Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:патенты / Сборник патентов_12828
.pdf
существует одно положение равновесия, в котором суммарная сила или момент равны нулю.
В подавляющем большинстве случаев желаемый механический отклик представляет собой простое вращение
общего вала или шпинделя, к которому прикреплены подвижные элементы обоих устройств, и который
установлен в подходящих подшипниках таким образом, чтобы его вращение было как можно менее
интенсивным.
Теперь, обратившись к сопутствующим чертежам компании 110:
На рис. 1 представлена схема одной из таких конструкций, в которой механическое соединение подвижных
элементов двух реактивных устройств осуществляется посредством общего вала или шпинделя, причем
указанная схема 4 384,703 является чисто схематической и не предназначена для отображения
конструктивных деталей.
На рис. 2 представлено детальное изображение элементов a, b, c, d и части элемента e, изображенных на
рис. 1.
На рис. 3 представлен план элементов /, g и части e, изображенных на рис. 1.
На рис. 4 представлена эквивалентная электрическая схема схемы, изображенной на рис.
На фиг. 5 представлена схема другого варианта осуществления изобретения, подходящего для конкретного
применения данного изобретения в тахометрии; данная схема носит чисто схематический характер и не
предназначена для отображения конструктивных деталей.
На рис. 6 представлен проекционный вид одного из вариантов конструкции, подходящего для элементов a, b,
c, d и части элемента e, изображенных на рис. 1 и 5.
На рисунке 7 представлен вертикальный разрез, демонстрирующий другой вариант конструкции указанных
элементов.
На рис. 8 представлен вертикальный разрез, иллюстрирующий один из вариантов конструкции элементов /. g
и часть e, показанных на рис. 1 и 5.
На рис. 9 представлен вид сверху.
На рис. 10 представлен вертикальный разрез, иллюстрирующий другой вариант конструкции мемхеров g, g и
части e, показанных на рис. 1 и 5.
На рис. 11 представлен вид сверху.
В расположении, изображенном на рис.
1
Необходимыми элементами «индуктивного устройства» являются неподвижная катушка a и подвижный якорь
d, причем указанный якорь жестко прикреплен к общему валу или шпинделю e. Эти элементы расположены
относительно друг друга таким образом, что при подаче электрического тока на катушку a часть
результирующего магнитного потока проходит через якорь d или связана с ним, причем эта часть зависит,
помимо прочего, от углового положения шпинделя c.
Якорь d изготовлен из какого-либо ферромагнитного материала, например, мягкого железа, так что движение
аналогично движению вольтметра или амперметра с подвижным железом (хорошо известных конструкторам
электрооборудования) и может быть выполнено в соответствии с обычной технологией таких приборов. Таким
образом, при подаче электрического тока на якорь d возникает общая сила, а следовательно, и крутящий
момент на шпиндель e, который может быть обусловлен либо электромагнитным притяжением
вышеупомянутого якоря, либо его отталкиванием от какого-либо подходящим образом расположенного
неподвижного железного элемента (не показанного на рисунке). Однако для того, чтобы указанный крутящий
момент был как можно больше и соответствовал малому «намагничивающему» току в катушке cl, желательно,
чтобы весь магнитный поток от нее был сконцентрирован. Для этой цели магнитная цепь предпочтительно,
хотя и не обязательно, включает сердечник b из какого-либо ферромагнитного материала (например, одного
из хорошо известных «низкопотерных» кремниевых сплавов железа), причем указанный сердечник снабжен
воздушным зазором c, в котором может перемещаться якорь d (см. также изображение на рис. 2).
Более того, как с теоретической, так и с механической точки зрения очень удобно, чтобы якорь d имел
кулачково-образную или секторную форму, плоскость которой перпендикулярна шпинделю e, в этом случае
«индуктивное устройство» может удобно принимать одну из форм, изображенных на рис. 6 и 7 и описанных
более подробно далее.
Соответствующее «емкостное устройство» удобно включает в себя две группы неподвижных пластин или
лопаток /1, между которыми расположено несколько подвижных пластин или лопаток специальной формы gg,
причем эти подвижные пластины или лопатки установлены на общем валу или шпинделе e так, что их
плоскости перпендикулярны ему. Таким образом, вся конструкция образует механизм, очень похожий на
механизм известного типа электростатического вольтметра, и может быть в большей степени изготовлена в
соответствии с обычной технологией таких приборов; схематическое изображение такого механизма
представлено на рис. 3, а типичные варианты практической конструкции — на рис. 8-11, причем последний
будет описан более подробно далее. Таким образом, при приложении переменной ЭДС между одной группой
неподвижных пластин или лопаток и другой, как правило, возникает электростатическое притяжение к
подвижным пластинам или лопаткам qg, и, следовательно, дополнительный крутящий момент на шпинделе e,
при этом «емкостное устройство» фактически функционирует как переменный конденсатор, или, точнее
говоря, как два переменных конденсатора, соединенных последовательно, со шпинделем e и подвижными
пластинами или лопатками gg в качестве проводящих связей между ними.
