ИМПУЛЬСНЫЙ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2005 года по МПК F42C11/04 

Изобретение относится к электротехнике и военной технике и предназначено для приведения в действие электровоспламенителей взрывательных устройств боеприпасов различного назначения при соударении последних с преградой (целью).

Известно большое количество импульсных магнитоэлектрических генераторов, которые преобразовывают механическое воздействие соударения с преградой в электрический сигнал, удобный для передачи его по проводам на исполнительное устройство, например, на электровоспламенитель взрывательного устройства боеприпаса.

Известны патенты: Франции - №2293689, МКИ F 42 С 19/08, опубликован 02.07.1976 г., “Генератор тока воспламенения для электрического детонатора снаряда”; США - №4044682, МКИ F 42 C 11/04, F 42 С 9/00, F 42 С 19/12, опубликован 30.08.1977 г., “Генератор тока воспламенения для электрических взрывателей снаряда”.

В указанных патентах описаны магнитоэлектрические датчики генераторного типа. Датчики состоят из трубчатого цилиндрического магнита, магнитной арматуры, подвижного элемента магнитной арматуры - якоря и обмотки, в которой индуцируется импульс электрического тока при отрыве якоря от арматуры и перемещении его на величину рабочего хода. Перемещение якоря в этих импульсных магнитных генераторах происходит или под действием сил инерции при выстреле, или при соударении боеприпаса с преградой, или при непосредственном воздействии сил реакции преграды на якорь генератора при соударении с последней.

Известен патент РФ №2122177, МКИ F 42 C 11/00, F 42 С 17/04, F 42 В 10/00, опубликован 20.11.1998 г., “Импульсный магнитоэлектрический генератор”, который можно принять за аналог.

Генератор содержит ярмо из цилиндрического сердечника и основания в форме диска с закрепленным на нем трубчатым цилиндрическим магнитом, внутри которого размещена катушка, и дисковый якорь, удерживаемый у торцов магнита и сердечника ярма срезным предохранителем. Предохранитель выполнен в виде плоской круглой мембраны, жестко закрепленной по контуру на якоре разрезным кольцом в проточке якоря и в центре на направляющей из немагнитного материала, скрепленной с сердечником ярма и проходящей через отверстие, выполненное в якоре между втулкой, установленной на свободном конце направляющей и гайкой, взаимодействующей со свободным резьбовым концом направляющей. При этом диаметры направляющей, отверстия в якоре и параметры мембраны связаны определенными соотношениями, обеспечивающими требуемый сигнал.

Описанный выше генератор инерционного действия характеризуется простотой конструктивного исполнения, малыми габаритами, высокой прочностью при выстреле, устойчивостью к электромагнитным помехам. Вместе с этим генератор обладает рядом недостатков, к которым относятся:

- использование металлической мембраны, срезаемой при воздействии инерционной перегрузки при выстреле, приводит к резкому снижению чувствительности генератора (загрублению сигнала генератора), вследствие значительных затрат энергии на срез мембраны, потери скорости перемещения якоря и соответственно энергии электрического сигнала;

- зависимость усилия среза мембраны от ее толщины (эта зависимость пропорциональна кубу толщины мембраны), что делает настройку усилия среза мембраны весьма затруднительной или даже невозможной;

- ограниченность величины выходного электрического импульса генератора, вследствие того, что изменение магнитного потока, пронизывающего катушку, происходит при отрыве якоря от ярма только преимущественно в верхней части катушки, не затрагивая ее глубинных витков. Другими словами, для генерирования ЭДС используется не вся обмотка, а только ее небольшая часть. Кроме того, выполнение магнита в форме плоского диска приводит к увеличенным потокам рассеяния магнитных силовых линий с поверхности якоря и часть магнитного потока не используется.

