УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ КОЛЕСНОГО УЗЛА В ЧАСОВОМ МЕХАНИЗМЕ, ВКЛЮЧАЮЩЕМ МАГНИТНЫЙ СПУСКОВОЙ МЕХАНИЗМ
DEVICE FOR ADJUSTING ANGULAR VELOCITY OF WHEEL ASSEMBLY IN CLOCK INCLUDING MAGNETIC TRIGGER MECHANISM

Область техники
Настоящее изобретение относится к области устройств для регулирования относительной угловой скорости между магнитной структурой и резонатором, которые магнитно соединены друг с другом и совместно образуют осциллятор. Регулирующее устройство по изобретению регулирует работу механического часового механизма. Более конкретно, изобретение относится к магнитным спусковым механизмам для механических часовых механизмов, в которых имеется непосредственная магнитная связь между резонатором и магнитной структурой. В общем случае, его функция заключается в приведении вращательных частот колесных узлов цепи счетчика часового механизма к резонансной частоте резонатора. В связи с этим регулирующее устройство включает резонатор, имеющий колебательную часть, снабженную по меньшей мере одним магнитным соединительным элементом, и магнитный спусковой механизм, обеспечивающий управление относительной угловой скоростью между магнитной структурой, образующей магнитный спусковой механизм, и резонатором. Он заменяет подпружиненный баланс и стандартный спусковой механизм, в частности спусковой механизм с анкером швейцарского типа и зубчатым анкерным колесом.
Резонатор или магнитная структура вращается как единая деталь с колесным узлом, приводимым во вращение с определенным приводным крутящим моментом, который поддерживает колебания резонатора. В общем случае, колесный узел встроен в зубчатую передачу, или, в более широком смысле, в кинематическую цепь механизма. Эти колебания обеспечивают регулирование относительной угловой скорости между магнитной структурой и резонатором за счет магнитной связи между ними.
Известный уровень техники
Устройства для регулирования угловой скорости колеса, также называемые роторами, через магнитную связь, также называемую магнитным соединением, между резонатором и магнитным колесом, известны на протяжении многих лет в области измерения времени. Несколько патентов, относящихся к этой области техники, были получены фирмой Horstmann Clifford Magnetics Ltd. В частности, можно указать патент США № 2946183. Регулирующие устройства, описанные в этих документах, обладают различными недостатками, в частности, в них существует проблема неизохронности (т.е. отсутствия изохронности), а именно, существенного изменения угловой скорости ротора в функции приводного крутящего момента, приложенного к ротору. Поиск причин отсутствия изохронности являлся частью исследований, приведших к созданию настоящего изобретения. Эти причины станут понятны далее из описания изобретения.
Также из заявки на патент Японии № JP 5240366 (заявки № JP19750116941) и полезных моделей Японии JPS 5245468U (заявка № JP19750132614U) и JPS 5263453U (заявка № JP19750149018U) известны магнитные спусковые механизмы с непосредственной магнитной связью между резонатором и колесом, образованным диском. В первых двух документах прямоугольные отверстия в немагнитном диске заполнены высокопроницаемым для магнитного поля порошком или намагниченным материалом. Таким образом, получаются две кольцевых соосных и примыкающих одна к другой цепи, каждая из которых включает прямоугольные магнитные зоны, равномерно расположенные с заданным угловым периодом, причем зоны первой магнитной цепи смещены или сдвинуты по фазе на полупериод относительно зон второй цепи. Полученные таким образом магнитные зоны с чередованием распределены на обеих сторонах окружности, соответствующей положению покоя (нулевому положению) магнитного соединительного элемента или элемента резонатора. Данный соединительный элемент сформирован разомкнутым контуром, который в зависимости от конкретного случая выполняется из намагниченного или обладающего высокой магнитной проницаемостью материала, между краями которого диск приводится во вращение. В третьем документе описывается альтернативный вариант, в котором магнитные зоны диска сформированы отдельными пластинами из обладающего высокой магнитной проницаемостью материала, и в котором производится последующее намагничивание соединительного элемента магнитного резонатора. Магнитные спусковые механизмы, описанные в этих японских документах, не обеспечивают существенного улучшения изохронности, в частности по причинам, которые объясняются ниже при помощи фигур 1–4.
Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение осциллятора, формирующего магнитный спусковой механизм 2, относящийся к типу, описанному в вышеупомянутых японских документах, но уже подвергнутого оптимизации, заключающейся в том, что магнитные зубья 14-16 колеса 4 образуют угловые сектора, каждый из которых проходит на полупериод колебания, и в том, что для резонатора выбран соединительный элемент с круглым или квадратным концом для обеспечения лучшего сравнения с вариантом настоящего изобретения, показанным на Фиг. 5, и объективной демонстрации преимуществ настоящего изобретения. Колесо 4 включает первую последовательность зубьев 14, соответствующим образом разделенных первой последовательностью отверстий 15, которые совместно образуют первую кольцевую цепь. Это колесо также включает вторую последовательность зубьев 16, соответствующим образом разделенных второй последовательностью отверстий 17, которые совместно образуют вторую кольцевую цепь. Зубья 14 и 16 сформированы из обладающего высокой магнитной проницаемостью материала, в частности ферромагнитного материала. Две последовательности зубьев соответствующим образом соединены внешним кольцом 18 и внутренним кольцом 19, сформированным из того же магнитного материала. Две кольцевых цепи примыкают одна к другой и разграничиваются окружностью 20, которая соответствует исходному положению находящегося в их центре магнита 12 резонатора 6 для каждого углового положения колеса 4, т.е. положению, в котором резонатор обладает минимальной энергией упругой деформации.
θ
Резонатор условно представлен пружиной 8, соответствующей его способности к упругой деформации, определяемой коэффициентом упругости, моментом инерции 10, определяемым его массой и структурой. Резонатор обладает способностью колебаться с собственной частотой по меньшей мере при одной резонансной форме, когда магнит 12 колеблется в радиальном направлении. Далее станет понятно, что данное схематическое представление резонатора 6 обозначает в рамках объема изобретения, что оно не ограничивается несколькими конкретными вариантами. Существенным является то, что резонатор включает по меньшей мере один магнитный соединительный элемент 12 для магнитного соединения резонатора с магнитной структурой колеса 4, которое в примере, показанном на Фиг. 1, приводится во вращение приводным крутящим моментом в направлении против часовой стрелки с угловой скоростью ω. Магнит 12, таким образом, располагается над колесом 4 и может колебаться в радиальном направлении относительно нулевого положения, расположенного на окружности 20. Поскольку магнитные зубья 14 и 16 образуют зоны магнитного взаимодействия, расположенные попеременно на обеих сторонах центральной окружности 20, они образуют волнистую магнитную цепь с заданным угловым периодом P, который соответствует угловому периоду первой и второй угловых цепей. Когда резонатор магнитно соединен с колесом таким образом, что магнит 12 совершает колебания вдоль волнистой магнитной цепи, определенной колесом, угловая скорость ω колеса по существу определяется частотой колебаний резонатора.
Фиг. 2 представляет собой схематическое изображение магнитной потенциальной энергии (также называемой потенциальной энергией магнитного взаимодействия) одного участка колеса 4 осциллятора 2, которая изменяется в угловом и радиальном направлении в соответствии с магнитной структурой колеса. Кривые 22 уровней соответствуют различным уровням потенциальной магнитной энергии. Они определяют кривые равных потенциалов. Магнитная потенциальная энергия осциллятора в заданной точке соответствует состоянию осциллятора, когда соединительный элемент магнитного резонатора находится в заданном положении (его центр находится в этой заданной точке). Она определена в пределах одной постоянной. В общем случае магнитная потенциальная энергия определена по отношению к базовой энергии, которая соответствует минимальной потенциальной энергии рассматриваемого устройства, в данном случае осциллятора. При отсутствии диссипативной силы данная потенциальная энергия соответствует работе, необходимой для перемещения магнита из положения с минимальной энергией в заданное положение. В случае осциллятора работа выполняется приводным крутящим моментом, приложенным к колесу 4. Потенциальная энергия, накопленная в осцилляторе, может передаваться резонатору, когда магнит возвращается в положение с меньшей энергией, в частности в положение с минимальной энергией, за счет радиального перемещения относительно оси вращения колеса (т.е. в соответствии со степенью свободы полезной резонансной формы). При отсутствии диссипативной силы данная потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию и упругую энергию резонатора за счет работы магнитной силы между соединительным элементом резонатора и магнитной структурой. Таким образом, приводной момент, подводимый к колесу, используется для поддержания колебаний резонатора, которые, в свою очередь, затормаживают колесо за счет регулирования его угловой скорости.
θ
Внешняя кольцевая цепь образует чередующиеся зоны 24 минимальной энергии и зоны 25 максимальной энергии, а внутренняя зона образует со сдвигом фазы на угловой полупериод P/2 по отношению к первой цепи (т.е. со сдвигом фазы на 180°) чередующиеся зоны 28 минимальной энергии и зоны 29 максимальной энергии. На Фиг. 3 показано два контура 32 и 34, определяющих положение центра магнита 12, когда работает осциллятор 2, и когда колесо 4 приводится во вращение с регулированием угловой скорости. Эти контуры, таким образом, отображают колебание магнита с двумя различными амплитудами в системе координат, связанной с колесом. Анализ кривых 22 уровня магнитной потенциальной энергии и линий 32 и 34 колебаний показывает, что осциллятор накапливает магнитную потенциальную энергию при каждом колебании в аккумулирующих зонах 26, 30. Сила, приложенная к магниту резонатора, обеспечивается градиентом магнитной потенциальной энергии, при этом данный градиент перпендикулярен кривым 22 уровня. Угловой компонент (степень свободы колеса) создает реакцию на колесе, а радиальный компонент (степень свободы резонатора) воздействует на соединительный элемент резонатора. В аккумулирующих зонах угловая сила соответствует тормозной силе колеса, поскольку угловая сила реакции противоположна направлению вращения колеса. Когда магнитная сила является по существу угловой в аккумулирующих зонах, аккумулирование магнитной потенциальной энергии в осцилляторе называется «чистым» аккумулированием.
ac
ac
imp
imp
1
1
imp
2
2
На Фиг. 2 и 3 зоны чистого аккумулирования образуют по существу кольцевые зоны Z1* и Z2*. Аккумулированная энергия затем передается резонатору в центральной импульсной зоне ZC*. В центральной импульсной зоне ZC*, а более конкретно, в импульсных зонах, где проходят колебания магнита, градиент магнитной потенциальной энергии имеет радиальный компонент, который постепенно увеличивается при вращении колеса, а угловой компонент уменьшается и постепенно обращается в ноль. Данный градиент соответствует толкающему усилию для магнита и, следовательно, импульсу. Когда амплитуда является относительно большой (колебание 32), замечено, что толкающее усилие прикладывается по всей ширине центральной зоны между точками PE и PS. При меньшей амплитуде (колебание 34) прохождение через центральную зону ZC* происходит на большем угловом расстоянии между точками PE и PS, и при пересечении первой половины центральной зоны (приблизительно до центральной окружности 20) колебание является по существу свободным, более низкий энергетический импульс придается только при пересечении второй половины.
В общем случае термин «аккумулирующая зона» обозначает зону, в которой магнитная потенциальная энергия в осцилляторе увеличивается для различных амплитуд колебаний в зоне полезного приводного крутящего момента; и термин «импульсная зона» обозначает зону, в которой магнитная потенциальная энергия уменьшается для различных амплитуд колебаний в диапазоне полезного крутящего момента, и в которой магнитная толкающая сила прикладывается к соединительному элементу резонатора в направлении степени свободы. Термин «толкающая сила» обозначает силу в направлении перемещения колеблющегося соединительного элемента. Таким образом, хотя эта толкающая сила уже может существовать в аккумулирующей зоне, это описание будет относиться к импульсным зонам, как к зонам, находящимся снаружи аккумулирующих зон.
Для понимания кривых 22 уровня, показанных на Фиг. 2 и 3, необходимо рассмотреть важный аспект варианта осуществления осциллятора 2, поскольку он является функциональным. В частности, в области измерения времени приводной момент, подводимый барабаном, существенно изменяется в функции уровня напряжения ходовой пружины. Для обеспечения работы часового механизма в течение достаточно большого периода механизм обычно должен иметь возможность приводиться крутящим моментом, изменяющимся между максимальным крутящим моментом и величиной, составляющей приблизительно половину максимального крутящего момента. Кроме того, также необходимо обеспечить правильную работу при максимальном крутящем моменте. На практике для обеспечения такой работы и предотвращения, в частности, отсоединения осциллятора при относительно большой амплитуде колебаний, необходимо, чтобы тормозные зоны 26 и 30 проходили на определенное угловое расстояние, и чтобы торможение осуществлялось, таким образом, постепенно. Эта частично не оптимальным образом обеспечивается в осцилляторах известного уровня техники за счет эффекта усреднения, по существу возникающего за счет угловой протяженности магнитного соединительного элемента или элемента резонатора в проекции на главную плоскость колеса, и за счет относительно большого воздушного зазора между этим элементом и магнитной структурой кольцевых цепей колеса (в более общем случае, ротора или вращающегося колесного узла).
Усреднение обеспечивается за счет интегрирования по всему связанному магнитному полю, которое проходит над зоной магнитной структуры, размер которой увеличивается с размером торцевой поверхности магнита, параллельной указанной главной плоскости, и с размером воздушного зазора. Таким образом, вертикальная сторона магнитного зуба, примыкающая к отверстию рассматриваемой магнитной структуры в пространстве магнитной потенциальной энергии, дает кривые 22 уровня, которые проходят вдоль углового расстояния, которое увеличивается с эффектом усреднения. В рассмотренном здесь случае использовался магнит, имеющий круглое или квадратное сечение, параллельное главной плоскости колеса. Размер, выбранный для этого сечения, и выбранный воздушный зазор уже обеспечивают более выгодную компоновку, чем выбранные в вышеприведенных устройствах известного уровня техники, для работы осциллятора, поскольку тормозные площадки 26 и 30 гарантированно имеют достаточную протяженность и при этом уже несколько ограничивают радиальное расстояние центральной импульсной зоны.
0
0
0
rot
max
0
res
0
res
P
P
-4
Если поведение осциллятора, рассмотренного выше, проанализировать в соответствии с приводным крутящим моментом, приложенным к колесу, обнаруживается по меньшей мере два недостатка подобного регулирующего устройства. Во-первых, происходит относительное уменьшение диапазона значений приводного крутящего момента, и имеется существенное нарушение изохронности. Это показано на графике на Фиг. 4, который демонстрирует относительную погрешность (ω-ω) / ω угловой скорости колеса 4 (где ω– номинальная угловая скорость) в зависимости от относительного крутящего момента M / M, приложенного к колесу (для добротности резонатора около 200). Угловая частота ω математически связана с собственной частотой Fполезных колебаний резонатора формулой ω = 2πF/N, где N – число угловых периодов первой и второй кольцевых цепей. Различные точки 36 определяют кривую 38, соответствующую большому отклонению от изохронности в часовых механизмах. Действительно, относительная погрешность 5·10 соответствует очень существенной степени ежедневной погрешности в районе сорока секунд (40 с). Кроме того, в поведении осциллятора наблюдается нестабильность, когда относительный крутящий момент приближается к 80% (0.8), как показано в точке 40. Таким образом, для получения погрешности менее десяти секунд в день для часового механизма относительный крутящий момент должен оставаться в пределах узкого диапазона 0.6 (60%) – 0.8 (80%). На практике часовой механизм должен быть выполнен таким образом, чтобы максимальный допустимый крутящий момент соответствовал максимальному крутящему моменту, приложенному к колесу 4, таким образом, крутящий момент должен оставаться на уровне более 80% в данном конкретном случае. При достижении этого нижнего предела происходит быстрое увеличение отклонения от изохронности, и оно достигает огромных величин после прохождения данного нижнего предела. Это объясняет одну существенную причину отсутствия положительного результата при использовании подобных магнитных спусковых механизмов, хотя они уже известны в течение десятков лет.
Краткое описание изобретения
В контексте настоящего изобретения, отметив проблемы отсутствия изохронности и ограниченного рабочего диапазона вышеупомянутых известных регулирующих устройств, изобретатели попытались понять причины этих проблем и предложить их решение.
Размышления над проблемами устройств известного уровня техники и различные исследования позволили идентифицировать причины этих проблем. Проблема отсутствия изохронности, а также проблема ограниченности диапазона полезного приводного крутящего момента возникают вследствие того, что импульсы, передаваемые магниту резонатора, проходят через относительно большое радиальное расстояние вне локализованной зоны около окружности нулевого положения. Это уменьшает кольцевые зоны чистого аккумулирования, а также прерывает работу осциллятора. Действительно, единственными импульсами, которые незначительно нарушают работу осциллятора, являются импульсы, расположенные в зоне данной окружности нулевого положения. Изобретатели в связи с этим обнаружили, что толкающая сила на относительно широкой траектории снаружи указанной локальной зоны нарушает работу резонатора; который изменяет свою частоту в функции прикладываемого крутящего момента, и, следовательно, является источником отсутствия изохронности.
Для устранения проблемы очень широкой центральной импульсной зоны при сохранении эффективной и стабильной работы осциллятора в относительно широком диапазоне крутящих моментов в настоящем изобретении предлагается устройство для регулирования относительной угловой скорости между магнитной структурой и резонатором, которые магнитно связаны и совместно образуют осциллятор, представляющий собой регулирующее устройство, по п. 1 формулы изобретения для первого основного варианта осуществления изобретения и по п. 2 формулы изобретения для второго основного варианта осуществления изобретения.
θ
В общем случае, регулирующее устройство по изобретению имеет следующие характеристики. Магнитная структура включает по меньшей мере одну кольцевую магнитную цепь, центр которой находится на оси вращения данной магнитной структуры или резонатора, которые выполнены с возможностью совершать вращение относительно друг друга вокруг оси вращения при приложении приводного крутящего момента к магнитной структуре или к резонатору. Кольцевая магнитная цепь по меньшей мере частично сформирована из первого магнитного материала, имеющего по меньшей мере первый физический параметр, соотносящийся с магнитной потенциальной энергией осциллятора, но отличающийся от нее. Данный первый магнитный материал расположен вдоль кольцевой магнитной цепи таким образом, что магнитная потенциальная энергия изменяется в угловом направлении периодическим образом вдоль указанной кольцевой магнитной цепи, и таким образом, что он определяет угловой период (P) кольцевой магнитной цепи. Резонатор включает по меньшей мере один магнитный соединительный элемент (также называемый магнитный соединительный элемент) для соединения с магнитной структурой. Данный магнитный соединительный элемент сформирован из второго магнитного материала, имеющего по меньшей мере второй физический параметр, соотносящийся с магнитной потенциальной энергией осциллятора, и магнитно связан с кольцевой магнитной цепью таким образом, что колебание в соответствии со степенью свободы резонансной формы резонатора поддерживается в пределах диапазона полезного приводного крутящего момента, приложенного к магнитной структуре или к резонатору, и таким образом, что целое число периодов, а более конкретно и предпочтительно один период данного колебания происходит во время указанного относительного поворота на каждый угловой период кольцевой магнитной цепи; таким образом, частота колебаний определяет относительную угловую скорость. В рамках диапазона полезного крутящего момента кольцевая цепь и магнитный соединительный элемент определяют на каждом угловом периоде в соответствии с их относительным угловым положением, и положением соединительного элемента вдоль его степени свободы, зону аккумулирования магнитной потенциальной энергии осциллятора.
В первом основном варианте осуществления изобретения резонатор расположен относительно магнитной структуры таким образом, что активный концевой участок соединительного элемента, расположенный со стороны магнитной структуры, по меньшей мере в основном совмещается в ортогональной проекции с главной геометрической поверхностью, образованной кольцевой магнитной цепью, на указанной кольцевой магнитной цепи по существу в течение одного первого колебания в каждом периоде колебаний указанного соединительного элемента, и таким образом, что перемещение магнитного соединительного элемента во время этого первого колебания осуществляется по существу параллельно указанной главной геометрической поверхности. Кроме того, размер кольцевой магнитной цепи вдоль степени свободы соединительного элемента резонатора больше, чем размер активного концевого участка соединительного элемента вдоль данной степени свободы. Для сравнения этих двух размеров последний замеряется в ортогональной проекции на главную геометрическую поверхность, определенную кольцевой магнитной цепью вдоль оси степени свободы, проходящей через центр масс активного концевого участка соединительного элемента. Эта ось может быть прямолинейной или криволинейной. Первый магнитный материал расположен на каждом угловом периоде таким образом, что по меньшей мере одна зона данного первого магнитного материала магнитно связана по меньшей мере частично с активным концевым участком магнитного соединительного элемента для относительных положений магнитного соединительного элемента относительно кольцевой магнитной цепи, соответствующей по меньшей мере одному участку зоны, аккумулирующей магнитную потенциальную энергию на данном угловом периоде, первый физический параметр постепенно увеличивается в угловом направлении или постепенно уменьшается в угловом направлении. Следует заметить, что выбор между увеличением или уменьшением физического параметра осуществляется таким образом, что магнитная потенциальная энергия осциллятора увеличивается в угловом направлении во время указанного относительного поворота; что косвенным образом следует из того факта, что рассматриваемые зоны являются зонами аккумулирования магнитной потенциальной энергии.
В соответствии с одним вариантом вышеупомянутое угловое изменение первого физического параметра обеспечивается в зоне первого магнитного материала, соответствующей по меньшей мере большей части зоны аккумулирования магнитной потенциальной энергии на каждом угловом периоде. В соответствии с предпочтительным вариантом угловое изменение первого физического параметра обеспечивается в зоне первого магнитного материала, по существу соответствующей всей зоне аккумулирования магнитной потенциальной энергии на каждом угловом периоде. В конкретном варианте первый физический параметр в угловом направлении определяет монотонно возрастающую функцию или соответственно монотонно убывающую функцию.
Во втором основном варианте осуществления изобретения размер кольцевой магнитной цепи вдоль степени свободы соединительного элемента резонатора меньше, чем размер вдоль этой степени свободы активного концевого участка магнитного соединительного элемента, расположенного со стороны магнитной структуры. Для сравнения этих двух размеров последний замеряется в ортогональной проекции на главную геометрическую поверхность, образованную активным концевым участком вдоль оси степени свободы, проходящей через центр масс активного концевого участка соединительного элемента. Эта ось может быть прямолинейной или криволинейной. Главная геометрическая поверхность включает эту ось степени свободы, активный концевой участок проходит в указанной главной поверхности. Кроме того, резонатор расположен относительно магнитной структуры таким образом, что геометрическая окружность, расположенная в середине кольцевой магнитной цепи пересекает активный концевой участок в проекции ортогональной главной геометрической поверхности, образованной указанным активным концевым участком, во время по существу одного первого колебания в каждом периоде колебаний соединительного элемента. Второй магнитный материал соединительного элемента расположен таким образом, что по меньшей мере в одной зоне этого второго магнитного материала, магнитно связанной по меньшей мере частично с кольцевой магнитной цепью для относительных положений указанной кольцевой магнитной цепи относительно соединительного элемента, соответствующих по меньшей мере одному участку зоны аккумулирования магнитной потенциальной энергии на каждом угловом периоде кольцевой магнитной цепи, второй физический параметр постепенно увеличивается в угловом направлении или постепенно уменьшается в угловом направлении. Выбор между увеличением или уменьшением физического параметра осуществляется таким образом, что магнитная потенциальная энергия осциллятора увеличивается в угловом направлении в зонах магнитной потенциальной энергии во время указанного относительного поворота; что следует из использованного термина «аккумулирование».
В соответствии с одним вариантом вышеуказанное угловое изменение второго физического параметра обеспечивается в зоне второго магнитного материала, магнитно связанного с магнитной цепью на большей части каждой зоны аккумулирования магнитной потенциальной энергии. В соответствии с предпочтительным вариантом угловое изменение второго физического параметра обеспечивается в зоне второго магнитного материала, магнитно связанного с магнитной цепью по существу со всей площадью каждой зоной аккумулирования магнитной потенциальной энергии. В частности, второй физический параметр в угловом направлении определяет монотонно возрастающую функцию или соответственно монотонно убывающую функцию.
Термин «магнитный материал» обозначает материал, имеющий магнитные свойства, создающие внешнее магнитное поле (магнит), или проводник с хорошей проницаемостью для линий магнитного поля, который притягивается магнитом (в частности ферромагнитный материал).
В соответствии с предпочтительным вариантом двух основных вариантов осуществления магнитная потенциальная энергия в каждой аккумулирующей зоне по существу не изменяется вдоль степени свободы полезной резонансной формы резонатора. В частности, изменение рассматриваемого физического параметра является только угловым, т.е. данный физический параметр является по существу постоянным в радиальном направлении в каждой зоне указанного первого магнитного материала, соответствующей зоне аккумулирования магнитной потенциальной энергии в осцилляторе. Таким образом, в этих зонах полезного аккумулирования происходит по существу чистое аккумулирование магнитной потенциальной энергии.
В соответствии с конкретным вариантом изобретения постепенное увеличение или уменьшение первого физического параметра первого магнитного материала, соответственно второго физического параметра второго магнитного материала происходит на угловом расстоянии более двадцати процентов (20%) от углового периода кольцевой магнитной цепи. В соответствии с другим конкретным вариантом, доля углового расстояния изменения первого физического параметра, соответственно второго физического параметра от углового периода больше, либо по существу равна сорока процентам (40%).
В соответствии с предпочтительным вариантом изобретения магнитный соединительный элемент и кольцевая магнитная цепь расположены таким образом, что при вышеупомянутом относительно вращении резонатора и магнитной структуры магнитный соединительный элемент принимает импульсы вдоль степени свободы относительно положения равновесия магнитного соединительного элемента. Эти импульсы определяют в функции относительного положения магнитного соединительного элемента по отношению к кольцевой магнитной цепи и для диапазона полезного приводного крутящего момента, подаваемого к регулирующему устройству, импульсные зоны, которые по существу расположены в центральной импульсной зоне, примыкающей к зонам аккумулирования магнитной потенциальной энергии. В конкретном варианте радиальный размер импульсных зон составляет менее пятидесяти процентов (50%) от радиального размера зон аккумулирования магнитной потенциальной энергии. В предпочтительном варианте данная доля меньше, либо по существу равна тридцать процентов (30%).
В другом предпочтительном варианте магнитная структура расположена таким образом, что средний угловой градиент магнитной потенциальной энергии осциллятора в зонах аккумулирования магнитной потенциальной энергии меньше, чем средний градиент магнитной потенциальной энергии в импульсных зонах вдоль степени свободы резонатора в тех же единицах. Таким образом изменение первого физического параметра первого магнитного материала и, соответственно, второго физического параметра второго магнитного материала больше в импульсных зонах вдоль степени свободы резонатора, а более конкретно, в радиальном направлении, чем в угловом направлении в зонах аккумулирования магнитной потенциальной энергии. Данное изменение физического параметра в импульсных зонах может быть резким, вызванным в частности нарушением сплошности первого магнитного материала в радиальном направлении и, соответственно, второго магнитного материала вдоль осевой проекции окружности нулевого положения на главную плоскость магнитной структуры, соответственно вдоль окружности нулевого положения в главной плоскости соединительного элемента.
Прочие конкретные признаки изобретения образуют объект зависимых пп. формулы изобретения и будут изложены ниже в подробном описании изобретения.
Краткое описание чертежей
Изобретение описывается ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, приводимые в качестве не накладывающих ограничений примеров, на которых:
Фиг. 1 – схематический вид сверху регулирующего устройства известного уровня техники;
Фиг. 2 и 3 – фигуры, демонстрирующие магнитную потенциальную энергию регулирующего устройства, показанного на Фиг. 1, и контуры, соответствующие двум колебаниям резонатора;
Фиг. 4 – график погрешности относительной угловой скорости в функции относительного крутящего момента, приложенного к осциллятору, показанному на Фиг. 1;
Фиг. 5 – схематический вид сверху первого варианта осуществления регулирующего устройства по изобретению;
Фиг. 6А и 6В – угловые сечения вдоль соответствующих двух угловых цепей, образованных магнитной структурой;
Фиг. 7 и 8 – магнитная потенциальная энергия регулирующего устройства, показанного на Фиг. 5, и контуры, соответствующие двум колебаниям резонатора;
Фиг. 9A и 9B – профили магнитной потенциальной энергии соответственно вдоль середины двух кольцевых цепей, образованных магнитной структурой, и на Фиг. 9C приведен поперечный профиль данной магнитной потенциальной энергии;
Фиг. 10 – погрешность относительной угловой скорости в функции относительного крутящего момента, приложенного к осциллятору, показанному на Фиг. 5;
Фиг. 11 – местный схематический вид сверху второго варианта осуществления регулирующего устройства по изобретению;
Фиг. 12 – разница в магнитной потенциальной энергии для всех колебаний, когда магнитный соединительный элемент проходит через импульсную зону, образованную магнитной структурой регулирующего устройства, показанного на Фиг. 11;
Фиг. 13, 14 и 15 – схематические виды трех вариантов профиля магнитного материала вдоль кольцевой цепи магнитной структуры регулирующего устройства по изобретению;
Фиг. 16 и 17 – соответственно схематический вид сверху и местный поперечный разрез третьего варианта осуществления изобретения;
Фиг. 18 и 19 – поперечные разрезы двух вариантов осуществления регулирующего устройства по изобретению;
Фиг. 20 и 21 – поперечные разрезы двух других вариантов осуществления регулирующего устройства по изобретению, в которых магнитная структура имеет две совмещенных пластины, между которыми проходит соединительный элемент магнитного резонатора.
