RU2061294C1

RU2061294C1 - Angular-displacement magnetostrictor

Info

Publication number: RU2061294C1
Application number: RU9292002507A
Authority: RU
Inventors: Л.В. Грахова; П.А. Грахов; С.Т. Кусимов; А.З. Тлявлин
Original assignee: Уфимский авиационный институт им. С.Орджоникидзе
Priority date: 1992-10-27
Filing date: 1992-10-27
Publication date: 1996-05-27

Abstract

FIELD: final elements of short-distance angular displacements for mechanical engineering and other industries. SUBSTANCE: magnetostrictor has active magnetostrictive element mounted in magnetically conductive case and made in the form of monolith plate with output shaft in center, along plate width, and magnetizing winding. Plate is mounted on case through ball joints secured by means of elastic compound. Two loaded springs are installed between case and active element on either side of the latter. Springs are attached to case on one end and to opposite planes of active element on other end at equal distances from output shaft and ball joint. EFFECT: enlarged functional capabilities. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, а более конкретно к исполнительным устройствам малых угловых перемещений, и может использоваться в станкостроении и других областях техники. The invention relates to electrical engineering, and more particularly to actuators of small angular displacements, and can be used in machine tools and other fields of technology.

Известно магнитострикционное устройство микроперемещений, содержащее активный элемент биморфную пьезокерамическую пластину, консольно закрепленную на основании, и источник управления [1]
Недостатками данного устройства являются низкая точность отработки угловых перемещений из-за наличия линейных паразитных смещений, малая нагрузочная способность, которая ограничивается недостаточной жесткостью активного элемента, а также ненадежность конструкции из-за применения пьезокерамики.Known magnetostrictive device of micromotion, containing the active element of a bimorph piezoelectric plate, console mounted on the base, and a control source [1]
The disadvantages of this device are the low accuracy of working out angular displacements due to the presence of linear parasitic displacements, low load capacity, which is limited by insufficient rigidity of the active element, as well as the unreliability of the design due to the use of piezoceramics.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является магнитострикционное устройство микроперемеще- ний, содержащее активный элемент в виде гибкой прямоугольной пластины, замыкающий магнитную цепь кожух и обмотку намагничивания. Активный элемент выполнен в виде биметаллической пластины из материалов с разными по знаку коэффициентами магнитострикции [2]
Недостатками данного устройства являются низкая точность отработки угловых перемещений из-за наличия линейных паразитных смещений и малая нагрузочная способность, которая ограничивается недостаточной жесткостью активного элемента. Кроме того, при изготовлении активного элемента за счет большой поверхности клеевых соединений еще более снижается жесткость конструкции, она получается мало надежной, особенно при ударных нагрузках, технологически не выгодной. Наиболее существенным недостатком является низкая точность отработки за счет эффекта термобиморфа. Наличие слоя склейки нарушает целостность рабочего элемента, что не позволяет получить требуемый прогиб с заданной точностью.The closest in technical essence to the proposed one is a magnetostrictive micro-displacement device containing an active element in the form of a flexible rectangular plate, a casing closing a magnetic circuit and a magnetizing winding. The active element is made in the form of a bimetallic plate of materials with different signs of magnetostriction coefficients [2]
The disadvantages of this device are the low accuracy of working off angular displacements due to the presence of linear parasitic displacements and low load capacity, which is limited by insufficient rigidity of the active element. In addition, in the manufacture of the active element due to the large surface of the adhesive joints, the rigidity of the structure is further reduced, it turns out to be not very reliable, especially under shock loads, which is not technologically profitable. The most significant drawback is the low accuracy of mining due to the effect of thermobimorph. The presence of a gluing layer violates the integrity of the working element, which does not allow to obtain the required deflection with a given accuracy.

Задачей изобретения является повышение надежности, технологичности, точности конструкции. The objective of the invention is to increase the reliability, manufacturability, accuracy of the design.

Решение задачи достигается тем, что в магнитострикционном устройстве угловых перемещений, содержащем установленный в магнитопроводящем корпусе активный магнитострикционный элемент в виде гибкой прямоугольной пластины и обмотку намагничивания, активный элемент выполнен в виде монолитной пластины с выходной осью, расположенной в ее середине вдоль ширины пластины, и установлен на корпусе концами посредством подвижных шарнирных соединений, закрепленных с помощью эластичного компаунда, а введенные две нагруженные пружины расположены между корпусом и активным элементом с противоположных от него сторон, при этом одни концы пружин соединены с корпусом, а другие с противоположными плоскостями активного элемента. The solution to the problem is achieved in that in a magnetostrictive angular displacement device containing an active magnetostrictive element installed in a magnetically conducting body in the form of a flexible rectangular plate and a magnetizing winding, the active element is made in the form of a monolithic plate with an output axis located in its middle along the plate width and installed ends on the body by means of movable swivel joints fixed with an elastic compound, and the introduced two loaded springs are located m between the housing and the active element from opposite sides of it, while some ends of the springs are connected to the housing, and others with opposite planes of the active element.

