Изобретение относится к области линейных двигателей, использующих свойства магнитострикционных материалов.
Целью изобретения является повышение точности.
На фиг. 1 показано устройство в варианте, включающем магнитострикцион- ный стержень, который посредством горячей посадки, располагается внутри трубчатого тела; на фиг. 2 - продольное сечение схематично иллюстрированного поступательного двигателя для осуществления способа: на фиг. 3 - схематично магнитострикционный стержень, включенный в поступательный двигатель, показанный на фиг. 2 и предварительный натяг упомянутого стержня.
Изобретение основывается на том, что магкитострикционные материалы изменяют их геометрические размеры под влиянием магнитного поля. Стержень из магнитострикционного материала определенного состава будет, таким образом, подвергаться увеличению в длине под влиянием магнитного поля, одновременно, когда уменьшаются поперечные размеры стержня,
В вариантах осуществления этого изобретения цилиндрический стержень 1 из магнитострикционного материала, который испытывает одновременно изменение в длине и поперечное сокращение под влиянием магнитного поля, посредством горячей посадки располагается внутри цилиндрической трубы 2, предпочтительно.
00 N3 00 (Л ON
СО
из немагнитного материала так, что магнитострикционный стержень 1 зажимается внутри трубы 2 при определенном зажимающем сцеплении. Стержень 2, вдоль всей длины, окружается большим числом магнитных катушек 3, расположенных прилежащими друг к другу, причем каждая катушка из упомянутых является соединяемой последовательно одна за другой с источником питания током для генерирования магнитного поля. Каждой магнитной катушке 3 придаются размеры такие, чтобы генерировать магнитное поле, оказывающее влияние только на частичный участок магнитострик- ционного стрежня 2. Для облегчения понимания магнитострикционный стержень (фиг. 1) поделен на пять секций, расположенных рядом друг с другом, причем разде- ляющая линия между прилежащими секциями маркируется как штрих-пунктирная линия. Каждая секция предполагается соответствующей длине стержня 1, на которую оказывается влияние магнитным полем, генерированным одной из катушек 3. Каждая катушка электромагнита 3 рассчитывается так, что магнитное поле, генерированное, когда ток подается к катушке, служит причиной увеличения длины секции, на которую оказывается влияние, причем эта секция одновременно испытывает поперечное сокращение такой величины, что зажимающее сцепление в зависимости от трубки 2 значительно уменьшается и, предпочтительно, исключается. Магнитострикционный стержень 1 может подвергаться предварительному напряжению в направлении, противоположном изменению в длине, под влиянием этого магнитного поля. Цель упомянутого предварительного напряжения состоит в том, чтобы исключить влияние механического гистерезиса с тем, чтобы не получалось никакого остаточного размерного изменения магнитострикцион- ного стержня, когда прекращается влияние магнитного поля. Предварительное напряжение может достигаться, например, посредством болта 4, проходящего в осевом направлении через магнитный стержень, так, чтобы упомянутый болт, будучи затянутым, создавал сжимающее усилие в магни- тосгрикционном стержне, причем тяговое усилие болта А передается стержню 1 через две торцевых шайбы 5, расположенных на противоположных торцевых поверхностях стержня 1.
В нерабочем положении устройства ни одна из катушек электромагнитов 3 не питается током и, таким образом, магнитострикционный стержень 1 плотно зажимается внутри окружающей трубы 2
при определенном зажимающем сцеплении. Первоначальное зажимающее сцепление, т.е. зажимающее сцепление при ненагруженном состоянии, выбирается
так, чтобы оно имело предопределенную величину, которая затем может подвергаться изменениям, в зависимости от нагрузки на устройства.
При подаче тока к катушке электромагнита 3, расположенной непосредственно напротив, т.е. в той же самой пересекающей плоскости, что и первая секция магнито- стрикционного стержня 1, она подвергается увеличению в длине, одновременно, эта сек5 ция испытывает сокращение в поперечном направлении таким образом, что зажимающее сцепление секции против внутренней полости трубы 2 исключается. Если подача тока к катушке прерывается, секция будет
0 возвращаться к первоначальным размерам и, если никакого тока не будет подаваться к катушке электромагнита, расположенной непосредственно напротив прилежащей секции, первая секция будет возвращаться
5 к первоначальному состоянию как относительно размеров, так и относительно положения.
