Электродинамический преобразователь сейсмоприемника Советский патент 1992 года по МПК G01V1/16 

Изобретение относится к геофизическому приборостроению и может быть использовано в электродинамических сейсмоприемниках.

Цель изобретения-увеличение коэффициента преобразования и уменьшение отклонений коэффициента преобразования и степени затухания, вызванных отклонениями магнитных параметров сплава постоянного магнита.

На фиг. 1 изображена схема электродинамического преобразователя сейсмоприемника; на фиг. 2 - кривая размагничивания, кривая удельного магнитного потока, отдаваемого постоянным магнитом во внешнюю цепь, и кривая удельной магнитной энергии, отдаваемой постоянным магнитом во внешнюю цепь; на фиг. 3 - кривая распределения магнитной индукции в воздушном зазоре магнитной системы

и трапеция, линейно аппроксимирующая кривую распределения.

Магнитная система электродинамического преобразователя сейсмоприемника (фиг. 1) состоит из постоянного магнита 1, двух полюсных наконечников 2 и магнито- провода 3. Фланец 4 соединяет полюсные наконечники 2 с магнитопроводом 3. Механическое колебательное звено электродинамическогопреобразователясейсмоприемника состоит из обмоток 5 проводника, намотанных на проводящем каркасе катушки 6 с магнитопроводом 3, и упругого подвеса 7.

Конструктивные параметры электродинамического преобразователя имеют следующие обозначения:

а - величина зазора между цилиндрическими поверхностями каркаса и катушки и

VJ

CJ

ел

vl 00 00

цилиндрической поверхностью магнита- провода или полюсного наконечника;

b - длина полюсного наконечника;

с-толщина дна полюсного наконечника;

d - толщина обмотки проводника;

I и D - длина и диаметр постоянного магнита;

j - толщина стенки каркаса катушки;

L - длина обмотки катушки;

t - толщина стенки полюсного наконечника.

Материал сплава постоянного магнита имеет кривую 8 размагничивания (фиг. 2), кривую 9 удельного магнитного потока, отдаваемого постоянным магнитом во внешнюю цепь, построенную по кривой размагничивания, и кривую 10 удельной магнитной энергии, отдаваемой постоянным магнитом во внешнюю цепь.

Кривые 8-10 построены в координатах BI и И,, где Hi - напряженность магнитного поля, А/м; В| - магнитная индукция, Т.

На кривой 8 размагничивания показана точка, имеющая координаты Вт и Нт и соответствующая максимальному произведению BmHm (максимальной магнитной энергии в нейтральном сечении постоянного магнита). Тангенс угла наклона прямой, соединяющей начало координат с точкой, имеющей координаты BmHm, определяет проводимость магнитной системы. На кривой 9 удельного магнитного потока, отдаваемого постоянным магнитом во внешнюю цепь, показана точка, имеющая координаты В и Н и соответствующая максимальному произведению ВН (максимальной магнитной энергии, отдаваемой постоянным магнитом во внешнюю цепь). Тангенс угла наклона прямой, соединяющей начало координат с точкой, имеющей координаты В и Н, определяет проводимость воздушного зазора магнитной системы, а тангенс угла наклона прямой, соединяющей начало координат с точкой, расположенной на кривой 8 размагничивания и имеющей координаты BI и Н, определяет проводимость магнитной системы.

Кривая 10 характеризует величину удельной магнитной энергии, отдаваемой постоянным магнитом во внешнюю цепь.

Кривая 11 (фиг. 3) распределения магнитной индукции в воздушном зазоре магнитной системы построена в координатах: х - расстояние от середины постоянного магнита до точки воздушного зазора, в которой измеряется магнитная индукция; Bj - величина магнитной индукции.

Трапеция 12 линейно аппроксимирует кривую 11 распределения магнитной индукции в воздушном зазоре. Вс - высота аппроксимирующей трапеции или величина магнитной индукции на длине полюсного наконечника В. Вс 0,95В0, где В0 - максимальное значение магнитной индукции в воздушном зазоре.

Электродинамический преобразователь сейсмоприемника работает следующим образом.

Переменная сила, воздействуя на корпус электродинамического преобразователя, состоящего из магнитной системы (постоянный магнит 1, два полюсных наконечника 2, магнитопровод 3) и двух фланцев

4, перемещает его на определенную величину, равную х0.

