МАГНИТНО-МЕХАНИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО СОЕДИНЕНИЯ МОДУЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
MAGNETIC-MECHANICAL DEVICE FOR CONNECTION OF MODULAR STRUCTURES

Изобретение относится к робототехнике и предназначено для обеспечения позиционирования модульных конструкций мобильной автономной реконфигурируемой системы относительно друг друга на этапе соединения в сложные конструкции.
Известно устройство «Разъемное соединение фланцев волноводов СВЧ трактов» (патент RU 2667324 С1), содержащее одинаковые пластины с соосными отверстиями и направляющими, которые образованы штырем, укрепленным на одной из пластин и соосными с ними отверстиями в другой пластине, шайбы из магнитотвердых материалов с остаточной намагниченностью, размещенные в отверстиях в пластинах, укрепленные в них и установленные встречно друг к другу противоположными полюсными наконечниками N-S, отверстие с резьбой в одной из пластин, смещенное относительно центра к краю пластины. При сближении пластин вдоль направляющих до вхождения направляющих в соосные с ними отверстия, между шайбами из магнитотвердых материалов с остаточной намагниченностью, размещенными в отверстиях в пластинах возникают магнитные силы притяжения, возрастающие по мере сближения пластин. Наибольшее усилие соответствует моменту соприкосновения плоскостей пластин. В таком состоянии взаимного положения пластин шайбы из магнитотвердых материалов с остаточной намагниченностью (постоянные магниты) удерживают присоединение волноводных фланцев.
Известно устройство «Methods for controlling the path of magnetic flux from a permanent magnet and devices incorporating the same», включающее в себя постоянный магнит, имеющий северные и южные полюсные грани с первой полюсной деталью, расположенной рядом с одной его поверхностью, и вторым полюсным наконечником, расположенным рядом с другой его поверхностью, чтобы создать, по меньшей мере, два потенциальных канала магнитного потока. Первая катушка управления расположена вдоль одного пути потока, а вторая катушка управления расположена вдоль другого пути потока, причем каждая катушка соединена с цепью управления для управления ее включением. Управляющие катушки могут быть запитаны различными способами для управления движущимися и статическими устройствами.
Известно устройство (патент RU 2312437 С2) для изготовления электрического соединения модулей или узлов с токодающим блоком, снабженным электрическими контактными элементами и магнитными телами, и с токоберущим блоком, снабженным электрическими ответными контактными элементами и магнитными телами, которые при соединении токодающего блока с токоберущим блоком расположены с противоположной полярностью напротив магнитных тел, причем контактные элементы выполнены в виде плоских контактов с поверхностными местами контактирования, для изготовления соединения предусмотрены грубая направляющая в качестве механического соединения с избыточным зазором между соединительными органами соединения для компенсации допусков и тонкая направляющая с точным позиционированием и центрированием за счет магнитных сил притяжения между магнитными телами токодающего блока и магнитными телами токоберущего блока для электрического контакта между контактными элементами посредством магнитных тел токодающего и токоберущего блока.
Известен магнито-механический коннектор (Pavliuk N., Krestovnikov K., Pykhov D., Budkov V., Design and Operation Principles of the Magnetomechanical Connector of the Module of the Mobile Autonomous Reconfigurable System // Interactive Collaborative Robotics, Third International Conference, ICR 2018, Leipzig, Germany, September 18-22, p. 202-212, 2018, Proceedings), состоящий из двух получашек, постоянного магнита, электромагнита управления и ответной части, при этом постоянный магнит установлен между стальных получашек, образуя незамкнутый контур, а управляющий электромагнит расположен над постоянным магнитом на расстоянии 0,01 мм, эта конструкция представляет собой рабочую, активную часть механизма магнитно-механического коннектора (коннектор А-типа). Пассивная ответная часть (коннектор В-типа) представляет собой кольцо, по диаметру соответствующее получашкам активной части.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и выбранным в качестве прототипа является магнито-механический коннектор (Павлюк Н.А., Крестовников К.Д., Пыхов Д.Э. Мобильная автономная реконфигурируемая система // Проблемы региональной энергетики, №1(36), 2018. С. 125-135), состоящий из активной части и пассивной части, представляющей собой кольцо, активная часть включает в себя две стальные получашки, постоянный магнит, электромагнит управления, при этом постоянный магнит установлен между стальных получашек и смещен в сторону пассивной части, образуя незамкнутый контур, а электромагнит управления, соединенный магнитопроводом с постоянным магнитом, расположен с противоположной стороны от пассивной части.
