ВОЗБУДИТЕЛЬ КОЛЕБАНИЙ Российский патент 1994 года по МПК B06B1/04 

Изобретение относится к технике вибрационных испытаний сложных упругих конструкций, где требуется многоточечное возбуждение исследуемой конструкции для определения собственных мод, частот и декрементов затухания.

Известны электродинамические вибраторы, которые содержат магнитную систему, в кольцевом зазоре которой на упругих элементах закреплена подвижная система, состоящая из рабочего стола, цилиндрического каркаса из титанового сплава, в протоке которого уложена катушка возбуждения. Недостатком таких вибраторов является малый диапазон перемещения подвижной системы. В настоящее время в технике, особенно космической, используются большие гибкие конструкции, при испытании которых перемещения могут быть значительными - метры. Использование электродинамических вибраторов в этом случае исключается: их габариты растут с увеличением перемещения, при этом ухудшается коэффициент полезного действия, т.к. при большом перемещении часть катушки возбуждения или магнитной системы не используется.

В этом случае для возбуждения колебаний можно использовать электродвигатель, создающий вращающий момент и винтовую пару или зубчатую передачу с реечным зацеплением зубьев.

В качестве прототипа выбран вариант электродвигатель - зубчатая передача с реечным зацеплением зубьев. Зубчатая передача с реечным зацеплением преобразует вращательное движение вала двигателя в поступательное движение рейки, а в интерпретации возбудителя колебаний - вращающий момент в силу.

Недостатком прототипа является сложность конструкции, обусловленная зубчатой передачей, наличие в ней люфта и потери подводимой мощности на преодоления трения скольжения зубьев друг по другу, имеющее место совместно с качением профиля, при этом скольжение профилей влияет на износ зубьев, уменьшая износостойкость передачи.

Разработанная конструкция возбудителя колебаний проста в изготовлении по сравнению с возбудителем колебаний с зубчатой передачей и реечным зацеплением зубьев, в ней отсутствуют люфт и трение скольжения, и таким образом повышается качество устройства и конструктивно, и с точки зрения потребления энергии и эксплуатации.

Поставленная цель достигается тем, что на валу электродвигателя закреплено колесо, обод которого выполнен из магнитного материала в виде разомкнутого магнитопровода и обмотки возбуждения, а рейка, выполненная из магнитного материала, образует с магнитопроводом обода замкнутый магнитопровод для магнитного поля, создаваемого обмоткой возбуждения. Кроме того, для уменьшения присоединенной массы, создаваемой обмоткой возбуждения, катушка, на которой намотана обмотка возбуждения, закреплена неподвижно относительно корпуса электродвигателя и изолирована от магнитопровода воздушным зазором.

Кроме того, предлагается, чтобы катушка была закреплена неподвижно относительно корпуса электродвигателя и между ней и ободом колеса был установлен шарикоподшипник или шарикоподшипники.

Кроме того, с целью упрощения конструкции предлагается вместо обмотки возбуждения в магнитопроводе обода колеса установить постоянный магнит или постоянные магниты.

Существенно новым в устройстве является то, что надежная механическая связь между колесом, установленном на валу двигателя и плоской рейкой, обеспечивается магнитной системой, образованной магнитопроводом на ободе колеса и источником магнитного поля (постоянным магнитом или обмоткой возбуждения) и плоской рейкой, выполненной из магнитного материала.

Магнитные системы известны в технике для создания механических усилий (сил или моментов). В данном случае достигается новый эффект: упрощается конструкция возбудителя колебаний (устраняется зубчатая передача с реечным зацеплением зубьев), повышается качество возбудителя колебаний (устраняется люфт и скольжение частей конструкции друг относительно друга - имеет место качение обода колеса по плоской рейке), рейка при отсутствии зубьев может быть сделана более легкой, а следовательно, уменьшается присоединенная масса возбудителя колебаний.

На фиг. 1 представлено общее схематическое изображение предлагаемого возбудителя колебаний; на фиг.2 - схема конструкционного выполнения электромагнитной системы с обмоткой возбуждения, закрепленной на ободе колеса; на фиг. 3 и 4 с обмоткой возбуждения, закрепленной неподвижно соответственно без подшипника и с подшипником; на фиг.5 и 6 - магнитная система с постоянным магнитом.

Возбудитель колебаний согласно фиг. 1 состоит из электродвигателя 1, вала 2, колеса 3, плоской рейки 4, направляющих 5 и 6 поступательного перемещения рейки 4. Колесо 3 и плоская рейка 4 механически связаны силами трения за счет взаимного прижатия рейки 4 и колеса 3 силами магнитного взаимодействия.

За счет вышеупомянутой механической связи электромагнитный момент μ, развиваемый электродвигателем и прикладываемый к колесу 3, преобразуется в силу F, прикладываемую к рейке 4, при этом выполняется соотношение
F = M/r, где r - радиус наружной цилиндрической поверхности колеса.

Изменяя момент электродвигателя μ по требуемому закону, например, синусоидально с требуемой частотой μ = μ_o sin ω t, где μ_o - амплитуда момента, а ω - задаваемая частота, можно создавать силу для возбуждения исследуемой конструкции, изменяющуюся по требуемому закону.