Если катушка электромагнита 3, расположенная непосредственно напротив сле0 дующей прилежащей секции, будет питаться током одновременно с или в сочетании с прерыванием подачи тока и катушке электромагнита, расположенной непосредственно напротив первой секции, вторая
5 секция будет увеличиваться в длине и одновременно подвергаться поперечному сокращению, дающему в результате, что граница раздела между секциями, представленная штрих-пунктирной линией, будет переме0 щаться в направлении вперед в предполагаемом направлении движения. Первая секция возвращается к первоначальным размерам, но остается в продвинутом вперед положении.
5 Затем, стадии способа, описанные выше, повторяются последовательно одна за другой, для каждой одной из секций. В результате магнитострикционный стержень 1 продвигается на расстояние di в предпола0 гаемом направлении движения.
Затем данный способ повторяется, начиная с первой секции.
Поскольку каждая из секций фактически представляет только малую долю общей
5 длины магнитострикциониого стержня 1, должно быть очевидно, что зажимающее сцепление магнитострикционного стержня 1 против внутренней полости трубы 2 остается, по существу, неизменным во время этого смещения.
Регулированием подачи тока к катушкам электромагнитов 3 таким образом, чтобы стадии способа, описанные выше, повторялись последовательно одна за другой, магнитострикционный стержень 1 может вынуждаться перемещаться на требуемое расстояние внутри трубы 2. Если величина соответствующего магнитного поля регулируется так, что соответствующая секция, которая подвергается влиянию, вынуждается терять ее захватывающее сцепление против внутренней полости трубы 2, движение магнитострикционного стержня 1 имеет место без трения при скольжении. Если труба 2 поддерживается жесткой опорной конструкцией и магнитострикционный стержень 1 посредством штанги соединяется с перемещаемым элементом (рабочим орудием), магнитострикционный стержень может приспосабливаться так, чтобы создавать силовое воздействие на перемещаемый элемент в предназначенном направлении движения. Величина этого приводящего в действие усилия зависит от сопротивления захватывающего сцепления между трубой 2 и магнитострикционным стержнем 1.
Движение магнитострикционного стержня может управляться очень простым способом - регулированием подачи тока к катушкам 3.
В варианте осуществления данного изобретения, магнитострикционный стержень 1 зажимается внутри трубы 2 посредством посадки в горячем состоянии. Однако, способ, согласно этому изобретению, может применяться соответствующим образом, как описано выше, также к варианту осуществления этого изобретения, в котором магнитострикционный стержень состоит из полого тела, которое горячей посадкой устанавливается на стержень, проходящий через полое тело и, предпочтительно, состоящий из немагнитного материала.
Как показано на фиг. 2, этот двигатель включает трубчатую часть 6. причем один торец которой обеспечивается фланцем 7 для крепления трубчатой части 6 к жесткой опоре. В канале трубчатой части 6. магнитострикционный стержень 8 зажимается напряженной посадкой, причем часть магнитострикционного стержня, выступающая за пределы торца трубчатой части 6. соединяется с орудием или другим средством, которое должно приводиться в действие, когда смещается стержень 8.
Для того, чтобы достичь состояния движения стержня 8, используется катушка электромагнита 9, окружающая трубчатую часть 6 и которая может соединяться с источником электрического тока. Когда ток подается к катушке, генерируется магнитное поле и часть стержня 8, которая подвергается влиянию магнитного поля, будет подвер- 5 гаться растяжению и, одновременно, сокращению в радиальном направлении. Конечно, представляется возможным, смещать катушку 9 вдоль трубы б и таким образом получать червячного вида движение
0 смещения стержня 8. Однако на практике считается более удобным иметь последовательный ряд катушек электромагнитов, расположенных вдоль трубы и питать катушки электромагнитов последовательно, одну за
5 другой, электрическим током для того, чтобы получать смещение стержня 8 внутри трубы б описанным ранее способом.
В варианте осуществления изобретения, иллюстрированном на фиг. 3, магнито0 стрикционный стержень 8 подразделяется на совокупность секций, которые взаимосо- единяются посредством предварительно напрягающегося тонкого прутка 10. через крепежные элементы 11, расположенные
5 между прилежащими секциями. Это дает в результате, что каждая одна из секций, а также стержень 8 подвергаются требуемому предварительному напряжению в осевом направлении стержня 8 и по всей его длине.
