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.

Известен импульсный генератор [1] , 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 накрест лежащим полюсам верхнего и нижнего магнитопроводов, и их приводного механизма. Такое закрепление якоря на оси приводит к тому, что при воздействии приводного механизма на якорь он отделяется сразу от двух полюсов верхнего и нижнего магнитопроводов, что приводит к генерированию в катушке импульса э. д. с. малой длительности. При малой длительности импульса тока в цепи электровоспламенителя он может не срабатывать.

Электровоспламенитель представляет собой проволочный мостик накаливания, на который нанесена пороховая навеска. Для воспламенения пороховой навески на мостике накаливания должно быть выделено определенное количество тепловой энергии, которое определяется из уравнения
W = IUτ = I²R_нτ = I²R_но(1+αt)τ,
где W - тепловая энергия, выделяемая на нагрузке (на мостике накаливания);
I - ток в нагрузке;
U - напряжение на нагрузке;
^τ - длительность импульса тока;
R_н - сопротивление нагрузки (мостика накаливания);
R_но - сопротивление нагрузки при температуре 0^oC;
α - температурный коэффициент сопротивления нагрузки;
t - температура нагрузки (мостика накаливания).

Выделение потребного количества тепловой энергии регулируется изменением величины тока в импульсе или изменением длительности импульса; при уменьшении длительности импульса тока потребное количество тепловой энергии обеспечивают увеличением величины тока в импульсе.

Конструкции электровоспламенителя присущи органические недостатки, - неравномерность толщины проволоки мостика накаливания, т.е. различное сопротивление участков мостика накаливания, и неоднородная плотность по объему пороховой навески, а именно, наличие воздушных пузырьков по объему пороха.

Неравномерность сопротивления по длине мостика накаливания электровоспламенителя приводит к неравномерному выделению тепла по длине мостика и при значительном увеличении тока (значительном сокращении длительности импульса) участок с повышенным сопротивлением разогревается сильнее, что в свою очередь увеличивает еще больше сопротивление этого участка, что вызывает еще большее выделение тепла на этом участке вплоть до перегорания мостика накаливания (нарушение целостности электрической цепи), т.е. основная часть тепловой энергии выделяется на ограниченном участке (отрезке) мостика накаливания. При местном разогреве и перегорании мостика накаливания на остальной длине мостика выделение тепла недостаточно для воспламенения пороха. Если же в месте перегорания мостика накаливания вокруг него находился воздушный пузырек, то порох также не воспламенится.

Поэтому для исключения местного разогрева и перегорания мостика накаливания при изготовлении электровоспламенителя всегда оговаривается минимально допустимая длительность импульса тока (ограничивается максимальный ток), при которой проводится проверка срабатывания электровоспламенителя.

Известная конструкция источника электрических импульсов не обеспечивает необходимую длительность импульса.

Целью настоящего изобретения является увеличение длительности импульса тока, вырабатываемого импульсным магнитоэлектрическим генератором (ИМЭГ) для приведения в действие электровосплаенителей, и получение наибольшей длительности импульса тока (напряжения) при выработке потребного количества тепловой энергии.

Решение поставленной задачи достигается выполнением в ИМЭГ для приведения в действие электровоспламенителей, состоящем из приводного механизма и магнитоэлектрической системы, включающей верхний и нижний магнитопроводы с парой полюсов на каждом магнитопроводе в виде выступов в средней части, расположенных друг против друга, магниты, катушку и якорь, расположенный в центральном отверстии катушки и примыкающий к накрест лежащим полюсам верхнего и нижнего магнитопроводов, расстояния между полюсами верхнего и нижнего магнитопроводов исходя из соотношения
Δ ≥ x_опт+h,
где Δ - расстояние между полюсами верхнего и нижнего магнитопроводов;
x_опт - оптимальный наибольший воздушный зазор в магнитной цепи генератора;
h - толщина якоря.

