Магнитомеханический преобразователь и способ управления им

 

Использование: в электротехнике и средствах автоматики.Сущность изобретения: в магнитомеханическом преобразователе, содержащем магнитную систему с источником магнитного поля и сердечник из магнитострикционного материала, источник магнитного поля выполнен в виде постоянного магнита, а сердечник и магнитная система установлены с возможностью относительного вращения. Управление магнитомеханическим преобразователем осуществляется за счет изменения магнитного потока в сердечнике при вращении магнитной системы, при котором направление магнитного поля в сердечнике изменяется от продольного относительно механической оси сердечника до поперечного относительно той же оси. В предлагаемой конструкции в процессе реализации заявленного способа управления при изменении координаты толкателя потребляемая мощность соответствует мощности двигателя, обеспечивающего поворот или непрерывное вращение магнитной системы. При поддержании координаты толкателя в заданном положении (при работе в режиме позиционера) система не потребляет мощность от внешнего источника энергии, т.е. не требует дополнительных энергозатрат. Предусмотрены различные конструктивные варианты как самого магнитомеханического преобразователя, так и его магнитной системы, предназначенные для соответствующих схем управления. Кроме того, предусмотрен вариант выполнения сердечника, позволяющий в два раза увеличить диапазон линейного перемещения толкателя без увеличения длины сердечника и магнитостикционных свойств материала последнего. 2 с. и 29 з.п.ф-лы, 78 ил.

Изобретение относится к электротехнике и средствам автоматики и может быть использовано в качестве задатчика регулируемых перемещений, преимущественно, для прецизионного позиционирования исполнительных элементов машин и механизмов, а именно в прецизионных манипуляторах, в адаптивной оптике, для управления перемещением лазерного луча в обрабатывающих центрах, для перемещения обрабатывающего инструмента в станках, перемещения ножа микротома, поворота образца в прецизионных кристаллографических рентгеновских установках, перемещения иглы в туннельном микроскопе, предметного стола в туннельном и электронном микроскопах, в прецизионных дозаторах, в клапанах для управления расходом газообразных и жидких химических реагентов, при изготовлении шаблонов гибридных микросхем, в клапанах гидравлических и пневматических систем и т.д.

Кроме того, магнитомеханический преобразователь может быть использован в различных устройствах, работающих в режиме вибрации, например, в металлообрабатывающих станках для упрочнения поверхности деталей наклепом, выглаживанием, для облегчения процессов сверления, резания, в вибронасосах, в ручном строительном инструменте для пробивки отверстий в бетоне и горных породах, в технологическом оборудовании, например в вибростанках для изготовления строительных бетонных блоков, в технологии стимулирования отдачи нефтяных и газовых скважин и т.д.

Известен магнитомеханический преобразователь, содержащий обмотку возбуждения и магнитострикционный сердечник, выполненный из соединения редкоземельный металл железо [1] Величина перемещений подвижной части известного преобразователя относительно невелика. Кроме того, использование источника магнитного поля в виде электрической обмотки возбуждения требует значительного электропотребления для поддержания заданных параметров магнитного поля в процессе эксплуатации, что осложняет использование преобразователя в режиме позиционирования или вибрации.

Известен магнитомеханический преобразователь, содержащий магнитную систему с источником магнитного поля в виде электрической обмотки возбуждения и сердечник из магнитострикционного материала с проходящей через его геометрический центр в направлении перемещения исполнительного элемента механической осью, расположенный с зазором относительно источника магнитного поля и состоящий по меньшей мере из одного элемента, при этом исполнительный элемент связан с сердечником с возможностью перемещения. Механическая ось сердечника в известном устройстве ориентирована в направлении продольной оси сердечника [2] Способ управления данным известным магнитомеханическим преобразователем с магнитной системой, включающей источник магнитного поля, и сердечником из магнитострикционного материала, состоящим по меньшей мере из одного элемента, заключается в изменении магнитного потока в сердечнике путем изменения величины тока в обмотке возбуждения магнитной системы.

К основным недостаткам известных из [2] технических решений как в части способа управления, так и в части устройства, следует отнести высокое энергопотребление источника магнитного поля, поскольку для поддержания необходимых параметров магнитного поля при установлении и сохранении заданных линейных размеров сердечника требуется постоянное пропускание электрического тока через обмотку возбуждения источника магнитного поля. Более того для известных технических решений характерен дополнительный нагрев магнитной системы и материала сердечника, что приводит к необходимости создания сложной системы охлаждения и температурной компенсации изменения линейных размеров сердечника.

Изложенное является причиной увеличения массогабаритных показателей устройства в целом и не позволяет обеспечить достаточную точность при использовании известных магнитомеханических преобразователей в системах прецизионного позиционирования. Кроме того, высокое энергопотребление осложняет использование преобразователя в режиме вибратора.

Основной технической задачей изобретения является снижение энергоемкости и массогабаритных показателей магнитомеханического преобразователя при одновременном увеличении диапазона и дискретности изменения линейных размеров сердечника при тех же по отношению к прототипу энергозатратах, а также обеспечение возможности работы преобразователя в режиме вибратора.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в отношении объекта "устройство": в магнитомеханическом преобразователе, содержащем установленные в корпусе состоящую по меньшей мере из одной части магнитную систему с источником магнитного поля и сердечник с проходящей через его геометрический центр механической осью, расположенный с зазором относительно источника магнитного поля, и состоящий по меньшей мере из одного элемента из магнитострикционного материала, а также исполнительный элемент, связанный с сердечником с возможностью перемещения относительно корпуса, при этом механическая ось сердечника ориентирована в направлении перемещения исполнительного элемента, согласно изобретения источник магнитного поля выполнен в виде по меньшей мере одного постоянного магнита, а сердечник и по меньшей мере одна часть магнитной системы установлены с возможностью относительного вращения вокруг оси, расположенной непараллельно по отношению к механической оси сердечника и/или вектору напряженности магнитного поля магнитной системы в геометрическом центре по меньшей мере одного элемента сердечника.

Ось относительного вращения магнитной системы и сердечника преимущественно должна проходить через геометрический центр последнего.

