МАГНИТОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Настоящая полезная модель относится к электротехнике и средствам автоматики и может быть использована в качестве задатчика регулируемых перемещений, преимущественно, для прецизионного позиционирования исполнительных элементов машин и механизмов, а именно в прецизионных манипуляторах, в адаптивной оптике, для управления перемещением лазерного луча в обрабатывающих центрах, для перемещения обрабатывающего инструмента в станках, поворота образца в прецизионных кристаллографических рентгеновских установках, перемещения иглы в туннельном микроскопе, в прецизионных дозаторах, в клапанах для управления расходом газообразных и жидких химических реагентов, и т.д.
Известен магнитомеханический преобразователь, содержащий магнитную систему с источником магнитного поля в виде электрической обмотки возбуждения и сердечник из магнитострикционного материала с проходящей через его геометрический центр в направлении перемещения исполнительного элемента «механической» осью, расположенной с зазором относительно источника магнитного поля, и состоящий по меньшей мере из одного элемента, при этом исполнительный элемент, связан с сердечником с возможностью перемещения (см. авт. св. СССР №765913, МПК Н01L 41/12, 1980 г.).
Известен магнитострикционный вибратор, имеющий магнитострикционный стержень в качестве генерирующего элемента и подвижный держатель, соединенный со стержнем, соленоид, создающий управляемое магнитное поле, и постоянный магнит, создающий подмагничивающее поле (см. заявку JP №9075847). К недостаткам известных технических решений следует отнести высокое энергопотребление источника магнитного поля, поскольку для поддержания необходимых параметров магнитного поля при установлении и сохранении заданных линейных размеров сердечника требуется постоянное пропускание электрического тока через обмотку возбуждения источника магнитного поля. Более того, для известных технических решений характерен дополнительный нагрев магнитной системы и материала сердечника, что приводит к необходимости создания сложной системы охлаждения и температурной компенсации изменения линейных размеров сердечника. Изложенное является причиной увеличения массогабаритных показателей устройства в целом и не позволяет обеспечить достаточную точность при использовании магнитомеханических преобразователей в системах прецизионного позиционирования.
Известны, также, магнитомеханические преобразователи, содержащие установленные в корпусе состоящую по меньшей мере из одной части магнитную систему с источником магнитного поля и сердечник с проходящей через его геометрический центр
механической осью, расположенной с зазором относительно источника магнитного поля, и состоящий по меньшей мере из одного элемента из магнитострикционного материала, а также исполнительный элемент, связанный с сердечником с возможностью перемещения относительно корпуса, при этом механическая ось сердечника ориентирована в направлении перемещения исполнительного элемента, в которых источник магнитного поля выполнен в виде по меньшей мере одного постоянного магнита, а сердечник и по меньшей мере одна часть магнитной системы установлены с возможностью относительного перемещения (см. патенты РФ настоящего автора №№ 2032967 и 2075797).
В одном из указанных патентов осуществляется вращательное относительное перемещение сердечника и магнитной системы, а в другом - циклическое возвратно-поступательное перемещение.
В указанных патентах магнитомеханический преобразователь обеспечивает изменение координаты толкателя на 15-30 мкм при потребляемой мощности 5 Вт (мощность двигателя, обеспечивающего относительное перемещение сердечника), при этом поддержание этой координаты в течение любого промежутка времени не требует дополнительных энергозатрат.
В то же время, в описанных в патентах преобразователях не представлены решения отдельных технических задач, без которых работа преобразователя будет сопровождаться элементами ненадежности и неточности.
Так в этих патентах не предусмотрено обеспечение управляемого перемещения магнитной системы в реальных условиях ее движения, при которых со стороны магнитострикционного сердечника на магнитную систему действуют пондеромоторные силы и их моменты, направление и величина которых может изменяться во время движения магнитной системы. Кроме того, на магнитную систему во время ее движения действуют силы трения и их моменты. Это может привести к неуправляемому линейному или угловому перемещению магнитной системы, например, к скачкообразному и/или колебательному движению с возможным кратковременным изменению направления движения.
