устройство для проверки магнитной вязкости ферромагнетиков

Формула изобретения

Устройство для проверки магнитной вязкости ферромагнетиков, содержащее последовательно связанные блок управления, вычисления и индикации, многофазный (например, трехфазный) генератор с регулируемой частотой, синхронный двигатель, на оси которого закреплено ферромагнитное кольцо из исследуемого ферроматериала, кромка которого размещена в локализованном магнитном поле электромагнита с обмоткой подмагничивания, подключенной к управляемому с дополнительного выхода блока управления, вычисления и индикации источнику постоянного тока, отличающееся тем, что электромагнит выполнен в виде двух магнитосвязанных электромагнитов с соответствующими раздельными их обмотками подмагничивания, в магнитном зазоре которых полюса, обращенные друг к другу, являются однополярными, а на ферромагнитное кольцо наложены соосно с двух его плоских граней одинаковые по толщине диэлектрические кольца с относительной магнитной проницаемостью порядка единицы, на которые наложена равномерно (например, виток к витку) по образованному кольцу обмотка из проводника, концы которой через кольцевые токосъемники, изолированно размещенные на оси синхронного двигателя, подключены к измерительному входу блока управления, вычисления и индикации.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к физике магнетизма и может быть использовано для изучения магнитных свойств ферромагнетиков - их магнитной вязкости и зависимости магнитной восприимчивости от напряженности внешнего магнитного поля. Эти характеристики являются важными для построения энергетических устройств.

Одним из интересных свойств ферромагнитных материалов является их так называемая магнитная вязкость, магнитное последействие - отставание по времени намагниченности ферромагнетика от изменения напряженности магнитного поля. В наиболее простых случаях изменение намагниченности J в зависимости от времени t описывается формулой

где J₀ и J - соответственно значения намагниченности непосредственно после изменения напряженности Н магнитного поля в момент t=0 и после установления нового равновесного состояния, - константа, характеризующая скорость процесса и называемая постоянной времени релаксации. Значение зависит от природы магнитной вязкости и в различных материалах может изменяться от 10^-9 секунды до нескольких десятков часов в зависимости от технологии изготовления ферро-материалов и их структуры [1-3].

Известны способы и устройства для измерения магнитной вязкости ферромагнетиков, выполненных в форме дисков или колец, вращающихся относительно локализованного магнитного поля, в котором размещена кромка этих дисков или колец [4-7].

Так, известен способ измерения магнитной вязкости ферромагнетиков, выполненных в виде кольца, часть которого помещена в магнитный зазор электромагнита, связанного с регулируемым источником постоянного тока, а также содержащий блок вычисления и индикации, отличающийся тем, что ферромагнитное кольцо с радиусом R вращают относительно магнитного зазора электромагнита длинной L с угловой скоростью , и в течение интервала времени t=L/ R измеряют значения величины магнитной восприимчивости ферромагнетика (х) внутри магнитного зазора электромагнита на отрезке 0 x L с помощью электромагнитного датчика, обмотка которого входит в состав колебательного контура высокочастотного генератора, для чего электромагнитный датчик перемещают вдоль дуги окружности, соосной с ферромагнитным кольцом внутри магнитного зазора электромагнита, а измерение величины магнитной восприимчивости (х) производят в блоке вычисления и индикации по изменению частоты в высокочастотном генераторе, при этом значение постоянной релаксации магнитной вязкости ферромагнитного кольца определяют по виду экспоненциально спадающего распределения магнитной вязкости (х) на участке X* (х) L, где X* - координата, соответствующая максимуму величины магнитной восприимчивости исследуемого ферромагнетика _мах, по формуле =(L-X*)/ Rln( _мах/ _min), где _min - минимальное значение магнитной восприимчивости ферромагнетика в конце магнитного зазора электромагнита при х=L, причем магнитное поле в магнитном зазоре электромагнита выбирают однородным и насыщающим.

По указанному способу выполняют соответствующее измерительное устройство, рассмотренное в [7], которое можно рассматривать в качестве ближайшего аналога (прототипа) заявляемому техническому решению.

