Электродинамический преобразователь сейсмоприемника

 

Изобретение относится к геофизическому приборостроению и может быть использовано в электродинамических сейсмоприемниках. Цель изобретения - увеличение коэффициента преобразования и уменьшение отклонения от номинальных значений коэффициента преобразования и степени затухания, вызванных разбросом магнитных параметров сплава постоянного магнита. Для этого конструктивные параметры электродинамического преобразователя сейсмоприемника определяются соотношениями заданных параметров электродинамического преобразователя и заданными параметрами постоянного магнита. Кроме того, изобретение позволяет получить наименьшие габаритные размеры постоянного магнита для заданного коэффициента преобразования электродинамического преобразователя сейсмоприемника . 3 ил. -w fc

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 V 1/16

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

4 (л)

Ql 4

СО (21) 4436710/25 (22) 06.06,88 (46) 23,05.92. Бюл. ¹ 19 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт геофизических методов разведки (72) А.B.ÐûæoB (53) 550.834 (088.8) (56) Шведчиков Л.К. Графоаналитический расчет электродинамического сейсмоприемника. — В кн.: Прикладная геофизика, вып, 77. M.: Недра, 1975, Сейсмоприемник электродинамический вертикальный СВ2-10Ц. ТУ39-857-83, (54) ЗЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СЕЙСМОПРИЕМНИКА (57) Изобретение относится к геофизическому приборостроению и может быть использовано в электродинамических

Изобретение относится к геофизическому приборостроению и может быть использовано в электродинамических сейсмоприемниках.

Цель изобретения — увеличение коэффициента преобразования и уменьшение отклонений коэффициента преобразования и степени затухания, вызванных отклонениями магнитных параметров сплава постоянного магнита.

На фиг, 1 изображена схема электродинамического преобразователя сейсмоприем ника; на фиг, 2 — кривая размагничивания, кривая удельного магнитного потока, отдаваемого постоянным магнитом во внешнюю цепь, и кривая удельной магнитной энергии, отдаваемой постоянным магнитом во внешнюю цепь; на фиг. 3 — кривая распределения магнитной индукции в воздушном зазоре магнитной системы. ЙХ, 1735788 А1 сейсмоприемниках. Цель изобретения— увеличение коэффициента преобразования и уменьшение отклонения от номинальных значений коэффициента преобразования и степени затухания, вызванных разбросом магнитных параметров сплава постоянного магнита. Для этого конструктивные параметры электродинамического преобразователя сейсмоприемника определяются соотношениями заданных параметров электродинамического преобразователя и заданными параметрами постоянного магнита, Кроме того, изобретение позволяет получить наименьшие габаритные размеры постоянного магнита для заданного коэффициента преобразования электродинамического преобразователя сейсмоприемника. 3 ил. и трапеция, линейно аппроксимирующая кривую распределения, Магнитная система электродинамического преобразователя сейсмоприемника (фиг. 1) состоит из постоянного магнита 1, двух полюсных наконечников 2 и магнитопровода 3, Фланец 4 соединяет полюсные наконечники 2 с магнитопроводом 3. Механическое колебательное звено электродинамического преобразователя сейсмоприемника состоит из обмоток 5 проводника, намотанных на проводящем каркасе катушки 6 с магнитопроводом 3, и упругого подвеса 7.

Конструктивные параметры электродинамического преобразователя имеют следующие обозначения: а — величина зазора между цилиндрическими поверхностями каркаса и катушки и

1735788 ка; цилиндрической поверхностью магнитопровода или полюсного наконечника;

Ь вЂ” длина полюсного наконечника; с-толщина дна, полюсного наконечнис1 — толщина обмотки проводника;

1 и D — длина и диаметр постоянного магнита;

j — толщина стенки каркаса катушки;

L — длина обмотки катушки;

t — толщина стенки полюсного наконечника.