Ось относительного вращения магнитной системы и сердечника преимущественно должна быть расположена перпендикулярно по отношению к механической оси сердечника и вектору напряженности магнитного поля магнитной системы в геометрическом центре по меньшей мере одного элемента сердечника.

Зона расположения геометрического центра, по меньшей мере одного элемента сердечника в исходном положении преимущественно должна быть совмещена с одной из зон магнитной системы, соответствующей максимуму напряженности магнитного поля этой системы.

Сердечник может быть выполнен из материала с магнитной текстурой и/или магнитной анизотропией.

Магнитная система может быть дополнительно снабжена магнитопроводом, а источник магнитного поля установлен на последнем со стороны расположения сердечника.

Магнитная система может быть выполнена зеркально-симметричной по отношению к плоскости, расположенной перпендикулярно оси относительного вращения магнитной системы и сердечника.

Источник магнитного поля может быть выполнен в виде группы постоянных магнитов, расположенных в одной плоскости таким образом, что вектора намагниченности по меньшей мере двух смежных магнитов ориентированы в противоположных направлениях.

При выполнении магнитной системы зеркально-симметричной источник магнитного поля может быть выполнен в виде по меньшей мере двух групп постоянных магнитов, которые в каждой группе расположены в одной плоскости таким образом, что вектора намагниченности по меньшей мере двух смежных магнитов ориентированы в противоположных направлениях, каждая последующая группа расположена зеркально-симметрично по отношению к предыдущей относительно плоскости, ориентированной перпендикулярно оси относительного вращения магнитной системы и сердечника, а сердечник состоит из отдельных параллельно расположенных элементов, количество которых равно n-1, где n число групп постоянных магнитов, при этом крайние группы постоянных магнитов снабжены магнитопроводами, установлены на последних со стороны соответствующих элементов сердечника и выполнены с толщиной, в направлении оси вращения в два раза меньшей по отношению к любой из промежуточных групп.

Сердечник может быть выполнен в виде двух элементов из магнитострикционного материала, между которыми последовательно вдоль механической оси сердечника расположена вставка из материала с модулем и пределом упругости, по крайней мере не меньшими по величине относительно модуля и предела упругости соответственно любого смежного с ним элемента сердечника из магнитострикционного материала. В этом случае магнитострикционный материал одного из элементов сердечника может иметь положительную магнитострикцию, а другой положительную или отрицательную магнитострикцию.

Сердечник может быть выполнен в виде двух параллельно расположенных, конструктивно идентичных групп элементов, а ось относительного вращения магнитной системы и сердечника расположена в зазоре между ними.

В качестве магнитострикционного материала элемента сердечника может быть использован сплав с гигантской магнитострикцией, в частности TbFe₂ и/или SmFe₂.

При выполнении сердечника из материала с магнитной текстурой и/или магнитной анизотропией механическую ось сердечника целесообразно располагать параллельно оси легчайшего намагничивания материала сердечника и вектору напряженности магнитного поля в точке расположения геометрического центра по меньшей мере одного элемента сердечника в исходном рабочем положении. При этом сердечник может быть выполнен вытянутой формы, а механическая ось сердечника расположена параллельно продольной оси последнего. Кроме того, сердечник может быть выполнен вытянутой формы, а механическая ось сердечника расположена перпендикулярно продольной оси последнего. Как частный вариант сердечник может иметь прямоугольную форму. В одном из вариантов сердечник может быть выполнен многолучевой формы, а исполнительный элемент в виде дискретных частей, количественно соответствующих количеству лучей, каждая из которых кинематически связана с соответствующим лучом сердечника.

Кроме того, сердечник может быть выполнен в виде кольца, а исполнительный элемент установлен в контакте с сердечником, по меньшей мере в одной точке наружной цилиндрической поверхности последнего.

При выполнении источника магнитного поля в виде групп постоянных магнитов каждая группа постоянных магнитов источника магнитного поля может быть выполнена в виде диска, а постоянные магниты в группе в виде секторов.

Каждая группа постоянных магнитов источника магнитного поля может быть выполнена крестообразной формы, постоянные магниты в группах прямоугольной формы, сердечник выполнен с длиной, не менее чем на порядок превышающей его ширину в плоскости, параллельной обращенной к нему поверхности источника магнитного поля.

Кроме того, каждая группа постоянных магнитов источника магнитного поля может быть выполнена прямоугольной формы, а сердечник выполнен с длиной, большей или равной его ширине в плоскости, параллельной обращенной к нему поверхности источника магнитного поля.

Магнитомеханический преобразователь может быть снабжен рамкой с выполненными в ней направляющими средствами, установленной центрально симметрично по отношению к оси относительного вращения магнитной системы и сердечника, а последний выполнен в виде по меньшей мере одной пары расположенных параллельно один другому элементов, установленных в направляющих средствах рамки по обе стороны от оси вращения, при этом одни противоположные концы оппозитно расположенных элементов сердечника в каждой паре установлены с упором их торцов во внутреннюю поверхность рамки, второй конец одного из элементов пары кинематически связан с исполнительным элементом, а второй конец другого элемента пары установлен в контакте его торца с опорным выступом корпуса.

В отношении объекта способ: в способе управления магнитомеханическим преобразователем с состоящей по меньшей мере из одной части магнитной системой, включающей источник магнитного поля, и сердечником, состоящим по меньшей мере из одного элемента из магнитострикционного материала, заключающемся в изменении магнитного потока в сердечнике, согласно изобретению изменение магнитного потока в сердечнике осуществляют посредством относительного вращения, по меньшей мере одной части магнитной системы и сердечника вокруг оси, расположенной непараллельно по отношению к механической оси сердечника и/или к вектору напряженности магнитного поля магнитной системы в геометрическом центре по меньшей мере одного элемента сердечника.

При этом относительное вращение магнитной системы целесообразно осуществлять реверсивно в пределах угла поворота от 0 до 180^о.

Относительное вращение зеркально-симметрично расположенных элементов магнитной системы можно осуществлять синхронно, асинхронно или в противоположных направлениях с одинаковой частотой.