Целесообразно место соединения каждой пружины с плоскостью пластины располагать на равном расстоянии от выходной оси и шарнира. It is advisable to place the connection of each spring with the plane of the plate at an equal distance from the output axis and the hinge.

Данные отличительные признаки обеспечивают достижение поставленной цели. Расположение выходной оси посередине пластины и установка пластины концами в корпусе исключает паразитные линейные смещения ее выходного конца, чем повышается точность работы устройства. Выполнение активного элемента монолитным из материала с постоянным по толщине коэффициентом температурного расширения значительно уменьшает влияние эффекта термобиметалла на величину прогиба пластины, это, в свою очередь, сказывается на повышении точности осуществления углового перемещения, возможность которого обусловлена наличием двух нагруженных пружин, обеспечивающих требуемые неоднородности магнитострикционных свойств по толщине пластины. Коэффициенты температурного расширения сжатого и растянутого слоев активного элемента несколько различны, однако разность в этих коэффициентах минимальна и не превышает единиц процентов, поэтому эффект термобиметалла в предлагаемом устройстве незначителен, особенно учитывая то, что нагружение неоднородно по толщине. Выполнение активного элемента монолитным исключает возможность использования клеевых соединений, в связи с чем повышается жесткость и надежность конструкции, а следовательно, активный элемент становится наиболее устойчивым к внешним воздействиям, более технологичным. Целесообразность выбора точек приложения действия каждой пружины обуславливается необходимостью достижения максимального прогиба пластины относительно закрепленного конца и нагрузки и, следовательно, наиболее рационального использования материала. Подвижные шарнирные соединения закреплены при помощи эластичного компаунда и позволяют активному элементу деформироваться в продольном направлении, что исключает влияние термодинамического расширения на изгиб пластины, что повышает точность. These distinguishing features ensure the achievement of the goal. The location of the output axis in the middle of the plate and the installation of the plate with the ends in the housing eliminates spurious linear displacements of its output end, which increases the accuracy of the device. The execution of the active element as a monolithic material with a constant coefficient of thermal expansion coefficient significantly reduces the effect of the thermobimetal on the deflection of the plate, this, in turn, affects the increase in the accuracy of the angular displacement, the possibility of which is due to the presence of two loaded springs providing the required inhomogeneities of magnetostrictive properties by plate thickness. The coefficients of thermal expansion of the compressed and stretched layers of the active element are somewhat different, however, the difference in these coefficients is minimal and does not exceed units of percent, therefore, the effect of thermobimetal in the proposed device is negligible, especially considering that the loading is inhomogeneous in thickness. The execution of the active element in one piece excludes the possibility of using adhesive joints, and therefore the rigidity and reliability of the structure are increased, and therefore, the active element becomes the most resistant to external influences, more technological. The feasibility of selecting the points of application of the action of each spring is determined by the need to achieve maximum deflection of the plate relative to the fixed end and load and, therefore, the most rational use of the material. The movable articulated joints are fixed using an elastic compound and allow the active element to deform in the longitudinal direction, which eliminates the influence of thermodynamic expansion on the bend of the plate, which increases accuracy.

На чертеже схематично изображено магнитострикционное устройство угловых перемещений. The drawing schematically shows a magnetostrictive device of angular displacements.

Устройство содержит закрепленный на основании магнитопроводящий корпус 1 с обмоткой 2 намагничивания. Активный магнитострикционный элемент 3 концами закреплен на корпусе 1 посредством подвижного шарнирного соединения в виде жестких роликов 4, зафиксированных в пространстве между пластиной и корпусом эластичным материалом 5, например компаундом на каучуковой основе, и расположенных параллельно торцам попарно один над другим на обеих плоскостях пластины. Две нагруженные пружины 6 и 7 расположены на противоположных сторонах элемента 3 симметрично выходной оси 8 устройства и соединены одним концом с элементом 3, другим с корпусом 1. При этом пружины обеспечивают прогибы активного элемента в стороны, противоположные пружинам, создавая при этом предварительные напряжения в активном элементе. Перемещаемый объект 9 закреплен на выходной оси активного элемента 3. The device comprises a magnetically conductive housing 1 fixed to the base with a magnetization winding 2. The active magnetostrictive element 3 is fixed to the body 1 by a movable swivel in the form of rigid rollers 4 fixed in the space between the plate and the body with elastic material 5, for example, with a rubber compound and parallel to the ends in pairs on top of each other on both planes of the plate. Two loaded springs 6 and 7 are located on opposite sides of the element 3 symmetrically to the output axis 8 of the device and are connected at one end to the element 3, the other to the housing 1. At the same time, the springs provide deflections of the active element to the sides opposite to the springs, while creating prestresses in the active element. The movable object 9 is fixed on the output axis of the active element 3.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

