Способ управления стрикционным преобразователем

 

Изобретение относится к электротехнике, автоматике и ультразвуковой технике, может быть использовано в силовых преобразователях микроперемещений, электроакустических преобразователях, шаговых устройствах. Цель изобретения - повышение КПД преобразователя. Согласно изобретению, дополнительно к операции формирования продольного управляющего поля на преобразователе в зависимости от требуемого перемещения, формируют поперечное поле, которое отстоит во времени на π/2 относительно продольного управляющего поля. Совокупность таких полей позволяет уменьшить потери преобразователя на гистерезис и вихревые токи, а также повысить полезную мощность. 5 ил.

Изобретение относится к электротехнике, автоматике и ультразвуковой технике и может быть использовано в силовых преобразователях микроперемещений, электроакустических преобразователях, шаговых устройствах. Известен способ управления пьезомагнитным стержнем шагового двигателя, заключающийся в формировании величины импульса управляющего воздействия в обмотке стержня в зависимости от требуемого шага перемещения. Недостаток такого способа заключается в присутствии остаточных деформаций в низком КПД из-за потерь на гистерезис, вихревые токи и низкая выходная мощность преобразователя. Наиболее близким к предлагаемому способу является способ управления пьезопреобразователем шагового двигателя, заключающийся в формировании величины напряжения на пьезопреобразователе в зависимости от требуемого шага перемещения. Этот способ управления обладает низким КПД из-за наличия высоких потерь на гистерезис и невысокой выходной мощностью преобразователя. Цель изобретения - повышение КПД преобразователя. Поставленная цель достигается тем, что формируют дополнительное поперечное управляющее поле, отстающее во времени на π/2 относительно продольного управляющего поля. Способ основан на следующем. Правило четных эффектов Акулова для стрикционного материала можно представить в виде: ε_┴= -ν_aλ_п, где λ_п - стрикционная деформация в направлении приложенного поля; ε_┴- механическая деформация в направлении, перпендикулярном, направлению приложенного поля; ν_a= - 1 - коэффициент Пуассона стрикционного материала, находящегося под влиянием (электрического или магнитного) поля; E_a=E/(1-K_м²) - модуль упругости в направлении приложенного поля; σ - модуль упругости в направлении, перпендикулярном направлению приложенного поля; E - модуль упругости, измеренный в том же направлении, что и E_a, но без наличия поля; K_м² - коэффициент магнитомеханической связи. Для магнитострикционного сплава 49КФ E_a=2,1˙10¹¹H/м²,E=1,7˙10¹¹H/м², σ=0,7˙10¹¹H/м² (H=1000A/м)
ν_a=0,5. Будем считать направление, в котором происходит перемещение, продольным, а перпендикулярное ему - поперечным. С помощью поперечного управляющего поля можно обеспечить следующее условие ε_┴≥ε_r, в котором поле, приложенное в поперечном направлении к стрикционному элементу, осуществляющему продольное прецизионное перемещение, создает в продольном направлении относительную стрикционную деформацию ε_┴, величина которой перекрывает остаточные продольные деформацииε_r после снятия продольного поля. При ε_┴=ε_r устраняется механический гистерезис за счет снятия остаточных деформаций до нуля, а при ε_┴>ε_r увеличивается выходная мощность преобразователя. Это ведет к повышению КПД. η =
P_Σ=P_мех+P_г+P_эл, где P_Σ - суммарные потери;
P₂ - полезная выходная мощность;
P_мех - механические потери (вязкое трение среды, трение в опорах);
P_эл- электические потери,
P_эл≃ 0;