В качестве альтернативы, неподвижные и подвижные 115 элементов, 1f и fq соответственно, емкостного
устройства могут быть выполнены в виде сегментов цилиндров, соосных со шпинделем e, как в некоторых
других известных типах электростатических вольтметров. 120 Ток в катушке a и разность потенциалов между
неподвижными пластинами или лопастями /1 подаются, прямо или косвенно, от источника ЭДС, частота
которой должна вызывать механический отклик, а относительное положение якоря dl и подвижных пластин
или лопастей 7gg на шпинделе c организовано таким образом, что при вращении указанного шпинделя
виртуальное индуктивное сопротивление «индуктивного устройства» увеличивается по мере уменьшения
виртуальной емкости «емкостного устройства», и наоборот.
Следовательно, в соответствии с законами природы, регулирующими работу электроинструментов, на
шпиндель всегда действуют два противоположных момента, один из которых имеет электромагнитную
природу, а другой — электростатическую, так что вся конструкция соответствует уже изложенному основному
принципу.
Однако для того, чтобы указанный крутящий момент был достаточным для преодоления трения и т. д., без
увеличения размеров и веса «емкостного устройства», в частности, крайне мало, необходимо приложить
высокое напряжение к этим неподвижным пластинам или лопаткам, причем такое напряжение, как правило,
значительно превышает напряжение, доступное в источнике. С другой стороны, нецелесообразно применять
большую ЭДС.
к катушке А, поскольку это повлечет за собой чрезмерные потери и токи в ней, а также неудобную
конструкцию «индуктивного устройства» в целом.
Следовательно, хотя в исключительных случаях может быть желательно подавать ЭДС источника
непосредственно на одно или оба реактивных устройства, обычно предпочтительнее делать это косвенно, с
помощью двух отдельных вторичных катушек h и j, показанных на рис. 1.
индуктивно связана общим магнитным потоком с первичной катушкой 1, через которую теперь действует
указанная ЭДС. Вторичная обмотка h индуктивного устройства '' обычно состоит из сравнительно небольшого
количества витков проволоки средней толщины, поскольку, как правило, выгодно, чтобы коэффициент
трансформации между первичной обмоткой 1 и вторичной обмоткой h был дробным, т.е. чтобы первичное
напряжение было «понижено» перед подачей на обмотку a. Вторичная обмотка jj, относящаяся к «емкостному
устройству», состоит, с другой стороны, из множества витков тонкой проволоки, намотанной таким образом,
чтобы в этом случае обеспечить как можно более высокое коэффициент трансформации с первичной
обмоткой 1, и стало возможным очень большое «повышение» первичного напряжения, поскольку ток через
указанное устройство очень мал. В обоих случаях.
Однако в некоторых случаях необходимо, чтобы соответствующие коэффициенты преобразования допускали
некоторую вариацию, и этого можно добиться путем обеспечения подходящих «точек отвода» на катушках h и
ji (обозначены обычными стрелками на рис. 1).
Индуктивная связь трех цепей, за исключением высоких частот, предпочтительно, хотя и не обязательно,
осуществляется с помощью ламинированной руды, состоящей из какого-либо «низкопотерного» кремниевого
сплава или железа и образующей замкнутый путь с низким сопротивлением для общего магнитного потока.
«Соединительное устройство» в этом случае аналогично «инструментальному трансформатору» (хорошо
известному конструкторам электрооборудования) и может в значительной степени быть изготовлено в
соответствии с обычной технологией таких устройств, будучи либо сердечникового, либо оболочечного типа, в
зависимости от удобства.
Схема, показанная на рис. 1, в целом очень удобна, однако в ней катушки 1 и h намотаны отдельно на
противоположные стержни прямоугольного сердечника k, в то время как вторичная катушка jj разделена на
две равные части и также намотана на противоположные стержни сердечника k. Кроме того, катушка jj
заземлена в своей средней точке, чтобы упростить необходимую изоляцию ее составных частей. Это
решение также обеспечивает, благодаря симметрии всей конструкции, что шпиндель e обычно находится под
нулевым потенциалом, даже несмотря на то, что сам он заземлен лишь частично — желаемый результат на
практике.
Благодаря использованию большого количества витков на вторичной обмотке jj можно практически повысить
потенциал на неподвижных пластинах или лопастях 1f до порядка нескольких киловольт, что, как можно
показать, создает в емкостном устройстве достаточный крутящий момент на шпинделе e без необходимости
тяжелых или громоздких перемещений; кроме того, как уже говорилось, большие зазоры, необходимые при
этом, дополнительно выгодны тем, что ошибка выравнивания практически исключается, а вероятность
загрязнения элементов посторонними предметами сводится к минимуму. 105 Кроме того, крутящий момент в
«емкостном устройстве» может быть дополнительно увеличен известным способом путем погружения
механизма в жидкость с высокой удельной индуктивной емкостью, и 11C везде, где это практически возможно,
это следует делать.
