Модулятор потока газа
GAS FLOW MODULATOR

Изобретение относится к технической акустике и предназначено для использования в составе генераторов звука, применяемых в испытаниях конструкций на акустическую прочность.
Известен широкий круг генераторов звука, обеспечивающих испытания на акустическую прочность устройств аэрокосмической и иного рода техники, подверженных интенсивному шумовому воздействию в процессе эксплуатации. К ним можно отнести «Электропневматический преобразователь» типа WAS 3000 фирмы Уайл (см. «Установки для испытаний конструкций аэрокосмических аппаратов на акустическую прочность». Обзоры ЦАГИ №565, стр. 42. М. ЦАГИ, 1979 г. Составители B.C. Николаев, Н.Ф. Каурова), «Устройство для создания акустических волн», а.с. 917193 СССР, МПК G10K 7/06, «Акустический генератор» а.с. 1644210 G10K 7/06 и др.
Электрический привод модуляторов в перечисленных устройствах строится по кондуктивному принципу, т.е. на одном конце полого подвижного цилиндра клапанного узла модулятора наматывается обмотка возбуждения, состоящая из некоторого числа витков медной проволоки.
Эта обмотка входит в кольцевой зазор магнитопровода, передающего магнитный поток от постоянного магнита. Взаимодействие переменного магнитного поля, создаваемого переменным электрическим током, протекающим по обмотке возбуждения, с постоянным магнитным полем в зазоре магнитопровода приводит полый подвижный цилиндр клапанного узла модулятора в возвратно-поступательное движение. Тем самым клапанный узел, состоящий из двух, вложенных друг в друга металлических цилиндров, подвижного и неподвижного, с рядом сквозных поперечных щелей меняет свое проходное сечение и создает пульсирующий поток газа. Это происходит вследствие того, что при перемещении подвижного цилиндра по отношению к неподвижному щелевой клапан то открывается, то закрывается.
Недостатком приведенных выше устройств является относительно невысокое быстродействие, ограниченное тем, что с повышением частоты возвратно-поступательного движения, подвижного цилиндра резко растет ток возбуждения, и как следствие тепловыделение в области размещения обмотки возбуждения. Ток возбуждения пропорционален квадрату частоты, а тепловыделение пропорционально частоте в четвертой степени. Еще одним недостатком является рост электромагнитного сопротивления перемещению подвижного цилиндра с увеличением скорости его движения, что связано с увеличением ЭДС, индуцируемой в той его части, которая находится интенсивном магнитном поле (в кольцевом зазоре магнитопровода под обмоткой возбуждения).
Впервые описанный выше конструктивный принцип построения модулятора газового потока был применен в ранее указанном устройстве «Электропневматический преобразователь» типа WAS 3000 фирмы Уайл (США).
Известен электропневматический преобразователь ЕПТ 200 фирмы ЛИНГ (стр. 31 вышеуказанного обзора ЦАГИ №565). Клапанный узел модулятора преобразователя ЕПТ 200 аналогичен описанным ранее. Однако электромагнитный привод этого модулятора построен по индуктивному принципу. Обмотка возбуждения расположена в кольцевом зазоре магнитопровода и неподвижно прикреплена на поверхности одной из стенок этого зазора. На подвижном цилиндре обмотки нет и его часть, располагаемая в зазоре магнитопровода, представляет собой короткозамкнутое алюминиевое кольцо. Переменный ток, протекающий в неподвижной обмотке возбуждения, индуцирует в короткозамкнутом витке переменный ток, который взаимодействует с постоянным магнитным полем в зазоре магнитопровода, и это приводит в движение подвижный цилиндр. Частота колебаний этого модулятора достигает 1000-1250 Гц. Однако при этом требуются большие токи порядка 60 А, что приводит к очень большому тепловыделению. Для снятия тепла применяется сложная система струйного охлаждения дистиллированной водой, которая громоздка и малонадежна в эксплуатации.
