ИМПУЛЬСНЫЙ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 1999 года по МПК H02K35/06 H02K33/02 

Изобретение относится к области ракетной техники и предназначено для приведения в действие электровоспламенителей пусковых и бортовых систем ракеты, запускаемой из трубы-контейнера.

Известен импульсный генератор [1] , принятый за аналог и состоящий из магнитоэлектрической системы, включающей верхний и нижний магнитопроводы с парой полюсов на каждом магнитопроводе в виде выступов в средней части, расположенных друг против друга, магниты, расположенные между концами верхнего и нижнего магнитопроводов, катушку, размещенную между полюсами магнитопроводов, и якорь, закрепленный на оси в центральном отверстии катушки и примыкающий к накрестлежащим полюсам верхнего и нижнего магнитопроводов, и из приводного механизма, включающего пластинчатую пружину, одним концом присоединенную к нижнему магнитопроводу, а вторым удлиненным концом размещенную над верхним магнитопроводом, и силовой стержень, один конец которого соединен с якорем, а второй конец проходит через отверстия в верхнем магнитопроводе и во втором удлиненном конце пластинчатой пружины, причем на втором конце силового стержня имеется ограничитель перемещения пластинчатой пружины в виде гаек, расположенных одна выше, а другая ниже пластинчатой пружины. Верхняя гайка является упором через который пластинчатая пружина поджимает якорь к полюсам в исходном положении. Нижняя гайка - упор, через который пружина действует на якорь и перебрасывает его во второе, сработанное положение. Расстояние между гайками должно обеспечивать свободное перемещение якоря из исходного в сработавшее положение. Пружина после упора в нижнюю гайку должна еще переместиться на значительную величину, чтобы обеспечить нагрузку на якорь, необходимую для его отделения и перемещения относительно полюсов. Такое выполнение конструкции генератора требует больших деформаций пластинчатой пружины, что приводит к работе пружины при предельно допустимых нагрузках, что, в свою очередь, снижает гарантийный срок эксплуатации. Кроме того, большой разброс усилия удержания якоря полюсами при замкнутой магнитной цепи генератора приводит к тому, что не всегда возможно обеспечить условия срабатывания генератора: либо пружина не обеспечивает потребного условия для отделения якоря от полюсов, либо деформация пружины недостаточна для сопровождения якоря (т.е. обеспечения необходимой скорости перемещения якоря).

Задачей настоящего изобретения является исключение влияния разброса параметров материала магнита, в конечном итоге разброса усилия удержания якоря полюсами при замкнутой магнитной цепи магнитоэлектрической системы генератора, при изготовлении импульсного магнитоэлектрического генератора (ИМЭГ), а также влияния уменьшения усилия удержания за время эксплуатации, на срабатывание ИМЭГ, т. е. на параметры электрического импульса. Задачей изобретения является также обеспечение необходимой величины нагрузки на якорь от ускорительной пружины при срабатывании ИМЭГ, достаточной для выработки электрического импульса.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в ИМЭГ, состоящем из магнитоэлектрической системы, включающей верхний и нижний магнитопроводы с парой полюсов на каждом магнитопроводе в виде выступов в средней части, расположенных друг против друга, магниты, расположенные между концами верхнего и нижнего магнитопроводов, катушку, размещенную между полюсами магнитопроводов, и якорь, размещенный в центральном отверстии катушки и примыкающий к накрест лежащим полюсам верхнего и нижнего магнитопроводов, и приводного механизма в виде штока из немагнитного материала, расположенного в соосных отверстиях верхнего и нижнего магнитопроводов с внешней стороны катушки, и ускорительной пружины, размещенной в центральном отверстии штока и взаимодействующий с концом якоря, проходящим через продольный центральный паз штока в его центральное отверстие и сцепляющимся с продольными боковыми пазами штока штифтом, средней частью закрепленным на этом конце якоря, центральное отверстие штока выполнено сквозным и один конец отверстия выполнен резьбовым, в котором установлен взаимодействующий со штоком по резьбе регулятор, один торец которого обращен в сторону свободного конца отверстия штока и на нем выполнена ответная часть под инструмент, на второй торец регулятора опирается вторым концом ускорительная пружина, при этом жесткость ускорительной пружины и геометрические и силовые параметры магнитоэлектрической системы связаны соотношением:

где z - жесткость ускорительной пружины;
k≈0,9 - коэффициент настройки взаимодействия ускорительной пружины и магнитоэлектрической системы;
P_мо - усиление удержания якоря одним полюсом при замкнутой магнитной цепи (при нулевом воздушном зазоре);
l - расстояние между полюсами на одном магнитопроводе;
l_п - ширина полюса;
l_о - расстояние от полюса до оси приложения усилия к якорю ускорительной пружиной;
P_м - усилие удержания якоря одним полюсом при разомкнутой магнитной цепи;
α - полный угол поворота якоря при срабатывании;
Δ - расстояние между полюсами верхнего и нижнего магнитопроводов;
h - толщина якоря.

Такое выполнение конструкции ИМЭГ позволяет регулировать усилие ускорительной пружины, действующее на якорь, тем самым исключить влияние изменения усилия удержания якоря полюсами при замкнутой магнитной цепи магнитоэлектрической системы на параметры электрического импульса, и обеспечить необходимую величину нагрузки на якорь при срабатывании ИМЭГ от ускорительной пружины достаточную для выработки электрического импульса.

Изложенная сущность предлагаемого изобретения поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 изображен продольный разрез ИМЭГ; на фиг. 2 и 3 показаны магнитные потоки в магнитной цепи магнитоэлектрической системы ИМЭГ соответственно в исходном и промежуточном положении якоря при срабатывании; на фиг. 4 - силовые характеристики магнитоэлектрической системы и ускорительной пружины.

Импульсный магнитоэлектрический генератор (фиг. 1) состоит из верхнего 1 и нижнего 9 магнитопроводов, между концами которых установлены магниты 8. В средней части каждого магнитопровода имеется пара полюсов в виде выступов, расположенных друг против друга. Между полюсами размещена катушка 6. В центральном отверстии катушки находится якорь 7, который примыкает к накрест лежащим полюсам верхнего и нижнего магнитопроводов. Магниты, магнитопроводы и якорь образуют магнитную цепь магнитоэлектрической системы ИМЭГ. Один конец якоря проходит через центральный продольный паз штока 2 и его центральное отверстие и сцепляется с продольными боковыми пазами штифтов 5, который средней частью закреплен на этом конце якоря. Шток расположен в соосных отверстиях верхнего и нижнего магнитопроводов. Центральное отверстие штока выполнено сквозным и один конец отверстия выполнен резьбовым, в который ввернут регулятор 3. Один торец регулятора обращен в сторону свободного конца отверстия штока и на нем выполнена ответная часть под инструмент. В центральном отверстии штока размещается ускорительная пружина 4, которая взаимодействует с концом якоря. Вторым концом ускорительная пружина опирается на второй торец регулятора 3.

ИМЭГ работает следующим образом. При нажатии оператором на приводной механизм шток 2 перемещается вниз. При этом сжимается ускорительная пружина 4 до тех пор пока шток поверхностью "a" бокового продольного паза коснется штифта 5. При этом поверхность "b" бокового продольного паза освободит штифт и переместится вниз на величину, чтобы не препятствовать свободному перемещению (повороту на полный угол α вокруг точек A и B) якоря 7. При дальнейшем перемещении штока 2 вниз якорь 7 отделяется от полюса и перемещается вниз до тех пор пока усилие удержания якоря полюсами при замкнутой магнитной цепи магнитоэлектрической системы ИМЭГ станет равной, а затем и меньше, усилия от ускорительной пружины. При отделении якоря от полюсов и увеличении воздушного зазора между якорем и полюсами усилие удержания якоря резко уменьшается и под действием ускорительной пружины якорь ускоряется, поворачиваясь сначала вокруг опорной точки A до упора в другой полюс в точке B, а затем вокруг точки B до упора в другие накрест лежащие полюса верхнего 1 и нижнего 9 магнитопроводов. В этот момент магнитный поток в якоре Φ_я (фиг. 2), проходящий через якорь и сцепленный с катушкой, изменяется, - сначала уменьшается до нуля (фиг. 3), а затем вновь увеличивается до максимума. Это приводит к генерированию в катушке электрического импульса.