При условии, что указанная жидкость обладает дополнительными свойствами высокой диэлектрической
прочности и стабильности, низким диэлектрическим температурным коэффициентом и потерями, а также
низкой вязкостью, очевидно, что такая процедура также выгодна тем, что (1) обеспечивается естественное
демпфирование движущихся частей без усложнения вспомогательным устройством для этой цели; (2) трение
в шарнирах или подшипниках уменьшается за счет уменьшения виртуального веса движущихся частей за счет
эффекта плавучести (при необходимости можно добавить подходящие поплавки для усиления его эффекта);
(3) искровой разряд "пробоя", напряжение "емкостного устройства" не зависит от атмосферного давления
(довольно важное соображение, когда первое устанавливается в летательном аппарате).
Как обычно в случае с инструментами, погруженными в жидкость (133 384,703 384,703), следует принять
надлежащие меры предосторожности для предотвращения утечки жидкости и учета ее теплового
расширения.
Хотя принцип действия данного устройства в целом несколько сложен, его основные принципы можно понять
из следующих простых рассуждений, при этом следует понимать, что изобретение не зависит от точности или
неточности этих рассуждений.
Можно показать, что влияние омических сопротивлений, реактивных сопротивлений утечки, потерь на
гистерезис и вихревые токи, магнитного насыщения и т. д. в данной схеме является чисто вторичным, так что
в качестве разумного предположения эквивалентная электрическая схема может быть представлена, как на
рис. 4, где конденсатор, параллельно соединенный с «емкостным устройством» (показан пунктирными
линиями), на данный момент можно игнорировать. Пусть теперь виртуальная индуктивность «индуктивного
устройства» равна L генри, когда шпиндель или вал отклоняется на угол 9 радиан от некоторого
произвольного нулевого положения, и пусть соответствующая «общая» или виртуальная емкость «емкостного
устройства» равна C фарадам. Также обозначим среднеквадратичное значение напряжения источника через
V, его частоту через f, среднеквадратичное значение тока в катушке a (рис. 1) через I, число витков на
первичной обмотке 1 через N, на низковольтной вторичной обмотке h через N2 и на высоковольтной
вторичной обмотке jj через N.
Тогда при вышеуказанных предположениях «клеммное» напряжение катушки h равно (Н,/Н1) В, так что если
приложенная ЭДС синусоидальная, то ток I приблизительно равен (Н,/Н1) (В/2xr I L) или (Н,/2; Н, L) (В/))
ампер; также соответствующее «клеммное» напряжение катушки jj равно (Н,/Н1) В.
Рассмотрим сначала крутящий момент, создаваемый в «индуктивном устройстве». Этот крутящий момент в
заданном угловом положении sDindle e и якоря d пропорционален 12, а следовательно, и V2; кроме того, он
также пропорционален скорости изменения IL с 9, или, в обозначениях C 1+ 02. m fJ в исчислении, к (dLld6).
Но поскольку якорь d является ферромагнитным, как IL, так и (dL/d9) зависят исключительно от
геометрической формы аппарата и не зависят ни от V, ни от I (при условии, как указано, что эффектами
магнитного насыщения и т. д. можно пренебречь), следовательно, крутящий момент также обратно
пропорционален P. sin, поскольку I изменяется как (V/h.
Соответствующий крутящий момент в «емкостном устройстве» изменяется как квадрат разности потенциалов
между двумя группами f[ неподвижных лопаток] и, следовательно, пропорционален V2, поскольку он равен
(Н/Н) В. Кроме того, он пропорционален скорости изменения C с 0 или, в обозначениях математического
анализа, (dC/d0), но, тем не менее, полностью независим от f, как показано в теории электростатических
измерительных приборов.
С тех пор эти два момента силы расположены таким образом, что противодействуют друг другу; положение, в
котором они уравновешиваются, зависит только от частоты j, поскольку оба момента силы силы изменяются
как V2 (и, следовательно, в положении равновесия увеличение или уменьшение V75 не влияет на движение),
но один является функцией от /, а другой не зависит от него. Таким образом, характер масштаба
определяется формой якоря d и подвижных пластин или лопаток 80 gg, а также в некоторой степени формой
воздушного зазора c и неподвижных пластин или лопаток //, так что при соответствующем выборе этих форм
можно воспроизвести практически любой желаемый тип масштаба. 8 Формирование вышеупомянутых
элементов в соответствии с желаемым типом шкалы может быть осуществлено, когда необходимые и
соответствующие соотношения 90 между IL и 9, а также C и 0 известны индивидуально для всех значений 9. В
частности, если требуется воспроизвести абсолютно равномерный отклик устройства в заданном диапазоне
частот и величине приложенного EX...
Если F. быть регулируемым и разумно независимым от таких частот, то подходящие соотношения между
этими величинами задаются математическими уравнениями i0O {(e +)2 -a2} 1 1 __. r.
LS W LOAJ (f2+fm), где 1' и f. — соответственно нижний и верхний пределы (измеренные в циклах в секунду)
полосы частот, которую необходимо охватить. 9 измеряется в радианах от нижней предельной точки шкалы,
0... — угловая ширина указанной шкалы, a — постоянный угол, заданный выражением fl JC, — произвольная
«остаточная» емкость «емкостного устройства» (измеренная в фарадах), когда 9 равно нулю, CM — общее
изменение емкости указанного устройства между нижним и верхним пределами шкалы, L — произвольная
«остаточная» индуктивность «индуктивного устройства» (измеренная в генри), когда 0 равно C C, + m нулю, а
N2 и N, как уже определено, — число витков на катушках hL и jj соответственно (рис. 1).
