ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ ВИБРАТОР Российский патент 1995 года по МПК B06B1/04 

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано в испытательных и поверочных вибрационных установках, служащих для поверки виброизмерительных преобразователей (ВИП).

Известен электродинамический вибратор [1] содержащий магнитопровод с кольцевым воздушным зазором, образованным полюсами керна и ярма, в котором помещена подвижная катушка, жестко связанная со столом и подвешенная на упругих пружинах. Подвижная катушка экранирована экранами из немагнитного материала с высокой электрической проводимостью, один из которых жестко скреплен с полюсом керна, а другой ярма. Постоянное магнитное поле в кольцевом зазоре создается с помощью катушек, расположенных вокруг керна соосно с подвижной катушкой. Возвратно-поступательное движение подвижной катушки происходит благодаря взаимодействию переменного тока, проходящего по ее виткам, с постоянным магнитным полем в кольцевом зазоре.

В экранах наводится переменный ток, противоположный по направлению с током подвижной катушки, благодаря чему происходит уменьшение намагничивания магнитопровода переменным магнитным полем, образованным переменным током подвижной катушки.

Кроме того, известен вибратор [2] который принят за прототип.

Известный вибратор содержит магнитопровод с кольцевым воздушным зазором, образованным полюсами керна и ярма, в котором помещена подвижная катушка, жестко связанная со столом. Ярмо выполнено из тонких ферромагнитных шайб, между которыми расположены экранирующие витки из металла с хорошей электрической проводимостью. Для создания постоянного магнитного поля в зазоре служат катушки, расположенные вокруг керна, питаемые постоянным током. Переменный ток, которым подвижная катушка приводится в движение, индуктирует в магнитопроводе магнитный поток и токи в короткозамкнутых витках. Эти токи в свою очередь индуктируют в магнитопроводе встречный магнитный поток. Тем самым компенсируется большая часть переменного магнитного потока, вызывающего перемагничивание магнитопровода, которое искажает постоянное магнитное поле (постоянный магнитный поток) в кольцевом зазоре, что приводит к нелинейным искажениям амплитуды колебаний стола, вносящим большие погрешности при поверке ВИП.

Кроме того, шайбы из немагнитного материала увеличивают магнитное сопровотивление части рассеянного магнитного потока, замыкающегося вокруг одного или нескольких витков подвижной катушки, то есть способствуют уменьшению величины рассеянного магнитного потока. Это приводит к снижению смещения по фазе между напряжением и током подвижной катушки, так как уменьшается ее реактивное сопротивление, и увеличению КПД вибратора.

Для удовлетворения потребностей науки и техники требуются более точные приборы измерительной техники. В частности, для измерения различных параметров вибрации требуются виброизмерительные преобразователи, способные с высокой точностью производить такие измерения. Для качественной поверки и испытаний виброизмерительных средств поэтому требуются вибраторы, которые могут воспроизводить в идеале абсолютно синусоидальные колебания различной частоты и амплитуды, обладающие высоким КПД. Высокая синусоидальность воспроизводимых колебаний необходима, так как поверка рабочих вибропреобразователей путем сличения их показаний с эталонными может осуществляться только в этих условиях в связи с тем, что их коэффициенты преобразования, с помощью которых пересчитываются электрические величины показаний вибропреобразователей в механические, определены только для синусоидальных колебаний.

Вышеупомянутый вибратор обладает невысоким КПД, так как подвижная катушка его не полностью лишена реактивной составляющей импеданса, а также воспроизводит колебания с уровнем высших гармоник 8-9% на частотах, кратных резонансным, так как переменное магнитное поле, создаваемое подвижной катушкой, не полностью компенсируется переменным магнитным полем короткозамкнутых витков.

