c) Firma Magnetics
Společnost Magnetics vyraacutebiacute jaacutedra lisovaacuteniacutem prachovyacutech přiacuteměsiacute se zaacutekladniacute složkou Na trhu jsou
znaacutemy pod označeniacutem High Flux MPP (Magnetics Molypermalloy Powder) Kool Mμ a Xflux
1 Jaacutedra High Flux jsou složena ze 79 Ni 17 Fe a 4 Mo Majiacute nejnižšiacute měrneacute ztraacutety ze
všech prchovyacutech jader
2 Jaacutedra MMP obsahujiacute 81 NI 17 Fe a 2 Mo Majiacute vynikajiacuteciacute vlastnosti jakyacutemi jsou
vysokaacute rezistivita niacutezkeacute hysterezniacute ztraacutety a ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy Z všch jader majiacute největšiacute
permeabilitu tiacutem paacutedem i vyššiacute hodnotu saturace
3 Jaacutedra Kool Mμ jsou vyrobena lisovaacuteniacutem prachu železnyacutech slitin a vykazujiacute nejmenšiacute
magnetostrikci
4 Jaacutedra XFlux obsahujiacute prach Fe s přiacuteměsiacute 65 Si Jsou vhodnaacute pro niacutezkofrekvenčniacute a
středofrekvenčniacute tlumivky
Tab 73 Magnetickeacute vlastnosti jader společnosti Magnetics katalogu vyacuterobce
Materiaacutel High Flux MMP Kool Mμ XFlux
Permeabilita 14-160 14-555 26-125 60
(Bs) [T] 15 075 105 16
Jaacutedra žeelezoprachovaacute byacutevajiacute teacutež označovanaacute jako železovaacute jaacutedra a jsou vyraacuteběna lisovaacuteniacutem
izolovaneacuteho praacutešku z magneticky měkkeacuteho materiaacutelu s niacutezkou koercitivniacute silou a vysokou
permeabilitou V současneacute době z tohoto materiaacutelu vyraacutebějiacute jaacutedra kromě firmy Magnetics jen někteřiacute
vyacuterobci a to předevšiacutem vaacutelcovaacute ladiacuteciacute jaacutedra pro laděniacute feritovyacutech hrniacutečkovyacutech jader a kruhovaacute jaacutedra
pro odrušovaciacute ciacutevky a filtračniacute tlumivky měničů napětiacute Zvyšovaacuteniacute objemu izolačniacute laacutetky vede ke
snižovaacuteniacute permeability jader a změně teplotniacute zaacutevislosti samotneacuteho magnetickeacuteho materiaacutelu jaacutedra a
roztažnostiacute jeho jednotlivyacutech složek Volbou směsi magnetickyacutech prachů je možneacute předem definovat
teplotniacute činitel permeability kteryacute může nabyacutevat klasnyacutech zaacutepornyacutech popř i nulovyacutech hodnot
Průmyslově se vyraacutebějiacute jaacutedra z jemnyacutech magnetickyacutech prachů s odstupňovanou permeabilitou
v rozsahu = 7 až 550 Jaacutedra toroidniacute s permeabilitou 7 až 150 se použiacutevajiacute v laděnyacutech obvodech
filtrů pro odrušovaciacute tlumivky jaacutedra s permeabilitou 90 až 550 v napaacutejeciacutech spiacutenaciacutech zdrojiacutech
Vysokeacute permeability je dosaženo materiaacutelovyacutem složeniacute magnetickyacutech prachů a změnou velikosti zrn
Čiacutem většiacute jsou prachovaacute zrna tiacutem vyššiacute je permeabilita diacuteky zvyacutešeniacute poměru magnetickeacuteho materiaacutelu
vůči izolačniacute laacutetce
43
72 Magneticky tvrdaacute feromagnetika
Magneticky tvrdeacute feromagnetickeacute materiaacutely majiacute magnetizačniacute křivku s malou strmostiacute a širokou
hysterezniacute smyčku Vykazujiacute poměrně malou permeabilitu a velkou koercivitu Hclt25middot103
Am
Použiacutevajiacute se pro permanentniacute magnety Vyacutevoj v oblasti těchto materiaacutelů nechal vzniknout celeacute řadě
magnetů odlišujiacuteciacutemi se magnetickyacutemi vlastnostmi konduktivitou mechanickyacutemi vlastnostmi a
ekonomickyacutemi parametry Tvrdaacute feromagnetika lze rozdělit naacutesledovně
a) Uhliacutekoveacute oceli ndash s obsahem 15 uhliacuteku Daacutele byly zdokonaleny legovaacuteniacutem wolframem
chromem a kobaltem a zakaleniacutem na martenzitickou strukturu Naacutesledně byly vyrobeny
mnohem vyacutehodnějšiacute slitiny železa niklu a hliniacuteku (Al-Ni) přiacutepadně kobaltu (Al-Ni-Co)
mědi či titanu Nevyacutehodou slitin Al-Ni a Al-Ni-Co je značnaacute mechanickaacute tvrdost křehkost a
tiacutem paacutedem i obtiacutežnaacute opracovatelnost
b) Tvrdeacute ferity ndash např barioveacute (BaFe12O19) nebo stroncioveacute (SrFe12O19) ferity s obsahem
přibližně 80 železa a asi 20 oxidu baria BaO nebo stroncia SrO Mohou byacutet izotropniacute a
anizotropniacute Niacutezkaacute cena a spolehlivost předurčuje tyto materiaacutely pro užitiacute v automatizačniacute
řiacutediacuteciacute a měřiciacute technice
c) Magnety ze vzaacutecnyacutech zemin ndash složeniacute na baacutezi samarium-kobalt (SmCo5 a Sm2Co17) nebo na
baacutezi neodym-železo-boacuter (Nd2Fe14B) Vyraacutebiacute se procesy praacuteškoveacute metalurgie lisovaacuteniacutem
v magnetickeacutem poli s naacuteslednyacutem speacutekaacuteniacutem Patřiacute k nejvyacutekonnějšiacutem permanentniacutem
magnetům Použiacutevajiacute se v silnoproudeacute počiacutetačoveacute a řiacutediacuteciacute technice a u elektroakustickyacutech
zařiacutezeniacute
d) Plastoveacute magnety ndash jsou vyraacuteběny ve formě plastoveacute nemagnetickeacute matrice v niacutež je plnidlem
jemnyacute praacutešek z vhodnyacutech slitin (alni alnico tvrdeacute ferity či materiaacutely na baacutezi vzaacutecnyacutech zemin)
Mohou byacutet izotropniacute nebo anizotropniacute Vyraacutebiacute se lisovaacuteniacutem nebo slinovaacuteniacutem při vysokeacute
teplotě do libovolneacuteho tvaru Použiacutevajiacute se v slaboproudeacute technice
Obr 77 Srovnaacuteniacute demagnetizačniacutech charakteristik permanentniacutech magnetů
44
73 Měřeniacute hysterezniacutech charakteristik vzorků magnetickyacutech jader
Pro měřeniacute hysterezniacutech charakteristik byl použit systeacutem Remacomp-C2
Přiacuteprava vzorků magnetickyacutech jader pro měřeniacute na systeacutemu Remacom-C2
Na jaacutedra bylo před měřeniacutem navinuto primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Mezi primaacuterniacutem a sekundaacuterniacutem
vinutiacute byl proveden izolačniacute proklad lepiciacute paacuteskou Průměr vodiče a počet zaacutevitů v primaacuterniacutem (N1) a
sekundaacuterniacutem (N2) vinutiacute je uveden v Tab Na Obr jsou již vzorky připraveny pro měřeniacute
Tab 74 Bližšiacute specifikace rozměrů počet zaacutevitů vinutiacute a průměr vodičů
Vyacuterobce Therma FM Vacuumschmelze Magnetics
Jaacutedro C150-30S Vitroperm 500F KoolMμ
Tvar Obdeacutelniacutekoveacute Toroid Toroid
Vnějšiacute průměr [mm] 64x36 323 274
Vnitřniacute průměr mm] 55x16 178 145
Vyacuteška mm] 13 122 117
N2 [z] 47 53 41
N2 [z] 47 53 41
Průměr vodiče [mm] 075 05 05
Měřeniacute je provedeno při frekvenciacutech 50Hz a 300Hz a maximaacutelniacute intenzitě 250 Am u jader
M150-30S a Vitropermu 500F Materiaacutel KoolMμ byl měřen při maximaacutelniacute intenzitě 5950 Am
z důvodů zachyceniacute maximaacutelniacute hodnoty indukce tohoto jaacutedra Na Obr71 až 715 jsou pro
srovnaacuteniacute hysterezniacute uvedeny charakteristiky měřenyacutech materiaacutelů
Obr 78 Vzorky jader připraveneacute na měřeniacute hysterezniacutech charakteristik Vlevo M150-30S uprostřed
Vitroperm 500F a vpravo KoolMμ
45
Obr 79 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
Obr 710 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=250 Am Bmax=157 T
Obr 711 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=250 Am Bmax=153 T
Při frekvenci 300Hz došlo k nepatrneacutemu sniacuteženiacute hodnoty Bmax oproti 50 Hz Intenzita Hc se
ztrojnaacutesobila
Remacomp-C2 nebyl schopen naměřit hysterezniacute smyčku Vitropermu 500F na Obr zcela bezchybně
46
Obr 712 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z Vitropermu 500F měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=279 Am při 50Hz vykazuje odskoky od skutečneacuteho průběhu
Obr 713 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z Vitropermu 500F měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě
intenzity magnetickeacuteho pole Hmax=279 Am při 300 Hz takeacute vykazuje odskoky od skutečneacuteho průběhu
Při změně frekvence z 50 Hz na 300Hz došlo k naacuterůstu koercitivity o pohyacutech 07 Am Materiaacutel
vykazuje velice malou hodnotu remanentniacute indukce pro obě frekvence
47
Obr 714 Hysterezniacute smyčka jaacutedra Kool Mμ změřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity magnetickeacuteho
pole Hmax=5950 Am při 50 Hz
Obr 715 Hysterezniacute smyčka jaacutedra Kool Mμ změřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity magnetickeacuteho
pole Hmax=5950 Am při 300 Hz
48
731 Vyhodnoceniacute naměřenyacutech vyacutesledků
Nejvyššiacute hodnoty indukce dosahujiacute jaacutedra z plechů M150-30S Koercitivniacute intenzita se u jaacutedra z plechů
M150-30S stejně jako u matriaacutelu KoolMμ při změně frekvence z 50 Hz na 300 Hz ztrojnaacutesobila
Niacutezkaacute cena jader KoolMμ je z hlediska naměřenyacutech veličin odpoviacutedajiacuteciacute Jaacutedra Kool Mμ vykazujiacute
amplitudovou permeabilitu μa pouze 77 Vyacuterobce uvaacutediacute hodnotu μa=125
Nejnižšiacute koercitivniacute intenzita byla naměřena u materiaacutelu Vitroperm 500F Měřeniacute magnetickeacuteho jaacutedra
Vitropermu 500F při 50 Hz prokaacutezalo velice niacutezkou koercitivniacute intenzitu Hc= 1Am kteraacute odpoviacutedaacute
uacutedajům z katalogoveacuteho listu Tento špičkovyacute materiaacutel se použiacutevaacute pro sveacute charakteristickeacute vlastnosti
pro jednofaacutezoveacute a trojfaacutezoveacute magnetickeacute obvody ve spiacutenanyacutech napaacutejeciacutech zdrojiacutech frekvenčniacutech
měničiacutech ale i pro běžneacute tlumivky Struktura tohoto materiaacutelu je velice křehkaacute neboť je navinuta
z 20 μm tenkyacutech vrstev Diacuteky tomu neniacute vhodneacute tato jaacutedra dělit řezaacuteniacutem
49
8 Realizovanyacute Adamsův motor
81 Virtuaacutelniacute model Adamsova motor generaacutetoru a jeho praktickaacute
realizace
Model motoru je vytvořen v programu SolidWorks SolidWorks je mocnyacutem naacutestrojem konstrukteacutera a
nabiacuteziacute snadnou optimalizaci modelu
Po vytvořeniacute jednotlivyacutech diacutelů je možneacute tyto diacutely pomociacute vazeb navzaacutejem svaacutezat a tiacutem daacutet okamžitou
představu o chovaacuteniacute modelu
Při naacutevrhu Adamsova motoru jsem vychaacutezel předevšiacutem z rozměrů magnetickyacutech jader statoroveacute čaacutesti
stroje
811 Stator
a) Jako nosnaacute konstrukce pro jaacutedra statoru uloženiacute ložisek uchyceniacute desky plošnyacutech spojů
optickyacutech senzorů sloužiacute dvě tabule z plexiskla tloušťky 8 mm ktereacute tvořiacute nosnou konstrukci
neboť jsou po obvodu vzaacutejemně spojeny šesti zaacutevitovyacutemi tyčemi o průměru 5 mm Na Obr je
zadniacute nosnaacute tabule plexiskla
Obr 81 Zadniacute nosnaacute deska z plexiskla
Otvor průměru 26 mm nachaacutezejiacuteciacute se uprostřed sloužiacute pro uloženiacute kuličkoveacuteho ložiska Skrze
otvory průměru 51 mm po jeho obvodu prochaacuteziacute šrouby pro přichyceniacute krytů ložiska
Naacutesledujiacute otvory určeneacute pro upevněniacute optickyacutech čidel dřevěneacuteho krytu pro zakrytiacute vodičů
připojenyacutech k vinutiacutem a optickyacutem senzorům Skrze podlouhleacute draacutežky jsou šrouby přitaženy
dřevěneacute držaacuteky statorovyacutech jader Vzhledem ke tvaru draacutežky je zajištěna možnost jejich
50
polohovaacuteniacute vzhledem k rotoru Volnyacute prostor na praveacute straně je určen pro upevněniacute desky
plošnyacutech spojů s elektronickyacutemi součaacutestkami
b) Nosneacute držaacuteky pro jaacutedra statoru jsou použity dřevěneacute špaliacuteky do kteryacutech jsou jaacutedra vlepena
epoxidovou pryskyřiciacute
c) Optočleny TCST 2103 jsou přitaženy k jejich dutyacutem dřevěnyacutem držaacutekům imbusovyacutemi šrouby
průměru 3 mm Skrze dřevěneacute držaacuteky jsou kolmo na směr vyacutevodů optočlenu vyvrtaacuteny otvory
pro zaacutevitoveacute tyče jež spolu s našroubenyacutemi matkami přitahujiacute držaacutek s čidlem jedneacute k zadniacute
desce plexiskla statoroveacute čaacutesti stroje Jistaacute uacuteroveň dotaženiacute matce dovoluje držaacutek s čidlem
nataacutečet a měnit tak okamžik sepnutiacute optočlenu
Obr 82 Optočlen TCST 2103 připevněnyacute k dřevěneacutemu držaacuteku
d) Stejnou vzdaacutelenost mezi dvěma plexiskly statoru zajišťujiacute distančniacute trubice skrze ktereacute
prochaacuteziacute zmiacuteněneacute zaacutevitoveacute tyče spojujiacuteciacute obě zaacutekladoveacute tabule plexiskla Tyto trubice jsou
vyrobeny z kostry stojanu pro sušeniacute praacutedla Z estetickyacutech důvodů je na nich navlečena a
zatavena teplem smršťovaciacute bužiacuterka
Postup vytvořeniacute ciacutevky v SolidWorksu
1 V předniacute rovině skici na Obr je pomociacute os X a Y vytvořen souřadnicovyacute systeacutem potřebnyacute pro
tvorbu zaacutekladniacutech vazeb využityacutech při ryacutesovaacuteniacute
2 Čelniacute pohled na jeden poacutel magnetickeacuteho jaacutedra ve statoru na ktereacute maacute byacutet umiacutestěna jedna
budiacuteciacutech ciacutevek je vytvořen z konstrukčniacutech přiacutemek a okoacutetovaacuten rozměry 13 mm x 11 mm
3 Vnitřniacute rozměry ciacutevky jsou z čelniacuteho pohledu oproti jaacutedru na každeacute straně zvětšeny o 05 mm
tedy o tloušťku foacutelie jež tvořiacute kostřičku ciacutevky a malou vzduchovou mezeru umožňujiacuteciacute volneacute
nasunutiacute ciacutevky na magnetickeacute jaacutedro
4 Poloměr zaobleniacute vnitřniacute čaacutesti kostry ciacutevky je 08 mm
51
Obr 81 Skica naacutevrhu diacutelu
5 Vnějšiacute rozměry ciacutevky jsou daacuteny počtem vrstev zaacutevitů a celkovyacutem činitelem plněniacute ciacutevky
Deset vrstev zaacutevitů vodičem 03 mm spolu s izolačniacute a nosnou kostrou ciacutevky vytvořiacute 4 mm
vysokou vrstvu zaacutevitů v roziacutech zaoblenou se stejně velkyacutem poloměrem 4mm Vnějšiacute a vnitřniacute
zaobleniacute rohů je od rovnyacutech segmentů skici odděleno uacutesečkami čiacutemž je skica dokončena
6 Využitiacutem funkce přidaacuteniacute vytaženiacutem a jejiacute aplikaciacute na jednotliveacute segmenty skici je ciacutevka
symetricky vytažena do prostoru na deacutelku 19 mm Zamiacutetnutiacutem funkce sloučit vyacutesledky při
vytaženiacute jsou všechny segmenty ciacutevky vytvořeny jako samostatneacute objekty čiacutemž odpadaacute
děleniacute modelu v Ansysu
Obr 82 Model ciacutevky
Magnetickaacute jaacutedra použitaacute ve statoru jsou původně určena pro jednofaacutezoveacute jaacutedroveacute transformaacutetory
Jaacutedro transformaacutetoru je při vyacuterobě naviacutejeno na obdeacutelniacutekoveacute kopyto o rozměrech odpoviacutedajiacuteciacutech
požadovaneacute velikosti okna pro primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Jaacutedro je po navinutiacute
z transformaacutetoroveacuteho plechu rozřiacuteznuto na dvě poloviny jak je zřejmeacute z Obr xx čiacutemž je možneacute do
magnetickeacuteho obvodu nasunout primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute
V našem přiacutepadě je pro každeacute magnetickeacute jaacutedro statoru použita pouze jedna polovina zmiacuteněneacuteho
transformaacutetoroveacuteho jaacutedra Okno statoroveacuteho jaacutedra určeneacute pro umiacutestěniacute obou vinutiacute statoru maacute pouze
polovičniacute deacutelku oproti transformaacutetoru a na straně řezu je otevřeno
52
Obr 83 Pohled na uloženiacute vinutiacute
Obě budiacuteciacute ciacutevky jsou nasunuteacute na jednom jaacutedru statoru a jsou totožneacute tj majiacute stejnyacute počet zaacutevitů
vinutyacutech vodičem o stejneacutem průřezu Jsou spojena do seacuterie a spolu s magnetickyacutem jaacutedrem tvořiacute jeden
z osmi statorovyacutech magnetickyacutech obvodů
Na Obr Xx je bližšiacute pohled na rozloženiacute vodičů v průřezu ciacutevkou Každaacute vrstva zaacutevitů ciacutevky obsahuje
63 zaacutevitů v deseti vrstvaacutech
Obr 84 Rozloženiacute zaacutevitů
Počet zaacutevitů v jedneacute ciacutevce je daacuten naacutesobkem počtu zaacutevitů v jedneacute vrstvě a množstviacute vrstev tedy
63x10= 630 zaacutevitů Jelikož jsou obě ciacutevky na magnetickeacutem jaacutedru spojeny do seacuterie celkovyacute počet
zaacutevitů je dvojnaacutesobnyacute tedy 1260 zaacutevitů Protože statorovaacute jaacutedra odděluje od rotoru vzduchovaacute mezera
05 mm jsou obě vinutiacute od konce jaacutedra umiacutestěny ve vzdaacutelenosti 2 mm pro zajištěniacute bezpečneacute
vzdaacutelenosti od otaacutečejiacuteciacuteho se rotoru Naacutesledkem toho se do jedneacute vrstvy ciacutevky vleze menšiacute počet
zaacutevitů bliacuteže zpraženyacutech s magnetickyacutem tokem v jaacutedru
Počet vrstev obou vinutiacute je teacutež omezen a to jednak velikostiacute okna a mezerou 5 mm mezi oběma
vinutiacutemi Tato mezera zajišťuje možnost volneacuteho nasunutiacute vinutiacute na magnetickeacute jaacutedro a umožňuje
lepšiacute odvod tepla do okoliacute
53
Pro dosaženiacute konstantniacute vzduchoveacute mezery mezi vyniklyacutemi poacutely rotoru a jaacutedry ve statoru jsou konce
statorovyacutech jader zbroušeny na poloměr bliacutezkyacute poloměru plechů v rotoru
Kostřička ciacutevky
Pro vyacuterobu kostřiček ciacutevek posloužila plastovaacute folie určenaacute pro krytiacute předniacute strany dokumentu
svaacutezaneacuteho v kroužkoveacute vazbě Po vyřezaacuteniacute a ohnutiacute do požadovaneacuteho tvaru byla a slepena
oboustrannou lepiciacute paacuteskou
Obr 83 Kostřička ciacutevky vyrobenaacute z plastoveacute folie
Naviacutejeniacute ciacutevek
Pro naviacutejeniacute ciacutevek se realizovalo ručniacute naviacuteječkou s mechanickyacutem počiacutetadlem Na Obr84 je vidět že
obě ciacutevky jsou navinuty nepřerušenyacutem vodičem Obě ciacutevky majiacute 630 zaacutevitů
Obr 84 Pro zpevněniacute čel ciacutevek během naviacutejeniacute na plastovou kostřičku posloužily 5mm širokeacute destičky
z pertinaxu Draacutežky v nich vybroušeneacute umožnily zachyceniacute vyacutestupniacuteho vodiče ciacutevky pod navlečenou
gumičku Levaacute destička pertinaxu je odniacutematelnaacute po uvolněniacute dotaženeacuteho šroubu
Hotovaacute ciacutevka navinutaacute na kostřičce z plastoveacute folie je na Obr Po navinutiacute ciacutevky se čela kostřičky
(plastoveacute folie) zahnula přes horniacute vrstvu zaacutevitů a navzaacutejem slepila sekundovyacutem lepidlem
Obr 85 Pohled na ciacutevku zpevněnou kostřičkou z plastoveacute folie
54
Statoroveacute jaacutedro s ciacutevkami
Na každeacute z osmi statorovyacutech jader jsou nasunuty dvě seacuteriově spojeneacute ciacutevky Pro pevneacute zachyceniacute obou
vinutiacute je použit pružnyacute tmel
Obr 86 Pohled na statoroveacute jaacutedro s nasunutyacutem vinutiacutem
Uchyceniacute statorovyacutech jader
Statorovaacute jaacutedra jsou pevně zalepena epoxidovou plyskyřiciacute do dřevěnyacutech sloupků Po obou stranaacutech
sloupku jsou vyvrtaacuteny otvory v nižchž jsou vyřezaacuteny zaacutevity pro šrouby Dotaženiacutem šroubu jsou
sloupky s jaacutedry pevně uchyceny v deskaacutech z plexiskla
Obr 87 Pohled na jaacutedro zalepeneacute v dřevěneacutem držaacuteku
55
812 Rotor
Průměr rotoru a jeho konstrukčniacute řešeniacute je navrženo s ohledem na rozměry jader ve statoru a velkou
hmotnost dynamoplechů
e) Z velikosti okna pro primaacuterniacute vinutiacute je odvozena potřebnaacute vyacuteška permanentniacutech magnetů a
počet vrstev dynamoplechů v rotoru
f) Rozměry hřiacutedele jsou voleny s ohledem na použitaacute kuličkovaacute ložiska o vnitřniacutem průměru 10
mm a hmotnost rotorovyacutech plechů a je počiacutetaacuteno s jistou rezervou v přiacutepadě působeniacute vyššiacutech
momentů setrvačnosti celeacuteho rotoru Hřiacutedel a středoveacute přiacuteruby zajišťujiacute pevneacute přichyceniacute
středoveacuteho pouzdra permanentniacutech magnetů jelikož jsou vzaacutejemně spojeny čtyřmi šrouby
Hřiacutedel a středoveacute přiacuteruby jsou vysoustruženy z mosazi
Obr 88 Hřiacutedel je vysoustruženaacute z mosazneacute kulatiny
Na Obr je pohled na celkovou sestavu rotoru a statorovaacute jaacutedra Ke hřiacutedeli jsou přiacuteruby připevněny
ve čtyřech miacutestech
Obr 89 Pohled na rotor a jaacutedra statoru opatřenaacute vinutiacutem
g) Přiacuteruby pro uchyceniacute středoveacuteho pouzdra rotoru v němž jsou uloženy magnety jsou
vysoustruženy z mosazi stejně tak i přiacuteruba pro komutačniacute disk Přiacuteruby jsou ke hřiacutedeli pevně
dotaženy imbusovyacutemi šrouby
56
Obr 810 Jedna přiacuterub pro upevněniacute středoveacuteho pouzdra magnetů ke hřiacutedeli
h) Středoveacute pouzdro nesouciacute dynamoplechy a magnety je složeno z třiacute vrstev plexiskla tloušťky
2x4 mm + 1x5 mm Maacute tedy tloušťku 13 mm stejně jako vnitřniacute rozměr okna jaacutedra statoru
Přiacuteruby navlečeneacute na hřiacutedeli z obou stran stahujiacute plexiskla středoveacuteho pouzdra čiacutemž je pevně
spojujiacute s hřiacutedeliacute
Obr 811 Středoveacute pouzdro permanentniacutech magnetů
i) Dynamoplechy jsou po obou stranaacutech středoveacuteho pouzdra navrstveny na požadovanou vyacutešku
11 mm což odpoviacutedaacute přiacuteslušneacutemu rozměru jaacutedra v jeho řezu Při tloušťce dynamoplechu 05
mm je na obou stranaacutech pouzdra 22 vrstev dynamoplechu Jak dynamoplechy tak i středoveacute
pouzdro v sobě majiacute vyřezaacuteny otvory pro zaacutevitoveacute tyče a diacuteky matkaacutem dotaženyacutem po obou
stranaacutech rotoru spojujiacute navzaacutejem tyto čaacutesti s hřiacutedeliacute
Obr 812 Jedna sekce rotoru je složenaacute z 22 vrstev dynamoplechů
j) K dobreacutemu staženiacute dynamoplechů nejen v miacutestech kde k nim ze stran přileacutehajiacute matky
přispiacutevajiacute kryciacute kotouče z plexiskla na Obr813
57
Obr 813 Otvorem uprostřed kryciacuteho kotouče prochaacuteziacute hřiacutedel a je možneacute se diacuteky němu dostat na
šrouby připevňujiacuteciacute přiacuteruby rotoru pevně k řčiacutedeli
Vyacuteroba vyniklyacutech poacutelů rotoru
Rotoroveacute plechy jsou do požadovaneacuteho tvaru na Obr814 vyřezaacuteny pomociacute vodniacute pily Tryska
zařiacutezeniacute žene proud vodniacuteho paprsku spolu s abrazivem kolmo na řezanyacute objekt
Obr 814 Skica rotorovyacutech plechů s vyznačenyacutemi miacutesty pro umiacutestěniacute permanentniacutech magnetů
Na Obrxx zachycena vodniacute pila během vyřezaacutevaacuteniacute požadovaneacuteho tvaru rotoru do tabule
dynamoplechu o rozměrech 1x1metr
58
Obr 815 Sniacutemek pořiacutezenyacute během řezaacuteniacute dynamoplechu vodniacutem paprskem s abrazivem
Magnetickaacute čaacutest obvodu obvod rotoru se sklaacutedaacute ze dvou sekciacute mezi nimiž jsou umiacutestěny permanentniacute
magnety ktereacute sloužiacute jako zdroj magnetickeacuteho pole Každaacute sekce je vytvořena navrstveniacutem
dynamoplechů do vrstvy 11 mm Při tloušťce dynamoplechu to odpoviacutedaacute 22 vrstvaacutem v každeacute sekci
Obr 816 Čelniacute pohled na zkompletovanyacute rotor
Komutaacutetor
Komutaacutetor je realizovaacuten průhlednou foacuteliiacute s černyacutem potiskem Pravidelneacute střiacutedaacuteniacute průsvitnyacutech a
černyacutech oblastiacute na foacutelii během otaacutečeniacute rotoru zajišťuje pravidelneacute přerušovaacuteniacute IR paprsku v osmi
optoelektronickyacutech spiacutenačiacutech TCST 2103 rozmiacutestěnyacutech pravidelně okolo obvodu komutačniacute folie
Na foacutelii je sedm černyacutech a sedm průsvitnyacutech vyacutesečiacute což odpoviacutedaacute počtu sedmi vyniklyacutech poacutelů v obou
sekciacutech rotoru oddělenyacutech permanentniacutemi magnety Nastaveniacute optimaacutelniacute uacutehlu natočeniacute komutačniacute
folie bylo stanoveno měřeniacutem pro uacutehly natočeniacute 1285deg 5 deg 0deg a -1285deg Vyacutesledky jsou shrnuty
v zaacutevěru praacutece
59
Obr 817 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 1285deg
Obr 818 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 5deg
Obr 819 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 0deg
Obr 820 Nastaven uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie -1285deg
Na Obr je čelniacute pohled na realizovanyacute komutaacutetor Po obvodu jsou rovnoměrně rozmiacutestěny černeacute
dřevěneacute držaacuteky s optočleny skrze ktereacute prochaacuteziacute uacutezkeacute zaacutevitoveacute tyče zbroušeneacute tak aby uvnitř držaacuteku
nepoškodily přiacutevodniacute vodiče optočlenů Dotaženiacutem matek našroubovanyacutech na zaacutevitoveacute tyče je možneacute
pevně přitaacutehnout
60
Obr 821 Fotorgrafie realizovaneacuteho komutaacutetoru
Obr 822 Podrobnějšiacute pohled s popisem čaacutestiacute
Optoelektronickeacute
spiacutenače TCST 2103
Jaacutedra statoru
Vinutiacute statoru
Komutaacutetor
s regulaciacute předstihu
Vynikleacute poacutely
rotoru
61
Zkompletovanyacute motor
Na Obr jsou na nosneacute desce namontovaacutena statorovaacute jaacutedra
Obr 823 Horniacute pohled na nosnou desku Uprostřed desky je vidět nachaacuteziacute kryt ložiska
Vodiče ciacutevek na magnetickyacutech jaacutedrech jsou zavedeny do bdquočokolaacutedldquo přišroubovanyacutech po bočniacutech
stranaacutech dřevěnyacutech držaacuteků jader
Obr 824 Bočniacute pohled na dřevěneacute držaacuteky jader statoru
Vyacutevody z čokolaacuted jsou protaženy do dřevěneacuteho tunelu zobrazenyacute ze spodniacute strany na Obr kteryacute
sloužiacute jako ochrana před otaacutečejiacuteciacutem se rotorem
Obr 825 Spodniacute strana kryciacuteho tunelu před vyvrtaacuteniacutem otvorů pro přichyceniacute k nosneacute desce
62
Obr 826 Čelniacute pohled na hotovyacute model Adamsova motoru
Obr 827 Redukce připevněnaacute na hřiacutedeli sloužiacute pro zvětšeniacute jejiacuteho průměru při spojeniacute spojeniacute
motoru s dynamometrem
63
82 Elektrickyacute obvod
821 Popis a scheacutema zapojeniacute
Elektronickaacute čaacutest je spiacutenaacutena přerušovaacuteniacutem infračerveneacuteho paprsku dopadajiacuteciacuteho na fototranzistor
v optočlenu Paprsek prochaacuteziacute průsvitnou čaacutestiacute foacutelie ve chviacuteli kdy jsou vynikleacute poacutely rotoru v čelniacute
pozici se statorovyacutemi jaacutedry a ciacutevky umiacutestěneacute na těchto jaacutedrech v nich majiacute vybudit magnetickyacute
indukčniacute tok opačneacuteho směru oproti toku vystupujiacuteciacuteho z rotorovyacutech poacutelů Naacutesledkem siloveacuteho
působeniacute mezi magnetickyacutemi poli rotoru a statoru je rotor roztaacutečen
Obr 828 Scheacutema zapojeniacute elektrickeacuteho obvodu pro řiacutezeniacute motoru Obvod v praveacute čaacutesti obraacutezku za
přerušovanou čarou se opakuje celkem 4x Pro ušetřeniacute miacutesta je tedy zobrazena pouze jedna čtvrtina
zapojeniacute
Elektrickyacute obvod je možneacute rozdělit na čaacutest vyacutekonovou kteraacute je od čaacutesti niacutezko přiacutekonoveacute oddělena
řiacutediacuteciacute elektrodou vyacutekonovyacutech MOSFET tranzistorů IRF540 Na Obr xx je pro zmenšeniacute ušetřeniacute
miacutesta zobrazena pouze jedna čtvrtina čaacutesti scheacutematu elektrickeacuteho obvodu V leveacute čaacutesti scheacutematu jsou
vyznačena miacutesta připojeniacute napaacutejeciacuteho napětiacute Pro laboratorniacute měřeniacute je vhodneacute vzaacutejemně je oddělit
Kladnyacute poacutel stejnosměrneacuteho napaacutejeciacuteho napětiacute o velikosti 5-31 V je pojen k ciacutevkaacutem skrze konektory
L1až L8 k ke statorovyacutem vinutiacutem Stejnosměrneacute napětiacute 10 ndash 35 V DC je připojeno přes stabilizaacutetor
napětiacute 7808 a Rezistory R1 a R2 k optočlenům TCST 2103 ktereacute jsou ve scheacutematu zastoupeny
vyacutevody označenyacutemi EM1 a DET1 Ty Zkratkovitě označujiacute přiacuteslušnyacute emitor IR zaacuteřeniacute (infračervenaacute
dioda) a detektor (fototranzistor pro infračerveneacute spektrum) implementovaneacute v pouzdru optočlenu
Hodnoty odporů jsou stanoveny na zaacutekladě snahy omezit proud řiacutediacuteciacuteho obvodu na nejnižšiacute hodnotu a
zaacuteroveň zachovat spraacutevnou funkci obvodu Jmenovitaacute hodnota proudu emitorem je 20mA Proud
tekouciacute skrze EM1 až EM8 je nastaven předřadnyacutemi rezistory 6K8 na hodnotu cca 1mA Paprsek
prochaacuteziacute skrze průsvitnou čaacutest komutaacutetoru nebo je přerušen černě potištěnou čaacutestiacute Pokud paprsek
dopadaacute na detektor a otviacuteraacute jej a proud může prochaacutezet přes odpory 39K předřazeneacute detektorům Za
detektory jsou napojeny Schmittovi klopneacute obvody na jejichž vstupech se objeviacute napětiacute v přiacutepadě že
je detektor paprskem neosviacutecen Klopneacute obvody jsou napaacutejeny napětiacutem ze stabilizaacutetoru a na sveacutem
64
vyacutestupu majiacute toteacutež napětiacute pokud je na jejich vstupu napětiacute nuloveacute V jednom pouzdře integrovaneacuteho
obvodu 40106N se nachaacuteziacute 6 investujiacuteciacutech hradel Paralelniacutem spojeniacute třiacute je sniacutežen odpor hradla na
třetinu Naacutesleduje vyacutekonovyacute MOSFET tranzistor IRF560 s odporem přechodu elektrod DS v
sepnuteacutem stavu 44m Ω Niacutezkaacute vyacutekonovaacute ztraacuteta těchto tranzistorů snižuje ztraacutetovyacute vyacutekon na minimum
v porovnaacuteniacute s bipolaacuterniacutemi tranzistory Je-li na vstupniacute elektrodu G připojeno kladneacute napětiacute tranzistor
se otevře a umožniacute průchod proudu přiacuteslušnyacutem vinutiacutem připojenyacutem ke konektoru L1až L8
822 Deska plošnyacutech spojů
Deska plošnyacutech spojů vytvořenaacute stejně tak jako scheacutema v programu Eagle
Obr 829 Deska plošnyacutech spojů elektronickeacute ho obvodu z pohledu součaacutestek
Navrženaacute deska plošnyacutech spojů je vyrobena bdquofotocestouldquo Působeniacutem zdroje ultrafialoveacuteho světla
dojde ke změně chemickeacute struktury fotocitliveacute vrstvy kteraacute se nachaacuteziacute v miacutestech prosviacuteceniacute průsvitneacute
předlohy DPS Po rozpuštěniacute osviacuteceneacute vrstvy fotocitliveacuteho laku v hydroxidu sodneacutem byla deska
omyta vodou a odleptaacutena v chloridu železiteacutem
Obr 830 Osvit desky plošnyacutech spojů 11W UV zaacuteřivkou
65
Obr 831 Hotovaacute deska po odvrtaacuteniacute otvorů pro vyacutevody součaacutestek a protaženiacute vodičů do dřevěneacuteho
kryciacuteho tunelu
66
9 Magnetostatickaacute analyacuteza Adamsova motoru
91 Vyacutepočet zjednodušeneacuteho magnetickeacuteho obvodu
911 Feromagnetika v magnetickeacutem obvodu
Permanentniacute magnety použiteacute rotoru jsou neodymoveacute (Nd-Fe-B) s magnetizaciacute N38 a maximaacutelniacute
pracovniacute teplotě 80degC Magnety majiacute tvar vaacutelce Požadovanaacute vyacuteška magnetů je 13 mm a odpoviacutedaacute
přiacuteslušneacutemu rozměru okna jader ve statoru Požadovaneacute vyacutešky bylo dosazeno spojeniacutem magnetu o
vyacutešce 10 mm a magnetu o vyacutešce 3 mm Magnety majiacute průměr 15mm
Demagnetizačniacute charakteristika magnetu je na Obr
Obr 91 Druhyacute kvadrant pracovniacutech hysterezniacutech smyček B(H) a J(H)=B(H)-μ0H
permanentniacuteho magnetu s magnetizaciacute N38 měřeno při 26degC
Magnetickaacute jaacutedra statoru jsou vyrobena z FeSi transformaacutetoroveacuteho plechu s anizotropniacute strukturou o
jakosti M150-30 Materiaacutel maacute poměrně niacutezkou konduktivitu tedy niacutezkeacute ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy
Magnetickeacute čaacutesti rotoru jsou z dynamoplechů izotropniacute struktury o jakosti M600 - 50
Vyacutepočet magnetickeacute indukce a intenzity magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře mezi rotorovyacutem a
statorovyacutem poacutelem
Magnetickyacute obvod se sklaacutedaacute z permanentniacuteho magnetu dvou vyniklyacutech poacutelů rotoru dvou
vzduchovyacutech mezer a jaacutedra statoru
-14
-12
-1
-08
-06
-04
-02
0
02
04
06
08
1
12
14
-1 200 -1 100 -1 000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0
J B [T]
H [kAm]
Demagnetizačniacute charakteristika NdFeB magnetu (N38)
J magnetu
B magnetu
B vakau
HBHmax=473 kAm BHmax=294 kJm3
BBHmax=0612 T B
J
μ0H
HC=-937 kAm
67
Obr 92 Magnetickyacute obvod s permanentniacutem magnetem
Pro středniacute indukčniacute čaacuteru naznačenou v magnetickeacutem obvodu přerušovanou čarou platiacute podle prvniacute
Maxwellovy rovnice v integraacutelniacutem tvaru
kde indexy značiacute M permanentniacute magnet žr železo rotoru v vzduchovou mezeru a žs železo statoru
Železo rotoru (dynamoplechy) a železo statoru (transformaacutetoroveacute plechy) jsou feromagneticky měkkeacute
materiaacutely Pro zjednodušeniacute vyacutepočtu předpoklaacutedaacuteme že jejich permeability tj jejich
magnetickeacute odpory a tedy i magnetickaacute napětiacute a jsou zanedbatelně maleacute
takže pro intenzitu magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře platiacute
Pro magnetickyacute indukčniacute tok permanentniacuteho magnetu platiacute
kde je činitel rozptylu ve vzduchoveacute mezeře a jestliže k rozptylu toku nedochaacuteziacute tak
Magnetickyacute indukčniacute tok ve vzduchoveacute mezeře je vyjaacutedřen
Pro magnetickyacute indukčniacute tok permanentniacuteho magnetu platiacute
takže magnetickaacute indukce ve vzduchoveacute mezeře je
(19)
(20)
(21)
(22)
(23)
BM HM
lM
lžr
lžr
lv
lv
lžs
Bv
Hv
Sv
Sžr Sžs
SM
Hžr
Hžr
Hžs Bžs
Bžr
Bžr
J
S
Sžr
Bv
Hv
68
odtud
Z rovnosti rovnic (19) a (24)
lze vyjaacutedřit magnetickou indukci permanentniacuteho magnetu jako
kde veličina Nd je tzv demagnetizačniacute činitel pro nějž platiacute
Pro dosazeniacute do (24) je zapotřebiacute stanovit hodnotu činitele rozptylu magnetickeacuteho toku ve vzduchoveacute
mezeře Stanoviacuteme odhadem (
Pro dosazeniacute do (24) je daacutele zapotřebiacute stanovit průřez magnetu Při průměru 15 mm je
Průřez vzduchoveacute mezery mezi statorem a rotorem vypočteme jako aritmetickyacute průměr průřezu poacutelu
jaacutedra statoru a průřezu vynikleacuteho poacutelu rotoru Skutečneacute průřezy poacutelu statoru a rotoru lze jednoduše
odečiacutest z virtuaacutelniacuteho modelu v DesignModeleru Ansysu jak je naznačeno na Obr93 a na Obr94
Průřez poacutelu statoroveacuteho jaacutedra SS je dle DesignModeleru 14328 mmsup2
Obr 93 Po označeniacute plochy jaacutedra statoru vypočte DesignModeler jejiacute průřez
(24)
(25)
(26)
(27)
(28)
(29)
69
Průřez vynikleacuteho poacutelu rotoru SR je dle DesignModeleru 29128 mmsup2
Obr 94 Po označeniacute plochy vynikleacuteho poacutelu rotoru vypočte DesignModeler jeho průřez
Po dosazeniacute průřezů je aritmetickyacute průměr průřezu vzduchoveacute mezery
Vyacuteška použiteacuteho magnetu je daacutena součtem vyacutešek dvou na sobě umiacutestěnyacutech magnetů 10mm a 3 mm
tedy =13 mm
Řešenyacute magnetickyacute obvodu obsahuje dvě vzduchoveacute mezery o velikosti 1 mm Celkovaacute deacutelka
vzduchoveacute mezery je daacutena součtem těchto dvou deacutelek tedy =2 mm
Dosazeniacute všech potřebnyacutech hodnot do rovnice (24) vypočiacutetaacuteme demagnetizačniacute činitel
Dosazeniacutem demagnetizačniacuteho činitele do rovnice pro magnetickou indukci magnetu (26) ziacuteskaacuteme
rovnici přiacutemky
jejiacutež průsečiacutek s demagnetizačniacute křivkou permanentniacuteho magnetu na Obrxx stanoviacute pracovniacute bod
permanentniacuteho magnetu
Z grafu na Obr 95 je možneacute odečiacutest hodnotu magnetickeacute indukce permanentniacuteho magnetu v
pracovniacutem bodu BM=1 T a odpoviacutedajiacuteciacute hodnotu intenzity magnetickeacuteho pole HM=1 T
(30)
(31)
70
Obr 95 V průsečiacuteku přiacutemky s demagnetizačniacute charakteristikou se nachaacuteziacute pracovniacute bod P
permanentniacuteho magnetu v magnetickeacutem obvodu se vzduchovou mezerou
Zvětšeniacutem vzduchoveacute mezery v magnetickeacutem obvodu se zvětšiacute demagnetizačniacute činitel Nd tj zvětšiacute se
směrovyacute uacutehel přiacutemky z hodnoty α na hodnotu α1 a pracovniacute bod P se posune do polohy P1 jak je
naznačeno na Obr96
Obr 96 V průsečiacuteku přiacutemky s demagnetizačniacute charakteristikou se nachaacuteziacute pracovniacute bod
permanentniacuteho magnetu
00
02
04
06
08
10
12
14
-1 000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0
J B [T]
H [kAm]
Stanoveniacute pracovniacuteho bodu magnetu na demagnetizačniacute
charakteristice
B magnetu
Bm=-NdHm
BM=1 T
HM=-183 kAm
P
Br=124 T
HC=-937 kAm
71
Zmenšiacute-li se opět vzduchovaacute mezera na původniacute velikost nevraacutetiacute se pracovniacute bod P1 do sveacute původniacute
polohy v bodě P ale do polohy P2 po křivce k2 Smyčka složenaacute z křivek k1 a k2 je malaacute hysterezniacute
smyčka Přibližně ji můžeme nahradit uacutesečkou P1 P2 sviacuterajiacuteciacute s osou H uacutehel β Pohybuje-li se pracovniacute
bod po maleacute hysterezniacute smyčce jde vratneacute změny tj zanikne-li přiacutečina posuvu pracovniacuteho bodu vraciacute
se pracovniacute bod do sveacute původniacute polohy Pohyb pracovniacuteho bodu po hlavniacute hysterezniacute smyčce je
nevratnyacute K podobnyacutem jevům dochaacuteziacute když miacutesto změn vzduchoveacute mezery působiacuteme na permanentniacute
magnet magnetickyacutem polem ktereacute zvětšuje nebo zmenšuje jeho tok Všechny dalšiacute pohyby
pracovniacuteho bodu probiacutehajiacute přibližně po přiacutemce P1 P2 pokud směrovyacute uacutehel α nepřestoupiacute hodnotu uacutehlu
α1 Překročiacute-li tuto hodnotu pohybuje se pracovniacute bod opět po hlavniacute hysterezniacute smyčce a při naacutevratu
zpět k původniacute hodnotě uacutehlu α přechaacuteziacute na novou bdquomalou hysterezniacute smyčku vyznačenou na Obrxx
čaacuterkovaně [20]
Magnetickaacute indukce ve vzduchoveacute mezeře
Intenzita magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře
(32)
(33)
72
92 Vyacutepočet magnetickeacuteho obvodu v ANSYS Workbench
Magnetickaacute indukce - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 97 Pohled na rozloženiacute magnetickeacute indukce v obvodu při I=0A
Obr 98 Zobrazeniacute vektorů magnetickeacute indukce při I=0A
73
Magnetickaacute indukce - horniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 99 Rozloženiacute magnetickeacute indukce při I=0A
Obr 910 Zobrazeniacute vektorů magnetickeacute indukce při I=0A
74
Intenzita magnetickeacuteho pole - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 911 Rozloženiacute intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
Obr 912 Zobrazeniacute vektorů intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
75
Intenzita magnetickeacuteho pole - horniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 913 Rozloženiacute intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
Obr 914 Zobrazeniacute vektorů intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
76
Rozloženiacute siacutely působiacuteciacute na poacutely rotoru vlivem přiacutetažneacute siacutely permanentniacuteho magnetu
Obr 915 Siacutela mezi poacutely rotoru
Přitažlivaacute siacutela mezi poacutely rotoru v miacutestě magnetu je daacutena rozdiacutelem maximaacutelniacute a minimaacutelniacute hodnoty sil
(34)
77
Magnetickaacute indukce při proudu 1 A - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru při
921 Rozběh motoru
Uacutekolem je naleacutezt nejmenšiacute hodnotu proudu tekouciacuteho vinutiacutem statoroveacuteho jaacutedra při ktereacute dojde k
rozběhu motoru Vychaacutezejme z toho že přiacutetažnaacute siacutela působiacuteciacute na jedno jaacutedro statoru ktereacute je
v zarovnaneacute pozici s vyniklyacutemi poacutely rotou musiacute byacutet vlivem proudu tekouciacuteho vinutiacutem
Proud by měl miacutet takovou velikost aby v jaacutedru statoru vybudil magnetickyacute tok opačneacute polarity oproti
magnetickeacutemu toku vystupujiacuteciacuteho z protějšiacuteho vynikleacuteho poacutelu rotoru A to s takovyacutemi silovyacutemi
uacutečinkly aby byl došlo k pootočeniacute rotoru do pozice ve ktereacute se vedlejšiacute vynikleacute poacutely rotoru začnou
přitahovat k vedlejnšiacutemu statoroveacutemu jaacutedru Celyacute proces se poteacute opakuje i u dalšiacutech jader
Středniacute hodnota proudu tiacutemto vinutiacutem se během rozběhu motoru snižuje až na konstntniacute hodnotu
Dojdek k ustaacuteleniacute otaacuteček a doby průchodu proudu jednotlivyacutemi vinutiacutemi
78
Na Obr je graf průběhu siacutely působiacuteciacute na jaacutedro statoru ve směru osy x při změně velikosti proudu
tekouciacuteho vinutiacutem
Obr 916 Průběh siacutely při změně proudu
Z Obr919 je zřejmeacute že nuloveacute siacutely v ose x na jaacutedro statoru bude dosaženo při proudu 700 mA Tudiacutež
proud vědšiacute než 700 mA vyvolaacute odpuzeniacute rotorovyacutech poacutelů a celyacute proces se opakuje i u ostatniacutech
statorovyacutech jader
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
0 100 200 300 400 500 600 700
I [mA]
Fx [N]
Fx=f(I)
Fx= -2841 N
79
Na Obr je naacutezorně vidět zarovnanyacute vyniklyacute poacutel rotoru s jaacutedrem ve statoru
Obr 917 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru se statorovyacutem jaacutedrem při nuloveacute siacutele na magnetickeacute jaacutedro
Obr 918 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru s jaacutedrem ve statoru bez přiacutetomnosti proudu
Prochaacuteziacute-li vinutiacutem proud 700mA půsovyacute ma magnetickeacute jaacutedro ve směru osy x nulovaacute siacutela Rozloženiacute
magnetickeacute indukce je na Obr
α=0deg
Fx=0 N
I=700 mA
α=0deg
Fx=-2841 N
I=0 mA
80
Obr 919 Rozloženiacute indukce v obvodu při proudu tekouciacutem vinutiacute 700mA
Obr 920 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru s jaacutedrem ve statoru při proudu tekouciacutem vinutiacute 700mA
81
922 Průběhy sil působiacuteciacute na rotor během pootočeniacute
Na obr je osa jaacutedra(v praveacutem rohu) zarovnaacutena s osou vynikleacuteho poacutelu rotoru (vyznačeno červeně) a
naacutesledujiacuteciacute vyniklyacute poacutel rotoru je oproti statoroveacutemu jaacutedru (vpravo) pootočen o uacutehel α = -643deg
Obr 921 Při pootočeniacute rotoru o uacutehel α = -643deg působiacute na rotor siacutela ve směru FY= -5645 N
Průběh siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor během nataacutečeniacute proti směru hodinovyacutech ručiček mezi uacutehly
pootočeniacute v meziacutech α= -643deg až 0deg
Hodnoty jsou vypočiacutetaacuteny v Ansysu s krokem 02 deg a proloženy přiacutemkou
Obr 922 Průběh siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor během pootočeniacute od -643deg do 0deg a vyznačeneacute hodnoty
siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor pro hodnoty natočeniacute uacutehlu α= -643deg a -5deg
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
F [N]
α [deg]
Fy=f(α)
α=-643deg FY=-5645 N
Fy= - 5645 N
I=0 mA
82
Obr 923 Průběh siacutely působiacuteciacute na rotor v ose y během pootočeniacute od -643deg do 0deg a vyznačeneacute hodnoty
siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor pro hodnoty natočeniacute uacutehlu α= -643deg a -5deg
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
N [Nmm]
α [deg]
Fx=f(α)
83
10 Měřeniacute na realizovaneacutem motoru
V Tab101 jsou hodnoty odporu jednotlivyacutech vinutiacute měřeneacute při 20 degC
Tab 101 Hodnoty odporů vinutiacute
Časoveacute průběhy napětiacute a proudu byly naměřeny pomociacute profesionaacutelniacuteho dvoukanaacuteloveacuteho USB
osciloskopu Handyscope HS3 s parametry uvedenyacutemi v tabulce Tab102 Spojeniacutem osciloskopu s PC
bylo možneacute pomociacute napěťoveacute a proudoveacute sondy naměřit časoveacute průběhy napětiacute a proudu Použitaacute
proudovaacute sonda disponuje maximaacutelniacutem rozlišeniacutem 100 mVA
Tab 102 Vlastnosti Osciloskopu Handyscope HS3
Vstup Vyacutestup
max vzorkovaciacute frekvence 100MSs vzorkovaciacute frekvence 50MSs
volitelneacute rozlišeniacute 12-16 bitů rozlišeniacute 12 bitů
maximaacutelniacute napětiacute 200V napětiacute 0 plusmn12 V
impedance 1M Ω20pF maximaacutelniacute proud 05 A DC
Na Obr 101 je zachycen časovyacute průběh napětiacute a proudu změřenyacute na jednom z osmi vinutiacute statoru při
napětiacute 30V a mechanickeacute zaacutetěži Mz = 015 Nm
Rc1 Rc2 Rc3 Rc4 Rc5 Rc6 Rc7 Rc8
[Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω]
203 203 205 202 204 205 202 203 2034
84
Obr 101 Změřeneacute průběhy napětiacute a proudu na vinutiacute během zatiacuteženiacute momentem 015Nm
Hodnoty proudu změřeneacute osciloskopem jsou posunuty o stejnosměrnou složku směrem do
zaacutepornyacutech hodnot Tato chyba znehodnocuje naměřeneacute vyacutesledky proudu uvedeneacute v tabulce a
vznikla z neznaacutemeacute přiacutečiny jako důsledek nastaveniacute citlivosti proudoveacute soncy na hodnotu
100mVA
Tab 103 Hodnoty naměřeneacute osciloskopem Handyscope HS3
Umax Umin Up-p Uef Ustř Δt
[V] [V] [V] [V] [V] [ms]
2958 -7996 10992 3401 -0983 1419
Imax Imin Ip-p Ief Istř f
[mA] [mA] [mA] [mA] [mA] [Hz]
26459 -2276 49219 11375 2421 7048
Na Obr je vidět vysokonapěťovaacute špička opačneacute polarity vzhledem k napaacutejeciacutemu napětiacute kteraacute
dosahuje hodnoty -7996 V Vznikaacute důsledkem naacutehleacuteho přerušeniacute dodaacutevky proudu do obvodu ciacutevky
Magnetickeacute pole vytvořeneacute v magnetickeacutem obvodu se po přerušeniacute dodaacutevky proudu kteryacute jej vybudil
snažiacute zabraacutenit sveacute změně a zachovat proud v elektrickeacutem obvodu čiacutemž zpětně do elektrickeacuteho obvodu
vinutiacute indukuje vysokeacute napětiacute opačneacute polarity Dochaacuteziacute ke zpětneacute indukci napětiacute do elektrickeacuteho
obvodu Tento děj vyjadřuje druhaacute Maxwellova rovnice o zaacutekonu elektromagnetickeacute indukce
v diferenciaacutelniacutem tvaru vyjaacutedřeneacute vztahem
85
Na Obr je teacutež patrnyacute zaacutekmit napětiacute na konci zaacuteporneacute napěťoveacute špičky Tento zaacutekmit je způsoben
parazitniacute kapacitou vinutiacute Časovaacute konstanta s jakou děj odezněniacute je daacutena RLC parametry obvodu
Každyacute způsob provedeniacute vinutiacute maacute sveacute charakteristickeacute vlastnosti předevšiacutem vlastniacute kapacitu vinutiacute
V praxi se např požadavek na sniacuteženiacute vlastniacute kapacity vinutiacute u transformaacutetorů realizuje dvěma
způsoby
a) zmenšeniacute napěťoveacuteho rozdiacutelu mezi vrstvami popř sekcemi vinutiacute nebo zmenšeniacutem vzaacutejemneacute
kapacity těchto čaacutestiacute jejich odděleniacutem
b) sniacuteženiacutem dielektrickeacute konstanty konstrukčniacutech materiaacutelů využitiacutem vhodnyacutech izolantů pro
izolaci vodičů
Nejviacutece možnostiacute nabiacuteziacute prvniacute varianta jež se uplatňuje u hraacutezoveacuteho křiacutežoveacuteho i kotoučoveacuteho vinutiacute
Obvykle neniacute uacutečelneacute ani hospodaacuterneacute dělit vinutiacute viacutece než na tři komory Čiacutem nižšiacute bude celkovyacute činitel
vinutiacute tiacutem menšiacute bude kapacita vinutiacute Impregnaciacute vinutiacute se vlastniacute kapacita vinutiacute zvyšuje asi o 30 až
50 V přiacutepadě spojeniacute jednoho vyacutevodu vinutiacute s magnetickyacutem jaacutedrem se vlastniacute kapacita vinutiacute zvětšiacute
přibližně o 20 [19]
Za zaacutepornou vysokonapěťovou špičkou a zaacutekmitem napětiacute způsobenyacutem parazitniacute kapacitou v obvodu
je vidět na Obr půlperioda sinusoveacuteho průběhu napětiacute zaacuteporneacute polarity Toto napětiacute je v obvodu
indukovaacuteno diacuteky průchodu magnetickeacuteho toku vystupujiacuteciacuteho z vyniklyacutech poacutelů rotoru během otaacutečeniacute
Magnetickyacute tok vystupuje z poacutelů rotoru a uzaviacuteraacute se přes jaacutedro statoru čiacutemž v jeho vinutiacute indukuje
napětiacute
(35)
86
Na Obr102 zaacuteznam sinusoveacuteho průběhu napětiacute indukovaneacuteho ve vinutiacute statoroveacuteho jaacutedra ktereacute bylo
odpojeno od napaacutejeniacute
Obr 102 Časovyacute průběh napětiacute indukovaneacuteho ve vinutiacute během otaacutečeniacute rotoru
Obr 103 Časovyacute průběh napětiacute a proudu při napětiacute 30 V a zatiacuteženiacute momentem 005 Nm
87
101 Měřeniacute zaacutekladniacutech charakteristik
Motor byl pro změřeniacute charakteristik spojen s cize buzenyacutem dynamometrem Možnost regulace
zaacutetěžneacuteho momentu změnou odporu kotvy dynamometru a velikostiacute budiacuteciacuteho proudu umožnila
naměřit průběh momentovyacutech mechanickyacutech a rychlostniacutech charakteristik Spojeniacute hřiacutedele
s tachodynamem naviacutec umožnilo měřit indukovaneacute napětiacute během jednotlivyacutech měřeniacute a vypočiacutetat z něj
otaacutečky Na Obr104 je schematicky naznačena soustava dynamometru a motoru pro měřeniacute
zatěžovaciacute charakteristiky motoru
Obr 104 Soustava pro měřeniacute zatěžovaciacutech charakteristik motoru
Pro změřeniacute zaacutekladniacutech charakteristik potřebnyacutech pro vyacutepočet uacutečinnosti motoru byl využit cize buzenyacute
dynamometr s Iab=5 A(10)
102 Vyacutepočet uacutečinnosti
Pro přiacuteklad vyacutepočtu dosadiacuteme do uvedenyacutech vztahů hodnoty veličin při nichž vyšla uacutečinnost motoru
maximaacutelniacute
Jelikož proud tekouciacute do vinutiacute je stejnosměrnyacute stanoviacuteme přiacutekon motoru součinem napětiacute zdroje o
konstantniacute velikosti 31 V s proudem tekouciacutem obvodem
Po dosazeniacute
Vyacutekon motoru je roven
přičemž pro uacutehlovou rychlost vyjaacutedřenou z otaacuteček platiacute vztah
(36)
(37)
(38)
Ua
Rb Umot
88
Po dosazeniacute
Vyacutekon je po dosazeniacute uacutehloveacute rychlosti
Uacutečinnost motoru při zanedbaacuteniacute ztraacutet v elektronickeacutem obvodu je daacutena vyacuterazem
Podiacutelem vyacutekonu a přiacutekonu je vyacuteslednaacute uacutečinnost
(39)
(40)
(41)
(42)
(43)
89
Charakteristiky změřeneacute při změně zaacutetěžneacuteho momentu M=005 až 05 Nm a napětiacute 31V
Obr 105 Změna otaacuteček v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
Obr 106 Změna proudu v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
50
150
250
350
450
550
650
750
850
950
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
n [otmin]
P2 [W]
n=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
0
05
1
15
2
25
3
35
4
2 4 6 8 10 12 14
I [A]
P2 [W]
I=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
90
Obr 107 Změna přiacutekonu v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
Obr 108 Změna uacutečinnosti v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
0
20
40
60
80
100
120
140
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
P1 [W]
P2 [W]
P1=f(P2)
-1285deg
5deg
1285deg
0deg
000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
η []
P2 [W]
η=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
ηmax=355
P2=86 W
91
Obr 109 Změna uacutečinnosti v zaacutevislosti na momentu při U=31V
000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045 05 055 06
η []
M [Nm]
η=f(M)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
ηmax=355
M=019 Nm
0
01
02
03
04
05
06
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000 1 100
M [Nm]
n [otmin]
Momentoveacute charakteristiky motoru
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
92
Charakteristiky změřeneacute při změně napaacutejeciacuteho napětiacute U=5 až 31V M=015 Nm
Obr 1010 Změna proudu v zaacutevislosti na napětiacute při M=015 Nm
Obr 1011 Změna otaacuteček v zaacutevislosti na napětiacute při M=015 Nm
0
02
04
06
08
1
12
14
16
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
I [A]
U [V]
I=f(U)
5deg
0deg
1285deg
-1285deg
I=078 A
0
100
200
300
400
500
600
700
800
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
n [otmin]
U [V]
n=f(U)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
93
Zaacutevěr
Na zaacutekladě existence měřitelneacuteho kvantově mechanickeacuteho projevu Casimirova jevu se člověk alespoň
teoreticky přibliacutežil k pochopeniacute podstaty vakua Pohled na vakuum jako na systeacutem v němž je možno
za jistyacutech okolnostiacute pozorovat vysokofrekvenčniacute elektromagnetickeacute fluktuace i při teplotaacutech bliacutezkyacutech
0K může nabiacutezet novou perspektivu a přiacutestup ke strojům s věčnyacutem pohybem Vnějšiacute projevy
elektromagnetickeacuteho charakteru vakuovyacutech fluktuaciacute nejsou za běžnyacutech okolnostiacute zjevneacute neboť je
v tomto stavu zajištěna jejich symetrie K porušeniacute symetrie však dochaacuteziacute mezi dvěma bliacutezkyacutemi
deskami v Casimirově pokusu
Permanentniacute magnet se v jisteacutem ohledu může jevit jako systeacutem jež svojiacute přiacutetomnostiacute narušuje tuto
symetrii elektromagnetickyacutech fluktuaciacute vakua a tiacutem v okolniacutem prostoru projevuje jeho dynamickou
jinak skrytou povahu formou projevu permanentniacuteho magnetickeacuteho pole V tomto ohledu by mohl byacutet
projev stavu narušeniacute symetrie vakuovyacutech fluktuaciacute uacuteměrnyacute energii vloženeacute do permanentniacuteho
magnetu během procesu magnetovaacuteniacute Tento nekonvenčniacute pohled na permanentniacute magnetismus
umožňuje objasnit vstup energie vakua do systeacutemu s permanentniacutemi magnety jakyacutem by mohl byacutet
např Johnsonův magnetickyacute motor složenyacute pouze z permanentniacutech magnetů Pokud tento motor
opravdu fungoval a vyacuteše nastiacuteněnaacute teorie by byla pravdivaacute neniacute tento systeacutem již možno povařovat za
izolovanyacute od sveacuteho okoliacute neboť samotnaacute povaha vakua by v tomto přiacutepadě umožňovala napaacutejeniacute
tohoto systeacutemu
V tomto ohledu se jeviacute zajiacutemavyacute i systeacutem pro přeměnu energie elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute na
užitečnou elektrickou energii popisovanaacute v šesteacute kapitole V tomto systeacutemu kmitajiacute drobneacute
dielektrickeacute struktury vytvořeneacute např elektronovou litografiiacute vlivem siloveacuteho působeniacute fluktuaciacute
elektromagnetickyacutech poliacute vakua a tiacutem v mikroskopickyacutech anteacutenaacutech mezi strukturami indukujiacute
využitelnou formu energie Tyto kmity jsou v přiacutemeacutem poměru k frekvenci zaacuteřeniacute avšak mnohem nižšiacute
frekvenci Využitiacutem moderniacutech technologickyacutech postupů a vysoce jakostniacutech materiaacutelů se v tomto
ohledu nabiacuteziacute nepřeberneacute možnosti pro experimentovaacuteniacute
Realizace modelu Adamsova motor generaacutetoru kterou jsem prakticky provedl (však pouze ve funkci
motoru) měla za ciacutel stanovit uacutečinnost tohoto systeacutemu neboť informace popisujiacuteciacute tento stroj hovořiacute
teacutež o vstupu energie vakua do tohoto systeacutemu čiacutemž je uacutedajně možno dosaacutehnout uacutečinnosti přesahujiacuteciacute
100 Autor Robert Adams stanovil uacutečinnost sveacuteho motor generaacutetoru na zaacutekladě několik dnů
trvajiacuteciacuteho měřeniacute Měřil průběhy napětiacute na vstupniacute baterii jež stroj napaacutejela a bateriiacutech ktereacute
postupně připojoval na elektrickyacute vyacutestup stroje Během činnosti stroje dochaacutezelo k postupneacutemu
dobiacutejeniacute bateriiacute na vyacutestupu V jisteacutem ohledu jsou hodnoty napětiacute při průběžneacutem měřeniacute určityacutem
ukazatelem uacutečinnosti stroje avšak pro vyacutepočet přesneacute uacutečinnosti daneacute poměrem vyacutekonu a přiacutekonu by
bylo zapotřebiacute do vyacutepočtu zahrnout i proudy prochaacutezejiacuteciacute obvodem
Dynamoplechy (M600-50) pro rotor a transformaacutetorovaacute jaacutedra (M150-30s) pro stator jsem zakoupil u
společnosti Therma FM a permanentniacute magnety přes internetovyacute obchod Unimagnetcz Virtuaacutelniacute
model motoru vytvořenyacute v programu SolidWorks jsem importoval do programu ANSYS Workbench
a provedl v něm magnetostatickou analyacutezu Analyzoval jsem magnetickyacute obvod složenyacute z jedneacute
osminy statoru (pouze jedno jaacutedro) vzduchoveacute mezery a vynikleacuteho poacutelu rotoru při nuloveacutem proudu ve
statoroveacutem vinutiacute Takteacutež jsem magnetickyacute obvod řešil zjednodušenyacutem vyacutepočtem v němž jsem
94
zanedbal reluktanci železa rotoru i statoru rozdiacutel ve tvaru průřezů statorovyacutech i rotorovyacutech poacutelů a
odhadem jsem stanovil činitel rozptylu v okoliacute vzduchoveacute mezery Vypočiacutetal jsem pro danyacute
magnetickyacute obvod demagnetizačniacute činitel a vykresleniacutem přiacutemky byl nalezen pracovniacute bod P
permanentniacuteho magnetu Bod P vytiacutenaacute na přiacuteslušnyacutech osaacutech demagnetizačniacute charakteristiky
odpoviacutedajiacuteciacute hodnoty BM a HM permanentniacuteho magnetu Z nich byly vypočteny hodnoty indukce a
intenzity ve vzduchoveacute mezeře
Hodnoty magnetickeacute indukce a intenzity magnetickeacuteho pole v prostoru vzduchoveacute mezery vypočteneacute
na zaacutekladě zjednodušeniacute obvodu a hodnoty vypočteneacute v ANSYSu se v přiacutepadě indukce lišiacute o hodnotu
0177 T což vzhledem ke zjednodušeniacute vyacutepočtu a odhadu činitele rozptylu přibližně odpoviacutedaacute Rozdiacutel
v hodnotaacutech intenzity magnetickeacuteho pole činiacute 188 kAm což je opět vzhledem k zjednodušeniacutem
vyhovujiacuteciacute hodnota
Pomociacute programu Ansys byla stanovena nejnižšiacute hodnota proudu (700 mA) tekouciacuteho do vinutiacute
vybraneacuteho jaacutedra statoru při jeho zarovnaacuteniacute s rotorovyacutemi poacutely kteraacute způsobiacute vyrušeniacute přiacutetažneacute siacutely
působiacuteciacute na statoroveacute jaacutedro vlivem permanentniacute magnetizace rotoroveacuteho poacutelu Teoreticky proud většiacute
než 700mA způsobiacute pootočeniacute rotoru a naacuteslednyacute rozběh
Daacutele byly graficky stanoveny průběhy sil v osaacutech x a y působiacuteciacutech na rotor během jeho pootočeniacute o
uacutehel 643deg kdy došlo k zarovnaacuteniacute sousedniacutech poacutelů rotoru a statoru
Změřeniacutem zaacutekladniacutech zatěžovaciacutech charakteristik pomociacute dynamometru byly stanoveny průběhy
momentovyacutech charakteristik pro různeacute uacutehly natočeniacute komutačniacuteho disku vzhledem k rotoru Z grafu
průběhu uacutečinnosti v zaacutevislosti na momentu byla odečtena nejvyššiacute hodnota uacutečinnosti motoru 355
pro natočeniacute komutačniacuteho disku o 5deg a odpoviacutedajiacuteciacute zaacutetěžnyacute moment 019 Nm Tato uacutečinnost je v
porovnaacuteniacute se stejně vyacutekonnyacutemi motory běžnyacutech konstrukciacute poměrně niacutezkaacute Jedniacutem z hlavniacutech
faktorů jež ovlivnil vyacuteslednou uacutečinnost je tvar statorovyacutech jader ktereacute majiacute velkou vzduchovou
mezeru Tiacutem paacutedem dochaacuteziacute ke značneacutemu rozptylu toku magnetickeacute indukce skrze prostor mezi
statorovyacutemi poacutely
Natočeniacutem komutačniacuteho disku do polohy 0deg došlo ke značneacutemu sniacuteženiacute uacutečinnosti na hodnotu okolo 14
majiacuteciacute přiacutečinu ve špatneacutem načasovaacuteniacute počaacutetku průchodu proudu do přiacuteslušneacuteho vinutiacute Vzaacutejemneacute
siloveacute působeniacute magnetickyacutech indukčniacutech toků z jaacutedra a rotoru působilo brzdnyacutem uacutečinkem čiacutemž
došlo ke sniacuteženiacute uacutečinnosti motoru
Momentoveacute charakteristiky jsou teacuteměř lineaacuterniacute Největšiacute moment 05 Nm byl naměřen při napětiacute 31
V při 180 otmin a to v přiacutepadě že komutačniacute disk byl pootočen o 1285deg
95
Použitaacute literatura
[1] Hubbertpeak [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwhubbertpeakcomhubbert19561956pdf
[2] Multimediaacutelniacute studijniacute texty z mineralogie [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpmineralogiescimuniczkap_6_2_termodynkap_6_2_termodynhtm
[3] Molecular and cellular immunology Institute of malecular genetics academy of science of the
Czech Republic Praguee [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpmciimgcasczpdfZakony_termodynamikypdf
[4] Uacutestav teoretickeacute fyziky MFF UK [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httputfmffcuniczvyukaOFY016F2001CermakPhtm
[5] Galileo [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpgalileoandeinsteinphysicsvirginiaedumore_stuffflashletsmmexpt6htm
[6] Encyclopedia Britanica [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwbritannicacomEBcheckedtopic600149Evangelista-Torricelli
[7] ABZ slovniacutek ciziacutech slov [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z httpslovnik-cizich-
slovabzczwebphpslovohorror-vacui-horor-vakui
[8] RAFELSKI Johannn a Berndt MUumlLLER The structured vaccum Thinking about nothing
Published electrically 2006 ISBN 3-97144-889-3
[9] Uacutestav jaderneacute fyziky AV ČR veřejnaacute vyacutezkumnaacute instituce [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httphpujfcascz~wagnerpopclanvakuumvakuumhtml_ftn2
[10] Aldebaran [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwaldebaranczbulletin2011_10_kazphp
[11] Aldebaran [online] Casimir - Network 2005 [cit 2014-05-08] Dostupneacute z httpcasimir-
networkfrIMGpdfCasimir_20effectpdf
[12] KVASNICA Jozef Statistickaacute fyzika Vyd 2 Praha Academia 1998 314 s ISBN 80-200-
0676-1
[13] Aldebaran [online] Annenberg learning 2005 [cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwlearnerorgcoursesphysicsvisualanimationhtmlshortname=PHY06_FermiTrap0
3A
[14] Cornell University Library arXivorg [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httparxivorgpdf10115219v1pdf
[15] Fyzikaacutelniacute sekce Matematicko-fyzikaacutelniacute fakulty UK [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpphysicsmffcuniczkfppskriptakurz_fyziky_pro_DSwwwfyzikahtml
[16] FEYNMAN Richard Phillips Feynmanovy přednaacutešky z fyziky s řešenyacutemi přiacuteklady 1 vyd
Havliacutečkův Brod Fragment 2001 806 s ISBN 80-720-0420-4
[17] VALONE Thomas Zero Point Energy The Fuel of the Future United States Integrity
Research Institiute 2007 228 s ISBN 9780964107021
96
[18] KING Moray B Quest for Zero Point Energy Engineering Principles for Free Energy
Engineering Principles for Free Energy United States Integrity Research Institiute 2001 224 s
ISBN 9780932813947
[19] FAKTOR Zdeněk Transformaacutetory a ciacutevky 1 vyd Praha BEN - technickaacute literatura 1999
393 s ISBN 80-860-5649-X
[20] MAYER Daniel a Josef POLAacuteK Metody řešeniacute elektrickyacutech a magnetickyacutech poliacute [vysokošk
učebnice pro elektrotechn fakulty] 1 vyd Praha SNTL 1983 450 s
[21] ABZ slovniacutek ciziacutech slov [online cit 2014-05-12] Dostupneacute z httpslovnik-cizich-
slovabzczwebphpslovohorror-vacui-horor-vakui
[22] Wikipedie [online cit 2014-05-12] Dostupneacute z httpcswikipediaorgwikiVakuum
[23] VALONE Thomas Practical Conversion of Zero-Point Energy Feasibility Study of the
Extraction of Zero-Point Energy from the Quantum Vacuum for the Performance of Useful
Work United States Integrity Research Institiute 2005 90 s ISBN 9780964107083
[24] BEARDEN By John Bedini and TE Free energy generation circuits 2nd ed Santa Barbara
Calif Cheniere Press 2006 806 s ISBN 09-725-1468-6
[25] Straacutenky věnovaneacute potlačovaneacute vědě a zatajovanyacutem vynaacutelezům [online cit 2014-05-08]
Dostupneacute z httpfree-energyxfczJOHNSONSampMhtm
[26] ADAMS Robert The Adams pulsed motor generator manual 46 Landing Roat Whakanate
Nex Zealand 1992
13
Dodaacuteme-li např krystalu energii ve formě tepla vzroste jeho vnitřniacute energie o tolik kolik se
nespotřebuje na praacuteci spojenou s růstem jeho objemu (expanziacute) [2]
321 Perpetuum mobile prvniacuteho druhu
Produkuje nejmeacuteně tolik energie kolik samo spotřebuje Jakmile je jednou stroj spuštěn může
pracovat po neomezeně dlouhou dobu
33 Druhyacute zaacutekon termodynamiky
