RU2292611C1

RU2292611C1 - Magnetostriction device for angular movements and method for controlling aforementioned device

Info

Publication number: RU2292611C1
Application number: RU2005118213/28A
Authority: RU
Inventors: Павел Анатольевич Грахов (RU); Павел Анатольевич Грахов; Андрей Владимирович Федин (RU); Андрей Владимирович Федин
Priority date: 2005-06-14
Filing date: 2005-06-14
Publication date: 2007-01-27
Also published as: RU2005118213A

Abstract

FIELD: engineering of magnetostriction devices; possible use as executive element in units for aligning optical elements and correcting kinematic circuits in machines, optical-mechanical devices, automatic guidance systems, etc.

SUBSTANCE: device contains bio-magnetostriction plates, held on base by one end, and object being moved, connected to axis of device formed in place of rigid connection of other ends of bio-magnetostriction plates. Number of plates exceeds two, they are positioned radially relatively to device axis and form two groups, differing by alternation of sign of magnetostriction layers along circle. Plates of each group are magnetically interconnected. On injection of control signal into first group of bio-magnetostriction plates object being moved is turned in one direction. Second group of bio-magnetostriction performs function of mechanical load, creating reverse torque. For turning object being moved in opposite direction control signal is sent to second group of bio-magnetostriction plates. In this case first group of plates performs the mechanical load function.

EFFECT: increased range of angular movements, increased positioning precision, decreased probability of shape stability loss in case of significant mass of object being moved.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, конкретно к электрическим устройствам малых перемещений, и может быть использовано как исполнительный элемент в узлах высокоточных систем автоматической юстировки оптических элементов, в оптико-механических устройствах, в системах автоматического наведения, для коррекции кинематических цепей в высокоточных станках и т.д.The invention relates to the field of electrical engineering, specifically to electrical devices of small displacements, and can be used as an actuator in the nodes of high-precision systems for automatic alignment of optical elements, in optical-mechanical devices, in automatic guidance systems, for the correction of kinematic circuits in high-precision machines, etc. d.

Известно магнитострикционное устройство угловых перемещений, содержащее закрепленный на основании двухслойный прямоугольный элемент, слои которого выполнены из материалов с различными по знаку коэффициентами магнитострикции, и обмотку продольного намагничивания. В двухслойном элементе выполнены сквозные по толщине элемента продольные пазы, расположенные равномерно по всей ширине элемента, а на свободном конце в поперечном направлении закреплена жесткая пластина из неферромагнитного материала (А.С. СССР №1371481, МПК7 H 01 L 41/12, 17.02.86).A magnetostrictive device of angular displacements is known, comprising a two-layer rectangular element fixed on the base, the layers of which are made of materials with magnetostriction coefficients of different signs, and a longitudinal magnetization winding. In the two-layer element, longitudinal grooves are made through the thickness of the element, uniformly distributed over the entire width of the element, and a rigid plate of non-ferromagnetic material is fixed at the free end in the transverse direction (AS USSR No. 1371481, MPK7 H 01 L 41/12, 17.02. 86).

Недостатком данного устройства является невысокая точность позиционирования, т.к. свободный конец пластины помимо угловых перемещений совершает линейные перемещения.The disadvantage of this device is the low accuracy of positioning, because the free end of the plate, in addition to angular displacements, performs linear displacements.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является магнитострикционное устройство угловых перемещений, содержащее активный элемент в виде бимагнитострикционной пластины, соединенной с перемещаемым объектом, один конец которой закреплен на основании, и обмотку намагничивания. В устройство введена вторая бимагнитострикционная пластина, одним концом закрепленная на основании и расположенная напротив первой, причем вторые концы бимагнитострикционных пластин жестко соединены между собой с чередованием знака магнитострикционных слоев пластин относительно оси устройства, а перемещаемый объект жестко прикреплен к месту соединения пластин (А.С. СССР №1384168, МПК7 H 01 L 41/12, 29.11.85).The closest in technical essence and the achieved result to the claimed one is a magnetostrictive device of angular displacements containing an active element in the form of a bimagnetostrictive plate connected to a moving object, one end of which is fixed to the base, and a magnetization winding. A second bimagnetostrictive plate is inserted into the device, fixed at one end and located opposite the first, the second ends of the bimagnetostrictive plates being rigidly connected to each other with alternating signs of the magnetostrictive layers of the plates relative to the axis of the device, and the moving object is rigidly attached to the junction of the plates (A.S. USSR No. 1384168, IPC7 H 01 L 41/12, 11.29.85).

В этом случае отсутствуют линейные смещения перемещаемого объекта при подаче тока в обмотку.In this case, there are no linear displacements of the moving object when current is supplied to the winding.

Однако в данном устройстве возможность уменьшения толщины пластин для повышения диапазона угловых перемещений ограничена возможной потерей формоустойчивости системы. Кроме того, при уменьшении толщины пластины снижается помехоустойчивость к поперечным возмущающим воздействиям.However, in this device, the possibility of reducing the thickness of the plates to increase the range of angular movements is limited by the possible loss of system stability. In addition, with a decrease in the thickness of the plate, noise immunity to transverse perturbations is reduced.

Задачей изобретения является увеличение диапазона угловых перемещений, точности позиционирования и степени формоустойчивости системы при значительной массе перемещаемого объекта.The objective of the invention is to increase the range of angular displacements, positioning accuracy and the degree of system stability with a significant mass of the moving object.

Поставленная задача достигается тем, что в магнитострикционном устройстве угловых перемещений, содержащем бимагнитострикционные пластины, закрепленные одним концом на основании, и перемещаемый объект, прикрепленный к оси устройства, образованной в месте жесткого соединения других концов бимагнитострикционных пластин, в отличие от прототипа количество бимагнитострикционных пластин больше двух, они расположены радиально относительно оси устройства и образуют две группы, отличающиеся чередованием знака коэффициента магнитострикции слоев по окружности, при этом бимагнитострикционные пластины каждой группы магнитосвязаны между собой.The problem is achieved in that in a magnetostrictive device of angular displacements containing bimagnetostrictive plates fixed at one end on the base and a movable object attached to the axis of the device formed at the place of rigid connection of the other ends of the bimagnetostrictive plates, in contrast to the prototype, the number of bimagnetostrictive plates is more than two , they are located radially relative to the axis of the device and form two groups, characterized by alternating the sign of the magnetostriction coefficient layers around the circumference, while the bimagnetostrictive plates of each group are magnetically connected to each other.

Поставленная задача достигается также тем, что в магнитострикционном устройстве угловых перемещений, в отличие от прототипа, количество пластин четно, их число не менее четырех и углы между всеми соседними пластинами равны.The task is also achieved by the fact that in the magnetostrictive device of angular displacements, in contrast to the prototype, the number of plates is even, their number is not less than four and the angles between all adjacent plates are equal.

Поставленная задача достигается также тем, что в способе управления магнитострикционным устройством угловых перемещений, включающем подачу управляющих сигналов на бимагнитострикционные пластины, в отличие от прототипа, при подаче управляющего сигнала на первую группу бимагнитострикционных пластин перемещаемый объект поворачивают в одном направлении из исходного состояния, при этом вторая группа бимагнитострикционных пластин выполняет функцию механической нагрузки, создающей дополнительный обратный крутящий момент, а для поворота перемещаемого объекта в противоположном направлении относительно исходного подают управляющий сигнал на вторую группу бимагнитострикционных пластин и перемещаемый объект поворачивают в противоположном направлении, в этом случае первая группа бимагнитострикционных пластин выполняет функцию механической нагрузки, создающей обратный крутящий момент.The problem is also achieved by the fact that in the method of controlling a magnetostrictive device of angular displacements, including the supply of control signals to bimagnetostrictive plates, in contrast to the prototype, when a control signal is applied to the first group of bimagnetostrictive plates, the moving object is rotated in one direction from the initial state, while the second a group of bimagnetostrictive plates performs the function of a mechanical load, creating an additional reverse torque, and for rotation and the moving object in the opposite direction relative to the original serves a control signal to the second group of bimagnetostrictive plates and the moving object is rotated in the opposite direction, in this case, the first group of bimagnetostrictive plates performs the function of a mechanical load that creates reverse torque.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображен общий вид устройства, имеющего 4 бимагнитострикционных элемента, образующих 2 группы.The invention is illustrated by the drawing, which shows a General view of a device having 4 bimagnetostrictive elements forming 2 groups.

Устройство содержит закрепленный на основании 1 замыкающий кожух 2 и обмотки намагничивания 3, причем обмотки могут располагаться на активных магнитострикционных элементах 4, 5, 6, 7, выполненных в виде одинаковых бимагнитострикционных пластин, содержащих слои магнитострикционного материала 8, 9, причем слои 8 выполнены из материала с положительным коэффициентом магнитострикции, а слои 9 - из материала с отрицательным коэффициентом магнитострикции. Выходные концы жестко связаны между собой. В центре устройства расположен перемещаемый объект 10.The device comprises a locking casing 2 fixed on the base 1 and magnetization windings 3, and the windings can be located on active magnetostrictive elements 4, 5, 6, 7, made in the form of identical bimagnetostrictive plates containing layers of magnetostrictive material 8, 9, and layers 8 are made of material with a positive magnetostriction coefficient, and layers 9 are made of a material with a negative magnetostriction coefficient. The output ends are rigidly interconnected. In the center of the device is a movable object 10.

Устройство работает следующим образом. При подключении обмотки намагничивания За к источнику постоянного тока слои 8, 9 бимагнитострикционных пластин 4, 5 вследствие линейного магнитострикционного эффекта изменяют свою длину, при этом слои 8 удлиняются, 9 укорачиваются, пластины изгибаются и их концы, соединенные с перемещаемым объектом 10, совершают угловое перемещение. Величину углового перемещения нагрузки можно регулировать изменением силы тока в обмотке 3а.The device operates as follows. When the magnetization winding Za is connected to a direct current source, the layers 8, 9 of the bimagnetostrictive plates 4, 5 change their length due to the linear magnetostrictive effect, while the layers 8 are elongated, 9 are shortened, the plates are bent and their ends connected to the moving object 10 perform angular displacement . The magnitude of the angular displacement of the load can be adjusted by changing the current strength in the winding 3a.

