ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО ПИТАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК B06B1/04 

Изобретение относится к приборостроению, в частности к технической акустике, и может найти применение в приборах по исследованию океана, в гидроакустических фарватерах для судовождения, в сейсморазведке, в электромуфтах, вибронасосах и других областях виброимпульсивной техники.

Известен электромагнитный низкочастотный подводный преобразователь большой мощности (патент США N 4660186, кл. H 04 R 13/00, 1987), содержащий корпус с магнитопроводом статора, в пазы которого вложены индукционные катушки, инертную массу и магнитопровод якоря с подвижной системой.

Недостатками этого преобразователя являются низкий коэффициент полезного действия ввиду одностороннего воздействия импульсами силы на подвижную систему и наличие повышенных потерь на преодоление магнитного сопротивления воздушного зазора между статором и якорем.

Ближайшим аналогом предлагаемого изобретения является электромагнитный преобразователь (патент Российской Федерации N 1659123, кл. B 06 B 1/04 от 30.06.91 г. бюл. N 24), содержащий корпус и расположенную в нем магнитную систему, состоящую из магнитопровода статора, выполненного по форме тора, с размещенной в его пазах катушкой индуктивности и магнитопровод якоря, расположенный коаксиально к магнитопроводу статора с зазором постоянной индуктивности между их боковыми поверхностями, и излучающий элемент.

Недостатком этого электромагнитного преобразователя является низкий коэффициент полезного действия при переходе от одной генерируемой частоты на вторую из-за наличия больших переходных процессов, вызванных односторонним воздействием импульсов силы на подвижную систему.

Кроме того, в этом преобразователе ввиду отсутствия возможности подачи импульсов возбуждения в отрицательные полупериоды колебания подвижной системы, ее перемещение осуществляется за счет потенциальной энергии, накопленной в упругих элементах подвижной системы, а наличие в колебаниях упругих элементов и масс, и невозможность управления процессом колебания в течение всего периода, изменяют фазовые характеристики синусоиды подвижной системы, увеличивается коэффициент нелинейных искажений, уменьшается коэффициент полезного действия излучателя.

Целью изобретения является повышение коэффициента полезного действия и снижение нелинейных искажений в излучаемом сигнале.

Поставленная цель достигается тем, что известный электромагнитный преобразователь, содержащий корпус, излучающий поршень и расположенные в корпусе магнитопровод статора в форме тора, катушку индуктивности, выполненную по форме кольца и размещенную в пазу магнитопровода статора, магнитопровод якоря, расположенный коаксиально в магнитопроводе статора с рабочим зазором относительно него и связанный с излучающим поршнем, в него введены второй магнитопровод статора, выполненный по форме тора, вторая, третья и четвертая катушки индуктивности, выполненные в форме кольца, второй магнитопровод якоря, два дисковых диамагнитных элемента и второй излучающий поршень, связанный с вторым магнитопроводом якоря, причем первый и второй магнитопроводы статора расположены соосно друг другу, вторая катушка индуктивности размещена в дополнительном пазе первого магнитопровода статора, третья и четвертая катушки индуктивности расположены в пазах второго магнитопровода статора, второй магнитопровод якоря расположен коаксиально во втором магнитопроводе статора с рабочим зазором относительно него, диамагнитные элементы установлены в теле соответствующего магнитопровода статора между катушками индуктивности, а излучающие поршни расположены соосно друг другу с противоположных сторон корпуса.

Известен способ возбуждения колебаний электромагнитного вибропривода (авт. св. N 660728, кл. B 06 B 1/04, бюл. N 17 от 05.05.79), заключающийся в формировании последовательности импульсов в виде однополупериодного напряжения с длительностью в пределах 0,33-0,83 от длительности полупериода напряжения и подаче его на обмотку вибропривода.

Однако, известный способ возбуждения обладает низким коэффициентом полезного действия электромагнитного вибропривода ввиду отсутствия связи во времени, подачей импульсов напряжения на обмотку вибропривода с собственными колебаниями подвижной системы вибропривода.

Поясним недостатки известного способа электропитания и преимущество заявляемого способа электропитания электромагнитного излучателя.