Материал сплава постоянного магнита имеет кривую 8 размагничивания (фиг, 2), кривую 9 удельного магнитного потока, отдаваемого постоянным магнитом во внешнюю цепь, построенную по кривой размагничивания, и кривую 10 удельной магнитной энергии, отдаваемой постоянным магнитом во внешнюю цепь.

Кривые 8 — 10 построены в координатах

В и Hl, где Н вЂ” напряженность магнитного поля, А/м;  — магнитная индукция, Т.

На кривой 8 размагничивания показана точка, имеющая координаты Bm u Hm и соответствующая максимальному произведению BmHm (максимальной магнитной энергии в нейтральном сечении постоянного магнита), Тангенс угла наклона прямой, соединяющей начало координат с точкой, имеющей координаты BmHm, определяет проводимость магнитной системы. На кривой 9 удельного магнитного потока, отдаваемого постоянным магнитом во внешнюю цепь, показана точка, имеющая координаты

В и Н и соответствующая максимальному произведению ВН (максимальной магнитной энергии, отдаваемой постоя нн ым магнитом во внешнюю цепь), Тангенс угла наклона прямой, соединяющей начало координат с точкой, имеющей координаты В и

Н, определяет проводимость воздушного зазора магнитной системы, а тангенс угла наклона прямой, соединяющей начало координат с точкой, расположенной на кривой

8 размагничивания и имеющей координаты

В> и Н, определяет проводимость магнитной системы.

Кривая 10 характеризует величину удельной магнитной энергии, отдаваемой постоянным магнитом во внешнюю цепь.

Кривая 11 (фиг. 3) распределения магнитной индукции в воздушном зазоре магнитной системы построена в координатах. х — расстояние от середины постоянного магнита до точки воздушного зазора, в которой измеряется магнитная индукция;  — величина магнитной индукции.

Трапеция 12 линейно аппроксимирует кривую 11 распределения магнитной индук5

5Г ции в воздушном зазоре.  — высота аппроксимирующей трапеции или величина магнитной индукции на длине полюсного наконечника В. В = 0,95Во, где Вр максимальное значение магнитной индукции в воздушном зазоре.

Электродинамический и реобразователь сейсмоприемника работает следующим образом.

Переменная сила, воздействуя на корпус электродинамического преобразователя, состоящего из магнитной системы (постоянный магнит 1, два полюсных наконечника 2, магнитопровод 3) и двух фланцев

4, перемещает его на определенную величину, равную хо.

Катушка, состоящая из каркаса 6 и двух обмоток проводника 5, в силу своей инерционности и гибкой связи через подвес 7 с магнитной системой перемещается на меньшую величину, равную z. Относительное перемещение магнитной системы и катушки равно у = х — z. Скорость относительного перемещения, равная у или в, преобразовывается в напряжение, развиваемое на концах обмоток проводника 5.

Короткозамкнутый каркас катушки 6, перемещаясь в магнитном поле воздушного зазора магнитной системы с той же скоростью, равной Ny обеспечивает необходимое затухание чувствительного элемента и тем самым формирует заданную АХЧ электродинамического преобразователя.

Объем воздушного зазора оаспределяется на доли, занимаемые обмоткой проводника 5, каркасом катушки 6 и двумя кольцевыми зазорами (с длиной, равной а), обеспечивающими свободное движение катушки в воздушном зазоре (фиг. 1), Долю обьема воздушного зазора, занимаемого обмоткой катушки, определяют, определив длину проводника, зная его сопротивление и коэффициент заполнения о бьем а.

Коэффициент преобразования электродинамического преобразователя on ределяется уравнением

Kn = Вср11, где Кл — коэффициент преобразования;

Вср средняя магнитная индукция потока, проникающего через длину обмотки катушки L;

1 — длина проводника, находящегося в магнитном поле воздушного зазора, и определяемая известным соотношением р» у Ч

1 = . г где R» — заданное сопротивление обмотки проводника 5;

1735788

V» — доля объема, занимаемого обмоткой проводника 5; у — коэффициент заполнения материалом проводника доли объема, занимаемого обмоткой проводника;

Рь — удельное сопротивление проводника обмотки катушки.

