МАГНИТОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1998 года по МПК H02N2/02 H01L41/12 

Изобретение относится к широкому спектру областей техники и может быть использовано в качестве задатчика микрорегулируемых перемещений, преимущественно для прецизионного позиционирования исполнительных органов машин и механизмов.

Известен магнитомеханический преобразователь с электромагнитной системой, содержащей обмотку возбуждения, являющуюся источником магнитного поля, и магнитострикционный сердечник, выполненный из соединения редкоземельный металл - железо ("Исследование высокомагнитострикционных материалов на основе РЗМ", отчет физического факультета МГУ, тема 46/75, 1977 г., Москва, с. 3).

Величина перемещений подвижной части указанного магнитомеханического преобразователя относительно невелика. Кроме того, использование источника магнитного поля в виде электрической обмотки возбуждения требует значительного электропотребления для поддержания заданных параметров магнитного поля в процессе эксплуатации, что осложняет использование преобразователя в режиме позиционирования или вибрации.

Известен магнитомеханический преобразователь с магнитной системой, включающей источник магнитного поля виде электрической обмотки возбуждения, и с сердечником, по меньшей мере одна часть которого выполнена из магнитострикционного материала, и который связан с подвижным относительно корпуса исполнительным органом (а.с. СССР N 765913, кл. H 01 L 41/12, 1980 г.).

К основным недостаткам известного магнитомеханического преобразователя следует отнести высокое энергопотребление источника магнитного поля, выполненного в виде электрической обмотки возбуждения, поскольку для поддержания необходимых параметров магнитного поля как в процессе установления, так и в процессе поддержания (сохранения во времени) заданных (установленных) линейных размеров сердечника, требуется постоянное пропускание электрического тока через обмотку возбуждения источника магнитного поля.

Более того, для указанного известного технического решения неизбежно характерен дополнительный нагрев магнитной системы и материала сердечника, что приводит к необходимости создания сложной системы охлаждения и температурной компенсации изменения линейных размеров сердечника.

Вышеперечисленные недостатки являются причиной увеличения массогабаритных показателей и усложнения конструкции известного устройства в целом и не позволяют обеспечить достаточную точность при использовании известного магнитомеханического преобразователя в системах прецизионного позиционирования.

Кроме того, высокое энергопотребление источника магнитного поля и необходимость охлаждения сердечника в процессе непрерывного циклического и знакопеременного процесса изменения линейных размеров сердечника, например в режиме вибратора, приводит к высокому энергопотреблению известного устройства в целом и в значительной мере усложняет его конструкцию.

Известен магнитомеханический преобразователь, включающий:
- согласно одному варианту исполнения: источник магнитного поля, выполненный в виде по меньшей мере одного постоянного магнита, а также связанный с подвижным относительно корпуса исполнительным органом сердечник, по меньшей мере одна часть которого выполнена из магнитострикционного материала и расположена в зоне магнитного поля, создаваемого упомянутым источником магнитного поля, при этом постоянные магниты источника магнитного поля установлены с возможностью вращения относительно сердечника (т.е. с возможностью вращения относительно оси, непараллельной направлению перемещения исполнительного органа).

- согласно другому варианту исполнения: источник магнитного поля, выполненный в виде по меньшей мере двух оппозитно расположенных постоянных магнитов, общий для упомянутых постоянных магнитов магнитопровод, а также связанный с подвижным относительно корпуса исполнительным органом сердечник, по меньшей мере одна часть которой выполнена из магнитострикционного материала и расположена между упомянутыми по меньшей мере двумя постоянными магнитами в зоне создаваемого этими магнитами магнитного поля. При этом постоянные магниты источника магнитного поля, расположенные с одной стороны сердечника, установлены с возможностью вращения относительно последнего (т.е. возможностью вращения относительно оси, непараллельной направлению перемещения исполнительного органа), а постоянные магниты, расположенные с противоположной стороны сердечника, закреплены на упомянутом общем магнитопроводе (патент РФ N 2032967, кл. H 01 L 41/12, 1993 г.).

К основным недостаткам этого известного магнитомеханического преобразователя относятся ограниченные функциональные возможности в части величины максимального перемещения исполнительного органа при технологически ограниченных (для конкретных условий эксплуатации) габаритных параметрах преобразователя (в частности, расточных оправках с микрорегулировкой положения режущего инструмента), а также при повышенных требованиях к надежности и точности дискретных перемещений исполнительного органа в машинах и механизмах повышенной ответственности.