Для того, чтобы якорь 7 под действием ускорительной пружины не отделился от полюсов раньше, чем поверхность "a" бокового продольного паза коснется штифта 5, т.е. когда поверхность "b" продольного паза не будет ограничивать ход якоря, и для того, чтобы не перемещать якорь штоком на всю величину хода якоря, в конструкцию ИМЭГ введен регулятор 3. Вращая регулятор отверткой (или другим инструментом, под который на конце регулятора сделана ответная часть) перемещаем регулятор вдоль оси штока. Этим производится настройка величины усилия ускорительной пружины в момент касания поверхности "a" штока штифта 5, - либо дополнительно сжимается пружина, либо, наоборот, ослабляется. В процессе эксплуатации усилие удержания якоря полюсами при замкнутой магнитной цепи несколько уменьшается. Уменьшение усилия удержания зависит от конкретных условий, но практически для всех видов ИМЭГ за все время эксплуатации не превышает 5 - 7%. Поэтому, учитывая точность измерений величин усилий и перемещений при изготовлении ИМЭГ целесообразно настраивать величину усилия, действующего на якорь от ускорительной пружины, ≈0,9 величины усилия удержания якоря полюсами при замкнутой магнитной цепи (при нулевом воздушном зазоре). Такая настройка позволяет за все время эксплуатации ИМЭГ получить однозначное срабатывание якоря и практически не уменьшает рабочий ход якоря, т.е. когда якорь перемещается под действием ускорительной пружины и вырабатывается электрический импульс.

Срабатывание ИМЭГ, т.е. генерирование электрического импульса, зависит также от жесткости ускорительной пружины.

На фиг. 2 и 3 показаны соответственно магнитный поток в магнитной цепи в исходном, замкнутом состоянии и магнитные потоки разомкнутой магнитной цепи. Здесь же показаны усилия взаимодействия якоря с полюсами магнитной цепи магнитоэлектрической системы.

В исходном положении магнитный поток Φ_я, проходящий через якорь, является суммой магнитных потоков от всех магнитов (Φ_м1, Φ_м2).
В начале движения якоря под действием ускорительной пружины возникает равновесие в силовом воздействии на якорь от полюсов магнитной цепи и ускорительной пружины. Условия равновесия моментов сил при вращении вокруг точки A запишется P_пр2(l+l_о)= kP_мо(l+l_п/2)+kP_моl_п/2. Исходя из этого P_пр2= kP_мо(l+l_п)/(l+l_о) (1), где O_пр2 - рабочее усилие ускорительной пружины; k≈0,9 - коэффициент настройки взаимодействия ускорительной пружины и магнитоэлектрической системы; P_мо - усилие удержания якоря одним полюсом при замкнутой магнитной цепи (при нулевом магнитном зазоре); l - расстояние между полюсами одного магнитопровода; l_о - расстояние от полюса до оси действия ускорительной пружины; l_п = ширина полюса. Жесткость ускорительной пружины определяется отношением разности усилий в начале и в конце пружины к величине хода, т.е. z=(P_пр2 - P_пр1)/x (2), где z - жесткость ускорительной пружины; P_пр2 - усилие пружины в начале хода (рабочее усилие ускорительной пружины); P_пр1 - усилие пружины в конце хода (усилие предварительного поджатия ускорительной пружины); x - величина хода ускорительной пружины.

На фиг. 4 показаны статическая характеристика магнитоэлектрической системы, т. е. P_маг = f(x_я), и несколько вариантов силовой характеристики ускорительной пружины с различными жесткостями.

Если силовая характеристика ускорительной пружины определяется прямой C касательной к статической характеристике магнитной системы, то, очевидно, что ИМЭГ не работает, т.к. усилие от ускорительной пружины, действующее на якорь, в этом случае всегда меньше усилия удержания якоря полюсами при замкнутой магнитной цепи.

При перемещении якоря в магнитной цепи изменяется величина магнитного потока Φ_я, сцепляющегося с витками катушки 6, вследствии чего в витках последней генерируется импульсная ЭДС. Величина ЭДС определяется e = -WV_яdΦ_я/dX_я, где e - импульсная ЭДС, наводимая в катушке; W - число витков в катушке; V_я - скорость перемещения якоря; Φ_я - магнитный поток в якоре; x - ход якоря.