Катушка, состоящая из каркаса 6 и двух обмоток проводника 5, в силу своей инерционности и гибкой связи через подвес 7 с

магнитной системой перемещается на меньшую величину, равную z. Относительное перемещение магнитной системы и катушки равно у х - z. Скорость относительного перемещения, равная у или

% , преобразовывается в напряжение, развиваемое на концах обмоток проводника 5. Короткозамкнутый каркас катушки 6, перемещаясь в магнитном поле воздушного зазора магнитной системы с той же скоростью, равной ft)y , обеспечивает необходимое затухание чувствительного элемента и тем самым формирует заданную АХЧ электродинамического преобразователя.

Объем воздушного зазора распределяется на доли, занимаемые обмоткой провод- ника 5, каркасом катушки б и двумя кольцевыми зазорами (с длиной, равной а), обеспечивающими свободное движение катушки в воздушном зазоре (фиг. 1).

Долю объема воздушного зазора, занимаемого обмоткой катушки, определяют, определив длину проводника, зная его сопротивление и коэффициент заполнения объема.

Коэффициент преобразования электродинамического преобразователя определяется уравнением

Кп - ВсрИ, где Кп - коэффициент преобразования;

Вер - средняя магнитная индукция потока, проникающего через длину обмотки катушки L;

h - длина проводника, находящегося в магнитном поле воздушного зазора, и определяемая известным соотношением

I2 RkУ Vk

IIА

где RK - заданное сопротивление обмотки проводника 5;

VK - доля объема, занимаемого обмоткой проводника 5;

у- коэффициент заполнения материалом проводника доли объема, занимаемого обмоткой проводника;

/Ok - удельное сопротивление проводника обмотки катушки.

Выразив И из первого уравнения, подставив во второе уравнение и решив его относительно VK, получают

ук . BlpRky

Среднюю магнитную индукцию ВСр выражают через магнитную индукцию Вс, действующую на длине полюсного наконечника, формулой

Вер Вс Ј ,

где s - коэффициент усреднения магнитной индукции.

Тогда VK определяют по формуле

VK

К2, А

е2 Вер Rk Y

Находят долю объема воздушного зазора, занимаемую стенкой каркаса катушки. Затухание, которое создают другие элементы каркаса катушки, не учитывают.

Уравнение, связывающее степень затухания, обеспечиваемую короткозамкнутым каркасом, с долей объема воздушного зазора, занимаемой стенкой каркаса, имеет вид

о Be q V2 / г0 ч2

2mftfepWk; где/ - степень затухания;

Вс - магнитная индукция в воздушном зазоре;

Vc - доля объема воздушного зазора, занимаемая стенкой каркаса;

q - коэффициент усреднения квадрата магнитной индукции;

m - масса катушки;

со0 - собственная круговая частота электродинамического преобразователя;

р- удельное сопротивление материала каркаса катушки;

г0 - радиус измерительной катушки при экспериментальном определении распределения магнитной индукции в воздушном зазоре;

гк - средний радиус стенки каркаса катушки.

Так как г0 «- гк, то г0:гк 1. Выразив V2 из последнего уравнения и сложив его с VK, получают

V-W + V2- /Jfo

е2 Bip Rk у

qBi

где V - объем воздушного зазора, занимаемый обмоткой проводника 5 и стенкой каркаса катушки 6.

Решив последнее уравнение относительно Кп2, получают

tf-Bc Cl-),

А

qB§

где

& m d-v

средняя плотность катушки.

Объем воздушного зазора, занимаемый обмотками проводника 5 и стенкой каркаса катушки 6, можно выразить через геометрические размеры воздушного зазора уравнением

V 2( А - 2a)Si,

где Si - площадь цилиндрической поверхности, проходящей через середину длины воздушного зазора.

Подставив вместо V его выражение из последнего уравнения в предыдущее, получают Кп2 2(Д-2а)

BJBiRkRk y/., 2(00ррд ХА(1 qB2 }

В уравнении параметры ,/ , RK - заданы;/Ok,р ,у ,б , а могут быть выбраны заранее; параметры Л , SL, Вс - искомые и неизвестна величина коэффициентов е и

q.

На кривой 9 удельного магнитного потока (фиг. 2), отдаваемого во внешнюю цепь, отмечена точка, имеющая координаты В и Н и соответствующая максимальному произведению В Н (максимуму удельной магнитной энергии, отдаваемой постоянным магнитом во внешнюю цепь) J3 r 4I

,rtf где Gc - проводимость воздушного зазора;

I и D - длина и диаметр постоянного магнита.

