ZŁOŻONE SIŁY
Niewątpliwie w tym pozornie prostym systemie magnetycznym działają bardzo skomplikowane układy sił, lecz w chwili obecnej nie jest możliwe zbudowanie matematycznego modelu obrazującego to, co w nim rzeczywiście zachodzi. Tym niemniej komputerowa analiza całego systemu przeprowadzona przez profesora Williama Harrisona i jego współpracowników z Wirgińskiego Instytutu Politechnicznego w Blacksburgu dostarcza bardzo pomocnej informacji w zakresie optymalizacji tych złożonych sił, tak aby uzyskać najbardziej wydajny układ.
Jak podkreśla profesor Harrison, oprócz oczywistych oddziaływań między dwoma biegunami magnesu rotora i magnesami stojana w grę może wchodzić jeszcze wiele innych zależności. Magnesy stojana oddziałują na siebie nawzajem oraz na płytę podtrzymującą. Odległości między nimi i ich moc zmieniają się mimo starań producentów mających na celu wyeliminowanie tego zjawiska. W pracującym modelu występują niemożliwe do uniknięcia różnice w odległościach poziomych i pionowych szczelin powietrznych. Wszystkie te wzajemnie na siebie oddziałujące czynniki wewnętrzne muszą być zoptymalizowane i dlatego na tym etapie ulepszeń tak ważna jest komputerowa analiza. Jest to swego rodzaju system informacyjny działający na zasadzie sprzężenia zwrotnego. Wraz z fizycznymi zmianami konstrukcyjnymi dokonywane są dynamiczne pomiary w celu sprawdzenia, czy osiągnięto zamierzony efekt. Uzyskane dane komputerowe są wykorzystywane następnie do wprowadzania kolejnych modyfikacji w eksperymentalnym modelu. I tak dalej.
Uzyskane eksperymentalnie dane przedstawione w poniższej tabeli i na wykresie wyraźnie pokazują, że na obu końcach rotora powstają zupełnie inne warunki magnetyczne. Aby otrzymać te dane, eksperymentatorzy przeprowadzili najpierw badanie instrumentem umożliwiającym pomiar natężeń pola magnetycznego nad magnesami stojana oraz w przestrzeniach międzymagnesowych. Nazwijmy ten pomiar pomiarem na poziomie „Zero”, mimo iż między końcówką urządzenia pomiarowego i magnesami stojana pozostaje bardzo mała szczelina. Pomiary te pokazują, co każdy z biegunów magnesów rotora „widzi” poniżej, przesuwając się nad wierzchołkami magnesów stojana.
Następnie końcówka pomiarowa zostaje umieszczona tuż nad jednym z biegunów rotora w górnej części mającej grubość 3/8 cala (9,5 mm) szczeliny powietrznej istniejącej między rotorem i stojanem i wykonana zostaje seria kolejnych pomiarów natężenia strumienia magnetycznego. Następnie takiego samego pomiaru dokonuje się umieszczając końcówkę pomiarową nad kolejnym biegunem rotora.
„Instynkt” podpowiada nam, i zresztą słusznie, że natężenia pola magnetycznego u góry i u dołu szczeliny powietrznej będą się od siebie różniły. Ale jeśli „instynkt” będzie podpowiadał nam, że te różnice są mniej więcej takie same w dwóch różnych pozycjach bieguna rotora, to okaże się, że wprowadza nas on w błąd.
Przyjrzyjmy się najpierw dwóm tabelom, które zawierają wyniki pomiarów gęstości strumienia magnetycznego. Proszę zauważyć, że w tym konkretnym eksperymencie ogólna gęstość strumienia magnetycznego wyniosła 30 700 gausów2, kiedy urządzenie pomiarowe było umieszczone na poziomie „Zero” nad północnym biegunem magnesu, a kiedy umieszczono je u góry szczeliny powietrznej o grubości 3/8 cala ogólna gęstość strumienia magnetycznego wyniosła 28 700 gausów. Różnica w natężeniach wyniosła więc 2000 gausów.
Podobne pomiary wykonane w szczelinie powietrznej między biegunem południowym rotora i magnesami stojana dały odpowiednio następujące wyniki 33 725 i 24 700 gausów. W tym przypadku różnica jest znacznie większa i wynosi 9025 gausów, czyli cztery i pół raza więcej niż w przypadku bieguna północnego! Widać więc wyraźnie, że stany sił magnetycznych na obu końcach magnesu rotora znacznie różnią się od siebie.
W celu graficznego przedstawienia tych różnic pięć środkowych par liczb z każdej tabeli zostało przedstawionych w postaci wykresu. Na górnym, dotyczącym bieguna południowego, wykresie linie przerywane łączą odczyty z poziomu „Zero” wykonane nad magnesami stojana i u góry szczelin powietrznych. Punkty połączone linią ciągłą reprezentują analogiczne odczyty dokonane tuż nad biegunem południowym rotora. Jak łatwo zauważyć, między magnesami stojana i rotora zachodzi czterdziestotrzyprocentowy spadek siły przyciągania spowodowany szczeliną powietrzną. Jednocześnie, co być może nie aż tak oczywiste, występuje trzydziestosześcioprocentowy przyrost siły odpychania, kiedy południowy biegun rotora przechodzi nad przestrzeniami między magnesami stojana.
Drugi wykres pokazuje, że zmiany są znacznie mniej wyraziste przy północnym biegunie rotora. W tym przypadku następuje spadek wynoszący średnio 11,7 procent siły przyciągania nad przestrzeniami między magnesami i wynoszący 2,5 procent przyrost siły odpychania, kiedy północny biegun rotora przechodzi nad magnesami stojana.
