Магнитопровод магнитострикционного преобразователя Советский патент 1992 года по МПК H04R15/00 

ё

Использование: ультразвуковая техника, в частности магнитострикционные преобразователи. Сущность изобретения: устройство содержит монолитно соединенные стержни, в количестве не менее трех, которые симметрично расположены относительногеометрическогоцентра магнитопровода. Каждый стержень выполнен в виде пакета пластин. Стержни выполнены изогнутыми и направлены выпуклыми сторонами к геометрическому центру магнитопровода. Средний радиус кривизны стержня составляет 12,5-37,5% от длины продольной звуковой волны в материале магнитопровода. 4 ил.

Изобретение относится к ультразвуковой технике, а именно к устройствам, преобразующим электрическую энергию в механические колебания высокой частоты.

Известен магнитострикционный преобразователь, магнитопровод которого имеет форму усеченного эллипса и набран из пластин, каждая из которых состоит из двух полуволновых стержней и двух накладок.

Ограниченные технологические возможности, обусловленные тем, что излучение колебаний данным преобразователем осуществляется с двух поверхностей и в направлении только по одной оси, являются основным недостатком его магнитопровода.

Кроме этого, известен магнитострикционный преобразователь, обеспечивающий

излучение колебаний, например, с четырех поверхностей и в направлении по двум осям, пересекающимся под углом 90°, что характеризует его магнитопровод, в сравнении с вышеуказанным, как обладающий более широкими технологическими возможностями.

Магнитопровод этого преобразователя образован монолитными магнитострикци- онными пластинами, каждая из которых состоит из центральной накладки, выполненной в виде кольца; восьми полуволновых стержней, расположенных парами по окружности центральной накладки; и четырех периферийных накладок, каждая из которых выполнена в виде прямоугольного параллелепипеда, объединяет торцы двух рядом размещенных стержней и располоXIXJ

О

00

4

жена так, что ее излучающая поверхность с излучающей поверхностью соседней ей периферийной накладки образует угол, равный 90°.

Обмотка возбуждения этого преобразователя уложена на стержни и проходит через четыре окна магнитопровода.

Однако магнитопровод данного магни- тострикционного преобразователя имеет ряд существенных недостатков.

Во-первых, это строго симметричное расположение его излучающих поверхностей как по отношению друг к другу, так и относительно геометрического центра.

Во-вторых, это практическое отсутствие диапазона резонансных частот, поскольку все стержни магнитопровода при любой из возможных его конструкций имеют одинаковую длину.

В-третьих, это направление излучения колебаний по осям, которые обязательно пересекаются между собой и пересекаются только под одинаковыми углами.

Кроме того, данный магнитопровод, вследствие своей конструкции, имеет большие габаритные размеры, что приводит не только к неоправданному расходу дорогостоящего материала при его изготовлении, но и к ограничению его сферы использования.

Вместе с этим, обмотка возбуждения данного преобразователя, охватывающая его стержни по всей длине, уложена так, что ее соседние витки соприкасаются один с другим и не оставляют зазоров между собой, чем препятствуют свободному доступу охладителя (воды) к поверхностям стержней. В результате этого эффективность охлаждения магнитопровода, прямо пропорционально определяющая энергетические потери ультразвукового перобразо- вателя и, следовательно, интенсивность его излучения, может быть охарактеризована как не достигающая своих максимальных возможностей.

Следует также отметить и то обстоятельство, что в известном магнитопроводе в процессе его работы создается не один, а несколько магнитных потоков (по меньшей мере в каждом из четырех полуволновых элементов), что отрицательно сказывается на интенсивности излучения.

Целью изобретения является повышение КПД и сокращение материалоемкости.

Поставленная цель достигается путем выполнения стержней магнитопровода изогнутыми и соответствующим их расположением.

На фиг. 1-4 представлены некоторые из возможных вариантов выполнения пластин магнитопровода.

Предлагаемый магнитопровод (см. фиг.