Такое выполнение конструкции ИМЭГ позволяет получить достаточную длительность импульса э.д.с. (тока) для срабатывания электровоспламенителя.

Изложенная сущность предлагаемого изобретения поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 изображен продольный разрез ИМЭГ; на фиг. 2-4 показаны магнитные потоки в магнитной цепи ИМЭГ соответственно в исходном, промежуточном и конечном положении якоря при срабатывании; на фиг. 5 - характер изменения магнитного потока в зависимости от угла поворота (хода) якоря при различных расстояниях между полюсами магнитопроводов; на фиг. 6-8 - форма импульса э.д.с. (тока) при различной величине расстояния между полюсами магнитопроводов.

Импульсный магнитоэлектрический генератор (фиг.1) состоит из верхнего 1 и нижнего 8 магнитопроводов, между концами которых установлены магниты 7. В средней части каждого магнитопровода имеется пара полюсов в виде выступов, расположенных друг против друга. Между полюсами размещена катушка 5. В центральном отверстии катушки находится якорь 6, который примыкает к накрест лежащим полюсам верхнего и нижнего магнитопроводов. Магниты, магнитопроводы и якорь образуют магнитную цепь ИМЭГ. Один конец якоря проходит через центральный продольный паз штока 2 в его центральное отверстие и сцепляется с продольными боковыми пазами штифтом 4, который средней частью закреплен на этом конце якоря. Шток расположен в соосных отверстиях верхнего и нижнего магнитопроводов. В штоке с якорем взаимодействует ускорительная пружина 3.

ИМЭГ работает следующим образом. При нажатии оператором на приводной механизм шток 2 перемещается вниз. При этом сжимается ускорительная пружина 3. После отделения штока 2 якоря 6 от полюса верхнего магнитопровода 1 ускорительная пружина перемещает якорь во второе сработанное положение. Перемещаясь, якорь поворачивается на угол α, - сначала вокруг точки А на правом полюсе нижнего магнитопровода 8 на угол α/2 до касания другого полюса в точке B, а затем вокруг точки B до полного угла α, замыкая магнитную цепь ИМЭГ через другие накрест лежащие полюса верхнего 1 и нижнего 8 магнитопроводов.

При повороте якоря из исходного положения на угол α/2 вокруг точки A магнитный поток в якоре Ф_я, сцепляющийся с витками катушки 5, уменьшается от максимума Ф_яmax = Ф_м1 + Ф_м2 (фиг.2) до нуля Ф_я = 0 (фиг.3) вследствие чего в витках катушки генерируется импульс э.д.с. Величина и полярность импульса определяется уравнением
e = -W dФ_я/dt = -W dt_я/dt dФ_я/dх_я = -WV_яdФ_я/dx_я(1),
где e - импульсная э.д.с., наводимая в катушке;
W - количество витков в катушке;
V_я - скорость якоря;
Ф_я - магнитный поток в якоре;
x_я - ход якоря (воздушный зазор между якорем и полюсом) в магнитной цепи ИМЭГ.

Обозначим этот импульс как C.

При повороте якоря вокруг точки B на угол α/2 (до полного угла α) магнитный поток в якоре увеличивается от нуля Ф_я = 0 (фиг. 3) до максимума Ф_яmax = Ф_м1 + Ф_м2 (фиг.4). При этом направление магнитного потока в якоре меняется на противоположный. В этом случае в витках катушки генерируется еще один импульс э. д.с. Обозначим его D. Величина и полярность импульса определяется
e = -WV_я [-d(-Ф_я)/dx_я] = -WV_я dФ_я/dx_я.

Из этого уравнения видно, что поскольку изменяется как направление магнитного потока, сцепленного с витками катушки, так и направление dФ_я/dx_я (магнитный поток увеличивается), то полярность импульса D совпадает с полярностью импульса C.Т.О. при перемещении якоря из исходного в конечное положение (при повороте якоря на угол α в катушке генерируются два следующих друг за другом импульса одинаковой полярности, которые суммируются. Вид суммарного импульса э.д.с. будет зависеть от времени следования второго импульса D относительно первого импульса C.