Относительное вращение магнитной системы и сердечника можно осуществлять путем перемещения геометрического центра по меньшей мере одного элемента сердечника из зоны магнитной системы, соответствующей максимуму напряженности продольного относительно обращенной к сердечнику поверхности магнитной системы магнитного поля этой системы в зону, соответствующую ближайшему максимуму напряженности поперечного относительно той же поверхности магнитной системы магнитного поля.

Относительное вращение магнитной системы и сердечника можно также осуществлять из положения, в котором механическая ось сердечника расположена параллельно вектору напряженности магнитного поля магнитной системы в геометрическом центре по меньшей мере одного элемента сердечника в положение, в котором механическая ось последнего расположена перпендикулярно вектору напряженности магнитного поля магнитной системы в геометрическом центре первоначально упомянутого элемента сердечника.

На фиг. 1 показан вариант выполнения магнитомеханического преобразователя, у которого сердечник и магнитная система установлены с возможностью относительного вращения, при этом магнитная система выполнена в виде двух соединенных между собой роторов, а сердечник представляет собой два прямоугольных параллелепипеда, расположенных параллельно по обе стороны от оси вращения роторов; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 вариант выполнения магнитомеханического преобразователя, у которого сердечник и магнитная система установлены с возможностью относительного реверсивного поворота на угол не менее 45^о по и против часовой стрелки, при этом сердечник представляет собой единый прямоугольный параллелепипед, а магнитная система выполнена в виде двух роторов; на фиг. 4 разрез Б-Б на фиг. 3; на фиг. 5 вариант выполнения магнитомеханического преобразователя, у которого сердечник и магнитная система установлены с возможностью относительного вращения, при этом сердечник представляет собой прямоугольный параллелепипед, основанием которого является квадрат с отверстием для оси вращения магнитной системы, выполненной в виде двух роторов, а исполнительный элемент выполнен в виде дискретных частей, число которых равно числу боковых граней параллелепипеда; на фиг. 6 -вариант выполнения магнитомеханического преобразователя, у которого сердечник и магнитная система установлены с возможностью относительного вращения, при этом сердечник представляет собой параллельно расположенные прямоугольные параллелепипеды, основанием которых является квадрат с отверстием для оси вращения магнитной системы, исполнительный элемент выполнен в виде дискретных частей, число которых равно числу боковых граней всех элементов сердечника, а магнитная система выполнена в виде роторов, закрепленных на одной оси вращения, причем магнитопроводами снабжены только крайние роторы магнитной системы, источники магнитного поля которых выполнены с толщиной, в 2 раза меньшей толщины источников магнитного поля промежуточных роторов; на фиг. 7 разрез В-В на фиг. 5 и фиг. 6; на фиг. 8 вариант выполнения магнитомеханического преобразователя, у которого сердечник и магнитная система установлены с возможностью относительного вращения, при этом сердечник выполнен составным и представляет собой последовательно расположенные чередующиеся прямоугольные параллелепипеды с отверстиями для осей вращения магнитной системы и без отверстий, а магнитная система выполнена в виде двух групп элементов, каждая из которых состоит из двух роторов с общей осью вращения, причем элементы магнитной системы в группах вращаются с одинаковой частотой в одном и том же направлении; на фиг. 9 разрез Г-Г на фиг. 8; на фиг. 10 вариант выполнения магнитомеханического преобразователя, у которого сердечник и магнитная система установлены с возможностью относительного вращения, при этом сердечник представляет собой два расположенных параллельно прямоугольных параллелепипеда, а магнитная система выполнена в виде двух роторов, которые вращаются с одинаковой частотой в противоположных направлениях; на фиг. 11 разрез Д-Д на фиг. 10; на фиг. 12 разрез Е-Е на фиг. 10; на фиг. 13 возможный вариант выполнения сердечника, предназначенного для варианта исполнения магнитомеханического преобразователя по фиг. 1 и 2, и магнитострикционной части сердечника, геометрический центр которой совпадает с осью вращения по фиг. 8-9, и состоящего из двух последовательно расположенных магнитострикционных элементов, между которыми последовательно расположен вдоль механической оси сердечника элемент из материала с модулем и пределом упругости, не меньшим по величине модуля и предела упругости соответственно любого магнитострикционного элемента сердечника; на фиг. 14 возможный вариант выполнения сердечника многолучевой формы, предназначенный для вариантов магнитомеханического преобразователя по фиг. 5-7; на фиг. 15 возможный вариант выполнения сердечника в виде кольца, предназначенный для вариантов магнитомеханического преобразователя по фиг. 5-7; на фиг. 16 рамка с расположенным в ней сердечником из четырех элементов, установленных в ней параллельно друг другу попарно по обе стороны оси вращения магнитной системы и упирающихся одним торцом в рамку, а другим в торцы подвижных элементов, расположенных в рамке, предназначенная для возможного использования в качестве силового узла в конструкциях по фиг. 1-4, 10-12; на фиг. 17 разрез Ж-Ж на фиг. 15; на фиг. 18 разрез З-З на фиг. 15; на фиг. 19 изометрия рамки по фиг. 15; на фиг. 20 схема магнитной системы, выполненной в виде плоского постоянного магнита с конгруэнтным магнитопроводом; на фиг. 21 схема зеркально-симметричной магнитной системы, выполненной из двух плоских постоянных магнитов с конгруэнтными магнитопроводами с общей осью вращения; на фиг. 22 и 23 схема управления магнитомеханическим преобразователем, предполагающая предварительное размещение геометрического центра, по меньшей мере одного элемента сердечника в максимуме напряженности продольного по отношению к механической оси сердечника магнитного поля магнитной системы по фиг. 20 или 21 и предусматривающая последующее относительное вращение сердечника и магнитной системы на угол 90^о; на фиг. 24 схема магнитной системы, выполненной из двух плоских постоянных магнитов, расположенных в одной плоскости, с конгруэнтным магнитопроводом, причем вектора намагниченности каждого из постоянных магнитов ориентированы в противоположных направлениях; на фиг. 25 схема зеркально-симметричной магнитной системы, выполненной из двух пар плоских постоянных магнитов с конгруэнтными магнитопроводами, причем вектора намагниченности смежных магнитов в каждой из пар и оппозитно расположенных магнитов ориентированы в противоположных направлениях, а магнитопроводы имеют общую ось вращения; на фиг. 26 и 27 схема управления магнитомеханическим преобразователем, предполагающая предварительное размещение геометрического центра по меньшей мере одного элемента сердечника в максимуме напряженности продольного по отношению к механической оси сердечника магнитного поля магнитной системы по фиг. 24 или 25 и предусматривающая последующее относительное вращение сердечника и магнитной системы на угол 90^о; на фиг. 28 схема магнитной системы, выполненной из четырех плоских постоянных магнитов, расположенных в одной плоскости, с конгруэнтным магнитопроводом, причем вектора намагниченности каждого из постоянных магнитов, примыкающих к оси вращения, ориентированы в противоположных направлениях, а вектора намагниченности каждого из постоянных магнитов, прилегающих к указанным, имеют с их векторами напряженности одинаковое направление; на фиг. 29 схема зеркально-симметричной магнитной системы, выполненной крестообразной формы из двух групп, каждая из которых состоит из четырех плоских постоянных магнитов, расположенных в одной плоскости, с конгруэнтным магнитопроводом, причем в одной группе вектора намагниченности каждого из постоянных магнитов, примыкающих к оси вращения, ориентированы в противоположных направлениях, а вектора намагниченности каждого из постоянных магнитов, прилегающих к указанным, имеют с их векторами намагниченности одинаковое направление, при этом вектора намагниченности оппозитно расположенных магнитов разных групп ориентированы в противоположных