0 Как упоминалось ранее, предварительное напряжение необходимо для того, чтобы стержень, после того как он подвергался влиянию магнитных полей, возвращался к его первоначальным размерам. Однако это
5 предварительное напряжение может достигаться многими различными способами (фиг. 3 иллюстрирует только один пример такого предварительного напряжения). Как явствует из сказанного выше, важ0 ный признак, согласно этому изобретению, состоит в том, что стержень 1, 8 состоит из магнитострикционного материала. Предпочтительно, стержень 1, 8 делается из так называемого макромолекулярного магнито- х
5 стрикционного материала, например, сплава между редкоземельными металлами, такими как самарий (Sm), тербий (ТЬ). диспрозий (Dy), гельмий (Но), эрбий (Ег). тулий (Em), и металлами с магнитным переходом,
0 такими как железо (Fe), кобальт (Со) и никель (Ni). Эта группа сплавов представляет наибольшую магнитострикцию. известную до сих пор, например, обладает свойством подвергаться изменению в размере под влия5 нием магнитного поля, причем упомянутое изменение в размере является пропорциональным напряженности магнитного поля. Было установлено, что величина магнито- стрикции в этих материалах является совершенно различного порядка, чем таковая
является в случае обычных мэгнитрострик- ционных материалов, например, железо-никель. Таким образом, в качестве примера, может упоминаться, что для определенного магнитного поля, железо-никель подвергается изменению в длине порядка 20-30 мкм/м, между тем как сплав, например, тербий - диспрозий - железо подвергается изменению в длине, которому упомянутые макромолекулярные магнитострикционные материалы подвергаются под влиянием магнитного поля, могут быть положительными или отрицательными, например, могут для определенных из упомянутых композиций, давать увеличение в длине, а для других не упомянутых композиций, давать в результате уменьшение в длине. Однако, в настоящем изобретении, предпочитается использовать макромолекулярные магнитострикционные материалы, причем типа, который подвергается увеличению в длине под влиянием магнитного поля. В пределах группы макромолекулярных магнитострик- ционных материалов, величина магнитострик- ции под влиянием определенного магнитного поля меняется и, конечно, предпочитается, в вариантах согласно настоящему изобретению, использовать макромолекулярные магнитострикционные материалы, имеющие наибольшие магнитострикционные качества. |
Как упоминалось ранее, для того, чтобы получать удовлетворительный результат, необходимо, чтобы магнитострикционный элемент, используемый для образования движения, подвергался предварительному напряжению в направлении, противоположном направлению движению. Таким образом, предварительное напряжение нейтрализует механический гистерезис в магнитострикционном материале. В соответствии с альтернативой варианту осуществления данного изобретения, описанному с обращением к фиг. 3, для обеспечения упомянутого предварительного напряжения, стержень может состоять из пластин или листов из мэгнитострикционного материала, проходящих в продольном направлении стержня, причем упомянутые пластины или листы склеиваются вместе через промежуточные слои волокнистого материала. Во время производства упомянутых слоистых стержней, пластины или листы магнито- стрикционного материала предварительно нагружаются в осевом направлении и соединяются а предварительно напряженном состоянии с промежуточными волокнистыми слоями посредством склеивания. В качестве альтернативы, представляется возможным вместо этого прилагать растягивающее усилие к волокнам перед операцией склеивания и во время этой операции. Затем, предварительная нагрузка снимается, когда клей становится твердым, то есть, отвержденным. В таком стержне, каждая секция слоистого стержня, как предназначалось, является предварительно напряженной. Дополнительное преимущество с слоистыми стержнями состоит в том,
0 что слоистое строение дает в результате уменьшение потерь на вихревые токи.
Это изобретение не ограничивается вариантами осуществления. Таким образом, магнитострикционное тело может зажи5 маться между двумя плоскопараллельными пластинами и, посредством использования магнитного поля в принципе по способу, описанному ранее, магнитострикционное тело может вынуждаться совершать движе0 ния между этими пластинами в плоскостях таковых, причем зажимающее сцепление относительно пластин поддерживается, по существу, неизменным, Возможно, что сцепление между магнитострикционным те5 лом и пластиной может получаться только через собственный вес этого тела. В последнем случае, это тело является только свободно лежащим сверху и поддерживаемым плоской пластиной и не нуждается в том,
0 чтобы зажиматься между плоскопараллельными пластинами.