Фиг. 22 – схематический вид сверху четвертого варианта осуществления регулирующего устройства по изобретению;
Фиг. 23 – схематический вид сверху модификации четвертого варианта осуществления регулирующего устройства по изобретению;
Фиг. 24 и 25 – схематические виды пятого и шестого вариантов осуществления изобретения;
Фиг. 26 – схематический вид сверху седьмого варианта осуществления, включающего два независимых резонатора;
Фиг. 27 – схематический вид сверху восьмого варианта осуществления изобретения, в котором резонатор приводится во вращение;
Фиг. 28 и 29 – соответственно схематический вид сверху и местный поперечный разрез девятого варианта осуществления изобретения;
Фиг. 30 – схематический вид сверху десятого варианта осуществления регулирующего устройства по изобретению, встроенного в часовой механизм;
Фиг. 31 – первый вариант регулирующего устройства, показанного на Фиг. 22;
Фиг. 32 – второй вариант регулирующего устройства, показанного на Фиг. 22;
Фиг. 33 – вариант регулирующего устройства, показанного на Фиг. 23;
Фиг. 34 – схематический вид одиннадцатого варианта осуществления изобретения, в котором соединительный элемент резонатора проходит в радиальном направлении, а кольцевая магнитная цепь имеет малую ширину;
Фиг. 35 – схематический вид двенадцатого варианта осуществления изобретения;
Фиг. 36 – схематический поперечный разрез варианта, показанного на Фиг. 35, по линии, определенной окружностью 312;
Фиг. 37 – модификация варианта осуществления, показанного на Фиг. 36;
Фиг. 38 – схематический вид тринадцатого варианта осуществления изобретения; Фиг. 38A – поперечный разрез по линии X-X;
Фиг. 39 – схематический вид четырнадцатого варианта осуществления изобретения;
Фиг. 40 – схематический вид пятнадцатого варианта осуществления изобретения.
Подробное описание изобретения
m
θ
m
Со ссылками на Фиг. 5-10 будет приведено описание первого варианта осуществления устройства для регулирования относительно угловой скорости ω между магнитной структурой 44 и резонатором 46, которые соединены магнитно и совместно образуют осциллятор 42. Это регулирующее устройство предпочтительно является магнитным спусковым механизмом. Магнитная структура включает первую кольцевую магнитную цепь 52 и вторую кольцевую магнитную цепь 53, имеющие центр на оси 51 вращения магнитной структуры и сформированные из магнитного материала 45, имеющего по меньшей мере первый физический параметр, который соотносится с магнитной потенциальной энергией EP осциллятора 42, причем указанный физический параметр отличен от потенциальной энергии. Ось 51 вращения перпендикулярна главной плоскости магнитной структуры. Магнитный материал расположен вдоль каждой кольцевой магнитной цепи таким образом, что физический параметр изменяется в угловом направлении периодическим образом и, следовательно, определяет угловой период P магнитной цепи. Следует отметить, что в другом варианте осуществления изобретения во второй кольцевой магнитной цепи может иметь место периодическое изменение другого физического параметра магнитного материала, или, в конкретном варианте, другого магнитного материала, также соотнесенного с магнитной потенциальной энергией EP осциллятора. Следует отметить, что рассматриваемый физический параметр является характерным параметром магнитной структуры, который существует независимо от относительного углового положения θ магнитной структуры и соединительного элемента резонатора. Однако данный физический параметр может является геометрическим параметром, который связан с пространственным положением соединительного элемента. В частности, для заданного радиуса внутри кольцевой магнитной цепи данный физический параметр представляет собой расстояние между поверхностью магнитного материала и окружностью, определенной центром масс активного концевого участка соединительного элемента в соответствующем положении по его степени свободы в системе координат, связанной с магнитной структурой во время относительного вращения последней и соединительного элемента. В общем случае, в рассматриваемой здесь ситуации физический параметр в системе координат, связанной с магнитной структурой, представляет собой расстояние между кольцевой магнитной цепью и поверхностью вращения, имеющей ось вращения магнитной структуры в качестве оси вращения, и степень свободы соединительного элемента в качестве образующей данной поверхности вращения. Это расстояние по существу соответствует в пределах одной постоянной воздушному зазору между магнитным соединительным элементом и рассматриваемой кольцевой магнитной цепью.
Резонатор включает элемент для магнитного соединения с магнитной структурой 44. Соединительный элемент формируется в данном случае магнитом 50, который имеет цилиндрическую форму или форму прямоугольного параллелепипеда. Резонатор условно показан пружиной 47, отражающей его способность к упругой деформации, определяемой коэффициентом упругости, и моментом инерции 48, определяемым его массой и структурой. Магнит 50 расположен относительно магнитной структуры таким образом, что в его исходном положении, соответствующем в данном случае минимуму энергии упругой деформации резонатора, центр масс активного концевого участка соединительного элемента напротив магнитной структуры по существу расположен на окружности 20 нулевого положения при каждом угловом положении θ магнитной структуры относительно магнита. Термин «активный концевой участок» обозначает концевой участок соединительного элемента, расположенный со стороны рассматриваемой магнитной структуры, через который проходит большая часть магнитного потока, осуществляющего связь между соединительным элементом и магнитной структурой. Центр окружности нулевого положения находится на оси 51 вращения и имеет радиус, по существу соответствующий внутреннему радиусу первой кольцевой цепи и внешнему радиусу второй кольцевой цепи, причем в данном случае данные внутренний и внешний радиусы совпадают. Другими словами, окружность 20 нулевого положения расположена по существу на геометрической окружности, определенной взаимодействием между этими двумя соосными и смежными магнитными цепями, т.е. эта геометрическая окружность соответствует проекции окружности нулевого положения на главную плоскость магнитной структуры. В одном варианте эти две магнитных цепи удалены одна от другой и разделяются промежуточной зоной, целиком сформированной из той же среды. В последнем случае окружность нулевого положения расположена между двумя магнитными цепями по существу в середине промежуточной зоны. Промежуточная зона данного типа, ширина которой должна сохраняться малой по различным причинам, может быть полезна для обеспечения легкости запуска осциллятора. Первая причина относится к малому размеру, имеющемуся для соединительного элемента вдоль степени свободы и в радиальном направлении относительно оси вращения, с учетом необходимости исключения «холостого хода» осциллятора при сохранении соединительного элемента по существу на окружности нулевого положения. Другая причина будет показана ниже. Целью является получение локализованных импульсов, которые расположены рядом и предпочтительно сконцентрированы на окружности нулевого положения.
θ
На Фиг. 6A и 6B показано два разреза двух окружностей, соответственно проходящих через середину первой кольцевой магнитной цепи и середину второй кольцевой магнитной цепи. Эти соосные первая и вторая кольцевые магнитные цепи 52 и 53 разделены угловым сдвигом, равным половине вышеупомянутого углового периода, а именно имеют сдвиг фазы на величину π (180°). В показанном варианте рассматриваемый физический параметр в первую очередь связан с воздушным зазором между магнитом 50 и магнитным материалом 45, сформированным из обладающего высокой магнитной проницаемостью материала, и, в частности, из ферромагнитного материала. Следует отметить, что в другом варианте магнитный материал представляет собой намагниченный материал, обеспечивающий притяжение к магниту 50. Другой физический параметр также изменяется параллельно, а именно толщина обладающего высокой магнитной проницаемостью материала или в упомянутом другом варианте намагниченного материала. Более конкретно, кольцевая цепь 52 попеременно включает кольцевые сектора 54, в которых магнитный материал обладает максимальной толщиной, и кольцевые сектора 56, в которых толщина магнитного материала постепенно уменьшается в направлении, противоположном направлению вращения магнитной структуры 44 относительно магнита 50. В варианте, показанном здесь, угловая протяженность каждого сектора 56 по существу равна угловой протяженности каждого сектора 54, величина которой по существу составляет один угловой полупериод P/2. В другом варианте магниты магнитной цепи и магнит резонатора, формирующий указанный соединительный элемент установлены таким образом, что они взаимно отталкиваются. В этом варианте для получения эффекта, эквивалентного описанному выше, толщина магнитного материала постепенно увеличивается на каждом секторе 56 в направлении, противоположном направлению вращения магнитной структуры относительно магнита 50.
P
θ
В угловых секторах 56 толщина уменьшается от величины около максимальной толщины практически до нулевой толщины на расстоянии V; но возможны и другие варианты, как будет описано ниже. Изменение толщины вызывает изменение среднего воздушного зазора магнитного поля, связывающего магнит 50 и магнитный материал 45, сформированный из обладающего высокой магнитной проницаемостью материала или намагниченного материала, притягивающегося к магниту 50. Данный средний воздушный зазор постепенно увеличивается в направлении, противоположном направлению вращения магнитной структуры 44 относительно магнита 50, на определенном угловом расстоянии, по существу соответствующем угловой протяженности каждого углового сектора 56. Для прояснения проблемы усреднения, возникающей за счет ненулевой протяженности соединительного элемента 50 и воздушного зазора, усреднение, также вызывающее изменение среднего воздушного зазора в контексте настоящего изобретения, сошлемся на изменение воздушного зазора вдоль оси, перпендикулярной главной плоскости рассматриваемой магнитной цепи, между центром масс активного концевого участка соединительного элемента и магнитной цепью. На Фиг .6A и 6B можно считать, что нижняя поверхность магнита 50, противоположная магнитным цепям, является активным концевым участком, и геометрический центр этой нижней поверхности является центром масс, поскольку геометрический центр и центр масс в данном случае совмещены в осевом направлении. Кольцевая цепь 53 аналогичным образом попеременно включает кольцевые сектора 52, 55, в которых магнитный материал 45 обладает максимальной толщиной, и кольцевые сектора 57, в которых толщина магнитного материала постепенно уменьшается. Данная кольцевая цепь 53 по существу эквивалентна кольцевой цепи 52, но они смещены на угловой полупериод P/2 и образуют волнистую магнитную цепь для магнита 50, как было описано выше. Хотя рассматриваемый здесь физический параметр относится к воздушному зазору между магнитом и каждой кольцевой магнитной цепью, т.е. к расстоянию между верхней поверхностью магнитного материала и нижней поверхностью магнита 50, данный физический параметр соответствует характерному параметру магнитной структуры. Действительно, рассматриваемый физический параметр является расстоянием до плоскости 59, которая параллельна главной плоскости магнитной структуры. Кроме того, данная главная плоскость также параллельна траектории колебаний магнита.
Следует отметить, что в соответствии с другими вариантами, которые не показаны на фигурах, магнитная структура может быть выполнена таким образом, что происходит изменение только одного из двух вышеупомянутых физических параметров, а именно воздушного зазора между магнитным соединительным элементом резонатора и магнитной структурой или толщины данной магнитной структуры. Следует отметить, что в случае, когда происходит изменение только толщины, например, за счет плоской симметрии магнитной структуры 44 (что означает ее разворот без изменения положения магнита 50), изменение магнитной потенциальной энергии, соотносимое только с толщиной, находит особенное применение для намагниченного материала, поскольку плотность магнитного потока может легко изменяться в функции толщины намагниченного материала. Поскольку соединительный элемент имеет определенный размер, его толщина определяется, как толщина рассматриваемой магнитной цепи вдоль оси, перпендикулярной главной плоскости магнитной цепи и проходящей через центр масс активного концевого участка соединительного элемента. В случае материала, обладающего высокой магнитной проницаемостью, простое изменение толщины имеет больше ограничений. Действительно, диапазон рассматриваемых толщин должен в этом случае соответствовать ситуации, в котором происходит насыщение магнитного потока по меньшей мере на одном участке переменного сечения магнитного материала, через который проходит магнитный поток. В противном случае изменение толщины не окажет существенного эффекта на магнитную потенциальную энергию осциллятора.
