МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК B06B1/08 H04R15/00 

Изобретение относится к электромеханическим преобразователям и может быть использовано для создания или регистрации механических сил, смещений и колебаний.

Известен магнитострикционный преобразователь [1] содержащий сердечник в виде двух плоских двухзаходных спиралей из магнитострикционного материала, установленных параллельно друг другу с зазором и жестко закрепленных периферийной частью в корпусе. В зазоре установлены постоянные магниты, центры спиралей электрически соединены, а периферийные части подключены к измерительному прибору. При переменных механических воздействиях на центр сердечника спирали прогибаются, каждый малый объем магнитострикционного материала испытывает деформации кручения. За счет обратного эффекта Видемана на концах спиралей возникает ЭДС с частотой механических воздействий. Недостатками преобразователя является малая чувствительность в режиме регистрации и низкая эффективность в режиме создания сил, смещений и колебаний. Это вызвано повышенной жесткостью конструкции сердечника, а ЭДС, регистрируемая с краев двух спиралей измерительным прибором, не превышает ЭДС, регистрируемой на концах одной спирали, электрически разомкнутой по внешнему контуру.

Наиболее близким к изобретению является магнитострикционный преобразователь [2] содержащий сердечник в виде плоской двухзаходной разомкнутой спирали из магнитострикционного материала с электрическими выводами на краях, а также электрическую обмотку, установленную на сердечнике и подключенную к источнику переменного тока.

Недостатком устройства-прототипа является наличие обмотки на преобразователе, что приводит к снижению частоты механического резонанса подвижной системы за счет ее веса, неоднозначности характеристики преобразования из-за неплотного прилегания витков к сердечнику, сложности нанесения обмотки на податливый сердечник.

Изобртетение направлено на повышение эффективности преобразования устройства в режиме создания механических сил, смещений, колебаний и чувствительности в режиме их регистрации.

Сущность изобретения состоит в том, что по первому варианту магнитострикционный преобразователь, содержащий сердечник в виде плоской разомкнутой двухзаходной спирали из магнитострикционного материала с электрическими выводами на концах, дополнительно снабжен магнитопроводом из магнитомягкого материала, симметрично замыкающим сердечник двухзаходной спирали и электрически изолированным от него, и двумя катушками, установленными на замыкающих перемычках магнитопровода и соединенных последовательно-встречно между собой. Магнитопровод может быть выполнен в виде плоского замкнутого сердечника, например кольца, установленного с одной стороны плоскости сердечника двухзаходной спирали.

По второму варианту магнитострикционный преобразователь, содержащий сердечник в виде плоской разомкнутой двухзаходной спирали из магнитострикционного материала с электрическими выводами на концах дополнительно снабжен двумя постоянными магнитами, симметрично замыкающими сердечник двухзаходной спирали и электрически изолированными от него, причем каждая пара одноименных полюсов магнитов примыкает к соответствующему концу сердечника двухзаходной спирали. При этом постоянные магниты могут быть выполнены в виде намагниченных навстречу друг другу одинаковых участков плоского замкнутого сердечника, например кольца, из магнитотвердого материала, установленного с одной стороны плоскости сердечника двухзаходной спирали.

Повышение эффективности в режиме создания и чувствительности в режиме регистрации сил, смещений и колебаний достигается использованием замкнутой магнитной цепи и отсутствием катушки на сердечнике. Это позволяет устанавливать максимально податливый (менее жесткий) сердечник и упростить конструкцию.

Работа в режиме создания смещений основана на прямом эффекте Видемана. Эффект Видемана заключается в осевом закручивании свободного конца магнитострикционного прямолинейного стержня при воздействии на него двух взаимно перпендикулярных магнитных полей аксиального и циркулярного. Эффект Видемана нечетный, то есть изменение направления одного из магнитных полей на обратное приводит к закручиванию стержня в противоположном направлении. Если одно из магнитных полей постоянное, а второе изменяется во времени, свободный конец стержня совершает крутильные колебания с частотой изменяющегося магнитного поля. Стержень, свитый в плоскую пружину, трансформирует крутильные деформации в линейное осевое перемещение центра пружины относительно ее краев. Циркулярное магнитное поле создается пропусканием тока через сердечник. Ток в катушках создает в магнитопроводе два магнитных потока. Они направлены навстречу друг другу, замыкаются через сердечник и создают в нем аксиальную намагниченность. При изменении аксиального магнитного поля и поляризации циркулярным магнитным полем происходит осевое смещение центра сердечника. Выбора такого режима управления является наиболее оптимальным с точки зрения получения максимальных смещений.

