Традиционная электротехника на основе классической электродинамики не могла увидеть возможностей спирально-конических обмоток, так как не только функциональные возможности, но даже конструктивные исполнения таких обмоток не являются самоочевидными с позиций классической электродинамики[ 1 ].
Действительно, используя в качестве силовой характеристики магнитного поля величину магнитного натяжения [ 2 ]: (1), можно лаконично выразить величину плотности энергии магнитного поля [3]: (2), которая сразу позволяет выразить величину магнитодинамического взаимодействия как производную от энергии по расстоянию: (3), ( где C=Const вбирает в себя все постоянные величины ) , которое открывает перспективы многочисленных технических решений на основе магнитодинамики [4].
I.Магнитодинамическое акустическое устройство по патенту №2027319РФ[5]
Устройство и принцип действия спирально-конической обмотки наиболее просто представлены в изобретении автора по патенту № 2027319 РФ на магнитодинамическое акустическое устройство [5].
Устройство предназначено для взаимного преобразования электрических сигналов в звуковые колебания и наоборот, поэтому оно может быть использовано в качестве источника или приемника акустических волн.
Рис.I-1 Вид устройства Рис.I-2 Разрез по оси
при снятой диафрагме устройства
Устройство состоит из корпуса 1 с проушинами 2 , внутри которого размещен магнитопровод 3 в виде свернутой в спираль магнитной пластины 4 с проводом 5 в пазу 6 под углом к кромкам пластины 4. Провод 5 имеет выводы 7 и 8 через отверстия 9 в корпусе 1. С торца корпуса 1 прикреплена диафрагма 10 , соединенная со стержнем 11 магнитопровода 3 в его ступенчатом профиле выступа 12 и впадины 13.
Таким образом, провод 5 в магнитопроводе 3 образует спирально-коническую обмотку, витки которой имеют возможность взаимодействовать между собой в соответствии с величинами функциональной зависимости по выражению (3), то есть при включении электрического переменного напряжения (поступлении сигнала) на спирально-коническую обмотку из провода 5 в магнитопроводе 3 взаимодействие витков обмотки между собой приводит к механическим колебаниям витков пластины
4, которые по стержню 11 передаются диафрагме 10, излучающей акустические волны в направлении ориентации диафрагмы.
Рис.I-3 Вид в плане пластины Рис.I-4 Вид с торца Рис.I-5 Местный
с проводом в пазу пластины вырез через провод
Соответственно, при направлении диафрагмы 10 в сторону акустического источника с подключенным устройством во входной цепи УНЧ акустические волны создают акустическое давление заданной частоты на диафрагму 10, вызывая её колебания, которые через стержень 11 передаются на магнитопровод 3 со спирально-конической обмоткой из провода 5 в пазу 6. В результате изменения относительного расстояния между витками спирально-конической обмотки из провода 5 в пазу 6 магнитопровода 3 в соответствии с акустическими колебаниями изменяется величина индуктивности обмотки, изменяя частоту, величину и направление электротока в схеме УНЧ , создавая на его выходе электрические сигналы соответствующих частот и амплитуд.
Разумеется, снабжая такую спирально-коническую обмотку различными приспособлениями, мы можем использовать её в качестве силового элемента магнитодинамического типа. Ниже рассмотрим несколько конкретных примеров применения такого силового элемента.
II.Магнито-динамический измерительный механизм по патенту № 2028003 РФ [6]
Механизм предназначен для измерения электрических и неэлектрических величин и может быть использован в электроизмерительных устройствах , предъявляющих требования микроминиатюризации к измерительным механизмам.
Механизм состоит из корпуса 1 со щелью 2, крышки 3 с осветителем 4, снабжен клеммами 5 для присоединения измерительной цепи. Внутри корпуса 1 на уровне щели 2 размещен подвижный цилиндр 6 с косой щелью 7 , укрепленный траверсой 8 к
стержню 9 силового элемента 10. Силовой элемент 10 выполнен из магнитопровода 11 в виде свернутой пластины 12 с проводом 13 в пазу 14 в поверхности пластины
магнитопровода 11 . Концы провода 13 снабжены выводами 15 и 16 через отверстия в корпусе 1 к клеммам 5.
