Модульная система электромагнитной транспортировки жидкостей, обладающих магнитными свойствами

Изобретение относится к машиностроению. Модульная система предназначена для электромагнитной транспортировки жидкостей, обладающих магнитными свойствами. Принцип транспортировки жидкостей, обладающих магнитными свойствами, посредством прямого электромагнитного управления характеристиками потока основан на магнитореологических эффектах изменения внутренней энергии частиц магнетика и энергии взаимодействия частиц между собой в магнитном поле, а также взаимодействия частиц с магнитным полем и законах гидродинамики. Технический результат - повышение надежности и долговечности систем транспортировки жидкостей, обладающих магнитными свойствами, за счет применения гидроаппаратуры с конструкцией, исключающей подвижные механические элементы. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

 

Уровень техники.

Известны магнитодинамические системы транспортировки жидкостей, обладающих магнитными свойствами, US 20110037325 A1, SU 1834421 A1, US 3257949 A1, RU 2020266 C1 и SU 1001353 A.

Раскрытие изобретения.

Наиболее близкой является система, указанная в патенте US 20110037325 A1, но в системе US 20110037325 A1 используются капиллярные эффекты, накладывающие ограничения на размеры транспортной зоны системы, а предлагаемая система имеет стабильные рабочие характеристики в широком диапазоне типоразмеров.

Предлагаемая система отличается от систем, указанных в патентах US 20110037325 A1, SU 1834421 A1 и US 3257949 A1 тем, что в ней вращательно-поступательное движение жидкости происходит под действием бегущего вращающегося магнитного поля (магнитного поля в виде вращающейся бегущей спирали). Разгонные модульные блоки данной системы представляют собой набор индукторов дифференциальной обмотки блоков электромагнитов, размещенных по периферии (как снаружи, так и внутри) кольцевого канала, оснащенного шнеком, расположенным в осевом направлении, таким образом, чтобы организовать вращательно-поступательное движение магнитной жидкости в спирально-кольцевом канале, а включение индукторов дифференциальной обмотки блоков электромагнитного управления потоков каждого последующего модуля системы осуществляется с угловым сдвигом. Изменение направления угла сдвига вызывает реверсирование движения магнитной среды (включение данных модулей не синхронно и должно обеспечивать одинаковое направление угла обхода включения катушек внутри модулей). Данная конструкция повышает отклик системы на сигнал управления и улучшает управление расходом транспортируемой среды. Данная конструкция также улучшает массогабаритные показатели системы и повышает прецизионность управления характеристиками потока транспортируемой магнитной среды.

Транспортная система, указанная в патенте SU 1834421 А1, использует магнитореологические дроссели лишь для создания знакопеременного потока рабочей среды за счет разбалансировки гидравлического моста и регулировки потока, создаваемого насосом, в отличие от нее в предлагаемой системе дроссели-гидрозамки используются для блокирования обратного тока рабочей жидкости в случае отсутствия управляющего сигнала на блоках электромагнитного управления разгонных модулей или смены направления движения магнитной жидкости, так как в данной системе вращательно-поступательное движение жидкости происходит под действием бегущего вращающегося магнитного поля (магнитного поля в виде вращающейся бегущей спирали). Это значительно расширяет зоны регулирования расхода и функциональные возможности системы.

Также в отличие от патента US 3257949 A1, в котором описана система, содержащая спиральные элементы, расположенные в радиальном направлении относительно движения потока жидкости и образующие своеобразный сердечник, а также имеющая систему фиксированного, полярного изменения магнитного поля по направлению потока жидкости, предложенная система не имеет данного сердечника, а содержит спиральные каналы, расположенные в кольцевом зазоре модуля по направлению движения потока жидкости и у нее отсутствует система фиксированного полярного изменения магнитного поля, что уменьшает габариты и улучшает ее динамические характеристики.

В патенте RU 2020266 С1 рассматривается машина объемного действия, использующая в своем рабочем процессе магнитный жидкостный поршень, совершающий возвратно-поступательные движения под действием магнитного поля, индуцируемого линейным индуктором. Предложенная конструкция магнитореологического модуля-транспортера, отличается от устройства, описанного в RU 2020266 С1 тем, что движение жидкости осуществляется вращательно-поступательно под действием как вращающегося бегущего поля, так и направляющего спирального канала, что позволяет более эффективно производить транспортировку рабочей среды и с меньшей затратой энергии, а также повышает устойчивость гидродинамических характеристик потока магнитореологической среды.

Конструкции SU 1001353 А содержит также наборный индуктор, но в системе, представленной SU 1001353 А для создания управляющего магнитного поля, необходим внутренний магнитопровод, а предложенная система не требует магнитопровода, что упрощает конструкцию, снижает массу и стоимость изделия.

