магнитомеханический преобразователь и способ управления магнитомеханическим преобразователем

Формула изобретения

1. Магнитомеханический преобразователь, содержащий установленные в корпусе магнитную систему с электрически соединенным с источником тока основным управляемым источником магнитного поля, сердечник, состоящий по меньшей мере из одной части, выполненной из магнитострикционного материала, а также исполнительный элемент, кинематически связанный с сердечником с возможностью перемещения относительно корпуса, при этом основной управляемый источник магнитного поля магнитной системы расположен с возможностью создания магнитного поля в зоне сердечника, отличающийся тем, что магнитная система включает дополнительный управляемый источник магнитного поля, расположенный с возможностью создания в зоне сердечника магнитного поля, вектор напряженности которого непараллелен по отношению к вектору напряженности магнитного поля основного управляемого источника магнитного поля, управляемые источники магнитного поля коммутативно соединены с источником электрического тока, а по меньшей мере одна часть сердечника выполнена из магнитострикционного материала с остаточной магнитострикцией.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что управляемые источники магнитного поля содержат обмотки возбуждения.

3. Преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что магнитная система снабжена вспомогательным источником постоянного магнитного поля, расположенным с возможностью создания в зоне сердечника постоянного магнитного поля со значением напряженности, меньшим значения напряженности магнитного поля технического насыщения материала сердечника в направлении этого постоянного магнитного поля.

4. Преобразователь по п.3, отличающийся тем, что вспомогательный источник постоянного магнитного поля выполнен в виде по меньшей мере одного постоянного магнита.

5. Преобразователь по п.4, отличающийся тем, что вспомогательный источник постоянного магнитного поля снабжен магнитопроводом и установлен на последнем со стороны расположения сердечника.

6. Преобразователь по пп.1 4 или 5, отличающийся тем, что по меньшей мере одна часть сердечника выполнена из материала с магнитной текстурой и/или магнитной анизотропией.

7. Преобразователь по пп.1 5 или 6, отличающийся тем, что сердечник установлен в корпусе с возможностью фиксированного поворота относительно его геометрической оси, совпадающей с направлением перемещения исполнительного элемента.

8. Преобразователь по пп.1 6 или 7, отличающийся тем, что сердечник состоит из двух частей, которые выполнены из магнитострикционных материалов с противоположной по знаку и различной по величине магнитострикцией, при этом длины частей сердечника выбраны из следующих условий





а магнитострикционные материалы частей сердечника удовлетворяют следующим условиям:





где L₁, L₂ длина частей сердечника;

остаточные магнитострикции первой и второй частей осердечника, магнитострикции первой и второй частей сердечника соответственно;

Н_х, Н_y напряженности магнитных полей, создаваемых основным и дополнительным управляемыми источниками магнитных полей соответственно;

максимальные значения напряженности магнитных полей, создаваемых основным и дополнительным управляемыми источниками магнитных полей соответственно.

9. Преобразователь по пп. 1 7 или 8, отличающийся тем, что в качестве магнитострикционного материала по меньшей мере одного элемента сердечника использован сплав с гигантской магнитострикцией.

10. Преобразователь по п.9, отличающийся тем, что в качестве сплава с гигантской магнитострикцией использован сплав TbFe₂ и/или S_mFe₂.

11. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что геометрическая ось по меньшей мере одной части сердечника, совпадающая с направлением перемещения исполнительного элемента, расположена вдоль оси легчайшего намагничивания материала этой по меньшей мере одной части сердечника.

12. Способ управления магнитомеханическим преобразователем, включающим магнитную систему, сердечник, выполненный из магнитострикционного материала, а также исполнительный элемент, заключающийся в том, что осуществляют процесс изменения координаты положения центра масс исполнительного элемента посредством создания в зоне сердечника основного магнитного поля и по меньшей мере однократного изменения величины напряженности этого магнитного поля в пределах от нулевого значения, до значения напряженности, обеспечивающей магнитострикцию технического насыщения материала сердечника в направлении этого основного магнитного поля, и сохраняют во времени заданное положение координаты центра масс исполнительного элемента, отличающийся тем, что основное магнитное поле в зоне сердечника создают в виде не совмещенных во времени импульсов не параллельных между собой магнитных полей, а сохранение во времени заданной координаты положения центра масс исполнительного элемента осуществляют при нулевой напряженности основного магнитного поля в зоне сердечника в период времени между упомянутыми импульсами магнитных полей и в пределах максимального остаточного изменения линейного размера сердечника, возникающего вследствие наличия в материале сердечника гистерезиса магнитострикции.

13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что в зоне сердечника создают вспомогательное постоянное магнитное поле со значением напряженности меньшим напряженности магнитного поля технического насыщения материала сердечника в направлении этого, вспомогательного магнитного поля, а сохранение во времени координаты заданного положения центра масс исполнительного элемента осуществляют в пределах максимального остаточного изменения линейного размера сердечника, возникающего вследствие наличия в материале сердечника гистерезиса магнитострикции, лимитируемого напряженностью вспомогательного постоянного магнитного поля.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники и средствам автоматики и может быть использовано в качестве задатчика регулируемых перемещений преимущественно для прецизионного позиционирования исполнительных элементов приборов, машин и механизмов.

Известен магнитомеханический преобразователь [1] содержащий магнитную систему с электрически соединенным с источником тока управляемым источником магнитного поля, выполненным в виде обмотки возбуждения, и сердечник, выполненный из магнитострикционного материала, а именно из соединения редкоземельный металл-железо, который кинематически связан с исполнительным элементом. При этом источник магнитного поля магнитной системы расположен с возможностью создания магнитного поля в зоне сердечника.

