Речь в этой статье пойдет о самостоятельном изготовлении магнитно-солнечного мотора Ларри Спринга на магнитных подшипниках, или мендосинского мотора. Мотор не имеет какой-либо практической ценности ввиду слишком маленькой мощности на валу, однако является желанной игрушкой для любителей техники. О его изобретателе и принципе работы написано достаточно статей, поэтому перейдем сразу к практике.
Первым делом, в качестве отправной точки, рекомендую посмотреть видеоролик на канале Дмитрия Коржевского, где он подробно показывает процесс изготовления такого мотора.
Когда у меня возникло непреодолимое желание сделать себе мендосинский мотор, то я начал с поиска подходящих солнечных батарей на напряжение 0,5 В и ток нагрузки 100 мА. Нашел их на маркетплейсе OZON, но срок доставки был большой, а ждать долго не хотелось, поэтому заказал батареи на напряжение 3 В и ток 125 мА и создал себе массу проблем… Во-первых, они довольно большие по размеру (52х52), что потребовало разработки собственной конструкции. Во-вторых, я наивно полагал, что, если я подключу к такой солнечной батареи нагрузку сопротивлением 24 Ом, то хотя бы при ярком солнце у меня на нагрузке будет 3В. Как же я заблуждался! При попадании прямых солнечных лучей напряжение составляло, если мне не изменяет память, в районе 0,5-0,7 В. При свете настольной лампы оно колебалось в районе нескольких милливольт. Начав снимать характеристику батареи, я понял, что сопротивление нагрузки должно быть в диапазоне 75-100 Ом, чтобы при дневном свете напряжение на нем было не менее 1 В (велико внутреннее сопротивление солнечной батареи). А это означало, что активное сопротивление каждой из обмоток должно быть не менее 75 Ом. Иначе двигатель будет вращаться только на ярком солнце. Практические опыты это подтвердили.
По сути, мендосинский мотор является двигателем постоянного тока и для его расчета можно применить соответствующие теоретические выкладки. А можно пойти более простым путем расчета активных сопротивлений обмоток, исходя из характеристик солнечных батарей. Сделать это очень просто. Сначала рассчитаем диаметр обмоточного провода по формуле:
Естественно, этот простейший расчет не учитывает, что обмотка производится в навал и длина витка к концу намотки значительно возрастает. Нам, в данном случае, высокая точность расчетов не нужна, поэтому количество витков можно сделать примерно на 10% меньше расчетного. Я намотал две обмотки по 700 витков. Сопротивление одной получилось 75 Ом, другой около 80 ом.
В галерее ниже показаны фотографии процесса изготовления каркаса с указанием основных размеров. Каркас был выполнен из плексигласа толщиной 3,2мм. Т.к. вся работа была сделана вручную, то радиусы скруглений и углы резов я не привожу.
Четыре отверстия диаметром 2мм на каждой из боковых пластин каркаса используются для клемм выводов обмоток и балансировки ротора. Клеммы для запайки выводов обмоток сделаны из толстых выводов от радиодеталей. Вал ротора сделан из латуни и скруглен со одной стороны. Каркас склеивается клеем Cosmo CA-500.200.
Обе обмотки наматываются на каркас в одну сторону. Каждая из обмоток делится на две равные половины, огибающие вал ротора. Обмотки стягиваются нитью для жгутов. Торцы обмоток проклеиваются клеем-герметиком Done Deal. Хомуты около магнитов предназначены для их временной фиксации при подборе их положения, о чем подробнее будет написано ниже.
Перед пайкой и приклейкой солнечных батарей, их нужно выровнять по весу. Делается это замером и сравнением веса каждой из них на ювелирных весах, и напайкой припоя на контактные площадки батарей. Эта мера поможет в дальнейшем улучшить балансировку ротора. Далее, клеммы обмоток подключаются к солнечным батареям с помощью отрезков проводов. Солнечные батареи приклеиваются к боковым панелям каркаса при помощи клея Cosmo CA-500.200. Между стыками батарей наносится двухкомпонентный клей Poxipol.