направлениях, а магнитопровода имеют общую ось вращения; на фиг. 30 и 31 схема управления магнитомеханическим преобразователем, предполагающая предварительное размещение геометрического центра по меньшей мере одного элемента сердечника в максимуме напряженности продольной по отношению к механической оси сердечника магнитного поля магнитной системы по фиг. 28 или 29 и предусматривающая последующее относительное вращение сердечника и магнитной системы на угол 90^о; на фиг. 32 схема магнитной системы, выполненной из трех плоских постоянных магнитов с общим конгруэнтным магнитопроводом; на фиг. 33 схема зеркально-симметричной магнитной системы, выполненной из двух групп, состоящих из трех плоских постоянных магнитов с общим конгруэнтным магнитопроводом, причем магнитопроводы имеют общую ось вращения; на фиг. 34 и 35 схема управления магнитомеханическим преобразователем, предусматривающая предварительное размещение геометрического центра по меньшей мере одного элемента сердечника в максимуме напряженности продольного по отношению к механической оси сердечника магнитного поля магнитной системы по фиг. 32 или 33 и последующее перемещение упомянутого геометрического центра в максимум поперечного по отношению к механической оси сердечника магнитного поля этой же магнитной системы (или наоборот) путем относительного поворота на угол, кратный 180^о; на фиг. 36 и 37 схема управления магнитомеханическим преобразователем, предполагающая предварительное размещение геометрического центра по меньшей мере одного элемента сердечника в максимуме напряженности поперечного по отношению к механической оси сердечника магнитного поля магнитной системы по фиг. 32 или 33 и последующее перемещение упомянутого геометрического центра в максимум продольного по отношению к механической оси сердечника магнитного поля этой же магнитной системы (или наоборот) путем относительного поворота на угол, кратный 180^о; на фиг, 38 вариант схемы магнитной системы, выполненной из трех плоских постоянных магнитов с общим конгруэнтным магнитопроводом; на фиг. 39 вариант схемы частично зеркально-симметричной магнитной системы, выполненной из двух групп, состоящих из трех плоских постоянных магнитов с общим конгруэнтным магнитопроводом; на фиг. 40 и 41 схема управления магнитомеханическим преобразователем, предусматривающая предварительное размещение геометрического центра по меньшей мере одного элемента сердечника в максимуме напряженности продольного по отношению к механической оси сердечника магнитного поля магнитной системы по фиг. 38 или 39 и последующее относительное перемещение упомянутого геометрического центра в максимум напряженности поперечного по отношению к механической оси сердечника магнитного поля (или наоборот) посредством поворота на угол, кратный 180^о; на фиг. 42 и 43 варианты схем магнитных систем, выполненных из одного или двух зеркально-симметрично расположенных соответственно постоянных магнитов прямоугольной формы без магнитопроводов; на фиг. 44 и 45 схема управления магнитомеханическим преобразователем, предполагающая предварительное размещение геометрического центра, по меньшей мере одного элемента сердечника в максимуме напряженности продольного по отношению к механической оси сердечника магнитного поля магнитных систем по фиг. 42 и 43 соответственно и предусматривающая последующее относительное вращение сердечника и магнитной системы на угол, кратный 90^о; на фиг. 46 49, схемы управления магнитомеханическим преобразователем с вариантами схем магнитных систем по фиг. 32 и 33, 38 и 39 соответственно при выполнении сердечника из трех последовательно расположенных элементов (из материалов с положительной, нулевой и отрицательной магнитострикцией), посредством относительного поворота на угол, кратный 180^о; на фиг. 50 схема магнитной системы, выполненной из двух пар плоских постоянных магнитов с конгруэнтными магнитопроводами, причем одна пара постоянных магнитов имеет возможность вращения относительно второй; на фиг. 51 и 52 схема управления магнитомеханическим преобразователем с вариантом схемы магнитной системы по фиг. 50; на фиг. 53 изображенная в перспективе схема магнитной системы из секторных постоянных магнитов, позволяющая обеспечить четыре полных цикла перемещения толкателя за один оборот магнитной системы; на фиг. 54 разрез И-И на фиг. 53; на фиг. 55 разрез К-К на фиг. 53; на фиг. 56 и 57 схема управления магнитомеханическим преобразователем с вариантом магнитной системы по фиг. 53, предполагающая предварительное размещение геометрических центров элементов сердечника, изображенного в проекции на часть магнитной системы по фиг. 54 в максимумах напряженности продольного по отношению к механической оси сердечника магнитного поля магнитной системы и последующее относительное перемещение упомянутых геометрических центров в максимум напряженности магнитного поля, поперечного по отношению к той же оси; на фиг. 58 зависимость перемещения толкателя от угла поворота магнитной системы при ее непрерывном вращении; на фиг. 59 изображенная в перспективе схема магнитной системы из секторных постоянных магнитов, позволяющая обеспечить два полных цикла перемещения толкателя за один оборот магнитной системы; на фиг. 60 разрез Л-Л на фиг. 59; на фиг. 61 разрез М-М на фиг. 59; на фиг. 62 и 63 схема управления магнитомеханическим преобразователем с вариантом магнитной системы по фиг. 59, предполагающая предварительное размещение геометрических центров элементов сердечника, изображенного в проекции на часть магнитной системы по фиг. 60 в максимумах напряженности продольного по отношению к механической оси сердечника магнитного поля магнитной системы и последующее относительное перемещение упомянутых геометрических центров в максимум напряженности поперечного магнитного поля по отношению к той же оси; на фиг. 64 зависимость перемещения толкателя от угла поворота магнитной системы при ее непрерывном вращении; на фиг. 65 изображенная в перспективе схема магнитной системы из секторных постоянных магнитов, позволяющая обеспечить четыре полных цикла перемещения толкателя за один оборот магнитной системы; на фиг. 66 разрез Н-Н на фиг. 65; на фиг. 67 разрез О-О на фиг. 65;на фиг. 68 и 69 схема управления магнитомеханическим преобразователем с вариантом магнитной системы по фиг. 65, предполагающая предварительное размещение геометрических центров элементов сердечника, изображенного в проекции на часть магнитной системы по фиг. 66 в максимумах напряженности продольного по отношению к механической оси сердечника магнитного поля магнитной системы и последующее относительное перемещение упомянутых геометрических центров в максимум напряженности поперечного магнитного поля по отношению к той же оси; на фиг. 70 зависимость перемещения толкателя от угла поворота магнитной системы при ее непрерывном вращении; на фиг. 71 изображенная в перспективе схема магнитной системы из секторных постоянных магнитов, позволяющая обеспечить восемь полных циклов перемещения толкателя за один оборот магнитной системы; на фиг. 72 вид по стрелке П на фиг. 71; на фиг. 73 вид по стрелке Р на фиг. 71; на фиг. 74 и 75 схема управления магнитомеханическим преобразователем с вариантом магнитной системы по фиг. 71, предполагающая предварительное размещение геометрических центров элементов сердечника, изображенного в проекции на часть магнитной системы по фиг. 71 в максимумах напряженности продольного по отношению к механической оси сердечника магнитного поля магнитной системы и последующее относительное перемещение упомянутых геометрических центров в максимум напряженности поперечного по отношению к той же оси магнитного поля; на фиг. 76 зависимость перемещения толкателя от угла поворота магнитной системы при ее непрерывном вращении; на фиг. 77 петля гистерезиса перемещения толкателя при реверсивном повороте магнитной системы на угол от 0 до 90^о при конструктивном исполнении преобразователя по фиг. 1 и 2 со схемой магнитной системы по фиг. 25 для примера конкретной реализации; на фиг. 78 зависимость перемещения толкателя от угла поворота магнитной системы при ее непрерывном синхронном вращении при конструктивном исполнении преобразователя по фиг. 1 и 2 со схемой магнитной системы по фиг. 25 для примера конкретного исполнения.