Использование в известном магнитомеханическом преобразователе источника магнитного поля в виде электрической обмотки возбуждения требует постоянного электропотребления не только для осуществления процесса изменения координаты положения центра масс исполнительного элемента, но и для сохранения во времени заданного положения координаты центра масс исполнительного элемента, что в значительной мере повышает расход электроэнергии в процессе эксплуатации. Наиболее явно указанный недостаток проявляется в тех, наиболее часто встречающихся, условиях эксплуатации, где временной период процесса сохранения заданного положения координаты центра масс исполнительного элемента в десятки раз превышает период процесса технологического изменения координаты положения упомянутого центра масс, так как в этом случае основная часть энергозатрат приходится именно на первый из упомянутых процессов, т.е. процесс сохранения во времени координаты технологически заданного положения центра масс исполнительного элемента.

Известен магнитомеханический преобразователь [2] содержащий установленные в корпусе магнитную систему с электрически соединенным с источником тока основным управляющим источником магнитного поля, сердечник, состоящий по меньшей мере из одной части, выполненной из магнитострикционного материала, а также исполнительный элемент, кинематически связанный с сердечником с возможностью перемещения относительно корпуса. При этом основной управляющий источник магнитного поля магнитной системы расположен с возможностью создания магнитного поля в зоне сердечника.

Способ управления данным известным магнитомеханическим преобразователем, включающим магнитную систему, сердечник, выполненный из магнитострикционного материала, а также исполнительный элемент, заключается в осуществлении процесса изменения координаты положения центра масс исполнительного элемента посредством создания в зоне сердечника основного магнитного поля и, по меньшей мере, однократного изменения величины напряженности этого магнитного поля в пределах от нулевого значения до значения напряженности, обеспечивающей магнитострикцию технического насыщения материала сердечника в направлении этого основного магнитного поля, и последующем сохранении во времени технологически заданного положения координаты центра масс исполнительного элемента.

К основным недостаткам известных из [2] технических решений как в части устройства, так и в части способа управления данным устройством следует отнести высокое энергопотребление в процессе эксплуатации. Объясняется это тем, что использование в известном магнитомеханическом преобразователе источника магнитного поля в виде электрической обмотки возбуждения требует постоянного электропотребления не только для осуществления процесса изменения координаты положения центра масс исполнительного элемента, но и для сохранения во времени технологически заданного положения координаты центра масс исполнительного элемента, что в значительной мере повышает расход электроэнергии в процессе эксплуатации. Наиболее явно указанный недостаток проявляется в тех, наиболее часто встречающихся, условиях эксплуатации, где временной период процесса сохранения технологически заданного положения координаты центра масс исполнительного элемента в десятки раз превышает временной период процесса технологического изменения координаты положения упомянутого центра масс, так как в этом случае основная часть энергозатрат приходится именно на первый из упомянутых процессов, т.е. процесс сохранения во времени координаты технологически заданного центра масс исполнительного элемента.

Более того, для упомянутых 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 известных магнитомеханических преобразователей в системах прецизионного позиционирования.

В основу изобретения была положена задача создания такого магнитомеханияеского преобразователя, принципиальные конструктивные особенности которого позволили бы осуществлять управление данным магнитомеханическим преобразователем с минимальными энергозатратами за счет снижения энергопотребления в процессе изменения координаты положения центра масс исполнительного элемента и полного исключения энергопотребления в процессе сохранения во времени технологически заданного положения координаты центра масс исполнительного элемента.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в отношении устройства в магнитомеханическом преобразователе, содержащем установленные в корпусе магнитную систему с электрически соединенным с источником тока основным управляемым источником магнитного поля, сердечник, состоящий по меньшей мере из одной части, выполненной из магнитострикционного материала, а также исполнительный элемент, кинематически связанный с сердечником с возможностью перемещения относительно корпуса, при этом основной управляемый источник магнитного поля магнитной системы расположен с возможностью создания магнитного поля в зоне сердечника, согласно изобретению магнитная система включает дополнительный управляемый источник магнитного поля, расположенный с возможностью создания в зоне сердечника магнитного поля, вектор напряженности которого направлен по отношению к вектору напряженности магнитного поля основного управляемого источника магнитного поля, управляемые источники магнитного поля коммутативно соединены с источником электрического тока, а по меньшей мере одна часть сердечника выполнена из магнитострикционного материала с остаточной магнитострикцией.

Целесообразно чтобы управляемые источники магнитного поля содержали электрические обмотки возбуждения.

Допустимо магнитную систему снабжать вспомогательным источником постоянного магнитного поля, расположенным с возможностью создания в зоне сердечника постоянного магнитного поля со значением напряженности, меньшим напряженности магнитного поля технического насыщения материала сердечника в направлении упомянутого постоянного магнитного поля.

Оптимально вспомогательный источник постоянного магнитного поля выполнять в виде по меньшей мере одного постоянного магнита.

Наиболее эффективно вспомогательный источник постоянного магнитного поля, выполненный в виде по меньшей мере одного постоянного магнита, снабжать магнитопроводом и устанавливать на последнем упомянутый источник постоянного магнитного поля со стороны расположения сердечника.

Целесообразно по меньшей мере одну часть сердечника выполнять из материала с магнитной текстурой и/или магнитной анизотропией.

Наиболее оптимально сердечник устанавливать в корпусе с возможностью фиксированного поворота относительно его геометрической оси, совпадающей с направлением перемещения исполнительного элемента.