Недостатком известного прототипа является необходимость калибровки прибора при изменении зазора между магнитопроводом с магнитным зазором магнитного датчика с обмоткой измерительного колебательного контура и испытуемым вращающимся ферромагнитным кольцом в локализованном насыщающем магнитном поле, а также его относительно низкая чувствительность к производимым измерениям.

Указанные недостатки известного устройства устранены в заявляемом техническом решении.

Целями изобретения являются повышение достоверности производимых изменений и расширение функциональных возможностей заявляемого устройства, в частности, оценки однородности ферроматериала в его объеме.

Указанные цели достигаются в заявляемом устройстве для проверки магнитной вязкости ферромагнетиков, содержащем последовательно связанные блок управления, вычисления и индикации, многофазный (например, трехфазный) генератор с регулируемой частотой, синхронный двигатель, на оси которого закреплено ферромагнитное кольцо из исследуемого ферроматериала, кромка которого размещена в локализованном магнитном поле электромагнита с обмоткой подмагничивания, подключенной к управляемому с дополнительного выхода блока управления, вычисления и индикации источнику постоянного тока, согласно изобретению тем, что электромагнит выполнен в виде двух магнитосвязанных электромагнитов с соответствующими раздельными обмотками подмагничивания, в магнитном зазоре которых полюса, обращенные друг к другу, являются однополярными, а на ферромагнитное кольцо наложены соосно с двух его плоских граней одинаковые по толщине диэлектрические кольца с относительной магнитной проницаемостью порядка единицы, на которые наложена равномерно (например, виток к витку) по образованному кольцу обмотка из проводника, концы которой через кольцевые токосъемники, изолированно размещенные на оси синхронного двигателя, подключены к измерительному входу блока управления, вычисления и индикации.

Достижение поставленных целей в заявляемом устройстве объясняется возбуждением э.д.с. индукции в обмотке, наложенной на ферромагнитном кольце с указанными диэлектрическими кольцевыми вставками, значение которой определяется скоростью протяжки ферроматериала в магнитном зазоре с неоднородным и встречно ориентированным магнитным полем и усредненным значением магнитной восприимчивости ферроматериала в магнитном зазоре при варьируемой скорости его протяжки и при заданной регулируемой напряженности магнитного поля в плоскостях дислокации частей обмотки, расположенных на плоских гранях образованного кольца вблизи соответствующих одноименных магнитных полюсов электромагнита, а разброс этого значения э.д.с. в процессе вращения кольца (на каждом его обороте) указывает на степень средней неоднородности по объему его магнитной восприимчивости и (или) магнитной вязкости. Значение указанной э.д.с. индукции имеет экстремум типа максимума при определенной скорости протяжки ферроматериала в магнитном зазоре, по значению которой вычисляется постоянная магнитной вязкости ферроматериала кольца с учетом напряженности магнитного поля в указанных выше плоскостях расположения частей обмотки, равномерно выполненной на образованном кольце - ферромагнитном кольце с двумя его диэлектрическими кольцевыми вставками.

Конструкция заявляемого устройства представлена на рис.1-3, а график зависимости э.д.с. индукции, возбуждаемой в измерительной обмотке кольца, от скорости протяжки ферроматериала в локализованном встречно-неоднородном магнитном поле представлен на рис.4.

На рис.1 конструкция устройства состоит из:

1 - двух одинаковых магнитосвязанных половин электромагнитов с обращенными друг к другу в магнитном зазоре магнитными полюсами одинаковой полярности;

2 - исследуемого ферромагнитного кольца со средним радиусом R;

3 - оси вращения, на которой соосно закреплено ферромагнитное кольцо 2;

4 - синхронного двигателя (СД) с осью вращения 3;

5 - многофазного генератора (например, трехфазного) с регулируемой частотой;

6 - блока управления, вычисления и индикации;

7 - двух одинаковых обмоток подмагничивания электромагнитов 1;

8 - регулируемого источника постоянного тока;

9 - изолированных от оси вращения 3 кольцевых токосъемников;

10 - измерительной обмотки, выполненной равномерно (например, виток к витку) на ферромагнитном кольце 2.