Магнитомеханический преобразователь содержит магнитную систему, состоящую из магнитопровода 1 и источника магнитного поля, выполненного в виде постоянных магнитов 2, а также сердечник 3, выполненный из магнитострикционного материала и установленный с зазором 4 относительно элементов магнитной системы, и исполнительный элемент в виде толкателя 5. Сердечник 3 и магнитная система установлена с возможностью относительного вращения вокруг оси 6 вращения посредством механизма вращения. Источник магнитного поля выполнен в виде оппозитно расположенных групп постоянных магнитов 2, по одной паре в каждой группе. Вектора 7 намагниченности постоянных магнитов 2 в каждой отдельно взятой группе, а также оппозитно расположенных магнитов 2 в противолежащих группах, ориентированы в противоположных направлениях. Магнитная система на упомянутых фигурах выполнена зеркально-симметричной относительно плоскости, проходящей через механическую ось 8 сердечника 3 (т.е. ось, совпадающую с направлением рабочего перемещения толкателя 5 и проходящую через геометрический центр 9 сердечника 3), при этом магнитная система может иметь как общую, так и индивидуальные для каждой группы оси 6 вращения в зависимости от конструктивного исполнения.

Сердечник 3 расположен в исходном рабочем положении, т.е. его геометрический центр 9 расположен в зоне максимума напряженности продольного по отношению к механической оси 8 магнитного поля магнитной системы. Сердечник 3 связан с толкателем 5 с возможностью перемещения последнего относительно корпуса 10 преобразователя, при этом сердечник 3 может быть зафиксирован одним концом относительно корпуса 10 или относительно дополнительного толкателя, а толкатель 5 подпружинен относительно корпуса 10 посредством упругого элемента 11. Магнитная система смонтирована на оси 6 вращения, которая с зазором 12 может проходить внутри элементов сердечника 3 или между ними и кинематически связана с двигателем 13. Элементы магнитной системы могут быть установлены в корпусах 14, количество которых соответствует количеству оппозитно расположенных групп постоянных магнитов 2.

В варианте исполнения по фиг. 7 только крайние группы постоянных магнитов снабжены магнитопроводами 1, а магнитная система имеет общую ось 6 вращения.

Сердечник состоит из одного или нескольких элементов, при этом в случае параллельного расположения элементов сердечника 3 симметрично относительно оси вращения указанные элементы выполняются из материала с одинаковой по знаку и величине магнитострикцией.