Выразив lp из первого уравнения, подставив во второе уравнение и решив его относительно V», получают

Чк =

Bcp Rk g

2.

Среднюю магнитную индукцию Вср выражают через магнитную индукцию Вс, действующую на длине полюсного наконечника, формулой

Вср = Bcf где я — коэффициент усреднения магнитной индукции.

Тогда Чк определяют по формуле

К2

Ча = — — "- — .

Я Вср %с }

Н аходят дол ю объема воздушного зазора, занимаемую стенкой каркаса катушки.

Затухание, которое создают другие элементы каркаса катушки, не учитывают.

Уравнение, связывающее степень затухания, обеспечиваемую короткозамкнутым каркасом, с долей объема воздушного зазора, занимаемой стенкой каркаса, имеет вид

Ч где P — степень затухания;

Вс — магнитная индукция в воздушном зазоре;

Vc — доля объема воздушного зазора, занимаемая стенкой каркаса;

q — коэффициент усреднения квадрата магнитной индукции;

m — масса катушки; ио — собственная круговая частота электродинамического преобразователя;

p — удельное сопротивление материала каркаса катушки;

rc — радиус измерительной катушки при экспериментальном определении распределения магнитной индукции в воздушном зазоре;

r — средний радиус стенки каркаса катушки.

Так как го ъ r», то го.r» = 1. Выразив Ч2 из последнего уравнения и сложив его с Ч», получают

v=v„+v = К"й 2mQbа

Я Вср Rpg g Bc где Ч вЂ” объем воздушного зазора, занимаемый обмоткой проводника 5 и стенкой каркаса катушки 6.

Решив последнее уравнение относи5 тельно Кп, получают

2 к. = в, ч в — " Х „ 2mô ), q Bc

m где д = у — средняя плотность катушки.

Объем воздушного зазора, занимаемый обмотками проводника 5 и стенкой каркаса катушки 6, можно выразить через геометрические размеры воздушного зазора уравне15 нием

V=2(Л вЂ” 2a)Sp, где S — площадь цилиндрической поверхности, проходящей через середину длины воздушного зазора.

Подставив вместо V его выражение из последнего уравнения в предыдущее, получают

К„2=2(Д -2 ). хв,В RgRgРУ „2в. Яд

p " qВ2

В уравнении параметры сто P, R»â€” заданы; p<,p,y,ä, а могут быть выбраны заранее; параметры Ь, SL, Вс — искомые и неизвестна величина коэффициентов е и

На кривой 9 удельного магнитного потока (фиг. 2), отдаваемого во внешнюю цепь, отмечена точка, имеющая координаты В и Н и соответствующая максимальному произведению В Н (максимуму удельной магнитной энергии, отдаваемой постоянным магнитом во внешнюю цепь)

В 4l

HH

40 где Gc — пРоводимость воздУшного зазоРа;

1 и D — длина и диаметр постоянного магнита.

Проводимость воздушных зазоров магнитной системы определяют из соотноше45 ниЯ

$1 о 222," —.7 ГМ где,ио =4л10

М вЂ” магнитная прони50 цаемость воздуха.

Подставив значение 6с из последнего соотношения в предыдущее, получают

$ xBD

22К 4pо Н!

Соотношение показывает, что, зная габаритные размеры постоянного магнита и состав его сплава, определяющего кривую размагничивания и построенную на ней кривую удельного магнитного потока, отда1735788 ваемого магнитом во внешнюю цепь, можно найти оптимальную проводимость рабочих зазоров, определяемую соотношением

Sc 2h,, с учетом разброса параметров магнита, стабильность этих параметров во вре- 5 мени, Магнитный поток, отдаваемый постоянным магнитом во внешнюю цепь, равен магнитному потоку в воздушном зазоре магнитной. системы, если пренебречь поте- 10 рями потока в магнитопроводе, полюсных наконечниках, т.е.

xD В рВ,=

Подставив в уравнение связывающее "5

Кп с параметрами, в которые входят Вс и Я, 2 значения Вр и 51 из предыдущих двух соотношений и сделав необходимые преобразования, получают

К 2 20

- " »,и, Н В О (1 — 2а)(1 — А 2), где

8 (ооДРд

25 ,и: Н Ра

Анализ уравнения показывает, что Кп

2 имеет максимум, так как вторая производ(2 К2 ная " — отрицательная для любых по- 30, 2 ложительных а, А и Л .

