CN107612441A - 一种基于磁流变材料的高效率转速控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种基于磁流变材料的高效率转速控制装置，属于引信涡轮式发电机的转速控制领域。本发明包括上盖、内筒、外壳、底、励磁线圈、磁芯和磁流变材料；所述的上盖、内筒、外壳、底组成基座；外围装置包括涡轮式发电机；所述励磁线圈排布于内筒和外壳之间，励磁线圈垂直于发电机的转轴，使得磁流变材料中的磁性颗粒结链方向垂直于发电机转轴；所述外壳内侧和所述内筒外侧分别有磁芯定位槽，定位槽采用圆形凹槽，每对定位槽的圆心连线水平经过转轴轴线；所述磁芯直径大小匹配凹槽直径大小，通过匹配定位槽穿过励磁线圈内部。本发明提供一种基于磁流变材料的高效率转速控制装置，并结合磁流变材料的磁学特性实现提高磁流变材料能量转换效率。
Description
技术领域
本发明属于引信涡轮式发电机的转速控制领域，具体涉及一种基于磁流变材料的高效率转速控制装置，尤其涉及一种用于提高磁流变材料能量转化效率转速控制装置。
背景技术
从近代战争来看，武器系统正在向精确制导方向发展，因此精确制导炸弹的引信电源不仅要为控制电路提供电能，还要为修正炸弹的飞行方向和飞行姿态提供电能。涡轮式发电机是一种利用弹道空气压力作驱动力的电源，主体部分包括涡轮、转轴、转子和定子。由于其功率密度大、轴向尺寸小，具有较好的发电性能，在引信电源领域有着很好的应用前景。对于飞行速度跨度大的炮弹，涡轮式发电机需要在全弹道上都能正常可靠地为引信连续提供足够的电能。然而涡轮式发电机的转速与弹丸的飞行速度呈线性变化，当风速达400m/s时，涡轮式发电机的转速将会达到200000r/min以上。当发电机高速运转时可能会损伤关键零件(轴承、磁转子)，高速运转带来很大的输出电压，也可能致使负载线路的电子元器件被击穿或者烧坏。有效控制涡轮式发电机在高弹速下的转速成为了涡轮式发电机能否获得广泛应用的关键技术。
磁流变材料是当前智能材料研究的一个重要分支，通常由分散的磁性颗粒、基体和添加剂等混合而成。在外加磁场作用下，磁流变材料发生磁流变效应，其中的铁磁颗粒被磁化而产生有序化的运动，在磁场力作用下相互吸引，沿着磁场方向形成链状结构，该过程能够在瞬间(毫秒级)引起磁流变材料黏度的变化，甚至在磁场强度达到某一临界值时，流体停止流动而达到固化，并具有抗剪切能力。基于以上特点，以磁流变材料为执行元件的转速控制装置能够在一定的条件下对涡轮式发电机转轴施加一定的阻尼力矩，从而限制涡轮式发电机转轴转速的上升，实现高弹速情况下涡轮式发电机转速的有效控制。但是磁流变材料的能量耗散较大，因而提高磁流变材料的能量转换效率是目前急需解决的问题。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明公开的一种基于磁流变材料的高效率转速控制装置要解决的技术问题是：提供一种基于磁流变材料的高效率转速控制装置，并结合磁流变材料的磁学特性实现提高磁流变材料能量转换效率。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种基于磁流变材料的高效率转速控制装置，包括上盖、内筒、外壳、底、励磁线圈、磁芯和磁流变材料。所述的上盖、内筒、外壳、底组成基座。外围装置包括涡轮式发电机。所述转速控制装置与涡轮式发电机底部固定连接，转速控制装置基座上盖中心处开设直径略大于涡轮式发电机转轴直径的圆孔，涡轮式发电机转轴伸出涡轮式发电机壳体部分贯穿通过转速控制装置上盖中心圆孔，涡轮式发电机转轴悬空置于内筒中，涡轮式发电机转轴与内筒保持同轴度一致。上盖朝下一面设有直径与内筒内径相同的环状凸台，底中心处设有直径与内筒外径相同的圆形凹槽。所述内筒通过上盖环状凸台和底部凹槽定位，与上盖和底同轴紧密配合。所述磁流变材料填充于内筒中，作为转速控制的执行元件。上盖与外壳间加用于使得基座部分零件间紧密配合的橡胶垫，所述外壳与内筒成间隙配合。所述磁流变材料填充于内筒中，作为转速控制的执行元件。所述励磁线圈排布于内筒和外壳之间，励磁线圈垂直于发电机的转轴，使得磁流变材料中的磁性颗粒结链方向垂直于发电机转轴。