Проводимость воздушных зазоров магнитной системы определяют из соотношения

Gc /1о|,

где jWo 4тг 10 7-jgj- - магнитная прони0 цаемость воздуха.

Подставив значение Gc из последнего соотношения в предыдущее, получают

SL лВР2 4/г0 Н I

5 Соотношение показывает, что, зная габаритные размеры постоянного магнита и состав его сплава, определяющего кривую размагничивания и построенную на ней кривую удельного магнитного потока, отда5

0

5

0

5

0

5

ваемого магнитом во внешнюю цепь, можно найти оптимальную проводимость рабочих зазоров, определяемую соотношением SL/2A , с учетом разброса параметров магнита, стабильность этих параметров во времени.

Магнитный поток, отдаваемый постоянным магнитом во внешнюю цепь, равен маг- нитному потоку в воздушном зазоре магнитной системы, если пренебречь потерями потока в магнитопроводе, полюсных наконечниках, т.е.

R JtD2B

р Ьс - Ј .

Подставив в уравнение связывающее Кп2 с параметрами, в которые входят Вс и SL, значения Вс и SL из предыдущих двух соотношений и сделав необходимые преобразования, получают

Кп2

JlD

2а

B IO- XI-AA),

где

Ъшо/Зрд

Анализ уравнения показывает, что Кп имеет максимум, так как вторая производная

d2K2n

dA2

- отрицательная для любых по- зо

ложительных а, А и А .

Максимум Кп2 находят, взяв первую производную правой части уравнения и приравняв ее нулю, т.е.

dK2,

0.

После выполнения дифференцирования получают

А А3 - А а А2 - a Q

Так , то

АД3-АаД2-а 0.

Кубическое уравнение имеет одно дей- ствительное решение, потому что дискриминатор D определяется формулой

аб( ) D-2У 0.

Используя формулу Кардана для решения кубического уравнения относительно А , получают

+- 2 Аа2

)+ 0+;Sr)

2Аа

r)+ oTTO-i

2 Аа

2 Аа

0

5

0

5

о

5

0

„

0

Обычно а и тогда 27

0,25-10 3 м, А & (0,5 - 2)103

1. 2Аа

Имея ввиду полученное неравенство и подставив значение А, после упрощений получают

ч&т

+

5

Длина воздушного зазора А , рассчитанная по соотношению, будет оптимальной и обеспечивающей максимально возможный коэффициент преобразования электродинамического преобразователя для заданных габаритных размеров и материала сплава постоянного магнита, для заданных собственной частоты f0 и степени затухания /3 , для заданного сопротивления обмотки катушки RK и выбранного размера зазора а.

В полученном соотношении для расчета длины воздушного зазора неизвестна величина коэффициента усреднения квадрата магнитной индукции q.

На фиг. 3 изображена кривая распределения магнитной индукции в воздушном зазоремагнитнойсистемыэлектродинамического преобразователя с постоянным магнитом. Концы обмотки проводника располагаются на линейных участках спадающих ветвей кривой распределения с целью получения малых нелинейных искажений электродинамического преобразователя.

Установка полюсного наконечника на постоянном магните усредняет значение магнитной индукции на участке расположения обмотки и каркаса катушки.

Чтобы упростить математические расчеты, аппроксимируют кривую распределения индукции в воздушном зазоре трапецией (фиг. 3). Высота трапеции совпадает со значением магнитной индукции в рабочем зазоре, равной Вс 0,95 В0 (где В0 - максимальное значение магнитной индукции в воздушном зазоре), а длина верхнего основания равна длине полюсного наконечника. Боковые стороны трапеции совпадают с линейными участками кривой распределения индукции. В аппроксирующей трапеции можно принять, что длина полюсного наконечника равна половине длины средней линии трапеции.

Зависимость длины полюсного наконечника от длины обмогки катушки в общем виде выражена формулой

b nl, где п - коэффициент уменьшения.

Коэффициент уменьшения п можно выразить эмпирической формулой 1

п

1

+ 8%Я

где //о магнитная проницаемость воздуха.

Степень затухания, обеспечиваемая каркасом катушки, пропорциональна среднему значению квадрата индукции на участке кривой распределения индукции, занятом каркасом. Для всех случаев распределения магнитной индукции, кроме прямоугольного распределения, всегда квадрат среднего значения индукции не равен среднему значению квадрата индукции.