Магнит 50 связан с первой и второй кольцевыми цепями таким образом, что колебание 71 и, соответственно, 72 (см. Фиг. 8) вдоль степени 58 свободы резонансной формы резонатора 46 поддерживается в пределах диапазона полезного приводного крутящего момента, подводимого к магнитной структуре. Частота колебаний определяет относительную угловую скорость ω. В проекции на главную плоскость магнитной структуры (параллельную плоскости Фиг. 5, 7 и 8) колебание 71, и соответственно 72 имеет первые вибрации 71a, и соответственно 72a в первой зоне, совмещено с первой кольцевой цепью 52 и вторые вибрации 71b, 72b соответственно во второй зоне, совмещенной со второй кольцевой цепью 53. В общем случае, степень свободы соединительного элемента резонатора выбирается таким образом, чтобы перемещение магнитного соединительного элемента при первых вибрациях и, соответственно, при вторых вибрациях его колебания при магнитном соединении с магнитной структурой осуществлялось по существу параллельно главной геометрической поверхности первой кольцевой магнитной цепи и второй кольцевой магнитной цепи соответственно. В первом основном варианте осуществления изобретения, в частности соответствующем вариантам, показанным на Фиг. 5 и 11, описанному ниже, главная геометрическая поверхность, образованную кольцевой магнитной цепью (кольцевыми магнитными цепями), или, в общем случае, магнитной структурой, является главной плоскостью, перпендикулярной оси вращения магнитной структуры. В вариантах осуществления изобретения, показанных на Фиг. 5 и 11, степень свободы резонатора находится полностью в пределах плоскости параллельной данной главной плоскости. Таким образом, вся траектория магнитного соединительного элемента во время его колебания располагается в данном случае параллельно главной плоскости магнитной структуры. В одной модификации второго основного варианта осуществления изобретения, соответствующего вариантам, показанным на Фиг. 28 и 29, описываемым ниже, две кольцевые магнитные цепи формируют поперечную стенку диска и образуют главную геометрическую поверхность, которая является цилиндрической поверхностью, центральная ось которой является осью вращения магнитной структуры. Следует отметить, что возможно создание других вариантов конструкции, например магнитных цепей, главная геометрическая поверхность которых является конической. В вариантах траектория колебательного элемента находится по существу в плоскости, параллельной главной плоскости, образованной магнитной структурой; траектория может незначительно отклоняться от нее, в особенности, на концевых участках колебаний, особенно в случаях большой амплитуды. Эта ситуация происходит, например, когда соединительный элемент резонатора колеблется по существу по круговой траектории, ось вращения которой параллельна главной плоскости магнитной структуры. В этом случае предпочтительно, чтобы направление, определяемое степенью свободы соединительного элемента в его исходном положении, было по существу параллельно плоскости, касательной указанной главной геометрической поверхности в точке, соответствующей ортогональной проекции центра масс активного концевого участка соединительного элемента в его исходном положении. .
m
На Фиг. 7 и 8 схематически показана для одного участка магнитной структуры 44 магнитная потенциальная энергия EP осциллятора 42, которая изменяется в соответствии с магнитной структурой, а более конкретно, в соответствии с двумя кольцевыми цепями 52 и 53. Здесь описан вариант, в котором магнитная сила является силой притяжения, в частности для магнитной структуры, выполненной из ферромагнитного материала. Кривые 60 уровней соответствуют различным уровням магнитной потенциальной энергии, как было описано для Фиг. 2 и 3.
На Фиг. 9A и 9B показаны профили магнитной потенциальной энергии соответственно вдоль середины каждой из двух кольцевых цепей 52, 53; а на Фиг. 9C приведен радиальный профиль магнитной потенциальной энергии вдоль оси X (см. Фиг. 7), соответствующей степени свободы резонатора 46. Следует отметить, что ситуация, аналогичная описанной на Фиг. 7, 8 и 9A-9C, получается при помощи магнитных цепей, сформированных магнитами, отталкивающими магнит, образующий соединительный элемент резонатора. В этом варианте изменение воздушного зазора и/или толщины намагниченного материала является обратным по отношению к вариантам, описанным выше, в частности к вариантам, показанным на Фиг. 6A и 6B. Таким образом, кольцевая цепь попеременно включает кольцевые сектора, в которых намагниченный материал имеет минимальную толщину (в том числе и нулевую), и кольцевые сектора, в которых толщина намагниченного материала постепенно увеличивается в направлении, противоположном направлению вращения магнитной структуры относительно магнита 50, эти последние магнитные сектора создают зоны аккумулирования магнитной потенциальной энергии в осцилляторе.
θ
ac
ac
m
m
ac
ac
В диапазоне полезного приводного крутящего момента, приложенного к ротору, на котором установлена магнитная структура 44, каждая кольцевая магнитная цепь 52, 53 включает на каждом угловом периоде P зону 63 и соответственно 65 полезного аккумулирования магнитной потенциальной энергии в осцилляторе. Эти зоны 63 и 65 соответственно расположены по существу в первой кольцевой зоне Z1 аккумулирования энергии и второй кольцевой зоне Z2 аккумулирования энергии. Термин «зона полезного аккумулирования» в общем случае означает зону, покрываемую магнитным полем магнита 50, который колеблется с различными амплитудами во всем диапазоне доступных амплитуд (соответствующем диапазону полезного приводного момента), и в которой осциллятор в основном накапливает магнитную потенциальную энергию EPдля последующей передачи резонатору. Эта зона, таким образом, ограничена минимальной амплитудой колебаний соединительного элемента резонатора, соответствующей минимальному полезному крутящему моменту, и максимальной амплитудой, соответствующей максимальному полезному крутящему моменту. В соответствии с предпочтительным вариантом, показанным на Фиг. 7, магнитная потенциальная энергия в каждой аккумулирующей зоне по существу не изменяется вдоль степени свободы полезной резонансной формы резонатора. Таким образом, градиент энергии EPявляется по существу угловым в зонах полезного аккумулирования, при этом данный угловой градиент соответствует тормозной силе, действующей на магнитную структуру и создающей общий тормозной крутящий момент. Следовательно, первая и вторая кольцевые зоны Z1 и Z2 являются зонами чистого накопления магнитной потенциальной энергии. Следует отметить, что магнитная потенциальная энергия на фигурах приведена локально для положения соединительного элемента в центре масс активного концевого участка соединительного элемента (могут использоваться и другие базовые точки, с условием, что та же базовая точка сохраняется для различных рассматриваемых параметров относительно соединительного элемента). Таким образом, аккумулирующие зоны, а также импульсные зоны, описанные ниже, образуются и представляются с использованием положения центра масс активного концевого участка соединительного элемента.
ac
ac
imp
ac
imp
Y
Первая и вторая кольцевые зоны Z1 и Z2 разделены центральной импульсной зоной ZC, образованной импульсными зонами 68 и 69, в которых происходит соответствующая передача энергии к резонатору в функции приводного момента, как описано выше для известного уровня техники. Каждая импульсная зона 68, 69 образована зоной прохождения магнитного поля магнита 50 при различных амплитудах колебаний между вышеупомянутыми минимальной амплитудой и максимальной амплитудой. Центральная импульсная зона включает окружность 20 нулевого положения, расположенную по существу в середине данной центральной импульсной зоны. Окружность нулевого положения определена, как окружность, описываемая базовой точкой соединительного элемента в его исходном положении (базовой точкой, используемой для задания кривых равных потенциалов магнитной потенциальной энергии в пространстве в функции полярных координат ротора/магнитной структуры) на магнитной структуре при относительном вращении резонатора и магнитной структуры. Предпочтительно соединительный элемент резонатора установлен в радиальном направлении относительно оси вращения таким образом, что окружность нулевого положения проходит по существу через середину всех импульсных зон, связанных с данным соединительным элементом. Окружность Y определяет стык между зоной Z1 и зоной ZC. Центр этой окружности Y расположен на оси вращения магнитной структуры 44, и она имеет радиус R.
m
0
imp
1
2
1
2
m
ac
m
ac
θ
На Фиг. 9C кривая 76 соответствует радиальному профилю EP. Эта кривая 76 дает ширину Zимпульсной зоны 69, данная ширина по существу соответствует ширине импульсной зоны 68, а также ширине центральной импульсной зоны ZC. На Фиг. 9C также приведены соответствующие ширины Z и Z зон полезного аккумулирования энергии. Эти ширины Z и Z определяются максимальной амплитудой колебаний в диапазоне полезного приводного крутящего момента, подводимого к регулирующему устройству. На Фиг. 9A и 9B кривая 74 определяет угловой профиль энергии EP приблизительно в середине зоны Z1, а кривая 75 определяет угловой профиль энергии EP приблизительно в середине зоны Z2. Зоны 63 и 65 полезного аккумулирования отличаются тем, что они обладают монотонно возрастающим градиентом магнитной потенциальной энергии, который в данном случае является по существу линейным, между зонами или площадками более низкой потенциальной энергии 62 и, соответственно, 64 и более высокой потенциальной энергии, определенной в данном случае пиками. Следует отметить, что высота пиков внешней кольцевой цепи 52 может быть несколько выше, чем высота пиков внутренней кольцевой цепи 53. Поскольку магнитная потенциальная энергия коррелируется с магнитной структурой 44, кривые 74 и 75 смещены в угловом направлении на угловой полупериод P/2.
m
IN
IN
OUT
OUT
m
1
2
1
2
1
2
Энергия, переданная резонатору при прохождении через импульсную зону по существу соответствует разнице ΔEPпотенциальной энергии EP1, EP в точке входа колебательного магнитного соединительного элемента в эту импульсную зону и потенциальной энергии EP, EP в точке выхода данного колебательного элемента из этой импульсной зоны. Учитывая, что все зоны 62 и 64 с более низкой потенциальной энергией имеют по существу одинаковое постоянное значение энергии, и что все колебания в пределах диапазона полезного приводного крутящего момента проходят от зоны 63 или 65 полезного аккумулирования к зоне с более низкой потенциальной энергией, энергия, передаваемая резонатору при прохождении через импульсную зону по существу соответствует разнице ΔEP потенциальной энергии (см. Фиг.9) между точкой X и точкой Xдля колебания, проходящего через точку X в проекции на главную плоскость магнитной структуры.
m
Прежде всего, следует отметить, что в возможных вариантах увеличение градиента магнитной потенциальной энергии может быть не линейным, а, например квадратичным, или может иметься несколько сегментов с различными наклонами. Кроме того, соответствующие площадки 62, 64 с более низкой потенциальной энергией могут иметь другие профили потенциальной энергии. Так, например, в конкретном варианте имеется угловой профиль магнитной потенциальной энергии, определяющий участки с градиентом роста энергии или наклонные участки увеличения энергии (зоны тормозных наклонных участков/участков аккумулирования потенциальной энергии), чередующиеся с участками градиентов падения энергии или наклонными участками уменьшения энергии. Эти участки падения энергии могут занимать угловой полупериод или меньший угол и, таким образом, завершаться небольшой расположенной ниже площадкой. Они могут быть линейными или иметь другой профиль. Аналогичным образом, очевидно, что участки градиента роста энергии могут занимать угловое расстояние отличное от углового полупериода, в частности меньшее, но также могут занимать и большее расстояние. В этом отношении в рамках объема изобретения нет никаких дополнительных ограничений, за исключением поддержания полезной резонансной формы резонатора и, таким образом, наличия для этой резонансной формы импульсных зон с ненулевой угловой длиной, например зон для прохождения колебательного соединительного элемента в окрестности окружности нулевого положения между зоной полезной аккумуляции на одной стороне окружности и приемной зоной на другой стороне окружности, причем эти две зоны имеют такую конфигурацию, при которой разница ΔEP между потенциальными энергиями в каждой зоне полезного аккумулирования и в соответствующей приёмной зоне для колебательного соединительного звена в диапазоне полезного крутящего момента является положительной.
m
Магнитный материал 45 магнитной структуры 44 поэтому расположен таким образом, что на каждом угловом периоде по меньшей мере в одной зоне магнитного материала, соответствующей зоне полезного накопления магнитной потенциальной энергии на указанном угловом периоде рассматриваемый физический параметр магнитного материала постепенно увеличивается в угловом направлении или постепенно увеличивается в угловом направлении таким образом, что магнитная потенциальная энергия EP осциллятора в каждой зоне полезного аккумулирования энергии увеличивается в угловом направлении во время вращения магнитной структуры относительно магнитного соединительного элемента. Кроме того, для рассматриваемого здесь варианта осуществления изобретения и для любого приводного крутящего момента из диапазона полезного приводного крутящего момента магнитный соединительный элемент проходит на каждом полупериоде колебаний резонатора из зоны полезного аккумулирования первой кольцевой цепи или соответственно второй кольцевой цепи в зону с более низкой или минимальной потенциальной энергией при прохождении через одну из импульсных зон. Магнитная структура устроена таким образом, что разница магнитной потенциальной энергии осциллятора между значением при входе соединительного элемента в импульсную зону и при выходе указанного соединительного элемента из указанной импульсной зоны является положительной для любого крутящего момента из полезного диапазона.
imp
ac
ac
*.
Анализ различий между Фиг. 8 и Фиг. 3 (осциллятора, соответствующего оптимизированному варианте осуществления конструкции известного уровня техники с соединительным элементом, концевой участок которого является круглым или квадратным) показывает, что на Фиг. 3 угловой градиент магнитной потенциальной энергии в зонах 26, 30 аккумулирования энергии приблизительно аналогичен радиальному градиенту в центральной импульсной зоне ZC.Однако на Фиг. 3 угловой градиент магнитной потенциальной энергии в зонах 63, 65 аккумулирования энергии гораздо меньше, чем радиальный градиент в импульсных зонах 68, 69, даже при наличии соединительного элемента, концевой участок которого является круглым или квадратным. В рамках объема настоящего изобретения средний угловой градиент в зонах чистого аккумулирования, определяющих тормозную силу магнитной структуры существенно меньше, чем средний радиальный градиент (в более общем случае, средний градиент вдоль степени свободы полезной резонансной формы резонатора) в импульсных зонах, причем данный средний радиальный градиент определяет толкающее усилие на магните 50 и, таким образом, энергию, передаваемую резонатору в форме локализованных импульсов в районе нулевого положения магнитного соединительного элемента (магнита 50) резонатора. Для данного сравнения средний угловой градиент и средний радиальный градиент вычисляются в одинаковых единицах, например в джоулях на метр (Дж/м). И, наоборот, в рассмотренном варианте известного уровня техники средний радиальный градиент в центральной импульсной зоне по существу равен среднему угловому градиенту в зонах аккумулирования. В примере, описанном на Фиг. 5-9, доля среднего углового градиента в зонах аккумулирования энергии относительно среднего радиального градиента в импульсных зонах составляет менее 30% для зоны Z1 и меньше или по существу равна 40% для зоны Z2.
В общем случае магнитная структура устроена таким образом, что средний угловой градиент магнитной потенциальной энергии осциллятора в зонах аккумулирования магнитной потенциальной энергии меньше, чем средний градиент магнитной потенциальной энергии в тех же единицах в импульсных зонах вдоль степени свободы резонатора. В одном конкретном варианте доля среднего углового градиента в среднем градиенте вдоль степени свободы составляет менее шестидесяти процентов (60%). В одном конкретном варианте доля среднего углового градиента в среднем градиенте вдоль степени свободы составляет менее шестидесяти процентов (40%).
Следует отметить, что на Фиг. 2, относящейся к известному уровню техники, угловое расстояние, которое необходимо преодолеть от зоны с максимальной энергией до зоны с минимальной энергией, аналогично угловому расстоянию, которое необходимо преодолеть в заданном направлении от зоны с минимальной энергией к зоне с максимальной энергией. Таким образом, зоны 28 с минимальной энергией во внутренней кольцевой цепи имеют малые размеры. В предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения это не так.
