Электродинамический вибратор

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

О П И С А Н И Е 16803l

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Зависимое от авт. свидетельства №

Заявлено 02.Ч111.1962 (№ 789486/29-14) с присоединением заявки №

Кл. 42k 21pi

Государственный комитет по делам изобретений н открытий СССР

МПК б 01m

УДК 534.232(088.8) Приоритет

Опубликовано 05Л1.1965. Бюллетень № 3

Дата опубликования описания 5,IV.1965.Автор изобретения

К. Т. Шаталов

ЭЛ ЕКТРОДИ НАМ ИЧ ЕСКИ A. В И БРАТОР

Подписная группа № 172

Известны электродинамические вибраторы для исследования различных конструкций на вибропрочность, включающие установленный иа основании с помощью упругих опор корпус со смонтированными в нем магнитопроводом, состоящим из центрального сердечника (керна), полюсных пакетов и катушки подмагничивания, рабочей катушкой и подвижным устройством.

В предлагаемом виораторе, с целью повышения развиваемых усилий и расширения области применения, его подвижное устройство выполнено в виде совокупности двух короткозамкнутых витков (стаканов), являющихся вторичной обмоткой трансформатора, первичная обмотка которого — неподвижная рабочая многовитковая катушка, расположена между короткозамкнутыми витками и состоит из двух коаксиальных соединенных последовательно слоев, выполненных с витками, расположенными в один ряд по радиусу, с промежутками по длине катушки, образующими винтообразные каналы, причем витки одного слоя имеют правое, а другого — левое направление и накрест перекрывают друг друга.

С целью снижения веса и исключения возможности появления вихревых токов в магнитопроводе, последний выполнен со сборным керном, состоящим из прутков мягкого железа шестиугольного сечения с готовым набором загнутых на концах в радиальных направлениях, и полюсными пакетами прямоугольного сечения, которые набраны из листов трансформаторной стали. Готовый набор обеспе5 чивает наилучшее заполнение объема.

Для компенсации наводок в обмотках катушек подмагничивания от переменных токов подвижного устройства и поддержания постоянства индукции основного магнитного пото10 ка обмотки катушек подмагничивания расположены симметрично относительно экваториальной плоскости магнитопровода, а для повышения плотности токов подмагничивания рабочей катушки вибратор снабжен системой

15 водяного охлаждения.

На фиг. 1 представлена схема вибратора в вертикальном положении, продольный разрез; на фиг. 2 — то же, вид сверху с частичным горизонтальным разрезом; на фиг. 3 — то же, 20 вид сбоку.

Вибратор состоит из следующих основных функциональных частей: магнитопровода, неподвижных рабочих катушек и подвижной системы.

25 Магнитопровод представляет собой сложную магнитную цепь, которая состоит из центрального сердечника (керна) 1 цилиндрической формы, отдельных радиально расположенных полюсных пакетов (полюсов) 2 по30 стоянного прямоугольного сечения и цилинд168031

10 рического корпуса 3 вибратора, на котором установлены полюса. Между керном и каждым полюсным пакетом образуется кольцевой воздушный зазор магнитной цепи, являющийся рабочим зазором. Для удвоения силы возбуждения, прикладываемой к подвижной системе, в данном вибраторе выполнено два воздушных зазора сверху и снизу и соответственно сверху и снизу корпуса вибратора установлено по шесть полюсов. В магнитопроводе создают постоянное магнитное поле, для чего внутри расположены катушки 4 подмагничивания, которые питают постоянным током.

Керн 1 магнитопровода имеет центральное цилиндрическое отверстие, в котором помещается шток 5 подвижной системы вибратора, выполненный из немагнитного материала. С целью уменьшения потерь на магнитный гистерезис и полей рассеяния, керн выполнен из отдельных гнутых прокатанных тонких прутков б шестигранного сечения, обладающих магнитной анизотропией вдоль прокатки. Шестигранное сечение позволяет осуществить лучшее заполнение объема. Прутки керна изолированы друг от друга лаком и с боков стянуты дуралевой обоймой 7, а вдоль оси керна — торцовыми стяжными тарелками 8. Последние крепятся винтами 9, которые вворачиваются в стяжные стержни 10 шестигранного сечения. Торцы загнутых участков прутков б, выходящие в воздушный зазор магнитопровода, обработаны и плотно притянуты к цилиндрической поверхности .внутреннего полюсного кольца ll. Притягивание осуществляется зажимом по конусным поверхностям кольца.