В электромагнитном излучателе имеются две системы: электромагнитная система статора с импульсами тока и подвижная система с собственной, резонансной частотой колебания.

Формирование и подача импульсов тока на катушку индуктивности необходимо связать со скоростью колебания подвижной системы во времени, по фазе.

Для оптимизации коэффициента полезного действия при электропитании излучателя решим систему уравнений, уравнения импульсов тока I(t), подаваемых на вход катушки индуктивности и действующих в рабочем магнитном зазоре, и уравнения скорости собственных колебаний V(t) подвижной системы, и исследуем ее на экстремальные значения, увязывая их по времени.

Из решения системы следует, что эффективное время действия тока I(t) в индукционной катушке определяется в моменты времени (в каждый полупериод колебания подвижной системы) и в момент времени сближения магнитопровода якоря с магнитопроводом статора, при этом максимум амплитуды тока по времени должен совпадать с максимумом скорости колебания подвижной системы, а время действия тока в индукционной катушке не должно быть более чем 0,3 (T/2) полупериода колебаний подвижной системы, что отсутствует в известном способе возбуждения колебаний электромагнитного вибропровода по авт. св. N 660728.

На фиг.2 синусоидой 1 показаны собственные колебания подвижной системы, F и t_F импульсы и время действия силы в рабочем магнитном зазоре, I и t_i импульсы и время действия тока, подаваемого на вход катушки индуктивности.

Из сравнения этих двух импульсов видим, что за счет активно-индуктивного характера электромагнитной системы время действия силы F в рабочем магнитном зазоре больше, чем время действия тока I, подаваемого на вход индукционной катушки,
F(t) > I(t).

Подавать ток I в индукционные катушки и создавать силу F в рабочем магнитном зазоре в моменты времени, близкие, когда скорость колебательной системы стремится к нулю v _→ 0, или в моменты времени, когда подвижная система меняет свой знак, неэффективно.

Сила, развиваемая электромагнитом, обратно пропорциональна квадрату рабочего магнитного зазора

где I ток в катушке;
N количество витков катушки;
μ - магнитная проницаемость воздуха в зазоре;
S площадь сечения полюсов;
X воздушный рабочий зазор.

Подавать ток при максимуме зазора X неэффективно, так как X в знаменателе и в квадрате, при минимуме зазора X, также неэффективно так как v _→ 0 и подвижная система готовится к перемене знака своего движения, происходит притормаживание подвижной системы.

Уменьшая длительность импульсов и увеличивая его амплитуду, можно добиться того, что вся энергия, заключенная в них, будет эффективно направлена только на раскачивание подвижной системы излучателя.

При таком постоянном возбуждении индукционных катушек в каждом полупериоде колебания подвижной системы поддерживается строгая синусоида без искажений, т.е. коэффициент нелинейных искажений сведен к минимуму, получаем высокий коэффициент полезного действия преобразования электрической энергии в механическую.

Поэтому (фиг.2) способ электропитания электромагнитного излучателя осуществляется подачей импульсов тока на одну из двух катушек индуктивности, расположенных в каждом магнитопроводе статора, в каждом полупериоде перемещения соответствующих магнитопроводов якоря, длительность импульсов тока составляет от 0,1 до 0,8 полупериода колебаний магнитопроводов якоря, в момент сближения их с магнитопроводами статора.

На фиг.1 изображена схема сечения части излучателя; на фиг.2 график связи подачи импульсов тока на вход катушки индуктивности и периодов колебания подвижной системы; на фиг.3-5 -графики переходных процессов.

Электромагнитный излучатель (фиг.1) состоит из корпуса 1 со статором и подвижной системой. Статор содержит основной коаксиальный магнитопровод 2, выполненный по форме тора, в его пазу размещена индукционная катушка 3, выполненная в форме кольца. К магнитопроводу 2 смонтирован дополнительный магнитопровод 4, выполненный также по форме тора, а в его пазу размещена дополнительная катушка индуктивности 5. Между магнитопроводами 2 и 4 размещен диамагнитный элемент 6, выполненный по форме диска. Элемент 6 может быть изготовлен из таких материалов, как медь или алюминий, которые выполняют еще и вторую функцию отвод тепла на корпус, функции диамагнитного элемента 6 может выполнить обычная щель (воздушный зазор) между магнитопроводами 2 и 4.