На Фиг. 7 и 8 зоны 62 и 64 с минимальной энергией проходят на относительно большое угловое расстояние, и переход от зоны с максимальной энергией к зоне с минимальной энергией происходит на малом угловом расстоянии, гораздо меньшем, чем угловое расстояние от предыдущей зоны аккумулирования энергии. Следует отметить, что большой градиент в импульсных зонах и, следовательно, в зонах перехода между зонами с максимальной потенциальной энергией и минимальной потенциальной энергией обеспечивается в результате уменьшения размеров соединительного элемента в проекции в проекции на главную плоскость магнитной структуры в радиальном направлении кольцевых магнитных цепей, соответствующем в данном случае полезной степени свободы резонатора, по сравнению с соответствующими размерами в конструкциях известного уровня техники. Следует отметить, что на известном уровне техники ширина зон чистого аккумулирования примерно равна ширине центральной импульсной зоны, или даже меньше. В результате этого получается малый полезный диапазон приводного крутящего момента, и большая ширина центральной импульсной зоны вызывает относительно существенный сбой в работе резонатора, поскольку передача энергии осуществляется на большой части каждого колебания. И, наоборот, в силу отличительных особенностей настоящего изобретения вышеупомянутое усреднение не только не является обязательным, но даже не желательно по полезной степени свободы резонатора и поэтому максимально исключается. В теоретическом оптимальном случае усреднение совершенно отсутствует, в результате чего, получается почти ненулевая и, таким образом, очень ограниченная ширина импульсной зоны. На практике снижение усреднения по полезной степени свободы резонатора ограничено технологически и тем фактом, что магнитное поле магнита занимает определенный объем.
m
m
Настоящее изобретение отличается тем, что отсутствие эффекта усреднения больше не приводит к нарушению функционирования осциллятора, поскольку угловое расстояние, которое занимает каждая зона аккумулирования потенциальной энергии, теперь определяется не усреднением, а тем фактом, что рассматриваемый физический параметр магнитного материала 45 в каждой зоне данного магнитного материала, соответствующей зоне полезного накопления энергии, постепенно увеличивается в угловом направлении или постепенно уменьшается в угловом направлении таким образом, что магнитная потенциальная энергия EP осциллятора увеличивается в угловом направлении в направлении противоположном направлению вращения магнитной структуры относительно магнитного соединительного элемента. Таким образом, обеспечивается управляемое увеличение энергии EP, распределенной на определенном расстоянии на фазах аккумулирования магнитной потенциальной энергии, что важно для предотвращения отсоединения осциллятора при относительно большой величине приводного момента и для получения относительно большого рабочего диапазона без потери синхронизации.
m
ZU
За счет признаков изобретения по существу устраняется зависимость между шириной импульсной зоны и угловым расстоянием зоны полезного аккумулирования энергии EP. Таким образом, импульсы, доставляемые к резонатору, могут ограничиваться около нулевого положения магнитного соединительного элемента, при этом зоны полезного аккумулирования могут иметь большую протяженность за счет меньшего градиента потенциальной энергии и, следовательно, более плавного уклона участка увеличения потенциальной энергии в функции угла θ. Импульсы, локализованные около нулевого положения резонатора существенно повышают изохронность, а относительно большая угловая протяженность θ зоны аккумулирования энергии, производимой приводным крутящим моментом, позволяет обеспечить более широкий диапазон полезного крутящего момента и, таким образом, увеличить рабочий диапазон. Следует отметить, что локализация импульсов дополнительно улучшается при малом радиальном размере соединительного элемента.
rot
max
Преимущества изобретения видны на Фиг. 10, на которой показано несколько точек 80 относительной погрешности угловой скорости ротора, содержащего магнитную структуру 44, в функции относительного крутящего момента M/M , подаваемого на ротор (для добротности Q=200). Получается рабочая кривая 82, которая является практически вертикальной при относительном приводном крутящем моменте более 50%. Таким образом, осциллятор работает в диапазоне от более 50% до 100% с очень малым отклонением от изохронности, а когда величина относительного момента падает ниже 40%, ежедневная погрешность только приблизительно составляет четыре секунды (4 с). Таким образом, эти соображения проливают свет на причины проблем на известном уровне техники и на существенные преимущества, вытекающие из настоящего изобретения.
0
1
2
max
2
1
max
0
0
max
max
max
min
0
max
min
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения доля радиального размера (ширины Z) импульсных зон от радиального размера (соответственно, Z, Z) зон полезного аккумулирования меньше, либо по существу равна пятьдесят процентов (50%). Термин «радиальный размер» зоны полезного аккумулирования обозначает максимальную амплитуду A колебания магнитного соединительного элемента во время одного колебания полезного максимального приводного крутящего момента, менее полуширины импульсных зон, а именно, по существу Z = Z = (AZ/2). Вышеприведенное соотношение может также быть определено другими параметрами регулирующего устройства, например величиной Z / 2A , где 2A равно расстоянию RR (расстоянию между пиками на одном периоде), определяемому максимальной амплитудой колебаний в проекции на главную плоскость кольцевой магнитной цепи (см. Фиг. 8). Для данного первого варианта отношение Z / (RR), таким образом, меньше, либо по существу равно 20%. В предпочтительном варианте данное отношение меньше, либо по существу равно тридцати процентам (30%).
θ
В соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения постепенное увеличение или уменьшение физического параметра магнитного материала в каждой зоне полезной магнитной потенциальной энергии происходит на угловом расстоянии (рассматриваемом в данном случае, в виде угла в радианах) большем, чем двадцать процентов (20%) от углового периода (P в радианах) кольцевой цепи магнитной структуры. В соответствии четвертым предпочтительным вариантом осуществления изобретения, отношение углового расстояния изменения первого физического параметра к угловому периоду больше, либо по существу равно сорока процентам (40%).
0
m
Со ссылками на Фиг. 11 и 12 ниже приводится описание второго варианта осуществления изобретения, который имеет общий характер, заключающийся в том, что магнитная структура 86 осциллятора 84 включает одиночный магнитный соединительный элемент (магнит) и одиночную кольцевую цепь 88, в которой периодически изменяется физический параметр магнитного материала 45, формирующего цепь. Большая часть вышеприведенного описания, относящегося к внешней кольцевой цепи первого варианта осуществления изобретения также справедлива для кольцевой цепи 88. Повторное подробное описание характеристик данной кольцевой цепи и магнитной потенциальной энергии, связанной с ней, приводиться не будет. Магнитная структура 86 дополнительно включает вторую кольцевую цепь 90, непрерывно сформированную из магнитного материала 45. Эта вторая цепь образует кольцевую зону минимальной магнитной потенциальной энергии, величина, которой по существу равна величине энергии в зонах с более низкой магнитной потенциальной энергией, образованных кольцевыми секторами 52 кольцевой цепи 88. Следует отметить, что в одном варианте кольцевая цепь 90 может быть заменена одиночной пластиной из магнитного материала, примыкающей к кольцевой цепи 88, расположенной под колеблющимся магнитом 50 и зафиксированной относительно резонатора 46. Как и в первом варианте осуществления изобретения окружность 20 нулевого положения резонатора 46 расположена по существу на стыке Y двух кольцевых цепей. Окружность Y по существу соответствует стыку зон полезного аккумулирования энергии EP, образованных кольцевыми секторами 56, и импульсных зон между этими зонами полезного аккумулирования и вышеупомянутой кольцевой зоной минимальной магнитной потенциальной энергии.
θ
m
m
Y
U
m
U
Второй вариант осуществления изобретения принципиально обладает теми же преимуществами, что упомянуты выше для первого варианта осуществления изобретения. Однако одиночный импульс за угловой период P цепи 88 передается резонатору всегда в одинаковом направлении при прохождении колебательного магнитного соединительного элемента 50 от кольцевой цепи 88 к имеющей постоянную форму кольцевой цепи 90. Колебание над цепью 90 происходит при отсутствии изменений взаимодействия между резонатором и магнитной структурой, поэтому колебание является свободным. На Фиг. 12 показана разница энергии EP (ΔEP) на пересечении оси Y окружности с колебательным магнитным соединительным элементом. Следует отметить, что кривая 94 имеет практическое значение только для набора колебаний рассматриваемой резонансной формы, которые могут поддерживаться в осцилляторе 84. Данный набор колебаний по существу расположен в пределах диапазона R оси Y окружности, который определяется полезным диапазоном R изменения энергии ΔEP, причем данный последний диапазон R соответствует диапазону полезного приводного крутящего момента, подаваемого на магнитную структуру 86.
Следует отметить, что в двух вышеописанных вариантах осуществления изобретения радиальный размер каждой кольцевой магнитной цепи и, следовательно, размер вдоль степени свободы резонатора увеличивается, в то время как размер каждого соединительного элемента резонатора уменьшается в радиальном направлении относительно оси вращения магнитной структуры. В этих двух вариантах осуществления изобретения радиальный размер кольцевых магнитных секторов магнитной структуры больше, чем радиальный размер каждого соединительного элемента резонатора. В частности, радиальный размер кольцевых магнитных секторов выбирается таким образом, что соединительный элемент полностью совмещается с рассматриваемой магнитной цепью для получения максимальной амплитуды колебания, когда соединительный элемент связан с магнитной цепью. В предпочтительном варианте, в котором имеются зоны чистого накопления магнитной потенциальной энергии, обеспечивается ситуация, когда соединительный элемент остается в зоне, в которой градиент потенциальной энергии перпендикулярен степени свободы резонатора в диапазоне полезного крутящего момента, т.е. для всех амплитуд колебаний, с которыми может колебаться соединительный элемент, вплоть до максимальной амплитуды.
P
m
Фиг. 13-15 представляют собой схематические разрезы трех вариантов осуществления кольцевой цепи магнитной структуры по изобретению. Эти варианты образуют альтернативы варианту, уже описанному для Фиг. 6A и 6B. Кольцевая цепь 98 включает чередующиеся кольцевые сектора 54A, в которых толщина обладающего высокой магнитной проницаемостью материала 100 является постоянной, и кольцевые сектора 56A, в которых толщина материала 100 постепенно ступенчато уменьшается на угловом расстоянии V. Каждый кольцевой сектор 56A формирует ступенчатую структуру с несколькими ступенями. В этой ступенчатой структуре расстояние между верхней поверхностью ступеней и плоскостью 59, параллельной главной плоскости кольцевой цепи 98, постепенно ступенчато изменяется. Данная ступенчатая структура определяет монотонный градиент потенциальной энергии или наклонные участки EP, что формирует зоны полезного накопления потенциальной энергии, как описано выше. Рассматриваемый физический параметр материала 100 представляет собой расстояние до геометрической плоскости 59, которое соответствует воздушному зазору между магнитом 50 и материалом. В одном варианте магнитный материал сформирован из намагниченного материала. Комментарии, сделанные в отношении профилей цепей 52 и 53, в части вклада изменения толщины магнитной структуры, также справедливы для данного последнего варианта, как и комментарии, касающиеся установки с притяжением или отталкиванием в вариантах, в которых соединительный элемент и магнитные цепи сформированы из намагниченного материала.
P
Кольцевая цепь 102 варианта Фиг. 14 имеет постоянную толщину ферромагнитного материала 100, но в ней имеются периодически расположенное множество отверстий 104. Каждый кольцевой сектор 56B имеет множество отверстий, плотность которых является переменной и/или поверхность сечения которых является переменной на угловом расстоянии V. В показанном примере плотность отверстий, имеющих одинаковый относительно малый диаметр, увеличивается постепенно непрерывно или в одном из вариантов ступенчато. Физический параметр ферромагнитного материала в данном случае представляет собой магнитную проницаемость магнитного материала.
P
Кольцевая цепь 106 на Фиг. 15 сформирована из намагниченного материала 108, толщина которого является постоянной. В кольцевых секторах 54C плотность магнитного поля 110, создаваемого намагниченным материалом, является по существу постоянной. И, наоборот, в кольцевых секторах 56C плотность магнитного поля 110 постепенно уменьшается на угловом расстоянии V при схеме с притяжением (в показанном варианте) и постепенно увеличивается при схеме с отталкиванием. В этом варианте рассматриваемый физический параметр представляет собой плотность потока магнитного поля, создаваемого намагниченным материалом между кольцевой магнитной цепью и поверхностью вращения, имеющей ось вращения магнитной структуры в качестве оси вращения, и степень свободы магнита 50 в качестве образующей данной поверхности вращения. В одном варианте предлагается другой соединительный элемент, сформированный из обладающего высокой магнитной проницаемостью материала (случай аналогичен схеме с притяжением намагниченных магнитов). Следует отметить, что применение магнитного отталкивания обладает преимуществом, заключающимся в том, что не допускается сцепления магнита 50 с кольцевой цепью 106 в случае ударного воздействия.
На Фиг. 16 и 17 показан третий вариант осуществления регулирующего устройства по изобретению. Он отличается от первого варианта осуществления в основном следующими отличительными особенностями. Осциллятор 112 включает резонатор 116, сформированный звеном или рычагом 120, соединенным с неподвижной точкой при помощи линейной пружины 118. Звено или рычаг 120 вращается в районе первого конца вокруг оси 124, параллельной оси 51 вращения магнитной структуры 114 и на втором своем конце содержит магнитный соединительный элемент 122, связанный с магнитной структурой 114. Структура 122 включает элемент 125, выполненный из ферромагнитного материала, в форме буквы U своей стороне или в форме буквы C, ветви которых соответственно проходят под и над магнитной структурой 114. На соответствующих свободных концах двух ветвей расположены два соответствующих магнитна 126 и 127, которые ориентированы таким образом, что два магнитных поля, распространяющиеся в воздушном зазоре между ними, в основном ориентированы параллельно оси 51 вращения и имеют одинаковое направление. Эти два соосных магнита совместно образуют магнитный соединительный элемент осциллятора 112. Степень свободы резонатора находится на окружности 123 радиуса R с центром на оси 124 вращения рычага или звена 120, причем R представляет собой расстояние между осью вращения и геометрической осью, проходящей через середину двух магнитов 126 и 127.
m
m
Для получения в соответствии с предпочтительным вариантом изобретения по существу нулевого градиента магнитной потенциальной энергии EP по степени свободы 123 резонатора 116 в зонах полезного аккумулирования в данном третьем варианте осуществления изобретения физический параметр магнитного материала 45, соотносящийся с энергией EP, по существу постоянен на дугах окружности, соответствующей окружности 123. Другими словами, для каждого углового положения θ магнитной структуры 114 рассматриваемый физический параметр является неизменным на траектории центра масс концевых участков магнитов 126 и 127 в проекции на главную плоскость магнитной структуры. Это, в частности, имеет место для секторов 56D и 57D, где физический параметр изменяется в угловом направлении и образует зоны полезного накопления потенциальной энергии. Таким образом, сектора 54d и 56D, и, соответственно, 55D и 57D, формирующие две кольцевых цепи магнитной структуры, имеют слегка дугообразную форму. Различные варианты, упомянутые для первого варианта осуществления изобретения, также справедливы для третьего варианта осуществления изобретения. Вариант, показанный здесь, представляет собой вариант со ступенчатой конфигурацией, имеющей несколько ступеней в секторах 56D и 57D.