В ряде конкретных условий эксплуатации необходимо чтобы сердечник состоял преимущественно из двух частей, которые в этом случае выполняют из магнитострикционных материалов с противоположной по знаку и различной по величине магнитострикцией, при этом длины частей сердечника выбирают из следующих условий:

L₁Л_r1 + L₂Л_r2 L₁Л₁(H_x) + L₂Л₂(H_x) 0 при 0H_xH_{x max},

L₁Л_r1 + L₂Л_r2 L₁Л₁(H_y) + L₂Л₂(H_y) + L₂Л₂(H_y) 0 при 0H_yH_{y max}, а магнитострикционные материалы упомянутых частей сердечника должны удовлетворять следующим условиям:



где L₁, L₂ длины частей сердечника;

Л_r1, Л_r2, Л₁, Л₂ остаточные магнитострикции первой и второй частей сердечника, магнитострикции первой и второй частей сердечника соответственно;

H_x, H_y напряженности магнитных полей, создаваемых основным и дополнительным управляемыми источниками магнитных полей соответственно;

H_{x max}, H_{y max} максимальные значения напряженности магнитных полей, создаваемых основным и дополнительным управляемыми источниками магнитных полей соответственно.

Целесообразно в качестве магнитострикционного материала по меньшей мере одного элемента сердечника использовать сплав с гигантской магнитострикцией, например сплав TbFe₂ и/или SmFe₂.

Оптимально, чтобы геометрическая ось по меньшей мере одной части сердечника, совпадающая с направлением перемещения исполнительного элемента, была расположена вдоль оси легчайшего намагничивания материала этой, по меньшей мере, одной части сердечника.

В способе управления магнитомеханическим преобразователем, включающем магнитную систему, сердечник, выполненный из магнитострикционного материала, а также исполнительный элемент, согласно которому осуществляют процесс изменения координаты положения центра масс исполнительного элемента посредством создания в зоне сердечника основного магнитного поля и, по меньшей мере, однократного изменения величины напряженности этого магнитного поля в пределах от нулевого значения до значения напряженности, обеспечивающей магнитострикцию технического насыщения материала сердечника в направлении этого основного магнитного поля, и сохраняют во времени заданное положение координаты центра масс исполнительного элемента, согласно изобретению основное магнитное поле в зоне сердечника создают в виде не совмещенных во времени импульсов непараллельных между собой магнитных полей, а сохранение во времени заданных положений центра масс исполнительного элемента осуществляют при нулевой напряженности основного магнитного поля в зоне сердечника в период времени между упомянутыми импульсами непараллельных магнитных полей и в пределах максимального остаточного изменения линейного размера сердечника, возникающего вследствие наличия в материале сердечника гистерезиса магнитострикции.

Для конкретных магнитострикционных материалов сердечника, обладающих малой величиной остаточной магнитострикции, целесообразно в зоне сердечника создать вспомогательное постоянное магнитное поле со значением напряженности, меньшим напряженности магнитного поля технического насыщения данного, конкретного материала сердечника в направлении этого, вспомогательного, магнитного поля, при этом сохранение во времени координаты заданного положения центра масс исполнительного элемента осуществляют в пределах максимального остаточного изменения линейного размера сердечника, возникающего вследствие наличия в материале сердечника гистерезиса магнитострикции, лимитируемого напряженностью вспомогательного постоянного магнитного поля.

Проведенный анализ уровня техники (как в отношении устройства, так и в отношении способа), включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленных объектов изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружены аналоги, характеризующиеся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленных объектов изобретения, а выбранный из перечня выявленных аналогов прототип, как наиболее близкий по совокупности существенных признаков аналог, для патентуемых объектов изобретения позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленных объектах изобретения, изложенных в основных пунктах формулы изобретения.

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

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

В частности, заявленными объектами изобретения не предусматриваются следующие преобразования известного объекта-прототипа (как в отношении устройства, так и в отношении способа):

дополнение известного объекта каким-либо известным признаком, присоединенным к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений;

замена какого-либо признака известного объекта другим известным признаком для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;

исключение какого-либо признака известного объекта с одновременным исключением обусловленной наличием этого признака функции и достижением при этом известного (из уровня техники) для такого исключения результата;

увеличение количества однотипных признаков в патентуемом объекте изобретения по отношения к известному для усиления технического результата, обусловленного наличием в известных (из уровня техники) объектах именно таких признаков;

выполнение известного объекта или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами материала (исключительно для объекта патентования "устройство");

создание объекта, включающего в себя известные (из уровня техники) признаки, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных (из уровня техники) правил, а достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами известных (из уровня техники) признаков этого объекта и связей между ними.

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

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при промышленном использовании заявленных объектов изобретения следующей совокупности условий:

промышленные объекты, практически воплощающие заявленные технические решения при их осуществлении, предназначены для использования преимущественно в области электротехники и средств автоматики;

для заявленных объектов изобретения (в том виде, как они охарактеризованы в независимых пунктах формулы изобретения) подтверждена возможность их практического осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных на дату приоритета средств и методов;

объекты, воплощающие заявленные изобретения, при их практическом (промышленном) осуществлении способны обеспечить достижение усматриваемого технического результата.

Следовательно, заявленные объекы изобретения соответствуют требованию критерия патентоспособности "промышленная применимость" по действующему законодательству.

На фиг. 1 изображен один из возможных (согласно общей принципиальной конструкции по п. 1 формулы изобретения) вариантов конструктивного выполнения магнитомеханического преобразователя; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 показан другой возможный вариант конструктивного выполнения магнитомеханического преобразователя, в котором магнитная система снабжена вспомогательным источником постоянного магнитного поля; на фиг. 4 разрез Б-Б на фиг. 3; на фиг. 5 изображен еще один возможный вариант конструктивного выполнения магнитомеханического преобразователя, в котором сердечник состоит из двух частей, выполненных из магнитострикционных материалов с противоположной по знаку и различной по величине магнитострикцией; на фиг. 6 - разрез В-В на фиг. 5; на фиг. 7 изображен в аксонометрии один из возможных вариантов конструктивного выполнения вспомогательного источника постоянного магнитного поля в соответствии с фиг. 3, 4 и фиг. 5, 6; на фиг. 8, 9, 10, 11 и 12 графически показаны петли гистерезиса зависимости магнитострикционного изменения длины сердечника или, что равнозначно, изменения координаты центра масс исполнительного элемента от напряженности основного магнитного поля в зоне сердечника в отсутствии (фиг. 8, 9 и 12) и при наличии (фиг. 10 и 11) вспомогательного магнитного поля для некоторых возможных (согласно общему принципу управления в соответствии с п. 12 формулы изобретения) вариантов осуществления управления патентуемым магнитомеханическим преобразователем (ортогональные оси H_x, H_y и L_x на всех фигурах, за исключением фиг. 10, для лучшего зрительного восприятия условно показаны в одной плоскости).