Основными недостатками существующих аналогов в предметной области является их высокое энергопотребление и малое усилие на разрыв в режиме сцепления, высокое значение усилия на разрыв в режиме расцепления, снижение значения усилия на разрыв в режиме сцепления при возникновении боковых, сдвигающих усилий на магнито-механический коннектор.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении изобретения, заключается в повышении значения усилия на разрыв в режиме сцепления, в том числе при возникновении боковых, сдвигающих усилий при обеспечении низкого энергопотребления магнито-механического соединителя (коннектора, устройства).
Данная техническая проблема решается тем, что в магнито-механическое устройство соединения модульных конструкций, состоящее из активной части и пассивной части, представляющей собой кольцо, при этом активная часть включает в себя две стальные получашки, постоянный магнит, электромагнит управления, постоянный магнит установлен между стальных получашек и смещен в сторону пассивной части, образуя незамкнутый контур, а электромагнит управления, соединенный магнитопроводом с постоянным магнитом, расположен с противоположной стороны от пассивной части, дополнительно введен магнитопровод-основание, выполненное в форме диска с вырезом в центральной части, обеспечивающим заданное сечение окна в магнитопроводе, имеющее четыре резьбовых отверстия для установки магнито-механического устройства на основание модульной конструкции, четыре сквозных отверстия для установки получашек. При этом получашки полусферической формы имеют конические выступы на всю верхнюю торцевую часть для самоцентрирования магнито-механического устройства, по два резьбовых отверстия для установки зеркально друг другу на магнитопровод-основание. На внутренней стороне получашек по центру расположено углубление-паз для установки постоянного магнита между получашками и замыкания магнитного потока. На нижней грани внутренней стороны каждой получашки имеется фаска под углом 45° для их изоляции от катушки электромагнита управления. Пассивная часть, представляющая собой кольцо, имеет коническое углубление на всю нижнюю торцевую часть для самоцентрирования магнито-механического устройства, четыре резьбовых отверстия для установки магнито-механического устройства на основание модульной конструкции.
Заявляемое изобретение поясняется чертежами, на которых показаны:
фиг. 1 - внешний вид магнито-механического устройства соединения модульных конструкций;
фиг. 2 - внешний вид магнитопровода-основания;
фиг. 3 - вид магнито-механического устройства, установленного на основания модульных конструкций;
фиг. 4 - результаты работы магнито-механического устройства соединения модульных конструкций.
Магнито-механическое устройство соединения модульных конструкций (фиг. 1) состоит из активной части и пассивной части (3). Активная часть включает в себя магнитопровод-основание (1), две стальные получашки (2), постоянный магнит (4), электромагнит управления (5),
2
Магнитопровод-основание (1) выполнено в форме диска диаметром 30 мм и высотой 10 мм с вырезом в центральной части 10×10×30 мм, обеспечивающим заданное сечение окна в магнитопроводе 30 мм (фиг. 2). Магнитопровод-основание (1) имеет резьбовых отверстия М2,5×8, радиальное расстояние между отверстиями 12 мм, для установки магнито-механического устройства на основание модульной конструкции (6), четыре сквозных отверстия М2,5 с зенкованием под потайной винт М2,5×10 для установки получашек (2) и сборки активной части магнито-механического устройства.
