Переключатель с сегментированным потоком жидкости

 

1. ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ С СЕГМЕНТИРОВАННЫМ ПОТОКОМ ЖИДКОСТИ,содержащий источник магнитодвижущей силы, замкнутую трубку, выполненную из диэлектрического материала, электроды, расположенные на трубке, заполненной электропроводящей жидкостью и неэлектропроводящей магнитной жидкостью , находящимися аксиально в упомянутой трубке и несмешивающимися между собой, отличающийс я тем, что, с целью повышения быстродействия, надежности, уменьшения переходного сопротивления и упрощения конструкции, источник магнитодвижущей силы.выполнен в виде источника вращающегося магнитного поля, в качестве электропроводящей жидкости используется электропроводящая микрополярная жидкость, обладающая магнитными свойствами, а в качестве неэлектропроводящей жидкости используется неэлектропроводящая микрополярная жидкость, (Л обладающая магнитными свойствами. 2. Переключатель по п. 1, отличающийся тем, что, в качестве электропроводящей микрополярной жидкости, обладающей магнитными свойствами, используется электропроводящая магнитная жидкость.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

3Ш Н 01 Н 29/24

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3625956/07 (22) 22.07.83 (46) 30.10.84. Бюл. Ф 40 (72) И.Е. Тарапов, П.А. Нижник, Н.Ф. Пацегон, Л.Н. Попова и А.И. Федоненко (71) Харьковский ордена Трудового

Красного Знамени и ордена Дружбы народов государственный университет им. А.М. Горького (53) 621.316.54(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

N- 469155, кл. Н 01 Н 29/02, 1973.

2. Патент Японии N - 48-44982, кл. Н 01 Н 50/72, 1973.

3. Патент США Ф 3906415, кл. Н 01 H 29/24, 1975. (54)(57) 1. ПЕРЕКЛ10ЧАТЕЛЬ С СЕГМЕНТИP0BAHHblM ПОТОКОМ ЖИДКОСТИ, содержащий источник магнитодвижущей силы, замкнутую трубку, выполненную из диэлектрического материала, электроды, расположенные на трубке, заполненной электропроводящей жидкостью и

„,SU, 1121713 А неэлектропроводящей магнитной жидкостью, находящимися аксиально в упомянутой трубке и несмешивающимися между собой, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения быстродействия, надежности, уменьшения переходного сопротивления и упрощения конструкции, источник магнитодвижущей силы, выполнен в виде источника вращающегося магнитного поля, в качестве электропроводящей жидкости используется электропроводящая микрополярная жидкость, обладающая магнитными свойствами, а в качестве неэлектропроводящей жидкости используется неэлектропроводящая микрополярная жидкость, обладающая магнитными свойствами.

2. Переключатель по п. 1, о тл и ч а ю шийся тем, что, в качестве электропроводящей микрополярной жидкости, обладающей магнитными свойствами, используется электропроводящая магнитная жидкость.

f 1

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управляемого магнитным полем переключения электрических цепей.

Известен; электрический переключатель, содержащий трубчатый герметичный корпус с парой управляющих электродов, контактирующих с каплей электропроводящей жидкости, в качестве которой используется ртуть, в одном торце и парой коммутирующих контактов — в другом. При включении управляющего электромагнитного полй жидкая капля перемещается внутри корпуса переключателя под действием силы Лоренца (1) .

Недостатком известного устройства является использование для замыкания контактов ртути, что обуславливает наличие относительно боль— шого переходного сопротивления в области ртуть — твердый контакт и соответственно нагрев ртути, ее испарение и окисление поверхности контактов, что снижает надежность конструкции.

Кроме того, отсутствуют системы дугогашения, что не позволяет использовать известные устройства в качестве переключателей сильных токов °

Известны магнитоуправляемые переключатели, содержащие герметичный корпус с расположенными в нем электродами, хотя бы один из которых заполнен электропроводящей магнитной жидкостью. При включении магнитного поля жидкость замыкает электроды, а при выключении — возвращается в исходное положение под действием сил поверхностного натяжения f2) .

Недостатком известных устройств является их низкое быстродействие, обусловленное, в частности, тем, что замыкание и размыкание контактов происходит под действием относительно слабых сил Лоренца и сил поверхностного натяжения.