1-4) магнитострикционного преобразователя набирается из монолитных пластин 1. Каждая пластина магнитопровода состоит из стержней 2 и накладок 3, соединяющих торцы стержней, и образована по меньшей

0 мере тремя стержнями. Каждый стержень, количество которых в пластине не превышает восьми, выполнен изогнутым на всей его длине или на участке его длины и внешней радиусной поверхностью направлен к гео5 метрическому центру магнитопровода. Причем величина среднего радиуса изгиба стержня составляет 12,5-37,5% от длины продольной звуковой волны в материале магнитопровода (пластины).

0 В предлагаемом магнитопроводе все стержни или по меньшей мере два из них могут быть выполнены с одинаковыми или разными средними радиусами и с одинаковыми или разными длинами.

5 Обмотка возбуждения 4 магнитопровода (условно показана на одном из стержней на фиг. 1) уложена на его стержни и пропущена через окно 5, образованное стержнями и накладками, излучающие поверхности

0 которых расположены в плоскостях, ориентированных одна относительно другой под углом в 360/N градусов (N - количество стержней в пластине).

Предлагаемый (см. фиг. 1) магнитопро5 вод магнитострикционного преобразователя работает следующим образом.

При подключении обмотки возбуждения 5 к источнику питания, например к ультразвуковому генератору УЗГ-2-10 (на

0 чертежах не показан), в нее поступают переменный и постоянный токи, приводящие к возникновению соответственно переменного и постоянного магнитных полей. Под воздействием переменного магнитного по5 ля в стержнях 2 в направлении по их радиусной оси симметрии возникают упругие напряжения и деформации, изменяющиеся синхронно в соответствии с изменением величины данного поля. В результате этого

0 стержни 2 начинают совершать продольные механические колебания,которые и передаются от них излучающим поверхностям накладок 3. Воздействие же на стержни 2 постоянного магнитного поля обусловлива5 ет смещение рабочей точки в область с наи- лучшей магнитострикцией, увеличение амплитуды возникающих колебаний и совпадение их частоты с частотой переменного магнитного поля, При настройке частоты возбуждающего тока в резонанс с собственной частотой магнитопровода его излучающие поверхности совершают колебания симметрично по отношению к геометрическому центру, а амплитуда их колебаний, излучаемых во все стороны с одинаковой интенсивностью, становится максимальной.

Для поддержания соответствующего теплового режима работы магнитопровода, при котором температура на его поверхности не должна превышать определенных значений, например 70° для сплава К-65, его помещают в герметичный корпус (на чертежах не показан) и охлаждают проточной водой. При этом за счет того, что сечение окна 5 магнитопровода в направлении от его излучающих поверхностей к геометрическому центру постоянно увеличивается, а между витками обмотки возбуждения 5 существуют зазоры, что обусловлено кольцеобразной формой стержней, вода, охлаждающая поверхности стержней магнитопровода, имеет одинаково хороший доступ как к внешним, так и к внутренним их поверхностям.

Оптимальные условия работы магнитопровода предлагаемой конструкции зависят от величины среднего радиуса стержней 2 и создаются тогда, когда условные продолжения (на фиг. 1 покзаны пунктиром) средних радиусов (показаны штрих-пунктирной линией) двух стержней, замыкаемых общей для них накладкой 3, в данной накладке являются параллельными между собой. При таком расположении условных продолжений средних радиусов, соответствующем выполнению стержня со средним радиусом, равным 12,5-37,5% длины продольной звуковой волны в материале магнитопровода (далее ДПЗВ), колебания двух стержней суммируются в общей для них накладке. Если же продолжения средних радиусов располагаются в накладке под некоторым углом р, т.е. если средний радиус стержня в своих значениях превышает 37,5% ДПЗВ, то колебания стержней начинают демпфировать друг друга, в резул ьтате чего как амплитуда колебаний, так и интенсивность излучения магнитопровода снижаются. Наибольшее демпфирование колебаний стержней наступает при значениях р, превышающих 60°, а при р , равном или же превышающем 120°, колебания стержней полностью демпфируются. Выполнение же стержней со средним радиусом менее 12,5% ДПЗВ нецелесообразно, так как это будет приводить к возникновению в стержнях колебаний различной направленности, в том числе и не по оси

(среднему радиусу)стержня, и, следовательно, к снижению амплитуды колебаний и интенсивности излучения.