Встречные магнитные потоки (см. также рис.2 и 3) в электромагнитах 1 указаны фигурными стрелками. На одноименных магнитных полюсах в магнитном зазоре (например, северных N) напряженности магнитных полей максимальны, и убывают до нулевого значения на плоскости, равноотстоящей от плоскостей магнитных полюсов.

На рис.2 показан фрагмент протяжки ферромагнетика кольца 2 вдоль магнитного зазора длиной L с встречно-неоднородным магнитным полем Н. Скорость протяжки V= R определяется угловой скоростью вращения оси 3 синхронного двигателя 4, подключенного к выходу многофазного генератора 5 с регулируемой частотой f= /2 .

На рис.3 показан фрагмент размещения в магнитном зазоре электромагнитов 1 с их одноименными магнитными полюсами в магнитном зазоре измерительной обмотки 10, выполненной на ферромагнитном кольце 2 с дополнительными одинаковыми и соосно расположенными кольцевыми диэлектрическими (немагнитными) вставками 11, наложенными на плоские грани ферромагнитного кольца 2 с двух его сторон и имеющими одинаковую толщину d. Роль этих вставок 11 состоит в том, что части измерительной обмотки, расположенные на плоских гранях этих вставок, возможно ближе находятся от соответствующих одноименных магнитных полюсов электромагнитов 1 (с указанным зазором ) и соответственно дальше от граней ферромагнитного кольца 2. Эти части измерительной обмотки 10 испытывают действие встречно-неоднородного магнитного поля с напряженностью Н, значение которой убывает до нулевого значения от плоскостей магнитных полюсов до плоскости, проходящей через центральное сечение ферромагнитного кольца 2 и коллинеарной плоскостям магнитных полюсов. Скорость протяжки измерительной обмотки 10 в магнитном зазоре равна V.

На рис.4 представлен график зависимости э.д.с. индукции U( ), возбуждаемой в измерительной обмотке 10 в функции угловой скорости вращения оси 3, то есть в функции скорости протяжки V= R ферроматериала кольца 2 в магнитном зазоре электромагнитов 1 длиной L с напряженностью магнитного поля Н в плоскостях расположения частей измерительной обмотки, коллинеарных магнитным полюсам электромагнитов 1. Пунктирной прямой представлен график для э.д.с. при отсутствии ферромагнитного кольца 2 (замененного диэлектрическим кольцом при сохранении зазоров между измерительной обмоткой 10 и магнитными полюсами электромагнитов 1) или при весьма малом значении магнитной восприимчивости ферромагнитного кольца, находящегося в состоянии глубокого магнитного насыщения. Сплошной кривой показано изменение э.д.с. в измерительной обмотке в условиях реальной работы устройства, средняя магнитная восприимчивость ферромагнитного кольца изменяется в магнитном зазоре под действием приложенного к нему магнитного поля (неоднородного) за время нахождения элемента ферромагнетика в магнитном зазоре t=L/ R при вращении ферромагнитного кольца со средним радиусом R с угловой скоростью . При угловой скорости * функция U( *) имеет экстремум типа максимума [dU( *)/d =0].

Рассмотрим действие заявляемого устройства.

По закону об электромагнитной индукции при движении одиночного проводника длиной l со скоростью V в поперечном магнитном поле с напряженностью Н в нем возникает э.д.с. e ₁=µ_OHVl, где µ_O=1,256·10 ^-6 Гн/м - абсолютная магнитная проницаемость вакуума. При плотной намотке измерительной обмотки 10 (виток к витку) при шаге обмотки на длине магнитного зазора L по ходу движения обмотки размещается n=L/ ее витков. Каждый виток содержит два отрезка проводника длиной по q каждый (см. рис.3), расположенных коллинеарно магнитным полюсам электромагнитов 1, и в них для каждого из витков возбуждается э.д.с. e₁=2µ_OHVq=2µ_O Hq R, поэтому в части обмотки длиной L полная величина э.д.с. U( )=ne₁=2µ_OHqL R/ . При Н=const э.д.с. U( ) - суть линейная функция от угловой скорости вращения ферромагнитного кольца 2 в магнитном зазоре электромагнитов 1, а тангенс угла наклона пунктирной прямой на рис.4 относительно оси абсцисс определяется величиной напряженности магнитного поля Н в плоскости дислокации указанных частей измерительной обмотки 10 в магнитном зазоре (на расстояниях , от полюсов магнитного зазора).