С той же целью (уменьшение потерь), полюсные пакеты 2 собраны из изолированных друг от друга лаком пластин, сделанных из трансформаторной стали, пластины стянуты болтами 12. Части полюсов, выходящие в воздушный зазор магнитопровода, обработаны по цилиндрической поверхности и плотно притянуты к внешнему полюсному кольцу 18. Зажим полюсного кольца осуществляется посредством верхнего 14 и нижнего 15 колец крепления полюса, которые затягиваются гайками 1б на сквозной шпильке 17. Последняя служит для стягивания дисков 18 корпуса вибратора. Причем нижнее кольцо 15 помещается непосредственно на диске 18. Притягивание поверхности полюсного кольца 18 к торцам пакетов осуществляется - передачей усилий по соответствующим конусным поверхностям у колец 18, 14 и 15. Для этого кольца

14 и 15 опираются своими упорными канавками на цилиндрические стержни 19, через которые осуществляется подтягивание пластин полюсов к кольцу 18. Полюсные пакеты устанавливаются своими наружными краями на корпусе 8 вибратора через промежуточные добавочные кольца 20, которыми осуществляется также прижатие дисков 18 к корпусу.

Крепятся полюсные пакеты к дискам и корпусу вибратора посредством уголков.

Обмотки 4 расположены симметрично относительно экваториальной плоскости магпитопровода, а каждая пара обмоток соединена последовательно. Это обеспечивает компенсацию паводок в обмотках от переменных токов, протекающих в рабочих катушках и в подвижных короткозамкнутых витках 21 и 22, расположенных в воздушных зазорах магнитопровода.

Для возможности работы с повышенными плотностями тока подмагничивания введено водяное (водопроводной водой) охлаждение по всей толще секционирова нных обмоток подмагпичивания. Между частями обмоток помещается специальная коробка охлаждения

28, которая в то же время является несущей деталью для обмоток. Коробка охлаждения состоит из одной горизонтальной и трех вертикальных кольцевых камер и представляет собой сложную тонкостенную оболочку с большим числом перегородок. Каналы коробки охлаждения рассчитаны так, чтобы обеспечить равномерное охлаждение всего объема катушек подмагничивания. Это достигается тем, что во внутренних каналах пропускают воду в количестве, пропорциональном количеству выделяемого в данных местах тепла. Вход и выход воды осуществляется через полые цапфы 24 и 25 вибратора. При этом вход воды в коробку охлаждения один, а выходов воды из нее с противоположной стороны коробки два.

С целью уменьшения потерь, связанных с вихревыми токами, ряд деталей (обойма 7 и торцовые тарелки 8 керна, диски 18 вибратора, полисные кольца 11 и 13 и кольца 14 и 15, крепления полюсов, коробка 28 охлаждения) выполнены разрезными. В разрезы помещены вставки из пзолирующих прокладок. Соответствующие крепежные болты втулками и шайбами изолированы от стягиваемых деталей.

B радиальном магнитном поле в обоих кольцевых воздушных зазорах магнитопровода помещены закрепленные на дисках 18 корпуса вибратора рабочие катушки и короткозамкнутые витки 21 и 22 цилиндрической формы, принадлежащие к подвижной системе вибратора. Короткозамкнутые витки выполнены из дураля для облегчения подвижной системы.

Рабочие катушки питают переменным током возбуждения от звукового генератора. Эти катушки выполняют роль первичных обмоток трансформаторов, у которых вторичными обмотками являются массивные короткозамкнутые витки. Использование известного принципа трансформатора позволяет уменьшить входную индуктивность вибратора. Уменьшение входной и дуктивности приводит к увеличению (при заданном напряжении) силы тока в рабочих катушках и короткозамкнутых витках и, следовательно, к увеличению силы возбуждения вибратора.