В предлагаемой конструкции ИМЭГ магнитный поток в якоре при срабатывании всегда изменяется от Ф_яmax до -Ф_яmax независимо от расстояния между полюсами верхнего и нижнего магнитопроводов и при небольшем воздушном зазоре между якорем и полюсами верхнего магнитопровода (фиг.3) магнитный поток в якоре всегда равен нулю.

Расстояние между полюсами верхнего и нижнего магнитопроводов можно представить
Δ = x+h,
где Δ - расстояние между полюсами верхнего и нижнего магнитопроводов;
x - наибольший воздушный зазор в магнитной цепи ИМЭГ (между полюсами верхнего магнитопровода и якорем, когда якорь находится у полюсов нижнего магнитопровода);
h - толщина якоря.

Графики зависимости магнитного потока в якоре от воздушного зазора между якорем и полюсом Ф_я = f(x_я) (воздушного зазора в магнитной цепи ИМЭГ) представлены на фиг. 5. В зависимости от выбранной величины наибольшего воздушного зазора в магнитной цепи вид зависимости различен.

При перемещении якоря из исходного положения, показанного на фиг. 2 в положение, показанное на фиг. 3, в катушке генерируется импульс э.д.с. (тока) C, при дальнейшем движении якоря в положение, показанное на фиг. 4, генерируется импульс D, которые суммируются. Вид суммарного импульса показан на фиг. 6-8, и зависит от величины наибольшего воздушного зазора в магнитной цепи ИМЭГ.

Передний фронт импульса э.д.с. (тока) длительностью τ₁ формируется изменением магнитного потока в якоре, что происходит при перемещении якоря в воздушном зазоре магнитной цепи. Задний фронт импульса длительностью τ₂ зависит в основном от индуктивности катушки.

При перемещении якоря из положения, показанного на фиг. 2, в положение, показанное на фиг. 3, формируется передний фронт импульса C. После этого перемещение якоря из положения, показанного на фиг. 3, в положение, показанное на фиг. 4, формируется передний фронт импульса D. Начало суммарного импульса э. д. с. (тока) определяется передним фронтом импульса C, а конец - задним фронтом импульса D, т.е. длительность суммарного импульса больше длительности исходных первичных импульсов C и D.

При одних и тех же приводном механизме и объеме постоянных магнитов ИМЭГ можно получить различную длительность переднего фронта импульса э.д.с. При одной и той же скорости перемещения якоря чем меньше будет наибольший воздушный зазор в магнитной цепи, тем меньше будет длительность τ₁ переднего фронта исходных первичных импульсов. Это уменьшает длительность суммарного импульса как за счет уменьшения длительности передних фронтов импульсов C и D, так и за счет уменьшения времени следования импульса D относительно импульса C. Т. О. длительность суммарного импульса э.д.с. (тока) определяется при прочих равных условиях выбранным наибольшим воздушным зазором в магнитной цепи ИМЭГ.

На фиг. 6 показана форма суммарного импульса э.д.с. (тока) при очень малой величине наибольшего воздушного зазора в магнитной цепи ИМЭГ. В этом случае максимумы исходных импульсов C и D находятся рядом и поэтому длительность суммарного незначительно отличается от длительности исходных импульсов, а амплитуда напряжения (тока) резко увеличивается и практически равна сумме амплитуд исходных первичных импульсов. Такой вид импульса нежелателен для электровоспламенителя.

При увеличении наибольшего воздушного зазора в магнитной цепи ИМЭГ длительность τ₁ переднего фронта исходных первичных импульсов увеличивается, а также импульс D смещается дальше по времени относительно импульса C. Длительность τ суммарного импульса э.д.с. (тока) увеличивается, а амплитуда уменьшается. При некотором оптимальном наибольшем воздушном зазоре в магнитной цепи x_опт вид (форма) зависимости Ф_я= f(x_я) практически перестает изменяться и принимает вид кривой E (фиг. 5), а суммарный импульс э.д.с. (тока) будет иметь вид как на фиг. 7, - длительность суммарного импульса увеличилась, а амплитуда приблизилась к амплитуде исходных первичных импульсов.