Если же, с другой стороны, требуется воспроизвести абсолютно равномерный отклик в устройстве в заданном
диапазоне частот, и величина приложенной ЭДС сама по себе разумно пропорциональна такой частоте
(примером чего является собственное выходное напряжение генератора на разомкнутой цепи), то
подходящие соотношения между Ti и 0, а также C и 0 задаются математическими уравнениями log +e log e J 1
1 L; L 270 N2 (f -fm) 2 {Le ±-) 2 =-a LXi 10 2J2 log. rf2 N 2 J -T Ji, где различные символы /', /f и т. д. имеют то же
значение, что и раньше.
Формируя элементы в соответствии с тем или иным из этих соотношений, в зависимости от специфики
приложенной ЭДС, можно обнаружить, что подвижная система устройства обладает свойством равномерной
устойчивости, то есть «градиент крутящего момента» вблизи любой точки равновесия (или скорость роста
восстанавливающего крутящего момента при любом случайном смещении из нее) одинаков во всех таких
точках шкалы.
Кроме того, в приведенных выше математических выражениях нет ограничений на значения 1' и 12, то есть
нет предела ширине полосы частот, которая может быть размещена в абсолютно равномерном масштабе (за
исключением практического применения на чрезвычайно высоких или чрезвычайно низких частотах). Это
существенные преимущества данной конструкции, которыми, как считается, не обладает ни одно из
существующих частотно-чувствительных устройств «отклоняющего» типа.
Если эквивалентная электрическая схема устройства по-прежнему считается «идеальной», изображенной на
рис. 4, то ток без мощности, отбираемый от источника ЭДС, частота которого должна вызывать механический
отклик, содержит три компонента: (1) «намагничивающий ток», отстающий на 90° от приложенного
напряжения V, функция которого заключается в создании общего магнитного потока в согласующем
устройстве или трансформаторе, показанном на рис. 1; (2) ток, равный (NN)² (ViX рис.) ампер, также
отстающий на 90° от V, для косвенного питания «индуктивного устройства»; (3) ток, равный (NN)² (2-r/CV)
ампер, опережающий V на 90°, для косвенного питания «емкостного устройства». 70 Все эти компоненты при
соответствующей конструкции могут быть выполнены в малых размерах, за исключением случаев высоких
частот, когда приложенные частоты, и в таком случае желательно вставить параллельно «емкостному
устройству» конденсатор фиксированных размеров, обозначенный пунктирными линиями на рис. 4.
Наличие такого конденсатора не влияет на крутящие моменты в указанном устройстве, но, с другой стороны,
80 увеличивает емкостную составляющую, указанную в (3) выше, общего тока от источника. Таким образом,
на одной выбранной частоте (например, в середине полосы частот, охватываемой устройством) теоретически
возможно сделать так, чтобы векторная сумма трех составляющих полного тока равнялась нулю. 90 На
практике невозможно создать частотно-чувствительное устройство в соответствии с данной схемой, которое
было бы полностью лишено омического сопротивления и потерь, но тем не менее на одной конкретной
частоте ток, отбираемый от источника ЭДС, может быть уменьшен до очень малой ваттной составляющей,
совпадающей по фазе с напряжением V, которая необходима для компенсации этих потерь. Поэтому
желательно на 100% уменьшить такие потери, особенно в трансформаторе и индуктивном устройстве, приняв
обычные меры предосторожности, хорошо известные конструкторам.
Приведенное выше упрощенное объяснение способа работы устройства (пункт 105) пренебрегает, как уже
было сказано, влиянием омического сопротивления и т. д. на отклик устройства, сконструированного в
соответствии с указанным устройством, однако, тем не менее, можно показать, что наличие такого
сопротивления и т. д. оказывает незначительное влияние на указанный отклик при условии, что все
паразитные импедансы в электрической системе остаются либо малыми при последовательном соединении с
основными реактивными сопротивлениями, от которых зависит работа указанного устройства, либо большими
при параллельном соединении с ними. В частности, можно показать, что влияние магнитного насыщения в
ферромагнитных компонентах схемы на эту характеристику, если таковое имеется, как правило, очень мало,
т.е. устройство имеет пренебрежимо малую «ошибку насыщения» в смысле, хорошо известном
разработчикам приборов. Аналогичным образом можно показать, что отклик устройства также практически не
зависит от локальных изменений температуры.
Приведенное выше упрощенное объяснение принципа работы устройства также неявно предполагает, что
приложенная ЭДС, частота которой должна вызывать механический отклик, имеет синусоидальную форму
электрической волны.