Работа в режиме регистрации смещений, сил и колебаний основана на обратном эффекте Видемана и заключается в появлении ЭДС на концах закрученного прямолинейного магнитострикционного стержня, помещенного в переменное аксиальное магнитное поле. Частота наведенной ЭДС совпадает с частотой перемагничивающего аксиального поля. Смена направления кручения стержня на противоположное изменяет фазу наведенной ЭДС на 180^о относительно переменного аксиального магнитного поля. Переменный ток, протекающий через катушки, создает в магнитопроводе два магнитных потока, направленных навстречу друг другу, которые замыкаются через сердечник, аксиально намагничивая его. Осевое смещение центра сердечника трансформируется в деформации кручения его витков. Это вызывает появление циркулярной составляющей намагниченности и ЭДС на концах сердечника.

На фиг.1 показан магнитострикционный преобразователь по первому варианту (с магнитопроводом и катушками), вид в плане; на фиг.2 преобразователь с магнитопроводом в виде плоского замкнутого кольца и сердечником с круглым отверстием в его центральной части, на фиг.3 то же, вид сбоку (разрез по сердечнику двухзаходнгой спирали); на фиг.4 преобразователь по второму варианту (с постоянными магнитами).

Магнитострикционный преобразователь по первому варианту (фиг.1) содержит сердечник 1 из магнитострикционного материала, выполненный в виде плоской разомкнутой двухзаходной спирали, магнитопровод из магнитомягкого материала в виде двух полуэлементов 2 и 3, симметрично (в плане) замыкающих по магнитному потоку сердечник двухзаходной спирали. Полуэлементы магнитопровода электрически изолированы от концов сердечника 1 с помощью изоляционных прокладок 4 и 5. На полуэлементы 2 и 3 установлены электрические катушки 6 и 7 соответственно. Концы сердечника 1 двухзаходной спирали снабжены электрическими выводами А и В, катушки 6 и 7 соединены последовательно-встречно (по отношению к замкнутому контуру магнитопровода), а свободные концы катушек снабжены выводами С и D.

Магнитопровод может быть выполнен в виде плоского замкнутого сердечника, например кольца 8 (фиг.2), установленного через изоляционные прокладки 9 и 10 (фиг.3) с одной стороны плоскости сердечника 1 двухзаходной спирали.

Кроме того, сердечник двухзаходной спирали может быть выполнен с круглым отверстием в его центральной части (фиг.2).

По второму варианту магнитострикционный преобразователь содержит (фиг.4) сердечник 1 в виде плоской разомкнутой двухзаходной спирали с соответствующими электрическими выводами А и В, а также два постоянных магнита 11 и 12, симметрично (в плане) замыкающих сердечник 1 и электрически изолированных от него изоляционными прокладками (на фиг.4 не показаны), при этом каждая пара одноименных полюсов магнитов (N и S) примыкает к соответствующему концу сердечника 1. Постоянные магниты могут быть также выполнены в виде намагниченных навстречу друг другу одинаковых участков плоского замкнутого сердечника, например кольца, из магнитотвердого материала, которое установлено с одной стороны плоскости сердечника 1 двухзаходной спирали.

Магнитострикционный преобразователь работает в двух режимах: 1 создания смещений и колебаний; 2 регистрации смещений и колебаний.