С целью увеличения силы возбуждения в вибраторе, рабочие катушки помещены с воз168031 можно малыми зазорами между цилиндрическими поверхностями двух короткозамкнутых витков (стаканов) 21 и 22. Это значительно повышает взаимную индуктивность между рабочей катушкой и короткозамкнутым витком.

Коротказамкпутые витки 21 и 22 связаны между собой и закреплены на концах общего штока 5. Таким образом, в данном вибраторе подвижная механическая система имеет две отдельные системы рабочих витков. На верхнем конце штока размещен стол 26 вибратора, на котором крепят исследуемые на вибрацию объекты. Применяя вибратор для исследования образцов, вместо стола на каппе штока закрепляют переходный патрон 27.

Расположение в воздушном зазоре магнитапровода двух стаканов из пемагнитного материала увели-и влет воздушный зазор и тем самым увеличивает магнитное сопротивление всей магпитной цепи. Это приводит к уменьшению индукции в зазоре, при неизменном токе в катушках 4 подмагничивания. С целью возможно большего уменьшения воздушных зазоров магнитопровода для получения в них больших значений магнитной продукции, т. е. больших сил возбуждения вибратора, здесь применено частичное заполнение воздушных зазоров железом. Это достигается постановкой (в каждом воздушном зазоре) рабочих катушек в виде специально разработанной оригинальной конструкции. Рабочая катушка состоит из двух коаксиальных соединенных последовательно катушек 28 и 29 из мягкой стали. Эти катушки выполнены с витками прямоугольного сечения, располагающимися в один ряд по радиусу, а по длине катушки с промежутками, образующими винтообразные каналы. Витки одной из катушек 28 или 29 имеют правое, а другой — левое направление подъема и накрест перекрывают друг друга, н значительной степени заполняя железом воздушный зазор. Витки каждой катушки фиксируются один относительно другого специальными керамическими вставками-изоляторами 30, которые свободно помещаются в радиальном зазоре между катушками 28 и 29 и имеют буртики, на которые и опираются витки катушек.

Крепление рабочих катушек к диску 18 вибратора, а также центрирование катушек относительно диска, осуществлено посредством шести стальных стяжек 31. Последние устанавливаются в специальных кольцевых канавках диска и крепятся к нему посредством клиньев 32. Стяжки 31 проходят между катушками

28 и 29 через кольцевые зазоры (в промежутках между изоляторами 30) и затягивают витки последних посредством накладного кольца 33 и сухарей 34. Для затя.кки сухари поворачивают на 180 .

Для увеличения проводимости тока введено обмеднение 35 поверхностей витков рабочих катушек, примыкающих к поверхностям короткозамкнутых витков 21 и 22.

Для обеспечения возможности работать при высоких плотностях рабочих токов в описываемом вибраторе применено интенсивное охлаждение рабочих катушек 28 и 29 и короткозамкнутых витков 21 и 22 дистиллированной водой. Вода подается к катушкам по трубкам

36 и через каналы в дисках 18 корпуса вибратора. В катушках вода проходит по винтообразным каналам между витками. Такое наружное охлаждение рабочих катушек позволяет одновременно охлаждать и поверхности короткозамкнутых витков. Изоляция от воды в вибраторе осуществлена посредством эластичных пленок 37 и 38 из фторопласта.

Подвижная система внутри вибратора упpyro подвешена на стальных спиральных пружинах 39 растяжения и на двух тонких гофрированных бронзовых мембранах 40. Последние в основном предназначаются для центрирования подвижной системы в воздушных зазорах магнитопровода и для обеспечения направленности движения ее в осевом направлении. С целью снижения основной (низшей) собственной частоты механической системы подвижных деталей вибратора, а также с целью увеличения доли возбуждающей силы, идущей на раскачку исследуемых масс, спиральная пружина 39 выполнена в виде комплекта нескольких пружин с общей малой

ЗО жесткостью. Пружины подвешены на верхней тарелке 8 керна посредством фланца 41.

