МАГНИТОСТРИКЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ Российский патент 1996 года по МПК H02N2/00 H01L41/12 

Изобретение относится к электротехнике, а более конкретно к исполнительным устройствам малых угловых перемещений, и может использоваться в станкостроении и других областях техники.

Известно магнитострикционное устройство микроперемещений, содержащее активный элемент биморфную пьезокерамическую пластину, консольно закрепленную на основании, и источник управления [1]
Недостатками данного устройства являются низкая точность отработки угловых перемещений из-за наличия линейных паразитных смещений, малая нагрузочная способность, которая ограничивается недостаточной жесткостью активного элемента, а также ненадежность конструкции из-за применения пьезокерамики.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является магнитострикционное устройство микроперемеще- ний, содержащее активный элемент в виде гибкой прямоугольной пластины, замыкающий магнитную цепь кожух и обмотку намагничивания. Активный элемент выполнен в виде биметаллической пластины из материалов с разными по знаку коэффициентами магнитострикции [2]
Недостатками данного устройства являются низкая точность отработки угловых перемещений из-за наличия линейных паразитных смещений и малая нагрузочная способность, которая ограничивается недостаточной жесткостью активного элемента. Кроме того, при изготовлении активного элемента за счет большой поверхности клеевых соединений еще более снижается жесткость конструкции, она получается мало надежной, особенно при ударных нагрузках, технологически не выгодной. Наиболее существенным недостатком является низкая точность отработки за счет эффекта термобиморфа. Наличие слоя склейки нарушает целостность рабочего элемента, что не позволяет получить требуемый прогиб с заданной точностью.

Задачей изобретения является повышение надежности, технологичности, точности конструкции.

Решение задачи достигается тем, что в магнитострикционном устройстве угловых перемещений, содержащем установленный в магнитопроводящем корпусе активный магнитострикционный элемент в виде гибкой прямоугольной пластины и обмотку намагничивания, активный элемент выполнен в виде монолитной пластины с выходной осью, расположенной в ее середине вдоль ширины пластины, и установлен на корпусе концами посредством подвижных шарнирных соединений, закрепленных с помощью эластичного компаунда, а введенные две нагруженные пружины расположены между корпусом и активным элементом с противоположных от него сторон, при этом одни концы пружин соединены с корпусом, а другие с противоположными плоскостями активного элемента.

Целесообразно место соединения каждой пружины с плоскостью пластины располагать на равном расстоянии от выходной оси и шарнира.

Данные отличительные признаки обеспечивают достижение поставленной цели. Расположение выходной оси посередине пластины и установка пластины концами в корпусе исключает паразитные линейные смещения ее выходного конца, чем повышается точность работы устройства. Выполнение активного элемента монолитным из материала с постоянным по толщине коэффициентом температурного расширения значительно уменьшает влияние эффекта термобиметалла на величину прогиба пластины, это, в свою очередь, сказывается на повышении точности осуществления углового перемещения, возможность которого обусловлена наличием двух нагруженных пружин, обеспечивающих требуемые неоднородности магнитострикционных свойств по толщине пластины. Коэффициенты температурного расширения сжатого и растянутого слоев активного элемента несколько различны, однако разность в этих коэффициентах минимальна и не превышает единиц процентов, поэтому эффект термобиметалла в предлагаемом устройстве незначителен, особенно учитывая то, что нагружение неоднородно по толщине. Выполнение активного элемента монолитным исключает возможность использования клеевых соединений, в связи с чем повышается жесткость и надежность конструкции, а следовательно, активный элемент становится наиболее устойчивым к внешним воздействиям, более технологичным. Целесообразность выбора точек приложения действия каждой пружины обуславливается необходимостью достижения максимального прогиба пластины относительно закрепленного конца и нагрузки и, следовательно, наиболее рационального использования материала. Подвижные шарнирные соединения закреплены при помощи эластичного компаунда и позволяют активному элементу деформироваться в продольном направлении, что исключает влияние термодинамического расширения на изгиб пластины, что повышает точность.

На чертеже схематично изображено магнитострикционное устройство угловых перемещений.