Известен ряд модуляторов французской фирмы C.E.R.E.M.E., в рекламных сведениях о которых утверждается, что они могут генерировать управляемую частоту пульсации потока газа до 2500 Гц. Однако подтверждений этой информации из независимых источников нет, а сведения об их устройстве и принципе работы конфиденциальны.
Аналогом предлагаемого изобретения является приведенное выше техническое решение модулятора «Электропневматического преобразователя» WAS 3000 фирмы Уайл. В конструкцию этого электропневматического преобразователя входят корпус форкамеры, форкамера, горловина, клапанный узел, магнитопровод, постоянный магнит, обмотка возбуждения, находящаяся в кольцевом зазоре магнитопровода, и фильтр. Сжатый газ подается в форкамеру, а затем через горловину поступает на рупор. Клапанный узел модулятора располагается в корпусе электропневматического преобразователя и состоит из двух, вложенных друг в друга цилиндров (подвижного и неподвижного) с рядами сквозных щелей, прорезанных на их поверхности в направлении, перпендикулярном их осям. Щели по своим размерам на том и другом цилиндрах равны между собой и расположены так, что в исходном стационарном положении наполовину перекрывают друг друга и образуют клапанный узел модулятора. На одном из концов подвижного цилиндра за пределами щелей клапанного узла намотана обмотка возбуждения, которая входит в кольцевой зазор магнитопровода, соединенного с постоянным магнитом. Обмотка возбуждения совместно с магнитопроводом и постоянным магнитом представляет собой электромагнитный привод модулятора.
При подаче в обмотку возбуждения переменного электрического тока возникает возвратно-поступательное движение подвижного цилиндра. Щели подвижного и неподвижного цилиндров в зависимости от величины амплитуды переменного тока начинают в той или иной степени перекрывать друг друга (от полного открытия до полного закрытия клапанного узла), создавая пульсацию потока газа. Для пояснения конструкции аналога в Приложении приведена 3D-модель электропневматического преобразователя WAS 3000.
Недостатки аналога перечислены ранее при общем описании модуляторов этого типа.
За прототип изобретения выбран модулятор устройства, приведенного в патенте RU №2707587 «Способ генерации звука для испытаний конструкций и устройство для его реализации».
Модулятор потока газа (щелевой воздушный модулятор), входящий в состав устройства для генерации звука по патенту RU №2707587, содержит корпус, электромагнитный вибропривод, соединенный с блоком возбуждения, и клапанный узел с подвижным и неподвижным коаксиально расположенными перфорированными металлическими цилиндрами. При этом электромагнитный вибропривод включает в себя два пространственно разнесенных электромагнитных движителя, состоящих из обмоток возбуждения, расположенных на противоположных концах подвижного цилиндра клапанного узла модулятора, и магнитных частей, включающих в свой состав постоянные магниты и магнитопроводы с кольцевыми зазорами, в которых перемещаются обмотки возбуждения, приводя в движение подвижный цилиндр, тем самым создавая пульсацию (модуляцию) газового потока.
Недостаток прототипа состоит в том, что он не решает задачу снижения сил электромагнитного сопротивления перемещению подвижного цилиндра клапанного узла и уменьшения тепловыделения в тех частях этого цилиндра, на которых располагаются обмотки возбуждения и которые движутся в кольцевом зазоре магнитопривода.
Технический результат предлагаемого изобретения состоит в существенном уменьшении электромагнитных сил, возникающих при движении подвижного цилиндра и препятствующих этому движению, а также в снижении тепловыделения в тех частях подвжного цилиндра, на которых намотаны обмотки возбуждения. Это приводит к повышению частоты работы модулятора и, тем самым, частоты пульсации газового потока, проходящего через клапанный узел.
Технический результат изобретения достигается тем, что в модуляторе потока газа, содержащем корпус, электромагнитный вибропривод, соединенный с блоком возбуждения, и состоящим из одного или нескольких пространственно разнесенных электромагнитных движителей, включающих в свой состав постоянные магниты и магнитопроводы с кольцевыми зазорами, а также обмотки возбуждения, расположенные в этих зазорах, и намотанные на соответствующих кольцевых участках подвижного полого перфорированного металлического цилиндра, который совместно с аналогичным ему коаксиально расположенным неподвижным полым перфорированным цилиндром образуют клапанный узел модулятора, на кольцевых участках подвижного цилиндра клапанного узла в зонах расположения обмоток возбуждения выполнена перфорация.