Максимум Кп находят, взяв первую

2 производную правой части уравнения и приравняв ее нулю, т.е. н «К2 п =О

После выполнения дифференцирования получают

АЛз — Аа Л2 — а 40 — О. д2

Так как Ар0, то

АЛ -Аа Л2-a=0, Кубическое уравнение имеет одно действительное решение, потому что дискриминатор D определяется формулой а ((1+ ) — 1

0 2Аа >О

36 50

Используя формулу Кардана для решения кубического уравнения относительно

Ь, получают

)+- /(» -+ 27 ) — 1 +

2Аа аз

+ а ((1+ 27 )+

3 2Aa

Обычно а=0,25 10 м, А= (0,5-2)10 м 2 и тогда

27

2Аа

Имея ввиду полученное неравенство и подставив значение А, после упрощений получают

jf 2 =Угу д . " q+д . 22. о . а

», ) 3 р д 16 л 3

Длина воздушного зазора Л, рассчитанная по соотношению, будет оптимальной и обеспечивающей максимально возможный коэффициент преобразования электродинамического преобразователя для заданных габаритных размеров и материала сплава постоянного магнита, для заданных собственной частоты 4р и степени затухания Р, для заданного сопротивления обмотки катушки Вк и выбранного размера зазора а.

В полученном соотношении для расчета длины воздушного зазора неизвестна величина коэффициента усреднения квадрата магнитной индукции q.

На фиг, 3 изображена кривая распределения магнитной индукции в воздушном зазоре магнитной системы электродинамического преобразователя с постоянным магнитом. Концы обмотки проводника располагаются на линейных участках спадающих ветвей кривой распределения с целью получения малых нелинейных искажений электродинамического преобразователя, Установка полюсного наконечника на постоянном магните усредняет значение магнитной индукции на участке расположения обмотки и каркаса катушки.

Чтобы упростить математические расчеты, аппроксимируют кривую. распределения индукции в воздушном зазоре трапецией (фиг, 3). Высота трапеции совпадает со значением магнитной индукции в рабочем зазоре, равной Вс = 0,95 Вр (где Вр максимальное значение магнитной индукции в воздушном зазоре), а длина верхнего основания равна длине полюсного наконечника, Боковые стороны трапеции совпадают с линейными участками кривой распределения индукции. В аппроксирующей трапеции можно принять, что длина полюсного наконечника равна половине длины средней линии трапеции.

Зависимость длины полюсного наконечника от длины обмотки катушки в общем виде выражена формулой

Ь = п, где n — коэффициент уменьшения.

1735788

Коэффициент уменьшения и можно выразить эмпирической формулой

1 и=

1+8 ——

8 где,ио — магнитная проницаемость воздуха.

Степень затухания, обеспечиваемая каркасом катушки, пропорциональна среднему значению квадрата индукции на участке кривой распределения индукции, занятом каркасом. Для всех случаев распределения магнитной индукции, кроме прямоугольного распределения, всегда квадрат среднего значения индукции не равен среднему значению квадрата индукции.

Рассмотрим отношение среднего квадрата индукции аппроксимирующей трапеции к квадрату индукции аппроксимирующего прямоугольника, имеющего одну сторону, равную высоте трапеции, а другую — средней линии трапеции, равной L, Это соотношение равно

Вх dx г где q — коэффициент усреднения квадрата магнитной индукции (при постоянном отношении - - и принятой аппроксимации расЯ пределения магнитной индукции трапецией будет постоянным при изменении В);

L — длина обмотки катушки;

Bx = f(x) — функция распределения магнитной индукции в воздушном зазоре, представленная в виде аппроксимирующей трапеции (фиг. 3).