Кроме того, устройства характеризуются ограниченностью функцио" нальных воэможностей известных переключателей, в которых предусмотрена только одна пара коммутирующих электродов.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является переключаT(ль с сегментированным потоком жид"

121713

55 кости, представляющий собой трубку, выполненную из диэлектрического материала с закрепленными на ней электродами. Внутри трубки имеются смежные области, заполненные электропроводящей жидкостью, в качестве которой используется ртуть, и неэлектропроводящей магнитной жидкостью, которые перемещаются под действием управляющего магнитного поля. При . этом электроды оказываются замкнутыми или разомкнутыми, в зависимости от того1 электропроводящая или неэлектропроводящая жидкость располагается между ними f3) .

Недостатком известного устройства является его низкое быстродействие, обусловленное тем, что перемещение жидкости в корпусе переключателя осуществляется только за

-счет взаимодействия непроводящей магнитной жидкости с магнитным полем.

Кроме того, недостатком устройства является использование в качестве электропроводящей жидкости ртути.

Известное устройство содержит дополнительные системы выпрямления тока, питающие управляющие электромагниты, и системы электромагнитов, перемещающих непроводящую магнитную жидкость, что увеличивает размеры конструкции и уменьшает надежность ее работы.

Цель изобретения — повьппение ! быстродействия переключателя, надежности уменьшение переходного сопротивления и упрощение конструкции.

Указанная цель достигается тем, что в переключателе с сегментированным потоком жидкости, содержащем источник магнитодвяжущей силы, замкнутую трубку, выполненную из диэлектрического мателиала, электроды, расположенные на трубке, запдлненной электропроводящей жидкостью и неэлектропроводящей магнитной жидкостью находящимися аксиально в упомянутой трубке и несмешивающимися между собой источник магнитодвижущей силы выполнен в виде источника вращающегося магнитного поля, в качестве электропроводящей жидкости используется электропроводящая микрополярная жидкость, обладающая магнитными свойствами, а в качестве незлектропроводящей жидкости используется неэлектропроводящая микрополярная жид1121 71 3 4

35 кость, обладающая магнитными свойствами.

В качестве электропроводящей ми" кронолярной жидкости, обладающей магнитными свойствами, может использоваться электропроводящая магнитная жидкость, Ииткрополярная жидкость — жидкость с внутренним моментом количест ва движения» Соответствующее опреде- 10 ление может быть разъяснено следующим образом.

Рассмотрим достаточно малый объем

Jp сплошной среды плотности Р имеющий скорость Ч и угловую ско- 15

Ъ У рость <д . Пусть — радиус-вектор этого объема в системе отсчета с началом в полюсе О . Этот объем обладает относительно полюса О орбитальным моментом количества дви- 20 жения К, =(Х P j J i, где (х) знак векторного произведения. Кроме того, объем обладает внутренним моментом k> =.3 1 И, где 3 - момент инерции массы Я относитель- 25 но оси са, проходящей через центр масс объема. Для неполярных сред (обычные вязкие проводящие и непроводящие жидкости, газы и др.) К »k>

1 2у так как они не обладают внутренним gg моментом количества движения. Для иикрополярных сред порядки, и К одинаковы: К, К . Порядки К„ и К могут сравняться в этом случае, если объем 3 содержит достаточно много частиц либо молекул, которые под влиянием внешних воздействий (например, электромагнитного поля) преобретают большую угловую скорость (1 . Таким образом, микрополярными 4 будут жидкие суспензии, калоиды, органические жидкости с длинными молекулами, не находящимися в непосредственном сцеплении.(например, жидкие кристаллы), ряд биологичес- 45 ких сред и др. Если составляющие микрополярную жидкость частицы обладают даже слабыми магнитными свойствами (как молекулы нематических жидких кристаллов — слабыми диа50 магнитными); то жидкость вовлекается в круговое движение однородным вращающимся магнитным полем.

В прототипе используется непроводящая ферромагнитная жидкость, 55 которая ббладает микрополярными свойствами. Такая жидкость представляет собой дисперсию ферромагнитных частиц размера 100 А (ангстрем) в непроводящем носителе. Частицы стабилизированы для обеспечения устойчивости феррожидкости в неоднородном магнитном поле и в гравитационном ноле. Перемещение магнитной жидкости происходит под действием неоднородного поля электромагнитов (сила (М 7 ) н, где 2 — намагниченность).

В данном изобретении вместо непроводящей феррожидкости может быть йспользована любая непроводящая микрополярная среда с магнитными свойствами, например суспензия. Такие суспензии представляют собой взвеси частиц любого магнитного материала (ферриты, железо, кобальт, магнитные сплавы и др.) в органических маслах либо других непроводящих жидкостях.

