2.3 Волновой насос

Волновой насос с магнитожидкостным сенсором представлен на рисунке 3. На патрубок 1 устанавливается 5 секций электромагнитных обмоток 2, на которые подаются управляющие напряжения U1 - U5. МЖС 3 представляет собой упругую оболочку из каучука, которая заполнена магнитной жидкостью. При подаче управляющего напряжения на одну из секций (например, на первую U1) у МЖС образуется гребень 1. Подавая последовательно управляющие напряжения на секции обмоток гребень 1 будет перемещаться из положения 1 в положение 3.

Рисунок 3 - Волновой насос с магнитожидкостным сенсором

В данной курсовой работе мы рассматриваем управление только одной обмоткой. Т. о. на входе волнового насоса будет управляющее напряжение U1, а на выходе изменение расхода Q.

Разобьем волновой насос на отдельные блоки:

- электромагнитная обмотка, которая преобразует напряжение U1 в силу f действующую на МЖС;

- преобразователь объемной силы вокруг управляющих обмоток в перемещение L - МЖС;

- прочная часть, которая преобразует перемещение L МЖС в расход Q.

Структурная схема волнового насоса представлена на рисунке 4.

ЭМ - электромагнитная обмотка; МЖС - магнитожидкостный сенсор; ПЧ - проточная часть.

Рисунок 4 - Структурная схема волнового насоса

Найдем передаточную функцию электромагнитной обмотки.

Конструкция ЭМ представляет собой цилиндрическую катушку, многослойную, имеющую длину, существенно меньшую по сравнению с диаметром. Значение максимальной индукции В на оси в центре катушки со средним радиусом r находится из выражения:

где - магнитная индукция, Тл;

- магнитная проницаемость вакуума, Гн/м;

- магнитная проницаемость среды, Гн/м;

- количество витков;

- ток в катушке, А;

r - средний радиус катушки, м.

Магнитная индукция и напряженность Н связаны формулой:

Подставим () в ():

Найдем ток I по закону Ома и подставим в ():

где - напряжение на катушке, В;

- сопротивление катушки, Ом.

Сопротивление катушки определяется выражением:

где - удельное электрическое сопротивление меди, Ом мм2/м;

- средняя длинна витка катушки, м;

- площадь сечения провода, м2.

Средняя длина витка катушки находится по формуле:

где - средний диаметр катушки, м.

Диаметр проточной части насоса принимаем равным 0.04 м тогда примем равным 0,06 м.

Площадь сечения провода найдем по формуле:

Подставим () в и получим:

Подставим () и () в (), и получим:

Таким образом, получена зависимость напряженности поля от напряжения, причем она линейная, а значит, мы можем получить коэффициент преобразования электромагнитной катушки:

Средний радиус r= , тогда формула () примет вид:

Сила действующая на МЖС находится по формуле:

где Гн/м - магнитная постоянная;

- максимальная намагниченность насыщения МЖ, А/м.

Используя формулы и получим:

Примем диаметр провода равным 0,5 мм, максимальную намагниченность насыщения МЖ 50 кА/м, удельное электрическое сопротивление меди Ом мм2/м, тогда получим:

Постоянную времени электромагнита примем Т=0.04. Таким образом, получим передаточную функцию для электромагнита:

Второй блок является основным, поскольку предположительно, что все остальные блоки являются слабоинерционными звеньями в диапазоне времен гидравлических насосов для перекачки низконапорных потоков, характерных для аппаратов искусственное сердце.

Динамика такого блока должна описываться в операторах СРП, поэтому, за основу был возят алгоритм профессора В.В.Власова получения интегральной передаточной функции в СРП /4/. В итоге получена передаточная функция МЖС:

Следующий блок - прочная часть, которая преобразует перемещение L МЖС в расход Q. Изобразим на рисунке 5 МЖС.

Рисунок 5 - Работа МЖС в проточной части насоса

Из рисунка видно, что чем больше гребень 1 тем больший объем жидкости V он вытолкнет из насоса. Нам необходимо найти зависимость этого объема от высоты гребня L.

Площадь поперечного сечения МЖС в зоне гребня находится по формуле:

Площадь поперечного сечения МЖС до гребня и после него находится по формуле:

Площадь поперечного сечения гребня находится по формуле:

Объем выталкиваемый гребнем за 1 проход найдем по формуле:

где l - длинна патрубка, м.

Подставим () в (), получим:

Длину патрубка принимаем: = 0,085 м, также принимаем, что объем V насос перекачивает за 1 с. Тогда расход будет равен объему V. Получим формулу для расхода:

Таким образом, мы нашли зависимость расхода Q от высоты гребня L.

Но данная зависимость нелинейная. Построим график Q(L) приняв, что = 0,085 м, D1=0.01 м.

Рисунок 6 - Статическая характеристика проточной части насоса

Нас интересует точка в близи Q=80 мл/с=.

В этой точке L=0.01802 м.

Т.о. коэффициент преобразования проточной части получим:

WПЧ(p)= .

В итоге передаточная функция волнового насоса примет вид: