резонансный вибратор
Классы МПК: | H02K33/00 Двигатели с возвратно-поступательным, колебательным или вибрационным движением магнита, якоря или системы катушек H02K33/02 с якорем, перемещающимся в одном направлении под действием единственной системы катушек, и в обратном направлении - под действием механического усилия, например под действием пружины |
Автор(ы): | Бар В.И., Ивашин В.В., Медведев В.А. |
Патентообладатель(и): | Бар Владимир Исаакович, Ивашин Виктор Васильевич, Медведев Валерий Александрович |
Приоритеты: |
подача заявки:
1999-02-16 публикация патента:
10.12.2000 |
Резонансный вибратор содержит жесткий корпус, источник периодически повторяющейся силы для возбуждения вибрации, например, электромагнит инертную массу и механические пружины, дополнительный электромагнит, выполненный в виде двух цилиндрических соосных магнитопроводов. Один из магнитопроводов жестко соединен с корпусом, а другой - с инертной массой. Посредине высоты сопрягающихся цилиндрических поверхностей магнитопроводов выполнены пазы, образующие два крайних полюса шириной больше максимального относительного перемещения магнитопроводов при работе вибратора. В одном из пазов помещена обмотка возбуждения, присоединенная к источнику регулируемого постоянного напряжения. При относительном перемещении магнитопроводов дополнительного электромагнита между ними возникает противодействующая электромагнитная сила, величину которой можно регулировать, регулируя ток в обмотке возбуждения. Дополнительный электромагнит выполняет роль магнитной пружины с регулируемой жесткостью, что позволяет путем изменения тока в его обмотке возбуждения обеспечить эффективный, близкий к резонансному режим работы при изменении нагрузки вибратора. Полюса дополнительного электромагнита могут быть выполнены зубчатыми с шириной зубцов больше амплитуды относительного перемещения магнитопроводов и больше амплитуды колебания одного магнитопровода относительно другого. Обмотка возбуждения постоянного тока дополнительного электромагнита присоединена к источнику регулируемого постоянного напряжения через реактор. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
Формула изобретения
1. Резонансный вибратор, содержащий жесткий корпус, подвижную относительно корпуса инертную массу и установленные между ними механические пружины, образующие колебательную и механическую систему, и источник периодической повторяющейся силы, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным электромагнитом, выполненным в виде двух цилиндрических соосных магнитопроводов с зазором между сопрягающимися поверхностями, причем один магнитопровод жестко присоединен с корпусу, а второй магнитопровод - к инертной массе, посредине высоты Н сопрягающихся поверхностей выполнены пазы шириной а, образующие на каждом магнитопроводе два полюса шириной b = (Н - а)/2 больше максимального относительного перемещения магнитопроводов в аксиальном направлении, в одном из пазов помещена обмотка возбуждения постоянного тока. 2. Резонансный вибратор по п.1, отличающийся тем, что на полюсах магнитопроводов выполнены проточки, образующие расположенные друг против друга зубцы шириной в аксиальном направлении меньше расстояния между ними и больше амплитуды колебаний одного магнитопровода относительно другого. 3. Резонансный вибратор по п.1 или 2, отличающийся тем, что обмотка возбуждения постоянного тока дополнительного электромагнита присоединена к источнику регулируемого постоянного напряжения через реактор.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области вибрационной техники и технологии. Вибраторы используют в устройствах для получения механических колебаний, применяемых в различных вибротехнологиях, например, при транспортировке по желобам или трубам сыпучих или кусковых материалов, для создания вибраций в жидкой среде. Резонансные вибраторы позволяют обеспечивать наиболее эффективное преобразование потребляемой вибратором энергии в энергию механических колебаний. Резонансный вибратор обычно содержит механический колебательный контур, состоящий из упругого элемента (пружины) и инертной массы, и источник силы, периодически повторяющейся с частотой колебательного контура или в несколько раз меньшей частотой. В качестве источника периодически повторяющейся силы применяют устройства пневматического, гидравлического или электромагнитного типа (электромагниты, электрические машины, магнитострикторы, пьезоэлектрические преобразователи и т. д.) [1]. Известен резонансный вибратор [2, с. 65, рис. 27], содержащий электромагнитный источник периодически повторяющейся силы, плиту, основание и упругие элементы. Электромагнитный источник силы состоит из статора, содержащего ферромагнитный сердечник и катушку, и ферромагнитного якоря. Статор жестко соединен с плитой, а якорь жестко соединен с основанием. Плита и основание соединены друг с другом упругими