В основу настоящего изобретения была положена задача создания такой конструкции магнитомеханического преобразователя, которая позволила бы снизить энергоемкость и массогабаритные показатели магнитомеханического преобразователя при одновременном увеличении диапазона изменения линейных размеров сердечника и повышения надежности патентуемого устройства в целом.

Поставленная задача согласно одному из конструктивных вариантов выполнения преобразователя решается посредством того, что в магнитомеханическом преобразователе, включающем источник магнитного поля, выполненный в виде по меньшей мере одного постоянного магнита, а также связанный с подвижным относительно корпуса исполнительным органом сердечник, по меньшей мере одна часть которого выполнена из магнитострикционного материала и расположена в зоне магнитного поля, создаваемого упомянутым источником магнитного поля, при этом постоянные магниты источника магнитного поля установлены с возможностью вращения относительно сердечника, согласно изобретению ось вращения постоянных магнитов источника магнитного поля ориентирована параллельно направлению перемещения исполнительного органа.

Поставленная задача согласно другому конструктивному варианту выполнения преобразователя решается посредством того, что в магнитомеханическом преобразователе, включающем источник магнитного поля, выполненный в виде по меньше мере двух оппозитно расположенных постоянных магнитов, общий для упомянутых магнитов магнитопровод, а также связанный с подвижным относительно корпуса исполнительным органом сердечник, по меньшей мере одна часть которого выполнена из магнитострикционного материала, расположена между упомянутыми по меньшей мере двумя постоянными магнитами в зоне создаваемого ими магнитного поля, при этом постоянные магниты источника магнитного поля, расположенные с одной стороны сердечника, установлены с возможностью вращения относительно последнего, а постоянные магниты расположенные с противоположной стороны сердечника закреплены на упомянутом общем магнитопроводе, согласно изобретению общий магнитопровод неподвижно установлен относительно сердечника, а ось вращения подвижных относительно сердечника постоянных магнитов ориентирована параллельно направлению перемещения исполнительного органа.

В ряде случаев конкретного промышленного использования данного конструктивного варианта заявленного изобретения целесообразно, чтобы в качестве общего магнитопровода был бы использован непосредственно корпус магнитомеханического преобразователя, который, в этом случае, должен быть выполнен из магнитного (преимущественно, ферромагнитного) материала.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а выбранный из перечня выявленных аналогов прототип, как наиболее близкий по совокупности признаков аналог, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию патентоспособности новизна по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию критерия патентоспособности изобретательский уровень заявитель провел дополнительный поиск известных технических решений, с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение усматриваемого заявителем технического результата.

В частности, заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования известного объекта-прототипа:
- дополнение известного объекта какой-либо известной частью, присоединяемой к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений;
- замена какой-либо части известного объекта другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;
- исключение какой-либо части объекта с одновременным исключением обусловленной наличием этой части функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата;
- увеличение количества однотипных элементов в объекте для усиления технического результата, обусловленного наличием в объекте именно таких элементов;
- выполнение известного объекта или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами материала;
- создание объекта, состоящего из известных частей, выбор которых и связи между которыми осуществлены на основании известных правил и достигаемый, при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого объекта и связей между ними.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию критерия патентоспособности изобретательский уровень по действующему законодательству.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, предназначен для использования в различных областях промышленности, преимущественно в качестве задатчика микрорегулируемых перемещений в машинах и механизмах различного назначения;
- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте нижеизложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию критерия патентоспособности промышленная применимость по действующему законодательству.

Далее изобретение поясняется описанием конкретного примера его конструктивного исполнения и прилагаемыми чертежами, на которых изображены:
на фиг. 1 - принципиальная схема одного из вариантов заявленного магнитомеханического преобразователя, в котором источник магнитного поля выполнен из одного постоянного магнита; на фиг. 2 - принципиальная схема заявленного магнитомеханического преобразователя по фиг. 1 при повороте источника магнитного поля на 90^o; на фиг. 3 - сечение А-А по фиг. 2; на фиг. 4 - принципиальная схема заявленного магнитомеханического преобразователя, в котором источник магнитного поля выполнен из двенадцати постоянных магнитов, четыре из которых стационарно (неподвижно) закреплены на корпусе, выполненном из ферромагнитного материала функционально являющимся магнитопроводом; на фиг. 5 - принципиальная схема заявленного магнитомеханического преобразователя по фиг. 1 при повороте подвижной части (соответствующих постоянных магнитов) источника магнитного на 180^o; на фиг. 6 - сечение Б-Б по фиг. 1.

