ИЗМЕРЕНИЕ  И  РАСЧЕТ  ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ  ХАРАКТЕРИСТИК  ГЕНЕРАТОРА  НА  ОСНОВЕ  POWERBALL

Дмитриев  Александр  Николаевич

студент 
Южного  федерального  университета, 
РФ,  г.  Таганрог

Е-mail :  alexs.dmitriev.1996.@mail.ru

Какурин  Юрий  Борисович

канд.  техн.  наук,  доцент  кафедры  физики 
Южного  федерального  университета, 
РФ,  г.  Таганрог

Е-mail :  y_kakurin@mail.ru

Какурина  Наталья  Андреевна

канд.  техн.  наук,  доцент  кафедры  физики 
Южного  федерального  университета, 
РФ,  г.  Таганрог

Е-mail: 

MEASUREMENT  AND  CALCULATION  OF  ELECTRICAL  CHARACTERISTICS  OF  THE  GENERATOR  BASED  ON  THE  POWERBALL

Alexander  Dmitriev

student 
of  Southern  Federal  University, 
Russia,  Taganrog

Yuri  Kakurin

candidate  of  Sciences,  assistant  professor  of  Physics  Department 
of  Southern  Federal  University, 
Russia,  Taganrog

Natalya  Kakurina

candidate  of  Sciences,  assistant  professor  of  Physics  Department 
of  Southern  Federal  University, 
Russia,  Taganrog

АННОТАЦИЯ

Целью  работы  являлась  изготовление  генератора  для  зарядного  устройства  на  основе  кистевого  эспандера  PowerBall.  Представлены  расчетное  выражение  для  ЭДС  генератора  и  осциллограмма  выходного  сигнала.  Показано,  как  можно  определить  основные  электрофизические  характеристики  подобных  устройств.

ABSTRACT

The  aim  of  this  work  was  the  manufacture  of  the  generator  to  the  charger  on  the  basis  of  the  carpal  expander  PowerBall.  The  presented  computational  expression  for  the  EMF  of  the  generator  and  the  waveform  of  the  output  signal.  Shows  how  to  determine  the  basic  electrical  characteristics  of  such  devices.

Ключевые  слова:  кистевой  эспандер;  генератор;  зарядное  устройство;  электромагнитная  индукция;  осциллограмма;  ниодимовый  магнит.

Keywords:  carpal  expander;  generator;  battery  charger;  electromagnetic  induction;  waveform;  neodymium  magnet.

Никто  не  будет  спорить  с  тем,  что  удобно  иметь  мобильное  зарядное  устройство  (ЗУ)  для  сотового  телефона.  В  нашей  работе  проведены  теоретические  и  экспериментальные  исследования  характеристик  генератора  для  ЗУ  на  основе  гироскопического  кистевого  эспандера  PowerBall.  Идея  разработки  принадлежит  Игорю  Белецкому  [1]. 

Как  указывается  в  [1],  для  создания  генератора  на  роторе  эспандера  необходимо  расположить  магниты,  чередуя  их  полюса,  а  в  корпусе  эспандера  закрепить  катушку  индуктивности  так,  чтобы  при  вращении  ротора  она  располагалась  строго  над  пролетающими  магнитами.  Очевидно,  что  согласно  закону  электромагнитной  индукции,  катушка  станет  источником  электродвижущей  силы  (ЭДС).  Попробуем  установить  закон  изменения  от  времени  ЭДС  в  рассматриваемом  устройстве. 

Для  этого  нам  понадобятся  рисунки  1  и  2.  На  рисунке  1  схематически  изображены  магниты  (синие  кружки),  катушка  (зеленый  кружок)  и  графики,  моделирующие  изменение  потока  магнитной  индукции  во  времени,  когда  катушка  пересекает  области  магнитов  при  вращении  ротора. 

В  первом  приближении  изменение  потока  при  прохождении  катушки  областей  магнитов  одной  полярности  (например,  рис.  1,  б)  и  г))  можно  описать  законом    (рис.  2,  а),  тогда  при  прохождении  катушки  областей  магнитов  противоположной  полярности  (рис.  1,  в))  изменение  потока  описывается  законом    (рис.  2,  б).  Сдвиг  фазы  на    обусловлен  чередованием  магнитов  противоположных  полярностей  и,  соответственно,  «запаздыванием»  изменения  одного  из  потоков.  В  результате,  изменения  потока  и  ЭДС  со  временем  происходят  по  законам    и    соответственно  (см.  рис.  2,  в)  и  г)).

Рисунок  1.  К  описанию  закона  изменения  магнитного  потока

Рисунок  2.  Математическое  описание  законов:  а)—в)  —  изменения  магнитного  потока;  г)  —  ЭДС

С  целью  получения  расчетного  выражения  для  ЭДС  необходимо  вспомнить,  что  максимальный  поток  (потокосцепление)  через  катушку  рассчитывается

,                                      (1)

где:  N  —  число  витков  в  катушке; 

В   —  величина  индукции  магнитного  поля; 

S   —  площадь,  «заметаемая»  линиями  магнитной  индукции,  в  нашем  случае,  это  площадь  сечения  магнита;

а  фаза  —  есть  произведение  циклической  частоты  w  на  время  t.  Таким  образом,  ЭДС  в  рассматриваемом  генераторе  меняется  по  закону:

.                                               (2)

На  рисунках  3,  4  представлены  фотографии  прибора,  рисунке  5  —  результаты  измерений  выходного  сигнала  генератора,  собранного  нами  на  основе  недорогой  модели  эспандера,  с  размещенными  на  его  роторе  10  магнитами.  Измерения  проведены  с  помощью  осциллографического  датчика.  Компьютерная  обработка  этих  данных  дает:  среднее  значение  максимальной  ЭДС  =13  B;  средний  период  Т  =  2  мс;  величина  2w  =  3,14×10³  рад/с. 

Рисунок  3.  Эспандер-  генератор

Рисунок  4.  Прибор  в  действии

Рисунок  5.  Вид  выходного  сигнала

Теоретически  максимальное  значение  ЭДС,  согласно  выражению  (2),  рассчитывается 

.                                             (3)

Если  выразить  из  (3)  индукцию  магнитного  поля  В  и  рассчитать  ее  значение,  используя  ранее  полученные  результаты,  а  также  следующие  параметры  нашего  устройства  S=1  см²,  N=600,  то  получится  величина  300  мТл.  Эта  величина  хорошо  согласуется  со  значениями  величин  остаточной  намагниченности  ниодимовых  магнитов,  приводимых  в  статье  [2].

Список  литературы:

1.Самодельный  генератор  для  зарядки  телефона  из  спортивного  тренажера  Powerball.  И.  Белецкий  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.youtube.com/watch?v=lEGCpDQ_srI

2.Характеристики  неодимовых  магнитов.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://magnit96.com/biblioteka/harakteristiki_neodimovyh_magnitov