ВИБРОИЗОЛИРУЮЩАЯ МАГНИТНАЯ ОПОРА (ВАРИАНТЫ)
ANTIVIBRATION MAGNETIC MOUNT (VERSIONS)

Изобретение относится к средствам виброзащиты объектов в различных областях техники, в частности к виброизолирующим магнитным опорам, и может найти применение в приборостроении, машиностроении, для виброзащиты сканирующих зондовых микроскопов и других прецизионных устройств.
Известен магнитный демпфер [1], содержащий основание, подвесы, закрепленные на основании, содержащие виброгасители, в состав которых входят упругие элементы растяжения, соединенные с подвижной платформой, а также магниты, расположенные по замкнутой линии, и проводящий гаситель колебаний, установленный с возможностью взаимодействия с магнитными потоками, образованными магнитами. Продольные оси упругих элементов растяжения расположены под углом к оси линейных колебаний подвижной платформы. Проводящий гаситель колебаний закреплен на подвижной платформе. Магниты закреплены на основании парами с зазорами между магнитами таким образом, что разноименные полюса расположены на внешних поверхностях пар.
Недостаток указанного устройства заключается в недостаточной эффективности магнитного демпфера, что требует дополнительного использования виброгасителей.
Также известна конструкция виброизолирующей опоры [2], содержащая цилиндрический корпус, в котором соосно установлены опорный стержень и кольцевая мембрана, которая со стенками корпуса образует пневматическую демпферную камеру. На верхнем торце цилиндрического корпуса с помощью шарикоподшипника установлен соосно с цилиндрическим корпусом кольцевой электромагнит, который является основным узлом электродинамического компенсатора виброизолирующей опоры. В зазоре магнитопровода кольцевого электромагнита установлена подвижная катушка. Магнитопровод и подвижная катушка центрированы относительного опорного стержня с помощью металлической мембраны. Корпус подвижной катушки связан с опорным стержнем муфтой трения. Устройство эффективно работает при высокой интенсивности виброколебаний.
К недостаткам такой конструкции следует отнести необходимость центрирования магнитопровода и подвижной катушки относительно опорного стержня, наличие подвижного контакта, образованного муфтой трения, низкую эффективность гашения крутильных колебаний.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является виброизолятор [3]. Виброизолятор (виброизолирующая магнитная опора) содержит размещенные между опорными пластинами две витые конические пружины, установленные соосно одна навстречу другой большими основаниями и снабженные демпфером (устройство для гашения энергии колебания). Одна из пружин закреплена основаниями в полости соосного с ней стального сильфона, соединенного своими жесткими торцами соответственно с опорной пластиной и большим основанием другой пружины. Демпфер выполнен в виде двух постоянных магнитов, установленных на каждой из опорных пластин в зоне крепления пружин, и ферромагнитного порошка, заполняющего часть полости сильфона.
Недостатком данного устройства является низкая эффективность виброизоляции главного колебания, обусловленная механической связью между опорными пластинами, которые могут перемещаться как целое, режим виброгашения в этом случае отсутствует.
Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности виброгашения устройства.
Задача решается следующим образом.
Известная виброизолирующая магнитная опора содержит опорные пластины, пружины, установленные между ними, демпфер, включающий постоянные магниты, закрепленные на опорных пластинах. Согласно изобретению по варианту 1, пружины выполнены в виде нитей, жестко закрепленных к одной из опорных пластин и упруго связанных с другой опорной пластиной при помощи средства для натяжения нитей, при этом расстояние между опорными пластинами зависит от напряженности магнитного поля и силы натяжения нитей и составляет не менее 0,5 расстояния между полюсами постоянного магнита; демпфер содержит, по меньшей мере, четыре постоянных магнита, не менее трех из которых закреплены на одной из опорных пластин по окружности и равноудалены друг от друга на расстоянии не менее 0,5 расстояния между полюсами постоянного магнита, а один постоянный магнит, ось которого проходит через центр окружности, закреплен на другой пластине, причем постоянные магниты, закрепленные на одной опорной пластине, обращены разноименными полюсами к постоянному магниту, закрепленному на другой опорной пластине.