В указанных патентах не рассматривается возможность предупреждения изменения положения магнитострикционного сердечника в пространстве, хотя со стороны магнитной системы на сердечник действуют пондеромоторные силы или их моменты, пытающиеся изменить положение сердечника, что нельзя допустить, т.к. изменение положения сердечника приведет к неуправляемому перемещению исполнительного элемента (толкателя), и даже, возможно, к выходу из строя преобразователя.
В патентах также не предусмотрено обеспечение постоянного силового замыкания между контактирующими поверхностями сердечника и корпуса, с одной стороны, и сердечника и толкателя, с другой, а размыкание такого контакта на каком-либо этапе перемещения
приведет к неуправляемому перемещению толкателя при изменении внешней силы. Кроме того, при использовании магнитомеханического преобразователя с угловым перемещением магнитной системы в качестве вибратора размыкание указанных силовых контактов могут привести к разрушению сердечника. Указанные недостатки уменьшают надежность и стабильность работы преобразователя.
Задачей настоящей полезной модели является создание магнитомеханического преобразователя, обладающего надежной и стабильной работой во всем диапазоне перемещений исполнительного элемента, изменений величины и направления сил и их моментов, действующих в преобразователе, а также воздействующих на исполнительный элемент преобразователя.
Другой задачей настоящей полезной модели является создание магнитомеханического преобразователя, обладающего удобством и простотой в эксплуатации.
Еще одной задачей настоящей полезной модели является создание магнитомеханического преобразователя, в котором осуществляется управляемое перемещение, как линейное, так и угловое, магнитной системы, а также стабильность положения магнитострикционного сердечника и исполнительного элемента с обеспечением постоянного силового контакта корпуса, сердечника и исполнительного элемента во всем диапазоне рабочих характеристик преобразователя.
Для достижения указанных и других задач предлагается магнитомеханический преобразователь, содержащий включающую в себя по меньшей мере одну часть магнитную систему с источником магнитного поля, выполненным в виде по меньшей мере одного постоянного магнита, установленный в корпусе сердечник с проходящей через его геометрический центр механической осью, контактирующий своей опорной поверхностью с опорной поверхностью корпуса, расположенный с зазором относительно источника магнитного поля и включающий в себя по меньшей мере один элемент из магнитострикционного материала, где сердечник и по меньшей мере одна часть магнитной системы установлены с возможностью перемещения относительно друг друга, исполнительный элемент, связанный своей опорной поверхностью с опорной поверхностью сердечника с возможностью перемещения относительно корпуса, а механическая ось сердечника ориентирована в направлении перемещения исполнительного элемента, а также упругий элемент, прижимающий опорные поверхности сердечника и корпуса друг к другу и опорные поверхности сердечника и исполнительного элемента друг к другу, при этом указанная по меньшей мере одна часть магнитной системы выполнена с обеспечением ее управляемого перемещения по заданной траектории движения, сердечник и исполнительный элемент установлены с ограничением их смещения в направлении, перпендикулярном направлению перемещения исполнительного элемента, а сила исходного натяжения упругого элемента выбрана с обеспечением постоянного, без размыкания, силового контакта указанных
опорных поверхностей исполнительного элемента и сердечника, а также сердечника и корпуса, во всем рабочем диапазоне перемещения магнитной системы, и изменения величины и направления сил, действующих на сердечник и исполнительный элемент.
Кроме того, в магнитомеханическом преобразователе относительное перемещение магнитной системы и сердечника представляет собой вращательное движение.
Дополнительно, в магнитомеханическом преобразователе относительное перемещение магнитной системы и сердечника представляет собой возвратно-поступательное плоскопараллельное движение.
Кроме того, магнитомеханический преобразователь снабжен ограничителями смещения сердечника в направлении, перпендикулярном направлению перемещения исполнительного элемента, установленными между корпусом и сердечником и между сердечником и исполнительным элементом за пределами их опорных поверхностей, а также может быть снабжен ограничителями смещения сердечника в направлении, перпендикулярном направлению перемещения исполнительного элемента, установленными между корпусом и сердечником и между сердечником и исполнительным элементом в пределах их опорных поверхностей.
Дополнительно, в магнитомеханическом преобразователе указанный упругий элемент выполнен в виде тарельчатой пружины, действующей на исполнительный элемент в направлении к сердечнику.
Кроме того, магнитомеханический преобразователь может быть снабжен двигателем вращения, связанным с осью вращения магнитной системы, установленной в подшипниках корпуса, посредством муфты вращения с упругим элементом,
а также двигателем вращения, связанным с осью вращения магнитной системы, установленной в подшипниках корпуса, посредством жесткой муфты,
или он может быть снабжен двигателем вращения высокой жесткости, связанным с осью вращения магнитной системы посредством жесткой муфты,
или он снабжен двигателем вращения, кинематически соединенным с осью вращения магнитной системы, установленной в подшипниках корпуса, посредством муфты вращения с упругим элементом, связанной с указанной осью вращения через червячную передачу, при этом в корпусе установлена плоская кольцевая пружина для создания механического момента поджатия между элементами зацепления.
Кроме того, магнитомеханический преобразователь может быть снабжен линейным двигателем, а магнитная система установлена в дополнительном корпусе, закрепленном в корпусе преобразователя в направляющих перемещения, при этом линейный двигатель связан с дополнительным корпусом магнитной системы посредством муфты перемещения с упругим элементом или посредством жесткой муфты.
Дополнительно, магнитомеханический преобразователь может быть снабжен линейным двигателем высокой жесткости, а магнитная система установлена в дополнительном
корпусе, расположенном в корпусе преобразователя, при этом линейный двигатель высокой жесткости связан с дополнительным корпусом магнитной системы посредством жесткой муфты,
а также магнитомеханический преобразователь может быть снабжен двигателем вращения, а магнитная система установлена в дополнительном корпусе, закрепленном в корпусе преобразователя на по меньшей мере одной направляющей перемещения, при этом двигатель вращения кинематически соединен с дополнительным корпусом магнитной системы посредством муфты вращения с упругим элементом, связанной с указанным дополнительным корпусом через винтовую передачу, при этом в корпусе установлена цилиндрическая пружина для создания силы поджатия между элементами зацепления.
Сущность настоящей полезной модели будет более понятна при ознакомлении с последующим описанием предпочтительных вариантов выполнения устройства с учетом сопроводительных чертежей, на которых:
На фиг.1 - представлен магнитомеханический преобразователь в соответствии с настоящей полезной моделью, в котором осуществляется относительное вращательное перемещение сердечника и магнитной системы с помощью муфты вращения с упругим элементом, а также направляющих вращения, выполненных в виде подшипников вращения.
На фиг.2 - представлен магнитомеханический преобразователь в соответствии с настоящей полезной моделью, в котором осуществляется относительное вращательное перемещение сердечника и магнитной системы с помощью жесткой муфты, а также направляющих вращения, выполненных в виде подшипников вращения.
На фиг.3 - представлено сечение А-А на фиг.1, 2, 6 и 9.
На фиг.4 - представлен магнитомеханический преобразователь в соответствии с настоящей полезной моделью, в котором осуществляется относительное возвратно-поступательное плоскопараллельное относительное перемещение сердечника и магнитной системы с помощью муфты перемещения с упругим элементом, а также направляющих линейного перемещения.
На фиг.5 - представлено сечение Б-Б на фиг.4.
На фиг.6 - представлен магнитомеханический преобразователь в соответствии с настоящей полезной моделью, в котором относительное вращательное перемещение сердечника и магнитной системы осуществляется двигателем вращения, который за счет размеров и жесткости своей конструкции обеспечивает заданное положение магнитной системы преобразователя в пространстве без использования направляющих вращения преобразователя, выполненных виде подшипников, и ось которого связана с осью магнитной системы с помощью жесткой муфты.
На фиг.7 - представлен магнитомеханический преобразователь в соответствии с настоящей полезной моделью, в котором относительное возвратно-поступательное плоскопараллельное перемещение сердечника и магнитной системы осуществляется линейным двигателем, который за счет размеров и жесткости своей конструкции обеспечивает заданное положение магнитной системы преобразователя в пространстве без использования линейных направляющих преобразователя, и ось которого связана с магнитной системой с помощью жесткой муфты.
На фиг.8 - представлено сечение В-В на фиг.7.
На фиг.9 - представлен магнитомеханический преобразователь в соответствии с настоящей полезной моделью, в котором осуществляется относительное вращательное перемещение сердечника и магнитной системы с помощью муфты вращения с упругим элементом и червячной передачи.
На фиг.10 - представлено сечение Г-Г на фиг.9.
На фиг.11 - представлен магнитомеханический преобразователь в соответствии с настоящей полезной моделью, в котором осуществляется относительное возвратно-поступательное плоскопараллельное перемещение сердечника и магнитной системы с помощью муфты вращения с упругим элементом и винтовой передачи.
На фиг.12 - представлено сечение Д-Д на фиг.11.
Настоящая полезная модель будет рассмотрена на основе двух видов относительных перемещений сердечника и магнитной системы: в виде относительного вращательного движения и относительного возвратно-поступательного плоскопараллельного перемещения.
На фиг.1 и фиг.3 показан магнитомеханический преобразователь, в котором осуществляется относительное вращательное перемещение сердечника и магнитной системы. Преобразователь содержит магнитную систему, состоящую из магнитопровода 1 и источника магнитного поля, выполненного в виде постоянных магнитов 2, а также сердечник 3, выполненный из магнитострикционного материала и установленный с зазором 4 относительно элементов магнитной системы, и исполнительный элемент в виде толкателя 5. Сердечник 3 и магнитная система установлены с возможностью относительного вращения вокруг оси 6 вращения посредством механизма вращения. Источник магнитного поля выполнен в виде оппозитно расположенных групп постоянных магнитов 2, по одной паре в каждой группе. Вектора 7 намагниченности постоянных магнитов 2 в каждой отдельно взятой группе, а также оппозитно расположенных магнитов 2 в противолежащих группах, ориентированы в противоположных направлениях. Магнитная система на упомянутой фигуре выполнена зеркально-симметричной относительно плоскости, проходящей через механическую ось 8 сердечника 3 (т.е. ось, совпадающую с направлением рабочего перемещения толкателя 5 и проходящую через геометрический центр 9 сердечника 3), при этом магнитная система может иметь как
общую, так и индивидуальные для каждой группы оси 6 вращения в зависимости от конструктивного исполнения.
Сердечник 3 расположен в исходном рабочем положении, т.е. его геометрический центр 9 расположен в зоне максимума напряженности продольного по отношению к механической оси 8 магнитного поля магнитной системы. Сердечник 3 контактирует своей опорной поверхностью с опорной поверхностью корпуса 10. Толкатель 5 связан своей опорной поверхностью с опорной поверхностью сердечника 3 с возможностью перемещения относительно корпуса 10 посредством упругого элемента 11, который в данном случае может быть выполнен в виде тарельчатой пружины. Магнитная система смонтирована на оси 6 вращения, которая с зазором 12 может проходить внутри элементов сердечника 3 или между ними и кинематически связана с двигателем 13. Элементы магнитной системы могут быть установлены в корпусах 14, количество которых соответствует количеству оппозитно расположенных групп постоянных магнитов 2.
Сердечник состоит из одного или нескольких элементов, при этом в случае параллельного расположения элементов сердечника 3 симметрично относительно оси вращения указанные элементы выполняются из материала с одинаковой по знаку и величине магнитострикцией.
При последовательном расположении элементов сердечника их в ряде случаев целесообразно чередовать по знаку и величине магнитострикции в зависимости от конструктивного выполнения магнитной системы.
На фиг.1 и фиг.3 сердечник 3 выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда с отверстием, внутри которого с зазором 12 проходит ось 6 вращения, вращательное движение оси 6 осуществляется непосредственно от двигателя 13, ось 16 которого связана с осью вращения 6, установленной в подшипниках, через муфту вращения 15 с упругим элементом. Двигатель 13 с муфтой 15 смонтированы в дополнительном корпусе 17. Преобразователь снабжен ограничителями 18 смещения сердечника 3 в направлении, перпендикулярном направлению перемещения толкателя 5. Ограничители 18 смещения сердечника расположены за пределами опорных поверхностей корпуса сердечника и толкателя. Механические контакты опорных поверхностей сердечника и толкателя, а также корпуса и сердечника, обозначены позициями 19 и 20, соответственно.
В этом варианте осуществления настоящей полезной модели магнитный преобразователь работает следующим образом.