Если скорость перемещения якоря равна нулю, то и величина ЭДС равна нулю.

Если силовая характеристика пружины расположена в области между прямыми C и D, то параметры электрического импульса нестабильны. После отделения якоря от полюсов он сначала разгоняется ускорительной пружиной, но затем на некотором ходе якоря (угле поворота) он начинает тормозиться, т.к. усилие, действующее на якорь, от магнитоэлектрической системы становится больше усилия от пружины. При касании якоря полюса нижнего магнитопровода в точке B скорость его мала и якорь остается у полюсов нижнего магнитопровода 9, притягиваясь к ним в точках A и B. В этом случае якорь не совершает полного хода, т.е. не поворачивается на угол α в магнитоэлектрической системе ИМЭГ, что сразу уменьшает параметры электрического импульса. Кроме того, поскольку скорость якоря в этом случае значительно уменьшается, то также уменьшается и величина ЭДС.

Если силовая характеристика ускорительной пружины располагается в области правее линии D, то усилие от пружины, действующей на якорь, будет всегда больше усилия притяжения якоря полюсами магнитной цепи магнитоэлектрической цепи и, следовательно, якорь беспрепятственно повернется на полный угол α (совершит полный ход). Таким образом, правее линии D находится область гарантированного срабатывания ИМЭГ.

Для определения границы области гарантированного срабатывания, т.е. линии D, рассмотрим схему на фиг. 3. В этом случае магнитный поток в якоре равен нулю. Магнитные потоки от магнитов замыкаются через ближайшие полюса верхнего и нижнего магнитопроводов. Магнитная цепь ИМЭГ разомкнута. Якорь удерживается в нижнем положении местным притяжением полюсов нижнего магнитопровода. Для продолжения движения якоря, т.е. поворота его относительно точки B на полный угол α, должно выполняться условие
P_пр1l_о+P_мl_п/2>P_м (l+l_п/2), но поскольку к этому промежуточному положению якорь уже имел определенную угловую скорость, то это уравнение можно записать P_пр1l_о+P_мl_п/2≥P_м (l+l_п/2) или окончательно P_пр1≥P_мl/l_о (3), где P_пр1 - усилие ускорительной пружины в конце хода (усилие предварительного поджатия); P_м - усилие удержания якоря одним полюсом при разомкнутой магнитной цепи; l - расстояние между полюсами одного магнитопровода; l_о - расстояние от полюса до оси действия ускорительной пружины.

Уравнение (2) можно представить P_пр2 - zx = P_пр1 (2a).

Ход пружины при перемещении якоря из исходного положения, показанного на фиг. 2, в положение, показанное на фиг. 3, определяется x = (l+l_o)tgα/2 (4), или x = (Δ-h)+l_otgα/2 (4a), где x - ход ускорительной пружины; l - расстояние между полюсами одного магнитопровода; l_о - расстояние от полюса до оси действия ускорительной пружины; α - полный угол поворота якоря; Δ - расстояние между полюсами верхнего и нижнего магнитопроводов; h - толщина якоря.

Подставляя уравнения (1), (3), (4), (4a), в (2a) получим

Это уравнение определяет область, в которой должна находиться силовая характеристика ускорительной пружины. В случае когда жесткость пружины

то получим прямую D, которая определяет границу области гарантированного срабатывания.

Таким образом, если жесткость ускорительной пружины удовлетворяет требованиям уравнения (5), то при повороте якоря вокруг точки A на угол α/2 (до касания в точке B) всегда будет обеспечиваться повышение усилия от ускорительной пружины над усилием от магнитоэлектрической системы, а при дальнейшем повороте якоря вокруг точки B до полного угла поворота α усилие от ускорительной пружины совпадает по направлению с усилием от магнитоэлектрической системы, т. е. якорь будет всегда поворачиваться на полный угол (полный ход) с ускорением.