Druhyacute zaacutekon je postaven na definici entropie kteraacute je extenzivniacute funkciacute definujiacuteciacute stav systeacutemu
Zjednodušeně řečeno entropie definuje neuspořaacutedanost syteacutemu Celkovaacute změna entropie v uzavřeneacutem
systeacutemu je součtem změny entropie uvnitř systeacutemu a entropie kteraacute je do systeacutemu přenesena z jeho
okoliacute Entropii přenaacutešenou do systeacutemu se definuje rovnice (4) kde dQ je dodaneacute teplo a T je teplota
Je zřejmeacute že změna entropie systeacutemu při konstantniacute hodnotě tepla je většiacute při nižšiacute teplotě [2]
Pro reversibilniacute procesy a rovnovaacutežneacute stavy platiacute že změna entropie je nulovaacute dS = 0 Pro spontaacutenniacute
proces v systeacutemu pak platiacute dS gt 0 Můžeme řiacuteci že entropie se nikdy samovolně nezmenšuje [2]
331 Perpetuum mobile druheacuteho druhu
Takeacute nelze sestrojit protože při tepelneacute vyacuteměně těleso o vyššiacute teplotě nemůže samovolně přijiacutemat
teplo od tělesa s nižšiacute teplotou
34 Třetiacute zaacutekon termodynamiky
Jestliže se teplota ideaacutelniacuteho krystalu bliacutežiacute absolutniacute nule bliacutežiacute se nule i jeho entropie [2]
V bliacutezkosti absolutniacute nuly se adiabatickyacute děj přibližuje izotermickeacutemu Tiacutem se ovšem ztraacuteciacute uacutečinnost
libovolneacute ochlazovaciacute metody založeneacute na střiacutedaacuteniacute těchto dějů
Při extreacutemně niacutezkeacute teplotě se projevujiacute zvlaacuteštniacute vlastnosti některyacutech laacutetek jakyacutemi jsou supravodivost a
supratekutost
(4)
14
4 Vakuum
41 Eacuteter vyplňujiacuteciacute praacutezdnyacute prostor
Na zaacutekladě zjištěniacute že zvuk pro sveacute šiacuteřeniacute vyžaduje přenosoveacute meacutedium bylo dřiacuteve předpoklaacutedaacuteno že
i světlo ke sveacutemu přenosu vyžaduje určiteacute prostřediacute Toto meacutedium bylo označeno pojmem eacuteter Eacuteter
byl zaveden nejen pro světlo ale i pro elektřinu magnetismus a teplo Britskyacute fyzik James Clarck
Maxwell zjistil že se elektromagnetickeacute vlny šiacuteřiacute rychlostiacute světla a navrhl existenci pouze jedineacuteho
eacuteteru [3]
Na zaacutekladě Maxwellovyacutech pozorovaacuteniacute provedl Albert Michelson v roce 1881 experiment kteryacute měl
prokaacutezat přiacutetomnost eacuteteru Negativniacute vyacutesledek pokusu byl později zpochybněn a tak byl v roce 1887
pokus mnohem přesněji zopakovaacuten za spolupraacutece Edwarda Morleyho Experiment byl v budoucnu
ještě mnohokraacutet zopakovaacuten avšak původniacute vyacutesledek experimentu byl potvrzen [4]
Na Obr41 je znaacutezorněn princip Michelson-Morleyho experimentu kteryacute jsem doplnil o šipky ve
směru paprsků světla Uprostřed rotujiacuteciacute kruhoveacute aparatury je umiacutestěno polopropustneacute zrcadlo Směr
pohybu eacuteteru vůči aparatuře je znaacutezorněn žlutyacutemi šipkami Ze zdroje světla (vlevo) vychaacuteziacute paprsek a
dopadaacute na polopropustneacute zrcadlo (uprostřed) kde se děliacute na dvě čaacutesti Vzniknou tak dva navzaacutejem
kolmeacute paprsky putujiacuteciacute k zrcadlům po okrajiacutech aparatury kde se opět odraacutežiacute a vracejiacute zpět
k prostředniacutemu polopropustneacutemu zrcadlu Paprsek vracejiacuteciacute se dolů čaacutestečně prochaacuteziacute polopropustnyacutem
zrcadlem směrem dolů ke stiacuteniacutetku a paprsek vracejiacuteciacute se ke středu od leveacuteho zrcadla je odražen takeacute
směrem dolů Čaacutesti obou paprsků tak dopadajiacute na stiacuteniacutetko kde se
a) vzaacutejemně zesiacuteliacute jestliže majiacute stejnou rychlost a dopadajiacute na stiacuteniacutetko se stejnou faacuteziacute
b) vytvořiacute interferenčniacute obrazec v přiacutepadě že pohybujiacuteciacute se eacuteter vůči aparatuře ovlivnil rychlost
jednoho z paprsků
c)
Obr 41 Model demonstrujiacuteciacute princip Michelson- Morleyho experimentu [5]
Experiment existenci takoveacuteho eacuteteru neprokaacutezal a tak se převaacutežnaacute vědeckaacute komunita od představy
eacuteteru odkolonila
15
Neschopnost lidskeacute mysli uchopit praacutezdnyacute prostor dala v historii vzniknout pojmu horror vacui
neboli strach z praacutezdnoty [21]
Italskyacute fyzik a matematik Evangelista Torricelli žijiacuteciacute v 17 stoletiacute vešel do povědomiacute širokeacute
veřejnosti jednak pro vědeckyacute přiacutespěvek v oboru matematiky ale předevšiacutem pro vynalezeniacute
barometru Torricelli při svyacutech pokusech experimentoval s dlouhou skleněnou trubiciacute deacutelky 12 m
kterou naplnil rtutiacute a poteacute ji otevřenyacutem koncem ponořil do naacutedoby plneacute rtuti Pozoroval že velkaacute čaacutest
rtuti v trubici zůstala a nad jejiacute hladinou vnikl vzduchopraacutezdnyacute prostor Stal se tak prvniacutem člověkem
v historii kteryacute vytvořil vzduchopraacutezdno neboli vakuum [7]
Obr 42 Aparatura Evangelisty Torricelliho diacuteky ktereacute vytvořil makroskopickeacute vakuum
Vakuum zastupuje širokou škaacutelu tlaků V technickeacute praxi naleacutezaacute širokeacute praktickeacute využitiacute a je proto
podle velikosti tlaku rozděleno děleno do kategoriiacute ktereacute jsou v Tab 42
Tab 41 Rozděleniacute vakua podle tlakoveacuteho paacutesma a množstviacute hmoty v objemu[22]
Tlakoveacute paacutesmo
Tlak Množstviacute hmoty
v objemu
[Pa] [molekulcm3]
Atmosfeacuterickyacute tlak 101times105 27 x 10
19
Hrubeacute vakuum 10+4
hellip10+2
1019
- 1016
Jemneacute vakuum 10+2
hellip10minus1
1016
- 1013
Vysokeacute vakuum (HV) 10minus1
hellip10minus5
1013
hellip109
Ultra vysokeacute vakuum (UHV) 10minus5
hellip10minus10
109hellip10
4
Extreacutemně vysokeacute vakuum (XHV) lt10minus10
lt104
16
Vynaacutelezce Otto von Guericke demonstroval siacutelu podtlaku analogiiacute s osmi spřaženiacutemi osmi koni kteřiacute
nejsou schopni společnyacutemi silami oddělit dvě poloviny vzduchopraacutezdneacute koule jak ukazuje Obr 43
Obr 43 Osm koniacute neniacute schopno od sebe oddělit dvě poloviny vzduchopraacutezdneacute koule [8]
Zařiacutezeniacute pro tvorbu vakua se nazyacutevaacute vyacutevěva I kdyby se naacutem podařilo sestrojit dokonalou vyacutevěvu
kteraacute by z prostoru odstranila všechny znaacutemeacute hmotneacute čaacutestice prostor by i tehdy nezůstal praacutezdnyacute
Klasickaacute teorie poklaacutedaacute vakuum za praacutezdnyacute prostor bez hmotnyacutech čaacutestic Je však nutneacute přihleacutednout
k faktu že existujiacute teorie a experimenty jež připouštějiacute že vakuum neniacute praacutezdneacute miacutesto toho je plneacute
aktivity a co je ještě důležitějšiacute lze tuto aktivitu využiacutet v našem reaacutelneacutem světě
42 Heisenbergův princip neurčitosti
Velmi důležityacutem zaacutekonem určujiacuteciacutem pravidla v kvantoveacutem světě je Heisenbergův princip neurčitosti
Ten řiacutekaacute že pro současneacute měřeniacute polohy x a hybnosti čaacutestice p nemůže byacutet součin neurčitostiacute v určeniacute
polohy Δx a hybnosti Δp čaacutestice menšiacute než redukovanaacute Planckova konstanta ħ Pro tuto konstantu platiacute
ħ = h2π =105410-34
Js Důsledkem Heisenbergova principu je že se na mikroskopickeacute uacuterovni může
narušovat zaacutekon zachovaacuteniacute energie a to takovyacutem způsobem že součin velikosti tohoto narušeniacute a
doby po kterou trvaacute je menšiacute než redukovanaacute Planckova konstanta V takoveacutem přiacutepadě nelze toto
porušeniacute pozorovat
Heisenbergův princip neurčitosti pro současneacute měřeniacute polohy a hybnosti čaacutestice maacute tvar
(5)
Heisenbergův princip neurčitosti pro současneacute měřeniacute času a energie čaacutestice maacute tvar
(6)
Platnost rovnice (6) vede tomu že ve vakuu mohou existovat velice rychleacute fluktuace energie ktereacute
vznikajiacute jako v důsledku vzniku tzv virtuaacutelniacutech čaacutestic a jejich antičaacutestic ktereacute velice rychle vznikajiacute a
zanikajiacute vlivem vzaacutejemneacute anihilace A to v čase daneacutem Heisenbergovyacutem principem neurčitosti [9]
17
43 Virtuaacutelniacute čaacutestice
Jednaacute se o čaacutestici kteraacute neniacute přiacutemo pozorovatelnaacute je zavedena z důvodu existence řady pozorovanyacutech
jevů Virtuaacutelniacute čaacutestice může existovat diacuteky Heisenbergovu principu neurčitosti a v časoveacutem okamžiku
daneacutem tiacutemto zaacutekonem narušuje zaacutekon o zachovaacuteniacute energie U reaacutelneacute čaacutestice jejiacutež existence nenarušuje
zaacutekon zachovaacuteniacute energie je splněn relativistickyacute vztah mezi celkovou energiiacute čaacutestice E jejiacute hybnostiacute p
a klidovou energiiacute U virtuaacutelniacute čaacutestice tento vztah mezi uvedenyacutemi fyzikaacutelniacutemi veličinami neplatiacute
Virtuaacutelniacute čaacutestice tak může miacutet třeba velmi velkou hybnost a jen velmi malou energii Existence
virtuaacutelniacute čaacutestice je omezena na velice kraacutetkou dobu Při neustaacuteleacutem vzniku a zaacuteniku těchto čaacutestic
vznikajiacute ve vakuu vysokofrekvenčniacute fluktuace elektromagnetickyacutech poliacute různyacutech vlnovyacutech deacutelek [9]
44 Casimirův jev
V roce 1958 holandskyacute fyzik M J Sparnaay předpověděl existenci sil mezi dvěma kovovyacutemi
deskami jejichž přiacutečinou nebylo tepelneacute zaacuteřeniacute Byl zaveden pojem zero point energy (energie
nuloveacuteho bodu) označujiacuteciacute elektromagnetickou energii vyskytujiacuteciacute se ve vakuu při absolutniacute nuloveacute
teplotě [18]
Důkazem existence teacuteto energie je uacutedajně fakt že helium zůstaacutevaacute i při teplotaacutech mezi -272degC až
273degC staacutele v kapalneacutem skupenstviacute a nedojde k jeho přeměně na skupenstviacute pevneacute [17]
Způsob jakyacutem by bylo možneacute projevy virtuaacutelniacutech čaacutestic experimentaacutelně změřit navrhl v roce 1948
holandskyacute fyzik Hendrik Casimir Casimir uvažoval o dvou paralelniacutech elektrodaacutech (zrcadlech)
umiacutestěnyacutech ve vakuu za teploty bliacutezkeacute absolutniacute nule Vně těchto zrcadel vakuoveacute fluktuace
elektromagnetickyacutech poliacute dosahujiacute širokeacuteho spektra energiiacute ovšem v souladu s Heisenbergovyacutemi
relacemi neurčitosti Jinaacute situace nastaacutevaacute mezi elektrodami ktereacute tvořiacute rezonaacutetor Zde mohou vznikat
pouze fluktuace určityacutech vlnovyacutech deacutelek ndash moacutedů rezonaacutetoru Ostatniacute vlnoveacute deacutelky jsou vněm
potlačeny Tato nerovnovaacuteha fluktuaciacute vně elektrod a mezi nimi způsobuje tlakovou siacutelu kteraacute
přitahuje elektrody k sobě Jev se nazyacutevaacute Casimirův jev (efekt) a je makroskopickyacutem projevem
kvantovyacutech jevů stejně jako napřiacuteklad supravodivost nebo supratekutost [10]
Obr 44 Demonstrace Casimirova jevu Dvě kovoveacute desky tvořiacute rezonaacutetor pouze pro některeacute vlnoveacute
deacutelky důsledkem je působeniacute přitažliveacute siacutely mezi těmito deskami [11]
Fluktuace
vakua Casimirovi
desky
18
441 Casimirova siacutela
Casimirův efekt se projevuje jako Casimirova siacutela Casimirovu siacutelu mezi vodivyacutemi elektrodami
způsobuje nerovnovaacuteha mezi kvantovyacutemi fluktuacemi elektromagnetickyacutech poliacute ve vakuu vně
elektrod a mezi nimi [10]
Casimirovu siacutelu lze vypočiacutetat na zaacutekladě vztahu (7) uvedeneacuteho v literatuře[17]
(7)
Na obr45 je graf Prof Dr Davida Iannuzziho kteryacute zobrazuje přibližně exponenciaacutelniacute naacuterůst
publikaciacute pojednaacutevajiacuteciacute o Casimirově vevu Tiacutem dokazuje značnyacute naacuterůst zaacutejmu o tento fenomeacuten
Obr 45 Naacuterůst publikaciacute tyacutekajiacuteciacutech se Casimirova jevu [8]
442 Aparatura pro měřeniacute Casimirova jevu
Laboratorniacute měřeniacute Casimirova jevu v Kalifornskeacute univerzitě v Riverside bylo provedeno na
miniaturniacute aparatuře pro měřeniacute kvantově mechanickyacutech efektů bdquopraacutezdneacuteho prostoruldquo Na Obr 46 je
kulička o průměru 01 mm zobrazenaacute skrze elektronovyacute mikroskop Kulička je umiacutestěna pod hladkou
destičkou (destička neniacute na obraacutezku) Diacuteky kvantově mechanickeacutemu Casimirovu efektu se kulička
k destičce přitahuje Změna pozice kuličky je měřena mikroskopem pro měřeniacute atomaacuterniacutech sil
19
Obr 46 Mikroskopickaacute aparatura pro měřeniacute Casimirova jevu
443 Tepelnyacute Casimirův jev
Při konečneacute teplotě vstupujiacute do hry tepelneacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole a přispiacutevajiacute tak k
siloveacutemu působeniacute mezi elektrodami Tepelneacute fluktuace jsou způsobeny chaotickyacutem pohybem
volnyacutech elektronů v materiaacutelu elektrod Paralelniacute elektrody opět představujiacute rezonaacutetor ve ktereacutem je
možneacute vybudit pouze určiteacute moacutedy Každyacute moacuted představuje stav s přesně určenou energiiacute Tyto stavy
jsou obsazovaacuteny fotony ktereacute reprezentujiacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole Obsazeniacute těchto
hladin popisuje Boseho-Einsteinovo rozděleniacute [10]
Boseho-Einsteinovo rozděleniacute popisuje ve statistickeacute fyzice systeacutemy složeneacute z bosonů tedy čaacutestic se
symetrickou vlnovou funkciacute a celočiacuteselnyacutem spinem Bose-Einsteinovyacutem rozděleniacutem se řiacutediacute napřiacuteklad
fotony je z něj tedy možneacute odvodit napřiacuteklad Planckův vyzařovaciacute zaacutekon [12]
Při nuloveacute teplotě všechny fotony obsadiacute pouze nejnižšiacute energetickou hladinu jak je vidět na Obr 47
S rostouciacute teplotou postupně dochaacuteziacute k obsazovaacuteniacute i dalšiacutech vyššiacutech energetickyacutech hladin Mezi
zrcadly vznikaacute dalšiacute přitažlivaacute siacutela kteraacute ovšem zaacutevisiacute na teplotě Jednaacute se tedy o tepelnyacute Casimirův
jev
Obr 47 Vlevo zaujiacutemajiacute bosony při teplotaacutech bliacutezkyacutech absolutniacute nule jedinyacute stav s nejnižšiacute energiiacute Se
vzrůstajiacuteciacute teplotou bosony (vpravo) postupně obsazujiacute stavy s vyššiacute energiiacute [13]
Přestože tepelnyacute Casimirův jev byl teoreticky předpovězen Jevgenijem Lifšicem v roce 1955 dočkal
se sveacuteho objevu až v roce 2010 Tento uacutekol se podařilo zvlaacutednout skupině vědců na americkeacute Yaleově
univerzitě Tepelneacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole byly opět měřeny prostřednictviacutem přitažliveacute
siacutely mezi dvěma elektrodami Připravit dokonale rovinneacute paralelniacute plochy je poměrně obtiacutežneacute a proto
20
byl experiment provaacuteděn s jednou rovinnou elektrodou a druhou elektrodou ve tvaru kuloveacute plochy
Obě elektrody byly vyrobeny ze zlata s přesnostiacute 10 nm (kulovaacute elektroda) a 1 nm (rovinnaacute elektroda)
Siacutela mezi elektrodami byla měřena pomociacute torzniacuteho kyvadla kde torzniacute siacutela wolframoveacuteho draacutetku o
průměru 25 μm byla vyrovnaacutevaacutena přitažlivou silou mezi elektrodami Kapacitniacute polohovyacute senzor
sniacutemal vyacutechylku torzniacuteho kyvadla Celyacute experiment probiacutehal při teplotě 300 K [14]
Obr 48 Scheacutema zařiacutezeniacute pro měřeniacute tepelneacuteho Casimirova jevu (pohled shora) [14]
Naměřeneacute vyacutesledky byly porovnaacutevaacuteny se dvěma teoretickyacutemi modely ndash plazmovyacutem modelem a
Drudeho modelem Tyto modely popisujiacute chovaacuteniacute permitivity elektrod v zaacutevislosti na frekvenci
Naměřeneacute vyacutesledky ukazujiacute shodu s Drudeho modelem při teplotě 300 K Podle tohoto modelu tepelnaacute
přitažlivaacute siacutela roste lineaacuterně s teplotou a klesaacute s druhou mocninou vzdaacutelenosti To znamenaacute že zatiacutemco
Casimirova siacutela převlaacutedaacute na velmi malyacutech vzdaacutelenostech tepelnaacute Casimirova siacutela dominuje na
velkyacutech vzdaacutelenostech Na obraacutezku niacuteže je znaacutezorněna přitažlivaacute siacutela naacutesobenaacute druhou mocninou
vzdaacutelenosti v zaacutevislosti na vzdaacutelenosti mezi elektrodami Podle Drudeho modelu bychom měli dostat
konstantniacute zaacutevislost v miacutestech kde převlaacutedaacute siacutela způsobenaacute tepelnyacutemi fluktuacemi Z Obr 49 je
patrneacute že od vzdaacutelenosti přibližně 3 μm daacutele dostaacutevaacuteme přibližně konstantniacute zaacutevislost [14]
Obr 49 Na vzdaacutelenostech většiacutech než 3 μm dochaacuteziacute ke změně charakteru přitažliveacute siacutely Převlaacutedaacute zde
siacutela způsobenaacute tepelnyacutemi fluktuacemi zatiacutemco na menšiacutech vzdaacutelenostech se viacutece uplatňuje siacutela
pochaacutezejiacuteciacutech z kvantovyacutech fluktuaciacute vakua [14]
21
5 Magnetismus
51 Magnetickeacute pole a jeho siloveacute uacutečinky
Fakt že některeacute nerosty s obsahem železa a jeho oxidů jeviacute jisteacute vzaacutejemneacute siloveacute působeniacute vedlo
člověka k vyacutezkumu hlubšiacute podstaty tohoto fenomeacutenu Magnetismu znaacutemeacutemu již ze středověku začala
byacutet později věnovaacutena značnaacute pozornost předevšiacutem diacuteky poznatku že lze vnějšiacute magnetickeacute pole
vyvolat průchodem proudu nosičů elektrickyacutech naacutebojů elektrickyacutemi vodiči Pokusy H Ch Oersteda s
vodiči zapojenyacutemi k elektrickeacutemu zdroji vykazovali siloveacute působeniacute na magnetku kompasu později
diacuteky A M Ampeacuterovu pokusu takeacute siloveacute působeniacute mezi vodiči proteacutekanyacutemi proudem [15]
Mezi tělesy z feromagnetickyacutech laacutetek se za jistyacutech okolnostiacute projevuje vnějšiacute působeniacute vnitřniacutech
atomaacuterniacutech sil do vnějšiacuteho prostřediacute prostor v okoliacute tělesa i uvnitř něho je magneticky polarizovaacuten a
magnetickeacute předměty se navzaacutejem přitahujiacute či odpuzujiacute v zaacutevislosti na směru vektoru jejich
magnetizace Ve vzdušneacutem prostřediacute lze magnetickou propustnost definovat jako hodnotu přibližně
rovnou permeabilitě vakua
Po odhaleniacute existence magnetismu došlo časem k prudkeacutemu naacuterůstu pokusů se snahou naleacutezt praktickeacute
využitiacute tohoto jevu v lidskeacutem životě Vznik elektrickyacutech strojů prudce zrychlil rozvoj většiny odvětviacute
lidskeacuteho baacutedaacuteniacute
Magnetickeacute pole a jeho siloveacute uacutečinky jsou přiacutetomny při
a) Pohybu elektrickyacutech naacutebojů v obvodu
b) Zmagnetovaacuteniacute magnetik
Kvantitativniacute miacuterou siloveacuteho působeniacute magnetickeacuteho pole je magnetickaacute indukce B
Magnetickeacute pole o indukci 1 T působiacuteciacute na naacuteboj jednoho coulombu kteryacute se pohybuje rychlostiacute 1ms
silou 1 Newtonu jestliže je směr rychlosti naacuteboje a směru působiacuteciacute siacutely kolmyacute
Siacutelu v elektromagnetickeacutem poli působiacuteciacute na jednotkovyacute zkušebniacute naacuteboj v pohybu lze popsat
Lorenzovyacutem vztahem [15]
Ze vztahu je zřejmeacute že rychlost zkušebniacute čaacutestice nemaacute vliv na siloveacute uacutečinky elektrickeacuteho pole
V poli čistě magnetickeacutem kdy je elektrickeacute pole nuloveacute platiacute pro siacutelu vztah
(8)
(9)
22
52 Magnetickyacute moment moment hybnosti a precese momentu hybnosti
Pohybuje-li se elektron po kružnici (obiacutehaacute-li jaacutedro vlivem dostřediveacute siacutely) jsou si jeho magnetickyacute
moment μ a moment hybnosti J uacuteměrneacute Velikost momentu hybnosti elektronu je rovna hmotnosti
elektronu vynaacutesobeneacute jeho rychlostiacute a poloměrem draacutehy kterou opisuje (Obr 51)
Obr 51 Na kruhoveacute draacuteze je magnetickyacute moment μ(q2m)-naacutesobkem momentu hybnosti J[16]
Jeho směr je kolmiacute na rovinu draacutehy Vztah (10) je ne relativistickyacute je však pro atomy dobryacutem
přibliacuteženiacutem
(10)
Magnetickyacute moment tohoto pohybu lze určit jako proud kraacutet obsah plochy kruhu dle vztahu
Proud se vypočiacutetaacute jako naacuteboj kteryacute za jednotku času projde libovolnyacutem bodem draacutehy tj naacuteboj q kraacutet
frekvence kruhoveacuteho pohybu Frekvence je zase rychlost dělenaacute deacutelkou draacutehy takže platiacute
Plocha maacute obsah magnetickyacute moment je tedy možneacute vyjaacutedřit vztahem
Magnetickyacute moment a teacutež moment hybnosti J jsou kolmeacute na rovinu draacutehy Pro orbitaacutelniacute pohyb tedy
platiacute
Pro orbitaacutelniacute pohyb elektronu platiacute
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
23
Magnetismus od orbitaacutelniacuteho pohybu elektronu neniacute jedinyacute existujiacuteciacute druh magnetismu Elektron maacute i
svou vlastniacute rotaci kolem osy Důsledkem je spinovyacute moment hybnosti elektronu neboli vlastniacute
moment hybnosti Pro spinovyacute moment hybnosti se takeacute použiacutevaacute označeniacute spin Z překladu
z angličtiny jde rotace Pojem spin byl zaveden v době kdy se předpoklaacutedalo že jde o rotaci nicmeacuteně
v makrosvětě nemaacute spin analogii a člověk je nucen použiacutet idealizovanou představou rotace [16]
Poměr a je dvakraacutet tak tak velkyacute oproti orbitaacutelniacutemu pohybu elektronu proto je spinovyacute
magnetickyacute moment
Obecně je v každeacutem atomu několik elektronů a tak je celkovyacute moment hybnosti a celkovyacute magnetickyacute
moment daacuten složeniacutem jejich orbitaacutelniacutech a spinovyacutech momentů hybnosti V kvantoveacute mechanice
obecně platiacute že směr magnetickeacuteho momentu izolovaneacuteho atomu maacute opačnyacute směr než moment
hybnosti [16]
Někdy je magnetickyacute moment směsiciacute orbitaacutelniacutech a spinovyacutech přiacutespěvků jejichž vztah můžeme zapsat
Značka g je tzv Landeacuteho faktor a určeniacute jeho velikosti je předmětem kvantoveacute mechaniky
V přiacutepadě atomovyacutech jader figurujiacute naviacutec i spiny protonů a neutronů Pro jaacutedra obecně piacutešeme
Precese pohyb atomovyacutech magnetů v magnetickeacutem poli
Umiacutestěniacutem atomu do magnetickeacuteho pole je magnetickyacute moment ovlivňovaacuten momentem siacutely kteraacute se
jej snažiacute pootočit do směru pole Atomovyacute magnet je jako setrvačniacutek ndash maacute spinovyacute moment hybnosti
Moment siacutely způsobenyacute magnetickyacutem polem proto nedokaacuteže atomovyacute magnet udržet
v daneacutem směru Magnet proto bude vykonaacutevat precesniacute pohyb podobnyacute precesi mechanickeacuteho
setrvačniacuteku[16]
Rotuje-li těleso okolo osy zaznamenaacuteme u něj jistou podobnost v chovaacuteniacute s elementaacuterniacutem atomovyacutem
magnetem o momentu hybnosti
Jevy zjevneacute při rotaci tělesa lze popsat naacutesledujiacuteciacutemi tvrzeniacutemi
Pokud na rotujiacuteciacute těleso nepůsobiacute vnějšiacute siacutely zachovaacutevaacute si osu svojiacute rotace Nenulovyacute moment
siacutely působiacuteciacute na rotujiacuteciacute těleso ovlivňuje osu jeho rotace tiacutem viacutece čiacutem maacute těleso menšiacute
moment hybnosti
Když nutiacuteme rotujiacuteciacute těleso změnit osu svojiacute rotace chovaacute se tak že se snažiacute ztotožnit s osou
vynuceneacute rotace
(16)
(
) (17)
(
) (18)
24
Precese subatomaacuterniacutech čaacutestic v magnetickeacutem poli se s vyacutehodou využiacutevaacute v metodaacutech magnetickeacute
jaderneacute a elektronoveacute paramagnetickeacute rezonance
Nabiacuteziacute se otaacutezka jestli je možneacute určityacutem způsobem převeacutest siloveacute uacutečinky precesniacuteho pohybu
momentu hybnosti na mechanickyacute pohyb v nějakeacutem elektrickeacutem stroji Projevy rezonančniacutech jevů
jsou u všech typů magnetickyacutech rezonanciacute však velice slabeacute a frekvence Larmorovy precese s jakou
vektor magnetickeacuteho momentu rotuje ve vnějšiacutem poli je u elektronů ktereacute jsou přiacutečinou magnetismu
u feromagnetik až v řaacutedech GHzT Tiacutem paacutedem by musel mechanickyacute systeacutem v pracujiacuteciacute v rezonanci
s precesniacute frekvenciacute momentu hybnosti kmitat či rotovat teacutež v řaacutedech GHz nebo v jisteacutem poměru k
prvniacute harmonickeacute teacuteto frekvence
25
6 Nekonvenčniacute elektrickeacute stroje
Podle autorů elektrickyacutem motorů jsou motory založeneacute na jistyacutech principech schopny pracovat s
uacutečinnostiacute překračujiacuteciacute 100 Ve čtvrteacute kapitole hovořiacuteciacute o vakuu je popsaacuten Casimirův jev jako
důsledek narušeniacute symetrie prostorovyacutech fluktuaciacute elektromagnetickyacutech poliacute vakua mezi dvěma
kovovyacutemi deskami Vezmeme-li v uacutevahu teorii o prostoru vyplněneacutem vznikajiacuteciacutemi a zanikajiacuteciacutemi
virtuaacutelniacutemi čaacutesticemi nabiacuteziacute se otaacutezka Je možneacute zkonstruovat systeacutem kteryacute by energii projevujiacuteciacute se
jako fluktuace elektromagnetickyacutech poliacute vakua proměnil na užitečnou elektrickou či mechanickou
energii v takoveacute měřiacutetku aby byl schopnyacute napaacutejet elektrickeacute obvody sveacuteho řiacutezeniacute popř dodaacutevat
vyacutekon do vnějšiacute zaacutetěže Ze znalosti termodynamickyacutech zaacutekonů jasně vypliacutevaacute možnost využitiacute
teplotniacuteho rozdiacutelu dvou prostřediacute k ziacuteskaacuteniacute užitečneacute energie Tepelnaacute čerpadla jsou toho důkazem
Vzhledem k existenci elektromagnetickeacute energie vakua i při absolutniacute nule je možneacute tuto energii
považovat za vstupniacute energii do systeacutemu zobrazeneacuteho blokově na Obr 61
Obr 61 Blokoveacute scheacutema systeacutemu napaacutejeneacuteho energiiacute odčerpaacutevanou z okolniacuteho prostřediacute
Energie vstupuje do systeacutemu z vnějšiacuteho prostřediacute a sloužiacute pro napaacutejeniacute vnějšiacute zaacutetěže i systeacutemu
samotneacuteho
Systeacutem
Vstup energie do systeacutemu
z okolniacuteho prostřediacute
Vyacutestup využitelneacute
formy energie
Energie potřebnaacute pro řiacutezeniacute
systeacutemu se z vyacutestupu navraciacute
zpětnou vazbou
26
61 Johnsonův motor
V roce 1973 pět let po podaacuteniacute přihlaacutešky byl Howardu Johnsonovi udělen patent US 4151431 na
motor s permanentniacutemi magnety V roce 1995 pak patent US 5402021 popisujiacuteciacute magnetickyacute
pohonnyacute systeacutem založenyacute na obdobneacutem principu Oba tyto systeacutemy uacutedajně využiacutevajiacute ke konaacuteniacute praacutece
pouze siacutely permanentniacutech magnetů Ačkoli dnešniacute věda zavrhuje využitiacute vnějšiacutech projevů
subatomaacuterniacuteho pohybu čaacutestic hmoty permanentniacutech magnetů ke konaacuteniacute nepřetržiteacute praacutece v systeacutemu
Johnson uacutedajně připouštiacute že přesně neviacute odkud se energie kterou čerpaacute bere Ale domniacutevaacute se že
může miacutet souvislost s rotaciacute elektronů možnaacute dokonce souvisiacute s dosud nepojmenovanou čaacutesticiacute
V roce 1980 vyšel v dnes již zanikleacutem časopisu Science and Mechanics člaacutenek o Johnsonově motoru
popisujiacuteciacute vzaacutejemneacute interakce mezi magnety rotoru a statoru
Konstrukčniacute uspořaacutedaacuteniacute Johnsonova motoru
Obr 62 Čelniacute pohled do Johnsonova motoru Stator maacute po obvodu rozmiacutestěny tři obloukoviteacute
magnety Rotoroveacute magnety jsou vzaacutejemně odděleny vzduchovyacutemi mezerami [16]
Z Předniacuteho pohledu do motoru na Obr 62 jsou vidět tři obloukoviteacute permanentniacute magnety statoru
pravidelně rozmiacutestěneacute kolem rotoru
Obr 63 Z bočniacuteho pohledu do motoru je patrnaacute šroubovitaacute hřiacutedel kteraacute sloužiacuteciacute k zabrzděniacute stroje
[16]
27
Obr 64 Horniacute pohled na dva obloukoviteacute statoroveacute magnety navzaacutejem posunuteacute a překryacutevajiacuteciacute
magnety rotoru [16]
Obr 65 Průběhy změny indukce během změny polohy jižniacuteho a severniacuteho poacutelu magnetu statoru vůči
rotorovyacutem magnetům
Obr 66 Naznačeniacute pohybu obloukovyacutech magnetů rotoru nad statorovyacutemi magnety
Popis principu
Obr 66 ukazuje některeacute zaacutekladniacute vztahy Plneacute čaacutery představujiacute přitažliveacute siacutely přerušovaneacute čaacutery
představujiacute odpuzovaacuteniacute a dvojiteacute čaacutery v obou přiacutepadech znaacutezorňujiacute dominantniacute siacutely
Na Obr 66 je obloukově zakřivenyacute permanentniacute magnet ve třech po sobě naacutesledujiacuteciacutech polohaacutech nad
pevnyacutemi statorovyacutemi magnety Obr 66 poskytuje alespoň velmi zjednodušenyacute pohled do teorie
28
pohonu pomociacute permanentniacutech magnetů Johnson řiacutekaacute že zakřiveneacute magnety s ostryacutemi konci jsou
důležiteacute protože koncentrujiacute magnetickou energii mnohem uacutečinněji než magnety s tupyacutemi konci Tyto
obloukoviteacute magnety jsou o něco delšiacute než je deacutelka dvou magnetů statoru včetně mezery mezi nimi V
Johnsonově konstrukci jsou dlouheacute
palce
Všechny statoroveacute magnety majiacute severniacute poacutel nahoře a spočiacutevajiacute na podložce vyrobeneacute z materiaacutelu s
vysokou permeabilitou kteraacute pomaacutehaacute koncentrovat silovaacute pole Optimaacutelniacute mezera mezi konci
rotorovyacutech magnetů a statorem je kolem
palce
Když se severniacute poacutel magnetu rotoru nachaacuteziacute nad statorovyacutem magnetem je jiacutem odpuzovaacuten a je ke
statoru přitahovaacuten když prochaacuteziacute nad mezerou mezi statorovyacutemi magnety Přesně opačneacute siacutely působiacute
u jižniacuteho poacutelu rotoroveacuteho magnetu Je přitahovaacuten když prochaacuteziacute nad statorovyacutem magnetem a je
odpuzovaacuten když se nachaacuteziacute nad mezerou
Předniacute poacutel N rotoru je odpuzovaacuten severniacutemi poacutely dvou přilehlyacutech magnetů Ale v zobrazeneacute poloze
magnetu rotoru tyto dvě odpudiveacute siacutely (ktereacute zřejmě působiacute proti sobě) nejsou totožneacute většiacute z obou sil
(dvojitaacute přerušovanaacute čaacutera) překonaacutevaacute druhou siacutelu a taacutehne rotor doleva Tento pohyb vlevo je zrychlen
přitažlivou silou mezi severniacutem poacutelem rotoru a jižniacutem poacutelem v mezeře mezi statorovyacutemi magnety
Současně na druheacutem konci (S) rotoroveacuteho magnetu Deacutelka tohoto magnetu je cca
palce a je
zvolena s ohledem na velikost paacuteru statorovyacutech magnetů a mezery mezi nimi aby přiacutetažliveacute a
odpudiveacute siacutely taacutehly magnety rotoru doleva V tomto přiacutepadě je poacutel S přitahovaacuten severniacutemi poacutely
přilehlyacutech statorovyacutech magnetů ale z důvodu rozměrů rotoroveacuteho magnetu je rotor silněji tažen
doleva (dvojitaacute plnaacute čaacutera) Takeacute zde je s vyacutehodou využito siloveacute působeniacute mezi koncem rotoroveacuteho
magnetu a mezerou mezi magnety statoru V tomto přiacutepadě majiacute oba poacutely stejnou polaritu (S) proto se
vzaacutejemně odpuzujiacute
Je nutneacute dodržet spraacutevnou deacutelku magnetů rotoru Jestliže jsou buď přiacuteliš dlouheacute nebo přiacuteliš kraacutetkeacute
mohou dosaacutehnout nežaacutedouciacute rovnovaacutehy kteraacute znamenaacute konec pohybu Ciacutelem je optimalizovat
všechny siacutely tak aby bylo dosaženo maximaacutelniacute nerovnovaacutehy ale vždy stejnyacutem směrem Když se rotor
otočiacute o 180 stupňů a dostane se na opačnyacute konec draacutehy bude se chovat stejnyacutem způsobem až na to že
se v tomto přiacutekladu bude pohybovat zleva doprava Takeacute musiacuteme poznamenat že jakmile je rotor v
pohybu maacute moment kteryacute pomůže dostat rotorovyacute magnet do sfeacutery vlivu dalšiacuteho paacuteru magnetů
statoru kde ziacuteskaacute dalšiacute moment [25]
29
62 Adamsův motor generaacutetor
Podle informačniacuteho zdroje [26] byl vynaacutelez Roberta Adamse viacutece než 20 let držen v tajnosti Jeho
autorovi bylo vyhrožovaacuteno smrtiacute v přiacutepadě že bude šiacuteřit informace tyacutekajiacuteciacute se principů na nichž jeho
motorgeneraacutetor pracuje Informace byly po letech zveřejněny internetoveacutem magaziacutenu Nexus
Adams ke sveacutemu stroji vytvořil publikaci The Adams pulsed motor generator manual ve ktereacute uvaacutediacute
naacutesledujiacuteciacute obraacutezkoveacute ilustrace Autor v něm teacutež předklaacutedaacute grafy naměřenyacutech průběhů napětiacute pro
různeacute režimy stroje
Robert Adams tvrdiacute Naacuteš vesmiacuter je moře volneacute čisteacute energie A čekaacute jen na to abychom ji začali
využiacutevat
Vlastnosti a vyacutehody Adamsova motor generaacutetoru uvedeneacute Robertem Adamsem
1) Překonaacutevaacute zpětnou elektromotorickou siacutelu kteraacute je probleacutemem všech konvenčniacutech strojů
2) Střiacutedavě zapřahuje ZES tedy zanikajiacuteciacute magnetickeacute pole čiacutemž zvyšuje moment a snižuje
přiacutekon
3) V režimu motorgeneraacutetoru nevyžaduje k vyacuterobě elektrickeacuteho vyacutestupniacuteho vyacutekonu
oddělenyacute motor
4) Pro běh stroje a vyacuterobu vyacutestupniacuteho vyacutekonu využiacutevaacute jedinyacute rotor
5) Všechny poacutely rotoru majiacute stejnou polaritu
6) Statoroveacute hnaciacute vinutiacute a poacutely jsou menšiacutech rozměrů
7) Velikost vzduchoveacute mezery neniacute kritickaacute
8) Nevyžaduje chladiacuteciacute ventilaacutetor
9) Stroj nevyžaduje konstantniacute vstupniacute proud
10) Naacutevrh stroje je naacutesledujiacuteciacute
a) Energie je vede zpět do baterioveacuteho zdroje
b) Magnetickyacute zpětnyacute tah je prakticky nulovyacute
c) Teplota při plneacutem zatiacuteženiacute je polovičniacute ve srovnaacuteniacute s jakyacutemkoliv konvenčniacutem strojem
d) S ohledem na způsob mechanickeacuteho spiacutenaacuteniacute kteryacute zajišťuje zužujiacuteciacute se hvězda
kontaktniacuteho disku je možneacute měnit střiacutedu impulzů
11) V režimu vysokeacute uacutečinnosti stroj čerpaacute energii z prostoru
12) Čiacutem nižšiacute rychlostiacute se otaacutečiacute tiacutem dosahuje vyššiacute uacutečinnosti a krouticiacuteho momentu na rozdiacutel
od konvenčniacutech strojů
13) V rezonančniacutem režimu nejsou přiacutetomny jaloveacute ztraacutety a stroj vykazuje konstantniacute vyacutekon a
moment
14) Jelikož se směr energie ze zdroje neměniacute nejsou přiacutetomny ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy a
hystereziacute
15) Stroj se ve všech pracovniacutech režimech saacutem chraacuteniacute před některyacutemi nepřiacuteznivyacutemi situacemi
ktereacute v jinyacutech přiacutepadech vyžadujiacute doplňujiacuteciacute zařiacutezeniacute
16) Vysokeacute otaacutečky nejsou nutneacute čiacutemž odpadajiacute probleacutemy s nimi spojeneacute
17) Stroj je možneacute elektricky zatiacutežit a počiacutetat s naacuteslednyacutem naacuterůstem vyacutestupniacute energie od 50
přes 100 a to bez přetiacuteženiacute nebo naacuterůstu teploty nad normaacutelniacute pracovniacute teplotu
30
18) Stroj je saacutem o sobě obdivuhodně jednoduchyacute a nevyžaduje draheacute obvody pro řiacutezeniacute
rychlosti [26]
Popis zaacutekladniacute konstrukce
Adamsův motor-generaacutetor je elektrickyacute stroj s permanentniacutemi magnety radiaacutelně uloženyacutemi v rotoru
Stroj je uacutedajně možneacute zkonstruovat v různyacutech konfiguraciacutech podle toho zda požadujeme vyacutestupniacute
vyacutekon spiacuteše elektrickyacute nebo mechanickyacute
Zaacutekladniacute konfigurace stroje určenaacute pro vyacutestup elektrickeacuteho vyacutekonu ze stroje obsahuje tři druhy
statorovyacutech magnetickyacutech poacutelů vhodně rozmiacutestěnyacutech kolem rotoru s permanentniacutemi magnety
1 Permanentniacute magnety rotoru jsou všechny polarizovaacuteny ve stejneacutem směru Tok
magnetickeacute indukce všech vystupuje buď ven nebo dovnitř směrem ke hřiacutedeli
Obr 67 Magnety jsou pro zvyacutešeniacute vyacutekonu stroje uloženy v několika rotorovyacutech sekciacutech
2 Řiacutediacuteciacute poacutely jsou napaacutejeny pulzně v zaacutevislosti na poloze rotoru vůči statoru a to skrze
mechanickyacute komutaacutetor Ciacutevky jsou navinuty na jaacutedra ze kteryacutech vystupuje magnetickyacute tok
v opačneacutem směru oproti toku permanentniacutech magnetů v rotoru Rotor se pohybuje jelikož je
odpuzovaacuten těmito silovyacutemi uacutečinky
Obr 68 Pulzně buzeneacute ciacutevky
31
3 Zpětnovazebniacute poacutely jsou navinuty na magnetickyacutech jaacutedrech a jsou napaacutejeny elektrickou
energiiacute kteraacute se zpětně indukuje do elektrickeacuteho obvodu řiacutediacuteciacutech ciacutevek v důsledku prudkeacuteho
přerušeniacute dodaacutevky proudu Magnetickeacute pole v prostoru vzduchoveacute mezery a rozptylovyacutech
drahaacutech se snažiacute zaacuteniku proudu zabraacutenit čiacutemž vznikaacute prudkyacute energetickyacute skok
Obr 69 Zpětnovazebniacute ciacutevky
4 Generaacutetorickeacute poacutely generujiacute proud do připojeneacute zaacutetěže
Obr 610 Zpětnovazebniacute ciacutevky
5 Permanentniacute poacutely statoru jsou tvořeny feritovyacutemi magnety rozmiacutestěny po obvodu rotoru podle
konfigurace na Obr611a majiacute za uacutečel zvyacutešit mechanickyacute moment rotoru
32
Obr 611 Rozmiacutestěniacute permanentniacutech magnetů po obvodu statoru
Na Obr 612 je princip spiacutenaacuteniacute proudu do ciacutevek statoru řešenyacute prostřednictviacutem mechanickeacuteho
komutaacutetoru ve tvaru čtyřciacutepeacute hvězdy Při otaacutečeniacute dochaacuteziacute v jistyacutech polohaacutech ke spojeniacute kontaktů
dosedajiacuteciacutech na komutaacutetor a proud tekouciacute ciacutevkami v nich vybudiacute magnetickyacute indukčniacute tok kteryacute
svyacutemi uacutečinky odpuzuje permanentniacute magnety v rotoru Na obraacutezku je naznačen princip motoru a
způsob měřeniacute otepleniacute jaacutedra při daneacute mechanickeacute zaacutetěži Do jaacutedra je vyvrtaacuten otvor do nějž je
zasunuta teplotniacute sonda Otepleniacute jaacutedra by nemělo překročit 40 degC
Obr 612 Zaacutekladniacute konstrukce Adamsova motoru sloužiacuteciacute pro demonstraci nastaveniacute vhodneacute velikosti
proudu tekouciacuteho do vinutiacute ciacutevek při požadovaneacute mechanickeacute zaacutetěži
33
Obr 613 Vyacutekres Adamsova motor generaacutetoru s osmi permanentniacutemi magnety v rotoru
stejnosměrnyacutemi pulzniacutemi ciacutevkami a generaacutetorovyacutemi ciacutevkami navinutyacutemi na odlišnyacutech magnetickyacutech
jaacutedrech
Robert Adams ve sveacute publikaci uvaacutediacute na Obr 614 zaznamenaacuteny průběhy hodnot napětiacute na bateriiacutech
postupně připojovanyacutech na elektrickyacute vyacutestup stroje Přičemž hodnota napětiacute na vstupniacute napaacutejeciacute baterii
se měniacute jen nepatrně Na zaacutekladě těchto dat uvedenyacutech v Tab 61 Adams stanovuje uacutečinnost motor
generaacutetoru
Obr 614 Baterie na vyacutestupu jsou postupně dobiacutejeny přičemž velikost napětiacute na vstupniacute baterii se
snižuje jen nepatrně
34
Naacutesledujiacuteciacute tabulka shrnuje vyacutesledky naměřeneacute v grafu na Obr 614
Tab 61 Souhrn vyacutesledků naměřenyacutech hodnot napětiacute na vyacutestupniacutech bateriiacutech
Dokonalejšiacute konstrukce Adamsova motor generaacutetoru
Konstrukce zde popisovanaacute je realizovaacutena jako model pro měřeniacute uacutečinnosti tohoto motoru avšak
s několika podstatnyacutemi konstrukčniacutemi rozdiacutely o nichž se zmiňuji při popisu realizovaneacuteho stroje
Rotor na Obr 615 maacute 7 vyniklyacutech poacutelů rotoru a 8 statorovyacutech jader Je možneacute použiacutet i 6 jader ve
statoru při použitiacute stejneacuteho rotoru Tiacutem však dojde ke sniacuteženiacute uacutečinnost stroje Počet rotorovyacutech a
statorovyacutech poacutelů by neměl byacutet v celočiacuteselneacutem poměru
Obr 615 Konfigurace se 6 poacutely statoru a 7 poacutely rotoru Magnetizačniacute vinutiacute protějšiacutech poacutelů
statoru jsou spojena do seacuterie
Popis principu činnosti během otaacutečeniacute rotou
Na Obr 616 (a) je poacutel rotoru R1 přesně mezi statorovyacutemi poacuteli S1 a S2 a představme si že směřuje k S2
a je jiacutem přitahovaacuten až do chviacutele kdy je v pozici na obr (c) Nyniacute je zarovnaacuten s jaacutedrem statoru jehož
vinutiacutem začne proteacutekat proud kteryacute maacute takovou polaritu aby došlo k odpuzovaacuteniacute rotoroveacuteho poacutelu ze
zarovnaneacute pozice Tiacutem paacutedem je vlivem siloveacute interakce magnetickyacutech polyacute rotoru urychlovaacutem a
proud teče do statoroveacuteho vinutiacute až do chviacutele kdy je vpozici na obr (e) Nyniacute je protějšiacute statororoveacute
jaacutedro zarovnaacuteno s rotorovyacutem poacutelem
Baterie č
(vyacutestup)
Počaacutetečniacute
napětiacute
baterie
[V]
Doba běhu
stroje [h]
Konečneacute
napětiacute baterie
[V]
Naacuterůst
napětiacute
baterie oproti
počaacutetečniacute
hodnotě 102 V
[V]
Uacutečinnost []
1 102 33 1142 122 610
2 1172 15 1184 162 810
3 114 66 1201 181 905
35
Podiacutevejme se co se během toho děje na protějšiacute straně rotoru
Rotorovyacute poacutel R4 na obr (a) je praacutevě zarovnaacutem se statorovyacutem jaacutedrem S5 Tudiacutež je do vinutiacute tohoto
jaacutedra S5 přiveden proud jehož uacutečinky jsou i vtomto přiacutepadě vyvolajiacute odpuzovaacuteniacute poacutelu R4 Proud
vinutiacutem jaacutesdra S5 proteacutekaacute do chviacutele na obr(c) kdy dojde k demagnetizaci statoroveacuteho jaacutedra S2
Obr 617 Vzaacutejemeacute polohy rotoru vůči statorovyacutem poacutelům pro popis principu
Rotor je roztaacutečen těmito silovyacutemi přiacutespěvky
a) Rotorovyacute poacutel je přitahovaacuten ke statorovyacutem magnetickyacutem jaacutedrům vlivem projevu magnetickyacutech
sil permanentniacutech magnetů prostupujiacuteciacutech vzduchovou mezeru a uzaviacuterajiacuteciacutech se přes jaacutedra
statoru
b) Rotor je po zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru se statorovyacutem daacutele roztaacutečen vlivem odpudivyacutech
sil mezi poacutely rotoru a řiacutediacuteciacutemi poacutely statoru Vinutiacute řiacutediacuteciacutech poacutelů je napaacutejeno elektrickyacutemi
impulzy v zaacutevislosti na poloze rotoru vůči statoru Intenzita magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute
mezeře je nejvyššiacute při zarovnaacuteniacute poacutelů statoru a rotoru
Na Obr je pohled do vnitřniacute struktury magnetickeacuteho obvodu popisovaneacuteho stroje
12 podeacutelneacute magnetickeacute poacutely statoru s vysokou permeabilitou
13 rotoroveacute sekce s vyniklyacutemi poacutely
14 hřiacutedel
15 permanentniacute magnety uloženeacute ve středoveacutem pouzdru
16 otvor pro permanentniacute magnety
17 Disk sloužiacuteciacute jako pouzdro magnetů
Obr 618 Pohled na do struktury rotoru
36
Dalšiacutemi motory ktereacute uacutedajně pracujiacute s vysokou jsou Bediniho motor Takahasiho motor a Kawaiův
motor
63 Systeacutem pro přeměnu energie elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute na
elektrickou energii
Americkyacute patent č 5590031 podanyacute 24 července 1994 Franklinem B Meadem a Jackem
Nachamkinem popisuje zařiacutezeniacute přeměňujiacuteciacute vysokofrekvenčniacute elektromagnetickou energii
vakuovyacutech fluktuaciacute vznikajiacuteciacutech jako projev virtuaacutelniacutech čaacutestic teacutež označovanou pojmem bdquozero point
energyldquo na užitečnou elektrickou energii Pojem zero point energy neboli energie nuloveacuteho bodu byl
zaveden vzhledem k faktu že i při teplotě absolutniacute nule (0 K = -27315 degC) vakuum obsahuje energii
fluktuaciacute elektromagnetickyacute poliacute jako důsledek projevů vznikajiacuteciacutech a zanikajiacuteciacutech virtuaacutelniacutech čaacutestic
Na Obr 619 je znaacutezorněn princip zařiacutezeniacute Čiacuteslo 216 symbolizuje vysokofrekvenčniacute
elektromagnetickeacute zaacuteřeniacute Pomociacute litografickeacute technologie jsou vytvořeny dielektrickeacute struktury
(212) a (214) tvaru koule polokoule či disku Tyto struktury jsou velice maleacute a jejich velikost musiacute
byacutet v přiacutemeacutem poměru k vlnoveacute deacutelce elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute Struktury jsou připevněny na
zaacutekladoveacutem substraacutetu (236) a rozloženy do pole (238) Tyto struktury se vlivem působeniacute
elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute pohybujiacute s mnohem menšiacute frekvenciacute než jakou maacute elektromagnetickeacute
zaacuteřeniacute ktereacute jejich pohyb vyvolalo Naacutesledkem pohybu se v anteacuteně (222) indukuje elektrickaacute energie o
využitelneacute frekvenci Jednotliveacute anteacuteny mohou miacutet tvar smyčky nebo mohou byacutet dipoacuteloveacute
Indukovanyacute proud je naacutesledně veden vodiči (226) nebo vlnovodem do primaacuterniacuteho obvodu (228)
transformaacutetoru (232) Kondenzaacutetor (230) sloužiacute pro vyladěniacute rezonančniacuteho obvodu V sekundaacuterniacutem
obvodu je střiacutedavyacute proud usměrněn diodou (234)[17]
Obr 619 Scheacutema zařiacutezeniacute pro přeměnu vysokofrekvenčniacute elektromagnetickeacute energie na využitelnou
formu elektrickeacute energie [14]
37
7 Feromagnetickeacute materiaacutely
Tvar hysterezniacute smyčky magnetickeacuteho materiaacutelu zaacutevisiacute na chemickeacutem složeniacute feromagnetika a na jeho
tepelneacutem zpracovaacuteniacute Z analogie s mechanickou tvrdostiacute rozlišujeme magneticky měkkaacute
feromagnetika kteraacute dobře vedou magnetickyacute tok a tvrdaacute feromagnetika z nichž se vyraacutebiacute
permanentniacute magnety Na Obr71 je naacutezorneacute rozděleniacute magneticky měkkyacutech polotvrdyacutech a tvrdyacutech
materiaacutelů
Obr 71 Rozděleniacute magnetickyacutech materiaacutelů na měkkeacute polotvrdeacute a tvrdeacute
71 Magneticky měkkaacute feromagnetika
Pro vedeneacute magnetickeacuteho toku v magnetickeacutem obvodu motoru je využito měkkyacutech feromagnetik jež
se vyznačujiacute strmou magnetizačniacute křivkou a uacutezkou hysterezniacute smyčkou Majiacute vysokou počaacutetečniacute
a maximaacutelniacute permeabilitu a malou koercivitu Hclt103
Am Často lze hysterezi zanedbat a je možneacute
uvažovat pouze s magnetizačniacute křivkou1
Na trhu s magnetickyacutemi materiaacutely figuruje řada vyacuterobců a distributorů Naacutesledujiacuteciacute z nich jsem
oslovil s prosbou o poskytnutiacute vzorků magnetickyacutech jader pro měřeniacute magnetickyacutech vlastnostiacute
1 aplik
38
711 Vyacuterobci měkkyacutech feromagnetickyacutech materiaacutelů
a) Firma Therma FM
Firma Therma FM vyraacutebiacute magnetickeacute obvody z anizotropniacutech plechů a nabiacuteziacute i izotropniacute
dynamoplechy Materiaacutely pro vyacuterobu jader firma odebiacuteraacute od společnosti ThyssenKrupp
Jaacutedra pro jednofaacutezoveacute transformaacutetory jsem použil jako statoroveacute jaacutedra realizovaneacuteho motoru
Při vyacuterobě naviacutejeno na obdeacutelniacutekoveacute kopyto o rozměrech odpoviacutedajiacuteciacutech požadovaneacute velikosti okna pro
primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Jaacutedro je po navinutiacute z transformaacutetoroveacuteho plechu rozřiacuteznuto na dvě
poloviny jedna z nich je na Obr Xx Po rozřiacuteznutiacute jaacutedra je možneacute nasunout vinutiacute
Obr 72 Fotografie jedneacute poloviny jaacutedra pro jednofaacutezoveacute transformaacutetory
Magnetickeacute vlastnosti jaacutedra vyrobeneacuteho z materiaacutelu M150-30S jsou uvedeny v Tab71
Tab 71 Magnetickeacute vlastnosti jaacutedra stanoveneacute normou EN 10107
Norma Tloušťka
Max ztraacuteta v
jaacutedře při 15 T
[Wkg]
Maximaacutelniacute ztraacuteta
v jaacutedře při 17 T
[Wkg]
Min
J800
Nejmenšiacute
činitel
plněniacute
Typ
EN 10107 mm 50 Hz 50 Hz 60 Hz T PowerCore
M 150-30 S 030 097 150 197 175 0955 C 150-30
Magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelů jakosti M150-30S a M600-50 na Obrxx jsou zrekonstruovaneacute
podle z katalogovyacutech křivek vyacuterobce Thyssen Krupp
39
Obr 73 B-H charakteristiky jader z orientovanyacutech (M150-30S) trafoplechů a
neorientovanyacutechdynamoplechů M600-50
0
05
1
15
2
25
0 250 500 750 1 000 1 250 1 500 1 750 2 000
B [T]
H [Am]
Magnetizačniacute charakteristiky
M150-30S
M600-50
40
b) Firma Vacuumschmelze (VAC)
Tento německyacute vyacuterobce poskytnul dva vzorky toroidniacutech jader s nanokrystalickou strukturou Materiaacutel
je prodaacutevaacuten pod obchodniacutem naacutezvem Vitroperm 500F a vynikaacute velice uacutezkou hysterezniacute smyčkou
vysokou hodnotou magnetickeacute indukce při maleacute koercivitě Zaacutekladniacute složkou Vitropermu je Fe
s přiacuteměsemi Si B Nb a Cu
Tab 72 Magnetickeacute vlastnosti Vitropermu 500F uvedeneacute v katalogu vyacuterobce
Saturačniacute
indukce
Statickaacute
koercivita
Přibližnaacute
rezistivita
Curieho
teplota Permebilita
Měrneacute ztraacutety
(100kHz 03T)
Bs [T] Hc [Am] φ [μΩcm] tc[degC] μi PFe [Wkg]
12 lt3 115 gt600 15000hellip150000 80
Na Obr Xx jsou vyacuterobcem uvedeneacute magnetizačniacute charakteristiky Vitropermu 500F a 250F
v porovnaacuteniacute s typickou charakteristikou feritu
Obr 74 Jaacutedra z Vitropermu 500F dosahujiacute oproti běžneacutemu feritu mnohem vyššiacute magnetickeacute indukce
Je zřejmeacute že cena Vitropermovyacutech jader je oproti feritovyacutem mnohem většiacute a to diacuteky naacuteročneacutemu
vyacuterobniacutemu procesu
Společnost VAC ve sveacutem sortimentu nabiacuteziacute jaacutedra s amorfniacute strukturou s obchodniacutem naacutezvem Vitrovac
Vyraacutebiacute se metodou rychleacuteho tuhnutiacute kdy se na studenyacute buben otaacutečejiacuteciacute se rychlostiacute 100kmh vleacutevaacute
skrze keramickou trysku směs materiaacutelů roztavenaacute na teplotu okolo 1300degC a prudce se ochlazuje
(1000000 Ks) na meacuteně než 400degC v 1ms Tiacutem vznikaacute paacuteska tloušťky 20 μm s amorfniacute strukturou
Na Obr 77 je pro představu vyobrazenaacute krystalickaacute amorfniacute a nanokrystalickaacute struktura materiaacutelu
41
Obr 75 Detail na krystalickou strukturu (vlevo) amorfniacute a nanokrystalickou strukturu (vpravo)
Mezi dalšiacute materiaacutely ktereacute VAC nabiacuteziacute patřiacute materiaacutely pro elektrickeacute stroje a zařiacutezeniacute kde je
požadovaacutena vysokaacute hodnota indukce Tyto materiaacutely jsou znaacutemi pod obchodniacutemi naacutezvy Ultraperm
Vacoperm Mumetall Permax Permenorm Megaperm Trafoperm Vacoflux Vacofer a Vacodur
Pro srovnaacuteniacute jsou na Obrxx magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelů Vacoflux 50 Vacoflux 17 a Fe a
Fe 3 přiacuteměsiacute Si
Obr 76 Statickeacute magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelu Vacoflux 50 a Vcoflux 17 dosahuiacute vyšiacute
hodnoty magnetickeacute indukce nasyceniacute než běžnaacute křemiacutekovaacute ocel s obsahem 3 křemiacuteku a Fe 999
42
c) Firma Magnetics
Společnost Magnetics vyraacutebiacute jaacutedra lisovaacuteniacutem prachovyacutech přiacuteměsiacute se zaacutekladniacute složkou Na trhu jsou
znaacutemy pod označeniacutem High Flux MPP (Magnetics Molypermalloy Powder) Kool Mμ a Xflux
1 Jaacutedra High Flux jsou složena ze 79 Ni 17 Fe a 4 Mo Majiacute nejnižšiacute měrneacute ztraacutety ze
všech prchovyacutech jader
2 Jaacutedra MMP obsahujiacute 81 NI 17 Fe a 2 Mo Majiacute vynikajiacuteciacute vlastnosti jakyacutemi jsou
vysokaacute rezistivita niacutezkeacute hysterezniacute ztraacutety a ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy Z všch jader majiacute největšiacute
permeabilitu tiacutem paacutedem i vyššiacute hodnotu saturace
3 Jaacutedra Kool Mμ jsou vyrobena lisovaacuteniacutem prachu železnyacutech slitin a vykazujiacute nejmenšiacute
magnetostrikci
4 Jaacutedra XFlux obsahujiacute prach Fe s přiacuteměsiacute 65 Si Jsou vhodnaacute pro niacutezkofrekvenčniacute a
středofrekvenčniacute tlumivky
Tab 73 Magnetickeacute vlastnosti jader společnosti Magnetics katalogu vyacuterobce
Materiaacutel High Flux MMP Kool Mμ XFlux
Permeabilita 14-160 14-555 26-125 60
(Bs) [T] 15 075 105 16
Jaacutedra žeelezoprachovaacute byacutevajiacute teacutež označovanaacute jako železovaacute jaacutedra a jsou vyraacuteběna lisovaacuteniacutem
izolovaneacuteho praacutešku z magneticky měkkeacuteho materiaacutelu s niacutezkou koercitivniacute silou a vysokou
permeabilitou V současneacute době z tohoto materiaacutelu vyraacutebějiacute jaacutedra kromě firmy Magnetics jen někteřiacute
vyacuterobci a to předevšiacutem vaacutelcovaacute ladiacuteciacute jaacutedra pro laděniacute feritovyacutech hrniacutečkovyacutech jader a kruhovaacute jaacutedra
pro odrušovaciacute ciacutevky a filtračniacute tlumivky měničů napětiacute Zvyšovaacuteniacute objemu izolačniacute laacutetky vede ke
snižovaacuteniacute permeability jader a změně teplotniacute zaacutevislosti samotneacuteho magnetickeacuteho materiaacutelu jaacutedra a
roztažnostiacute jeho jednotlivyacutech složek Volbou směsi magnetickyacutech prachů je možneacute předem definovat
teplotniacute činitel permeability kteryacute může nabyacutevat klasnyacutech zaacutepornyacutech popř i nulovyacutech hodnot
Průmyslově se vyraacutebějiacute jaacutedra z jemnyacutech magnetickyacutech prachů s odstupňovanou permeabilitou
v rozsahu = 7 až 550 Jaacutedra toroidniacute s permeabilitou 7 až 150 se použiacutevajiacute v laděnyacutech obvodech
filtrů pro odrušovaciacute tlumivky jaacutedra s permeabilitou 90 až 550 v napaacutejeciacutech spiacutenaciacutech zdrojiacutech
Vysokeacute permeability je dosaženo materiaacutelovyacutem složeniacute magnetickyacutech prachů a změnou velikosti zrn
Čiacutem většiacute jsou prachovaacute zrna tiacutem vyššiacute je permeabilita diacuteky zvyacutešeniacute poměru magnetickeacuteho materiaacutelu
vůči izolačniacute laacutetce
43
72 Magneticky tvrdaacute feromagnetika
Magneticky tvrdeacute feromagnetickeacute materiaacutely majiacute magnetizačniacute křivku s malou strmostiacute a širokou
hysterezniacute smyčku Vykazujiacute poměrně malou permeabilitu a velkou koercivitu Hclt25middot103
Am
Použiacutevajiacute se pro permanentniacute magnety Vyacutevoj v oblasti těchto materiaacutelů nechal vzniknout celeacute řadě
magnetů odlišujiacuteciacutemi se magnetickyacutemi vlastnostmi konduktivitou mechanickyacutemi vlastnostmi a
ekonomickyacutemi parametry Tvrdaacute feromagnetika lze rozdělit naacutesledovně
a) Uhliacutekoveacute oceli ndash s obsahem 15 uhliacuteku Daacutele byly zdokonaleny legovaacuteniacutem wolframem
chromem a kobaltem a zakaleniacutem na martenzitickou strukturu Naacutesledně byly vyrobeny
mnohem vyacutehodnějšiacute slitiny železa niklu a hliniacuteku (Al-Ni) přiacutepadně kobaltu (Al-Ni-Co)
mědi či titanu Nevyacutehodou slitin Al-Ni a Al-Ni-Co je značnaacute mechanickaacute tvrdost křehkost a
tiacutem paacutedem i obtiacutežnaacute opracovatelnost
b) Tvrdeacute ferity ndash např barioveacute (BaFe12O19) nebo stroncioveacute (SrFe12O19) ferity s obsahem
přibližně 80 železa a asi 20 oxidu baria BaO nebo stroncia SrO Mohou byacutet izotropniacute a
anizotropniacute Niacutezkaacute cena a spolehlivost předurčuje tyto materiaacutely pro užitiacute v automatizačniacute
řiacutediacuteciacute a měřiciacute technice
c) Magnety ze vzaacutecnyacutech zemin ndash složeniacute na baacutezi samarium-kobalt (SmCo5 a Sm2Co17) nebo na
baacutezi neodym-železo-boacuter (Nd2Fe14B) Vyraacutebiacute se procesy praacuteškoveacute metalurgie lisovaacuteniacutem
v magnetickeacutem poli s naacuteslednyacutem speacutekaacuteniacutem Patřiacute k nejvyacutekonnějšiacutem permanentniacutem
magnetům Použiacutevajiacute se v silnoproudeacute počiacutetačoveacute a řiacutediacuteciacute technice a u elektroakustickyacutech
zařiacutezeniacute
d) Plastoveacute magnety ndash jsou vyraacuteběny ve formě plastoveacute nemagnetickeacute matrice v niacutež je plnidlem
jemnyacute praacutešek z vhodnyacutech slitin (alni alnico tvrdeacute ferity či materiaacutely na baacutezi vzaacutecnyacutech zemin)
Mohou byacutet izotropniacute nebo anizotropniacute Vyraacutebiacute se lisovaacuteniacutem nebo slinovaacuteniacutem při vysokeacute
teplotě do libovolneacuteho tvaru Použiacutevajiacute se v slaboproudeacute technice
Obr 77 Srovnaacuteniacute demagnetizačniacutech charakteristik permanentniacutech magnetů
44
73 Měřeniacute hysterezniacutech charakteristik vzorků magnetickyacutech jader
Pro měřeniacute hysterezniacutech charakteristik byl použit systeacutem Remacomp-C2
Přiacuteprava vzorků magnetickyacutech jader pro měřeniacute na systeacutemu Remacom-C2
Na jaacutedra bylo před měřeniacutem navinuto primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Mezi primaacuterniacutem a sekundaacuterniacutem
vinutiacute byl proveden izolačniacute proklad lepiciacute paacuteskou Průměr vodiče a počet zaacutevitů v primaacuterniacutem (N1) a
sekundaacuterniacutem (N2) vinutiacute je uveden v Tab Na Obr jsou již vzorky připraveny pro měřeniacute
Tab 74 Bližšiacute specifikace rozměrů počet zaacutevitů vinutiacute a průměr vodičů
Vyacuterobce Therma FM Vacuumschmelze Magnetics
Jaacutedro C150-30S Vitroperm 500F KoolMμ
Tvar Obdeacutelniacutekoveacute Toroid Toroid
Vnějšiacute průměr [mm] 64x36 323 274
Vnitřniacute průměr mm] 55x16 178 145
Vyacuteška mm] 13 122 117
N2 [z] 47 53 41
N2 [z] 47 53 41
Průměr vodiče [mm] 075 05 05
Měřeniacute je provedeno při frekvenciacutech 50Hz a 300Hz a maximaacutelniacute intenzitě 250 Am u jader
M150-30S a Vitropermu 500F Materiaacutel KoolMμ byl měřen při maximaacutelniacute intenzitě 5950 Am
z důvodů zachyceniacute maximaacutelniacute hodnoty indukce tohoto jaacutedra Na Obr71 až 715 jsou pro
srovnaacuteniacute hysterezniacute uvedeny charakteristiky měřenyacutech materiaacutelů
Obr 78 Vzorky jader připraveneacute na měřeniacute hysterezniacutech charakteristik Vlevo M150-30S uprostřed
Vitroperm 500F a vpravo KoolMμ
45
Obr 79 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
Obr 710 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=250 Am Bmax=157 T
Obr 711 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=250 Am Bmax=153 T
Při frekvenci 300Hz došlo k nepatrneacutemu sniacuteženiacute hodnoty Bmax oproti 50 Hz Intenzita Hc se
ztrojnaacutesobila
Remacomp-C2 nebyl schopen naměřit hysterezniacute smyčku Vitropermu 500F na Obr zcela bezchybně
46
Obr 712 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z Vitropermu 500F měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=279 Am při 50Hz vykazuje odskoky od skutečneacuteho průběhu
Obr 713 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z Vitropermu 500F měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě
intenzity magnetickeacuteho pole Hmax=279 Am při 300 Hz takeacute vykazuje odskoky od skutečneacuteho průběhu
Při změně frekvence z 50 Hz na 300Hz došlo k naacuterůstu koercitivity o pohyacutech 07 Am Materiaacutel
vykazuje velice malou hodnotu remanentniacute indukce pro obě frekvence
47
Obr 714 Hysterezniacute smyčka jaacutedra Kool Mμ změřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity magnetickeacuteho
pole Hmax=5950 Am při 50 Hz
Obr 715 Hysterezniacute smyčka jaacutedra Kool Mμ změřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity magnetickeacuteho
pole Hmax=5950 Am při 300 Hz
48
731 Vyhodnoceniacute naměřenyacutech vyacutesledků
Nejvyššiacute hodnoty indukce dosahujiacute jaacutedra z plechů M150-30S Koercitivniacute intenzita se u jaacutedra z plechů
M150-30S stejně jako u matriaacutelu KoolMμ při změně frekvence z 50 Hz na 300 Hz ztrojnaacutesobila
Niacutezkaacute cena jader KoolMμ je z hlediska naměřenyacutech veličin odpoviacutedajiacuteciacute Jaacutedra Kool Mμ vykazujiacute
amplitudovou permeabilitu μa pouze 77 Vyacuterobce uvaacutediacute hodnotu μa=125
Nejnižšiacute koercitivniacute intenzita byla naměřena u materiaacutelu Vitroperm 500F Měřeniacute magnetickeacuteho jaacutedra
Vitropermu 500F při 50 Hz prokaacutezalo velice niacutezkou koercitivniacute intenzitu Hc= 1Am kteraacute odpoviacutedaacute
uacutedajům z katalogoveacuteho listu Tento špičkovyacute materiaacutel se použiacutevaacute pro sveacute charakteristickeacute vlastnosti
pro jednofaacutezoveacute a trojfaacutezoveacute magnetickeacute obvody ve spiacutenanyacutech napaacutejeciacutech zdrojiacutech frekvenčniacutech
měničiacutech ale i pro běžneacute tlumivky Struktura tohoto materiaacutelu je velice křehkaacute neboť je navinuta
z 20 μm tenkyacutech vrstev Diacuteky tomu neniacute vhodneacute tato jaacutedra dělit řezaacuteniacutem
49
8 Realizovanyacute Adamsův motor
81 Virtuaacutelniacute model Adamsova motor generaacutetoru a jeho praktickaacute
realizace
Model motoru je vytvořen v programu SolidWorks SolidWorks je mocnyacutem naacutestrojem konstrukteacutera a
nabiacuteziacute snadnou optimalizaci modelu
Po vytvořeniacute jednotlivyacutech diacutelů je možneacute tyto diacutely pomociacute vazeb navzaacutejem svaacutezat a tiacutem daacutet okamžitou
představu o chovaacuteniacute modelu
Při naacutevrhu Adamsova motoru jsem vychaacutezel předevšiacutem z rozměrů magnetickyacutech jader statoroveacute čaacutesti
stroje
811 Stator
a) Jako nosnaacute konstrukce pro jaacutedra statoru uloženiacute ložisek uchyceniacute desky plošnyacutech spojů
optickyacutech senzorů sloužiacute dvě tabule z plexiskla tloušťky 8 mm ktereacute tvořiacute nosnou konstrukci
neboť jsou po obvodu vzaacutejemně spojeny šesti zaacutevitovyacutemi tyčemi o průměru 5 mm Na Obr je
zadniacute nosnaacute tabule plexiskla
Obr 81 Zadniacute nosnaacute deska z plexiskla
Otvor průměru 26 mm nachaacutezejiacuteciacute se uprostřed sloužiacute pro uloženiacute kuličkoveacuteho ložiska Skrze
otvory průměru 51 mm po jeho obvodu prochaacuteziacute šrouby pro přichyceniacute krytů ložiska
Naacutesledujiacute otvory určeneacute pro upevněniacute optickyacutech čidel dřevěneacuteho krytu pro zakrytiacute vodičů
připojenyacutech k vinutiacutem a optickyacutem senzorům Skrze podlouhleacute draacutežky jsou šrouby přitaženy
dřevěneacute držaacuteky statorovyacutech jader Vzhledem ke tvaru draacutežky je zajištěna možnost jejich
50
polohovaacuteniacute vzhledem k rotoru Volnyacute prostor na praveacute straně je určen pro upevněniacute desky
plošnyacutech spojů s elektronickyacutemi součaacutestkami
b) Nosneacute držaacuteky pro jaacutedra statoru jsou použity dřevěneacute špaliacuteky do kteryacutech jsou jaacutedra vlepena
epoxidovou pryskyřiciacute
c) Optočleny TCST 2103 jsou přitaženy k jejich dutyacutem dřevěnyacutem držaacutekům imbusovyacutemi šrouby
průměru 3 mm Skrze dřevěneacute držaacuteky jsou kolmo na směr vyacutevodů optočlenu vyvrtaacuteny otvory
pro zaacutevitoveacute tyče jež spolu s našroubenyacutemi matkami přitahujiacute držaacutek s čidlem jedneacute k zadniacute
desce plexiskla statoroveacute čaacutesti stroje Jistaacute uacuteroveň dotaženiacute matce dovoluje držaacutek s čidlem
nataacutečet a měnit tak okamžik sepnutiacute optočlenu
Obr 82 Optočlen TCST 2103 připevněnyacute k dřevěneacutemu držaacuteku
d) Stejnou vzdaacutelenost mezi dvěma plexiskly statoru zajišťujiacute distančniacute trubice skrze ktereacute
prochaacuteziacute zmiacuteněneacute zaacutevitoveacute tyče spojujiacuteciacute obě zaacutekladoveacute tabule plexiskla Tyto trubice jsou
vyrobeny z kostry stojanu pro sušeniacute praacutedla Z estetickyacutech důvodů je na nich navlečena a
zatavena teplem smršťovaciacute bužiacuterka
Postup vytvořeniacute ciacutevky v SolidWorksu
