Способ преобразования энергии механического нагружения в энергию циклического перемещения и устройство для его осуществления

 

Использование: в механизмах, предусматривающих относительное циклическое перемещение ведомых и ведущих звеньев (ЗВ) посредством магнитного взаимодействия между ними. В качестве ведомого ЗВ 3 используют магнитную систему с постоянными магнитами 5, 6, 59, 60, а в качестве ведущего ЗВ 2 - звено, включающее элементы 4, 62, 63 из магнитострикционного материала. Элементы 4, 62, 63 располагают в зоне магнитного поля упомянутой магнитной системы. В процессе работы устройства обеспечивают механическое нагружение элементов 4, 62, 63 ведущего ЗВ 2. Возможность относительного перемещения звеньев обеспечивают посредством изменения направления и/или величины вектора намагниченности материала упомянутых элементов 4, 62, 63 в процессе их механического нагружения. Относительное перемещение ЗВ 2 и ЗВ 3 реализуют в виде поступательного или вращательного движения. Технический результат заключается в упрощении конструкции, уменьшении металлоемкости и повышении технологичности. 2 с. и 15 з.п.ф-лы, 23 ил.

Изобретение относится к области приборо-, машиностроения и измерительной техники и может быть использовано в машинах и механизмах различного назначения, предусматривающих относительное циклическое вращательное и/или поступательное перемещение ведомых и ведущих звеньев этих устройств посредством их энергетического взаимодействия между собой.

Например, может быть использовано в двигателях вращения, линейных двигателях, в вибрационных и позиционирующих устройствах различного назначения, а также в аппаратуре для измерения неэлектрических величин (массы тела, статических и динамических нагрузок, давления и т.п.) преимущественно больших значений.

Известен способ измерения больших усилий (основанный на преобразовании энергии механического нагружения в энергию циклического перемещения), включающий квазиупругое нагружение ведущего звена (т.е. корпуса дифференциального индукционного датчика) и последующее трансформирование энергии упомянутого квазиупругого нагружения в электрическую энергию средств измерения (мостовой электрической схемы переменного тока), которая далее преобразуется в энергию перемещения (работу) измерительного указателя (например, стрелки, эквивалентной ведомому звену) соответствующего средства измерения.

Трансформирование энергии упомянутого квазиупругого нагружения в электрическую энергию средств измерения осуществляется через промежуточное преобразующее звено, в качестве которого используют электромагнитный преобразователь.

Известен дифференциальный индукционный датчик для реализации вышеописанного способа измерения больших усилий, включающий квазиупруго нагружаемое ведущее звено (в виде опорного элемента и корпуса датчика, взаимосвязанных один с другим с возможностью механического взаимодействия) и средство для трансформирования энергии квазиупругого нагружения ведущего звена в электрическую энергию средств измерения и далее в энергию перемещения (работу) измерительного указателя (например, стрелки, эквивалентной ведомому звену) соответствующего средства измерения.

Средство для трансформирования энергии в известном устройстве выполнено в виде электромагнитного преобразователя, включающего два сердечника с обмотками возбуждения, между которыми установлен (с возможностью возвратно-поступательного перемещения) якорь. Средства измерения выполнены в виде мостовой электрической схемы переменного тока (см. "Механизмы", справочное пособие под ред. чл.кор. АН УССР С.Н.Кожевникова, М., Машиностроение, 1976 г., стр. 635-636, рис. 10.130).

К основным недостаткам известного способа следует отнести ограниченные функциональные возможности, поскольку измерения согласно этому способу можно производить только с использованием источников тока.

К основным недостаткам известного дифференциального индукционного датчика для реализации вышеописанного способа измерения больших усилий следует отнести сложность его конструкции и, как следствие, ограниченную надежность, регламентируемую большим количеством механических и электрических звеньев (а также связей между ними), совокупность которых обеспечивает промышленную применимость этого известного датчика.

Кроме того, известное устройство, реализующее вышеописанный способ измерения больших усилий (основанный на преобразовании энергии механического нагружения в энергию циклического перемещения), обладает ограниченными функциональными возможностями, поскольку может быть использовано исключительно по своему прямому назначению и не может, например, выполнять функцию двигателя вращения или двигателя поступательного перемещения (линейного двигателя).

Известен способ измерения больших давлений (основанный на преобразовании энергии механического нагружения в энергию циклического перемещения), включающий квазиупругое нагружение ведущего звена (т.е. системы корпус-мембрана дифференциального индукционного датчика) и последующее трансформирование энергии упомянутого квазиупругого нагружения в электрическую энергию средств измерения (электрической мостовой схемы), которая (т.е., электрическая энергия) далее преобразуется в энергию перемещения (работу) измерительного указателя (например, стрелки, эквивалентной ведомому звену) соответствующего средства измерения.

Трансформирование энергии упомянутого квазиупругого нагружения в электрическую энергию средств измерения осуществляют посредством промежуточного преобразующего звена, в качестве которого используют конденсатор с воздушным зазором между его пластинами.

Включенный в мостовую электрическую схему конденсатор нарушает равновесие измерительного моста при изменении (в процессе нагружения) воздушного зазора между пластинами конденсатора. О величине давления судят по величине силы тока в измерительной диагонали упомянутого моста, отражаемой на шкале соответствующего измерительного прибора посредством перемещения указателя (например, стрелки, эквивалентной ведомому звену).

Известен емкостный датчик для реализации вышеописанного способа измерения больших давлений, включающий квазиупруго нагружаемое ведущее звено (в виде системы: опорный элемент - корпус - мембрана датчика, взаимосвязанные между собой с возможностью механического взаимодействия) и средство для трансформирования энергии квазиупругого нагружения ведущего звена (системы: опорный элемент - корпус - мембрана датчика) в электрическую энергию средств измерения и далее в энергию перемещения (работу) измерительного указателя (например, стрелки, эквивалентной ведомому звену) соответствующего средства измерения.

Средство для трансформирования энергии в известном устройстве выполнено в виде емкостного преобразователя, т.е. конденсатора, пластины которого соединены с системой "опорный элемент - корпус - мембрана" таким образом, что при квазиупругом нагружении этой системы (ведущего звена) изменяется воздушный зазор между пластинами конденсатора.

Средства измерения выполнены в виде электрической мостовой схемы, посредством которой, как ранее указывалось, и обеспечивается возможность отражения прямых или косвенных результатов измерений по величине силы тока в измерительной диагонали упомянутого моста, отражаемых на шкале соответствующего измерительного прибора посредством перемещения указателя, например стрелки, эквивалентной ведомому звену (см. "Механизмы", справочное пособие под ред. чл.кор. АН УССР С.Н.Кожевникова, М., Машиностроение, 1976 г., стр. 635-636, рис. 10.129).

К основным недостаткам данного известного способа измерения больших давлений, как и в ранее описанном случае, следует отнести ограниченные функциональные возможности ввиду обеспечения возможности измерения исключительно с использованием источников тока.

К основным недостаткам известного емкостного датчика для реализации вышеописанного способа измерения больших давлений следует отнести сложность его конструкции и, как следствие, ограниченную надежность, регламентируемую большим количеством механических и электрических звеньев (а также связей между ними), совокупность которых обеспечивает промышленную применимость этого известного датчика.

Кроме того, известное устройство, реализующее вышеописанный способ измерения больших давлений (основанный на преобразовании энергии механического нагружения в энергию циклического перемещения), обладает ограниченными функциональными возможностями, поскольку может быть использовано исключительно по своему прямому назначению и не может, например, выполнять функцию двигателя вращения или двигателя поступательного перемещения (линейного двигателя).

Известны также способы измерения больших усилий (основанные на преобразовании энергии механического нагружения в энергию циклического перемещения посредством магнитоупругих силоизмерителей), включающие квазиупругое нагружение ведущего звена (элемента из магнитоупругого материала) и последующее трансформирование энергии упомянутого квазиупругого нагружения в электрическую энергию средств измерения, которая (т.е. электрическая энергия) далее преобразуется в энергию перемещения (работу) измерительного указателя (например, стрелки, эквивалентной ведомому звену) соответствующего средства измерения (см. М.Н.Гуманюк, "Магнитоупругие силоизмерители", Киев, "Техника", стр. 35-65, 1981 г.).

К недостаткам данных известных технических решений можно также отнести практически все вышеописанные недостатки ранее приведенных способов измерения неэлектрических величин (основанных на преобразовании энергии механического нагружения в энергию циклического перемещения) и устройств для реализации этих способов.

Известен способ преобразования энергии динамического нагружения ведущего звена (системы поршень-шатун) в энергию вращательного движения ведомого (коленчатого вала), согласно которому динамическое нагружение ведущего звена осуществляют вдоль плоскости, перпендикулярной оси вращения ведомого звена, а преобразование энергии динамического нагружения ведущего звена обеспечивают посредством его кинематического (механического) взаимодействия с ведомым звеном (т.е. кинематического взаимодействия головок шатунов с соответствующими шейками коленчатого вала).

Известно устройство для преобразования энергии динамического нагружения ведущего звена (т.е. системы поршень-шатун) в энергию вращательного движения ведомого звена (коленчатого вала), согласно которому упомянутое преобразование энергии осуществляется посредством кривошипно-ползунного механизма, образованного посредством кинематической связи шатунов ведущего звена с соответствующими кривошипами ведомого (т.е. с соответствующими шейками коленчатого вала).

При этом средство динамического нагружения ведущего звена (в качестве которого используется поршневой цилиндр со сжатой газовой смесью) расположено таким образом, что обеспечивает динамическое нагружение ведущего звена вдоль плоскости, перпендикулярной оси вращения ведомого звена, т.е. коленчатого вала (см. "Механизмы", справочное пособие под ред. чл.кор. АН УССР С.Н. Кожевникова, М., Машиностроение, 1976 г., стр. 78, 81, рис. 2.77).

К основным недостаткам известного способа преобразования энергии динамического нагружения ведущего звена в энергию вращательного движения ведомого следует отнести возникновение в процессе эксплуатации динамических знакопеременных нагрузок как в кинематических парах ведомого и ведущего звеньев, так и в опасных сечениях ведомого звена (сопряжения шейки коленчатого вала со щекой) вследствие наличия механических связей между упомянутыми звеньями. А это влечет за собой ограничение эксплуатационных возможностей, в частности значительное ограничение по скорости вращения, которое, помимо всего прочего, лимитируется еще и сложностью динамической балансировки (уравновешивания) звеньев в процессе эксплуатации.

К основным недостаткам известного устройства, предназначенного для реализации вышеописанного способа преобразования энергии, следует отнести сложность его конструкции, высокую металлоемкость, низкие технологичность конструкции и надежность.

Последнее, т. е. низкая надежность, вызвано в первую очередь тем, что непосредственно конструктивные особенности известного устройства вызывают значительные знакопеременные динамические нагрузки в кинематических парах и опасных сечениях звеньев в процессе эксплуатации вследствие недостаточной уравновешенности всей системы звеньев в целом.

Кроме того, известное устройство, реализующее вышеописанный способ, основанный на преобразовании энергии механического нагружения в энергию циклического перемещения, обладает ограниченными функциональными возможностями, поскольку может быть использовано исключительно по своему прямому назначению и не может, например, выполнять функцию измерителя неэлектрических величин (например, измерителя нагрузки преимущественно больших значений), функцию вибрационных или позиционирующих устройств различного назначения или функцию линейного двигателя.

