Бесконтактная магнитная винтовая передача и ее варианты
Изобретение относится к прецизионному машиностроению и предназначено для создания сверхточного линейного привода в станкостроении, метрологии, оптике и электронной промышленности. Бесконтактная магнитная винтовая передача содержит винт 1 и гайку 2, включающую постоянный магнит 3, выполненный в виде кольца с направлением намагничивания вдоль его оси, установленный между магнитопроводами 14 с полюсными наконечниками 4. На винте 1 и полюсных наконечниках 4 выполнена мелкомодульная резьба, канавки которой заполнены твердым немагнитным материалом заподлицо с вершинами гребней резьбы. Винт 1 и гайка 2 взаимодействуют между собой через радиальный зазор, в который через аэростатические дроссельные узлы 12, установленные на краях гайки 2, по подводящим каналам 13 подается сжатая текучая среда от внешнего источника. В качестве аэростатических дроссельных элементов 12 могут быть использованы кольца из пористого материала, жиклеры, калиброванные щелевые отверстия. Приведены варианты выполнения бесконтактной магнитной винтовой передачи. Повышена кинематическая точность и жесткость передачи при малых габаритных размерах. 4 с. и 6 з.п. ф-лы, 10 ил.
Изобретение относится к прецизионному машиностроению и может быть использовано в качестве передачи для создания сверхточного линейного привода в станкостроении, метрологии, оптике и электронной промышленности.
Известна магнитная винтовая передача, которая содержит цилиндрический постоянный магнит с геликоидальным намагничением, размещенный в стальном корпусе, а винт со спиральной резьбой выполнен из ферромагнитного материала и установлен внутри гайки с воздушным зазором (International Conference on Micromechatronics for Information and Precision Equipment, Tokyo, Julu, 20-23, 1997). Недостатком известной магнитной винтовой передачи является низкая жесткость и низкая максимальная несущая способность, так как невозможно обеспечить резкую границу между намагниченными и ненамагниченными участками цилиндрического магнита. Известна магнитная винтовая передача, которая содержит винт и гайку, взаимодействующие друг с другом через воздушный радиальный зазор, в гайке установлены постоянный магнит и полюсные наконечники с резьбой. Канавки резьбы винта и гайки заполнены немагнитным материалом, причем винт и гайка имеют участки резьбы, выполненные из ферромагнитного материала, в гайке или винте выполнены радиальные отверстия для подачи сжатой текучей среды к зазору между винтом и гайкой (Авторское свидетельство СССР N 1219850, МКИ F 16 H 25/24, 1986). Вышеописанное техническое решение по общности решаемых задач наиболее близко к изобретению и выбрано в качестве прототипа. Однако известная магнитная винтовая передача имеет недостаточную кинематическую точность и жесткость передачи, технологически сложное конструктивное выполнение и большие габаритные размеры. Техническим результатом изобретения является создание бесконтактной магнитной винтовой передачи, которая имеет повышенную кинематическую точность и жесткость передачи при малых габаритных размерах. Кроме того, обеспечивается экономия дефицитных материалов и повышается технологичность при ее изготовлении. Сущность изобретения заключается в том, что создана новая бесконтактная магнитная винтовая передача (БМВП). Согласно первому варианту БМВП содержит винт и гайку, взаимодействующие друг с другом через радиальный зазор, в гайке установлены постоянный магнит и полюсные наконечники с резьбой, причем гребни резьбы винта выполнены из ферромагнитного материала, а канавки резьбы винта и резьбы полюсных наконечников заполнены твердым немагнитным материалом. В гайке выполнены подводящие каналы, предназначенные для подачи сжатой текучей среды в радиальный зазор между винтом и гайкой. Отличительными признаками БМВП согласно первому варианту является введение двух магнитопроводов, выполненных в виде соосных колец, двух аэростатических дроссельных узлов, расположенных с двух сторон по краям гайки, двух заходных колец, установленных на торцах гайки, и немагнитной кольцевой проставки. Постоянный магнит выполнен в виде кольца, намагниченного вдоль оси гайки, и установлен между обращенными друг к другу торцами магнитопроводов, полюсные наконечники выполнены в виде втулок, каждая из которых жестко соединена с внутренней поверхностью соответствующего магнитопровода, немагнитная кольцевая проставка установлена между внутренними торцами