Стальные получашки (2) имеют полусферическую форму, конические выступы на всю верхнюю торцевую часть для самоцентрирования магнито-механического устройства, по два резьбовых отверстия М2,5×10, радиальное расстояние между отверстиями 12 мм, для установки зеркально друг другу на магнитопровод-основание (1). На внутренней стороне получашек (2) по центру, на расстоянии 8 мм от нижнего торца, расположено углубление-паз диаметром 12,1 мм, глубиной 1 мм, предназначенное для установки постоянного магнита (4) между получашками (2) и замыкания магнитного потока. На нижней грани внутренней стороны каждой получашки (2) имеется фаска 1,15 мм под углом 45° для того, чтобы катушка электромагнита (5) не соприкасалась с получашками (2) и не создавала помехи при перераспределении магнитного потока во время работы устройства. Остальные грани имеют фаску 0,15 мм под углом 45°.
Постоянный магнит (4) установлен между стальных получашек (2) и смещен в сторону пассивной части (3), образуя незамкнутый контур, а электромагнит управления (5), соединенный магнитопроводом с постоянным магнитом (4), расположен с противоположной стороны от пассивной части (3). Постоянный магнит имеет цилиндрическую форму и размер 12×10 мм, изготовлен из материала NdFeb (Неодим-Железо-Бор) с никелевым покрытием, намагничивание - аксиальное. Катушка электромагнита управления (5) выполнена из медного провода диаметром 0,15 мм, содержит 825 витков.
Пассивная часть (3) выполнена в виде кольца высотой 5 мм с внешним диаметром 30 мм, внутренним - 10 мм, имеет коническое углубление 1 мм на всю нижнюю торцевую часть для самоцентрирования магнито-механического устройства, четыре резьбовых отверстия М2,5×4, радиальное расстояние между отверстиями 12 мм, для установки магнито-механического устройства на основание модульной конструкции (6). Грани имеют фаску 0,15 мм под углом 45°.
При подаче управляющего импульса, ток которого индуцирует в сердечнике электромагнита управления (5) магнитный поток сонаправленный магнитному потоку постоянного магнита (4), магнитный поток замыкается по контуру, образованному сердечником электромагнита управления (5), после чего магнито-механическое устройство переходит в состояние расцепления. При токе, направленном в обратном направлении, магнито-механическое устройство переходит в состояние сцепления.
Для оценивания степени достижения заявленного технического результата было проведено 150 опытов, полученные результаты обработаны с использованием интервальной оценки случайной величины, после чего отсеяна примерно треть результатов экспериментов, в которых нарушалась повторяемость опыта или менялись условия проведения. Проведение серии экспериментов проходило с одинаковым по мощности управляющим импульсом напряжением 6 В при силе тока 0,17 А. В ходе проведенных экспериментальных исследований при подаче управляющего импульса для перевода магнито-механического устройства в состояние сцепления сила сцепления составляла от 4,6 до 8,2 кг, что подтверждается графиком результатов проведенных опытов (фиг. 4). При подаче управляющего импульса для перевода магнито-механического устройства в состояние расцепления усилие составляло менее 20 г (таблица 1).
Таким образом, заявляемое магнитно-механического устройство позволяет обеспечить надежное соединение между модулями мобильной автономной реконфигурируемой системы при помощи механического фиксирующего соединения, постоянного магнита для стыковки модулей друг с другом и электромагнита для разрыва соединения. Оно имеет низкое энергопотребление, так как потребляет малое количество энергии только в момент переключения режимов работы. При этом усилие на разрыв в режиме сцепления у разработанного устройства составляет не менее 4,6 кг.
Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественным всем признакам заявленного магнито-механического устройства соединения модульных конструкций, отсутствуют, поэтому изобретение соответствует условию патентоспособности "Новизна".
Результаты поиска известных решений в данной и смежной областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявляемого изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленной изобретение соответствует условию патентоспособности "Изобретательский уровень".