В основу настоящего изобретения была положена задача создания такого способа преобразования энергии механического нагружения ведущего звена в энергию относительного циклического перемещения ведомого и ведущего звеньев, а также такого устройства для осуществления упомянутого способа, посредством которых обеспечивалась бы возможность указанного преобразования энергии при полном исключении механического и/или электромагнитного взаимодействия упомянутых звеньев между собой и соответственно обеспечивались бы повышение надежности и расширение эксплуатационных возможностей устройства для реализации патентуемого способа, вследствие упомянутого исключения механического и/или электромагнитного взаимодействия между звеньями этого устройства, при обеспечении его многофункциональности.

Решение поставленной задачи согласно изобретению достигается посредством того, что: - в отношении объекта изобретения "Способ": в способе преобразования энергии механического нагружения в энергию циклического перемещения, согласно которому, по меньшей мере, однократно осуществляют механическое нагружение, по меньшей мере, одного элемента ведущего звена до заданной возможности обеспечения относительного перемещения ведомого и ведущего звеньев, а преобразование энергии механического нагружения ведущего звена в энергию циклического перемещения ведомого обеспечивают посредством их взаимосвязи, согласно изобретению взаимосвязь ведущего звена с ведомым осуществляют посредством магнитного взаимодействия путем использования в качестве ведомого звена магнитной системы с, по меньшей мере, одним постоянным магнитом, а в качестве ведущего звена - звено включающее, по меньшей мере, один элемент из магнитострикционного материала, который располагают в зоне магнитного поля упомянутой магнитной системы, при этом обеспечивают механическое нагружение того, по меньшей мере, одного элемента ведущего звена, который выполнен из магнитострикционного материала, а возможность относительного перемещения ведомого и ведущего звеньев обеспечивают посредством изменения направления и/или величины вектора намагниченности, по меньшей мере, одного упомянутого элемента из магнитострикционного материала в процессе его механического нагружения нагрузкой заданной величины.

Возможно циклическое перемещение ведомого звена реализовывать в виде поступательного перемещения.

Возможно также циклическое перемещение ведомого звена реализовывать в виде вращательного перемещения.

Наиболее оптимально изменение направления и/или величины вектора намагниченности, по меньшей мере, одного элемента из магнитострикционного материала ведущего звена осуществлять посредством нагрузки, приложенной в плоскости нагружения, которая ориентированна неперпендикулярно вектору намагниченности упомянутого элемента из магнитострикционного материала.

В ряде случаев целесообразно каждое последующее механическое нагружение, по меньшей мере, одного элемента из магнитострикционного материала ведущего звена до заданной величины нагрузки начинать осуществлять не ранее начала осуществления процесса снижения величины нагрузки от предыдущего механического нагружения этого элемента.

В одних случаях конкретной реализации целесообразно механическое нагружение, по меньшей мере, одного элемента из магнитострикционного материала ведущего звена осуществлять вдоль одной линии нагружения, а перед началом осуществления первого и каждого последующего механического нагружения этого элемента ведомое звено необходимо перемещать в одно из положений, при котором угол между упомянутой линией нагружения и направлением вектора намагниченности, по меньшей мере, одного элемента из магнитострикционного материала ведущего звена в плоскости нагружения отличен от 0^o и углов, кратных 90^o.

В других случаях конкретной реализации целесообразно механическое нагружение, по меньшей мере, одного элемента из магнитострикционного материала ведущего звена осуществлять, например, последовательно вдоль двух непараллельных между собой линий нагружения, а перед началом осуществления процесса механического нагружения этого элемента вдоль любой из упомянутых линий нагружения ведомое звено необходимо перемещать в одно из положений, при котором угол между соответствующей линией (т.е. той линией, вдоль которой в данный момент предполагают осуществлять нагружение) нагружения и направлением вектора намагниченности, по меньшей мере, одного элемента их магнитострикционного материала ведущего звена в плоскости нагружения отличен от 0^o и углов, кратных 90^o.

В третьих случаях конкретной реализации целесообразно механическое нагружение, по меньшей мере, одного элемента из магнитострикционного материала ведущего звена осуществлять, например, последовательно вдоль, по меньшей мере, трех непараллельных между собой линий нагружения, которые повернуты одна относительно другой на близкие или равные по величине углы в плоскости нагружения.

- В отношении объекта "Устройство": в устройстве для преобразования энергии механического нагружения в энергию циклического перемещения, включающем ведущее и ведомое звенья со средством преобразования энергии механического нагружения ведущего звена в энергию относительного циклического перемещения упомянутых звеньев, а также средство, по меньшей мере, однократного механического нагружения, по меньшей мере, одного элемента ведущего звена, согласно изобретению ведомое звено выполнено в виде магнитной системы с, по меньшей мере, одним постоянным магнитом, ведущее звено включает, по меньшей мере, один элемент, выполненный из магнитострикционного материала, который расположен в зоне магнитного поля магнитной системы с возможностью обеспечения магнитной взаимосвязи между звеньями, которая функционально является средством преобразования энергии механического нагружения ведущего звена в энергию относительного циклического перемещения звеньев, а средство механического нагружения, по меньшей мере, одного элемента ведущего звена расположено относительно этого звена с возможностью изменения в упомянутом, по меньшей мере, одном элементе из магнитострикционного материала ведущего звена направления и/или величины вектора намагниченности в процессе механического нагружения этого, по меньшей мере, одного элемента из магнитострикционного материала.

В одних случаях ведомое звено может быть установлено с возможностью поступательного перемещения.

В других случаях ведомое звено может быть установлено с возможностью вращательного перемещения.

Целесообразно средство механического нагружения, по меньшей мере, одного элемента из магнитострикционного материала ведущего звена располагать относительно этого звена с возможностью нагружения упомянутого элемента вдоль плоскости нагружения, расположенной неперпендикулярно по отношению к вектору намагниченности, по меньшей мере, одного упомянутого элемента из магнитострикционного материала ведущего звена.

В одних случаях конкретной реализации средство механического нагружения, по меньшей мере, одного элемента из магнитострикционного материала ведущего звена может включать один нагружающий узел, который, в исходном положении ведомого и ведущего звеньев, расположен с возможностью нагружения, по меньшей мере, одного элемента из магнитострикционного материала ведущего звена вдоль одной линии нагружения, ориентированной в плоскости нагружения под углом, отличным от 0^o и от углов, кратных 90^o по отношению к вектору намагниченности упомянутого, по меньшей мере, одного элемента из магнитострикционного материала ведущего звена, а также должно быть снабжено средством перемещения ведомого звена, перед каждым повторным механическим нагружением ведущего, в положение, эквивалентное исходному (т.е. в положение, из которого гарантированно обеспечивается возможность относительного перемещения упомянутых звеньев в случае приложения механической нагрузки к, по меньшей мере, одному элементу из магнитострикционного материала ведущего звена, согласно изобретению).

В других случаях конкретной реализации средство механического нагружения, по меньшей мере, одного элемента из магнитострикционного материала ведущего звена может включать два нагружающих узла, которые расположены один относительно другого таким образом, что линии приложения механической нагрузки расположены в плоскости нагружения, по меньшей мере, одного элемента из магнитострикционного материала ведущего звена непараллельно друг другу, при этом каждый из нагружающих узлов в исходном положении ведомого и ведущего звеньев расположен с возможностью нагружения, по меньшей мере, одного элемента из магнитострикционного материала ведущего звена вдоль линии нагружения, ориентированной в плоскости нагружения под углом, отличным от 0^o и углов, кратных 90^o по отношению к вектору намагниченности упомянутого, по меньшей мере, одного элемента из магнитострикционного материала ведущего звена, и также должно быть снабжено средством перемещения ведомого звена, перед каждым повторным механическим нагружением ведущего, в положение, эквивалентное исходному.

В третьих случаях конкретной реализации средство механического нагружения, по меньшей мере, одного элемента из магнитострикционного материала ведущего звена включает, по меньшей мере, три нагружающих узла, которые расположены один относительно другого таким образом, что линии приложения механической нагрузки расположены в плоскости нагружения, по меньшей мере, одного элемента из магнитострикционного материала ведущего звена непараллельно друг другу и смещены одна относительно другой на близкие или равные углы.

Оптимально средство механического нагружения ведущего звена снабжать источником тока, а нагружающие узлы при этом выполнять в виде, по меньшей мере, одного пакета пьезоэлементов (пьезостолба), электрически соединенных с источником тока с возможностью циклического и/или поочередного их подключения к упомянутому источнику тока.

Проведенный анализ уровня техники (как в отношении объекта изобретения "устройство", так и в отношении объекта изобретения "способ"), включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленных объектов изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружены аналоги, характеризующиеся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленных объектов изобретения, а выбранный из перечня выявленных аналогов прототип, как наиболее близкий по совокупности существенных признаков аналог, позволил выявить совокупность существенных, по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату, отличительных признаков в заявленных объектах изобретения, изложенных в основных пунктах формулы изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию патентоспособности НОВИЗНА по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию критерия патентоспособности ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИЙ УРОВЕНЬ был проведен дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленных объектов изобретения, результаты которого показывают, что заявленные объекты изобретения не следуют для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленных объектов изобретения преобразований на достижение усматриваемого заявителем технического результата.

В частности, заявленными объектами изобретения не предусматриваются следующие преобразования известного объекта-прототипа (как в отношении объекта изобретения "способ", так и в отношении объекта изобретения "устройство"): - дополнение известного объекта каким-либо известным признаком, присоединенным к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такого дополнения; - замена какого-либо признака известного объекта другим известным признаком для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены; - исключение какого-либо признака известного объекта с одновременным исключением обусловленной наличием этого признака функции и достижением при этом известного (из уровня техники) для такого исключения результата; - увеличение количества однотипных признаков в патентуемом объекте изобретения по отношению к известному для усиления технического результата, обусловленного наличием в известных (из уровня техники) объектах именно таких признаков; - выполнение известного объекта или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами материала; - создание объекта, включающего в себя известные (из уровня техники) признаки, выбор которых и связи между которыми осуществлены на основании известных (из уровня техники) правил, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами известных (из уровня техники) признаков этого объекта и связей между ними.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию критерия патентоспособности ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИЙ УРОВЕНЬ по действующему законодательству.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленных объектов изобретения следующей совокупности условий:
- промышленные объекты, практически воплощающие заявленные технические решения при их осуществлении, предназначены для использования в промышленности, а именно в области приборо-, машиностроения и измерительной техники;
- для заявленных объектов изобретения (в том виде, как они охарактеризованы в независимых пунктах нижеизложенной формулы изобретения) подтверждена возможность их практического осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных на дату приоритета средств и методов;
- объекты, воплощающие заявленные изобретения при их промышленном осуществлении, способны обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленные объекты изобретения соответствуют требованию критерия патентоспособности ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ по действующему законодательству.

Изобретение поясняется следующими чертежами.

Фиг. 1 - принципиальная схема устройства для реализации патентуемого способа.

Фиг. 2 - фиг. 7 - принципиальные схемы возможной реализации способа согласно изобретению при различных направлениях механического нагружения ведущего звена (т.е. графическая иллюстрация последовательности динамического нагружения ведущего звена в пределах одного полного (замкнутого) цикла нагружения и угловое положение ведомого звена при последовательном нагружении ведущего звена вдоль каждой из трех обозначенных линий нагружения).