Магнитомеханический преобразователь согласно изобретению содержит корпус 1. В корпусе 1 размещен источник магнитного поля, который (согласно одному из вариантов исполнения, фиг. 4-6) выполнен в виде неподвижной относительно сердечника 2 группы постоянных магнитов 3, 4, 5, 6 и оппозитно расположенных (по отношению к упомянутой группе неподвижных магнитов 3, 4, 5, 6), вращательно подвижной (относительно сердечника 2) группы постоянных магнитов 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14.

Согласно другому варианту исполнения (фиг. 1-3) источник магнитного поля выполнен в виде одного установленного с возможностью вращения относительно сердечника 2 постоянного магнита 7.

Неподвижная группа постоянных магнитов 3, 4, 5, 6 и подвижная группа постоянных магнитов 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 (в варианте по фиг. 4-6) связаны общим магнитопроводом, в качестве которого может быть использован, например, корпус 1 выполненный из магнитного материала. Неподвижная группа постоянных магнитов 3, 4, 5, 6 неподвижно закреплена на общем магнитопроводе. Согласно изобретению в данном конструктивном выполнении магнитомеханического преобразователя неподвижная группа постоянных магнитов может состоять и из одного магнита 3, а подвижная группа из одного магнита 7, установленного в корпусе 1 аналогично варианту исполнения по фиг. 1.

Магнитострикционный сердечник 2 может быть выполнен, например, из сплавов TbFe₂ и/или SmFe₂ с "гигантской" магнитострикцией.

Магнитомеханический преобразователь согласно изобретению также включает исполнительный орган, выполненный, например, в виде толкателя 16, который имеет возможность (в данном частном случае исполнения) возвратно-поступательного перемещения относительно корпуса посредством упругого элемента 17 и наличия кинематической связи с обращенным к упомянутому толкателю 16 торца 18 сердечника 2. Противоположный упомянутому торцу 18 торец 19 сердечника 2 жестко закреплен относительно корпуса 1, например, на опоре 20. Направление векторов 21 намагниченности постоянных магнитов 3 - 14 источника магнитного поля на всех фигурах (за исключением фиг. 2) условно обозначены стрелками, а на фиг. 2 направление векторов 21 намагниченности постоянного магнита 7 и сердечника 2 условно обозначено окружностью с крестом (для магнита 7) или точкой (для сердечника 2) в центре окружности.

Сердечник 2 целесообразно располагать относительно источника магнитного поля таким образом, чтобы геометрический центр по меньшей мере одной его (сердечника 2) части, выполненной из магнитострикционного материала, был совмещен с одной из зон источника магнитного поля, которая (имеется ввиду - зона) соответствует экстремуму напряженности магнитного поля этого источника.

Группа подвижных относительно сердечника 2 постоянных магнитов 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 источника магнитного поля (согласно варианту по фиг. 4-6) и функционально являющийся источником магнитного поля постоянный магнит 7 (согласно варианту по фиг. 1-3) смонтированы в корпусе 1 с возможностью вращения относительно сердечника 2 таким образом, что ось вращения подвижной, относительно сердечника 2, группы постоянных магнитов 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 (в варианте по фиг. 4-6) и постоянного магнита 7 (в варианте по фиг. 1-3) ориентирована параллельно направлению перемещения исполнительного органа, т.е. толкателя 16.

Это обеспечивает возможность изменять линейные размеры сердечника 2 в пределах максимально возможного диапазона в процессе упомянутого вращения соответствующей группы вращательно подвижных магнитов 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 источника магнитного поля (для варианта по фиг. 4-6) или постоянного магнита 7 (для варианта по фиг. 1-3) за счет изменения магнитного потока в магнитострикционном материале сердечника по направлению при каждом повороте упомянутой группы магнитов 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 на 180^o (вариант по фиг. 4-6) или постоянного магнита 7 на 90^o (вариант по фиг. 1-3).

Вращение подвижной группы магнитов 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 (в варианте по фиг. 4-6), а также постоянного магнита 7 (в варианте по фиг. 1-3) осуществляется посредством привода 22 вращательного движения, в качестве которого может служить, например, шаговый электродвигатель (при автоматическом управлении), или любой известный привод вращательного движения механического типа (при ручном управлении).