Перфорация кольцевых участков подвижного цилиндра в зонах расположения обмоток возбуждения наносится в виде щелей (окон), направленных параллельно оси этого цилиндра. Ширина перфорированных кольцевых участков (длина щелей) делается больше ширины обмоток возбуждения и ширины кольцевых зазоров магнитопроводов. Перфорированные кольцевые участки подвижного цилиндра, выступающие за пределы ширины обмоток возбуждения, закрываются неэлектропроводными бандажами.
Описание технического предложения поясняется фиг. 1, 2, 3а, 3б.
Фиг. 1 - 3D-модель модулятора.
Фиг. 2 - схема электрической связи электромагнитного вибропривода с блоком возбуждения.
Фиг. 3а - фрагмент подвижного цилиндра в зоне одного из перфорированных кольцевых участков, предназначенных для размещения обмоток возбуждения.
Фиг. 3б - схематический разрез одного электромагнитного движителя в зоне кольцевого зазора его магнитопровода.
На перечисленных фигурах герметичная форкамера генератора звука, фильтр, горловина и упругая подвеска не приведены.
Модулятор (см. фиг. 1) содержит клапанный узел 1, электромагнитный вибропривод, состоящий из нескольких (двух) электромагнитных движителей, расположенных на противоположных концах модулятора, каждый из которых содержит постоянные магниты 2, магнитопроводы 3 с кольцевыми зазорами. Обмотки возбуждения 4 электромагнитных движителей расположены на соответствующих кольцевых участках поверхности подвижного цилиндра клапанного узла 1. В данном случае эти обмотки расположены на противоположных концах подвижного цилиндра. Все перечисленные элементы располагаются в корпусе модулятора 5. Сам модулятор располагается внутри корпуса генератора звука, который на фиг. 1 не показан, а также на фиг. 1 не показан пружинный узел, обеспечивающий исходное положение подвижного цилиндра по отношению к неподвижному при отсутствии управляющего сигнала на обмотках возбуждения 4.
На фиг. 2 приведена электрическая схема соединения обмоток возбуждения 4 электромагнитных движителей с блоком возбуждения 6. В данной схеме приведено параллельное соединение обмоток возбуждения 4. Однако, может быть использовано и последовательное соединение обмоток возбуждения 4. Схема подключения этих обмоток зависит от электрических характеристик блока возбуждения 6.
На фиг. 3а приведен фрагмент развертки подвижного цилиндра клапанного узла 1. Цифрой 7 указан кольцевой участок этого цилиндра, предназначенный для размещения обмотки возбуждения 4 (см. фиг. 3б), на котором нанесена перфорация в виде прямоугольных щелей (окон). Под номером 8 показана поперечная щелевая перфорация подвижного цилиндра. Часть подвижного цилиндра под номером 8 совместно с коаксиально расположенным аналогичным неподвижным цилиндром образует клапанный узел 1. Неподвижный цилиндр на фиг. 3а не показан.
На фиг. 3б показан схематический разрез электромагнитного движителя в области кольцевого зазора магнитопровода 3. В этом разрезе показан кольцевой зазор магнитопровода 3, обмотка возбуждения 4, часть перфорированного кольцевого участка 7 подвижного цилиндра клапанного узла 1 и неэлектропроводные бандажи 9.
Из фиг. 3а и 3б видно, что перфорационные щели (окна) направлены параллельно оси подвижного цилиндра и по своей длине (ширине кольцевых перфорированных участков 7) превышают ширину кольцевого зазора магнитопровода 3 и ширину обмотки возбуждения 4. По краям обмотки возбуждения 4 перфорированные кольцевые участки 7 закрываются неэлектропроводными бандажами 9.