Величина магнитострикционного изменения длины сердечника вдоль оси X, совпадающей с направлением перемещения исполнительного элемента, строго соответствует изменению координаты центра масс исполнительного элемента вследствие наличия между сердечником и исполнительным элементом жесткой кинематической связи. На основании этого все дальнейшие рассуждения, в частности осуществления способов управления магнитомеханическим преобразователем, целесообразно производить применительно к изменению координаты положения центра масс исполнительного элемента.

Магнитомеханический преобразователь (см. фиг. 1 и 2) содержит корпус 1, установленные в корпусе 1 магнитную систему с электрически соединенными с источником тока (на фигурах не показан) основным и дополнительным управляемыми источниками 2 и 3 соответственно магнитного поля, сердечник 4, а также исполнительный элемент 5, выполненный преимущественно из магнитного материала, кинематически связанный с сердечником 4 с возможностью перемещения относительно корпуса 1 и подпружиненный относительно корпуса 1 посредством упругого элемента 6.

Основной и дополнительные управляемые источники 2 и 3 магнитного поля магнитной системы расположены с возможностью создания магнитного поля в зоне сердечника 4, при этом вектор напряженности дополнительного управляемого источника 3 магнитного поля ориентирован в пространстве непараллельно по отношению к вектору напряженности магнитного поля основного управляемого источника 2 магнитного поля.

Основной и дополнительный управляемые источники 2 и 3 соответственно магнитного поля коммутативно соединены с (не показанным) источником электрического тока с возможностью создания в зоне сердечника 4 основного магнитного поля в виде несовмещенных во времени импульсов непараллельных между собой магнитных полей.

Принципиальная схема коммутативной электрической связи основного и дополнительного источников 2 и 3 магнитного поля (обеспечивающая вышеупомянутое создание в зоне сердечника 4 основного магнитного поля в виде не совмещенных во времени импульсов непараллельных между собой магнитных полей) в графических материалах не показана, поскольку она может быть реализована посредством общеизвестных из уровня техники устройств (см. Политехнический словарь. /Под ред. академика И.И.Артоболевского. М. Советская энциклопедия, 1976 г. стр. 219, 220, 227, 423, 424) и не является объектом патентования в рамках настоящей заявки на изобретение.

Основной и дополнительный управляемые источники 2 и 3 соответственно магнитного поля могут содержать, например, электрические обмотки возбуждения (т.е. могут быть выполнены в виде соленоидов, катушек Гельмгольца и т.п.).

Сердечник 4 состоит по меньшей мере из одной части 7, выполненной из магнитострикционного материала, обладающего остаточной магнитострикцией.

Магнитомеханический преобразователь согласно варианту конструктивного исполнения по фиг. 3 и 4 отличается от ранее описанного варианта конструктивного исполнения по фиг.1 и 2 тем, что магнитная система снабжена вспомогательным источником 8 постоянного магнитного поля, который расположен с возможностью создания в зоне сердечника постоянного магнитного поля со значением напряженности, меньшим напряженности магнитного поля технического насыщения материала сердечника в направлении упомянутого постоянного магнитного поля. Это обеспечивает возможность максимального увеличения диапазона перемещения центра масс исполнительного элемента 5 вследствие создания в зоне сердечника 4 постоянного магнитного поля с напряженностью H_xp, соответствующего наибольшему значению гистерезиса магнитострикционного остаточного изменения линейного размера (длины) сердечника.

Вспомогательный источник 8 постоянного магнитного поля может быть выполнен, например, в виде одного или нескольких постоянных магнитов 9, установленных на магнитопроводе 10 со стороны расположения сердечника 4. Это позволяет снизить энергозатраты при эксплуатации за счет исключения использования электроэнергии от внешнего источника, поскольку постоянные магниты являются автономными источниками постоянного магнитного поля.

Магнитомеханический преобразователь согласно варианту конструктивного исполнения по фиг. 5 и 6 отличается от ранее описанного варианта конструктивного исполнения по фиг.3 и 4 тем, что сердечник 4 состоит из двух частей 7 и 11, которые выполнены из магнитострикционных материалов с противоположной по знаку и различной по величине магнитострикцией.

В этом случае длины частей 7 и 11 сердечника 4 должны быть выбраны из следующих условий:

L₁Л_r1 + L₂Л_r2 L₁Л₁(H_x) + L₂Л₂(H_x) 0 при 0 H_x H_xmax,

L₁Л_r1 + L₂Л_r2 L₁Л₁(H_y) + L₂Л₂(H_y) 0 при 0 H_y H_{y max},

а магнитострикционные материалы упомянутых частей 7 и 11 сердечника 4 должны удовлетворять следующим условиям:



где L₁, L₂ длины частей 7 и 11 сердечника 4;

Л_r1, Л_r2, Л₁, Л₂ остаточные магнитострикции частей 7 и 11 сердечника 4, магнитострикции частей 7 и 11 сердечника 4 соответственно;

H_x, H_y напряженности магнитных полей, создаваемых основным и дополнительным управляемыми источниками 2 и 3 магнитных полей соответственно;

H_{x max}, H_{y max} максимальные значения напряженности магнитных полей, создаваемых основным и дополнительным управляемыми источниками 2 и 3 магнитных полей соответственно.