полюсных наконечников внутри кольца постоянного магнита. Каждый аэростатический дроссельный узел, установлен в выточках магнитопровода, примыкает к торцу соответствующего полюсного наконечника и соединен с подводящим каналом, который образован отверстием, выполненным в магнитопроводе. Аэростатический дроссельный узел содержит аэростатический дроссельный элемент, по крайней мере две кольцевые разводящие канавки, объединенные перепускной осевой канавкой, причем аэростатический дроссельный элемент через кольцевые разводящие канавки соединен с подводящим каналом. Аэростатический дроссельный элемент имеет три конструктивных варианта выполнения: - в виде кольца из пористого материала; - в виде кольца с отверстиями, в которых установлены жиклеры; - в виде калиброванных щелей. Согласно второму варианту БМВП содержит винт и гайку, взаимодействующие друг с другом через радиальный зазор, в гайке установлены постоянный магнит и полюсные наконечники с резьбой, гребни резьбы винта выполнены из ферромагнитного материала, а канавки резьбы винта и резьбы полюсных наконечников заполнены твердым немагнитным материалом. В гайке выполнены подводящие каналы, предназначенные для подачи сжатой текучей среды в радиальный зазор между винтом и гайкой. Отличительными признаками БМВП согласно второму варианту является введение двух магнитопроводов и N магнитопроводов удвоенной длины, выполненных в виде соосных колец, N полюсных наконечников удвоенной длины, N постоянных магнитов, (N+1) немагнитных проставок, где N![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8805.gif)
На фиг.8 - узел III на фиг.7. На фиг. 9 изображен четвертый вариант бесконтактной магнитной винтовой передачи;
На фиг.10 - узел IV на фиг.9. На фиг. 1 обозначены винт 1, гайка 2, постоянный магнит 3, полюсные наконечники 4, резьбы 5 и 6 соответственно винта 1 и гайки 2, аэростатические дроссельные элементы 12, подводящий канал 13, магнитопроводы 14, немагнитная кольцевая проставка 15, заходные кольца 16. На фиг. 2 обозначены винт 1, гайка 2, немагнитное заполнение 7 и 8 канавок резьбы соответственно винта 1 и гайки 2, гребни 9 и 10 резьбы соответственно винта 1 и гайки 2, радиальный зазор 11 между винтом 1 и гайкой 2. На фиг.3 обозначены винт 1, гайка 2, полюсной наконечник 4, резьбы 5 и 6 соответственно винта 1 и гайки 2, аэростатический дроссельный элемент 12, подводящий канал 13, магнитопровод 14, кольцевые разводящие канавки 17, перепускная канавка 18, заходное кольцо 16, кольцо 19 и жиклеры 20. На фиг.4 обозначены винт 1, гайка 2, полюсной наконечник 4, резьбы 5 и 6 соответственно винта 1 и гайки 2, аэростатический дроссельный элемент 12, подводящий канал 13, магнитопровод 14, кольцевые разводящие канавки 17, перепускная канавка 18, заходное кольцо 16, центральное кольцо 21, кольца 22 с проточкой и калиброванные щелевые отверстия 23. На фиг.5 обозначены винт 1, гайка 2, полюсной наконечник 4, резьбы 5 и 6 соответственно винта 1 и гайки 2, аэростатический дроссельный элемент 12 (кольцо из пористого материала), подводящий канал 13, магнитопровод 14, кольцевые разводящие канавки 17, перепускная канавка 18, заходное кольцо 16. На фиг. 6 обозначены винт 1, гайка 2, постоянные магниты 3, полюсные наконечники 4, резьбы 5 и 6 соответственно винта 1 и гайки 2, аэростатические дроссельные элементы 12, подводящий канал 13, магнитопроводы 14, немагнитные кольцевые проставки 15, заходные кольца 16, магнитопровод 24 удвоенной длины (на чертеже (фиг.6) БМВП изображена с одним магнитопроводом удвоенной длины, т.е. N=1), полюсный наконечник 25 удвоенной длины, корпус 26 гайки 2, центральная полость или стержень 27 винта 1. На фиг.7 обозначены винт 1, гайка 2, резьбы 5 и 6 соответственно винта 1 и гайки 2, аэростатические дроссельные элементы 12, подводящие каналы 13, заходные кольца 16, корпус 26 гайки 2, центральная полость или стержень 27 винта 1. На фиг. 8 обозначены винт 1, гайка 2, немагнитное заполнение 7 канавок резьбы винта 1, гребни 9 и 10 резьбы соответственно винта 1 и гайки 2, радиальный зазор 11 между винтом 1 и гайкой 2, геликоидальные постоянные магниты 28 и 29 с осевым направлением намагничения, причем постоянные магниты 29 имеют противоположное направление намагничения, защитный слой 30. На фиг. 9 обозначены винт 1, гайка 2, постоянный магнит 3, полюсные наконечники 4, резьбы 5 и 6 соответственно винта 1 и гайки 2, аэростатические дроссельные элементы 12, подводящий канал 13, магнитопроводы 