1 V předniacute rovině skici na Obr je pomociacute os X a Y vytvořen souřadnicovyacute systeacutem potřebnyacute pro
tvorbu zaacutekladniacutech vazeb využityacutech při ryacutesovaacuteniacute
2 Čelniacute pohled na jeden poacutel magnetickeacuteho jaacutedra ve statoru na ktereacute maacute byacutet umiacutestěna jedna
budiacuteciacutech ciacutevek je vytvořen z konstrukčniacutech přiacutemek a okoacutetovaacuten rozměry 13 mm x 11 mm
3 Vnitřniacute rozměry ciacutevky jsou z čelniacuteho pohledu oproti jaacutedru na každeacute straně zvětšeny o 05 mm
tedy o tloušťku foacutelie jež tvořiacute kostřičku ciacutevky a malou vzduchovou mezeru umožňujiacuteciacute volneacute
nasunutiacute ciacutevky na magnetickeacute jaacutedro
4 Poloměr zaobleniacute vnitřniacute čaacutesti kostry ciacutevky je 08 mm
51
Obr 81 Skica naacutevrhu diacutelu
5 Vnějšiacute rozměry ciacutevky jsou daacuteny počtem vrstev zaacutevitů a celkovyacutem činitelem plněniacute ciacutevky
Deset vrstev zaacutevitů vodičem 03 mm spolu s izolačniacute a nosnou kostrou ciacutevky vytvořiacute 4 mm
vysokou vrstvu zaacutevitů v roziacutech zaoblenou se stejně velkyacutem poloměrem 4mm Vnějšiacute a vnitřniacute
zaobleniacute rohů je od rovnyacutech segmentů skici odděleno uacutesečkami čiacutemž je skica dokončena
6 Využitiacutem funkce přidaacuteniacute vytaženiacutem a jejiacute aplikaciacute na jednotliveacute segmenty skici je ciacutevka
symetricky vytažena do prostoru na deacutelku 19 mm Zamiacutetnutiacutem funkce sloučit vyacutesledky při
vytaženiacute jsou všechny segmenty ciacutevky vytvořeny jako samostatneacute objekty čiacutemž odpadaacute
děleniacute modelu v Ansysu
Obr 82 Model ciacutevky
Magnetickaacute jaacutedra použitaacute ve statoru jsou původně určena pro jednofaacutezoveacute jaacutedroveacute transformaacutetory
Jaacutedro transformaacutetoru je při vyacuterobě naviacutejeno na obdeacutelniacutekoveacute kopyto o rozměrech odpoviacutedajiacuteciacutech
požadovaneacute velikosti okna pro primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Jaacutedro je po navinutiacute
z transformaacutetoroveacuteho plechu rozřiacuteznuto na dvě poloviny jak je zřejmeacute z Obr xx čiacutemž je možneacute do
magnetickeacuteho obvodu nasunout primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute
V našem přiacutepadě je pro každeacute magnetickeacute jaacutedro statoru použita pouze jedna polovina zmiacuteněneacuteho
transformaacutetoroveacuteho jaacutedra Okno statoroveacuteho jaacutedra určeneacute pro umiacutestěniacute obou vinutiacute statoru maacute pouze
polovičniacute deacutelku oproti transformaacutetoru a na straně řezu je otevřeno
52
Obr 83 Pohled na uloženiacute vinutiacute
Obě budiacuteciacute ciacutevky jsou nasunuteacute na jednom jaacutedru statoru a jsou totožneacute tj majiacute stejnyacute počet zaacutevitů
vinutyacutech vodičem o stejneacutem průřezu Jsou spojena do seacuterie a spolu s magnetickyacutem jaacutedrem tvořiacute jeden
z osmi statorovyacutech magnetickyacutech obvodů
Na Obr Xx je bližšiacute pohled na rozloženiacute vodičů v průřezu ciacutevkou Každaacute vrstva zaacutevitů ciacutevky obsahuje
63 zaacutevitů v deseti vrstvaacutech
Obr 84 Rozloženiacute zaacutevitů
Počet zaacutevitů v jedneacute ciacutevce je daacuten naacutesobkem počtu zaacutevitů v jedneacute vrstvě a množstviacute vrstev tedy
63x10= 630 zaacutevitů Jelikož jsou obě ciacutevky na magnetickeacutem jaacutedru spojeny do seacuterie celkovyacute počet
zaacutevitů je dvojnaacutesobnyacute tedy 1260 zaacutevitů Protože statorovaacute jaacutedra odděluje od rotoru vzduchovaacute mezera
05 mm jsou obě vinutiacute od konce jaacutedra umiacutestěny ve vzdaacutelenosti 2 mm pro zajištěniacute bezpečneacute
vzdaacutelenosti od otaacutečejiacuteciacuteho se rotoru Naacutesledkem toho se do jedneacute vrstvy ciacutevky vleze menšiacute počet
zaacutevitů bliacuteže zpraženyacutech s magnetickyacutem tokem v jaacutedru
Počet vrstev obou vinutiacute je teacutež omezen a to jednak velikostiacute okna a mezerou 5 mm mezi oběma
vinutiacutemi Tato mezera zajišťuje možnost volneacuteho nasunutiacute vinutiacute na magnetickeacute jaacutedro a umožňuje
lepšiacute odvod tepla do okoliacute
53
Pro dosaženiacute konstantniacute vzduchoveacute mezery mezi vyniklyacutemi poacutely rotoru a jaacutedry ve statoru jsou konce
statorovyacutech jader zbroušeny na poloměr bliacutezkyacute poloměru plechů v rotoru
Kostřička ciacutevky
Pro vyacuterobu kostřiček ciacutevek posloužila plastovaacute folie určenaacute pro krytiacute předniacute strany dokumentu
svaacutezaneacuteho v kroužkoveacute vazbě Po vyřezaacuteniacute a ohnutiacute do požadovaneacuteho tvaru byla a slepena
oboustrannou lepiciacute paacuteskou
Obr 83 Kostřička ciacutevky vyrobenaacute z plastoveacute folie
Naviacutejeniacute ciacutevek
Pro naviacutejeniacute ciacutevek se realizovalo ručniacute naviacuteječkou s mechanickyacutem počiacutetadlem Na Obr84 je vidět že
obě ciacutevky jsou navinuty nepřerušenyacutem vodičem Obě ciacutevky majiacute 630 zaacutevitů
Obr 84 Pro zpevněniacute čel ciacutevek během naviacutejeniacute na plastovou kostřičku posloužily 5mm širokeacute destičky
z pertinaxu Draacutežky v nich vybroušeneacute umožnily zachyceniacute vyacutestupniacuteho vodiče ciacutevky pod navlečenou
gumičku Levaacute destička pertinaxu je odniacutematelnaacute po uvolněniacute dotaženeacuteho šroubu
Hotovaacute ciacutevka navinutaacute na kostřičce z plastoveacute folie je na Obr Po navinutiacute ciacutevky se čela kostřičky
(plastoveacute folie) zahnula přes horniacute vrstvu zaacutevitů a navzaacutejem slepila sekundovyacutem lepidlem
Obr 85 Pohled na ciacutevku zpevněnou kostřičkou z plastoveacute folie
54
Statoroveacute jaacutedro s ciacutevkami
Na každeacute z osmi statorovyacutech jader jsou nasunuty dvě seacuteriově spojeneacute ciacutevky Pro pevneacute zachyceniacute obou
vinutiacute je použit pružnyacute tmel
Obr 86 Pohled na statoroveacute jaacutedro s nasunutyacutem vinutiacutem
Uchyceniacute statorovyacutech jader
Statorovaacute jaacutedra jsou pevně zalepena epoxidovou plyskyřiciacute do dřevěnyacutech sloupků Po obou stranaacutech
sloupku jsou vyvrtaacuteny otvory v nižchž jsou vyřezaacuteny zaacutevity pro šrouby Dotaženiacutem šroubu jsou
sloupky s jaacutedry pevně uchyceny v deskaacutech z plexiskla
Obr 87 Pohled na jaacutedro zalepeneacute v dřevěneacutem držaacuteku
55
812 Rotor
Průměr rotoru a jeho konstrukčniacute řešeniacute je navrženo s ohledem na rozměry jader ve statoru a velkou
hmotnost dynamoplechů
e) Z velikosti okna pro primaacuterniacute vinutiacute je odvozena potřebnaacute vyacuteška permanentniacutech magnetů a
počet vrstev dynamoplechů v rotoru
f) Rozměry hřiacutedele jsou voleny s ohledem na použitaacute kuličkovaacute ložiska o vnitřniacutem průměru 10
mm a hmotnost rotorovyacutech plechů a je počiacutetaacuteno s jistou rezervou v přiacutepadě působeniacute vyššiacutech
momentů setrvačnosti celeacuteho rotoru Hřiacutedel a středoveacute přiacuteruby zajišťujiacute pevneacute přichyceniacute
středoveacuteho pouzdra permanentniacutech magnetů jelikož jsou vzaacutejemně spojeny čtyřmi šrouby
Hřiacutedel a středoveacute přiacuteruby jsou vysoustruženy z mosazi
Obr 88 Hřiacutedel je vysoustruženaacute z mosazneacute kulatiny
Na Obr je pohled na celkovou sestavu rotoru a statorovaacute jaacutedra Ke hřiacutedeli jsou přiacuteruby připevněny
ve čtyřech miacutestech
Obr 89 Pohled na rotor a jaacutedra statoru opatřenaacute vinutiacutem
g) Přiacuteruby pro uchyceniacute středoveacuteho pouzdra rotoru v němž jsou uloženy magnety jsou
vysoustruženy z mosazi stejně tak i přiacuteruba pro komutačniacute disk Přiacuteruby jsou ke hřiacutedeli pevně
dotaženy imbusovyacutemi šrouby
56
Obr 810 Jedna přiacuterub pro upevněniacute středoveacuteho pouzdra magnetů ke hřiacutedeli
h) Středoveacute pouzdro nesouciacute dynamoplechy a magnety je složeno z třiacute vrstev plexiskla tloušťky
2x4 mm + 1x5 mm Maacute tedy tloušťku 13 mm stejně jako vnitřniacute rozměr okna jaacutedra statoru
Přiacuteruby navlečeneacute na hřiacutedeli z obou stran stahujiacute plexiskla středoveacuteho pouzdra čiacutemž je pevně
spojujiacute s hřiacutedeliacute
Obr 811 Středoveacute pouzdro permanentniacutech magnetů
i) Dynamoplechy jsou po obou stranaacutech středoveacuteho pouzdra navrstveny na požadovanou vyacutešku
11 mm což odpoviacutedaacute přiacuteslušneacutemu rozměru jaacutedra v jeho řezu Při tloušťce dynamoplechu 05
mm je na obou stranaacutech pouzdra 22 vrstev dynamoplechu Jak dynamoplechy tak i středoveacute
pouzdro v sobě majiacute vyřezaacuteny otvory pro zaacutevitoveacute tyče a diacuteky matkaacutem dotaženyacutem po obou
stranaacutech rotoru spojujiacute navzaacutejem tyto čaacutesti s hřiacutedeliacute
Obr 812 Jedna sekce rotoru je složenaacute z 22 vrstev dynamoplechů
j) K dobreacutemu staženiacute dynamoplechů nejen v miacutestech kde k nim ze stran přileacutehajiacute matky
přispiacutevajiacute kryciacute kotouče z plexiskla na Obr813
57
Obr 813 Otvorem uprostřed kryciacuteho kotouče prochaacuteziacute hřiacutedel a je možneacute se diacuteky němu dostat na
šrouby připevňujiacuteciacute přiacuteruby rotoru pevně k řčiacutedeli
Vyacuteroba vyniklyacutech poacutelů rotoru
Rotoroveacute plechy jsou do požadovaneacuteho tvaru na Obr814 vyřezaacuteny pomociacute vodniacute pily Tryska
zařiacutezeniacute žene proud vodniacuteho paprsku spolu s abrazivem kolmo na řezanyacute objekt
Obr 814 Skica rotorovyacutech plechů s vyznačenyacutemi miacutesty pro umiacutestěniacute permanentniacutech magnetů
Na Obrxx zachycena vodniacute pila během vyřezaacutevaacuteniacute požadovaneacuteho tvaru rotoru do tabule
dynamoplechu o rozměrech 1x1metr
58
Obr 815 Sniacutemek pořiacutezenyacute během řezaacuteniacute dynamoplechu vodniacutem paprskem s abrazivem
Magnetickaacute čaacutest obvodu obvod rotoru se sklaacutedaacute ze dvou sekciacute mezi nimiž jsou umiacutestěny permanentniacute
magnety ktereacute sloužiacute jako zdroj magnetickeacuteho pole Každaacute sekce je vytvořena navrstveniacutem
dynamoplechů do vrstvy 11 mm Při tloušťce dynamoplechu to odpoviacutedaacute 22 vrstvaacutem v každeacute sekci
Obr 816 Čelniacute pohled na zkompletovanyacute rotor
Komutaacutetor
Komutaacutetor je realizovaacuten průhlednou foacuteliiacute s černyacutem potiskem Pravidelneacute střiacutedaacuteniacute průsvitnyacutech a
černyacutech oblastiacute na foacutelii během otaacutečeniacute rotoru zajišťuje pravidelneacute přerušovaacuteniacute IR paprsku v osmi
optoelektronickyacutech spiacutenačiacutech TCST 2103 rozmiacutestěnyacutech pravidelně okolo obvodu komutačniacute folie
Na foacutelii je sedm černyacutech a sedm průsvitnyacutech vyacutesečiacute což odpoviacutedaacute počtu sedmi vyniklyacutech poacutelů v obou
sekciacutech rotoru oddělenyacutech permanentniacutemi magnety Nastaveniacute optimaacutelniacute uacutehlu natočeniacute komutačniacute
folie bylo stanoveno měřeniacutem pro uacutehly natočeniacute 1285deg 5 deg 0deg a -1285deg Vyacutesledky jsou shrnuty
v zaacutevěru praacutece
59
Obr 817 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 1285deg
Obr 818 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 5deg
Obr 819 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 0deg
Obr 820 Nastaven uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie -1285deg
Na Obr je čelniacute pohled na realizovanyacute komutaacutetor Po obvodu jsou rovnoměrně rozmiacutestěny černeacute
dřevěneacute držaacuteky s optočleny skrze ktereacute prochaacuteziacute uacutezkeacute zaacutevitoveacute tyče zbroušeneacute tak aby uvnitř držaacuteku
nepoškodily přiacutevodniacute vodiče optočlenů Dotaženiacutem matek našroubovanyacutech na zaacutevitoveacute tyče je možneacute
pevně přitaacutehnout
60
Obr 821 Fotorgrafie realizovaneacuteho komutaacutetoru
Obr 822 Podrobnějšiacute pohled s popisem čaacutestiacute
Optoelektronickeacute
spiacutenače TCST 2103
Jaacutedra statoru
Vinutiacute statoru
Komutaacutetor
s regulaciacute předstihu
Vynikleacute poacutely
rotoru
61
Zkompletovanyacute motor
Na Obr jsou na nosneacute desce namontovaacutena statorovaacute jaacutedra
Obr 823 Horniacute pohled na nosnou desku Uprostřed desky je vidět nachaacuteziacute kryt ložiska
Vodiče ciacutevek na magnetickyacutech jaacutedrech jsou zavedeny do bdquočokolaacutedldquo přišroubovanyacutech po bočniacutech
stranaacutech dřevěnyacutech držaacuteků jader
Obr 824 Bočniacute pohled na dřevěneacute držaacuteky jader statoru
Vyacutevody z čokolaacuted jsou protaženy do dřevěneacuteho tunelu zobrazenyacute ze spodniacute strany na Obr kteryacute
sloužiacute jako ochrana před otaacutečejiacuteciacutem se rotorem
Obr 825 Spodniacute strana kryciacuteho tunelu před vyvrtaacuteniacutem otvorů pro přichyceniacute k nosneacute desce
62
Obr 826 Čelniacute pohled na hotovyacute model Adamsova motoru
Obr 827 Redukce připevněnaacute na hřiacutedeli sloužiacute pro zvětšeniacute jejiacuteho průměru při spojeniacute spojeniacute
motoru s dynamometrem
63
82 Elektrickyacute obvod
821 Popis a scheacutema zapojeniacute
Elektronickaacute čaacutest je spiacutenaacutena přerušovaacuteniacutem infračerveneacuteho paprsku dopadajiacuteciacuteho na fototranzistor
v optočlenu Paprsek prochaacuteziacute průsvitnou čaacutestiacute foacutelie ve chviacuteli kdy jsou vynikleacute poacutely rotoru v čelniacute
pozici se statorovyacutemi jaacutedry a ciacutevky umiacutestěneacute na těchto jaacutedrech v nich majiacute vybudit magnetickyacute
indukčniacute tok opačneacuteho směru oproti toku vystupujiacuteciacuteho z rotorovyacutech poacutelů Naacutesledkem siloveacuteho
působeniacute mezi magnetickyacutemi poli rotoru a statoru je rotor roztaacutečen
Obr 828 Scheacutema zapojeniacute elektrickeacuteho obvodu pro řiacutezeniacute motoru Obvod v praveacute čaacutesti obraacutezku za
přerušovanou čarou se opakuje celkem 4x Pro ušetřeniacute miacutesta je tedy zobrazena pouze jedna čtvrtina
zapojeniacute
Elektrickyacute obvod je možneacute rozdělit na čaacutest vyacutekonovou kteraacute je od čaacutesti niacutezko přiacutekonoveacute oddělena
řiacutediacuteciacute elektrodou vyacutekonovyacutech MOSFET tranzistorů IRF540 Na Obr xx je pro zmenšeniacute ušetřeniacute
miacutesta zobrazena pouze jedna čtvrtina čaacutesti scheacutematu elektrickeacuteho obvodu V leveacute čaacutesti scheacutematu jsou
vyznačena miacutesta připojeniacute napaacutejeciacuteho napětiacute Pro laboratorniacute měřeniacute je vhodneacute vzaacutejemně je oddělit
Kladnyacute poacutel stejnosměrneacuteho napaacutejeciacuteho napětiacute o velikosti 5-31 V je pojen k ciacutevkaacutem skrze konektory
L1až L8 k ke statorovyacutem vinutiacutem Stejnosměrneacute napětiacute 10 ndash 35 V DC je připojeno přes stabilizaacutetor
napětiacute 7808 a Rezistory R1 a R2 k optočlenům TCST 2103 ktereacute jsou ve scheacutematu zastoupeny
vyacutevody označenyacutemi EM1 a DET1 Ty Zkratkovitě označujiacute přiacuteslušnyacute emitor IR zaacuteřeniacute (infračervenaacute
dioda) a detektor (fototranzistor pro infračerveneacute spektrum) implementovaneacute v pouzdru optočlenu
Hodnoty odporů jsou stanoveny na zaacutekladě snahy omezit proud řiacutediacuteciacuteho obvodu na nejnižšiacute hodnotu a
zaacuteroveň zachovat spraacutevnou funkci obvodu Jmenovitaacute hodnota proudu emitorem je 20mA Proud
tekouciacute skrze EM1 až EM8 je nastaven předřadnyacutemi rezistory 6K8 na hodnotu cca 1mA Paprsek
prochaacuteziacute skrze průsvitnou čaacutest komutaacutetoru nebo je přerušen černě potištěnou čaacutestiacute Pokud paprsek
dopadaacute na detektor a otviacuteraacute jej a proud může prochaacutezet přes odpory 39K předřazeneacute detektorům Za
detektory jsou napojeny Schmittovi klopneacute obvody na jejichž vstupech se objeviacute napětiacute v přiacutepadě že
je detektor paprskem neosviacutecen Klopneacute obvody jsou napaacutejeny napětiacutem ze stabilizaacutetoru a na sveacutem
64
vyacutestupu majiacute toteacutež napětiacute pokud je na jejich vstupu napětiacute nuloveacute V jednom pouzdře integrovaneacuteho
obvodu 40106N se nachaacuteziacute 6 investujiacuteciacutech hradel Paralelniacutem spojeniacute třiacute je sniacutežen odpor hradla na
třetinu Naacutesleduje vyacutekonovyacute MOSFET tranzistor IRF560 s odporem přechodu elektrod DS v
sepnuteacutem stavu 44m Ω Niacutezkaacute vyacutekonovaacute ztraacuteta těchto tranzistorů snižuje ztraacutetovyacute vyacutekon na minimum
v porovnaacuteniacute s bipolaacuterniacutemi tranzistory Je-li na vstupniacute elektrodu G připojeno kladneacute napětiacute tranzistor
se otevře a umožniacute průchod proudu přiacuteslušnyacutem vinutiacutem připojenyacutem ke konektoru L1až L8
822 Deska plošnyacutech spojů
Deska plošnyacutech spojů vytvořenaacute stejně tak jako scheacutema v programu Eagle
Obr 829 Deska plošnyacutech spojů elektronickeacute ho obvodu z pohledu součaacutestek
Navrženaacute deska plošnyacutech spojů je vyrobena bdquofotocestouldquo Působeniacutem zdroje ultrafialoveacuteho světla
dojde ke změně chemickeacute struktury fotocitliveacute vrstvy kteraacute se nachaacuteziacute v miacutestech prosviacuteceniacute průsvitneacute
předlohy DPS Po rozpuštěniacute osviacuteceneacute vrstvy fotocitliveacuteho laku v hydroxidu sodneacutem byla deska
omyta vodou a odleptaacutena v chloridu železiteacutem
Obr 830 Osvit desky plošnyacutech spojů 11W UV zaacuteřivkou
65
Obr 831 Hotovaacute deska po odvrtaacuteniacute otvorů pro vyacutevody součaacutestek a protaženiacute vodičů do dřevěneacuteho
kryciacuteho tunelu
66
9 Magnetostatickaacute analyacuteza Adamsova motoru
91 Vyacutepočet zjednodušeneacuteho magnetickeacuteho obvodu
911 Feromagnetika v magnetickeacutem obvodu
Permanentniacute magnety použiteacute rotoru jsou neodymoveacute (Nd-Fe-B) s magnetizaciacute N38 a maximaacutelniacute
pracovniacute teplotě 80degC Magnety majiacute tvar vaacutelce Požadovanaacute vyacuteška magnetů je 13 mm a odpoviacutedaacute
přiacuteslušneacutemu rozměru okna jader ve statoru Požadovaneacute vyacutešky bylo dosazeno spojeniacutem magnetu o
vyacutešce 10 mm a magnetu o vyacutešce 3 mm Magnety majiacute průměr 15mm
Demagnetizačniacute charakteristika magnetu je na Obr
Obr 91 Druhyacute kvadrant pracovniacutech hysterezniacutech smyček B(H) a J(H)=B(H)-μ0H
permanentniacuteho magnetu s magnetizaciacute N38 měřeno při 26degC
Magnetickaacute jaacutedra statoru jsou vyrobena z FeSi transformaacutetoroveacuteho plechu s anizotropniacute strukturou o
jakosti M150-30 Materiaacutel maacute poměrně niacutezkou konduktivitu tedy niacutezkeacute ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy
Magnetickeacute čaacutesti rotoru jsou z dynamoplechů izotropniacute struktury o jakosti M600 - 50
Vyacutepočet magnetickeacute indukce a intenzity magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře mezi rotorovyacutem a
statorovyacutem poacutelem
Magnetickyacute obvod se sklaacutedaacute z permanentniacuteho magnetu dvou vyniklyacutech poacutelů rotoru dvou
vzduchovyacutech mezer a jaacutedra statoru
-14
-12
-1
-08
-06
-04
-02
0
02
04
06
08
1
12
14
-1 200 -1 100 -1 000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0
J B [T]
H [kAm]
Demagnetizačniacute charakteristika NdFeB magnetu (N38)
J magnetu
B magnetu
B vakau
HBHmax=473 kAm BHmax=294 kJm3
BBHmax=0612 T B
J
μ0H
HC=-937 kAm
67
Obr 92 Magnetickyacute obvod s permanentniacutem magnetem
Pro středniacute indukčniacute čaacuteru naznačenou v magnetickeacutem obvodu přerušovanou čarou platiacute podle prvniacute
Maxwellovy rovnice v integraacutelniacutem tvaru
kde indexy značiacute M permanentniacute magnet žr železo rotoru v vzduchovou mezeru a žs železo statoru
Železo rotoru (dynamoplechy) a železo statoru (transformaacutetoroveacute plechy) jsou feromagneticky měkkeacute
materiaacutely Pro zjednodušeniacute vyacutepočtu předpoklaacutedaacuteme že jejich permeability tj jejich
magnetickeacute odpory a tedy i magnetickaacute napětiacute a jsou zanedbatelně maleacute
takže pro intenzitu magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře platiacute
Pro magnetickyacute indukčniacute tok permanentniacuteho magnetu platiacute
kde je činitel rozptylu ve vzduchoveacute mezeře a jestliže k rozptylu toku nedochaacuteziacute tak
Magnetickyacute indukčniacute tok ve vzduchoveacute mezeře je vyjaacutedřen
Pro magnetickyacute indukčniacute tok permanentniacuteho magnetu platiacute
takže magnetickaacute indukce ve vzduchoveacute mezeře je
(19)
(20)
(21)
(22)
(23)
BM HM
lM
lžr
lžr
lv
lv
lžs
Bv
Hv
Sv
Sžr Sžs
SM
Hžr
Hžr
Hžs Bžs
Bžr
Bžr
J
S
Sžr
Bv
Hv
68
odtud
Z rovnosti rovnic (19) a (24)
lze vyjaacutedřit magnetickou indukci permanentniacuteho magnetu jako
kde veličina Nd je tzv demagnetizačniacute činitel pro nějž platiacute
Pro dosazeniacute do (24) je zapotřebiacute stanovit hodnotu činitele rozptylu magnetickeacuteho toku ve vzduchoveacute
mezeře Stanoviacuteme odhadem (
Pro dosazeniacute do (24) je daacutele zapotřebiacute stanovit průřez magnetu Při průměru 15 mm je
Průřez vzduchoveacute mezery mezi statorem a rotorem vypočteme jako aritmetickyacute průměr průřezu poacutelu
jaacutedra statoru a průřezu vynikleacuteho poacutelu rotoru Skutečneacute průřezy poacutelu statoru a rotoru lze jednoduše
odečiacutest z virtuaacutelniacuteho modelu v DesignModeleru Ansysu jak je naznačeno na Obr93 a na Obr94
Průřez poacutelu statoroveacuteho jaacutedra SS je dle DesignModeleru 14328 mmsup2
Obr 93 Po označeniacute plochy jaacutedra statoru vypočte DesignModeler jejiacute průřez
(24)
(25)
(26)
(27)
(28)
(29)
69
Průřez vynikleacuteho poacutelu rotoru SR je dle DesignModeleru 29128 mmsup2
Obr 94 Po označeniacute plochy vynikleacuteho poacutelu rotoru vypočte DesignModeler jeho průřez
Po dosazeniacute průřezů je aritmetickyacute průměr průřezu vzduchoveacute mezery
Vyacuteška použiteacuteho magnetu je daacutena součtem vyacutešek dvou na sobě umiacutestěnyacutech magnetů 10mm a 3 mm
tedy =13 mm
Řešenyacute magnetickyacute obvodu obsahuje dvě vzduchoveacute mezery o velikosti 1 mm Celkovaacute deacutelka
vzduchoveacute mezery je daacutena součtem těchto dvou deacutelek tedy =2 mm
Dosazeniacute všech potřebnyacutech hodnot do rovnice (24) vypočiacutetaacuteme demagnetizačniacute činitel
Dosazeniacutem demagnetizačniacuteho činitele do rovnice pro magnetickou indukci magnetu (26) ziacuteskaacuteme
rovnici přiacutemky
jejiacutež průsečiacutek s demagnetizačniacute křivkou permanentniacuteho magnetu na Obrxx stanoviacute pracovniacute bod
permanentniacuteho magnetu
Z grafu na Obr 95 je možneacute odečiacutest hodnotu magnetickeacute indukce permanentniacuteho magnetu v
pracovniacutem bodu BM=1 T a odpoviacutedajiacuteciacute hodnotu intenzity magnetickeacuteho pole HM=1 T
(30)
(31)
70
Obr 95 V průsečiacuteku přiacutemky s demagnetizačniacute charakteristikou se nachaacuteziacute pracovniacute bod P
permanentniacuteho magnetu v magnetickeacutem obvodu se vzduchovou mezerou
Zvětšeniacutem vzduchoveacute mezery v magnetickeacutem obvodu se zvětšiacute demagnetizačniacute činitel Nd tj zvětšiacute se
směrovyacute uacutehel přiacutemky z hodnoty α na hodnotu α1 a pracovniacute bod P se posune do polohy P1 jak je
naznačeno na Obr96
Obr 96 V průsečiacuteku přiacutemky s demagnetizačniacute charakteristikou se nachaacuteziacute pracovniacute bod
permanentniacuteho magnetu
00
02
04
06
08
10
12
14
-1 000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0
J B [T]
H [kAm]
Stanoveniacute pracovniacuteho bodu magnetu na demagnetizačniacute
charakteristice
B magnetu
Bm=-NdHm
BM=1 T
HM=-183 kAm
P
Br=124 T
HC=-937 kAm
71
Zmenšiacute-li se opět vzduchovaacute mezera na původniacute velikost nevraacutetiacute se pracovniacute bod P1 do sveacute původniacute
polohy v bodě P ale do polohy P2 po křivce k2 Smyčka složenaacute z křivek k1 a k2 je malaacute hysterezniacute
smyčka Přibližně ji můžeme nahradit uacutesečkou P1 P2 sviacuterajiacuteciacute s osou H uacutehel β Pohybuje-li se pracovniacute
bod po maleacute hysterezniacute smyčce jde vratneacute změny tj zanikne-li přiacutečina posuvu pracovniacuteho bodu vraciacute
se pracovniacute bod do sveacute původniacute polohy Pohyb pracovniacuteho bodu po hlavniacute hysterezniacute smyčce je
nevratnyacute K podobnyacutem jevům dochaacuteziacute když miacutesto změn vzduchoveacute mezery působiacuteme na permanentniacute
magnet magnetickyacutem polem ktereacute zvětšuje nebo zmenšuje jeho tok Všechny dalšiacute pohyby
pracovniacuteho bodu probiacutehajiacute přibližně po přiacutemce P1 P2 pokud směrovyacute uacutehel α nepřestoupiacute hodnotu uacutehlu
α1 Překročiacute-li tuto hodnotu pohybuje se pracovniacute bod opět po hlavniacute hysterezniacute smyčce a při naacutevratu
zpět k původniacute hodnotě uacutehlu α přechaacuteziacute na novou bdquomalou hysterezniacute smyčku vyznačenou na Obrxx
čaacuterkovaně [20]
Magnetickaacute indukce ve vzduchoveacute mezeře
Intenzita magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře
(32)
(33)
72
92 Vyacutepočet magnetickeacuteho obvodu v ANSYS Workbench
Magnetickaacute indukce - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 97 Pohled na rozloženiacute magnetickeacute indukce v obvodu při I=0A
Obr 98 Zobrazeniacute vektorů magnetickeacute indukce při I=0A
73
Magnetickaacute indukce - horniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 99 Rozloženiacute magnetickeacute indukce při I=0A
Obr 910 Zobrazeniacute vektorů magnetickeacute indukce při I=0A
74
Intenzita magnetickeacuteho pole - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 911 Rozloženiacute intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
Obr 912 Zobrazeniacute vektorů intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
75
Intenzita magnetickeacuteho pole - horniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 913 Rozloženiacute intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
Obr 914 Zobrazeniacute vektorů intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
76
Rozloženiacute siacutely působiacuteciacute na poacutely rotoru vlivem přiacutetažneacute siacutely permanentniacuteho magnetu
Obr 915 Siacutela mezi poacutely rotoru
Přitažlivaacute siacutela mezi poacutely rotoru v miacutestě magnetu je daacutena rozdiacutelem maximaacutelniacute a minimaacutelniacute hodnoty sil
(34)
77
Magnetickaacute indukce při proudu 1 A - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru při
921 Rozběh motoru
Uacutekolem je naleacutezt nejmenšiacute hodnotu proudu tekouciacuteho vinutiacutem statoroveacuteho jaacutedra při ktereacute dojde k
rozběhu motoru Vychaacutezejme z toho že přiacutetažnaacute siacutela působiacuteciacute na jedno jaacutedro statoru ktereacute je
v zarovnaneacute pozici s vyniklyacutemi poacutely rotou musiacute byacutet vlivem proudu tekouciacuteho vinutiacutem
Proud by měl miacutet takovou velikost aby v jaacutedru statoru vybudil magnetickyacute tok opačneacute polarity oproti
magnetickeacutemu toku vystupujiacuteciacuteho z protějšiacuteho vynikleacuteho poacutelu rotoru A to s takovyacutemi silovyacutemi
uacutečinkly aby byl došlo k pootočeniacute rotoru do pozice ve ktereacute se vedlejšiacute vynikleacute poacutely rotoru začnou
přitahovat k vedlejnšiacutemu statoroveacutemu jaacutedru Celyacute proces se poteacute opakuje i u dalšiacutech jader
Středniacute hodnota proudu tiacutemto vinutiacutem se během rozběhu motoru snižuje až na konstntniacute hodnotu
Dojdek k ustaacuteleniacute otaacuteček a doby průchodu proudu jednotlivyacutemi vinutiacutemi
78
Na Obr je graf průběhu siacutely působiacuteciacute na jaacutedro statoru ve směru osy x při změně velikosti proudu
tekouciacuteho vinutiacutem
Obr 916 Průběh siacutely při změně proudu
Z Obr919 je zřejmeacute že nuloveacute siacutely v ose x na jaacutedro statoru bude dosaženo při proudu 700 mA Tudiacutež
proud vědšiacute než 700 mA vyvolaacute odpuzeniacute rotorovyacutech poacutelů a celyacute proces se opakuje i u ostatniacutech
statorovyacutech jader
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
0 100 200 300 400 500 600 700
I [mA]
Fx [N]
Fx=f(I)
Fx= -2841 N
79
Na Obr je naacutezorně vidět zarovnanyacute vyniklyacute poacutel rotoru s jaacutedrem ve statoru
Obr 917 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru se statorovyacutem jaacutedrem při nuloveacute siacutele na magnetickeacute jaacutedro
Obr 918 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru s jaacutedrem ve statoru bez přiacutetomnosti proudu
Prochaacuteziacute-li vinutiacutem proud 700mA půsovyacute ma magnetickeacute jaacutedro ve směru osy x nulovaacute siacutela Rozloženiacute
magnetickeacute indukce je na Obr
α=0deg
Fx=0 N
I=700 mA
α=0deg
Fx=-2841 N
I=0 mA
80
Obr 919 Rozloženiacute indukce v obvodu při proudu tekouciacutem vinutiacute 700mA
Obr 920 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru s jaacutedrem ve statoru při proudu tekouciacutem vinutiacute 700mA
81
922 Průběhy sil působiacuteciacute na rotor během pootočeniacute
Na obr je osa jaacutedra(v praveacutem rohu) zarovnaacutena s osou vynikleacuteho poacutelu rotoru (vyznačeno červeně) a
naacutesledujiacuteciacute vyniklyacute poacutel rotoru je oproti statoroveacutemu jaacutedru (vpravo) pootočen o uacutehel α = -643deg
Obr 921 Při pootočeniacute rotoru o uacutehel α = -643deg působiacute na rotor siacutela ve směru FY= -5645 N
Průběh siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor během nataacutečeniacute proti směru hodinovyacutech ručiček mezi uacutehly
pootočeniacute v meziacutech α= -643deg až 0deg
Hodnoty jsou vypočiacutetaacuteny v Ansysu s krokem 02 deg a proloženy přiacutemkou
Obr 922 Průběh siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor během pootočeniacute od -643deg do 0deg a vyznačeneacute hodnoty
siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor pro hodnoty natočeniacute uacutehlu α= -643deg a -5deg
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
F [N]
α [deg]
Fy=f(α)
α=-643deg FY=-5645 N
Fy= - 5645 N
I=0 mA
82
Obr 923 Průběh siacutely působiacuteciacute na rotor v ose y během pootočeniacute od -643deg do 0deg a vyznačeneacute hodnoty
siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor pro hodnoty natočeniacute uacutehlu α= -643deg a -5deg
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
N [Nmm]
α [deg]
Fx=f(α)
83
10 Měřeniacute na realizovaneacutem motoru
V Tab101 jsou hodnoty odporu jednotlivyacutech vinutiacute měřeneacute při 20 degC
Tab 101 Hodnoty odporů vinutiacute
Časoveacute průběhy napětiacute a proudu byly naměřeny pomociacute profesionaacutelniacuteho dvoukanaacuteloveacuteho USB
osciloskopu Handyscope HS3 s parametry uvedenyacutemi v tabulce Tab102 Spojeniacutem osciloskopu s PC
bylo možneacute pomociacute napěťoveacute a proudoveacute sondy naměřit časoveacute průběhy napětiacute a proudu Použitaacute
proudovaacute sonda disponuje maximaacutelniacutem rozlišeniacutem 100 mVA
Tab 102 Vlastnosti Osciloskopu Handyscope HS3
Vstup Vyacutestup
max vzorkovaciacute frekvence 100MSs vzorkovaciacute frekvence 50MSs
volitelneacute rozlišeniacute 12-16 bitů rozlišeniacute 12 bitů
maximaacutelniacute napětiacute 200V napětiacute 0 plusmn12 V
impedance 1M Ω20pF maximaacutelniacute proud 05 A DC
Na Obr 101 je zachycen časovyacute průběh napětiacute a proudu změřenyacute na jednom z osmi vinutiacute statoru při
napětiacute 30V a mechanickeacute zaacutetěži Mz = 015 Nm
Rc1 Rc2 Rc3 Rc4 Rc5 Rc6 Rc7 Rc8
[Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω]
203 203 205 202 204 205 202 203 2034
84
Obr 101 Změřeneacute průběhy napětiacute a proudu na vinutiacute během zatiacuteženiacute momentem 015Nm
Hodnoty proudu změřeneacute osciloskopem jsou posunuty o stejnosměrnou složku směrem do
zaacutepornyacutech hodnot Tato chyba znehodnocuje naměřeneacute vyacutesledky proudu uvedeneacute v tabulce a
vznikla z neznaacutemeacute přiacutečiny jako důsledek nastaveniacute citlivosti proudoveacute soncy na hodnotu
100mVA
Tab 103 Hodnoty naměřeneacute osciloskopem Handyscope HS3
Umax Umin Up-p Uef Ustř Δt
[V] [V] [V] [V] [V] [ms]
2958 -7996 10992 3401 -0983 1419
Imax Imin Ip-p Ief Istř f
[mA] [mA] [mA] [mA] [mA] [Hz]
26459 -2276 49219 11375 2421 7048
Na Obr je vidět vysokonapěťovaacute špička opačneacute polarity vzhledem k napaacutejeciacutemu napětiacute kteraacute
dosahuje hodnoty -7996 V Vznikaacute důsledkem naacutehleacuteho přerušeniacute dodaacutevky proudu do obvodu ciacutevky
Magnetickeacute pole vytvořeneacute v magnetickeacutem obvodu se po přerušeniacute dodaacutevky proudu kteryacute jej vybudil
snažiacute zabraacutenit sveacute změně a zachovat proud v elektrickeacutem obvodu čiacutemž zpětně do elektrickeacuteho obvodu
vinutiacute indukuje vysokeacute napětiacute opačneacute polarity Dochaacuteziacute ke zpětneacute indukci napětiacute do elektrickeacuteho
obvodu Tento děj vyjadřuje druhaacute Maxwellova rovnice o zaacutekonu elektromagnetickeacute indukce
v diferenciaacutelniacutem tvaru vyjaacutedřeneacute vztahem
85
Na Obr je teacutež patrnyacute zaacutekmit napětiacute na konci zaacuteporneacute napěťoveacute špičky Tento zaacutekmit je způsoben
parazitniacute kapacitou vinutiacute Časovaacute konstanta s jakou děj odezněniacute je daacutena RLC parametry obvodu
Každyacute způsob provedeniacute vinutiacute maacute sveacute charakteristickeacute vlastnosti předevšiacutem vlastniacute kapacitu vinutiacute
V praxi se např požadavek na sniacuteženiacute vlastniacute kapacity vinutiacute u transformaacutetorů realizuje dvěma
způsoby
a) zmenšeniacute napěťoveacuteho rozdiacutelu mezi vrstvami popř sekcemi vinutiacute nebo zmenšeniacutem vzaacutejemneacute
kapacity těchto čaacutestiacute jejich odděleniacutem
b) sniacuteženiacutem dielektrickeacute konstanty konstrukčniacutech materiaacutelů využitiacutem vhodnyacutech izolantů pro
izolaci vodičů
Nejviacutece možnostiacute nabiacuteziacute prvniacute varianta jež se uplatňuje u hraacutezoveacuteho křiacutežoveacuteho i kotoučoveacuteho vinutiacute
Obvykle neniacute uacutečelneacute ani hospodaacuterneacute dělit vinutiacute viacutece než na tři komory Čiacutem nižšiacute bude celkovyacute činitel
vinutiacute tiacutem menšiacute bude kapacita vinutiacute Impregnaciacute vinutiacute se vlastniacute kapacita vinutiacute zvyšuje asi o 30 až
50 V přiacutepadě spojeniacute jednoho vyacutevodu vinutiacute s magnetickyacutem jaacutedrem se vlastniacute kapacita vinutiacute zvětšiacute
přibližně o 20 [19]
Za zaacutepornou vysokonapěťovou špičkou a zaacutekmitem napětiacute způsobenyacutem parazitniacute kapacitou v obvodu
je vidět na Obr půlperioda sinusoveacuteho průběhu napětiacute zaacuteporneacute polarity Toto napětiacute je v obvodu
indukovaacuteno diacuteky průchodu magnetickeacuteho toku vystupujiacuteciacuteho z vyniklyacutech poacutelů rotoru během otaacutečeniacute
Magnetickyacute tok vystupuje z poacutelů rotoru a uzaviacuteraacute se přes jaacutedro statoru čiacutemž v jeho vinutiacute indukuje
napětiacute
(35)
86
Na Obr102 zaacuteznam sinusoveacuteho průběhu napětiacute indukovaneacuteho ve vinutiacute statoroveacuteho jaacutedra ktereacute bylo
odpojeno od napaacutejeniacute
Obr 102 Časovyacute průběh napětiacute indukovaneacuteho ve vinutiacute během otaacutečeniacute rotoru
Obr 103 Časovyacute průběh napětiacute a proudu při napětiacute 30 V a zatiacuteženiacute momentem 005 Nm
87
101 Měřeniacute zaacutekladniacutech charakteristik
Motor byl pro změřeniacute charakteristik spojen s cize buzenyacutem dynamometrem Možnost regulace
zaacutetěžneacuteho momentu změnou odporu kotvy dynamometru a velikostiacute budiacuteciacuteho proudu umožnila
naměřit průběh momentovyacutech mechanickyacutech a rychlostniacutech charakteristik Spojeniacute hřiacutedele
s tachodynamem naviacutec umožnilo měřit indukovaneacute napětiacute během jednotlivyacutech měřeniacute a vypočiacutetat z něj
otaacutečky Na Obr104 je schematicky naznačena soustava dynamometru a motoru pro měřeniacute
zatěžovaciacute charakteristiky motoru
Obr 104 Soustava pro měřeniacute zatěžovaciacutech charakteristik motoru
Pro změřeniacute zaacutekladniacutech charakteristik potřebnyacutech pro vyacutepočet uacutečinnosti motoru byl využit cize buzenyacute
dynamometr s Iab=5 A(10)
102 Vyacutepočet uacutečinnosti
Pro přiacuteklad vyacutepočtu dosadiacuteme do uvedenyacutech vztahů hodnoty veličin při nichž vyšla uacutečinnost motoru
maximaacutelniacute
Jelikož proud tekouciacute do vinutiacute je stejnosměrnyacute stanoviacuteme přiacutekon motoru součinem napětiacute zdroje o
konstantniacute velikosti 31 V s proudem tekouciacutem obvodem
Po dosazeniacute
Vyacutekon motoru je roven
přičemž pro uacutehlovou rychlost vyjaacutedřenou z otaacuteček platiacute vztah
(36)
(37)
(38)
Ua
Rb Umot
88
Po dosazeniacute
Vyacutekon je po dosazeniacute uacutehloveacute rychlosti
Uacutečinnost motoru při zanedbaacuteniacute ztraacutet v elektronickeacutem obvodu je daacutena vyacuterazem
Podiacutelem vyacutekonu a přiacutekonu je vyacuteslednaacute uacutečinnost
(39)
(40)
(41)
(42)
(43)
89
Charakteristiky změřeneacute při změně zaacutetěžneacuteho momentu M=005 až 05 Nm a napětiacute 31V
Obr 105 Změna otaacuteček v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
Obr 106 Změna proudu v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
50
150
250
350
450
550
650
750
850
950
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
n [otmin]
P2 [W]
n=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
0
05
1
15
2
25
3
35
4
2 4 6 8 10 12 14
I [A]
P2 [W]
I=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
90
Obr 107 Změna přiacutekonu v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
Obr 108 Změna uacutečinnosti v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
0
20
40
60
80
100
120
140
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
P1 [W]
P2 [W]
P1=f(P2)
-1285deg
5deg
1285deg
0deg
000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
η []
P2 [W]
η=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
ηmax=355
P2=86 W
91
Obr 109 Změna uacutečinnosti v zaacutevislosti na momentu při U=31V
000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045 05 055 06
η []
M [Nm]
η=f(M)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
ηmax=355
M=019 Nm
0
01
02
03
04
05
06
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000 1 100
M [Nm]
n [otmin]
Momentoveacute charakteristiky motoru
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
92
Charakteristiky změřeneacute při změně napaacutejeciacuteho napětiacute U=5 až 31V M=015 Nm
Obr 1010 Změna proudu v zaacutevislosti na napětiacute při M=015 Nm
Obr 1011 Změna otaacuteček v zaacutevislosti na napětiacute při M=015 Nm
0
02
04
06
08
1
12
14
16
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
I [A]
U [V]
I=f(U)
5deg
0deg
1285deg
-1285deg
I=078 A
0
100
200
300
400
500
600
700
800
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
n [otmin]
U [V]
n=f(U)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
93
Zaacutevěr
Na zaacutekladě existence měřitelneacuteho kvantově mechanickeacuteho projevu Casimirova jevu se člověk alespoň
teoreticky přibliacutežil k pochopeniacute podstaty vakua Pohled na vakuum jako na systeacutem v němž je možno
za jistyacutech okolnostiacute pozorovat vysokofrekvenčniacute elektromagnetickeacute fluktuace i při teplotaacutech bliacutezkyacutech
0K může nabiacutezet novou perspektivu a přiacutestup ke strojům s věčnyacutem pohybem Vnějšiacute projevy
elektromagnetickeacuteho charakteru vakuovyacutech fluktuaciacute nejsou za běžnyacutech okolnostiacute zjevneacute neboť je
v tomto stavu zajištěna jejich symetrie K porušeniacute symetrie však dochaacuteziacute mezi dvěma bliacutezkyacutemi
deskami v Casimirově pokusu
Permanentniacute magnet se v jisteacutem ohledu může jevit jako systeacutem jež svojiacute přiacutetomnostiacute narušuje tuto
symetrii elektromagnetickyacutech fluktuaciacute vakua a tiacutem v okolniacutem prostoru projevuje jeho dynamickou
jinak skrytou povahu formou projevu permanentniacuteho magnetickeacuteho pole V tomto ohledu by mohl byacutet
projev stavu narušeniacute symetrie vakuovyacutech fluktuaciacute uacuteměrnyacute energii vloženeacute do permanentniacuteho
magnetu během procesu magnetovaacuteniacute Tento nekonvenčniacute pohled na permanentniacute magnetismus
umožňuje objasnit vstup energie vakua do systeacutemu s permanentniacutemi magnety jakyacutem by mohl byacutet
např Johnsonův magnetickyacute motor složenyacute pouze z permanentniacutech magnetů Pokud tento motor
opravdu fungoval a vyacuteše nastiacuteněnaacute teorie by byla pravdivaacute neniacute tento systeacutem již možno povařovat za
izolovanyacute od sveacuteho okoliacute neboť samotnaacute povaha vakua by v tomto přiacutepadě umožňovala napaacutejeniacute
tohoto systeacutemu
V tomto ohledu se jeviacute zajiacutemavyacute i systeacutem pro přeměnu energie elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute na
užitečnou elektrickou energii popisovanaacute v šesteacute kapitole V tomto systeacutemu kmitajiacute drobneacute
dielektrickeacute struktury vytvořeneacute např elektronovou litografiiacute vlivem siloveacuteho působeniacute fluktuaciacute
elektromagnetickyacutech poliacute vakua a tiacutem v mikroskopickyacutech anteacutenaacutech mezi strukturami indukujiacute
využitelnou formu energie Tyto kmity jsou v přiacutemeacutem poměru k frekvenci zaacuteřeniacute avšak mnohem nižšiacute
frekvenci Využitiacutem moderniacutech technologickyacutech postupů a vysoce jakostniacutech materiaacutelů se v tomto
ohledu nabiacuteziacute nepřeberneacute možnosti pro experimentovaacuteniacute
Realizace modelu Adamsova motor generaacutetoru kterou jsem prakticky provedl (však pouze ve funkci
motoru) měla za ciacutel stanovit uacutečinnost tohoto systeacutemu neboť informace popisujiacuteciacute tento stroj hovořiacute
teacutež o vstupu energie vakua do tohoto systeacutemu čiacutemž je uacutedajně možno dosaacutehnout uacutečinnosti přesahujiacuteciacute
100 Autor Robert Adams stanovil uacutečinnost sveacuteho motor generaacutetoru na zaacutekladě několik dnů
trvajiacuteciacuteho měřeniacute Měřil průběhy napětiacute na vstupniacute baterii jež stroj napaacutejela a bateriiacutech ktereacute
postupně připojoval na elektrickyacute vyacutestup stroje Během činnosti stroje dochaacutezelo k postupneacutemu
dobiacutejeniacute bateriiacute na vyacutestupu V jisteacutem ohledu jsou hodnoty napětiacute při průběžneacutem měřeniacute určityacutem
ukazatelem uacutečinnosti stroje avšak pro vyacutepočet přesneacute uacutečinnosti daneacute poměrem vyacutekonu a přiacutekonu by
bylo zapotřebiacute do vyacutepočtu zahrnout i proudy prochaacutezejiacuteciacute obvodem
Dynamoplechy (M600-50) pro rotor a transformaacutetorovaacute jaacutedra (M150-30s) pro stator jsem zakoupil u
společnosti Therma FM a permanentniacute magnety přes internetovyacute obchod Unimagnetcz Virtuaacutelniacute
model motoru vytvořenyacute v programu SolidWorks jsem importoval do programu ANSYS Workbench
a provedl v něm magnetostatickou analyacutezu Analyzoval jsem magnetickyacute obvod složenyacute z jedneacute
osminy statoru (pouze jedno jaacutedro) vzduchoveacute mezery a vynikleacuteho poacutelu rotoru při nuloveacutem proudu ve
statoroveacutem vinutiacute Takteacutež jsem magnetickyacute obvod řešil zjednodušenyacutem vyacutepočtem v němž jsem
94
zanedbal reluktanci železa rotoru i statoru rozdiacutel ve tvaru průřezů statorovyacutech i rotorovyacutech poacutelů a
odhadem jsem stanovil činitel rozptylu v okoliacute vzduchoveacute mezery Vypočiacutetal jsem pro danyacute
magnetickyacute obvod demagnetizačniacute činitel a vykresleniacutem přiacutemky byl nalezen pracovniacute bod P
permanentniacuteho magnetu Bod P vytiacutenaacute na přiacuteslušnyacutech osaacutech demagnetizačniacute charakteristiky
odpoviacutedajiacuteciacute hodnoty BM a HM permanentniacuteho magnetu Z nich byly vypočteny hodnoty indukce a
intenzity ve vzduchoveacute mezeře
Hodnoty magnetickeacute indukce a intenzity magnetickeacuteho pole v prostoru vzduchoveacute mezery vypočteneacute
na zaacutekladě zjednodušeniacute obvodu a hodnoty vypočteneacute v ANSYSu se v přiacutepadě indukce lišiacute o hodnotu
0177 T což vzhledem ke zjednodušeniacute vyacutepočtu a odhadu činitele rozptylu přibližně odpoviacutedaacute Rozdiacutel
v hodnotaacutech intenzity magnetickeacuteho pole činiacute 188 kAm což je opět vzhledem k zjednodušeniacutem
vyhovujiacuteciacute hodnota
Pomociacute programu Ansys byla stanovena nejnižšiacute hodnota proudu (700 mA) tekouciacuteho do vinutiacute
vybraneacuteho jaacutedra statoru při jeho zarovnaacuteniacute s rotorovyacutemi poacutely kteraacute způsobiacute vyrušeniacute přiacutetažneacute siacutely
působiacuteciacute na statoroveacute jaacutedro vlivem permanentniacute magnetizace rotoroveacuteho poacutelu Teoreticky proud většiacute
než 700mA způsobiacute pootočeniacute rotoru a naacuteslednyacute rozběh
Daacutele byly graficky stanoveny průběhy sil v osaacutech x a y působiacuteciacutech na rotor během jeho pootočeniacute o
uacutehel 643deg kdy došlo k zarovnaacuteniacute sousedniacutech poacutelů rotoru a statoru
Změřeniacutem zaacutekladniacutech zatěžovaciacutech charakteristik pomociacute dynamometru byly stanoveny průběhy
momentovyacutech charakteristik pro různeacute uacutehly natočeniacute komutačniacuteho disku vzhledem k rotoru Z grafu
průběhu uacutečinnosti v zaacutevislosti na momentu byla odečtena nejvyššiacute hodnota uacutečinnosti motoru 355
pro natočeniacute komutačniacuteho disku o 5deg a odpoviacutedajiacuteciacute zaacutetěžnyacute moment 019 Nm Tato uacutečinnost je v
porovnaacuteniacute se stejně vyacutekonnyacutemi motory běžnyacutech konstrukciacute poměrně niacutezkaacute Jedniacutem z hlavniacutech
faktorů jež ovlivnil vyacuteslednou uacutečinnost je tvar statorovyacutech jader ktereacute majiacute velkou vzduchovou
mezeru Tiacutem paacutedem dochaacuteziacute ke značneacutemu rozptylu toku magnetickeacute indukce skrze prostor mezi
statorovyacutemi poacutely
Natočeniacutem komutačniacuteho disku do polohy 0deg došlo ke značneacutemu sniacuteženiacute uacutečinnosti na hodnotu okolo 14
majiacuteciacute přiacutečinu ve špatneacutem načasovaacuteniacute počaacutetku průchodu proudu do přiacuteslušneacuteho vinutiacute Vzaacutejemneacute
siloveacute působeniacute magnetickyacutech indukčniacutech toků z jaacutedra a rotoru působilo brzdnyacutem uacutečinkem čiacutemž
došlo ke sniacuteženiacute uacutečinnosti motoru
Momentoveacute charakteristiky jsou teacuteměř lineaacuterniacute Největšiacute moment 05 Nm byl naměřen při napětiacute 31
V při 180 otmin a to v přiacutepadě že komutačniacute disk byl pootočen o 1285deg
95
Použitaacute literatura
[1] Hubbertpeak [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwhubbertpeakcomhubbert19561956pdf
[2] Multimediaacutelniacute studijniacute texty z mineralogie [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpmineralogiescimuniczkap_6_2_termodynkap_6_2_termodynhtm
[3] Molecular and cellular immunology Institute of malecular genetics academy of science of the
Czech Republic Praguee [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpmciimgcasczpdfZakony_termodynamikypdf
[4] Uacutestav teoretickeacute fyziky MFF UK [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httputfmffcuniczvyukaOFY016F2001CermakPhtm
[5] Galileo [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpgalileoandeinsteinphysicsvirginiaedumore_stuffflashletsmmexpt6htm
[6] Encyclopedia Britanica [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwbritannicacomEBcheckedtopic600149Evangelista-Torricelli
[7] ABZ slovniacutek ciziacutech slov [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z httpslovnik-cizich-
slovabzczwebphpslovohorror-vacui-horor-vakui
[8] RAFELSKI Johannn a Berndt MUumlLLER The structured vaccum Thinking about nothing
Published electrically 2006 ISBN 3-97144-889-3
[9] Uacutestav jaderneacute fyziky AV ČR veřejnaacute vyacutezkumnaacute instituce [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httphpujfcascz~wagnerpopclanvakuumvakuumhtml_ftn2
[10] Aldebaran [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwaldebaranczbulletin2011_10_kazphp
[11] Aldebaran [online] Casimir - Network 2005 [cit 2014-05-08] Dostupneacute z httpcasimir-
networkfrIMGpdfCasimir_20effectpdf
[12] KVASNICA Jozef Statistickaacute fyzika Vyd 2 Praha Academia 1998 314 s ISBN 80-200-
0676-1
[13] Aldebaran [online] Annenberg learning 2005 [cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwlearnerorgcoursesphysicsvisualanimationhtmlshortname=PHY06_FermiTrap0
3A
[14] Cornell University Library arXivorg [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httparxivorgpdf10115219v1pdf
[15] Fyzikaacutelniacute sekce Matematicko-fyzikaacutelniacute fakulty UK [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpphysicsmffcuniczkfppskriptakurz_fyziky_pro_DSwwwfyzikahtml
[16] FEYNMAN Richard Phillips Feynmanovy přednaacutešky z fyziky s řešenyacutemi přiacuteklady 1 vyd
Havliacutečkův Brod Fragment 2001 806 s ISBN 80-720-0420-4
[17] VALONE Thomas Zero Point Energy The Fuel of the Future United States Integrity
Research Institiute 2007 228 s ISBN 9780964107021
96
[18] KING Moray B Quest for Zero Point Energy Engineering Principles for Free Energy
Engineering Principles for Free Energy United States Integrity Research Institiute 2001 224 s
ISBN 9780932813947
[19] FAKTOR Zdeněk Transformaacutetory a ciacutevky 1 vyd Praha BEN - technickaacute literatura 1999
393 s ISBN 80-860-5649-X
[20] MAYER Daniel a Josef POLAacuteK Metody řešeniacute elektrickyacutech a magnetickyacutech poliacute [vysokošk
učebnice pro elektrotechn fakulty] 1 vyd Praha SNTL 1983 450 s
[21] ABZ slovniacutek ciziacutech slov [online cit 2014-05-12] Dostupneacute z httpslovnik-cizich-
slovabzczwebphpslovohorror-vacui-horor-vakui
[22] Wikipedie [online cit 2014-05-12] Dostupneacute z httpcswikipediaorgwikiVakuum
[23] VALONE Thomas Practical Conversion of Zero-Point Energy Feasibility Study of the
Extraction of Zero-Point Energy from the Quantum Vacuum for the Performance of Useful
Work United States Integrity Research Institiute 2005 90 s ISBN 9780964107083
[24] BEARDEN By John Bedini and TE Free energy generation circuits 2nd ed Santa Barbara
Calif Cheniere Press 2006 806 s ISBN 09-725-1468-6
[25] Straacutenky věnovaneacute potlačovaneacute vědě a zatajovanyacutem vynaacutelezům [online cit 2014-05-08]
Dostupneacute z httpfree-energyxfczJOHNSONSampMhtm
[26] ADAMS Robert The Adams pulsed motor generator manual 46 Landing Roat Whakanate
Nex Zealand 1992
14
4 Vakuum
41 Eacuteter vyplňujiacuteciacute praacutezdnyacute prostor
Na zaacutekladě zjištěniacute že zvuk pro sveacute šiacuteřeniacute vyžaduje přenosoveacute meacutedium bylo dřiacuteve předpoklaacutedaacuteno že
i světlo ke sveacutemu přenosu vyžaduje určiteacute prostřediacute Toto meacutedium bylo označeno pojmem eacuteter Eacuteter
byl zaveden nejen pro světlo ale i pro elektřinu magnetismus a teplo Britskyacute fyzik James Clarck
Maxwell zjistil že se elektromagnetickeacute vlny šiacuteřiacute rychlostiacute světla a navrhl existenci pouze jedineacuteho
eacuteteru [3]
Na zaacutekladě Maxwellovyacutech pozorovaacuteniacute provedl Albert Michelson v roce 1881 experiment kteryacute měl
prokaacutezat přiacutetomnost eacuteteru Negativniacute vyacutesledek pokusu byl později zpochybněn a tak byl v roce 1887
pokus mnohem přesněji zopakovaacuten za spolupraacutece Edwarda Morleyho Experiment byl v budoucnu
ještě mnohokraacutet zopakovaacuten avšak původniacute vyacutesledek experimentu byl potvrzen [4]
Na Obr41 je znaacutezorněn princip Michelson-Morleyho experimentu kteryacute jsem doplnil o šipky ve
směru paprsků světla Uprostřed rotujiacuteciacute kruhoveacute aparatury je umiacutestěno polopropustneacute zrcadlo Směr
pohybu eacuteteru vůči aparatuře je znaacutezorněn žlutyacutemi šipkami Ze zdroje světla (vlevo) vychaacuteziacute paprsek a
dopadaacute na polopropustneacute zrcadlo (uprostřed) kde se děliacute na dvě čaacutesti Vzniknou tak dva navzaacutejem
kolmeacute paprsky putujiacuteciacute k zrcadlům po okrajiacutech aparatury kde se opět odraacutežiacute a vracejiacute zpět
k prostředniacutemu polopropustneacutemu zrcadlu Paprsek vracejiacuteciacute se dolů čaacutestečně prochaacuteziacute polopropustnyacutem
zrcadlem směrem dolů ke stiacuteniacutetku a paprsek vracejiacuteciacute se ke středu od leveacuteho zrcadla je odražen takeacute
směrem dolů Čaacutesti obou paprsků tak dopadajiacute na stiacuteniacutetko kde se
a) vzaacutejemně zesiacuteliacute jestliže majiacute stejnou rychlost a dopadajiacute na stiacuteniacutetko se stejnou faacuteziacute
b) vytvořiacute interferenčniacute obrazec v přiacutepadě že pohybujiacuteciacute se eacuteter vůči aparatuře ovlivnil rychlost
jednoho z paprsků
c)
Obr 41 Model demonstrujiacuteciacute princip Michelson- Morleyho experimentu [5]
Experiment existenci takoveacuteho eacuteteru neprokaacutezal a tak se převaacutežnaacute vědeckaacute komunita od představy
eacuteteru odkolonila
15
Neschopnost lidskeacute mysli uchopit praacutezdnyacute prostor dala v historii vzniknout pojmu horror vacui
neboli strach z praacutezdnoty [21]
Italskyacute fyzik a matematik Evangelista Torricelli žijiacuteciacute v 17 stoletiacute vešel do povědomiacute širokeacute
veřejnosti jednak pro vědeckyacute přiacutespěvek v oboru matematiky ale předevšiacutem pro vynalezeniacute
barometru Torricelli při svyacutech pokusech experimentoval s dlouhou skleněnou trubiciacute deacutelky 12 m
kterou naplnil rtutiacute a poteacute ji otevřenyacutem koncem ponořil do naacutedoby plneacute rtuti Pozoroval že velkaacute čaacutest
rtuti v trubici zůstala a nad jejiacute hladinou vnikl vzduchopraacutezdnyacute prostor Stal se tak prvniacutem člověkem
v historii kteryacute vytvořil vzduchopraacutezdno neboli vakuum [7]
Obr 42 Aparatura Evangelisty Torricelliho diacuteky ktereacute vytvořil makroskopickeacute vakuum
Vakuum zastupuje širokou škaacutelu tlaků V technickeacute praxi naleacutezaacute širokeacute praktickeacute využitiacute a je proto
podle velikosti tlaku rozděleno děleno do kategoriiacute ktereacute jsou v Tab 42
Tab 41 Rozděleniacute vakua podle tlakoveacuteho paacutesma a množstviacute hmoty v objemu[22]
Tlakoveacute paacutesmo
Tlak Množstviacute hmoty
v objemu
[Pa] [molekulcm3]
Atmosfeacuterickyacute tlak 101times105 27 x 10
19
Hrubeacute vakuum 10+4
hellip10+2
1019
- 1016
Jemneacute vakuum 10+2
hellip10minus1
1016
- 1013
Vysokeacute vakuum (HV) 10minus1
hellip10minus5
1013
hellip109
Ultra vysokeacute vakuum (UHV) 10minus5
hellip10minus10
109hellip10
4
Extreacutemně vysokeacute vakuum (XHV) lt10minus10
lt104
16
Vynaacutelezce Otto von Guericke demonstroval siacutelu podtlaku analogiiacute s osmi spřaženiacutemi osmi koni kteřiacute
nejsou schopni společnyacutemi silami oddělit dvě poloviny vzduchopraacutezdneacute koule jak ukazuje Obr 43
Obr 43 Osm koniacute neniacute schopno od sebe oddělit dvě poloviny vzduchopraacutezdneacute koule [8]
Zařiacutezeniacute pro tvorbu vakua se nazyacutevaacute vyacutevěva I kdyby se naacutem podařilo sestrojit dokonalou vyacutevěvu
kteraacute by z prostoru odstranila všechny znaacutemeacute hmotneacute čaacutestice prostor by i tehdy nezůstal praacutezdnyacute
Klasickaacute teorie poklaacutedaacute vakuum za praacutezdnyacute prostor bez hmotnyacutech čaacutestic Je však nutneacute přihleacutednout
k faktu že existujiacute teorie a experimenty jež připouštějiacute že vakuum neniacute praacutezdneacute miacutesto toho je plneacute
aktivity a co je ještě důležitějšiacute lze tuto aktivitu využiacutet v našem reaacutelneacutem světě
42 Heisenbergův princip neurčitosti
Velmi důležityacutem zaacutekonem určujiacuteciacutem pravidla v kvantoveacutem světě je Heisenbergův princip neurčitosti
Ten řiacutekaacute že pro současneacute měřeniacute polohy x a hybnosti čaacutestice p nemůže byacutet součin neurčitostiacute v určeniacute
polohy Δx a hybnosti Δp čaacutestice menšiacute než redukovanaacute Planckova konstanta ħ Pro tuto konstantu platiacute
ħ = h2π =105410-34
Js Důsledkem Heisenbergova principu je že se na mikroskopickeacute uacuterovni může
narušovat zaacutekon zachovaacuteniacute energie a to takovyacutem způsobem že součin velikosti tohoto narušeniacute a
doby po kterou trvaacute je menšiacute než redukovanaacute Planckova konstanta V takoveacutem přiacutepadě nelze toto
porušeniacute pozorovat
Heisenbergův princip neurčitosti pro současneacute měřeniacute polohy a hybnosti čaacutestice maacute tvar
(5)
Heisenbergův princip neurčitosti pro současneacute měřeniacute času a energie čaacutestice maacute tvar
(6)
Platnost rovnice (6) vede tomu že ve vakuu mohou existovat velice rychleacute fluktuace energie ktereacute
vznikajiacute jako v důsledku vzniku tzv virtuaacutelniacutech čaacutestic a jejich antičaacutestic ktereacute velice rychle vznikajiacute a
zanikajiacute vlivem vzaacutejemneacute anihilace A to v čase daneacutem Heisenbergovyacutem principem neurčitosti [9]
17
43 Virtuaacutelniacute čaacutestice
Jednaacute se o čaacutestici kteraacute neniacute přiacutemo pozorovatelnaacute je zavedena z důvodu existence řady pozorovanyacutech
jevů Virtuaacutelniacute čaacutestice může existovat diacuteky Heisenbergovu principu neurčitosti a v časoveacutem okamžiku
daneacutem tiacutemto zaacutekonem narušuje zaacutekon o zachovaacuteniacute energie U reaacutelneacute čaacutestice jejiacutež existence nenarušuje
zaacutekon zachovaacuteniacute energie je splněn relativistickyacute vztah mezi celkovou energiiacute čaacutestice E jejiacute hybnostiacute p
a klidovou energiiacute U virtuaacutelniacute čaacutestice tento vztah mezi uvedenyacutemi fyzikaacutelniacutemi veličinami neplatiacute
Virtuaacutelniacute čaacutestice tak může miacutet třeba velmi velkou hybnost a jen velmi malou energii Existence
virtuaacutelniacute čaacutestice je omezena na velice kraacutetkou dobu Při neustaacuteleacutem vzniku a zaacuteniku těchto čaacutestic
vznikajiacute ve vakuu vysokofrekvenčniacute fluktuace elektromagnetickyacutech poliacute různyacutech vlnovyacutech deacutelek [9]
44 Casimirův jev
V roce 1958 holandskyacute fyzik M J Sparnaay předpověděl existenci sil mezi dvěma kovovyacutemi
deskami jejichž přiacutečinou nebylo tepelneacute zaacuteřeniacute Byl zaveden pojem zero point energy (energie
nuloveacuteho bodu) označujiacuteciacute elektromagnetickou energii vyskytujiacuteciacute se ve vakuu při absolutniacute nuloveacute
teplotě [18]
Důkazem existence teacuteto energie je uacutedajně fakt že helium zůstaacutevaacute i při teplotaacutech mezi -272degC až
273degC staacutele v kapalneacutem skupenstviacute a nedojde k jeho přeměně na skupenstviacute pevneacute [17]
Způsob jakyacutem by bylo možneacute projevy virtuaacutelniacutech čaacutestic experimentaacutelně změřit navrhl v roce 1948
holandskyacute fyzik Hendrik Casimir Casimir uvažoval o dvou paralelniacutech elektrodaacutech (zrcadlech)
umiacutestěnyacutech ve vakuu za teploty bliacutezkeacute absolutniacute nule Vně těchto zrcadel vakuoveacute fluktuace
elektromagnetickyacutech poliacute dosahujiacute širokeacuteho spektra energiiacute ovšem v souladu s Heisenbergovyacutemi
relacemi neurčitosti Jinaacute situace nastaacutevaacute mezi elektrodami ktereacute tvořiacute rezonaacutetor Zde mohou vznikat
pouze fluktuace určityacutech vlnovyacutech deacutelek ndash moacutedů rezonaacutetoru Ostatniacute vlnoveacute deacutelky jsou vněm
potlačeny Tato nerovnovaacuteha fluktuaciacute vně elektrod a mezi nimi způsobuje tlakovou siacutelu kteraacute
přitahuje elektrody k sobě Jev se nazyacutevaacute Casimirův jev (efekt) a je makroskopickyacutem projevem
kvantovyacutech jevů stejně jako napřiacuteklad supravodivost nebo supratekutost [10]
Obr 44 Demonstrace Casimirova jevu Dvě kovoveacute desky tvořiacute rezonaacutetor pouze pro některeacute vlnoveacute
deacutelky důsledkem je působeniacute přitažliveacute siacutely mezi těmito deskami [11]
Fluktuace
vakua Casimirovi
desky
18
441 Casimirova siacutela
Casimirův efekt se projevuje jako Casimirova siacutela Casimirovu siacutelu mezi vodivyacutemi elektrodami
způsobuje nerovnovaacuteha mezi kvantovyacutemi fluktuacemi elektromagnetickyacutech poliacute ve vakuu vně
elektrod a mezi nimi [10]
Casimirovu siacutelu lze vypočiacutetat na zaacutekladě vztahu (7) uvedeneacuteho v literatuře[17]
(7)
Na obr45 je graf Prof Dr Davida Iannuzziho kteryacute zobrazuje přibližně exponenciaacutelniacute naacuterůst
publikaciacute pojednaacutevajiacuteciacute o Casimirově vevu Tiacutem dokazuje značnyacute naacuterůst zaacutejmu o tento fenomeacuten
Obr 45 Naacuterůst publikaciacute tyacutekajiacuteciacutech se Casimirova jevu [8]
442 Aparatura pro měřeniacute Casimirova jevu
Laboratorniacute měřeniacute Casimirova jevu v Kalifornskeacute univerzitě v Riverside bylo provedeno na
miniaturniacute aparatuře pro měřeniacute kvantově mechanickyacutech efektů bdquopraacutezdneacuteho prostoruldquo Na Obr 46 je
kulička o průměru 01 mm zobrazenaacute skrze elektronovyacute mikroskop Kulička je umiacutestěna pod hladkou
destičkou (destička neniacute na obraacutezku) Diacuteky kvantově mechanickeacutemu Casimirovu efektu se kulička
k destičce přitahuje Změna pozice kuličky je měřena mikroskopem pro měřeniacute atomaacuterniacutech sil
19
Obr 46 Mikroskopickaacute aparatura pro měřeniacute Casimirova jevu
443 Tepelnyacute Casimirův jev
Při konečneacute teplotě vstupujiacute do hry tepelneacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole a přispiacutevajiacute tak k
siloveacutemu působeniacute mezi elektrodami Tepelneacute fluktuace jsou způsobeny chaotickyacutem pohybem
volnyacutech elektronů v materiaacutelu elektrod Paralelniacute elektrody opět představujiacute rezonaacutetor ve ktereacutem je
možneacute vybudit pouze určiteacute moacutedy Každyacute moacuted představuje stav s přesně určenou energiiacute Tyto stavy
jsou obsazovaacuteny fotony ktereacute reprezentujiacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole Obsazeniacute těchto
hladin popisuje Boseho-Einsteinovo rozděleniacute [10]
Boseho-Einsteinovo rozděleniacute popisuje ve statistickeacute fyzice systeacutemy složeneacute z bosonů tedy čaacutestic se
symetrickou vlnovou funkciacute a celočiacuteselnyacutem spinem Bose-Einsteinovyacutem rozděleniacutem se řiacutediacute napřiacuteklad
fotony je z něj tedy možneacute odvodit napřiacuteklad Planckův vyzařovaciacute zaacutekon [12]
Při nuloveacute teplotě všechny fotony obsadiacute pouze nejnižšiacute energetickou hladinu jak je vidět na Obr 47
S rostouciacute teplotou postupně dochaacuteziacute k obsazovaacuteniacute i dalšiacutech vyššiacutech energetickyacutech hladin Mezi
zrcadly vznikaacute dalšiacute přitažlivaacute siacutela kteraacute ovšem zaacutevisiacute na teplotě Jednaacute se tedy o tepelnyacute Casimirův
jev
Obr 47 Vlevo zaujiacutemajiacute bosony při teplotaacutech bliacutezkyacutech absolutniacute nule jedinyacute stav s nejnižšiacute energiiacute Se
vzrůstajiacuteciacute teplotou bosony (vpravo) postupně obsazujiacute stavy s vyššiacute energiiacute [13]
Přestože tepelnyacute Casimirův jev byl teoreticky předpovězen Jevgenijem Lifšicem v roce 1955 dočkal
se sveacuteho objevu až v roce 2010 Tento uacutekol se podařilo zvlaacutednout skupině vědců na americkeacute Yaleově
univerzitě Tepelneacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole byly opět měřeny prostřednictviacutem přitažliveacute
siacutely mezi dvěma elektrodami Připravit dokonale rovinneacute paralelniacute plochy je poměrně obtiacutežneacute a proto
20