Соблюдение вышеупомянутых условий позволяет обеспечить монотонное перемещение исполнительного элемента 5 при создании в зоне сердечника 4 импульсов основного магнитного поля, т.е. позволяет обеспечить нахождение центра масс исполнительного элемента 5 во время упомянутых импульсов магнитного поля в диапазоне, ограниченном положениями центра масс исполнительного элемента 5 до и после упомянутых импульсов основного магнитного поля, генерируемых основным и дополнительным источниками 2 и 3 соответственно магнитного поля.

Кроме того, для всех возможных вариантов конструктивного выполнения патентуемого магнитомеханического преобразователя целесообразно выполнение следующих условий.

Дополнительный источник 3 магнитного поля преимущественно устанавливается на прокладках 12, выполненных из магнитного диэлектрического или шихтованного материала.

Сердечник 4 устанавливается в корпусе 1 с возможностью фиксированного поворота относительно его геометрической оси, совпадающей с направлением перемещения исполнительного элемента 5. За счет этого обеспечивается максимальное увеличение диапазона допустимых перемещений исполнительного элемента 5.

В качестве магнитострикционного материала по меньшей мере одной части 7, 11 сердечника 4 используется сплав с гигантской магнитострикцией, например сплав TbFe₂ и/или SmFe₂. За счет этого обеспечивается увеличение диапазона перемещений исполнительного элемента 5 по сравнению с использованием традиционных магнитострикционных материалов, таких как никель, пермендюр, альфер и т.д.

Сердечник выполняется из материала с магнитной текстурой и/или магнитной анизотропией, а геометрическую ось по меньшей мере одной части 7, 11 сердечника 4, совпадающую с направлением перемещения исполнительного элемента 5, располагают вдоль оси легчайшего намагничивания материала этой, по меньшей мере, одной части 7, 11 сердечника 4. Это обеспечивает максимальное увеличение диапазона возможных перемещений центра масс исполнительного элемента 5.

Кроме того, на фиг. 7 вектор 13 намагниченности постоянных магнитов 9 и линии 14 магнитной индукции магнитного поля, генерируемого вспомогательным источником 8 постоянного магнитного поля, условно показаны сплошными и штрихпунктирными соответственно стрелками.

Принцип работы патентуемого магнитомеханического преобразователя раскрывается ниже совместно с конкретным описанием способа управления данным магнитомеханическим преобразователем и с подробным раскрытием некоторых технологических особенностей патентуемого способа управления (регламентируемых конструктивными особенностями патентуемого магнитомеханического преобразователя), подтверждающих промышленную применимость патентуемых объектов изобретения (как в отношении устройства, так и в отношении способа).

До начала осуществления способа управления магнитомеханическим преобразователем согласно изобретению целесообразно предварительно (т.е. перед началом эксплуатации) экспериментальным путем определить оптимальное (для конкретных условий эксплуатации) положение сердечника 4 в окружном направлении относительно его продольной геометрической оси, совпадающей с направлением перемещения исполнительного элемента 5, и закрепить сердечник 4 в искомом, оптимальном положении перед началом реализации патентуемого способа управления магнитомеханическим преобразователем.

Это позволяет обеспечить максимальную величину диапазона возможных перемещений центра масс исполнительного элемента.

Непосредственно способ управления магнитомеханическим преобразователем согласно изобретению (в соответствии с общими физическими принципами его осуществления) заключается в следующем.

В магнитомеханическом преобразователе, включающем магнитную систему, сердечник 4, выполненный из магнитострикционного материала, а также исполнительный элемент 5, осуществляют процесс изменения координаты положения центра масс исполнительного элемента 5 посредством создания в зоне сердечника 4 основного магнитного поля, по меньшей мере, однократного изменения величины напряженности этого, основного, магнитного поля в пределах от нулевого значения до значения напряженности, обеспечивающей магнитострикцию технического насыщения материала сердечника 4 в направлении этого, основного, магнитного поля, и сохраняют во времени заданное положение координаты центра масс исполнительного элемента 5.

При этом основное магнитное поле в зоне сердечника 4 создают (посредством управляемых основного и дополнительного источников 2 и 3 соответственно магнитного поля, коммутативно соединенных с источником электрического тока) в виде не совмещенных во времени импульсов непараллельных между собой магнитных полей, а сохранение во времени заданных положений центра масс исполнительного элемента 5 осуществляют при нулевой напряженности основного магнитного поля в зоне сердечника 4 в период времени между упомянутыми импульсами непараллельных магнитных полей (создаваемых основным и дополнительным источниками 2 и 3 соответственно магнитного поля) и в пределах величины ²L_{x max,} соответствующей максимальному остаточному изменению линейного размера сердечника 4, возникающему вследствие наличия в материале сердечника эффекта остаточной магнитострикции.

В случае выполнения сердечника 4 из материала с малой (т.е. недостаточной для конкретных условий эксплуатации) величиной ²L_{x max,} соответствующей максимальному остаточному изменению линейного размера сердечника 4, целесообразно в зоне сердечника 4 создавать вспомогательное постоянное магнитное поле (посредством вспомогательного источника 8 постоянного магнитного поля) со значением напряженности, меньшим напряженности магнитного поля технического насыщения материала сердечника 4 в направлении этого, вспомогательного, магнитного поля.

При этом сохранение во времени координаты заданного положения центра масс исполнительного элемента 5 осуществляют в пределах величины ²L¹_{x max,} соответствующей искусственно созданному максимальному остаточному изменению линейного размера сердечника 4, возникающему вследствие наличия в материале сердечника эффекта остаточной магнитострикции, и лимитируемой напряженностью вспомогательного постоянного магнитного поля, генерируемого вспомогательным источником 8 постоянного магнитного поля.

Более подробное описание работы патентуемого магнитомеханического преобразователя и различных типовых способов управления данным магнитомеханическим преобразователем рассматривается ниже с отсылками на конкретные конструктивные исполнения магнитомеханического преобразователя.