Пример конкретной реализации способа.An example of a specific implementation of the method.

Подают управляющий электрический сигнал в обмотку 3а на первую группу бимагнитострикционных пластин 4, 5, выполненных из двух слоев, первый слой выполнен из никеля, имеющего отрицательный коэффициент магнитострикции, а второй слой - из пермендюра К49Ф2, имеющего положительный коэффициент магнитострикции, бимагнитострикционные пластины изгибаются и перемещаемый объект (зеркало телескопа) поворачивают в одном направлении из исходного состояния, при этом вторая группа бимагнитострикционных пластин 6, 7 выполняет функцию механической нагрузки, создающей дополнительный обратный крутящий момент, а для поворота перемещаемого объекта в другом направлении относительно исходного подают управляющий электрический сигнал в обмотку 3б на вторую группу бимагнитострикционных пластин, также выполненных из двух слоев, но первый слой выполнен из пермендюра К49Ф2, имеющего положительный коэффициент магнитострикции, а второй слой - из никеля, имеющего отрицательный коэффициент магнитострикции, при этом бимагнитострикционные пластины изгибаются в противоположном направлении и перемещаемый объект поворачивают в другом направлении относительно исходного состояния, в этом случае первая группа бимагнитострикционных пластин 4, 5 выполняет функцию механической нагрузки, создающей обратный крутящий момент. Таким образом осуществляется нечетное управление магнитострикционным устройством.A control electric signal is supplied to the winding 3a to the first group of bimagnetostrictive plates 4, 5 made of two layers, the first layer is made of nickel having a negative magnetostriction coefficient, and the second layer is made of K49F2 permendure having a positive magnetostriction coefficient, the bimagnetostrictive plates are bent and moved the object (telescope mirror) is rotated in one direction from the initial state, while the second group of bimagnetostrictive plates 6, 7 performs the function of a mechanical load ki, which creates additional reverse torque, and to rotate the moving object in the other direction relative to the original one, a control electric signal is fed into the winding 3b to the second group of bimagnetostrictive plates, also made of two layers, but the first layer is made of K49F2 permendure having a positive magnetostriction coefficient, and the second layer is made of nickel having a negative magnetostriction coefficient, while the bimagnetostrictive plates bend in the opposite direction and move The object being rotated is rotated in a different direction relative to the initial state, in this case, the first group of bimagnetostrictive plates 4, 5 performs the function of a mechanical load that creates reverse torque. Thus, the odd control of the magnetostrictive device is carried out.

Использование предложенного устройства в высокоточных системах микроперемещений позволяет увеличить диапазон угловых перемещений, повысить точность позиционирования, способствует уменьшению возможности потери формоустойчивости магнитострикционного устройства угловых перемещений при значительной массе перемещаемого объекта. Это достигается за счет введения дополнительных бимагнитострикционных пластин и расположения пластин под углом друг к другу относительно их общего места соединения и обеспечения возможности уменьшения толщины бимагнитострикционных пластин.The use of the proposed device in high-precision microdisplacement systems allows to increase the range of angular displacements, to increase the accuracy of positioning, and to reduce the possibility of losing shape stability of the magnetostrictive device of angular displacements with a significant mass of the moving object. This is achieved by introducing additional bimagnetostrictive plates and arranging the plates at an angle to each other relative to their common junction and providing the possibility of reducing the thickness of the bimagnetostrictive plates.

Claims

1. Magnetostrictive device of angular displacements containing bimagnetostrictive plates fixed at one end on the base, and a movable object attached to the axis of the device formed at the place of rigid connection of the other ends of the bimagnetostrictive plates, characterized in that the number of bimagnetostrictive plates is more than two, they are located radially relative to the device’s axis and form two groups, characterized by alternating the sign of the magnetostriction coefficient of the layers around the circumference, while the bimagnetost iktsionnye plate of each group are magnetically coupled with each other.

2. The magnetostrictive angular displacement device according to claim 1, characterized in that the number of plates is even, their number is at least four and the angles between all adjacent plates are equal.

3. A method for controlling a magnetostrictive device of angular displacements, comprising supplying control signals to the bimagnetostrictive plates, characterized in that when the control signal is applied to the first group of bimagnetostrictive plates, the moving object is rotated in one direction from the initial state, while the second group of bimagnetostrictive plates performs the function of mechanical load creating additional reverse torque, and to rotate the moving object in the opposite direction enii relative to the starting control signal is supplied to the second group bimagnitostriktsionnyh plates and movable object is rotated in the opposite direction, in this case, the first group bimagnitostriktsionnyh plates performs the function of the mechanical load that creates reverse torque.