Рассмотрим отношение среднего квадрата индукции аппроксимирующей трапеции к квадрату индукции аппроксимирующего прямоугольника, имеющего одну сторону, равную высоте трапеции, а другую - средней линии трапеции, равной L Это соотношение равно

L

nJ

Bxdx

q

B2L

-( BC 4.

У V

в

сcxtf

zr;nx,i

где q - коэффициент усреднения квадрата магнитной индукции (при постоянном отноSL

шении -Ј и принятой аппроксимации распределения магнитной индукции трапецией будет постоянным при изменении В);

L - длина обмотки катушки;

Вх f(x) - функция распределения магнитной индукции в воздушном зазоре, пред- ставленная в виде аппроксимирующей трапеции (фиг. 3).

Числитель отношения определяет площадь, которую можно представить как сумму, площадей трех фигур: одного прямоугольника с площадью, равной Вс nl, и двух площадей одинаковых фигур, основание каждой из которых равно ,

С)

одна боковая сторона равна (-и-/ - ДРУ

гая - В с2 (фиг. 3).

Сверху эти фигуры ограничены параболой, определяемой формулой

2 L(1-n) Таким образом, коэффициент q определяют формулой

q

После вычисления получают

7 +5n

Подставив в формулу полученное выражение для коэффициента п, после преобразований получают

1 +4,

0

5

1 ь

Расчет коэффициента q пр полученному соотношению для магнитной системы с по- стоянным магнитом из сплава ЮНДК35Т5АА дает величину q 0,79. а для магнитной системы с постоянным магнитом из сплава ЮНДК25БА дает величину ,9.

Коэффициент усреднения магнитной индукции Ј из очевидного отношения, определенного для трапеции 12, равен

20

Bcb+f4L-b)-r(L-b) BelПодставив вместо В его выражение nl, после вычислений получают

е

3-f n

1+6Ј°tL в

1 +8

ftoH В

Расчет коэффициента е по полученной формуле для магнитной системы с постоянным магнитом из сплава ЮНДК36Т5АА дает величину Ј 0,875, а для магнитной системы с постоянным магнитом из сплава ЮНДК25БА-величину Ј 0,94.

Толщину дна полюсного наконечника С определяют,положив, что весь поток, действующий на выходе магнита, проходит через поверхность полюсного наконечника, равную дОС, без учета рассеяния потока через торец полюсного наконечника, т.е.

п D С Впн

л:02В

где Впн - допустимая магнитная индукция в материале полюсного наконечника.

Решив уравнение относительно С, получают

г- DB

U 4 Впн

Толщину стенки полюсного наконечника t определяют составив систему двух уравнений

(D + A + 2t)Ј ntfB

2А

jr(D + t)tBnH

4/ioH Г

ь-с Ъ

KD2

В

Первое уравнение - ранее полученная зависимость проводимости воздушного зазора магнитной системы от заданных параметров постоянного магнита (с заменой SL на п (D+ A+2t)L).

Второе уравнение определяет ту часть магнитного потока, действующего на выходе постоянного магнита, которая протекает через толщину стенки полюсного наконечника.

Из первого уравнения системы уравнений выражают величину b и подставляют во второе уравнение выражение b и ранее найденное выражение С. Решив второе уравнение относительно t, после преобразований получают.

DriT+ B i n III о™,

+

В2/4Н212

JBJWoJJJ-

16Вг1нА2п2 2B2iHnD

2 L Впн

1 B/IQ Н I 8 Впн An

Так как величина выражения, стоящего под корнем в скобках, составляет десятые доли единицы, то, используя известное упрощение V1 +а 1+2 , пренебрегая величиной второго члена, стоящего в скобках, как величины второго порядка малости, и подставив ранее полученное выражение для коэффициента п, после преобразований получают

/г0Н1(1 +8)

t

D В

4 Впн

{1 -

2 Впн А

(1+)

Длину обмотки катушки определяют, решив ранее полученное уравнение, связывающее магнитный поток, действующий на выходе постоянного магнита, с магнитным потоком, протекающим через воздушный зазор,относительно L

2/г0Н I TTA + 2t

1 D

Длину полюсного наконечника определяют из соотношения L

b nL 1 +8

В

Величины коэффициентов п, полученные из экспериментальных данных и подсчитанные по формуле, совпадают.