由于励磁线圈垂直于发电机的转轴，使得磁流变材料中的磁性颗粒结链方向垂直于发电机转轴，能够增大磁流对于发电机转轴的直接作用，提高磁能到机械能的能量转化效率。
为有效提高励磁线圈产生的磁场大小，提高电能与磁能的转化效率；同时对励磁线圈起到定位和支持的作用，增加机械结构的稳定性和可靠性。所述外壳内侧和所述内筒外侧分别有磁芯定位槽，定位槽采用圆形凹槽，每对定位槽的圆心连线水平经过转轴轴线。所述磁芯直径大小匹配凹槽直径大小，通过匹配定位槽穿过励磁线圈内部。
为更有利于产生强度足够且均匀的磁场，优选所述外壳内侧和所述内筒外侧分别有六对磁芯定位槽，六对定位槽之间两两呈60度夹角。
所述的磁芯与定位槽的凹槽优选采用间隙紧配合或者螺纹配合。
所述的外壳、底采用分体加工或一体化加工。
所述的转速控制装置基座上盖中心处开设直径略大于涡轮式发电机转轴直径的圆孔中略大于指，基座上盖中心处开设孔的直径大于涡轮式发电机转轴直径，所述的大于值根据实际使用需要而定在预设阈值内。
所述转轴与所述内筒之间的间隙距离，根据转轴大小类型的不同，在不影响转轴转动的情况下应保证尽可能小，从而减小磁流变材料存放空间。在相同的外磁场条件下，能有效增大通过单位磁性颗粒的磁感线密度，强化磁性颗粒的结链程度，提高能量转化效果。
所述上盖、外壳、底、磁芯材料采用金属导磁材料，优选纯铁；所述内筒采用抗磁性材料，优选铝。不但有利于结构支撑以及密封，还能够有效的防止磁力线在内筒中形成磁场回路而产生磁屏蔽现象，避免通过磁流变材料中磁场强度的降低。所述励磁线圈采用低电阻率的材料，优选漆包铜线，能够减小励磁线圈的功耗，减少热量损耗，提高能量利用效率，防止过热影响磁流变材料的工作性能。所述的磁流变材料采用磁流变液或磁流变脂。优选磁流变脂，磁流变脂抗沉降性能好，产生的阻尼力矩高于磁流变液。
本发明公开的一种基于磁流变材料的高效率转速控制装置工作方法为：当发电机转速超过阈值，所述基于磁流变材料的高效率转速控制装置开始工作。励磁线圈中通入电流，所述内筒内部产生磁场。所述磁流变材料在磁场的作用下产生磁流变效应，内部磁性颗粒沿磁场方向结成链状，黏度上升，对发电机转轴施加阻尼力矩。在阻尼力矩的持续作用下，发电机的转速开始下降，达到转速控制的目的。由于所述的励磁线圈垂直于发电机转轴，使得磁流变材料中的磁性颗粒结链方向垂直于发电机转轴，能够增大磁流对于发电机转轴的直接作用，提高磁能到机械能的能量转化效率。由于所述磁芯穿过励磁线圈内部，能够提高励磁线圈产生的磁场大小，增大磁流变材料对发电机转轴的阻尼力矩。
有益效果：
1、本发明公开的一种基于磁流变材料的高效率转速控制装置，励磁线圈排布于内筒和外壳之间，励磁线圈垂直于发电机的转轴，使得磁流变材料中的磁性颗粒结链方向垂直于发电机转轴。由于励磁线圈垂直于发电机的转轴，使得磁流变材料中的磁性颗粒结链方向垂直于发电机转轴，能够增大磁流对于发电机转轴的直接作用，提高磁能到机械能的能量转化效率。
2、本发明公开的一种基于磁流变材料的高效率转速控制装置，磁芯能够有效提高励磁线圈产生的磁场大小，提高电能与磁能的转化效率。同时磁芯能够对励磁线圈起到定位和支持的作用，增加机械结构的稳定性和可靠性。
3、本发明公开的一种基于磁流变材料的高效率转速控制装置，所述外壳内侧和所述内筒外侧分别有六对磁芯定位槽，六对定位槽之间两两呈60度夹角，更有利于产生强度足够且均匀的磁场。
4、本发明公开的一种基于磁流变材料的高效率转速控制装置，所述转轴与所述内筒之间的间隙距离，根据转轴大小类型的不同，在不影响转轴转动的情况下应保证尽可能小，从而减小磁流变材料存放空间。在相同的外磁场条件下，能有效增大通过单位磁性颗粒的磁感线密度，强化磁性颗粒的结链程度，提高能量转化效果。