Электромагнитная система на фиг.2 состоит из обода 7, обмотки возбуждения 8 и рейки 4. Обод 7 и рейка 4 изготовлены из магнитного материала и составляют замкнутый магнитопровод. При запитке обмотки возбуждения 8 рейка 4 и обод 7 притягиваются друг к другу магнитными силами, величина которых обратно пропорциональна воздушному зазору между рейкой 4 и ободом 7. Поскольку воздушный зазор между этими элементами отсутствует, то силы притяжения достигают больших значений, а следовательно, больших значений достигает и сила трения между ободом 7 колеса 3 и рейкой 4. Благодаря силе трения, вращающий момент преобразуется в силу, направленную вдоль рейки 4. При большой силе трения во время поворота колеса 3 не происходит скольжения обода 7 относительно рейки 4, а осуществляется процесс качения обода 7 по рейке 4, при этом рейка 4 перемещается поступательно, а обод 7 только вращается. При таком движении конфигурация магнитной системы не изменяется (не изменяется магнитный поток), следовательно, дополнительных сил, кроме сил притяжения между рейкой 4 и ободом 7 не возникает, т.е. не возникают электромагнитные силы, препятствующие перемещению штока или вращению обода 7. Размещение обмотки возбуждения 8 на ободе 7 имеет тот недостаток, что в состав присоединенной массы входит и масса обмотки возбуждения 8, т.е. она вращается вместе с ободом 7 и увеличивает таким образом момент инерции колеса 3 относительно оси вращения. Для устранения этого недостатка предлагается обмотку возбуждения 8 устанавливать неподвижно относительно корпуса двигателя 1. Два варианта выполнения такого подхода представлены на фиг. 3 и фиг.4. На фиг.3 катушка 9, на которую намотана обмотка возбуждения 8, закреплена неподвижно. Она расположена внутри обода 7, но его не касается: между ободом 7 и катушкой 9 имеется воздушный зазор 10, благодаря которому неподвижная катушка 9 с обмоткой возбуждения 8 не препятствует вращению обода 7 колеса 3.

Вариант на фиг.4 отличается от вышеописанного на фиг.3 наличием шарикоподшипников 11, расположенных между катушкой 9 и ободом 7, что также позволяет вращаться ободу 7 при неподвижной катушке 9.

На фиг.5 представлен вариант возбудителя колебаний, в котором, с целью упрощения и уменьшения электроэнергии, обмотка возбуждения 8 заменена постоянным магнитом в виде втулки 12, намагниченной вдоль оси вращения, а обод 7 выполнен в виде двух колец из магнитного материала, закрепленных на концах втулки 12 для создания разомкнутого магнитного провода. Магнитные силовые линии, как показано на фиг.5, замыкаются через кольца обода 7 и рейку 4, в связи с чем между рейкой 4 и ободом 7 имеют место силы притяжения, аналогично варианту с обмоткой возбуждения 8.

На фиг.6 изображен вариант, аналогичный возбудителю колебаний на фиг.5, отличающийся тем, что магнитная втулка 12 выполнена с наружным радиусом, соответствующим требуемому радиусу колеса 3 на валу 2 электродвигателя 1.

В этом случае нет необходимости устанавливать на магнитной втулке 12 колец обода 7. Магнитные силовые линии замыкаются непосредственно через рейку (см. фиг.6).

Из конструкции предлагаемого возбудителя колебаний видно (см. фиг.1), что диапазон возможных поступательных перемещений рейки 4 определяется ее длиной, остальная часть конструкции возбудителя колебаний (электродвигатель 1, вал 2, колесо 3 с электромагнитной системой) остаются неизменной. Это позволяет использовать один и тот же возбудитель колебаний со сменной рейкой 4 для обеспечения как малых, так и больших поступательных перемещений (там, где требуется малое перемещение, нецелесообразно использовать данную рейку из соображений удобства эксплуатации и сокращения требуемых площадей помещений, где проводятся испытания).

Саму рейку можно выполнять плоской, круглой в виде спицы или в виде полой трубки, для уменьшения присоединенной массы.

Изобретение относится к технике вибрационных испытаний упругих конструкций. Возбудитель колебаний состоит из электродвигателя 1, на валу 2 которого установлено колесо 3, соприкасающееся с рейкой 4, установленной в направляющих 5 и 6. Обод колеса выполнен из магнитного материала, содержит обмотку возбуждения и представляет собой разомкнутую электромагнитную систему, которую замыкает рейка 4 из магнитного материала. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. ВОЗБУДИТЕЛЬ КОЛЕБАНИЙ, содержащий электродвигатель, на валу которого расположено колесо, соприкасающееся с рейкой, установленной в направляющих, отличающийся тем, что обод колеса выполнен в виде разомкнутого по наружной цилиндрической поверхности магнитопровода с обмоткой возбуждения, а рейка выполнена плоской из магнитного материала. 2. Возбудитель колебаний по п.1, отличающийся тем, что он снабжен катушкой, с обмоткой возбуждения, установленной неподвижно с зазором относительно магнитопровода. 3. Возбудитель колебаний по пп.1 и 2, отличающийся тем, что между катушкой и магнитопроводом установлены введенные шарикоподшипники. 4. Возбудитель колебаний по п.1, отличающийся тем, что магнитопровод выполнен в виде цилиндрической втулки, представляющей собой постоянный магнит, намагниченный вдоль оси.