магнитомеханический преобразователь и способ управления им

Формула изобретения

1. Магнитомеханический преобразователь, содержащий магнитную систему с источником магнитного поля и сердечник из магнитострикционного материала, с проходящей через его геометрический центр "механической" осью, расположенный с зазором относительно источника магнитного поля, и состоящей по меньшей мере из одного элемента, а также исполнительный элемент, связанный с сердечником с возможностью перемещения, при этом "механическая" ось сердечника ориентирована в направлении перемещения исполнительного элемента, отличающийся тем, что источник магнитного поля выполнен в виде по меньшей мере одного постоянного магнита, а сердечник и источник магнитного поля магнитной системы установлены с возможностью циклического перемещения по отношению один к другому в пределах зоны магнитного поля магнитной системы.

2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что сердечник и источник магнитного поля магнитной системы установлены с возможностью возвратно-поступательного плоско-параллельного перемещения.

3. Преобразователь по п. 1 или 2, отличающийся тем, что зона расположения геометрического центра по меньшей мере одного элемента сердечника в исходном рабочем положении совмещена с одной из зон магнитной системы, соответствующей экстремуму напряженности магнитного поля этой системы.

4. Преобразователь по одному из пп. 1 3, отличающийся тем, что сердечник выполнен из материала с магнитной текстурой и/или магнитной анизотропией.

5. Преобразователь по одному из пп. 1 4, отличающийся тем, что магнитная система дополнительно снабжена магнитопроводом, а источник магнитного поля установлен на последнем.

6. Преобразователь по одному из пп. 1 5, отличающийся тем, что магнитная система выполнена зеркально симметричной относительно плоскости, проходящей через "механическую" ось сердечника параллельно вектору напряженности магнитного поля в зоне, соответствующей исходному рабочему положению геометрического центра по меньшей мере одного элемента сердечника.

7. Преобразователь по одному из пп. 2 6, отличающийся тем, что магнитная система выполнена замкнутой по контуру в плоскости, перпендикулярной "механической" оси сердечника.

8. Преобразователь по одному из пп. 1 5, отличающийся тем, что источник магнитного поля выполнен в виде группы постоянных магнитов, расположенных в одной плоскости так, что вектора намагниченности смежных магнитов ориентированы в противоположных направлениях.

9. Преобразователь по п. 6 или 7, отличающийся тем, что источник магнитного поля выполнен в виде нескольких групп постоянных магнитов, которые в группах расположены в одной плоскости так, что вектора намагниченности смежных магнитов в каждой группе ориентированы в противоположных направлениях, а каждая последующая группа повернута относительно предыдущей на угол 0 - 180^o вокруг "механической" оси сердечника.

10. Преобразователь по одному из пп. 1 9, отличающийся тем, что четные элементы сердечника выполнены из материала с положительной или отрицательной, а нечетные с отрицательной или положительной соответственно, магнитострикцией.

11. Преобразователь по п. 10, отличающийся тем, что между по меньшей мере двумя магнитострикционными элементами сердечника расположен элемент с магнитострикцией, абсолютная величина которой по крайней мере на порядок меньше абсолютной величины магнитострикции любого из смежных с ним магнитострикционных элементов.

12. Преобразователь по п. 10, отличающийся тем, что расположенный между по меньшей мере двумя магнитострикционными элементами сердечника элемент выполнен из материала с модулем упругости не меньшим по величине модуля упругости любого магнитострикционного элемента сердечника.

13. Преобразователь по одному из пп. 10 12, отличающийся тем, что шаг расположения геометрических центров элементов сердечника кратен или равен шагу расположения зон экстремумов напряженности магнитного поля магнитной системы.

14. Преобразователь по одному из пп. 1 13, отличающийся тем, что магнитострикционные элементы сердечника выполнены из сплавов с гигантской магнитострикцией.

15. Преобразователь по п. 14, отличающийся тем, что элементы сердечника выполнены из сплавов TbFe₂ и/или SmFe₂.

16. Преобразователь по одному из пп. 4 15, отличающийся тем, что "механическая" ось сердечника расположена параллельно оси легчайшего намагничивания материала сердечника и вектору напряженности магнитного поля в точке расположения геометрического центра по меньшей мере одного элемента сердечника в исходном рабочем положении.

17. Преобразователь по одному из пп. 4 15, отличающийся тем, что "механическая" ось сердечника расположена перпендикулярно к оси легчайшего намагничивания материала сердечника и к вектору напряженности магнитного поля в точке расположения геометрического центра по меньшей мере одного элемента сердечника в исходном рабочем положении.

18. Преобразователь по п. 16 или 17, отличающийся тем, что сердечник выполнен вытянутой формы, а "механическая" ось сердечника совмещена с продольной осью последнего.

19. Преобразователь по п. 16 или 17, отличающийся тем, что отношение геометрического размера сердечника в направлении его "механической" оси к геометрическому размеру в направлении перпендикулярном к упомянутой оси не превышает единицы.

20. Преобразователь по п. 18 или 19, отличающийся тем, что сердечник выполнен в виде цилиндра.

21. Преобразователь по п. 18 или 19, отличающийся тем, что сердечник выполнен в виде параллелепипеда.

22. Преобразователь по одному из пп. 1 21, отличающийся тем, что направление вектора напряженности магнитного поля магнитной системы в максимуме напряженности этого поля, соответствующем исходному рабочему положению геометрического центра сердечника, совпадает с направлением между двумя ближайшими максимумами напряженности продольного и поперечного относительно "механической" оси сердечника магнитного поля этой системы.

23. Способ управления магнитомеханическим преобразователем с магнитной системой, включающий источник магнитного поля, и сердечником из магнитострикционного материала, состоящим по меньшей мере из одного элемента, заключающийся в изменении магнитного потока в сердечнике, отличающийся тем, что изменение магнитного потока в сердечнике осуществляют посредством относительного циклического перемещения геометрического центра по меньшей мере одного элемента сердечника из зоны магнитной системы, соответствующей экстремуму напряженности магнитного поля этой системы, в соседнюю зону, величина напряженности и/или направление вектора напряженности магнитного поля в которой отличны от величины напряженности и/или направления вектора напряженности в зоне расположения геометрического центра по меньшей мере одного элемента сердечника в исходном рабочем положении.

24. Способ по п. 23, отличающийся тем, что магнитный поток в сердечнике изменяют посредством возвратно-поступательного плоско-параллельного перемещения геометрического центра по меньшей мере одного элемента сердечника.

25. Способ по п. 23 или 24, отличающийся тем, что перемещение геометрического центра по меньшей мере одного элемента сердечника осуществляют из зоны магнитной системы, соответствующей максимуму напряженности магнитного поля этой системы, в зону с напряженностью по крайней мере на порядок меньшей по отношению к напряженности магнитного поля в зоне расположения геометрического центра по меньшей мере одного элемента сердечника в исходном рабочем положении.

26. Способ по п. 24, отличающийся тем, что перемещение геометрического центра по меньшей мере одного элемента сердечника осуществляют из зоны магнитной системы, соответствующей экстремуму напряженности продольного относительно "механической" оси сердечника магнитного поля этой системы, в зону, соответствующую ближайшему экстремуму напряженности поперечного относительно той же оси магнитного поля магнитной системы.