Номинальное значение натяжения пружин

39 соответствует среднему положению (относительно корпуса вибратора) подвижной системы при отсутствии дополнительных исследуемых масс на столе 26 вибратора. Таким образом, номинальное натяжение пружин уравновешивает вес собственно подвижной системы вибратора. Для уравновешивания

4О также и веса исследуемых масс, устанавливаемых на столе 26, введена регулировка натяжения пружин 39 с приведением нагруженной подвижной системы в среднее положение. Регулировку натяжения осуществляют переме45 щением ходовой гайки 42 подвеса вдоль оси штока 5. Ходовая гайка приводится в движение посредством вращения фиксированного винта 43. Перемещение ходовой гайки передается нижнему фланцу 44 пружин посредством двух пальцев 45, которые двигаются в продольных пазах штока и этим препятствуют проворачиванию гайки 42.

С целью ограничения роста амплитуд колебаний подвижной системы, на торцовых та55 релках 8 керна установлены два резиновых буфера 46.

Внешняя упругая подвеска самого вибратора на плите 47 основания осуществлена посредством двух наборов горизонтальных 48 и вертикальных 49 и 50 листовых рессор, собранных в П-образные рамы с шарнирами 51 в верхних углах. Нижние концы вертикальных рессор закреплены на плите 47. Посредине горизонтальных рессор 48 закреплены корпуса у;52 подшипников цапф 24 и 25 вибратора, 168031

При перевозках вибратора подвеска его закрепляется с помощью специального фиксирующего устройства. Поворачивая подъемный винт 58 во втулке 54, цапфы 24 и 25 вибратора зажимают в опорах 55 и 56. При этом опора 55 поднимется винтом 58 до соприкосновения с цапфой вибратора. Затем подъем производится уже вместе с цапфой до зажатия ее в верхней неподвижной части зажима. При этом осуществляют зажим цапф и рессор подвески относительно неподвижных стоек 57, связанных с плитой 47 основания. Подвижная часть (опора 55) зажима центрируется на двух стержнях рымов 58. Последние служат для переноски вибратора краном.

Плита 47 основания вибратора установлена на трех пятах 59 и имеет три убирающихся колеса 60 для перевозки при необходимости вибратора к испытуемому объекту.

Внутри плиты 47 основания размещено специальное согласующее устройство, которое включается между рабочими катушками вибратора и усилителем и служит для согласования величин входного сопротивления вибратора и потребного сопротивления нагрузки усилителя.

В разработанном вибраторе согласующее устройство состоит из специального высокочастотного воздушного трансформатора 61 и емкостной компенсационной батареи 62. Воздушный трансформатор выполнен с двумя тороидальными обмотками, причем число витков первичной обмотки регулируется. Емкостная батарея включается параллельно в цепь вторичной обмотки трансформатора 61 и рабочих катушек вибратора, в отличие от последовательного включения ее в существующих конструкциях. Преимуществом параллельного включения емкости является то, что рабочие катушки вибратора будут находиться под малыми напряжениями при больших токах в них. Это обеспечивает безопасность работы с вибратором и возможность водяного охлаждения рабочих катушек и короткозамкнутых витков. Как уже указывалось, большие токи создадут и большие возбуждающие силы.

При последовательном же включении емкости и рабочие катушки будут находиться под высокими напряжениями. Это создает опасность при работе с вибратором и исключает возможность наружного водяного охлаждения, Подключение вторичной цепи трансформатора к рабочим катушкам, также как и подключение питания обмоток 4 подмагничивания, производится через спиральные токовводы (шины) 68 и 64 с большим шагом спиралей. Это обеспечивает упругость шин в местах присоединения к вибратору и возможность поворота вибратора на 90 . Шины 68 подводят ток к рабочим катушкам и расположены на цапфе 25 вибратора, а шины 64 подводят ток к катушкам подмагничивания и расположены на цапфе 24. Спирали шин закрыты специальными защитными кожухами 65.

Для улавливания и отведения от рабочего стола 26 вибратора магнитных полей рассеяния применен экранирующий железный кожух

66. Внутренность этого кожуха покрыта специальным пластическим материалом 67 для глушения шума.

Работа вибратора состоит в следующем.