- 2 -
При подключении электрического напряжения на спирально-коническую обмотку силового элемента 10 её витки взаимодействуют между собой , изменяя относительное расстояние и , соответственно, высоту магнитопровода 11 по его оси по стержню 9. В результате изменения высоты магнитопровода 11 стержень 9 через траверсу 8 смещает цилиндр 6 относительно корпуса 1 , что приводит к смещению вдоль щели 2 точки её пересечения с косой щели 7 цилиндра 6, сдвигая просвет от осветителя 4. При экспонировании положения просвета на фотопленку, которая равномерно перемещается относительно щели 2 на ней остается график, в заданных масштабе и единицах измерения отображающий процесс изменения измеряемой величины.
III. Магнито-динамическое реле по заявке № 5003670/07 Роспатента [7].
Простое применение магнитодинамического силового элемента из спирально-конической обмотки по описанному выше представляет собой магнитодинамическое реле в цепях различных систем автоматического управления. Реле предназначено для преобразования электрических импульсов команд в механическую работу по переключению электроцепей в в схемах автоматического управления.
Как видно из приведенных рисунков, реле состоит из корпуса 1 с проушинами 2 и силового элемента 3 в виде магнитной пластины 4, свернутой в спираль. Провода 5 в пазах 6 пластины 4 закреплены под различными заданными углами к кромкам пластины 4 и снабжены выводами 7 через отверстия 8 в корпусе 1 для подключения в схему управления.
При включении электрического напряжения (поступления команды) на спирально-конические обмотки из проводов 5 витки обмотки взаимодействуют между собой, изменяя размер силового элемента 3 , который осуществляет перевключения коммутирующих цепей. Так как число проводов 5 и углы их наклонов к кромкам магнитной пластины 4 могут быть различными в соответствии с заданными условиями эксплуатации, то описанная конструкция позволяет совместить в одном корпусе многопозиционное коммутирующее устройство, обеспечив микроминиатюризацию схем АСУ.
IV.Магнитодинамический силовой цилиндр по заявке № 5062852/07 Роспатента [8].
Совмещение нескольких магнитодинамических силовых элементов со спирально-коническими обмотками по описанному выше позволяет решать задачи микроминиатюризации в различных областях техники, в том числе и в строительной индустрии, что иллюстрирует изобретение по заявке № 5062852/07 , по которой автор имеет решение Роспатента о выдаче патента. [8] Цилиндр предназначен для
преобразования электроэнергии в механическую работу и поэтому может быть использован в приводе рабочих органов машин и механизмов, заменяя собой
гидравлические устройства с неудовлетворительными массово-габаритными показателями.
– 3 -
Цилиндр состоит из направляющего корпуса 1 с размещенными в ряд в нем силовых элементов 2 и шарниров 3 соединения с приводом механизма. Каждый силовой элемент 2 состоит из корпуса 4, спирали из магнитной пластины 5 с проводом 6 в пазу 7 в платине 5. Выводы 8 спирально-конических обмоток 9 из проводов 5 соединяются в общим выводам электропитания цилиндра последовательно или параллельно по заданным условиям эксплуатации. Силовые элементы 2 своими шипами 10 соединяются с дисками упоров 11 смежных силовых элементов в ряду цилиндра.
вырез крепления по оси силового захвата с магнитодинамическими
провода в пазу элемента силовыми цилиндрами
Шарнирами 3 цилиндры соединены с механизмом, например, захватом 12 и траверсой 13 по конкретным условиям применения.
При включении электропитания на спирально-конические обмотки 9 силовые элементы стягиваются , передавая усилия через штоки и упоры на шарниры 3, приводя в движение механизм по заданным условиям эксплуатации.
V. Магнито-динамический молот по заявке № 93034190/28 Роспатента [9].
Расширение функциональных возможностей спирально-конических обмоток возможно добиться применением электронных, например, тиристорных схем
Рис.V-1 Местный Рис.V-2 Общий вид Рис.V-3 Разрез Рис.V-4 Принципиальная
вырез крепления молота сбоку молота по оси электросхема молота
провода в пазу
управления электропитанием таких обмоток. Примером такого решения технической задачи является заявка № 93034190/28 , по которой автором получено решение Роспатента о выдаче патента на изобретение магнитодинамический молот [9]. Молот предназначен для обработки материалов и поэтому может быть использован для производства дорожно-строительных работ, выполнения отверстий в бетоне, в горных породах и т.п. Молот состоит из направляющего цилиндра 1 со штангами 2, рукоятками
- 4 -
3 и 4 и блока управления 5 электропитанием с пусковой кнопкой 6. В цилиндре 1 размещен с возможностью осевого смещения баллон 7, в котором также с возможностью осевого смещения размещен поршень 8 с осевым отверстием 9, который штоком 10 соединен с силовым магнито-динамическим элементом 11. Силовой элемент 11 состоит из корпуса 12 с магнитопроводом 13 в виде свернутой в спираль магнитной пластины 14 с проводом 15 в пазу 16 поверхности магнитной пластины. Выводы 17 провода 15 через т трубчатый шток 10 и отверстия 9 поршня 8 выходят наружу цилиндра 7 и соединены с блоком управления 5. При включении электропитания спирально-конические обмотки провода 15 принимают дисковую форму, сдвигая поршень в одну сторону, а корпус 7 - в противоположную, таким образом приводя в движение рабочий орган. Витки 18 индуктивного датчика положения поршня переключают обмотки силового элемента, упорное кольцо 19 ограничивает ход баллона 7 в цилиндре 1, конический держатель 20 несет на себе сменный рабочий орган.
VI. Магнито-динамический стабилизатор тока по заявке № 92002212/07 Роспатента [10].
Аналогично с помощью индуктивной связи спирально-коническая обмотка позволяет решить задачу стабилизации тока в устройстве по заявке № 92002212 / 07 , по которой автор также получил решение Распатента о выдаче патента [10].
Рис.VI-1 Рис.VI-2 Рис.VI-3
Местный вырез Вид пластины Вид пластины в плане
по проводу в пазу с торца
Это изобретение относится к стабилизации тока нагрузки при изменении напряжения электропитания в сети, поэтому оно может использоваться для электропитания нагрузок от электрических сетей в переменном режиме работы, например , для электропитания осветительных установок и т.п.
Стабилизатор тока состоит из магнитопровода 1 в виде стакана, на дне которого выполнен стержень 2 и поршневой сердечник 3, на стержне 2 размещена пружина 4 и обмотка индуктивности 5, а на поршне 3 укреплен силовой магнито-динамический элемент 6 со спирально-конической обмоткой. Силовой элемент 6 соединен с регулировочным винтом 7 в крышке 8 устройства.
Магнито-динамический силовой элемент 6 выполнен из пластины 9, в пазу 10 которой под углом к кромке укреплена электроизолированная шина 11 с выводами 12 и 13, которая в свернутом спиралью силовом элементе 6 образует спирально-коническую обмотку 14 , снабженную клеммами 17 и 18, укрепленных на корпусе 19 стабилизатора.
При включении по схеме стабилизатора изменение первичного напряжения в сети приводит к изменению силы тока по обмотке силового элемента, который
- 5 -
поддерживает заданную величину немагнитного зазора в индуктивном сопротивлении стабилизатора.
VII. Магнито-динамический вибрационный плуг по заявке № 5038215/15 Роспатента [11].
Разновидностью тиристорного управления электропитанием спирально-конической обмотки магнито-динамического силового элемента является изобретение по заявке № 5038215 / 15 , по которой автор также получил решение Роспатента о выдаче патента [11] . Плуг предназначен для высокопроизводительной безотвальной обработки почв и может быть использован в условиях переувлажненных почв.
Рис.VII-1 Общий вид плуга сбоку Рис.VII-2 Вертикальный разрез плуга
Рис.VII-3 Принципиальная Рис.VII-4 Магнитная пластина в плане
электросхема плуга
Плуг состоит из вертикального ножа 1 с каналом 2 , бортиком 3 с отверстием 4, на котором выполнен выступ 5 с размещенным в нем виброприводом 6 долота 7, снабженного наконечником 8 и бокорезами 9. Аналогично выше описанным магнито-динамический привод 6 выполнен из магнитной пластины 10, в пазу 11 которой закреплен провод 12 с выводами 13 и 14 . Пластина 10 свернута в спираль , образуя спирально-коническую обмотку 15 . Привод 6 соединен с долотом 7 штоком 16 , а с выступом 5 - обечайкой 17 , резьбовое соединение 18 и 19 служит для крепления долота 7 к штоку 16 и сменному наконечнику 8. Привод 6 имет тиристорную схему управления электропитанием с вращающимся коммутатором 20, имеющем двигатель 21 регулируемого вращения.
При движении плуга подается электропитание на привод 6, который сообщает долоту 7 с бокорезами 9 вибрации, обеспечивая тем самым усиление резания и
снижая потери на трение в почвенном слое. Частота вибраций регулируется путем изменения скорости вращения двигателя по конкретным условиям эксплуатации.
VIII.Магнито-динамический акустический насос по заявке №93034906/29 Роспатента [12].