27. Способ по п. 24, отличающийся тем, что перемещение геометрического центра по меньшей мере одного элемента сердечника осуществляют из зоны магнитной системы, соответствующей экстремуму напряженности магнитного поля этой системы, в зону, прилегающую к точке, в которой проекции векторов напряженности магнитного поля на направление вектора напряженности в зоне расположения геометрического центра по меньшей мере одного элемента сердечника в исходном рабочем положении имеет минимальную величину.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и средствам автоматики и может быть использовано 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.

Известен магнитомеханические преобразователь, содержащий обмотку возбуждения и магнитострикционный сердечник, выполненный из соединения редкоземельный металл железо (см. "Исследование высокомагнитострикционных материалов на основе РЭМ", ответ физического факультета МГУ, тема 46/75, публик. 1977г. стр.3).

Величина перемещений подвижной части известного 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.

Известен магнитомеханический преобразователь, содержащий магнитную систему с источником магнитного поля в виде электрической обмотки возбуждения и сердечник из магнитострикционного материала с проходящей через его геометрический центр в направлении перемещения исполнительного элемента "механической" осью, расположенной с зазором относительно источника магнитного поля и состоящий, по меньшей мере, из одного элемента, при этом исполнительный элемент, связан с сердечником с возможностью перемещения.

"Механическая" ось сердечника в данном известном устройстве ориентирована в направлении продольной оси сердечника (см. Авторское свидетельство СССР N 765913, кл. H 01 L 41/12, 1980 г.) прототип.

Способ управления данным известным магнитомеханическим преобразователем с магнитной системой, включающей источник магнитного поля, и сердечником из магнитострикционного материала, состоящим, по меньшей мере, из одного элемента, заключается в изменении магнитного потока в сердечнике путем изменения величины тока в обмотке возбуждения магнитной системы.

К основным недостаткам известных из технических решений как в части способа управления, так и в части устройства, следует отнести высокое энергопотребление источника магнитного поля, поскольку для поддержания необходимых параметров магнитного поля при установлении и сохранении заданных линейных размеров сердечника требуется постоянное пропускание электрического тока через обмотку возбуждения источника магнитного поля. Более того, для известных технических решений характерен дополнительный нагрев магнитной системы и материала сердечника, что приводит к необходимости создания сложной системы охлаждения и температурной компенсации изменения линейных размеров сердечника. Вышеизложенное является причиной увеличения массогабаритных показателей устройства в целом и не позволяет обеспечить достаточную точность при использовании магнитомеханических преобразователей в системах прецизионного позиционирования.

Основной технической задачей настоящего изобретения является снижение энергоемкости и массогабаритных показателей магнитомеханического преобразователя при одновременном увеличении диапазона изменения линейных размеров сердечника.

Решение поставленной задачи достигается тем, что: в отношении объекта "УСТРОЙСТВО": в магнитомеханическом преобразователе, содержащем магнитную систему с источником магнитного поля и сердечник из магнитострикционного материала, с проходящей через его геометрический центр "Механической" осью, расположенный с зазором относительно источника магнитного поля, и состоящий, по меньшей мере, из одного элемента, а также исполнительный элемент, связанный с сердечником с возможностью перемещения, при этом "механическая" ось сердечника ориентирована в направлении перемещения исполнительного элемента, согласно изобретения, источник магнитного поля выполнен в виде, по меньшей мере, одного постоянного магнита, а сердечник и источник магнитного поля магнитной системы установлены с возможностью циклического перемещения по отношению один к другому в пределах зоны магнитного поля магнитной системы.

Сердечник и источник магнитного поля магнитной системы могут быть установлены с возможностью возвратно-поступательного плоско-параллельного перемещения.

Зона расположения геометрического центра, по меньшей мере, одного элемента сердечника в исходном рабочем положении преимущественно должна быть совмещена с одной из зон магнитной системы, соответствующей экстремуму напряженности магнитного поля этой системы.

Сердечник может быть выполнен из материала с магнитной текстурой и/или магнитной анизотропией.

Магнитная система может быть дополнительно снабжена магнитопроводом, в этом случае источник магнитного поля устанавливается на последнем.

Магнитная система может быть выполнена зеркально симметричной относительно плоскости, проходящей через "механическую" ось сердечника параллельно вектору напряженности поля в зоне, соответствующей исходному рабочему положению геометрического центра, по меньшей мере, одного элемента сердечника.

Магнитная система может быть выполнена замкнутой по контуру в плоскости, перпендикулярной "механической" оси сердечника.

Источник магнитного поля может быть выполнен в виде группы постоянных магнитов, расположенных в одной плоскости так, что вектора намагниченности смежных магнитов ориентированы в противоположных направлениях.

При выполнении магнитной системы зеркально-симметричной, а также при выполнении магнитной замкнутой по контуру, источник магнитного поля может быть выполнен в виде нескольких групп постоянных магнитов, которые в группах расположены в одной плоскости так, что вектора намагниченности смежных магнитов в каждой группе, ориентированы в противоположных направлениях, а каждая последующая группа повернута относительно предыдущей на угол от 0^o до 180^oC вокруг "механической" оси сердечника.

Оптимально четные элементы сердечника выполнять из материала с положительной или отрицательной, а нечетные с отрицательной или положительной, соответственно, марнитострикцией, при этом между, по меньшей мере, двумя магнитострикционными элементами сердечника можно располагать элемент с магнитострикцией, абсолютная величина которой, по крайней мере, на порядок меньше абсолютной величины магнитострикции любого из смежных с ним магнитострикционных элементов.

Целесообразно упомянутый элемент выполнять из материала с модулем упругости не меньшим по величине модуля упругости любого магнитострикционного элемента сердечника.

Шаг расположения геометрических центров элементов сердечника целесообразно выбирать кратным или равным шагу расположения зон экстремумов напряженности магнитного поля магнитной системы.

Элементы сердечника оптимально выполнять из сплавов с гигантской магнитострикцией, например, из сплавов TbFe² и/или SmFe².

"Механическая" ось сердечника может быть расположена параллельно оси легчайшего намагничивания материала сердечника и вектору напряженности магнитного поля в точке расположения геометрического центра, по меньшей мере, одного элемента сердечника в исходном рабочем положении.

"Механическая" ось сердечника может быть также расположена перпендикулярно к оси легчайшего намагничивания материала сердечника и к вектору напряженности магнитного поля в точке расположения геометрического центра, по меньшей мере, одного элемента сердечника в исходном рабочем положении.

При выполнении сердечника вытянутой формы, "механическую" ось сердечника целесообразно совмещать с продольной осью последнего.

В ряде случае оптимально, чтобы отношение геометрического размера сердечника в направлении его "механической" оси к геометрическому размеру в направлении перпендикулярном к упомянутой оси было не больше единицы.

Сердечник может быть выполнен в виде цилиндра или параллелепипеда.

Оптимально, чтобы направление вектора напряженности магнитного поля магнитной системы в максимуме напряженности этого поля, соответствующем исходному рабочему положению геометрического центра сердечника, совпадало с направлением между двумя ближайшими максимумами напряженности продольного и поперечного относительно "механической" оси сердечника магнитного поля этой магнитной системы.