При последовательном расположении элементов сердечника их в ряде случаев целесообразно чередовать по знаку и величине магнитострикции в зависимости от конструктивного выполнения магнитной системы. Например, для схем магнитной системы по фиг. 46 и 47 или 48 и 49 чередование осуществляют следующим образом, элемент 15 из материала с положительной магнитострикцией, элемент 16 из материала с отрицательной магнитострикцией, элемент 17 из материала с нулевой магнитострикцией.

Для увеличения диапазона перемещения толкателя в два раза сердечник целесообразно устанавливать в рамке 18 с подвижными элементами 19. Конструкция и компоновочная схема такого узла показана на фиг. 16-19. Вращательное движение оси 6 может осуществляться как непосредственно от двигателя 13, так и через шестерни 20 23 или шестерню 24 и зубчатые венцы 25, выполненные на корпусах 14. Ось 6 вращения может состоять из двух полуосей 26. В этом случае вращение от двигателя передается на одну из полуосей 26 и далее через стержни 27 на вторую полуось или через шестерню 24 на зубчатые венцы 25 корпусов 14. На схемах возможных вариантов магнитных систем и схемах управления преобразователем показаны силовые линии 28 магнитной индукции и вектора 29 намагниченности материала сердечника.

В варианте конструкции магнитной системы по фиг. 39 использован дополнительный замыкающий магнитопровод 30.

Способ согласно изобретению реализуется следующим образом.

Предварительно экспериментальным путем или с помощью модельных расчетов определяют положение экстремумов напряженности магнитного поля в рабочей зоне магнитной системы. Геометрический центр 9 сердечника 3 (или геометрический центр каждого элемента сердечника в случае выполнения последнего составным) размещают в одном из максимумов, например в максимуме напряженности продольного относительно механической оси сердечника магнитного поля. Далее для осуществления перемещения исполнительного элемента 5 осуществляют относительное вращение сердечника и магнитной системы, обеспечивая, тем самым последовательное перемещение геометрического центра сердечника из одного экстремума напряженности в другой по замкнутому циклу.

Магнитомеханический преобразователь согласно изобретению работает следующим образом.

При включении электропитания двигатель 13 начинает вращаться и поворачивает ось 6 вращения со смонтированной на ней магнитной системой. В исходном положении магнитной системы напряженность магнитного поля ориентирована вдоль механической оси элементов сердечника 3 с положительной магнитострикцией и поперек механической оси элементов сердечника 3 с отрицательной магнитострикцией. При повороте магнитной системы направление напряженности магнитного поля в каждом магнитострикционном элементе сердечника изменяется, и в конечном положении оно изменяется на 90^о по отношению к механической оси каждого магнитострикционного элемента сердечника, что вызывает максимальное изменение длины сердечника 3 и соответственно перемещение толкателя 5.

Вариант выполнения магнитомеханического преобразователя, приведенный на фиг. 1 и 2, является предпочтительным при создании механизма однокоординатного перемещения, например при изготовлении однокоординатных модулей прецизионного позиционирования, или при создании однокоординатного вибратора.

Вариант выполнения магнитомеханического преобразователя, приведенный на фиг. 3 и 4, является предпочтительным при создании реверсивного механизма однокоординатного перемещения, например при изготовлении однокоординатных модулей прецизионного позиционирования.

Вариант выполнения магнитомеханического преобразователя, приведенный на фиг. 5 и 7, является предпочтительным при создании механических колебаний в жидкости, а также насосов для перекачки жидкости.

Вариант выполнения магнитомеханического преобразователя, приведенный на фиг. 6 и 7, позволяет получить большее выходное усилие и большую мощность механических колебаний, создаваемых в жидкости, чем вариант, приведенный на фиг. 5 и 7, за счет большей суммарной площади магнитострикционных сердечников при сохранении двух линейных размеров преобразователя.

Вариант выполнения магнитомеханического преобразователя, приведенный на фиг. 8 и 9, позволяет получить большее перемещение толкателя, чем вариант, приведенный на фиг. 1 и 2, за счет большей суммарной длины магнитострикционных сердечников при сохранении двух линейных размеров преобразователя.

Вариант выполнения магнитомеханического преобразователя, приведенный на фиг. 10-12, содержит магнитную систему, приведенную на фиг. 71. Он позволяет получить большую мощность механических колебаний, чем вариант, приведенный на фиг. 1 и 2, за счет большей частоты колебаний толкателя при сохранении частоты вращения электродвигателя. Схема управления преобразователем приведена на фиг. 74 и 75.

В магнитомеханических преобразователях, показанных фиг. 1-9, кроме использованной в них магнитной системы, изображенной на фиг. 25, могут быть также использованы магнитные системы, показанные на фиг. 20, 21, 24, 28, 29, 32, 33, 38, 39, 42, 43, 50, 53,59 и 65 с изображением силовых линий 28 магнитной индукции. На схемах управления магнитомеханическими преобразователями с этими магнитными системами, показанных соответственно на фиг. 22, 23, 26, 27, 30, 31, 34, 35, 36, 37, 40, 41, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 51, 52, 56, 57, 62, 63, 68 и 69 изображены магнитострикционные сердечники 3 с векторами 29 намагниченности материала сердечника в исходном положении и конечном положении после его относительного вращения.

Вариант выполнения магнитомеханического преобразователя в виде рамки показан на фиг. 16-19. Использование рамки с параллельно расположенными в ней четырьмя магнитострикционными элементами сердечника позволяет увеличить диапазон перемещений толкателя в два раза при сохранении размеров магнитомеханического преобразователя.

Конкретная реализация способа осуществлялась в устройстве, конструктивно совпадающем с фиг. 1 и 2. Постоянные магниты выполнялись из материала типа Nd-Fe-B, магнитопровод из стали 3, сердечник вытянутой формы был выполнен в виде двух элементов в форме параллелепипеда из материала TbFe₂. Габаритные размеры магнитной системы: диаметр 60 мм, высота 51 мм. Габаритные размеры магнитопровода: диаметр 60 мм, высота 10 мм. Габаритные размеры из четырех магнитов: 30х20х10 мм³. Габаритные размеры каждого из двух элементов сердечника: длина 20 мм, ширина 4 мм, высота 8 мм. Зазор между сердечником и каждой из двух частей магнитной системы составляет по 1,5 мм, а между элементами сердечника и осью вращения магнитной системы по 1 мм. Величина напряженности магнитного поля в геометрическом центре составного сердечника равнялась 360 кА/м. Мощность двигателя, осуществляющего поворот сердечника при позиционировании, составляла 5 Вт. Относительное перемещение сердечника осуществлялось по схеме согласно фиг. 26 и 27 (на схемах условно показано перемещение сердечника при неподвижной магнитной системе). Продольная ось сердечника совпадала с его "механической" осью, осью легчайшего намагничивания и направлением вектора напряженности магнитного поля в исходном положении магнитной системы.

