Ультразвуковой магнитострикционный преобразователь

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СЕРВИСА

КАФЕДРА МАБН

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

ПО

ПРОЕКТИРОВАНИЮ БМП

НА ТЕМУ:

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ.

ВЫПОЛНИЛ:СТ. ГР. МД-43

*****@***ru

ПРОВЕРИЛ: ПРОФЕССОР

*****@***ru

УФА 2004

СОДЕРЖАНИЕ

с

ВВЕДЕНИЕ 3

1.ПАТЕНТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 5

2.РАСЧЕТ ПРИВОДА 7

3.КОНСТРУКЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ 14

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 16

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ВВЕДЕНИЕ

Ультразвуковые колебания - это упругие волны, распространяющиеся в материальных средах: твердых телах, жидкостях, газах. Понятие «ультразвук» подразумевает не только обозначение определенной части спектра акустических волн, оно охватывает целые разделы науки, техники и технологии.

По частоте ультразвуковые колебания распространяются от верхней границы диапазона слышимости звуков (16∙10³ Гц) до частоты 10⁸ Гц. Упругие колебания во всех диапазонах частот - звуковых и ультразвуковых - подчиняются одним и тем же физическим законам, но в средах, где распространяются ультразвуковые колебания, возникают специфические эффекты, которые во многих областях техники используются для интенсификации различных процессов.

Со временем развитие ультразвуковой техники открывает широкие возможности для применения ультразвука при интенсификации различных технологических процессов.

Теоретические и экспериментальные исследования по вопросам технологического применения ультразвука, выполненные в последние годы как в нашей стране, так и за рубежом, создали необходимые условия для разработки и производства ультразвукового оборудования различного назначения.

Достаточно широко применяется ультразвук для обработки твердых и хрупких материалов, трудно - обрабатываемых другими способами. Распространены такие процессы, как ультразвуковая сварка металлов, пластмасс и различных синтетических материалов, ультразвуковая пайка и лужение материалов с окисными пленками и керамики. Ультразвук эффективно используется для диспергирования различных веществ и эмульгирования трудно смешиваемых составов. Его также применяют как средства для получения информации при измерении глубины и для обнаружения дефектов в изделиях, он позволяет определить изменения химического состава вещества и вязкость полимерного материала. С помощью ультразвука производят поверхностное упрочнение, размерную обработку, пропитку пористых материалов и тканей, прессование и спекание порошков.

Значительная область применения ультразвука – металлургия. Здесь он используется для дегазации расплавов, для улучшения структуры при непрерывной разливки сталей, для интенсификации процессов прокатки и волочения.

Наиболее широкое распространение получили процессы с применением ультразвука, протекающие в жидкостях, связанных с очисткой различных изделий.

Это самая эффективная область его применения, так как помимо улучшения качества очистки и повышения производительности процесса ультразвук позволяет удалять такие загрязнения, которые прочими методами не удаляются.

1.ПАТЕНТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Ультразвуковое поле в жидкостях обладает рядом специфических свойств. Распространение ультразвуковых колебание конечной амплитуды средней и большой интенсивности вызывает в жидкой среде ряд эффектов, главными из которых являются кавитация и акустические течения. Кавитация - это образование разрывов жидкости в местах, где происходит местное понижение давления. Теоретически для разрыва идеальной жидкости требуется растягивающие напряжения порядка 10⁹ Па. На практике разрыв происходит при значениях 10⁴-10⁷ Па.

Сопротивление жидкости разрыва уменьшается в местах, где есть мельчайшие пузырьки газа, не смачиваемые твердые частицы и т. д., которые называются зародышами или ядрами кавитации. Единичную кавитационную полость или кавитационную область, представляющую собой совокупность таких полостей, можно рассматривать как своеобразный трансформатор мощности. Энергия звукового поля, идущая на образование кавитационной области, равномерно расходуется в течении всей фазы расширения кавитационной полости. Запасенная энергия отдается также в течении всего времени захлопывания и в начале фазы расширения сжатой полости. Но скорость захлопывания в течении этого времени сильно меняется – от нуля в начале сжатия до очень больших значений в конце сжатия и начале расширения. Большая часть энергии будет отдаваться в окружающую жидкость в этот момент, причем мгновенная мощность будет наибольшей в начале фазы расширения. Она во много раз превосходит среднюю, затрачиваемую на образования кавитационной полости.

Именно на эффекте кавитации основана ультразвуковая стиральная машина
бытового назначения, привод которой рассмотрен в данной работе.

Приводом этой стиральной машины является ультразвуковая магнитострикционная колебательная система или преобразователь, преобразующий электрическую энергию в энергию механических ультразвуковых колебаний.

При проектировании преобразователя были приняты во внимание аналогичные вибраторы описанные в Авторском свидетельстве СССР № 000 кл. В 06 В 1/08, 1981, и Авторском свидетельстве СССР № 000 кл. В 06 В 1/08, 1975, приведенные в приложении 1.

Аналогом рассматриваемого преобразователя является ультразвуковая магнитострикционная система представляющая собой – двух - стержневой, о - образный сердечник набранный из тонких пластин из металлического сплава, на котором размещена обмотка для возбуждения в нем переменного высокочастотного поля.

Целью данной работы является определение геометрических размеров, выбор режима работы и электрический расчет преобразователя для ультразвуковой стиральной машины бытового назначения.

2.РАСЧЕТ ПРИВОДА.

Исходными данными для расчета ультразвукового преобразователя являются следующие величины и зависимости: частота f = 20 кГц.; электрическая мощность Pэ = 1,5 кВт., подводимая к преобразователю; удельная электрическая мощность P' = 100 кВт/см.²; индукция в материале B = 2,4 Тл. ; удельные электрические потери P'эп = 0,8 кВт/кг.

В качестве материала сердечника выбираем пермендюр К49Ф2. Толщина пластин 0,1 мм. Массу примем 1 кг.

В результате расчета необходимо найти геометрические размеры пакета преобразователя, произвести электрический расчет с определением числа витков и режима возбуждения преобразователя, определить КПД.

Расчёт.

1.  Определение излучающей площади торца преобразователя:

Sи = Pэ/P' = 1500/100 = 15 см.² т. к. сечение квадратное то:

B = q = √S = 3,87 см.

2.Определение резонансной частоты:

fо = ω/2π = 1/√(k•M);

k = E•Sо – жесткость системы;

E = 2,18•10⁶ кг/м² - модуль упругости;

Sо = 2 a•q – площадь сечения стержней;

a = 12,5 мм. – ширина стержня;

Sо = 9,67•10־³м.²;

k = 21091,5;

fо = 23,1 кГц.;

3.Расчёт геометрических размеров;

Sи = 15 см.²;

Sо = 9,67·10²см.;

q = b = 3,87 см.;

a = 1,25 см.;

d = 1.3 см.;

l₁= 1,3 см.;

l = λ/2 = c/2 fо;

λ – длина волны;

c = 5200 м/с. – скорость звука в материале;

l = 11,2 см.;

λ = 22,4 см.;

h = l - 2 l₁ = 8,6 см. - высота окна;

4.  Определение амплитуды и амплитуды колебательной скорости на торце преобразователя:

ξm = λ/2π •δm = lδm/π – амплитуда колебаний;

δm = δ/2 – максимальное относительное удлинение двух – стержневого преобразователя;

δ = 70·10⁻⁶;

δm = 35•10⁻⁶;

ξm = 1,24•10⁻⁴см.;

υm = 2π•fо•ξm – амплитуда колебательной скорости;

υm = 179,8 мм./с.;

Pm =ρ•c•ω•ξm = 2π•ρ•c•fо•ξm – максимальное звуковое давление;

ρ = 8,1•10³ - плотность материала;

Pm = 7,5·10⁶ Па.;

5.  КПД и мощность в акустической нагрузке:

ηэа = Pа/Pэ – общий электроакустический КПД нагруженного преобразователя;

Pа = P'а •А₁•А₂ - мощность в акустической нагрузке;

А₁ = qm·Sо = q²m·Sи и

А₂ = 4 (f²·h²/c²)·cos²(2π·l₁/λ) – конструктивные постоянные преобразователя;

qm = Sо/Sи – отношение площади сечения стержней к площади излучающей поверхности;

qm = 0,645;

А₁ = 624,03 мм.²;

А₂ = 0,437 ;

P'а = 0,063·c²·W'· δ²m ·Qn·10⁻⁷ - удельная мощность в акустической нагрузке;

W' = ρ•c = 4,21•10⁷кг/с·м². – удельное волновое сопротивление;

Qn = Q/K – добротность многостержневого преобразователя;

Q = 140 (табл.);

Qn = 113,8;

K = 1+( l₁/ qm·h) = 1,23;

P'а = 0,81 Вт;

Pа = 220,88 Вт·см.²;

ηэа = 14,7%;

6.  Вычисление максимальной отдаваемой в нагрузку мощности на резонансной частоте:

Pам = π (λs/2)·Qm·fо·Sи·l;

λs = 70·10⁻⁶ - магнитострикция насыщения

Qm = 75•10⁵ Н/м² - максимальное напряжение, соответствующее пределу усталости магнитострикционного материала;

Pам = 3,198 кВт.;

7.  Выбор режима работы преобразователя:

По графику зависимости В от Н для пермендюра К49Ф2, по заданной индукции насыщения Вs определяем напряженность поля в рабочей точке Но:

Вs = 2,4 Тл.;

Но = 1,6·10³ А/м.;

По характеристикам δ = f(Н) находим коэффициент магнитострикции δ соответствующий Но:

δm =( δmax – δmin)/2 = 35·10⁶;

Bm = (Bmax – Bmin)/2 = 1 Тл.;

Нm = (Нmax – Нmin)/2 = 7,5·10³ А/м.;

По кривым удельных электрических потерь определяем удельную мощность электрических потерь на гистерезис и вихревые токи:

P'э. п. = 0,8 кВт/кг.;

Тогда мощность электрических потерь определится выражением:

Pэ. п. = P'э. п. ·M = 0,8 кВт/кг.;

8.  Электрический расчёт преобразователя:

anm = Hm·Lср. – МДС возбуждения;

Lср. = (l – l₁)+(b-a) – средняя длина пути магнитного потока;

Lср. = 0, 1252 м.;

anm = 939 А;

anо = Но· Lср. и – МДС подмагничивания;

anо = 2·10³ А.;

электрическая мощность подводимая к преобразователю определяется по формуле:

Pэ. = Pа/ηма + Pэ. п. = 1,115 кВт.;

ηма = 0,7;

Выбираем номинальное напряжение в зависимости от мощности:

Для преобразователей мощностью Pэ = 1-1,6 кВт. Соответствует номинальное напряжение U = 220 В.;

n' = U·10⁴/4,44·Вm·S'·fо – число витков которое нужно намотать на каждый стержень;

S' = a·q = 4,83 см.² - площадь поперечного сечения одного стержня в см.²;

n' = 44;

Rэ = U²/Pэ – активное сопротивление, эквивалентное электрическим потерям;

Rэ = 43,4 Ом.;

I~ = anm/n'k – переменная составляющая тока;

K = 2 – число стержней;

I~ = 10,6 А.;

Iо = anо/2n' = 22,7 А. - ток подмагничивания;

I = √( Iо²+ I~²) = 25 А. – действующий ток;

N' = h/d'·ky – число витков которое можно разместить на одном стержне;

d' =2 мм. – диаметр провода с изоляцией4

ky = 1 – коэффициент укладки;

N' = 43 ;

cos ϕ = Pэ/U·I = 0,2 – активная мощность подводимая к преобразователю.

3.КОНСТРУКЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ.