В отношении объекта "СПОСОБ": в способе управления магнитомеханическим преобразователем с магнитной системой, включающей источник магнитного поля, и сердечником из магнитострикционного материала, состоящим, по меньшей мере, из одного элемента, заключающемся в изменении магнитного поля в сердечнике, согласно изобретения, изменение магнитного потока в сердечнике осуществляют посредством относительного циклического перемещения геометрического центра, по меньшей мере, одного элемента сердечника из зоны магнитной системы, соответствующей экстремуму напряженности магнитного поля этой системы, в соседнюю зону, величина напряженности и/или направление вектора напряженности магнитного поля в которой отличны от величины напряженности и/или направления вектора напряженности в зоне расположения геометрического центра, по меньшей мере, одного элемента сердечника в исходном рабочем положении.

Магнитный поток в сердечнике можно изменять посредством возвратно-поступательного плоско-параллельного перемещения геометрического центра, по меньшей мере, одного элемента сердечника.

При этом, перемещение геометрического центра, по меньшей мере, одного элемента сердечника можно осуществлять из зоны магнитной системы, соответствующей максимуму напряженности магнитного поля этой системы, в зону, с напряженность по крайней мере на порядок меньшей по отношению к напряженности магнитного поля в зоне расположения геометрического центра, по меньшей мере, одного элемента сердечника в исходном рабочем положении.

Кроме того, перемещение геометрического центра, по меньшей мере, одного элемента сердечника можно также осуществлять из зоны магнитной системы, соответствующей экстремуму напряженности продольного относительно "механический" оси сердечника магнитного поля этой системы, в зону, соответствующую ближайшему экстремуму напряженности поперечного относительно той же оси магнитного поля магнитной системы.

Помимо того, перемещение геометрического центра, по меньшей мере, одного элемента сердечника можно осуществлять из зоны магнитной системы, соответствующей экстремуму напряженности магнитного поля этой системы, в зону, прилегающую к точке, в которой проекции векторов напряженности магнитного поля на направление вектора напряженности в зоне расположения геометрического центра, по меньшей мере, одного элемента сердечника в исходном рабочем положении имеют минимальную величину.

На фиг. 1 показан вариант выполнения магнитомеханического преобразователя горизонтального перемещения, у которого направление относительного перемещения сердечника параллельно направлению перемещения исполнительного элемента (т.е. параллельно "механической" оси сердечника), продольный разрез.

На фиг. 2 разрез по А-А на фиг. 1.

На фиг. 3 показан вариант выполнения магнитомеханического преобразователя вертикального перемещения, у которого направление относительного перемещения сердечника перпендикулярно направлению перемещения исполнительного элемента (т. е. перпендикулярно "механической" оси сердечника), продольный разрез.

На фиг. 4 разрез Б-Б по фиг. 3.

На фиг. 5 показан вариант выполнения магнитомеханического преобразователя горизонтального перемещения, у которого направление относительного перемещения сердечника расположено под острым углом к направлению перемещения исполнительного элемента (т.е. под острым углом к "механической" оси сердечника), продольный разрез.

На фиг. 6 разрез по В-В на фиг. 5.

На фиг. 7 показан вариант выполнения магнитомеханического преобразователя вертикального перемещения, у которого направление относительного перемещения сердечника расположено под острым углом к направлению перемещения исполнительного элемента (т.е. под острым углом к "механической" оси сердечника), продольный разрез.

На фиг. 8 разрез по Г-Г на фиг. 7.

На фиг. 9 приведена схема магнитной системы, выполненной из плоского постоянного магнита с конгруентным магнитопроводом.

На фиг. 10 приведена схема зеркально-симметричной магнитной системы, выполненной из двух плоских постоянных магнитов с конгруентными магнитопроводами.

На фиг. 11 и 12 приведена схема управления магнитомеханическим преобразователем, предлагающая предварительное размещение геометрического центра, по меньшей мере, одного элемента сердечника в максимуме напряженности продольного по отношению к "механической" оси сердечника магнитного поля магнитной системы по фиг. 9 и 10 и предусматривающая последующее относительное плоско-параллельное, возвратно-поступательное перемещение сердечника в "узел" напряженности, т.е. в зону, прилегающую к точке, в которой проекции векторов напряженности магнитного поля на направление вектора напряженности в зоне расположения геометрического центра, по меньшей мере, одного элемента сердечника в исходном рабочем положении имеют минимальную величину.

На фиг. 13 и 14 приведена схема управления магнитомеханическим преобразователем, предлагающая предварительное размещение геометрического центра, по меньшей мере, одного элемента сердечника в максимуме напряженности поперечного по отношению к "механической" оси сердечника магнитного поля магнитной системы по фиг. 9 и 10 и предусматривающая последующее относительное плоско-параллельное, возвратно-поступательное перемещение сердечника в "узел" напряженности.

На фиг. 15 и 16 приведена схема управления магнитомеханическим преобразователем, предлагающая предварительное размещение геометрического центра, по меньшей мере, одного элемента сердечника в максимуме напряженности продольного по отношению к "механической" оси сердечника магнитного поля магнитной системы по фиг. 9 и 10 и предусматривающая последующее относительное плоско-параллельное, возвратно-поступательное перемещение сердечника в положение, соответствующее максимум напряженности поперечного по отношению к "механической" оси сердечника магнитного поля.

На фиг. 17 и 18 приведена схема управления магнитомеханическим преобразователем, предполагающая предварительное перемещение геометрического центра, по меньшей мере, одного элемента сердечника в максимуме напряженности поперечного по отношению к "механической" оси сердечника магнитного поля магнитной системы по фиг. 9 и 10 и предусматривающая последующее относительное плоско-параллельное возвратно-поступательное перемещение сердечника в положение, соответствующее максимуму напряженности продольного по отношению к "механической" оси сердечника магнитного поля.

На фиг. 19 приведен вариант выполнения замкнутой по контуру схемы зеркально-симметричной магнитной системы, выполненной из плоских постоянных магнитов с конгруентными магнитопроводами (продольный разрез).

На фиг. 20 вид Д по фиг. 19.

На фиг. 21 и 22 приведена схема управления магнитомеханическим преобразователем, предполагающая предварительное размещение геометрического центра, по меньшей мере, одного элемента сердечника в максимуме напряженности продольного по отношению к "механической" оси сердечника магнитного поля магнитной системы по фиг. 19 и 20 и предусматривающая последующее относительное плоско-параллельное, возвратно-поступательное перемещение сердечника в "узел" напряженности магнитного поля.

На фиг. 23 приведена схема магнитной системы, выполненной из двух плоских постоянных магнитов, расположенных в одной плоскости, с конгруентным магнитопроводом, причем вектора намагниченности каждого из постоянных магнитов ориентированы в противоположных направлениях.

На фиг. 24 приведена схема зеркально-симметричной магнитной системы, выполненной из двух пар плоских постоянных магнитов с конгруентными магнитопроводами, причем вектора намагниченности смежных магнитов в каждый из пар и оппозитно расположенных магнитов ориентированы в противоположных направлениях.

