2.10. Расчет обмотки магнитострикционного преобразователя и выбор

ультразвукового генератора

Задачей расчета является определение параметров обмотки магнитострикционного преобразователя и выбор к нему ультразвуковой генератора.

Исходные данные:

• размеры сердечника;

• материал сердечника.

Последовательность расчета:

Площадь поверхности излучения сердечника, м²:

А_с, (2.124)

где n – число стержней сердечника, А_с – суммарная площадь сечения стержней, м².

При количестве n >3 ширина крайних стержней составляет половину ширины каждого из остальных стержней.

Электрическая мощность генератора, подводимая к преобразователю:

Р_В=р₃А_Н, (2.125)

где p_c – допустимая удельная электрическая мощность для данного материала сердечника, Вт/м² (табл. 2.11).

Резонансная частота (частота ультразвука) для пакета из прямоугольных пластин:

_, (2.126)

где Е – модуль Юнга, Па; р – плотность материала пластин, кг/м³; b, h – размерные параметры пакета (рис. 2.19).

По выходной мощности Р_В и частоте f выбирют ультразвуковой генератор из числа выпускаемых промышленностью (табл. 2.12).

Т а б л и ц а 2.11 Параметры некоторых магнитострикционных материалов

Марка материала	Плотность р, 10^3 кг/м^3	Модуль Юнга Е, 10^11 Па	Индукция насыщения, Вn, Тл	Напряженность поля подмагничивания Н0, 10^3 А/м	Допустимая удельная электрическая мощность рн, 10^4 Вт/м^2
Никель НП2 К49Ф2 К50Ф2 Ю12 14	8,85 8,1 8,2 6,7 6,75	2,13 2,05 2,05 1,58 1,6	0,6 2,0 2,2 1,3 1,4	0,8…1,6 1,6…2,4 1,6…2,4 0,6 0,6	50 70…75 70…75 30…35 30…35

Сила тока обмотки возбуждения

I_B=P_B/U_B cosφ, (2.127)

где U_B – напряжение обмотки возбуждения, которое выбирают в зависимости от выходной мощности генератора:

РВ, кВт	до 0,16	0,25…0,63	1,0…1,6	2,5 и более
UB, B	55	110	220	440

Коэффициент мощности преобразователей cosφ принимают при пакете из никеля 0,8…0,9; из сплава К4Ф2 – 0,3…0,6.

Число витков обмотки:

ω=U_B/(4,44fBS_ст), (2.128)

где В – магнитная индукция, принимаемая по кривой намагничивания В=f(Н) материала сердечника, близкая к значению индукции насыщения В_s, Тл (табл. 2.11); S_ст – площадь поверхности поперечного сечения стержня, м₂.

Сила тока подмагничивания (поляризации), А:

, (2.129)

где Н₀ – напряженность магнитного поля подмагничивания, выбираемая по кривой ∆l/l=f(H) для желаемой амплитуды колебания, А/м. Рекомендуемые значения Н₀ приведены в табл. 2.11; l_м – средняя длина магнитных силовых линий, м.

Т а б л и ц а 2.12 Основные характеристики некоторых ультразвуковых генераторов

Тип	Потребляемая мощность, кВт	Напряжение питания, В	Число фаз	Выходная мощность, кВт	Рабочая чистота, кГц	Масса, кг
УЗГ1-0,25 УЗГ3-0,4 УЗГ5-1,6/22 УЗГ2-4М УЗГ2-10	0,4 1,1 4,0 6,0 15,0	220 220 220/380 380 220/380	1 1 3 3 3	0,25 0,4 1,6 4,5 10,0	18 18…44 18…22 18…22 18…22	20 60 260 250 630

Для двухстержневого преобразователя (рис. 2.19):

L_м=2(h₀+d+b-f). (2.130)

Суммарная сила тока в совмещенной обмотке преобразователя, А:

. (2.131)

Площадь поперечного сечения жилы обмоточного провода, м²:

S_пр=I/j_доп, (2.132)

где j_доп – допустим ая плотность тока, А/м². Для проводов с медной жилой можно принять j_доп=2,5·10⁶ А/м².

Рис. 2.19. Формы и размеры двухстержневого пакета магнитострикционного преобразователя ПМС: a, h₀ – ширина и активная длина магнитострикционных стержней; b₀ – ширина окна; h, b, H – высота, ширина и толщина пакета; а – ширина накладки; l_м – длина средней линии магнитного поля в пакете

Пример. Рассчитать обмотку магнитострикционного преобразователя моечной ванны (рис. 2.20) и выбрать к нему ультразвуковой генератор. Двухстержневой сердечник преобразователя, выполняемый из никеля марки НП2, имеет размеры (рис. 2.19): а=20 мм, b=Н=63 мм, b₀=23мм, d=25 мм, h=115 мм, h₀=65 мм.

Площадь поверхности излучения сердечника:

мм²=0,4·10^-2 м².

Электрическая мощность генератора, подводимая к преобразователю:

Р_В=50·10⁴·0,4·10^-2=2000 Вт,

где принято для никеля р_м=50·10⁴ Вт/м² (табл. 19.1).

Рис. 2.20. Схема ультразвуковой моечной ванны с преобразователем ПМС: 1 – сердечник преобразователя; 2 – обмотка; 3 – корпус преобразователя; 4 – диафрагма; 5 – трубы подогрева моющего раствора; 6 – раствор; 7 – корпус ванны; 8 – сетчатая корзина с деталями; 9 – крышка.

Резонансная частота преобразователя (2.126):

Гц,

где Е =2,13·10¹¹ Па – модуль Юнга для материала сердечника.

Выбираем ультразвуковой генератор УЗГ-4М выходной мощностью 4,5 кВт (ближайшей большей к расчетной Р_В) и рабочей частотой 18 Гц (табл. 2.12).

Так как генератор рассчитан на выходную мощность выше 2,5 кВт, принимаем напряжение обмотки возбуждения U_B=440В, для преобразователя с сердечником из никеля принимаем cosφ=0,9.

Сила тока обмотки возбуждения:

I_B = 2000/(440·0.9) = 5.1 А.

Число витков обмотки:

ω = 440/(4,44·18·10³·0,5·20·10^-3·63·10^-3)=8,7.

Принимаем 9 витков.

Сила тока подмагничивания (2.129):

А,

где принято Н₀=800 А/м (табл.19.1).

Средняя длина силовых линий магнитного поля:

l_м=2(65+25+63+-20)·10^-3=266·10^-3 м.

Суммарная сила тока в обмотке:

А.

Площадь поперечного сечения обмоточного провода S=14,4/2,5=5,76 мм².

Принимаем провод марки ЛЭЛД 6 сечением 6 мм², диаметром 2,76 мм.

Р а з д е л 3. МЕТОДИКИ РАСЧЕТА, ПРИМЕРЫ И ЗАДАЧИ ДЛЯ

САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