Устройство содержит закрепленный на основании магнитопроводящий корпус 1 с обмоткой 2 намагничивания. Активный магнитострикционный элемент 3 концами закреплен на корпусе 1 посредством подвижного шарнирного соединения в виде жестких роликов 4, зафиксированных в пространстве между пластиной и корпусом эластичным материалом 5, например компаундом на каучуковой основе, и расположенных параллельно торцам попарно один над другим на обеих плоскостях пластины. Две нагруженные пружины 6 и 7 расположены на противоположных сторонах элемента 3 симметрично выходной оси 8 устройства и соединены одним концом с элементом 3, другим с корпусом 1. При этом пружины обеспечивают прогибы активного элемента в стороны, противоположные пружинам, создавая при этом предварительные напряжения в активном элементе. Перемещаемый объект 9 закреплен на выходной оси активного элемента 3.

Устройство работает следующим образом.

При подключении обмотки 2 намагничивания к источнику постоянного тока активный элемент 3 вследствие неоднородного по толщине магнитострикционного эффекта деформируется. Магнитострикционный элемент, выполненный из материала с положительным коэффициентом магнитострикции (например, пермендюр 49КФ), в исходном состоянии под действием нагруженных пружин 6 и 7, расположенных на противоположных сторонах активного элемента 3 симметрично вертикальной оси устройства и создающих усилие по направлению от корпуса к пластине, изогнут таким образом, что участки магнитострикционного элемента с вогнутых сторон предварительно сжаты и обладают существенной магнитострикцией, а другие участки с выпуклой стороны предварительно растянуты и обладают в "в растянутом" состоянии магнитострикцией, близкой к нулю. В нашем случае левая и правая половины активного элемента от исходного изогнутого состояния прогибаются, стержень уменьшает свою кривизну и центр, к которому прикреплена нагрузка, получает угловое перемещение по часовой стрелке.

В другом случае, если магнитострикционный элемент выполнен из материала с отрицательным коэффициентом магнитострикции, сжатые под воздействием нагруженных пружин 6 и 7 участки магнитострикционного элемента обладают нулевой магнитострикцией, т. е. не изменяют своей длины при намагничивании, когда другие части по толщине в "растянутом" состоянии обладают существенной магнитострикцией, что приводит к укорочению при намагничивании этих частей элемента. Следовательно, пластина прогибается, стремясь уменьшить исходную кривизну обеих половин, и выходная ось 8, к которой прикреплена нагрузка, получает угловое перемещение по часовой стрелке.

Таким образом, направление угла поворота не зависит от коэффициента магнитострикции материала и определяется лишь исходным нагружением пластины. Из теории магнитострикции (Белов К. П. Упругие, тепловые и электрические явления в ферромагнетиках. М. ГИТТЛ, 1957, с. 69) сжатие материала с положительной магнитострикцией и растяжение материала с отрицательной магнитострикцией давлением порядка 7-8 кг/мм приводит к увеличению магнитострикционного насыщения в 1,5 раза. В то же время растяжение материала с положительной магнитострикцией и сжатие с отрицательной сводит магнитострикцию практически к нулю, следовательно, предлагаемое устройство позволяет реализовать в магнитной пластине при ее изгибе как области с повышенной магнитострикцией, так и области с нулевой.

Предлагаемое устройство может быть использовано и для предварительного выставления углового положения нагрузки, если нагруженные пружины выполнить регулируемыми.

Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемое устройство более надежно, технологично, а следовательно, более точно.

Использование: в исполнительных устройствах малых угловых перемещений, применяемых в станкостроении и других областях. Сущность изобретения: устройство содержит установленный в магнитопроводящем корпусе активный магнитострикционный элемент в виде монолитной пластины с выходной осью, расположенной в середине вдоль ширины пластины, и обмотку намагничивания. Пластина установлена на корпусе посредством подвижных шарнирных соединений, закрепленных эластичным компаундом. Между корпусом и активным элементом с противоположных от него сторон расположены две нагруженные пружины. Одни концы пружины соединены с корпусом, а другие - с противоположными плоскостями активного элемента на равном расстоянии от выходной оси и шарнира. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Магнитострикционное устройство угловых перемещений, содержащее установленный в магнитопроводящем корпусе активный магнитострикционный элемент в виде гибкой прямоугольной пластины и обмотку намагничивания, отличающееся тем, что активный элемент выполнен в виде монолитной пластины с выходной осью, расположенной в ее середине вдоль ширины пластины, и установлен на корпусе концами посредством подвижных шарнирных соединений, закрепленных эластичным компаундом, а введенные две нагруженные пружины расположены между корпусом и активным элементом с противоположных от него сторон, при этом одни концы пружин соединены с корпусом, а другие с противоположными плоскостями активного элемента. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что место соединения каждой пружины с плоскостью пластины расположено на равном расстоянии от выходной оси и шарнира.