СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТ ИМПУЛЬСНОГО НЕВЗРЫВНОГО СЕЙСМОИСТОЧНИКА Российский патент 2001 года по МПК G01V1/04 

Изобретение предназначено для применения в импульсных невзрывных сейсмоисточниках, используемых при проведении сейсморазведочных работ. Оно может быть применено и в других случаях, например в импульсных и виброимпульсных устройствах для уплотнения бетонных смесей, виброимпульсного воздействия на сыпучие среды при их транспортировке, уплотнении или встряхивании и т.д.

В импульсном невзрывном сейсмоисточнике создаваемая электромагнитом сила передается на опирающуюся на грунт жесткую плиту - излучатель, перемещение которой приводит к упругой деформации грунта под плитой за время в несколько милисекунд и формированию в грунте сейсмической волны.

К силовому электромагниту сейсмоисточника предъявляются требования получения максимального значения удельной силы (отношения развиваемой силы к массе якоря и индуктора), а также максимальной величины развиваемой силы, которые определяют сейсмическую эффективность сейсмоисточника и уровень его технических показателей.

Наиболее близким, принятым за прототип, техническим решением является электромагнит (см. А.С. СССР N 1390647, 10.11.1985 г., бюл. N 15 от 23.04.88 г. ). Электромагнит содержит магнитопровод якоря, отделенный от него зазором магнитопровод индуктора с тремя зубцами (Ш-образный), и обмотку возбуждения в пазах между зубцами.

Недостатком этого силового электромагнита является низкое значение удельной силы и ограничение величины максимальной силы, развиваемой одним электромагнитом.

Предложен силовой электромагнит импульсного невзрывного сейсмоисточника, содержащий магнитопровод якоря, отделенный от него зазором магнитопровод индуктора с тремя зубцами и обмотку возбуждения в пазах между зубцами, отличающийся тем, что крайние зубцы выполнены с увеличивающейся в направлении от зазора шириной, а на середине вершины среднего зубца выполнен сужающийся по глубине дополнительный паз. Магнитопровод якоря может быть выполнен с сужающимся по глубине пазом, расположенным напротив дополнительного паза индуктора на середине вершины среднего зубца.

Предложенное техническое решение позволяет увеличить удельную силу, развиваемую силовым электромагнитом импульсного невзрывного сейсмоисточника, повысить создаваемую электромагнитом максимальную силу без снижения удельного значения силы и за счет этого повысить сейсмическую эффективность сейсмоисточника и его технические показатели.

Выполнение крайних зубцов на магнитопроводе индуктора с увеличивающейся в направлении от зазора шириной обеспечивает повышение индукции магнитного поля в зазоре между их вершинами и якорем и, как следствие, повышение создаваемой электромагнитом удельной силы. При выполнении посередине вершины среднего зубца сужающегося по высоте дополнительного паза достигается большее значение индукции в зазоре над ним и повышение создаваемой электромагнитом удельной силы. Выполнение на магнитопроводе якоря, сужающегося по глубине паза, расположенного напротив дополнительного паза индуктора, позволяет обеспечить дополнительное повышение создаваемой электромагнитом удельной силы. При этом обеспечивается повышение удельной силы якоря и удельной силы индуктора (отношения создаваемой электромагнитом максимальной силы к массе якоря и соответственно к массе индуктора).

На фиг. 1 изображен поперечный разрез электромагнита;
на фиг. 2 - поперечный разрез двухсекционного электромагнита.

Предлагаемый силовой электромагнит импульсного невзрывного сейсмоисточника (фиг. 1) содержит магнитопровод якоря 1 и отделенный от него зазором 2 магнитопровод индуктора 3. На обращенной к зазору 2 части индуктора 3 выполнены два крайних зубца 4 и один средний зубец 5. Ширина зубцов 4 увеличивается в направлении от зазора 2. Средний зубец 5 выполнен с шириной основания больше ширины основания крайнего зубца. Посередине ширины его вершины выполнен дополнительный паз 6, глубина которого может быть равна высоте участков крайних зубцов 4, на которых увеличивается их ширина. Участок увеличения ширины крайних зубцов может быть меньше высоты зубцов. В пазах между зубцами индуктора помещена обмотка возбуждения 7.

Предлагаемый импульсный электромагнитный двигатель невзрывного сейсмоисточника работает следующим образом.

При пропускании по обмотке 7 импульсного тока необходимой величины и длительности создается магнитный поток, замыкающийся через средний зубец 5 и проходящий по магнитопроводу якоря и по крайним зубцам 4. Линия а-а делит электромагнит на две симметричные части. Основная сила создается за счет потоков 8, проходящих через зазоры между плоской вершиной крайнего зубца и якорем и между якорем и плоской вершиной среднего зубца. Потоки выпучивания 9 и 10 в области зазоров увеличивают создаваемый обмоткой поток. Потоки рассеяния 11 не проходят через зазор 2 и не влияют на создаваемую электромагнитом силу.