Фиг. 8 - общая схема устройства (выполненного в виде двигателя вращения) для реализации патентуемого способа с тремя парами нагружающих узлов в виде пакетов пьезоэлементов (пьезостолбов), электрически соединенных с (условно не показанным) источником тока.

Фиг. 9 - разрез по А-А на фиг. 8.

Фиг. 10 - общая схема устройства в статическом состоянии (выполненного в виде измерителя неэлектрических величин, в частности нагрузки) для реализации патентуемого способа, в котором нагружение ведущего звена осуществляется непосредственно под действием нагрузки со стороны контролируемого объекта измерения.

Фиг. 11 - разрез по Б-Б на фиг. 10.

Фиг. 12 - вид В по фиг. 10.

Фиг. 13 - общая схема устройства (выполненного в виде вибрационного или позиционирующего устройства) для реализации патентуемого способа, в котором перемещение ведомого звена осуществляется возвратно-поступательно (исходное положение, то есть положение, согласно которому ведущее звено находится в ненагруженном состоянии).

Фиг. 14 - общая схема устройства по фиг. 13, на которой положение ведомого звена устройства показано после приложения нагрузки к ведущему звену.

Фиг. 15 - общая схема устройства (выполненного в виде линейного двигателя) для реализации патентуемого способа, в котором перемещение ведомого звена осуществляется возвратно-поступательно (исходное положение, то есть положение, согласно которому ведущее звено находится в ненагруженном сосредоточенной нагрузкой состоянии).

Фиг. 16 - сечение Г-Г по фиг. 15.

Фиг. 17 - разрез по Д-Д на фиг. 15 при положении ведомого звена устройства после приложения сосредоточенной нагрузки к соответствующему участку (участкам) ведущего звена.

Фиг. 18 - схема намагниченности участка ведущего звена (расположенного в зоне ведомого звена по фиг. 15) до начала его нагружения сосредоточенной нагрузкой посредством нагружающего узла.

Фиг. 19 - схема намагниченности участка ведущего звена (расположенного в зоне ведомого звена согласно фиг. 15) после его нагружения сосредоточенной нагрузкой посредством нагружающего узла.

Фиг. 20 - другая общая схема устройства (выполненного в виде линейного двигателя) для реализации патентуемого способа, в котором возвратно-поступательно перемещается ведущее звено, а ведомое звено установлено неподвижно относительно корпуса (исходное положение, то есть положение, согласно которому ведущее звено находится в ненагруженном сосредоточенной нагрузкой "P" состоянии).

Фиг. 21 - сечение Е-Е по фиг. 20.

Фиг. 22 - то же, что и на фиг. 20, но положение ведущего звена устройства показано после приложения сосредоточенной нагрузки "P" к соответствующему участку (элементу из магнитострикционного материала) ведущего звена (т.е. нагрузка "P" приложена в соответствии с фрагментом "Д" по фиг. 23).

Фиг. 23 - стилизовано показан последовательный цикл приложения сосредоточенной нагрузки "P" к соответствующим элементам из магнитострикционного материала ведущего звена, который обеспечивает поступательное перемещение этого звена в направлении стрелки "S", а также схемы намагниченности магнитострикционных элементов ведущего звена вследствие их нагружения сосредоточенной нагрузкой посредством нагружающего узла по заданному последовательному циклу нагружения.

Для более полного понимания сущности заявленного изобретения целесообразно раскрыть в общем виде физические процессы (явления), происходящие в магнитострикционном материале (в данном случае - ведущего звена) под воздействием механических упругих деформаций этого материала, в частности явление магнитной упругости.

Во-первых, явление магнитной упругости состоит в изменении намагниченности (как по величине, так и по направлению) магнитострикционного материала под воздействием механических упругих деформаций.

Магнитная упругость иногда называется обратным магнитострикционным эффектом в отличие от прямого магнитострикционного эффекта, состоящего в возникновении механических деформаций или напряжений в упомянутом материале при изменении величины напряженности магнитного поля, воздействующего на этот материал.

Магнитная упругость характерна для материалов, обладающих магнитострикционными свойствами.

Во-вторых, в применяемых в технике устройствах, реализующих свои функции посредством использования в них элементов с магнитоупругими свойствами, магнитострикционные материалы используются при напряженностях магнитного поля, далеких от технического насыщения, и при величинах механических напряжений, значительно меньших предела упругости материала.

В этих условиях все изменения в состоянии магнитного материала определяются главным образом процессами обратимых смещений границ между соседними доменами с различной ориентацией векторов самопроизвольной намагниченности и поглощения одних доменов другими.

Общие свойства магнитных материалов в области слабых полей с учетом упругого воздействия в настоящее время достаточно хорошо исследованы. В соответствии с этими исследованиями в области слабых магнитных полей или при малых изменениях величины намагничивающего поля процесс намагничивания осуществляется путем обратимых смещений границ между соседними доменами с различной ориентацией векторов самопроизвольной намагниченности.

Аналогичные процессы имеют место и при наложении на магнитострикционный материал (например, с гигантской магнитострикцией) упругих напряжений.

Расположения границ между доменами определяются из условия минимума поверхностной энергии этих границ, магнитоупругой энергии доменов и энергии внутренних полей рассеяния.

В упомянутых исследованиях показано, что для гомогенных, т.е. однородных, не имеющих включений, материалов процесс смещения границ практически полностью определяется локальными изменениями плотности свободной и граничной энергий. В силу четности характера эффекта механических напряжений он не вызывает смещения 180-градуснных границ доменов. Изменение объема некоторого домена происходит лишь за счет его 90-градуснных границ с соседними доменами (см. М. Н. Гуманюк, "Магнитоупругие силоизмерители", Киев, изд. "Техника", стр. 7-8, 1981 г.).

С учетом вышеизложенного способ преобразования энергии механического нагружения в энергию циклического перемещения согласно изобретению состоит в следующем.

Согласно упомянутому способу, по меньшей мере, однократно осуществляют механическое нагружение, по меньшей мере, одного элемента ведущего звена до заданной величины нагрузки. Эта заданная величина нагрузки является расчетной величиной, которую выбирают (рассчитывают) исходя из условия возможности обеспечения относительного перемещения звеньев (например, ведомого звена относительно неподвижного ведущего звена) в процессе механического нагружения упомянутого, по меньшей мере, одного элемента ведущего звена нагрузкой этой заданной величины.

Например, в случае необходимости задания ведомому звену перемещения в виде вращательного движения эту заданную величину нагрузки выбирают (рассчитывают) исходя из условия возможности возникновения на ведомом звене крутящего момента такой величины, которая превышает величину реактивного момента со стороны ведомого звена.

Преобразование энергии механического нагружения ведущего звена в энергию относительного циклического перемещения ведомого и ведущего звеньев осуществляют посредством обеспечения между звеньями магнитного взаимодействия.

Для этого используют в качестве ведомого звена магнитную систему с, по меньшей мере, одним постоянным магнитом, а в качестве ведущего звена звено, включающее, по меньшей мере, один элемент, выполненный из магнитострикционного материала. Упомянутый, по меньшей мере, один элемент из магнитострикционного материала ведущего звена располагают в зоне магнитного поля упомянутой магнитной системы.

При этом обеспечивают механическое нагружение того, по меньшей мере, одного элемента ведущего звена, который выполнен из магнитострикционного материала.

Возможность относительного перемещения звеньев друг относительно друга, например перемещения ведомого звена относительно ведущего (помимо приложения, как ранее указывалось, к соответствующему элементу ведущего звена нагрузки заданной величины) обеспечивают также посредством изменения направления и/или величины вектора "J" намагниченности, по меньшей мере, одного упомянутого элемента из магнитострикционного материала в процессе его механического нагружения нагрузкой заданной величины.

Таким образом, основой способа преобразования энергии механического нагружения в энергию циклического перемещения согласно изобретению является то, что для связанных между собой посредством магнитного взаимодействия соответствующих элементов системы ведущее звено - ведомое звено единственным положением устойчивого равновесия (т.е. устойчивого состояния относительной неподвижности друг относительно друга) является такое положение ведущего и ведомого звеньев, при котором геометрические центры упомянутых (связанных магнитным взаимодействием) элементов размещены один относительно другого в однозначно определенном положении, а вектор "J" намагниченности, по меньшей мере, одного элемента из магнитострикционного материала ведущего звена ориентирован вдоль (коллинеарно) магнитному полю магнитной системы ведомого звена.

Из этого следует, что любое изменение величины и/или направления вектора "J" намагниченности, по меньшей мере, одного элемента из магнитострикционного материала ведущего звена каким-либо внешним фактором (каковым согласно изобретению является фактор приложения к упомянутому элементу механической нагрузки) выводит ведомое и ведущее звенья из положения устойчивого равновесия, т.е. вызывает их относительное перемещение.

Совершенно очевидно, что способ преобразования энергии механического нагружения ведущего звена в энергию относительного циклического перемещения ведомого и ведущего звеньев согласно настоящему изобретению позволяет (в зависимости от конкретного конструктивного исполнения устройств для его реализации) реализовать относительное перемещение звеньев как в виде поступательного перемещения (движения), так и в виде вращательного перемещения (движения).

Более подробно частные случаи реализации способа согласно изобретению (с учетом конкретных ограничительных условий при использовании того или иного частного случая в методах нагружения ведущего звена для реализации на ведомом звене того или иного вида перемещения, т.е. совершения им работы) рассматриваются ниже при описании соответствующих конкретных устройств, промышленно реализующих патентуемый способ.

Устройство для преобразования энергии механического нагружения в энергию циклического перемещения согласно изобретению (см. фиг. 1) включает размещенные в корпусе 1 ведущее и ведомое звенья 2 и 3 соответственно со средством преобразования энергии механического нагружения ведущего звена 2 в энергию циклического перемещения ведомого звена 3, а также средство, по меньшей мере, однократного механического нагружения, по меньшей мере, одного, выполненного из магнитострикционного материала, элемента 4 ведущего звена 2.

Ведомое звено 3 выполнено в виде магнитной системы с двумя постоянными магнитами 5 и 6, сопряженными между собой по плоскости 7, которые целесообразно устанавливать на магнитопроводе 8.

Следует отметить, что магнитная система может содержать (в зависимости от конструкции и назначения устройства в целом) любое количество постоянных магнитов, однако при этом целесообразно соблюдать определенную ориентацию векторов 9 намагниченности смежных магнитов, например магнитов 5 и 6, согласно описываемой фигуре.

Векторы 9 намагниченности всех постоянных магнитов, в частности постоянных магнитов 5 и 6 на фиг. 1 (равно как и на других фигурах графических материалов), условно обозначены стрелками.

В описываемом варианте ведомое звено 3 установлено в корпусе 1 с возможностью вращательного перемещения по стрелке "M" посредством его закрепления на валу 10, установленном в опоре 11 вращения.

Ведущее звено, как указывалось ранее, включает, по меньшей мере, один элемент 4, выполненный из магнитострикционного материала, который расположен в зоне магнитного поля магнитной системы с возможностью обеспечения магнитной взаимосвязи между звеньями 2 и 3. Эта магнитная взаимосвязь звеньев 2 и 3 функционально является средством преобразования энергии механического нагружения ведущего звена 2 в энергию циклического перемещения ведомого звена 3.

Вектор "J" намагниченности элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 условно обозначен стрелкой.