Магнитомеханической преобразователь согласно варианту конструктивного исполнения по фиг. 1 и 2 работает следующим образом.

В исходном состоянии центр масс исполнительного элемента 5 находится в неопределенном положении, т. е. его координата может соответствовать любой произвольной точке в пределах отрезка, ограниченного точками 1-10 (см. фиг. 8), соответствующей максимальной величине ²L_{x max,} остаточного магнитострикционного изменения линейного размера сердечника 4 (т.е. соответствующего диапазону сохраняемых во времени заданных положений центра масс исполнительного элемента 5).

Например, центр масс сердечника 4 находится в положении, соответствующем точке 10. Для осуществления перемещения центра масс исполнительного элемента 5 из положения, соответствующего точке 10, в положение, соответствующее точке 1, в зоне сердечника 4 посредством дополнительного управляемого источника 3 магнитного поля создают импульс магнитного поля с величиной напряженности H_y4, не меньшей значения напряженности магнитного поля технического насыщения материала сердечника.

При данном значении напряженности (H_y4) магнитного поля центр масс исполнительного элемента 5 переместится в положение с координатой -L_x4, соответствующей точке 4 (фиг. 8).

После уменьшения в зоне сердечника 4 напряженности этого магнитного поля до нулевого значения (напряженность магнитного поля H_y=0) центр масс исполнительного элемента 5 самопроизвольно перемещается в положение, соответствующее точке 1, и будет находиться в этом фиксированном положении (т.е. в положении, соответствующем точке 1) неограниченно долгий промежуток времени.

На фиг. 8 циклу перехода центра масс исполнительного элемента 5 из положения, соответствующего точке 10, в положение, соответствующее точке 1 (через точку 4 с координатой -L_x4), соответствует криволинейный отрезок 10-4-1 петли гистерезиса.

Цикл перемещения центра масс исполнительного элемента 5 из положения, соответствующего точке 1, в положение, соответствующее точке 3, осуществляется за счет создания в зоне сердечника 4 посредством основного управляемого источника 2 магнитного поля импульса основного магнитного поля с величиной напряженности H_x2, при этом векторы напряженности импульсов магнитных полей, создаваемых основным и дополнительным источниками 2 и 3 соответственно магнитных полей, должны быть расположены в пространстве непараллельно, например взаимно перпендикулярно.

При данном значении напряженности (H_x2) магнитного поля центр масс исполнительного элемента 5 переместится в положение с координатой L_x2 (фиг. 8).

После снижения в зоне сердечника 4 напряженности этого магнитного поля до нулевого значения (напряженность магнитного поля H_x=0) центр масс исполнительного элемента 5 самопроизвольно перемещается в положение, соответствующее точке 3, и будет находиться в этом фиксированном положении (т.е. в положении, соответствующем точке 3) неограниченно долгий промежуток времени.

На фиг. 8 циклу перехода центра масс исполнительного элемента 5 из положения, соответствующего точке 1, в положение, соответствующее точке 3 (через положение с координатой L_x2, соответствующей точке 2), соответствует криволинейный отрезок 1-2-3 петли гистерезиса.

Процесс осуществления возврата центра масс исполнительного элемента 5 из положения, соответствующего точке 3, в положение, соответствующее точке 1 (исходное положение), осуществляется абсолютно идентично вышеописанному циклу перехода центра масс из положения, соответствующего точке 10, в положение, соответствующее точке 1 (т. е. через положение с координатой -L_x4, соответствующей точке 4, при создании в зоне сердечника 4 посредством дополнительного управляемого источника 3 магнитного поля импульса основного магнитного поля с величиной напряженности H_y4 и уменьшения этого значения напряженности до величины H_y=0).

На фиг. 8 циклу перехода центра масс исполнительного элемента 5 из положения, соответствующего точке 3, в положение, соответствующее точке 1 (через положение с координатой -L_x4, соответствующей точке 4), соответствует криволинейный отрезок 3-4-1 петли гистерезиса.

Процессы перемещения центра масс исполнительного элемента 5 из положения, соответствующего точке 1, в положения, соответствующие точкам 6, 8, 10, а также возврат упомянутого центра масс в исходное положение (соответствующее точке 1) с физической точки зрения осуществляются аналогично вышеописанным циклам перемещения центра масс из положения, соответствующего точке 1, в положение, соответствующее точке 3, и его возврата из положения, соответствующего точке 3, в исходное положение (соответствующее точке 1) соответственно. А именно

перемещение центра исполнительного элемента 5 из положения, соответствующего точке 1, в положение, соответствующее точке 6, осуществляется за счет создания в зоне сердечника 4 посредством основного управляемого источника 2 магнитного поля импульса основного магнитного поля с величиной напряженности H_x5 и уменьшения напряженности этого поля до величины H_x=0; указанный цикл осуществляется через положение с координатой -L_x5, соответствующей точке 5, и характеризуется криволинейным участком 1-5-6 петли гистерезиса; возврат центра масс исполнительного элемента 5 из положения, соответствующего точке 6, в положение, соответствующее точке 1, осуществляется за счет создания в зоне сердечника 4 посредством дополнительного управляемого источника 2 магнитного поля импульса основного магнитного поля с величиной напряженности H_y4 и уменьшения напряженности этого поля до величины H_y= 0; указанный цикл осуществляется через положение с координатой -L_x4 соответствующей точке 4, и характеризуется криволинейным участком 6-4-1 петли гистерезиса;

перемещение центра масс исполнительного элемента 5 из положения, соответствующего точке 1, в положение, соответствующее точке 8, осуществляется за счет создания в зоне сердечника 4 посредством основного управляемого источника 2 магнитного поля импульса основного магнитного поля с величиной напряженности H_x7 и уменьшения напряженности этого поля до величины H_x=0; указанный цикл осуществляется через положение с координатой L_x7 соответствующей точке 7, и характеризуется криволинейным участком 1-7-8 петли гистерезиса; возврат центра масс исполнительного элемента 5 из положения, соответствующего точке 8, в положение, соответствующее точке 1, осуществляется за счет создания в зоне сердечника 4 посредством дополнительного управляемого источника 2 магнитного поля импульса основного магнитного поля с величиной напряженности H_y4 и уменьшения напряженности этого поля до величины H_y= 0; указанный цикл осуществляется через положение с координатой -L_x4, соответствующей точке 4, и характеризуется криволинейным участком 8-4-1 петли гистерезиса;

перемещение центра масс исполнительного элемента 5 из положения, соответствующего точке 1, в положение, соответствующее точке 10, осуществляется за счет создания в зоне сердечника 4 посредством основного управляемого источника 2 магнитного поля импульса основного магнитного поля с величиной напряженности H_x9 (не меньшей величины напряженности магнитного поля технического насыщения материала сердечника 4) и уменьшения напряженности этого поля до величины H_x=0; указанный цикл осуществляется через положение с координатой L_x9, соответствующей точке 9, и характеризуется криволинейным участком 1-9-10 петли гистерезиса; возврат центра масс исполнительного элемента 5 из положения, соответствующего точке 10, в положение, соответствующее точке 1, описан выше.

Таким образом, полный цикл перемещения центра масс исполнительного элемента 5 из положения, соответствующего точке 10, в положение, соответствующее точке 1, и обратно завершается, после чего может быть осуществлен неограниченное число раз повторно, причем величина шага перемещения центра масс (в пределах величины ²L_{x max} зоны максимального остаточного магнитострикционного изменения линейного размера сердечника 4) может быть неограниченно малой.

На фиг. 9 показана еще одна схема управления конструктивным вариантом выполнения магнитомеханического преобразователя по фиг. 1 и 2, которая (с энергетической точки зрения) является более экономичной по сравнению со схемой управления по фиг. 8 и которая может быть использована в тех случаях, когда определяющим принципом работы магнитомеханического преобразователя является лишь величина перемещения центра масс исполнительного элемента 5 безотносительно к какому-либо начальному (исходному) положению центра масс.

То есть, согласно данной схеме управления для осуществления перемещения центра масс исполнительного элемента 5 (в пределах зоны с величиной ²L_{x max}) не требуется циклический возврат центра масс в исходное положение (точку 1).

Управление магнитомеханическим преобразователем согласно схеме управления по фиг. 9 осуществляется следующим образом:

перемещение центра масс исполнительного элемента 5 из положения, соответствующего точке 1, в положение, соответствующее точке 3, осуществляется за счет создания в зоне сердечника 4 посредством основного управляемого источника 2 магнитного поля импульса основного магнитного поля с величиной напряженности H_x2 и уменьшения напряженности этого поля до величины H_x=0; указанный цикл осуществляется через положение с координатой L_x2, соответствующей точке 2, и характеризуется криволинейным участком 1-2-3 петли гистерезиса;

перемещение центра масс исполнительного элемента 5 из положения, соответствующего точке 3, в положение, соответствующее точке 5, осуществляется за счет создания в зоне сердечника 4 посредством основного управляемого источника 2 магнитного поля импульса основного магнитного поля с величиной напряженности H_x4 и уменьшения напряженности этого поля до величины H_x=0; указанный цикл осуществляется через положение с координатой -L_x4, соответствующей точке 4, и характеризуется криволинейным участком 3-2-4-5 петли гистерезиса;

перемещение центра масс исполнительного элемента 5 из положения, соответствующего точке 5, в положение, соответствующее точке 7, осуществляется за счет создания в зоне сердечника 4 посредством дополнительного управляемого источника 3 магнитного поля импульса основного магнитного поля с величиной напряженности H_y6 и уменьшения напряженности этого поля до величины H_y=0; указанный цикл осуществляется через положение с координатой L_x6, соответствующей точке 6, и характеризуется криволинейным участком 5-6-7 петли гистерезиса;

перемещение центра масс исполнительного элемента 5 из положения, соответствующего точке 7, в положение, соответствующее точке 9, осуществляется за счет создания в зоне сердечника 4 посредством основного управляемого источника 2 магнитного поля импульса основного магнитного поля с величиной напряженности H_x8 (не меньшей величины напряженности магнитного поля технического насыщения материала сердечника 4) и уменьшения напряженности этого поля до величины H_x=0; указанный цикл осуществляется через положение с координатой L_x8, соответствующей точке 8, и характеризуется криволинейным участком 7-2-4-8-9 петли гистерезиса;

перемещение центра масс исполнительного элемента 5 из положения, соответствующего точке 9, в положение, соответствующее точке 11, осуществляется за счет создания в зоне сердечника 4 посредством дополнительного управляемого источника 3 магнитного поля импульса основного магнитного поля с величиной напряженности H_y10 и уменьшения напряженности этого поля до величины H_y=0; указанный цикл осуществляется через положение с координатой L_x10, соответствующей точке 10, и характеризуется криволинейным участком 9-10-11 петли гистерезиса;

перемещение центра масс исполнительного элемента 5 из положения, соответствующего точке 11, в положение, соответствующее точке 1, осуществляется за счет создания в зоне сердечника 4 посредством дополнительного управляемого источника 3 магнитного поля импульса основного магнитного поля с величиной напряженности H_y12 и уменьшения напряженности этого поля до величины H_y= 0; указанный цикл осуществляется через положение с координатой -L_x12 и характеризуется криволинейным участком 11-19-12-1 петли гистерезиса.

Таким образом, полный цикл перемещения центра масс исполнительного элемента 5 из положения, соответствующего точке 1, в положение, соответствующее точке 9, и обратно завершается, после чего может быть осуществлен неограниченное число раз повторно. Причем величина шага перемещения центра масс (в пределах зоны с величиной ²L_{x max}) может быть неограниченно малой.

