Ультрацентрифуга

Ультрацентрифуга

Реферат

Данное устройство относится к области электротехники, а более конкретно к ультрацентрифугам, которые предназначены для точных измерительных приборов и для испытаний материалов.

Известны устройства - ультрацентрифуги (Geary P.J. Magnetic and electric suspensions. London: BSIRA. 1964. P.53-54; Beams J.W. The magnetically supported equilibrium ultracentrifuge // Proceedings of the American Philosophical Society. Feb. 1957. V.101. n.1. P.63-69), в которых вращающийся ферромагнитный ротор цилиндрической формы находится в подвешенном состоянии и совершает вращение, не контактируя с окружающими телами. Подвес ферромагнитного ротора достигается с помощью электромагнита, который расположен выше ферромагнитного ротора. Привод ферромагнитного ротора осуществляется с помощью статора электрического двигателя, который охватывает ферромагнитный ротор. Для уменьшения трения ферромагнитный ротор помещается в вакуумную камеру. Стабилизация ферромагнитного ротора по вертикальной оси осуществляется с помощью датчика положения и обратной связи, посредством которой регулируется ток в электромагните. Данным ультрацентрифугам свойственны колебания ферромагнитного ротора при его вращении.

Этого недостатка лишена ультрацентрифуга, выбранная в качестве прототипа (Под ред. А.И.Бертинова. Магнитные и магнитогидродинамические опоры. М.: Энергия. 1968. С.45-46). Прототип состоит из ферромагнитного ротора, который свободно висит внутри стеклянного вакуумного баллона в магнитном поле соленоида, расположенного на конструктивной раме. Соленоид имеет сердечник и расположен над баллоном, так что ротор находится в области расходящегося книзу магнитного поля, симметричного относительно оси подвеса. Благодаря такой топографии поля достигается устойчивость положения ротора в горизонтальной плоскости. Стабилизация вертикального положения ротора достигается за счет регулирования тока в обмотке соленоида. Датчиком перемещения служит небольшая катушка. Демпфирование возможных колебаний осуществляется при помощи небольшой стальной иглы с поплавком, которая находится в стакане, заполненном легким маслом или другой жидкостью. Во время работы игла следует за ротором при его колебаниях в горизонтальной плоскости и гасит их. Вращение ротора осуществляется магнитным полем обмотки, которая находится снаружи ротора. Данная ультрацентрифуга позволяет получить максимальную скорость вращения, соответствующую 10⁷ об/мин.

Перед автором стояла задача увеличения максимальной скорости вращения ультрацентрифуги.

Указанная цель достигается тем, что в ультрацентрифуге, содержащей конструктивную раму, в верхней части которой жестко закреплен соленоид магнитного подвеса со стержневым ферромагнитным сердечником, обмотку электрического двигателя, жестко закрепленную в средней части конструктивной рамы, во внутреннем окне которой жестко закреплен вакуумный баллон, внутри которого свободно висит ферромагнитный ротор, датчик перемещений, расположенный в нижней части конструктивной рамы, выход которого соединен через устройство регулирования тока в соленоиде магнитного подвеса с выводом соленоида магнитного подвеса, стакан, заполненный вязкой жидкостью и жестко соединенный с конструктивной рамой, в стакане расположена стальная игла с поплавком, ротор выполнен полым, заполнен жидкостью и снабжен в нижней части дистанционным выпускным клапаном.

Конструкция ультрацентрифуги поясняется чертежом. Ферромагнитный полый ротор 1 свободно висит внутри вакуумного баллона 2. Сверху ротора 1 находится соленоид подвеса 3 с ферромагнитным сердечником 4. Ротор 1 находится во внутреннем окне обмотки двигателя 5. Снизу от ротора 1 находится датчик перемещений 6, электрически соединенный с устройством управления током 7 соленоида подвеса 3. Ниже находится стальная игла 8, закрепленная в поплавке 9, который находится в стакане 10, который заполнен вязкой жидкостью.

Вакуумный баллон 2, обмотка электрического двигателя 5, соленоид магнитного подвеса 3, датчик перемещений 6 и стакан 10 жестко закреплены на конструктивной раме 11.

В нижней части полого ротора 1 установлен дистанционный выпускающий клапан 12. Ротор 1 заполнен жидкостью, например водой.

Работа заявляемой ультрацентрифуги происходит следующим образом. Соленоид 3 запитывается током, возникшее магнитное поле, сконцентрированное ферромагнитным сердечником 4, притягивает ферромагнитный ротор 1. Когда зазор между ротором 1 и торцом сердечника 4 будет равен наперед заданной величине, датчик положений 6 подает сигнал на устройство управления током соленоида 7 и оно регулирует ток соленоида 3 до необходимого значения. Далее запитывается обмотка приводного двигателя 5 и ротор 1 начинает вращение. При возникновении колебаний ротора 1 в горизонтальной плоскости ротор 1 за счет магнитной связи со стальной иглой 8 тянет последнюю за собой, а т.к. игла находится на поплавке 9, то энергия горизонтальных колебаний ротора 1 тратится на преодоление вязкостных сил жидкости, которая находится в стакане 10. После достижения ротором 1 максимальной скорости на клапан 12 подается сигнал с передатчика (не показан) на отпирание и жидкость, находящаяся в роторе 1 начинает покидать последний. В результате этого скорость вращения ротора 1 возрастает. Данное увеличение скорости можно объяснить вязкостью вытекающей жидкости. Если бы имелась идеальная жидкость, то ее истечение привело бы к резкому увеличению угловой скорости жидких колец малого радиуса, близких к оси вращения. По мере удаления от оси прирост угловой скорости вследствие истечения быстро затухал бы, и на скорости вращения самого ротора 1 истечение жидкости не сказалось бы. Но под влиянием вязкости различие в угловых скоростях жидких колец разных радиусов будет выравниваться - скорость колец, близких к оси, уменьшится, но зато скорость периферийных колец возрастет. Последнее, в силу граничных условий прилипания, приведет к увеличению скорости вращения всего ротора 1.

Жесткость всей ультрацентрифуги достигается с помощью конструктивной рамы 11.

Как можно заметить, что использование полого ротора с дистанционным выпускным клапаном по сравнению с прототипом позволяет увеличить максимальную скорость вращения ротора.

Ультрацентрифуга, содержащая конструктивную раму, в верхней части которой жестко закреплен соленоид магнитного подвеса со стержневым ферромагнитным сердечником, обмотку электрического двигателя, жестко закрепленную в средней части конструктивной рамы, во внутреннем окне которой жестко закреплен вакуумный баллон, внутри которого свободно висит ферромагнитный ротор, датчик перемещений, расположенный в нижней части конструктивной рамы, выход которого соединен через устройство регулирования тока в соленоиде магнитного подвеса с выводом соленоида магнитного подвеса, стакан, заполненный вязкой жидкостью и жестко соединенный с конструктивной рамой, в стакане расположена стальная игла с поплавком, отличающаяся тем, что ротор выполнен полым, заполнен жидкостью и снабжен в нижней части дистанционным выпускным клапаном.