Исполнительный элемент переместился на расстояние 30 мкм (см. фиг. 77).

Таким образом, в предлагаемом магнитомеханическом преобразователе обеспечивается изменение координаты толкателя на 30 мкм при потребляемой мощности 5 Вт (мощность двигателя, обеспечивающего вращение магнитной системы), при этом поддержание этой координаты в течение любого промежутка времени не требует дополнительных энергозатрат.

В прототипе при аналогичном изменении координаты толкателя (30 мкм) потребляемая мощность составляет 700 Вт, при этом в процессе поддержания этой координаты потребляемая системой мощность также составляет 700 Вт.

При использовании магнитомеханического преобразователя в качестве вибратора амплитуда колебаний толкателя составила 15 мкм (см. фиг. 78), частота 400 Гц, потребляемая электрическая мощность двигателя составила 90 Вт.

Формула изобретения

1. Магнитомеханический преобразователь, содержащий установленные в корпусе состоящую по меньшей мере из одной части магнитную систему с источником магнитного поля и сердечник с проходящей через его геометрический центр механической осью, расположенной с зазором относительно источника магнитного поля и состоящий по меньшей мере из одного элемента из магнитострикционного материала, а также исполнительный элемент, связанный с сердечником с возможностью перемещения относительно корпуса, при этом механическая ось сердечника ориентирована в направлении перемещения исполнительного элемента, отличающийся тем, что источник магнитного поля выполнен в виде по меньшей мере одного постоянного магнита, а сердечник и по меньшей мере одна часть магнитной системы установлены с возможностью относительного вращения вокруг оси, расположенной непараллельно по отношению к механической оси сердечника и/или вектору напряженности магнитного поля магнитной системы в геометрическом центре по меньшей мере одного элемента сердечника.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что ось относительного вращения магнитной системы и сердечника проходит через геометрический центр последнего.

3. Преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что ось относительного вращения магнитной системы и сердечника расположена перпендикулярно по отношению к механической оси сердечника и вектору напряженности магнитного поля магнитной системы в геометрическом центре по меньшей мере одного элемента сердечника.

4. Преобразователь по пп. 1, 2 или 3, отличающийся тем, что зона расположения геометрического центра по меньшей мере одного элемента сердечника в исходном положении совмещена с одной из зон магнитной системы, соответствующей максимуму напряженности магнитного поля этой системы.

5. Преобразователь по пп. 1 3 или 4, отличающийся тем, что сердечник выполнен из материала с магнитной текстурой и/или магнитной анизотропией.

6. Преобразователь по п. 1 4 или 5, отличающийся тем, что магнитная система дополнительно снабжена магнитопроводом, а источник магнитного поля установлен на последнем со стороны расположения сердечника.

7. Преобразователь по п. 1 5 или 6, отличающийся тем, что магнитная система выполнена зеркально-симметричной по отношению к плоскости, расположенной перпендикулярно к оси относительного вращения магнитной системы и сердечника.

8. Преобразователь по п. 1 5 или 6, отличающийся тем, что источник магнитного поля выполнен в виде группы постоянных магнитов, расположенных в одной плоскости таким образом, что векторы намагниченности по меньшей мере двух смежных магнитов ориентированы в противоположных направлениях.

9. Преобразователь по п. 8, отличающийся тем, что источник магнитного поля выполнен в виде по меньшей мере двух групп постоянных магнитов, которые в каждой группе расположены в одной плоскости таким образом, что векторы намагниченности по меньшей мере двух смежных магнитов ориентированы в противоположных направлениях, каждая последующая группа расположена зеркально-симметрично по отношению к предыдущей относительно плоскости, ориентированной перпендикулярно к оси относительного вращения магнитной системы и сердечника, а сердечник состоит из отдельных параллельно расположенных элементов, количество которых равно n 1, где n число групп постоянных магнитов, при этом крайние группы постоянных магнитов снабжены магнитопроводами, установлены на последних со стороны соответствующих элементов сердечника и выполнены с толщиной в направлении оси вращения, в два раза меньшей по отношению к любой из промежуточных групп.

10. Преобразователь по п. 1 8 или 9, отличающийся тем, что сердечник выполнен в виде двух элементов из магнитострикционного материала, между которыми последовательно вдоль механической оси сердечника расположена вставка из материала с модулем и пределом упругости, по крайней мере не меньшими по величине относительно модуля и предела упругости соответственно любого смежного с ним элемента сердечника из магнитострикционного материала.

11. Преобразователь по п.10, отличающийся тем, что магнитострикционный материал одного из элементов сердечника имеет положительную магнитострикцию, а другой отрицательную магнитострикцию.

12. Преобразователь по п.1 10 или 11, отличающийся тем, что сердечник выполнен в виде двух параллельно расположенных, конструктивно идентичных групп элементов, а ось относительного вращения магнитной системы и сердечника расположена в зазоре между ними.

13. Преобразователь по п. 1 11 или 12, отличающийся тем, что в качестве магнитострикционного материала элемента сердечника использован сплав с гигантской магнитострикцией.

14. Преобразователь по п.13, отличающийся тем, что в качестве сплава с гигантской магнитострикцией использован сплав TbFe₂ и/или SmFe₂.

15. Преобразователь по п.5, отличающийся тем, что механическая ось сердечника расположена параллельно оси легчайшего намагничивания материала сердечника и вектору напряженности магнитного поля в точке расположения геометрического центра по меньшей мере одного элемента сердечника в исходном положении.