Общими признаками с предлагаемым изобретением в генераторе инерционного действия - аналоге является наличие магнита, катушки с обмоткой, ярма и якоря.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является генератор по патенту РФ №2168699, МКИ F 42 C 15/16, F 42 C 11/04, Н 02 К 35/00, опубликованный 10.06.2001 г. - “Импульсный магнитоэлектрический генератор”, принятый за прототип, который содержит ярмо, состоящее из цилиндрического сердечника и основания в форме диска с центральным сквозным отверстием, трубчатый цилиндрический постоянный магнит, намагниченный в осевом направлении, катушку с обмоткой, жестко скрепленные между собой, якорь в виде диска с центральным отверстием, груз из немагнитного материала, поджимающий к торцам магнита и сердечника ярмо, нож и фиксатор в виде пластинчатого диска. Якорь выполнен с центральным отверстием, соосным центральному сквозному отверстию ярма, диаметром, большим диаметра участка направляющей, проходящей через это отверстие.

ИМГ предназначен для приведения в действие электровоспламенительных устройств пусковых и бортовых систем управляемого снаряда и срабатывает при запуске снаряда из канала ствола артиллерийской пушки от перегрузки, воздействующей на груз. В результате движения груза происходит срезание ножом фиксатора, отрыв от магнита якоря, разрыв магнитной цепи генератора, изменение магнитного потока и образование в витках катушки ЭДС.

Наличие на современных боеприпасах головки самонаведения не позволяет разместить в наконечнике боеприпаса генераторы реакционного действия (и вообще датчика любого типа). В настоящее время теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что достоверными воздействующими входными механическими сигналами являются волны механического напряжения, возникающие при соударении с тонкими металлическими листами и распространяющиеся по оболочке боеприпаса до зоны его любого отсека.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что известный импульсный магнитоэлектрический генератор не может быть использован при решении поставленной в условиях воздействия на него волн механического напряжения, возникающих при соударении боеприпаса с тонкими металлическими оболочками, вследствие:

- использования металлического фиксатора, для срезания которого необходимы перегрузки, свойственные артиллерийскому выстрелу;

- низкой чувствительности из-за недостаточности входного механического сигнала, необходимого для перемещения груза и якоря;

- низкой скорости перемещения якоря и, соответственно, величины энергии электрического сигнала;

- неполноты использования энергии постоянного магнита вследствие изменения рабочего магнитного потока при отрыве якоря только в верхней части обмотки.

Кроме того, способ осуществления настройки ИМГ, основанный на измерении при сборке генератора усилия среза фиксатора и усилия отрыва эталонного якоря от ярма исключает проведение неразрушающего контроля ИМГ.

Общими признаками с предлагаемым изобретением в импульсном магнитном генераторе - прототипе является наличие трубчатого цилиндрического постоянного магнита, катушки с обмоткой, ярма, состоящего из цилиндрического сердечника с основанием в форме диска, жестко скрепленных между собой, и якоря.

Задачей данного технического решения являлось создание генератора для преобразования волн механического напряжения, возникающих при соударении боеприпаса с тонкими металлическими оболочками самолетов, дистанционно пилотируемых летательных аппаратов, кораблей на воздушной подушке и на подводных крыльях, экранопланов и др. и распространяющихся по оболочке боеприпаса до зоны любого его отсека, в электрический сигнал для подрыва электровоспламенителя взрывательного устройства боеприпаса. Опыт отработки контактных датчиков цели для боеприпасов, предназначенных для поражения вышеперечисленных целей показал, что возникающие при пробитии боеприпасом подобных целей силы инерции малы и соизмеримы с силами, возникающими на траектории полета боеприпасов и обусловленными как аэродинамическими возмущениями атмосферы (флаттер, бафтинг и др.), так и неравномерностью работы двигателя боеприпаса.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание импульсного магнитоэлектрического генератора для преобразования волн механического напряжения в электрический сигнал для подрыва электровоспламенителя взрывательного устройства боеприпаса.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в известном импульсном магнитоэлектрическом генераторе, содержащем трубчатый цилиндрический постоянный магнит, ярмо, состоящее из цилиндрического сердечника с основанием в форме диска, катушку с обмоткой, жестко скрепленные между собой, якорь выполнен ступенчатым, в виде двух разного диаметра цилиндров, меньший из которых расположен соосно внутри катушки с обмоткой и магнита и примыкает к торцу ярма в среднем сечении обмотки, а между нижней поверхностью большего цилиндра и торцом магнита введено кольцо из магнитомягкого материала, а между торцами сердечника ярма и якоря установлена калиброванная прокладка из немагнитного материала, толщина которой δ определяется по формуле:

где: A₁ - экспериментальный коэффициент, учитывающий уменьшение силы магнитного притяжения Т₀ якоря к магниту;

N₀=T₀/m·g - коэффициент статической настройки магнитной системы генератора;

К_З - коэффициент запаса;

N_П - величина перегрузки возможных помех на траектории полета боеприпаса;

- сила магнитного притяжения якоря в исходном положении (при нулевом зазоре в магнитопроводе);

m - масса якоря;

g - ускорение силы тяжести;

Ф₀ - первоначальный магнитный поток генератора, пронизывающий обмотку;

μ₀ - магнитная постоянная;

S₁ и S₂ - площади поперечного сечения в местах разрыва магнитопровода при отрыве якоря от последнего, при этом число витков обмотки катушки W выбирают из зависимости:

где Е_м - требуемое значение амплитуды импульса ЭДС;

V_я=2·σ_М/ρ·с - скорость отскока якоря при воздействии импульса волны механического напряжения;

σ_М - амплитуда импульса механического напряжения, поступающего на якорь генератора;

ρ - плотность материала якоря;

с - скорость звука в материале якоря.

Устройство предлагаемого технического решения поясняется чертежом, на котором изображен общий вид импульсного магнитоэлектрического генератора.

Импульсный магнитоэлектрический генератор состоит из немагнитного металлического корпуса 1, например из дюралюминия, в котором размещена магнитная система генератора, состоящая из трубчатого цилиндрического магнита 2, намагниченного в осевом направлении. Внутри магнита размещена катушка с обмоткой 3, находящаяся между дисковым основанием ярма 4 и кольцом 5, выполненными из магнитомягкого материала. Кольцо 5 примыкает одной поверхностью к магниту 2, а другой к поверхности якоря 6. Между нижним торцом ярма 4 и верхним торцом якоря 6 сформирован зазор при помощи немагнитной прокладки 7 калиброванной толщины, необходимой для настройки генератора на требуемую чувствительность (или помехоустойчивость). Магнитная система генератора закрыта крышкой 8. Провод 9, соединенный с обмоткой катушки магнитной системы (на чертеже соединение не изображено), служит для съема образующейся в ней ЭДС.

Генератор соединяется с оболочкой боеприпаса при помощи резьбового наконечника на корпусе 1.

Работа импульсного магнитоэлектрического генератора происходит следующим образом.

В исходном положении генератор отрегулирован на требуемую настройку N₀ при помощи немагнитной прокладки 7. При соударении боеприпаса с преградой по корпусу боеприпаса распространяются волны механического напряжения, которые, достигнув корпуса генератора и через него элементов магнитной системы, вызывают отскок якоря 6 от ярма 4, в результате чего происходит изменение магнитного потока в двух зонах: в месте размещения прокладки 7, то есть как раз в среднем сечении катушки с обмоткой и в стыке между поверхностью якоря 6 и кольца из магнитомягкого материала 5. В результате этого происходит изменение магнитного потока магнитопровода, пронизывающего обмотку, и в последней возникает импульс ЭДС, поступающий по проводам 9 на электровоспламенитель взрывательного устройства, который, срабатывая, вызывает подрыв боеприпаса.

Эффект от использования предлагаемой конструкции импульсного магнитоэлектрического генератора выражается:

- в возможности преобразования волн механического напряжения, возникающих при соударении боеприпаса с тонкими металлическими оболочками самолетов, дистанционно пилотируемых летательных аппаратов, кораблей на воздушной подушке и на подводных крыльях, экранопланов и др. и распространяющихся по оболочке боеприпаса до зоны любого его отсека, в электрический сигнал для подрыва электровоспламенителя взрывательного устройства боеприпаса;

- в высокой надежности функционирования генератора при размещении в любой части боеприпаса, обеспечивающего мгновенный подрыв боеприпаса при соударении с тонкой металлической преградой;

- в высокой помехоустойчивости за счет возможности обеспечения точной регулировки статической настройки,

- в возможности проведения многократного неразрушающего контроля всех изготовленных генераторов при проверке их функционирования в лабораторных и производственных условиях.

Предлагаемая конструкция импульсного магнитоэлектрического генератора обеспечивает работоспособность в условиях воздействия на него волн механического напряжения, возникающих при соударении боеприпаса с тонкими металлическими оболочками, и устойчивость от воздействующих на якорь генератора помеховых сигналов за счет:

- удержания якоря в исходном положении только силой магнитного притяжения;

- установления зоны разрыва магнитных силовых линий магнитопровода генератора в среднем сечении обмотки;

- использования волнового режима работы якоря, то есть явления отскока при воздействии на якорь импульса волны механического напряжения σ_м;

- выбора силы первоначального отрыва якоря от ярма, определяемой величиной зазора δ в магнитопроводе.

Высокая надежность и помехозащищенность импульсного магнитоэлектрического генератора работы подтверждена многочисленными положительными лабораторными и натурными испытаниями.

Изобретение предназначено для приведения в действие электровоспламенителей взрывательных устройств боеприпасов различного назначения при соударении последних с преградой (целью). Сущность данного изобретения в том, что в импульсном магнитоэлектрическом генераторе, содержащем трубчатый цилиндрический постоянный магнит, ярмо, состоящее из цилиндрического сердечника с основанием в форме диска, катушку с обмоткой, жестко скрепленные между собой, якорь выполнен ступенчатым, в виде двух разного диаметра цилиндров, меньший из которых расположен соосно внутри катушки с обмоткой и магнита и примыкает, образуя зазор, к торцу ярма в среднем сечении обмотки, а между нижней поверхностью большего цилиндра и торцом магнита введено кольцо из магнитомягкого материала, а между торцами сердечника ярма и якоря установлена калиброванная прокладка из немагнитного материала. Технический результат выражается в повышении надежности функционирования генератора при размещении в любой части боеприпаса, обеспечивающего мгновенный подрыв боеприпаса при соударении с тонкой металлической преградой, и высокой помехоустойчивости. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Импульсный магнитоэлектрический генератор, включающий трубчатый цилиндрический постоянный магнит, ярмо, состоящее из цилиндрического сердечника с основанием в форме диска, якорь и катушку с обмоткой, жестко скрепленные между собой, отличающийся тем, что якорь выполнен ступенчатым в виде двух разного диаметра цилиндров, меньший из которых расположен соосно внутри катушки с обмоткой и магнита, образуя зазор с торцом ярма в среднем сечении обмотки, а между нижней поверхностью большего цилиндра и торцом магнита введено кольцо из магнитомягкого материала.2. Импульсный магнитоэлектрический генератор по п.1, отличающийся тем, что между торцами сердечника ярма и якоря установлена калиброванная прокладка из немагнитного материала, толщина которой δ определяется по формуле

где A₁ - экспериментальный коэффициент, учитывающий уменьшение силы магнитного притяжения Т₀ якоря к магниту;

N₀=T₀/m·g - коэффициент статической настройки магнитной системы генератора;

К₃ - коэффициент запаса;

N_п - величина перегрузки возможных помех на траектории полета боеприпаса;

- сила магнитного притяжения якоря в исходном положении (при нулевом зазоре в магнитопроводе);

m - масса якоря;

g - ускорение силы тяжести;

Ф₀ - первоначальный магнитный поток генератора, пронизывающий обмотку;

μ₀ - магнитная постоянная;

S₁ и S₂ - площади поперечного сечения в местах разрыва магнитопровода при отрыве якоря от последнего.

где Е_м - требуемое значение амплитуды импульса ЭДС;

V_я=2·σ_м/ρ·с - скорость отскока якоря при воздействии импульса волны механического напряжения;

σ_м - амплитуда импульса механического напряжения, поступающего на якорь генератора;

ρ - плотность материала якоря;

с - скорость звука в материале якоря.