Будем полагать, что обмотки подмагничивания 7 электромагнитов 1, включенные к источнику постоянного тока (ИПТ) 8, создают встречно-неоднородное магнитное поле внутри магнитного зазора с напряженностью магнитного поля непосредственно на поверхности магнитных полюсов, равной H_O. Направления одинаковых подмагничивающих токов в обмотках подмагничивания 7 таковы, что полярность полюсов в магнитном зазоре является одноименной (например, северной (N), как указано на рис.1-3), то есть напряженность магнитного поля убывает от поверхности полюсов к плоскости, равноудаленной от полюсов, до нулевой обратно пропорционально квадрату относительного удаления от полюсов, если бы магнитный зазор был свободным от ферромагнетика (например, представлял бы собой простой воздушный зазор с расстоянием h между полюсами)

Таким образом, напряженность магнитного поля для любого сечения в свободном от ферромагнетика магнитном зазоре, коллинеарного плоскостям магнитных полюсов и отстоящего от указанного центрально расположенного сечения на расстоянии «у» от него, равна Н(у)=H _O(2у/h)².

Рассмотрим теперь распределение Н(х) для случая введения в магнитный зазор с расстоянием h между его полюсами ферромагнитного кольца 2 с двумя кольцевыми диэлектрическими (немагнитными) вставками 11 толщиной d каждая. При этом толщина ферромагнитного кольца равна s=h-2(d+ ), где - величина зазора между плоскостями кольцевых диэлектрических вставок 11 и магнитными полюсами электромагнитов 1. Относительная магнитная проницаемость зазора 2(d+ ) равна единице, а ферромагнитного кольца толщиной s равна 1+ (Н), где (Н) - магнитная восприимчивость ферромагнетика в магнитном поле Н, определяемая известной кривой Столетова. При Н=0 начальная магнитная восприимчивость отлична от нуля и равна _НАЧ. По мере увеличения напряженности магнитного поля магнитная восприимчивость сначала растет до максимальной ее величины _МАХ при напряженности магнитного поля Н*, а при дальнейшем увеличении напряженности Н падает по квазиэкспоненциальному закону в области магнитного насыщения (при парапроцессе), и при глубоком насыщении (при очень больших значениях Н) стремится к нулевой, как для парамагнетиков.

Это означает, что приложение магнитного поля к ферромагнитному кольцу внутри магнитного зазора изменяет его магнитную проводимость в широких пределах, так что в плоскостях расположения частей проводников, параллельных магнитным полюсам, и в которых возбуждаются э.д.с. по каждому витку измерительной обмотки 10, удаленных от магнитных полюсов зазорами , напряженность магнитного поля Н( ) будет явным и достаточно сложным образом зависеть от магнитной восприимчивости (Н) ферромагнетика в магнитном поле магнитного зазора. Увеличение магнитной восприимчивости ферромагнитного кольца, находящегося в магнитном зазоре, фактически приводит к эквивалентному увеличению напряженности магнитного поля Н( ), то есть к увеличению э.д.с. U( ) на концах измерительной обмотки 10, и, наоборот, уменьшение (Н) приводит соответственно к уменьшению величины U( ). Сложность определения (Н) связана с неоднородностью магнитного поля, действующего в теле ферромагнитного кольца, и может быть найдена соответствующим интегрированием с учетом выражения Н(у)=H_O(2у/h) ², с помощью которого находится среднее значение (Н)_CP, которое является также функцией ВРЕМЕНИ t нахождения каждого дифференциального объема dv=sqdx, где координата х отсчитывается от начала магнитного зазора при х=0 по ходу протяжки ферромагнетика в магнитном зазоре до его конца при х=L. Время протяжки любого дифференциального объема ферромагнитного кольца dv, как ранее указывалось, равно t=L/ R. За этот промежуток времени t магнитная восприимчивость рассматриваемого дифференциального объема dv изменяется в соответствии с выражением (1) по закону:

Из выражения (2) следует, что постоянно действующее в магнитном зазоре распределение магнитной восприимчивости (х) для 0 x L описывается некоторой кривой, соответствующей части кривой Столетова, притом той ее части, которая определяется средним значением напряженности Н_СР неоднородного магнитного поля, действующего в ферромагнетике кольца внутри магнитного зазора длиной L. Интегрированием этого распределения по длине магнитного зазора L можно получить среднее значение магнитной проводимости ферромагнитного кольца внутри магнитного зазора, которое явным образом зависит от скорости протяжки в последнем ферроматериала V= R или, что то же самое, от интервала времени t=L/ R. Можно показать, что максимум усредненной магнитной проводимости ферромагнитного кольца, часть которого всегда находится в магнитном зазоре длиной L, достигается при равенстве t/ =е=2,71 - основание натурального логарифма. Это дает связь е =L/ *R, откуда постоянная релаксации магнитной вязкости ферромагнетика находится как =L/е *R.

Учитывая неоднородность магнитного поля в теле ферромагнетика, находящегося в магнитном зазоре, выражение для постоянной магнитной вязкости правильнее было бы переписать в виде =L/k *R, где k - некоторый постоянный коэффициент (не обязательно равный числу е), зависящий от степени неравенства q<<R и величины отношения s/2(d+ ). При этом определение коэффициента k потребовало бы использования в калибровочном эксперименте заведомо известного эталонного ферромагнетика по его величине постоянной магнитной вязкости, которая могла быть измеренной другими известными методами.

При малой скорости протяжки ферромагнетика в магнитном зазоре и при использовании насыщающего магнитного поля H_O в нем магнитная восприимчивость ферромагнетика становится малой практически во всем указанном распределении этой величины внутри магнитного зазора длиной L, что приводит к снижению магнитной проводимости ферромагнетика и соответственно к снижению э.д.с. U( ) в измерительной обмотке 10. При очень большой скорости протяжки магнитная восприимчивость не успевает увеличиться за время t от значения начальной магнитной восприимчивости _НАЧ, которая существенно меньше максимальной _МАХ, что также снижает значение э.д.с. U( ).

Важно отметить, что при достижении максимума средней магнитной проводимости ферромагнитного кольца в магнитном зазоре соответственно возрастает напряженность магнитного поля Н( ) в плоскостях расположения частей измерительной обмотки 10, коллинеарных магнитным полюсам электромагнитов, в которых возбуждаются э.д.с. индукции по формуле U( )=2µ_OH( )qL R/ . Следовательно, при значении угловой скорости * напряжение на концах измерительной обмотки 10 достигает экстремальной (максимальной) величины, как это видно на рис.4. Измеряя значение этой угловой скорости * (ее вариацией перестройкой частоты многофазного генератора (МГ) 5), можно вычислить постоянную магнитной вязкости ферромагнетика испытуемого кольца 2.

С помощью блока управления, вычисления и индикации (УВИ) 6 можно задать требуемую напряженность магнитного поля H_O на одноименных полюсах магнитного зазора и частоту колебаний в многофазном генераторе 5, определяющую угловую скорость вращения ферромагнитного кольца 2 с помощью синхронного двигателя (СД) 4, а также измерить и отобразить значения U( ), и сканированием величины найти значение *, при котором достигается MaxU( ) (см. рис.4). Целесообразно управлять током подмагничивания от источника постоянного тока (ИПТ) 8 так, чтобы H(s/2)=Н*, при котором (Н*)= _МАХ. Здесь H(s/2) - действующее на гранях ферромагнитного кольца значение напряженности магнитного поля, и при этом ферромагнитное кольцо не находится в насыщении, и все его части по магнитной восприимчивости соответствуют восходящей ветви кривой Столетова, то есть от _НАЧ (в центре толщины кольца) до _МАХ (на его боковых гранях). Отметим, что при напряженности магнитного поля Н* на гранях ферромагнитного кольца напряженность магнитного поля Н( )>>Н* в силу неоднородности магнитного поля в магнитном зазоре, что положительно сказывается на увеличении э.д.с. U( ), возбуждаемой в измерительной катушке 10.