Вектор "H" напряженности магнитного поля магнитной системы ведомого звена 3 (в зоне плоскостей 7 сопряжения постоянных магнитов 5 и 6) также условно обозначен стрелкой и показывает направление упомянутого магнитного поля в соответствующей области.

В статическом положении устройства, реализующего способ согласно изобретению (т.е. при ненагруженном состоянии элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2), направление вектора "J" намагниченности магнитострикционного материала элемента 4 регламентируется направлением (вектор "H") магнитного поля, создаваемого магнитной системой (т.е. в данном конкретном случае - создаваемого магнитами 5 и 6 ведомого звена 3).

Иными словами, вектор "J" намагниченности магнитострикционного материала элемента 4 (в статическом, ненагруженном состоянии этого элемента 4) самопроизвольно ориентируется вдоль (параллельно) направления (вектор "H") магнитного поля, создаваемого магнитной системой (т.е. постоянными магнитами 5 и 6 ведомого звена 3).

Такая относительная ориентация вектора "J" намагниченности магнитострикционного материала элемента 4 и направления (вектор "H") магнитного поля магнитной системы определяет также единственно возможное положение устойчивого равновесия (т.е. устойчивое положение относительной взаимной неподвижности) ведущего и ведомого звеньев 2 и 3 соответственно и в случае приложения механической нагрузки к элементу 4 из магнитострикционного материала.

В качестве средства механического нагружения, по меньшей мере, одного элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 может быть использовано согласно изобретению любое известное из современного уровня техники средство, способное обеспечить механическое (в частности, динамическое, статическое, квазистатическое, квазистационарное, квазиупругое и т.п.) нагружение элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2.

Например, в качестве упомянутого средства механического нагружения могут быть использованы нагружающие узлы пневматического или гидравлического типа, нагружающие узлы, использующие материалы, обладающие пьезоэлектрическим эффектом, нагружающие узлы механического типа и т.п.

В частности, в описываемом варианте устройства для реализации способа согласно изобретению использована одна пара нагружающих узлов 12 и 13, выполненных в виде пакетов пластин из материала, обладающего пьезоэлектрическим эффектом (пьезостолбов). К торцам упомянутых пакетов пластин (пьезостолбов) нагружающих узлов 12 и 13 прикреплены токоподводящие электроды, выполненные, например, в виде пластин с токоподводами 14. Токоподводящие электроды посредством токоподводов 14 соединены с источником электрического тока (постоянного или переменного) с возможностью циклического (прерывистого) подключения этих нагружающих узлов 12 и 13 к упомянутому источнику тока.

На фиг. 1 (и других фигурах графических материалов заявки) схема соединения токоподводов с источником тока и непосредственно источник тока условно не показаны, поскольку они широко известны из современного уровня техники и не являются объектом настоящего изобретения.

Нагружающие узлы 12 и 13 электроизолированы от корпуса 1 и элемента 4 из магнитострикционного материала, а токоподводы 14 электроизолированы от корпуса 1 посредством элементов 15 из диэлектрического материала. При этом элемент 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 установлен на опоре 16, выполненной преимущественно из немагнитного материала.

Средство механического нагружения, по меньшей мере, одного элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 расположено относительно этого звена 2 с возможностью изменения в магнитострикционном материале упомянутого, по меньшей мере, одного элемента 4 направления и/или величины вектора "J" намагниченности в процессе механического нагружения этого, по меньшей мере, одного элемента 4 из магнитострикционного материала.

Например, упомянутое средство механического нагружения может быть расположено относительно элемента 4 из магнитострикционного материала таким образом, чтобы линия приложения нагрузки "P" (например, линии "a", "b" или "c" нагружения по фиг. 2 - фиг. 7), со стороны этого средства механического нагружения, была ориентирована непараллельно вектору "J" намагниченности элемента 4 из магнитострикционного материала в статическом (ненагруженном) состоянии этого элемента 4.

В общем случае (например, при обеспечении согласно изобретению перемещения ведомого звена 3 в виде вращательного движения) средство механического нагружения, по меньшей мере, одного элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 должно быть расположено относительно этого звена 2 с возможностью нагружения упомянутого элемента 4 вдоль плоскости нагружения, расположенной неперпендикулярно по отношению к вектору "J" намагниченности, по меньшей мере, одного упомянутого элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2.

Следует также отметить, что в данном варианте устройства для реализации способа согласно изобретению можно не предусматривать специального (конструктивно самостоятельного) средства перемещения ведомого звена 3 (перед каждым повторным нагружением элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2) в положение, эквивалентное исходному.

Это объясняется тем, что в этом варианте (фиг. 1) патентуемого устройства перемещение ведомого звена 3 в положение, эквивалентное исходному, можно обеспечить, например, посредством подбора величины нагрузки "P" при каждом механическом нагружении, по меньшей мере, одного элемента 4 из магнитострикционного материала и инерционных свойств непосредственно самого ведомого звена 3.

Например, согласно схемам реализации патентуемого способа по фиг. 2 - фиг. 7 ведомое звено 3 (при каждом нагружении элемента 4 из магнитострикционного материала вдоль линий "a", "b" или "c" нагружения) способно запасаться кинетической энергией только в том промежутке времени, в пределах которого осуществляется его (ведомого звена 3) непрерывный поворот на величину острого угла между векторами "J" намагниченности (показанными сплошными и пунктирными стрелками) магнитострикционного материала элемента 4, направления которых показаны на упомянутых фигурах как до приложения нагрузки "P" (стрелка, обозначающая вектор "J" пунктирной линией), так и после приложения нагрузки "P" (стрелка, обозначающая вектор "J" сплошной линией).

Следовательно, за период времени поворота ведомого звена 3 на указанный острый угол к нему (звену 3) должен быть приложен такой импульс силы (генерируемый посредством нагрузки "P"), который обеспечил бы доворот ведомого звена 3 (за счет его момента инерции) в положение, эквивалентное (аналогичное) или идентичное исходному положению этого звена 3.

В частности, если принять, что в устройстве по фиг. 1 нагрузка "P" к элементу 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 может быть приложена только вдоль линии нагружения "a", а за исходное положение ведомого звена 3 принять положение этого звена 3 по фиг. 7, то положением, эквивалентным исходному (т.е. положению ведомого звена по фиг. 7), можно считать:
- с точки зрения возможности осуществления циклического колебательного перемещения ведомого звена 3 относительно ведущего звена 2 положение ведомого звена 3, показанное на фиг. 3 или фиг. 6;
- с точки зрения возможности осуществления циклического вращательного перемещения ведомого звена 3 относительно ведущего звена 2 положение ведомого звена 3, показанное на фиг. 4.

Вариант выполнения устройства для реализации способа согласно изобретению по фиг. 8 и фиг. 9 аналогичен варианту выполнения устройства по фиг. 1, но отличается от последнего (варианта по фиг. 1) тем, что он (вариант по фиг. 8 и фиг. 9) снабжен двумя дополнительными парами нагружающих узлов 17, 18
и 19, 20, которые выполнены и установлены в корпусе 1 конструктивно идентично ранее описанным нагружающим узлам 12 и 13 (фиг. 1).

Однако в данном конструктивном исполнении устройства нагружающие узлы 12 и 13, 17 и 18, 19 и 20 необходимо коммутативно подключать к условно не показанному источнику электрического тока (т. е., например, с возможностью поочередного подключения к упомянутому источнику тока каждой из упомянутых пар нагружающих узлов 12 и 13, 17 и 18, 19 и 20).

На фиг. 8 и фиг. 9 схема соединения нагружающих узлов 12 и 13, 17 и 18, 19 и 20 с источником электрического тока и непосредственно источник тока условно не показаны, поскольку они широко известны из современного уровня техники и не являются объектом настоящего изобретения.

Вариант выполнения устройства для реализации способа согласно изобретению по фиг. 10, фиг. 11 и фиг. 12 аналогичен варианту конструктивного выполнения по фиг. 1 и отличается от последнего (варианта по фиг. 1) тем, что в нем (варианте по фиг. 10, фиг. 11 и фиг. 12) в качестве средства механического нагружения элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 используется реакция (например, вес "P") контролируемого объекта 21 на чашку 22 толкателя 23.

Кроме того, в этом варианте выполнения устройства (в связи с его использованием преимущественно в качестве измерителя неэлектрических величин, например, нагрузки) средство перемещения ведомого звена 3 (после снятия нагрузки "P" с элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2) в строго исходное положение (при котором указатель 24 величины нагрузки расположен на отметке "0" измерительной шкалы 25) выполнено в виде, например, пружины 26 кручения, один конец которой закреплен на выступе корпуса 1, а дугой конец жестко связан с валом 10 ведомого звена 3.

Указатель 24 жестко закреплен на конце вала 10, а шкала 25 закреплена на корпусе 1.

Целесообразно также обеспечивать плотный контакт толкателя 23 с торцом нагружаемого элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 посредством упругого элемента 27.

Вариант выполнения устройства для реализации способа согласно изобретению по фиг. 13 и фиг. 14 отличается от варианта выполнения по фиг. 1 тем, что в нем в качестве средства механического нагружения элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 применен один нагружающий узел 12 (конструктивно идентичный аналогичному узлу в варианте исполнения по фиг. 1), расположенный таким образом, что обеспечивает нагружение элемента 4 из магнитострикционного материала преимущественно вдоль линии нагружения, параллельной возвратно-поступательному перемещению по стрелке "S" ведомого звена 3.

При этом ведомое звено 3 установлено в корпусе 1 на направляющих 28 с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно ведущего звена 2.

Возможность возвратно-поступательного перемещения ведомого звена 3 в определенной степени обеспечивается посредством взаимосвязи этого звена 3 с упругим элементом, выполненным, например в виде пружины 29 растяжения.

В данном варианте исполнения устройства, реализующего способ согласно изобретению, функцию средства перемещения ведомого звена 3 (перед каждым повторным механическим нагружением ведущего звена 2) в исходное положение (показанное на фиг. 13) выполняет непосредственно магнитная взаимосвязь между звеньями 2 и 3 устройства.

Объясняется это тем, что величина магнитного взаимодействия между элементом 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 и постоянными магнитами 5 и 6 ведомого звена 3 изменяется в процессе механического нагружения упомянутого элемента 4 посредством нагружающего узла 12 в зависимости от величины приложенной нагрузки.

Вариант выполнения устройства для реализации способа согласно изобретению по фиг. 15, фиг. 16 и фиг. 17 отличается от варианта выполнения по фиг. 13 и фиг. 14 конструкцией нагружающего узла 30 и его расположением относительно элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2. А именно:
- нагружающий узел 30 выполнен с множеством пар токоподводящих электродов с токоподводами 31 и 40, 32 и 41, 33 и 42, 34 и 43, 35 и 44, 36 и 45, 37 и 46, 38 и 47, 39 и 48, которые (пары токоподводящих электродов с токоподводами) последовательно расположены вдоль длины элемента 4 из магнитострикционного материала (или, что равнозначно, вдоль направления поступательного перемещения по стрелке "S" ведомого звена 3);
- нагружающий узел 30 расположен относительно элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 таким образом, что обеспечивается последовательное нагружение сосредоточенными нагрузками "P₁" и "P₂" соответствующих участков 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57 нагружения элемента 4 из магнитострикционного материла ведущего звена 2 в направлении, непараллельном направлению поступательного перемещения по стрелке "S" ведомого звена 3.