Испытания образцов ИМЭГ, изготовленных конструкторским бюро приборостроения, показали, что введение настройки взаимодействия ускорительной пружины и магнитоэлектрической системы с помощью регулятора и при выполнении в конструкции ИМЭГ требования к жесткости пружины

исключает влияние изменения усилия удержания якоря полюсами при замкнутой магнитной цепи, в том числе за время эксплуатации, на срабатывание ИМЭГ, а также обеспечивается необходимая величина нагрузки на якорь для выработки электрического импульса.

Источники информации
1. Патент США N 2904707, 310 - 15.

Изобретение относится к области ракетной техники и предназначено для приведения в действие электровоспламенителей пусковых и бортовых систем ракеты. В импульсном магнитоэлектрическом генераторе, состоящем из магнитоэлектрической системы, включающей верхний и нижний магнитопроводы с парой полюсов на каждом магнитопроводе в виде выступов в средней части, расположенных друг напротив друга, магниты, расположенные между концами верхнего и нижнего магнитопроводов, катушку, размещенную между полюсами магнитопроводов, и якорь, размещенный в центральном отверстии катушки и примыкающий к накрест лежащим полюсам верхнего и нижнего магнитопроводов, и из приводного механизма в виде штока из немагнитного материала, расположенного в соосных отверстиях верхнего и нижнего магнитопроводов с внешней стороны катушки, и ускорительной пружины, размещенной в центральном отверстии штока и взаимодействующей с концом якоря, проходящим через продольный центральный паз штока в его центральное отверстие и сцепляющимся с продольными боковыми пазами штока штифтом, средней частью закрепленным на этом конце якоря, центральное отверстие штока выполнено сквозным, и один конец отверстия выполнен резьбовым, в котором установлен взаимодействующий с штоком по резьбе регулятор, один торец которого обращен в сторону свободного конца отверстия штока и на нем выполнена ответная часть под инструмент, на второй торец регулятора опирается вторым концом ускорительная пружина, при этом жесткость ускорительной пружины и геометрические и силовые параметры магнитоэлектрической системы связаны определенным соотношением. Изобретение позволяет исключить влияние разброса усилия отделения якоря от полюсов магнитной системы при изготовлении импульсного магнитоэлектрического генератора и при его эксплуатации. 4 ил.

Импульсный магнитоэлектрический генератор, состоящий из магнитоэлектрической системы, включающей верхний и нижний магнитопроводы с парой полюсов на каждом магнитопроводе в виде выступов в средней части, расположенных напротив друг друга, магниты, расположенные между концами верхнего и нижнего магнитопроводов, катушку, размещенную между полюсами магнитопроводов, и якорь, размещенный в центральном отверстии катушки и примыкающий к накрест лежащим полюсам верхнего и нижнего магнитопроводов, и приводного механизма в виде штока из немагнитного материала, расположенного в соосных отверстиях верхнего и нижнего магнитопроводов с внешней стороны катушки, и ускорительной пружины, размещенной в центральном отверстии штока и взаимодействующей с концом якоря, проходящим через продольный центральный паз штока в его центральное отверстие и сцепляющимся с продольными боковыми пазами штока штифтом, средней частью закрепленным на этом конце якоря, отличающийся тем, что центральное отверстие штока выполнено сквозным и один конец отверстия выполнен резьбовым и в нем установлен взаимодействующий с штоком по резьбе регулятор, один торец которого обращен в сторону свободного конца отверстия штока и на нем выполнена ответная часть под инструмент, на второй торец регулятора опирается вторым концом ускорительная пружина, при этом жесткость ускорительной пружины и геометрические и силовые параметры магнитоэлектрической системы связаны соотношением

где Z - жесткость ускорительной пружины;
k ≈0,9 - коэффициент настройки взаимодействия ускорительной пружины и магнитоэлектрической системы;
Р_мо - усилие удержания якоря одним полюсом при замкнутой магнитной цепи (при нулевом воздушном зазоре);
l - расстояние между полюсами на одном магнитопроводе;
l_п - ширина полюса;
l_о - расстояние от полюса до оси приложения усилия к якорю ускорительной пружиной;
Р_м - усилие удержания якоря одним полюсом при разомкнутой магнитной цепи;
α - полный угол поворота якоря при срабатывании;
Δ - расстояние между полюсами верхнего и нижнего магнитопроводов;
h - толщина якоря.