Предварительно экспериментальным путем или с помощью модельных расчетов определяют положение экстремумов напряженности магнитного поля в рабочей зоне магнитной системы. Геометрический центр 9 сердечника 3 (или геометрический центр каждого элемента сердечника в случае выполнения последнего составным) размещают в одном из максимумов, например в максимуме напряженности продольного относительно механической оси сердечника магнитного поля. Далее для осуществления перемещения
исполнительного элемента 5 осуществляют относительное перемещение сердечника и магнитной системы, обеспечивая, тем самым последовательное перемещение геометрического центра сердечника из одного экстремума напряженности в другой по замкнутому циклу.
При включении электропитания двигатель 13 начинает вращаться и поворачивает ось 6 вращения со смонтированной на ней магнитной системой. В исходном положении магнитной системы напряженность магнитного поля ориентирована вдоль механической оси элементов сердечника 3 с положительной магнитострикцией и поперек механической оси элементов сердечника 3 с отрицательной магнитострикцией. При повороте магнитной системы направление напряженности магнитного поля в каждом магнитострикционном элементе сердечника изменяется, и в конечном положении оно изменяется на 90° по отношению к механической оси каждого магнитострикционного элемента сердечника, что вызывает максимальное изменение длины сердечника 3 и, соответственно, перемещение толкателя 5.
В настоящей полезной модели, как указывалось выше, магнитная система выполнена с обеспечением ее управляемого перемещения по заданной траектории движения. В данном варианте такое движение осуществляется при вращении магнитной системы в направляющих вращения, выполненных в виде подшипников качения, которые ограничивают относительное перемещение магнитной системы в направлениях, перпендикулярных заданной траекторией перемещения.
Максимальный момент вращения двигателя 13 значительно превосходит действующие на магнитную систему со стороны магнитострикционного сердечника моменты пондеромоторных сил, направление и величина которых может изменяться во время движения магнитной системы, а также моменты сил трения.
Направляющие вращения вследствие своей жесткости препятствуют перемещению магнитной системы под действием пондеромоторных сил и сил трения в направлениях, перпендикулярных заданной траектории перемещения.
Кроме того, передача вращающего момента от двигателя 13 к оси вращения 6 магнитной системы осуществляется муфтой вращения 15 с упругим элементом, обладающей большой жесткостью в направлении заданной траектории перемещения и малой жесткостью в других направлениях. Такая муфта с упругим элементом, выполненным, например, в виде мембраны, позволяет плавно, без рывков, поворачивать магнитную систему даже при наличии небольших перекосов и смещений осей вращения двигателя и магнитной системы друг относительно друга в реально изготовленном магнитомеханическом преобразователе.
Перечисленные выше особенности преобразователя обеспечивают управляемое перемещение магнитной системы по заданной траектории движения.
В преобразователе установлены ограничители 18 смещения сердечника, которые во всем диапазоне перемещений и величин действующих на сердечник сил ограничивают смещение сердечника 3 в направлении, перпендикулярном направлению перемещения толкателя 5, чем обеспечивается заданное движение толкателя.
Кроме того, исходная сила натяжения упругого элемента 11 выбрана таким образом, что обеспечивается постоянный силовой контакт без его размыкания опорных поверхностей корпуса 10 и сердечника 3, а также сердечника 3 и толкателя 5, чем дополнительно поддерживается положение сердечника и ограничивается смещение толкателя.
Выполнение упругого элемента 11 в виде тарельчатой пружины также дополнительно ограничивает смещение толкателя 5 от пондеромоторных сил, действующих на сердечник 3 в направлении, перпендикулярном направлению перемещения толкателя 5, и разнонаправленного воздействия исполнительного органа (на фиг.1 и фиг.3 не показан), связанного с толкателем.
На фиг.2 и фиг.3 показан магнитомеханический преобразователь, в котором также осуществляется относительное вращательное перемещение сердечника и магнитной системы. Но в это варианте исполнения магнитомеханического преобразователя передача вращающего момента от двигателя 13 к оси вращения 6 магнитной системы осуществляется жесткой муфтой 21.
Наличие жесткой муфты также позволяет обеспечить плавное, без рывков управляемое перемещение магнитной системы, однако в этом случае требуется высокая точность изготовления магнитомеханического преобразователя.