Участки 49 - 57 нагружения упомянутого элемента 4 на фиг. 17, фиг. 18 и фиг. 19 условно обозначены штриховкой, ограниченной пунктирными линиями.

Направляющую 28 согласно фиг. 17 целесообразно устанавливать в корпусе 1 на опорах 58 скольжения.

В данном варианте исполнения устройства, реализующего способ согласно изобретению, функцию средства перемещения ведомого звена 3 (перед каждым повторным механическим нагружением соответствующих участков нагружения ведущего звена 2 сосредоточенной нагрузкой) в положение, эквивалентное исходному, выполняет непосредственно магнитная взаимосвязь между ведомым звеном 3 и соответствующими участками (49 - 57) нагружения элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2.

Объясняется это тем, что величина магнитного взаимодействия между соответствующими участками (49 - 57) нагружения элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 и постоянными магнитами 5 и 6 ведомого звена 3 изменяется в процессе механического нагружения сосредоточенными нагрузками "P₁" и "P₂" соответствующих пар упомянутых участков 49 - 57 нагружения элемента 4 (посредством нагружающего узла 30) в зависимости от величины приложенной нагрузки.

Заданную последовательность подключения пар токоподводящих электродов к источнику электрического тока для обеспечения нагружения сосредоточенной нагрузкой участков 49 - 57 нагружения элемента 4 из магнитострикционного материала по заданной программе (регламентирующей перемещение ведомого звена 3) осуществляют посредством коммутативной схемы подключения токоподводов 14 соответствующих пар токоподводящих электродов к источнику электрического тока.

Упомянутая электрическая схема подключения токоподводов 14 к источнику электрического тока и непосредственно источник тока на чертежах условно не показаны, т. к. являются широко известными из современного уровня техники и не являются объектом настоящего изобретения.

Следует также отметить, что во всех вышеописанных вариантах конструктивного выполнения патентуемого устройства направление нагрузки "P", "P₀", "P₁", "P₂" в графических материалах показано исходя из того, что элементы 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 выполнены из материала с положительной магнитострикцией.

Однако в этих же конструктивных вариантах патентуемого устройства упомянутые элементы 4 могут быть выполнены и из материала с отрицательной магнитострикцией.

В этом случае направление приложенной к элементам 4 из магнитострикционного материала нагрузки "P", "P₀", "P₁", "P₂" необходимо изменить на противоположное.

Объясняется это тем, что:
- при приложении, например, одноосной сжимающей нагрузки к магнитострикционному материалу с положительной магнитострикцией вектор "J" намагниченности этого материала стремится занять положение, близкое к перпендикулярному по отношению к направлению приложения вышеуказанной нагрузки;
- при приложении, например, одноосной сжимающей нагрузки к магнитострикционному материалу с отрицательной магнитострикцией вектор "J" намагниченности этого материала стремится занять положение, близкое к параллельному по отношению к направлению приложения нагрузки.

Вариант выполнения устройства для реализации способа согласно изобретению по фиг. 20, фиг. 21 и фиг. 22 отличается от варианта выполнения по фиг. 15, фиг. 16 и фиг. 17 конструктивным выполнением ведущего и ведомого звеньев 2 и 3 соответственно и способом установки упомянутых звеньев 2 и 3 относительно корпуса 1. А именно:
- ведомое звено 3 снабжено двумя дополнительными постоянными магнитами 59 и 60, закрепленными на магнитопроводе 8, и установлено неподвижно относительно корпуса 1;
- ведущее звено 2 снабжено двумя дополнительными элементами 62 и 63 из магнитострикционного материала и, совместно с нагружающим узлом 30, установлено в скобе 64 (преимущественно из немагнитного материала) с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно корпуса 1 совместно с направляющей 28.

Векторы "H" напряженности магнитного поля магнитной системы в зоне плоскостей 7 сопряжения постоянных магнитов 5, 6, 59, 60 на фиг. 20 и фиг. 22 условно обозначены стрелками.

Кроме того, на фиг. 23 фрагменты "д", "е" и "ж" показывают последовательность приложения к элементам из магнитострикционного материала 4, 62, 63 ведущего звена 2 сосредоточенной нагрузки "P", которая обеспечивает поступательное перемещение ведущего звена 2 при приложении к нему нагрузки "P" по заданному замкнутому циклу.

Соответственно, на фиг. 22 показано положение ведущего звена 2 при нагружении элемента 63 из магнитострикционного материала в соответствии с фрагментом "д" на фиг. 23.

Следует также отметить, что:
- во-первых, в описываемом варианте конструктивного выполнения устройства для реализации способа согласно изобретению ведущее и ведомое звенья 2 и 3 соответственно могут быть выполнены и с иным количеством входящих в них постоянных магнитов и элементов из магнитострикционного материала в зависимости от необходимой величины перемещения ведущего звена 2;
- во-вторых, показанные на фиг. 23 направления приложения сосредоточенной нагрузки "P" предусмотрены для тех случаев, когда элементы 4, 62, 63 выполнены из магнитострикционного материала с отрицательной магнитострикцией (хотя, как ранее указывалось, при изменении направления приложения сосредоточенной нагрузки "P" упомянутые элементы 4, 62 и 63 могут быть выполнены и из материала с положительной магнитострикцией);
- в-третьих, для обеспечения возможности перемещения ведущего звена 2 относительно неподвижного ведомого звена 3 токоподводы 14 токоподводящих электродов выполнены, например, гибкими или иной известной из современного уровня техники конструкции, не препятствующей перемещению ведущего звена 2 в процессе работы рассматриваемого варианта патентуемого устройства.

Работа устройства для преобразования энергии механического нагружения ведущего звена 2 в энергию циклического относительного перемещения ведомого и ведущего звеньев 3 и 2 соответственно (в частности, согласно варианту в варианте исполнения по фиг. 1 в энергию вращательного движения ведомого звена 3) согласно изобретению осуществляется следующим образом.

Во-первых, следует отметить, что вариант исполнения устройства по фиг. 1 приемлем для осуществления перемещения ведомого звена 3 как в виде вращательного, так и в виде колебательного (возвратно-вращательного) движения.

В обоих случаях (до начала осуществления механического нагружения элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 посредством нагружающих узлов 12 и 13) ведомое звено 3 устанавливают в такое исходное положение (регламентирующее соответственно и направление вектора "J" намагниченности упомянутого элемента 4 ведущего звена 2), при котором нагружение этого элемента 4 посредством нагружающих узлов 12 и 13 будет осуществляться вдоль одной линии нагружения, которая ориентирована в плоскости нагружения под углом, отличным от 0^o и от углов, кратных 90^o по отношению к исходному положению вектора "J" намагниченности упомянутого элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2.

Таким исходным положением ведомого звена 3 может быть, например, положение этого звена 3, показанное на фиг. 7 при условии, что линией нагружения (вдоль которой нагружают элемент 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 посредством нагружающих узлов 12 и 13) является линия "a" на этой же фиг. 7.

В таком исходном положении ведомого звена 3 вектор "J" намагниченности упомянутого элемента 4 будет ориентирован так, как это показано сплошной стрелкой на фиг. 7, т.е. по направлению магнитного поля, создаваемого магнитами 5 и 6 ведомого звена 3 в зоне элемента 4 из магнитострикционного материала.

Это вышеописанное исходное положение системы "ведущее звено 2 - ведомое звено 3" будет являться положением устойчивого равновесия вращательно-подвижного ведомого звена 3 относительно вектора намагниченности ведущего звена 2. То есть, в этом положении исключается какое-либо перемещение ведомого звена 3 при неизменности параметров вышеупомянутой системы (ведущее звено 2 - ведомое звено 3), в частности при неизменности направления вектора "J" намагниченности элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2.

В процессе механического нагружения элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 (посредством нагружающих узлов 12 и 13), как ранее было подробно описано, происходит изменение направления вектора "J" намагниченности магнитострикционного материала элемента 4 относительно направления магнитного поля, создаваемого магнитами 5 и 6 ведомого звена 3 в зоне этого элемента 4. То есть, происходит поворот вектора "J" намагниченности в магнитострикционном материале элемента 4 в пределах 90^o (относительно начального положения этого вектора "J"), причем в том направлении, в котором этот вектор "J" был смещен относительно линии "a" нагружения в своем начальном положении, т.е. до начала приложения к упомянутому вектору "J" намагниченности механической нагрузки "P".

При этом сохраняется условие устойчивого равновесия (неподвижности) ведомого звена 3 относительно вектора "J" намагниченности магнитострикционного материала элемента 4 ведущего звена 2, и оно (звено 3) поворачивается на определенный угол, соответствующий углу поворота упомянутого вектора "J" намагниченности, вследствие приложения к этому элементу 4 из магнитострикционного материала механической нагрузки "P".

Это графически проиллюстрировано на фиг. 2, где пунктирной стрелкой условно обозначено направление вектора "J" намагниченности в магнитострикционном материале элемента 4 до приложения к этому элементу нагрузки "P", а сплошной стрелкой обозначено направление вектора "J" намагниченности в магнитострикционном материале элемента 4 после приложения к этому элементу нагрузки "P".

После снятия нагрузки с элемента 4 из магнитострикционного материала вектор "J" намагниченности материала этого элемента 4 сохраняет свое положение, обозначенное сплошной стрелкой на фиг. 2 (т.е. не возвращается самопроизвольно в исходное положение, обозначенное на фиг. 2 пунктирной стрелкой), так как магнитное поле магнитов 5 и 6 ориентировано при этом в том же направлении, что и вектор "J" намагниченности в магнитострикционном материале элемента 4.

Таким образом осуществляется перемещение (поворот) ведомого звена 3 при однократном механическом нагружении элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 вдоль одной линии нагружения посредством нагружающих узлов 12 и 13.

Для осуществления циклического перемещения (вращательного или возвратно-вращательного) ведомого звена 3 необходимо механическое нагружение элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 осуществлять многократно через определенные промежутки времени. То есть, через такие промежутки времени, в течение которых ведомое звено 3 сможет занять исходное или эквивалентные исходному положения.

В частности, как указывалось ранее, если принять, что в устройстве по фиг. 1 нагрузка "P" к элементу 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 может быть приложена только вдоль одной линии нагружения, например линии "a", а за исходное положение принять положение ведомого звена 3 по фиг. 7, то положением, эквивалентным исходному (т.е. показанному на фиг.7), можно считать:
- для осуществления циклического колебательного перемещения ведомого звена 3 положение ведомого звена 3, показанное на фиг. 3 или фиг. 6;
- для осуществления циклического вращательного перемещения ведомого звена 3 положение ведомого звена 3, показанное на фиг. 4.

Перемещение ведомого звена 3 в указанные положения (исходные или эквивалентные исходным в данном конструктивном варианте выполнения устройства) осуществляется, как рассматривалось ранее, за счет накопления ведомым звеном 3 кинетической энергии, в процессе его непрерывного перемещения (поворота), в период времени действия механической нагрузки "P" на элемент 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2, а также расхода этого запаса кинетической энергии на совершение работы по перемещению подвижного звена (в данном случае ведомого звена 3) в указанные выше положения в промежутках времени между нагружениями элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 нагрузкой "P".