Подвижная система состоит из магнитопровода якоря 7, образующего с магнитопроводом 2 паразитный зазор 8 и рабочий магнитный зазор 9. Якорь 7 элементом 10 соединен с дополнительным магнитопроводом якоря 11, который в свою очередь с дополнительным магнитопроводом 4 образует паразитный зазор 12 и рабочий магнитный зазор 13.

Элемент 10 перемещается во втулке 14 и одним торцом соединен с поршнем-излучателем 15. На поршне-излучателе размещен датчик 16 обратной связи. Симметричная часть излучателя на чертежах не изображена.

Электромагнитный излучатель работает следующим образом.

При помощи датчика 16, установленного на подвижной системе известным способом [1] определяют собственные колебания подвижной системы с присоединенной массой среды.

Затем источником питания (не показано) формируют импульсы напряжения таким образом, чтобы их временные интервалы совпадали с частотой собственных колебаний подвижной системы. Затем сформированные импульсы напряжения подают на вход катушки индуктивности в каждом полупериоде колебания подвижной системы в момент сближения полюса магнитопровода 7 якоря с полюсом магнитопровода 2 статора, при этом максимум амплитуды тока по времени выдерживают с максимумом скорости колебания подвижной системы, т.е. в момент перехода ее через нуль (фиг.2), а длительность импульса тока, подаваемого на вход катушки индуктивности, не должен превышать 0,3(T/2) полупериода колебания подвижной системы.

Сформированные таким образом импульсы тока подают поочередно на каждую катушку индуктивности 3 и 5.

При подаче тока на вход индукционной катушки 3 в магнитопроводе статора 2 образует магнитный поток Φ₁, который проходит паразитный зазор 8 по магнитопроводу 7 якоря в рабочий зазор 9, создавая в нем пондеромоторную силу F, которая через якорь 7 перемещает элемент 10 во втулке 14 и поршень-излучатель 15 влево.

По прекращению действия импульса тока в катушке 3 подают импульс тока на вход дополнительной катушки 5. Образовавшийся магнитный поток Φ₂ в дополнительном магнитопроводе 4 создает в рабочем магнитном зазоре 13 силу F, которая через якорь 12 перемещает элемент 10 и поршень-излучатель 15 вправо.

Поочередно меняя импульсы тока в индукционных катушках 3 и 5, приводят в возвратно-поступательное движение поршень-излучатель 15, создавая в окружающей среде акустические колебания.

Наличие диамагнитного элемента 6 при переменном действии магнитных потоков Φ₁ и Φ₂ исключает возможность замыкания магнитных силовых линий в смежном не рабочем зазоре, возникновение сил, способных притормаживать подвижную систему. Работа симметричной части излучателя осуществляется аналогично.

Более подробную работу электромагнитного излучателя, способ его электропитания и снижение переходных процессов рассмотрим на графиках, изображенных на фиг. 3-5.

На графике фиг.3 изображена работа излучателя прототипа в установившемся режиме, где линиями показаны:
1 колебания излучающего элемента на резонансе;
F_I импульсы силы в рабочем магнитном зазоре от тока в катушке индуктивности.

В этом случае переходные процессы в колебаниях излучающего элемента сведены к минимуму (фиг.3).

Электропитание излучателя при переходе с одной генерируемой частоты на вторую осуществляется следующим образом (фиг.4).

Допустим, что с установившегося режима работы f с периодом T переходят на частоту f₂ с периодом T/2. Тогда с целью снижения переходных процессов подают последующий импульс тока на катушку с периодом времени не T, а T/2 в момент времени сближения магнитопровода якоря со статором с созданием в рабочем зазоре силы F₂. Силой F₂ затормаживают якорь и поршень-излучатель, и последующие импульсы тока (силы F₂) подают с частотой f₂ и т.д. с периодом T/2, и только в одном полупериоде колебания подвижной системы.