На фиг. 25 и 26 приведена схема управления магнитомеханическим преобразователем, предполагающая предварительное размещение геометрического центра, по меньшей мере, одного элемента сердечника в максимуме напряженности продольного по отношению к "механической" оси сердечника магнитного поля магнитной системы по фиг.23 или 24 и предусматривающая последующее относительное плоско-параллельное, возвратно-поступательное перемещение сердечника в узел напряженности магнитного поля.

На фиг. 27 и 28 приведена схема управления магнитомеханическим преобразователем, предполагающая предварительное размещение геометрического центра, по меньшей мере, одного элемента сердечника в максимуме напряженности поперечного по отношению к "механической" оси сердечника магнитного поля магнитной системы по фиг. 23 или 24 и предусматривающая последующее относительное плоско-параллельное, возвратно-поступательное перемещение сердечника в "узел" напряженности магнитного поля.

На фиг. 29 и 30 приведена схема управления магнитомеханическим преобразователем, предполагающая предварительное размещение геометрического центра, по меньшей мере, одного элемента сердечника в максимуме напряженности продольного по отношению к "механической" оси сердечника магнитного поля магнитной системы по фиг.23 или 24 и предусматривающая последующее относительное плоско-параллельное, возвратно-поступательное перемещение упомянутого геометрического центра в положение, соответствующее максимуму напряженности поперечного по отношению к "механической" оси сердечника магнитного поля.

На фиг. 31 и 32 приведена схема управления магнитомеханическим преобразователем, предполагающая предварительное размещение геометрического центра, по меньшей мере, одного элемента сердечника в максимуме напряженности поперечного по отношению к "механической" оси сердечника магнитного поля магнитной системы по фиг. 23 или 24 и предусматривающая последующее относительное плоско-параллельное, возвратно-поступательное перемещение упомянутого геометрического центра в положение соответствующее максимуму напряженности продольного по отношению к "механической" оси сердечника магнитного поля.

На фиг. 33 приведен вариант замкнутой схемы зеркально-симметричной магнитной системы в соотношении с фиг. 19 и 20 для случая замены каждого из магнитов парой магнитов, причем вектора намагниченности в каждой из пар постоянных магнитов ориентированы в противоположных направлениях (продольный разрез).

На фиг. 34 вид Е по фиг. 33.

На фиг. 35 и 38 приведена схема управления магнитомеханическим преобразователем, предполагающая предварительное размещение геометрического центра, по меньшей мере, одного элемента сердечника в максимуме напряженности продольного по отношению к "механической" оси сердечника магнитного поля магнитной системы по фиг. 33 и 34 и предусматривающая последующее относительное плоско-параллельное, возвратно-поступательное перемещение упомянутого геометрического центра в "узел" напряженности.

На фиг. 37 приведена схема магнитной системы, выполненной из трех плоских постоянных магнитов с общим конгруентным магнитопроводом.

На фиг. 38 приведена схема зеркально-симметричной магнитной системы, выполненной из двух групп, состоящих из трех плоских постоянных магнитов с общим конгруентным магнитопроводом.

На фиг. 39 и 40 приведена схема управления магнитомеханическим преобразователем, предусматривающая предварительное размещение геометрического центра, по меньшей мере, одного элемента сердечника в максимуме напряженности продольного по отношению к "механической" оси сердечника магнитного поля магнитной системы по фиг. 37 или 38 и последующее относительное плоско-параллельное, возвратно-поступательное перемещение упомянутого геометрического центра в максимум напряженности поперечного по отношению к "механической" оси сердечника магнитного поля.

На фиг. 41 и 42 приведена схема управления магнитомеханическим преобразователем, предусматривающая предварительное размещение геометрического центра, по меньшей мере, одного элемента сердечника в максимуме напряженности поперечного по отношению к "механической" оси сердечника магнитного поля магнитной системы по фиг. 37 или 38 и последующее относительное плоско-параллельное, возвратно-поступательное перемещение упомянутого геометрического центра в максимум напряженности продольного по отношению к "механической" оси сердечника магнитного поля.

На фиг. 43 приведен второй вариант схемы магнитной системы, выполненной из трех плоских постоянных магнитов с общим конгруентным магнитопроводом.

На фиг. 44 приведен второй вариант схемы зеркально-симметричной магнитной системы, выполненной из двух групп, состоящих из трех постоянных магнитов с общим конгруентным магнитопроводом.

На фиг. 45 и 46 приведена схема управления магнитомеханическим преобразователем, предусматривающая предварительное размещение геометрического центра, по меньшей мере, одного элемента сердечника в максимуме напряженности продольного по отношению к "механической" оси сердечника магнитного поля магнитной системы по фиг. 43 или 44 и последующее относительное плоско-параллельное, возвратно-поступательное перемещение упомянутого геометрического центра в максимум напряженности поперечного по отношению к "механической" оси сердечника магнитного поля.

На фиг. 47 и 48 приведена схема управления магнитомеханическим преобразователем, предусматривающая предварительное размещение геометрического центра, по меньшей мере, одного элемента сердечника в максимуме напряженности поперечного по отношению к "механической" оси сердечника магнитного поля магнитной системы по фиг. 43 или 44 и последующее относительное плоско-параллельное, возвратно-поступательное перемещение упомянутого геометрического центра в максимум напряженности продольного по отношению к "механической" оси сердечника магнитного поля.

На фиг. 49 приведен третий вариант схемы магнитной системы, выполненной из трех плоских постоянных магнитов с общим конгруентным магнитопроводом.

На фиг. 50 приведен вариант схемы частично зеркально-симметричной магнитной системы, выполненной из двух групп, состоящих из трех плоских постоянных магнитов с общим конгруентным магнитопроводом

На фиг. 51 и 52 приведена схема управления магнитомеханическим преобразователем, предусматривающая предварительное размещение геометрического центра, по меньшей мере, одного элемента сердечника в максимуме напряженности продольного по отношению к "механической" оси сердечника магнитного поля магнитной системы по фиг. 49 или 50 и последующее относительное плоско-параллельное, возвратно-поступательное перемещение упомянутого геометрического центра в максимум напряженности поперечного по отношению к "механической" оси сердечника магнитного поля.

На фиг. 53 приведена схема симметричной замкнутой по контуру магнитной системы, выполненной в виде полого цилиндрического постоянного магнита без магнитопровода.

На фиг. 54 и 55 приведена схема управления магнитомеханическим преобразователем, предусматривающая относительное плоско-параллельное, возвратно-поступательное перемещение сердечника и предполагающая предварительное размещение геометрического центра, по меньшей мере, одного элемента сердечника в максимуме напряженности продольного по отношению к "механической" оси сердечника магнитного поля магнитной системы по фиг. 53.

На фиг. 56 и 57 приведены варианты схем магнитных систем, выполненных из одного или двух зеркально-симметрично расположенных, соответственно, постоянных магнитов вытянутой формы без магнитопроводов.

На фиг. 58, 59 и 60, 61 приведены схемы управления магнитомеханическим преобразователем, предусматривающие относительно плоско-параллельное, возвратно-поступательное перемещение сердечника и предполагающие предварительное размещение геометрического центра, по меньшей мере, одного элемента сердечника в максимуме напряженности продольного по отношению с "механической" оси сердечника магнитного поля магнитных систем по фиг. 56 и 57 соответственно.

На фиг. 62 и 63, 64 и 65, 66 и 67 приведены схемы управления магнитомеханическим преобразователем с вариантами магнитных систем по фиг. 23 или 24, предусматривающие, во-первых, выполнение сердечника в виде двух, трех или четырех элементов из материалов с чередующейся по знаку магнитострикцией (т. е. по схеме положительная отрицательная положительная или отрицательная положительная отрицательная), а во-вторых, предварительное размещение геометрических центров одновременно всех элементов сердечника в последовательно расположенных "узлах" и максимумах напряженности продольного (относительно "механической" оси сердечника) магнитного поля и дальнейшее перемещение упомянутых геометрических центров в соседние, соответственно, максимумы и "узлы" напряженности этого поля.

На фиг. 68, 69 и 70, 71 приведены схемы управления магнитомеханическим преобразователем с вариантами магнитных систем по фиг. 43, 44 и 49, 50, соответственно, в которых сердечник выполнен составным из трех последовательно расположенных вдоль "механической" оси элементов из материалов с положительной, "нулевой" (т.е. по крайней мере, на порядок меньшей по абсолютному значению в сравнении со смежными элементами) и отрицательной магнитострикцией, предполагающие предварительное размещение геометрических центров элементов сердечника с положительной и отрицательной магнитострикцией в максимумах напряженности, соответственно, продольного и поперечного (относительно "механической" оси сердечника) магнитных полей упомянутых выше магнитных систем, и предусматривающие последующее относительное плоско-параллельное возвратнопоступательное перемещение геометрических центров элементов с положительной и отрицательной магнитострикцией, соответственно, в максимум напряженности поперечного (относительно ранее указанной оси) магнитного поля и в зону с напряженностью, отличающейся не менее чем на порядок по отношению к напряженности магнитного поля в зоне расположения геометрического центра, по меньшей мере, одного элемента сердечника в исходном рабочем положении.

Элементы с "нулевой" магнитострикцией согласно этим схемам выполнены из материала с модулем упругости не меньшим по величине модуля упругости любого магнитостриционного элемента сердечника.

Магнитомеханический преобразователь (см. фиг. 1, 2, или 3, 4, или 5, 6 или 7, 8) содержит магнитную систему, состоящую из магнитопровода 1 и источника магнитного поля, выполненного в виде постоянных магнитов 2, а также сердечник 3, выполненный из магнитострикционного материала и установленный с зазором 4 относительно элементов магнитной системы, с возможностью возвратно-поступательного плоско-параллельного перемещения относительно магнитной системы посредством механизма перемещения, и исполнительный элемент в виде толкателя 5. Источник магнитного поля, согласно указанным фигурам, выполнен в виде двух оппозитно расположенных групп постоянных магнитов 2, по одной паре в каждой группе. Вектора 6 намагниченности постоянных магнитов 2 в каждой отдельно взятой группе, а также оппозитно расположенных магнитов 2 в противолежащих группа ориентированы в противоположных направлениях. В конкретных описываемых вариантах исполнения магнитная система выполнена зеркально-симметричной относительно плоскости, проходящей через "механическую" ось 7 сердечника 3 (т.е. ось, совпадающую с направлением рабочего перемещения толкателя 5 и проходящую через геометрический центр 8 сердечника 3) параллельно вектору напряженности магнитного поля в зоне, соответствующей исходному рабочему положению геометрического центра 8 сердечника 3. В случае выполнения сердечника вытянутой формы, его "механическую" ось целесообразно совместить с продольной осью сердечника, а последнюю расположить (при изготовлении сердечника) вдоль или поперек оси легчайшего намагничивания материала сердечника.

На фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 сердечник 3 расположен в исходном рабочем положении, т.е. его геометрический центр расположен в зоне максимума напряженности продольного по отношению к "механической" оси 7 (см. фиг. 1, 2, 5, 6) или поперечного относительно той же оси (см. фиг. 3, 4, 7, 8) магнитного поля магнитной системы. Сердечник 3 связан с толкателем 5 с возможностью перемещения последнего относительно корпуса 9 преобразователя, при этом сердечник зафиксирован одним концом относительно корпуса 9, а толкатель 5 подпружинен относительно корпуса посредством упругого элемента 10. Магнитная система смонтирована в корпусе-скобе 11, которая кинематически связана с механизмом перемещения. Последний включает в себя закрепленную в стенках корпуса 9 направляющую 12 и ходовой микровинт 13, установленный в корпусе с возможностью вращения посредством двигателя 14 и кинематически связанный посредством ходовой резьбы с корпусом-скобой 11.

В ряде случаев для увеличения диапазона изменения линейных размеров, сердечник (см. фиг. 62 67) выполняют из нескольких элементов 15, 16 из материалов с чередующейся по знаку магнитострикцией. Кроме того, между элементами 15, 16 с различной (положительной или отрицательной) магнитострикцией может быть расположен элемент 17 с "нулевой" магнитострикцией (фиг. 68 71) и модулем упругости не меньшим модуля упругости магнитострикционных элементов сердечника.

Элементы сердечника с положительной и отрицательной магнитострикцией размещают в экстремумах и "узлах" магнитного поля соответственно (фиг. 62, 64, 66). При этом в исходном состоянии составной сердечник имеет свою максимальную длину. При перемещении сердечника его элементы перемещаются из "улов" в экстремумы и из экстремумов в "узы" соответственно (фиг. 63, 65, 67), и при этом в конечном состоянии элементы с положительной магнитострикцией оказываются в "узлах" а с отрицательной в экстремумах, т.е. каждый элемент укорачивается, поэтому сердечник в конечном положении имеет свою минимальную длину.

На фиг. 68, 70 элементы сердечника с положительной и отрицательной магнитострикцией размещены в максимумах продольного и поперечного относительно "механической" оси сердечника магнитного поля. Между ними расположен элемент из материала с модулем упругости, не меньшим, чем у любого элемента сердечника, предназначенный для передачи перемещения толкателю. Каждый элемент сердечника имеет свою максимальную длину в исходном положении. При перемещении сердечника элемент с положительной магнитострикцией перемещается в максимум напряженности поперечного поля, а элемент с отрицательной магнитострикцией в область с малой (нулевой) напряженностью магнитного поля (фиг. 69, 71). В результате весь сердечник укорачивается, т.к. магнитосрикционные элементы уменьшают свою длину.

В любом варианте конструкции "механическую" ось 7 сердечника 3 ориентируют (в процессе изготовления) параллельно или перпендикулярно относительно оси легчайшего намагничивания сердечника, а последнюю всегда параллельно относительно направления вектора напряженности магнитного поля в экстремуме, соответствующем исходному рабочему положению геометрического центра сердечника 3. Силовые лини 18 магнитной индукции и векторы 19 намагниченности материала сердечника обозначены на чертежах стрелками.