В целом это не самый простой способ, но тем не менее объяснение можно расширить, включив в него
несинусоидальные формы волн следующим образом:
Предположим, как и прежде, что эквивалентную электрическую схему соединения можно с достаточной
точностью считать «идеальной» схемой, представленной на рис. 5. 4. Пусть движущаяся система находится в
некотором положении равновесия, соответствующем частоте f синусоидальной волны, уравнение которой
задано как v = V = sin(2, It) и среднеквадратичное напряжение которой равно V. Теперь предположим, что эта
волна заменила негармоническую волну с тем же среднеквадратичным напряжением и основной частотой, но
уравнение которой имеет вид iy = V sin(2, It) - Va sin(6, It - at) + V sin(l, It - at)... и т. д.
где V, VX V,... и т. д., а, например... и т. д.
и представляют собой амплитуды и фазовые углы соответственно основной частоты и различных гармоник.
Королевское морское общество (РМС) Значение V этой волны затем определяется формулой V21 (V 2 V:+V2
+ V,,. и т. д.) 1 y2 [1 + (V, /V,)2 + (V5, / IV)2 + и т. д.], откуда, путем транспонирования, V,2 =90V21[l + (V,1 V,)2+
(+_|1)2 + и т. д.] - Напряжение на клеммах индуктивного устройства в любой момент времени равно (N,/N,)r,
так что соответствующий мгновенный ток в катушке a определяется следующим образом: y i=(N2INi) [(V1/2rfL)
sin 2r ft-900) + (V,/ fi6, /L) sin (6fr fIt - a, - 90 ) + (V, 10x fL) sin (10 ft as - 900) + . и т. д.] и] значение М.С. I этого
тока h12 (N2!, N)2[( 1/2- fL)2+(V,16rfL)2 +(Vs/10x. Л)2+... и т. д. ] =,(N.5TIN,)- (V 1l2x. IL)2 fl+(119) V,/V1)2+(1125)
-(VIVI)2+ и т. д.]/ -который, при подстановке V из вышеприведенного, становится 2= (N2/N,)2 (V12r AL)2" [1 +
(C119) (V/,Va)2+(1/25) V5Y1V)5+..
и т. д. ] I [1+(V,/V1)2+(Vt,/Tlr)2+... и т. д. ] Но величина (dLldO) одинакова при любом угловом положении
шпинделя e, независимо от формы приложенной ЭДС. Поскольку, следовательно, электромагнитный момент
на шпинделе e пропорционален только 12, момент в индуктивном устройстве, соответствующем
несинусоидальной волне, уменьшился по сравнению с тем, что он был при том же угловом положении
шпинделя e с синусоидальной волной, в соотношении [1+(1/9) (V2/V,)2+(1125) (V/V)2+ и т. д. ]| [ 1 + (V3/V)2 +
(VZV /)2 +... и т. д.]: 1 С другой стороны, в том же положении "электростатический" момент на шпинделе e,
который пропорционален только (N/N1)2 y2, не изменился, поскольку V i по предположению одинаков в обоих
случаях.
Подвижная система, следовательно, неизбежно должна стремиться к новому положению равновесия, и
устройство, соответственно, демонстрирует ошибку волновой формы, стремясь «показывать Ii высокий» (эта
фраза используется в общем смысле), поскольку уменьшение электромагнитного момента можно было бы
компенсировать соответствующим снижением частоты f ЭДС источника, 17, но при этом сохраняя
постоянными V и отношения (V/V), (VV)... и т. д.
Однако во многих случаях приложенная ЭДС, частота которой должна вызывать механический отклик,
обладает тем, что можно назвать «истинной формой волны» (например, формой волны напряжения на
клеммах генератора без нагрузки или, опять же, формой электрического сигнала, издаваемого музыкальным
инструментом), в которых отношения (V/V) (V/T)... и т. д. амплитуд гармоник к амплитуде основной
частоты являются постоянными и не зависят ни от V, ни от V. Следовательно, при такой форме волны
величина 121 [1+(119) (VIy/,,)2+(1j25) (V' /y2j2+ .. и т. д. ]| [1 +(V, /V,), +(/)2.. . и т. д.] также является константой,
и, следовательно, пропорциональное уменьшение "электрического" - i3( 384,703радио (N-3 IN,) также
обеспечивает очень удобный метод устранения любой ошибки, вызванной незначительными "паразитными"
изменениями емкости C, при условии, что такие изменения являются постоянными и пропорциональными во
всех положениях на шкале; примеры этого встречаются в приборах с жидкостной иммерсией всякий раз, когда
происходит небольшое изменение удельной индуктивной емкости диэлектрика из-за поглощения 75 влаги или
по любой другой причине и, как правило, всякий раз, когда жидкость заменяется после повторной сборки
механизма.
Опять же, в некоторой степени износ шарниров шпинделя приводит к аналогичному постоянному и
пропорциональному изменению C, особенно если инструмент обычно работал с вертикальным
расположением шпинделя, и поэтому эффект этого можно свести к нулю таким же образом без
необходимости перенастройки подшипников.
В некоторых случаях применения схемы, показанной на рис. 1, и во многих случаях, когда ЭДС источника
низкая, может потребоваться усиление указанной ЭДС 90° перед подачей на первичную катушку 1, и схема,
показанная на рис.