Из графика видно, что даже при наилучшем выборе времени формирования импульса силы F₂ в рабочем магнитном зазоре при одностороннем воздействии на якорь в колебаниях излучающего элемента наблюдаются переходные процессы, изображенные линией 2.

В заявляемом техническом решении импульсные силы, воздействующие на излучающий элемент, формируются в каждом полупериоде его колебания (фиг.5).

При этом из установившегося колебания излучающего элемента с периодом T (линия 1) формируют импульсы силы F₃ и затем F₂/2 с частотой f₂, т.е. с периодом T/2, и воздействуют ими на подвижную систему с новой частотой в каждом полупериоде ее колебания.

Из графика фиг. 5 видно, что переходный процесс наблюдается только в первом полупериоде действия силы F₃, а последующие воздействия силой F₂/2 не вносят в подвижную систему переходных процессов и система колеблется с новой частотой без переходных процессов.

Пользуясь обратной связью через датчик 16, подстраивают временные интервалы подачи импульсов напряжения так, чтобы максимум амплитуды тока совпадал с моментом времени перехода колебательной системы через нуль, а увеличением амплитуды тока добиваются необходимой мощности излучения.

Введение в излучатель дополнительных элементов и новых операций позволяет уменьшить амплитуды и длительность тока, протекающего через катушки индуктивности электромагнитной системы, что позволяет получить:
максимальную амплитуду колебаний поршня-излучателя при меньшем значении тока, протекающего по катушке индуктивности;
уменьшить время действия переходных процессов при переходе с одной генерируемой частоты на вторую;
уменьшить размеры индукционных катушек и параметры элементов по току питающего генератора.

Все это вместе повышает коэффициент полезного действия излучателя и уменьшает коэффициент нелинейных искажений, позволяет создавать эффективные системы.

Использование: в приборах по исследованию океана, в сейсморазведке, в судовых тифонах, в медицине и других областях техники. Сущность изобретения: электромагнитный преобразователь содержит два излучающих поршня, связанных с соответствующими магнитопроводами якоря, два соосно расположенных магнитопровода статора в форме тора, в пазах каждого из которых размещены по две индукционных катушки, корпус, два дисковых электромагнитных элемента, установленных в теле соответствующего магнитопровода статора. Способ электропитания индукционных катушек осуществляется таким образом, что импульсы силы воздействуют на подвижную систему в каждом полупериоде ее колебания. 2 с.п. ф-лы, 5 ил.

1. Электромагнитный преобразователь, содержащий корпус, первый излучающий поршень и расположенные в корпусе магнитопровод статора в форме тора, первую катушку индуктивности, выполненную в форме кольца и размещенную в пазу магнитопровода статора, первый магнитопровод якоря, расположенный коаксиально в первом магнитопроводе статора с рабочим зазором относительно него и связанный с первым излучающим поршнем, отличающийся тем, что в него введены второй магнитопровод статора, выполненный в форме тора, вторая, третья и четвертая катушки индуктивности, выполненные в форме кольца, второй магнитопровод якоря, два дисковых диамагнитных элемента и второй излучающий поршень, связанный с вторым магнитопроводом якоря, причем первый и второй магнитопроводы статора расположены соосно друг другу, вторая катушка индуктивности размещена в дополнительном пазе первого магнитопровода статора, третья и четвертая катушки индуктивности расположены в пазах второго магнитопровода статора, второй магнитопровод якоря расположен коаксиально во втором магнитопроводе статора с рабочим зазором относительно него, диамагнитные элементы установлены в теле соответствующего магнитопровода статора между катушками индуктивности, а излучающие поршни расположены соосно друг другу с противоположных сторон корпуса. 2. Способ питания электромагнитного излучателя, заключающийся в формировании импульсов тока и подачи их на катушку индуктивности, отличающийся тем, что импульсы тока подают на одну из двух расположенных в каждом магнитопроводе статора катушек индуктивности в каждом полупериоде перемещения соответствующих магнитопроводов якоря, длительность импульсов тока составляет от 0,4 до 0,8 полупериода колебаний магнитопроводов якоря в момент сближения их с магнитопроводами статора.