На фиг.4 и фиг.5 показан магнитомеханический преобразователь, в котором осуществляется второй из рассматриваемых видов относительного перемещения, а именно возвратно-поступательное плоскопараллельное относительное перемещение сердечника и магнитной системы. В этом варианте в качестве корпуса магнитной системы используется корпус 22, а в качестве двигателя используется установленный в дополнительном корпусе 17 линейный двигатель 23. Этот двигатель 23 связан с корпусом 22 посредством муфты перемещения 24 с упругим элементом.
На фиг.4 и фиг.5 сердечник 3 расположен в исходном рабочем положении, т.е. его геометрический центр расположен в зоне максимума напряженности продольного по отношению к «механической» оси 8 или поперечного относительно той же оси магнитного поля магнитной системы. Сердечник 3 контактирует своей опорной поверхностью с опорной поверхностью корпуса 10. Толкатель 5 связан своей опорной поверхностью с опорной поверхностью сердечника 3 с возможностью перемещения относительно корпуса 10 посредством упругого элемента 11. В ряде случаев для увеличения диапазона изменения линейных размеров, сердечник выполняют из нескольких элементов из материалов с чередующейся по знаку магнитострикцией. Кроме того, между элементами с различной (положительной или отрицательной) магнитострикцией может быть
расположен элемент с «нулевой» магнитострикцией и модулем упругости, не меньшим модуля упругости магнитострикционных элементов сердечника.
Элементы сердечника с положительной и отрицательной магнитострикцией размещают в экстремумах и «узлах» магнитного поля соответственно. При этом в исходном состоянии составной сердечник имеет свою максимальную длину. При перемещении сердечника его элементы перемещаются из «узлов» в экстремумы и из экстремумов в «узлы» соответственно, и при этом в конечном состоянии элементы с положительной магнитострикцией оказываются в «узлах» а с отрицательной в экстремумах, т.е. каждый элемент укорачивается, поэтому сердечник в конечном положении имеет свою минимальную длину.
«Механическую» ось 8 сердечника 3 ориентируют (в процессе изготовления) преимущественно параллельно или перпендикулярно относительно оси легчайшего намагничивания сердечника, а последнюю преимущественно параллельно относительно направления вектора напряженности магнитного поля в экстремуме, соответствующем исходному рабочему положению геометрического центра сердечника 3.
В настоящей полезной модели, как указывалось выше, магнитная система выполнена с обеспечением ее управляемого перемещения по заданной траектории движения. В данном варианте такое движение осуществляется при возвратно-поступательном плоскопараллельном перемещении магнитной системы вдоль линейных направляющих 25, которые ограничивают относительное перемещение магнитной системы в направлениях, перпендикулярных заданной траекторией перемещения.
Максимальная сила линейного двигателя 23 значительно превосходит действующие на магнитную систему со стороны магнитострикционного сердечника пондеромоторные силы, направление и величина которых может изменяться во время движения магнитной системы, а также силы трения.
Линейные направляющие 25 вследствие своей жесткости препятствуют перемещению магнитной системы под действием пондеромоторных сил и сил трения в направлениях, перпендикулярных заданной траектории перемещения.
Кроме того, передача силы от линейного двигателя 23 к магнитной системе осуществляется муфтой перемещения 24 с упругим элементом, обладающей большой жесткостью в направлении заданной траектории перемещения и малой жесткостью в других направлениях. Такая муфта с упругим элементом, выполненным, например, в виде стержня, позволяет плавно, без рывков, перемещать магнитную систему даже при наличии небольших перекосов и смещений оси 28 перемещения линейного двигателя и линейных направляющих 25 магнитной системы друг относительно друга в реально изготовленном магнитомеханическом преобразователе.
В то же время, возможен вариант осуществления преобразователя с линейными направляющими, в котором передача силы от линейного двигателя 23 к магнитной
системе осуществляется посредством жесткой муфты, аналогичной представленной на фиг.2 при вращательном движении.
Перечисленные выше особенности преобразователя обеспечивают управляемое перемещение магнитной системы по заданной траектории движения.