byl experiment provaacuteděn s jednou rovinnou elektrodou a druhou elektrodou ve tvaru kuloveacute plochy
Obě elektrody byly vyrobeny ze zlata s přesnostiacute 10 nm (kulovaacute elektroda) a 1 nm (rovinnaacute elektroda)
Siacutela mezi elektrodami byla měřena pomociacute torzniacuteho kyvadla kde torzniacute siacutela wolframoveacuteho draacutetku o
průměru 25 μm byla vyrovnaacutevaacutena přitažlivou silou mezi elektrodami Kapacitniacute polohovyacute senzor
sniacutemal vyacutechylku torzniacuteho kyvadla Celyacute experiment probiacutehal při teplotě 300 K [14]
Obr 48 Scheacutema zařiacutezeniacute pro měřeniacute tepelneacuteho Casimirova jevu (pohled shora) [14]
Naměřeneacute vyacutesledky byly porovnaacutevaacuteny se dvěma teoretickyacutemi modely ndash plazmovyacutem modelem a
Drudeho modelem Tyto modely popisujiacute chovaacuteniacute permitivity elektrod v zaacutevislosti na frekvenci
Naměřeneacute vyacutesledky ukazujiacute shodu s Drudeho modelem při teplotě 300 K Podle tohoto modelu tepelnaacute
přitažlivaacute siacutela roste lineaacuterně s teplotou a klesaacute s druhou mocninou vzdaacutelenosti To znamenaacute že zatiacutemco
Casimirova siacutela převlaacutedaacute na velmi malyacutech vzdaacutelenostech tepelnaacute Casimirova siacutela dominuje na
velkyacutech vzdaacutelenostech Na obraacutezku niacuteže je znaacutezorněna přitažlivaacute siacutela naacutesobenaacute druhou mocninou
vzdaacutelenosti v zaacutevislosti na vzdaacutelenosti mezi elektrodami Podle Drudeho modelu bychom měli dostat
konstantniacute zaacutevislost v miacutestech kde převlaacutedaacute siacutela způsobenaacute tepelnyacutemi fluktuacemi Z Obr 49 je
patrneacute že od vzdaacutelenosti přibližně 3 μm daacutele dostaacutevaacuteme přibližně konstantniacute zaacutevislost [14]
Obr 49 Na vzdaacutelenostech většiacutech než 3 μm dochaacuteziacute ke změně charakteru přitažliveacute siacutely Převlaacutedaacute zde
siacutela způsobenaacute tepelnyacutemi fluktuacemi zatiacutemco na menšiacutech vzdaacutelenostech se viacutece uplatňuje siacutela
pochaacutezejiacuteciacutech z kvantovyacutech fluktuaciacute vakua [14]
21
5 Magnetismus
51 Magnetickeacute pole a jeho siloveacute uacutečinky
Fakt že některeacute nerosty s obsahem železa a jeho oxidů jeviacute jisteacute vzaacutejemneacute siloveacute působeniacute vedlo
člověka k vyacutezkumu hlubšiacute podstaty tohoto fenomeacutenu Magnetismu znaacutemeacutemu již ze středověku začala
byacutet později věnovaacutena značnaacute pozornost předevšiacutem diacuteky poznatku že lze vnějšiacute magnetickeacute pole
vyvolat průchodem proudu nosičů elektrickyacutech naacutebojů elektrickyacutemi vodiči Pokusy H Ch Oersteda s
vodiči zapojenyacutemi k elektrickeacutemu zdroji vykazovali siloveacute působeniacute na magnetku kompasu později
diacuteky A M Ampeacuterovu pokusu takeacute siloveacute působeniacute mezi vodiči proteacutekanyacutemi proudem [15]
Mezi tělesy z feromagnetickyacutech laacutetek se za jistyacutech okolnostiacute projevuje vnějšiacute působeniacute vnitřniacutech
atomaacuterniacutech sil do vnějšiacuteho prostřediacute prostor v okoliacute tělesa i uvnitř něho je magneticky polarizovaacuten a
magnetickeacute předměty se navzaacutejem přitahujiacute či odpuzujiacute v zaacutevislosti na směru vektoru jejich
magnetizace Ve vzdušneacutem prostřediacute lze magnetickou propustnost definovat jako hodnotu přibližně
rovnou permeabilitě vakua
Po odhaleniacute existence magnetismu došlo časem k prudkeacutemu naacuterůstu pokusů se snahou naleacutezt praktickeacute
využitiacute tohoto jevu v lidskeacutem životě Vznik elektrickyacutech strojů prudce zrychlil rozvoj většiny odvětviacute
lidskeacuteho baacutedaacuteniacute
Magnetickeacute pole a jeho siloveacute uacutečinky jsou přiacutetomny při
a) Pohybu elektrickyacutech naacutebojů v obvodu
b) Zmagnetovaacuteniacute magnetik
Kvantitativniacute miacuterou siloveacuteho působeniacute magnetickeacuteho pole je magnetickaacute indukce B
Magnetickeacute pole o indukci 1 T působiacuteciacute na naacuteboj jednoho coulombu kteryacute se pohybuje rychlostiacute 1ms
silou 1 Newtonu jestliže je směr rychlosti naacuteboje a směru působiacuteciacute siacutely kolmyacute
Siacutelu v elektromagnetickeacutem poli působiacuteciacute na jednotkovyacute zkušebniacute naacuteboj v pohybu lze popsat
Lorenzovyacutem vztahem [15]
Ze vztahu je zřejmeacute že rychlost zkušebniacute čaacutestice nemaacute vliv na siloveacute uacutečinky elektrickeacuteho pole
V poli čistě magnetickeacutem kdy je elektrickeacute pole nuloveacute platiacute pro siacutelu vztah
(8)
(9)
22
52 Magnetickyacute moment moment hybnosti a precese momentu hybnosti
Pohybuje-li se elektron po kružnici (obiacutehaacute-li jaacutedro vlivem dostřediveacute siacutely) jsou si jeho magnetickyacute
moment μ a moment hybnosti J uacuteměrneacute Velikost momentu hybnosti elektronu je rovna hmotnosti
elektronu vynaacutesobeneacute jeho rychlostiacute a poloměrem draacutehy kterou opisuje (Obr 51)
Obr 51 Na kruhoveacute draacuteze je magnetickyacute moment μ(q2m)-naacutesobkem momentu hybnosti J[16]
Jeho směr je kolmiacute na rovinu draacutehy Vztah (10) je ne relativistickyacute je však pro atomy dobryacutem
přibliacuteženiacutem
(10)
Magnetickyacute moment tohoto pohybu lze určit jako proud kraacutet obsah plochy kruhu dle vztahu
Proud se vypočiacutetaacute jako naacuteboj kteryacute za jednotku času projde libovolnyacutem bodem draacutehy tj naacuteboj q kraacutet
frekvence kruhoveacuteho pohybu Frekvence je zase rychlost dělenaacute deacutelkou draacutehy takže platiacute
Plocha maacute obsah magnetickyacute moment je tedy možneacute vyjaacutedřit vztahem
Magnetickyacute moment a teacutež moment hybnosti J jsou kolmeacute na rovinu draacutehy Pro orbitaacutelniacute pohyb tedy
platiacute
Pro orbitaacutelniacute pohyb elektronu platiacute
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
23
Magnetismus od orbitaacutelniacuteho pohybu elektronu neniacute jedinyacute existujiacuteciacute druh magnetismu Elektron maacute i
svou vlastniacute rotaci kolem osy Důsledkem je spinovyacute moment hybnosti elektronu neboli vlastniacute
moment hybnosti Pro spinovyacute moment hybnosti se takeacute použiacutevaacute označeniacute spin Z překladu
z angličtiny jde rotace Pojem spin byl zaveden v době kdy se předpoklaacutedalo že jde o rotaci nicmeacuteně
v makrosvětě nemaacute spin analogii a člověk je nucen použiacutet idealizovanou představou rotace [16]
Poměr a je dvakraacutet tak tak velkyacute oproti orbitaacutelniacutemu pohybu elektronu proto je spinovyacute
magnetickyacute moment
Obecně je v každeacutem atomu několik elektronů a tak je celkovyacute moment hybnosti a celkovyacute magnetickyacute
moment daacuten složeniacutem jejich orbitaacutelniacutech a spinovyacutech momentů hybnosti V kvantoveacute mechanice
obecně platiacute že směr magnetickeacuteho momentu izolovaneacuteho atomu maacute opačnyacute směr než moment
hybnosti [16]
Někdy je magnetickyacute moment směsiciacute orbitaacutelniacutech a spinovyacutech přiacutespěvků jejichž vztah můžeme zapsat
Značka g je tzv Landeacuteho faktor a určeniacute jeho velikosti je předmětem kvantoveacute mechaniky
V přiacutepadě atomovyacutech jader figurujiacute naviacutec i spiny protonů a neutronů Pro jaacutedra obecně piacutešeme
Precese pohyb atomovyacutech magnetů v magnetickeacutem poli
Umiacutestěniacutem atomu do magnetickeacuteho pole je magnetickyacute moment ovlivňovaacuten momentem siacutely kteraacute se
jej snažiacute pootočit do směru pole Atomovyacute magnet je jako setrvačniacutek ndash maacute spinovyacute moment hybnosti
Moment siacutely způsobenyacute magnetickyacutem polem proto nedokaacuteže atomovyacute magnet udržet
v daneacutem směru Magnet proto bude vykonaacutevat precesniacute pohyb podobnyacute precesi mechanickeacuteho
setrvačniacuteku[16]
Rotuje-li těleso okolo osy zaznamenaacuteme u něj jistou podobnost v chovaacuteniacute s elementaacuterniacutem atomovyacutem
magnetem o momentu hybnosti
Jevy zjevneacute při rotaci tělesa lze popsat naacutesledujiacuteciacutemi tvrzeniacutemi
Pokud na rotujiacuteciacute těleso nepůsobiacute vnějšiacute siacutely zachovaacutevaacute si osu svojiacute rotace Nenulovyacute moment
siacutely působiacuteciacute na rotujiacuteciacute těleso ovlivňuje osu jeho rotace tiacutem viacutece čiacutem maacute těleso menšiacute
moment hybnosti
Když nutiacuteme rotujiacuteciacute těleso změnit osu svojiacute rotace chovaacute se tak že se snažiacute ztotožnit s osou
vynuceneacute rotace
(16)
(
) (17)
(
) (18)
24
Precese subatomaacuterniacutech čaacutestic v magnetickeacutem poli se s vyacutehodou využiacutevaacute v metodaacutech magnetickeacute
jaderneacute a elektronoveacute paramagnetickeacute rezonance
Nabiacuteziacute se otaacutezka jestli je možneacute určityacutem způsobem převeacutest siloveacute uacutečinky precesniacuteho pohybu
momentu hybnosti na mechanickyacute pohyb v nějakeacutem elektrickeacutem stroji Projevy rezonančniacutech jevů
jsou u všech typů magnetickyacutech rezonanciacute však velice slabeacute a frekvence Larmorovy precese s jakou
vektor magnetickeacuteho momentu rotuje ve vnějšiacutem poli je u elektronů ktereacute jsou přiacutečinou magnetismu
u feromagnetik až v řaacutedech GHzT Tiacutem paacutedem by musel mechanickyacute systeacutem v pracujiacuteciacute v rezonanci
s precesniacute frekvenciacute momentu hybnosti kmitat či rotovat teacutež v řaacutedech GHz nebo v jisteacutem poměru k
prvniacute harmonickeacute teacuteto frekvence
25
6 Nekonvenčniacute elektrickeacute stroje
Podle autorů elektrickyacutem motorů jsou motory založeneacute na jistyacutech principech schopny pracovat s
uacutečinnostiacute překračujiacuteciacute 100 Ve čtvrteacute kapitole hovořiacuteciacute o vakuu je popsaacuten Casimirův jev jako
důsledek narušeniacute symetrie prostorovyacutech fluktuaciacute elektromagnetickyacutech poliacute vakua mezi dvěma
kovovyacutemi deskami Vezmeme-li v uacutevahu teorii o prostoru vyplněneacutem vznikajiacuteciacutemi a zanikajiacuteciacutemi
virtuaacutelniacutemi čaacutesticemi nabiacuteziacute se otaacutezka Je možneacute zkonstruovat systeacutem kteryacute by energii projevujiacuteciacute se
jako fluktuace elektromagnetickyacutech poliacute vakua proměnil na užitečnou elektrickou či mechanickou
energii v takoveacute měřiacutetku aby byl schopnyacute napaacutejet elektrickeacute obvody sveacuteho řiacutezeniacute popř dodaacutevat
vyacutekon do vnějšiacute zaacutetěže Ze znalosti termodynamickyacutech zaacutekonů jasně vypliacutevaacute možnost využitiacute
teplotniacuteho rozdiacutelu dvou prostřediacute k ziacuteskaacuteniacute užitečneacute energie Tepelnaacute čerpadla jsou toho důkazem
Vzhledem k existenci elektromagnetickeacute energie vakua i při absolutniacute nule je možneacute tuto energii
považovat za vstupniacute energii do systeacutemu zobrazeneacuteho blokově na Obr 61
Obr 61 Blokoveacute scheacutema systeacutemu napaacutejeneacuteho energiiacute odčerpaacutevanou z okolniacuteho prostřediacute
Energie vstupuje do systeacutemu z vnějšiacuteho prostřediacute a sloužiacute pro napaacutejeniacute vnějšiacute zaacutetěže i systeacutemu
samotneacuteho
Systeacutem
Vstup energie do systeacutemu
z okolniacuteho prostřediacute
Vyacutestup využitelneacute
formy energie
Energie potřebnaacute pro řiacutezeniacute
systeacutemu se z vyacutestupu navraciacute
zpětnou vazbou
26
61 Johnsonův motor
V roce 1973 pět let po podaacuteniacute přihlaacutešky byl Howardu Johnsonovi udělen patent US 4151431 na
motor s permanentniacutemi magnety V roce 1995 pak patent US 5402021 popisujiacuteciacute magnetickyacute
pohonnyacute systeacutem založenyacute na obdobneacutem principu Oba tyto systeacutemy uacutedajně využiacutevajiacute ke konaacuteniacute praacutece
pouze siacutely permanentniacutech magnetů Ačkoli dnešniacute věda zavrhuje využitiacute vnějšiacutech projevů
subatomaacuterniacuteho pohybu čaacutestic hmoty permanentniacutech magnetů ke konaacuteniacute nepřetržiteacute praacutece v systeacutemu
Johnson uacutedajně připouštiacute že přesně neviacute odkud se energie kterou čerpaacute bere Ale domniacutevaacute se že
může miacutet souvislost s rotaciacute elektronů možnaacute dokonce souvisiacute s dosud nepojmenovanou čaacutesticiacute
V roce 1980 vyšel v dnes již zanikleacutem časopisu Science and Mechanics člaacutenek o Johnsonově motoru
popisujiacuteciacute vzaacutejemneacute interakce mezi magnety rotoru a statoru
Konstrukčniacute uspořaacutedaacuteniacute Johnsonova motoru
Obr 62 Čelniacute pohled do Johnsonova motoru Stator maacute po obvodu rozmiacutestěny tři obloukoviteacute
magnety Rotoroveacute magnety jsou vzaacutejemně odděleny vzduchovyacutemi mezerami [16]
Z Předniacuteho pohledu do motoru na Obr 62 jsou vidět tři obloukoviteacute permanentniacute magnety statoru
pravidelně rozmiacutestěneacute kolem rotoru
Obr 63 Z bočniacuteho pohledu do motoru je patrnaacute šroubovitaacute hřiacutedel kteraacute sloužiacuteciacute k zabrzděniacute stroje
[16]
27
Obr 64 Horniacute pohled na dva obloukoviteacute statoroveacute magnety navzaacutejem posunuteacute a překryacutevajiacuteciacute
magnety rotoru [16]
Obr 65 Průběhy změny indukce během změny polohy jižniacuteho a severniacuteho poacutelu magnetu statoru vůči
rotorovyacutem magnetům
Obr 66 Naznačeniacute pohybu obloukovyacutech magnetů rotoru nad statorovyacutemi magnety
Popis principu
Obr 66 ukazuje některeacute zaacutekladniacute vztahy Plneacute čaacutery představujiacute přitažliveacute siacutely přerušovaneacute čaacutery
představujiacute odpuzovaacuteniacute a dvojiteacute čaacutery v obou přiacutepadech znaacutezorňujiacute dominantniacute siacutely
Na Obr 66 je obloukově zakřivenyacute permanentniacute magnet ve třech po sobě naacutesledujiacuteciacutech polohaacutech nad
pevnyacutemi statorovyacutemi magnety Obr 66 poskytuje alespoň velmi zjednodušenyacute pohled do teorie
28
pohonu pomociacute permanentniacutech magnetů Johnson řiacutekaacute že zakřiveneacute magnety s ostryacutemi konci jsou
důležiteacute protože koncentrujiacute magnetickou energii mnohem uacutečinněji než magnety s tupyacutemi konci Tyto
obloukoviteacute magnety jsou o něco delšiacute než je deacutelka dvou magnetů statoru včetně mezery mezi nimi V
Johnsonově konstrukci jsou dlouheacute
palce
Všechny statoroveacute magnety majiacute severniacute poacutel nahoře a spočiacutevajiacute na podložce vyrobeneacute z materiaacutelu s
vysokou permeabilitou kteraacute pomaacutehaacute koncentrovat silovaacute pole Optimaacutelniacute mezera mezi konci
rotorovyacutech magnetů a statorem je kolem
palce
Když se severniacute poacutel magnetu rotoru nachaacuteziacute nad statorovyacutem magnetem je jiacutem odpuzovaacuten a je ke
statoru přitahovaacuten když prochaacuteziacute nad mezerou mezi statorovyacutemi magnety Přesně opačneacute siacutely působiacute
u jižniacuteho poacutelu rotoroveacuteho magnetu Je přitahovaacuten když prochaacuteziacute nad statorovyacutem magnetem a je
odpuzovaacuten když se nachaacuteziacute nad mezerou
Předniacute poacutel N rotoru je odpuzovaacuten severniacutemi poacutely dvou přilehlyacutech magnetů Ale v zobrazeneacute poloze
magnetu rotoru tyto dvě odpudiveacute siacutely (ktereacute zřejmě působiacute proti sobě) nejsou totožneacute většiacute z obou sil
(dvojitaacute přerušovanaacute čaacutera) překonaacutevaacute druhou siacutelu a taacutehne rotor doleva Tento pohyb vlevo je zrychlen
přitažlivou silou mezi severniacutem poacutelem rotoru a jižniacutem poacutelem v mezeře mezi statorovyacutemi magnety
Současně na druheacutem konci (S) rotoroveacuteho magnetu Deacutelka tohoto magnetu je cca
palce a je
zvolena s ohledem na velikost paacuteru statorovyacutech magnetů a mezery mezi nimi aby přiacutetažliveacute a
odpudiveacute siacutely taacutehly magnety rotoru doleva V tomto přiacutepadě je poacutel S přitahovaacuten severniacutemi poacutely
přilehlyacutech statorovyacutech magnetů ale z důvodu rozměrů rotoroveacuteho magnetu je rotor silněji tažen
doleva (dvojitaacute plnaacute čaacutera) Takeacute zde je s vyacutehodou využito siloveacute působeniacute mezi koncem rotoroveacuteho
magnetu a mezerou mezi magnety statoru V tomto přiacutepadě majiacute oba poacutely stejnou polaritu (S) proto se
vzaacutejemně odpuzujiacute
Je nutneacute dodržet spraacutevnou deacutelku magnetů rotoru Jestliže jsou buď přiacuteliš dlouheacute nebo přiacuteliš kraacutetkeacute
mohou dosaacutehnout nežaacutedouciacute rovnovaacutehy kteraacute znamenaacute konec pohybu Ciacutelem je optimalizovat
všechny siacutely tak aby bylo dosaženo maximaacutelniacute nerovnovaacutehy ale vždy stejnyacutem směrem Když se rotor
otočiacute o 180 stupňů a dostane se na opačnyacute konec draacutehy bude se chovat stejnyacutem způsobem až na to že
se v tomto přiacutekladu bude pohybovat zleva doprava Takeacute musiacuteme poznamenat že jakmile je rotor v
pohybu maacute moment kteryacute pomůže dostat rotorovyacute magnet do sfeacutery vlivu dalšiacuteho paacuteru magnetů
statoru kde ziacuteskaacute dalšiacute moment [25]
29
62 Adamsův motor generaacutetor
Podle informačniacuteho zdroje [26] byl vynaacutelez Roberta Adamse viacutece než 20 let držen v tajnosti Jeho
autorovi bylo vyhrožovaacuteno smrtiacute v přiacutepadě že bude šiacuteřit informace tyacutekajiacuteciacute se principů na nichž jeho
motorgeneraacutetor pracuje Informace byly po letech zveřejněny internetoveacutem magaziacutenu Nexus
Adams ke sveacutemu stroji vytvořil publikaci The Adams pulsed motor generator manual ve ktereacute uvaacutediacute
naacutesledujiacuteciacute obraacutezkoveacute ilustrace Autor v něm teacutež předklaacutedaacute grafy naměřenyacutech průběhů napětiacute pro
různeacute režimy stroje
Robert Adams tvrdiacute Naacuteš vesmiacuter je moře volneacute čisteacute energie A čekaacute jen na to abychom ji začali
využiacutevat
Vlastnosti a vyacutehody Adamsova motor generaacutetoru uvedeneacute Robertem Adamsem
1) Překonaacutevaacute zpětnou elektromotorickou siacutelu kteraacute je probleacutemem všech konvenčniacutech strojů
2) Střiacutedavě zapřahuje ZES tedy zanikajiacuteciacute magnetickeacute pole čiacutemž zvyšuje moment a snižuje
přiacutekon
3) V režimu motorgeneraacutetoru nevyžaduje k vyacuterobě elektrickeacuteho vyacutestupniacuteho vyacutekonu
oddělenyacute motor
4) Pro běh stroje a vyacuterobu vyacutestupniacuteho vyacutekonu využiacutevaacute jedinyacute rotor
5) Všechny poacutely rotoru majiacute stejnou polaritu
6) Statoroveacute hnaciacute vinutiacute a poacutely jsou menšiacutech rozměrů
7) Velikost vzduchoveacute mezery neniacute kritickaacute
8) Nevyžaduje chladiacuteciacute ventilaacutetor
9) Stroj nevyžaduje konstantniacute vstupniacute proud
10) Naacutevrh stroje je naacutesledujiacuteciacute
a) Energie je vede zpět do baterioveacuteho zdroje
b) Magnetickyacute zpětnyacute tah je prakticky nulovyacute
c) Teplota při plneacutem zatiacuteženiacute je polovičniacute ve srovnaacuteniacute s jakyacutemkoliv konvenčniacutem strojem
d) S ohledem na způsob mechanickeacuteho spiacutenaacuteniacute kteryacute zajišťuje zužujiacuteciacute se hvězda
kontaktniacuteho disku je možneacute měnit střiacutedu impulzů
11) V režimu vysokeacute uacutečinnosti stroj čerpaacute energii z prostoru
12) Čiacutem nižšiacute rychlostiacute se otaacutečiacute tiacutem dosahuje vyššiacute uacutečinnosti a krouticiacuteho momentu na rozdiacutel
od konvenčniacutech strojů
13) V rezonančniacutem režimu nejsou přiacutetomny jaloveacute ztraacutety a stroj vykazuje konstantniacute vyacutekon a
moment
14) Jelikož se směr energie ze zdroje neměniacute nejsou přiacutetomny ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy a
hystereziacute
15) Stroj se ve všech pracovniacutech režimech saacutem chraacuteniacute před některyacutemi nepřiacuteznivyacutemi situacemi
ktereacute v jinyacutech přiacutepadech vyžadujiacute doplňujiacuteciacute zařiacutezeniacute
16) Vysokeacute otaacutečky nejsou nutneacute čiacutemž odpadajiacute probleacutemy s nimi spojeneacute
17) Stroj je možneacute elektricky zatiacutežit a počiacutetat s naacuteslednyacutem naacuterůstem vyacutestupniacute energie od 50
přes 100 a to bez přetiacuteženiacute nebo naacuterůstu teploty nad normaacutelniacute pracovniacute teplotu
30
18) Stroj je saacutem o sobě obdivuhodně jednoduchyacute a nevyžaduje draheacute obvody pro řiacutezeniacute
rychlosti [26]
Popis zaacutekladniacute konstrukce
Adamsův motor-generaacutetor je elektrickyacute stroj s permanentniacutemi magnety radiaacutelně uloženyacutemi v rotoru
Stroj je uacutedajně možneacute zkonstruovat v různyacutech konfiguraciacutech podle toho zda požadujeme vyacutestupniacute
vyacutekon spiacuteše elektrickyacute nebo mechanickyacute
Zaacutekladniacute konfigurace stroje určenaacute pro vyacutestup elektrickeacuteho vyacutekonu ze stroje obsahuje tři druhy
statorovyacutech magnetickyacutech poacutelů vhodně rozmiacutestěnyacutech kolem rotoru s permanentniacutemi magnety
1 Permanentniacute magnety rotoru jsou všechny polarizovaacuteny ve stejneacutem směru Tok
magnetickeacute indukce všech vystupuje buď ven nebo dovnitř směrem ke hřiacutedeli
Obr 67 Magnety jsou pro zvyacutešeniacute vyacutekonu stroje uloženy v několika rotorovyacutech sekciacutech
2 Řiacutediacuteciacute poacutely jsou napaacutejeny pulzně v zaacutevislosti na poloze rotoru vůči statoru a to skrze
mechanickyacute komutaacutetor Ciacutevky jsou navinuty na jaacutedra ze kteryacutech vystupuje magnetickyacute tok
v opačneacutem směru oproti toku permanentniacutech magnetů v rotoru Rotor se pohybuje jelikož je
odpuzovaacuten těmito silovyacutemi uacutečinky
Obr 68 Pulzně buzeneacute ciacutevky
31
3 Zpětnovazebniacute poacutely jsou navinuty na magnetickyacutech jaacutedrech a jsou napaacutejeny elektrickou
energiiacute kteraacute se zpětně indukuje do elektrickeacuteho obvodu řiacutediacuteciacutech ciacutevek v důsledku prudkeacuteho
přerušeniacute dodaacutevky proudu Magnetickeacute pole v prostoru vzduchoveacute mezery a rozptylovyacutech
drahaacutech se snažiacute zaacuteniku proudu zabraacutenit čiacutemž vznikaacute prudkyacute energetickyacute skok
Obr 69 Zpětnovazebniacute ciacutevky
4 Generaacutetorickeacute poacutely generujiacute proud do připojeneacute zaacutetěže
Obr 610 Zpětnovazebniacute ciacutevky
5 Permanentniacute poacutely statoru jsou tvořeny feritovyacutemi magnety rozmiacutestěny po obvodu rotoru podle
konfigurace na Obr611a majiacute za uacutečel zvyacutešit mechanickyacute moment rotoru
32
Obr 611 Rozmiacutestěniacute permanentniacutech magnetů po obvodu statoru
Na Obr 612 je princip spiacutenaacuteniacute proudu do ciacutevek statoru řešenyacute prostřednictviacutem mechanickeacuteho
komutaacutetoru ve tvaru čtyřciacutepeacute hvězdy Při otaacutečeniacute dochaacuteziacute v jistyacutech polohaacutech ke spojeniacute kontaktů
dosedajiacuteciacutech na komutaacutetor a proud tekouciacute ciacutevkami v nich vybudiacute magnetickyacute indukčniacute tok kteryacute
svyacutemi uacutečinky odpuzuje permanentniacute magnety v rotoru Na obraacutezku je naznačen princip motoru a
způsob měřeniacute otepleniacute jaacutedra při daneacute mechanickeacute zaacutetěži Do jaacutedra je vyvrtaacuten otvor do nějž je
zasunuta teplotniacute sonda Otepleniacute jaacutedra by nemělo překročit 40 degC
Obr 612 Zaacutekladniacute konstrukce Adamsova motoru sloužiacuteciacute pro demonstraci nastaveniacute vhodneacute velikosti
proudu tekouciacuteho do vinutiacute ciacutevek při požadovaneacute mechanickeacute zaacutetěži
33
Obr 613 Vyacutekres Adamsova motor generaacutetoru s osmi permanentniacutemi magnety v rotoru
stejnosměrnyacutemi pulzniacutemi ciacutevkami a generaacutetorovyacutemi ciacutevkami navinutyacutemi na odlišnyacutech magnetickyacutech
jaacutedrech
Robert Adams ve sveacute publikaci uvaacutediacute na Obr 614 zaznamenaacuteny průběhy hodnot napětiacute na bateriiacutech
postupně připojovanyacutech na elektrickyacute vyacutestup stroje Přičemž hodnota napětiacute na vstupniacute napaacutejeciacute baterii
se měniacute jen nepatrně Na zaacutekladě těchto dat uvedenyacutech v Tab 61 Adams stanovuje uacutečinnost motor
generaacutetoru
Obr 614 Baterie na vyacutestupu jsou postupně dobiacutejeny přičemž velikost napětiacute na vstupniacute baterii se
snižuje jen nepatrně
34
Naacutesledujiacuteciacute tabulka shrnuje vyacutesledky naměřeneacute v grafu na Obr 614
Tab 61 Souhrn vyacutesledků naměřenyacutech hodnot napětiacute na vyacutestupniacutech bateriiacutech
Dokonalejšiacute konstrukce Adamsova motor generaacutetoru
Konstrukce zde popisovanaacute je realizovaacutena jako model pro měřeniacute uacutečinnosti tohoto motoru avšak
s několika podstatnyacutemi konstrukčniacutemi rozdiacutely o nichž se zmiňuji při popisu realizovaneacuteho stroje
Rotor na Obr 615 maacute 7 vyniklyacutech poacutelů rotoru a 8 statorovyacutech jader Je možneacute použiacutet i 6 jader ve
statoru při použitiacute stejneacuteho rotoru Tiacutem však dojde ke sniacuteženiacute uacutečinnost stroje Počet rotorovyacutech a
statorovyacutech poacutelů by neměl byacutet v celočiacuteselneacutem poměru
Obr 615 Konfigurace se 6 poacutely statoru a 7 poacutely rotoru Magnetizačniacute vinutiacute protějšiacutech poacutelů
statoru jsou spojena do seacuterie
Popis principu činnosti během otaacutečeniacute rotou
Na Obr 616 (a) je poacutel rotoru R1 přesně mezi statorovyacutemi poacuteli S1 a S2 a představme si že směřuje k S2
a je jiacutem přitahovaacuten až do chviacutele kdy je v pozici na obr (c) Nyniacute je zarovnaacuten s jaacutedrem statoru jehož
vinutiacutem začne proteacutekat proud kteryacute maacute takovou polaritu aby došlo k odpuzovaacuteniacute rotoroveacuteho poacutelu ze
zarovnaneacute pozice Tiacutem paacutedem je vlivem siloveacute interakce magnetickyacutech polyacute rotoru urychlovaacutem a
proud teče do statoroveacuteho vinutiacute až do chviacutele kdy je vpozici na obr (e) Nyniacute je protějšiacute statororoveacute
jaacutedro zarovnaacuteno s rotorovyacutem poacutelem
Baterie č
(vyacutestup)
Počaacutetečniacute
napětiacute
baterie
[V]
Doba běhu
stroje [h]
Konečneacute
napětiacute baterie
[V]
Naacuterůst
napětiacute
baterie oproti
počaacutetečniacute
hodnotě 102 V
[V]
Uacutečinnost []
1 102 33 1142 122 610
2 1172 15 1184 162 810
3 114 66 1201 181 905
35
Podiacutevejme se co se během toho děje na protějšiacute straně rotoru
Rotorovyacute poacutel R4 na obr (a) je praacutevě zarovnaacutem se statorovyacutem jaacutedrem S5 Tudiacutež je do vinutiacute tohoto
jaacutedra S5 přiveden proud jehož uacutečinky jsou i vtomto přiacutepadě vyvolajiacute odpuzovaacuteniacute poacutelu R4 Proud
vinutiacutem jaacutesdra S5 proteacutekaacute do chviacutele na obr(c) kdy dojde k demagnetizaci statoroveacuteho jaacutedra S2
Obr 617 Vzaacutejemeacute polohy rotoru vůči statorovyacutem poacutelům pro popis principu
Rotor je roztaacutečen těmito silovyacutemi přiacutespěvky
a) Rotorovyacute poacutel je přitahovaacuten ke statorovyacutem magnetickyacutem jaacutedrům vlivem projevu magnetickyacutech
sil permanentniacutech magnetů prostupujiacuteciacutech vzduchovou mezeru a uzaviacuterajiacuteciacutech se přes jaacutedra
statoru
b) Rotor je po zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru se statorovyacutem daacutele roztaacutečen vlivem odpudivyacutech
sil mezi poacutely rotoru a řiacutediacuteciacutemi poacutely statoru Vinutiacute řiacutediacuteciacutech poacutelů je napaacutejeno elektrickyacutemi
impulzy v zaacutevislosti na poloze rotoru vůči statoru Intenzita magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute
mezeře je nejvyššiacute při zarovnaacuteniacute poacutelů statoru a rotoru
Na Obr je pohled do vnitřniacute struktury magnetickeacuteho obvodu popisovaneacuteho stroje
12 podeacutelneacute magnetickeacute poacutely statoru s vysokou permeabilitou
13 rotoroveacute sekce s vyniklyacutemi poacutely
14 hřiacutedel
15 permanentniacute magnety uloženeacute ve středoveacutem pouzdru
16 otvor pro permanentniacute magnety
17 Disk sloužiacuteciacute jako pouzdro magnetů
Obr 618 Pohled na do struktury rotoru
36
Dalšiacutemi motory ktereacute uacutedajně pracujiacute s vysokou jsou Bediniho motor Takahasiho motor a Kawaiův
motor
63 Systeacutem pro přeměnu energie elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute na
elektrickou energii
Americkyacute patent č 5590031 podanyacute 24 července 1994 Franklinem B Meadem a Jackem
Nachamkinem popisuje zařiacutezeniacute přeměňujiacuteciacute vysokofrekvenčniacute elektromagnetickou energii
vakuovyacutech fluktuaciacute vznikajiacuteciacutech jako projev virtuaacutelniacutech čaacutestic teacutež označovanou pojmem bdquozero point
energyldquo na užitečnou elektrickou energii Pojem zero point energy neboli energie nuloveacuteho bodu byl
zaveden vzhledem k faktu že i při teplotě absolutniacute nule (0 K = -27315 degC) vakuum obsahuje energii
fluktuaciacute elektromagnetickyacute poliacute jako důsledek projevů vznikajiacuteciacutech a zanikajiacuteciacutech virtuaacutelniacutech čaacutestic
Na Obr 619 je znaacutezorněn princip zařiacutezeniacute Čiacuteslo 216 symbolizuje vysokofrekvenčniacute
elektromagnetickeacute zaacuteřeniacute Pomociacute litografickeacute technologie jsou vytvořeny dielektrickeacute struktury
(212) a (214) tvaru koule polokoule či disku Tyto struktury jsou velice maleacute a jejich velikost musiacute
byacutet v přiacutemeacutem poměru k vlnoveacute deacutelce elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute Struktury jsou připevněny na
zaacutekladoveacutem substraacutetu (236) a rozloženy do pole (238) Tyto struktury se vlivem působeniacute
elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute pohybujiacute s mnohem menšiacute frekvenciacute než jakou maacute elektromagnetickeacute
zaacuteřeniacute ktereacute jejich pohyb vyvolalo Naacutesledkem pohybu se v anteacuteně (222) indukuje elektrickaacute energie o
využitelneacute frekvenci Jednotliveacute anteacuteny mohou miacutet tvar smyčky nebo mohou byacutet dipoacuteloveacute
Indukovanyacute proud je naacutesledně veden vodiči (226) nebo vlnovodem do primaacuterniacuteho obvodu (228)
transformaacutetoru (232) Kondenzaacutetor (230) sloužiacute pro vyladěniacute rezonančniacuteho obvodu V sekundaacuterniacutem
obvodu je střiacutedavyacute proud usměrněn diodou (234)[17]
Obr 619 Scheacutema zařiacutezeniacute pro přeměnu vysokofrekvenčniacute elektromagnetickeacute energie na využitelnou
formu elektrickeacute energie [14]
37
7 Feromagnetickeacute materiaacutely
Tvar hysterezniacute smyčky magnetickeacuteho materiaacutelu zaacutevisiacute na chemickeacutem složeniacute feromagnetika a na jeho
tepelneacutem zpracovaacuteniacute Z analogie s mechanickou tvrdostiacute rozlišujeme magneticky měkkaacute
feromagnetika kteraacute dobře vedou magnetickyacute tok a tvrdaacute feromagnetika z nichž se vyraacutebiacute
permanentniacute magnety Na Obr71 je naacutezorneacute rozděleniacute magneticky měkkyacutech polotvrdyacutech a tvrdyacutech
materiaacutelů
Obr 71 Rozděleniacute magnetickyacutech materiaacutelů na měkkeacute polotvrdeacute a tvrdeacute
71 Magneticky měkkaacute feromagnetika
Pro vedeneacute magnetickeacuteho toku v magnetickeacutem obvodu motoru je využito měkkyacutech feromagnetik jež
se vyznačujiacute strmou magnetizačniacute křivkou a uacutezkou hysterezniacute smyčkou Majiacute vysokou počaacutetečniacute
a maximaacutelniacute permeabilitu a malou koercivitu Hclt103
Am Často lze hysterezi zanedbat a je možneacute
uvažovat pouze s magnetizačniacute křivkou1
Na trhu s magnetickyacutemi materiaacutely figuruje řada vyacuterobců a distributorů Naacutesledujiacuteciacute z nich jsem
oslovil s prosbou o poskytnutiacute vzorků magnetickyacutech jader pro měřeniacute magnetickyacutech vlastnostiacute
1 aplik
38
711 Vyacuterobci měkkyacutech feromagnetickyacutech materiaacutelů
a) Firma Therma FM
Firma Therma FM vyraacutebiacute magnetickeacute obvody z anizotropniacutech plechů a nabiacuteziacute i izotropniacute
dynamoplechy Materiaacutely pro vyacuterobu jader firma odebiacuteraacute od společnosti ThyssenKrupp
Jaacutedra pro jednofaacutezoveacute transformaacutetory jsem použil jako statoroveacute jaacutedra realizovaneacuteho motoru
Při vyacuterobě naviacutejeno na obdeacutelniacutekoveacute kopyto o rozměrech odpoviacutedajiacuteciacutech požadovaneacute velikosti okna pro
primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Jaacutedro je po navinutiacute z transformaacutetoroveacuteho plechu rozřiacuteznuto na dvě
poloviny jedna z nich je na Obr Xx Po rozřiacuteznutiacute jaacutedra je možneacute nasunout vinutiacute
Obr 72 Fotografie jedneacute poloviny jaacutedra pro jednofaacutezoveacute transformaacutetory
Magnetickeacute vlastnosti jaacutedra vyrobeneacuteho z materiaacutelu M150-30S jsou uvedeny v Tab71
Tab 71 Magnetickeacute vlastnosti jaacutedra stanoveneacute normou EN 10107
Norma Tloušťka
Max ztraacuteta v
jaacutedře při 15 T
[Wkg]
Maximaacutelniacute ztraacuteta
v jaacutedře při 17 T
[Wkg]
Min
J800
Nejmenšiacute
činitel
plněniacute
Typ
EN 10107 mm 50 Hz 50 Hz 60 Hz T PowerCore
M 150-30 S 030 097 150 197 175 0955 C 150-30
Magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelů jakosti M150-30S a M600-50 na Obrxx jsou zrekonstruovaneacute
podle z katalogovyacutech křivek vyacuterobce Thyssen Krupp
39
Obr 73 B-H charakteristiky jader z orientovanyacutech (M150-30S) trafoplechů a
neorientovanyacutechdynamoplechů M600-50
0
05
1
15
2
25
0 250 500 750 1 000 1 250 1 500 1 750 2 000
B [T]
H [Am]
Magnetizačniacute charakteristiky
M150-30S
M600-50
40
b) Firma Vacuumschmelze (VAC)
Tento německyacute vyacuterobce poskytnul dva vzorky toroidniacutech jader s nanokrystalickou strukturou Materiaacutel
je prodaacutevaacuten pod obchodniacutem naacutezvem Vitroperm 500F a vynikaacute velice uacutezkou hysterezniacute smyčkou
vysokou hodnotou magnetickeacute indukce při maleacute koercivitě Zaacutekladniacute složkou Vitropermu je Fe
s přiacuteměsemi Si B Nb a Cu
Tab 72 Magnetickeacute vlastnosti Vitropermu 500F uvedeneacute v katalogu vyacuterobce
Saturačniacute
indukce
Statickaacute
koercivita
Přibližnaacute
rezistivita
Curieho
teplota Permebilita
Měrneacute ztraacutety
(100kHz 03T)
Bs [T] Hc [Am] φ [μΩcm] tc[degC] μi PFe [Wkg]
12 lt3 115 gt600 15000hellip150000 80
Na Obr Xx jsou vyacuterobcem uvedeneacute magnetizačniacute charakteristiky Vitropermu 500F a 250F
v porovnaacuteniacute s typickou charakteristikou feritu
Obr 74 Jaacutedra z Vitropermu 500F dosahujiacute oproti běžneacutemu feritu mnohem vyššiacute magnetickeacute indukce
Je zřejmeacute že cena Vitropermovyacutech jader je oproti feritovyacutem mnohem většiacute a to diacuteky naacuteročneacutemu
vyacuterobniacutemu procesu
Společnost VAC ve sveacutem sortimentu nabiacuteziacute jaacutedra s amorfniacute strukturou s obchodniacutem naacutezvem Vitrovac
Vyraacutebiacute se metodou rychleacuteho tuhnutiacute kdy se na studenyacute buben otaacutečejiacuteciacute se rychlostiacute 100kmh vleacutevaacute
skrze keramickou trysku směs materiaacutelů roztavenaacute na teplotu okolo 1300degC a prudce se ochlazuje
(1000000 Ks) na meacuteně než 400degC v 1ms Tiacutem vznikaacute paacuteska tloušťky 20 μm s amorfniacute strukturou
Na Obr 77 je pro představu vyobrazenaacute krystalickaacute amorfniacute a nanokrystalickaacute struktura materiaacutelu
41
Obr 75 Detail na krystalickou strukturu (vlevo) amorfniacute a nanokrystalickou strukturu (vpravo)
Mezi dalšiacute materiaacutely ktereacute VAC nabiacuteziacute patřiacute materiaacutely pro elektrickeacute stroje a zařiacutezeniacute kde je
požadovaacutena vysokaacute hodnota indukce Tyto materiaacutely jsou znaacutemi pod obchodniacutemi naacutezvy Ultraperm
Vacoperm Mumetall Permax Permenorm Megaperm Trafoperm Vacoflux Vacofer a Vacodur
Pro srovnaacuteniacute jsou na Obrxx magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelů Vacoflux 50 Vacoflux 17 a Fe a
Fe 3 přiacuteměsiacute Si
Obr 76 Statickeacute magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelu Vacoflux 50 a Vcoflux 17 dosahuiacute vyšiacute
hodnoty magnetickeacute indukce nasyceniacute než běžnaacute křemiacutekovaacute ocel s obsahem 3 křemiacuteku a Fe 999
42
c) Firma Magnetics
Společnost Magnetics vyraacutebiacute jaacutedra lisovaacuteniacutem prachovyacutech přiacuteměsiacute se zaacutekladniacute složkou Na trhu jsou
znaacutemy pod označeniacutem High Flux MPP (Magnetics Molypermalloy Powder) Kool Mμ a Xflux
1 Jaacutedra High Flux jsou složena ze 79 Ni 17 Fe a 4 Mo Majiacute nejnižšiacute měrneacute ztraacutety ze
všech prchovyacutech jader
2 Jaacutedra MMP obsahujiacute 81 NI 17 Fe a 2 Mo Majiacute vynikajiacuteciacute vlastnosti jakyacutemi jsou
vysokaacute rezistivita niacutezkeacute hysterezniacute ztraacutety a ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy Z všch jader majiacute největšiacute
permeabilitu tiacutem paacutedem i vyššiacute hodnotu saturace
3 Jaacutedra Kool Mμ jsou vyrobena lisovaacuteniacutem prachu železnyacutech slitin a vykazujiacute nejmenšiacute
magnetostrikci
4 Jaacutedra XFlux obsahujiacute prach Fe s přiacuteměsiacute 65 Si Jsou vhodnaacute pro niacutezkofrekvenčniacute a
středofrekvenčniacute tlumivky
Tab 73 Magnetickeacute vlastnosti jader společnosti Magnetics katalogu vyacuterobce
Materiaacutel High Flux MMP Kool Mμ XFlux
Permeabilita 14-160 14-555 26-125 60
(Bs) [T] 15 075 105 16
Jaacutedra žeelezoprachovaacute byacutevajiacute teacutež označovanaacute jako železovaacute jaacutedra a jsou vyraacuteběna lisovaacuteniacutem
izolovaneacuteho praacutešku z magneticky měkkeacuteho materiaacutelu s niacutezkou koercitivniacute silou a vysokou
permeabilitou V současneacute době z tohoto materiaacutelu vyraacutebějiacute jaacutedra kromě firmy Magnetics jen někteřiacute
vyacuterobci a to předevšiacutem vaacutelcovaacute ladiacuteciacute jaacutedra pro laděniacute feritovyacutech hrniacutečkovyacutech jader a kruhovaacute jaacutedra
pro odrušovaciacute ciacutevky a filtračniacute tlumivky měničů napětiacute Zvyšovaacuteniacute objemu izolačniacute laacutetky vede ke
snižovaacuteniacute permeability jader a změně teplotniacute zaacutevislosti samotneacuteho magnetickeacuteho materiaacutelu jaacutedra a
roztažnostiacute jeho jednotlivyacutech složek Volbou směsi magnetickyacutech prachů je možneacute předem definovat
teplotniacute činitel permeability kteryacute může nabyacutevat klasnyacutech zaacutepornyacutech popř i nulovyacutech hodnot
Průmyslově se vyraacutebějiacute jaacutedra z jemnyacutech magnetickyacutech prachů s odstupňovanou permeabilitou
v rozsahu = 7 až 550 Jaacutedra toroidniacute s permeabilitou 7 až 150 se použiacutevajiacute v laděnyacutech obvodech
filtrů pro odrušovaciacute tlumivky jaacutedra s permeabilitou 90 až 550 v napaacutejeciacutech spiacutenaciacutech zdrojiacutech
Vysokeacute permeability je dosaženo materiaacutelovyacutem složeniacute magnetickyacutech prachů a změnou velikosti zrn
Čiacutem většiacute jsou prachovaacute zrna tiacutem vyššiacute je permeabilita diacuteky zvyacutešeniacute poměru magnetickeacuteho materiaacutelu
vůči izolačniacute laacutetce
43
72 Magneticky tvrdaacute feromagnetika
Magneticky tvrdeacute feromagnetickeacute materiaacutely majiacute magnetizačniacute křivku s malou strmostiacute a širokou
hysterezniacute smyčku Vykazujiacute poměrně malou permeabilitu a velkou koercivitu Hclt25middot103
Am
Použiacutevajiacute se pro permanentniacute magnety Vyacutevoj v oblasti těchto materiaacutelů nechal vzniknout celeacute řadě
magnetů odlišujiacuteciacutemi se magnetickyacutemi vlastnostmi konduktivitou mechanickyacutemi vlastnostmi a
ekonomickyacutemi parametry Tvrdaacute feromagnetika lze rozdělit naacutesledovně
a) Uhliacutekoveacute oceli ndash s obsahem 15 uhliacuteku Daacutele byly zdokonaleny legovaacuteniacutem wolframem
chromem a kobaltem a zakaleniacutem na martenzitickou strukturu Naacutesledně byly vyrobeny
mnohem vyacutehodnějšiacute slitiny železa niklu a hliniacuteku (Al-Ni) přiacutepadně kobaltu (Al-Ni-Co)
mědi či titanu Nevyacutehodou slitin Al-Ni a Al-Ni-Co je značnaacute mechanickaacute tvrdost křehkost a
tiacutem paacutedem i obtiacutežnaacute opracovatelnost
b) Tvrdeacute ferity ndash např barioveacute (BaFe12O19) nebo stroncioveacute (SrFe12O19) ferity s obsahem
přibližně 80 železa a asi 20 oxidu baria BaO nebo stroncia SrO Mohou byacutet izotropniacute a
anizotropniacute Niacutezkaacute cena a spolehlivost předurčuje tyto materiaacutely pro užitiacute v automatizačniacute
řiacutediacuteciacute a měřiciacute technice
c) Magnety ze vzaacutecnyacutech zemin ndash složeniacute na baacutezi samarium-kobalt (SmCo5 a Sm2Co17) nebo na
baacutezi neodym-železo-boacuter (Nd2Fe14B) Vyraacutebiacute se procesy praacuteškoveacute metalurgie lisovaacuteniacutem
v magnetickeacutem poli s naacuteslednyacutem speacutekaacuteniacutem Patřiacute k nejvyacutekonnějšiacutem permanentniacutem
magnetům Použiacutevajiacute se v silnoproudeacute počiacutetačoveacute a řiacutediacuteciacute technice a u elektroakustickyacutech
zařiacutezeniacute
d) Plastoveacute magnety ndash jsou vyraacuteběny ve formě plastoveacute nemagnetickeacute matrice v niacutež je plnidlem
jemnyacute praacutešek z vhodnyacutech slitin (alni alnico tvrdeacute ferity či materiaacutely na baacutezi vzaacutecnyacutech zemin)
Mohou byacutet izotropniacute nebo anizotropniacute Vyraacutebiacute se lisovaacuteniacutem nebo slinovaacuteniacutem při vysokeacute
teplotě do libovolneacuteho tvaru Použiacutevajiacute se v slaboproudeacute technice
Obr 77 Srovnaacuteniacute demagnetizačniacutech charakteristik permanentniacutech magnetů
44
73 Měřeniacute hysterezniacutech charakteristik vzorků magnetickyacutech jader
Pro měřeniacute hysterezniacutech charakteristik byl použit systeacutem Remacomp-C2
Přiacuteprava vzorků magnetickyacutech jader pro měřeniacute na systeacutemu Remacom-C2
Na jaacutedra bylo před měřeniacutem navinuto primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Mezi primaacuterniacutem a sekundaacuterniacutem
vinutiacute byl proveden izolačniacute proklad lepiciacute paacuteskou Průměr vodiče a počet zaacutevitů v primaacuterniacutem (N1) a
sekundaacuterniacutem (N2) vinutiacute je uveden v Tab Na Obr jsou již vzorky připraveny pro měřeniacute
Tab 74 Bližšiacute specifikace rozměrů počet zaacutevitů vinutiacute a průměr vodičů
Vyacuterobce Therma FM Vacuumschmelze Magnetics
Jaacutedro C150-30S Vitroperm 500F KoolMμ
Tvar Obdeacutelniacutekoveacute Toroid Toroid
Vnějšiacute průměr [mm] 64x36 323 274
Vnitřniacute průměr mm] 55x16 178 145
Vyacuteška mm] 13 122 117
N2 [z] 47 53 41
N2 [z] 47 53 41
Průměr vodiče [mm] 075 05 05
Měřeniacute je provedeno při frekvenciacutech 50Hz a 300Hz a maximaacutelniacute intenzitě 250 Am u jader
M150-30S a Vitropermu 500F Materiaacutel KoolMμ byl měřen při maximaacutelniacute intenzitě 5950 Am
z důvodů zachyceniacute maximaacutelniacute hodnoty indukce tohoto jaacutedra Na Obr71 až 715 jsou pro
srovnaacuteniacute hysterezniacute uvedeny charakteristiky měřenyacutech materiaacutelů
Obr 78 Vzorky jader připraveneacute na měřeniacute hysterezniacutech charakteristik Vlevo M150-30S uprostřed
Vitroperm 500F a vpravo KoolMμ
45
Obr 79 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
Obr 710 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=250 Am Bmax=157 T
Obr 711 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=250 Am Bmax=153 T
Při frekvenci 300Hz došlo k nepatrneacutemu sniacuteženiacute hodnoty Bmax oproti 50 Hz Intenzita Hc se
ztrojnaacutesobila
Remacomp-C2 nebyl schopen naměřit hysterezniacute smyčku Vitropermu 500F na Obr zcela bezchybně
46
Obr 712 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z Vitropermu 500F měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=279 Am při 50Hz vykazuje odskoky od skutečneacuteho průběhu
Obr 713 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z Vitropermu 500F měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě
intenzity magnetickeacuteho pole Hmax=279 Am při 300 Hz takeacute vykazuje odskoky od skutečneacuteho průběhu
Při změně frekvence z 50 Hz na 300Hz došlo k naacuterůstu koercitivity o pohyacutech 07 Am Materiaacutel
vykazuje velice malou hodnotu remanentniacute indukce pro obě frekvence
47
Obr 714 Hysterezniacute smyčka jaacutedra Kool Mμ změřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity magnetickeacuteho
pole Hmax=5950 Am při 50 Hz
Obr 715 Hysterezniacute smyčka jaacutedra Kool Mμ změřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity magnetickeacuteho
pole Hmax=5950 Am při 300 Hz
48
731 Vyhodnoceniacute naměřenyacutech vyacutesledků
Nejvyššiacute hodnoty indukce dosahujiacute jaacutedra z plechů M150-30S Koercitivniacute intenzita se u jaacutedra z plechů
M150-30S stejně jako u matriaacutelu KoolMμ při změně frekvence z 50 Hz na 300 Hz ztrojnaacutesobila
Niacutezkaacute cena jader KoolMμ je z hlediska naměřenyacutech veličin odpoviacutedajiacuteciacute Jaacutedra Kool Mμ vykazujiacute
amplitudovou permeabilitu μa pouze 77 Vyacuterobce uvaacutediacute hodnotu μa=125
Nejnižšiacute koercitivniacute intenzita byla naměřena u materiaacutelu Vitroperm 500F Měřeniacute magnetickeacuteho jaacutedra
Vitropermu 500F při 50 Hz prokaacutezalo velice niacutezkou koercitivniacute intenzitu Hc= 1Am kteraacute odpoviacutedaacute
uacutedajům z katalogoveacuteho listu Tento špičkovyacute materiaacutel se použiacutevaacute pro sveacute charakteristickeacute vlastnosti
pro jednofaacutezoveacute a trojfaacutezoveacute magnetickeacute obvody ve spiacutenanyacutech napaacutejeciacutech zdrojiacutech frekvenčniacutech
měničiacutech ale i pro běžneacute tlumivky Struktura tohoto materiaacutelu je velice křehkaacute neboť je navinuta
z 20 μm tenkyacutech vrstev Diacuteky tomu neniacute vhodneacute tato jaacutedra dělit řezaacuteniacutem
49
8 Realizovanyacute Adamsův motor
81 Virtuaacutelniacute model Adamsova motor generaacutetoru a jeho praktickaacute
realizace
Model motoru je vytvořen v programu SolidWorks SolidWorks je mocnyacutem naacutestrojem konstrukteacutera a
nabiacuteziacute snadnou optimalizaci modelu
Po vytvořeniacute jednotlivyacutech diacutelů je možneacute tyto diacutely pomociacute vazeb navzaacutejem svaacutezat a tiacutem daacutet okamžitou
představu o chovaacuteniacute modelu
Při naacutevrhu Adamsova motoru jsem vychaacutezel předevšiacutem z rozměrů magnetickyacutech jader statoroveacute čaacutesti
stroje
811 Stator
a) Jako nosnaacute konstrukce pro jaacutedra statoru uloženiacute ložisek uchyceniacute desky plošnyacutech spojů
optickyacutech senzorů sloužiacute dvě tabule z plexiskla tloušťky 8 mm ktereacute tvořiacute nosnou konstrukci
neboť jsou po obvodu vzaacutejemně spojeny šesti zaacutevitovyacutemi tyčemi o průměru 5 mm Na Obr je
zadniacute nosnaacute tabule plexiskla
Obr 81 Zadniacute nosnaacute deska z plexiskla
Otvor průměru 26 mm nachaacutezejiacuteciacute se uprostřed sloužiacute pro uloženiacute kuličkoveacuteho ložiska Skrze
otvory průměru 51 mm po jeho obvodu prochaacuteziacute šrouby pro přichyceniacute krytů ložiska
Naacutesledujiacute otvory určeneacute pro upevněniacute optickyacutech čidel dřevěneacuteho krytu pro zakrytiacute vodičů
připojenyacutech k vinutiacutem a optickyacutem senzorům Skrze podlouhleacute draacutežky jsou šrouby přitaženy
dřevěneacute držaacuteky statorovyacutech jader Vzhledem ke tvaru draacutežky je zajištěna možnost jejich
50
polohovaacuteniacute vzhledem k rotoru Volnyacute prostor na praveacute straně je určen pro upevněniacute desky
plošnyacutech spojů s elektronickyacutemi součaacutestkami
b) Nosneacute držaacuteky pro jaacutedra statoru jsou použity dřevěneacute špaliacuteky do kteryacutech jsou jaacutedra vlepena
epoxidovou pryskyřiciacute
c) Optočleny TCST 2103 jsou přitaženy k jejich dutyacutem dřevěnyacutem držaacutekům imbusovyacutemi šrouby
průměru 3 mm Skrze dřevěneacute držaacuteky jsou kolmo na směr vyacutevodů optočlenu vyvrtaacuteny otvory
pro zaacutevitoveacute tyče jež spolu s našroubenyacutemi matkami přitahujiacute držaacutek s čidlem jedneacute k zadniacute
desce plexiskla statoroveacute čaacutesti stroje Jistaacute uacuteroveň dotaženiacute matce dovoluje držaacutek s čidlem
nataacutečet a měnit tak okamžik sepnutiacute optočlenu
Obr 82 Optočlen TCST 2103 připevněnyacute k dřevěneacutemu držaacuteku
d) Stejnou vzdaacutelenost mezi dvěma plexiskly statoru zajišťujiacute distančniacute trubice skrze ktereacute
prochaacuteziacute zmiacuteněneacute zaacutevitoveacute tyče spojujiacuteciacute obě zaacutekladoveacute tabule plexiskla Tyto trubice jsou
vyrobeny z kostry stojanu pro sušeniacute praacutedla Z estetickyacutech důvodů je na nich navlečena a
zatavena teplem smršťovaciacute bužiacuterka
Postup vytvořeniacute ciacutevky v SolidWorksu
1 V předniacute rovině skici na Obr je pomociacute os X a Y vytvořen souřadnicovyacute systeacutem potřebnyacute pro
tvorbu zaacutekladniacutech vazeb využityacutech při ryacutesovaacuteniacute
2 Čelniacute pohled na jeden poacutel magnetickeacuteho jaacutedra ve statoru na ktereacute maacute byacutet umiacutestěna jedna
budiacuteciacutech ciacutevek je vytvořen z konstrukčniacutech přiacutemek a okoacutetovaacuten rozměry 13 mm x 11 mm
3 Vnitřniacute rozměry ciacutevky jsou z čelniacuteho pohledu oproti jaacutedru na každeacute straně zvětšeny o 05 mm
tedy o tloušťku foacutelie jež tvořiacute kostřičku ciacutevky a malou vzduchovou mezeru umožňujiacuteciacute volneacute
nasunutiacute ciacutevky na magnetickeacute jaacutedro
4 Poloměr zaobleniacute vnitřniacute čaacutesti kostry ciacutevky je 08 mm
51
Obr 81 Skica naacutevrhu diacutelu
5 Vnějšiacute rozměry ciacutevky jsou daacuteny počtem vrstev zaacutevitů a celkovyacutem činitelem plněniacute ciacutevky
Deset vrstev zaacutevitů vodičem 03 mm spolu s izolačniacute a nosnou kostrou ciacutevky vytvořiacute 4 mm
vysokou vrstvu zaacutevitů v roziacutech zaoblenou se stejně velkyacutem poloměrem 4mm Vnějšiacute a vnitřniacute
zaobleniacute rohů je od rovnyacutech segmentů skici odděleno uacutesečkami čiacutemž je skica dokončena
6 Využitiacutem funkce přidaacuteniacute vytaženiacutem a jejiacute aplikaciacute na jednotliveacute segmenty skici je ciacutevka
symetricky vytažena do prostoru na deacutelku 19 mm Zamiacutetnutiacutem funkce sloučit vyacutesledky při
vytaženiacute jsou všechny segmenty ciacutevky vytvořeny jako samostatneacute objekty čiacutemž odpadaacute
děleniacute modelu v Ansysu
Obr 82 Model ciacutevky
Magnetickaacute jaacutedra použitaacute ve statoru jsou původně určena pro jednofaacutezoveacute jaacutedroveacute transformaacutetory
Jaacutedro transformaacutetoru je při vyacuterobě naviacutejeno na obdeacutelniacutekoveacute kopyto o rozměrech odpoviacutedajiacuteciacutech
požadovaneacute velikosti okna pro primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Jaacutedro je po navinutiacute
z transformaacutetoroveacuteho plechu rozřiacuteznuto na dvě poloviny jak je zřejmeacute z Obr xx čiacutemž je možneacute do
magnetickeacuteho obvodu nasunout primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute
V našem přiacutepadě je pro každeacute magnetickeacute jaacutedro statoru použita pouze jedna polovina zmiacuteněneacuteho
transformaacutetoroveacuteho jaacutedra Okno statoroveacuteho jaacutedra určeneacute pro umiacutestěniacute obou vinutiacute statoru maacute pouze
polovičniacute deacutelku oproti transformaacutetoru a na straně řezu je otevřeno
52
Obr 83 Pohled na uloženiacute vinutiacute
Obě budiacuteciacute ciacutevky jsou nasunuteacute na jednom jaacutedru statoru a jsou totožneacute tj majiacute stejnyacute počet zaacutevitů
vinutyacutech vodičem o stejneacutem průřezu Jsou spojena do seacuterie a spolu s magnetickyacutem jaacutedrem tvořiacute jeden
z osmi statorovyacutech magnetickyacutech obvodů
Na Obr Xx je bližšiacute pohled na rozloženiacute vodičů v průřezu ciacutevkou Každaacute vrstva zaacutevitů ciacutevky obsahuje
63 zaacutevitů v deseti vrstvaacutech
Obr 84 Rozloženiacute zaacutevitů
Počet zaacutevitů v jedneacute ciacutevce je daacuten naacutesobkem počtu zaacutevitů v jedneacute vrstvě a množstviacute vrstev tedy
63x10= 630 zaacutevitů Jelikož jsou obě ciacutevky na magnetickeacutem jaacutedru spojeny do seacuterie celkovyacute počet
zaacutevitů je dvojnaacutesobnyacute tedy 1260 zaacutevitů Protože statorovaacute jaacutedra odděluje od rotoru vzduchovaacute mezera
05 mm jsou obě vinutiacute od konce jaacutedra umiacutestěny ve vzdaacutelenosti 2 mm pro zajištěniacute bezpečneacute
vzdaacutelenosti od otaacutečejiacuteciacuteho se rotoru Naacutesledkem toho se do jedneacute vrstvy ciacutevky vleze menšiacute počet
zaacutevitů bliacuteže zpraženyacutech s magnetickyacutem tokem v jaacutedru
Počet vrstev obou vinutiacute je teacutež omezen a to jednak velikostiacute okna a mezerou 5 mm mezi oběma
vinutiacutemi Tato mezera zajišťuje možnost volneacuteho nasunutiacute vinutiacute na magnetickeacute jaacutedro a umožňuje
lepšiacute odvod tepla do okoliacute
53
Pro dosaženiacute konstantniacute vzduchoveacute mezery mezi vyniklyacutemi poacutely rotoru a jaacutedry ve statoru jsou konce
statorovyacutech jader zbroušeny na poloměr bliacutezkyacute poloměru plechů v rotoru
Kostřička ciacutevky
Pro vyacuterobu kostřiček ciacutevek posloužila plastovaacute folie určenaacute pro krytiacute předniacute strany dokumentu
svaacutezaneacuteho v kroužkoveacute vazbě Po vyřezaacuteniacute a ohnutiacute do požadovaneacuteho tvaru byla a slepena
oboustrannou lepiciacute paacuteskou
Obr 83 Kostřička ciacutevky vyrobenaacute z plastoveacute folie
Naviacutejeniacute ciacutevek
Pro naviacutejeniacute ciacutevek se realizovalo ručniacute naviacuteječkou s mechanickyacutem počiacutetadlem Na Obr84 je vidět že
obě ciacutevky jsou navinuty nepřerušenyacutem vodičem Obě ciacutevky majiacute 630 zaacutevitů
Obr 84 Pro zpevněniacute čel ciacutevek během naviacutejeniacute na plastovou kostřičku posloužily 5mm širokeacute destičky
z pertinaxu Draacutežky v nich vybroušeneacute umožnily zachyceniacute vyacutestupniacuteho vodiče ciacutevky pod navlečenou
gumičku Levaacute destička pertinaxu je odniacutematelnaacute po uvolněniacute dotaženeacuteho šroubu
Hotovaacute ciacutevka navinutaacute na kostřičce z plastoveacute folie je na Obr Po navinutiacute ciacutevky se čela kostřičky
(plastoveacute folie) zahnula přes horniacute vrstvu zaacutevitů a navzaacutejem slepila sekundovyacutem lepidlem
Obr 85 Pohled na ciacutevku zpevněnou kostřičkou z plastoveacute folie
54
Statoroveacute jaacutedro s ciacutevkami
Na každeacute z osmi statorovyacutech jader jsou nasunuty dvě seacuteriově spojeneacute ciacutevky Pro pevneacute zachyceniacute obou
vinutiacute je použit pružnyacute tmel
Obr 86 Pohled na statoroveacute jaacutedro s nasunutyacutem vinutiacutem
Uchyceniacute statorovyacutech jader
Statorovaacute jaacutedra jsou pevně zalepena epoxidovou plyskyřiciacute do dřevěnyacutech sloupků Po obou stranaacutech
sloupku jsou vyvrtaacuteny otvory v nižchž jsou vyřezaacuteny zaacutevity pro šrouby Dotaženiacutem šroubu jsou
sloupky s jaacutedry pevně uchyceny v deskaacutech z plexiskla
Obr 87 Pohled na jaacutedro zalepeneacute v dřevěneacutem držaacuteku
55
812 Rotor
Průměr rotoru a jeho konstrukčniacute řešeniacute je navrženo s ohledem na rozměry jader ve statoru a velkou
hmotnost dynamoplechů
e) Z velikosti okna pro primaacuterniacute vinutiacute je odvozena potřebnaacute vyacuteška permanentniacutech magnetů a
počet vrstev dynamoplechů v rotoru
f) Rozměry hřiacutedele jsou voleny s ohledem na použitaacute kuličkovaacute ložiska o vnitřniacutem průměru 10
mm a hmotnost rotorovyacutech plechů a je počiacutetaacuteno s jistou rezervou v přiacutepadě působeniacute vyššiacutech
momentů setrvačnosti celeacuteho rotoru Hřiacutedel a středoveacute přiacuteruby zajišťujiacute pevneacute přichyceniacute
středoveacuteho pouzdra permanentniacutech magnetů jelikož jsou vzaacutejemně spojeny čtyřmi šrouby
Hřiacutedel a středoveacute přiacuteruby jsou vysoustruženy z mosazi
Obr 88 Hřiacutedel je vysoustruženaacute z mosazneacute kulatiny
Na Obr je pohled na celkovou sestavu rotoru a statorovaacute jaacutedra Ke hřiacutedeli jsou přiacuteruby připevněny
ve čtyřech miacutestech
Obr 89 Pohled na rotor a jaacutedra statoru opatřenaacute vinutiacutem
g) Přiacuteruby pro uchyceniacute středoveacuteho pouzdra rotoru v němž jsou uloženy magnety jsou
vysoustruženy z mosazi stejně tak i přiacuteruba pro komutačniacute disk Přiacuteruby jsou ke hřiacutedeli pevně
dotaženy imbusovyacutemi šrouby
56
Obr 810 Jedna přiacuterub pro upevněniacute středoveacuteho pouzdra magnetů ke hřiacutedeli
h) Středoveacute pouzdro nesouciacute dynamoplechy a magnety je složeno z třiacute vrstev plexiskla tloušťky
2x4 mm + 1x5 mm Maacute tedy tloušťku 13 mm stejně jako vnitřniacute rozměr okna jaacutedra statoru
Přiacuteruby navlečeneacute na hřiacutedeli z obou stran stahujiacute plexiskla středoveacuteho pouzdra čiacutemž je pevně
spojujiacute s hřiacutedeliacute
Obr 811 Středoveacute pouzdro permanentniacutech magnetů
i) Dynamoplechy jsou po obou stranaacutech středoveacuteho pouzdra navrstveny na požadovanou vyacutešku
11 mm což odpoviacutedaacute přiacuteslušneacutemu rozměru jaacutedra v jeho řezu Při tloušťce dynamoplechu 05
mm je na obou stranaacutech pouzdra 22 vrstev dynamoplechu Jak dynamoplechy tak i středoveacute
pouzdro v sobě majiacute vyřezaacuteny otvory pro zaacutevitoveacute tyče a diacuteky matkaacutem dotaženyacutem po obou
stranaacutech rotoru spojujiacute navzaacutejem tyto čaacutesti s hřiacutedeliacute
Obr 812 Jedna sekce rotoru je složenaacute z 22 vrstev dynamoplechů
j) K dobreacutemu staženiacute dynamoplechů nejen v miacutestech kde k nim ze stran přileacutehajiacute matky
přispiacutevajiacute kryciacute kotouče z plexiskla na Obr813
57
Obr 813 Otvorem uprostřed kryciacuteho kotouče prochaacuteziacute hřiacutedel a je možneacute se diacuteky němu dostat na
šrouby připevňujiacuteciacute přiacuteruby rotoru pevně k řčiacutedeli
Vyacuteroba vyniklyacutech poacutelů rotoru
Rotoroveacute plechy jsou do požadovaneacuteho tvaru na Obr814 vyřezaacuteny pomociacute vodniacute pily Tryska
zařiacutezeniacute žene proud vodniacuteho paprsku spolu s abrazivem kolmo na řezanyacute objekt
Obr 814 Skica rotorovyacutech plechů s vyznačenyacutemi miacutesty pro umiacutestěniacute permanentniacutech magnetů
Na Obrxx zachycena vodniacute pila během vyřezaacutevaacuteniacute požadovaneacuteho tvaru rotoru do tabule
dynamoplechu o rozměrech 1x1metr
58
Obr 815 Sniacutemek pořiacutezenyacute během řezaacuteniacute dynamoplechu vodniacutem paprskem s abrazivem
Magnetickaacute čaacutest obvodu obvod rotoru se sklaacutedaacute ze dvou sekciacute mezi nimiž jsou umiacutestěny permanentniacute
magnety ktereacute sloužiacute jako zdroj magnetickeacuteho pole Každaacute sekce je vytvořena navrstveniacutem
dynamoplechů do vrstvy 11 mm Při tloušťce dynamoplechu to odpoviacutedaacute 22 vrstvaacutem v každeacute sekci
Obr 816 Čelniacute pohled na zkompletovanyacute rotor
Komutaacutetor
Komutaacutetor je realizovaacuten průhlednou foacuteliiacute s černyacutem potiskem Pravidelneacute střiacutedaacuteniacute průsvitnyacutech a
černyacutech oblastiacute na foacutelii během otaacutečeniacute rotoru zajišťuje pravidelneacute přerušovaacuteniacute IR paprsku v osmi
optoelektronickyacutech spiacutenačiacutech TCST 2103 rozmiacutestěnyacutech pravidelně okolo obvodu komutačniacute folie
Na foacutelii je sedm černyacutech a sedm průsvitnyacutech vyacutesečiacute což odpoviacutedaacute počtu sedmi vyniklyacutech poacutelů v obou
sekciacutech rotoru oddělenyacutech permanentniacutemi magnety Nastaveniacute optimaacutelniacute uacutehlu natočeniacute komutačniacute
folie bylo stanoveno měřeniacutem pro uacutehly natočeniacute 1285deg 5 deg 0deg a -1285deg Vyacutesledky jsou shrnuty
v zaacutevěru praacutece
59
Obr 817 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 1285deg
Obr 818 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 5deg
Obr 819 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 0deg
Obr 820 Nastaven uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie -1285deg
Na Obr je čelniacute pohled na realizovanyacute komutaacutetor Po obvodu jsou rovnoměrně rozmiacutestěny černeacute
dřevěneacute držaacuteky s optočleny skrze ktereacute prochaacuteziacute uacutezkeacute zaacutevitoveacute tyče zbroušeneacute tak aby uvnitř držaacuteku
nepoškodily přiacutevodniacute vodiče optočlenů Dotaženiacutem matek našroubovanyacutech na zaacutevitoveacute tyče je možneacute
pevně přitaacutehnout
60
Obr 821 Fotorgrafie realizovaneacuteho komutaacutetoru
Obr 822 Podrobnějšiacute pohled s popisem čaacutestiacute
Optoelektronickeacute
spiacutenače TCST 2103
Jaacutedra statoru
Vinutiacute statoru
Komutaacutetor
s regulaciacute předstihu
Vynikleacute poacutely
rotoru
61
Zkompletovanyacute motor
Na Obr jsou na nosneacute desce namontovaacutena statorovaacute jaacutedra
Obr 823 Horniacute pohled na nosnou desku Uprostřed desky je vidět nachaacuteziacute kryt ložiska
Vodiče ciacutevek na magnetickyacutech jaacutedrech jsou zavedeny do bdquočokolaacutedldquo přišroubovanyacutech po bočniacutech
stranaacutech dřevěnyacutech držaacuteků jader
Obr 824 Bočniacute pohled na dřevěneacute držaacuteky jader statoru
Vyacutevody z čokolaacuted jsou protaženy do dřevěneacuteho tunelu zobrazenyacute ze spodniacute strany na Obr kteryacute
sloužiacute jako ochrana před otaacutečejiacuteciacutem se rotorem
Obr 825 Spodniacute strana kryciacuteho tunelu před vyvrtaacuteniacutem otvorů pro přichyceniacute k nosneacute desce
62
Obr 826 Čelniacute pohled na hotovyacute model Adamsova motoru
Obr 827 Redukce připevněnaacute na hřiacutedeli sloužiacute pro zvětšeniacute jejiacuteho průměru při spojeniacute spojeniacute
motoru s dynamometrem
63
82 Elektrickyacute obvod
821 Popis a scheacutema zapojeniacute
Elektronickaacute čaacutest je spiacutenaacutena přerušovaacuteniacutem infračerveneacuteho paprsku dopadajiacuteciacuteho na fototranzistor
v optočlenu Paprsek prochaacuteziacute průsvitnou čaacutestiacute foacutelie ve chviacuteli kdy jsou vynikleacute poacutely rotoru v čelniacute
pozici se statorovyacutemi jaacutedry a ciacutevky umiacutestěneacute na těchto jaacutedrech v nich majiacute vybudit magnetickyacute
indukčniacute tok opačneacuteho směru oproti toku vystupujiacuteciacuteho z rotorovyacutech poacutelů Naacutesledkem siloveacuteho
působeniacute mezi magnetickyacutemi poli rotoru a statoru je rotor roztaacutečen
Obr 828 Scheacutema zapojeniacute elektrickeacuteho obvodu pro řiacutezeniacute motoru Obvod v praveacute čaacutesti obraacutezku za
přerušovanou čarou se opakuje celkem 4x Pro ušetřeniacute miacutesta je tedy zobrazena pouze jedna čtvrtina
zapojeniacute
Elektrickyacute obvod je možneacute rozdělit na čaacutest vyacutekonovou kteraacute je od čaacutesti niacutezko přiacutekonoveacute oddělena
řiacutediacuteciacute elektrodou vyacutekonovyacutech MOSFET tranzistorů IRF540 Na Obr xx je pro zmenšeniacute ušetřeniacute
miacutesta zobrazena pouze jedna čtvrtina čaacutesti scheacutematu elektrickeacuteho obvodu V leveacute čaacutesti scheacutematu jsou
vyznačena miacutesta připojeniacute napaacutejeciacuteho napětiacute Pro laboratorniacute měřeniacute je vhodneacute vzaacutejemně je oddělit
Kladnyacute poacutel stejnosměrneacuteho napaacutejeciacuteho napětiacute o velikosti 5-31 V je pojen k ciacutevkaacutem skrze konektory