Толщину стенки каркаса катушки опре- деляют, выразив обьем, занимаемый стенкой каркаса, его составляющими по упрощенному уравнению

V2

J-;

Jl(D +2t+2a)L Определив объем, занимаемый стенкой каркаса, из известного ранее отмеченного уравнения, определяющего степень затухания /9 , и заменив в нем m , a V на

п (D+ A+2t) L 2( - 2а) и Вс на BD2 4(D+ +А + 2t)L, после преобразований получают j

2

j

128jrfo/3pdl/(A-2a)

1 +

2t+A

132D2q

10

5

0

5

0

5

0

5

0

5

T+ 2(t+A)

f

Толщину обмотки проводника определяют по уравнению

d A -j-2a.

Определение конструктивных параметров электродинамического преобразователя сейсмоприемника А , t, L, B, j, и d по соотношениям заданных параметров электродинамического преобразования (в том числе и заданных параметров постоянного магнита: геометрических размеров и материала сплава) позволит получить максимальный коэффициент преобразования и наименьшие отклонения коэффициента преобразования и степени затухания, вызванных разбросом преобразования и степени затухания, вызванных разбросом магнитных параметров сплава постоянного магнита, т.е. не увеличить отклонение коэффициента преобразования и степени затухания, определяемые разбросом магнитных параметров сплава постоянного магнита по сравнению с известным преобразователем.

Это позволит увеличить чувствительность и уменьшить фазовую неидентичностьэлектродинамическихпреобразователей сейсмоприемников, являющихся важнейшим параметром сейсмоприемников.

Кроме того, аналитическое определение конструктивных параметров электродинамического преобразователя позволит получить заданный коэффициент преобразования при наименьших габаритных размерах постоянного магнита.

Формула изобретения

Электродинамический преобразователь сейсмоприемника, содержащий магнитную систему, состоящую из постоянного магнита с заданными габаритными размерами и материалом сплава, магнитопрово- да, двух полюсных наконечников, образующих с магнитопроводом два одинаковых кольцевых воздушных зазора, механическое колебательное звено, состоящее из.катушки, на проводящем каркасе которой размещены обмотки катушки, расположенные в воздушных зазорах магнитной системы, две пружины, соединяющие катушку с магнитной системой, отличающийся тем, что, с целью увеличения коэффициента

преобразования и уменьшения отклонений от номинальных значений коэффициента преобразования и степени затухания,электродинамический преобразователь выполнен с размерами, выбранными из соотношения

t Л

&пн1 ДВПНJ;

15

ДВР

т1М11М4-НгГ() )

d A -j-2a, где Д -длина воздушного зазора;

t - толщина стенки полюсного наконечника;

L - длина обмотки катушки;

b - длина полюсного наконечника;

j - толщина стенки каркаса катушки;

d - толщина обмотки;

а - величина зазора между внутренней цилиндрической поверхностью магнито- провода и наружной цилиндрической по&

0

5

0

5

0

верхностью каркаса катушки или между наружной цилиндрической поверхностью полюсного наконечника и внутренней цилиндрической поверхностью каркаса катушки;

fo - собственная частота электродинамического преобразователя сейсмоприем- ника;

/3 - степень затухания электродинамического преобразователя сейсмоприемни- ка;

р- удельное сопротивление материала каркаса катушки;

д -средняя плотность катушки, определяемая плотностью материала провода обмотки катушки, с учетом его коэффициента заполнения единицы объема;

Н, В - напряженность магнитного поля и магнитная индукция в точке, соответствующей максимуму удельной магнитной энергии кривой удельного магнитного потока, отдаваемого магнитом в воздушные зазоры (заданные параметры материала постоянного магнита);

I, D - длина и диаметр (заданные габаритные размеры) постоянного магнита;

/и0 1.256Х10 6 Гн/м - магнитная проницаемость воздуха;

Впн допустимая магнитная индукция в материале полюсного наконечника.

Bi(T)

Изобретение относится к геофизическому приборостроению и может быть использовано в электродинамических сейсмоприемниках. Цель изобретения - увеличение коэффициента преобразования и уменьшение отклонения от номинальных значений коэффициента преобразования и степени затухания, вызванных разбросом магнитных параметров сплава постоянного магнита. Для этого конструктивные параметры электродинамического преобразователя сейсмоприемника определяются соотношениями заданных параметров электродинамического преобразователя и заданными параметрами постоянного магнита. Кроме того, изобретение позволяет получить наименьшие габаритные размеры постоянного магнита для заданного коэффициента преобразования электродинамического преобразователя сейсмоприемника. 3 ил. -w fc

ФЕГ. 2

X