В отличие от RU 2020266 и SU 1001353 А в предлагаемой конструкции дифференциальный индуктор интегрирован во внутрь шнека, что позволяет осуществлять его охлаждение при помощи отвода тепла рабочей средой. Это способствует поддержанию стабильных характеристик магнитного поля без организации системы термостатирования индукторов. Также в одном из предлагаемых вариантов конструкции использована комбинация: блока электромагнитного управления потоком интегрированного во внутреннею полость шнека и блока электромагнитного управления потоком, установленного на корпус модуля. Подобная комбинация улучшает проникновение управляющего электромагнитного сигнала в магнитореологическую среду, позволяя избежать эффекта экранирования частиц магнетика упорядоченным верхним слоем частиц магнетика, что дает возможность повысить управляемость магнитореологической жидкости и снизить инерционность жидкой среды.

Конструкция насоса SU 1001353 А позволяет производить перекачку металлов и иных электропроводящих сред, обладающих магнитными свойствами. Поэтому в качестве рабочего тела используется жидкий металл, что требует высоких рабочих температур или применения в качестве рабочей среды металлов, находящихся в жидком состоянии при нормальных условиях, например ртути, являющейся высокотоксичным веществом. Предлагаемая конструкция позволяет производить транспортировку магнитореологической жидкости, обладающей малой электропроводностью, так как частицы ферромагнетика стабилизированы в масле, которое является электроизолятором. Это позволяет избежать проблем, присущих системам, эксплуатируемым при высоких температурах, и не требует применения в качестве рабочей среды токсических веществ.

Технический результат:

Технический результат достигается тем, что использование для организации вращательно-поступательного движения транспортируемой среды, обладающей магнитными свойствами, комбинации спирального направляющего аппарата и вращающегося электромагнитного поля позволяет задавать регулируемую радиальную составляющую скорости. Поэтому удается избежать явлений нежелательной турбулентности, возможных при иных конструкциях транспортеров с вращательно-поступательным движением транспортируемой среды в широких диапазонах рабочих скоростей и сечений проточной части, а именно за счет отсутствия механических частей и наличия гироскопического эффекта.

Осуществление изобретения.

Модульная система электромагнитной транспортировки жидкостей, обладающих магнитными свойствами, Фиг. 1, состоит из магнитодинамического разгонного блока 1, представляющего из себя серию магнитореологических модулей-транспортеров 2, магнитореологических дросселей-гидрозамков 3, 4 и труб 5-8. Транспортировка жидкостей, обладающих магнитными свойствами, осуществляется за счет серии магнитореологических модулей-транспортеров, конструкция которых, Фиг. 2 и Фиг. 4, выполнена в виде неподвижных магнитопроводящих шнеков 9, служащих направляющим аппаратом. Шнек каждого модуля консолидирован с цилиндрическим корпусом 10. В результате соединения модулей-транспортеров между собой получают разгонный блок транспортера, а установка каскадов модулей с интервалом дает возможность собирать транспортеры с кратно возрастающими характеристиками. Число модулей кратно количеству элементов дифференциальной обмотки.

Для оптимизации рабочего процесса модульной системы электромагнитной транспортировки жидкостей, обладающих магнитными свойствами, число модулей должно быть кратно количеству элементов дифференциальной обмотки - индукторов. Также для снижения гидравлического сопротивления на входе в разгонный блок, образованный магнитореологическими модулями-транспортерами, на шнек первого модуля устанавливается обтекатель 11.

Во внутреннюю полость шнека интегрирован блок электромагнитного управления потоком 12, состоящий из элементов дифференциальной обмотки, расположенных по окружности. Также возможна комбинация размещения блоков электромагнитного управления потоком: интеграция блока электромагнитного управления потоком во внутреннюю полость шнека 12 и установки блока электромагнитного управления потоком на корпус 13.

Модульная система позволяет осуществлять транспортировку жидкой магнитной среды вращательно-поступательно посредством магнитного поля в виде вращающейся бегущей спирали, индуцируемого каскадом блоков электромагнитного управления потоком, Фиг. 3, а также гироскопических эффектов жидкой среды, моделируемых направляющим аппаратом.

Конструкция позволяет избежать явлений нежелательной турбулентности, возможных при иных конструкциях транспортеров с вращательно-поступательным движением транспортируемой среды в широких диапазонах рабочих скоростей и сечений проточной части, за счет отсутствия механических частей и наличия гироскопического эффекта, возникающего при задании потоку транспортируемой среды радиальной составляющей скорости посредством вращающегося электромагнитного поля и спирального направляющего канала, а также упорядочения частиц магнетика в управляющем электромагнитном поле.

Устройство работает следующим образом.

Транспортировка жидкости, обладающей магнитными свойствами, в модульной системе электромагнитной транспортировки осуществляется в спиральном зазоре, образованном шнеком и корпусом, движение транспортируемой среды производится вращательно-поступательно посредством бегущего магнитного поля, индуцируемого каскадом блоков электромагнитного управления потоком, которые состоят из элементов дифференциальной обмотки - индукторов. По управляющему сигналу контроллера происходит включение обмоток каждого последующего блока, при этом включение обмотки блока начинается со смещения на один элемент дифференциальной обмотки, то есть с угловым сдвигом. Элементы дифференциальной обмотки блоков электромагнитного управления подключены к контролеру аналогично схеме подключения многофазного асинхронного электродвигателя. Число элементов дифференциальной обмотки кратно количеству фаз, а регулирование параметров транспортировки магнитной среды осуществляется посредством изменения характеристик магнитного поля (вольт-амперной характеристики управляющего тока посредством контроллера) и скорости переключения элементов кольцевой дифференциальной обмотки, блоков электромагнитного управления потоком магнитореологических модулей-транспортеров и за счет гироскопических эффектов жидкой среды.