При дальнейшем увеличении наибольшего воздушного зазора в магнитной цепи длительность переднего фронта τ₁ исходных первичных импульсов практически не изменяется, а длительность суммарного импульса э.д.с. увеличивается за счет смещения дальше по времени импульса D относительно импульса C (фиг. 8) вплоть до того, что в катушке будут генерироваться два отдельных импульса вместо суммарного.

Таким образом, выполняя расстояние между полюсами верхнего и нижнего магнитопроводов в соответствии с соотношением
Δ = x_опт+h,
где Δ - расстояние между полюсами верхнего и нижнего магнитопроводов;
x_опт - оптимальный наибольший воздушный зазор в магнитной цепи ИМЭГ;
h - толщина якоря,
получим амплитуду суммарного импульса э.д.с. (тока) близкой к амплитуде исходных первичных импульсов при значительном увеличении длительности.

В каждом конкретном случае для выбранных размеров элементов магнитоэлектрической системы (элементов магнитной цепи ИМЭГ и катушки) и приводного механизма и для заданного вида электровоспламенителя определяется необходимая длительность импульса. При необходимости увеличения длительности импульса увеличивают величину наибольшего воздушного зазора в магнитной цепи больше x_опт. В этом случае наибольшее расстояние между полюсами верхнего и нижнего магнитопроводов будет удовлетворять условию
Δ ≥ x_опт+h (1).
Таким образом, при выполнении в ИМЭГ расстояние между полюсами, удовлетворяющее уравнению (1), получаем наибольшую длительность импульса тока (напряжения) при выработке потребного количества тепловой энергии для срабатывания электровоспламенителя.

Испытания образцов ИМЭГ, изготовленных конструкторским бюро приборостроения, показали, что при выполнении расстояния между полюсами верхнего и нижнего магнитопроводов, удовлетворяющее уравнению Δ = x_опт+h, генерируется импульс тока (напряжения) увеличенной длительности.

Источники информации
1. Патент 2904707, США, Н.Кл. 310-15.

Изобретение относится к области ракетной техники и предназначено для приведения в действие электровоспламенителей пусковых и бортовых систем ракеты. В импульсном магнитоэлектрическом генераторе для приведения в действие электровоспламенителей, состоящем из приводного механизма и магнитоэлектрической системы, включающей верхний и нижний магнитопроводы с парой полюсов на каждом магнитопроводе в виде выступов в средней части, расположенных друг против друга, магниты, катушку и якорь, расположенный в центральном отверстии катушки и примыкающий к накрест лежащим полюсам верхнего и нижнего магнитопроводов, расстояние между полюсами верхнего и нижнего магнитопроводов выполнено исходя из соотношения. Изобретение позволяет получить наибольшую длительность импульса тока при выработке импульсным магнитоэлектрическим генератором потребного количества энергии для задействования электровоспламенителей. 8 ил.

Импульсный магнитоэлектрический генератор для приведения в действие электровоспламенителей, состоящий из приводного механизма и магнитоэлектрической системы, включающей верхний и нижний магнитопроводы с парой полюсов на каждом магнитопроводе в виде выступов в средней части, расположенных друг против друга, магниты, катушку и якорь, расположенный в центральном отверстии катушки и примыкающий к накрест лежащим полюсами верхнего и нижнего магнитопроводов, отличающийся тем, что расстояние между полюсами верхнего и нижнего магнитопроводов определяется соотношением
Δ ≥ X_опт + h,
где Δ - расстояние между полюсами верхнего и нижнего магнитопроводов;
X_опт - оптимальный наибольший воздушный зазор в магнитной цепи генератора;
h - толщина якоря.