Для создания синусоидальных колебаний с малыми нелинейными искажениями и высоким КПД в электродинамическом вибраторе, содержащем магнитопровод с кольцевым воздушным зазором, образованным полюсами керна и ярма, собранными из ферромагнитных шайб, между которыми расположены экранирующие витки из неферромагнитного материала, подвижную катушку, жестко связанную со столом, подвешенную на упругих пружинах и помещенную в упомянутом зазоре, и неподвижную катушку подмагничивания, насаженную на керн, в каждой ферромагнитной шайбе выполнен радиальный разрез, в котором соединен конец каждого экранирующего витка с началом последующего, при этом витки керна и ярма электрически изолированы от ферромагнитных шайб и соединены между собой последовательно, а свободные их концы подключены через выключатель параллельно подвижной катушке и таким образом, чтобы индуктируемые или магнитные потоки были направлены встречно индуктируемому в магнитопроводе магнитному потоку.

Из теоретической электротехники известно, что при параллельном соединении катушек, если их включить встречно, магнитные потоки самоиндукции и взаимоиндукции направлены в противоположные стороны и результирующая индуктивность будет практически равна нулю.

Благодаря воспроизведению аналогичных условий, где роль одной катушки выполняет подвижная катушка вибратора, а другой экранирующие витки, соединенные так, что конец предыдущего витка соединен с началом последующего, практически отсутствует индуктивное сопротивление и фазовый сдвиг между напряжением и током. Поэтому удается получить Cosϕ ≃ 1 и активная мощность вибратора в связи с этим увеличивается. Соответственно увеличивается и КПД вибратора несмотря на частичные потери мощности в экранирующей катушке, подключенной параллельно основной. Дело в том, что такие же потери происходят и в устройстве, принятом за прототип, из-за вихревых токов, индуктируемых в экранирующих короткозамкнутых витках. Индуктивности с такими потерями изображаются в эквивалентных схемах, как бы зашунтированным параллельно подключенными им ветвями с сопротивлениями, величина которых тем меньше, чем больше вихревые токи. В предлагаемом техническом решении, благодаря вышеупомянутому присоединению экранирующей катушки цепь подвижной катушки оказывается уже реально частично зашунтированной. Но связанные с этим потери электрической мощности компенсируются за счет увеличения полезной мощности, связанной с уменьшением импеданса подвижной катушки и увеличением ее Cos ϕ. Поэтому КПД вибратора возрастет на 30-40% по сравнению с прототипом. Соответственно с вышеупомянутым отсутствием суммарного магнитного потока отсутствует и явление перемагничивания магнитопровода и связанное с ним наложение на постоянное магнитное поле в кольцевом воздушном зазоре переменного поля. Следовательно, синусоидальный переменный ток подвижной катушки взаимодействует только с постоянным магнитным полем и поэтому колебания подвижной катушки не будут содержать высших гармоник. На частотах, меньших 1,5-2 кГц, индуктивное сопротивление подвижной катушки становится соизмеримым и даже меньше ее активного сопротивления, соответственно эквивалентный импеданс подвижной катушки, который может быть вычислен по формулам, приведенным в упомянутой технической литературе, даже увеличивается. Поэтому, чтобы избежать связанных с этим дополнительных потерь, экранирующая катушка отключается с помощью выключателя.

Таким образом, выполнение в ферромагнитных шайбах радиальных разрезов, в которых соединяются экранирующие витки так, чтобы образовать катушки, подключение этих катушек на частотах свыше 1,5-2 кГц параллельно подвижной катушке и встречно относительно индуктируемых ими магнитных потоков в магнитопроводе, возможность отключения экранирующих катушек на частотах, меньших 1,5-2 кГц, позволяет повысить КПД вибратора, а также уменьшить нелинейные искажения воспроизводимых им колебаний.

На фиг. 1-4 изображены две проекции предлагаемого электродинамического вибратора; на фиг.5 изображена принципиальная электрическая схема вибратора.