Возвращаясь к началу изложения принципа действия спирально-конической обмотки в магнито-динамическом силовом элементе на примере акустического устройства по патенту № 2027319 РФ, здесь необходимо привести один из вариантов
применения электроакустического способа совершения механической работы , например, для перекачивания рабочей среды. По заявке № 93034906 / 29 автор получил от Роспатента решение о выдаче патента на это изобретение [12].
– 6 -
Рис.VIII-1 Рис.VIII-2 Рис.VIII-3
Общий вид сбоку с ¼ Вид с торца Схема работы насоса
выреза радиальными
плоскостями
Магнито-динамический акустический насос предназначен для высокопроизводительной перекачки агрессивных рабочих сред в автоматических режимах , поэтому его возможно применять в технологических процессах металлургии, энергетики, химической промышленности т.д.
Рис.VIII-4 Рис.VIII-5 Рис.VIII-6
Местный разрез Местный вырез Магнитная пластина
по излучателю по креплению Вид с ребра (слева)
и в плане (справа)
Насос содержит корпус 1 трубчатой формы, выполненного из заданного количества ступеней 2, соединенных между собой , например, с помощью резьбы 3 на торцах, а последняя и первая ступени имеют резьбовые окончания 4 для присоединения штуцеров гидролиний. Каждое резьбовое соединение 3 ступеней 2 выполнено с применением эластичной уплотняющей прокладки 5 , толщина которой определяется по мере завинчивания каждого стыка резьбового соединения 3, одновременно определяя при этом осевое расстояние между крайними торцами ступеней 2, соединенных между собой. Каждая ступень 2 образована из двух частей 6 и 7, соединенных между собой с помощью резьбы 8 с образованием между упорами резьбы паза 9, в котором размещен силовой магнитодинамический элемент – излучатель акустических колебаний 10 , закрепленный в пазу 9ь с помощью эластичной внутренней прокладки 11 с наружным упором смежной резьбовой части 7 ступени 2.
Каждый магнито-динамический излучатель 10 выполнен в виде коноида – геликоида с плотно прилегающими витками 12 магнитной пластины 13, в пазу 14 которой на поверхности под заданным углом к её кромкам закреплен
электризолированный провод 15 с выводами 16. Крепление провода 15 в пазу 14 может быть выполнено, например, клиновое. Выводы провода 15 соединены с клеммами на колодке 17 на поверхности корпуса 1 через выводную трубку 18 в сверлении упора с внутренней резьбой части 6 ступени 2 насоса.
Внутренняя поверхность трубчатого корпуса 1, включая излучатель 10 , покрыта коррозионностойким слоем 19, закрепленным, наример, с помощью эластичной плёнки 20 в виде шланга внутри канала насоса. В случае выполнения насоса для перекачивания рабочих сред с абразивными частицами (пульпы гидрозолоудаления и т.п.) целесообразно слой 19 с оболочкой 20 выполнять стойкими к абразивному
- 7 -
воздействию, например, керамическими и т.п. Участок шланга 20, взаимодействующий с торцом излучателя 10, является диафрагмой излучателя и поэтому выполняется из твердых сортов полимера.
Насос работает в погружном режиме. При включении электропитания обмоток излучателя 10 витки спирально-конической обмотки провода 15 под влиянием магнитодинамического взаимодействия сжимают излучатель 10, то есть коноид – геликоид излучателя деформируется, запасая потенциальную энергию упругости пружины, которая высвобождается при растяжении коноида-геликоида периодически с
частотой тока электропитания обмоток. В результате витки излучателя 10 совершают колебания заданной частоты, которые передаются диафрагме и излучаются в рабочую среду в канале насоса.
В результате интерференции когерентных волн акустического излучателя 10 в сечениях очередных излучателей создаётся повышенное акустическое давление, направленное к выходу насоса, проталкивая рабочую среду по каналу насоса.
Так как в канале насоса предотвращены помехи гидропотоку, а превращение электроэнергии непосредственно в акустическое давление предотвращает потери на промежуточные преобразования движений, то данные обстоятельства обеспечивают насосу высокую производительность и длительный срок службы.
IX. Магнитодинамический электросварочный пистолет по заявке № 5057455 / 07 Роспатента [13].
Пистолет предназначен для сварки неплавящимся электродом контактным способом токностенных оболочек с толстостенным каркасом, поэтому он может быть использован для монтажа кожухов, коробов, металлической кровли и других строительно-монтажных работ.
Пистолет состоит из цилиндрического трубчатого корпуса 1 с рукояткой 2, внутри которых размещены силовой элемент 3 и индуктивный датчик 4, соединенные между собой штоком 5, тиристорная схема управления на кронштейне 6.