14, немагнитная кольцевая проставка 15, заходные кольца 16, кольцевая разводящая канавка 17 и Т-образный канал 31. На фиг.10 обозначены винт 1, гайка 2, полюсной наконечник 4, резьбы 5 и 6 соответственно винта 1 и гайки 2, радиальный зазор 11 между винтом 1 и гайкой 2, аэростатический дроссельный элемент 12, заходное кольцо 16 и кольцевая щель 32. Бесконтактная магнитная винтовая передача (БМВП) согласно первому, второму и четвертому вариантам ее выполнения (фиг.1, фиг.6, фиг.9) содержит винт 1, гребни 9 мелкомодульной резьбы 5 которого выполнены из ферромагнитного материала, а канавки 7 заполнены твердым немагнитным материалом заподлицо с вершинами гребней 9 резьбы. С винтом 1 через радиальный зазор 11 взаимодействует гайка 2, включающая два магнитопровода 14, выполненных в виде соосных колец, с внутренними поверхностями которых жестко соединены полюсные наконечники 4, выполненные в вице втулок. Постоянный магнит 3 выполнен в виде кольца с направлением намагничивания вдоль его оси и согласно первому и четвертому вариантам БМВП (фиг.1 и фиг.9) установлен между обращенными друг к другу торцами магнитопроводов 14. Согласно второму варианту выполнения БМВП (фиг.6) гайка 2 снабжена корпусом 26, изготовленным из немагнитного материала с низким или отрицательным коэффициентом термического расширения, и включает также N магнитопроводов 24 удвоенной длины, выполненных в виде соосных колец, с внутренними поверхностями которых жестко соединены N полюсных наконечников 25 удвоенной длины. Первый из упомянутых постоянных магнитов 3 установлен после первого магнитопровода 14, a N-ый из введенных постоянных магнитов 3 установлен после N-ого магнитопровода 24 удвоенной длины, причем постоянные магниты выполнены из материалов, различающихся по величинам коэрцитивной силы. Согласно первому и четвертому вариантам БМВП (фиг.1 и фиг.9) полюсные наконечники 4, а согласно второму варианту БМВП и полюсные наконечники 25 удвоенной длины выполнены в виде втулок с мелкомодульной резьбой 6, канавки 8 которой заполнены твердым немагнитным материалом заподлицо с гребнями 10 резьбы 6. В качестве твердого немагнитного материала может быть использован, например, полимерный антифрикционный компаунд, при этом согласно второму варианту намагничивание БМВП осуществляется в сборе. Во втором варианте БМВП (фиг.6) винт 1, изготовленный из ферромагнитного материала, снабжен осевым отверстием полым или заполненным стержнем 27 из немагнитного материала, например из керамики или инвара, причем толщина стенок винта 1 определяется условиями насыщения ферромагнитного материала. Внутри кольца каждого из постоянных магнитов 3 согласно первому и второму вариантам БМВП (фиг.1 и фиг.6) размещена немагнитная кольцевая проставка 15, причем целесообразно выполнить ее шириной в осевом направлении не менее ширины кольца постоянного магнита 3, а согласно четвертому варианту БМВП (фиг.9) целесообразно, чтобы ширина кольцевой проставки 15 была больше ширины кольца постоянного магнита 3. Текучая сжатая среда, например жидкость или газ, к радиальному зазору 11 подается через подводящий канал 13, образованный радиальным отверстием, выполненным согласно первому варианту БМВП (фиг.1) в магнитопроводах 14 на краях гайки 2, согласно второму и третьему вариантам БМВП (фиг.6 и фиг.7) в корпусе 26 на краях гайки 2, а согласно четвертому варианту выполнения БМВП (фиг. 9) подводящий канал 13 образован радиальным отверстием, выполненным в одном из магнитопроводов 14, совмещенным с Т-образным каналом 31, выполненным в кольцевой немагнитной проставке 15. Аэростатический дроссельный элемент 12 через кольцевые разводящие канавки 17, объединенные перепускной осевой канавкой 18, соединен с подводящим каналом 13, что обеспечивает подключение аэростатических дроссельных узлов к внешнему источнику сжатой текучей среды. Аэростатический дроссельный элемент 12 может быть выполнен в виде кольца из пористого материала, например из графита (фиг.5), или в виде металлического или керамического кольца 19, в отверстиях которого установлены жиклеры 20 (фиг.3), или в виде калиброванных щелей 23, образованных совокупностью трех металлических или керамических колец, причем длина центрального кольца 21 равна длине перепускной осевой канавки 18, а в двух крайних кольцах 22 выполнены кольцевые проточки (фиг.4). Аэростатический дроссельный элемент 12 согласно четвертому варианту БМВП (фиг. 10) выполнен в виде кольцевой щели 32, образованной