P_г - потери на гистерезис, определяемые площадью механической петли, которые уменьшаются за счет снятия остаточных деформаций поперечным полем. Нелинейность такой механической характеристики можно уменьшить сжатием или растяжением стрикционного элемента в зависимости от знака его продольной стрикционной деформации. На полученной таким способом ε_┴=ε_r , линеаризованной механической характеристике стрикционного элемента можно осуществлять линейный режим работы, при котором форма выходного перемещения не будет искажаться под влиянием гистерезиса и не зависеть от частоты управляющего воздействия. Полезная мощность P₂ для магнитострикционных устройств пропорциональна магнитострикционной силе F_м и величине перемещения Δ
P₂= где F_дин=F_м-F_y-F_д+F_c - динамическое усилие;
t - время перемещения;
F_y - сила упругости;
F_д - демпфирующее усилие;
F_c - поджимающее (растягивающее) усилие. При действии продольного и поперечного магнитных полей, сдвинутых на π /2
F_M^*=(d_M+ν_ad_M)E_a˙S˙H, где d_M - продольный пьезомагнитный модуль;
ν_a d_M - поперечный пьезомагнитный модуль;
S= S_прод= S_поп - площади сечений магнитострикционного элемента в продольном и поперечном направлениях;
H=H_прод=H_поп - продольная и поперечная напряженности магнитных полей. Для сплава 49КФ ν_a =0,5, тогда
F_M^*= 1,5d_M˙E_a˙S˙H= 1,5˙F_M и магнитострикционное перемещение будет равно Δ^*=1,5˙Δ. Если F_c=0, тогда полезная мощность
P₂^*=(F_M^*-F_y-F_д)˙Δ^*/t а два раза больше полезной мощности P₂ от действия на магнитострикционный элемент только продольного магнитного поля. Если F_c≠0, то Δ^**≃2˙Δ, F_M^**≃2˙F_M и тогда полезная мощность P₂^** будет в четыре раза больше полезной мощности P₂. Способ управления, когда ε_┴>ε_r, позволяет в полном объеме использовать существующие возможности стрикционного элемента, осуществляющего продольные перемещения. На фиг. 1 изображен один из вариантов устройства, реализующего способ управления; на фиг. 2 - разрез магнитострикционного преобразователя; на фиг. 3 - продольная развертка намагничивающей системы; на фиг. 4 - графики зависимостей U_прод=f(ωt) и U_поп=f(ωt), совмещенные угловые зависимости продольного и поперечного электрических полей: Δ_прод =f(U_пр) и Δ_поп=f(U_поп), совмещенные зависимости петель электромеханического гистерезиса пьезоэлемента в продольном (APMBRNA - штрих) и поперечном (A^'P^'M^'B^'R^'N^'A^' - штрихпунктир) направлениях: Δ_прод=f(ωt) угловая зависимость продольной механической деформации, полученная отражением зависимостей U_прод=f(ωt) и U_поп= f(ωt) от результирующей продольной электромеханической кривой ОАОВО; ОА^'OB^'O - результирующая поперечная электромеханическая кривая; на фиг. 5 - зависимость при синусоидальном управлении и снятии остаточных деформаций H_прод= f(ωt) и H_поп=f(ωt), совмещенные временные зависимости продольной и поперечной напряженностей магнитного поля; ε_прод=f(H_прод) и ε_поп=f(H_поп), совмещенные зависимости петель механического гистерезиса магнитострикционного элемента в продольном (AECDEFA - штрих) и поперечном (A^'E^'C^'D^'E^'F^'A^' - штрихпунктир) направлениях; ε_прод=f(ωt) - угловая зависимость продольной механической деформации, полученная отражением зависимостей H_прод=f(ωt) и H_поп=f(ωt)от результирующей продольной магнитомеханической кривой OAODO. Устройство, реализующее способ управления (фиг. 1) магнитострикционным преобразователем, содержит управляющее устройство (ЭВМ) 1, ждущий генератор 2, линию задержки (фазовращатель) 3 на π /2, ключи 4, блок сравнения и усилители мощности 5, продольную (цилиндрическую) обмотку 6 и поперечную (тороидальную) обмотку 7 магнитострикционного преобразователя. Магнитострикционный преобразователь по фиг. 2 и 3 состоит из магнитострикционного элемента 8, намагничивающей системы 9 с обмотками 6 и 7 и нагрузки 10. В такой конструкции намагничивающей системы от витков тороидальной и цилиндрической обмоток в соседних продольных рядах зубцов (например, ряд зубцов 11 и ряд зубцов 12, фиг. 3) создаются правовинтовые (или левовинтовые) и левовинтовые (или правовинтовые) знакопеременные магнитные потоки, которые в результате их некоторого сложения закручивание магнитострикционного элемента не дадут. Устройство, реализующее способ управления, работает следующим образом. По фронту запускающего импульса α запускается ждущий генератор 2, настроенный на определенную частоту, гармонический сигнал которого поступает через ключ 4 в блок сравнения и усилителя мощности 5, а оттуда в цилиндрическую обмотку 6. Тот же сигнал с генератора 2, задержанный на π/2 в линии задержки 3, проходит через свой ключ 4, блок 5 в тороидальную обмотку 7. Исходное состояние ключей 4 замкнутое. Блок 5 вырабатывает сигнал сравнения j двух управляющих воздействий, который совместно с сигналом обратной связи σ (например, с датчика перемещений, таймера) поступает в устройство 1, которое вырабатывает сигнал δ на отключение ключей 4 продольного и поперечного воздействий. Способ управления стрикционными преобразователями состоит в следующем. Под действием гармонического продольного управляющего поля и гармонического поперечного управляющего поля, отстающего на π /2 от продольного поля, стрикционный элемент совершает продольные механические колебания. Если величина поперечного поля подобрана так, что достигается равенство ε_⊥= ε_r, то стрикционный элемент будет совершать колебания без механического гистерезиса. По фиг. 4 рабочая точка пьезоэлемента в продольном направлении перемещения будет совершать движение по петле OAOBO, а в поперечном направлении - по петле OA^'OB^'O. Для магнитострикционного элемента рабочая точка в продольном направлении будет совершать движение по петле OAODO, а в поперечном направлении - по петле O^'D^'O^'A^'O^'. Если же ε_⊥= ε_r, то увеличивается диапазон перемещения (продольного) за счет поперечной деформации стрикционного элемента и увеличивается полезная мощность преобразователя. Гармонические колебания продольного и поперечного полей пьезоэлемента и магнитострикционного элемента прекращаются в момент времени, когда достигается равенство U_прод= U, U_прод= U . В момент снятия поперечного и продольного полей возникают свободные колебания поперечной и продольной деформаций, противоположных по знаку согласно правилу Акулова, при этом максимумы перерегулирований продольной ζ_II и поперечной ζ_⊥ свободных колебаний будут связаны соотношением ζ_⊥= - . Полностью активно задемпфировать продольный переходный процесс, соблюдая вышеприведенные соотношения, можно лишь при условии равенства продольной и поперечной частот свободных колебаний (ω_M=ω_прод=ω_поп):
ω_М= ω_прод= = = ω_поп где m_прод=ρS_прод l_м - масса магнитострикционного элемента - трубки в продольном направлении;
m_поп= ρS_поп2π r_ср - масса стрикционного элемента в поперечном направлении;
r_ср - средний радиус стрикционного элемента;
ρ - плотность стрикционного элемента;
l_м - длина стрикционного элемента;
K - коэффициент упругости в поперечном направлении;
K - коэффициент упругости в продольном направлении. Из соотношения равенства частот колебаний следует r_ср= l_м. Таким образом, предлагаемый способ управления стрикционным преобразователем позволяет уменьшить его потери на гистерезис и вихревые токи, а также повысить полезную мощность и диапазон перемещения, что приводит к повышению КПД преобразователя.

Формула изобретения

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СТРИКЦИОННЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ, заключающийся в формировании продольного управляющего поля на преобразователе в зависимости от требуемого перемещения, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД преобразователя, дополнительно формируют поперечное управляющее поле, отстающее во времени на π/2 относительно продольного управляющего.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5