5、本发明公开的一种基于磁流变材料的高效率转速控制装置，所述上盖、外壳、底、磁芯材料采用金属导磁材料，内筒采用抗磁性材料，励磁线圈采用低电阻率的材料，具有下述三个优点：(1)利于密封，还能够有效的防止磁力线在内筒中形成磁场回路而产生磁屏蔽现象，避免通过磁流变材料中磁力线的密度损失，提高磁流变材料中的磁场强度；(2)能够保证转速控制装置的结构力学以及密封性要求。(3)有利于减小励磁线圈的功耗，减少热量损耗，提高能量利用效率，防止过热影响磁流变材料的工作性能。
附图说明
图1为本发明公开的一种基于磁流变材料的高效率转速控制装置爆炸视图；
图2为本发明公开的一种基于磁流变材料的高效率转速控制装置剖面图；
1-上盖、2-外壳、3-底、4-内筒、5-磁芯、6-励磁线圈、7-磁流变材料、8-发电机转轴。
图3为励磁线圈产生的磁场磁路示意图。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
本实施例公开的一种基于磁流变材料的高效率转速控制装置，包括上盖1、内筒4、外壳2、底3、励磁线圈6、磁芯5和磁流变材料7。所述的上盖1、内筒4、外壳2、底3组成基座。外围装置包括涡轮式发电机。所述转速控制装置与涡轮式发电机底3部固定连接，转速控制装置基座上盖1中心处开设直径比涡轮式发电机转轴8直径的圆孔大2mm，涡轮式发电机转轴8伸出涡轮式发电机壳体部分贯穿通过转速控制装置上盖1中心圆孔，涡轮式发电机转轴8悬空置于内筒4中，涡轮式发电机转轴8与内筒4保持同轴度一致。上盖1朝下一面设有直径与内筒4内径相同的环状凸台，底3中心处设有直径与内筒4外径相同的圆形凹槽。所述内筒4通过上盖1环状凸台和底3部凹槽定位，与上盖1和底3同轴紧密配合。所述磁流变材料7填充于内筒4中，作为转速控制的执行元件。上盖1与外壳2间加用于使得基座部分零件间紧密配合的橡胶垫，所述外壳2与内筒4成间隙配合。所述磁流变材料7填充于内筒4中，作为转速控制的执行元件。所述励磁线圈6排布于内筒4和外壳2之间，励磁线圈6垂直于发电机的转轴，使得磁流变材料7中的磁性颗粒结链方向垂直于发电机转轴8。所述外壳2内侧和所述内筒4外侧分别有六对磁芯5定位槽，定位槽采用圆形凹槽，每对定位槽的圆心连线水平经过转轴轴线，两两呈60°夹角。所述磁芯5直径大小匹配凹槽直径大小，通过匹配定位槽穿过励磁线圈6内部。所述的磁芯5与定位槽的凹槽采用间隙紧配合，所述的外壳2、底3采用一体化加工。所述上盖1、外壳2、底3、磁芯5材料采用金属导磁材料纯铁；所述内筒4采用抗磁性材料铝；所述励磁线圈6采用低电阻率的材料漆包铜线，能够减小励磁线圈6的功耗，减少热量损耗，提高能量利用效率，防止过热影响磁流变材料7的工作性能。所述的磁流变材料7采用磁流变脂，抗沉降性能好，产生的阻尼力矩高。
本实施例公开的一种基于磁流变材料的高效率转速控制装置工作方法为：当发电机转速超过阈值，所述基于磁流变材料7的高效率转速控制装置开始工作。励磁线圈6中通入电流，所述内筒4内部产生磁场。所述磁流变材料7在磁场的作用下产生磁流变效应，内部磁性颗粒沿磁场方向结成链状，黏度上升，对发电机转轴8施加阻尼力矩。在阻尼力矩的持续作用下，发电机的转速开始下降，达到转速控制的目的。由于所述的励磁线圈6垂直于发电机转轴8，使得磁流变材料7中的磁性颗粒结链方向垂直于发电机转轴8，能够增大磁流对于发电机转轴8的直接作用，提高磁能到机械能的能量转化效率。由于所述磁芯5穿过励磁线圈6内部，能够提高励磁线圈6产生的磁场大小，增大磁流变材料7对发电机转轴8的阻尼力矩。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于磁流变材料的高效率转速控制装置，包括上盖(1)、内筒(4)、外壳(2)、底(3)、励磁线圈(6)、磁芯(5)和磁流变材料(7)；所述的上盖(1)、内筒(4)、外壳(2)、底(3)组成基座；外围装置包括涡轮式发电机；所述转速控制装置与涡轮式发电机底(3)部固定连接，转速控制装置基座上盖(1)中心处开设直径略大于涡轮式发电机转轴(8)直径的圆孔，涡轮式发电机转轴(8)伸出涡轮式发电机壳体部分贯穿通过转速控制装置上盖(1)中心圆孔，涡轮式发电机转轴(8)悬空置于内筒(4)中，涡轮式发电机转轴(8)与内筒(4)保持同轴度一致；上盖(