При подключении обмотки 2 намагничивания к источнику постоянного тока активный элемент 3 вследствие неоднородного по толщине магнитострикционного эффекта деформируется. Магнитострикционный элемент, выполненный из материала с положительным коэффициентом магнитострикции (например, пермендюр 49КФ), в исходном состоянии под действием нагруженных пружин 6 и 7, расположенных на противоположных сторонах активного элемента 3 симметрично вертикальной оси устройства и создающих усилие по направлению от корпуса к пластине, изогнут таким образом, что участки магнитострикционного элемента с вогнутых сторон предварительно сжаты и обладают существенной магнитострикцией, а другие участки с выпуклой стороны предварительно растянуты и обладают в "в растянутом" состоянии магнитострикцией, близкой к нулю. В нашем случае левая и правая половины активного элемента от исходного изогнутого состояния прогибаются, стержень уменьшает свою кривизну и центр, к которому прикреплена нагрузка, получает угловое перемещение по часовой стрелке. When the magnetization winding 2 is connected to a direct current source, the active element 3 is deformed due to the thickness inhomogeneous magnetostrictive effect. A magnetostrictive element made of a material with a positive magnetostriction coefficient (for example, 49KF permendure), in the initial state under the action of loaded springs 6 and 7, located on opposite sides of the active element 3 symmetrically to the vertical axis of the device and creating a force in the direction from the body to the plate, is bent so that the sections of the magnetostrictive element from the concave sides are pre-compressed and have significant magnetostriction, while other sections from the convex side are preliminarily They are strongly stretched and possess magnetostriction close to zero in the “extended” state. In our case, the left and right halves of the active element bend from the initial bent state, the rod decreases its curvature, and the center to which the load is attached receives angular movement clockwise.

В другом случае, если магнитострикционный элемент выполнен из материала с отрицательным коэффициентом магнитострикции, сжатые под воздействием нагруженных пружин 6 и 7 участки магнитострикционного элемента обладают нулевой магнитострикцией, т. е. не изменяют своей длины при намагничивании, когда другие части по толщине в "растянутом" состоянии обладают существенной магнитострикцией, что приводит к укорочению при намагничивании этих частей элемента. Следовательно, пластина прогибается, стремясь уменьшить исходную кривизну обеих половин, и выходная ось 8, к которой прикреплена нагрузка, получает угловое перемещение по часовой стрелке. In another case, if the magnetostrictive element is made of a material with a negative magnetostriction coefficient, the sections of the magnetostrictive element compressed under the action of loaded springs 6 and 7 have zero magnetostriction, that is, they do not change their length upon magnetization, when other parts are “stretched” in thickness state possess significant magnetostriction, which leads to a shortening during magnetization of these parts of the element. Therefore, the plate bends, trying to reduce the initial curvature of both halves, and the output axis 8, to which the load is attached, receives an angular movement clockwise.

Таким образом, направление угла поворота не зависит от коэффициента магнитострикции материала и определяется лишь исходным нагружением пластины. Из теории магнитострикции (Белов К. П. Упругие, тепловые и электрические явления в ферромагнетиках. М. ГИТТЛ, 1957, с. 69) сжатие материала с положительной магнитострикцией и растяжение материала с отрицательной магнитострикцией давлением порядка 7-8 кг/мм приводит к увеличению магнитострикционного насыщения в 1,5 раза. В то же время растяжение материала с положительной магнитострикцией и сжатие с отрицательной сводит магнитострикцию практически к нулю, следовательно, предлагаемое устройство позволяет реализовать в магнитной пластине при ее изгибе как области с повышенной магнитострикцией, так и области с нулевой. Thus, the direction of the rotation angle does not depend on the magnetostriction coefficient of the material and is determined only by the initial loading of the plate. From the theory of magnetostriction (Belov K.P. Elastic, thermal and electrical phenomena in ferromagnets. M. GITTL, 1957, p. 69), compression of a material with positive magnetostriction and tension of a material with negative magnetostriction with a pressure of the order of 7-8 kg / mm leads to an increase magnetostrictive saturation 1.5 times. At the same time, the tension of the material with positive magnetostriction and compression with negative reduces magnetostriction to almost zero, therefore, the proposed device allows to realize in the magnetic plate when it is bent both a region with increased magnetostriction and a region with zero.

Предлагаемое устройство может быть использовано и для предварительного выставления углового положения нагрузки, если нагруженные пружины выполнить регулируемыми. The proposed device can be used for preliminary exposure of the angular position of the load, if the loaded springs are adjustable.

Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемое устройство более надежно, технологично, а следовательно, более точно. Thus, in comparison with the prototype of the proposed device is more reliable, technologically advanced, and therefore more accurate.

Claims

1. Magnetostrictive device for angular displacements containing an active magnetostrictive element installed in a magnetically conducting body in the form of a flexible rectangular plate and a magnetizing winding, characterized in that the active element is made in the form of a monolithic plate with an output axis located in its middle along the plate width and mounted on ends by means of movable swivel joints fixed by an elastic compound, and the introduced two loaded springs are located between the body and are active element on opposite sides of it, the one ends of the springs are connected to the housing, and the other opposite planes of the active element.

2. The device according to p. 1, characterized in that the junction of each spring with the plane of the plate is located at an equal distance from the output axis and the hinge.