В отверстии крышки 7 размещен с возможностью смещения электрод 8,соединенный со схемой электропитания гибкой шиной 9 и внешними шинами 10
на выводах 11 в пробках 12. Силовой элемент 3 образован многослойной спиралью из магнитной пластины 13 с косыми пазами, в которых укреплены провода 14, образующие в свернутом виде пластины 13 обмотки спирально-конической формы, подключенные к схеме электропитания шиной 15 на выводах 16 в пробке 17 и выводами 18 с кабелем 19. Датчик 4 образован спиралью пластины 20 с обмоткой 21 ,снабженной выводами 2 и клеммой 23 , соединенных с кнопкой 24 схемы тиристорного управления. Гибкая шина 25 соединяет выводы 17 с обмоткой 14, кабель 26 о общей клеммы 27 и заземленная свариваемая конструкция 28 соединены с источником электропитания ( типовым сварочным трансформатором ) ,
- 8 -
выводы 29 от кнопки 24 соединены со схемой тиристорного управления кабелями 30 и 31. На силовом элементе 3 укреплен боёк 32. Обмотка 33 с выводами через шины 34 и клеммы 35 и 36 соединена с шиной 37 и кабелем 38 , образуя таким образом цепь возврата силового элемента 3.
При включении кнопкой 24 электропитания пистолета , прижатого электродом 8 к свариваемой точке, боёк 32 ударяет в оболочку , одновременно пропуская импульс сварочного тока через пятно контакта, где и осуществляется сварка.
По заявке № 5057455т / 27 автор получил от Роспатента решение о выдаче патента на изобретение Магнитодинамический электросварочный пистолет [13].
Так как величину энергии магнитного поля данной магнитной цепи с позиций классической электродинамики можно выразить через величины магнитной индукции и напряженности магнитного поля [14]: (4), то чтобы увидеть изложенные в выше приведенных примерах решения технических задач из различных отраслей техники возможности с позиций традиционной электротехники , необходимо, уже заранее зная о таком взаимодействии магнитных полюсов, произвести достаточно продолжительные целенаправленные поиски. По существу, в изложенных примерах решений технических задач с использованием спирально-конических обмоток мы всегда руководствовались выводом (3) о взаимодействии магнитных диполей, которыми и являются в действительности витки обмоток.
Литература:
1.Вертинский П.А. К вопросу о полноте аксиоматики физических теорий // Вестник
ИРО АН ВШ РФ № (1) 4, Иркутск, БГУЭП, 2004, стр.126 и др.
2.Вертинский П. А.«К магнитодинамике электризации вращающегося магнита» // ж.
«Электротехника» № 4 / 98, стр.47-49.
3.Вертинский П.А. I. Магнитодинамика . г.Усолье-Сибирское. 1993, стр.99.
4.Вертинский П.А. Оптимизация электромеханических систем методами
магнитодинамики // Сб.матер. V «Сибресурс-2002»,Иркутск,ИГЭА,2002,стр.40.
5.Вертинский П.А. Магнитодинамическое акустическое устройство //Патент № 2027319
РФ, БИ № 2/1995.
6.Вертинский П.А. Магнитодинамический измерительный механизм // Патент № 2028003
14.Нейман Л.Р.и Демирчян К.С.Теоретические основы электротехники,Л.«Энергия»,1967.
- 9 -
Библиографическая ссылка
Вертинский Павел Алексеевич - один автор МАГНИТОДИНАМИКА СПИРАЛЬНО-КОНИЧЕСКИХ ОБМОТОК // Научный электронный архив.
URL: http://econf.rae.ru/article/5038 (дата обращения: 02.05.2024).
Прочитать публикацию в формате PDF
(1), можно лаконично выразить величину плотности энергии магнитного поля [3]: 
(2), которая сразу позволяет выразить величину магнитодинамического взаимодействия как производную от энергии по расстоянию: 
(3), ( где C=Const вбирает в себя все постоянные величины ) , которое открывает перспективы многочисленных технических решений на основе магнитодинамики [4].
(4), то чтобы увидеть изложенные в выше приведенных примерах решения технических задач из различных отраслей техники возможности с позиций традиционной электротехники , необходимо, уже заранее зная о таком взаимодействии магнитных полюсов, произвести достаточно продолжительные целенаправленные поиски. По существу, в изложенных примерах решений технических задач с использованием спирально-конических обмоток мы всегда руководствовались выводом (3) о взаимодействии магнитных диполей, которыми и являются в действительности витки обмоток. 