Такая конструкция позволяет разместить обмотку возбуждения 4 внутри интенсивного магнитного поля в кольцевом зазоре магнитопровода 3, а неперфорированные части подвижного цилиндра клапанного узла 1 вынести за пределы ширины зазора магнитопровода, т.е. за пределы интенсивного магнитного поля.
Работает устройство следующим образом. Постоянные магниты 2 электромагнитных движителей в кольцевых зазорах магнитопроводов 3 создают интенсивные магнитные поля. В этих магнитных полях находятся обмотки возбуждения 4. При подаче в обмотки возбуждения 4 переменного тока от блока возбуждения 6, подвижный цилиндр клапанного узла 1 совершает возвратно-поступательное движение. При возвратно-поступательном движении подвижного цилиндра щели подвижного и неподвижного цилиндров перекрывают друг друга в разной степени (от полного закрытия до полного открытия) в зависимости от переменной амплитуды тока возбуждения, что приводит к пульсации газового потока, проходящего через клапанный узел 1.
При движении подвижного цилиндра в кольцевых участках 7, находящихся в интенсивном магнитном поле, индуцируются токи (токи Фуко, Э.Д.С, Лоуренса), вызывающие силы электромагнитного сопротивления, которые затрудняют перемещение подвижного цилиндра клапанного узла 1.
Наличие перфорации указанных кольцевых участков 7 подвижного цилиндра уменьшает токи Фуко и суммарное электрическое сопротивление перемычек между щелями кольцевых участков 7. что существенно снижает электромагнитное сопротивление. Это приводит к трем положительным эффектам: уменьшает величину тока возбуждения, снижает тепловыделение в электромагнитных движителях и уменьшает массу подвижного цилиндра, а как следствие позволяет значительно расширить частотный диапазон работы модулятора потока газа.
Преимущество предлагаемого изобретения подтверждается аналитическими зависимостями, представленными ниже.
Влияние токов Фуко определить расчетным путем затруднительно (требуется эксперимент), а токи индукции и выделяемое тепло можно рассчитать.
ЭДС индукции равна
где В - индукция магнитного поля в кольцевом зазоре магнитопрводов;
v - скорость движения подвижного полого цилиндра клапанного узла модулятора;
l - длина внешней окружности полого подвижного цилиндра.
Электрическое сопротивление кольцевого участка подвижного цилиндра под обмоткой возбуждения равно
где ρ - удельное электрическое сопротивление материала подвижного цилиндра;
S - площадь поперечного сечения кольцевого участка, предназначенного для размещения обмотки возбуждения.
Ток индукции I в кольцевом участке подвижного цилиндра равен
Из приведенной формулы следует, что индуцируемый ток в проводнике, движущемся в магнитном поле, не зависит от его длины, т.е. токи, индуцируемые в кольцевых участках 7, предназначенных для размещения обмоток возбуждения, не зависят от того, перфорированы они или нет. Однако тепловыделение зависит не только от тока индукции, но и от сопротивления проводника, движущегося в магнитном поле
Так как в результате перфорации суммарное электрическое сопротивление перемычек между окнами составляет n-ную часть от сопротивления неперфорированного кольцевого участка подвижного цилиндра, то тепловыделение составит
где n=0,4-0,5,
т.е. оно может быть уменьшено не только за счет снижения нагрева от токов Фуко, но и в результате уменьшения суммарной длины (сопротивления R) металлической части кольцевого участка 7 подвижного цилиндра, находящейся в интенсивном магнитном поле.
Еще одним преимуществом наличия перфорации является уменьшение силы электромагнитного сопротивления движению подвижной части модулятора, так как
Предлагаемая конструкция перфорированного кольцевого участка подвижного цилиндра в месте расположения обмоток возбуждения решает три задачи: уменьшает силы электромагнитного сопротивления при движении подвижной части модулятора, снижает тепловыделение в электромагнитных движителях и массу полого подвижного цилиндра клапанного узла модулятора.
Перечисленные выше преимущества технического решения обеспечивают возможность увеличения частоты работы модулятора потока газа. т.е. достижение заявленного технического результата.