L1až L8 k ke statorovyacutem vinutiacutem Stejnosměrneacute napětiacute 10 ndash 35 V DC je připojeno přes stabilizaacutetor
napětiacute 7808 a Rezistory R1 a R2 k optočlenům TCST 2103 ktereacute jsou ve scheacutematu zastoupeny
vyacutevody označenyacutemi EM1 a DET1 Ty Zkratkovitě označujiacute přiacuteslušnyacute emitor IR zaacuteřeniacute (infračervenaacute
dioda) a detektor (fototranzistor pro infračerveneacute spektrum) implementovaneacute v pouzdru optočlenu
Hodnoty odporů jsou stanoveny na zaacutekladě snahy omezit proud řiacutediacuteciacuteho obvodu na nejnižšiacute hodnotu a
zaacuteroveň zachovat spraacutevnou funkci obvodu Jmenovitaacute hodnota proudu emitorem je 20mA Proud
tekouciacute skrze EM1 až EM8 je nastaven předřadnyacutemi rezistory 6K8 na hodnotu cca 1mA Paprsek
prochaacuteziacute skrze průsvitnou čaacutest komutaacutetoru nebo je přerušen černě potištěnou čaacutestiacute Pokud paprsek
dopadaacute na detektor a otviacuteraacute jej a proud může prochaacutezet přes odpory 39K předřazeneacute detektorům Za
detektory jsou napojeny Schmittovi klopneacute obvody na jejichž vstupech se objeviacute napětiacute v přiacutepadě že
je detektor paprskem neosviacutecen Klopneacute obvody jsou napaacutejeny napětiacutem ze stabilizaacutetoru a na sveacutem
64
vyacutestupu majiacute toteacutež napětiacute pokud je na jejich vstupu napětiacute nuloveacute V jednom pouzdře integrovaneacuteho
obvodu 40106N se nachaacuteziacute 6 investujiacuteciacutech hradel Paralelniacutem spojeniacute třiacute je sniacutežen odpor hradla na
třetinu Naacutesleduje vyacutekonovyacute MOSFET tranzistor IRF560 s odporem přechodu elektrod DS v
sepnuteacutem stavu 44m Ω Niacutezkaacute vyacutekonovaacute ztraacuteta těchto tranzistorů snižuje ztraacutetovyacute vyacutekon na minimum
v porovnaacuteniacute s bipolaacuterniacutemi tranzistory Je-li na vstupniacute elektrodu G připojeno kladneacute napětiacute tranzistor
se otevře a umožniacute průchod proudu přiacuteslušnyacutem vinutiacutem připojenyacutem ke konektoru L1až L8
822 Deska plošnyacutech spojů
Deska plošnyacutech spojů vytvořenaacute stejně tak jako scheacutema v programu Eagle
Obr 829 Deska plošnyacutech spojů elektronickeacute ho obvodu z pohledu součaacutestek
Navrženaacute deska plošnyacutech spojů je vyrobena bdquofotocestouldquo Působeniacutem zdroje ultrafialoveacuteho světla
dojde ke změně chemickeacute struktury fotocitliveacute vrstvy kteraacute se nachaacuteziacute v miacutestech prosviacuteceniacute průsvitneacute
předlohy DPS Po rozpuštěniacute osviacuteceneacute vrstvy fotocitliveacuteho laku v hydroxidu sodneacutem byla deska
omyta vodou a odleptaacutena v chloridu železiteacutem
Obr 830 Osvit desky plošnyacutech spojů 11W UV zaacuteřivkou
65
Obr 831 Hotovaacute deska po odvrtaacuteniacute otvorů pro vyacutevody součaacutestek a protaženiacute vodičů do dřevěneacuteho
kryciacuteho tunelu
66
9 Magnetostatickaacute analyacuteza Adamsova motoru
91 Vyacutepočet zjednodušeneacuteho magnetickeacuteho obvodu
911 Feromagnetika v magnetickeacutem obvodu
Permanentniacute magnety použiteacute rotoru jsou neodymoveacute (Nd-Fe-B) s magnetizaciacute N38 a maximaacutelniacute
pracovniacute teplotě 80degC Magnety majiacute tvar vaacutelce Požadovanaacute vyacuteška magnetů je 13 mm a odpoviacutedaacute
přiacuteslušneacutemu rozměru okna jader ve statoru Požadovaneacute vyacutešky bylo dosazeno spojeniacutem magnetu o
vyacutešce 10 mm a magnetu o vyacutešce 3 mm Magnety majiacute průměr 15mm
Demagnetizačniacute charakteristika magnetu je na Obr
Obr 91 Druhyacute kvadrant pracovniacutech hysterezniacutech smyček B(H) a J(H)=B(H)-μ0H
permanentniacuteho magnetu s magnetizaciacute N38 měřeno při 26degC
Magnetickaacute jaacutedra statoru jsou vyrobena z FeSi transformaacutetoroveacuteho plechu s anizotropniacute strukturou o
jakosti M150-30 Materiaacutel maacute poměrně niacutezkou konduktivitu tedy niacutezkeacute ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy
Magnetickeacute čaacutesti rotoru jsou z dynamoplechů izotropniacute struktury o jakosti M600 - 50
Vyacutepočet magnetickeacute indukce a intenzity magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře mezi rotorovyacutem a
statorovyacutem poacutelem
Magnetickyacute obvod se sklaacutedaacute z permanentniacuteho magnetu dvou vyniklyacutech poacutelů rotoru dvou
vzduchovyacutech mezer a jaacutedra statoru
-14
-12
-1
-08
-06
-04
-02
0
02
04
06
08
1
12
14
-1 200 -1 100 -1 000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0
J B [T]
H [kAm]
Demagnetizačniacute charakteristika NdFeB magnetu (N38)
J magnetu
B magnetu
B vakau
HBHmax=473 kAm BHmax=294 kJm3
BBHmax=0612 T B
J
μ0H
HC=-937 kAm
67
Obr 92 Magnetickyacute obvod s permanentniacutem magnetem
Pro středniacute indukčniacute čaacuteru naznačenou v magnetickeacutem obvodu přerušovanou čarou platiacute podle prvniacute
Maxwellovy rovnice v integraacutelniacutem tvaru
kde indexy značiacute M permanentniacute magnet žr železo rotoru v vzduchovou mezeru a žs železo statoru
Železo rotoru (dynamoplechy) a železo statoru (transformaacutetoroveacute plechy) jsou feromagneticky měkkeacute
materiaacutely Pro zjednodušeniacute vyacutepočtu předpoklaacutedaacuteme že jejich permeability tj jejich
magnetickeacute odpory a tedy i magnetickaacute napětiacute a jsou zanedbatelně maleacute
takže pro intenzitu magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře platiacute
Pro magnetickyacute indukčniacute tok permanentniacuteho magnetu platiacute
kde je činitel rozptylu ve vzduchoveacute mezeře a jestliže k rozptylu toku nedochaacuteziacute tak
Magnetickyacute indukčniacute tok ve vzduchoveacute mezeře je vyjaacutedřen
Pro magnetickyacute indukčniacute tok permanentniacuteho magnetu platiacute
takže magnetickaacute indukce ve vzduchoveacute mezeře je
(19)
(20)
(21)
(22)
(23)
BM HM
lM
lžr
lžr
lv
lv
lžs
Bv
Hv
Sv
Sžr Sžs
SM
Hžr
Hžr
Hžs Bžs
Bžr
Bžr
J
S
Sžr
Bv
Hv
68
odtud
Z rovnosti rovnic (19) a (24)
lze vyjaacutedřit magnetickou indukci permanentniacuteho magnetu jako
kde veličina Nd je tzv demagnetizačniacute činitel pro nějž platiacute
Pro dosazeniacute do (24) je zapotřebiacute stanovit hodnotu činitele rozptylu magnetickeacuteho toku ve vzduchoveacute
mezeře Stanoviacuteme odhadem (
Pro dosazeniacute do (24) je daacutele zapotřebiacute stanovit průřez magnetu Při průměru 15 mm je
Průřez vzduchoveacute mezery mezi statorem a rotorem vypočteme jako aritmetickyacute průměr průřezu poacutelu
jaacutedra statoru a průřezu vynikleacuteho poacutelu rotoru Skutečneacute průřezy poacutelu statoru a rotoru lze jednoduše
odečiacutest z virtuaacutelniacuteho modelu v DesignModeleru Ansysu jak je naznačeno na Obr93 a na Obr94
Průřez poacutelu statoroveacuteho jaacutedra SS je dle DesignModeleru 14328 mmsup2
Obr 93 Po označeniacute plochy jaacutedra statoru vypočte DesignModeler jejiacute průřez
(24)
(25)
(26)
(27)
(28)
(29)
69
Průřez vynikleacuteho poacutelu rotoru SR je dle DesignModeleru 29128 mmsup2
Obr 94 Po označeniacute plochy vynikleacuteho poacutelu rotoru vypočte DesignModeler jeho průřez
Po dosazeniacute průřezů je aritmetickyacute průměr průřezu vzduchoveacute mezery
Vyacuteška použiteacuteho magnetu je daacutena součtem vyacutešek dvou na sobě umiacutestěnyacutech magnetů 10mm a 3 mm
tedy =13 mm
Řešenyacute magnetickyacute obvodu obsahuje dvě vzduchoveacute mezery o velikosti 1 mm Celkovaacute deacutelka
vzduchoveacute mezery je daacutena součtem těchto dvou deacutelek tedy =2 mm
Dosazeniacute všech potřebnyacutech hodnot do rovnice (24) vypočiacutetaacuteme demagnetizačniacute činitel
Dosazeniacutem demagnetizačniacuteho činitele do rovnice pro magnetickou indukci magnetu (26) ziacuteskaacuteme
rovnici přiacutemky
jejiacutež průsečiacutek s demagnetizačniacute křivkou permanentniacuteho magnetu na Obrxx stanoviacute pracovniacute bod
permanentniacuteho magnetu
Z grafu na Obr 95 je možneacute odečiacutest hodnotu magnetickeacute indukce permanentniacuteho magnetu v
pracovniacutem bodu BM=1 T a odpoviacutedajiacuteciacute hodnotu intenzity magnetickeacuteho pole HM=1 T
(30)
(31)
70
Obr 95 V průsečiacuteku přiacutemky s demagnetizačniacute charakteristikou se nachaacuteziacute pracovniacute bod P
permanentniacuteho magnetu v magnetickeacutem obvodu se vzduchovou mezerou
Zvětšeniacutem vzduchoveacute mezery v magnetickeacutem obvodu se zvětšiacute demagnetizačniacute činitel Nd tj zvětšiacute se
směrovyacute uacutehel přiacutemky z hodnoty α na hodnotu α1 a pracovniacute bod P se posune do polohy P1 jak je
naznačeno na Obr96
Obr 96 V průsečiacuteku přiacutemky s demagnetizačniacute charakteristikou se nachaacuteziacute pracovniacute bod
permanentniacuteho magnetu
00
02
04
06
08
10
12
14
-1 000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0
J B [T]
H [kAm]
Stanoveniacute pracovniacuteho bodu magnetu na demagnetizačniacute
charakteristice
B magnetu
Bm=-NdHm
BM=1 T
HM=-183 kAm
P
Br=124 T
HC=-937 kAm
71
Zmenšiacute-li se opět vzduchovaacute mezera na původniacute velikost nevraacutetiacute se pracovniacute bod P1 do sveacute původniacute
polohy v bodě P ale do polohy P2 po křivce k2 Smyčka složenaacute z křivek k1 a k2 je malaacute hysterezniacute
smyčka Přibližně ji můžeme nahradit uacutesečkou P1 P2 sviacuterajiacuteciacute s osou H uacutehel β Pohybuje-li se pracovniacute
bod po maleacute hysterezniacute smyčce jde vratneacute změny tj zanikne-li přiacutečina posuvu pracovniacuteho bodu vraciacute
se pracovniacute bod do sveacute původniacute polohy Pohyb pracovniacuteho bodu po hlavniacute hysterezniacute smyčce je
nevratnyacute K podobnyacutem jevům dochaacuteziacute když miacutesto změn vzduchoveacute mezery působiacuteme na permanentniacute
magnet magnetickyacutem polem ktereacute zvětšuje nebo zmenšuje jeho tok Všechny dalšiacute pohyby
pracovniacuteho bodu probiacutehajiacute přibližně po přiacutemce P1 P2 pokud směrovyacute uacutehel α nepřestoupiacute hodnotu uacutehlu
α1 Překročiacute-li tuto hodnotu pohybuje se pracovniacute bod opět po hlavniacute hysterezniacute smyčce a při naacutevratu
zpět k původniacute hodnotě uacutehlu α přechaacuteziacute na novou bdquomalou hysterezniacute smyčku vyznačenou na Obrxx
čaacuterkovaně [20]
Magnetickaacute indukce ve vzduchoveacute mezeře
Intenzita magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře
(32)
(33)
72
92 Vyacutepočet magnetickeacuteho obvodu v ANSYS Workbench
Magnetickaacute indukce - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 97 Pohled na rozloženiacute magnetickeacute indukce v obvodu při I=0A
Obr 98 Zobrazeniacute vektorů magnetickeacute indukce při I=0A
73
Magnetickaacute indukce - horniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 99 Rozloženiacute magnetickeacute indukce při I=0A
Obr 910 Zobrazeniacute vektorů magnetickeacute indukce při I=0A
74
Intenzita magnetickeacuteho pole - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 911 Rozloženiacute intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
Obr 912 Zobrazeniacute vektorů intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
75
Intenzita magnetickeacuteho pole - horniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 913 Rozloženiacute intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
Obr 914 Zobrazeniacute vektorů intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
76
Rozloženiacute siacutely působiacuteciacute na poacutely rotoru vlivem přiacutetažneacute siacutely permanentniacuteho magnetu
Obr 915 Siacutela mezi poacutely rotoru
Přitažlivaacute siacutela mezi poacutely rotoru v miacutestě magnetu je daacutena rozdiacutelem maximaacutelniacute a minimaacutelniacute hodnoty sil
(34)
77
Magnetickaacute indukce při proudu 1 A - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru při
921 Rozběh motoru
Uacutekolem je naleacutezt nejmenšiacute hodnotu proudu tekouciacuteho vinutiacutem statoroveacuteho jaacutedra při ktereacute dojde k
rozběhu motoru Vychaacutezejme z toho že přiacutetažnaacute siacutela působiacuteciacute na jedno jaacutedro statoru ktereacute je
v zarovnaneacute pozici s vyniklyacutemi poacutely rotou musiacute byacutet vlivem proudu tekouciacuteho vinutiacutem
Proud by měl miacutet takovou velikost aby v jaacutedru statoru vybudil magnetickyacute tok opačneacute polarity oproti
magnetickeacutemu toku vystupujiacuteciacuteho z protějšiacuteho vynikleacuteho poacutelu rotoru A to s takovyacutemi silovyacutemi
uacutečinkly aby byl došlo k pootočeniacute rotoru do pozice ve ktereacute se vedlejšiacute vynikleacute poacutely rotoru začnou
přitahovat k vedlejnšiacutemu statoroveacutemu jaacutedru Celyacute proces se poteacute opakuje i u dalšiacutech jader
Středniacute hodnota proudu tiacutemto vinutiacutem se během rozběhu motoru snižuje až na konstntniacute hodnotu
Dojdek k ustaacuteleniacute otaacuteček a doby průchodu proudu jednotlivyacutemi vinutiacutemi
78
Na Obr je graf průběhu siacutely působiacuteciacute na jaacutedro statoru ve směru osy x při změně velikosti proudu
tekouciacuteho vinutiacutem
Obr 916 Průběh siacutely při změně proudu
Z Obr919 je zřejmeacute že nuloveacute siacutely v ose x na jaacutedro statoru bude dosaženo při proudu 700 mA Tudiacutež
proud vědšiacute než 700 mA vyvolaacute odpuzeniacute rotorovyacutech poacutelů a celyacute proces se opakuje i u ostatniacutech
statorovyacutech jader
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
0 100 200 300 400 500 600 700
I [mA]
Fx [N]
Fx=f(I)
Fx= -2841 N
79
Na Obr je naacutezorně vidět zarovnanyacute vyniklyacute poacutel rotoru s jaacutedrem ve statoru
Obr 917 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru se statorovyacutem jaacutedrem při nuloveacute siacutele na magnetickeacute jaacutedro
Obr 918 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru s jaacutedrem ve statoru bez přiacutetomnosti proudu
Prochaacuteziacute-li vinutiacutem proud 700mA půsovyacute ma magnetickeacute jaacutedro ve směru osy x nulovaacute siacutela Rozloženiacute
magnetickeacute indukce je na Obr
α=0deg
Fx=0 N
I=700 mA
α=0deg
Fx=-2841 N
I=0 mA
80
Obr 919 Rozloženiacute indukce v obvodu při proudu tekouciacutem vinutiacute 700mA
Obr 920 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru s jaacutedrem ve statoru při proudu tekouciacutem vinutiacute 700mA
81
922 Průběhy sil působiacuteciacute na rotor během pootočeniacute
Na obr je osa jaacutedra(v praveacutem rohu) zarovnaacutena s osou vynikleacuteho poacutelu rotoru (vyznačeno červeně) a
naacutesledujiacuteciacute vyniklyacute poacutel rotoru je oproti statoroveacutemu jaacutedru (vpravo) pootočen o uacutehel α = -643deg
Obr 921 Při pootočeniacute rotoru o uacutehel α = -643deg působiacute na rotor siacutela ve směru FY= -5645 N
Průběh siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor během nataacutečeniacute proti směru hodinovyacutech ručiček mezi uacutehly
pootočeniacute v meziacutech α= -643deg až 0deg
Hodnoty jsou vypočiacutetaacuteny v Ansysu s krokem 02 deg a proloženy přiacutemkou
Obr 922 Průběh siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor během pootočeniacute od -643deg do 0deg a vyznačeneacute hodnoty
siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor pro hodnoty natočeniacute uacutehlu α= -643deg a -5deg
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
F [N]
α [deg]
Fy=f(α)
α=-643deg FY=-5645 N
Fy= - 5645 N
I=0 mA
82
Obr 923 Průběh siacutely působiacuteciacute na rotor v ose y během pootočeniacute od -643deg do 0deg a vyznačeneacute hodnoty
siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor pro hodnoty natočeniacute uacutehlu α= -643deg a -5deg
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
N [Nmm]
α [deg]
Fx=f(α)
83
10 Měřeniacute na realizovaneacutem motoru
V Tab101 jsou hodnoty odporu jednotlivyacutech vinutiacute měřeneacute při 20 degC
Tab 101 Hodnoty odporů vinutiacute
Časoveacute průběhy napětiacute a proudu byly naměřeny pomociacute profesionaacutelniacuteho dvoukanaacuteloveacuteho USB
osciloskopu Handyscope HS3 s parametry uvedenyacutemi v tabulce Tab102 Spojeniacutem osciloskopu s PC
bylo možneacute pomociacute napěťoveacute a proudoveacute sondy naměřit časoveacute průběhy napětiacute a proudu Použitaacute
proudovaacute sonda disponuje maximaacutelniacutem rozlišeniacutem 100 mVA
Tab 102 Vlastnosti Osciloskopu Handyscope HS3
Vstup Vyacutestup
max vzorkovaciacute frekvence 100MSs vzorkovaciacute frekvence 50MSs
volitelneacute rozlišeniacute 12-16 bitů rozlišeniacute 12 bitů
maximaacutelniacute napětiacute 200V napětiacute 0 plusmn12 V
impedance 1M Ω20pF maximaacutelniacute proud 05 A DC
Na Obr 101 je zachycen časovyacute průběh napětiacute a proudu změřenyacute na jednom z osmi vinutiacute statoru při
napětiacute 30V a mechanickeacute zaacutetěži Mz = 015 Nm
Rc1 Rc2 Rc3 Rc4 Rc5 Rc6 Rc7 Rc8
[Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω]
203 203 205 202 204 205 202 203 2034
84
Obr 101 Změřeneacute průběhy napětiacute a proudu na vinutiacute během zatiacuteženiacute momentem 015Nm
Hodnoty proudu změřeneacute osciloskopem jsou posunuty o stejnosměrnou složku směrem do
zaacutepornyacutech hodnot Tato chyba znehodnocuje naměřeneacute vyacutesledky proudu uvedeneacute v tabulce a
vznikla z neznaacutemeacute přiacutečiny jako důsledek nastaveniacute citlivosti proudoveacute soncy na hodnotu
100mVA
Tab 103 Hodnoty naměřeneacute osciloskopem Handyscope HS3
Umax Umin Up-p Uef Ustř Δt
[V] [V] [V] [V] [V] [ms]
2958 -7996 10992 3401 -0983 1419
Imax Imin Ip-p Ief Istř f
[mA] [mA] [mA] [mA] [mA] [Hz]
26459 -2276 49219 11375 2421 7048
Na Obr je vidět vysokonapěťovaacute špička opačneacute polarity vzhledem k napaacutejeciacutemu napětiacute kteraacute
dosahuje hodnoty -7996 V Vznikaacute důsledkem naacutehleacuteho přerušeniacute dodaacutevky proudu do obvodu ciacutevky
Magnetickeacute pole vytvořeneacute v magnetickeacutem obvodu se po přerušeniacute dodaacutevky proudu kteryacute jej vybudil
snažiacute zabraacutenit sveacute změně a zachovat proud v elektrickeacutem obvodu čiacutemž zpětně do elektrickeacuteho obvodu
vinutiacute indukuje vysokeacute napětiacute opačneacute polarity Dochaacuteziacute ke zpětneacute indukci napětiacute do elektrickeacuteho
obvodu Tento děj vyjadřuje druhaacute Maxwellova rovnice o zaacutekonu elektromagnetickeacute indukce
v diferenciaacutelniacutem tvaru vyjaacutedřeneacute vztahem
85
Na Obr je teacutež patrnyacute zaacutekmit napětiacute na konci zaacuteporneacute napěťoveacute špičky Tento zaacutekmit je způsoben
parazitniacute kapacitou vinutiacute Časovaacute konstanta s jakou děj odezněniacute je daacutena RLC parametry obvodu
Každyacute způsob provedeniacute vinutiacute maacute sveacute charakteristickeacute vlastnosti předevšiacutem vlastniacute kapacitu vinutiacute
V praxi se např požadavek na sniacuteženiacute vlastniacute kapacity vinutiacute u transformaacutetorů realizuje dvěma
způsoby
a) zmenšeniacute napěťoveacuteho rozdiacutelu mezi vrstvami popř sekcemi vinutiacute nebo zmenšeniacutem vzaacutejemneacute
kapacity těchto čaacutestiacute jejich odděleniacutem
b) sniacuteženiacutem dielektrickeacute konstanty konstrukčniacutech materiaacutelů využitiacutem vhodnyacutech izolantů pro
izolaci vodičů
Nejviacutece možnostiacute nabiacuteziacute prvniacute varianta jež se uplatňuje u hraacutezoveacuteho křiacutežoveacuteho i kotoučoveacuteho vinutiacute
Obvykle neniacute uacutečelneacute ani hospodaacuterneacute dělit vinutiacute viacutece než na tři komory Čiacutem nižšiacute bude celkovyacute činitel
vinutiacute tiacutem menšiacute bude kapacita vinutiacute Impregnaciacute vinutiacute se vlastniacute kapacita vinutiacute zvyšuje asi o 30 až
50 V přiacutepadě spojeniacute jednoho vyacutevodu vinutiacute s magnetickyacutem jaacutedrem se vlastniacute kapacita vinutiacute zvětšiacute
přibližně o 20 [19]
Za zaacutepornou vysokonapěťovou špičkou a zaacutekmitem napětiacute způsobenyacutem parazitniacute kapacitou v obvodu
je vidět na Obr půlperioda sinusoveacuteho průběhu napětiacute zaacuteporneacute polarity Toto napětiacute je v obvodu
indukovaacuteno diacuteky průchodu magnetickeacuteho toku vystupujiacuteciacuteho z vyniklyacutech poacutelů rotoru během otaacutečeniacute
Magnetickyacute tok vystupuje z poacutelů rotoru a uzaviacuteraacute se přes jaacutedro statoru čiacutemž v jeho vinutiacute indukuje
napětiacute
(35)
86
Na Obr102 zaacuteznam sinusoveacuteho průběhu napětiacute indukovaneacuteho ve vinutiacute statoroveacuteho jaacutedra ktereacute bylo
odpojeno od napaacutejeniacute
Obr 102 Časovyacute průběh napětiacute indukovaneacuteho ve vinutiacute během otaacutečeniacute rotoru
Obr 103 Časovyacute průběh napětiacute a proudu při napětiacute 30 V a zatiacuteženiacute momentem 005 Nm
87
101 Měřeniacute zaacutekladniacutech charakteristik
Motor byl pro změřeniacute charakteristik spojen s cize buzenyacutem dynamometrem Možnost regulace
zaacutetěžneacuteho momentu změnou odporu kotvy dynamometru a velikostiacute budiacuteciacuteho proudu umožnila
naměřit průběh momentovyacutech mechanickyacutech a rychlostniacutech charakteristik Spojeniacute hřiacutedele
s tachodynamem naviacutec umožnilo měřit indukovaneacute napětiacute během jednotlivyacutech měřeniacute a vypočiacutetat z něj
otaacutečky Na Obr104 je schematicky naznačena soustava dynamometru a motoru pro měřeniacute
zatěžovaciacute charakteristiky motoru
Obr 104 Soustava pro měřeniacute zatěžovaciacutech charakteristik motoru
Pro změřeniacute zaacutekladniacutech charakteristik potřebnyacutech pro vyacutepočet uacutečinnosti motoru byl využit cize buzenyacute
dynamometr s Iab=5 A(10)
102 Vyacutepočet uacutečinnosti
Pro přiacuteklad vyacutepočtu dosadiacuteme do uvedenyacutech vztahů hodnoty veličin při nichž vyšla uacutečinnost motoru
maximaacutelniacute
Jelikož proud tekouciacute do vinutiacute je stejnosměrnyacute stanoviacuteme přiacutekon motoru součinem napětiacute zdroje o
konstantniacute velikosti 31 V s proudem tekouciacutem obvodem
Po dosazeniacute
Vyacutekon motoru je roven
přičemž pro uacutehlovou rychlost vyjaacutedřenou z otaacuteček platiacute vztah
(36)
(37)
(38)
Ua
Rb Umot
88
Po dosazeniacute
Vyacutekon je po dosazeniacute uacutehloveacute rychlosti
Uacutečinnost motoru při zanedbaacuteniacute ztraacutet v elektronickeacutem obvodu je daacutena vyacuterazem
Podiacutelem vyacutekonu a přiacutekonu je vyacuteslednaacute uacutečinnost
(39)
(40)
(41)
(42)
(43)
89
Charakteristiky změřeneacute při změně zaacutetěžneacuteho momentu M=005 až 05 Nm a napětiacute 31V
Obr 105 Změna otaacuteček v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
Obr 106 Změna proudu v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
50
150
250
350
450
550
650
750
850
950
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
n [otmin]
P2 [W]
n=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
0
05
1
15
2
25
3
35
4
2 4 6 8 10 12 14
I [A]
P2 [W]
I=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
90
Obr 107 Změna přiacutekonu v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
Obr 108 Změna uacutečinnosti v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
0
20
40
60
80
100
120
140
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
P1 [W]
P2 [W]
P1=f(P2)
-1285deg
5deg
1285deg
0deg
000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
η []
P2 [W]
η=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
ηmax=355
P2=86 W
91
Obr 109 Změna uacutečinnosti v zaacutevislosti na momentu při U=31V
000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045 05 055 06
η []
M [Nm]
η=f(M)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
ηmax=355
M=019 Nm
0
01
02
03
04
05
06
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000 1 100
M [Nm]
n [otmin]
Momentoveacute charakteristiky motoru
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
92
Charakteristiky změřeneacute při změně napaacutejeciacuteho napětiacute U=5 až 31V M=015 Nm
Obr 1010 Změna proudu v zaacutevislosti na napětiacute při M=015 Nm
Obr 1011 Změna otaacuteček v zaacutevislosti na napětiacute při M=015 Nm
0
02
04
06
08
1
12
14
16
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
I [A]
U [V]
I=f(U)
5deg
0deg
1285deg
-1285deg
I=078 A
0
100
200
300
400
500
600
700
800
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
n [otmin]
U [V]
n=f(U)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
93
Zaacutevěr
Na zaacutekladě existence měřitelneacuteho kvantově mechanickeacuteho projevu Casimirova jevu se člověk alespoň
teoreticky přibliacutežil k pochopeniacute podstaty vakua Pohled na vakuum jako na systeacutem v němž je možno
za jistyacutech okolnostiacute pozorovat vysokofrekvenčniacute elektromagnetickeacute fluktuace i při teplotaacutech bliacutezkyacutech
0K může nabiacutezet novou perspektivu a přiacutestup ke strojům s věčnyacutem pohybem Vnějšiacute projevy
elektromagnetickeacuteho charakteru vakuovyacutech fluktuaciacute nejsou za běžnyacutech okolnostiacute zjevneacute neboť je
v tomto stavu zajištěna jejich symetrie K porušeniacute symetrie však dochaacuteziacute mezi dvěma bliacutezkyacutemi
deskami v Casimirově pokusu
Permanentniacute magnet se v jisteacutem ohledu může jevit jako systeacutem jež svojiacute přiacutetomnostiacute narušuje tuto
symetrii elektromagnetickyacutech fluktuaciacute vakua a tiacutem v okolniacutem prostoru projevuje jeho dynamickou
jinak skrytou povahu formou projevu permanentniacuteho magnetickeacuteho pole V tomto ohledu by mohl byacutet
projev stavu narušeniacute symetrie vakuovyacutech fluktuaciacute uacuteměrnyacute energii vloženeacute do permanentniacuteho
magnetu během procesu magnetovaacuteniacute Tento nekonvenčniacute pohled na permanentniacute magnetismus
umožňuje objasnit vstup energie vakua do systeacutemu s permanentniacutemi magnety jakyacutem by mohl byacutet
např Johnsonův magnetickyacute motor složenyacute pouze z permanentniacutech magnetů Pokud tento motor
opravdu fungoval a vyacuteše nastiacuteněnaacute teorie by byla pravdivaacute neniacute tento systeacutem již možno povařovat za
izolovanyacute od sveacuteho okoliacute neboť samotnaacute povaha vakua by v tomto přiacutepadě umožňovala napaacutejeniacute
tohoto systeacutemu
V tomto ohledu se jeviacute zajiacutemavyacute i systeacutem pro přeměnu energie elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute na
užitečnou elektrickou energii popisovanaacute v šesteacute kapitole V tomto systeacutemu kmitajiacute drobneacute
dielektrickeacute struktury vytvořeneacute např elektronovou litografiiacute vlivem siloveacuteho působeniacute fluktuaciacute
elektromagnetickyacutech poliacute vakua a tiacutem v mikroskopickyacutech anteacutenaacutech mezi strukturami indukujiacute
využitelnou formu energie Tyto kmity jsou v přiacutemeacutem poměru k frekvenci zaacuteřeniacute avšak mnohem nižšiacute
frekvenci Využitiacutem moderniacutech technologickyacutech postupů a vysoce jakostniacutech materiaacutelů se v tomto
ohledu nabiacuteziacute nepřeberneacute možnosti pro experimentovaacuteniacute
Realizace modelu Adamsova motor generaacutetoru kterou jsem prakticky provedl (však pouze ve funkci
motoru) měla za ciacutel stanovit uacutečinnost tohoto systeacutemu neboť informace popisujiacuteciacute tento stroj hovořiacute
teacutež o vstupu energie vakua do tohoto systeacutemu čiacutemž je uacutedajně možno dosaacutehnout uacutečinnosti přesahujiacuteciacute
100 Autor Robert Adams stanovil uacutečinnost sveacuteho motor generaacutetoru na zaacutekladě několik dnů
trvajiacuteciacuteho měřeniacute Měřil průběhy napětiacute na vstupniacute baterii jež stroj napaacutejela a bateriiacutech ktereacute
postupně připojoval na elektrickyacute vyacutestup stroje Během činnosti stroje dochaacutezelo k postupneacutemu
dobiacutejeniacute bateriiacute na vyacutestupu V jisteacutem ohledu jsou hodnoty napětiacute při průběžneacutem měřeniacute určityacutem
ukazatelem uacutečinnosti stroje avšak pro vyacutepočet přesneacute uacutečinnosti daneacute poměrem vyacutekonu a přiacutekonu by
bylo zapotřebiacute do vyacutepočtu zahrnout i proudy prochaacutezejiacuteciacute obvodem
Dynamoplechy (M600-50) pro rotor a transformaacutetorovaacute jaacutedra (M150-30s) pro stator jsem zakoupil u
společnosti Therma FM a permanentniacute magnety přes internetovyacute obchod Unimagnetcz Virtuaacutelniacute
model motoru vytvořenyacute v programu SolidWorks jsem importoval do programu ANSYS Workbench
a provedl v něm magnetostatickou analyacutezu Analyzoval jsem magnetickyacute obvod složenyacute z jedneacute
osminy statoru (pouze jedno jaacutedro) vzduchoveacute mezery a vynikleacuteho poacutelu rotoru při nuloveacutem proudu ve
statoroveacutem vinutiacute Takteacutež jsem magnetickyacute obvod řešil zjednodušenyacutem vyacutepočtem v němž jsem
94
zanedbal reluktanci železa rotoru i statoru rozdiacutel ve tvaru průřezů statorovyacutech i rotorovyacutech poacutelů a
odhadem jsem stanovil činitel rozptylu v okoliacute vzduchoveacute mezery Vypočiacutetal jsem pro danyacute
magnetickyacute obvod demagnetizačniacute činitel a vykresleniacutem přiacutemky byl nalezen pracovniacute bod P
permanentniacuteho magnetu Bod P vytiacutenaacute na přiacuteslušnyacutech osaacutech demagnetizačniacute charakteristiky
odpoviacutedajiacuteciacute hodnoty BM a HM permanentniacuteho magnetu Z nich byly vypočteny hodnoty indukce a
intenzity ve vzduchoveacute mezeře
Hodnoty magnetickeacute indukce a intenzity magnetickeacuteho pole v prostoru vzduchoveacute mezery vypočteneacute
na zaacutekladě zjednodušeniacute obvodu a hodnoty vypočteneacute v ANSYSu se v přiacutepadě indukce lišiacute o hodnotu
0177 T což vzhledem ke zjednodušeniacute vyacutepočtu a odhadu činitele rozptylu přibližně odpoviacutedaacute Rozdiacutel
v hodnotaacutech intenzity magnetickeacuteho pole činiacute 188 kAm což je opět vzhledem k zjednodušeniacutem
vyhovujiacuteciacute hodnota
Pomociacute programu Ansys byla stanovena nejnižšiacute hodnota proudu (700 mA) tekouciacuteho do vinutiacute
vybraneacuteho jaacutedra statoru při jeho zarovnaacuteniacute s rotorovyacutemi poacutely kteraacute způsobiacute vyrušeniacute přiacutetažneacute siacutely
působiacuteciacute na statoroveacute jaacutedro vlivem permanentniacute magnetizace rotoroveacuteho poacutelu Teoreticky proud většiacute
než 700mA způsobiacute pootočeniacute rotoru a naacuteslednyacute rozběh
Daacutele byly graficky stanoveny průběhy sil v osaacutech x a y působiacuteciacutech na rotor během jeho pootočeniacute o
uacutehel 643deg kdy došlo k zarovnaacuteniacute sousedniacutech poacutelů rotoru a statoru
Změřeniacutem zaacutekladniacutech zatěžovaciacutech charakteristik pomociacute dynamometru byly stanoveny průběhy
momentovyacutech charakteristik pro různeacute uacutehly natočeniacute komutačniacuteho disku vzhledem k rotoru Z grafu
průběhu uacutečinnosti v zaacutevislosti na momentu byla odečtena nejvyššiacute hodnota uacutečinnosti motoru 355
pro natočeniacute komutačniacuteho disku o 5deg a odpoviacutedajiacuteciacute zaacutetěžnyacute moment 019 Nm Tato uacutečinnost je v
porovnaacuteniacute se stejně vyacutekonnyacutemi motory běžnyacutech konstrukciacute poměrně niacutezkaacute Jedniacutem z hlavniacutech
faktorů jež ovlivnil vyacuteslednou uacutečinnost je tvar statorovyacutech jader ktereacute majiacute velkou vzduchovou
mezeru Tiacutem paacutedem dochaacuteziacute ke značneacutemu rozptylu toku magnetickeacute indukce skrze prostor mezi
statorovyacutemi poacutely
Natočeniacutem komutačniacuteho disku do polohy 0deg došlo ke značneacutemu sniacuteženiacute uacutečinnosti na hodnotu okolo 14
majiacuteciacute přiacutečinu ve špatneacutem načasovaacuteniacute počaacutetku průchodu proudu do přiacuteslušneacuteho vinutiacute Vzaacutejemneacute
siloveacute působeniacute magnetickyacutech indukčniacutech toků z jaacutedra a rotoru působilo brzdnyacutem uacutečinkem čiacutemž
došlo ke sniacuteženiacute uacutečinnosti motoru
Momentoveacute charakteristiky jsou teacuteměř lineaacuterniacute Největšiacute moment 05 Nm byl naměřen při napětiacute 31
V při 180 otmin a to v přiacutepadě že komutačniacute disk byl pootočen o 1285deg
95
Použitaacute literatura
[1] Hubbertpeak [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwhubbertpeakcomhubbert19561956pdf
[2] Multimediaacutelniacute studijniacute texty z mineralogie [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpmineralogiescimuniczkap_6_2_termodynkap_6_2_termodynhtm
[3] Molecular and cellular immunology Institute of malecular genetics academy of science of the
Czech Republic Praguee [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpmciimgcasczpdfZakony_termodynamikypdf
[4] Uacutestav teoretickeacute fyziky MFF UK [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httputfmffcuniczvyukaOFY016F2001CermakPhtm
[5] Galileo [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpgalileoandeinsteinphysicsvirginiaedumore_stuffflashletsmmexpt6htm
[6] Encyclopedia Britanica [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwbritannicacomEBcheckedtopic600149Evangelista-Torricelli
[7] ABZ slovniacutek ciziacutech slov [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z httpslovnik-cizich-
slovabzczwebphpslovohorror-vacui-horor-vakui
[8] RAFELSKI Johannn a Berndt MUumlLLER The structured vaccum Thinking about nothing
Published electrically 2006 ISBN 3-97144-889-3
[9] Uacutestav jaderneacute fyziky AV ČR veřejnaacute vyacutezkumnaacute instituce [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httphpujfcascz~wagnerpopclanvakuumvakuumhtml_ftn2
[10] Aldebaran [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwaldebaranczbulletin2011_10_kazphp
[11] Aldebaran [online] Casimir - Network 2005 [cit 2014-05-08] Dostupneacute z httpcasimir-
networkfrIMGpdfCasimir_20effectpdf
[12] KVASNICA Jozef Statistickaacute fyzika Vyd 2 Praha Academia 1998 314 s ISBN 80-200-
0676-1
[13] Aldebaran [online] Annenberg learning 2005 [cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwlearnerorgcoursesphysicsvisualanimationhtmlshortname=PHY06_FermiTrap0
3A
[14] Cornell University Library arXivorg [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httparxivorgpdf10115219v1pdf
[15] Fyzikaacutelniacute sekce Matematicko-fyzikaacutelniacute fakulty UK [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpphysicsmffcuniczkfppskriptakurz_fyziky_pro_DSwwwfyzikahtml
[16] FEYNMAN Richard Phillips Feynmanovy přednaacutešky z fyziky s řešenyacutemi přiacuteklady 1 vyd
Havliacutečkův Brod Fragment 2001 806 s ISBN 80-720-0420-4
[17] VALONE Thomas Zero Point Energy The Fuel of the Future United States Integrity
Research Institiute 2007 228 s ISBN 9780964107021
96
[18] KING Moray B Quest for Zero Point Energy Engineering Principles for Free Energy
Engineering Principles for Free Energy United States Integrity Research Institiute 2001 224 s
ISBN 9780932813947
[19] FAKTOR Zdeněk Transformaacutetory a ciacutevky 1 vyd Praha BEN - technickaacute literatura 1999
393 s ISBN 80-860-5649-X
[20] MAYER Daniel a Josef POLAacuteK Metody řešeniacute elektrickyacutech a magnetickyacutech poliacute [vysokošk
učebnice pro elektrotechn fakulty] 1 vyd Praha SNTL 1983 450 s
[21] ABZ slovniacutek ciziacutech slov [online cit 2014-05-12] Dostupneacute z httpslovnik-cizich-
slovabzczwebphpslovohorror-vacui-horor-vakui
[22] Wikipedie [online cit 2014-05-12] Dostupneacute z httpcswikipediaorgwikiVakuum
[23] VALONE Thomas Practical Conversion of Zero-Point Energy Feasibility Study of the
Extraction of Zero-Point Energy from the Quantum Vacuum for the Performance of Useful
Work United States Integrity Research Institiute 2005 90 s ISBN 9780964107083
[24] BEARDEN By John Bedini and TE Free energy generation circuits 2nd ed Santa Barbara
Calif Cheniere Press 2006 806 s ISBN 09-725-1468-6
[25] Straacutenky věnovaneacute potlačovaneacute vědě a zatajovanyacutem vynaacutelezům [online cit 2014-05-08]
Dostupneacute z httpfree-energyxfczJOHNSONSampMhtm
[26] ADAMS Robert The Adams pulsed motor generator manual 46 Landing Roat Whakanate
Nex Zealand 1992
15
Neschopnost lidskeacute mysli uchopit praacutezdnyacute prostor dala v historii vzniknout pojmu horror vacui
neboli strach z praacutezdnoty [21]
Italskyacute fyzik a matematik Evangelista Torricelli žijiacuteciacute v 17 stoletiacute vešel do povědomiacute širokeacute
veřejnosti jednak pro vědeckyacute přiacutespěvek v oboru matematiky ale předevšiacutem pro vynalezeniacute
barometru Torricelli při svyacutech pokusech experimentoval s dlouhou skleněnou trubiciacute deacutelky 12 m
kterou naplnil rtutiacute a poteacute ji otevřenyacutem koncem ponořil do naacutedoby plneacute rtuti Pozoroval že velkaacute čaacutest
rtuti v trubici zůstala a nad jejiacute hladinou vnikl vzduchopraacutezdnyacute prostor Stal se tak prvniacutem člověkem
v historii kteryacute vytvořil vzduchopraacutezdno neboli vakuum [7]
Obr 42 Aparatura Evangelisty Torricelliho diacuteky ktereacute vytvořil makroskopickeacute vakuum
Vakuum zastupuje širokou škaacutelu tlaků V technickeacute praxi naleacutezaacute širokeacute praktickeacute využitiacute a je proto
podle velikosti tlaku rozděleno děleno do kategoriiacute ktereacute jsou v Tab 42
Tab 41 Rozděleniacute vakua podle tlakoveacuteho paacutesma a množstviacute hmoty v objemu[22]
Tlakoveacute paacutesmo
Tlak Množstviacute hmoty
v objemu
[Pa] [molekulcm3]
Atmosfeacuterickyacute tlak 101times105 27 x 10
19
Hrubeacute vakuum 10+4
hellip10+2
1019
- 1016
Jemneacute vakuum 10+2
hellip10minus1
1016
- 1013
Vysokeacute vakuum (HV) 10minus1
hellip10minus5
1013
hellip109
Ultra vysokeacute vakuum (UHV) 10minus5
hellip10minus10
109hellip10
4
Extreacutemně vysokeacute vakuum (XHV) lt10minus10
lt104
16
Vynaacutelezce Otto von Guericke demonstroval siacutelu podtlaku analogiiacute s osmi spřaženiacutemi osmi koni kteřiacute
nejsou schopni společnyacutemi silami oddělit dvě poloviny vzduchopraacutezdneacute koule jak ukazuje Obr 43
Obr 43 Osm koniacute neniacute schopno od sebe oddělit dvě poloviny vzduchopraacutezdneacute koule [8]
Zařiacutezeniacute pro tvorbu vakua se nazyacutevaacute vyacutevěva I kdyby se naacutem podařilo sestrojit dokonalou vyacutevěvu
kteraacute by z prostoru odstranila všechny znaacutemeacute hmotneacute čaacutestice prostor by i tehdy nezůstal praacutezdnyacute
Klasickaacute teorie poklaacutedaacute vakuum za praacutezdnyacute prostor bez hmotnyacutech čaacutestic Je však nutneacute přihleacutednout
k faktu že existujiacute teorie a experimenty jež připouštějiacute že vakuum neniacute praacutezdneacute miacutesto toho je plneacute
aktivity a co je ještě důležitějšiacute lze tuto aktivitu využiacutet v našem reaacutelneacutem světě
42 Heisenbergův princip neurčitosti
Velmi důležityacutem zaacutekonem určujiacuteciacutem pravidla v kvantoveacutem světě je Heisenbergův princip neurčitosti
Ten řiacutekaacute že pro současneacute měřeniacute polohy x a hybnosti čaacutestice p nemůže byacutet součin neurčitostiacute v určeniacute
polohy Δx a hybnosti Δp čaacutestice menšiacute než redukovanaacute Planckova konstanta ħ Pro tuto konstantu platiacute
ħ = h2π =105410-34
Js Důsledkem Heisenbergova principu je že se na mikroskopickeacute uacuterovni může
narušovat zaacutekon zachovaacuteniacute energie a to takovyacutem způsobem že součin velikosti tohoto narušeniacute a
doby po kterou trvaacute je menšiacute než redukovanaacute Planckova konstanta V takoveacutem přiacutepadě nelze toto
porušeniacute pozorovat
Heisenbergův princip neurčitosti pro současneacute měřeniacute polohy a hybnosti čaacutestice maacute tvar
(5)
Heisenbergův princip neurčitosti pro současneacute měřeniacute času a energie čaacutestice maacute tvar
(6)
Platnost rovnice (6) vede tomu že ve vakuu mohou existovat velice rychleacute fluktuace energie ktereacute
vznikajiacute jako v důsledku vzniku tzv virtuaacutelniacutech čaacutestic a jejich antičaacutestic ktereacute velice rychle vznikajiacute a
zanikajiacute vlivem vzaacutejemneacute anihilace A to v čase daneacutem Heisenbergovyacutem principem neurčitosti [9]
17
43 Virtuaacutelniacute čaacutestice
Jednaacute se o čaacutestici kteraacute neniacute přiacutemo pozorovatelnaacute je zavedena z důvodu existence řady pozorovanyacutech
jevů Virtuaacutelniacute čaacutestice může existovat diacuteky Heisenbergovu principu neurčitosti a v časoveacutem okamžiku
daneacutem tiacutemto zaacutekonem narušuje zaacutekon o zachovaacuteniacute energie U reaacutelneacute čaacutestice jejiacutež existence nenarušuje
zaacutekon zachovaacuteniacute energie je splněn relativistickyacute vztah mezi celkovou energiiacute čaacutestice E jejiacute hybnostiacute p
a klidovou energiiacute U virtuaacutelniacute čaacutestice tento vztah mezi uvedenyacutemi fyzikaacutelniacutemi veličinami neplatiacute
Virtuaacutelniacute čaacutestice tak může miacutet třeba velmi velkou hybnost a jen velmi malou energii Existence
virtuaacutelniacute čaacutestice je omezena na velice kraacutetkou dobu Při neustaacuteleacutem vzniku a zaacuteniku těchto čaacutestic
vznikajiacute ve vakuu vysokofrekvenčniacute fluktuace elektromagnetickyacutech poliacute různyacutech vlnovyacutech deacutelek [9]
44 Casimirův jev
V roce 1958 holandskyacute fyzik M J Sparnaay předpověděl existenci sil mezi dvěma kovovyacutemi
deskami jejichž přiacutečinou nebylo tepelneacute zaacuteřeniacute Byl zaveden pojem zero point energy (energie
nuloveacuteho bodu) označujiacuteciacute elektromagnetickou energii vyskytujiacuteciacute se ve vakuu při absolutniacute nuloveacute
teplotě [18]
Důkazem existence teacuteto energie je uacutedajně fakt že helium zůstaacutevaacute i při teplotaacutech mezi -272degC až
273degC staacutele v kapalneacutem skupenstviacute a nedojde k jeho přeměně na skupenstviacute pevneacute [17]
Způsob jakyacutem by bylo možneacute projevy virtuaacutelniacutech čaacutestic experimentaacutelně změřit navrhl v roce 1948
holandskyacute fyzik Hendrik Casimir Casimir uvažoval o dvou paralelniacutech elektrodaacutech (zrcadlech)
umiacutestěnyacutech ve vakuu za teploty bliacutezkeacute absolutniacute nule Vně těchto zrcadel vakuoveacute fluktuace
elektromagnetickyacutech poliacute dosahujiacute širokeacuteho spektra energiiacute ovšem v souladu s Heisenbergovyacutemi
relacemi neurčitosti Jinaacute situace nastaacutevaacute mezi elektrodami ktereacute tvořiacute rezonaacutetor Zde mohou vznikat
pouze fluktuace určityacutech vlnovyacutech deacutelek ndash moacutedů rezonaacutetoru Ostatniacute vlnoveacute deacutelky jsou vněm
potlačeny Tato nerovnovaacuteha fluktuaciacute vně elektrod a mezi nimi způsobuje tlakovou siacutelu kteraacute
přitahuje elektrody k sobě Jev se nazyacutevaacute Casimirův jev (efekt) a je makroskopickyacutem projevem
kvantovyacutech jevů stejně jako napřiacuteklad supravodivost nebo supratekutost [10]
Obr 44 Demonstrace Casimirova jevu Dvě kovoveacute desky tvořiacute rezonaacutetor pouze pro některeacute vlnoveacute
deacutelky důsledkem je působeniacute přitažliveacute siacutely mezi těmito deskami [11]
Fluktuace
vakua Casimirovi
desky
18
441 Casimirova siacutela
Casimirův efekt se projevuje jako Casimirova siacutela Casimirovu siacutelu mezi vodivyacutemi elektrodami
způsobuje nerovnovaacuteha mezi kvantovyacutemi fluktuacemi elektromagnetickyacutech poliacute ve vakuu vně
elektrod a mezi nimi [10]
Casimirovu siacutelu lze vypočiacutetat na zaacutekladě vztahu (7) uvedeneacuteho v literatuře[17]
(7)
Na obr45 je graf Prof Dr Davida Iannuzziho kteryacute zobrazuje přibližně exponenciaacutelniacute naacuterůst
publikaciacute pojednaacutevajiacuteciacute o Casimirově vevu Tiacutem dokazuje značnyacute naacuterůst zaacutejmu o tento fenomeacuten
Obr 45 Naacuterůst publikaciacute tyacutekajiacuteciacutech se Casimirova jevu [8]
442 Aparatura pro měřeniacute Casimirova jevu
Laboratorniacute měřeniacute Casimirova jevu v Kalifornskeacute univerzitě v Riverside bylo provedeno na
miniaturniacute aparatuře pro měřeniacute kvantově mechanickyacutech efektů bdquopraacutezdneacuteho prostoruldquo Na Obr 46 je
kulička o průměru 01 mm zobrazenaacute skrze elektronovyacute mikroskop Kulička je umiacutestěna pod hladkou
destičkou (destička neniacute na obraacutezku) Diacuteky kvantově mechanickeacutemu Casimirovu efektu se kulička
k destičce přitahuje Změna pozice kuličky je měřena mikroskopem pro měřeniacute atomaacuterniacutech sil
19
Obr 46 Mikroskopickaacute aparatura pro měřeniacute Casimirova jevu
443 Tepelnyacute Casimirův jev
Při konečneacute teplotě vstupujiacute do hry tepelneacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole a přispiacutevajiacute tak k
siloveacutemu působeniacute mezi elektrodami Tepelneacute fluktuace jsou způsobeny chaotickyacutem pohybem
volnyacutech elektronů v materiaacutelu elektrod Paralelniacute elektrody opět představujiacute rezonaacutetor ve ktereacutem je
možneacute vybudit pouze určiteacute moacutedy Každyacute moacuted představuje stav s přesně určenou energiiacute Tyto stavy
jsou obsazovaacuteny fotony ktereacute reprezentujiacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole Obsazeniacute těchto
hladin popisuje Boseho-Einsteinovo rozděleniacute [10]
Boseho-Einsteinovo rozděleniacute popisuje ve statistickeacute fyzice systeacutemy složeneacute z bosonů tedy čaacutestic se
symetrickou vlnovou funkciacute a celočiacuteselnyacutem spinem Bose-Einsteinovyacutem rozděleniacutem se řiacutediacute napřiacuteklad
fotony je z něj tedy možneacute odvodit napřiacuteklad Planckův vyzařovaciacute zaacutekon [12]
Při nuloveacute teplotě všechny fotony obsadiacute pouze nejnižšiacute energetickou hladinu jak je vidět na Obr 47
S rostouciacute teplotou postupně dochaacuteziacute k obsazovaacuteniacute i dalšiacutech vyššiacutech energetickyacutech hladin Mezi
zrcadly vznikaacute dalšiacute přitažlivaacute siacutela kteraacute ovšem zaacutevisiacute na teplotě Jednaacute se tedy o tepelnyacute Casimirův
jev
Obr 47 Vlevo zaujiacutemajiacute bosony při teplotaacutech bliacutezkyacutech absolutniacute nule jedinyacute stav s nejnižšiacute energiiacute Se
vzrůstajiacuteciacute teplotou bosony (vpravo) postupně obsazujiacute stavy s vyššiacute energiiacute [13]
Přestože tepelnyacute Casimirův jev byl teoreticky předpovězen Jevgenijem Lifšicem v roce 1955 dočkal
se sveacuteho objevu až v roce 2010 Tento uacutekol se podařilo zvlaacutednout skupině vědců na americkeacute Yaleově
univerzitě Tepelneacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole byly opět měřeny prostřednictviacutem přitažliveacute
siacutely mezi dvěma elektrodami Připravit dokonale rovinneacute paralelniacute plochy je poměrně obtiacutežneacute a proto
20
byl experiment provaacuteděn s jednou rovinnou elektrodou a druhou elektrodou ve tvaru kuloveacute plochy
Obě elektrody byly vyrobeny ze zlata s přesnostiacute 10 nm (kulovaacute elektroda) a 1 nm (rovinnaacute elektroda)
Siacutela mezi elektrodami byla měřena pomociacute torzniacuteho kyvadla kde torzniacute siacutela wolframoveacuteho draacutetku o
průměru 25 μm byla vyrovnaacutevaacutena přitažlivou silou mezi elektrodami Kapacitniacute polohovyacute senzor
sniacutemal vyacutechylku torzniacuteho kyvadla Celyacute experiment probiacutehal při teplotě 300 K [14]
Obr 48 Scheacutema zařiacutezeniacute pro měřeniacute tepelneacuteho Casimirova jevu (pohled shora) [14]
Naměřeneacute vyacutesledky byly porovnaacutevaacuteny se dvěma teoretickyacutemi modely ndash plazmovyacutem modelem a
Drudeho modelem Tyto modely popisujiacute chovaacuteniacute permitivity elektrod v zaacutevislosti na frekvenci
Naměřeneacute vyacutesledky ukazujiacute shodu s Drudeho modelem při teplotě 300 K Podle tohoto modelu tepelnaacute
přitažlivaacute siacutela roste lineaacuterně s teplotou a klesaacute s druhou mocninou vzdaacutelenosti To znamenaacute že zatiacutemco
Casimirova siacutela převlaacutedaacute na velmi malyacutech vzdaacutelenostech tepelnaacute Casimirova siacutela dominuje na
velkyacutech vzdaacutelenostech Na obraacutezku niacuteže je znaacutezorněna přitažlivaacute siacutela naacutesobenaacute druhou mocninou
vzdaacutelenosti v zaacutevislosti na vzdaacutelenosti mezi elektrodami Podle Drudeho modelu bychom měli dostat
konstantniacute zaacutevislost v miacutestech kde převlaacutedaacute siacutela způsobenaacute tepelnyacutemi fluktuacemi Z Obr 49 je
patrneacute že od vzdaacutelenosti přibližně 3 μm daacutele dostaacutevaacuteme přibližně konstantniacute zaacutevislost [14]
Obr 49 Na vzdaacutelenostech většiacutech než 3 μm dochaacuteziacute ke změně charakteru přitažliveacute siacutely Převlaacutedaacute zde
siacutela způsobenaacute tepelnyacutemi fluktuacemi zatiacutemco na menšiacutech vzdaacutelenostech se viacutece uplatňuje siacutela
pochaacutezejiacuteciacutech z kvantovyacutech fluktuaciacute vakua [14]
21
5 Magnetismus
51 Magnetickeacute pole a jeho siloveacute uacutečinky
Fakt že některeacute nerosty s obsahem železa a jeho oxidů jeviacute jisteacute vzaacutejemneacute siloveacute působeniacute vedlo
člověka k vyacutezkumu hlubšiacute podstaty tohoto fenomeacutenu Magnetismu znaacutemeacutemu již ze středověku začala
byacutet později věnovaacutena značnaacute pozornost předevšiacutem diacuteky poznatku že lze vnějšiacute magnetickeacute pole
vyvolat průchodem proudu nosičů elektrickyacutech naacutebojů elektrickyacutemi vodiči Pokusy H Ch Oersteda s
vodiči zapojenyacutemi k elektrickeacutemu zdroji vykazovali siloveacute působeniacute na magnetku kompasu později
diacuteky A M Ampeacuterovu pokusu takeacute siloveacute působeniacute mezi vodiči proteacutekanyacutemi proudem [15]
Mezi tělesy z feromagnetickyacutech laacutetek se za jistyacutech okolnostiacute projevuje vnějšiacute působeniacute vnitřniacutech
atomaacuterniacutech sil do vnějšiacuteho prostřediacute prostor v okoliacute tělesa i uvnitř něho je magneticky polarizovaacuten a
magnetickeacute předměty se navzaacutejem přitahujiacute či odpuzujiacute v zaacutevislosti na směru vektoru jejich
magnetizace Ve vzdušneacutem prostřediacute lze magnetickou propustnost definovat jako hodnotu přibližně
rovnou permeabilitě vakua
Po odhaleniacute existence magnetismu došlo časem k prudkeacutemu naacuterůstu pokusů se snahou naleacutezt praktickeacute
využitiacute tohoto jevu v lidskeacutem životě Vznik elektrickyacutech strojů prudce zrychlil rozvoj většiny odvětviacute
lidskeacuteho baacutedaacuteniacute
Magnetickeacute pole a jeho siloveacute uacutečinky jsou přiacutetomny při
a) Pohybu elektrickyacutech naacutebojů v obvodu
b) Zmagnetovaacuteniacute magnetik
Kvantitativniacute miacuterou siloveacuteho působeniacute magnetickeacuteho pole je magnetickaacute indukce B
Magnetickeacute pole o indukci 1 T působiacuteciacute na naacuteboj jednoho coulombu kteryacute se pohybuje rychlostiacute 1ms
silou 1 Newtonu jestliže je směr rychlosti naacuteboje a směru působiacuteciacute siacutely kolmyacute
Siacutelu v elektromagnetickeacutem poli působiacuteciacute na jednotkovyacute zkušebniacute naacuteboj v pohybu lze popsat
Lorenzovyacutem vztahem [15]
Ze vztahu je zřejmeacute že rychlost zkušebniacute čaacutestice nemaacute vliv na siloveacute uacutečinky elektrickeacuteho pole
V poli čistě magnetickeacutem kdy je elektrickeacute pole nuloveacute platiacute pro siacutelu vztah
(8)
(9)
22
52 Magnetickyacute moment moment hybnosti a precese momentu hybnosti
Pohybuje-li se elektron po kružnici (obiacutehaacute-li jaacutedro vlivem dostřediveacute siacutely) jsou si jeho magnetickyacute
moment μ a moment hybnosti J uacuteměrneacute Velikost momentu hybnosti elektronu je rovna hmotnosti
elektronu vynaacutesobeneacute jeho rychlostiacute a poloměrem draacutehy kterou opisuje (Obr 51)
Obr 51 Na kruhoveacute draacuteze je magnetickyacute moment μ(q2m)-naacutesobkem momentu hybnosti J[16]
Jeho směr je kolmiacute na rovinu draacutehy Vztah (10) je ne relativistickyacute je však pro atomy dobryacutem
přibliacuteženiacutem
(10)
Magnetickyacute moment tohoto pohybu lze určit jako proud kraacutet obsah plochy kruhu dle vztahu
Proud se vypočiacutetaacute jako naacuteboj kteryacute za jednotku času projde libovolnyacutem bodem draacutehy tj naacuteboj q kraacutet
frekvence kruhoveacuteho pohybu Frekvence je zase rychlost dělenaacute deacutelkou draacutehy takže platiacute
Plocha maacute obsah magnetickyacute moment je tedy možneacute vyjaacutedřit vztahem
Magnetickyacute moment a teacutež moment hybnosti J jsou kolmeacute na rovinu draacutehy Pro orbitaacutelniacute pohyb tedy
platiacute
Pro orbitaacutelniacute pohyb elektronu platiacute
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
23
Magnetismus od orbitaacutelniacuteho pohybu elektronu neniacute jedinyacute existujiacuteciacute druh magnetismu Elektron maacute i
svou vlastniacute rotaci kolem osy Důsledkem je spinovyacute moment hybnosti elektronu neboli vlastniacute
moment hybnosti Pro spinovyacute moment hybnosti se takeacute použiacutevaacute označeniacute spin Z překladu
z angličtiny jde rotace Pojem spin byl zaveden v době kdy se předpoklaacutedalo že jde o rotaci nicmeacuteně
v makrosvětě nemaacute spin analogii a člověk je nucen použiacutet idealizovanou představou rotace [16]
Poměr a je dvakraacutet tak tak velkyacute oproti orbitaacutelniacutemu pohybu elektronu proto je spinovyacute
magnetickyacute moment
Obecně je v každeacutem atomu několik elektronů a tak je celkovyacute moment hybnosti a celkovyacute magnetickyacute
moment daacuten složeniacutem jejich orbitaacutelniacutech a spinovyacutech momentů hybnosti V kvantoveacute mechanice
obecně platiacute že směr magnetickeacuteho momentu izolovaneacuteho atomu maacute opačnyacute směr než moment
hybnosti [16]
Někdy je magnetickyacute moment směsiciacute orbitaacutelniacutech a spinovyacutech přiacutespěvků jejichž vztah můžeme zapsat
Značka g je tzv Landeacuteho faktor a určeniacute jeho velikosti je předmětem kvantoveacute mechaniky
V přiacutepadě atomovyacutech jader figurujiacute naviacutec i spiny protonů a neutronů Pro jaacutedra obecně piacutešeme
Precese pohyb atomovyacutech magnetů v magnetickeacutem poli
Umiacutestěniacutem atomu do magnetickeacuteho pole je magnetickyacute moment ovlivňovaacuten momentem siacutely kteraacute se
jej snažiacute pootočit do směru pole Atomovyacute magnet je jako setrvačniacutek ndash maacute spinovyacute moment hybnosti
Moment siacutely způsobenyacute magnetickyacutem polem proto nedokaacuteže atomovyacute magnet udržet
v daneacutem směru Magnet proto bude vykonaacutevat precesniacute pohyb podobnyacute precesi mechanickeacuteho
setrvačniacuteku[16]
Rotuje-li těleso okolo osy zaznamenaacuteme u něj jistou podobnost v chovaacuteniacute s elementaacuterniacutem atomovyacutem
magnetem o momentu hybnosti
Jevy zjevneacute při rotaci tělesa lze popsat naacutesledujiacuteciacutemi tvrzeniacutemi
Pokud na rotujiacuteciacute těleso nepůsobiacute vnějšiacute siacutely zachovaacutevaacute si osu svojiacute rotace Nenulovyacute moment
siacutely působiacuteciacute na rotujiacuteciacute těleso ovlivňuje osu jeho rotace tiacutem viacutece čiacutem maacute těleso menšiacute
moment hybnosti
Když nutiacuteme rotujiacuteciacute těleso změnit osu svojiacute rotace chovaacute se tak že se snažiacute ztotožnit s osou
vynuceneacute rotace
(16)
(
) (17)
(
) (18)
24
Precese subatomaacuterniacutech čaacutestic v magnetickeacutem poli se s vyacutehodou využiacutevaacute v metodaacutech magnetickeacute
jaderneacute a elektronoveacute paramagnetickeacute rezonance
Nabiacuteziacute se otaacutezka jestli je možneacute určityacutem způsobem převeacutest siloveacute uacutečinky precesniacuteho pohybu
momentu hybnosti na mechanickyacute pohyb v nějakeacutem elektrickeacutem stroji Projevy rezonančniacutech jevů
jsou u všech typů magnetickyacutech rezonanciacute však velice slabeacute a frekvence Larmorovy precese s jakou
vektor magnetickeacuteho momentu rotuje ve vnějšiacutem poli je u elektronů ktereacute jsou přiacutečinou magnetismu
u feromagnetik až v řaacutedech GHzT Tiacutem paacutedem by musel mechanickyacute systeacutem v pracujiacuteciacute v rezonanci
s precesniacute frekvenciacute momentu hybnosti kmitat či rotovat teacutež v řaacutedech GHz nebo v jisteacutem poměru k
prvniacute harmonickeacute teacuteto frekvence
25
6 Nekonvenčniacute elektrickeacute stroje
Podle autorů elektrickyacutem motorů jsou motory založeneacute na jistyacutech principech schopny pracovat s
uacutečinnostiacute překračujiacuteciacute 100 Ve čtvrteacute kapitole hovořiacuteciacute o vakuu je popsaacuten Casimirův jev jako
důsledek narušeniacute symetrie prostorovyacutech fluktuaciacute elektromagnetickyacutech poliacute vakua mezi dvěma
kovovyacutemi deskami Vezmeme-li v uacutevahu teorii o prostoru vyplněneacutem vznikajiacuteciacutemi a zanikajiacuteciacutemi
virtuaacutelniacutemi čaacutesticemi nabiacuteziacute se otaacutezka Je možneacute zkonstruovat systeacutem kteryacute by energii projevujiacuteciacute se
jako fluktuace elektromagnetickyacutech poliacute vakua proměnil na užitečnou elektrickou či mechanickou
energii v takoveacute měřiacutetku aby byl schopnyacute napaacutejet elektrickeacute obvody sveacuteho řiacutezeniacute popř dodaacutevat
vyacutekon do vnějšiacute zaacutetěže Ze znalosti termodynamickyacutech zaacutekonů jasně vypliacutevaacute možnost využitiacute
teplotniacuteho rozdiacutelu dvou prostřediacute k ziacuteskaacuteniacute užitečneacute energie Tepelnaacute čerpadla jsou toho důkazem
Vzhledem k existenci elektromagnetickeacute energie vakua i při absolutniacute nule je možneacute tuto energii
považovat za vstupniacute energii do systeacutemu zobrazeneacuteho blokově na Obr 61
Obr 61 Blokoveacute scheacutema systeacutemu napaacutejeneacuteho energiiacute odčerpaacutevanou z okolniacuteho prostřediacute
Energie vstupuje do systeacutemu z vnějšiacuteho prostřediacute a sloužiacute pro napaacutejeniacute vnějšiacute zaacutetěže i systeacutemu
samotneacuteho
Systeacutem
Vstup energie do systeacutemu
z okolniacuteho prostřediacute
Vyacutestup využitelneacute
formy energie
Energie potřebnaacute pro řiacutezeniacute
systeacutemu se z vyacutestupu navraciacute
zpětnou vazbou
26
61 Johnsonův motor
V roce 1973 pět let po podaacuteniacute přihlaacutešky byl Howardu Johnsonovi udělen patent US 4151431 na
motor s permanentniacutemi magnety V roce 1995 pak patent US 5402021 popisujiacuteciacute magnetickyacute
pohonnyacute systeacutem založenyacute na obdobneacutem principu Oba tyto systeacutemy uacutedajně využiacutevajiacute ke konaacuteniacute praacutece
pouze siacutely permanentniacutech magnetů Ačkoli dnešniacute věda zavrhuje využitiacute vnějšiacutech projevů
subatomaacuterniacuteho pohybu čaacutestic hmoty permanentniacutech magnetů ke konaacuteniacute nepřetržiteacute praacutece v systeacutemu
Johnson uacutedajně připouštiacute že přesně neviacute odkud se energie kterou čerpaacute bere Ale domniacutevaacute se že
může miacutet souvislost s rotaciacute elektronů možnaacute dokonce souvisiacute s dosud nepojmenovanou čaacutesticiacute
V roce 1980 vyšel v dnes již zanikleacutem časopisu Science and Mechanics člaacutenek o Johnsonově motoru
popisujiacuteciacute vzaacutejemneacute interakce mezi magnety rotoru a statoru
Konstrukčniacute uspořaacutedaacuteniacute Johnsonova motoru
Obr 62 Čelniacute pohled do Johnsonova motoru Stator maacute po obvodu rozmiacutestěny tři obloukoviteacute
magnety Rotoroveacute magnety jsou vzaacutejemně odděleny vzduchovyacutemi mezerami [16]
Z Předniacuteho pohledu do motoru na Obr 62 jsou vidět tři obloukoviteacute permanentniacute magnety statoru
pravidelně rozmiacutestěneacute kolem rotoru
Obr 63 Z bočniacuteho pohledu do motoru je patrnaacute šroubovitaacute hřiacutedel kteraacute sloužiacuteciacute k zabrzděniacute stroje
[16]
27
Obr 64 Horniacute pohled na dva obloukoviteacute statoroveacute magnety navzaacutejem posunuteacute a překryacutevajiacuteciacute
magnety rotoru [16]
Obr 65 Průběhy změny indukce během změny polohy jižniacuteho a severniacuteho poacutelu magnetu statoru vůči
rotorovyacutem magnetům
Obr 66 Naznačeniacute pohybu obloukovyacutech magnetů rotoru nad statorovyacutemi magnety
Popis principu
Obr 66 ukazuje některeacute zaacutekladniacute vztahy Plneacute čaacutery představujiacute přitažliveacute siacutely přerušovaneacute čaacutery
představujiacute odpuzovaacuteniacute a dvojiteacute čaacutery v obou přiacutepadech znaacutezorňujiacute dominantniacute siacutely
Na Obr 66 je obloukově zakřivenyacute permanentniacute magnet ve třech po sobě naacutesledujiacuteciacutech polohaacutech nad
pevnyacutemi statorovyacutemi magnety Obr 66 poskytuje alespoň velmi zjednodušenyacute pohled do teorie
28
pohonu pomociacute permanentniacutech magnetů Johnson řiacutekaacute že zakřiveneacute magnety s ostryacutemi konci jsou
důležiteacute protože koncentrujiacute magnetickou energii mnohem uacutečinněji než magnety s tupyacutemi konci Tyto
obloukoviteacute magnety jsou o něco delšiacute než je deacutelka dvou magnetů statoru včetně mezery mezi nimi V
Johnsonově konstrukci jsou dlouheacute
palce
Všechny statoroveacute magnety majiacute severniacute poacutel nahoře a spočiacutevajiacute na podložce vyrobeneacute z materiaacutelu s
vysokou permeabilitou kteraacute pomaacutehaacute koncentrovat silovaacute pole Optimaacutelniacute mezera mezi konci
rotorovyacutech magnetů a statorem je kolem
palce
Když se severniacute poacutel magnetu rotoru nachaacuteziacute nad statorovyacutem magnetem je jiacutem odpuzovaacuten a je ke
statoru přitahovaacuten když prochaacuteziacute nad mezerou mezi statorovyacutemi magnety Přesně opačneacute siacutely působiacute
u jižniacuteho poacutelu rotoroveacuteho magnetu Je přitahovaacuten když prochaacuteziacute nad statorovyacutem magnetem a je
odpuzovaacuten když se nachaacuteziacute nad mezerou
Předniacute poacutel N rotoru je odpuzovaacuten severniacutemi poacutely dvou přilehlyacutech magnetů Ale v zobrazeneacute poloze
magnetu rotoru tyto dvě odpudiveacute siacutely (ktereacute zřejmě působiacute proti sobě) nejsou totožneacute většiacute z obou sil
(dvojitaacute přerušovanaacute čaacutera) překonaacutevaacute druhou siacutelu a taacutehne rotor doleva Tento pohyb vlevo je zrychlen
přitažlivou silou mezi severniacutem poacutelem rotoru a jižniacutem poacutelem v mezeře mezi statorovyacutemi magnety
Současně na druheacutem konci (S) rotoroveacuteho magnetu Deacutelka tohoto magnetu je cca
palce a je
zvolena s ohledem na velikost paacuteru statorovyacutech magnetů a mezery mezi nimi aby přiacutetažliveacute a
odpudiveacute siacutely taacutehly magnety rotoru doleva V tomto přiacutepadě je poacutel S přitahovaacuten severniacutemi poacutely
přilehlyacutech statorovyacutech magnetů ale z důvodu rozměrů rotoroveacuteho magnetu je rotor silněji tažen
doleva (dvojitaacute plnaacute čaacutera) Takeacute zde je s vyacutehodou využito siloveacute působeniacute mezi koncem rotoroveacuteho
magnetu a mezerou mezi magnety statoru V tomto přiacutepadě majiacute oba poacutely stejnou polaritu (S) proto se
vzaacutejemně odpuzujiacute
Je nutneacute dodržet spraacutevnou deacutelku magnetů rotoru Jestliže jsou buď přiacuteliš dlouheacute nebo přiacuteliš kraacutetkeacute
mohou dosaacutehnout nežaacutedouciacute rovnovaacutehy kteraacute znamenaacute konec pohybu Ciacutelem je optimalizovat
všechny siacutely tak aby bylo dosaženo maximaacutelniacute nerovnovaacutehy ale vždy stejnyacutem směrem Když se rotor
otočiacute o 180 stupňů a dostane se na opačnyacute konec draacutehy bude se chovat stejnyacutem způsobem až na to že
se v tomto přiacutekladu bude pohybovat zleva doprava Takeacute musiacuteme poznamenat že jakmile je rotor v
pohybu maacute moment kteryacute pomůže dostat rotorovyacute magnet do sfeacutery vlivu dalšiacuteho paacuteru magnetů
statoru kde ziacuteskaacute dalšiacute moment [25]
