Столбов Олег Валерьевич, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории динамики дисперсных систем
ул. Академика Королева, д. 1, г. Пермь 614018
Oleg V. Stolbov, Candidate of Sciences (Physics and Mathematics), Senior Researcher at the Laboratory of Disperse Systems Dynamics
1 Academika Koroleva Str., Perm 614018
Райхер Юрий Львович, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник лаборатории динамики дисперсных систем
ул. Академика Королева, д. 1, г. Пермь 614018
Yuriy L. Raikher, Doctor of Sciences (Physics and Mathematics), Chief Researcher at the Laboratory of Dynamics of Disperse Systems
1 Academika Koroleva Str., Perm 614018
Цель. Демонстрация возможности повысить силу притяжения между соосными кольцами из магнитомягкого ферромагнетика за счёт профилирования их обращённых друг к другу кромок.
Методы. В рамках магнитостатики выполнен численный расчёт распределения магнитного поля в системе двух соосных колец из магнитомягкого ферромагнетика в условиях, когда к этой системе приложено однородное магнитное поле, направленное параллельно оси колец. Такая конструкция является прототипом мягкого захвата или манипулятора для робототехники. На основании расчёта поля определена сила взаимного притяжения колец. На конкретном примере рассмотрены преимущества системы из колец, у которых обращённые друг к другу кромки профилированы (заострены) по сравнению с её аналогом, в котором кольца имеют прямоугольные кромки.
Результаты. Показано, что заострение кромок позволяет получить заметный выигрыш в величине силы взаимного притяжения. Определены зависимости указанной силы от расстояния между кольцами и от степени заострения кромок: замена прямоугольного профиля на трапециевидный. Найдено, что преимущества профилированной системы проявляются только в определённых интервалах соответствующих параметров. Так, заострение даёт кратный выигрыш в силе притяжения при узком межкольцевом зазоре (его ширина должна быть много меньше толщины стенки кольца), но проигрывает стандартной системе, если кольца разделены расстоянием порядка их радиуса и более. Зависимость силы притяжения от степени заострения (отношение размеров верхнего и нижнего оснований трапеции) имеет немонотонный характер. При небольшом заострении кромки эта функция быстро растёт, но затем проходит через максимум (положение которого зависит от магнитной восприимчивости материала колец) и начинает падать, когда профиль кромки приближается к треугольному.
Вывод. Полученные результаты позволяют оптимизировать силовое взаимодействие в рассмотренной системе. Важно отметить, что профилирование колец не только увеличивает силу взаимного притяжения колец, но и уменьшает количество магнитного материала в конструкции.
Purpose. Demonstration of the way to enhance the attraction force between coaxial rings made of a magnetically soft ferromagnet by way of profiling their edges facing each other.
Methods. In the framework of magnetostatics numerical calculation is carried out for a system of two coaxial rings made of a magnetically soft ferromagnet under conditions when the system is subjected to a uniform magnetic field directed along the rings’ axis. Such a design prototypes a soft gripper for robotics. On the basis of the found out field distribution, the force of mutual attraction is evaluated. Using a particular example, the advantages of a system where the ring edges facing each other are profiled (tapered) are considered in comparison with the its analog where the rings have rectangular edges.
Results. In is shown that tapering of the edges enables one to acquire a notable gain with respect to the attraction strength. The dependences of the force of the force are calculated on the inter-ring distance and on extent of tapering of the edges: replacement of the rectangular shape by a trapezoid one. It is found that the advantages of the tapered system take place only in certain intervals of the respective parameters. For example, tapering entails an order of magnitude enhancement provided that inter-ring gap is sufficiently narrow (much smaller than the thickness of the ring wall) but it loses to a standard system all its advantage when the rings are separated by a distance of the order of their radius or greater. The dependence of the attraction force on the extent of tapering (the ratio of the upper and lower bases of the trapezium) is non-monotonic. Under a weak tapering, this function grows rapidly, then it passes a maximum (its position depends on the magnetic susceptibility of the ring material) and afterwards goes down when the profile of the edge approaches triangular shape.
Conclusions. The obtained results enable one to optimize the force interaction in the system under consideration. It is worth noting that the profiling not only augments the mutual attraction force but as well reduces that amount of magnetic material required for the construction.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.