На фиг.6 и фиг.2 показан магнитомеханический преобразователь, в котором относительное вращательное перемещение сердечника и магнитной системы осуществляется двигателем вращения 26 высокой жесткости, который за счет размеров и жесткости своей конструкции обеспечивает заданное положение магнитной системы преобразователя в пространстве без использования направляющих вращения преобразователя, выполненных виде подшипников, и ось которого связана с осью магнитной системы с помощью жесткой муфты 21. В этом варианте в качестве направляющих вращения преобразователя, способствующих управляемому перемещению магнитной системы по заданной траектории, используются подшипники вращения двигателя 26 высокой жесткости.
На фиг.7 и фиг.8 показан магнитомеханический преобразователь, в котором относительное возвратно-поступательное плоскопараллельное перемещение сердечника и магнитной системы осуществляется линейным двигателем 27 высокой жесткости, который за счет размеров и жесткости своей конструкции обеспечивает заданное положение магнитной системы преобразователя в пространстве без использования линейных направляющих преобразователя, и ось которого связана с магнитной системой с помощью жесткой муфты 21. В этом варианте в качестве линейных направляющих преобразователя, способствующих управляемому перемещению магнитной системы по заданной траектории, используются линейные направляющие двигателя 27 высокой жесткости.
На фиг.9, фиг.10 и фиг.2 показан магнитомеханический преобразователь, в котором связь двигателя с магнитной системой обеспечивается с помощью механической передачи, в данном случае относительное вращательное перемещение сердечника и магнитной системы осуществляется с помощью червячной передачи. Двигатель 13 соединен через муфту 15 вращения, имеющую упругий элемент, с червячным винтом 29, который через червячную шестерню 30 передает момент сил от двигателя 13 к оси вращения 6 магнитной системы.
Для обеспечения постоянного контакта элементов зацепления в указанной системе передачи механического момента дополнительно введена плоская кольцевая пружина 31, обеспечивающая при предварительном закручивании механический момент поджатия между элементами зацепления. Этот механический момент поджатия превосходит действующие на магнитную систему со стороны магнитострикционного сердечника моменты пондеромоторных сил, направление и величина которых может изменяться во время движения магнитной системы, а также моменты сил трения.
Направление механического момента поджатия обычно выбирают совпадающим с направлением проекции максимального момента пондеромоторных сил, действующих на магнитную систему при ее перемещении, на ось вращения магнитной системы. Использование постоянного силового контакта элементов зацепления обеспечивает плавное, без рывков, управляемое перемещение магнитной системы по заданной траектории движения.
Постоянный силовой контакт  элементов зацепления на фиг.10 может быть создан и другими известными способами, например, с использованием червячной шестерни, включающей в себя две прижатые друг к другу одинаковые червячные шестерни, первая из которых неподвижно закреплена на оси вращения, а вторая свободно надета на ось вращения и соединена с первой с помощью плоской кольцевой пружины. Перед началом контакта с червячным винтом вторую червячную шестерню закручивают на некоторый угол, и после этого всю систему подводят к червячному винту.
На фиг.11 и фиг.12 показан магнитомеханический преобразователь, в котором связь двигателя с магнитной системой обеспечивается с помощью механической передачи, в данном случае относительное возвратно-поступательное плоскопараллельное перемещение сердечника и магнитной системы осуществляется с помощью винтовой передачи. Двигатель 13 соединен через муфту 15 вращения, имеющую упругий элемент, с ходовым винтом 32, при вращении которого перемещается корпус 22 с магнитной системой.
Ограничители 18 смещения сердечника выполнены в виде вкладышей, расположенных в пределах опорных поверхностей корпуса, сердечника и толкателя.
Для обеспечения постоянного контакта элементов зацепления в указанной системе передачи силы дополнительно введена цилиндрическая пружина 33, обеспечивающая при предварительном натяжении силу поджатия между элементами зацепления. Эта сила поджатия превосходит действующие на магнитную систему со стороны магнитострикционного сердечника пондеромоторные силы, направление и величина которых может изменяться во время движения магнитной системы, а также силы трения. Направление силы поджатия обычно выбирают совпадающим с направлением проекции пондеромоторных сил, действующих на магнитную систему при ее перемещении, на ось перемещения магнитной системы.
Использование постоянного силового контакта элементов зацепления обеспечивает плавное, без рывков, управляемое перемещение магнитной системы по заданной траектории движения.