Способ согласно настоящему изобретению реализуется следующим образом. Предварительно, экспериментальным путем или с помощью модельных расчетов определяют положение экстремумов и "узлов" напряженности магнитного поля в рабочей зоне магнитной системы. Геометрический центр 8 сердечника 3 (или геометрический центр каждого элемента сердечника, в случае выполнения последнего составным) размещают в одном из экстремумов, например, для схемы управления по фиг. 25, 2, в максимуме напряженности продольного, относительно "механической" оси сердечника удлиненной формы, магнитного поля магнитных систем по фиг. 23 или 24, соответствующих конструктивному выполнению преобразователя по фиг. 1, 2. Далее, для осуществления прецизионного перемещения исполнительного элемента геометрический центр сердечника перемещают в узел напряженности (см. фиг. 26) магнитного поля. Для схем управления, например, по фиг. 29, 30 перемещение геометрического центра сердечника осуществляют в зону максимума поперечного, относительно "механической" оси сердечника удлиненной формы, магнитного поля магнитной системы по фиг. 23 или 24 (соответствующей конструктивному выполнению преобразователя по фиг. 5, 6). При реализации способа по любой из вышеописанных схем направление перемещения исполнительного элемента (толкателя 5) совпадает с направлением вектора напряженности магнитного поля в зоне, соовтетствующей исходному рабочему положению геометрического центра сердечника. Для конструктивных вариантов по фиг. 3, 4 и 7, 8 направление перемещения толкателя перпендикулярно направлению вектора напряженности в зоне, соответствующей расположению геометрического центра сердечника в исходном рабочем положении. Во всех описанных вариантах ось легчайшего намагничивания сердечника целесообразно располагать параллельно вектору напряженности магнитного поля в экстремуме, соответствующем исходному рабочему положению геометрического центра сердечника.

Магнитомеханический преобразователь согласно настоящему изобретению работает следующим образом. При включении электропитания двигатель 14 начинает вращаться и с помощью микровинта 13 перемещает корпус-скобу 11 вдоль направляющей 12. Смонтированная в корпусе-скобе 11 магнитная система при этом перемещается плоско-параллельно и поступательно относительно сердечника 3, выполненного из магнитострикционного материала. Геометрический центр 8 сердечника 3, первоначально расположенный в максимуме напряженности магнитного поля, при движения магнитной системы относительно перемещается в "узел" напряженности магнитного поля, что вызывает максимальное изменение длины сердечника 3 и, соответственно, перемещение толкателя 5.

Вариант выполнения магнитомеханического преобразователя, приведенный на фиг. 1 и 2, является предпочтительным при создании плоского механизма горизонтального перемещения, например, при изготовлении однокоординатных модулей двухкоординатного горизонтального позиционера.

Вариант выполнения магнитомеханического преобразователя, приведенный на фиг. 3 и 4, является предпочтительным при создании плоского механизма вертикального перемещения, например, при изготовлении однокоординатного модуля вертикального перемещения трехкоординатного позиционера.

Вариант выполнения магнитомеханического преобразователя, приведенный на фиг. 5 и 6, позволяет получить большие горизонтальные линейные перемещения, чем вариант, приведенный на фиг. 1 и 2, за счет относительного перемещения геометрического центра сердечника из максимума напряженности продольного относительно "механической" оси сердечника магнитного поля в максимум напряженности поперечного относительно той же оси магнитного поля, но имеет большие габаритные размеры, исходя из конструктивных особенностей.

Вариант выполнения магнитомеханического преобразователя, приведенный на фиг. 6 и 6, позволяет получить большие вертикальные линейные перемещения, чем вариант, приведенный на фиг. 3 и 4, за счет относительного перемещения геометрического центра сердечника из максимума напряженности поперечного относительно "механической" оси сердечника магнитного поля в максимум напряженности продольного относительно той же оси магнитного поля, но имеет большие габаритные размеры в виду своих конструктивных особенностей.

В магнитомеханическом преобразователе, показанном на фиг. 1 и 2, кроме использованной в нем магнитной системы, изображенной на фиг. 24, могут быть также использованы магнитные системы, показанные на фиг. 9, 10, 19 20, 23, 33 34, 43, 44, 49, 50, 53, 56, 57 с изображением силовых линий 18 магнитной индукции. На схемах управления магнитомеханическими преобразователями с этими магнитными системами, показанных соответственно на фиг. 11 12, 21 22, 25

26, 35 36, 45 46, 51 52, 54 55, 58 59, 60 61, изображены магнитострикционные сердечники 3 с векторами 19 намагниченности материала сердечника в начальном положении и конечном положении после относительного перемещения сердечника из максимума напряженности продольного магнитного поля в "узел" напряженности магнитного поля (фиг. 11 12, 21 22, 25 26, 35 - 36, 54 55, 58 59, 60 61) или в максимум напряженности поперечного магнитного поля (фиг. 45 46, 51 52).

В магнитомеханическом преобразователе, показанном на фиг. 3 и 4, кроме использованной в нем магнитной системы, изображенной на фиг. 24, могут быть также использованы магнитные системы, показанные на фиг. 9, 10, 23, 43, 44, с изображением силовых линий 18 магнитной индукции. На схемах управления магнитомеханическими преобразователями с этими магнитными системами, показанных соответственно на фиг. 13 14, 27 28, 47 48, изображены магнитострикционные сердечники 3 с векторами 19 намагниченности материала сердечника в исходном рабочем положении и конечном положении после относительного перемещения сердечника из максимума напряженности поперечного магнитного поля в "узел" напряженности магнитного поля (фиг. 13 14, 27 28) или в максимум напряженности магнитного поля (фиг. 13 14, 27 28) или в максимум напряженности продольного магнитного поля (фиг. 47 48).

В магнитомеханическом преобразователе, показанном на фиг. 5 и 6, кроме использованной в нем магнитной системы, изображенной на фиг. 24, могут быть также использованы магнитные системы, показанные на фиг. 9, 10, 23, 37, 38, 43, 44, с изображением силовых линий 18 магнитной индукции. На схемах управления магнитомеханическими преобразователями с этими магнитными системами, показанных соответственно на фиг. 15 16, 29 30, 45 46, 51 - 52 изображены магнитострикционные сердечники 3 с векторами 19 намагниченности материала сердечника в исходном положении и конечном положении после относительного перемещения сердечника из максимума напряженности продольного магнитного поля в максимум напряженности поперечного магнитного поля.

В магнитомеханическом преобразователе, показанном на фиг. 7 и 8, кроме использованной в нем магнитной системы, изображенной на фиг. 24, могут быть также использованы магнитные системы, показанные на фиг. 9, 10, 23, 37, 38, 43, 44, с изображением силовых линий 18 магнитной индукции. На схемах управления магнитомеханическими преобразователями с этими магнитными системами, показанных соответственно на фиг. 17 18, 31 32, 41 42, 47 - 48, изображены магнитострикционные сердечники 3 с векторами 19 намагниченности материала сердечника в начальном положении и конечном положении после относительного перемещения сердечника из максимума напряженности поперечного магнитного поля в максимум напряженности продольного магнитного поля.