В катушки 4 подается постоянный ток, в результате чего в магнитопроводе вибратора создается постоянный магнитный поток. В радиальном магнитном потоке в воздушных зазорах магнитопровода помещены неподвижные рабочие катушки 28 и 29 и подвижные короткозамкнутые витки 21 и 22. В рабочие катушки подается переменный ток возбуждения заданной частоты от звукового генератора, усиленный мощным усилителем и прошедший через согласующее устройство вибратора. Так как рабочая катушка и оба короткозамкнутых витка образуют воздушный трансформатор, то при пропуске тока через рабочую катушку соответственно усиленные токи образуются и в обоих короткозамкнутых витках. При взаимодействии переменных токов в короткозамкнутых витках с постоянным магнитным полем возникают переменные электродинамические силы возбуждения, воздействующие на короткозамкнутые витки и передаваемые ими на подвижную систему вибратора и, следовательно, на исследуемые объекты на столе 26 или на штоке 5 вибратора. Силы возбуждения образуются в короткозамкнутых витках в обоих воздушных зазорах магнитопровода. Действуют они синхронно и поэтому передаются на стол вибратора складываясь. При взаимодействии тока в рабочих катушках с постоянным магнитным полем возникают переменные силы, воздействующие на витки катушки. Суммируясь по длине данной катушки, эти силы у основания ее будут равны сумме сил, действующих на охватывающий короткозамкнутый виток, Но для катушки эти силы являются реактивными и воспринимаются диском И корпуса вибратора.

Предмет изобретения

1. Электродинамический вибратор для исследования различных конструкций на вибропрочность, включающий установленный на основании с помощью упругих опор корпус со смонтированными в нем магнитопроводом, состоящим из центрального сердечника (керна), полюсных пакетов и катушек подмагничивания, рабочей катушкой и подвижным устройством, отличающийся тем, что, с целью повышения развиваемых усилий и расширения области применения, его подвижное устройство выполнено в виде совокупности двух короткозамкнутых витков (стаканов), являющихся вторичной обмоткой трансформатора, первичная обмотка которого — неподвижная рабочая многовитковая катушка, расположена между короткозамкнутыми витками и состоит из двух коаксиальных соединенных последовательно слоев, выполненных с витками, распо16803!

26 40 8 ложенными в один ряд по радиусу, с промежутками по длине катушки, образующими винтообразпые каналы, причсм витки одного слоя имеют правое, а другого — лсвое направление и накрест перекрывают друг друга.

2. Вибратор по и. 1, отлика!общий!ся тем, что, с целью снижения веса и исключения воз!!ожности появления вихревых токов в магнитопроводе, последний выполнен со сборным керном, состоящим пз прутков мягкого >ке !еза шестиугольного сечения с сотовым набором, обеспечивающим наилуч!пее заполпе;ш. объема, загнутых на копнах в радиальнь х:",аправлепиях, и полюсными пакетами и, ямоугольного сечения, набран!;1.:и из листов Tp3!Iсформаторной стали.

3. Вибратор по пп. 1 и 2, от.шчающийся тем, что, с целью компенсации наводок в об5 мотках катушек подмагничивания от переме !ных токов подвижного устройства и поддержания постоянства индукции основного магнитного потока, обмотки катушек подмагни !ивания расположены симметрично отпоситель!!о

10 экваториальной плоскости магнитопровода

4. Вибратор по пп. 1 — 3, отл!!ча!ощийся тем. что, с целью повышения плотности токов по."магничивания рабочей катушки, он снаби.ен системой водяного охлаждения.

168031 ф (— р " gj i

%" / р„ь,, ф, ) /

Л,, ( б1 1(-, Ъ . -д —. --- „ -;::.3-. -г )

7Г. 777 Ю77 777 " г," Лб7Т 77б 77//z ? iр. зз;., % 77,;.;Ì

Фиг. 3

DJ fPg аб=, (;, Ф J Т ЗЙФ3 . Ж 7,жЮ7;

Составитель И. Рудакова

Редактор Г. М. Печоров Техред Л. К. Тканенко Корректор А. А. Березуева

Заказ 51319 Тираж 675 Формат бум. 60;к,90 18 Объем 0,76 изд. л. Цена 5 коп.

ЦНИИПИ Государственного комитета по делам изобретений и открытий СССР

Москва, Центр, пр. Серова, и. 4

Ти ног р афи я, п р. С а пупов а, 2