Заявляемое устройство позволяет оценить степень однородности ферромагнетика путем измерения разброса значений U( ), например, на частоте *, по сравнению со средним значением величины U( *). При этом важно учитывать, что разброс U( ) может быть следствием неравномерной намотки измерительной обмотки 10 на ферромагнитном кольце 2 с парой кольцевых диэлектрических вкладышей 11, а также из-за возможного биения вращающегося ферромагнитного кольца 2.

Модификацией заявляемого устройства может быть использование ферромагнитного кольца 2 с измерительной обмоткой 10 на нем без использования кольцевых диэлектрических вкладышей 11, что может повысить диапазон вариаций средней магнитной проводимости ферромагнитного кольца при вариации угловой скорости его вращения. Кроме того, это упрощает конструкцию устройства и процесс проверки магнитной вязкости ферромагнетика. Однако при таком упрощении пришлось бы увеличить токи подмагничивания в обмотках 7 электромагнитов 1, чтобы удовлетворить условию H(s/2)=Н*, где s=D-2 , a D - расстояние между полюсами в магнитном зазоре. При этом зазор всегда должен быть несколько больше диаметра проводника измерительной обмотки 10 для беспрепятственного вращения ферромагнитного кольца внутри магнитного зазора.

Использование одноименных магнитных полюсов в магнитном зазоре, приводящее к неоднородному магнитному полю в зазоре, вызывается необходимостью сложения э.д.с., индуцируемых по правилу «правой руки» в полувитках измерительной обмотки 10 (токи в этих полувитках на рис.3 указаны горизонтальными стрелками). В однородном магнитном поле (с разноименными магнитными полюсами) э.д.с. индукции в измерительной обмотке 10 не возбуждалась бы.

На основе использования комбинации свойства магнитной вязкости ферромагнетиков, магнитокалорического эффекта и насыщающего магнитного поля можно строить так называемые термомагнитовязкие двигатели, преобразующие теплоту окружающей внешней среды, например, теплоту водных бассейнов, в механическую работу [8-11]. Поэтому актуальной становится задача подбора ферромагнетиков с определенной величиной постоянной магнитной вязкости.

Литература

1. Kronmiiller Н., Nachwirkung in Kerromagnetika, В. - [u.a.], 1968.

2. Вонсовский С.В., Магнетизм, М., 1971.

3. Мишин Д.Д., Магнитные материалы, М., 1981.

4. Меньших О.Ф., Прибор для измерения магнитной вязкости ферромагнетиков, Патент РФ № 2338216, опубл. в бюл. № 31 от 10.11.2008.

5. Меньших О.Ф., Способ измерения магнитной вязкости ферроматериалов, Патент РФ № 2357240, опубл. в бюл. № 15 от 27.05.2009.

6. Меньших О.Ф., Измеритель магнитной вязкости ферромагнетиков, Патент РФ № 2357241, опубл. в бюл. № 15 от 27.05.2009.

7. Меньших О.Ф., Способ измерения магнитной вязкости ферромагнетиков, Патент РФ № 2451945, опубл. в бюл. № 15 от 27.05.2012 (прототип).

8. Меньших О.Ф., Способ получения энергии и устройство для его реализации, Патент РФ № 2332778, опубл. в бюл. № 24 от 27.08.2008.

9. Меньших О.Ф., Устройство стабилизации частоты генератора, Патент РФ № 2368073, опубл. в бюл. № 26 от 20.09.2009.

10. Меньших О.Ф., Устройство автоматического управления электрогенератором, Патент РФ № 2444842, опубл. в бюл. № 7 от 10.03.2012.

11. Меньших О.Ф., Способ получения энергии и устройство для его реализации, Патент РФ № 2452074, опубл. в бюл. № 15 от 27.05.2012.

Данные патентного поиска

RU 2357241 С1, 27.05.2009.	RU 2357240 С1, 27.05.2009.
RU 2338216 С1, 10.11.2008.	US 2009009157 А1, 08.01.2009.
RU 2309527 С1, 27.10.2007.	RU 2291546 С1, 10.01.2007.
JP 20011255305 А, 21.09.2001.	JP 63180851 А, 25.07.1988.