К другим примерам конкретной реализации предлагаемого магнитопровода (см. фиг. 2-4) следует отнести выполнение магнитопровода с количеством стержней, отличающимся от четырех, т.е. с тремя или 5-8 стержнями, а также и выполнение стержней

одного магнитопровода с разными средними радиусами и изогнутыми на участке их длины.

Выполнение магнитопровода с тремя или с 5-8 стержнями позволяет обеспечить

не только необходимое количество излучающих поверхностей, например шесть (фиг. 2), но и предопределяет возможность их расположения в плоскостях, ориентированных одна относительно другой под требуемым

углом, например в 120° (фиг. 3) или же в 30, 60 и 90°. Однако при этом необходимо учитывать, что увеличение числа стержней, обусловливающее количество излучающих поверхностей магнитопровода и необходимое количество осей, в направлении по которым распространяются колебания, не безгранично. Выполнение магнитопровода с 6-8 стержнями обеспечивает еще достаточную эффективность в его работе, в то

время как выполнение магнитопровода с числом стержней более восьми, что в зависимости от его конструкции может быть эквивалентно выполнению стержней со средним радиусом меее 12,5% ДПЗВ или

расположению продолжений средних радиусов стержней в накладке под углом более 60°, по вышеуказанным причинам представляется нецелесообразным.

Выполнение стержней одного магнитопровода с разными средними радиусами (интервал 12,5-37,5% ДПЗВ) позволяет располагать его излучающие поверхности на разных расстояниях от геометрического центра.

Выполнение же магнитопровода со стержнями, часть из которых изогнута на всей их длине, а другая часть - на участке длины (см. фиг.4), предопределяет возможность получения колебаний в направлениях,

оси которых (ВВ и СС) параллельны между собой.

Кроме того, к другим примерам конкретного выполнения предлагаемого магнитопровода,расширяющимего

технологические возможности в сравнении с известным магнитолроводом, следует отнести также и выполнение (на чертежах не представлено) стержней одного магнитопровода одновременно с разными средними радиусами и изогнутыми как на всей их длине, так и на определенном ее участке.

Сопоставительный анализ известного и предлагаемого магнитопроводов показывает значительные преимущества последнего из них.

Выполнение стержней магнитопровода с разными средними радиусами или же с изгибом части стержней на всей их длине, а другой части - на определенном участке их длины позволяет не только располагать излучающие поверхности магнитопровода под разными углами одна относительно другой и на разном расстоянии от его геометрического центра, но и позволяет направлять колебания по осям, которые между собой вообще не пересекаются или же пересекаются под разными углами.

Выполнение стержней изогнутыми позволяет создавать магнитопровод, который имеет не только нечетное количество излучающих поверхностей, что в значительной степени отличает его от всех известных стержневых магнитострикционных преобразователей, но и обладает в ряде случаев диапазоном резонансных частот, так как стержни в этом случае могут быть выполнены изогнутыми с разными радиусами и иметь длины, отличающиеся одна от другой по своим численным значениям.

Вместе с этим выполнение стержней магнитопровода изогнутыми позволяет создавать магнитострикционные преобразователи меньших размеров (у известной преобразователя расстояние между излуча ющими поверхностями составляет 259 мм, у предлагаемого- 175мм), что благоприятнс сказывается на их материалоемкости.

Все это свидетельствует о том, что пред лагаемый магнитопровод, в сравнении с из вестным, обладает более широкими технологическими возможностями, характеризуется меньшей материалоемкостью v имеет больший КПД, чему способствует также и то обстоятельство, что в предлагаемое магнитопроводе при его работе создается один замкнутый магнитный поток, а не несколько, как это имеет место в известном магнитопроводе.

Формула изобретения Магнитопровод магнитострикционного преобразователя, содержащий монолитно соединенные стержни, симметрично расположенные относительно геометрического центра магнитопровода, каждый из которых выполнен в виде пакета пластин, о т л и ч а- ющийсятем, что, с целью повышения КПД и сокращения материалоемкости, стержни выполнены изогнутыми и направлены выпуклыми сторонами к геометрическому центру магнитопровода, причем средний радиус кривизны стержня составляет 12,5- 37,5% от длины продольной звуковой волны в материале магнитопровода, а количество стержней в нем не менее трех.

.

фмг. 3

ВВ

I

Фиг.