Постоянный силовой контакт элементов зацепления может быть создан и другими известными способами, например, с использованием ходовой гайки, включающей в себя две гайки с одинаковой ходовой резьбой, первая из которых неподвижно закреплена на корпусе магнитной системы, а вторая прикреплена к первой с помощью плоской пружины,
при этом вторая подвижная гайка может перемещаться вдоль оси ходовой резьбы, но не может поворачиваться вокруг этой оси. Ходовой винт ввинчивают во вторую подвижную гайку, натягивают пружину вдоль винта, и после этого ходовой винт ввинчивают в первую ходовую гайку.
Во всех представленных вариантах осуществления настоящей полезной модели предусмотрены усовершенствования, повышающие рабочие характеристики преобразователя. Преобразователь выполнен таким образом, что в нем обеспечивается ограничение смещения сердечника 3 в направлении, перпендикулярном направлению перемещения исполнительного элемента (толкателя 5). Эту функцию могут выполнять ограничители 18 смещения сердечника, закрепленные за пределами или в пределах опорных поверхностей корпуса 10, исполнительного элемента 5 и/или сердечника 3. Дополнительно, упругий элемент 11 имеет такие характеристики, что его сила исходного натяжения выбрана с обеспечением постоянного, без размыкания, силового контакта указанных опорных поверхностей толкателя 5 с сердечником 3 и сердечника 3 с корпусом 10 во всем рабочем диапазоне перемещения магнитной системы и изменения величины и направления сил, действующих на сердечник и толкатель. Таким образом, упругий элемент 11, обеспечивая постоянный контакт опорных поверхностей указанных элементов, дополнительно способствует стабильному положению сердечника 3 и толкателя 5 в пространстве. Необходимая характеристика упругого элемента подбирается известными в данной области техники способами.
Кроме того, преобразователь выполнен так, чтобы перемещение по заданной траектории движения указанной по меньшей мере одной части магнитной системы было управляемым, т.е. плавным, повторяемым и в заданном направлении.
Эффект управляемости магнитной системы, как указано выше, в настоящей полезной модели можно достичь, если:
- ограничивать относительное перемещение магнитной системы в направлениях, перпендикулярных заданной траектории перемещения;
- использовать элементы с высокой жесткостью для передачи силы или момента сил при перемещении магнитной системы;
- использовать для перемещения магнитной системы силу или момент вращения двигателя, значительно превосходящий действующие на магнитную систему пондеромоторные силы и их моменты, а также силы трения и их моменты.
Эффект управляемости магнитной системы в случае применения механической передачи для перемещения магнитной системы достигается при дополнительном к перечисленному выше использовании постоянного силового контакта элементов зацепления механической передачи.
При конкретной реализации предпочтительных вариантов постоянные магниты выполнялись из материала типа Nd-Fe-B, магнитопровод из стали 3, сердечник вытянутой
2
3
формы был выполнен в виде одного или двух элементов в форме параллелепипеда из материала TbFe. Габаритные размеры из четырех магнитов: 30×20×10 мм. Габаритные размеры каждого из двух элементов сердечника: длина 20 мм, ширина 4-8 мм, высота 8 мм. Зазор между сердечником и каждой из двух частей магнитной системы составляет по 1,5 мм. Величина напряженности магнитного поля в геометрическом центре составного сердечника (в максимуме напряженности) равнялась 360 кА/м. Мощность двигателя, осуществляющего относительное перемещение сердечника при позиционировании, составляла 5 Вт. Относительное перемещение сердечника осуществлялось таким образом, что продольная ось сердечника совпадала с его «механической» осью, осью легчайшего намагничивания и направлением вектора напряженности магнитного поля в исходном положении магнитной системы.
Как видно из описания представленных предпочтительных вариантов осуществления настоящей полезной модели введение в магнитомеханический преобразователь указанных новых конструктивных особенностей способствует созданию преобразователя, имеющего высокую надежность в работе во всем диапазоне перемещений исполнительного элемента, изменений величины и направления действующих сил. Эксплуатация преобразователя становится более понятной и ожидаемой.
В данном описании раскрыты предпочтительные варианты выполнения магнитомеханического преобразователя, но следует понимать, что, не отходя от сущности полезной модели, можно предложить и другие модификации, которые находятся в рамках заявленного в предложенной формуле полезной модели.