Формула изобретения 1. Способ относительного перемещения первого тела, имеющего магнитострикцион5 ные свойства, и второго тела, в отношении которого первое тело находится в несущем контакте со схватом между контактирующи- мися поверхностями, заключающийся в воздействии магнитного поля на первое тело,
0 отличающийся тем, что, с целью повышения точности перемещения, воздействуют магнитным полем последовательно на каждую из смежных секций первого тела, начиная с переднего конца тела относитель5 но направления перемещения, так, что соответствующую секцию первого тела увеличивают по длине и сокращают в поперечном направлении с обеспечением устранения схватз между телами.
0 2. Устройство для относительного перемещения, содержащее первое тело, выполненное из материала с магнито- стрикционными свойствами, второе тело предпочтительно из немагнитного материа5 па, которые расположены в несущем контакте относительно друг друга со схватом между контактными поверхностями, и средства создания магнитного поля, включающие катушку электромагнита и электрический источник тока, отличающееся тем, что. с целью
повышения точности, средства создания магнитного поля содержат несколько обмоток электромагнитов, расположенныхсмеж- но одна с другой с возможностью раздельного подключения к электрическому источнику тока и охватывающих первое и второе тело,
3.Устройство по п. 2, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что первое тело выполнено в виде стержня из магнитострикционного материала, а второе тело - в виде трубки, причем стержень расположен в трубке с зажимающим захватом между стержнем и внутренней поверхностью трубки.
4.Устройство по п. 3. о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что трубчатое тело прикреплено к жесткой несущей структуре, а магнито- стрикционный стержень соединен тягой с перемещаемым элементом.
5.Устройство по п. 2, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что первое тело выполнено в виде полого тела из магнитострикционного материала, а второе тело - в виде стержня, расположенного в полом теле с зажимающим захватом между контактными поверхностями полого тела и стержня.
6.Устройство поп. 2, отличающее- с я тем, что первое тело имеет по крайней мере одну плоскую поверхность, установленную в контакте с опорной поверхностью второго тела со схватом между контактными поверхностями.
7.Устройство по п. 6, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что первое тело имеет две плоские параллельные поверхности и зажато между двумя плоскими параллельными пластинами второго тела.
8.Устройство по пп, 2-7, отличающееся тем, что первое тело содержит множество отдельных секций и промежуточных элементов, расположенных на противоположных сторонах каждой секции, и полосу предварительного напряжения, расположенную аксиально, проходящую через все секции и прикрепленную в предварительно напряженном состоянии к каждому
из промежуточных элементов.
9.Устройство по п. 3, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что полоса предварительного напряжения выполнена в виде проволоки.
10.Устройство по пп. 2-7. отличаю- щ е е с я тем, что первое тело выполнено в
виде нескольких продольно расположенных и предварительно напряженных путем сжатия листов магнитострикционного материала, прикрепленных друг к другу по- средством промежуточных волокнистых слоев.
11.Устройство по пп. 2-7, отличающееся тем, что первое тело выполнено в виде нескольких продольно расположенных
листов магнитострикционного материала, склеенных между собой посредством промежуточных предварительно растянутых волокнистых слоев.
У У ЧЧУУЧЧУОО
лят лттт
Использование: в устройствах линейного перемещения. Сущность изобретения: магнитным полем воздействуют последовательно на каждую из смежных секций первого тела, выполненного из магнито- стрикционного материала и находящегося в несущем контакте с поверхностью второго тела, таким образом, что соответствующую секцию увеличивают по длине и сокращают в поперечном направлении с обеспечением схвата между телами. Средства создания магнитного поля содержат несколько обмотокэлектромагнитов, расположенных смежно друг с другом с возможностью раздельного подключения к источнику тела. 2 с. и 9 з.п. ф-лы, 3 ил.
, IMM M:I;11Ш1
I -+
fr9S828l
б э
-6ЕЗ@Е
& Фин. 2
I3S
ФигЗ
//
А
о
| Патент США N 4017754, кл.Н 01 L 41/12, 1977. |