В первом режиме выводы А и В сердечника 1 (фиг.1) подключены к источнику постоянного тока. Управляющий источник переменного тока (не показан) подключен к выводам С и D катушек 6 и 7. Ток, протекающий через сердечник 1, создает в нем постоянную циркуляционную намагниченность (изоляционные прокладки 4 и 5 предотвращают проникновыение тока в магнитопровод). Переменный ток в катушках 6 и 7 создает в полуэлементах 2 и 3 магнитопровода два магнитных потока, которые направлены навстречу друг другу и замыкаются через сердечник 1, перемагничивая его переменным аксиальным магнитным полем. За счет прямого эффекта Видемана взаимодействие двух магнитных полей в сердечнике 1, переменного аксиального и постоянного циркулярного, приводит к осевым механическим колебаниям центра сердечника 1 с частотой переменного тока. Амплитуда механических колебаний центра сердечника 1 пропорциональна величине тока в катушках 6 и 7.

Во втором режиме катушки 6 и 7 подключены к источнику переменного тока, а выводы А и В сердечника 1 к измерительному прибору. Протекающий через катушки 6 и 7 переменный ток создает в полуэлементах 2 и 3 магнитопровода два магнитных потока, которые замыкаются через сердечник 1, перемагничивая его переменным аксиальным магнитным полем. Осевое смещение центра сердечника 1 вызывает деформации кручения в его витках. Согласно обратному эффекту Видемана это приводит к появлению циркулярной составляющей намагниченности и ЭДС на выводах А и В сердечника 1, которая регистрируется измерительным прибором. Величина регистрируемой ЭДС пропорциональна смещению центра сердечника 1.

На фиг.2 центр сердечника 1 магнитострикционного преобразователя выполнен в виде соосного с ним плоского кольца 8, изолированного от сердечника прокладками 9 и 10 (фиг.3). Сердечник двухзаходной спирали может быть по всей плоскости эластичным диэлектрическим материалом, например полиуретаном, за исключением центрального отверстия. Такой магнитострикционный преобразователь, в частности, может выполнять функцию измерительной мембраны на пути движущегося потока или газа для определения его скорости или расхода.

Для создания аксиальной намагниченности сердечника двухзаходной спирали вместо катушек с магнитопроводом, подключенных к источнику тока, могут быть использованы постоянные магниты 11 и 12 (фиг.4), симметрично замыкающие сердечник 1 и электрически изолированные от него. Магниты могут представлять собой два намагниченных навстречу друг другу участка плоского замкнутого сердечника, например кольца, из магнитотвердого материала, примыкающего к одной из плоских сторон сердечника двухзаходной спирали.

В первом режиме работы для этого случая источник тока, подключенный к выводам А и В сердечника 1, создает в нем циркулярную намагниченность, а за счет прямого эффекта Видемана взаимодействие двух намагниченностей, аксиальной и циркулярной, приводит к деформациям кручения в витках сердечника 1 и осевому перемещению его центра с частотой управляющего источника тока.

Во втором режиме работы сердечник 1 выводами А и В подключен к измерительному прибору. Осевые механические колебания центра сердечника 1 вызывают переменные деформации кручения в его витках. Вследствие обратного эффекта Видемана это приводит к появлению циркулярной составляющей намагниченности и ЭДС на выводах А и В сердечника 1, которая регистрируется измерительным прибором. Амплитуда наведенной ЭДС пропорциональна амплитуде механических колебаний центра сердечника 1, а их частоты равны.

П р и м е р 1. Магнитострикционный преобразователь, выполненный по схеме фиг. 1, имел сердечник 1 из сплава 49КФ2 в виде плоской разомкнутой двухзаходной спирали с размерами: внешний диаметр 42 мм; внутренний диаметр 13 мм; сечение витка спирали 7 х 0,25 мм²; количество витков спирали 0,5. На полуэлементах 2 и 3 магнитопровода, выполненных из армкожелеза, были намотаны две катушки 6 и 7, содержащие по 10 витков провода МГТФ сечением 0,5 мм². Через сердечник 1 (выводы А и В) пропускали постоянный поляризующий ток величиной 20 А. Управляющий ток подавался через катушки 6 и 7, включенные последовательно-встречно. При изменении управляющего тока от 0 до +4 А осевое смещение центра сердечника 1 составило 5,6 мкм. Дальнейшее увеличение управляющего тока приводит к прекращению нарастания смещения и последующему его уменьшению. Наибольшее смещение получается в случае равенства аксиального и циркулярного магнитных полей, создаваемых в сердечнике 1. Изменение направления управляющего тока приводит к такой же величине смещения в противоположную сторону. Зависимость смещения от управляющего тока носит гистерезисный характер. Если управляющий ток будет переменным, с частотой, равной частоте механического резонанса сердечника 1, то амплитуда колебаний центра сердечника 1 возрастает в Q раз, где Q добротность механической системы.