Известная виброизолирующая магнитная опора содержит опорные пластины, пружины, установленные между ними, демпфер, включающий постоянные магниты, закрепленные на опорных пластинах. Согласно изобретению по варианту 2, пружины выполнены в виде нитей, жестко закрепленных к одной из опорных пластин и упруго связанных с другой опорной пластиной при помощи средства для натяжения нитей, при этом расстояние между опорными пластинами зависит от напряженности магнитного поля и силы натяжения нитей и составляет не менее 0,5 расстояния между полюсами постоянного магнита; демпфер содержит, по меньшей мере, шесть постоянных магнитов, не менее трех из которых закреплены на каждой из опорных пластин по окружности и равноудалены друг от друга на расстоянии не менее 0,5 расстояния между полюсами постоянного магнита, при этом центры этих окружностей расположены на одной оси, а разность их диаметров составляет не менее 1,0 расстояния между полюсами постоянного магнита, причем постоянные магниты, закрепленные на одной опорной пластине, обращены разноименными полюсами к постоянным магнитам, закрепленным на другой опорной пластине.
В обоих вариантах исполнения устройства нити служат для ограничения смещения верхней опорной пластины в горизонтальной плоскости вследствие случайных толчков или вибраций нижней опорной пластины.
Упругое натяжение нитей средством для натяжения нитей обеспечивает более быстрый возврат верхней опорной пластины в первоначальное положение, соответствующее самоцентрированию, после смещения верхней опорной пластины в горизонтальной плоскости, а также препятствует самому горизонтальному смещению верхней опорной пластины. Средство для натяжения нитей также участвует в виброгашении механических колебаний за счет образования отдельных (от магнитного поля) упругих связей между нитями и опорными пластинами. Дополнительно средство для натяжения нитей позволяет регулировать расстояние между опорными пластинами за счет изменения силы натяжения нитей в зависимости от напряженности магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами. Кроме того, средство для натяжения нитей обеспечивает отсутствие провисания нитей и большую плавность хода при вертикальных перемещениях верхней опорной пластины.
Нити могут быть изготовлены из различных по природе и строению материалов по сравнению с материалом опорных пластин и пружин. В этой связи передача вибраций от нижней опорной пластины к верхней опорной пластине через систему упруго связанных нитей значительно ниже в силу их незначительной массы, различной природы материалов и их строения по сравнению с материалами опорных пластин и пружин.
Демпфер по варианту 1 выполнен в виде отдельных магнитов, закрепленных на одной опорной пластине и обращенных разноименными полюсами к постоянному магниту, закрепленному на другой опорной пластине. При этом на каждой грани постоянных магнитов имеется касательная составляющая результирующей напряженности магнитного поля, за счет чего при перемещениях опорных пластин на границах раздела между магнитами и воздухом наводятся поверхностные токи, вследствие возникновения переменного электромагнитного поля:
,
τ1
τ2
где H - напряженность магнитного поля в магните по касательной к поверхности раздела [А/m], H - напряженность магнитного поля в воздухе [А/m],  - поверхностный ток [A/m],  - нормаль к поверхности раздела.
Данная зависимость выполняется на границах раздела смежных сред, в данном случае на границах раздела магнит-воздух. Согласно теории электромагнитного поля Максвелла изменение магнитного поля порождает изменение электрического поля и в конечном итоге приводит к омическому нагреву магнита. Толщина границы раздела двух смежных сред не является бесконечно малой величиной, достигает 20-40 Å, определяется толщиной двойного электрического слоя. Вследствие протекания тока происходит выделение джоулева тепла и, как следствие, осуществляется эффективное виброгашение за счет поглощения энергии колебаний без использования специальных электродинамических компенсаторов или сильфона с ферромагнитным порошком, при этом гасятся осевые и крутильные колебания. Величина и скорость нагрева постоянных магнитов тем больше, чем больше изменяется скорость магнитов в единицу времени, поэтому в данном устройстве нет необходимости использовать специальные электродинамические компенсаторы. Таким образом, механические колебания преобразуются в электрическую энергию, которая расходуется на нагревание поверхностного слоя постоянного магнита.
В случае, когда магниты, закрепленные на одной опорной пластине, обращены одноименными полюсами к постоянному магниту (постоянным магнитам), закрепленному (закрепленными) на другой опорной пластине, величина омического нагрева постоянных магнитов незначительна и, как следствие, не наблюдается значительной диссипации механической энергии. Поэтому в предлагаемом устройстве магниты, закрепленные на одной опорной пластине, обращены разноименными полюсами к постоянному магниту (постоянным магнитам) для обеспечения эффективного демпфирования механических колебаний за счет создания требуемой конфигурации магнитного поля.