Величина магнитных потоков, проходящих через площади оснований зубцов, ограничивается индукцией насыщения ферромагнитного материала магнитопровода. Значительное превышение индукции в основаниях зубцов индукции насыщения требует увеличения намагничивающей силы обмотки возбуждения, увеличения площади паза под обмотку и соответствующего увеличения размеров и массы магнитопровода и снижает развиваемую электромагнитом удельную силу. Развиваемое между якорем и вершинами зубцов электромагнитное усилие F может быть определено выражением:

где B - индукция в зазоре между вершинами зубцов и якорем;
S - общая площадь вершин зубцов;
μ₀ = 1,26•10^-6 магнитная проницаемость воздуха.

Увеличение площади оснований зубцов по сравнению с площадью их вершин, через которые проходят потоки 8, позволяет увеличить индукцию В в зазорах над вершинами зубцов и увеличить развиваемую электромагнитом силу в существенно большей мере, чем увеличивается масса индуктора за счет расширения зубцов и ярма магнитопровода индуктора. Объем якоря и его масса при этом остаются неизменными.

На якоре со стороны зазора 2 может быть выполнен сужающийся по глубине паз, расположенный над дополнительным пазом 6 индуктора. Выполнение паза на якоре приводит к снижению потоков выпучивания 9, что позволяет дополнительно повысить индукцию В в зазорах 2 и соответственно создаваемую электромагнитом силу без увеличения массы электромагнита.

Величина зазора 2 между якорем и вершинами зубцов индуктора и площадь паза для размещения обмотки 7 зависят от необходимой длительности развиваемой электромагнитом силы при его работе в сейсмоисточнике и частоты повторения силовых импульсов. Величина зазора и площадь паза определяют ширину оснований зубцов и высоту ярма магнитопровода индуктора, при которых электромагнит развивает необходимую удельную силу.

Для увеличения максимальной силы электромагнита с сохранением значения удельной силы необходимо увеличивать длину магнитопроводов (размер магнитопровода в глубину на фиг. 1). При этом увеличиваются создаваемый обмоткой 7 поток и величина виткового напряжения обмотки, которое не может быть больше максимального напряжения на ней. При допускаемых по условиям эксплуатации сейсмоисточника напряжениях длина магнитопровода электромагнита с максимально возможной силой в несколько раз превышает его ширину, что снижает конструктивную жесткость электромагнита и накладывает ограничения по его применению.

Увеличение максимальной силы без значительного увеличения длины электромагнита может быть также осуществлено выполнением его конструкции многосекционной (фиг. 2). Линией б-б магнитопроводы якоря и индуктора разделяются на две симметричные части, каждая из которых подобна магнитопроводу, приведенному на фиг. 1. Обмотка возбуждения выполнена в виде двух отдельных катушек 7. Выполнение электромагнита (фиг. 2) двухсекционным с конфигурацией сечения каждой секции по фиг. 1 позволяет увеличить его максимальную силу в два раза при сохранении удельной силы и обеспечить при высокой жесткости больше возможностей рациональной его компоновки с узлами сейсмоисточника. Электромагнит может быть выполнен и с большим числом секций, если по конструктивным условиям его ширина должна быть больше длины.

Для применения электромагнита в сейсмоисточнике и в устройствах, в которых электромагнит должен создавать импульсные силы, его магнитопроводы должны выполняться шихтованными из листов электротехнической стали.

Электромагнит с конфигурацией магнитной системы по фиг. 1 был разработан для экспериментального переносного сейсмоисточника, развивающего усилия до 6•10³ Ньютон с длительностью импульсов силы 4•10^-3 с, повторяющихся с частотой 1 Гц. Двухсекционный электромагнит с конфигурацией магнитной системы по фиг. 2 был разработан на максимальное усилие до 3•10⁵ Ньютон, повторяющегося с частотой 1/6 Гц. В экспериментальном сейсмоисточнике применено четыре синхронно работающих электромагнита, развивающих суммарное усилие до 12•10⁵ Ньютон.

Использование: в импульсных невзрывных сейсмоисточниках при проведении сейсморазведочных работ. Магнитопровод якоря отделен зазором от магнитопровода индуктора, который выполнен с тремя зубцами на обращенной к зазору поверхности. Сечения зубцов расширяются от вершин к основаниям для обеспечения возможности увеличения индукции магнитного поля в рабочих частях зазора над вершинами зубцов. Для увеличения развиваемой электромагнитом силы применена двухсекционная конструктивная схема магнитопровода электромагнита с двухкатушечной обмоткой возбуждения. Технический результат: повышение сейсмической эффективности и технических параметров сейсмоисточника. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Силовой электромагнит импульсного невзрывного сейсмоисточника, содержащий магнитопровод якоря, отделенный от него зазором магнитопровод индуктора с тремя зубцами и обмотку возбуждения в пазах между зубцами, отличающийся тем, что крайние зубцы выполнены с увеличивающейся в направлении от зазора шириной, а на середине вершины среднего зубца выполнен сужающийся по глубине дополнительный паз. 2. Силовой электромагнит по п.1, отличающийся тем, что магнитопровод якоря выполнен с сужающимся по глубине пазом, расположенным напротив дополнительного паза индуктора.