Основание полностью выполнено из деревянных реек 20х20, материал - хвоя. Глубина сверления отверстия под магниты диаметром 30 мм - 12 мм. Отверстия под магниты сделаны перьевыми сверлами. Расстояние между этими магнитами и нижней точкой ротора должно составлять 7-10мм. Все деревянные детали склеены клеем "Момент-столяр".
На рисунках показаны типы используемых магнитов, их количество, и их полюсовка. Полюсовка может быть инвертирована, что отражено на обозначении полюсов в скобках. Положение магнитов на валу ротора подбирается так, чтобы магнитное поле слегка смещало вал в сторону зеркала, которое играет роль упора. При этом нужно добиться, чтобы вал был устойчив и выровнен по высоте относительно основания. Для этого магниты ротора сначала фиксируются на пластиковые хомуты, а после настройки - на клей. Для приклеивания всех магнитов использовался двухкомпонентный клей Poxipol.
Зеркало закреплено в отрезке рейки, в которой сделан для этого специальный паз. Расстояние от поверхности зеркала до края боковой панели с магнитами - около 10 мм (см. рисунки). Чертеж для этого "держателя" я не делал, т.к. вы можете использовать другое зеркало других размеров, или отрезок силикатного стекла. Не используйте металл, чтобы не увеличивать трение. Основание покрыто акриловой морилкой Decola бук 25733439 (производитель АО "ЗХК "Невская палитра").
Самое трудное - это балансировка. Масса на роторе получается относительно большая и отбалансировать такой ротор в домашних условиях сложно. Балансировка на лезвиях (смотрите видео Дмитрия Коржевского) мне помогла не сильно. Больший эффект дало закручивание маленьких саморезов в отверстия для балансировки, которые я сделал в боковых панелях каркаса. Правда, делать их нужно было больше. В итоге достигнуть полной балансировки во всем диапазоне оборотов ротора мне так и не удалось. Напомню, что частота вращения ротора зависит от освещенности. Если балансировка совсем плохая - ротор на определенных оборотах входит в колебательный процесс и срывается. При этом он либо падает с подставки, либо примагничивается своими магнитами к магнитам основания. Поэтому лучше делать более скромный по размерам мотор с меньшей массой ротора.
Главный вывод из моего опыта с подбором солнечных батарей такой: чем меньше внутреннее сопротивление солнечной батареи - тем меньше придется мотать витков, меньше будет масса ротора, проще будет вся конструкция. У батарей, которые я приобрел, это сопротивление оказалось велико. Проверяйте солнечные батареи после покупки, чтобы не создавать себе проблем.
Однако мотор работает, вращается при дневном свете и при ярком свете от настольной лампы. Колебательный процесс ротора, возникающий на определенных оборотах, удалось загнать в приемлемые рамки. Для запуска утром требуется немного подтолкнуть его рукой. Основные комплектующие были приобретены в кратчайшие сроки на маркетплейсе OZON. На всю работу было потрачено около пяти неполных дней. Ну и самое главное - приобретён бесценный опыт, которым можно поделиться.
Несколько предостережений:
1. Магниты очень сильные и в тоже время хрупкие. Нельзя допускать их смыкания с ударом, они могут крошиться. При резком смыкании могут травмировать вам пальцы;
2. На ярком солнце скорость вращения ротора многократно возрастает. Не подпускайте детей к мотору. Желание потрогать пальчиком приводит к вылету ротора с достаточной силой, чтобы травмировать ребенка. Соответственно, животных тоже подпускать к мотору категорически запрещено;
3. Держите мотор подальше от любых металлических предметов, которые обладают магнитными свойствами.
Если вы не хотите браться за самостоятельное изготовление мендосинского мотора, а хотите приобрести готовый, то в России есть фирма, которая производит их серийно: https://eightlightmin.ru