Использование в магнитомеханическом преобразователе, приведенном на фиг. 1 2, магнитной системы, показанной на фиг. 44 или фиг. 50, а в магнитомеханическом преобразователе, приведенном на фиг. 3 4, магнитной системы, показанной на фиг. 44, позволяет получить большие линейные перемещения по сравнению с использованием показанной на фиг. 1 4 магнитной системы, соответствующей фиг. 24, при сохранении габаритных размеров магнитомеханических преобразователей, причем габаритные размеры сохраняются за счет совпадения в этих магнитных системах (фиг. 44, 50) направления между двумя ближайшими максимумами напряженности продольного и поперечного магнитного поля и направлением вектора напряженности магнитного поля в максимуме напряженности магнитного поля, соответствующем исходному рабочему положению геометрического центра сердечника.

Пример конкретной реализации.

Конкретная реализация способа осуществлялась в устройстве конструктивно совпадающем с фиг. 1 и 2. Постоянные магниты выполнялись из материала типа Nd-Fe-B, магнитопровод из Стали 3, сердечник вытянутой формы был выполнен в виде одного элемента в форме параллелепипеда из материала TbFe₂. Габаритные размеры магнитной системы: ширина 51 мм, длина 60 мм, высота 20 мм. Габаритные размеры магнитопровода: 60х20: 10 мм. Габаритные размеры магнитов: 30х20х10 мм. Габаритные размеры сердечника: длина 21 мм, ширина 8 мм, высота 8 мм. Расстояние между экстремумом, соответствующим положению геометрического центра сердечника в исходном рабочем положении и ближайшим "узлом" напряженности составляло 20 мм. Зазор между сердечником и магнитной системой составлял 1,5 мм. Величина напряженности в максимуме продольного магнитного поля, а также в узлах напряженности равнялась соответственно 360 кА/м и 0 кА/м. Мощность двигателя, осуществляющего относительное перемещение сердечника, составляла 5 Вт. Относительное перемещение сердечника осуществлялось по схеме согласно фиг. 25 и 26. Продольная ось сердечника совпадала с его "механической" осью, осью легчайшего намагничивания и направлением вектора напряженности магнитного поля в зоне, соответствующей исходному рабочему положению геометрического центра сердечника.

Исполнительный элемент переместился на расстояние 15 мкм.

В отношении методов определения экстремальных точек напряженности:

экстремальные точки напряженности магнитного поля практически можно определить тремя широко известными в технике способами:

а) Компьютерный расчет топографии магнитного поля магнитной системы.

б) Измерение топографии магнитного поля в реальной магнитной системе с помощью измерителя магнитной индукции.

в) Измерение перемещения толкателя конкретного магнитомеханического преобразователя в зависимости от перемещения магнитной системы. В этом случае за начальное и конечное положение магнитной системы принимают такие ее положения, при которых диапазон перемещаемый толкателя максимален.

В отношении терминов "МАГНИТНАЯ ТЕКСТУРА" и "МАГНИТНАЯ АНИЗОТРОПИЯ":

магнитная текстура действительно является следствием магнитной анизотропии. Однако, из материала обладающего магнитной анизотропией может быть изготовлен поликристаллической слиток, обладающий или не обладающий магнитной текстурой.

Максимальной магнитострикцией обладает сердечник из монокристаллического материала при его намагничивании вдоль одной из осей легчайшего намагничивания. Сердечник, изготовленный из поликристаллического материала того же химического состава, но не имеющего текстуры, обладает значительно меньшей магнитострикцией в аналогичном магнитном поле.

С целью увеличения магнитострикции в поликристаллическом материале создают кристаллографическую текстуру таким образом, чтобы одна из осей легчайшего намагничивания каждого кристаллита практически совпадала с осью текстуры поликристалла для того, чтобы в направлении текстуры сердечник намагничивался также легко, как и монокристаллический.

Одним из способов получения такого текстурированного поликристалла, например, из соединений типа TbFe₂, является выращивание слитка по методу Чохральского. При этом одна из осей легчайшего намагничивания каждого кристаллита растет параллельно направлению вытягивания слитка.

Поэтому, с целью получения максимальной магнитострикции сердечника в п. 4 формулы изобретения указано, что сердечник выполнен из материала с магнитной текстурой и магнитной анизотропией (для текстурированного поликристалла), или магнитной анизотропией (для монокристалла).

В отношении п. 10 формулы изобретения:

в п. 10 формулы описан магнитомеханический преобразователь, схемы управления которым при различных конструктивных вариантах выполнения сердечника, приведены на фиг. 62 67. Сердечник, во-первых, выполнен составным в виде двух, трех или четырех элементов из материалов с чередующейся по знаку магнитострикцией (т. е. по схеме положительная-отрицательная-положительная или отрицательная-положительная-отрицательная). А, во-вторых, геометрические центры одновременно всех элементов сердечника предварительно размещены в "узлах" и максимумах напряженности продольного (относительно "механической" оси сердечника) магнитного поля. При относительном перемещении сердечника из исходного в конечное положение происходит одновременное перемещение геометрических центров всех элементов сердечника в соседние максимумы и "узлы" напряженности продольного магнитного поля.

При этом элемент сердечника с положительной магнитострикцией переходит, например, из максимума в "узел" напряженности продольного магнитного поля (см. фиг. 62 63, 64 65, 66 67), уменьшая при этом свою длину. Элемент сердечника с отрицательной магнитострикцией, при этом, переходит из "узла" в максимум напряженности продольного магнитного поля, также уменьшая при этом свою длину. Поэтому общее уменьшение (или увеличение) длины сердечника для данного конструктивного его выполнения будет равно сумме величин изменения длины каждого из его составных элементов. А это, в свою очередь, позволяет увеличить диапазон величины перемещения толкателя и расширяет функциональные возможности устройства (по отношению к варианту выполнения сердечника из одного элемента) практически без изменения габаритных параметров магнитной системы и преобразователя в целом.

В отношении п. 11 формулы изобретения:

в п. 11 формулы описан магнитомеханический преобразователь, схемы управления которым приведены на фиг. 68, 69 и 70, 71. Сердечник, во-первых, выполнен составным из трех последовательно расположенных вдоль "механической" оси элементов из материалов с положительной, "нулевой" (т.е. по крайней мере, на порядок меньшей по абсолютному значению в сравнении со смежными элементами) и отрицательной магнитострикцией. А, во-вторых, геометрические центры элементов сердечника с положительной и отрицательной магнитострикцией предварительно размещены в максимумах напряженности, соответственно, продольного и поперечного (относительно "механической" оси сердечника) магнитных полей. Центральный элемент сердечника с "нулевой" магнитострикцией расположен в такой зоне магнитной системы, в которой существуют одновременно и продольное и поперечное (относительно "механической" оси сердечника) магнитные поля.

При относительном перемещении сердечника из исходного в конечное положение происходит одновременное перемещение геометрических центров элементов с положительной и отрицательной магнитострикцией, соответственно, в максимум напряженности поперечного (относительно ранее указанной оси) магнитного поля и в зону с напряженностью, отличающейся не менее, чем на порядок по отношению к напряженности магнитного поля в зоне расположения геометрического центра, по меньшей мере, одного элемента сердечника в исходном рабочем положении. Центральный элемент сердечника с "нулевой" магнитострикцией перемещается в такую зону магнитной системы, в которой одновременно существуют и продольное и поперечное (относительно ранее указанной оси) магнитные поля или в зону со слабым поперечным полем (см. фиг. 71).