1)朝下一面设有直径与内筒(4)内径相同的环状凸台，底(3)中心处设有直径与内筒(4)外径相同的圆形凹槽；所述内筒(4)通过上盖(1)环状凸台和底(3)部凹槽定位，与上盖(1)和底(3)同轴紧密配合；所述磁流变材料(7)填充于内筒(4)中，作为转速控制的执行元件；上盖(1)与外壳(2)间加用于使得基座部分零件间紧密配合的橡胶垫，所述外壳(2)与内筒(4)成间隙配合；所述磁流变材料(7)填充于内筒(4)中，作为转速控制的执行元件；其特征在于：所述励磁线圈(6)排布于内筒(4)和外壳(2)之间，励磁线圈(6)垂直于发电机的转轴，使得磁流变材料(7)中的磁性颗粒结链方向垂直于发电机转轴(8)。
2.如权利要求1所述的一种基于磁流变材料的高效率转速控制装置，其特征在于：为有效提高励磁线圈(6)产生的磁场大小，提高电能与磁能的转化效率；同时对励磁线圈(6)起到定位和支持的作用，增加机械结构的稳定性和可靠性；所述外壳(2)内侧和所述内筒(4)外侧分别有磁芯(5)定位槽，定位槽采用圆形凹槽，每对定位槽的圆心连线水平经过转轴轴线；所述磁芯(5)直径大小匹配凹槽直径大小，通过匹配定位槽穿过励磁线圈(6)内部。
3.如权利要求1或2所述的一种基于磁流变材料的高效率转速控制装置，其特征在于：为更有利于产生强度足够且均匀的磁场，所述外壳(2)内侧和所述内筒(4)外侧分别有六对磁芯(5)定位槽，六对定位槽之间两两呈60度夹角。
4.如权利要求3所述的一种基于磁流变材料的高效率转速控制装置，其特征在于：所述转轴与所述内筒(4)之间的间隙距离，根据转轴大小类型的不同，在不影响转轴转动的情况下应保证尽可能小，从而减小磁流变材料(7)存放空间；在相同的外磁场条件下，能有效增大通过单位磁性颗粒的磁感线密度，强化磁性颗粒的结链程度，提高能量转化效果。
5.如权利要求4所述的一种基于磁流变材料的高效率转速控制装置，其特征在于：所述上盖(1)、外壳(2)、底(3)、磁芯(5)材料采用金属导磁材料；所述内筒(4)采用抗磁性材料；不但有利于结构支撑以及密封，还能够有效的防止磁力线在内筒(4)中形成磁场回路而产生磁屏蔽现象，避免通过磁流变材料(7)中磁场强度的降低。
6.如权利要求5所述的一种基于磁流变材料的高效率转速控制装置，其特征在于：所述励磁线圈(6)采用低电阻率的材料，能够减小励磁线圈(6)的功耗，减少热量损耗，提高能量利用效率，防止过热影响磁流变材料(7)的工作性能。
7.如权利要求6所述的一种基于磁流变材料的高效率转速控制装置，其特征在于：所述的磁流变材料(7)采用磁流变液或磁流变脂。
8.如权利要求7所述的一种基于磁流变材料的高效率转速控制装置，其特征在于：
所述上盖(1)、外壳(2)、底(3)、磁芯(5)材料选纯铁；
所述内筒(4)采用铝；
所述励磁线圈(6)材料选漆包铜线；
所述的磁流变材料(7)选磁流变脂。
9.如权利要求8所述的一种基于磁流变材料的高效率转速控制装置，其特征在于：
所述的磁芯(5)与定位槽的凹槽优选采用间隙紧配合或者螺纹配合；
所述的外壳(2)、底(3)采用分体加工或一体化加工。
10.如权利要求9所述的一种基于磁流变材料的高效率转速控制装置，其特征在于：工作方法为，
当发电机转速超过阈值，所述基于磁流变材料(7)的高效率转速控制装置开始工作；励磁线圈(6)中通入电流，所述内筒(4)内部产生磁场；所述磁流变材料(7)在磁场的作用下产生磁流变效应，内部磁性颗粒沿磁场方向结成链状，黏度上升，对发电机转轴(8)施加阻尼力矩；在阻尼力矩的持续作用下，发电机的转速开始下降，达到转速控制的目的；由于所述的励磁线圈(6)垂直于发电机转轴(8)，使得磁流变材料(7)中的磁性颗粒结链方向垂直于发电机转轴(8)，能够增大磁流对于发电机转轴(8)的直接作用，提高磁能到机械能的能量转化效率；由于所述磁芯(5)穿过励磁线圈(6)内部，能够提高励磁线圈(6)产生的磁场大小，增大磁流变材料(7)对发电机转轴(8)的阻尼力矩。
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