29
62 Adamsův motor generaacutetor
Podle informačniacuteho zdroje [26] byl vynaacutelez Roberta Adamse viacutece než 20 let držen v tajnosti Jeho
autorovi bylo vyhrožovaacuteno smrtiacute v přiacutepadě že bude šiacuteřit informace tyacutekajiacuteciacute se principů na nichž jeho
motorgeneraacutetor pracuje Informace byly po letech zveřejněny internetoveacutem magaziacutenu Nexus
Adams ke sveacutemu stroji vytvořil publikaci The Adams pulsed motor generator manual ve ktereacute uvaacutediacute
naacutesledujiacuteciacute obraacutezkoveacute ilustrace Autor v něm teacutež předklaacutedaacute grafy naměřenyacutech průběhů napětiacute pro
různeacute režimy stroje
Robert Adams tvrdiacute Naacuteš vesmiacuter je moře volneacute čisteacute energie A čekaacute jen na to abychom ji začali
využiacutevat
Vlastnosti a vyacutehody Adamsova motor generaacutetoru uvedeneacute Robertem Adamsem
1) Překonaacutevaacute zpětnou elektromotorickou siacutelu kteraacute je probleacutemem všech konvenčniacutech strojů
2) Střiacutedavě zapřahuje ZES tedy zanikajiacuteciacute magnetickeacute pole čiacutemž zvyšuje moment a snižuje
přiacutekon
3) V režimu motorgeneraacutetoru nevyžaduje k vyacuterobě elektrickeacuteho vyacutestupniacuteho vyacutekonu
oddělenyacute motor
4) Pro běh stroje a vyacuterobu vyacutestupniacuteho vyacutekonu využiacutevaacute jedinyacute rotor
5) Všechny poacutely rotoru majiacute stejnou polaritu
6) Statoroveacute hnaciacute vinutiacute a poacutely jsou menšiacutech rozměrů
7) Velikost vzduchoveacute mezery neniacute kritickaacute
8) Nevyžaduje chladiacuteciacute ventilaacutetor
9) Stroj nevyžaduje konstantniacute vstupniacute proud
10) Naacutevrh stroje je naacutesledujiacuteciacute
a) Energie je vede zpět do baterioveacuteho zdroje
b) Magnetickyacute zpětnyacute tah je prakticky nulovyacute
c) Teplota při plneacutem zatiacuteženiacute je polovičniacute ve srovnaacuteniacute s jakyacutemkoliv konvenčniacutem strojem
d) S ohledem na způsob mechanickeacuteho spiacutenaacuteniacute kteryacute zajišťuje zužujiacuteciacute se hvězda
kontaktniacuteho disku je možneacute měnit střiacutedu impulzů
11) V režimu vysokeacute uacutečinnosti stroj čerpaacute energii z prostoru
12) Čiacutem nižšiacute rychlostiacute se otaacutečiacute tiacutem dosahuje vyššiacute uacutečinnosti a krouticiacuteho momentu na rozdiacutel
od konvenčniacutech strojů
13) V rezonančniacutem režimu nejsou přiacutetomny jaloveacute ztraacutety a stroj vykazuje konstantniacute vyacutekon a
moment
14) Jelikož se směr energie ze zdroje neměniacute nejsou přiacutetomny ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy a
hystereziacute
15) Stroj se ve všech pracovniacutech režimech saacutem chraacuteniacute před některyacutemi nepřiacuteznivyacutemi situacemi
ktereacute v jinyacutech přiacutepadech vyžadujiacute doplňujiacuteciacute zařiacutezeniacute
16) Vysokeacute otaacutečky nejsou nutneacute čiacutemž odpadajiacute probleacutemy s nimi spojeneacute
17) Stroj je možneacute elektricky zatiacutežit a počiacutetat s naacuteslednyacutem naacuterůstem vyacutestupniacute energie od 50
přes 100 a to bez přetiacuteženiacute nebo naacuterůstu teploty nad normaacutelniacute pracovniacute teplotu
30
18) Stroj je saacutem o sobě obdivuhodně jednoduchyacute a nevyžaduje draheacute obvody pro řiacutezeniacute
rychlosti [26]
Popis zaacutekladniacute konstrukce
Adamsův motor-generaacutetor je elektrickyacute stroj s permanentniacutemi magnety radiaacutelně uloženyacutemi v rotoru
Stroj je uacutedajně možneacute zkonstruovat v různyacutech konfiguraciacutech podle toho zda požadujeme vyacutestupniacute
vyacutekon spiacuteše elektrickyacute nebo mechanickyacute
Zaacutekladniacute konfigurace stroje určenaacute pro vyacutestup elektrickeacuteho vyacutekonu ze stroje obsahuje tři druhy
statorovyacutech magnetickyacutech poacutelů vhodně rozmiacutestěnyacutech kolem rotoru s permanentniacutemi magnety
1 Permanentniacute magnety rotoru jsou všechny polarizovaacuteny ve stejneacutem směru Tok
magnetickeacute indukce všech vystupuje buď ven nebo dovnitř směrem ke hřiacutedeli
Obr 67 Magnety jsou pro zvyacutešeniacute vyacutekonu stroje uloženy v několika rotorovyacutech sekciacutech
2 Řiacutediacuteciacute poacutely jsou napaacutejeny pulzně v zaacutevislosti na poloze rotoru vůči statoru a to skrze
mechanickyacute komutaacutetor Ciacutevky jsou navinuty na jaacutedra ze kteryacutech vystupuje magnetickyacute tok
v opačneacutem směru oproti toku permanentniacutech magnetů v rotoru Rotor se pohybuje jelikož je
odpuzovaacuten těmito silovyacutemi uacutečinky
Obr 68 Pulzně buzeneacute ciacutevky
31
3 Zpětnovazebniacute poacutely jsou navinuty na magnetickyacutech jaacutedrech a jsou napaacutejeny elektrickou
energiiacute kteraacute se zpětně indukuje do elektrickeacuteho obvodu řiacutediacuteciacutech ciacutevek v důsledku prudkeacuteho
přerušeniacute dodaacutevky proudu Magnetickeacute pole v prostoru vzduchoveacute mezery a rozptylovyacutech
drahaacutech se snažiacute zaacuteniku proudu zabraacutenit čiacutemž vznikaacute prudkyacute energetickyacute skok
Obr 69 Zpětnovazebniacute ciacutevky
4 Generaacutetorickeacute poacutely generujiacute proud do připojeneacute zaacutetěže
Obr 610 Zpětnovazebniacute ciacutevky
5 Permanentniacute poacutely statoru jsou tvořeny feritovyacutemi magnety rozmiacutestěny po obvodu rotoru podle
konfigurace na Obr611a majiacute za uacutečel zvyacutešit mechanickyacute moment rotoru
32
Obr 611 Rozmiacutestěniacute permanentniacutech magnetů po obvodu statoru
Na Obr 612 je princip spiacutenaacuteniacute proudu do ciacutevek statoru řešenyacute prostřednictviacutem mechanickeacuteho
komutaacutetoru ve tvaru čtyřciacutepeacute hvězdy Při otaacutečeniacute dochaacuteziacute v jistyacutech polohaacutech ke spojeniacute kontaktů
dosedajiacuteciacutech na komutaacutetor a proud tekouciacute ciacutevkami v nich vybudiacute magnetickyacute indukčniacute tok kteryacute
svyacutemi uacutečinky odpuzuje permanentniacute magnety v rotoru Na obraacutezku je naznačen princip motoru a
způsob měřeniacute otepleniacute jaacutedra při daneacute mechanickeacute zaacutetěži Do jaacutedra je vyvrtaacuten otvor do nějž je
zasunuta teplotniacute sonda Otepleniacute jaacutedra by nemělo překročit 40 degC
Obr 612 Zaacutekladniacute konstrukce Adamsova motoru sloužiacuteciacute pro demonstraci nastaveniacute vhodneacute velikosti
proudu tekouciacuteho do vinutiacute ciacutevek při požadovaneacute mechanickeacute zaacutetěži
33
Obr 613 Vyacutekres Adamsova motor generaacutetoru s osmi permanentniacutemi magnety v rotoru
stejnosměrnyacutemi pulzniacutemi ciacutevkami a generaacutetorovyacutemi ciacutevkami navinutyacutemi na odlišnyacutech magnetickyacutech
jaacutedrech
Robert Adams ve sveacute publikaci uvaacutediacute na Obr 614 zaznamenaacuteny průběhy hodnot napětiacute na bateriiacutech
postupně připojovanyacutech na elektrickyacute vyacutestup stroje Přičemž hodnota napětiacute na vstupniacute napaacutejeciacute baterii
se měniacute jen nepatrně Na zaacutekladě těchto dat uvedenyacutech v Tab 61 Adams stanovuje uacutečinnost motor
generaacutetoru
Obr 614 Baterie na vyacutestupu jsou postupně dobiacutejeny přičemž velikost napětiacute na vstupniacute baterii se
snižuje jen nepatrně
34
Naacutesledujiacuteciacute tabulka shrnuje vyacutesledky naměřeneacute v grafu na Obr 614
Tab 61 Souhrn vyacutesledků naměřenyacutech hodnot napětiacute na vyacutestupniacutech bateriiacutech
Dokonalejšiacute konstrukce Adamsova motor generaacutetoru
Konstrukce zde popisovanaacute je realizovaacutena jako model pro měřeniacute uacutečinnosti tohoto motoru avšak
s několika podstatnyacutemi konstrukčniacutemi rozdiacutely o nichž se zmiňuji při popisu realizovaneacuteho stroje
Rotor na Obr 615 maacute 7 vyniklyacutech poacutelů rotoru a 8 statorovyacutech jader Je možneacute použiacutet i 6 jader ve
statoru při použitiacute stejneacuteho rotoru Tiacutem však dojde ke sniacuteženiacute uacutečinnost stroje Počet rotorovyacutech a
statorovyacutech poacutelů by neměl byacutet v celočiacuteselneacutem poměru
Obr 615 Konfigurace se 6 poacutely statoru a 7 poacutely rotoru Magnetizačniacute vinutiacute protějšiacutech poacutelů
statoru jsou spojena do seacuterie
Popis principu činnosti během otaacutečeniacute rotou
Na Obr 616 (a) je poacutel rotoru R1 přesně mezi statorovyacutemi poacuteli S1 a S2 a představme si že směřuje k S2
a je jiacutem přitahovaacuten až do chviacutele kdy je v pozici na obr (c) Nyniacute je zarovnaacuten s jaacutedrem statoru jehož
vinutiacutem začne proteacutekat proud kteryacute maacute takovou polaritu aby došlo k odpuzovaacuteniacute rotoroveacuteho poacutelu ze
zarovnaneacute pozice Tiacutem paacutedem je vlivem siloveacute interakce magnetickyacutech polyacute rotoru urychlovaacutem a
proud teče do statoroveacuteho vinutiacute až do chviacutele kdy je vpozici na obr (e) Nyniacute je protějšiacute statororoveacute
jaacutedro zarovnaacuteno s rotorovyacutem poacutelem
Baterie č
(vyacutestup)
Počaacutetečniacute
napětiacute
baterie
[V]
Doba běhu
stroje [h]
Konečneacute
napětiacute baterie
[V]
Naacuterůst
napětiacute
baterie oproti
počaacutetečniacute
hodnotě 102 V
[V]
Uacutečinnost []
1 102 33 1142 122 610
2 1172 15 1184 162 810
3 114 66 1201 181 905
35
Podiacutevejme se co se během toho děje na protějšiacute straně rotoru
Rotorovyacute poacutel R4 na obr (a) je praacutevě zarovnaacutem se statorovyacutem jaacutedrem S5 Tudiacutež je do vinutiacute tohoto
jaacutedra S5 přiveden proud jehož uacutečinky jsou i vtomto přiacutepadě vyvolajiacute odpuzovaacuteniacute poacutelu R4 Proud
vinutiacutem jaacutesdra S5 proteacutekaacute do chviacutele na obr(c) kdy dojde k demagnetizaci statoroveacuteho jaacutedra S2
Obr 617 Vzaacutejemeacute polohy rotoru vůči statorovyacutem poacutelům pro popis principu
Rotor je roztaacutečen těmito silovyacutemi přiacutespěvky
a) Rotorovyacute poacutel je přitahovaacuten ke statorovyacutem magnetickyacutem jaacutedrům vlivem projevu magnetickyacutech
sil permanentniacutech magnetů prostupujiacuteciacutech vzduchovou mezeru a uzaviacuterajiacuteciacutech se přes jaacutedra
statoru
b) Rotor je po zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru se statorovyacutem daacutele roztaacutečen vlivem odpudivyacutech
sil mezi poacutely rotoru a řiacutediacuteciacutemi poacutely statoru Vinutiacute řiacutediacuteciacutech poacutelů je napaacutejeno elektrickyacutemi
impulzy v zaacutevislosti na poloze rotoru vůči statoru Intenzita magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute
mezeře je nejvyššiacute při zarovnaacuteniacute poacutelů statoru a rotoru
Na Obr je pohled do vnitřniacute struktury magnetickeacuteho obvodu popisovaneacuteho stroje
12 podeacutelneacute magnetickeacute poacutely statoru s vysokou permeabilitou
13 rotoroveacute sekce s vyniklyacutemi poacutely
14 hřiacutedel
15 permanentniacute magnety uloženeacute ve středoveacutem pouzdru
16 otvor pro permanentniacute magnety
17 Disk sloužiacuteciacute jako pouzdro magnetů
Obr 618 Pohled na do struktury rotoru
36
Dalšiacutemi motory ktereacute uacutedajně pracujiacute s vysokou jsou Bediniho motor Takahasiho motor a Kawaiův
motor
63 Systeacutem pro přeměnu energie elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute na
elektrickou energii
Americkyacute patent č 5590031 podanyacute 24 července 1994 Franklinem B Meadem a Jackem
Nachamkinem popisuje zařiacutezeniacute přeměňujiacuteciacute vysokofrekvenčniacute elektromagnetickou energii
vakuovyacutech fluktuaciacute vznikajiacuteciacutech jako projev virtuaacutelniacutech čaacutestic teacutež označovanou pojmem bdquozero point
energyldquo na užitečnou elektrickou energii Pojem zero point energy neboli energie nuloveacuteho bodu byl
zaveden vzhledem k faktu že i při teplotě absolutniacute nule (0 K = -27315 degC) vakuum obsahuje energii
fluktuaciacute elektromagnetickyacute poliacute jako důsledek projevů vznikajiacuteciacutech a zanikajiacuteciacutech virtuaacutelniacutech čaacutestic
Na Obr 619 je znaacutezorněn princip zařiacutezeniacute Čiacuteslo 216 symbolizuje vysokofrekvenčniacute
elektromagnetickeacute zaacuteřeniacute Pomociacute litografickeacute technologie jsou vytvořeny dielektrickeacute struktury
(212) a (214) tvaru koule polokoule či disku Tyto struktury jsou velice maleacute a jejich velikost musiacute
byacutet v přiacutemeacutem poměru k vlnoveacute deacutelce elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute Struktury jsou připevněny na
zaacutekladoveacutem substraacutetu (236) a rozloženy do pole (238) Tyto struktury se vlivem působeniacute
elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute pohybujiacute s mnohem menšiacute frekvenciacute než jakou maacute elektromagnetickeacute
zaacuteřeniacute ktereacute jejich pohyb vyvolalo Naacutesledkem pohybu se v anteacuteně (222) indukuje elektrickaacute energie o
využitelneacute frekvenci Jednotliveacute anteacuteny mohou miacutet tvar smyčky nebo mohou byacutet dipoacuteloveacute
Indukovanyacute proud je naacutesledně veden vodiči (226) nebo vlnovodem do primaacuterniacuteho obvodu (228)
transformaacutetoru (232) Kondenzaacutetor (230) sloužiacute pro vyladěniacute rezonančniacuteho obvodu V sekundaacuterniacutem
obvodu je střiacutedavyacute proud usměrněn diodou (234)[17]
Obr 619 Scheacutema zařiacutezeniacute pro přeměnu vysokofrekvenčniacute elektromagnetickeacute energie na využitelnou
formu elektrickeacute energie [14]
37
7 Feromagnetickeacute materiaacutely
Tvar hysterezniacute smyčky magnetickeacuteho materiaacutelu zaacutevisiacute na chemickeacutem složeniacute feromagnetika a na jeho
tepelneacutem zpracovaacuteniacute Z analogie s mechanickou tvrdostiacute rozlišujeme magneticky měkkaacute
feromagnetika kteraacute dobře vedou magnetickyacute tok a tvrdaacute feromagnetika z nichž se vyraacutebiacute
permanentniacute magnety Na Obr71 je naacutezorneacute rozděleniacute magneticky měkkyacutech polotvrdyacutech a tvrdyacutech
materiaacutelů
Obr 71 Rozděleniacute magnetickyacutech materiaacutelů na měkkeacute polotvrdeacute a tvrdeacute
71 Magneticky měkkaacute feromagnetika
Pro vedeneacute magnetickeacuteho toku v magnetickeacutem obvodu motoru je využito měkkyacutech feromagnetik jež
se vyznačujiacute strmou magnetizačniacute křivkou a uacutezkou hysterezniacute smyčkou Majiacute vysokou počaacutetečniacute
a maximaacutelniacute permeabilitu a malou koercivitu Hclt103
Am Často lze hysterezi zanedbat a je možneacute
uvažovat pouze s magnetizačniacute křivkou1
Na trhu s magnetickyacutemi materiaacutely figuruje řada vyacuterobců a distributorů Naacutesledujiacuteciacute z nich jsem
oslovil s prosbou o poskytnutiacute vzorků magnetickyacutech jader pro měřeniacute magnetickyacutech vlastnostiacute
1 aplik
38
711 Vyacuterobci měkkyacutech feromagnetickyacutech materiaacutelů
a) Firma Therma FM
Firma Therma FM vyraacutebiacute magnetickeacute obvody z anizotropniacutech plechů a nabiacuteziacute i izotropniacute
dynamoplechy Materiaacutely pro vyacuterobu jader firma odebiacuteraacute od společnosti ThyssenKrupp
Jaacutedra pro jednofaacutezoveacute transformaacutetory jsem použil jako statoroveacute jaacutedra realizovaneacuteho motoru
Při vyacuterobě naviacutejeno na obdeacutelniacutekoveacute kopyto o rozměrech odpoviacutedajiacuteciacutech požadovaneacute velikosti okna pro
primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Jaacutedro je po navinutiacute z transformaacutetoroveacuteho plechu rozřiacuteznuto na dvě
poloviny jedna z nich je na Obr Xx Po rozřiacuteznutiacute jaacutedra je možneacute nasunout vinutiacute
Obr 72 Fotografie jedneacute poloviny jaacutedra pro jednofaacutezoveacute transformaacutetory
Magnetickeacute vlastnosti jaacutedra vyrobeneacuteho z materiaacutelu M150-30S jsou uvedeny v Tab71
Tab 71 Magnetickeacute vlastnosti jaacutedra stanoveneacute normou EN 10107
Norma Tloušťka
Max ztraacuteta v
jaacutedře při 15 T
[Wkg]
Maximaacutelniacute ztraacuteta
v jaacutedře při 17 T
[Wkg]
Min
J800
Nejmenšiacute
činitel
plněniacute
Typ
EN 10107 mm 50 Hz 50 Hz 60 Hz T PowerCore
M 150-30 S 030 097 150 197 175 0955 C 150-30
Magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelů jakosti M150-30S a M600-50 na Obrxx jsou zrekonstruovaneacute
podle z katalogovyacutech křivek vyacuterobce Thyssen Krupp
39
Obr 73 B-H charakteristiky jader z orientovanyacutech (M150-30S) trafoplechů a
neorientovanyacutechdynamoplechů M600-50
0
05
1
15
2
25
0 250 500 750 1 000 1 250 1 500 1 750 2 000
B [T]
H [Am]
Magnetizačniacute charakteristiky
M150-30S
M600-50
40
b) Firma Vacuumschmelze (VAC)
Tento německyacute vyacuterobce poskytnul dva vzorky toroidniacutech jader s nanokrystalickou strukturou Materiaacutel
je prodaacutevaacuten pod obchodniacutem naacutezvem Vitroperm 500F a vynikaacute velice uacutezkou hysterezniacute smyčkou
vysokou hodnotou magnetickeacute indukce při maleacute koercivitě Zaacutekladniacute složkou Vitropermu je Fe
s přiacuteměsemi Si B Nb a Cu
Tab 72 Magnetickeacute vlastnosti Vitropermu 500F uvedeneacute v katalogu vyacuterobce
Saturačniacute
indukce
Statickaacute
koercivita
Přibližnaacute
rezistivita
Curieho
teplota Permebilita
Měrneacute ztraacutety
(100kHz 03T)
Bs [T] Hc [Am] φ [μΩcm] tc[degC] μi PFe [Wkg]
12 lt3 115 gt600 15000hellip150000 80
Na Obr Xx jsou vyacuterobcem uvedeneacute magnetizačniacute charakteristiky Vitropermu 500F a 250F
v porovnaacuteniacute s typickou charakteristikou feritu
Obr 74 Jaacutedra z Vitropermu 500F dosahujiacute oproti běžneacutemu feritu mnohem vyššiacute magnetickeacute indukce
Je zřejmeacute že cena Vitropermovyacutech jader je oproti feritovyacutem mnohem většiacute a to diacuteky naacuteročneacutemu
vyacuterobniacutemu procesu
Společnost VAC ve sveacutem sortimentu nabiacuteziacute jaacutedra s amorfniacute strukturou s obchodniacutem naacutezvem Vitrovac
Vyraacutebiacute se metodou rychleacuteho tuhnutiacute kdy se na studenyacute buben otaacutečejiacuteciacute se rychlostiacute 100kmh vleacutevaacute
skrze keramickou trysku směs materiaacutelů roztavenaacute na teplotu okolo 1300degC a prudce se ochlazuje
(1000000 Ks) na meacuteně než 400degC v 1ms Tiacutem vznikaacute paacuteska tloušťky 20 μm s amorfniacute strukturou
Na Obr 77 je pro představu vyobrazenaacute krystalickaacute amorfniacute a nanokrystalickaacute struktura materiaacutelu
41
Obr 75 Detail na krystalickou strukturu (vlevo) amorfniacute a nanokrystalickou strukturu (vpravo)
Mezi dalšiacute materiaacutely ktereacute VAC nabiacuteziacute patřiacute materiaacutely pro elektrickeacute stroje a zařiacutezeniacute kde je
požadovaacutena vysokaacute hodnota indukce Tyto materiaacutely jsou znaacutemi pod obchodniacutemi naacutezvy Ultraperm
Vacoperm Mumetall Permax Permenorm Megaperm Trafoperm Vacoflux Vacofer a Vacodur
Pro srovnaacuteniacute jsou na Obrxx magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelů Vacoflux 50 Vacoflux 17 a Fe a
Fe 3 přiacuteměsiacute Si
Obr 76 Statickeacute magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelu Vacoflux 50 a Vcoflux 17 dosahuiacute vyšiacute
hodnoty magnetickeacute indukce nasyceniacute než běžnaacute křemiacutekovaacute ocel s obsahem 3 křemiacuteku a Fe 999
42
c) Firma Magnetics
Společnost Magnetics vyraacutebiacute jaacutedra lisovaacuteniacutem prachovyacutech přiacuteměsiacute se zaacutekladniacute složkou Na trhu jsou
znaacutemy pod označeniacutem High Flux MPP (Magnetics Molypermalloy Powder) Kool Mμ a Xflux
1 Jaacutedra High Flux jsou složena ze 79 Ni 17 Fe a 4 Mo Majiacute nejnižšiacute měrneacute ztraacutety ze
všech prchovyacutech jader
2 Jaacutedra MMP obsahujiacute 81 NI 17 Fe a 2 Mo Majiacute vynikajiacuteciacute vlastnosti jakyacutemi jsou
vysokaacute rezistivita niacutezkeacute hysterezniacute ztraacutety a ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy Z všch jader majiacute největšiacute
permeabilitu tiacutem paacutedem i vyššiacute hodnotu saturace
3 Jaacutedra Kool Mμ jsou vyrobena lisovaacuteniacutem prachu železnyacutech slitin a vykazujiacute nejmenšiacute
magnetostrikci
4 Jaacutedra XFlux obsahujiacute prach Fe s přiacuteměsiacute 65 Si Jsou vhodnaacute pro niacutezkofrekvenčniacute a
středofrekvenčniacute tlumivky
Tab 73 Magnetickeacute vlastnosti jader společnosti Magnetics katalogu vyacuterobce
Materiaacutel High Flux MMP Kool Mμ XFlux
Permeabilita 14-160 14-555 26-125 60
(Bs) [T] 15 075 105 16
Jaacutedra žeelezoprachovaacute byacutevajiacute teacutež označovanaacute jako železovaacute jaacutedra a jsou vyraacuteběna lisovaacuteniacutem
izolovaneacuteho praacutešku z magneticky měkkeacuteho materiaacutelu s niacutezkou koercitivniacute silou a vysokou
permeabilitou V současneacute době z tohoto materiaacutelu vyraacutebějiacute jaacutedra kromě firmy Magnetics jen někteřiacute
vyacuterobci a to předevšiacutem vaacutelcovaacute ladiacuteciacute jaacutedra pro laděniacute feritovyacutech hrniacutečkovyacutech jader a kruhovaacute jaacutedra
pro odrušovaciacute ciacutevky a filtračniacute tlumivky měničů napětiacute Zvyšovaacuteniacute objemu izolačniacute laacutetky vede ke
snižovaacuteniacute permeability jader a změně teplotniacute zaacutevislosti samotneacuteho magnetickeacuteho materiaacutelu jaacutedra a
roztažnostiacute jeho jednotlivyacutech složek Volbou směsi magnetickyacutech prachů je možneacute předem definovat
teplotniacute činitel permeability kteryacute může nabyacutevat klasnyacutech zaacutepornyacutech popř i nulovyacutech hodnot
Průmyslově se vyraacutebějiacute jaacutedra z jemnyacutech magnetickyacutech prachů s odstupňovanou permeabilitou
v rozsahu = 7 až 550 Jaacutedra toroidniacute s permeabilitou 7 až 150 se použiacutevajiacute v laděnyacutech obvodech
filtrů pro odrušovaciacute tlumivky jaacutedra s permeabilitou 90 až 550 v napaacutejeciacutech spiacutenaciacutech zdrojiacutech
Vysokeacute permeability je dosaženo materiaacutelovyacutem složeniacute magnetickyacutech prachů a změnou velikosti zrn
Čiacutem většiacute jsou prachovaacute zrna tiacutem vyššiacute je permeabilita diacuteky zvyacutešeniacute poměru magnetickeacuteho materiaacutelu
vůči izolačniacute laacutetce
43
72 Magneticky tvrdaacute feromagnetika
Magneticky tvrdeacute feromagnetickeacute materiaacutely majiacute magnetizačniacute křivku s malou strmostiacute a širokou
hysterezniacute smyčku Vykazujiacute poměrně malou permeabilitu a velkou koercivitu Hclt25middot103
Am
Použiacutevajiacute se pro permanentniacute magnety Vyacutevoj v oblasti těchto materiaacutelů nechal vzniknout celeacute řadě
magnetů odlišujiacuteciacutemi se magnetickyacutemi vlastnostmi konduktivitou mechanickyacutemi vlastnostmi a
ekonomickyacutemi parametry Tvrdaacute feromagnetika lze rozdělit naacutesledovně
a) Uhliacutekoveacute oceli ndash s obsahem 15 uhliacuteku Daacutele byly zdokonaleny legovaacuteniacutem wolframem
chromem a kobaltem a zakaleniacutem na martenzitickou strukturu Naacutesledně byly vyrobeny
mnohem vyacutehodnějšiacute slitiny železa niklu a hliniacuteku (Al-Ni) přiacutepadně kobaltu (Al-Ni-Co)
mědi či titanu Nevyacutehodou slitin Al-Ni a Al-Ni-Co je značnaacute mechanickaacute tvrdost křehkost a
tiacutem paacutedem i obtiacutežnaacute opracovatelnost
b) Tvrdeacute ferity ndash např barioveacute (BaFe12O19) nebo stroncioveacute (SrFe12O19) ferity s obsahem
přibližně 80 železa a asi 20 oxidu baria BaO nebo stroncia SrO Mohou byacutet izotropniacute a
anizotropniacute Niacutezkaacute cena a spolehlivost předurčuje tyto materiaacutely pro užitiacute v automatizačniacute
řiacutediacuteciacute a měřiciacute technice
c) Magnety ze vzaacutecnyacutech zemin ndash složeniacute na baacutezi samarium-kobalt (SmCo5 a Sm2Co17) nebo na
baacutezi neodym-železo-boacuter (Nd2Fe14B) Vyraacutebiacute se procesy praacuteškoveacute metalurgie lisovaacuteniacutem
v magnetickeacutem poli s naacuteslednyacutem speacutekaacuteniacutem Patřiacute k nejvyacutekonnějšiacutem permanentniacutem
magnetům Použiacutevajiacute se v silnoproudeacute počiacutetačoveacute a řiacutediacuteciacute technice a u elektroakustickyacutech
zařiacutezeniacute
d) Plastoveacute magnety ndash jsou vyraacuteběny ve formě plastoveacute nemagnetickeacute matrice v niacutež je plnidlem
jemnyacute praacutešek z vhodnyacutech slitin (alni alnico tvrdeacute ferity či materiaacutely na baacutezi vzaacutecnyacutech zemin)
Mohou byacutet izotropniacute nebo anizotropniacute Vyraacutebiacute se lisovaacuteniacutem nebo slinovaacuteniacutem při vysokeacute
teplotě do libovolneacuteho tvaru Použiacutevajiacute se v slaboproudeacute technice
Obr 77 Srovnaacuteniacute demagnetizačniacutech charakteristik permanentniacutech magnetů
44
73 Měřeniacute hysterezniacutech charakteristik vzorků magnetickyacutech jader
Pro měřeniacute hysterezniacutech charakteristik byl použit systeacutem Remacomp-C2
Přiacuteprava vzorků magnetickyacutech jader pro měřeniacute na systeacutemu Remacom-C2
Na jaacutedra bylo před měřeniacutem navinuto primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Mezi primaacuterniacutem a sekundaacuterniacutem
vinutiacute byl proveden izolačniacute proklad lepiciacute paacuteskou Průměr vodiče a počet zaacutevitů v primaacuterniacutem (N1) a
sekundaacuterniacutem (N2) vinutiacute je uveden v Tab Na Obr jsou již vzorky připraveny pro měřeniacute
Tab 74 Bližšiacute specifikace rozměrů počet zaacutevitů vinutiacute a průměr vodičů
Vyacuterobce Therma FM Vacuumschmelze Magnetics
Jaacutedro C150-30S Vitroperm 500F KoolMμ
Tvar Obdeacutelniacutekoveacute Toroid Toroid
Vnějšiacute průměr [mm] 64x36 323 274
Vnitřniacute průměr mm] 55x16 178 145
Vyacuteška mm] 13 122 117
N2 [z] 47 53 41
N2 [z] 47 53 41
Průměr vodiče [mm] 075 05 05
Měřeniacute je provedeno při frekvenciacutech 50Hz a 300Hz a maximaacutelniacute intenzitě 250 Am u jader
M150-30S a Vitropermu 500F Materiaacutel KoolMμ byl měřen při maximaacutelniacute intenzitě 5950 Am
z důvodů zachyceniacute maximaacutelniacute hodnoty indukce tohoto jaacutedra Na Obr71 až 715 jsou pro
srovnaacuteniacute hysterezniacute uvedeny charakteristiky měřenyacutech materiaacutelů
Obr 78 Vzorky jader připraveneacute na měřeniacute hysterezniacutech charakteristik Vlevo M150-30S uprostřed
Vitroperm 500F a vpravo KoolMμ
45
Obr 79 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
Obr 710 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=250 Am Bmax=157 T
Obr 711 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=250 Am Bmax=153 T
Při frekvenci 300Hz došlo k nepatrneacutemu sniacuteženiacute hodnoty Bmax oproti 50 Hz Intenzita Hc se
ztrojnaacutesobila
Remacomp-C2 nebyl schopen naměřit hysterezniacute smyčku Vitropermu 500F na Obr zcela bezchybně
46
Obr 712 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z Vitropermu 500F měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=279 Am při 50Hz vykazuje odskoky od skutečneacuteho průběhu
Obr 713 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z Vitropermu 500F měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě
intenzity magnetickeacuteho pole Hmax=279 Am při 300 Hz takeacute vykazuje odskoky od skutečneacuteho průběhu
Při změně frekvence z 50 Hz na 300Hz došlo k naacuterůstu koercitivity o pohyacutech 07 Am Materiaacutel
vykazuje velice malou hodnotu remanentniacute indukce pro obě frekvence
47
Obr 714 Hysterezniacute smyčka jaacutedra Kool Mμ změřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity magnetickeacuteho
pole Hmax=5950 Am při 50 Hz
Obr 715 Hysterezniacute smyčka jaacutedra Kool Mμ změřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity magnetickeacuteho
pole Hmax=5950 Am při 300 Hz
48
731 Vyhodnoceniacute naměřenyacutech vyacutesledků
Nejvyššiacute hodnoty indukce dosahujiacute jaacutedra z plechů M150-30S Koercitivniacute intenzita se u jaacutedra z plechů
M150-30S stejně jako u matriaacutelu KoolMμ při změně frekvence z 50 Hz na 300 Hz ztrojnaacutesobila
Niacutezkaacute cena jader KoolMμ je z hlediska naměřenyacutech veličin odpoviacutedajiacuteciacute Jaacutedra Kool Mμ vykazujiacute
amplitudovou permeabilitu μa pouze 77 Vyacuterobce uvaacutediacute hodnotu μa=125
Nejnižšiacute koercitivniacute intenzita byla naměřena u materiaacutelu Vitroperm 500F Měřeniacute magnetickeacuteho jaacutedra
Vitropermu 500F při 50 Hz prokaacutezalo velice niacutezkou koercitivniacute intenzitu Hc= 1Am kteraacute odpoviacutedaacute
uacutedajům z katalogoveacuteho listu Tento špičkovyacute materiaacutel se použiacutevaacute pro sveacute charakteristickeacute vlastnosti
pro jednofaacutezoveacute a trojfaacutezoveacute magnetickeacute obvody ve spiacutenanyacutech napaacutejeciacutech zdrojiacutech frekvenčniacutech
měničiacutech ale i pro běžneacute tlumivky Struktura tohoto materiaacutelu je velice křehkaacute neboť je navinuta
z 20 μm tenkyacutech vrstev Diacuteky tomu neniacute vhodneacute tato jaacutedra dělit řezaacuteniacutem
49
8 Realizovanyacute Adamsův motor
81 Virtuaacutelniacute model Adamsova motor generaacutetoru a jeho praktickaacute
realizace
Model motoru je vytvořen v programu SolidWorks SolidWorks je mocnyacutem naacutestrojem konstrukteacutera a
nabiacuteziacute snadnou optimalizaci modelu
Po vytvořeniacute jednotlivyacutech diacutelů je možneacute tyto diacutely pomociacute vazeb navzaacutejem svaacutezat a tiacutem daacutet okamžitou
představu o chovaacuteniacute modelu
Při naacutevrhu Adamsova motoru jsem vychaacutezel předevšiacutem z rozměrů magnetickyacutech jader statoroveacute čaacutesti
stroje
811 Stator
a) Jako nosnaacute konstrukce pro jaacutedra statoru uloženiacute ložisek uchyceniacute desky plošnyacutech spojů
optickyacutech senzorů sloužiacute dvě tabule z plexiskla tloušťky 8 mm ktereacute tvořiacute nosnou konstrukci
neboť jsou po obvodu vzaacutejemně spojeny šesti zaacutevitovyacutemi tyčemi o průměru 5 mm Na Obr je
zadniacute nosnaacute tabule plexiskla
Obr 81 Zadniacute nosnaacute deska z plexiskla
Otvor průměru 26 mm nachaacutezejiacuteciacute se uprostřed sloužiacute pro uloženiacute kuličkoveacuteho ložiska Skrze
otvory průměru 51 mm po jeho obvodu prochaacuteziacute šrouby pro přichyceniacute krytů ložiska
Naacutesledujiacute otvory určeneacute pro upevněniacute optickyacutech čidel dřevěneacuteho krytu pro zakrytiacute vodičů
připojenyacutech k vinutiacutem a optickyacutem senzorům Skrze podlouhleacute draacutežky jsou šrouby přitaženy
dřevěneacute držaacuteky statorovyacutech jader Vzhledem ke tvaru draacutežky je zajištěna možnost jejich
50
polohovaacuteniacute vzhledem k rotoru Volnyacute prostor na praveacute straně je určen pro upevněniacute desky
plošnyacutech spojů s elektronickyacutemi součaacutestkami
b) Nosneacute držaacuteky pro jaacutedra statoru jsou použity dřevěneacute špaliacuteky do kteryacutech jsou jaacutedra vlepena
epoxidovou pryskyřiciacute
c) Optočleny TCST 2103 jsou přitaženy k jejich dutyacutem dřevěnyacutem držaacutekům imbusovyacutemi šrouby
průměru 3 mm Skrze dřevěneacute držaacuteky jsou kolmo na směr vyacutevodů optočlenu vyvrtaacuteny otvory
pro zaacutevitoveacute tyče jež spolu s našroubenyacutemi matkami přitahujiacute držaacutek s čidlem jedneacute k zadniacute
desce plexiskla statoroveacute čaacutesti stroje Jistaacute uacuteroveň dotaženiacute matce dovoluje držaacutek s čidlem
nataacutečet a měnit tak okamžik sepnutiacute optočlenu
Obr 82 Optočlen TCST 2103 připevněnyacute k dřevěneacutemu držaacuteku
d) Stejnou vzdaacutelenost mezi dvěma plexiskly statoru zajišťujiacute distančniacute trubice skrze ktereacute
prochaacuteziacute zmiacuteněneacute zaacutevitoveacute tyče spojujiacuteciacute obě zaacutekladoveacute tabule plexiskla Tyto trubice jsou
vyrobeny z kostry stojanu pro sušeniacute praacutedla Z estetickyacutech důvodů je na nich navlečena a
zatavena teplem smršťovaciacute bužiacuterka
Postup vytvořeniacute ciacutevky v SolidWorksu
1 V předniacute rovině skici na Obr je pomociacute os X a Y vytvořen souřadnicovyacute systeacutem potřebnyacute pro
tvorbu zaacutekladniacutech vazeb využityacutech při ryacutesovaacuteniacute
2 Čelniacute pohled na jeden poacutel magnetickeacuteho jaacutedra ve statoru na ktereacute maacute byacutet umiacutestěna jedna
budiacuteciacutech ciacutevek je vytvořen z konstrukčniacutech přiacutemek a okoacutetovaacuten rozměry 13 mm x 11 mm
3 Vnitřniacute rozměry ciacutevky jsou z čelniacuteho pohledu oproti jaacutedru na každeacute straně zvětšeny o 05 mm
tedy o tloušťku foacutelie jež tvořiacute kostřičku ciacutevky a malou vzduchovou mezeru umožňujiacuteciacute volneacute
nasunutiacute ciacutevky na magnetickeacute jaacutedro
4 Poloměr zaobleniacute vnitřniacute čaacutesti kostry ciacutevky je 08 mm
51
Obr 81 Skica naacutevrhu diacutelu
5 Vnějšiacute rozměry ciacutevky jsou daacuteny počtem vrstev zaacutevitů a celkovyacutem činitelem plněniacute ciacutevky
Deset vrstev zaacutevitů vodičem 03 mm spolu s izolačniacute a nosnou kostrou ciacutevky vytvořiacute 4 mm
vysokou vrstvu zaacutevitů v roziacutech zaoblenou se stejně velkyacutem poloměrem 4mm Vnějšiacute a vnitřniacute
zaobleniacute rohů je od rovnyacutech segmentů skici odděleno uacutesečkami čiacutemž je skica dokončena
6 Využitiacutem funkce přidaacuteniacute vytaženiacutem a jejiacute aplikaciacute na jednotliveacute segmenty skici je ciacutevka
symetricky vytažena do prostoru na deacutelku 19 mm Zamiacutetnutiacutem funkce sloučit vyacutesledky při
vytaženiacute jsou všechny segmenty ciacutevky vytvořeny jako samostatneacute objekty čiacutemž odpadaacute
děleniacute modelu v Ansysu
Obr 82 Model ciacutevky
Magnetickaacute jaacutedra použitaacute ve statoru jsou původně určena pro jednofaacutezoveacute jaacutedroveacute transformaacutetory
Jaacutedro transformaacutetoru je při vyacuterobě naviacutejeno na obdeacutelniacutekoveacute kopyto o rozměrech odpoviacutedajiacuteciacutech
požadovaneacute velikosti okna pro primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Jaacutedro je po navinutiacute
z transformaacutetoroveacuteho plechu rozřiacuteznuto na dvě poloviny jak je zřejmeacute z Obr xx čiacutemž je možneacute do
magnetickeacuteho obvodu nasunout primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute
V našem přiacutepadě je pro každeacute magnetickeacute jaacutedro statoru použita pouze jedna polovina zmiacuteněneacuteho
transformaacutetoroveacuteho jaacutedra Okno statoroveacuteho jaacutedra určeneacute pro umiacutestěniacute obou vinutiacute statoru maacute pouze
polovičniacute deacutelku oproti transformaacutetoru a na straně řezu je otevřeno
52
Obr 83 Pohled na uloženiacute vinutiacute
Obě budiacuteciacute ciacutevky jsou nasunuteacute na jednom jaacutedru statoru a jsou totožneacute tj majiacute stejnyacute počet zaacutevitů
vinutyacutech vodičem o stejneacutem průřezu Jsou spojena do seacuterie a spolu s magnetickyacutem jaacutedrem tvořiacute jeden
z osmi statorovyacutech magnetickyacutech obvodů
Na Obr Xx je bližšiacute pohled na rozloženiacute vodičů v průřezu ciacutevkou Každaacute vrstva zaacutevitů ciacutevky obsahuje
63 zaacutevitů v deseti vrstvaacutech
Obr 84 Rozloženiacute zaacutevitů
Počet zaacutevitů v jedneacute ciacutevce je daacuten naacutesobkem počtu zaacutevitů v jedneacute vrstvě a množstviacute vrstev tedy
63x10= 630 zaacutevitů Jelikož jsou obě ciacutevky na magnetickeacutem jaacutedru spojeny do seacuterie celkovyacute počet
zaacutevitů je dvojnaacutesobnyacute tedy 1260 zaacutevitů Protože statorovaacute jaacutedra odděluje od rotoru vzduchovaacute mezera
05 mm jsou obě vinutiacute od konce jaacutedra umiacutestěny ve vzdaacutelenosti 2 mm pro zajištěniacute bezpečneacute
vzdaacutelenosti od otaacutečejiacuteciacuteho se rotoru Naacutesledkem toho se do jedneacute vrstvy ciacutevky vleze menšiacute počet
zaacutevitů bliacuteže zpraženyacutech s magnetickyacutem tokem v jaacutedru
Počet vrstev obou vinutiacute je teacutež omezen a to jednak velikostiacute okna a mezerou 5 mm mezi oběma
vinutiacutemi Tato mezera zajišťuje možnost volneacuteho nasunutiacute vinutiacute na magnetickeacute jaacutedro a umožňuje
lepšiacute odvod tepla do okoliacute
53
Pro dosaženiacute konstantniacute vzduchoveacute mezery mezi vyniklyacutemi poacutely rotoru a jaacutedry ve statoru jsou konce
statorovyacutech jader zbroušeny na poloměr bliacutezkyacute poloměru plechů v rotoru
Kostřička ciacutevky
Pro vyacuterobu kostřiček ciacutevek posloužila plastovaacute folie určenaacute pro krytiacute předniacute strany dokumentu
svaacutezaneacuteho v kroužkoveacute vazbě Po vyřezaacuteniacute a ohnutiacute do požadovaneacuteho tvaru byla a slepena
oboustrannou lepiciacute paacuteskou
Obr 83 Kostřička ciacutevky vyrobenaacute z plastoveacute folie
Naviacutejeniacute ciacutevek
Pro naviacutejeniacute ciacutevek se realizovalo ručniacute naviacuteječkou s mechanickyacutem počiacutetadlem Na Obr84 je vidět že
obě ciacutevky jsou navinuty nepřerušenyacutem vodičem Obě ciacutevky majiacute 630 zaacutevitů
Obr 84 Pro zpevněniacute čel ciacutevek během naviacutejeniacute na plastovou kostřičku posloužily 5mm širokeacute destičky
z pertinaxu Draacutežky v nich vybroušeneacute umožnily zachyceniacute vyacutestupniacuteho vodiče ciacutevky pod navlečenou
gumičku Levaacute destička pertinaxu je odniacutematelnaacute po uvolněniacute dotaženeacuteho šroubu
Hotovaacute ciacutevka navinutaacute na kostřičce z plastoveacute folie je na Obr Po navinutiacute ciacutevky se čela kostřičky
(plastoveacute folie) zahnula přes horniacute vrstvu zaacutevitů a navzaacutejem slepila sekundovyacutem lepidlem
Obr 85 Pohled na ciacutevku zpevněnou kostřičkou z plastoveacute folie
54
Statoroveacute jaacutedro s ciacutevkami
Na každeacute z osmi statorovyacutech jader jsou nasunuty dvě seacuteriově spojeneacute ciacutevky Pro pevneacute zachyceniacute obou
vinutiacute je použit pružnyacute tmel
Obr 86 Pohled na statoroveacute jaacutedro s nasunutyacutem vinutiacutem
Uchyceniacute statorovyacutech jader
Statorovaacute jaacutedra jsou pevně zalepena epoxidovou plyskyřiciacute do dřevěnyacutech sloupků Po obou stranaacutech
sloupku jsou vyvrtaacuteny otvory v nižchž jsou vyřezaacuteny zaacutevity pro šrouby Dotaženiacutem šroubu jsou
sloupky s jaacutedry pevně uchyceny v deskaacutech z plexiskla
Obr 87 Pohled na jaacutedro zalepeneacute v dřevěneacutem držaacuteku
55
812 Rotor
Průměr rotoru a jeho konstrukčniacute řešeniacute je navrženo s ohledem na rozměry jader ve statoru a velkou
hmotnost dynamoplechů
e) Z velikosti okna pro primaacuterniacute vinutiacute je odvozena potřebnaacute vyacuteška permanentniacutech magnetů a
počet vrstev dynamoplechů v rotoru
f) Rozměry hřiacutedele jsou voleny s ohledem na použitaacute kuličkovaacute ložiska o vnitřniacutem průměru 10
mm a hmotnost rotorovyacutech plechů a je počiacutetaacuteno s jistou rezervou v přiacutepadě působeniacute vyššiacutech
momentů setrvačnosti celeacuteho rotoru Hřiacutedel a středoveacute přiacuteruby zajišťujiacute pevneacute přichyceniacute
středoveacuteho pouzdra permanentniacutech magnetů jelikož jsou vzaacutejemně spojeny čtyřmi šrouby
Hřiacutedel a středoveacute přiacuteruby jsou vysoustruženy z mosazi
Obr 88 Hřiacutedel je vysoustruženaacute z mosazneacute kulatiny
Na Obr je pohled na celkovou sestavu rotoru a statorovaacute jaacutedra Ke hřiacutedeli jsou přiacuteruby připevněny
ve čtyřech miacutestech
Obr 89 Pohled na rotor a jaacutedra statoru opatřenaacute vinutiacutem
g) Přiacuteruby pro uchyceniacute středoveacuteho pouzdra rotoru v němž jsou uloženy magnety jsou
vysoustruženy z mosazi stejně tak i přiacuteruba pro komutačniacute disk Přiacuteruby jsou ke hřiacutedeli pevně
dotaženy imbusovyacutemi šrouby
56
Obr 810 Jedna přiacuterub pro upevněniacute středoveacuteho pouzdra magnetů ke hřiacutedeli
h) Středoveacute pouzdro nesouciacute dynamoplechy a magnety je složeno z třiacute vrstev plexiskla tloušťky
2x4 mm + 1x5 mm Maacute tedy tloušťku 13 mm stejně jako vnitřniacute rozměr okna jaacutedra statoru
Přiacuteruby navlečeneacute na hřiacutedeli z obou stran stahujiacute plexiskla středoveacuteho pouzdra čiacutemž je pevně
spojujiacute s hřiacutedeliacute
Obr 811 Středoveacute pouzdro permanentniacutech magnetů
i) Dynamoplechy jsou po obou stranaacutech středoveacuteho pouzdra navrstveny na požadovanou vyacutešku
11 mm což odpoviacutedaacute přiacuteslušneacutemu rozměru jaacutedra v jeho řezu Při tloušťce dynamoplechu 05
mm je na obou stranaacutech pouzdra 22 vrstev dynamoplechu Jak dynamoplechy tak i středoveacute
pouzdro v sobě majiacute vyřezaacuteny otvory pro zaacutevitoveacute tyče a diacuteky matkaacutem dotaženyacutem po obou
stranaacutech rotoru spojujiacute navzaacutejem tyto čaacutesti s hřiacutedeliacute
Obr 812 Jedna sekce rotoru je složenaacute z 22 vrstev dynamoplechů
j) K dobreacutemu staženiacute dynamoplechů nejen v miacutestech kde k nim ze stran přileacutehajiacute matky
přispiacutevajiacute kryciacute kotouče z plexiskla na Obr813
57
Obr 813 Otvorem uprostřed kryciacuteho kotouče prochaacuteziacute hřiacutedel a je možneacute se diacuteky němu dostat na
šrouby připevňujiacuteciacute přiacuteruby rotoru pevně k řčiacutedeli
Vyacuteroba vyniklyacutech poacutelů rotoru
Rotoroveacute plechy jsou do požadovaneacuteho tvaru na Obr814 vyřezaacuteny pomociacute vodniacute pily Tryska
zařiacutezeniacute žene proud vodniacuteho paprsku spolu s abrazivem kolmo na řezanyacute objekt
Obr 814 Skica rotorovyacutech plechů s vyznačenyacutemi miacutesty pro umiacutestěniacute permanentniacutech magnetů
Na Obrxx zachycena vodniacute pila během vyřezaacutevaacuteniacute požadovaneacuteho tvaru rotoru do tabule
dynamoplechu o rozměrech 1x1metr
58
Obr 815 Sniacutemek pořiacutezenyacute během řezaacuteniacute dynamoplechu vodniacutem paprskem s abrazivem
Magnetickaacute čaacutest obvodu obvod rotoru se sklaacutedaacute ze dvou sekciacute mezi nimiž jsou umiacutestěny permanentniacute
magnety ktereacute sloužiacute jako zdroj magnetickeacuteho pole Každaacute sekce je vytvořena navrstveniacutem
dynamoplechů do vrstvy 11 mm Při tloušťce dynamoplechu to odpoviacutedaacute 22 vrstvaacutem v každeacute sekci
Obr 816 Čelniacute pohled na zkompletovanyacute rotor
Komutaacutetor
Komutaacutetor je realizovaacuten průhlednou foacuteliiacute s černyacutem potiskem Pravidelneacute střiacutedaacuteniacute průsvitnyacutech a
černyacutech oblastiacute na foacutelii během otaacutečeniacute rotoru zajišťuje pravidelneacute přerušovaacuteniacute IR paprsku v osmi
optoelektronickyacutech spiacutenačiacutech TCST 2103 rozmiacutestěnyacutech pravidelně okolo obvodu komutačniacute folie
Na foacutelii je sedm černyacutech a sedm průsvitnyacutech vyacutesečiacute což odpoviacutedaacute počtu sedmi vyniklyacutech poacutelů v obou
sekciacutech rotoru oddělenyacutech permanentniacutemi magnety Nastaveniacute optimaacutelniacute uacutehlu natočeniacute komutačniacute
folie bylo stanoveno měřeniacutem pro uacutehly natočeniacute 1285deg 5 deg 0deg a -1285deg Vyacutesledky jsou shrnuty
v zaacutevěru praacutece
59
Obr 817 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 1285deg
Obr 818 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 5deg
Obr 819 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 0deg
Obr 820 Nastaven uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie -1285deg
Na Obr je čelniacute pohled na realizovanyacute komutaacutetor Po obvodu jsou rovnoměrně rozmiacutestěny černeacute
dřevěneacute držaacuteky s optočleny skrze ktereacute prochaacuteziacute uacutezkeacute zaacutevitoveacute tyče zbroušeneacute tak aby uvnitř držaacuteku
nepoškodily přiacutevodniacute vodiče optočlenů Dotaženiacutem matek našroubovanyacutech na zaacutevitoveacute tyče je možneacute
pevně přitaacutehnout
60
Obr 821 Fotorgrafie realizovaneacuteho komutaacutetoru
Obr 822 Podrobnějšiacute pohled s popisem čaacutestiacute
Optoelektronickeacute
spiacutenače TCST 2103
Jaacutedra statoru
Vinutiacute statoru
Komutaacutetor
s regulaciacute předstihu
Vynikleacute poacutely
rotoru
61
Zkompletovanyacute motor
Na Obr jsou na nosneacute desce namontovaacutena statorovaacute jaacutedra
Obr 823 Horniacute pohled na nosnou desku Uprostřed desky je vidět nachaacuteziacute kryt ložiska
Vodiče ciacutevek na magnetickyacutech jaacutedrech jsou zavedeny do bdquočokolaacutedldquo přišroubovanyacutech po bočniacutech
stranaacutech dřevěnyacutech držaacuteků jader
Obr 824 Bočniacute pohled na dřevěneacute držaacuteky jader statoru
Vyacutevody z čokolaacuted jsou protaženy do dřevěneacuteho tunelu zobrazenyacute ze spodniacute strany na Obr kteryacute
sloužiacute jako ochrana před otaacutečejiacuteciacutem se rotorem
Obr 825 Spodniacute strana kryciacuteho tunelu před vyvrtaacuteniacutem otvorů pro přichyceniacute k nosneacute desce
62
Obr 826 Čelniacute pohled na hotovyacute model Adamsova motoru
Obr 827 Redukce připevněnaacute na hřiacutedeli sloužiacute pro zvětšeniacute jejiacuteho průměru při spojeniacute spojeniacute
motoru s dynamometrem
63
82 Elektrickyacute obvod
821 Popis a scheacutema zapojeniacute
Elektronickaacute čaacutest je spiacutenaacutena přerušovaacuteniacutem infračerveneacuteho paprsku dopadajiacuteciacuteho na fototranzistor
v optočlenu Paprsek prochaacuteziacute průsvitnou čaacutestiacute foacutelie ve chviacuteli kdy jsou vynikleacute poacutely rotoru v čelniacute
pozici se statorovyacutemi jaacutedry a ciacutevky umiacutestěneacute na těchto jaacutedrech v nich majiacute vybudit magnetickyacute
indukčniacute tok opačneacuteho směru oproti toku vystupujiacuteciacuteho z rotorovyacutech poacutelů Naacutesledkem siloveacuteho
působeniacute mezi magnetickyacutemi poli rotoru a statoru je rotor roztaacutečen
Obr 828 Scheacutema zapojeniacute elektrickeacuteho obvodu pro řiacutezeniacute motoru Obvod v praveacute čaacutesti obraacutezku za
přerušovanou čarou se opakuje celkem 4x Pro ušetřeniacute miacutesta je tedy zobrazena pouze jedna čtvrtina
zapojeniacute
Elektrickyacute obvod je možneacute rozdělit na čaacutest vyacutekonovou kteraacute je od čaacutesti niacutezko přiacutekonoveacute oddělena
řiacutediacuteciacute elektrodou vyacutekonovyacutech MOSFET tranzistorů IRF540 Na Obr xx je pro zmenšeniacute ušetřeniacute
miacutesta zobrazena pouze jedna čtvrtina čaacutesti scheacutematu elektrickeacuteho obvodu V leveacute čaacutesti scheacutematu jsou
vyznačena miacutesta připojeniacute napaacutejeciacuteho napětiacute Pro laboratorniacute měřeniacute je vhodneacute vzaacutejemně je oddělit
Kladnyacute poacutel stejnosměrneacuteho napaacutejeciacuteho napětiacute o velikosti 5-31 V je pojen k ciacutevkaacutem skrze konektory
L1až L8 k ke statorovyacutem vinutiacutem Stejnosměrneacute napětiacute 10 ndash 35 V DC je připojeno přes stabilizaacutetor
napětiacute 7808 a Rezistory R1 a R2 k optočlenům TCST 2103 ktereacute jsou ve scheacutematu zastoupeny
vyacutevody označenyacutemi EM1 a DET1 Ty Zkratkovitě označujiacute přiacuteslušnyacute emitor IR zaacuteřeniacute (infračervenaacute
dioda) a detektor (fototranzistor pro infračerveneacute spektrum) implementovaneacute v pouzdru optočlenu
Hodnoty odporů jsou stanoveny na zaacutekladě snahy omezit proud řiacutediacuteciacuteho obvodu na nejnižšiacute hodnotu a
zaacuteroveň zachovat spraacutevnou funkci obvodu Jmenovitaacute hodnota proudu emitorem je 20mA Proud
tekouciacute skrze EM1 až EM8 je nastaven předřadnyacutemi rezistory 6K8 na hodnotu cca 1mA Paprsek
prochaacuteziacute skrze průsvitnou čaacutest komutaacutetoru nebo je přerušen černě potištěnou čaacutestiacute Pokud paprsek
dopadaacute na detektor a otviacuteraacute jej a proud může prochaacutezet přes odpory 39K předřazeneacute detektorům Za
detektory jsou napojeny Schmittovi klopneacute obvody na jejichž vstupech se objeviacute napětiacute v přiacutepadě že
je detektor paprskem neosviacutecen Klopneacute obvody jsou napaacutejeny napětiacutem ze stabilizaacutetoru a na sveacutem
64
vyacutestupu majiacute toteacutež napětiacute pokud je na jejich vstupu napětiacute nuloveacute V jednom pouzdře integrovaneacuteho
obvodu 40106N se nachaacuteziacute 6 investujiacuteciacutech hradel Paralelniacutem spojeniacute třiacute je sniacutežen odpor hradla na
třetinu Naacutesleduje vyacutekonovyacute MOSFET tranzistor IRF560 s odporem přechodu elektrod DS v
sepnuteacutem stavu 44m Ω Niacutezkaacute vyacutekonovaacute ztraacuteta těchto tranzistorů snižuje ztraacutetovyacute vyacutekon na minimum
v porovnaacuteniacute s bipolaacuterniacutemi tranzistory Je-li na vstupniacute elektrodu G připojeno kladneacute napětiacute tranzistor
se otevře a umožniacute průchod proudu přiacuteslušnyacutem vinutiacutem připojenyacutem ke konektoru L1až L8
822 Deska plošnyacutech spojů
Deska plošnyacutech spojů vytvořenaacute stejně tak jako scheacutema v programu Eagle
Obr 829 Deska plošnyacutech spojů elektronickeacute ho obvodu z pohledu součaacutestek
Navrženaacute deska plošnyacutech spojů je vyrobena bdquofotocestouldquo Působeniacutem zdroje ultrafialoveacuteho světla
dojde ke změně chemickeacute struktury fotocitliveacute vrstvy kteraacute se nachaacuteziacute v miacutestech prosviacuteceniacute průsvitneacute
předlohy DPS Po rozpuštěniacute osviacuteceneacute vrstvy fotocitliveacuteho laku v hydroxidu sodneacutem byla deska
omyta vodou a odleptaacutena v chloridu železiteacutem
Obr 830 Osvit desky plošnyacutech spojů 11W UV zaacuteřivkou
65
Obr 831 Hotovaacute deska po odvrtaacuteniacute otvorů pro vyacutevody součaacutestek a protaženiacute vodičů do dřevěneacuteho
kryciacuteho tunelu
66
9 Magnetostatickaacute analyacuteza Adamsova motoru
91 Vyacutepočet zjednodušeneacuteho magnetickeacuteho obvodu
911 Feromagnetika v magnetickeacutem obvodu
Permanentniacute magnety použiteacute rotoru jsou neodymoveacute (Nd-Fe-B) s magnetizaciacute N38 a maximaacutelniacute
pracovniacute teplotě 80degC Magnety majiacute tvar vaacutelce Požadovanaacute vyacuteška magnetů je 13 mm a odpoviacutedaacute
přiacuteslušneacutemu rozměru okna jader ve statoru Požadovaneacute vyacutešky bylo dosazeno spojeniacutem magnetu o
vyacutešce 10 mm a magnetu o vyacutešce 3 mm Magnety majiacute průměr 15mm
Demagnetizačniacute charakteristika magnetu je na Obr
Obr 91 Druhyacute kvadrant pracovniacutech hysterezniacutech smyček B(H) a J(H)=B(H)-μ0H
permanentniacuteho magnetu s magnetizaciacute N38 měřeno při 26degC
Magnetickaacute jaacutedra statoru jsou vyrobena z FeSi transformaacutetoroveacuteho plechu s anizotropniacute strukturou o
jakosti M150-30 Materiaacutel maacute poměrně niacutezkou konduktivitu tedy niacutezkeacute ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy
Magnetickeacute čaacutesti rotoru jsou z dynamoplechů izotropniacute struktury o jakosti M600 - 50
Vyacutepočet magnetickeacute indukce a intenzity magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře mezi rotorovyacutem a
statorovyacutem poacutelem
Magnetickyacute obvod se sklaacutedaacute z permanentniacuteho magnetu dvou vyniklyacutech poacutelů rotoru dvou
vzduchovyacutech mezer a jaacutedra statoru
-14
-12
-1
-08
-06
-04
-02
0
02
04
06
08
1
12
14
-1 200 -1 100 -1 000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0
J B [T]
H [kAm]
Demagnetizačniacute charakteristika NdFeB magnetu (N38)
J magnetu
B magnetu
B vakau
HBHmax=473 kAm BHmax=294 kJm3
BBHmax=0612 T B
J
μ0H
HC=-937 kAm
67
Obr 92 Magnetickyacute obvod s permanentniacutem magnetem
Pro středniacute indukčniacute čaacuteru naznačenou v magnetickeacutem obvodu přerušovanou čarou platiacute podle prvniacute
Maxwellovy rovnice v integraacutelniacutem tvaru
kde indexy značiacute M permanentniacute magnet žr železo rotoru v vzduchovou mezeru a žs železo statoru
Železo rotoru (dynamoplechy) a železo statoru (transformaacutetoroveacute plechy) jsou feromagneticky měkkeacute
materiaacutely Pro zjednodušeniacute vyacutepočtu předpoklaacutedaacuteme že jejich permeability tj jejich
magnetickeacute odpory a tedy i magnetickaacute napětiacute a jsou zanedbatelně maleacute
takže pro intenzitu magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře platiacute
Pro magnetickyacute indukčniacute tok permanentniacuteho magnetu platiacute
kde je činitel rozptylu ve vzduchoveacute mezeře a jestliže k rozptylu toku nedochaacuteziacute tak
Magnetickyacute indukčniacute tok ve vzduchoveacute mezeře je vyjaacutedřen
Pro magnetickyacute indukčniacute tok permanentniacuteho magnetu platiacute
takže magnetickaacute indukce ve vzduchoveacute mezeře je
(19)
(20)
(21)
(22)
(23)
BM HM
lM
lžr
lžr
lv
lv
lžs
Bv
Hv
Sv
Sžr Sžs
SM
Hžr
Hžr
Hžs Bžs
Bžr
Bžr
J
S
Sžr
Bv
Hv
68
odtud
Z rovnosti rovnic (19) a (24)
lze vyjaacutedřit magnetickou indukci permanentniacuteho magnetu jako
kde veličina Nd je tzv demagnetizačniacute činitel pro nějž platiacute
Pro dosazeniacute do (24) je zapotřebiacute stanovit hodnotu činitele rozptylu magnetickeacuteho toku ve vzduchoveacute
mezeře Stanoviacuteme odhadem (
Pro dosazeniacute do (24) je daacutele zapotřebiacute stanovit průřez magnetu Při průměru 15 mm je
Průřez vzduchoveacute mezery mezi statorem a rotorem vypočteme jako aritmetickyacute průměr průřezu poacutelu
jaacutedra statoru a průřezu vynikleacuteho poacutelu rotoru Skutečneacute průřezy poacutelu statoru a rotoru lze jednoduše
odečiacutest z virtuaacutelniacuteho modelu v DesignModeleru Ansysu jak je naznačeno na Obr93 a na Obr94
Průřez poacutelu statoroveacuteho jaacutedra SS je dle DesignModeleru 14328 mmsup2
Obr 93 Po označeniacute plochy jaacutedra statoru vypočte DesignModeler jejiacute průřez
(24)
(25)
(26)
(27)
(28)
(29)
69
Průřez vynikleacuteho poacutelu rotoru SR je dle DesignModeleru 29128 mmsup2
Obr 94 Po označeniacute plochy vynikleacuteho poacutelu rotoru vypočte DesignModeler jeho průřez
Po dosazeniacute průřezů je aritmetickyacute průměr průřezu vzduchoveacute mezery
Vyacuteška použiteacuteho magnetu je daacutena součtem vyacutešek dvou na sobě umiacutestěnyacutech magnetů 10mm a 3 mm
tedy =13 mm
Řešenyacute magnetickyacute obvodu obsahuje dvě vzduchoveacute mezery o velikosti 1 mm Celkovaacute deacutelka
vzduchoveacute mezery je daacutena součtem těchto dvou deacutelek tedy =2 mm
Dosazeniacute všech potřebnyacutech hodnot do rovnice (24) vypočiacutetaacuteme demagnetizačniacute činitel
Dosazeniacutem demagnetizačniacuteho činitele do rovnice pro magnetickou indukci magnetu (26) ziacuteskaacuteme
rovnici přiacutemky
jejiacutež průsečiacutek s demagnetizačniacute křivkou permanentniacuteho magnetu na Obrxx stanoviacute pracovniacute bod
permanentniacuteho magnetu
Z grafu na Obr 95 je možneacute odečiacutest hodnotu magnetickeacute indukce permanentniacuteho magnetu v
pracovniacutem bodu BM=1 T a odpoviacutedajiacuteciacute hodnotu intenzity magnetickeacuteho pole HM=1 T
(30)
(31)
70
Obr 95 V průsečiacuteku přiacutemky s demagnetizačniacute charakteristikou se nachaacuteziacute pracovniacute bod P
permanentniacuteho magnetu v magnetickeacutem obvodu se vzduchovou mezerou
Zvětšeniacutem vzduchoveacute mezery v magnetickeacutem obvodu se zvětšiacute demagnetizačniacute činitel Nd tj zvětšiacute se
směrovyacute uacutehel přiacutemky z hodnoty α na hodnotu α1 a pracovniacute bod P se posune do polohy P1 jak je
naznačeno na Obr96
Obr 96 V průsečiacuteku přiacutemky s demagnetizačniacute charakteristikou se nachaacuteziacute pracovniacute bod
permanentniacuteho magnetu
00
02
04
06
08
10
12
14
-1 000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0
J B [T]
H [kAm]
Stanoveniacute pracovniacuteho bodu magnetu na demagnetizačniacute
charakteristice
B magnetu
Bm=-NdHm
BM=1 T
HM=-183 kAm
P
Br=124 T
HC=-937 kAm
71
Zmenšiacute-li se opět vzduchovaacute mezera na původniacute velikost nevraacutetiacute se pracovniacute bod P1 do sveacute původniacute
polohy v bodě P ale do polohy P2 po křivce k2 Smyčka složenaacute z křivek k1 a k2 je malaacute hysterezniacute
smyčka Přibližně ji můžeme nahradit uacutesečkou P1 P2 sviacuterajiacuteciacute s osou H uacutehel β Pohybuje-li se pracovniacute
bod po maleacute hysterezniacute smyčce jde vratneacute změny tj zanikne-li přiacutečina posuvu pracovniacuteho bodu vraciacute
se pracovniacute bod do sveacute původniacute polohy Pohyb pracovniacuteho bodu po hlavniacute hysterezniacute smyčce je
nevratnyacute K podobnyacutem jevům dochaacuteziacute když miacutesto změn vzduchoveacute mezery působiacuteme na permanentniacute
magnet magnetickyacutem polem ktereacute zvětšuje nebo zmenšuje jeho tok Všechny dalšiacute pohyby
pracovniacuteho bodu probiacutehajiacute přibližně po přiacutemce P1 P2 pokud směrovyacute uacutehel α nepřestoupiacute hodnotu uacutehlu
α1 Překročiacute-li tuto hodnotu pohybuje se pracovniacute bod opět po hlavniacute hysterezniacute smyčce a při naacutevratu
zpět k původniacute hodnotě uacutehlu α přechaacuteziacute na novou bdquomalou hysterezniacute smyčku vyznačenou na Obrxx
čaacuterkovaně [20]
Magnetickaacute indukce ve vzduchoveacute mezeře
Intenzita magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře
(32)
(33)
72
92 Vyacutepočet magnetickeacuteho obvodu v ANSYS Workbench
Magnetickaacute indukce - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 97 Pohled na rozloženiacute magnetickeacute indukce v obvodu při I=0A
Obr 98 Zobrazeniacute vektorů magnetickeacute indukce při I=0A
73
Magnetickaacute indukce - horniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 99 Rozloženiacute magnetickeacute indukce při I=0A
Obr 910 Zobrazeniacute vektorů magnetickeacute indukce při I=0A
74
Intenzita magnetickeacuteho pole - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 911 Rozloženiacute intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
Obr 912 Zobrazeniacute vektorů intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
75
Intenzita magnetickeacuteho pole - horniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 913 Rozloženiacute intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
Obr 914 Zobrazeniacute vektorů intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
76
Rozloženiacute siacutely působiacuteciacute na poacutely rotoru vlivem přiacutetažneacute siacutely permanentniacuteho magnetu
Obr 915 Siacutela mezi poacutely rotoru
Přitažlivaacute siacutela mezi poacutely rotoru v miacutestě magnetu je daacutena rozdiacutelem maximaacutelniacute a minimaacutelniacute hodnoty sil
(34)
77
Magnetickaacute indukce při proudu 1 A - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru při
921 Rozběh motoru
Uacutekolem je naleacutezt nejmenšiacute hodnotu proudu tekouciacuteho vinutiacutem statoroveacuteho jaacutedra při ktereacute dojde k
rozběhu motoru Vychaacutezejme z toho že přiacutetažnaacute siacutela působiacuteciacute na jedno jaacutedro statoru ktereacute je
v zarovnaneacute pozici s vyniklyacutemi poacutely rotou musiacute byacutet vlivem proudu tekouciacuteho vinutiacutem
Proud by měl miacutet takovou velikost aby v jaacutedru statoru vybudil magnetickyacute tok opačneacute polarity oproti
magnetickeacutemu toku vystupujiacuteciacuteho z protějšiacuteho vynikleacuteho poacutelu rotoru A to s takovyacutemi silovyacutemi
uacutečinkly aby byl došlo k pootočeniacute rotoru do pozice ve ktereacute se vedlejšiacute vynikleacute poacutely rotoru začnou
přitahovat k vedlejnšiacutemu statoroveacutemu jaacutedru Celyacute proces se poteacute opakuje i u dalšiacutech jader
Středniacute hodnota proudu tiacutemto vinutiacutem se během rozběhu motoru snižuje až na konstntniacute hodnotu
Dojdek k ustaacuteleniacute otaacuteček a doby průchodu proudu jednotlivyacutemi vinutiacutemi
78
Na Obr je graf průběhu siacutely působiacuteciacute na jaacutedro statoru ve směru osy x při změně velikosti proudu
tekouciacuteho vinutiacutem
Obr 916 Průběh siacutely při změně proudu
Z Obr919 je zřejmeacute že nuloveacute siacutely v ose x na jaacutedro statoru bude dosaženo při proudu 700 mA Tudiacutež
proud vědšiacute než 700 mA vyvolaacute odpuzeniacute rotorovyacutech poacutelů a celyacute proces se opakuje i u ostatniacutech
statorovyacutech jader
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
0 100 200 300 400 500 600 700
I [mA]
Fx [N]
Fx=f(I)
Fx= -2841 N
79
Na Obr je naacutezorně vidět zarovnanyacute vyniklyacute poacutel rotoru s jaacutedrem ve statoru
Obr 917 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru se statorovyacutem jaacutedrem při nuloveacute siacutele na magnetickeacute jaacutedro
Obr 918 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru s jaacutedrem ve statoru bez přiacutetomnosti proudu
Prochaacuteziacute-li vinutiacutem proud 700mA půsovyacute ma magnetickeacute jaacutedro ve směru osy x nulovaacute siacutela Rozloženiacute
magnetickeacute indukce je na Obr
α=0deg
Fx=0 N
I=700 mA
α=0deg
Fx=-2841 N
I=0 mA
80
Obr 919 Rozloženiacute indukce v obvodu při proudu tekouciacutem vinutiacute 700mA
Obr 920 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru s jaacutedrem ve statoru při proudu tekouciacutem vinutiacute 700mA
81
922 Průběhy sil působiacuteciacute na rotor během pootočeniacute
Na obr je osa jaacutedra(v praveacutem rohu) zarovnaacutena s osou vynikleacuteho poacutelu rotoru (vyznačeno červeně) a
naacutesledujiacuteciacute vyniklyacute poacutel rotoru je oproti statoroveacutemu jaacutedru (vpravo) pootočen o uacutehel α = -643deg
Obr 921 Při pootočeniacute rotoru o uacutehel α = -643deg působiacute na rotor siacutela ve směru FY= -5645 N
Průběh siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor během nataacutečeniacute proti směru hodinovyacutech ručiček mezi uacutehly
pootočeniacute v meziacutech α= -643deg až 0deg
Hodnoty jsou vypočiacutetaacuteny v Ansysu s krokem 02 deg a proloženy přiacutemkou
Obr 922 Průběh siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor během pootočeniacute od -643deg do 0deg a vyznačeneacute hodnoty
siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor pro hodnoty natočeniacute uacutehlu α= -643deg a -5deg
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
F [N]
α [deg]
Fy=f(α)
α=-643deg FY=-5645 N
Fy= - 5645 N
I=0 mA
82
Obr 923 Průběh siacutely působiacuteciacute na rotor v ose y během pootočeniacute od -643deg do 0deg a vyznačeneacute hodnoty
siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor pro hodnoty natočeniacute uacutehlu α= -643deg a -5deg
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
N [Nmm]
α [deg]
Fx=f(α)
83
10 Měřeniacute na realizovaneacutem motoru
V Tab101 jsou hodnoty odporu jednotlivyacutech vinutiacute měřeneacute při 20 degC
Tab 101 Hodnoty odporů vinutiacute
Časoveacute průběhy napětiacute a proudu byly naměřeny pomociacute profesionaacutelniacuteho dvoukanaacuteloveacuteho USB
osciloskopu Handyscope HS3 s parametry uvedenyacutemi v tabulce Tab102 Spojeniacutem osciloskopu s PC
bylo možneacute pomociacute napěťoveacute a proudoveacute sondy naměřit časoveacute průběhy napětiacute a proudu Použitaacute
proudovaacute sonda disponuje maximaacutelniacutem rozlišeniacutem 100 mVA
Tab 102 Vlastnosti Osciloskopu Handyscope HS3
Vstup Vyacutestup
max vzorkovaciacute frekvence 100MSs vzorkovaciacute frekvence 50MSs
volitelneacute rozlišeniacute 12-16 bitů rozlišeniacute 12 bitů
maximaacutelniacute napětiacute 200V napětiacute 0 plusmn12 V
impedance 1M Ω20pF maximaacutelniacute proud 05 A DC
Na Obr 101 je zachycen časovyacute průběh napětiacute a proudu změřenyacute na jednom z osmi vinutiacute statoru při
napětiacute 30V a mechanickeacute zaacutetěži Mz = 015 Nm
Rc1 Rc2 Rc3 Rc4 Rc5 Rc6 Rc7 Rc8
[Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω]
203 203 205 202 204 205 202 203 2034
84
Obr 101 Změřeneacute průběhy napětiacute a proudu na vinutiacute během zatiacuteženiacute momentem 015Nm
Hodnoty proudu změřeneacute osciloskopem jsou posunuty o stejnosměrnou složku směrem do
zaacutepornyacutech hodnot Tato chyba znehodnocuje naměřeneacute vyacutesledky proudu uvedeneacute v tabulce a