Работа устройства для преобразования энергии механического нагружения ведущего звена 2 в энергию циклического относительного перемещения ведомого и ведущего звеньев 3 и 2 соответственно (в частности, в энергию перемещения ведомого звена 3 относительно ведущего звена 2) в варианте исполнения по фиг. 8 и фиг. 9 согласно изобретению осуществляется следующим образом.

Во-первых, как и в предыдущем случае, следует отметить, что вариант исполнения устройства по фиг. 8 и фиг.9 приемлем для осуществления перемещения ведомого звена 3 как в виде вращательного, так и в виде колебательного (возвратно-вращательного) движения.

Однако наиболее целесообразно использовать данное конструктивное выполнение патентуемого устройства для промышленной реализации двигателей вращения.

При этом оптимально в качестве источника электрического тока (коммутативно соединенного с тремя парами нагружающих узлов 12 и 13, 17 и 18, 19 и 20 посредством токоподводящих электродов с токоподводами 14) использовать источник трехфазного электрического тока преимущественно переменной частоты.

Совершенно очевидно, что данное конструктивное решение патентуемого устройства можно использовать согласно изобретению при необходимости механического нагружения элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 как вдоль одной линии нагружения (например, линии "a") или вдоль двух линий нагружения (например, линий "a" и "b"), так и вдоль трех и более линий нагружения (например, линий "a", "b" и "c"). Количество вышеупомянутых линий нагружения задается при проектировании устройства в зависимости от электрической схемы коммутации токоподводящих электродов с токоподводами 14 соответствующих пар нагружающих узлов 12 и 13, 17 и 18, 19 и 20 с источником электрического тока и назначения данного устройства.

В первых двух случаях (т.е. при нагружении элемента 4 из магнитострикционного материала вдоль любой одной или любых двух линий нагружения) работа устройства по фиг. 8 и фиг. 9 осуществляется абсолютно идентично работе устройства по фиг. 1 со всеми ранее описанными ограничительными условиями, обеспечивающими возможность осуществления работы рассматриваемого устройства для осуществления способа согласно патентуемому изобретению.

В частности, ранее названные ограничительные условия касаются:
- взаимного положения линий нагружения элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 и векторов "J" намагниченности в магнитострикционном материале элемента 4 ведущего звена 2 при исходном (или эквивалентном исходному) положении;
- а также необходимости накопления ведомым звеном 3 (при его непрерывном перемещении в период времени действия на элемент 4 из магнитострикционного материала механической нагрузки "P") такого количества кинетической энергии, которого (количества энергии), как минимум, хватало бы для дальнейшего самопроизвольного перемещения (т.е. перемещения по инерции) ведомого звена 3 в ближайшее положение, эквивалентное исходному положению ведомого звена 3.

В третьем случае (т.е. при нагружении элемента 4 вдоль трех и более линий нагружения) работа устройства по фиг. 8 и фиг. 9, с физической точки зрения, осуществляется также аналогично работе устройства по фиг. 1. Но при выполнении упомянутого условия нагружения отсутствует необходимость соблюдения ранее описанных ограничительных условий, касающихся возможности обеспечения осуществления работы рассматриваемого варианта устройства для осуществления способа согласно патентуемому изобретению.

В частности, отсутствует необходимость соблюдения упомянутых ранее ограничительных условий в отношении взаимного положения линий нагружения элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 и векторов "J" намагниченности в магнитострикционном материале элемента 4 ведомого звена 2 при исходном (или эквивалентных исходному) положении. А также отсутствует необходимость соблюдения упомянутых ранее, ограничительных условий в отношении необходимости накопления ведомым звеном 3 (при его непрерывном перемещении в период времени действия на элемент 4 из магнитострикционного материала механической нагрузки "P") такого количества энергии, которого, как минимум, хватало бы для дальнейшего самопроизвольного перемещения (т.е. перемещения по инерции) ведомого звена 3 в ближайшее положение, эквивалентное исходному положению этого звена 3.

Это объясняется тем, что при показанном на фиг. 8 и фиг. 9 варианте расположения нагружающих узлов 12 и 13, 17 и 18, 19 и 20 любое произвольное положение ведомого звена 3 и соответственно расположение вектора "J" намагниченности магнитострикционного материала элемента 4 всегда будут удовлетворять вышеописанным ограничительным условиям (в отношении взаимного расположения) по отношению, как минимум, к одной из линий нагружения.

Это, в свою очередь, обеспечивает возможность осуществления перемещения ведомого звена 3 (из любого его произвольного положения) посредством нагружения элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 вдоль соответствующей линии нагружения без использования инерционных свойств этого звена 3.

Для наглядности полный цикл перемещения (поворот на 360^o) ведомого звена 3, согласно данному случаю нагружения элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 (т.е. вдоль трех линий нагружения), проиллюстрирован на фиг. 2 - фиг. 7 графических материалов настоящей заявки.

В связи с этим, более подробное описание работы устройства по фиг. 8 и фиг. 9 (для данных, рассмотренных выше, случаев нагружения элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 3) в рамках настоящей заявки нецелесообразно.

Работа устройства для преобразования энергии механического нагружения ведущего звена 2 в энергию циклического относительного перемещения ведомого и ведущего звеньев 3 и 2 соответственно (в частности, в энергию перемещения ведомого звена 3 относительно неподвижного ведущего звена 2) в варианте исполнения по фиг. 10, фиг. 11 и фиг. 12 согласно изобретению с физической точки зрения осуществляется аналогично варианту выполнения устройства по фиг. 1.

Отличия в работе можно усмотреть лишь в том, что нагружение элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 механической нагрузкой осуществляется посредством статической нагрузки "Р" со стороны контролируемого объекта 21, а перемещение (возврат) ведомого звена 3 в строго исходное положение осуществляется принудительно (т. е. с помощью самостоятельного средства возврата, в данном конкретном случае - средства возврата механического типа), посредством тарированной пружины 26 кручения.

Следует также отметить, что в этом варианте конструктивного исполнения патентуемого устройства предусматривается перемещение ведомого звена 3 (в процессе механического нагружения элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 нагрузкой "P") в виде поворота этого звена 3 на угол, не превышающий 90^o, относительно исходного положения звена 3.

То есть, для данной конструкции патентуемого устройства, реализующего способ согласно изобретению, исключается возможность обеспечения перемещения ведомого звена 3 в виде циклического вращательного движения при циклическом приложении механической нагрузки "P" к элементу 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2.

В связи с этим данное конструктивное выполнение патентуемого устройства (фиг. 10) для реализации способа согласно изобретению наиболее целесообразно использовать в измерительной технике при промышленной реализации средств для измерения неэлектрических величин, преимущественно больших значений этих величин.

На основании вышеизложенного, более подробное описание работы устройства по фиг. 10, фиг. 11 и фиг. 12 (для рассматриваемого случая нагружения элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2, т.е. вдоль одной линии нагружения) в рамках настоящей заявки нецелесообразно.

Работа устройства для преобразования энергии механического нагружения ведущего звена 2 в энергию циклического относительного перемещения ведомого и ведущего звеньев 3 и 2 соответственно (в частности, в энергию перемещения ведомого звена 3 относительно ведущего звена 2) в варианте исполнения по фиг. 13 и фиг. 14 согласно изобретению с физической точки зрения осуществляется аналогично варианту выполнения устройства по фиг. 1, предусматривающему нагружение элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 механической нагрузкой "P" вдоль одной линии нагружения.

Однако в данном варианте конструктивного исполнения патентуемого устройства нет необходимости предварительной ориентации вектора "J" намагниченности магнитострикционного материала элемента 4 ведущего звена 2 относительно направления приложения механической нагрузки "P" (линии нагружения) к элементу 4 из магнитострикционного материала этого звена 2 посредством нагружающего узла 12.

Объясняется это тем, что:
- во-первых, в данном конструктивном решении патентуемого устройства устойчивое положение (т. е. положение, исключающее какое-либо перемещение) ведомого звена 3 (в статическом, т.е. ненагруженном состоянии элемента 4 из магнитострикционного материала) обеспечивается как посредством магнитного взаимодействия ведущего и ведомого звеньев 2 и 3 соответственно, так и посредством реактивной силы со стороны пружины 29 растяжения, которая (в упомянутом статическом состоянии элемента 4 из магнитострикционного материалаведущего звена 2) находится в нагруженном (в данном случае, см. фиг. 13, растянутом) состоянии;
во-вторых, помимо того, что ведомое звено 3 в данном варианте выполнения устройства находится в искусственно созданном (посредством пружины 29 растяжения) устойчивом положении равновесия (неподвижности) относительно элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2, это ведомое звено 3 установлено с возможностью возвратно-поступательного перемещения преимущественно в направлении, параллельном линии приложения нагрузки к упомянутому элементу 4 со стороны нагружающего узла 12.

Но следует сказать, что (в данном варианте конструктивного выполнения устройства для осуществления способа согласно патентуемому изобретению) можно устанавливать ведомое звено 3 и с возможностью возвратно-поступательного перемещения в любом направлении, которое неперпендикулярно линии приложения механической нагрузки "P" /линии нагружения/ к элементу 4 из магнитострикционного материала со стороны нагружающего узла 12.

В этих условиях в процессе механического нагружения элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 (посредством нагружающего узла 12) изменяются физико-механические параметры системы: пружина 29 - ведомое звено 3 - элемент 4 из магнитострикционного материала (ведущего звена 2) вследствие изменения направления вектора "J" намагниченности магнитострикционного материала упомянутого элемента 4 по отношению к направлению (вектор "H") магнитного поля (генерируемого постоянными магнитами 5 и 6) магнитной системы в соответствующей области пространства магнитного взаимодействия ведущего звена 2 с ведомым звеном 3.

То есть, величина магнитного взаимодействия между ведущим и ведомым звеньями 2 и 3 соответственно устройства по фиг. 13 (в результате приложения к элементу 4 из магнитострикционного материала механической нагрузки "P") уменьшается, и, следовательно, ведомое звено 3 перемещается в направлении стрелки "S" (см. фиг. 14) под действием пружины 29 в новое положение устойчивого равновесия, регламентируемое действующими в данный момент времени на это звено 3 реактивными воздействиями со стороны пружины 29 и элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2.

После снятия нагрузки, приложенной к элементу 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2, исходный баланс сил (действующих на ведомое звено 3 со стороны пружины 29 и элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2) восстанавливается и это звено 3 устанавливается под действием упомянутых сил (т. е. сил, действующих на ведомое звено 3 со стороны пружины 29 растяжения и элемента 4 из магнитострикционного материала) в исходное (соответствующее фиг. 13) положение.

При повторном приложении механической нагрузки "P" к элементу 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 посредством нагружающего узла 12 вышеописанный цикл возвратно-поступательного перемещения ведомого звена 3 повторяется в аналогичной последовательности.

Работа устройства для преобразования энергии механического нагружения ведущего звена 2 в энергию циклического относительного перемещения ведомого и ведущего звеньев 3 и 2 соответственно (в частности, в энергию перемещения ведомого звена 3 относительно ведущего звена 2) в варианте выполнения патентуемого устройства по фиг. 15, фиг. 16 и фиг. 17 согласно изобретению осуществляется следующим образом.

С физической точки зрения процесс преобразования энергии механического нагружения ведущего звена 2 посредством нагружающего узла 30 аналогичен ранее описанным процессам преобразования упомянутой энергии.