П р и м е р 2. Магнитострикционный преобразователь, выполненный по схеме фиг. 3, с сердечником из магнитострикционного сплава 49КФ2, имел следующие размеры: внешний диаметр 20 мм; внутренний диаметр 3 мм; сечение витка спирали 2х0,3 мм²; количество витков спирали 1. Магнитопровод 8 был выполнен в виде плоского замкнутого сердечника из кремнистого железа, установлен с одной стороны плоскости сердечника 1 двухзаходной спирали и изолирован от магнитопровода 8 прокладками 9, 10. На магнитопровод наматывались катушки 6 и 7 по 70 витков провода ПЭЛШО диаметром 0,1 мм каждая, включенные последовательно-встречно. Выводы катушек С и D были подключены к генератору переменного тока, а выводы сердечника 1 А и В к милливольтметру. При токе возбуждения в катушках 0,05 А с частотой 1000 Гц и осевым смещением центра сердечника 1 около 0,2 мм на выводах А и В появлялась ЭДС амплитудой 3 мВ. Амплитуда ЭДС была пропорциональна осевому смещению центра сердечника 1.

Таким образом, предлагаемый магнитострикционный преобразователь позволяет получить оптимальный режим перемагничивания за счет использования симметричной замкнутой магнитной цепи; увеличить чувствительность за счет уменьшения жесткости чувствительного элемента; осуществить параллельную работу нескольких магнитострикционных преобразователей; расширить области применения преобразователя.

Магнитострикционный преобразователь может найти применение в датчиках давления, силы, перемещения, акселерометрах, уровня жидкости, гидрофонах, расходомерах, а также в приводах управления геометрией поверхности адаптивного зеркала, вибраторах и т.д.

Использование: в приборостроении, в частности в устройствах магнитострикционного преобразователя. Сущность изобретения: устройство содержит сердечник в виде плоской разомкнутой двухзаходной спирали из магнитострикционного материала с электрическими выводами на ее концах. Преобразователь снабжен магнитопроводом из магнитомягкого материала, симметрично замыкающим сердечник двухзаходной спирали и электрически изолированным от него, и двумя электрическими катушками, установленными на замыкающих перемычках магнитопровода и соединенными последовательно встречно между собой. Кроме того, показан второй вариант выполнения устройства. 2 с.и 4 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий сердечник в виде плоской разомкнутой двухзаходной спирали из магнитострикционного материала с электрическими выводами на концах, отличающийся тем, что он снабжен магнитопроводом из магнитомягкого материала, симметрично замыкающим сердечник двухзаходной спирали и электрически изолированным от него, и двумя электрическими катушками, установленными на замыкающих перемычках магнитопровода и соединенными последовательно встречно между собой. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что магнитопровод выполнен в виде плоского замкнутого сердечника, установленного с одной стороны плоскости сердечника двухзаходной спирали. 3. Преобразователь по п. 2, отличающийся тем, что сердечник магнитопровода выполнен в виде плоского кольца. 4. Магнитострикционный преобразователь, содержащий сердечник в виде плоской разомкнутой двухзаходной спирали из магнитострикционного материала с электрическими выводами на концах, отличающийся тем, что он снабжен двумя постоянными магнитами, симметрично замыкающими сердечник двухзаходной спирали и электрически изолированными от него, причем каждая пара одноименных полюсов магнитов примыкает к соответствующему концу сердечника двухзаходной спирали. 5. Преобразователь по п. 4, отличающийся тем, что постоянные магниты выполнены в виде намагниченных навстречу друг другу одинаковых участков плоского замкнутого сердечника из магнитотвердого материала, установленного с одной стороны плоскости сердечника двухзаходной спирали. 6. Преобразователь по п. 5, отличающийся тем, что сердечник из магнитотвердого материала выполнен в виде плоского кольца.