Числитель отношения определяет площадь, которую можно представить как сумму. площадей трех фигур; одного прямоугольника с площадью, равной В п1, 2 и двух площадви одинаковых фигур, основа1 — n нив каждои ив которых равно одна боковая сторона равна (- -), друВс 2 гая — В г (фиг. 3).

Сверху эти фигуры ограничены параболой, определяемой формулой у=(— -+ — т — — тх)

Таким образом, коэффициент q определлгот форыулод к 1-л

Bc L

После вычисления получают

7+5п д=

12

Подставив в формулу полученное выражение для коэффициента и, после преобра5 зований получают

1 +4,67 а

1+8 —

В

10 Расчет коэффициента q по полученному соотношению для магнитной системы с постоянным магнитом из сплава

ЮНДК35Т5АА дает величину q = 0,79, а для магнитной системы с постоянным магнитом

15 из сплава ЮНДК25БА дает величину q=0,9.

Коэффициент усреднения магнитной индукции я из очевидного отношения, определенного для трапеции 12, равен

В,уу+ 2 (1 — Ь)+ — (1 — Ь)

Вс аПодставив вместо В его выражение и(, после вычислений получают (ио Н

25 3+и 1+6 В

1+8& Н

В

Расчет коэффициента е по полученной формуле для магнитной системы с постоянным магнитом из сплава ЮНДК36Т5АА дает величинуо =0,875, адля магнитной системы с постоянным магнитом из сплава

ЮНДK256A — величину Е = 0,94.

Толщину дна полюсного наконечника С

35 определяют, положив, что весь поток, действующий на выходе магнита, проходит через поверхность полюсного наконечника, равную л0С, без учета рассеяния потока через торец полюсного наконечника, т.е.

zt D В л0СВпн 4 где Впн — допустимая магнитная индукция в материале полюсного наконечника.

45 Решив уравнение относительно С, получают

С—

4 Впн

Толщину стенки полюсного наконечни50 ка t определяют составив систему двух уравнений (о+ +2 ) — „

b г л(0+1) i Впн = — B.

Первое уравнение — ранее полученная зависимость проводимости воздушНого зазора магнитной системы от заданных пара1735788

12 метров постоянного магнита (с заменой Я на л (О+ А+2t)L).

Второе уравнение определяет ту часть магнитного потока, действующего на выходе постоянного магнита, которая протекает 5 через толщину стенки полюсного наконечника, Из первого уравнения системы уравнений выражают величину Ь и подставляют во второе уравнение выражение Ь и ранее най- 10 денное выражение С. Решив второе уравнение относительно t, после преобразований получают

=1

2 Впн 16В н лп 2В нп0

BpoН

8 йпн Хп

Так как величина выражения, стоящего под корнем в скобках, составляет десятые 20 доли единицы, то, используя известное упрпщенне гг1+а =1+>, пренебрегея а величиной второго члена, стоящего в скобках, как величины второго порядка малости, и подставив ранее полученное выражение для коэффициента и, после преобразований получают

0В 1 ,и. Н t(1+8 )

В 1+2 30

4Впн 2 Впн >

Длину обмотки катушки определяют, решив ранее полученное уравнение, связывающее магнитный поток, действующий на выходе постоянного магнита, с магнитным потоком, протекающим через воздушный зазор, относительно L, BD

2po H I Х+2г

Длину полюсного наконечника определяют из соотношения

Ь=п|—

1 +8 45

В

Величины коэффициентов и, полученные из экспериментальных данных и подсчитанные по формуле, совпадают.