Размеры частиц в таких суспензиях несколько микрон. Использование таких непроводящих сред в прототипе принципиально невозможно, поскольку такие суспензии очень. быстро расслаиваются в неоднородном магнитном поле. Процесс расслоения приводит к образованию магнитных пробок в конструкциях, аналогичных прототипу, и лишает иэделие работоспособности.

Такие жидкости не улекаются неоднородным магнитным полем, поскольку на каждую молекулу действует малая магнитная сила, которая не может преодолеть сил сопротивления, действующих на молекулу со стороны других молекул. Жидкие кристаллы не увлекаются силой (М Р ) H . Однако такие жидкости вовлекаются,в движение вращающимся магнитным полем. Соответствующий эффект обусловлен тем, что на каждую молекулу со стороны пол -»» ля Ц действует вращающий момент(М H) который заставляет ориентироваться молекулу по полю. При этом каждая молекула подталкивается своими соседями. Таким образом, сопротивление вращению значительно меньше, чем поступательному движению.

Расслоение суспензий, хотя и медленно, происходит в гравитационном поле. Однако использование в изделии описанных суспензий позволяет надежно эксплуатировать такие переключатели в условиях пониженной гравитации.

На чертеже показано предлагаем<н. устоойствю, общий вид.

1121713

Переключатель содержит трубку 1, в стенках которой закреплены одна или несколько пар электродов 2 и источник вращающегося магнитного поля 3. Внутри трубки имеются смежные области, заполненные электропроводящей микрополярной жидкостью 4 обладающей магнитными свойствами, и неэлектропроводящей микрополярной жидкостью 5, обладающей магнитными свойствами.

При включении катушки индуктора 3 в результате взаимодействия магнитных моментов микрочастиц жидкостей

4 и 5 с вращающимся магнитным полем в корпусе переключателя возникает движение. Скорость движения зависит от намагниченностей М1, М2 жидкостей 4 и 5 соответственно напряженности H и частоты y} вращающегося магнитного поля. Увеличение параметров М, М, H и 0 приводит к возрастанию скорости перемещения жидкости в трубке 1, уменьшению времени переключения устройства и повышению его быстродействия. В переключателе предусмотрено наличие обратной связи, которая при замыкании контактов обеспечивает изменение направления вращения магнитного поля на время л 30 за которое происходит полный останов жидкости. Контакты 2 замкнуты, если между ними расположена электропроводящая жидкость,4, и разомкнуты в противном случае. 35

В качестве электропроводящей жидкости 4 может использоваться электропроводящая магнитная жидкость, а в качестве неэлектропроводящей жидкости 5 — неэлектропроводящая 40 магнитная жидкость, В этом случае перемещение и торможение жидкости в корпусе переключателя происходит с оптимальной скоростью,так как из всех известных микрополярных 45 жидкостей наилучшими магнитными свойствами обладают магнитные жидкости.

Для создания вращающегося магнитного поля можно использовать один стандартный индуктор, выполняющий функции перемещающей системы и одновременно фиксирующий замыкающий элемент между любой парой электродов.

Применение вращающегося магнитного поля для перемещения и останова жидкости, а также использование в качестве электропроводящей жидкости электропроводящей микрополярной жидкости, обладающей магнитными свойствами, позволяет значительно повысить быстродействие устройства, так как в этом случае с магнитным полем взаимодействует не только неэлектропроводящая жидкость 5 но и электропроводящая жидкость 4, что приводит к увеличению скорости перемещения жидкости в корпусе переключателя и более эффективному ее торможению при замыкании контактов.

Использование в качестве электропроводящей жидкости электропроводящей микрополярной жидкости, обладающей магнитными свойствами, позволяет уменьшить переходное сопротивление на границе твердый контакт — электропроводящая жидкость, так как указанная жидкость лучше смачивает поверхность твердого электрода, чем ртуть. Это повышает надежность работы устройства и позволяет применять его для переключения сильных токов.

По сравнению с базовым объектом в качестве которого выбран жидкостный электрический переключатель (1) т предлагаемое устройство обладает большим быстродействием, более высокой надежностью работы, более широкими функциональными возможностями. Кроме того,,предлагаемое устройство не нуждается в системах дугогашения и может быть использовано для переключения как слабых, так и сильных токов.

1121713 редактор Н. Горват

Подписное

Заказ 7989/40 Тиран 682

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель М. Трофимова .

Теиред З.Папий

Корректор М. Максимишинец