элементами, которые выполнены в виде двух цилиндрических пружин. К основанию пружины крепятся двумя неподвижными пробками. Число рабочих витков, а стало быть жесткость пружин и собственную частоту колебаний вибратора, регулируют ввинчиванием или вывинчиванием двух подвижных пробок, положение которых фиксируют гайками. При подключении катушки к источнику переменного тока возникает переменный магнитный поток, который проходит по сердечнику и якорю и создает электромагнитную силу. Якорь притягивается к сердечнику. В исходное положение якорь и основание возвращаются под действием пружин. Признаками рассматриваемого аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются наличие источника периодически повторяющейся силы, жесткого корпуса (плиты) и подвижной относительно корпуса инертной массы (основания). Корпус и инертная масса соединены друг с другом упругими элементами (пружинами). Для осуществления резонансного режима работы необходима индивидуальная настройка вибратора на заданные условия [2, с. 61]. В вибраторах, изготовленных даже в условиях крупносерийного производства, неизбежны отклонения массы литых элементов и т.д. Поэтому фактические параметры вибратора никогда не соответствуют расчетным. Это прежде всего справедливо в отношении наиболее чувствительного параметра - частоты собственных (свободных) колебаний W0, в формировании которого участвуют масса и жесткость колебательной системы. Поэтому в конструкции вибратора предусматривают возможность регулирования либо массы, либо жесткости. Регулирование жесткости пружин рассматриваемого аналога путем ввинчивания или вывинчивания двух подвижных пробок требует обязательной остановки вибратора, что снижает эффективность управления вибратором. Особенную важность регулирование частоты собственных колебаний вибратора приобретает в виброконвейерах со многими вибраторами, которые должны работать синхронно и синфазно друг с другом. В этой системе необходимость регулировки жесткости пружин только одного из вибраторов связана с остановкой работы всех других вибраторов. Отклонение частоты собственных колебаний только из-за допускаемых отклонениий в размерах цилиндрических пружин равняется![резонансный вибратор, патент № 2160494](/images/patents/311/2160003/177.gif)
W0 - частота собственных колебаний;
t - время;
Xмакс- максимальное относительное перемещение магнитопроводов 4 и 6; 7 и 9;
Pмех - максимальное значение силы деформации механической пружины;
Pмаг - максимальное значение силы магнитной пружины. Заявляемый резонансный вибратор работает следующим образом. По обмотке 8 от источника постоянного напряжения 20 пропускают постоянный ток I н, а по двум секциям обмотки 5 поочередно пропускают импульсы тока от источника питания 19. Под воздействием знакопеременной силы, возникающей между магнитопроводом 4 и якорем 6, возбуждаются колебания инертной массы 2, жестко связанной с якорями 6 и 9, относительно магнитопроводов 4 и 7 и корпуса 1, жестко прикрепленного к рабочему органу (нагрузке). Колебания корпуса 1 передаются нагрузке, например, трубе с сыпучим материалом, обеспечивая ее вибрацию. Отметим, что колеблются относительно друг друга корпус 1 с магнитопроводами 4 и 7 и инертная масса 2 с якорями 6 и 9. Силы, действующие между частями вибратора, являются внутренними. Из теоретической механики известно, что в этом случае центр масс системы при взаимном перемещении ее частей остается неподвижным. Большее перемещение будет иметь та часть системы, которая обладает меньшей массой. Поэтому, чтобы увеличить амплитуду колебаний корпуса, магнитопроводов и рабочего органа относительно центра масс, с одной стороны, и уменьшить амплитуду колебаний якорей относительно того же центра масс, с другой стороны, к якорям 6 и 9 присоединен дополнительный элемент - инертная масса 2. Развиваемая между полюсами магнитопроводов 7 и 9 электромагнитная сила направлена согласно с силой деформации механической пружины 3. Эти силы противодействуют силе, развиваемой источником периодически повторяющейся силы, и стремятся вернуть якорь 9 в исходное положение. Собственная частота колебаний механической колебательной системы определяется движущимися массами и жесткостью механической и магнитной пружин
![резонансный вибратор, патент № 2160494](/images/patents/311/2160494/2160494-2t.gif)
где mэ - эквивалентная масса вибратора:
Kэ - эквивалентная жесткость вибратора. Эквивалентная масса вибратора определяется массами частей вибратора и нагрузки
![резонансный вибратор, патент № 2160494](/images/patents/311/2160494/2160494-3t.gif)
где m1 - масса корпуса 1 и магнитопроводов 4 и 7;
m2 - масса нагрузки;
m3 - масса якорей 6 и 9 и элемента 2. Эквивалентная жесткость вибратора
Kэ=K1+K2(3)
где K1 - жесткость механической пружины;
K2 - жесткость магнитной пружины. Жесткость магнитной пружины зависит от силы тока Iн в обмотке 8 и индуктивности Ld реактора 21.