Ниже приводится краткое описание трех вариантов осуществления осциллятора по изобретению со ссылками на Фиг. 18-20. Осциллятор на Фиг. 18 сформирован колесом 128, включающим на своей периферии кольцевую магнитную структуру 98А, аналогичную магнитной структуре 98 (см. Фиг. 13) на виде сверху, но удвоенной по сравнению с указанной магнитной структурой 98 относительно плоскости симметрии на оси окружности на Фиг. 13. Таким образом, каждый кольцевой сектор 56А включает первую ступенчатую конфигурацию, а под ней – вторую ступенчатую конфигурацию, которая является зеркальным отражением первой ступенчатой конфигурации. Колесо 128 включает центральный сердечник, выполненный из немагнитного материала. Резонатор 117 включает магнитную соединительную структуру 122а в форме буквы С, аналогичную структуре 122, описанной выше. Однако в данном случае структура 122A включает большой магнит, соединенный с двумя ветвями ферромагнитного материала, соответствующие свободные концы которых совместно образуют элемент, магнитно связывающий резонатор с магнитной структурой 98A.
На Фиг. 19 осциллятор включает колесо 129, сформированное из центрального сердечника из немагнитного материала, и кольцевую магнитную структуру 106A. Эта структура 106A функционально аналогична магнитной структуре 106 на Фиг. 15, но здесь материал однородно намагничен по всей магнитной структуре 106А; изменение плотности магнитного поля, создаваемого магнитом и, следовательно, связанного с ним магнитного потока обеспечивается за счет изменения толщины намагниченного кольца. Резонатор 119 отличается тем, что он не содержит магнитов, его магнитная соединительная структура 122В сформирована разомкнутым контуром из обладающего высокой магнитной проницаемостью материала, при этом магнитная структура 106А проходит через раствор петли. Петля 122В просто образует цепь с низким магнитным сопротивлением для магнитного поля намагниченной структуры. В другом варианте колесо 129 может объединяться с магнитной соединительной структурой 122а (с притяжением или с отталкиванием), показанной на Фиг. 18.
На Фиг. 20 осциллятор отличается тем, что ротор 130 сформирован из двух пластин 132 и 134 из ферромагнитного материала. Нижняя пластина 131 имеет на своей периферии магнитную структуру с двумя кольцевыми цепями 52 и 52, подобными уже описанным и также сформированными из ферромагнитного материала. Верхняя пластина 134 аналогична нижней пластине, но является обращенной, т.е. является отражение нижней пластины относительно плоскости симметрии, проходящей через среднюю плоскость между двумя пластинами. Данная верхняя пластина, таким образом, включает две кольцевых цепи 52А и 53а, аналогичных кольцевым пластинам 52 и 53 и противоположных последним. Эти две пластины соединяются в центральной зоне и формируют цепь с малым магнитным сопротивлением для магнитного поля магнита 50 резонатора 46. Следует отметить, что варианты, показанные на Фиг. 18 и 20, имеют преимущество, заключающееся в том, что в них не допускается возникновение силы, прикладываемой в осевом направлении к соединительному элементу резонатора.
На Фиг. 21 показан еще один вариант осуществления регулирующего устройства 136 по изобретению. Данное устройство примечательно тем, что оно включает две магнитные структуры 106А и 106В, которые являются соосными и механически независимыми (не объединенными при вращении через механические средства). Нижняя магнитная структура 106А установлена на колесе 129 аналогично тому, как показано на Фиг. 19, это колесо составляет одно целое с валом 140, совмещенным с осью 51 вращения. Верхнее колесо 142 сформировано из центрального сердечника 142 из немагнитного материала, соединенного с трубкой 144, свободно установленной на валу 140, и из магнитной структуры 106В, аналогичной структуре 106А, но являющейся ее симметричным отображением относительно средней плоскости между двумя колесами. Резонатор 148 представлен пружиной 151 и магнитным соединительным элементом 149 из ферромагнитного материала, установленным на конце рычага 150 из немагнитного материала. Намагничивание выполняется в двух структурах 106А и 106В в одном направлении. В одном первом варианте два колеса 129 и 142 соответственно приводятся одним механическим источником энергии, в частности ходовой пружиной. В одном втором варианте эти два колеса соответственно приводятся двумя различными механическими источниками энергии, в частности двумя барабанами, установленными в часовом механизме. В данном случае также могут применяться и другие варианты, описанные выше для магнитных структур. Следует также отметить, что магнитный соединительный элемент может также представлять собой магнит.
На Фиг. 22 показан четвертый вариант осуществления регулирующего устройства 152 по изобретению. Данный вариант осуществления отличается, в частности тем, что магнитная структура 154 включает одиночную кольцевую цепь 156, сформированную чередующимися кольцевыми секторами 54 и 56, как описано выше. Следует отметить, что в данном варианте осуществления и в вариантах, изложенных ниже, как и в ранее описанных вариантах осуществления, незаштрихованные сектора соответствуют зонам с более низкой или минимальной магнитной потенциальной энергией, а заштрихованные сектора соответствуют зонам, в которых магнитная потенциальная энергия увеличивается в угловом направлении в соответствии с изобретением. В этих заштрихованных секторах использованный магнитный материал имеет по меньшей мере один физический параметр, который соотносится с магнитной потенциальной энергией осциллятора, когда магнитный соединительный элемент резонатора магнитно связан с кольцевой магнитной цепью. Магнитный материал в каждом заштрихованном секторе расположен таким образом, что рассматриваемый физический параметр постепенно увеличивается в угловом направлении или постепенно уменьшается в угловом направлении таким образом, что магнитная потенциальная энергия осциллятора увеличивается в угловом направлении во время заданного относительного вращения резонатором и магнитной структуры. Следует также отметить, что в данном варианте осуществления изобретения и в ниже разъясняемых вариантах осуществления, за исключением восьмого варианте осуществления изобретения, магнитный материал установлен в заштрихованных секторах таким образом, что рассматриваемый физический праметр является постоянным в радиальном направлении, но постепенно изменяется в угловом направлении для обеспечения постепенного накопления магнитной потенциальной энергии при на относительно большом угловом тормозном расстоянии, которое зависит от амплитуды соединительного элемента резонатора.
D
θ
Резонатор 158 являться резонатором с подпружиненным балансом, у которого жесткий баланс 160 связан с пружиной 162 баланса. Баланс может иметь различные формы, в частности может иметь круглую форму, как в традиционном часовом механизме. Баланс вращается вокруг оси 163 и включает два магнитных соединительных элемента 164 и 165 (магнита с квадратным поперечным сечением), которые в угловом направлении смещены относительно оси 51 вращения магнитной структуры 154. Угловой сдвиг двух магнитов 164 и 165 и их положение относительно структуры 154 таковы, что два магнита находятся на окружности 20 нулевого положения резонатора, когда последний находится в покое (не возбужден), а затем они получают угловое смещение θ, равное целому числу угловых периодов P, увеличенному на полупериод. Так эти два магнита имеют сдвиг фаз на величину π. Окружность 20 по существу соответствует внешней границе кольцевой цепи 156 или, в одном варианте – внутренней границе данной кольцевой цепи. Предпочтительно ось 163 вращения баланса расположена на пересечении двух касательных к окружности 20 нулевого положения, соответственно в двух точках, определенных двумя соединительными элементами 164 и 165 на окружности нулевого положения. Следует отметить, что предпочтительным является вариант, в котором баланс является уравновешенным, а более конкретно, в котором его центр масс находится на оси баланса. Специалистам в данной области техники не составит труда подобрать конфигурацию балансов различной формы, обладающих данной важной характеристикой. Таким образом, понятно, что различные варианты, показанные на фигурах, являются схематическими, и проблема момента инерции резонатора не нашла конкретного отражения на данных фигурах, иллюстрирующих различные характеристики изобретения. Кроме того, предпочтительными являются варианты, гарантирующие нулевую результирующую магнитную силу в радиальном и осевом направлении вала баланса. Следует отметить, что в одном варианте предлагается баланс с гибкими полосами, образующими виртуальную ось вращения, т.е. баланс без шарнира, вместо подпружиненного баланса.
Следует отметить, что за счет наличия двух магнитных соединительных элементов резонатор 158 непрерывно магнитно связан с кольцевой цепью 156 при помощи одного из этих двух элементов. На каждом периоде колебаний баланс принимает два импульса. Физическое формирование этих импульсов происходит так же, как и описанное выше с учетом наличия двух магнитов и кольцевой цепи. Действительно, когда один магнит преодолевает градиент потенциальной энергии или наклонный участок кольцевого сектора 56 и возвращается в направлении окружности 20, другой магнит достигает положения над кольцевым сектором 54, на котором потенциальная энергия является минимальной. Таким образом имеет место комбинированный эффект от двух взаимодействий, которые происходят в данном варианте осуществления изобретения. В одном варианте осуществления изобретения простое кольцо из обладающего высокой магнитной проницаемостью материала аналогично второму варианту осуществления расположено снаружи кольцевой цепи 156 и примыкает к ней. Это простое кольцо, таким образом, обусловливает по всей своей поверхности одинаковую более низкую потенциальную энергию для осциллятора. Кольцо может, следовательно, составлять одно целое с магнитной структурой 154 или устанавливаться с фиксацией относительно резонатора 158. В последнем случае ниличие двух ферромагнитных пластин, соответственно установленных в двух радиальных направлениях двух магнитов резонатора относительно оси 51, достаточно для обеспечения данной функции.
На Фиг. 23 также показан другой вариант осуществления изобретения, в котором регулирующее устройство, сформированное осциллятором 168, включает магнитную структуру 44, уже описанную выше, и резонатор 156, описанный выше. Данный вариант отличается от варианта Фиг. 22 наличием второй кольцевой цепи 52 в дополнение к кольцевой цепи 53, соответствующей кольцевой цепи 156. В результате такого устройства каждый магнит 164 и 165 принимает импульс при прохождении в центральную импульсную зону. Таким образом, в данном случае имеет место двойной импульс, в то время как в варианте на Фиг. 22 осуществляется прием только одного импульса. Вариант, показанный на Фиг. 23, является особенно эффективным и имеет относительно широкий рабочий диапазон. Следовательно, в данном варианте осуществления изобретения имеется удвоение магнитной связи между резонатором и магнитной структурой по сравнению с вариантом, показанным на Фиг. 22, и с первым вариантом осуществления изобретения; что также имеет место в двух вариантах осуществления изобретения, приведенных выше.
θ
θ
На Фиг. 24 показан пятый вариант осуществления изобретения. Осциллятор 172 включает магнитную структуру 44А, аналогичную структуре 44, описанной выше и включающей четное число угловых периодов P. Резонатор 174 сформирован настроечной вилкой 176 с двумя вибрирующими ветвями. На двух соответствующих свободных концах двух ветвей установлены два соответствующих цилиндрических магнита 177 и 178, расположенные диаметрально противоположно относительно оси 51 вращения. Выбор четного числа угловых периодов Pсвязан с тем, что при основной резонансной форме настроечной вилки две ветви колеблются в противофазе, т.е. в противоположных направлениях. Каждый магнит резонатора осуществляет взаимодействие с магнитной структурой 44А, которая аналогична описанной для первого варианта осуществления изобретения. Таким образом, каждый магнит вносит вклад в поддержание колебаний и, следовательно, в поддержание вибрации настроечной вилки 176.
θ
θ
На Фиг. 25 показан шестой вариант осуществления изобретения. Основное отличие осциллятора 180 от предыдущего осциллятора заключается в том, что два магнита 177 и 178 резонатора 182 жестко соединены стержнем 185, и тем, что магнитная структура 44В включает нечетное число угловых периодов P. Каждый магнит установлен на конце соответствующего эластичного штифта 183, 184, закрепленного в основании 186. В одном варианте настроечная вилка может применяться так же, как и на Фиг. 24, с двумя жестко соединенными магнитами. Таким образом, полезная резонансная форма резонатора 182 обеспечивает софазное колебание двух магнитов за счет жесткой связи между ними. Это является причиной того, что магнитная структура 44В в данном случае включает нечетное число угловых периодов P. Каждый магнит резонатора осуществляет взаимодействие с магнитной структурой 44В, которая аналогична описанной для первого варианта осуществления изобретения. Таким образом, каждый магнит вносит вклад в поддержание колебаний соответствующего эластичного штифта и, следовательно, в поддержание вибрации резонатора 182.
На Фиг. 26 показан седьмой вариант осуществления регулирующего устройства 190 по изобретению. Данный вариант осуществления отличается и имеет преимущество в том, что он включает магнитную структуру 44В, магнитно связанную с двумя резонаторами 191 и 192, которые независимы друг от друга, за исключением наличия магнитной связи через магнитную структуру. Каждый резонатор схематически представлен соответствующим эластичным штифтом 183, 184, закрепленным на первом конце и содержащим соответственно магнит 177 и 178. Каждый резонатор, таким образом, имеет свою собственную частоту. В результате имеет место нечто вроде усреднения двух собственных частот для угловой скорости ω колеса, составляющего одно целое с магнитной структурой 44В, причем последняя выполняет дополнительную дифференцирующую функцию. Очевидно, что две выбранные собственные частоты должны быть близкими, или даже по существу равными частотами. Однако возможен вариант, при котором два осциллятора по-разному реагируют на окружающие условия, предпочтительно таким образом, что один компенсирует отклонение другого при изменении окружающих условий. Следует отметить, что эти два осциллятора ориентированы в противоположных направлениях для компенсации эффекта гравитации в их направлении. В одном варианте предлагается два других резонатора, также ориентированных в противоположных направлениях в направлении, перпендикулярном двум резонаторам, показанным на Фиг. 26, для компенсации эффекта гравитации в этом перпендикулярном направлении.