vznikla z neznaacutemeacute přiacutečiny jako důsledek nastaveniacute citlivosti proudoveacute soncy na hodnotu
100mVA
Tab 103 Hodnoty naměřeneacute osciloskopem Handyscope HS3
Umax Umin Up-p Uef Ustř Δt
[V] [V] [V] [V] [V] [ms]
2958 -7996 10992 3401 -0983 1419
Imax Imin Ip-p Ief Istř f
[mA] [mA] [mA] [mA] [mA] [Hz]
26459 -2276 49219 11375 2421 7048
Na Obr je vidět vysokonapěťovaacute špička opačneacute polarity vzhledem k napaacutejeciacutemu napětiacute kteraacute
dosahuje hodnoty -7996 V Vznikaacute důsledkem naacutehleacuteho přerušeniacute dodaacutevky proudu do obvodu ciacutevky
Magnetickeacute pole vytvořeneacute v magnetickeacutem obvodu se po přerušeniacute dodaacutevky proudu kteryacute jej vybudil
snažiacute zabraacutenit sveacute změně a zachovat proud v elektrickeacutem obvodu čiacutemž zpětně do elektrickeacuteho obvodu
vinutiacute indukuje vysokeacute napětiacute opačneacute polarity Dochaacuteziacute ke zpětneacute indukci napětiacute do elektrickeacuteho
obvodu Tento děj vyjadřuje druhaacute Maxwellova rovnice o zaacutekonu elektromagnetickeacute indukce
v diferenciaacutelniacutem tvaru vyjaacutedřeneacute vztahem
85
Na Obr je teacutež patrnyacute zaacutekmit napětiacute na konci zaacuteporneacute napěťoveacute špičky Tento zaacutekmit je způsoben
parazitniacute kapacitou vinutiacute Časovaacute konstanta s jakou děj odezněniacute je daacutena RLC parametry obvodu
Každyacute způsob provedeniacute vinutiacute maacute sveacute charakteristickeacute vlastnosti předevšiacutem vlastniacute kapacitu vinutiacute
V praxi se např požadavek na sniacuteženiacute vlastniacute kapacity vinutiacute u transformaacutetorů realizuje dvěma
způsoby
a) zmenšeniacute napěťoveacuteho rozdiacutelu mezi vrstvami popř sekcemi vinutiacute nebo zmenšeniacutem vzaacutejemneacute
kapacity těchto čaacutestiacute jejich odděleniacutem
b) sniacuteženiacutem dielektrickeacute konstanty konstrukčniacutech materiaacutelů využitiacutem vhodnyacutech izolantů pro
izolaci vodičů
Nejviacutece možnostiacute nabiacuteziacute prvniacute varianta jež se uplatňuje u hraacutezoveacuteho křiacutežoveacuteho i kotoučoveacuteho vinutiacute
Obvykle neniacute uacutečelneacute ani hospodaacuterneacute dělit vinutiacute viacutece než na tři komory Čiacutem nižšiacute bude celkovyacute činitel
vinutiacute tiacutem menšiacute bude kapacita vinutiacute Impregnaciacute vinutiacute se vlastniacute kapacita vinutiacute zvyšuje asi o 30 až
50 V přiacutepadě spojeniacute jednoho vyacutevodu vinutiacute s magnetickyacutem jaacutedrem se vlastniacute kapacita vinutiacute zvětšiacute
přibližně o 20 [19]
Za zaacutepornou vysokonapěťovou špičkou a zaacutekmitem napětiacute způsobenyacutem parazitniacute kapacitou v obvodu
je vidět na Obr půlperioda sinusoveacuteho průběhu napětiacute zaacuteporneacute polarity Toto napětiacute je v obvodu
indukovaacuteno diacuteky průchodu magnetickeacuteho toku vystupujiacuteciacuteho z vyniklyacutech poacutelů rotoru během otaacutečeniacute
Magnetickyacute tok vystupuje z poacutelů rotoru a uzaviacuteraacute se přes jaacutedro statoru čiacutemž v jeho vinutiacute indukuje
napětiacute
(35)
86
Na Obr102 zaacuteznam sinusoveacuteho průběhu napětiacute indukovaneacuteho ve vinutiacute statoroveacuteho jaacutedra ktereacute bylo
odpojeno od napaacutejeniacute
Obr 102 Časovyacute průběh napětiacute indukovaneacuteho ve vinutiacute během otaacutečeniacute rotoru
Obr 103 Časovyacute průběh napětiacute a proudu při napětiacute 30 V a zatiacuteženiacute momentem 005 Nm
87
101 Měřeniacute zaacutekladniacutech charakteristik
Motor byl pro změřeniacute charakteristik spojen s cize buzenyacutem dynamometrem Možnost regulace
zaacutetěžneacuteho momentu změnou odporu kotvy dynamometru a velikostiacute budiacuteciacuteho proudu umožnila
naměřit průběh momentovyacutech mechanickyacutech a rychlostniacutech charakteristik Spojeniacute hřiacutedele
s tachodynamem naviacutec umožnilo měřit indukovaneacute napětiacute během jednotlivyacutech měřeniacute a vypočiacutetat z něj
otaacutečky Na Obr104 je schematicky naznačena soustava dynamometru a motoru pro měřeniacute
zatěžovaciacute charakteristiky motoru
Obr 104 Soustava pro měřeniacute zatěžovaciacutech charakteristik motoru
Pro změřeniacute zaacutekladniacutech charakteristik potřebnyacutech pro vyacutepočet uacutečinnosti motoru byl využit cize buzenyacute
dynamometr s Iab=5 A(10)
102 Vyacutepočet uacutečinnosti
Pro přiacuteklad vyacutepočtu dosadiacuteme do uvedenyacutech vztahů hodnoty veličin při nichž vyšla uacutečinnost motoru
maximaacutelniacute
Jelikož proud tekouciacute do vinutiacute je stejnosměrnyacute stanoviacuteme přiacutekon motoru součinem napětiacute zdroje o
konstantniacute velikosti 31 V s proudem tekouciacutem obvodem
Po dosazeniacute
Vyacutekon motoru je roven
přičemž pro uacutehlovou rychlost vyjaacutedřenou z otaacuteček platiacute vztah
(36)
(37)
(38)
Ua
Rb Umot
88
Po dosazeniacute
Vyacutekon je po dosazeniacute uacutehloveacute rychlosti
Uacutečinnost motoru při zanedbaacuteniacute ztraacutet v elektronickeacutem obvodu je daacutena vyacuterazem
Podiacutelem vyacutekonu a přiacutekonu je vyacuteslednaacute uacutečinnost
(39)
(40)
(41)
(42)
(43)
89
Charakteristiky změřeneacute při změně zaacutetěžneacuteho momentu M=005 až 05 Nm a napětiacute 31V
Obr 105 Změna otaacuteček v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
Obr 106 Změna proudu v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
50
150
250
350
450
550
650
750
850
950
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
n [otmin]
P2 [W]
n=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
0
05
1
15
2
25
3
35
4
2 4 6 8 10 12 14
I [A]
P2 [W]
I=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
90
Obr 107 Změna přiacutekonu v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
Obr 108 Změna uacutečinnosti v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
0
20
40
60
80
100
120
140
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
P1 [W]
P2 [W]
P1=f(P2)
-1285deg
5deg
1285deg
0deg
000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
η []
P2 [W]
η=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
ηmax=355
P2=86 W
91
Obr 109 Změna uacutečinnosti v zaacutevislosti na momentu při U=31V
000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045 05 055 06
η []
M [Nm]
η=f(M)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
ηmax=355
M=019 Nm
0
01
02
03
04
05
06
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000 1 100
M [Nm]
n [otmin]
Momentoveacute charakteristiky motoru
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
92
Charakteristiky změřeneacute při změně napaacutejeciacuteho napětiacute U=5 až 31V M=015 Nm
Obr 1010 Změna proudu v zaacutevislosti na napětiacute při M=015 Nm
Obr 1011 Změna otaacuteček v zaacutevislosti na napětiacute při M=015 Nm
0
02
04
06
08
1
12
14
16
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
I [A]
U [V]
I=f(U)
5deg
0deg
1285deg
-1285deg
I=078 A
0
100
200
300
400
500
600
700
800
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
n [otmin]
U [V]
n=f(U)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
93
Zaacutevěr
Na zaacutekladě existence měřitelneacuteho kvantově mechanickeacuteho projevu Casimirova jevu se člověk alespoň
teoreticky přibliacutežil k pochopeniacute podstaty vakua Pohled na vakuum jako na systeacutem v němž je možno
za jistyacutech okolnostiacute pozorovat vysokofrekvenčniacute elektromagnetickeacute fluktuace i při teplotaacutech bliacutezkyacutech
0K může nabiacutezet novou perspektivu a přiacutestup ke strojům s věčnyacutem pohybem Vnějšiacute projevy
elektromagnetickeacuteho charakteru vakuovyacutech fluktuaciacute nejsou za běžnyacutech okolnostiacute zjevneacute neboť je
v tomto stavu zajištěna jejich symetrie K porušeniacute symetrie však dochaacuteziacute mezi dvěma bliacutezkyacutemi
deskami v Casimirově pokusu
Permanentniacute magnet se v jisteacutem ohledu může jevit jako systeacutem jež svojiacute přiacutetomnostiacute narušuje tuto
symetrii elektromagnetickyacutech fluktuaciacute vakua a tiacutem v okolniacutem prostoru projevuje jeho dynamickou
jinak skrytou povahu formou projevu permanentniacuteho magnetickeacuteho pole V tomto ohledu by mohl byacutet
projev stavu narušeniacute symetrie vakuovyacutech fluktuaciacute uacuteměrnyacute energii vloženeacute do permanentniacuteho
magnetu během procesu magnetovaacuteniacute Tento nekonvenčniacute pohled na permanentniacute magnetismus
umožňuje objasnit vstup energie vakua do systeacutemu s permanentniacutemi magnety jakyacutem by mohl byacutet
např Johnsonův magnetickyacute motor složenyacute pouze z permanentniacutech magnetů Pokud tento motor
opravdu fungoval a vyacuteše nastiacuteněnaacute teorie by byla pravdivaacute neniacute tento systeacutem již možno povařovat za
izolovanyacute od sveacuteho okoliacute neboť samotnaacute povaha vakua by v tomto přiacutepadě umožňovala napaacutejeniacute
tohoto systeacutemu
V tomto ohledu se jeviacute zajiacutemavyacute i systeacutem pro přeměnu energie elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute na
užitečnou elektrickou energii popisovanaacute v šesteacute kapitole V tomto systeacutemu kmitajiacute drobneacute
dielektrickeacute struktury vytvořeneacute např elektronovou litografiiacute vlivem siloveacuteho působeniacute fluktuaciacute
elektromagnetickyacutech poliacute vakua a tiacutem v mikroskopickyacutech anteacutenaacutech mezi strukturami indukujiacute
využitelnou formu energie Tyto kmity jsou v přiacutemeacutem poměru k frekvenci zaacuteřeniacute avšak mnohem nižšiacute
frekvenci Využitiacutem moderniacutech technologickyacutech postupů a vysoce jakostniacutech materiaacutelů se v tomto
ohledu nabiacuteziacute nepřeberneacute možnosti pro experimentovaacuteniacute
Realizace modelu Adamsova motor generaacutetoru kterou jsem prakticky provedl (však pouze ve funkci
motoru) měla za ciacutel stanovit uacutečinnost tohoto systeacutemu neboť informace popisujiacuteciacute tento stroj hovořiacute
teacutež o vstupu energie vakua do tohoto systeacutemu čiacutemž je uacutedajně možno dosaacutehnout uacutečinnosti přesahujiacuteciacute
100 Autor Robert Adams stanovil uacutečinnost sveacuteho motor generaacutetoru na zaacutekladě několik dnů
trvajiacuteciacuteho měřeniacute Měřil průběhy napětiacute na vstupniacute baterii jež stroj napaacutejela a bateriiacutech ktereacute
postupně připojoval na elektrickyacute vyacutestup stroje Během činnosti stroje dochaacutezelo k postupneacutemu
dobiacutejeniacute bateriiacute na vyacutestupu V jisteacutem ohledu jsou hodnoty napětiacute při průběžneacutem měřeniacute určityacutem
ukazatelem uacutečinnosti stroje avšak pro vyacutepočet přesneacute uacutečinnosti daneacute poměrem vyacutekonu a přiacutekonu by
bylo zapotřebiacute do vyacutepočtu zahrnout i proudy prochaacutezejiacuteciacute obvodem
Dynamoplechy (M600-50) pro rotor a transformaacutetorovaacute jaacutedra (M150-30s) pro stator jsem zakoupil u
společnosti Therma FM a permanentniacute magnety přes internetovyacute obchod Unimagnetcz Virtuaacutelniacute
model motoru vytvořenyacute v programu SolidWorks jsem importoval do programu ANSYS Workbench
a provedl v něm magnetostatickou analyacutezu Analyzoval jsem magnetickyacute obvod složenyacute z jedneacute
osminy statoru (pouze jedno jaacutedro) vzduchoveacute mezery a vynikleacuteho poacutelu rotoru při nuloveacutem proudu ve
statoroveacutem vinutiacute Takteacutež jsem magnetickyacute obvod řešil zjednodušenyacutem vyacutepočtem v němž jsem
94
zanedbal reluktanci železa rotoru i statoru rozdiacutel ve tvaru průřezů statorovyacutech i rotorovyacutech poacutelů a
odhadem jsem stanovil činitel rozptylu v okoliacute vzduchoveacute mezery Vypočiacutetal jsem pro danyacute
magnetickyacute obvod demagnetizačniacute činitel a vykresleniacutem přiacutemky byl nalezen pracovniacute bod P
permanentniacuteho magnetu Bod P vytiacutenaacute na přiacuteslušnyacutech osaacutech demagnetizačniacute charakteristiky
odpoviacutedajiacuteciacute hodnoty BM a HM permanentniacuteho magnetu Z nich byly vypočteny hodnoty indukce a
intenzity ve vzduchoveacute mezeře
Hodnoty magnetickeacute indukce a intenzity magnetickeacuteho pole v prostoru vzduchoveacute mezery vypočteneacute
na zaacutekladě zjednodušeniacute obvodu a hodnoty vypočteneacute v ANSYSu se v přiacutepadě indukce lišiacute o hodnotu
0177 T což vzhledem ke zjednodušeniacute vyacutepočtu a odhadu činitele rozptylu přibližně odpoviacutedaacute Rozdiacutel
v hodnotaacutech intenzity magnetickeacuteho pole činiacute 188 kAm což je opět vzhledem k zjednodušeniacutem
vyhovujiacuteciacute hodnota
Pomociacute programu Ansys byla stanovena nejnižšiacute hodnota proudu (700 mA) tekouciacuteho do vinutiacute
vybraneacuteho jaacutedra statoru při jeho zarovnaacuteniacute s rotorovyacutemi poacutely kteraacute způsobiacute vyrušeniacute přiacutetažneacute siacutely
působiacuteciacute na statoroveacute jaacutedro vlivem permanentniacute magnetizace rotoroveacuteho poacutelu Teoreticky proud většiacute
než 700mA způsobiacute pootočeniacute rotoru a naacuteslednyacute rozběh
Daacutele byly graficky stanoveny průběhy sil v osaacutech x a y působiacuteciacutech na rotor během jeho pootočeniacute o
uacutehel 643deg kdy došlo k zarovnaacuteniacute sousedniacutech poacutelů rotoru a statoru
Změřeniacutem zaacutekladniacutech zatěžovaciacutech charakteristik pomociacute dynamometru byly stanoveny průběhy
momentovyacutech charakteristik pro různeacute uacutehly natočeniacute komutačniacuteho disku vzhledem k rotoru Z grafu
průběhu uacutečinnosti v zaacutevislosti na momentu byla odečtena nejvyššiacute hodnota uacutečinnosti motoru 355
pro natočeniacute komutačniacuteho disku o 5deg a odpoviacutedajiacuteciacute zaacutetěžnyacute moment 019 Nm Tato uacutečinnost je v
porovnaacuteniacute se stejně vyacutekonnyacutemi motory běžnyacutech konstrukciacute poměrně niacutezkaacute Jedniacutem z hlavniacutech
faktorů jež ovlivnil vyacuteslednou uacutečinnost je tvar statorovyacutech jader ktereacute majiacute velkou vzduchovou
mezeru Tiacutem paacutedem dochaacuteziacute ke značneacutemu rozptylu toku magnetickeacute indukce skrze prostor mezi
statorovyacutemi poacutely
Natočeniacutem komutačniacuteho disku do polohy 0deg došlo ke značneacutemu sniacuteženiacute uacutečinnosti na hodnotu okolo 14
majiacuteciacute přiacutečinu ve špatneacutem načasovaacuteniacute počaacutetku průchodu proudu do přiacuteslušneacuteho vinutiacute Vzaacutejemneacute
siloveacute působeniacute magnetickyacutech indukčniacutech toků z jaacutedra a rotoru působilo brzdnyacutem uacutečinkem čiacutemž
došlo ke sniacuteženiacute uacutečinnosti motoru
Momentoveacute charakteristiky jsou teacuteměř lineaacuterniacute Největšiacute moment 05 Nm byl naměřen při napětiacute 31
V při 180 otmin a to v přiacutepadě že komutačniacute disk byl pootočen o 1285deg
95
Použitaacute literatura
[1] Hubbertpeak [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwhubbertpeakcomhubbert19561956pdf
[2] Multimediaacutelniacute studijniacute texty z mineralogie [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpmineralogiescimuniczkap_6_2_termodynkap_6_2_termodynhtm
[3] Molecular and cellular immunology Institute of malecular genetics academy of science of the
Czech Republic Praguee [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpmciimgcasczpdfZakony_termodynamikypdf
[4] Uacutestav teoretickeacute fyziky MFF UK [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httputfmffcuniczvyukaOFY016F2001CermakPhtm
[5] Galileo [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpgalileoandeinsteinphysicsvirginiaedumore_stuffflashletsmmexpt6htm
[6] Encyclopedia Britanica [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwbritannicacomEBcheckedtopic600149Evangelista-Torricelli
[7] ABZ slovniacutek ciziacutech slov [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z httpslovnik-cizich-
slovabzczwebphpslovohorror-vacui-horor-vakui
[8] RAFELSKI Johannn a Berndt MUumlLLER The structured vaccum Thinking about nothing
Published electrically 2006 ISBN 3-97144-889-3
[9] Uacutestav jaderneacute fyziky AV ČR veřejnaacute vyacutezkumnaacute instituce [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httphpujfcascz~wagnerpopclanvakuumvakuumhtml_ftn2
[10] Aldebaran [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwaldebaranczbulletin2011_10_kazphp
[11] Aldebaran [online] Casimir - Network 2005 [cit 2014-05-08] Dostupneacute z httpcasimir-
networkfrIMGpdfCasimir_20effectpdf
[12] KVASNICA Jozef Statistickaacute fyzika Vyd 2 Praha Academia 1998 314 s ISBN 80-200-
0676-1
[13] Aldebaran [online] Annenberg learning 2005 [cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwlearnerorgcoursesphysicsvisualanimationhtmlshortname=PHY06_FermiTrap0
3A
[14] Cornell University Library arXivorg [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httparxivorgpdf10115219v1pdf
[15] Fyzikaacutelniacute sekce Matematicko-fyzikaacutelniacute fakulty UK [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpphysicsmffcuniczkfppskriptakurz_fyziky_pro_DSwwwfyzikahtml
[16] FEYNMAN Richard Phillips Feynmanovy přednaacutešky z fyziky s řešenyacutemi přiacuteklady 1 vyd
Havliacutečkův Brod Fragment 2001 806 s ISBN 80-720-0420-4
[17] VALONE Thomas Zero Point Energy The Fuel of the Future United States Integrity
Research Institiute 2007 228 s ISBN 9780964107021
96
[18] KING Moray B Quest for Zero Point Energy Engineering Principles for Free Energy
Engineering Principles for Free Energy United States Integrity Research Institiute 2001 224 s
ISBN 9780932813947
[19] FAKTOR Zdeněk Transformaacutetory a ciacutevky 1 vyd Praha BEN - technickaacute literatura 1999
393 s ISBN 80-860-5649-X
[20] MAYER Daniel a Josef POLAacuteK Metody řešeniacute elektrickyacutech a magnetickyacutech poliacute [vysokošk
učebnice pro elektrotechn fakulty] 1 vyd Praha SNTL 1983 450 s
[21] ABZ slovniacutek ciziacutech slov [online cit 2014-05-12] Dostupneacute z httpslovnik-cizich-
slovabzczwebphpslovohorror-vacui-horor-vakui
[22] Wikipedie [online cit 2014-05-12] Dostupneacute z httpcswikipediaorgwikiVakuum
[23] VALONE Thomas Practical Conversion of Zero-Point Energy Feasibility Study of the
Extraction of Zero-Point Energy from the Quantum Vacuum for the Performance of Useful
Work United States Integrity Research Institiute 2005 90 s ISBN 9780964107083
[24] BEARDEN By John Bedini and TE Free energy generation circuits 2nd ed Santa Barbara
Calif Cheniere Press 2006 806 s ISBN 09-725-1468-6
[25] Straacutenky věnovaneacute potlačovaneacute vědě a zatajovanyacutem vynaacutelezům [online cit 2014-05-08]
Dostupneacute z httpfree-energyxfczJOHNSONSampMhtm
[26] ADAMS Robert The Adams pulsed motor generator manual 46 Landing Roat Whakanate
Nex Zealand 1992
16
Vynaacutelezce Otto von Guericke demonstroval siacutelu podtlaku analogiiacute s osmi spřaženiacutemi osmi koni kteřiacute
nejsou schopni společnyacutemi silami oddělit dvě poloviny vzduchopraacutezdneacute koule jak ukazuje Obr 43
Obr 43 Osm koniacute neniacute schopno od sebe oddělit dvě poloviny vzduchopraacutezdneacute koule [8]
Zařiacutezeniacute pro tvorbu vakua se nazyacutevaacute vyacutevěva I kdyby se naacutem podařilo sestrojit dokonalou vyacutevěvu
kteraacute by z prostoru odstranila všechny znaacutemeacute hmotneacute čaacutestice prostor by i tehdy nezůstal praacutezdnyacute
Klasickaacute teorie poklaacutedaacute vakuum za praacutezdnyacute prostor bez hmotnyacutech čaacutestic Je však nutneacute přihleacutednout
k faktu že existujiacute teorie a experimenty jež připouštějiacute že vakuum neniacute praacutezdneacute miacutesto toho je plneacute
aktivity a co je ještě důležitějšiacute lze tuto aktivitu využiacutet v našem reaacutelneacutem světě
42 Heisenbergův princip neurčitosti
Velmi důležityacutem zaacutekonem určujiacuteciacutem pravidla v kvantoveacutem světě je Heisenbergův princip neurčitosti
Ten řiacutekaacute že pro současneacute měřeniacute polohy x a hybnosti čaacutestice p nemůže byacutet součin neurčitostiacute v určeniacute
polohy Δx a hybnosti Δp čaacutestice menšiacute než redukovanaacute Planckova konstanta ħ Pro tuto konstantu platiacute
ħ = h2π =105410-34
Js Důsledkem Heisenbergova principu je že se na mikroskopickeacute uacuterovni může
narušovat zaacutekon zachovaacuteniacute energie a to takovyacutem způsobem že součin velikosti tohoto narušeniacute a
doby po kterou trvaacute je menšiacute než redukovanaacute Planckova konstanta V takoveacutem přiacutepadě nelze toto
porušeniacute pozorovat
Heisenbergův princip neurčitosti pro současneacute měřeniacute polohy a hybnosti čaacutestice maacute tvar
(5)
Heisenbergův princip neurčitosti pro současneacute měřeniacute času a energie čaacutestice maacute tvar
(6)
Platnost rovnice (6) vede tomu že ve vakuu mohou existovat velice rychleacute fluktuace energie ktereacute
vznikajiacute jako v důsledku vzniku tzv virtuaacutelniacutech čaacutestic a jejich antičaacutestic ktereacute velice rychle vznikajiacute a
zanikajiacute vlivem vzaacutejemneacute anihilace A to v čase daneacutem Heisenbergovyacutem principem neurčitosti [9]
17
43 Virtuaacutelniacute čaacutestice
Jednaacute se o čaacutestici kteraacute neniacute přiacutemo pozorovatelnaacute je zavedena z důvodu existence řady pozorovanyacutech
jevů Virtuaacutelniacute čaacutestice může existovat diacuteky Heisenbergovu principu neurčitosti a v časoveacutem okamžiku
daneacutem tiacutemto zaacutekonem narušuje zaacutekon o zachovaacuteniacute energie U reaacutelneacute čaacutestice jejiacutež existence nenarušuje
zaacutekon zachovaacuteniacute energie je splněn relativistickyacute vztah mezi celkovou energiiacute čaacutestice E jejiacute hybnostiacute p
a klidovou energiiacute U virtuaacutelniacute čaacutestice tento vztah mezi uvedenyacutemi fyzikaacutelniacutemi veličinami neplatiacute
Virtuaacutelniacute čaacutestice tak může miacutet třeba velmi velkou hybnost a jen velmi malou energii Existence
virtuaacutelniacute čaacutestice je omezena na velice kraacutetkou dobu Při neustaacuteleacutem vzniku a zaacuteniku těchto čaacutestic
vznikajiacute ve vakuu vysokofrekvenčniacute fluktuace elektromagnetickyacutech poliacute různyacutech vlnovyacutech deacutelek [9]
44 Casimirův jev
V roce 1958 holandskyacute fyzik M J Sparnaay předpověděl existenci sil mezi dvěma kovovyacutemi
deskami jejichž přiacutečinou nebylo tepelneacute zaacuteřeniacute Byl zaveden pojem zero point energy (energie
nuloveacuteho bodu) označujiacuteciacute elektromagnetickou energii vyskytujiacuteciacute se ve vakuu při absolutniacute nuloveacute
teplotě [18]
Důkazem existence teacuteto energie je uacutedajně fakt že helium zůstaacutevaacute i při teplotaacutech mezi -272degC až
273degC staacutele v kapalneacutem skupenstviacute a nedojde k jeho přeměně na skupenstviacute pevneacute [17]
Způsob jakyacutem by bylo možneacute projevy virtuaacutelniacutech čaacutestic experimentaacutelně změřit navrhl v roce 1948
holandskyacute fyzik Hendrik Casimir Casimir uvažoval o dvou paralelniacutech elektrodaacutech (zrcadlech)
umiacutestěnyacutech ve vakuu za teploty bliacutezkeacute absolutniacute nule Vně těchto zrcadel vakuoveacute fluktuace
elektromagnetickyacutech poliacute dosahujiacute širokeacuteho spektra energiiacute ovšem v souladu s Heisenbergovyacutemi
relacemi neurčitosti Jinaacute situace nastaacutevaacute mezi elektrodami ktereacute tvořiacute rezonaacutetor Zde mohou vznikat
pouze fluktuace určityacutech vlnovyacutech deacutelek ndash moacutedů rezonaacutetoru Ostatniacute vlnoveacute deacutelky jsou vněm
potlačeny Tato nerovnovaacuteha fluktuaciacute vně elektrod a mezi nimi způsobuje tlakovou siacutelu kteraacute
přitahuje elektrody k sobě Jev se nazyacutevaacute Casimirův jev (efekt) a je makroskopickyacutem projevem
kvantovyacutech jevů stejně jako napřiacuteklad supravodivost nebo supratekutost [10]
Obr 44 Demonstrace Casimirova jevu Dvě kovoveacute desky tvořiacute rezonaacutetor pouze pro některeacute vlnoveacute
deacutelky důsledkem je působeniacute přitažliveacute siacutely mezi těmito deskami [11]
Fluktuace
vakua Casimirovi
desky
18
441 Casimirova siacutela
Casimirův efekt se projevuje jako Casimirova siacutela Casimirovu siacutelu mezi vodivyacutemi elektrodami
způsobuje nerovnovaacuteha mezi kvantovyacutemi fluktuacemi elektromagnetickyacutech poliacute ve vakuu vně
elektrod a mezi nimi [10]
Casimirovu siacutelu lze vypočiacutetat na zaacutekladě vztahu (7) uvedeneacuteho v literatuře[17]
(7)
Na obr45 je graf Prof Dr Davida Iannuzziho kteryacute zobrazuje přibližně exponenciaacutelniacute naacuterůst
publikaciacute pojednaacutevajiacuteciacute o Casimirově vevu Tiacutem dokazuje značnyacute naacuterůst zaacutejmu o tento fenomeacuten
Obr 45 Naacuterůst publikaciacute tyacutekajiacuteciacutech se Casimirova jevu [8]
442 Aparatura pro měřeniacute Casimirova jevu
Laboratorniacute měřeniacute Casimirova jevu v Kalifornskeacute univerzitě v Riverside bylo provedeno na
miniaturniacute aparatuře pro měřeniacute kvantově mechanickyacutech efektů bdquopraacutezdneacuteho prostoruldquo Na Obr 46 je
kulička o průměru 01 mm zobrazenaacute skrze elektronovyacute mikroskop Kulička je umiacutestěna pod hladkou
destičkou (destička neniacute na obraacutezku) Diacuteky kvantově mechanickeacutemu Casimirovu efektu se kulička
k destičce přitahuje Změna pozice kuličky je měřena mikroskopem pro měřeniacute atomaacuterniacutech sil
19
Obr 46 Mikroskopickaacute aparatura pro měřeniacute Casimirova jevu
443 Tepelnyacute Casimirův jev
Při konečneacute teplotě vstupujiacute do hry tepelneacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole a přispiacutevajiacute tak k
siloveacutemu působeniacute mezi elektrodami Tepelneacute fluktuace jsou způsobeny chaotickyacutem pohybem
volnyacutech elektronů v materiaacutelu elektrod Paralelniacute elektrody opět představujiacute rezonaacutetor ve ktereacutem je
možneacute vybudit pouze určiteacute moacutedy Každyacute moacuted představuje stav s přesně určenou energiiacute Tyto stavy
jsou obsazovaacuteny fotony ktereacute reprezentujiacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole Obsazeniacute těchto
hladin popisuje Boseho-Einsteinovo rozděleniacute [10]
Boseho-Einsteinovo rozděleniacute popisuje ve statistickeacute fyzice systeacutemy složeneacute z bosonů tedy čaacutestic se
symetrickou vlnovou funkciacute a celočiacuteselnyacutem spinem Bose-Einsteinovyacutem rozděleniacutem se řiacutediacute napřiacuteklad
fotony je z něj tedy možneacute odvodit napřiacuteklad Planckův vyzařovaciacute zaacutekon [12]
Při nuloveacute teplotě všechny fotony obsadiacute pouze nejnižšiacute energetickou hladinu jak je vidět na Obr 47
S rostouciacute teplotou postupně dochaacuteziacute k obsazovaacuteniacute i dalšiacutech vyššiacutech energetickyacutech hladin Mezi
zrcadly vznikaacute dalšiacute přitažlivaacute siacutela kteraacute ovšem zaacutevisiacute na teplotě Jednaacute se tedy o tepelnyacute Casimirův
jev
Obr 47 Vlevo zaujiacutemajiacute bosony při teplotaacutech bliacutezkyacutech absolutniacute nule jedinyacute stav s nejnižšiacute energiiacute Se
vzrůstajiacuteciacute teplotou bosony (vpravo) postupně obsazujiacute stavy s vyššiacute energiiacute [13]
Přestože tepelnyacute Casimirův jev byl teoreticky předpovězen Jevgenijem Lifšicem v roce 1955 dočkal
se sveacuteho objevu až v roce 2010 Tento uacutekol se podařilo zvlaacutednout skupině vědců na americkeacute Yaleově
univerzitě Tepelneacute fluktuace elektromagnetickeacuteho pole byly opět měřeny prostřednictviacutem přitažliveacute
siacutely mezi dvěma elektrodami Připravit dokonale rovinneacute paralelniacute plochy je poměrně obtiacutežneacute a proto
20
byl experiment provaacuteděn s jednou rovinnou elektrodou a druhou elektrodou ve tvaru kuloveacute plochy
Obě elektrody byly vyrobeny ze zlata s přesnostiacute 10 nm (kulovaacute elektroda) a 1 nm (rovinnaacute elektroda)
Siacutela mezi elektrodami byla měřena pomociacute torzniacuteho kyvadla kde torzniacute siacutela wolframoveacuteho draacutetku o
průměru 25 μm byla vyrovnaacutevaacutena přitažlivou silou mezi elektrodami Kapacitniacute polohovyacute senzor
sniacutemal vyacutechylku torzniacuteho kyvadla Celyacute experiment probiacutehal při teplotě 300 K [14]
Obr 48 Scheacutema zařiacutezeniacute pro měřeniacute tepelneacuteho Casimirova jevu (pohled shora) [14]
Naměřeneacute vyacutesledky byly porovnaacutevaacuteny se dvěma teoretickyacutemi modely ndash plazmovyacutem modelem a
Drudeho modelem Tyto modely popisujiacute chovaacuteniacute permitivity elektrod v zaacutevislosti na frekvenci
Naměřeneacute vyacutesledky ukazujiacute shodu s Drudeho modelem při teplotě 300 K Podle tohoto modelu tepelnaacute
přitažlivaacute siacutela roste lineaacuterně s teplotou a klesaacute s druhou mocninou vzdaacutelenosti To znamenaacute že zatiacutemco
Casimirova siacutela převlaacutedaacute na velmi malyacutech vzdaacutelenostech tepelnaacute Casimirova siacutela dominuje na
velkyacutech vzdaacutelenostech Na obraacutezku niacuteže je znaacutezorněna přitažlivaacute siacutela naacutesobenaacute druhou mocninou
vzdaacutelenosti v zaacutevislosti na vzdaacutelenosti mezi elektrodami Podle Drudeho modelu bychom měli dostat
konstantniacute zaacutevislost v miacutestech kde převlaacutedaacute siacutela způsobenaacute tepelnyacutemi fluktuacemi Z Obr 49 je
patrneacute že od vzdaacutelenosti přibližně 3 μm daacutele dostaacutevaacuteme přibližně konstantniacute zaacutevislost [14]
Obr 49 Na vzdaacutelenostech většiacutech než 3 μm dochaacuteziacute ke změně charakteru přitažliveacute siacutely Převlaacutedaacute zde
siacutela způsobenaacute tepelnyacutemi fluktuacemi zatiacutemco na menšiacutech vzdaacutelenostech se viacutece uplatňuje siacutela
pochaacutezejiacuteciacutech z kvantovyacutech fluktuaciacute vakua [14]
21
5 Magnetismus
51 Magnetickeacute pole a jeho siloveacute uacutečinky
Fakt že některeacute nerosty s obsahem železa a jeho oxidů jeviacute jisteacute vzaacutejemneacute siloveacute působeniacute vedlo
člověka k vyacutezkumu hlubšiacute podstaty tohoto fenomeacutenu Magnetismu znaacutemeacutemu již ze středověku začala
byacutet později věnovaacutena značnaacute pozornost předevšiacutem diacuteky poznatku že lze vnějšiacute magnetickeacute pole
vyvolat průchodem proudu nosičů elektrickyacutech naacutebojů elektrickyacutemi vodiči Pokusy H Ch Oersteda s
vodiči zapojenyacutemi k elektrickeacutemu zdroji vykazovali siloveacute působeniacute na magnetku kompasu později
diacuteky A M Ampeacuterovu pokusu takeacute siloveacute působeniacute mezi vodiči proteacutekanyacutemi proudem [15]
Mezi tělesy z feromagnetickyacutech laacutetek se za jistyacutech okolnostiacute projevuje vnějšiacute působeniacute vnitřniacutech
atomaacuterniacutech sil do vnějšiacuteho prostřediacute prostor v okoliacute tělesa i uvnitř něho je magneticky polarizovaacuten a
magnetickeacute předměty se navzaacutejem přitahujiacute či odpuzujiacute v zaacutevislosti na směru vektoru jejich
magnetizace Ve vzdušneacutem prostřediacute lze magnetickou propustnost definovat jako hodnotu přibližně
rovnou permeabilitě vakua
Po odhaleniacute existence magnetismu došlo časem k prudkeacutemu naacuterůstu pokusů se snahou naleacutezt praktickeacute
využitiacute tohoto jevu v lidskeacutem životě Vznik elektrickyacutech strojů prudce zrychlil rozvoj většiny odvětviacute
lidskeacuteho baacutedaacuteniacute
Magnetickeacute pole a jeho siloveacute uacutečinky jsou přiacutetomny při
a) Pohybu elektrickyacutech naacutebojů v obvodu
b) Zmagnetovaacuteniacute magnetik
Kvantitativniacute miacuterou siloveacuteho působeniacute magnetickeacuteho pole je magnetickaacute indukce B
Magnetickeacute pole o indukci 1 T působiacuteciacute na naacuteboj jednoho coulombu kteryacute se pohybuje rychlostiacute 1ms
silou 1 Newtonu jestliže je směr rychlosti naacuteboje a směru působiacuteciacute siacutely kolmyacute
Siacutelu v elektromagnetickeacutem poli působiacuteciacute na jednotkovyacute zkušebniacute naacuteboj v pohybu lze popsat
Lorenzovyacutem vztahem [15]
Ze vztahu je zřejmeacute že rychlost zkušebniacute čaacutestice nemaacute vliv na siloveacute uacutečinky elektrickeacuteho pole
V poli čistě magnetickeacutem kdy je elektrickeacute pole nuloveacute platiacute pro siacutelu vztah
(8)
(9)
22
52 Magnetickyacute moment moment hybnosti a precese momentu hybnosti
Pohybuje-li se elektron po kružnici (obiacutehaacute-li jaacutedro vlivem dostřediveacute siacutely) jsou si jeho magnetickyacute
moment μ a moment hybnosti J uacuteměrneacute Velikost momentu hybnosti elektronu je rovna hmotnosti
elektronu vynaacutesobeneacute jeho rychlostiacute a poloměrem draacutehy kterou opisuje (Obr 51)
Obr 51 Na kruhoveacute draacuteze je magnetickyacute moment μ(q2m)-naacutesobkem momentu hybnosti J[16]
Jeho směr je kolmiacute na rovinu draacutehy Vztah (10) je ne relativistickyacute je však pro atomy dobryacutem
přibliacuteženiacutem
(10)
Magnetickyacute moment tohoto pohybu lze určit jako proud kraacutet obsah plochy kruhu dle vztahu
Proud se vypočiacutetaacute jako naacuteboj kteryacute za jednotku času projde libovolnyacutem bodem draacutehy tj naacuteboj q kraacutet
frekvence kruhoveacuteho pohybu Frekvence je zase rychlost dělenaacute deacutelkou draacutehy takže platiacute
Plocha maacute obsah magnetickyacute moment je tedy možneacute vyjaacutedřit vztahem
Magnetickyacute moment a teacutež moment hybnosti J jsou kolmeacute na rovinu draacutehy Pro orbitaacutelniacute pohyb tedy
platiacute
Pro orbitaacutelniacute pohyb elektronu platiacute
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
23
Magnetismus od orbitaacutelniacuteho pohybu elektronu neniacute jedinyacute existujiacuteciacute druh magnetismu Elektron maacute i
svou vlastniacute rotaci kolem osy Důsledkem je spinovyacute moment hybnosti elektronu neboli vlastniacute
moment hybnosti Pro spinovyacute moment hybnosti se takeacute použiacutevaacute označeniacute spin Z překladu
z angličtiny jde rotace Pojem spin byl zaveden v době kdy se předpoklaacutedalo že jde o rotaci nicmeacuteně
v makrosvětě nemaacute spin analogii a člověk je nucen použiacutet idealizovanou představou rotace [16]
Poměr a je dvakraacutet tak tak velkyacute oproti orbitaacutelniacutemu pohybu elektronu proto je spinovyacute
magnetickyacute moment
Obecně je v každeacutem atomu několik elektronů a tak je celkovyacute moment hybnosti a celkovyacute magnetickyacute
moment daacuten složeniacutem jejich orbitaacutelniacutech a spinovyacutech momentů hybnosti V kvantoveacute mechanice
obecně platiacute že směr magnetickeacuteho momentu izolovaneacuteho atomu maacute opačnyacute směr než moment
hybnosti [16]
Někdy je magnetickyacute moment směsiciacute orbitaacutelniacutech a spinovyacutech přiacutespěvků jejichž vztah můžeme zapsat
Značka g je tzv Landeacuteho faktor a určeniacute jeho velikosti je předmětem kvantoveacute mechaniky
V přiacutepadě atomovyacutech jader figurujiacute naviacutec i spiny protonů a neutronů Pro jaacutedra obecně piacutešeme
Precese pohyb atomovyacutech magnetů v magnetickeacutem poli
Umiacutestěniacutem atomu do magnetickeacuteho pole je magnetickyacute moment ovlivňovaacuten momentem siacutely kteraacute se
jej snažiacute pootočit do směru pole Atomovyacute magnet je jako setrvačniacutek ndash maacute spinovyacute moment hybnosti
Moment siacutely způsobenyacute magnetickyacutem polem proto nedokaacuteže atomovyacute magnet udržet
v daneacutem směru Magnet proto bude vykonaacutevat precesniacute pohyb podobnyacute precesi mechanickeacuteho
setrvačniacuteku[16]
Rotuje-li těleso okolo osy zaznamenaacuteme u něj jistou podobnost v chovaacuteniacute s elementaacuterniacutem atomovyacutem
magnetem o momentu hybnosti
Jevy zjevneacute při rotaci tělesa lze popsat naacutesledujiacuteciacutemi tvrzeniacutemi
Pokud na rotujiacuteciacute těleso nepůsobiacute vnějšiacute siacutely zachovaacutevaacute si osu svojiacute rotace Nenulovyacute moment
siacutely působiacuteciacute na rotujiacuteciacute těleso ovlivňuje osu jeho rotace tiacutem viacutece čiacutem maacute těleso menšiacute
moment hybnosti
Když nutiacuteme rotujiacuteciacute těleso změnit osu svojiacute rotace chovaacute se tak že se snažiacute ztotožnit s osou
vynuceneacute rotace
(16)
(
) (17)
(
) (18)
24
Precese subatomaacuterniacutech čaacutestic v magnetickeacutem poli se s vyacutehodou využiacutevaacute v metodaacutech magnetickeacute
jaderneacute a elektronoveacute paramagnetickeacute rezonance
Nabiacuteziacute se otaacutezka jestli je možneacute určityacutem způsobem převeacutest siloveacute uacutečinky precesniacuteho pohybu
momentu hybnosti na mechanickyacute pohyb v nějakeacutem elektrickeacutem stroji Projevy rezonančniacutech jevů
jsou u všech typů magnetickyacutech rezonanciacute však velice slabeacute a frekvence Larmorovy precese s jakou
vektor magnetickeacuteho momentu rotuje ve vnějšiacutem poli je u elektronů ktereacute jsou přiacutečinou magnetismu
u feromagnetik až v řaacutedech GHzT Tiacutem paacutedem by musel mechanickyacute systeacutem v pracujiacuteciacute v rezonanci
s precesniacute frekvenciacute momentu hybnosti kmitat či rotovat teacutež v řaacutedech GHz nebo v jisteacutem poměru k
prvniacute harmonickeacute teacuteto frekvence
25
6 Nekonvenčniacute elektrickeacute stroje
Podle autorů elektrickyacutem motorů jsou motory založeneacute na jistyacutech principech schopny pracovat s
uacutečinnostiacute překračujiacuteciacute 100 Ve čtvrteacute kapitole hovořiacuteciacute o vakuu je popsaacuten Casimirův jev jako
důsledek narušeniacute symetrie prostorovyacutech fluktuaciacute elektromagnetickyacutech poliacute vakua mezi dvěma
kovovyacutemi deskami Vezmeme-li v uacutevahu teorii o prostoru vyplněneacutem vznikajiacuteciacutemi a zanikajiacuteciacutemi
virtuaacutelniacutemi čaacutesticemi nabiacuteziacute se otaacutezka Je možneacute zkonstruovat systeacutem kteryacute by energii projevujiacuteciacute se
jako fluktuace elektromagnetickyacutech poliacute vakua proměnil na užitečnou elektrickou či mechanickou
energii v takoveacute měřiacutetku aby byl schopnyacute napaacutejet elektrickeacute obvody sveacuteho řiacutezeniacute popř dodaacutevat
vyacutekon do vnějšiacute zaacutetěže Ze znalosti termodynamickyacutech zaacutekonů jasně vypliacutevaacute možnost využitiacute
teplotniacuteho rozdiacutelu dvou prostřediacute k ziacuteskaacuteniacute užitečneacute energie Tepelnaacute čerpadla jsou toho důkazem
Vzhledem k existenci elektromagnetickeacute energie vakua i při absolutniacute nule je možneacute tuto energii
považovat za vstupniacute energii do systeacutemu zobrazeneacuteho blokově na Obr 61
Obr 61 Blokoveacute scheacutema systeacutemu napaacutejeneacuteho energiiacute odčerpaacutevanou z okolniacuteho prostřediacute
Energie vstupuje do systeacutemu z vnějšiacuteho prostřediacute a sloužiacute pro napaacutejeniacute vnějšiacute zaacutetěže i systeacutemu
samotneacuteho
Systeacutem
Vstup energie do systeacutemu
z okolniacuteho prostřediacute
Vyacutestup využitelneacute
formy energie
Energie potřebnaacute pro řiacutezeniacute
systeacutemu se z vyacutestupu navraciacute
zpětnou vazbou
26
61 Johnsonův motor
V roce 1973 pět let po podaacuteniacute přihlaacutešky byl Howardu Johnsonovi udělen patent US 4151431 na
motor s permanentniacutemi magnety V roce 1995 pak patent US 5402021 popisujiacuteciacute magnetickyacute
pohonnyacute systeacutem založenyacute na obdobneacutem principu Oba tyto systeacutemy uacutedajně využiacutevajiacute ke konaacuteniacute praacutece
pouze siacutely permanentniacutech magnetů Ačkoli dnešniacute věda zavrhuje využitiacute vnějšiacutech projevů
subatomaacuterniacuteho pohybu čaacutestic hmoty permanentniacutech magnetů ke konaacuteniacute nepřetržiteacute praacutece v systeacutemu
Johnson uacutedajně připouštiacute že přesně neviacute odkud se energie kterou čerpaacute bere Ale domniacutevaacute se že
může miacutet souvislost s rotaciacute elektronů možnaacute dokonce souvisiacute s dosud nepojmenovanou čaacutesticiacute
V roce 1980 vyšel v dnes již zanikleacutem časopisu Science and Mechanics člaacutenek o Johnsonově motoru
popisujiacuteciacute vzaacutejemneacute interakce mezi magnety rotoru a statoru
Konstrukčniacute uspořaacutedaacuteniacute Johnsonova motoru
Obr 62 Čelniacute pohled do Johnsonova motoru Stator maacute po obvodu rozmiacutestěny tři obloukoviteacute
magnety Rotoroveacute magnety jsou vzaacutejemně odděleny vzduchovyacutemi mezerami [16]
Z Předniacuteho pohledu do motoru na Obr 62 jsou vidět tři obloukoviteacute permanentniacute magnety statoru
pravidelně rozmiacutestěneacute kolem rotoru
Obr 63 Z bočniacuteho pohledu do motoru je patrnaacute šroubovitaacute hřiacutedel kteraacute sloužiacuteciacute k zabrzděniacute stroje
[16]
27
Obr 64 Horniacute pohled na dva obloukoviteacute statoroveacute magnety navzaacutejem posunuteacute a překryacutevajiacuteciacute
magnety rotoru [16]
Obr 65 Průběhy změny indukce během změny polohy jižniacuteho a severniacuteho poacutelu magnetu statoru vůči
rotorovyacutem magnetům
Obr 66 Naznačeniacute pohybu obloukovyacutech magnetů rotoru nad statorovyacutemi magnety
Popis principu
Obr 66 ukazuje některeacute zaacutekladniacute vztahy Plneacute čaacutery představujiacute přitažliveacute siacutely přerušovaneacute čaacutery
představujiacute odpuzovaacuteniacute a dvojiteacute čaacutery v obou přiacutepadech znaacutezorňujiacute dominantniacute siacutely
Na Obr 66 je obloukově zakřivenyacute permanentniacute magnet ve třech po sobě naacutesledujiacuteciacutech polohaacutech nad
pevnyacutemi statorovyacutemi magnety Obr 66 poskytuje alespoň velmi zjednodušenyacute pohled do teorie
28
pohonu pomociacute permanentniacutech magnetů Johnson řiacutekaacute že zakřiveneacute magnety s ostryacutemi konci jsou
důležiteacute protože koncentrujiacute magnetickou energii mnohem uacutečinněji než magnety s tupyacutemi konci Tyto
obloukoviteacute magnety jsou o něco delšiacute než je deacutelka dvou magnetů statoru včetně mezery mezi nimi V
Johnsonově konstrukci jsou dlouheacute
palce
Všechny statoroveacute magnety majiacute severniacute poacutel nahoře a spočiacutevajiacute na podložce vyrobeneacute z materiaacutelu s
vysokou permeabilitou kteraacute pomaacutehaacute koncentrovat silovaacute pole Optimaacutelniacute mezera mezi konci
rotorovyacutech magnetů a statorem je kolem
palce
Když se severniacute poacutel magnetu rotoru nachaacuteziacute nad statorovyacutem magnetem je jiacutem odpuzovaacuten a je ke
statoru přitahovaacuten když prochaacuteziacute nad mezerou mezi statorovyacutemi magnety Přesně opačneacute siacutely působiacute
u jižniacuteho poacutelu rotoroveacuteho magnetu Je přitahovaacuten když prochaacuteziacute nad statorovyacutem magnetem a je
odpuzovaacuten když se nachaacuteziacute nad mezerou
Předniacute poacutel N rotoru je odpuzovaacuten severniacutemi poacutely dvou přilehlyacutech magnetů Ale v zobrazeneacute poloze
magnetu rotoru tyto dvě odpudiveacute siacutely (ktereacute zřejmě působiacute proti sobě) nejsou totožneacute většiacute z obou sil
(dvojitaacute přerušovanaacute čaacutera) překonaacutevaacute druhou siacutelu a taacutehne rotor doleva Tento pohyb vlevo je zrychlen
přitažlivou silou mezi severniacutem poacutelem rotoru a jižniacutem poacutelem v mezeře mezi statorovyacutemi magnety
Současně na druheacutem konci (S) rotoroveacuteho magnetu Deacutelka tohoto magnetu je cca
palce a je
zvolena s ohledem na velikost paacuteru statorovyacutech magnetů a mezery mezi nimi aby přiacutetažliveacute a
odpudiveacute siacutely taacutehly magnety rotoru doleva V tomto přiacutepadě je poacutel S přitahovaacuten severniacutemi poacutely
přilehlyacutech statorovyacutech magnetů ale z důvodu rozměrů rotoroveacuteho magnetu je rotor silněji tažen
doleva (dvojitaacute plnaacute čaacutera) Takeacute zde je s vyacutehodou využito siloveacute působeniacute mezi koncem rotoroveacuteho
magnetu a mezerou mezi magnety statoru V tomto přiacutepadě majiacute oba poacutely stejnou polaritu (S) proto se
vzaacutejemně odpuzujiacute
Je nutneacute dodržet spraacutevnou deacutelku magnetů rotoru Jestliže jsou buď přiacuteliš dlouheacute nebo přiacuteliš kraacutetkeacute
mohou dosaacutehnout nežaacutedouciacute rovnovaacutehy kteraacute znamenaacute konec pohybu Ciacutelem je optimalizovat
všechny siacutely tak aby bylo dosaženo maximaacutelniacute nerovnovaacutehy ale vždy stejnyacutem směrem Když se rotor
otočiacute o 180 stupňů a dostane se na opačnyacute konec draacutehy bude se chovat stejnyacutem způsobem až na to že
se v tomto přiacutekladu bude pohybovat zleva doprava Takeacute musiacuteme poznamenat že jakmile je rotor v
pohybu maacute moment kteryacute pomůže dostat rotorovyacute magnet do sfeacutery vlivu dalšiacuteho paacuteru magnetů
statoru kde ziacuteskaacute dalšiacute moment [25]
29
62 Adamsův motor generaacutetor
Podle informačniacuteho zdroje [26] byl vynaacutelez Roberta Adamse viacutece než 20 let držen v tajnosti Jeho
autorovi bylo vyhrožovaacuteno smrtiacute v přiacutepadě že bude šiacuteřit informace tyacutekajiacuteciacute se principů na nichž jeho
motorgeneraacutetor pracuje Informace byly po letech zveřejněny internetoveacutem magaziacutenu Nexus
Adams ke sveacutemu stroji vytvořil publikaci The Adams pulsed motor generator manual ve ktereacute uvaacutediacute
naacutesledujiacuteciacute obraacutezkoveacute ilustrace Autor v něm teacutež předklaacutedaacute grafy naměřenyacutech průběhů napětiacute pro
různeacute režimy stroje
Robert Adams tvrdiacute Naacuteš vesmiacuter je moře volneacute čisteacute energie A čekaacute jen na to abychom ji začali
využiacutevat
Vlastnosti a vyacutehody Adamsova motor generaacutetoru uvedeneacute Robertem Adamsem
1) Překonaacutevaacute zpětnou elektromotorickou siacutelu kteraacute je probleacutemem všech konvenčniacutech strojů
2) Střiacutedavě zapřahuje ZES tedy zanikajiacuteciacute magnetickeacute pole čiacutemž zvyšuje moment a snižuje
přiacutekon
3) V režimu motorgeneraacutetoru nevyžaduje k vyacuterobě elektrickeacuteho vyacutestupniacuteho vyacutekonu
oddělenyacute motor
4) Pro běh stroje a vyacuterobu vyacutestupniacuteho vyacutekonu využiacutevaacute jedinyacute rotor
5) Všechny poacutely rotoru majiacute stejnou polaritu
6) Statoroveacute hnaciacute vinutiacute a poacutely jsou menšiacutech rozměrů
7) Velikost vzduchoveacute mezery neniacute kritickaacute
8) Nevyžaduje chladiacuteciacute ventilaacutetor
9) Stroj nevyžaduje konstantniacute vstupniacute proud
10) Naacutevrh stroje je naacutesledujiacuteciacute
a) Energie je vede zpět do baterioveacuteho zdroje
b) Magnetickyacute zpětnyacute tah je prakticky nulovyacute
c) Teplota při plneacutem zatiacuteženiacute je polovičniacute ve srovnaacuteniacute s jakyacutemkoliv konvenčniacutem strojem
d) S ohledem na způsob mechanickeacuteho spiacutenaacuteniacute kteryacute zajišťuje zužujiacuteciacute se hvězda
kontaktniacuteho disku je možneacute měnit střiacutedu impulzů
11) V režimu vysokeacute uacutečinnosti stroj čerpaacute energii z prostoru
12) Čiacutem nižšiacute rychlostiacute se otaacutečiacute tiacutem dosahuje vyššiacute uacutečinnosti a krouticiacuteho momentu na rozdiacutel
od konvenčniacutech strojů
13) V rezonančniacutem režimu nejsou přiacutetomny jaloveacute ztraacutety a stroj vykazuje konstantniacute vyacutekon a
moment
14) Jelikož se směr energie ze zdroje neměniacute nejsou přiacutetomny ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy a
hystereziacute
15) Stroj se ve všech pracovniacutech režimech saacutem chraacuteniacute před některyacutemi nepřiacuteznivyacutemi situacemi
ktereacute v jinyacutech přiacutepadech vyžadujiacute doplňujiacuteciacute zařiacutezeniacute
16) Vysokeacute otaacutečky nejsou nutneacute čiacutemž odpadajiacute probleacutemy s nimi spojeneacute
17) Stroj je možneacute elektricky zatiacutežit a počiacutetat s naacuteslednyacutem naacuterůstem vyacutestupniacute energie od 50
přes 100 a to bez přetiacuteženiacute nebo naacuterůstu teploty nad normaacutelniacute pracovniacute teplotu
30
18) Stroj je saacutem o sobě obdivuhodně jednoduchyacute a nevyžaduje draheacute obvody pro řiacutezeniacute
rychlosti [26]
Popis zaacutekladniacute konstrukce
Adamsův motor-generaacutetor je elektrickyacute stroj s permanentniacutemi magnety radiaacutelně uloženyacutemi v rotoru
Stroj je uacutedajně možneacute zkonstruovat v různyacutech konfiguraciacutech podle toho zda požadujeme vyacutestupniacute
vyacutekon spiacuteše elektrickyacute nebo mechanickyacute
Zaacutekladniacute konfigurace stroje určenaacute pro vyacutestup elektrickeacuteho vyacutekonu ze stroje obsahuje tři druhy
statorovyacutech magnetickyacutech poacutelů vhodně rozmiacutestěnyacutech kolem rotoru s permanentniacutemi magnety
1 Permanentniacute magnety rotoru jsou všechny polarizovaacuteny ve stejneacutem směru Tok
magnetickeacute indukce všech vystupuje buď ven nebo dovnitř směrem ke hřiacutedeli
Obr 67 Magnety jsou pro zvyacutešeniacute vyacutekonu stroje uloženy v několika rotorovyacutech sekciacutech
2 Řiacutediacuteciacute poacutely jsou napaacutejeny pulzně v zaacutevislosti na poloze rotoru vůči statoru a to skrze
mechanickyacute komutaacutetor Ciacutevky jsou navinuty na jaacutedra ze kteryacutech vystupuje magnetickyacute tok
v opačneacutem směru oproti toku permanentniacutech magnetů v rotoru Rotor se pohybuje jelikož je
odpuzovaacuten těmito silovyacutemi uacutečinky
Obr 68 Pulzně buzeneacute ciacutevky
31
3 Zpětnovazebniacute poacutely jsou navinuty na magnetickyacutech jaacutedrech a jsou napaacutejeny elektrickou
energiiacute kteraacute se zpětně indukuje do elektrickeacuteho obvodu řiacutediacuteciacutech ciacutevek v důsledku prudkeacuteho
přerušeniacute dodaacutevky proudu Magnetickeacute pole v prostoru vzduchoveacute mezery a rozptylovyacutech
drahaacutech se snažiacute zaacuteniku proudu zabraacutenit čiacutemž vznikaacute prudkyacute energetickyacute skok
Obr 69 Zpětnovazebniacute ciacutevky
4 Generaacutetorickeacute poacutely generujiacute proud do připojeneacute zaacutetěže
Obr 610 Zpětnovazebniacute ciacutevky
5 Permanentniacute poacutely statoru jsou tvořeny feritovyacutemi magnety rozmiacutestěny po obvodu rotoru podle
konfigurace na Obr611a majiacute za uacutečel zvyacutešit mechanickyacute moment rotoru
32
Obr 611 Rozmiacutestěniacute permanentniacutech magnetů po obvodu statoru
Na Obr 612 je princip spiacutenaacuteniacute proudu do ciacutevek statoru řešenyacute prostřednictviacutem mechanickeacuteho
komutaacutetoru ve tvaru čtyřciacutepeacute hvězdy Při otaacutečeniacute dochaacuteziacute v jistyacutech polohaacutech ke spojeniacute kontaktů
dosedajiacuteciacutech na komutaacutetor a proud tekouciacute ciacutevkami v nich vybudiacute magnetickyacute indukčniacute tok kteryacute
svyacutemi uacutečinky odpuzuje permanentniacute magnety v rotoru Na obraacutezku je naznačen princip motoru a
způsob měřeniacute otepleniacute jaacutedra při daneacute mechanickeacute zaacutetěži Do jaacutedra je vyvrtaacuten otvor do nějž je
zasunuta teplotniacute sonda Otepleniacute jaacutedra by nemělo překročit 40 degC
Obr 612 Zaacutekladniacute konstrukce Adamsova motoru sloužiacuteciacute pro demonstraci nastaveniacute vhodneacute velikosti
proudu tekouciacuteho do vinutiacute ciacutevek při požadovaneacute mechanickeacute zaacutetěži
33
Obr 613 Vyacutekres Adamsova motor generaacutetoru s osmi permanentniacutemi magnety v rotoru
stejnosměrnyacutemi pulzniacutemi ciacutevkami a generaacutetorovyacutemi ciacutevkami navinutyacutemi na odlišnyacutech magnetickyacutech
jaacutedrech
Robert Adams ve sveacute publikaci uvaacutediacute na Obr 614 zaznamenaacuteny průběhy hodnot napětiacute na bateriiacutech
postupně připojovanyacutech na elektrickyacute vyacutestup stroje Přičemž hodnota napětiacute na vstupniacute napaacutejeciacute baterii
se měniacute jen nepatrně Na zaacutekladě těchto dat uvedenyacutech v Tab 61 Adams stanovuje uacutečinnost motor
generaacutetoru
Obr 614 Baterie na vyacutestupu jsou postupně dobiacutejeny přičemž velikost napětiacute na vstupniacute baterii se
snižuje jen nepatrně
34
Naacutesledujiacuteciacute tabulka shrnuje vyacutesledky naměřeneacute v grafu na Obr 614
Tab 61 Souhrn vyacutesledků naměřenyacutech hodnot napětiacute na vyacutestupniacutech bateriiacutech
Dokonalejšiacute konstrukce Adamsova motor generaacutetoru
Konstrukce zde popisovanaacute je realizovaacutena jako model pro měřeniacute uacutečinnosti tohoto motoru avšak
s několika podstatnyacutemi konstrukčniacutemi rozdiacutely o nichž se zmiňuji při popisu realizovaneacuteho stroje
Rotor na Obr 615 maacute 7 vyniklyacutech poacutelů rotoru a 8 statorovyacutech jader Je možneacute použiacutet i 6 jader ve
statoru při použitiacute stejneacuteho rotoru Tiacutem však dojde ke sniacuteženiacute uacutečinnost stroje Počet rotorovyacutech a
statorovyacutech poacutelů by neměl byacutet v celočiacuteselneacutem poměru
Obr 615 Konfigurace se 6 poacutely statoru a 7 poacutely rotoru Magnetizačniacute vinutiacute protějšiacutech poacutelů
statoru jsou spojena do seacuterie
Popis principu činnosti během otaacutečeniacute rotou
Na Obr 616 (a) je poacutel rotoru R1 přesně mezi statorovyacutemi poacuteli S1 a S2 a představme si že směřuje k S2
a je jiacutem přitahovaacuten až do chviacutele kdy je v pozici na obr (c) Nyniacute je zarovnaacuten s jaacutedrem statoru jehož
vinutiacutem začne proteacutekat proud kteryacute maacute takovou polaritu aby došlo k odpuzovaacuteniacute rotoroveacuteho poacutelu ze
zarovnaneacute pozice Tiacutem paacutedem je vlivem siloveacute interakce magnetickyacutech polyacute rotoru urychlovaacutem a
proud teče do statoroveacuteho vinutiacute až do chviacutele kdy je vpozici na obr (e) Nyniacute je protějšiacute statororoveacute
jaacutedro zarovnaacuteno s rotorovyacutem poacutelem
Baterie č
(vyacutestup)
Počaacutetečniacute
napětiacute
baterie
[V]
Doba běhu
stroje [h]
Konečneacute
napětiacute baterie
[V]
Naacuterůst
napětiacute
baterie oproti
počaacutetečniacute
hodnotě 102 V
[V]
Uacutečinnost []
1 102 33 1142 122 610
2 1172 15 1184 162 810
3 114 66 1201 181 905
35
Podiacutevejme se co se během toho děje na protějšiacute straně rotoru
Rotorovyacute poacutel R4 na obr (a) je praacutevě zarovnaacutem se statorovyacutem jaacutedrem S5 Tudiacutež je do vinutiacute tohoto
jaacutedra S5 přiveden proud jehož uacutečinky jsou i vtomto přiacutepadě vyvolajiacute odpuzovaacuteniacute poacutelu R4 Proud
vinutiacutem jaacutesdra S5 proteacutekaacute do chviacutele na obr(c) kdy dojde k demagnetizaci statoroveacuteho jaacutedra S2
Obr 617 Vzaacutejemeacute polohy rotoru vůči statorovyacutem poacutelům pro popis principu
Rotor je roztaacutečen těmito silovyacutemi přiacutespěvky
a) Rotorovyacute poacutel je přitahovaacuten ke statorovyacutem magnetickyacutem jaacutedrům vlivem projevu magnetickyacutech
sil permanentniacutech magnetů prostupujiacuteciacutech vzduchovou mezeru a uzaviacuterajiacuteciacutech se přes jaacutedra
statoru
b) Rotor je po zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru se statorovyacutem daacutele roztaacutečen vlivem odpudivyacutech
sil mezi poacutely rotoru a řiacutediacuteciacutemi poacutely statoru Vinutiacute řiacutediacuteciacutech poacutelů je napaacutejeno elektrickyacutemi
impulzy v zaacutevislosti na poloze rotoru vůči statoru Intenzita magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute
mezeře je nejvyššiacute při zarovnaacuteniacute poacutelů statoru a rotoru
Na Obr je pohled do vnitřniacute struktury magnetickeacuteho obvodu popisovaneacuteho stroje
12 podeacutelneacute magnetickeacute poacutely statoru s vysokou permeabilitou
13 rotoroveacute sekce s vyniklyacutemi poacutely
14 hřiacutedel
15 permanentniacute magnety uloženeacute ve středoveacutem pouzdru
16 otvor pro permanentniacute magnety
17 Disk sloužiacuteciacute jako pouzdro magnetů
Obr 618 Pohled na do struktury rotoru
36
Dalšiacutemi motory ktereacute uacutedajně pracujiacute s vysokou jsou Bediniho motor Takahasiho motor a Kawaiův
motor
63 Systeacutem pro přeměnu energie elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute na
elektrickou energii
Americkyacute patent č 5590031 podanyacute 24 července 1994 Franklinem B Meadem a Jackem
Nachamkinem popisuje zařiacutezeniacute přeměňujiacuteciacute vysokofrekvenčniacute elektromagnetickou energii
vakuovyacutech fluktuaciacute vznikajiacuteciacutech jako projev virtuaacutelniacutech čaacutestic teacutež označovanou pojmem bdquozero point
energyldquo na užitečnou elektrickou energii Pojem zero point energy neboli energie nuloveacuteho bodu byl
zaveden vzhledem k faktu že i při teplotě absolutniacute nule (0 K = -27315 degC) vakuum obsahuje energii
fluktuaciacute elektromagnetickyacute poliacute jako důsledek projevů vznikajiacuteciacutech a zanikajiacuteciacutech virtuaacutelniacutech čaacutestic
Na Obr 619 je znaacutezorněn princip zařiacutezeniacute Čiacuteslo 216 symbolizuje vysokofrekvenčniacute
elektromagnetickeacute zaacuteřeniacute Pomociacute litografickeacute technologie jsou vytvořeny dielektrickeacute struktury
(212) a (214) tvaru koule polokoule či disku Tyto struktury jsou velice maleacute a jejich velikost musiacute
byacutet v přiacutemeacutem poměru k vlnoveacute deacutelce elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute Struktury jsou připevněny na
zaacutekladoveacutem substraacutetu (236) a rozloženy do pole (238) Tyto struktury se vlivem působeniacute
elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute pohybujiacute s mnohem menšiacute frekvenciacute než jakou maacute elektromagnetickeacute
zaacuteřeniacute ktereacute jejich pohyb vyvolalo Naacutesledkem pohybu se v anteacuteně (222) indukuje elektrickaacute energie o
využitelneacute frekvenci Jednotliveacute anteacuteny mohou miacutet tvar smyčky nebo mohou byacutet dipoacuteloveacute
Indukovanyacute proud je naacutesledně veden vodiči (226) nebo vlnovodem do primaacuterniacuteho obvodu (228)
transformaacutetoru (232) Kondenzaacutetor (230) sloužiacute pro vyladěniacute rezonančniacuteho obvodu V sekundaacuterniacutem
obvodu je střiacutedavyacute proud usměrněn diodou (234)[17]
Obr 619 Scheacutema zařiacutezeniacute pro přeměnu vysokofrekvenčniacute elektromagnetickeacute energie na využitelnou
formu elektrickeacute energie [14]
37
7 Feromagnetickeacute materiaacutely
Tvar hysterezniacute smyčky magnetickeacuteho materiaacutelu zaacutevisiacute na chemickeacutem složeniacute feromagnetika a na jeho
tepelneacutem zpracovaacuteniacute Z analogie s mechanickou tvrdostiacute rozlišujeme magneticky měkkaacute
feromagnetika kteraacute dobře vedou magnetickyacute tok a tvrdaacute feromagnetika z nichž se vyraacutebiacute
permanentniacute magnety Na Obr71 je naacutezorneacute rozděleniacute magneticky měkkyacutech polotvrdyacutech a tvrdyacutech
materiaacutelů
Obr 71 Rozděleniacute magnetickyacutech materiaacutelů na měkkeacute polotvrdeacute a tvrdeacute
71 Magneticky měkkaacute feromagnetika
Pro vedeneacute magnetickeacuteho toku v magnetickeacutem obvodu motoru je využito měkkyacutech feromagnetik jež
se vyznačujiacute strmou magnetizačniacute křivkou a uacutezkou hysterezniacute smyčkou Majiacute vysokou počaacutetečniacute
a maximaacutelniacute permeabilitu a malou koercivitu Hclt103
Am Často lze hysterezi zanedbat a je možneacute
uvažovat pouze s magnetizačniacute křivkou1
Na trhu s magnetickyacutemi materiaacutely figuruje řada vyacuterobců a distributorů Naacutesledujiacuteciacute z nich jsem
oslovil s prosbou o poskytnutiacute vzorků magnetickyacutech jader pro měřeniacute magnetickyacutech vlastnostiacute
1 aplik
38
711 Vyacuterobci měkkyacutech feromagnetickyacutech materiaacutelů
a) Firma Therma FM
Firma Therma FM vyraacutebiacute magnetickeacute obvody z anizotropniacutech plechů a nabiacuteziacute i izotropniacute
dynamoplechy Materiaacutely pro vyacuterobu jader firma odebiacuteraacute od společnosti ThyssenKrupp
Jaacutedra pro jednofaacutezoveacute transformaacutetory jsem použil jako statoroveacute jaacutedra realizovaneacuteho motoru
Při vyacuterobě naviacutejeno na obdeacutelniacutekoveacute kopyto o rozměrech odpoviacutedajiacuteciacutech požadovaneacute velikosti okna pro
primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Jaacutedro je po navinutiacute z transformaacutetoroveacuteho plechu rozřiacuteznuto na dvě
poloviny jedna z nich je na Obr Xx Po rozřiacuteznutiacute jaacutedra je možneacute nasunout vinutiacute
Obr 72 Fotografie jedneacute poloviny jaacutedra pro jednofaacutezoveacute transformaacutetory
Magnetickeacute vlastnosti jaacutedra vyrobeneacuteho z materiaacutelu M150-30S jsou uvedeny v Tab71
Tab 71 Magnetickeacute vlastnosti jaacutedra stanoveneacute normou EN 10107
Norma Tloušťka
Max ztraacuteta v
jaacutedře při 15 T
[Wkg]
Maximaacutelniacute ztraacuteta
v jaacutedře při 17 T
[Wkg]
Min
J800
Nejmenšiacute
činitel
plněniacute
Typ
EN 10107 mm 50 Hz 50 Hz 60 Hz T PowerCore
M 150-30 S 030 097 150 197 175 0955 C 150-30
Magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelů jakosti M150-30S a M600-50 na Obrxx jsou zrekonstruovaneacute
podle z katalogovyacutech křivek vyacuterobce Thyssen Krupp
39
Obr 73 B-H charakteristiky jader z orientovanyacutech (M150-30S) trafoplechů a
neorientovanyacutechdynamoplechů M600-50
0
05
1
15
2
25
0 250 500 750 1 000 1 250 1 500 1 750 2 000
B [T]
H [Am]
Magnetizačniacute charakteristiky
M150-30S
M600-50
40
b) Firma Vacuumschmelze (VAC)
Tento německyacute vyacuterobce poskytnul dva vzorky toroidniacutech jader s nanokrystalickou strukturou Materiaacutel
je prodaacutevaacuten pod obchodniacutem naacutezvem Vitroperm 500F a vynikaacute velice uacutezkou hysterezniacute smyčkou
vysokou hodnotou magnetickeacute indukce při maleacute koercivitě Zaacutekladniacute složkou Vitropermu je Fe
s přiacuteměsemi Si B Nb a Cu
Tab 72 Magnetickeacute vlastnosti Vitropermu 500F uvedeneacute v katalogu vyacuterobce
Saturačniacute
indukce
Statickaacute
koercivita
Přibližnaacute
rezistivita
Curieho
teplota Permebilita
Měrneacute ztraacutety
(100kHz 03T)
Bs [T] Hc [Am] φ [μΩcm] tc[degC] μi PFe [Wkg]
12 lt3 115 gt600 15000hellip150000 80
Na Obr Xx jsou vyacuterobcem uvedeneacute magnetizačniacute charakteristiky Vitropermu 500F a 250F
v porovnaacuteniacute s typickou charakteristikou feritu
Obr 74 Jaacutedra z Vitropermu 500F dosahujiacute oproti běžneacutemu feritu mnohem vyššiacute magnetickeacute indukce
Je zřejmeacute že cena Vitropermovyacutech jader je oproti feritovyacutem mnohem většiacute a to diacuteky naacuteročneacutemu
vyacuterobniacutemu procesu
Společnost VAC ve sveacutem sortimentu nabiacuteziacute jaacutedra s amorfniacute strukturou s obchodniacutem naacutezvem Vitrovac
Vyraacutebiacute se metodou rychleacuteho tuhnutiacute kdy se na studenyacute buben otaacutečejiacuteciacute se rychlostiacute 100kmh vleacutevaacute
skrze keramickou trysku směs materiaacutelů roztavenaacute na teplotu okolo 1300degC a prudce se ochlazuje
(1000000 Ks) na meacuteně než 400degC v 1ms Tiacutem vznikaacute paacuteska tloušťky 20 μm s amorfniacute strukturou
Na Obr 77 je pro představu vyobrazenaacute krystalickaacute amorfniacute a nanokrystalickaacute struktura materiaacutelu
41
Obr 75 Detail na krystalickou strukturu (vlevo) amorfniacute a nanokrystalickou strukturu (vpravo)
Mezi dalšiacute materiaacutely ktereacute VAC nabiacuteziacute patřiacute materiaacutely pro elektrickeacute stroje a zařiacutezeniacute kde je
požadovaacutena vysokaacute hodnota indukce Tyto materiaacutely jsou znaacutemi pod obchodniacutemi naacutezvy Ultraperm