То есть, упомянутый процесс преобразования энергии механического нагружения ведущего звена 2 согласно изобретению заключается в том, что в результате механического нагружения элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 изменяется величина и/или направление вектора "J" намагниченности в магнитострикционном материале элемента 4 ведущего звена 2.

Следовательно, происходит изменение величин и/или направлений соответствующих параметров системы "ведомое звено 3 - элемент 3 из магнитострикционного материала" (ведущего звена 2), которые (т.е. параметры) обеспечивают устойчивое положение равновесия (т.е. относительной неподвижности) упомянутой системы.

Это изменение параметров упомянутой системы заставляет ведомое звено 3 перемещаться в новое (отличное от исходного) положение его устойчивого равновесия (относительной неподвижности) по отношению к элементу 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2.

Отличительной особенностью работы варианта выполнения устройства по фиг. 15, фиг. 16 и фиг. 17 является то, что нагружение элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 осуществляют вдоль линий нагружения, которые ориентированы непараллельно (преимущественно перпендикулярно) направлению перемещения по стрелке "S" ведомого звена 3.

Кроме того, нагружение упомянутого элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 осуществляется посредством нагружающего узла 30 не равномерно по всей длине этого элемента 4 (как в ранее описанных вариантах выполнения патентуемого устройства, реализующего способ согласно изобретению), а сосредоточенными нагрузками "P₁" (растягивающая нагрузка) и "P₂" (сжимающая нагрузка), которые прикладываются одновременно, по меньшей мере, к двум участкам 49 - 57 нагружения ведущего звена 2, расположенным в зоне магнитной системы (т.е. в зоне магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами 5 и 6) ведомого звена 3.

Вышеописанные теоретические выкладки, позволяющие обеспечить возможность поступательного (или возвратно-поступательного) перемещения ведомого звена 3, наглядно проиллюстрированы на ниже описанных фигурах графических материалов настоящей заявки, а именно:
на фиг. 15 - ведущее звено 2 не нагружено сосредоточенными нагрузками "P₁" и "P₂", а ведомое звено 3 находится в исходном положении, на фиг. 17 - ведущее звено 2 нагружено сосредоточенными нагрузками "P₁" и "P₂" в зоне участков 50 и 52 нагружения, а ведомое звено 3 находится в новом исходном положении;
на фиг. 18 - иллюстрирующей направления векторов "J" намагниченности в зоне участков 49, 50, 51, 52 и 53 нагружения и прилегающих к ним участках при расположении ведомого звена 3 в зоне этих участков согласно фиг. 15 и при отсутствии нагружения этих участков сосредоточенными нагрузками;
на фиг. 19 - иллюстрирующей направления векторов "J" намагниченности в зоне участков 49, 50, 51, 52 и 53 нагружения и прилегающих к ним участках при расположении ведомого звена 3 в зоне этих участков согласно фиг. 17 и при нагружении участков 50 и 52 противоположно направленными сосредоточенными нагрузками "P₁" и "P₂".

Совершенно очевидно, что взаимное положение векторов "J" намагниченности на участках 49, 50, 51, 52 и 53 нагружения и прилегающих к ним участках, после приложения к участкам 50 и 52 сосредоточенной нагрузки противоположного направления посредством нагружающего узла 30, обеспечивает перемещение ведомого звена 3 из положения этого звена 3 по фиг. 15 в положение звена 3 по фиг. 17.

Осуществление дальнейшего движения ведомого звена 3 в направлении перемещения этого звена 4 по стрелке "S" осуществляется аналогичным образом. То есть, посредством приложения сосредоточенных нагрузок (преимущественно противоположного направления) к тем участкам нагружения, которые в данном положении ведомого звена 3 (см. фиг. 17) расположены в зоне создаваемого этим звеном 3 магнитного поля.

То есть, согласно фиг. 17 - к участкам 51 и 53 нагружения по вышеописанной схеме нагружения (см. фиг. 19).

Следует также отметить, что при данном конструктивном выполнении патентуемого устройства (фиг. 15 и фиг. 16) элемент 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 целесообразно устанавливать в корпусе 1 в предварительно нагруженном (распределенной по длине элемента 4 из магнитострикционного материала нагрузкой "P₀") состоянии.

Объясняется это тем, что предварительное нагружение элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 в значительной степени увеличивает диапазон возможных величин напряжений (т.е., например, напряжений одноосного растяжения-сжатия) на участках 49-57 нагружения упомянутого элемента 4 ведущего звена 2 посредством сосредоточенных (и определенным образом приложенных к элементу 4 ведущего звена 2) механических нагрузок "P₁" и "P₂" в процессе эксплуатации устройства.

Кроме того, предварительное нагружение элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 упрощает конструкцию данного устройства в целом и увеличивает (расширяет) его функциональные возможности в части промышленной применимости.

Работа устройства для преобразования энергии механического нагружения ведущего звена 2 в энергию циклического относительного перемещения ведомого и ведущего звеньев 3 и 2 соответственно (в частности, в энергию поступательного перемещения ведущего звена 2 относительно ведомого звена 3) в варианте выполнения патентуемого устройства по фиг. 20, фиг. 21 и фиг. 22 для реализации способа согласно изобретению осуществляется следующим образом.

С физической точки зрения процесс преобразования энергии механического нагружения механической нагрузкой "P" элемента 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 (посредством нагружающего узла 30) аналогичен ранее описанным процессам преобразования указанной энергии, происходящим, например, в варианте конструктивного выполнения устройства (для реализации способа согласно изобретению) по фиг. 15, фиг. 16 и фиг. 17.

Выше приведенные теоретические выкладки (позволяющие обеспечить возможность поступательного или возвратно-поступательного перемещения ведущего звена 2 относительно ведомого звена 3) наглядно проиллюстрированы на фигурах 20, 22 и 23 графических материалов настоящей заявки.

Однако целесообразно дать более подробное описание упомянутых фигур графических материалов с учетом отражения (на базе информации, реализованной посредством этих фигур) физических процессов, реализуемых в результате преимущественно циклического приложения механической нагрузки "P" к соответствующим элементам 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2.

А именно:
на фиг.20 - показано ведущее звено 2, не нагруженное сосредоточенной механической нагрузкой "P" и находящееся в исходном положении;
на фиг. 22 - показано ведущее звено 2, нагруженное сосредоточенной механической нагрузкой "P" в зоне элемента 63 из магнитострикционного материала и находящееся в новом положении, эквивалентом исходному, т.е., в положении устойчивого равновесия, из которого, при приложении к соответствующему элементу 4 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 упомянутой нагрузки "P", обеспечивается перемещение ведущего звена 2 по стрелке "S";
на фиг. 23 - иллюстрирующей направления векторов "J" намагниченности элементов 4, 62 и 63 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 при нагружении этих элементов 4, 62 и 63 сосредоточенными механическими нагрузками "P" согласно указанной на фрагментах "д", "е" и "ж" этой фигуры последовательности нагружения элементов 4, 62, и 63 из магнитострикционного материала по замкнутому циклу.

Совершенно очевидно, что взаимное положение векторов "J" намагниченности элементов 4, 62 и 63 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 после приложения к этим элементам 4, 62 и 63 (в определенной последовательности, см. фиг. 23) сосредоточенной сжимающей механической нагрузки (посредством нагружающего узла 30) обеспечивает последовательное перемещение ведущего звена 2 из исходного положения (см. фиг. 20) по направлению стрелки "S", т.е. в положение этого звена 2, эквивалентное исходному (см. фиг. 22).

Объясняется это следующим.

Во-первых, необходимо отметить, что в данном конструктивном выполнении патентуемого устройства, реализующего способ согласно изобретению, ведущее и ведомое звенья 2 и 3 соответственно находятся в положении устойчивого равновесия (относительной неподвижности) друг относительно друга лишь в тех случаях, когда геометрический центр любой группы из числа элементов 4, 62 и 63 из магнитострикционного материала, вносящих вклад в величину силы пондермоторного взаимодействия между звеньями 2 и 3 (т.е. силы магнитного притяжения между упомянутыми звеньями 2 и 3, обеспечивающей перемещение ведущего звена 2), находится в одной из зон магнитной системы с максимальной величиной напряженности магнитного поля, параллельного направлению перемещения ведущего звена 2 и создаваемого этой магнитной системой. В данном конструктивном варианте патентуемого устройства зонами магнитного поля магнитной системы с максимальной величиной напряженности являются зоны расположения плоскостей 7 сопряжения постоянных магнитов 5, 6, 59, 60 магнитной системы. То есть, на фиг.20 показано одно из возможных положений взаимного устойчивого равновесия ведущего и ведомого звеньев 2 и 3.

Во-вторых, при приложении к элементу 63 из магнитострикционного материала (фиг. 23, фрагмент "д") ведущего звена 2 (находящегося в исходном согласно фиг. 20 положении) сосредоточенной механической нагрузки "P" вектор "J" намагниченности материала этого элемента 63 из исходного положения по фиг. 20 (параллельно вектору "H" напряженности магнитного поля магнитной системы) поворачивается в новое положение. То есть, в положение, перпендикулярное вектору "H" напряженности магнитного поля магнитной системы в зоне этого элемента 63 из магнитострикционного материала (фиг. 22 или фиг. 23, фрагмент "д").

При этом общеизвестно, что при таком (взаимно перпендикулярном) положении вектора "J" намагниченности элемента 63 из магнитострикционного материала (с отрицательной магнитострикцией) и вектора "H" напряженности магнитного поля магнитной системы (показанной на фиг. 20, фиг. 21 и фиг. 22) между упомянутыми элементом 63 и магнитной системой ведомого звена 3 практически отсутствует сила магнитного притяжения.

Следовательно, в рассматриваемом случае приложения сосредоточенной механической нагрузки "P" к элементу 63 из магнитострикционного материала этот элемент 63 условно можно принять за элемент из немагнитного материала, поскольку он не оказывает какого-либо существенного влияния на магнитное взаимодействие между ведущим звеном 2 и ведомым звеном 3.

То есть, в этом случае условно можно считать, что ведущее звено 2 включает только два магнитных элемента 4 и 62 из магнитострикционного материала.

Следовательно, нарушается ранее описанное положение устойчивого равновесия ведущего и ведомого звеньев 2 и 3, т.к., по-существу, происходит смещение геометрического центра группы рассматриваемых магнитных элементов из геометрического центра группы элементов 4, 62 и 63 в геометрический центр группы магнитных элементов 4 и 62 из магнитострикционного материала на плоскость сопряжения этих элементов 4 и 62, поскольку элемент 63 в этом случае становится условно немагнитным.

Таким образом, для того, чтобы ведомое и ведущее звенья 3 и 2 соответственно опять заняли положение относительного устойчивого равновесия, необходимо, чтобы геометрический центр системы магнитных элементов 4 и 62 из магнитострикционного материала (расположенный в плоскости сопряжения этих элементов 4 и 62) переместился в зону ближайшего максимума напряженности магнитного поля магнитной системы, т.е. в положение, показанное на фиг. 22 и на фрагменте "д" фиг. 23.

Таким образом, ведущее звено 2 вынуждено перемещаться на один шаг по направлению, указанному стрелкой "S", до момента расположения геометрического центра системы магнитных элементов 4 и 62 из магнитострикционного материала в зоне ближайшего максимума напряженности магнитного поля магнитной системы.

Второй шаг перемещения ведущего звена (фиг. 23, фрагмент "е") осуществляется совершенно аналогичным (по отношению к вышеописанному) способом.