16. Преобразователь по п.15, отличающийся тем, что сердечник выполнен вытянутой формы, а механическая ось сердечника расположена параллельно продольной оси последнего.

17. Преобразователь по п.15, отличающийся тем, что сердечник выполнен вытянутой формы, а механическая ось сердечника расположена перпендикулярно к продольной оси последнего.

18. Преобразователь по п.16 или 17, отличающийся тем, что сердечник выполнен прямоугольной формы.

19. Преобразователь по п. 1 9, 13 или 14, отличающийся тем, что сердечник выполнен многолучевой формы, а исполнительный элемент в виде дискретных частей, количественно соответствующих количеству лучей, каждая из которых кинематически связана с соответствующим лучом сердечника.

20. Преобразователь по п. 1 9, 13 или 14, отличающийся тем, что сердечник выполнен в виде кольца, а исполнительный элемент установлен в контакте с сердечником по меньшей мере в одной точке наружной цилиндрической поверхности последнего.

21. Преобразователь по п.9, отличающийся тем, что каждая группа постоянных магнитов источника магнитного поля выполнена в виде диска, а постоянные магниты в группе в виде секторов.

22. Преобразователь по п.9, отличающийся тем, что каждая группа постоянных магнитов источника магнитного поля выполнена крестообразной формы, постоянные магниты в группах прямоугольной формы, сердечник выполнен с длиной, не менее чем на порядок превышающей его ширину в плоскости, параллельной обращенной к нему поверхности источника магнитного поля.

23. Преобразователь по п.9, отличающийся тем, что каждая группа постоянных магнитов источника магнитного поля выполнена прямоугольной формы, а сердечник выполнен с длиной, большей или равной его ширине в плоскости, параллельной обращенной к нему поверхности источника магнитного поля.

24. Преобразователь по пп. 1 22 или 23, отличающийся тем, что он снабжен рамкой с выполненными в ней направляющими средствами, установленной центрально симметрично по отношению к оси относительного вращения магнитной системы и сердечника, последний выполнен в виде по меньшей мере одной пары расположенных параллельно один другому элементов, установленных в направляющих средствах рамки по обе стороны от оси вращения, при этом одни противоположные концы оппозитно расположенных элементов сердечника в каждой паре установлены с упором их торцов во внутреннюю поверхность рамки, второй конец одного из элементов пары кинематически связан с исполнительным элементом, а второй конец другого элемента пары установлен в контакте его торца с опорным выступом корпуса.

25. Способ управления магнитомеханическим преобразователем, состоящей по меньшей мере из одной части магнитной системой, включающей источник магнитного поля, и сердечником, состоящим по меньшей мере из одного элемента из магнитострикционного материала, заключающийся в изменении магнитного потока в сердечнике, отличающийся тем, что изменение магнитного потока в сердечнике осуществляют посредством относительного вращения по меньшей мере одной части магнитной системы и сердечника вокруг оси, расположенной непараллельно по отношению к механической оси сердечника и/или к вектору напряженности магнитного поля магнитной системы в геометрическом центре по меньшей мере одного элемента сердечника.

26. Способ по п.25, отличающийся тем, что относительное вращение магнитной системы осуществляют реверсивно в пределах угла поворота от 0 до 180^o.

27. Способ по п. 25 или 26, отличающийся тем, что относительное вращение зеркально-симметрично расположенных элементов магнитной системы осуществляют синхронно.

28. Способ по п.25 или 26, отличающийся тем, что относительное вращение зеркально-симметрично расположенных элементов магнитной системы осуществляют асинхронно.

29. Способ по п.25 или 26, отличающийся тем, что относительное вращение зеркально-симметрично расположенных элементов магнитной системы осуществляют в противоположных направлениях с одинаковой частотой.

30. Способ по п.25 28 или 29, отличающийся тем, что при использовании магнитомеханического преобразователя с осью относительного вращения, расположенной со смещением относительно геометрического центра сердечника, относительное вращение магнитной системы и сердечника осуществляют путем перемещения геометрического центра по меньшей мере одного элемента сердечника из зоны магнитной системы, соответствующей максимуму напряженности продольного относительно обращенной к сердечнику поверхности магнитной системы магнитного поля этой системы, в зону, соответствующую ближайшему максимуму напряженности поперечного относительно той же поверхности магнитной системы магнитного поля.

31. Способ по п. 25 28 или 29, отличающийся тем, что относительное вращение магнитной системы и сердечника осуществляют из положения, в котором механическая ось сердечника расположена параллельно вектору напряженности магнитного поля магнитной системы в геометрическом центре по меньшей мере одного элемента сердечника, в положение, в котором механическая ось последнего расположена перпендикулярно к вектору напряженности магнитного поля магнитной системы в геометрическом центре первоначально упомянутого элемента сердечника.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19, Рисунок 20, Рисунок 21, Рисунок 22, Рисунок 23, Рисунок 24, Рисунок 25, Рисунок 26, Рисунок 27, Рисунок 28, Рисунок 29, Рисунок 30, Рисунок 31, Рисунок 32, Рисунок 33, Рисунок 34, Рисунок 35, Рисунок 36, Рисунок 37, Рисунок 38, Рисунок 39, Рисунок 40, Рисунок 41, Рисунок 42, Рисунок 43, Рисунок 44, Рисунок 45, Рисунок 46, Рисунок 47, Рисунок 48, Рисунок 49, Рисунок 50, Рисунок 51, Рисунок 52, Рисунок 53, Рисунок 54, Рисунок 55, Рисунок 56, Рисунок 57, Рисунок 58, Рисунок 59, Рисунок 60, Рисунок 61, Рисунок 62, Рисунок 63, Рисунок 64, Рисунок 65, Рисунок 66, Рисунок 67, Рисунок 68, Рисунок 69, Рисунок 70, Рисунок 71, Рисунок 72, Рисунок 73, Рисунок 74, Рисунок 75, Рисунок 76, Рисунок 77, Рисунок 78

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 12.11.2005

Извещение опубликовано: 10.10.2006        БИ: 28/2006

---