На Фиг. 27 показан восьмой вариант осуществления изобретения. Регулирующее устройство 196 отличается от предыдущих вариантов осуществления в основном двумя конкретными аспектами. Прежде всего, магнитная структура 198 неподвижно установлена на опоре или пластине 200, в то время как два осциллятора 191А и 192А приводятся во вращение с угловой скоростью ω за счет приводного крутящего момента, подводимого к ротору 202, который включает два жестких рычага 205 и 206, на соответствующих свободных концах которых установлены два соответствующих осциллятора. Следует отметить, что данный вариант, как обращение устройства, к которому подводится крутящий приводной момент, никоим образом не изменяет магнитного взаимодействия между резонатором (резонаторами) и магнитной структурой (магнитными структурами), описанного выше, за счет чего данное обращение может быть реализовано в качестве возможной модификации прочих вариантов осуществления изобретения. Следует отметить, что в данном случае имеется два резонатора, каждый из которых с магнитной структурой 198 образует осциллятор. Однако в другом варианте (не показанном на фигурах) имеется одиночный резонатор.
Второй конкретный аспект данного варианта осуществления вытекает из того факта, что колебания не являются радиальными относительно оси 51А вращения ротора 202, когда соответствующий магнит 177, 178 пересекает окружность 20 нулевого положения. Как и в нескольких вариантах осуществления изобретения, описанных выше, степень свободы соединительного элемента каждого резонатора расположена по существу на окружности, радиус которой по существу равен длине L эластичного штифта резонатора, и центр которой находится в точке крепления штифта к рычагу резонатора. Для получения в соответствии с предпочтительным вариантом изобретения по существу нулевого градиента магнитной потенциальной энергии EPm по степени свободы каждого резонатора (двух резонаторов, обладающих осевой симметрией относительно геометрической оси 51А) в зонах полезного аккумулирования энергии EPm в данном варианте осуществления изобретения предусмотрено, что физический параметр магнитного материала магнитной структуры 198 по существу постоянен на дугах окружности, соответствующей геометрической окружности, определенной соединительными элементами. Другими словами, для каждого углового положения ротора 202 рассматриваемый физический параметр является неизменным на траектории магнитов 177 и 178 в проекции на главную плоскость неподвижной магнитной структуры. Это в частности имеет место для секторов 56Е и 57Е, где физический параметр изменяется и обеспечивает полезное накопление энергии EPm. Следует отметить, что кольцевые сектора 54Е и 56Е и соответственно 55Е и 57Е, формирующие две кольцевых цепи магнитной структуры, имеют дугообразную форму, причем чередующиеся сектора внутренней кольцевой цепи имеют небольшое угловое смещение относительно секторов внешней кольцевой цепи.
θ
θ
На Фиг. 28 и 29 показан вид в плане и вид в разрезе девятого варианта осуществления регулирующего устройства по изобретению. Осциллятор 210 включает колесо 212, по меньшей мере периферическая кольцевая часть которого сформирована из обладающего высокой магнитной проницаемостью материала. Поперечная поверхность данного колеса имеет конфигурацию, образующую цилиндрическую магнитную структуру 214. Эта магнитная структура остается кольцевой, но проходит в осевом направлении, а не в главной плоскости колеса. В других вариантах осуществления изобретения магнитная связь между резонатором и магнитной структурой обеспечивается в осевом направлении (основной компонент параллелен оси вращения), в то время как в данном случае магнитная связь осуществляется в радиальном направлении. Структура 214 образует две цилиндрические цепи 218 и 219, эквивалентные кольцевым цепям, описанным выше. Таким образом, основные соображения, высказанные для предыдущих вариантов осуществления изобретения, также справедливы для возможных различных модификаций данного варианта осуществления изобретения. В показанном варианте каждая цепь сформирована последовательностью несимметричных зубьев, которые определяют угловой период P магнитной структуры. Каждый зуб имеет плоский участок или малую цилиндрическую секцию 215, за которой следует углубление, формирующее наклонную плоскость 216. Зубья нижней цепи 219 смещены в угловом направлении на полупериод P/2 относительно зубьев верхней цепи 218. Данная магнитная структура работает аналогично тому, как описано для других вариантов осуществления резонатора 220. Данный резонатор включает легкую структуру 221, предпочтительно выполненную из ферромагнитного материала. Данная структура 221 включает два эластичных рычага 222 и 223, установленных диаметрально противоположно относительно вала 224, центр которого находится на оси 51 вращения колеса 212. Резонатор неподвижно установлен на валу, при этом структура 221 закреплена на диске 225, составляющим одно целое с валом. Данные два эластичных рычага соответственно продолжаются на своих свободных концах осевыми ветвями 226 и 227, на нижних концах которых установлены соответствующие магниты 230 и 231. Эти два магнита устроены таким образом, что магнитное поле, создаваемое каждым из магнитов, является по существу радиальным. Обеспечивается использование резонанса при осевой вибрации двух эластичных рычагов 222 и 223, что вызывает осевое колебание магнитов 230 и 231. Для того, чтобы колесо вращалось независимо от резонатора, в колесе 212 имеется центральное отверстие, через которое свободно проходит вал. Также следует отметить, что колесо составляет одно целое с шестерней 228, применяемой для привода колеса за счет приводного момента, создаваемого, например ходовой пружиной. Специалистами в данной области техники могут быть разработаны другие резонаторы с использованием колеса 212, в частности резонатор, работающий на кручение.
Ниже со ссылками на Фиг. 30 описывается десятый вариант осуществления изобретения, установленного в часовой механизм 234. Регулирующее устройство 236 включает резонатор 238, схематически показанный эластичным штифтом или эластичной полосой, закрепленной на первом конце и содержащей на своем свободном конце магнит. Магнитная структура отличается тем, что она сформирована из двух кольцевых магнитных цепей 241 и 243 по изобретению, которые соответственно установлены на двух колесных узлах 240 и 242, установленных рядом друг с другом. Каждая кольцевая магнитная цепь расположена в периферической зоне пластины соответствующего колесного узла. Две цепи расположены в данном случае в одной геометрической плоскости и включают чередующиеся кольцевые сектора 245 и 246, аналогичные соответствующим секторам 54 и 56 первого варианта осуществления изобретения. Когда две пластины имеют одинаковый диаметр, два колесных узла расположены таким образом, что исходное положение (нулевое положение) магнита резонатора находится в середине прямой линии, перпендикулярной их соответствующим осям вращения и пересекающей эти две оси вращения. В более общем случае в данном исходном положении соединительный элемент расположен на прямой линии, соединяющей две соответствующие оси вращения двух колесных узлов и на стыке двух цепей, или в его середине в проекции на указанную геометрическую плоскость, эти две цепи имеют сдвиг на угловой полупериод на указанной прямой линии.
Данные два колесных узла 240 и 242 при вращении соединяются через приводное колесо 252, составляющее одно целое с шестерней 254, воспринимающей приводной крутящий момент. Колесо 252 зацепляется с колесом 248 первого колесного узла 240, расположенного под его пластиной и, таким образом, непосредственно приводит во вращение данный первый колесный узел в заданном направлении вращения. Колесо 252 также передает приводной крутящий момент ко второму колесному узлу 242 через промежуточное колесо 256, которое зацепляется с колесом 250 указанного второго колесного узла, расположенного под его пластиной. Таким образом, второй колесный узел вращается в направлении противоположном направлению вращения первого колесного узла. Две кольцевых цепи имеют одинаковый внешний диаметр и передаточные числа подобраны таким образом, что угловая скорость двух колесных узлов одинакова. В одном варианте два колесных узла могут непосредственно соединяться друг с другом при помощи зубчатого зацепления, при этом во время работы по меньшей мере один из двух колесных узлов воспринимает крутящий момент. При сборке часового механизма обеспечивается такое расположение этих двух кольцевых цепей, при котором в точке нулевого положения магнита они имеют сдвиг фаз величиной π (сдвиг на полупериод, как показано на Фиг. 30).
Следует отметить, что преимущество данного варианта осуществления с зубьями заключается в том, что две магнитных цепи имеют одинаковые размеры, но расположены в одной геометрической плоскости. В результате обеспечивается идеально симметричное магнитное взаимодействие между резонатором и магнитной структурой в двух колебаниях резонатора. В одном конкретном варианте два колесных узла приводятся двумя приводными крутящими моментами, приходящими от двух барабанов, встроенных в тот же часовой механизм. Также следует отметить, что в одном варианте, который не показан на фигурах, резонатор может содержать по меньшей мере два соединительных элемента, соответственно связанных с первой цепью и второй цепью и размещенных на участке отличном от прямой линии, соединяющей две оси вращения. Обеспечивается вступление второго соединительного элемента во взаимодействие со второй магнитной цепью при покидании первым соединительным элементом первой магнитной цепи и наоборот. Данный последний вариант открывает несколько дополнительных степеней свободы в компоновке осциллятора и, в частности двух колесных узлов. Например, возможна соответствующая установка двух магнитных цепей на двух параллельных пластинах, но на разных уровнях.
θ
θ
На Фиг. 31 показан осциллятор 260 по изобретению, который является первой модификацией варианта, показанного на Фиг. 22. Данный вариант отличается от варианта, показанного на Фиг. 22 тем, что резонатор 158А включает жесткий баланс 160А, на котором установлено два магнита 164 и 264, и соответственно 165 и 265 на каждом из его двух рычагов. Данные два магнита каждого рычага одновременно вступают в магнитное взаимодействие с кольцевой магнитной цепью 156. Они имеют сдвиг фаз на угловой период P. Таким образом, понятно, что на заданной окружности нулевого положения для рассматриваемого резонатора в его исходном положении число соединительных элементов может быть увеличено за счет выполнения углового сдвига N·P, где N – положительное целое число (соответствующее сдвигу фаз N·360°) между соединительными элементами, которые совершают одинаковое перемещение (т.е. имеют ту же степень свободы и то же направление перемещения) относительно соответствующей магнитной цепи.
θ
θ
На Фиг. 32 показан осциллятор 270 по изобретению, который является второй модификацией варианта, показанного на Фиг. 22. Данный второй вариант отличается от первого варианта тем, что два соединительных элемента, связанных с одним рычагом баланса 160В резонатора 158В, расположены на двух соответствующих окружностях 20 и 20А нулевого положения, образованными кольцевой магнитной цепь 156, а именно, внешними и внутренними окружностями, определяющими данную цепь, в случае нахождения резонатора в исходном положении. В этом случае соответствующие два соединительных элемента 164 и 266, 165 и 267 имеют взаимный угловой сдвиг фаз на величину P / 2 (а именно, на 180°). Понятно, что для заданной кольцевой магнитной цепи, когда резонатор находится в исходном положении, один или большее число соединительных элементов может находиться на каждой из двух окружностей нулевого положения, определенных цепью. Для рычага баланса первый соединительный элемент, связанный с первой окружностью нулевого положения смещен в угловом направлении относительно второго соединительного элемента, связанного со второй окружностью нулевого положения, на величину (N+1)·P / 2, где N>0.
Путем сочетания положений вариантов осуществления изобретения, показанных на Фиг. 31 и 32, и путем применения нескольких кольцевых магнитных цепей могут быть получены различные осцилляторы по изобретению, в частности осциллятор 280, показанный на Фиг. 33. Данный осциллятор включает резонатор 158С, сформированный балансом 160С, который включает два рычага 282 и 284, каждый из которых содержит четыре соединительных элемента, распределенных по существу на одном угловом периоде магнитной структуры 44 (периоду каждой из двух магнитных цепей 52 и 53). В данном случае имеется соединительный элемент, который взаимодействует с магнитной структурой на каждом полупериоде трех последовательных полупериодов магнитной структуры, над которым одновременно проходят четыре соединительных элемента, связанных с одним рычагом баланса. Поскольку изменение рассматриваемого физического параметра в каждом заштрихованном секторе предполагается в угловом направлении (без изменения в радиальном направлении по любому заданному радиусу), предпочтительно центр 163 вращения подпружиненного баланса располагается на касательной к окружности 20 нулевого положения на пересечении с соответствующей промежуточной ветвью 286, 288, на которой установлены совмещенные в радиальном направлении соединительные элементы. Каждый из соединительных элементов, таким образом, подвергается воздействию только малой радиальной силы снаружи импульсных зон, локализованных вокруг трех окружностей 20, 20А и 20В нулевого положения, применяемых в варианте осуществления изобретения на Фиг. 33. Данный тип варианта осуществления изобретения обладает преимуществом, заключающемся в усилении магнитной связи между резонатором и магнитной структурой при сохранении малых радиальных размеров соединительных элементов и, следовательно, сохранении локальности передачи импульсов на резонатор.
Ниже со ссылками на следующие фигуры описываются варианты осуществления, являющиеся обращенными по отношению к регулирующим устройствам, описанным выше. В предыдущих вариантах осуществления кольцевые магнитные цепи имеют ширину, обеспечивающую перекрытие, по меньшей мере максимальной заданной амплитуды колебаний (на одном колебании), в то время как соединительные элементы резонатора имеют относительно малый размер в радиальном направлении кольцевых магнитных цепей, связанных с этими резонаторами. Однако, возможно обеспечение аналогичного взаимодействия и преимуществ настоящего изобретения за счет обращения размеров магнитных секторов магнитных цепей и соединительных элементов резонатора.