Закрепление постоянных магнитов по окружности и равноудаленно друг от друга обеспечивает минимум потенциальной энергии в центре симметрии расположения постоянных магнитов. Наименьшее расстояние закрепления постоянных магнитов и расстояние между опорными пластинами, равное расстоянию не менее 0,5 расстояния между полюсами постоянного магнита, а также величина разности диаметров закрепления постоянных магнитов не менее 1,0 расстояния между полюсами постоянного магнита, обусловлены необходимостью создания требуемой гетерогенности магнитного поля, когда постоянные магниты, закрепленные на одной опорной пластине, обращены разноименными полюсами к постоянному магниту (постоянным магнитам), закрепленному (закрепленными) на другой опорной пластине.
На фиг.1 схематично изображен общий вид предлагаемой виброизолирующей магнитной опоры по варианту 1.
На фиг.2 изображен вид сверху виброизолирующей магнитной опоры по варианту 1.
На фиг.3 схематично изображен общий вид предлагаемой виброизолирующей магнитной опоры по варианту 2.
На фиг.4 изображен вид сверху виброизолирующей магнитной опоры по варианту 2.
Виброизолирующая магнитная опора по вариантам 1 и 2 содержит опорные пластины 1, 2 с установленными между ними пружинами, выполненными в виде нитей 5. Нити 5 жестко закреплены к опорной пластине 1 и упруго связаны с опорной пластиной 2 с помощью средства 4 для натяжения нитей 5. Демпфер состоит из постоянных магнитов 3, закрепленных на опорных пластинах 1, 2. Северный полюс постоянного магнита 3 обозначен "N". Южный полюс постоянного магнита 3 обозначен "S".
Виброизолирующая магнитная опора по варианту 1 работает следующим образом.
В исходном стационарном состоянии верхняя опорная пластина 1 удерживается пружинами, выполненными в виде нитей 5, над нижней опорной пластиной 2, при этом вследствие действия магнитных полей верхняя опорная пластина 1 самоцентруется относительно нижней опорной пластины 2 (фиг.1). Демпфер образован пятью постоянными магнитами 3 (фиг.1 и фиг.2): четыре постоянных магнита 3 закреплены на верхней опорной пластине 1, а один постоянный магнит 3 закреплен на нижней опорной пластине 2. Устройство гасит механические колебания как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях. Нити 5 выполняют роль ограничителей, препятствующих смещению верхней опорной пластины 1 по горизонтали, и обеспечивают более быстрый возврат верхней опорной пластины 1 в первоначальное положение - соответствующее самоцентрированию. При вертикальных смещениях верхней опорной пластины 1 относительно нижней опорной пластины 2 нити 5 не провисают, а находятся в постоянном натяжении, которое обеспечивается средством 4 для натяжения нитей 5.
Виброизолирующая магнитная опора по варианту 2 работает следующим образом.
В исходном стационарном состоянии верхняя опорная пластина 1 удерживается пружинами, выполненными в виде нитей 5, над нижней опорной пластиной 2, при этом вследствие действия магнитных полей верхняя опорная пластина 1 самоцентруется относительно нижней опорной пластины 2 (фиг.3). Демпфер образован восемью постоянными магнитами 3 (фиг.3 и фиг.4): на каждой из опорных пластин 1,2 закреплены четыре постоянных магнита 3 (фиг.3 и фиг.4). Устройство гасит механические колебания как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях. Нити 5 выполняют роль ограничителей, препятствующих смещению верхней опорной пластины 1 по горизонтали, и обеспечивают более быстрый возврат верхней опорной пластины 1 в первоначальное положение, соответствующее самоцентрированию. При вертикальных смещениях верхней опорной пластины 1 относительно нижней опорной пластины 2 нити 5 не провисают, а находятся в постоянном натяжении, которое обеспечивается средством 4 для натяжения нитей 5.
Экспериментально установлено, что выполнение демпфера из отдельных постоянных магнитов обеспечивает более лучшее гашение крутильных колебаний, чем при применении простого магнитного кольца. Если изменить полярность одного из постоянных магнитов в устройстве так, чтобы ближние полюса постоянных магнитов, расположенных на различных опорных пластинах, стали одноименными (прямое отталкивание), то эффект самоцентрирования верхней опорной пластины отсутствует.
Предлагаемая виброизолирующая магнитная опора характеризуется высокой эффективностью и плавностью гашения механических колебаний.
Источники информации
1. Патент РФ №2244178, МПК F16F 6/00, 2005.
2. Патент РФ №2222729, МПК F16F 6/00, 2004.
3. Патент РФ №2264568, МПК F16F 6/00, 2005 (прототип).