На фиг. 10 и 11 показана схема управления конструктивным вариантом выполнения магнитомеханического преобразователя по фиг. 3 и 4, которая может быть использована в тех случаях, когда величина ²L_{x max} зоны естественного остаточного магнитострикционного изменения линейного размера сердечника 4 недостаточна (мала) для осуществления магнитомеханическим преобразователем своих технологических функций (в части величины перемещения исполнительного элемента 5).

В этом случае в зоне сердечника 4 создают посредством вспомогательного источника 8 постоянного магнитного поля вспомогательное постоянное магнитное поле (после подмагничивания) с величиной напряженности, меньшей величины напряженности магнитного поля технического насыщения материала сердечника 4 в направлении этого постоянного магнитного поля.

При этом обеспечивается возможность перемещения центра масс исполнительного элемента 5 магнитомеханического преобразователя в пределах величины ²L¹_{x max} зоны искусственно обеспечиваемого остаточного магнитострикционного изменения линейного размера сердечника 4 (лимитируемой величиной напряженности упомянутого постоянного магнитного поля), которая может быть значительно больше величины ²L_{x mac}.

На фиг. 10 сплошной замкнутой линией показана предельная петля гистерезиса изменения линейного размера сердечника (соответствующая изменению координаты центра масс исполнительного элемента), аналогичная предельной петле гистерезиса, показанной на фиг. 8, при отсутствии в зоне сердечника 4 постоянного магнитного поля подмагничивания.

На этой же фиг. 10 пунктирной линией показана часть предельной петли гистерезиса, лежащая в плоскости, проходящей через точку с координатой H_x= H_xp перпендикулярно оси H_x абсцисс, соответствующая наличию в зоне сердечника 4 постоянного поля подмагничивания с величиной напряженности H_x=H_xp (направление вектора напряженности которого совпадает с направлением вектора напряженности магнитного поля, генерируемого основным управляемым источником 2 магнитного поля), созданного вспомогательным источником 8 магнитного поля, т.е. при изменении в зоне сердечника 4 напряженности магнитного поля с величины H_x=0 до величины H_x=H_xp.

Предельная петля гистерезиса, соответствующая наличию в зоне сердечника 4 вспомогательного постоянного магнитного поля (поля подмагничивания) с величиной H_xp напряженности, проходит через точки 1-9-10-4. Эта петля гистерезиса соответствует варианту выполнения магнитомеханического преобразователя, показанного на фиг. 3 и 4.

Управление магнитомеханическим преобразователем, изображенным на фиг. 3 и 4, по схеме управления, показанной на фиг. 11 (т.е. в осях координат H¹_x, H¹_y, L¹_x), осуществляется абсолютно идентично управлению магнитомеханическим преобразователем, изображенным на фиг. 1 и 2, по схеме управления, показанной на фиг. 8 и подробно описанной выше.

Управление конструктивным вариантом магнитомеханического преобразователя, изображенным на фиг. 5 и 6, может быть осуществлено согласно любой из вышеописанных схем управления без каких-либо изменений, в связи с чем подробно не раскрывается в настоящей заявке.

Однако следует отметить, что конструктивная особенность данного варианта выполнения магнитомеханического преобразователя (выполнение сердечника составным из двух частей) при использовании любой из ранее описанных схем управления гарантированно обеспечивает ограничение величины диапазона перемещения центра масс исполнительного элемента 5 в заданных пределах, что расширяет его эксплуатационные возможности.

Физический принцип ограничения величины диапазона перемещения центра масс исполнительного элемента 5 в заданных пределах в варианте исполнения магнитомеханического преобразователя по фиг. 5 и 6 графически проиллюстрирован на фиг. 12, где приведены зависимости изменения длины L_x сердечника 4 от напряженности H_x и H_y магнитных полей, ориентированных соответственно вдоль продольной и поперечной осей сердечника 4, части 7 и 11 которого выполнены из сплавов системы (Tb, Dy, Er)Fe₂ и (Sm, Dy)Fe₂ с длинами 10 мм и 12 мм соответственно. Кривые I и II на фиг. 12 показывают зависимости L_x от H_x и H_y для отдельных частей 7 и 11 сердечника 4 соответственно. Кривая III является результирующей от сложения магнитострикционных изменений длины обеих частей 7 и 11 сердечника 4 магнитомеханического преобразователя в процессе управления им согласно одной из вышеописанных схем управления.

Следует также отметить, что в вариантах конструктивного выполнения магнитомеханического преобразователя по фиг. 3, 4 и фиг. 5, 6, согласно которым в зоне сердечника 4 создается (посредством вспомогательного источника 8 постоянного магнитного поля) постоянное поле подмагничивания, целесообразно обеспечить предварительно напряженное состояние в материале сердечника 4. В этом случае появляется возможность увеличить величину ²L¹_{x max} зоны максимального остаточного изменения линейного размера сердечника 4, лимитируемую величиной напряженности упомянутого постоянного магнитного поля (поля подмагничивания).

В этом случае в материале сердечника создают растягивающее или сжимающее напряжение и экспериментальным путем, изменяя величину, знак и направление прилагаемого к сердечнику 4 усилия, подбирают такое значение механического напряжения в материале сердечника, которое соответствует наибольшей величине ²L_{x max} (или ²L¹_{x max}) зоны максимального остаточного изменения линейного размера сердечника 4.

Таким образом, патентуемое изобретение может быть использовано в области электротехники и средств автоматики, а именно может быть использовано, например, в качестве задатчика регулируемых перемещений для прецизионного позиционирования исполнительных элементов приборов, машин и механизмов, в том числе 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, перемещения 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 прочих приборах, механизмах и устройствах, требующих обеспечения высокой точности позиционирования исполнительных органов.