Вибратор содержит магнитопровод 1 с катушкой 2 подмагничивания, подвижную катушку 3, имеющую 40 витков провода 0,7 мм, упруго подвешенную посредством пружин 4 в кольцевом воздушном зазоре 5 длиной 3,5 мм между полюсами 6 и 7 керна 8 и ярма 9 магнитопровода 1. Каждый полюс выполнен в виде пакета из ферромагнитных шайб 10 и 11 толщиной 0,7 мм и шириной 20 мм, имеющих радиальные разрезы 12 шириной 1,5 мм. Между ферромагнитными шайбами 10, 11 расположены разомкнутые витки 13 из меди толщиной 0,2 мм и шириной 20 мм, которые изолированы от шайб лаковыми покрытиями 14. Конец витка 13 одного слоя соединен с началом витка 13 другого соседнего слоя перемычками, проходящими сквозь радиальные разрезы 12 ферромагнитных шайб. Образованные таким образом катушки из отдельных витков 15 и 16 на полюсах 6 керна 8 и ярма 9 соединены последовательно, а свободные концы их подключены параллельно виткам подвижной катушки 17, питаемой от источника 18 переменного тока, посредством выключателя 19 таким образом, чтобы магнитный поток, индуктированный ими, был направлен встречно магнитному потоку, индуктированному подвижной катушкой 3.

Устройство работает следующим образом. Синусоидальный электрический ток в подвижной катушке 3, взаимодействуя с постоянным магнитным полем в кольцевом воздушном зазоре, создаваемым катушкой 2 подмагничивания, приводит подвижную катушку 3 в колебательное движение также по синусоидальному закону, так как благодаря размагничивающему действию катушек 15, 16, собранных из витков 13, в кольцевом воздушном зазоре поддерживается постоянное магнитное поле. Благодаря большой площади поперечного сечения витков их активное сопротивление маленькое, а так как индуктивное сопротивление практически отсутствует, то отсутствует составляющая реактивной мощности и потери, с нею связанные. При работе на частоте меньше 2 кГц с помощью выключателя 13 катушки, 15, 16 отключаются для исключения части потерь активной мощности, вызванных некоторым увеличением активного сопротивления подвижной катушки.

Данное изобретение позволяет в 1,5-2 раза увеличить амплитуду виброускорений на частотах свыше 2 кГц по сравнению с существующими электродинамическими вибраторами при тех же затратах электрической мощности, на 30-40% увеличить КПД, а также понизить величину нелинейных искажений амплитуды виброускорений до величины менее 1% в частотном диапазоне работы вибратора 20-20000 Гц.

Использование: область испытательной техники, в частности в испытательных и поверочных вибрационных установках, служащих для поверки виброизмерительных преобразователей. Сущность изобретения: электродинамический вибратор содержит магнитопровод с кольцевым воздушным зазором, образованным полюсами керна и ярма, собранными из ферромагнитных шайб, между которыми расположены экранирующие витки из неферромагнитного материала, подвижную катушку, жестко связанную со стволом, подвешенную на упругих пружинах и помещенную в упомянутом зазоре, и неподвижную катушку подмагничивания, насаженную на керн. В каждой ферромагнитной шайбе выполнен радиальный разрез, в котором соединен конец каждого предыдущего экранирующего витка с началом последующего. При этом витки керна и ярма электрически изолированы от ферромагнитных шайб и соединены между собой последовательно, а свободные их концы подключены через выключатель параллельно и встречно подвижной катушке. 5 ил.

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ ВИБРАТОР, содержащий магнитопровод с кольцевым воздушным зазором, образованным полюсами керна и ярма, собранными из ферромагнитных шайб, между которыми расположены экранирующие витки из неферромагнитного материала, подвижную катушку, жестко связанную со столом, подвешенную на упругих пружинах и помещенную в воздушном зазоре, и неподвижную катушку подмагничивания, насаженную на керн, отличающийся тем, что в каждой ферромагнитной шайбе выполнен радиальный разрез, внутри которого соединены конец соответствующего предыдущего экранирующего витка с началом последующего, при этом витки керна и ярма электрически изолированы от ферромагнитных шайб и соединены между собой последовательно, а свободные их концы подключены через выключатель параллельно и встречно подвижной катушке.