цилиндрической частью внутренней поверхности заходного кольца 16 и поверхностью винта 1, причем высота кольцевой щели 32 меньше радиального зазора 11 между винтом 1 и гайкой 2, при этом кольцевая щель 32 через радиальный зазор 11 и кольцевую разводящую канавку 17, выполненную в немагнитной кольцевой проставке 15 перпендикулярно Т-образному каналу 31, соединена с подводящим каналом 13. Согласно третьему варианту БМВП (фиг.7) с корпусом 26 гайки 2, выполненным из немагнитного материала, жестко соединена кольцевая тонкостенная вставка из ферромагнитного материала, в которой выполнена двухзаходная резьба на всю толщину кольцевой вставки. Канавки резьбы кольцевой вставки заполнены магнитотвердым материалом и образуют геликоидальные постоянные магниты 28 и 29 с осевым намагничением, причем постоянные магниты четного и нечетного заходов резьбы выполнены из материалов, различающихся по величинам коэрцитивной силы, а направления намагничения смежных постоянных магнитов противоположны. Высота геликоидальных постоянных магнитов 28 и 29 меньше глубины канавок резьбы на толщину защитного слоя 30, выполненного из немагнитного материала, причем суммарная высота постоянных магнитов и защитного слоя равны высоте гребня 10. Винт 1, как и во втором варианте БМВП, снабжен отверстием, заполненным стержнем 27, при этом необходимая толщина магнитного материала винта 1, обусловленная условиями его насыщения, сравнима с шагом резьбы, что позволяет выполнить стержень 27 большего диаметра и таким образом компенсировать термическое расширение и деформацию винта 1 БМВП. На обоих торцах гайки 2 согласно всем вариантам БМВП установлены заходные кольца 16, выполненные из немагнитного материала. Бесконтактная магнитная винтовая передача (БМВП) работает следующим образом. Винт 1 и гайка 2 взаимодействуют между собой через радиальный зазор 11, в который от внешнего источника подается сжатая текучая среда (жидкость или газ). При повороте винта 1 возникает сдвиг гребней 9 резьбы винта 1 относительно гребней 10 резьбы гайки 2 (фиг.2), что приводит к возникновению осевого усилия и перемещению гайки 2. Сжатая текучая среда, подаваемая в зазор 11 между винтом 1 и гайкой 2, фиксирует с высокой точностью гайку 2 относительно винта 1 в радиальном направлении, при этом пленка сжатой жидкости или сжатого газа обеспечивает жидкостной характер трения в зазоре, а жесткость аэростатической подвески компенсирует силовую неустойчивость радиальной магнитной связи. Согласно третьему варианту БМВП магнитный поток замыкается в винте 1 между смежными гребнями резьбы заходов разной четности. Размещение аэростатических дроссельных элементов 12 по краям гайки 2 обеспечивает высокую удельную аэростатическую несущую способность гайки 2 в радиальном направлении относительно винта 1, что за счет увеличения площади резьбовой поверхности гайки 2 позволяет увеличить кинематическую точность и жесткость передачи. Вышеописанные варианты выполнения БМВП позволяют создать нанометровую длинноходовую (несколько сотен мм) передачу, обладающую высокой кинематической точностью и жесткостью при малых габаритных размерах БМВП. БМВП, выполненная согласно второму варианту, обеспечивает более высокую кинематическую точность и жесткость передачи и имеет увеличенные размеры резьбовой зоны гайки при ее меньшем наружном диаметре, а также обеспечивает экономию дефицитных материалов и повышает технологичность при изготовлении БМВП. БВМП, выполненная согласно третьему варианту, при высокой кинематической точности и жесткости передачи позволяет до 1000 раз уменьшить расход дефицитных материалов и обеспечивает стабильность размеров элементов БВМП в широком диапазоне температур. Кроме того, БМВП, выполненная согласно четвертому варианту, при высокой кинематической точности и жесткости передачи имеет технологически более простое выполнение аэростатического дроссельного элемента и конструкции БВМП, что повышает технологичность при ее изготовлении. Вышеуказанное обеспечивает изобретению большое практическое применение и позволяет создать новый класс бесконтактных магнитных винтовых передач.
Формула изобретения
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8805.gif)
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение
Извещение опубликовано: 10.03.2005 БИ: 07/2005
NF4A Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение
Дата, с которой действие патента восстановлено: 27.07.2008
Извещение опубликовано: 27.07.2008 БИ: 21/2008