Технологически целесообразно вращательно подвижную группу магнитов 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 источника магнитного поля (в варианте по фиг. 4-6), а также постоянный магнит 7 (в варианте по фиг. 1-3) закреплять на валу 23, который выполнен из магнитного материала, при этом средняя (установочная для группы магнитов 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14) часть вала 23 (в варианте по фиг. 4-6) может иметь оппозитно расположенные плоские поверхности.

На фиг. 1, фиг. 3, фиг. 4 и фиг. 5 замкнутыми по контуру стрелками условно обозначены линии 24 магнитной индукции магнитного поля, создаваемого источником магнитного поля.

Вышеописанные варианты конструктивного выполнения патентуемого магнитомеханического преобразователя приведены в качестве подтверждения возможности его практической реализации в соответствии с настоящим изобретением.

Однако возможны и иные варианты конструктивного выполнения заявленного магнитомеханического преобразователя, не раскрываемые в рамках настоящей заявки в целях обеспечения возможности дальнейшей эффективной коммерциализации "ноу-хау".

Общий принцип работы магнитомеханического преобразователя согласно настоящему изобретению реализуется следующим образом.

Предварительно экспериментальным путем или с помощью модельных расчетов определяют положение экстремумов напряженности магнитного поля в рабочей зоне (зоне расположения сердечника 2) источника магнитного поля.

Геометрический центр по меньшей мере одной выполненной из магнитострикционного материала части сердечника 2 размещают в одном из экстремумов напряженности магнитного поля источника магнитного поля.

Далее, для обеспечения перемещения исполнительного органа (толкателя 16), осуществляют вращение относительно неподвижного сердечника 2 (в варианте по фиг. 1-3) постоянного магнита 7, или вращение относительно неподвижных сердечника 2 и общего магнитопровода (в варианте по фиг. 4-6, согласно которому общим магнитопроводом функционально является корпус 1) группы подвижных магнитов 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 источника магнитного поля. Указанное вращение осуществляют вокруг оси, ориентированной параллельно направлению перемещения исполнительного органа, т.е. толкателя 16.

Таким образом обеспечивается изменение направления векторов намагниченности в магнитострикционном материале сердечника 2 и соответственно изменение его линейных размеров согласно общеизвестному эффекту магнитострикции.

Практическая реализация патентуемого устройства осуществлялась согласно конструктивному варианту по фиг. 4-6.

Постоянные магниты источника магнитного поля выполнялись из материала типа Nd-Fe-B, корпус 1 и вал 23 (функционально являющиеся магнитопроводами) выполнялись из стали 3, сердечник 2 был выполнен в виде одной части в форме параллелепипеда из материала TbFe₂. Габаритные размеры постоянных магнитов источника магнитного поля составляли магниты 3, 4, 5, 6 - длина 20 мм, ширина 20 мм, высота 5 мм; пары магнитов 7, 8; 9, 10; 11, 12; 13, 14, соответственно - длина 20 мм, диаметр (с учетом толщины плоского участка вала 23, т.е. магнитопровода)- 20 мм. Габаритные размеры сердечника 2 составляли: длина 60 мм, ширина 10 мм, высота 10 мм. Зазор между сердечником 2 и соответствующими магнитами источника магнитного поля составлял по 1 мм, а между вращательно подвижной группой магнитов и корпусом 1 - 1 мм. Величина напряженности магнитного поля в геометрическом центре магнитострикционной части сердечника 2 равнялась 360 кА/м. Мощность двигателя, осуществляющего поворот подвижной группы магнитов источника магнитного поля при использовании заявленного устройства в качестве позиционера составляла 5 Вт. Продольная ось сердечника 2 совпадала по направлению с осью легчайшего намагничивания материала сердечника 2 и направлением вектора напряженности магнитного поля в геометрическом центре сердечника 2 (при встречном направлении векторов намагниченности в оппозитно расположенных магнитах источника магнитного поля, т.е. в положении магнитов, изображенном на фиг. 1).

Исполнительный орган (толкатель 16) перемещался на расстояние 70 мкм при повороте подвижной группы магнитов источника магнитного поля на 180^o.

Таким образом, в патентуемом магнитомеханическом преобразователе согласно варианту выполнения по фиг. 4 - 6 обеспечивается изменение координаты толкателя 16 на 70 мкм при потребляемой мощности 5 Вт (мощность двигателя, обеспечивающего вращение магнитной системы), при этом поддержание этой координаты в течение любого промежутка времени не требует дополнительных энергозатрат.

При использовании вышеописанного магнитомеханического преобразователя в качестве вибратора амплитуда колебаний толкателя 16 составляла 35 мкм, частота 400 Гц, потребляемая электрическая мощность двигателя - 90 Вт.