![резонансный вибратор, патент № 2160494](/images/patents/311/2160494/2160494-4t.gif)
где Lн - начальная индуктивность обмотки при симметричном расположении якоря 9 относительно магнитопровода 7;
![резонансный вибратор, патент № 2160494](/images/patents/311/2160494/2160494-5t.gif)
x - перемещение инертной массы и якорей относительно корпуса (кривая 22 на фиг. 3). Развиваемая магнитной пружиной сила может быть найдена по формуле:
![резонансный вибратор, патент № 2160494](/images/patents/311/2160494/2160494-6t.gif)
Результирующая сила, развиваемая упругой системой вибратора, определяется суммой сил механической и магнитной пружин (суммой кривых 23 и 24 на фиг. 3). Для настройки вибратора на резонансный режим работы необходимо обеспечить такое значение жесткости Kэ упругой системы, при которой частота W0 будет близка к частоте возбуждения вибратора источником периодически повторяющейся силы. Необходимое изменение жесткости обеспечивается изменением тока Iн в обмотке 8. В соответствии с формулой (4) жесткость K2 зависит от Iн. Жесткость K2 может изменяться также путем изменения индуктивности Ld реактора 21. Для регулирования жесткости K2 и, следовательно, эквивалентной жесткости упругой системы вибратора могут использоваться оба способа - регулирование Iн и регулирование Ld. Выполнение полюсов зубчатыми (фиг. 2) позволяет пропорционально числу зубцов на полюсе шириной b увеличить развиваемую магнитной пружиной силу при той же самой намагничивающей силе, развиваемой обмоткой возбуждения 8. Ширина зубца d при этом должна превышать амплитуду перемещения инертной массы и якорей относительно корпуса, а расстояние C между зубцами должно быть больше ширины зубцов. Вибратор может быть выполнен без включения реактора 21 последовательно с обмоткой 8. В этом случае Ld = 0, размер b полюса на фиг.1 и размер d зубцов на фиг. 2 в два раза превышают амплитуду перемещений инертной массы и якорей относительно корпуса, что связано с некоторым увеличением массы магнитопроводов 7 и 9 с обмоткой возбуждения 8. Обеспечение резонансного режима работы нескольких вибраторов, работающих на общую механическую нагрузку, например, при установке нескольких вибраторов на трубе для обеспечения перемещения по ней сыпучего материала, позволяет снизить потребляемую вибраторами мощность за счет повышения синфазности их работы и повысить эффективность вибротранспортировки сыпучего материала. Возможность настройки вибраторов на резонансный режим работы без их остановки обеспечивает повышение эффективности вибротехнологического процесса и снижение эксплуатационных расходов. Необходимое для резонансного режима работы значение тока Iн в обмотке 8 магнитной пружины может устанавливаться автоматически с помощью блока регулирования напряжения источника постоянного напряжения 20 по определенному закону, например, по потреблению вибратором реактивной мощности, поскольку при резонансном режиме потребляемая реактивная мощность минимальна. Потери мощности в обмотке 8 и магнитопроводах 7 и 9 снижают добротность вибратора, что расширяет его амплитудно-частотную характеристику и обеспечивает более устойчивую работу при отключении собственной частоты колебаний от резонансной. Использованная литература
1. Вибрации в технике: Справочник в 6-ти т. - М.: Машиностроение, 1981, т. 4. Вибрационные процессы и машины./ Под ред.Э.Э.Лавендела, 1981 - 509с. 2. Хвингия М. В. Динамика и прочность вибрационных машин с электромагнитным возбуждением. - М.: Машиностроение, 1980. - 144с.
Класс H02K33/00 Двигатели с возвратно-поступательным, колебательным или вибрационным движением магнита, якоря или системы катушек
Класс H02K33/02 с якорем, перемещающимся в одном направлении под действием единственной системы катушек, и в обратном направлении - под действием механического усилия, например под действием пружины