ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК H02K33/12 

Изобретение относится к преобразовательной технике, в частности к преобразователям энергии электрических колебаний в энергию механических колебаний и обратно, и может быть использовано в электроакустике, вибротехнике, системах автоматического контроля, регулирования и т.п.

Известен электродинамический преобразователь, содержащий магнитную систему, создающую радиальное магнитное поле в кольцевом рабочем зазоре, и подвижную катушку с токоподводами, подвешенную на гибком воротнике или растяжках. Взаимодействие переменного тока, подведенного к катушке, с магнитным полем магнитной системы вызывает появление механической силы, приводящей к колебаниям подвижной катушки. Подобные преобразователи нашли широкое распространение в электроакустике как в качестве приемников механических колебаний, так и (в силу обратимости преобразования) в качестве генераторов механических колебаний.

Недостатком известных устройств с подвижной катушкой является наличие гибких токоподводов к подвижной части, которые, с одной стороны, снимают надежность из-за возможности обрыва токоподводов при работе и, с другой стороны, снижают воспроизводимость преобразования из-за дополнительного вклада упругого момента токоподводов в упругий момент подвеса подвижной части и их влияния на собственные механические резонансы системы.

Известен электроакустический преобразователь, содержащий обмотку, сечение которой за пределами зазора магнитной системы увеличивается по закону, обратному закону падения индукции магнитного поля системы [1]
Однако в известном решении форма сечения обмотки уменьшает нелинейные искажения, но не повышает эффективность электромеханического преобразования.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является электродинамический преобразователь, содержащий корпус, обмотку возбуждения прямоугольного сечения и подвижный постоянный магнит, коаксиально расположенный внутри обмотки (прототип). Благодаря отсутствию токоподводов к подвижной части такой преобразователь обеспечивает высокую надежность и воспроизводимость параметров преобразования [2]
Недостатком известного преобразователя является низкая эффективность электромеханического преобразования энергии. Этот недостаток объясняется следующими причинами. Как известно, величина силы взаимодействия обмотки возбуждения с постоянным магнитным полем системы определяется по закону Ампера. Для рассматриваемого преобразователя элементы длины провода коаксиальной обмотки возбуждения лежат на окружности, поэтому ответственной за создание силы в направлении оси обмотки (совпадающей с направлением оси магнита) является радиальная компонента вектора магнитного поля рассеяния магнита, т.е. компонента, лежащая в плоскости окружности витков обмотки и направленная от оси системы по направлению к виткам. Величина модуля этой компоненты существенно различна в зависимости от координаты образующей цилиндрического магнита. Как показывают расчеты и измерения, максимум радиальной компоненты приходится примерно на края магнита, причем в центральном (нейтральном) сечении системы она меняет знак (фиг.1). Смена знака радиальной компоненты поля учитывается в данной конструкции разделением обмотки возбуждения на две половины, соединенные между собой встречно-последовательно. Неоднородность рабочего поля приводит к тому, что витки в разных частях обмотки создают разный вклад в суммарное усилие, в частности для тех частей обмотки, которые расположены вблизи центрального сечения преобразователя, этот вклад близок к нулю. В результате возникает бесполезное или малоэффективное использование энергии питания.

Задача изобретения создание устройства, позволяющего повысить эффективность электромеханического преобразователя.

Поставленная задача достигается, тем что предложен электродинамический преобразователь, содержащий корпус, обмотку возбуждения, постоянный магнит, коаксиально расположенный внутри обмотки. Обмотка возбуждения выполнена в виде соленоида, внешняя поверхность которого ограничена геометрическим местом точек с одинаковой по модулю радиальной компонентой вектора магнитной индукции. Техническим результатом использования предлагаемого устройства является повышение экономической эффективности в среднем на 30% Это связано со снижением потребляемой мощности или массы и габаритов преобразователя.

Электродинамический преобразователь (фиг. 2) содержит цилиндрический магнит 1. Обмотка возбуждения из медного изолированного провода расположена коаксиально по отношению к магниту и содержит две части 2 и 2', расположенные симметрично относительно нейтрального сечения магнита. Половины обмоток соединены между собой встречно-последовательно и подключены к электрическому генератору. Форма внешней поверхности обмотки соответствует геометрическому месту точек с одинаковой по модулю радиальной компонентой магнитной индукции постоянного магнита и может быть двух видов для короткоходового преобразователя и для длинноходового.

Преобразователь работает следующим образом.

При подаче напряжения на обмотку возбуждения 2 и 2' по ней протекает ток, взаимодействующий с магнитным полем и создающий механическое усилие в направлении оси преобразователя (ось Z), причем в силу того, что радиальная компонента поля меняет знак при переходе через центральное сечение, но при этом одновременно меняется направление намотки, силы, действующие на каждую из ее половин, оказываются направленными в одну сторону, т.е. результирующее усилие удваивается. В предлагаемом решении по сравнению с прототипом достигается существенное увеличение эффективности. В таблице представлены рассчитанные параметры предлагаемого преобразователя и прототипа, где использовался один и тот же постоянный магнит в форме цилиндра высотой 30 мм и диаметром 10 мм с обмотками, выполненными в форме соленоида с прямоугольным сечением (прототип) или в форме соленоида с внешней поверхностью заданной формы. Получено повышение эффективности преобразователя в среднем на 30% Конкретные значения увеличения эффективности преобразования могут различаться для разных модификаций преобразователей в зависимости от параметров магнита, зазора между магнитом и обмоткой и др. Однако во всех случаях выполнение обмотки согласно предлагаемому решению обеспечивает повышение эффективности преобразования по сравнению с прототипом. Конструктивное и технологическое изготовление обмотки предлагаемой формы не вызывает затруднений.

Экономическая эффективность использования предлагаемого устройства связана со снижением потребляемой мощности и (или) массы и габаритов преобразователя, что имеет важное значение для использования приводов в системах с автономными источниками питания и ограничениями по массе.

Использование: в электроакустике, вибротехнике, системах автоматического контроля и регулирования и т.п. Сущность изобретения: электродинамический преобразователь содержит коаксиально расположенные постоянный магнит и обмотку возбуждения, установленные в корпусе с возможностью взаимного аксиального перемещения друг относительно друга. Обмотка возбуждения выполнена в виде соленоида, внешняя поверхность которого ограничена геометрическим местом точек с одинаковой по модулю радиальной компонентой вектора магнитной индукции. Экономическая эффективность от использования устройства связана со снижением потребляемой мощности и (или) массы и габаритов преобразователя. 2 ил., 1 табл.

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий постоянный магнит и обмотку возбуждения, охватывающую этот магнит, установленные в корпусе с возможностью взаимного аксиального перемещения друг относительно друга, отличающийся тем, что обмотка возбуждения выполнена в виде соленоида, внешняя поверхность которого ограничена геометрическим местом точек с одинаковой по модулю радиальной компонентой вектора магнитной индукции постоянного магнита.