1 Затем его можно модифицировать, заменив показанный там трансформатор последовательной цепью, при
этом вторичная обмотка ii наматывается на один или другой из этих составляющих трансформаторов, как это
предусмотрено правилом. В качестве альтернативы или в сочетании с такой модификацией, можно
использовать любой из следующих вариантов.
Могут быть использованы хорошо известные методы усиления 100 с применением термоэлектронных или
других электрических ламп.
В тех случаях, когда ЭДС на катушке a приблизительно равна по величине ЭДС источника 105, вторичную
катушку h иногда можно заменить «отводом» от катушки 1 (в электрическом смысле), так что этот компонент
устройства будет функционировать как «автотрансформатор» 10 с некоторыми преимуществами в плане
экономии веса и т. д.
В другом варианте схемы, показанной на рис. 1, две группы неподвижных пластин или лопаток [I емкостного
устройства] электрически соединены с одной стороной вторичной обмотки, а другая сторона заземлена
(вместо средней точки, как показано на рис. 1). Также предусмотрены средства для эффективного заземления
шпинделя e и подвижных пластин или лопаток gg, так что полное выходное напряжение вторичной обмотки jj
теперь подается непосредственно между неподвижной и подвижной пластинами или лопатками «емкостного
устройства», зазоры между которыми, следовательно, должны быть достаточными, чтобы выдерживать такое
напряжение. Данная схема предпочтительно используется, когда ЭДС источника и работа магнитного
момента сопоставимы с тем, что было бы при синусоидальной волне с тем же среднеквадратичным
напряжением и частотой. Таким образом, полная компенсация этого дефицита возможна одним из способов –
путем соответствующего увеличения отношения (N21N1) числа витков на катушках it и 1, что может быть
достигнуто с помощью точек отвода, предусмотренных на катушке it.
В качестве альтернативы, полная компенсация может быть осуществлена путем соответствующего
уменьшения отношения (NINJ) количества витков на катушках ii и 1, что может быть достигнуто с помощью
«точек отвода», предусмотренных для катушки Jj.
Возможны и другие альтернативные методы такой компенсации, предусматривающие использование средств
обычного характера для изменения (например, количества эффективных витков на катушке) ширины
воздушного зазора.
Однако при общем применении схемы Тилы по механическим соображениям предпочтительнее осуществлять
указанную компенсацию путем обеспечения в устройстве возможностей для изменения как значения N, так и
значения R, как показано на рис. 1.
Это объясняется тем, что катушка h обычно содержит сравнительно небольшое количество витков, тогда как
катушка jj — очень большое их количество; следовательно, путем «вырезания» или обратного вращения
целых витков за раз, по мере необходимости, из одной или обеих указанных катушек (такой метод работы с
целым числом витков является желательным с механической точки зрения и с точки зрения простоты
необходимых коммутационных устройств), можно осуществить как «грубую», так и «верньерную» регулировку
компенсации без существенного уменьшения числа витков N в катушке jj и, таким образом, уменьшения
величины этих иоников в «емкостном устройстве».
Даже если устройство было «откалибровано» на синусоидальной волне (или, если на то пошло, на любой
другой), его все равно можно настроить простой операцией так, чтобы оно правильно реагировало на всех
частотах и на любой форме волны, при условии, что выполняются вышеуказанные условия относительно
соотношений амплитуд гармоник.
Это также является чрезвычайно ценной особенностью устройства, которая, как считается, отличает его от
существующих частотно-чувствительных устройств «отражательного типа». "
ТВпе. Его значимость очевидна, например, в применении устройства в частотомере для электростанций, и
еще более очевидна в его использовании для измерения звуковых частот (электрический эквивалент формы
волны, излучаемой любым вибрирующим телом, по существу является «истинным» в уже определенном
смысле):
Вероятность незначительных колебаний крутящего момента в приборе невелика, а подшипники шпинделя
относятся к хорошо известному типу «ножевого лезвия».
Схема, изображенная на фиг. 1, 2 и 3, или одна из описанных выше ее модификаций, может быть
адаптирована для целей тахометрии без существенных изменений, что может привести к тому, что
источником ЭДС станет генератор переменного тока или альтернатор, механически соединенный с валом,
скорость вращения которого необходимо измерить или иным образом отреагировать. Таким образом, можно
сконструировать прибор, способный реагировать различными способами на угловую скорость вала,
расположенного, возможно, на некотором расстоянии, и, в частности, при желании его можно
непосредственно откалибровать в качестве индикатора вращения.
Однако во многих случаях, особенно при использовании в авиации, крайне важно, чтобы общий вес прибора
был минимальным, а также чтобы в любой части прибора, расположенной вблизи магнитного компаса, не
было больших железных масс.
Поскольку с тех пор компонентом, который доставляет наибольшие проблемы в обоих отношениях, является
трансформатор, показанный на рис. 1, желательно исключить его в данном соединении, при условии, что
«емкостное устройство» по-прежнему может получать достаточно высокое напряжение, не подвергая
«индуктивное устройство» его воздействию.