Таким образом, заявленный магнитомеханический преобразователь может быть использован в средствах автоматики в качестве задатчика регулируемых перемещений, преимущественно, для прецизионного позиционирования исполнительных элементов машин и механизмов.

А именно: в прецизионных манипуляторах, в адаптивной оптике, для управления перемещением лазерного луча в обрабатывающих центрах, для перемещения обрабатывающего инструмента в станках, перемещения ножа микротома, поворота образца в прецизионных кристаллографических рентгеновских установках, перемещения иглы в туннельном микроскопе предметного стола в туннельном и электронном микроскопах, в прецизионных дозаторах, в клапанах для управления расходом газообразных и жидких химических реагентов, при изготовлении шаблонов гибридных микросхем, в клапанах гидравлических и пневматических систем и т.д.

Кроме того, данный магнитомеханический преобразователь может быть использован в различных устройствах, работающих в режиме вибрации, например в металлообрабатывающих станках для упрочнения поверхности деталей наклепом, выглаживанием, для облегчения процессов сверления, резания, в вибронасосах, в ручном строительном инструменте для пробивки отверстий в бетоне и горных породах, в технологическом оборудовании, например в вибростанках для изготовления строительных бетонных блоков, в технологии стимулирования отдачи нефтяных и газовых скважин и т.д.

Изобретение может быть использовано в различных областях техники в качестве задатчика микрорегулируемых перемещений, преимущественно для прецизионного позиционирования исполнительных органов машин и механизмов. Согласно одному из вариантов изобретения магнитомеханический преобразователь включает источник магнитного поля, выполненный в виде двух групп оппозитно расположенных постоянных магнитов, общий для упомянутых групп постоянных магнитов магнитопровод, а также связанный с подвижным относительно корпуса исполнительным органом (толкателем) сердечник. По меньшей мере одна часть сердечника выполнена из магнитострикционного материала и расположена между упомянутыми группами постоянных магнитов в зоне создаваемого ими магнитного поля. Постоянные магниты источника магнитного поля, расположенные с одной стороны сердечника, установлены с возможностью вращения относительно последнего. Постоянные магниты, расположенные с противоположной стороны сердечника, закреплены на упомянутом общем магнитопроводе, который неподвижно установлен относительно сердечника. Ось вращения подвижной относительно сердечника группы постоянных магнитов ориентирована параллельно направлению перемещения толкателя. В качестве общего магнитопровода может быть использован непосредственно корпус, выполненный из магнитного материала. Предусмотрен еще один вариант конструктивного выполнения преобразователя с одним постоянным магнитом. Заявленное выполнение преобразователя позволяет снизить энергоемкость и массогабаритные показатели при увеличении диапазона изменения линейных размеров сердечника и повышения надежности. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Магнитомеханический преобразователь, включающий источник магнитного поля, выполненный в виде по меньшей мере одного постоянного магнита, а также связанный с подвижным относительно корпуса исполнительным органом сердечник, по меньшей мере одна часть которого выполнена из магнитострикционного материала и расположена в зоне магнитного поля, создаваемого упомянутым источником магнитного поля, при этом постоянные магниты источника магнитного поля установлены с возможностью вращения относительно сердечника, отличающийся тем, что ось вращения постоянных магнитов источника магнитного поля ориентирована параллельно направлению перемещения исполнительного органа. 2. Магнитомеханический преобразователь, включающий источник магнитного поля, выполненный в виде по меньшей мере двух оппозитно расположенных постоянных магнитов, общий для упомянутых магнитов магнитопровод, а также связанный с подвижным относительно корпуса исполнительным органом сердечник, по меньшей мере одна часть которого выполнена из магнитострикционного материала, расположена между упомянутыми по меньшей мере двумя постоянными магнитами в зоне создаваемого ими магнитного поля, при этом постоянные магниты источника магнитного поля, расположенные с одной стороны сердечника, установлены с возможностью вращения относительно последнего, а постоянные магниты, расположенные с противоположной стороны сердечника, закреплены на упомянутом общем магнитопроводе, отличающийся тем, что общий магнитопровод неподвижно установлен относительно сердечника, а ось вращения подвижных относительно сердечника постоянных магнитов ориентирована параллельно направлению перемещения исполнительного органа. 3. Преобразователь по п.2, отличающийся тем, что в качестве общего магнитопровода использован непосредственно корпус, выполненный из магнитного материала.