При этом элементы сердечника с положительной и отрицательной магнитострикцией уменьшают свою длину. Центральный элемент сердечника переходит из исходной зоны магнитной системы в практически равноценную (в отношении магнитных свойств) конечную зону, т.е. картина распределения магнитного поля в нем практически не меняется.

Поэтому, с практической точки зрения, не имеет смысла выполнять его из дорогостоящего магнитострикционного материала, т.к. для данной конструкции магнитной системы преобразователя его длина в исходном и конечном положениях практически не отличалась бы от его длины в условиях отсутствия магнитного поля вне зависимости от материала, из которого выполнен данный элемент сердечника. Следовательно, в данном конкретном случае вклад центрального элемента сердечника в изменение общего размера сердечника даже при выполнении его из магнитострикционного материала был бы пренебрежимо мал по сравнению с изменением размеров элементов сердечника смежных с ним (т.е. с положительной и отрицательной магнитострикцией).

На основании вышеизложенного для данной конкретной схемы магнитной системы преобразователя предпочтительным является выполнять центральный элемент сердечника из более дешевого материала с "нулевой" магнитострикцией.

Кроме того, как и в предыдущем случае использование описанного составного элемента сердечника позволяет увеличить диапазон перемещений толкателя магнитомеханического преобразователя (по сравнению с использованием сердечника, состоящего из одного элемента) практически без увеличения размеров его магнитной системы, что расширяет функциональные возможности данного конкретного конструктивного варианта преобразователя.

В отношении п. 12 формулы изобретения:

в п. 12 формулы указано, что модуль упругости материала элемента сердечника с "нулевой" магнитострикцией не меньше по величине модуля упругости материала любого из магнитострикционных элементов сердечника.

Это условие целесообразно соблюдать в связи с тем, что в ряде случаев преобразователь может быть использован не только в качестве устройства для обеспечения прецизионного перемещения, но и одновременно для передачи значительных усилий на соответствующие элементы кинематической цепи контактирующие с его толкателем. В этом случае элемент с "нулевой" магнитострикцией работает как силовой элемент передающий толкателю усилие вызванное изменением размеров магнитострикционных элементов сердечника. В этом случае если бы модуль упругости элемента сердечника с "нулевой" магнитострикцией был значительно меньше модуля упругости магнитострикционных элементов, то при работе магнитомеханического преобразователя при встречном усилии на толкатель диапазон перемещения последнего значительно уменьшился бы вследствие сжатия элемента сердечника с "нулевой" магнитострикцией.

Во избежание этого для элемента сердечника с "нулевой" магнитострикцией целесообразно использовать материал с модулем упругости не меньшим, чем у материала магнитострикционных элементов сердечника, вследствие чего потери в величине диапазона перемещения толкателя сводятся до минимальной величины, регламентируемой только физико-механическими свойствами материала магнитострикционных элементов.

В отношении п. 13 формулы изобретения:

этот пункт относится к фиг. 62 71.

На фиг. 62 67 все элементы сердечника выполнены одинаковой длины, т.к. при относительном перемещении сердечника один его элемент должен занимать положение другого элемента. В исходном положении геометрический центр элемента сердечника, расположенного в центре магнитной системы, находится в максимуме напряженности магнитного поля, а геометрический центр элемента сердечника, расположенного слева от него, находится в минимуме напряженности магнитного поля. Поэтому в этом случае шаг расположения геометрических центров элементов сердечника равен шагу расположения зон экстремумов напряженности магнитного поля магнитной системы.

На фиг. 68 71 элементы сердечника с положительной и отрицательной магнитострикцией выполнены одинаковой длины, т.к. при относительном перемещении сердечника один из этих элементов должен занимать положение другого элемента.

Элемент с "нулевой" магнитострикцией выполняет роль вставки и его длина может не совпадать с длиной каждого из двух других элементов. Геометрический центр элемента сердечника с положительной магнитострикцией в исходном положении находится в максимуме напряженности продольного по отношению к "механической" оси сердечника магнитного поля, а геометрический центр элемента сердечника с отрицательной магнитострикцией в максимуме напряженности поперечного по отношению к этой же оси магнитного поля. Геометрической центр элемента сердечника с "нулевой" магнитострикцией находится посередине между центрами других элементов сердечника. Поэтому в этом случае удвоенный шаг расположения геометрических центров элементов сердечника равен шагу расположения зон экстремумов напряженности магнитного поля магнитной системы.

Таким образом, отраженное в п. 13 формулы изобретения соотношение шага расположения геометрических центров элементов с шагом расположения зон экстремумов магнитного поля магнитной системы позволяет оптимизировать один из важнейших эксплуатационных параметров устройства, а именно обеспечивает достижение максимально возможной величины диапазона перемещения толкателя без какого либо увеличения габаритных параметров магнитной системы и магнитомеханического преобразователя в целом.

В отношении п. 14 формулы изобретения:

в п. 14 указано, что магнитострикционные элементы сердечника выполнены из сплавов с гигантской магнитострикцией.

Магнитомеханический преобразователь будет работать с сердечником, изготовленным из любого магнитострикционного материала, в том числе из материала с гигантской магнитострикцией.

Но преимуществом предлагаемого магнитомеханического преобразователя является возможность работы при малом энергопотреблении именно с сердечником из материала с гигантской магнитострикцией, для намагничивания которого требуется магнитное поле напряженностью более 1,5 2,0 кЭ. Для этого источник магнитного поля изготавливается из редкоземельных постоянных магнитов типа самарий-кобальт, или неодим-железо-бор.

Возможность работы с сердечником из материала с гигантской магнитострикцией является отличительной чертой предлагаемого магнитомеханического преобразователя, т.к. создание таких магнитных полей другим способом, например, с помощью соленоида, затруднительно вследствие большого потребления энергии и тепловыделения.

Что касается термина "ГИГАНТСКАЯ" магнитострикция следует отметить, что данный термин является общепринятым техническим термином и является родовым понятием для целой группы магнитрострикционных материалов на основе редкоземельных элементов. В связи с этим, по мнению заявителя, в данном случае указание конкретного значения магнитострикции не является необходимым, тем более, что выше приведены конкретные примеры материалов относящихся к данной группе.

В отношении п. 19 формулы изобретения:

иными словами в п. 19 описан сердечник "сплюснутой" формы в направлении "механической" оси, например, сердечник в форме пластины, толщина которой в направлении "механической" оси меньше ее размеров в поперечном направлении. Сердечник такой формы является предпочтительным при словом использовании магнитомеханического преобразователя т. к. такое его выполнение позволяет снизить усилие на единицу площади соответствующих (опорных) поверхностей сердечника при значительном встречном усилии на толкатель преобразователя.

Таким образом, в предлагаемом магнитомеханическом преобразователе обеспечивается изменение координаты толкателя на 15 мкм при потребляемой мощности 5 Вт (мощность двигателя, обеспечивающего относительное перемещение сердечника), при этом поддержание этой координаты в течение любого промежутка времени не требует дополнительных энергозатрат.

В прототипе при аналогичном изменении координаты толкателя (15 мкм) потребляемая мощность составляет 700 Вт, при этом в процессе поддержания этой координаты потребляемая системой мощность также составляет 700 Вт.