Таким образом, соответствующие напряжения на неподвижных пластинах или лопатках 3b и катушке a
предпочтительно генерируются непосредственно в самом генераторе переменного тока с помощью двух
отдельных обмоток якоря, одной высоковольтной, а другой низковольтной; такая конструкция теперь
доступна, поскольку конструкция генератора является опциональной. Предпочтительно использовать
магнитогенератор типа «вращающийся магнит», что позволяет избежать необходимости в контактных
кольцах, и его можно схематически представить в виде верхней части устройства, изображенного на рис. 5.
На рисунке показана вращающаяся система постоянных магнитов n, которая создает переменный магнитный
поток в ферромагнитном сердечнике k, причем этот поток, в свою очередь, индуцирует соответствующие ЭДС
в двух отдельных обмотках e h и ji, расположенных на указанном сердечнике. Затем эти ЭДС подаются прямо
или косвенно на частотно-чувствительное устройство той же общей формы, что и показано на рис. 1, 2 и 3, так
что обозначение устройства на рис. 5 можно считать соответствующим обозначению на приведенных выше
рисунках, если не указано иное.
Работа генератора показана на рис. Таким образом, S можно рассматривать как аналог трансформатора 0i,
показанного на рис. 1, поскольку функции мемберов n и 1 в соответствующих конфигурациях совершенно
одинаковы, т.е., генерация переменного магнитного потока в сердечнике k. Отсюда также следует, что
влияние омических сопротивлений и тому подобного в цепях двух реактивных устройств, а также любое
магнитное насыщение в сердечнике k, в данной конфигурации, как и в первоначальной, пренебрежимо мало, и
что любое постепенное уменьшение силы постоянных магнитов в n, например, из-за их нагрева, сильной
вибрации или механического удара, не влияет на калибровку прибора, хотя и приводит к уменьшению рабочих
моментов, причем этот недостаток сравнительно незначителен и легко устраняется в случае серьезной
неисправности. Опять же, по тем же причинам, что и указаны выше, прибор может быть сконструирован таким
образом, чтобы иметь совершенно незначительную температурную погрешность, а его показания также
практически не зависят от локальных механических вибраций, которые могли бы серьезно повлиять,
например, на отклик частотомера типа «вибрационный язычковый».
Поскольку токи, потребляемые от генератора, также малы, форма выходного сигнала на нем всегда
практически идентична форме напряжения на клеммах «без нагрузки», и, следовательно, является
достаточно «точной» в уже определенном смысле, так что при соответствующей настройке прибора
равномерность его шкалы не на 100% зависит от того, является ли указанная форма сигнала синусоидальной
или нет. Таким образом, оно может иметь любую желаемую форму и предпочтительно является
«прямоугольным». Это объясняется двумя очень важными причинами. Во-первых, в целом гораздо проще с
механической точки зрения изготовить генератор, который будет создавать приблизительно «прямоугольную»
волну, чем тот, у которого полюсные наконечники и т. д. должны иметь специальный профиль для получения
волны другой формы. Во-вторых, поскольку крутящий момент в емкостном устройстве с постоянным током
зависит от среднеквадратичного значения приложенного напряжения, а также от потенциала искрения,
возникающего при достижении пикового значения емкости, очевидно, наиболее эффективно использовать,
если это возможно, гибкую конструкцию, в которой отношение пикового значения к среднеквадратичному
значению составляет...
Напряжение минимально, и это происходит при прямоугольной волне, в которой 120 равно единице.
Однако для того, чтобы прибор можно было адаптировать для работы с различными генераторами — важный
момент на практике — все же необходимо предусмотреть 20.
Необходимо предусмотреть средства для регулировки относительных моментов в двух реактивных
устройствах, поскольку форма волны любого генератора переменного тока редко бывает настолько же
одинаковой, как у другого, даже если они похожи по своим характеристикам на один или другой из известных
типов амперметров и вольтметров с подвижным сердечником.
Если требуется, чтобы ширина шкалы (в смысле, хорошо известном конструкторам) частотно-чувствительного
устройства составляла около 2700, то на рис. 6 показана очень подходящая конструкция «индуктивного
устройства», в которой магнитная цепь состоит из сердечника, образованного 75 рядами пластин из
некоторого «низкопотерного» кремниевого сплава железа, причем эти пластины скреплены между собой
болтами или крепежными элементами, такими как u, и образуют прямоугольник, который закрыт, за
исключением воздушного зазора c. 80 Затем катушка a для питания этой цепи размещается на «нижнем»
стержне сердечника l) после того, как она была отдельно намотана на каркас и изолирована (если катушка a
слишком велика, чтобы пройти через воздушный зазор 85 c, пластины можно отштамповать в двух отдельных
секциях и скрепить болтами после размещения катушки a на соответствующем стержне). Затем готовый
сердечник b (с катушкой a или без нее) устанавливается на приспособление iri 90 a, и вдоль края, показанного
на рисунке, фрезеруется квадрантная ниша v, размер которой должен быть достаточным для размещения
шпинделя e в отведенном для этого пространстве.