Vacoperm Mumetall Permax Permenorm Megaperm Trafoperm Vacoflux Vacofer a Vacodur
Pro srovnaacuteniacute jsou na Obrxx magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelů Vacoflux 50 Vacoflux 17 a Fe a
Fe 3 přiacuteměsiacute Si
Obr 76 Statickeacute magnetizačniacute charakteristiky materiaacutelu Vacoflux 50 a Vcoflux 17 dosahuiacute vyšiacute
hodnoty magnetickeacute indukce nasyceniacute než běžnaacute křemiacutekovaacute ocel s obsahem 3 křemiacuteku a Fe 999
42
c) Firma Magnetics
Společnost Magnetics vyraacutebiacute jaacutedra lisovaacuteniacutem prachovyacutech přiacuteměsiacute se zaacutekladniacute složkou Na trhu jsou
znaacutemy pod označeniacutem High Flux MPP (Magnetics Molypermalloy Powder) Kool Mμ a Xflux
1 Jaacutedra High Flux jsou složena ze 79 Ni 17 Fe a 4 Mo Majiacute nejnižšiacute měrneacute ztraacutety ze
všech prchovyacutech jader
2 Jaacutedra MMP obsahujiacute 81 NI 17 Fe a 2 Mo Majiacute vynikajiacuteciacute vlastnosti jakyacutemi jsou
vysokaacute rezistivita niacutezkeacute hysterezniacute ztraacutety a ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy Z všch jader majiacute největšiacute
permeabilitu tiacutem paacutedem i vyššiacute hodnotu saturace
3 Jaacutedra Kool Mμ jsou vyrobena lisovaacuteniacutem prachu železnyacutech slitin a vykazujiacute nejmenšiacute
magnetostrikci
4 Jaacutedra XFlux obsahujiacute prach Fe s přiacuteměsiacute 65 Si Jsou vhodnaacute pro niacutezkofrekvenčniacute a
středofrekvenčniacute tlumivky
Tab 73 Magnetickeacute vlastnosti jader společnosti Magnetics katalogu vyacuterobce
Materiaacutel High Flux MMP Kool Mμ XFlux
Permeabilita 14-160 14-555 26-125 60
(Bs) [T] 15 075 105 16
Jaacutedra žeelezoprachovaacute byacutevajiacute teacutež označovanaacute jako železovaacute jaacutedra a jsou vyraacuteběna lisovaacuteniacutem
izolovaneacuteho praacutešku z magneticky měkkeacuteho materiaacutelu s niacutezkou koercitivniacute silou a vysokou
permeabilitou V současneacute době z tohoto materiaacutelu vyraacutebějiacute jaacutedra kromě firmy Magnetics jen někteřiacute
vyacuterobci a to předevšiacutem vaacutelcovaacute ladiacuteciacute jaacutedra pro laděniacute feritovyacutech hrniacutečkovyacutech jader a kruhovaacute jaacutedra
pro odrušovaciacute ciacutevky a filtračniacute tlumivky měničů napětiacute Zvyšovaacuteniacute objemu izolačniacute laacutetky vede ke
snižovaacuteniacute permeability jader a změně teplotniacute zaacutevislosti samotneacuteho magnetickeacuteho materiaacutelu jaacutedra a
roztažnostiacute jeho jednotlivyacutech složek Volbou směsi magnetickyacutech prachů je možneacute předem definovat
teplotniacute činitel permeability kteryacute může nabyacutevat klasnyacutech zaacutepornyacutech popř i nulovyacutech hodnot
Průmyslově se vyraacutebějiacute jaacutedra z jemnyacutech magnetickyacutech prachů s odstupňovanou permeabilitou
v rozsahu = 7 až 550 Jaacutedra toroidniacute s permeabilitou 7 až 150 se použiacutevajiacute v laděnyacutech obvodech
filtrů pro odrušovaciacute tlumivky jaacutedra s permeabilitou 90 až 550 v napaacutejeciacutech spiacutenaciacutech zdrojiacutech
Vysokeacute permeability je dosaženo materiaacutelovyacutem složeniacute magnetickyacutech prachů a změnou velikosti zrn
Čiacutem většiacute jsou prachovaacute zrna tiacutem vyššiacute je permeabilita diacuteky zvyacutešeniacute poměru magnetickeacuteho materiaacutelu
vůči izolačniacute laacutetce
43
72 Magneticky tvrdaacute feromagnetika
Magneticky tvrdeacute feromagnetickeacute materiaacutely majiacute magnetizačniacute křivku s malou strmostiacute a širokou
hysterezniacute smyčku Vykazujiacute poměrně malou permeabilitu a velkou koercivitu Hclt25middot103
Am
Použiacutevajiacute se pro permanentniacute magnety Vyacutevoj v oblasti těchto materiaacutelů nechal vzniknout celeacute řadě
magnetů odlišujiacuteciacutemi se magnetickyacutemi vlastnostmi konduktivitou mechanickyacutemi vlastnostmi a
ekonomickyacutemi parametry Tvrdaacute feromagnetika lze rozdělit naacutesledovně
a) Uhliacutekoveacute oceli ndash s obsahem 15 uhliacuteku Daacutele byly zdokonaleny legovaacuteniacutem wolframem
chromem a kobaltem a zakaleniacutem na martenzitickou strukturu Naacutesledně byly vyrobeny
mnohem vyacutehodnějšiacute slitiny železa niklu a hliniacuteku (Al-Ni) přiacutepadně kobaltu (Al-Ni-Co)
mědi či titanu Nevyacutehodou slitin Al-Ni a Al-Ni-Co je značnaacute mechanickaacute tvrdost křehkost a
tiacutem paacutedem i obtiacutežnaacute opracovatelnost
b) Tvrdeacute ferity ndash např barioveacute (BaFe12O19) nebo stroncioveacute (SrFe12O19) ferity s obsahem
přibližně 80 železa a asi 20 oxidu baria BaO nebo stroncia SrO Mohou byacutet izotropniacute a
anizotropniacute Niacutezkaacute cena a spolehlivost předurčuje tyto materiaacutely pro užitiacute v automatizačniacute
řiacutediacuteciacute a měřiciacute technice
c) Magnety ze vzaacutecnyacutech zemin ndash složeniacute na baacutezi samarium-kobalt (SmCo5 a Sm2Co17) nebo na
baacutezi neodym-železo-boacuter (Nd2Fe14B) Vyraacutebiacute se procesy praacuteškoveacute metalurgie lisovaacuteniacutem
v magnetickeacutem poli s naacuteslednyacutem speacutekaacuteniacutem Patřiacute k nejvyacutekonnějšiacutem permanentniacutem
magnetům Použiacutevajiacute se v silnoproudeacute počiacutetačoveacute a řiacutediacuteciacute technice a u elektroakustickyacutech
zařiacutezeniacute
d) Plastoveacute magnety ndash jsou vyraacuteběny ve formě plastoveacute nemagnetickeacute matrice v niacutež je plnidlem
jemnyacute praacutešek z vhodnyacutech slitin (alni alnico tvrdeacute ferity či materiaacutely na baacutezi vzaacutecnyacutech zemin)
Mohou byacutet izotropniacute nebo anizotropniacute Vyraacutebiacute se lisovaacuteniacutem nebo slinovaacuteniacutem při vysokeacute
teplotě do libovolneacuteho tvaru Použiacutevajiacute se v slaboproudeacute technice
Obr 77 Srovnaacuteniacute demagnetizačniacutech charakteristik permanentniacutech magnetů
44
73 Měřeniacute hysterezniacutech charakteristik vzorků magnetickyacutech jader
Pro měřeniacute hysterezniacutech charakteristik byl použit systeacutem Remacomp-C2
Přiacuteprava vzorků magnetickyacutech jader pro měřeniacute na systeacutemu Remacom-C2
Na jaacutedra bylo před měřeniacutem navinuto primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Mezi primaacuterniacutem a sekundaacuterniacutem
vinutiacute byl proveden izolačniacute proklad lepiciacute paacuteskou Průměr vodiče a počet zaacutevitů v primaacuterniacutem (N1) a
sekundaacuterniacutem (N2) vinutiacute je uveden v Tab Na Obr jsou již vzorky připraveny pro měřeniacute
Tab 74 Bližšiacute specifikace rozměrů počet zaacutevitů vinutiacute a průměr vodičů
Vyacuterobce Therma FM Vacuumschmelze Magnetics
Jaacutedro C150-30S Vitroperm 500F KoolMμ
Tvar Obdeacutelniacutekoveacute Toroid Toroid
Vnějšiacute průměr [mm] 64x36 323 274
Vnitřniacute průměr mm] 55x16 178 145
Vyacuteška mm] 13 122 117
N2 [z] 47 53 41
N2 [z] 47 53 41
Průměr vodiče [mm] 075 05 05
Měřeniacute je provedeno při frekvenciacutech 50Hz a 300Hz a maximaacutelniacute intenzitě 250 Am u jader
M150-30S a Vitropermu 500F Materiaacutel KoolMμ byl měřen při maximaacutelniacute intenzitě 5950 Am
z důvodů zachyceniacute maximaacutelniacute hodnoty indukce tohoto jaacutedra Na Obr71 až 715 jsou pro
srovnaacuteniacute hysterezniacute uvedeny charakteristiky měřenyacutech materiaacutelů
Obr 78 Vzorky jader připraveneacute na měřeniacute hysterezniacutech charakteristik Vlevo M150-30S uprostřed
Vitroperm 500F a vpravo KoolMμ
45
Obr 79 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
Obr 710 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=250 Am Bmax=157 T
Obr 711 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z plechů M150-30S měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=250 Am Bmax=153 T
Při frekvenci 300Hz došlo k nepatrneacutemu sniacuteženiacute hodnoty Bmax oproti 50 Hz Intenzita Hc se
ztrojnaacutesobila
Remacomp-C2 nebyl schopen naměřit hysterezniacute smyčku Vitropermu 500F na Obr zcela bezchybně
46
Obr 712 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z Vitropermu 500F měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity
magnetickeacuteho pole Hmax=279 Am při 50Hz vykazuje odskoky od skutečneacuteho průběhu
Obr 713 Hysterezniacute smyčka jaacutedra z Vitropermu 500F měřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě
intenzity magnetickeacuteho pole Hmax=279 Am při 300 Hz takeacute vykazuje odskoky od skutečneacuteho průběhu
Při změně frekvence z 50 Hz na 300Hz došlo k naacuterůstu koercitivity o pohyacutech 07 Am Materiaacutel
vykazuje velice malou hodnotu remanentniacute indukce pro obě frekvence
47
Obr 714 Hysterezniacute smyčka jaacutedra Kool Mμ změřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity magnetickeacuteho
pole Hmax=5950 Am při 50 Hz
Obr 715 Hysterezniacute smyčka jaacutedra Kool Mμ změřenaacute při maximaacutelniacute hodnotě intenzity magnetickeacuteho
pole Hmax=5950 Am při 300 Hz
48
731 Vyhodnoceniacute naměřenyacutech vyacutesledků
Nejvyššiacute hodnoty indukce dosahujiacute jaacutedra z plechů M150-30S Koercitivniacute intenzita se u jaacutedra z plechů
M150-30S stejně jako u matriaacutelu KoolMμ při změně frekvence z 50 Hz na 300 Hz ztrojnaacutesobila
Niacutezkaacute cena jader KoolMμ je z hlediska naměřenyacutech veličin odpoviacutedajiacuteciacute Jaacutedra Kool Mμ vykazujiacute
amplitudovou permeabilitu μa pouze 77 Vyacuterobce uvaacutediacute hodnotu μa=125
Nejnižšiacute koercitivniacute intenzita byla naměřena u materiaacutelu Vitroperm 500F Měřeniacute magnetickeacuteho jaacutedra
Vitropermu 500F při 50 Hz prokaacutezalo velice niacutezkou koercitivniacute intenzitu Hc= 1Am kteraacute odpoviacutedaacute
uacutedajům z katalogoveacuteho listu Tento špičkovyacute materiaacutel se použiacutevaacute pro sveacute charakteristickeacute vlastnosti
pro jednofaacutezoveacute a trojfaacutezoveacute magnetickeacute obvody ve spiacutenanyacutech napaacutejeciacutech zdrojiacutech frekvenčniacutech
měničiacutech ale i pro běžneacute tlumivky Struktura tohoto materiaacutelu je velice křehkaacute neboť je navinuta
z 20 μm tenkyacutech vrstev Diacuteky tomu neniacute vhodneacute tato jaacutedra dělit řezaacuteniacutem
49
8 Realizovanyacute Adamsův motor
81 Virtuaacutelniacute model Adamsova motor generaacutetoru a jeho praktickaacute
realizace
Model motoru je vytvořen v programu SolidWorks SolidWorks je mocnyacutem naacutestrojem konstrukteacutera a
nabiacuteziacute snadnou optimalizaci modelu
Po vytvořeniacute jednotlivyacutech diacutelů je možneacute tyto diacutely pomociacute vazeb navzaacutejem svaacutezat a tiacutem daacutet okamžitou
představu o chovaacuteniacute modelu
Při naacutevrhu Adamsova motoru jsem vychaacutezel předevšiacutem z rozměrů magnetickyacutech jader statoroveacute čaacutesti
stroje
811 Stator
a) Jako nosnaacute konstrukce pro jaacutedra statoru uloženiacute ložisek uchyceniacute desky plošnyacutech spojů
optickyacutech senzorů sloužiacute dvě tabule z plexiskla tloušťky 8 mm ktereacute tvořiacute nosnou konstrukci
neboť jsou po obvodu vzaacutejemně spojeny šesti zaacutevitovyacutemi tyčemi o průměru 5 mm Na Obr je
zadniacute nosnaacute tabule plexiskla
Obr 81 Zadniacute nosnaacute deska z plexiskla
Otvor průměru 26 mm nachaacutezejiacuteciacute se uprostřed sloužiacute pro uloženiacute kuličkoveacuteho ložiska Skrze
otvory průměru 51 mm po jeho obvodu prochaacuteziacute šrouby pro přichyceniacute krytů ložiska
Naacutesledujiacute otvory určeneacute pro upevněniacute optickyacutech čidel dřevěneacuteho krytu pro zakrytiacute vodičů
připojenyacutech k vinutiacutem a optickyacutem senzorům Skrze podlouhleacute draacutežky jsou šrouby přitaženy
dřevěneacute držaacuteky statorovyacutech jader Vzhledem ke tvaru draacutežky je zajištěna možnost jejich
50
polohovaacuteniacute vzhledem k rotoru Volnyacute prostor na praveacute straně je určen pro upevněniacute desky
plošnyacutech spojů s elektronickyacutemi součaacutestkami
b) Nosneacute držaacuteky pro jaacutedra statoru jsou použity dřevěneacute špaliacuteky do kteryacutech jsou jaacutedra vlepena
epoxidovou pryskyřiciacute
c) Optočleny TCST 2103 jsou přitaženy k jejich dutyacutem dřevěnyacutem držaacutekům imbusovyacutemi šrouby
průměru 3 mm Skrze dřevěneacute držaacuteky jsou kolmo na směr vyacutevodů optočlenu vyvrtaacuteny otvory
pro zaacutevitoveacute tyče jež spolu s našroubenyacutemi matkami přitahujiacute držaacutek s čidlem jedneacute k zadniacute
desce plexiskla statoroveacute čaacutesti stroje Jistaacute uacuteroveň dotaženiacute matce dovoluje držaacutek s čidlem
nataacutečet a měnit tak okamžik sepnutiacute optočlenu
Obr 82 Optočlen TCST 2103 připevněnyacute k dřevěneacutemu držaacuteku
d) Stejnou vzdaacutelenost mezi dvěma plexiskly statoru zajišťujiacute distančniacute trubice skrze ktereacute
prochaacuteziacute zmiacuteněneacute zaacutevitoveacute tyče spojujiacuteciacute obě zaacutekladoveacute tabule plexiskla Tyto trubice jsou
vyrobeny z kostry stojanu pro sušeniacute praacutedla Z estetickyacutech důvodů je na nich navlečena a
zatavena teplem smršťovaciacute bužiacuterka
Postup vytvořeniacute ciacutevky v SolidWorksu
1 V předniacute rovině skici na Obr je pomociacute os X a Y vytvořen souřadnicovyacute systeacutem potřebnyacute pro
tvorbu zaacutekladniacutech vazeb využityacutech při ryacutesovaacuteniacute
2 Čelniacute pohled na jeden poacutel magnetickeacuteho jaacutedra ve statoru na ktereacute maacute byacutet umiacutestěna jedna
budiacuteciacutech ciacutevek je vytvořen z konstrukčniacutech přiacutemek a okoacutetovaacuten rozměry 13 mm x 11 mm
3 Vnitřniacute rozměry ciacutevky jsou z čelniacuteho pohledu oproti jaacutedru na každeacute straně zvětšeny o 05 mm
tedy o tloušťku foacutelie jež tvořiacute kostřičku ciacutevky a malou vzduchovou mezeru umožňujiacuteciacute volneacute
nasunutiacute ciacutevky na magnetickeacute jaacutedro
4 Poloměr zaobleniacute vnitřniacute čaacutesti kostry ciacutevky je 08 mm
51
Obr 81 Skica naacutevrhu diacutelu
5 Vnějšiacute rozměry ciacutevky jsou daacuteny počtem vrstev zaacutevitů a celkovyacutem činitelem plněniacute ciacutevky
Deset vrstev zaacutevitů vodičem 03 mm spolu s izolačniacute a nosnou kostrou ciacutevky vytvořiacute 4 mm
vysokou vrstvu zaacutevitů v roziacutech zaoblenou se stejně velkyacutem poloměrem 4mm Vnějšiacute a vnitřniacute
zaobleniacute rohů je od rovnyacutech segmentů skici odděleno uacutesečkami čiacutemž je skica dokončena
6 Využitiacutem funkce přidaacuteniacute vytaženiacutem a jejiacute aplikaciacute na jednotliveacute segmenty skici je ciacutevka
symetricky vytažena do prostoru na deacutelku 19 mm Zamiacutetnutiacutem funkce sloučit vyacutesledky při
vytaženiacute jsou všechny segmenty ciacutevky vytvořeny jako samostatneacute objekty čiacutemž odpadaacute
děleniacute modelu v Ansysu
Obr 82 Model ciacutevky
Magnetickaacute jaacutedra použitaacute ve statoru jsou původně určena pro jednofaacutezoveacute jaacutedroveacute transformaacutetory
Jaacutedro transformaacutetoru je při vyacuterobě naviacutejeno na obdeacutelniacutekoveacute kopyto o rozměrech odpoviacutedajiacuteciacutech
požadovaneacute velikosti okna pro primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute Jaacutedro je po navinutiacute
z transformaacutetoroveacuteho plechu rozřiacuteznuto na dvě poloviny jak je zřejmeacute z Obr xx čiacutemž je možneacute do
magnetickeacuteho obvodu nasunout primaacuterniacute a sekundaacuterniacute vinutiacute
V našem přiacutepadě je pro každeacute magnetickeacute jaacutedro statoru použita pouze jedna polovina zmiacuteněneacuteho
transformaacutetoroveacuteho jaacutedra Okno statoroveacuteho jaacutedra určeneacute pro umiacutestěniacute obou vinutiacute statoru maacute pouze
polovičniacute deacutelku oproti transformaacutetoru a na straně řezu je otevřeno
52
Obr 83 Pohled na uloženiacute vinutiacute
Obě budiacuteciacute ciacutevky jsou nasunuteacute na jednom jaacutedru statoru a jsou totožneacute tj majiacute stejnyacute počet zaacutevitů
vinutyacutech vodičem o stejneacutem průřezu Jsou spojena do seacuterie a spolu s magnetickyacutem jaacutedrem tvořiacute jeden
z osmi statorovyacutech magnetickyacutech obvodů
Na Obr Xx je bližšiacute pohled na rozloženiacute vodičů v průřezu ciacutevkou Každaacute vrstva zaacutevitů ciacutevky obsahuje
63 zaacutevitů v deseti vrstvaacutech
Obr 84 Rozloženiacute zaacutevitů
Počet zaacutevitů v jedneacute ciacutevce je daacuten naacutesobkem počtu zaacutevitů v jedneacute vrstvě a množstviacute vrstev tedy
63x10= 630 zaacutevitů Jelikož jsou obě ciacutevky na magnetickeacutem jaacutedru spojeny do seacuterie celkovyacute počet
zaacutevitů je dvojnaacutesobnyacute tedy 1260 zaacutevitů Protože statorovaacute jaacutedra odděluje od rotoru vzduchovaacute mezera
05 mm jsou obě vinutiacute od konce jaacutedra umiacutestěny ve vzdaacutelenosti 2 mm pro zajištěniacute bezpečneacute
vzdaacutelenosti od otaacutečejiacuteciacuteho se rotoru Naacutesledkem toho se do jedneacute vrstvy ciacutevky vleze menšiacute počet
zaacutevitů bliacuteže zpraženyacutech s magnetickyacutem tokem v jaacutedru
Počet vrstev obou vinutiacute je teacutež omezen a to jednak velikostiacute okna a mezerou 5 mm mezi oběma
vinutiacutemi Tato mezera zajišťuje možnost volneacuteho nasunutiacute vinutiacute na magnetickeacute jaacutedro a umožňuje
lepšiacute odvod tepla do okoliacute
53
Pro dosaženiacute konstantniacute vzduchoveacute mezery mezi vyniklyacutemi poacutely rotoru a jaacutedry ve statoru jsou konce
statorovyacutech jader zbroušeny na poloměr bliacutezkyacute poloměru plechů v rotoru
Kostřička ciacutevky
Pro vyacuterobu kostřiček ciacutevek posloužila plastovaacute folie určenaacute pro krytiacute předniacute strany dokumentu
svaacutezaneacuteho v kroužkoveacute vazbě Po vyřezaacuteniacute a ohnutiacute do požadovaneacuteho tvaru byla a slepena
oboustrannou lepiciacute paacuteskou
Obr 83 Kostřička ciacutevky vyrobenaacute z plastoveacute folie
Naviacutejeniacute ciacutevek
Pro naviacutejeniacute ciacutevek se realizovalo ručniacute naviacuteječkou s mechanickyacutem počiacutetadlem Na Obr84 je vidět že
obě ciacutevky jsou navinuty nepřerušenyacutem vodičem Obě ciacutevky majiacute 630 zaacutevitů
Obr 84 Pro zpevněniacute čel ciacutevek během naviacutejeniacute na plastovou kostřičku posloužily 5mm širokeacute destičky
z pertinaxu Draacutežky v nich vybroušeneacute umožnily zachyceniacute vyacutestupniacuteho vodiče ciacutevky pod navlečenou
gumičku Levaacute destička pertinaxu je odniacutematelnaacute po uvolněniacute dotaženeacuteho šroubu
Hotovaacute ciacutevka navinutaacute na kostřičce z plastoveacute folie je na Obr Po navinutiacute ciacutevky se čela kostřičky
(plastoveacute folie) zahnula přes horniacute vrstvu zaacutevitů a navzaacutejem slepila sekundovyacutem lepidlem
Obr 85 Pohled na ciacutevku zpevněnou kostřičkou z plastoveacute folie
54
Statoroveacute jaacutedro s ciacutevkami
Na každeacute z osmi statorovyacutech jader jsou nasunuty dvě seacuteriově spojeneacute ciacutevky Pro pevneacute zachyceniacute obou
vinutiacute je použit pružnyacute tmel
Obr 86 Pohled na statoroveacute jaacutedro s nasunutyacutem vinutiacutem
Uchyceniacute statorovyacutech jader
Statorovaacute jaacutedra jsou pevně zalepena epoxidovou plyskyřiciacute do dřevěnyacutech sloupků Po obou stranaacutech
sloupku jsou vyvrtaacuteny otvory v nižchž jsou vyřezaacuteny zaacutevity pro šrouby Dotaženiacutem šroubu jsou
sloupky s jaacutedry pevně uchyceny v deskaacutech z plexiskla
Obr 87 Pohled na jaacutedro zalepeneacute v dřevěneacutem držaacuteku
55
812 Rotor
Průměr rotoru a jeho konstrukčniacute řešeniacute je navrženo s ohledem na rozměry jader ve statoru a velkou
hmotnost dynamoplechů
e) Z velikosti okna pro primaacuterniacute vinutiacute je odvozena potřebnaacute vyacuteška permanentniacutech magnetů a
počet vrstev dynamoplechů v rotoru
f) Rozměry hřiacutedele jsou voleny s ohledem na použitaacute kuličkovaacute ložiska o vnitřniacutem průměru 10
mm a hmotnost rotorovyacutech plechů a je počiacutetaacuteno s jistou rezervou v přiacutepadě působeniacute vyššiacutech
momentů setrvačnosti celeacuteho rotoru Hřiacutedel a středoveacute přiacuteruby zajišťujiacute pevneacute přichyceniacute
středoveacuteho pouzdra permanentniacutech magnetů jelikož jsou vzaacutejemně spojeny čtyřmi šrouby
Hřiacutedel a středoveacute přiacuteruby jsou vysoustruženy z mosazi
Obr 88 Hřiacutedel je vysoustruženaacute z mosazneacute kulatiny
Na Obr je pohled na celkovou sestavu rotoru a statorovaacute jaacutedra Ke hřiacutedeli jsou přiacuteruby připevněny
ve čtyřech miacutestech
Obr 89 Pohled na rotor a jaacutedra statoru opatřenaacute vinutiacutem
g) Přiacuteruby pro uchyceniacute středoveacuteho pouzdra rotoru v němž jsou uloženy magnety jsou
vysoustruženy z mosazi stejně tak i přiacuteruba pro komutačniacute disk Přiacuteruby jsou ke hřiacutedeli pevně
dotaženy imbusovyacutemi šrouby
56
Obr 810 Jedna přiacuterub pro upevněniacute středoveacuteho pouzdra magnetů ke hřiacutedeli
h) Středoveacute pouzdro nesouciacute dynamoplechy a magnety je složeno z třiacute vrstev plexiskla tloušťky
2x4 mm + 1x5 mm Maacute tedy tloušťku 13 mm stejně jako vnitřniacute rozměr okna jaacutedra statoru
Přiacuteruby navlečeneacute na hřiacutedeli z obou stran stahujiacute plexiskla středoveacuteho pouzdra čiacutemž je pevně
spojujiacute s hřiacutedeliacute
Obr 811 Středoveacute pouzdro permanentniacutech magnetů
i) Dynamoplechy jsou po obou stranaacutech středoveacuteho pouzdra navrstveny na požadovanou vyacutešku
11 mm což odpoviacutedaacute přiacuteslušneacutemu rozměru jaacutedra v jeho řezu Při tloušťce dynamoplechu 05
mm je na obou stranaacutech pouzdra 22 vrstev dynamoplechu Jak dynamoplechy tak i středoveacute
pouzdro v sobě majiacute vyřezaacuteny otvory pro zaacutevitoveacute tyče a diacuteky matkaacutem dotaženyacutem po obou
stranaacutech rotoru spojujiacute navzaacutejem tyto čaacutesti s hřiacutedeliacute
Obr 812 Jedna sekce rotoru je složenaacute z 22 vrstev dynamoplechů
j) K dobreacutemu staženiacute dynamoplechů nejen v miacutestech kde k nim ze stran přileacutehajiacute matky
přispiacutevajiacute kryciacute kotouče z plexiskla na Obr813
57
Obr 813 Otvorem uprostřed kryciacuteho kotouče prochaacuteziacute hřiacutedel a je možneacute se diacuteky němu dostat na
šrouby připevňujiacuteciacute přiacuteruby rotoru pevně k řčiacutedeli
Vyacuteroba vyniklyacutech poacutelů rotoru
Rotoroveacute plechy jsou do požadovaneacuteho tvaru na Obr814 vyřezaacuteny pomociacute vodniacute pily Tryska
zařiacutezeniacute žene proud vodniacuteho paprsku spolu s abrazivem kolmo na řezanyacute objekt
Obr 814 Skica rotorovyacutech plechů s vyznačenyacutemi miacutesty pro umiacutestěniacute permanentniacutech magnetů
Na Obrxx zachycena vodniacute pila během vyřezaacutevaacuteniacute požadovaneacuteho tvaru rotoru do tabule
dynamoplechu o rozměrech 1x1metr
58
Obr 815 Sniacutemek pořiacutezenyacute během řezaacuteniacute dynamoplechu vodniacutem paprskem s abrazivem
Magnetickaacute čaacutest obvodu obvod rotoru se sklaacutedaacute ze dvou sekciacute mezi nimiž jsou umiacutestěny permanentniacute
magnety ktereacute sloužiacute jako zdroj magnetickeacuteho pole Každaacute sekce je vytvořena navrstveniacutem
dynamoplechů do vrstvy 11 mm Při tloušťce dynamoplechu to odpoviacutedaacute 22 vrstvaacutem v každeacute sekci
Obr 816 Čelniacute pohled na zkompletovanyacute rotor
Komutaacutetor
Komutaacutetor je realizovaacuten průhlednou foacuteliiacute s černyacutem potiskem Pravidelneacute střiacutedaacuteniacute průsvitnyacutech a
černyacutech oblastiacute na foacutelii během otaacutečeniacute rotoru zajišťuje pravidelneacute přerušovaacuteniacute IR paprsku v osmi
optoelektronickyacutech spiacutenačiacutech TCST 2103 rozmiacutestěnyacutech pravidelně okolo obvodu komutačniacute folie
Na foacutelii je sedm černyacutech a sedm průsvitnyacutech vyacutesečiacute což odpoviacutedaacute počtu sedmi vyniklyacutech poacutelů v obou
sekciacutech rotoru oddělenyacutech permanentniacutemi magnety Nastaveniacute optimaacutelniacute uacutehlu natočeniacute komutačniacute
folie bylo stanoveno měřeniacutem pro uacutehly natočeniacute 1285deg 5 deg 0deg a -1285deg Vyacutesledky jsou shrnuty
v zaacutevěru praacutece
59
Obr 817 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 1285deg
Obr 818 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 5deg
Obr 819 Nastaveniacute uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie 0deg
Obr 820 Nastaven uacutehlu pootočeniacute komutačniacute folie -1285deg
Na Obr je čelniacute pohled na realizovanyacute komutaacutetor Po obvodu jsou rovnoměrně rozmiacutestěny černeacute
dřevěneacute držaacuteky s optočleny skrze ktereacute prochaacuteziacute uacutezkeacute zaacutevitoveacute tyče zbroušeneacute tak aby uvnitř držaacuteku
nepoškodily přiacutevodniacute vodiče optočlenů Dotaženiacutem matek našroubovanyacutech na zaacutevitoveacute tyče je možneacute
pevně přitaacutehnout
60
Obr 821 Fotorgrafie realizovaneacuteho komutaacutetoru
Obr 822 Podrobnějšiacute pohled s popisem čaacutestiacute
Optoelektronickeacute
spiacutenače TCST 2103
Jaacutedra statoru
Vinutiacute statoru
Komutaacutetor
s regulaciacute předstihu
Vynikleacute poacutely
rotoru
61
Zkompletovanyacute motor
Na Obr jsou na nosneacute desce namontovaacutena statorovaacute jaacutedra
Obr 823 Horniacute pohled na nosnou desku Uprostřed desky je vidět nachaacuteziacute kryt ložiska
Vodiče ciacutevek na magnetickyacutech jaacutedrech jsou zavedeny do bdquočokolaacutedldquo přišroubovanyacutech po bočniacutech
stranaacutech dřevěnyacutech držaacuteků jader
Obr 824 Bočniacute pohled na dřevěneacute držaacuteky jader statoru
Vyacutevody z čokolaacuted jsou protaženy do dřevěneacuteho tunelu zobrazenyacute ze spodniacute strany na Obr kteryacute
sloužiacute jako ochrana před otaacutečejiacuteciacutem se rotorem
Obr 825 Spodniacute strana kryciacuteho tunelu před vyvrtaacuteniacutem otvorů pro přichyceniacute k nosneacute desce
62
Obr 826 Čelniacute pohled na hotovyacute model Adamsova motoru
Obr 827 Redukce připevněnaacute na hřiacutedeli sloužiacute pro zvětšeniacute jejiacuteho průměru při spojeniacute spojeniacute
motoru s dynamometrem
63
82 Elektrickyacute obvod
821 Popis a scheacutema zapojeniacute
Elektronickaacute čaacutest je spiacutenaacutena přerušovaacuteniacutem infračerveneacuteho paprsku dopadajiacuteciacuteho na fototranzistor
v optočlenu Paprsek prochaacuteziacute průsvitnou čaacutestiacute foacutelie ve chviacuteli kdy jsou vynikleacute poacutely rotoru v čelniacute
pozici se statorovyacutemi jaacutedry a ciacutevky umiacutestěneacute na těchto jaacutedrech v nich majiacute vybudit magnetickyacute
indukčniacute tok opačneacuteho směru oproti toku vystupujiacuteciacuteho z rotorovyacutech poacutelů Naacutesledkem siloveacuteho
působeniacute mezi magnetickyacutemi poli rotoru a statoru je rotor roztaacutečen
Obr 828 Scheacutema zapojeniacute elektrickeacuteho obvodu pro řiacutezeniacute motoru Obvod v praveacute čaacutesti obraacutezku za
přerušovanou čarou se opakuje celkem 4x Pro ušetřeniacute miacutesta je tedy zobrazena pouze jedna čtvrtina
zapojeniacute
Elektrickyacute obvod je možneacute rozdělit na čaacutest vyacutekonovou kteraacute je od čaacutesti niacutezko přiacutekonoveacute oddělena
řiacutediacuteciacute elektrodou vyacutekonovyacutech MOSFET tranzistorů IRF540 Na Obr xx je pro zmenšeniacute ušetřeniacute
miacutesta zobrazena pouze jedna čtvrtina čaacutesti scheacutematu elektrickeacuteho obvodu V leveacute čaacutesti scheacutematu jsou
vyznačena miacutesta připojeniacute napaacutejeciacuteho napětiacute Pro laboratorniacute měřeniacute je vhodneacute vzaacutejemně je oddělit
Kladnyacute poacutel stejnosměrneacuteho napaacutejeciacuteho napětiacute o velikosti 5-31 V je pojen k ciacutevkaacutem skrze konektory
L1až L8 k ke statorovyacutem vinutiacutem Stejnosměrneacute napětiacute 10 ndash 35 V DC je připojeno přes stabilizaacutetor
napětiacute 7808 a Rezistory R1 a R2 k optočlenům TCST 2103 ktereacute jsou ve scheacutematu zastoupeny
vyacutevody označenyacutemi EM1 a DET1 Ty Zkratkovitě označujiacute přiacuteslušnyacute emitor IR zaacuteřeniacute (infračervenaacute
dioda) a detektor (fototranzistor pro infračerveneacute spektrum) implementovaneacute v pouzdru optočlenu
Hodnoty odporů jsou stanoveny na zaacutekladě snahy omezit proud řiacutediacuteciacuteho obvodu na nejnižšiacute hodnotu a
zaacuteroveň zachovat spraacutevnou funkci obvodu Jmenovitaacute hodnota proudu emitorem je 20mA Proud
tekouciacute skrze EM1 až EM8 je nastaven předřadnyacutemi rezistory 6K8 na hodnotu cca 1mA Paprsek
prochaacuteziacute skrze průsvitnou čaacutest komutaacutetoru nebo je přerušen černě potištěnou čaacutestiacute Pokud paprsek
dopadaacute na detektor a otviacuteraacute jej a proud může prochaacutezet přes odpory 39K předřazeneacute detektorům Za
detektory jsou napojeny Schmittovi klopneacute obvody na jejichž vstupech se objeviacute napětiacute v přiacutepadě že
je detektor paprskem neosviacutecen Klopneacute obvody jsou napaacutejeny napětiacutem ze stabilizaacutetoru a na sveacutem
64
vyacutestupu majiacute toteacutež napětiacute pokud je na jejich vstupu napětiacute nuloveacute V jednom pouzdře integrovaneacuteho
obvodu 40106N se nachaacuteziacute 6 investujiacuteciacutech hradel Paralelniacutem spojeniacute třiacute je sniacutežen odpor hradla na
třetinu Naacutesleduje vyacutekonovyacute MOSFET tranzistor IRF560 s odporem přechodu elektrod DS v
sepnuteacutem stavu 44m Ω Niacutezkaacute vyacutekonovaacute ztraacuteta těchto tranzistorů snižuje ztraacutetovyacute vyacutekon na minimum
v porovnaacuteniacute s bipolaacuterniacutemi tranzistory Je-li na vstupniacute elektrodu G připojeno kladneacute napětiacute tranzistor
se otevře a umožniacute průchod proudu přiacuteslušnyacutem vinutiacutem připojenyacutem ke konektoru L1až L8
822 Deska plošnyacutech spojů
Deska plošnyacutech spojů vytvořenaacute stejně tak jako scheacutema v programu Eagle
Obr 829 Deska plošnyacutech spojů elektronickeacute ho obvodu z pohledu součaacutestek
Navrženaacute deska plošnyacutech spojů je vyrobena bdquofotocestouldquo Působeniacutem zdroje ultrafialoveacuteho světla
dojde ke změně chemickeacute struktury fotocitliveacute vrstvy kteraacute se nachaacuteziacute v miacutestech prosviacuteceniacute průsvitneacute
předlohy DPS Po rozpuštěniacute osviacuteceneacute vrstvy fotocitliveacuteho laku v hydroxidu sodneacutem byla deska
omyta vodou a odleptaacutena v chloridu železiteacutem
Obr 830 Osvit desky plošnyacutech spojů 11W UV zaacuteřivkou
65
Obr 831 Hotovaacute deska po odvrtaacuteniacute otvorů pro vyacutevody součaacutestek a protaženiacute vodičů do dřevěneacuteho
kryciacuteho tunelu
66
9 Magnetostatickaacute analyacuteza Adamsova motoru
91 Vyacutepočet zjednodušeneacuteho magnetickeacuteho obvodu
911 Feromagnetika v magnetickeacutem obvodu
Permanentniacute magnety použiteacute rotoru jsou neodymoveacute (Nd-Fe-B) s magnetizaciacute N38 a maximaacutelniacute
pracovniacute teplotě 80degC Magnety majiacute tvar vaacutelce Požadovanaacute vyacuteška magnetů je 13 mm a odpoviacutedaacute
přiacuteslušneacutemu rozměru okna jader ve statoru Požadovaneacute vyacutešky bylo dosazeno spojeniacutem magnetu o
vyacutešce 10 mm a magnetu o vyacutešce 3 mm Magnety majiacute průměr 15mm
Demagnetizačniacute charakteristika magnetu je na Obr
Obr 91 Druhyacute kvadrant pracovniacutech hysterezniacutech smyček B(H) a J(H)=B(H)-μ0H
permanentniacuteho magnetu s magnetizaciacute N38 měřeno při 26degC
Magnetickaacute jaacutedra statoru jsou vyrobena z FeSi transformaacutetoroveacuteho plechu s anizotropniacute strukturou o
jakosti M150-30 Materiaacutel maacute poměrně niacutezkou konduktivitu tedy niacutezkeacute ztraacutety viacuteřivyacutemi proudy
Magnetickeacute čaacutesti rotoru jsou z dynamoplechů izotropniacute struktury o jakosti M600 - 50
Vyacutepočet magnetickeacute indukce a intenzity magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře mezi rotorovyacutem a
statorovyacutem poacutelem
Magnetickyacute obvod se sklaacutedaacute z permanentniacuteho magnetu dvou vyniklyacutech poacutelů rotoru dvou
vzduchovyacutech mezer a jaacutedra statoru
-14
-12
-1
-08
-06
-04
-02
0
02
04
06
08
1
12
14
-1 200 -1 100 -1 000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0
J B [T]
H [kAm]
Demagnetizačniacute charakteristika NdFeB magnetu (N38)
J magnetu
B magnetu
B vakau
HBHmax=473 kAm BHmax=294 kJm3
BBHmax=0612 T B
J
μ0H
HC=-937 kAm
67
Obr 92 Magnetickyacute obvod s permanentniacutem magnetem
Pro středniacute indukčniacute čaacuteru naznačenou v magnetickeacutem obvodu přerušovanou čarou platiacute podle prvniacute
Maxwellovy rovnice v integraacutelniacutem tvaru
kde indexy značiacute M permanentniacute magnet žr železo rotoru v vzduchovou mezeru a žs železo statoru
Železo rotoru (dynamoplechy) a železo statoru (transformaacutetoroveacute plechy) jsou feromagneticky měkkeacute
materiaacutely Pro zjednodušeniacute vyacutepočtu předpoklaacutedaacuteme že jejich permeability tj jejich
magnetickeacute odpory a tedy i magnetickaacute napětiacute a jsou zanedbatelně maleacute
takže pro intenzitu magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře platiacute
Pro magnetickyacute indukčniacute tok permanentniacuteho magnetu platiacute
kde je činitel rozptylu ve vzduchoveacute mezeře a jestliže k rozptylu toku nedochaacuteziacute tak
Magnetickyacute indukčniacute tok ve vzduchoveacute mezeře je vyjaacutedřen
Pro magnetickyacute indukčniacute tok permanentniacuteho magnetu platiacute
takže magnetickaacute indukce ve vzduchoveacute mezeře je
(19)
(20)
(21)
(22)
(23)
BM HM
lM
lžr
lžr
lv
lv
lžs
Bv
Hv
Sv
Sžr Sžs
SM
Hžr
Hžr
Hžs Bžs
Bžr
Bžr
J
S
Sžr
Bv
Hv
68
odtud
Z rovnosti rovnic (19) a (24)
lze vyjaacutedřit magnetickou indukci permanentniacuteho magnetu jako
kde veličina Nd je tzv demagnetizačniacute činitel pro nějž platiacute
Pro dosazeniacute do (24) je zapotřebiacute stanovit hodnotu činitele rozptylu magnetickeacuteho toku ve vzduchoveacute
mezeře Stanoviacuteme odhadem (
Pro dosazeniacute do (24) je daacutele zapotřebiacute stanovit průřez magnetu Při průměru 15 mm je
Průřez vzduchoveacute mezery mezi statorem a rotorem vypočteme jako aritmetickyacute průměr průřezu poacutelu
jaacutedra statoru a průřezu vynikleacuteho poacutelu rotoru Skutečneacute průřezy poacutelu statoru a rotoru lze jednoduše
odečiacutest z virtuaacutelniacuteho modelu v DesignModeleru Ansysu jak je naznačeno na Obr93 a na Obr94
Průřez poacutelu statoroveacuteho jaacutedra SS je dle DesignModeleru 14328 mmsup2
Obr 93 Po označeniacute plochy jaacutedra statoru vypočte DesignModeler jejiacute průřez
(24)
(25)
(26)
(27)
(28)
(29)
69
Průřez vynikleacuteho poacutelu rotoru SR je dle DesignModeleru 29128 mmsup2
Obr 94 Po označeniacute plochy vynikleacuteho poacutelu rotoru vypočte DesignModeler jeho průřez
Po dosazeniacute průřezů je aritmetickyacute průměr průřezu vzduchoveacute mezery
Vyacuteška použiteacuteho magnetu je daacutena součtem vyacutešek dvou na sobě umiacutestěnyacutech magnetů 10mm a 3 mm
tedy =13 mm
Řešenyacute magnetickyacute obvodu obsahuje dvě vzduchoveacute mezery o velikosti 1 mm Celkovaacute deacutelka
vzduchoveacute mezery je daacutena součtem těchto dvou deacutelek tedy =2 mm
Dosazeniacute všech potřebnyacutech hodnot do rovnice (24) vypočiacutetaacuteme demagnetizačniacute činitel
Dosazeniacutem demagnetizačniacuteho činitele do rovnice pro magnetickou indukci magnetu (26) ziacuteskaacuteme
rovnici přiacutemky
jejiacutež průsečiacutek s demagnetizačniacute křivkou permanentniacuteho magnetu na Obrxx stanoviacute pracovniacute bod
permanentniacuteho magnetu
Z grafu na Obr 95 je možneacute odečiacutest hodnotu magnetickeacute indukce permanentniacuteho magnetu v
pracovniacutem bodu BM=1 T a odpoviacutedajiacuteciacute hodnotu intenzity magnetickeacuteho pole HM=1 T
(30)
(31)
70
Obr 95 V průsečiacuteku přiacutemky s demagnetizačniacute charakteristikou se nachaacuteziacute pracovniacute bod P
permanentniacuteho magnetu v magnetickeacutem obvodu se vzduchovou mezerou
Zvětšeniacutem vzduchoveacute mezery v magnetickeacutem obvodu se zvětšiacute demagnetizačniacute činitel Nd tj zvětšiacute se
směrovyacute uacutehel přiacutemky z hodnoty α na hodnotu α1 a pracovniacute bod P se posune do polohy P1 jak je
naznačeno na Obr96
Obr 96 V průsečiacuteku přiacutemky s demagnetizačniacute charakteristikou se nachaacuteziacute pracovniacute bod
permanentniacuteho magnetu
00
02
04
06
08
10
12
14
-1 000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0
J B [T]
H [kAm]
Stanoveniacute pracovniacuteho bodu magnetu na demagnetizačniacute
charakteristice
B magnetu
Bm=-NdHm
BM=1 T
HM=-183 kAm
P
Br=124 T
HC=-937 kAm
71
Zmenšiacute-li se opět vzduchovaacute mezera na původniacute velikost nevraacutetiacute se pracovniacute bod P1 do sveacute původniacute
polohy v bodě P ale do polohy P2 po křivce k2 Smyčka složenaacute z křivek k1 a k2 je malaacute hysterezniacute
smyčka Přibližně ji můžeme nahradit uacutesečkou P1 P2 sviacuterajiacuteciacute s osou H uacutehel β Pohybuje-li se pracovniacute
bod po maleacute hysterezniacute smyčce jde vratneacute změny tj zanikne-li přiacutečina posuvu pracovniacuteho bodu vraciacute
se pracovniacute bod do sveacute původniacute polohy Pohyb pracovniacuteho bodu po hlavniacute hysterezniacute smyčce je
nevratnyacute K podobnyacutem jevům dochaacuteziacute když miacutesto změn vzduchoveacute mezery působiacuteme na permanentniacute
magnet magnetickyacutem polem ktereacute zvětšuje nebo zmenšuje jeho tok Všechny dalšiacute pohyby
pracovniacuteho bodu probiacutehajiacute přibližně po přiacutemce P1 P2 pokud směrovyacute uacutehel α nepřestoupiacute hodnotu uacutehlu
α1 Překročiacute-li tuto hodnotu pohybuje se pracovniacute bod opět po hlavniacute hysterezniacute smyčce a při naacutevratu
zpět k původniacute hodnotě uacutehlu α přechaacuteziacute na novou bdquomalou hysterezniacute smyčku vyznačenou na Obrxx
čaacuterkovaně [20]
Magnetickaacute indukce ve vzduchoveacute mezeře
Intenzita magnetickeacuteho pole ve vzduchoveacute mezeře
(32)
(33)
72
92 Vyacutepočet magnetickeacuteho obvodu v ANSYS Workbench
Magnetickaacute indukce - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 97 Pohled na rozloženiacute magnetickeacute indukce v obvodu při I=0A
Obr 98 Zobrazeniacute vektorů magnetickeacute indukce při I=0A
73
Magnetickaacute indukce - horniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 99 Rozloženiacute magnetickeacute indukce při I=0A
Obr 910 Zobrazeniacute vektorů magnetickeacute indukce při I=0A
74
Intenzita magnetickeacuteho pole - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 911 Rozloženiacute intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
Obr 912 Zobrazeniacute vektorů intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
75
Intenzita magnetickeacuteho pole - horniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru
Obr 913 Rozloženiacute intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
Obr 914 Zobrazeniacute vektorů intenzity magnetickeacuteho pole při I=0A
76
Rozloženiacute siacutely působiacuteciacute na poacutely rotoru vlivem přiacutetažneacute siacutely permanentniacuteho magnetu
Obr 915 Siacutela mezi poacutely rotoru
Přitažlivaacute siacutela mezi poacutely rotoru v miacutestě magnetu je daacutena rozdiacutelem maximaacutelniacute a minimaacutelniacute hodnoty sil
(34)
77
Magnetickaacute indukce při proudu 1 A - bočniacute pohled do řezu poacutelu statoru a rotoru při
921 Rozběh motoru
Uacutekolem je naleacutezt nejmenšiacute hodnotu proudu tekouciacuteho vinutiacutem statoroveacuteho jaacutedra při ktereacute dojde k
rozběhu motoru Vychaacutezejme z toho že přiacutetažnaacute siacutela působiacuteciacute na jedno jaacutedro statoru ktereacute je
v zarovnaneacute pozici s vyniklyacutemi poacutely rotou musiacute byacutet vlivem proudu tekouciacuteho vinutiacutem
Proud by měl miacutet takovou velikost aby v jaacutedru statoru vybudil magnetickyacute tok opačneacute polarity oproti
magnetickeacutemu toku vystupujiacuteciacuteho z protějšiacuteho vynikleacuteho poacutelu rotoru A to s takovyacutemi silovyacutemi
uacutečinkly aby byl došlo k pootočeniacute rotoru do pozice ve ktereacute se vedlejšiacute vynikleacute poacutely rotoru začnou
přitahovat k vedlejnšiacutemu statoroveacutemu jaacutedru Celyacute proces se poteacute opakuje i u dalšiacutech jader
Středniacute hodnota proudu tiacutemto vinutiacutem se během rozběhu motoru snižuje až na konstntniacute hodnotu
Dojdek k ustaacuteleniacute otaacuteček a doby průchodu proudu jednotlivyacutemi vinutiacutemi
78
Na Obr je graf průběhu siacutely působiacuteciacute na jaacutedro statoru ve směru osy x při změně velikosti proudu
tekouciacuteho vinutiacutem
Obr 916 Průběh siacutely při změně proudu
Z Obr919 je zřejmeacute že nuloveacute siacutely v ose x na jaacutedro statoru bude dosaženo při proudu 700 mA Tudiacutež
proud vědšiacute než 700 mA vyvolaacute odpuzeniacute rotorovyacutech poacutelů a celyacute proces se opakuje i u ostatniacutech
statorovyacutech jader
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
0 100 200 300 400 500 600 700
I [mA]
Fx [N]
Fx=f(I)
Fx= -2841 N
79
Na Obr je naacutezorně vidět zarovnanyacute vyniklyacute poacutel rotoru s jaacutedrem ve statoru
Obr 917 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru se statorovyacutem jaacutedrem při nuloveacute siacutele na magnetickeacute jaacutedro
Obr 918 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru s jaacutedrem ve statoru bez přiacutetomnosti proudu
Prochaacuteziacute-li vinutiacutem proud 700mA půsovyacute ma magnetickeacute jaacutedro ve směru osy x nulovaacute siacutela Rozloženiacute
magnetickeacute indukce je na Obr
α=0deg
Fx=0 N
I=700 mA
α=0deg
Fx=-2841 N
I=0 mA
80
Obr 919 Rozloženiacute indukce v obvodu při proudu tekouciacutem vinutiacute 700mA
Obr 920 Zarovnaacuteniacute vynikleacuteho poacutelu rotoru s jaacutedrem ve statoru při proudu tekouciacutem vinutiacute 700mA
81
922 Průběhy sil působiacuteciacute na rotor během pootočeniacute
Na obr je osa jaacutedra(v praveacutem rohu) zarovnaacutena s osou vynikleacuteho poacutelu rotoru (vyznačeno červeně) a
naacutesledujiacuteciacute vyniklyacute poacutel rotoru je oproti statoroveacutemu jaacutedru (vpravo) pootočen o uacutehel α = -643deg
Obr 921 Při pootočeniacute rotoru o uacutehel α = -643deg působiacute na rotor siacutela ve směru FY= -5645 N
Průběh siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor během nataacutečeniacute proti směru hodinovyacutech ručiček mezi uacutehly
pootočeniacute v meziacutech α= -643deg až 0deg
Hodnoty jsou vypočiacutetaacuteny v Ansysu s krokem 02 deg a proloženy přiacutemkou
Obr 922 Průběh siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor během pootočeniacute od -643deg do 0deg a vyznačeneacute hodnoty
siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor pro hodnoty natočeniacute uacutehlu α= -643deg a -5deg
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
F [N]
α [deg]
Fy=f(α)
α=-643deg FY=-5645 N
Fy= - 5645 N
I=0 mA
82
Obr 923 Průběh siacutely působiacuteciacute na rotor v ose y během pootočeniacute od -643deg do 0deg a vyznačeneacute hodnoty
siacutely v ose y působiacuteciacute na rotor pro hodnoty natočeniacute uacutehlu α= -643deg a -5deg
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
N [Nmm]
α [deg]
Fx=f(α)
83
10 Měřeniacute na realizovaneacutem motoru
V Tab101 jsou hodnoty odporu jednotlivyacutech vinutiacute měřeneacute při 20 degC
Tab 101 Hodnoty odporů vinutiacute
Časoveacute průběhy napětiacute a proudu byly naměřeny pomociacute profesionaacutelniacuteho dvoukanaacuteloveacuteho USB
osciloskopu Handyscope HS3 s parametry uvedenyacutemi v tabulce Tab102 Spojeniacutem osciloskopu s PC
bylo možneacute pomociacute napěťoveacute a proudoveacute sondy naměřit časoveacute průběhy napětiacute a proudu Použitaacute
proudovaacute sonda disponuje maximaacutelniacutem rozlišeniacutem 100 mVA
Tab 102 Vlastnosti Osciloskopu Handyscope HS3
Vstup Vyacutestup
max vzorkovaciacute frekvence 100MSs vzorkovaciacute frekvence 50MSs
volitelneacute rozlišeniacute 12-16 bitů rozlišeniacute 12 bitů
maximaacutelniacute napětiacute 200V napětiacute 0 plusmn12 V
impedance 1M Ω20pF maximaacutelniacute proud 05 A DC
Na Obr 101 je zachycen časovyacute průběh napětiacute a proudu změřenyacute na jednom z osmi vinutiacute statoru při
napětiacute 30V a mechanickeacute zaacutetěži Mz = 015 Nm
Rc1 Rc2 Rc3 Rc4 Rc5 Rc6 Rc7 Rc8
[Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω]
203 203 205 202 204 205 202 203 2034
84
Obr 101 Změřeneacute průběhy napětiacute a proudu na vinutiacute během zatiacuteženiacute momentem 015Nm
Hodnoty proudu změřeneacute osciloskopem jsou posunuty o stejnosměrnou složku směrem do
zaacutepornyacutech hodnot Tato chyba znehodnocuje naměřeneacute vyacutesledky proudu uvedeneacute v tabulce a
vznikla z neznaacutemeacute přiacutečiny jako důsledek nastaveniacute citlivosti proudoveacute soncy na hodnotu
100mVA
Tab 103 Hodnoty naměřeneacute osciloskopem Handyscope HS3
Umax Umin Up-p Uef Ustř Δt
[V] [V] [V] [V] [V] [ms]
2958 -7996 10992 3401 -0983 1419
Imax Imin Ip-p Ief Istř f
[mA] [mA] [mA] [mA] [mA] [Hz]
26459 -2276 49219 11375 2421 7048
Na Obr je vidět vysokonapěťovaacute špička opačneacute polarity vzhledem k napaacutejeciacutemu napětiacute kteraacute
dosahuje hodnoty -7996 V Vznikaacute důsledkem naacutehleacuteho přerušeniacute dodaacutevky proudu do obvodu ciacutevky
Magnetickeacute pole vytvořeneacute v magnetickeacutem obvodu se po přerušeniacute dodaacutevky proudu kteryacute jej vybudil
snažiacute zabraacutenit sveacute změně a zachovat proud v elektrickeacutem obvodu čiacutemž zpětně do elektrickeacuteho obvodu
vinutiacute indukuje vysokeacute napětiacute opačneacute polarity Dochaacuteziacute ke zpětneacute indukci napětiacute do elektrickeacuteho
obvodu Tento děj vyjadřuje druhaacute Maxwellova rovnice o zaacutekonu elektromagnetickeacute indukce
v diferenciaacutelniacutem tvaru vyjaacutedřeneacute vztahem
85
Na Obr je teacutež patrnyacute zaacutekmit napětiacute na konci zaacuteporneacute napěťoveacute špičky Tento zaacutekmit je způsoben
parazitniacute kapacitou vinutiacute Časovaacute konstanta s jakou děj odezněniacute je daacutena RLC parametry obvodu
Každyacute způsob provedeniacute vinutiacute maacute sveacute charakteristickeacute vlastnosti předevšiacutem vlastniacute kapacitu vinutiacute
V praxi se např požadavek na sniacuteženiacute vlastniacute kapacity vinutiacute u transformaacutetorů realizuje dvěma
způsoby
a) zmenšeniacute napěťoveacuteho rozdiacutelu mezi vrstvami popř sekcemi vinutiacute nebo zmenšeniacutem vzaacutejemneacute
kapacity těchto čaacutestiacute jejich odděleniacutem
b) sniacuteženiacutem dielektrickeacute konstanty konstrukčniacutech materiaacutelů využitiacutem vhodnyacutech izolantů pro
izolaci vodičů
Nejviacutece možnostiacute nabiacuteziacute prvniacute varianta jež se uplatňuje u hraacutezoveacuteho křiacutežoveacuteho i kotoučoveacuteho vinutiacute
Obvykle neniacute uacutečelneacute ani hospodaacuterneacute dělit vinutiacute viacutece než na tři komory Čiacutem nižšiacute bude celkovyacute činitel
vinutiacute tiacutem menšiacute bude kapacita vinutiacute Impregnaciacute vinutiacute se vlastniacute kapacita vinutiacute zvyšuje asi o 30 až
50 V přiacutepadě spojeniacute jednoho vyacutevodu vinutiacute s magnetickyacutem jaacutedrem se vlastniacute kapacita vinutiacute zvětšiacute
přibližně o 20 [19]
Za zaacutepornou vysokonapěťovou špičkou a zaacutekmitem napětiacute způsobenyacutem parazitniacute kapacitou v obvodu
je vidět na Obr půlperioda sinusoveacuteho průběhu napětiacute zaacuteporneacute polarity Toto napětiacute je v obvodu
indukovaacuteno diacuteky průchodu magnetickeacuteho toku vystupujiacuteciacuteho z vyniklyacutech poacutelů rotoru během otaacutečeniacute
Magnetickyacute tok vystupuje z poacutelů rotoru a uzaviacuteraacute se přes jaacutedro statoru čiacutemž v jeho vinutiacute indukuje
napětiacute
(35)
86
Na Obr102 zaacuteznam sinusoveacuteho průběhu napětiacute indukovaneacuteho ve vinutiacute statoroveacuteho jaacutedra ktereacute bylo
odpojeno od napaacutejeniacute
Obr 102 Časovyacute průběh napětiacute indukovaneacuteho ve vinutiacute během otaacutečeniacute rotoru
Obr 103 Časovyacute průběh napětiacute a proudu při napětiacute 30 V a zatiacuteženiacute momentem 005 Nm
87
101 Měřeniacute zaacutekladniacutech charakteristik
Motor byl pro změřeniacute charakteristik spojen s cize buzenyacutem dynamometrem Možnost regulace
zaacutetěžneacuteho momentu změnou odporu kotvy dynamometru a velikostiacute budiacuteciacuteho proudu umožnila
naměřit průběh momentovyacutech mechanickyacutech a rychlostniacutech charakteristik Spojeniacute hřiacutedele
s tachodynamem naviacutec umožnilo měřit indukovaneacute napětiacute během jednotlivyacutech měřeniacute a vypočiacutetat z něj
otaacutečky Na Obr104 je schematicky naznačena soustava dynamometru a motoru pro měřeniacute
zatěžovaciacute charakteristiky motoru
Obr 104 Soustava pro měřeniacute zatěžovaciacutech charakteristik motoru
Pro změřeniacute zaacutekladniacutech charakteristik potřebnyacutech pro vyacutepočet uacutečinnosti motoru byl využit cize buzenyacute
dynamometr s Iab=5 A(10)
102 Vyacutepočet uacutečinnosti
Pro přiacuteklad vyacutepočtu dosadiacuteme do uvedenyacutech vztahů hodnoty veličin při nichž vyšla uacutečinnost motoru
maximaacutelniacute
Jelikož proud tekouciacute do vinutiacute je stejnosměrnyacute stanoviacuteme přiacutekon motoru součinem napětiacute zdroje o
konstantniacute velikosti 31 V s proudem tekouciacutem obvodem
Po dosazeniacute
Vyacutekon motoru je roven
přičemž pro uacutehlovou rychlost vyjaacutedřenou z otaacuteček platiacute vztah
(36)
(37)
(38)
Ua
Rb Umot
88
Po dosazeniacute
Vyacutekon je po dosazeniacute uacutehloveacute rychlosti
Uacutečinnost motoru při zanedbaacuteniacute ztraacutet v elektronickeacutem obvodu je daacutena vyacuterazem
Podiacutelem vyacutekonu a přiacutekonu je vyacuteslednaacute uacutečinnost
(39)
(40)
(41)
(42)
(43)
89
Charakteristiky změřeneacute při změně zaacutetěžneacuteho momentu M=005 až 05 Nm a napětiacute 31V
Obr 105 Změna otaacuteček v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
Obr 106 Změna proudu v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
50
150
250
350
450
550
650
750
850
950
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
n [otmin]
P2 [W]
n=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
0
05
1
15
2
25
3
35
4
2 4 6 8 10 12 14
I [A]
P2 [W]
I=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
90
Obr 107 Změna přiacutekonu v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
Obr 108 Změna uacutečinnosti v zaacutevislosti na vyacutekonu při U=31V
0
20
40
60
80
100
120
140
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
P1 [W]
P2 [W]
P1=f(P2)
-1285deg
5deg
1285deg
0deg
000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
η []
P2 [W]
η=f(P2)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
ηmax=355
P2=86 W
91
Obr 109 Změna uacutečinnosti v zaacutevislosti na momentu při U=31V
000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045 05 055 06
η []
M [Nm]
η=f(M)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
ηmax=355
M=019 Nm
0
01
02
03
04
05
06
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000 1 100
M [Nm]
n [otmin]
Momentoveacute charakteristiky motoru
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
92
Charakteristiky změřeneacute při změně napaacutejeciacuteho napětiacute U=5 až 31V M=015 Nm
Obr 1010 Změna proudu v zaacutevislosti na napětiacute při M=015 Nm
Obr 1011 Změna otaacuteček v zaacutevislosti na napětiacute při M=015 Nm
0
02
04
06
08
1
12
14
16
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
I [A]
U [V]
I=f(U)
5deg
0deg
1285deg
-1285deg
I=078 A
0
100
200
300
400
500
600
700
800
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
n [otmin]
U [V]
n=f(U)
1285deg
5deg
0deg
-1285deg
93
Zaacutevěr
Na zaacutekladě existence měřitelneacuteho kvantově mechanickeacuteho projevu Casimirova jevu se člověk alespoň
teoreticky přibliacutežil k pochopeniacute podstaty vakua Pohled na vakuum jako na systeacutem v němž je možno
za jistyacutech okolnostiacute pozorovat vysokofrekvenčniacute elektromagnetickeacute fluktuace i při teplotaacutech bliacutezkyacutech
0K může nabiacutezet novou perspektivu a přiacutestup ke strojům s věčnyacutem pohybem Vnějšiacute projevy
elektromagnetickeacuteho charakteru vakuovyacutech fluktuaciacute nejsou za běžnyacutech okolnostiacute zjevneacute neboť je
v tomto stavu zajištěna jejich symetrie K porušeniacute symetrie však dochaacuteziacute mezi dvěma bliacutezkyacutemi
deskami v Casimirově pokusu
Permanentniacute magnet se v jisteacutem ohledu může jevit jako systeacutem jež svojiacute přiacutetomnostiacute narušuje tuto
symetrii elektromagnetickyacutech fluktuaciacute vakua a tiacutem v okolniacutem prostoru projevuje jeho dynamickou
jinak skrytou povahu formou projevu permanentniacuteho magnetickeacuteho pole V tomto ohledu by mohl byacutet
projev stavu narušeniacute symetrie vakuovyacutech fluktuaciacute uacuteměrnyacute energii vloženeacute do permanentniacuteho
magnetu během procesu magnetovaacuteniacute Tento nekonvenčniacute pohled na permanentniacute magnetismus
umožňuje objasnit vstup energie vakua do systeacutemu s permanentniacutemi magnety jakyacutem by mohl byacutet
např Johnsonův magnetickyacute motor složenyacute pouze z permanentniacutech magnetů Pokud tento motor
opravdu fungoval a vyacuteše nastiacuteněnaacute teorie by byla pravdivaacute neniacute tento systeacutem již možno povařovat za
izolovanyacute od sveacuteho okoliacute neboť samotnaacute povaha vakua by v tomto přiacutepadě umožňovala napaacutejeniacute
tohoto systeacutemu
V tomto ohledu se jeviacute zajiacutemavyacute i systeacutem pro přeměnu energie elektromagnetickeacuteho zaacuteřeniacute na
užitečnou elektrickou energii popisovanaacute v šesteacute kapitole V tomto systeacutemu kmitajiacute drobneacute
dielektrickeacute struktury vytvořeneacute např elektronovou litografiiacute vlivem siloveacuteho působeniacute fluktuaciacute
elektromagnetickyacutech poliacute vakua a tiacutem v mikroskopickyacutech anteacutenaacutech mezi strukturami indukujiacute
využitelnou formu energie Tyto kmity jsou v přiacutemeacutem poměru k frekvenci zaacuteřeniacute avšak mnohem nižšiacute
frekvenci Využitiacutem moderniacutech technologickyacutech postupů a vysoce jakostniacutech materiaacutelů se v tomto
ohledu nabiacuteziacute nepřeberneacute možnosti pro experimentovaacuteniacute
Realizace modelu Adamsova motor generaacutetoru kterou jsem prakticky provedl (však pouze ve funkci
motoru) měla za ciacutel stanovit uacutečinnost tohoto systeacutemu neboť informace popisujiacuteciacute tento stroj hovořiacute
teacutež o vstupu energie vakua do tohoto systeacutemu čiacutemž je uacutedajně možno dosaacutehnout uacutečinnosti přesahujiacuteciacute
100 Autor Robert Adams stanovil uacutečinnost sveacuteho motor generaacutetoru na zaacutekladě několik dnů
trvajiacuteciacuteho měřeniacute Měřil průběhy napětiacute na vstupniacute baterii jež stroj napaacutejela a bateriiacutech ktereacute
postupně připojoval na elektrickyacute vyacutestup stroje Během činnosti stroje dochaacutezelo k postupneacutemu
dobiacutejeniacute bateriiacute na vyacutestupu V jisteacutem ohledu jsou hodnoty napětiacute při průběžneacutem měřeniacute určityacutem
ukazatelem uacutečinnosti stroje avšak pro vyacutepočet přesneacute uacutečinnosti daneacute poměrem vyacutekonu a přiacutekonu by
bylo zapotřebiacute do vyacutepočtu zahrnout i proudy prochaacutezejiacuteciacute obvodem
Dynamoplechy (M600-50) pro rotor a transformaacutetorovaacute jaacutedra (M150-30s) pro stator jsem zakoupil u
společnosti Therma FM a permanentniacute magnety přes internetovyacute obchod Unimagnetcz Virtuaacutelniacute
model motoru vytvořenyacute v programu SolidWorks jsem importoval do programu ANSYS Workbench
a provedl v něm magnetostatickou analyacutezu Analyzoval jsem magnetickyacute obvod složenyacute z jedneacute
osminy statoru (pouze jedno jaacutedro) vzduchoveacute mezery a vynikleacuteho poacutelu rotoru při nuloveacutem proudu ve
statoroveacutem vinutiacute Takteacutež jsem magnetickyacute obvod řešil zjednodušenyacutem vyacutepočtem v němž jsem
94
zanedbal reluktanci železa rotoru i statoru rozdiacutel ve tvaru průřezů statorovyacutech i rotorovyacutech poacutelů a
odhadem jsem stanovil činitel rozptylu v okoliacute vzduchoveacute mezery Vypočiacutetal jsem pro danyacute
magnetickyacute obvod demagnetizačniacute činitel a vykresleniacutem přiacutemky byl nalezen pracovniacute bod P
permanentniacuteho magnetu Bod P vytiacutenaacute na přiacuteslušnyacutech osaacutech demagnetizačniacute charakteristiky
odpoviacutedajiacuteciacute hodnoty BM a HM permanentniacuteho magnetu Z nich byly vypočteny hodnoty indukce a
intenzity ve vzduchoveacute mezeře
Hodnoty magnetickeacute indukce a intenzity magnetickeacuteho pole v prostoru vzduchoveacute mezery vypočteneacute
na zaacutekladě zjednodušeniacute obvodu a hodnoty vypočteneacute v ANSYSu se v přiacutepadě indukce lišiacute o hodnotu
0177 T což vzhledem ke zjednodušeniacute vyacutepočtu a odhadu činitele rozptylu přibližně odpoviacutedaacute Rozdiacutel
v hodnotaacutech intenzity magnetickeacuteho pole činiacute 188 kAm což je opět vzhledem k zjednodušeniacutem
vyhovujiacuteciacute hodnota
Pomociacute programu Ansys byla stanovena nejnižšiacute hodnota proudu (700 mA) tekouciacuteho do vinutiacute
vybraneacuteho jaacutedra statoru při jeho zarovnaacuteniacute s rotorovyacutemi poacutely kteraacute způsobiacute vyrušeniacute přiacutetažneacute siacutely
působiacuteciacute na statoroveacute jaacutedro vlivem permanentniacute magnetizace rotoroveacuteho poacutelu Teoreticky proud většiacute
než 700mA způsobiacute pootočeniacute rotoru a naacuteslednyacute rozběh
Daacutele byly graficky stanoveny průběhy sil v osaacutech x a y působiacuteciacutech na rotor během jeho pootočeniacute o
uacutehel 643deg kdy došlo k zarovnaacuteniacute sousedniacutech poacutelů rotoru a statoru
Změřeniacutem zaacutekladniacutech zatěžovaciacutech charakteristik pomociacute dynamometru byly stanoveny průběhy
momentovyacutech charakteristik pro různeacute uacutehly natočeniacute komutačniacuteho disku vzhledem k rotoru Z grafu
průběhu uacutečinnosti v zaacutevislosti na momentu byla odečtena nejvyššiacute hodnota uacutečinnosti motoru 355
pro natočeniacute komutačniacuteho disku o 5deg a odpoviacutedajiacuteciacute zaacutetěžnyacute moment 019 Nm Tato uacutečinnost je v
porovnaacuteniacute se stejně vyacutekonnyacutemi motory běžnyacutech konstrukciacute poměrně niacutezkaacute Jedniacutem z hlavniacutech
faktorů jež ovlivnil vyacuteslednou uacutečinnost je tvar statorovyacutech jader ktereacute majiacute velkou vzduchovou
mezeru Tiacutem paacutedem dochaacuteziacute ke značneacutemu rozptylu toku magnetickeacute indukce skrze prostor mezi
statorovyacutemi poacutely
Natočeniacutem komutačniacuteho disku do polohy 0deg došlo ke značneacutemu sniacuteženiacute uacutečinnosti na hodnotu okolo 14
majiacuteciacute přiacutečinu ve špatneacutem načasovaacuteniacute počaacutetku průchodu proudu do přiacuteslušneacuteho vinutiacute Vzaacutejemneacute
siloveacute působeniacute magnetickyacutech indukčniacutech toků z jaacutedra a rotoru působilo brzdnyacutem uacutečinkem čiacutemž
došlo ke sniacuteženiacute uacutečinnosti motoru
Momentoveacute charakteristiky jsou teacuteměř lineaacuterniacute Největšiacute moment 05 Nm byl naměřen při napětiacute 31
V při 180 otmin a to v přiacutepadě že komutačniacute disk byl pootočen o 1285deg
95
Použitaacute literatura
[1] Hubbertpeak [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwhubbertpeakcomhubbert19561956pdf
[2] Multimediaacutelniacute studijniacute texty z mineralogie [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpmineralogiescimuniczkap_6_2_termodynkap_6_2_termodynhtm
[3] Molecular and cellular immunology Institute of malecular genetics academy of science of the
Czech Republic Praguee [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpmciimgcasczpdfZakony_termodynamikypdf
[4] Uacutestav teoretickeacute fyziky MFF UK [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httputfmffcuniczvyukaOFY016F2001CermakPhtm
[5] Galileo [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpgalileoandeinsteinphysicsvirginiaedumore_stuffflashletsmmexpt6htm
[6] Encyclopedia Britanica [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwbritannicacomEBcheckedtopic600149Evangelista-Torricelli
[7] ABZ slovniacutek ciziacutech slov [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z httpslovnik-cizich-
slovabzczwebphpslovohorror-vacui-horor-vakui
[8] RAFELSKI Johannn a Berndt MUumlLLER The structured vaccum Thinking about nothing
Published electrically 2006 ISBN 3-97144-889-3
[9] Uacutestav jaderneacute fyziky AV ČR veřejnaacute vyacutezkumnaacute instituce [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httphpujfcascz~wagnerpopclanvakuumvakuumhtml_ftn2
[10] Aldebaran [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwaldebaranczbulletin2011_10_kazphp
[11] Aldebaran [online] Casimir - Network 2005 [cit 2014-05-08] Dostupneacute z httpcasimir-
networkfrIMGpdfCasimir_20effectpdf
[12] KVASNICA Jozef Statistickaacute fyzika Vyd 2 Praha Academia 1998 314 s ISBN 80-200-
0676-1
[13] Aldebaran [online] Annenberg learning 2005 [cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpwwwlearnerorgcoursesphysicsvisualanimationhtmlshortname=PHY06_FermiTrap0
3A
[14] Cornell University Library arXivorg [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httparxivorgpdf10115219v1pdf
[15] Fyzikaacutelniacute sekce Matematicko-fyzikaacutelniacute fakulty UK [online cit 2014-05-08] Dostupneacute z
httpphysicsmffcuniczkfppskriptakurz_fyziky_pro_DSwwwfyzikahtml
[16] FEYNMAN Richard Phillips Feynmanovy přednaacutešky z fyziky s řešenyacutemi přiacuteklady 1 vyd
Havliacutečkův Brod Fragment 2001 806 s ISBN 80-720-0420-4
[17] VALONE Thomas Zero Point Energy The Fuel of the Future United States Integrity
Research Institiute 2007 228 s ISBN 9780964107021
96
[18] KING Moray B Quest for Zero Point Energy Engineering Principles for Free Energy
Engineering Principles for Free Energy United States Integrity Research Institiute 2001 224 s
ISBN 9780932813947
[19] FAKTOR Zdeněk Transformaacutetory a ciacutevky 1 vyd Praha BEN - technickaacute literatura 1999
393 s ISBN 80-860-5649-X
[20] MAYER Daniel a Josef POLAacuteK Metody řešeniacute elektrickyacutech a magnetickyacutech poliacute [vysokošk
učebnice pro elektrotechn fakulty] 1 vyd Praha SNTL 1983 450 s
[21] ABZ slovniacutek ciziacutech slov [online cit 2014-05-12] Dostupneacute z httpslovnik-cizich-
slovabzczwebphpslovohorror-vacui-horor-vakui
[22] Wikipedie [online cit 2014-05-12] Dostupneacute z httpcswikipediaorgwikiVakuum
[23] VALONE Thomas Practical Conversion of Zero-Point Energy Feasibility Study of the
Extraction of Zero-Point Energy from the Quantum Vacuum for the Performance of Useful
Work United States Integrity Research Institiute 2005 90 s ISBN 9780964107083
[24] BEARDEN By John Bedini and TE Free energy generation circuits 2nd ed Santa Barbara
Calif Cheniere Press 2006 806 s ISBN 09-725-1468-6
[25] Straacutenky věnovaneacute potlačovaneacute vědě a zatajovanyacutem vynaacutelezům [online cit 2014-05-08]
Dostupneacute z httpfree-energyxfczJOHNSONSampMhtm
[26] ADAMS Robert The Adams pulsed motor generator manual 46 Landing Roat Whakanate
Nex Zealand 1992