Толщину стенки каркаса катушки опре- 50 деляют, выразив объем, занимаемый стенкой каркаса, его составляющими по упрощенному уравнению 4г л 0+2 t+2a 1. 55

Определив объем, занимаемый стенкой каркаса, из известного ранее отмеченного уравнения, определяющего степень затухания j3, и заменив в нем m = Чд, à V на г л (0+ Л+ 2т) 2(— 2а) и Вс íà BD ° 4(D+

+Л + 2t)L, после преобразований получают

j

13 D2q

1+ +I+

Толщину обмотки проводника определяют по уравнению

d= Л вЂ” j — 2а.

Определение конструктивных параметров электродинамического преобразователя сейсмоприемника Л, t, L, В, j, и d no соотношениям заданных параметров электродинамического преобразования (в том числе и заданных параметров постоянного магнита: геометрических размеров и материала сплава) позволит получить максимальный коэффициент преобразования и наименьшие отклонения коэффициента преобразования и степени затухания, вызванных разбросом преобразования и степени затухания, вызванных разбросом магнитных параметров сплава постоянного магнита, т.е. не увеличить отклонение коэффициента преобразования и степени затухания, определяемые разбросом магнитных параметров сплава постоянного магнита по сравнению с известным преобразователем, Это позволит увеличить чувствительность и уменьшить фазовую неидентичность электродинамических преобразователей сейсмоприемников, являющихся важнейшим параметром сейсмоприемников.

Кроме того, аналитическое определение конструктивных параметров электродинамического преобразователя, позволит получить заданный коэффициент преобразования при наименьших габаритных размерах постоянного магнита.

Формула изобретения

Электродинамический преобразователь сейсмоприемника, содержащий магнитную систему, состоя щую из постоя нного магнита с заданными габаритными размерами и материалом сплава, магнитопровода, двух полюсных наконечников, образующих с магнитопроводом два одинаковых кольцевых воздушных зазора, механическое колебательное звено, состоящее из.катушки, на проводящем каркасе которой размещены обмотки катушки, расположенные в воздушных зазорах магнитной системы, две пружины, соединяющие катушку с магнитной системой, отличающийся тем, что, с целью увеличения коэффициента

1735788 а

7 р,He(< в:,, )(-f)

1- — () внн дьвпн

Фиг.1 преобразования и уменьшения отклонений от номинальных значений коэффициента преобразования и степени затухания, электродинамический преобразователь выполнен с размерами, выбранными- из соотношения

В D (вЂ, ) ((4 .б 7

d-- Л вЂ” j — 2а, где 6, — длина воздушного зазора; т — толщина стенки полюсного наконечника;

L — длина обмотки катушки;

Ь вЂ” длина полюсного наконечника;

J — толщина стенки каркаса катушки;

c) — толщина обмотки; а — величина зазора между внутренней цилиндрической поверхностью магнитопровода и наружной цилиндрической поверхностью каркаса катушки или между наружной цилиндрической поверхностью полюсного наконечника и внутренней цилиндрической поверхностью каркаса ка5 тушки;

f — собственная частота электродинамического преобразователя сейсмоприемника;

P — степень затухания электродинами10 ческого преобразователя сейсмоприемника;

p — удельное сопротивление материала каркаса катушки; д — средняя плотность катушки, опреде15 ляемая плотностью материала провода обмотки катушки, с учетом его коэффициента заполнения единицы объема;

Н,  — напряженность магнитного поля и магнитная индукция в точке, соответству20 ющей максимуму удельной магнитной энергии кривой удельного магнитного потока, отдаваемого магнитом в воздушные зазоры (заданные параметры материала постоянного магнита);

25 1, D — длина и диаметр (заданные габаритные размеры) постоянного магнита; ,и = 1,256х10 Гн!м — магнитная проб-б ницаемость воздуха;

В,н — допустимая магнитная индукция в

З0 материале полюсного наконечника.

1735788

g< (7) Ыг. 2

Фиг. 3

Составитель M.Ñïàññêèé

Техред М,Моргентал Корректор С.Черни

Редактор А.Козориз

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1813 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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