θ
Фиг. 34 представляет собой схематический вид одной модификации одиннадцатого варианта осуществления изобретения, соответствующей обращению основного варианта осуществления изобретения, показанного на Фиг. 11. Регулирующее устройство 300 включает магнитную структуру 304, формирующую колесо и включающую кольцевую магнитную цепь 306, сформированную магнитами 308, которые имеют уменьшенный радиальный размер, и установлены периодически вдоль окружности 312. Таким образом, данная окружность проходит по существу через середину магнитов или через центры масс магнитов. В общем случае, кольцевая магнитная цепь определяет в осевой проекции на свою главную плоскость геометрическую окружность, в радиальном направлении расположенную в середине цепи или, проходящую по существу через центры масс множества магнитных элементов, формирующих указанную магнитную цепь. Данная окружность также называется окружностью нулевого положения по аналогии с предыдущими вариантами осуществления изобретения. Резонатор 302 совершает радиальные колебания. Его соединительный элемент 310 сформирован из намагниченного материала, и его активный концевой участок, образующий намагниченную секцию напротив магнитной структуры, проходит в осевой проекции в плоскости, параллельной главной плоскости магнитной цепи, по существу в прямоугольной зоне таким образом, что его внутренняя угловая кромка, т.е. в угловом направлении колеса, по существу отслеживает в осевой проекции окружность нулевого положения, когда резонатор находится в исходном положении (в положении минимальной потенциальной энергии резонатора). Данная по существу прямоугольная зона имеет угловую протяженность на окружности 312, по существу равную полупериоду (P/2) магнитной цепи 306, и радиальное расстояние, по меньшей мере равное максимальной амплитуде колебаний соединительного элемента за колебание, при котором он связан с магнитной цепью 306. Резонатор расположен относительно магнитной структуры таким образом, что окружность 312 пересекает в осевом направлении активный концевой участок соединительного элемента 310 по существу при первом колебании в каждом периоде колебания соединительного элемента, когда приводной крутящий момент из полезного диапазона крутящего момента подводится к осциллятору (сформированному из резонатора и магнитной структуры). Намагниченный материал соединительного элемента формирует магнит, в осевом направлении ориентированный вдоль геометрической оси 51, как и магнитны 308, причем последние в данном случае имеют обращенные магнитные полюса, за счет чего они обеспечивают отталкивание магнита соединительного элемента.
Намагниченный материал соединительного элемента имеет по меньшей мере один физический параметр, который соотносится с магнитной потенциальной энергией осциллятора, когда магнитный соединительный элемент резонатора магнитно связан с кольцевой магнитной цепью 306. В целом, регулирующее устройство в соответствии с одиннадцатым вариантом осуществления отличается тем, что в пределах полезного диапазона приводного крутящего момента кольцевая магнитная цепь и магнитный соединительный элемент образуют на каждом угловом периоде в функции их относительного углового положения θ и положения соединительного элемента по степени свободы зону аккумулировании магнитной потенциальной энергии в осцилляторе; и тем, что магнитный материал соединительного элемента расположен таким образом, что по меньшей мере в одной зоне магнитного материала, соединенного с магнитной цепью для по меньшей мере одной части зоны аккумулирования магнитной потенциальной энергии каждого углового периода физический параметр, соотносящийся с магнитной потенциальной энергией осциллятора постепенно увеличивается в угловом направлении или постепенно уменьшается в угловом направлении. Положительное или отрицательное изменение физического параметра выбирается таким образом, что магнитная потенциальная энергия осциллятора увеличивается в угловом направлении во время относительного вращения резонатора и магнитной структуры под действием приводного момента. В соответствии с различными вариантами рассматриваемый физический параметр представляет собой, в частности воздушный зазор или магнитный поток поля, создаваемый магнитом соединительного элемента, как описано выше.
θ
Двенадцатый вариант осуществления изобретения схематически показан на Фиг. 35 и 36. Регулирующее устройство 320 является обращением регулирующего устройства, показанного на Фиг. 5. Магнитная структура 304 идентична структуре на Фиг. 34. Резонатор 322 включает пластину 324, совершающую колебания в радиальном направлении относительно центра кольцевой магнитной цепи 306 и содержащей два соединительных элемента 326 и 328, жестко закрепленных на пластине. Эти два соединительных элемента сформированы двумя намагниченными секциями 326 и 328, каждая из которых занимает угловое расстояние на окружности 312, по существу равное полупериоду P/2 магнитной цепи 306, и сдвинуты в угловом направлении на полупериод (имеют фазовый сдвиг 180°). Кроме того, они смещены в радиальном направлении таким образом, что внутренняя угловая кромка намагниченной секции 328 и внешняя угловая кромка намагниченной секции 326 отслеживают в осевой проекции окружность 312 нулевого положения, когда резонатор находится в исходном положении. Намагниченный материал, формирующий эти два соединительных элемента, имеет физический параметр, соотносящийся с магнитной потенциальной энергией осциллятора. По меньшей мере на определенной угловой протяженности каждого соединительного элемента данный физический параметр постепенно увеличивается в угловом направлении или постепенно уменьшается в угловом направлении таким образом, что магнитная потенциальная энергия осциллятора увеличивается в угловом направлении при относительном вращении. Данный физический параметр представляет собой расстояние между нижней поверхностью пластины 324 и главной геометрической плоскостью 325 пластины. Данная главная геометрическая плоскость параллельна верхней поверхности магнитной структуры 304 и, следовательно, ее главной плоскости. Кроме того, перемещение данной пластины при ее колебаниях также параллельно плоскости 325. В случае технического обращения следует отметить, что потенциальная энергия должна увеличиваться в направлении относительного вращения магнитной структуры 304, как показано в разрезе, приведенном на Фиг. 36, где соединительные магниты обеспечивают отталкивание.
Следует отметить, что магнитные зоны одного варианта регулирующего устройства, показанного на Фиг. 35, могут быть получены за счет осевой симметрии относительно радиальной оси, расположенной в середине углового периода и в середине кольцевой цепи и соединительного элемента, углового периода двух магнитных цепей 52 и 52 соединительного элемента, показанного на Фиг. 5. Кроме того, магнитный элемент, преобразованный таким образом, повторяется на каждом периоде магнитной цепи. Результат при этом не является оптимальным с точки зрения изменения рассматриваемого физического параметра намагниченного материала в зонах аккумулирования потенциальной энергии. Так, в предпочтительном варианте, показанном на Фиг. 35, намагниченные зоны 326 и 328 были модифицированы после обеспечения осевой симметрии таким образом, что магнитная потенциальная энергия в каждой зоне аккумулирования по существу не происходит изменения по полезной степени свободы резонатора. Поэтому на Фиг. 35 изменение рассматриваемого физического параметра происходит в направлении, перпендикулярном направлению колебаний пластины 324. Магнитная потенциальная энергия осциллятора в связи с этим аналогична описанной выше со ссылками на Фиг. 7, 8 и 9А-9С.
Следует отметить, что каждый ранее описанный вариант осуществления, имеющий по меньшей мере одну проходящую в радиальном направлении магнитную цепь и один резонатор, включающий соединительный элемент с малыми радиальными размерами или несколько таких соединительных элементов, смещенных на целое число угловых периодов, может обеспечить получение обращенного варианта осуществления за счет применения настоящего способа к каждому соединительному элементу, при котором выполняется преобразование, в соответствии с конкретным случаем, одиночного кольцевого сектора (магнитного полупериода), как на Фиг. 34, либо двух кольцевых секторов (магнитного периода), как на Фиг. 35. Одно из преимуществ регулирующего устройства в соответствии с двенадцатым вариантом осуществления изобретения по сравнению с первым вариантом осуществления изобретения вытекает из того факта, что протяженные магнитные зоны 326 и 328 находятся на резонаторе и, следовательно, могут иметь одинаковые размеры, идентичное линейное изменение рассматриваемого физического параметра для создания градиента или наклонных участков магнитной потенциальной энергии и поперченные кромки, криволинейная форма которых точно отслеживает траекторию перемещения соединительного элемента. Другое преимущество заключается в упрощении изготовления осциллятора. Действительно, для обеспечения требуемого периодического магнитного потенциала возможно изготовление магнитной структуры (колеса, имеющего по меньшей мере одну магнитную цепь), в которой физический параметр магнитного материала, из которого она сформирована, является постоянным; поскольку в данном случае достаточно формирования расширенного соединительного элемента (расширенных соединительных элементов) резонатора из магнитного материала с угловым изменением физического параметра, соотносимого с магнитной потенциальной энергией осциллятора. Это может быть обеспечено более простыми средствами, учитывая более ограниченное число соединительных элементов резонатора по сравнению с числом угловых периодов кольцевой магнитной цепи (кольцевых магнитных цепей).
На Фиг. 37 показана модификация варианта, приведенного на Фиг. 35. Регулирующее устройство 330 отличается тем, что два соединительных элемента 326А и 328а, установленные на пластине 324А резонатора 322А имеют на своих концах, расположенных напротив магнитной структуры квадратную или прямоугольную зону в осевой проекции на плоскость, параллельную магнитной цепи. В частности, внутренняя угловая кромка кольцевой зоны 328А и внешняя кольцевая кромка кольцевой зоны 326А являются прямолинейными. Поскольку угловой период остается относительно малым, в частности, составляет менее 45°, данный вариант функционально очень близок к варианту на Фиг. 35 и обеспечивает эффективную регулировку исходного положения резонатора относительно кольцевой магнитной цепи. Таким образом, обеспечивается возможность получения хорошей изохронности и приемлемого рабочего диапазона, который является достаточно широким.
На Фиг. 38 и 38А показан тринадцатый вариант осуществления изобретения, в котором обеспечивается магнитное взаимодействие с притяжением. В этом случае требуется введение магнитного материала в зоны, расположенные радиально напротив зон аккумулирования энергии на другой стороне окружности нулевого положения таким образом, чтобы эти зоны имели более низкую или минимальную магнитную потенциальную энергию. Регулирующее устройство 322 включает кольцевую магнитную цепь 306, описанную выше, и схематически показанный резонатор 334, причем последний включает пластину из ферромагнитного материала, которая колеблется за заданной резонансной частотой. Пластина 336 проходит в главной плоскости 325 и включает две зоны 326В и 328В, расстояние от которых до данной главной плоскости, и соответственно воздушный зазор между магнитной цепью, увеличивается в направлении вращения магнитной цепи для создания каждой зоной зоны аккумулирования потенциальной энергии на относительно большом угловом расстоянии. Кроме того, пластина включает две дополнительные зоны 337 и 338, также сформированные из ферромагнитного материала и имеющие минимальный воздушный зазор между магнитной цепью. В результате обеспечивается получение импульсов для поддержания колебаний осциллятора 334. Следует отметить, что угловая протяженность пластины предпочтительно равна линейному расстоянию между центрами двух последовательных магнитов 308. Это позволяет решить проблему, связанную с тем фактом, что вне зоны перекрытия с пластиной магниты обладают высокой потенциальной энергией. Действительно, при такой угловой протяженности, когда магнит выходит из зоны перекрытия, следующий магнит одновременно входит в зону перекрытия, за счет чего силы, действующие на пластину 336 в угловом направлении, компенсируют друг друга. Таким образом, понятно, что обеспечивается возможность реализации технического обращения первых десяти вариантов осуществления изобретения и их возможных модификаций.
Фиг. 39 представляет собой схематический вид четырнадцатого варианта осуществления изобретения, в котором применен способ технического обращения, описанный выше, для регулирующего устройства на Фиг. 24. В итоге получено регулирующее устройство 340 с резонатором 174А, сформированным настроечной вилкой 176А, имеющей на своих двух свободных концах две магнитные пластины 344 и 345, аналогичные пластине 324А на Фиг. 37 или пластине 336 на Фиг. 38. Эти две пластины 344 и 35 совершают колебания в противоположных направлениях, и каждая из них включает два соединительных элемента, аналогичных магнитным зонам 326А, 328 и соответственно 326В, 328В в модификации, показанной на Фиг. 37 и 38. Магнитная структура 304 соответствует описанной выше. В одном предпочтительном варианте, в котором настроечная вилка является идеально симметричной (за счет осевого симметричного отражения одной из двух пластин относительно оси симметрии, по существу касательной к окружности нулевого положения), на колесе 304 должно быть нечетное число соединительных элементов 308.
D
θ
На Фиг. 40 показан пятнадцатый вариант осуществления типа, представленного на фигурах, начиная с Фиг. 34. Данный вариант осуществления изобретения относится к случаю с двумя концентрическими магнитными цепями с малыми радиальными размерами на структуре. Регулирующее устройство 350 функционально аналогично варианту осуществления изобретения на Фиг. 32. Данное регулирующее устройство 350 сформировано осциллятором, включающим резонатор 352, относящийся к типу подпружиненного баланса, и магнитную структуру 358, формирующую колесо, приводимое во вращение вокруг геометрической оси 51 приводным моментом, обеспечиваемым часовым механизмом, который включает регулирующее устройство. Резонатор, таким образом, имеет пружину 162 баланса или другой соответствующий упругий элемент и баланс 160D, имеющий два рычага, соответствующие свободные концы которых содержат два соединительных элемента 354 и 356. Каждый соединительный элемент сформирован намагниченной зоной аналогично элементу 310 на Фиг. 34. Магнитная структура 358 включает первую магнитную цепь 306, описанную выше, и также вторую магнитную цепь 360, концентрическую с первой магнитной цепью и сформированную множеством магнитов 362, равномерно распределенных с угловым периодом, совпадающим с угловым периодом первой магнитной цепи, но с угловым смещением на полупериод; эти две цепи, таким образом, имеют сдвиг фаз 180°. В показанном варианте магнитны 308 и 362 расположены с отталкиванием относительно двух намагниченных зон 354 и 356. Первая и вторая магнитные цепи расположены таким образом, что две окружности 312 и 312А нулевого положения соответственно расположены по существу перпендикулярно внутренней и внешней угловым кромкам каждой из двух намагниченных зон 354 и 356. Эти две намагниченные зоны смещены на угол θ= P·(2N+1)/2, где N – целое число.
Следует отметить, что вариант осуществления изобретения на Фиг. 40 получен путем применения технического обращения, описанного выше, к варианту на Фиг. 32, и за счет применения его к первому рычагу баланса, содержащему магниты 164 и 266. Кроме того, поскольку магниты 165 и 267 второго рычага смещены по фазе на 180° относительно магнитов первого рычага, заштрихованная зона магнитной цепи, перемещённая на резонатор, должна быть смещена по фазе на 180° для получения ситуации, эквивалентной случаю, когда магниты уже расположены на магнитной структуре, за счет применения осевой симметрии для первого рычага. Магнитное взаимодействие с осциллятором, таким образом, является эквивалентным для устройств 32 и 40.
В завершение следует отметить, что осциллятор 350 также может быть получен из осциллятора, показанного на Фиг. 23, при помощи второго способа, заключающегося в обращении размеров магнитных зон магнитной структуры и резонатора. Каждая заштрихованная зона магнитных цепей заменяется магнитом с малой радиальной шириной в центре заштрихованной зоны, и два магнита резонатора заменяются двумя намагниченными зонами, имеющими по существу размеры заштрихованного сектора одной цепи осциллятора на Фиг. 23. За счет применения первого и второго способов технического обращения специалистам в данной области техники не составит труда создать другие регулирующие устройства, снабженные проходящими в радиальном направлении магнитными секциями, установленными на резонаторе.