То есть, сосредоточенная нагрузка "P" снимается с элемента 63 ведущего звена 2 и одновременно прикладывается к элементу 4 из магнитострикционного материала этого звена 2.

Вследствие этого геометрический центр системы оставшихся магнитных элементов 62 и 63 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 располагается в плоскости сопряжения этих элементов 62 и 63, а ведущее звено 2 вынуждено перемещаться по стрелке "S" в зону упомянутого ранее ближайшего максимума напряженности магнитного поля магнитной системы до момента расположения геометрического центра системы упомянутых магнитных элементов 62 и 63 в зоне этого ближайшего максимума напряженности магнитного поля магнитной системы.

Третий шаг перемещения ведущего звена (фиг. 23, фрагмент "ж") осуществляется совершенно аналогичным (по отношению к вышеописанному) способом.

То есть, сосредоточенная нагрузка "P" снимается с элемента 4 ведущего звена 2 и одновременно прикладывается к элементу 62 из магнитострикционного материала этого звена 2.

Вследствие этого геометрический центр системы оставшихся магнитных элементов 4 и 63 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 располагается в центре звена 62 из магнитострикционного материала, а ведущее звено 2 вынуждено перемещаться по стрелке "S" до момента расположения геометрического центра системы упомянутых магнитных элементов 4 и 63 в зоне упомянутого ранее ближайшего максимума напряженности магнитного поля магнитной системы.

Для дальнейшего перемещения ведущего звена 2 по направлению стрелки "S" цикл нагружения соответствующих элементов 4, 62, 63 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 повторяется в той же (вышеописанной) последовательности.

Целесообразно также отметить, что в данном варианте конструктивного выполнения патентуемого устройства, реализующего способ согласно изобретению, для обеспечения однозначности перемещения ведущего звена 2 только в заданном направлении перемещения необходимо использовать постоянные магниты 5, 6, 59, 60 и элементы 4, 62 и 63 из магнитострикционного материала ведущего звена 2 с такими геометрическими параметрами, которые обеспечивали бы расположение упомянутого ранее ближайшего максимума напряженности магнитного поля магнитной системы с той стороны от геометрического центра групп соответствующих магнитных элементов 4, 62, 63, в которую должно перемещаться ведущее звено 2.

Разумно выполнять данный вариант патентуемого устройства с ведомым звеном 3, которое включает, по меньшей мере, две симметрично расположенные относительно ведущего звена 2 группы постоянных магнитов ведомого звена 3, каждая из которых (упомянутых групп) может быть выполнена, например, конструктивно идентично группе постоянных магнитов 5, 6, 59, 60 по фиг. 20.

Это облегчает возможность перемещения ведущего звена 2, так как (при таком конструктивном решении) компенсируется притяжение упомянутого ведущего звена 2 к ведомому звену 3 в направлении, перпендикулярном направлению перемещения (например, по стрелке "S") этого звена 2. Следовательно, уменьшается трение в опорах 58 направляющей 28 ведущего звена 2.

Таким образом, изобретение может быть промышленно реализовано в области приборо-, машиностроения и измерительной техники, в частности в машинах и механизмах различного назначения, предусматривающих циклическое вращательное и/или поступательное перемещение ведомых звеньев этих устройств посредством их энергетического взаимодействия с соответствующими ведущими звеньями. А именно: в двигателях вращения, двигателях поступательного перемещения (линейных двигателях), в вибрационных и позиционирующих устройствах различного назначения, в приборах для измерения неэлектрических величин (например, массы тела, статических и динамических нагрузок, перемещения, давления и т. п. ) преимущественно больших значений, и прочих устройствах, функции которых заключаются в преобразовании энергии ведущего звена в энергию перемещения (работу) ведомого звена.

Формула изобретения

1. Способ преобразования энергии механического нагружения в энергию циклического перемещения, согласно которому, по меньшей мере, однократно осуществляют механическое нагружение, по меньшей мере, одного элемента ведущего звена до заданной величины нагрузки, которую выбирают из условия возможности обеспечения относительного перемещения ведомого и ведущего звеньев, а преобразование энергии механического нагружения ведущего звена в энергию циклического перемещения ведомого обеспечивают посредством их взаимосвязи, отличающийся тем, что взаимосвязь ведущего звена с ведомым осуществляют посредством магнитного взаимодействия путем использования в качестве ведомого звена магнитной системы, с, по меньшей мере, одним постоянным магнитом, а в качестве ведущего звена - звено, включающее, по меньшей мере, один элемент из магнитострикционного материала, который располагают в зоне магнитного поля упомянутой магнитной системы, при этом обеспечивают механическое нагружение того, по меньшей мере, одного элемента ведущего звена, который выполнен из магнитострикционного материала, а возможность относительного перемещения ведомого и ведущего звеньев обеспечивают посредством изменения направления и/или величины вектора намагниченности, по меньшей мере, одного упомянутого элемента из магнитострикционного материала в процессе его механического нагружения нагрузкой заданной величины.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что циклическое перемещение ведомого звена реализуют в виде поступательного перемещения.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что циклическое перемещение ведомого звена реализуют в виде вращательного перемещения.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что изменение направления и/или величины вектора намагниченности, по меньшей мере, одного элемента из магнитострикционного материала ведущего звена осуществляют посредством нагрузки, приложенной в плоскости нагружения, которая ориентирована неперпендикулярно вектору намагниченности упомянутого элемента из магнитострикционного материала.

5. Способ по п.2, или 3, или 4, отличающийся тем, что каждое последующее механическое нагружение, по меньшей мере, одного элемента из магнитострикционного материала ведущего звена до заданной величины нагрузки начинают осуществлять не ранее начала осуществления процесса снижения величины нагрузки от предыдущего механического нагружения этого элемента.

6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что механическое нагружение, по меньшей мере, одного элемента из магнитострикционного материала ведущего звена осуществляют вдоль одной линии нагружения, а перед началом осуществления первого и каждого последующего механического нагружения этого элемента ведомое звено перемещают в одно из положений, при котором угол между упомянутой линией нагружения и направлением вектора намагниченности, по меньшей мере, одного элемента из магнитострикционного материала ведущего звена в плоскости нагружения отличен от 0^o и углов, кратных 90^o.

7. Способ по п.4, отличающийся тем, что механическое нагружение, по меньшей мере, одного элемента из магнитострикционного материала ведущего звена осуществляют последовательно вдоль двух непараллельных между собой линий нагружения, а перед началом осуществления процесса механического нагружения этого элемента вдоль любой из упомянутых линий нагружения ведомое звено перемещают в одно из положений, при котором угол между соответствующей, вдоль которой в данный момент осуществляют нагружение, линией нагружения и направлением вектора намагниченности, по меньшей мере, одного элемента из магнитострикционного материала ведущего звена в плоскости нагружения отличен от 0^o и углов, кратных 90^o.

8. Способ по п.4, отличающийся тем, что механическое нагружение, по меньшей мере, одного элемента из магнитострикционного материала ведущего звена осуществляют последовательно вдоль, по меньшей мере, трех непараллельных между собой линий нагружения, которые повернуты одна относительно другой на близкие или равные по величине углы в плоскости нагружения.

9. Устройство для преобразования энергии механического нагружения в энергию циклического перемещения, включающее ведущее и ведомое звенья со средством преобразования энергии механического нагружения ведущего звена в энергию относительного циклического перемещения упомянутых звеньев, а также средство, по меньшей мере, однократного механического нагружения, по меньшей мере, одного элемента ведущего звена, отличающееся тем, что ведомое звено выполнено в виде магнитной системы с, по меньшей мере, одним постоянным магнитом, ведущее звено включает, по меньшей мере, один элемент, выполненный из магнитострикционного материала, который расположен в зоне магнитного поля магнитной системы с возможностью обеспечения магнитной взаимосвязи между звеньями, которая функционально является средством преобразования энергии механического нагружения ведущего звена в энергию относительного циклического перемещения звеньев, а средство механического нагружения, по меньшей мере, одного элемента ведущего звена расположено относительно этого звена с возможностью изменения в упомянутом, по меньшей мере, одном элементе из магнитострикционного материала ведущего звена направления и/или величины вектора намагниченности в процессе механического нагружения этого, по меньшей мере, одного элемента из магнитострикционного материала.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что ведомое звено установлено с возможностью поступательного перемещения.

11. Устройство по п.9, отличающееся тем, что ведомое звено установлено с возможностью вращательного перемещения.

12. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что средство механического нагружения, по меньшей мере, одного элемента из магнитострикционного материала ведущего звена расположено относительно этого звена с возможностью нагружения упомянутого элемента вдоль плоскости нагружения, расположенной неперпендикулярно по отношению к вектору намагниченности, по меньшей мере, одного упомянутого элемента из магнитострикционного материала ведущего звена.

13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что средство механического нагружения, по меньшей мере, одного элемента из магнитострикционного материала ведущего звена включает один нагружающий узел, который в исходном положении ведомого и ведущего звеньев расположен с возможностью нагружения, по меньшей мере, одного элемента из магнитострикционного материала ведущего звена вдоль одной линии нагружения, ориентированной в плоскости нагружения под углом, отличным от 0^o, и от углов, кратных 90^o, по отношению к вектору намагниченности упомянутого, по меньшей мере, одного элемента из магнитострикционного материала ведущего звена, а также снабжено средством перемещения ведомого звена, перед каждым повторным механическим нагружением ведущего, в положение, эквивалентное исходному.

14. Устройство по п. 12, отличающееся тем, что средство механического нагружения, по меньшей мере, одного элемента из магнитострикционного материала ведущего звена включает два нагружающих узла, которые расположены один относительно другого так, что линии приложения механической нагрузки расположены в плоскости нагружения, по меньшей мере, одного элемента из магнитострикционного материала ведущего звена, непараллельно друг другу, при этом каждый из нагружающих узлов в исходном положении ведомого и ведущего звеньев расположен с возможностью нагружения, по меньшей мере, одного элемента из магнитострикционного материала ведущего звена вдоль линии нагружения, ориентированной в плоскости нагружения под углом, отличным от 0^o, и углов, кратных 90^o, по отношению к вектору намагниченности упомянутого, по меньшей мере, одного элемента из магнитострикционного материала ведущего звена, а также снабжено средством перемещения ведомого звена, перед каждым повторным механическим нагружением ведущего, в положение, эквивалентное исходному.

15. Устройство по п.12, отличающееся тем, что средство механического нагружения, по меньшей мере, одного элемента из магнитострикционного материала ведущего звена включает, по меньшей мере, три нагружающих узла, которые расположены один относительно другого так, что линии приложения механической нагрузки расположены в плоскости нагружения, по меньшей мере, одного элемента из магнитострикционного материала ведущего звена, непараллельно друг другу и смещены одна относительно другой на близкие или равные углы.

16. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что средство механического нагружения ведущего звена снабжено источником тока, а нагружающий узел выполнен в виде, по меньшей мере, одного пакета пьезоэлементов, электрически соединенных с источником тока с возможностью циклического их подключения к упомянутому источнику тока.

17. Устройство по п.14 или 15, отличающееся тем, что средство механического нагружения ведущего звена снабжено источником тока, а нагружающие узлы выполнены в виде пакетов пьезоэлементов, электрически соединенных с источником тока с возможностью поочередного их подключения к упомянутому источнику тока.

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