Якорь 'd, 95, перемещающийся внутри воздушного зазора c, формируется путем штамповки
соответствующего профиля из листового металла, причем этот металл предпочтительно представляет собой
один из хорошо известных «низкопотерных» кремниевых сплавов железа, а указанный профиль, как уже
говорилось, зависит от природы желаемого уплотнения, но обычно имеет приблизительно спиральную форму,
охватывающую угловую ширину около 270°. Подобная типичная форма достаточно четко показана на рисунке
105, из которого также виден принцип действия данной конструкции.
Аналогичный метод строительства может быть применен и к масштабу 1800, однако в этом случае ниша v
должна располагаться на 110 градусов по центру вдоль той внешней грани сердцевины b, которая включает
воздушный зазор c, и, кроме того, иметь полукруглое, а не квадрантное поперечное сечение; также арматура
d в этом случае покрывает только угловую ширину U5 около 1800 градусов.
С другой стороны, указанное выше расположение не очень подходит, когда желаемый масштаб составляет
900 или 450, в этих случаях предпочтительнее расположение, изображенное на вертикальном разрезе (рис.
7). На этом рисунке представлен поперечный разрез прежнего устройства и показана магнитная цепь,
образованная теперь двумя элементами bl и ha из мягкого или кремниевого железа, каждый из которых имеет
круглую форму в плане и "выпуклую" форму, образующую кольцевую канавку; указанные элементы также
штампованы внутри, так что остаются выступающие секторы p', p2 и т. д., каждый из которых покрывает
угловую ширину в плане 13U (конструкция или стандартизированное производство). Кроме того, желательно
иметь возможность компенсировать небольшие паразитные изменения емкости C емкостного устройства,
если они носят вышеупомянутый характер. Таким образом, необходимую регулировку можно осуществить
одним из способов, предоставив подходящие средства для последовательного изменения числа активных
витков в отдельных катушках h и jj (рис.).
5) или, в качестве альтернативы, путем предоставления подходящих средств для изменения либо количества
активных витков на катушке a, либо ширины воздушного зазора c.
Однако предпочтительно, чтобы необходимая компенсация осуществлялась с помощью небольшого
автотрансформатора, изображенного на рис. 5 под номером 1, причем указанный трансформатор вставляется
в цепь индуктивного устройства способом, показанным на этом рисунке, и снабжен соответствующими
точками отвода, так что соответствующие доли или кратные значения ЭДС, генерируемой в катушке h, могут
быть приложены к катушке a. Для удобства желательно, чтобы указанный автотрансформатор располагался
рядом с фактическим частотно-чувствительным устройством (т. е. тахометром в данном случае) или внутри
его корпуса, а поскольку приложенные к нему ЭДС, как правило, невелики, а коэффициент трансформации
всегда очень близок к единице, необходимые габариты и вес этого трансформатора могут быть
минимальными.
Предпочтительно, в авиационных применениях изобретения корпус, содержащий частотно-чувствительное
устройство, герметично запечатан или, в качестве альтернативы, его механизм погружен в жидкий диэлектрик,
как описано выше, при этом принимаются соответствующие меры предосторожности (как это обычно
делается в приборах, погруженных в жидкость) для предотвращения утечки жидкости и компенсации ее
теплового расширения. Такая процедура желательна, поскольку в противном случае возникает тенденция.
Для того чтобы «емкостное устройство» вышло из строя на высоких высотах из-за потери диэлектрической
прочности воздуха при пониженном давлении, следует понимать, что прибор или устройство в соответствии с
настоящим изобретением может иметь простую механическую конструкцию и обладает преимуществами,
среди прочего, тем, что оно может быть в значительной степени изготовлено из штампованных деталей или
литых под давлением элементов, при этом в механизме не требуются пружины, тонкие связки и т. д.
Описав в общих чертах свое изобретение, я осуществляю его реализацию следующим образом:
«Индуктивное устройство» может быть сконструировано несколькими различными способами, представляя
собой, по сути, конструкцию, аналогичную и работающую по схожему принципу 11l 384,703 12 384/03 из 900
(или 4.50 для шкалы 4350), однако следует проявлять должную осторожность, чтобы избежать острых углов в
месте его соединения с внешним ободком. Изготовление элементов bl или W на практике может быть
выполнено за одну операцию.
При сборке они располагаются один над другим таким образом, чтобы максимально плотно прилегать по
внешней периферии, но оставлять полный зазор по внутренней, при этом соответствующие секторы pI и p2 и
т. д. также расположены напротив друг друга и выполнены таким образом, что зазор между ними меньше, чем
в других частях цепей. Затем две упомянутые выше кольцевые канавки образуют трубчатое пространство, в
которое вставляется катушка А, предварительно намотанная и закрепленная лентой с необходимым
количеством витков. Таким образом, когда указанная катушка запитывается электрическим током,
создаваемый при этом магнитный поток стремится пересечь внутренний зазор по окружности в основном
через то, что теперь можно назвать «полюсными наконечниками», поскольку магнитное сопротивление зазора
в таких местах значительно меньше, чем в других местах. Если якорь d. изготовлен из листового металла
Соседние файлы в папке патенты