Магнитореологические дроссели-гидрозамки используются для блокирования обратного тока рабочей жидкости в случае отсутствия управляющего сигнала на разгонных модулях или смены направления движения жидкости, обладающей магнитными свойствами, так как в данной системе вращательно-поступательное движение рабочей жидкости происходит под действием бегущего вращающегося магнитного поля.

Перечень последовательностей:

Ссылочные обозначения Фиг. 1

Модульная система электромагнитной транспортировки жидкостей, обладающих магнитными свойствами:

1 - разгонный блок,

2 - магнитореологический модуль-транспортер,

3, 4 - магнитореологические дроссели-гидрозамки,

5, 6, 7, 8 - трубы.

Ссылочные обозначения Фиг. 2

Магнитореологический модуль-транспортер - конструкция с внутренним блоком электромагнитного управления потоком:

9 - шнек,

10 - корпус,

11 - обтекатель,

12 - внутренний блок электромагнитного управления потоком.

Ссылочные обозначения Фиг. 3

Каскад блоков электромагнитного управления потоком:

А - Фаза А

В - Фаза В

С - Фаза С

Ссылочные обозначения к Фиг. 4

Магнитореологический модуль-транспортер - конструкция с комбинацией блоков электромагнитного управления потоком:

9 - шнек,

10 - корпус,

11 - обтекатель,

12 - внутренний блок электромагнитного управления потоком,

13 - внешний блок электромагнитного управления потоком.

1. Модульная система электромагнитной транспортировки жидкостей, обладающих магнитными свойствами (вариант 1), состоящая из магнитореологических модулей-транспортеров, имеющих дифференциальную обмотку, отличающаяся тем, что каждый модуль-транспортер выполнен в виде неподвижного магнитопроводящего шнека, который служит направляющим аппаратом и консолидирован с цилиндрическим корпусом, во внутреннюю полость шнека интегрирован блок электромагнитного управления потоком, состоящий из элементов дифференциальной обмотки, расположенных по окружности, создающий вращательно-поступательное движение магнитной жидкости в зазоре, образованном шнеком и корпусом, это осуществляется за счет бегущего магнитного поля, индуцируемого каскадом электромагнитов посредством последовательного включения контуров, питающих блоки и элементы дифференциальной обмотки блоков электромагнитного управления потоком, входящих в каскад, при этом включение обмотки каждого последующего блока начинается со смещения на один элемент дифференциальной обмотки, это позволяет создавать магнитное поле в виде вращающейся бегущей спирали, в результате чего магнитная жидкость движется вращательно-поступательно, регулирование параметров транспортировки магнитной среды осуществляется посредством изменения характеристик магнитного поля и скорости переключения элементов кольцевой дифференциальной обмотки блока электромагнитного управления потоком магнитореологического модуля-транспортера, а также за счет гироскопических эффектов жидкой среды, соединенные между собой модули образуют транспортер, на шнек первого модуля устанавливается обтекатель.

2. Модульная система электромагнитной транспортировки жидкостей, обладающих магнитными свойствами (вариант 2), состоящая из магнитореологических модулей-транспортеров, имеющих дифференциальную обмотку, отличающаяся тем, что каждый модуль-транспортер выполнен в виде неподвижного магнитопроводящего шнека, который служит направляющим аппаратом и консолидирован с цилиндрическим корпусом, модули-транспортеры имеют комбинацию: блока электромагнитного управления потоком, интегрированного во внутреннюю полость шнека, и блока электромагнитного управления потоком, установленного на корпус, блоки электромагнитного управления потоком состоят из элементов дифференциальной обмотки, расположенных по окружности, создающих вращательно-поступательное движение магнитной жидкости в зазоре, образованном шнеком и корпусом, это осуществляется за счет бегущего магнитного поля, индуцируемого каскадом электромагнитов посредством последовательного включения контуров, питающих блоки и элементы дифференциальной обмотки блоков электромагнитного управления потоком, входящих в каскад, при этом включение обмотки каждого последующего блока начинается со смещения на один элемент дифференциальной обмотки, это позволяет создавать магнитное поле в виде вращающейся бегущей спирали, в результате чего магнитная жидкость движется вращательно-поступательно, регулирование параметров транспортировки магнитной среды осуществляется посредством изменения характеристик магнитного поля и скорости переключения элементов кольцевой дифференциальной обмотки блоков электромагнитного управления потоком магнитореологического модуля-транспортера, а также за счет гироскопических эффектов жидкой среды, при данной конструкции корпус и шнек являются полыми и магнитопроводящими, соединенные между собой модули образуют транспортер, на шнек первого модуля устанавливается обтекатель.