Пакет магнитострикционного преобразователя набирается из о - образных пластин, электрически изолированных друг от друга. В собранном виде он представляет собой пакет прямоугольного сечения с центральным окном.

Пластины изготовляются из сплава пермендюр 49КФ2, состоящего из 49% кобальта, 49% железа и 2% ванадия. Этот сплав обладает большим магнитострикционным эффектом, а также более высокой точкой Кюри (980° С).

Пластины преобразователя штампуют из стандартной ленты толщиной 0,1 мм., в направлении вдоль проката. После штамповки снимаются заусенцы, для этого пластины прокатывают между валками.

Перед отжигом поверхность пластин тщательно обезжиривают. Затем просушивают и пересыпают сухим тальком, стягивают стальными пластинами. В таком виде пакет подготовлен к отжигу.

Пакеты загружают в контейнер, плотно закрывают крышкой и продувают водородом. Когда в контейнере устанавливается температура 60-70°С, его загружают в печь, предварительно разогретую до 300° С. Затем температуру в печи поднимают до 860° С и держат на этом уровне в течении 3 часов. После этого пакеты охлаждают в контейнерах до 300° С со скоростью 50° С/час. Охлаждение с большой скоростью ухудшает магнитострикционные свойства пермендюра.

После отжига подвергать пластины деформации воспрещается. Пайка магнитострикционных пакетов к излучающей пластине производится припоем ПСР - 40 в виде ленты толщиной 0,3 мм. с флюсом 209 в камерных печах. Пайку производят в следующей последовательности: торцы пакетов шлифуют (направление шлифовки – вдоль пластин), зачищают и обезжиривают. На место пайки наносят тонкий слой флюса 209, затем устанавливают пластину серебряного припоя ПСР – 40, площадь которой равна площади сечения пакета. Пакет с припаиваемым объектом загружают в печь, предварительно разогретую до 300° С. пайку производят при температуре 680-720° С в течении получаса. Далее происходит медленное охлаждение до температуры 300° С со скоростью 50° С/час. Заключительной операцией является рихтовка, шлифовка и голировка излучающих пластин.

Магнитострикционный преобразователь после операции пайки подвергается пропитке эпоксидной смолой. Это повышает коррозийную стойкость, его продольную устойчивость, а также создаёт изоляцию между пластинами.

Для создания одностороннего излучения к обратному торцу излучателя прикрепляется экран из специальной, пористой акустической резины толщиной 10 мм.

На стержнях магнитострикционного пакета размещаются обмотки. Обмотку накладывают таким образом, чтобы в соседних стержнях поле было направлено в разные стороны. Для этого намотку производят в одном направлении. Что бы не было механического глушения колебаний, витки обмотки не должны непосредственно касаться пакета, для этого на магнитопровод накладывают бандаж и прокладки, заменяющие каркас. В качестве обмоточных проводов используется ОРП.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

1.  и др. «Основы физики и техники ультразвука».- М.: Высшая школа, 1987.-351с.

2.  , , «Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов».- М.: Высшая школа, 1983.-247с.

3.  , «Ультразвуковые электротехнологические установки».- Л.: Энергоиздат, 1982.-208с.

4.  «Ультразвуковые преобразователи».- М.: 1972.-200с.

5.  «Расчёт ультразвуковых преобразователей для технологических установок». - М.: Машиностроение, 1980.-44 с.

6.  КеллерО. К. «Ультразвуковые генераторы на транзисторах и терристорах». - М.: Машстрой, 1978.-60с.

7.  , «Акустика и ультразвуковая техника». - Киев: Техника, 1968.-90с.

8.  , , «Гидродинамические источники шума». - Л.: Судостроение, с.

9.  «Ультразвуковые колебательные системы». - М.: Машстрой, 1959.-327с.

10.  «Электрические измерения неэлектрических величин». - М.-Л.: Энергия, 1966.-690с.

11.  «Ультразвуковая аппаратура». - М.-Л.: 1961г.

12.  «Ультразвуковая химическая аппаратура». - М.: Машстрой, 1967.-210с.