Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих методов контроля магнитных свойств магнитомягких материалов 8
1.1. Классификация и обзор методов контроля 8
1.2. Наиболее перспективные методы контроля магнитных свойств МММ 17
1.3. Стандарты испытаний МММ 22
1.3.1. Стандарты МЭК 22
1.3.2. Стандарты ГОСТ Р 23
1.4. Современные магнитоизмерительные комплексы для контроля магнитных свойств МММ 24
2. Методика восстановления статических магнитных характеристик изделий из магнитомягких материалов 30
2.1. Постановка задачи 30
2.2. Метод расчета параметров электромагнитного поля 31
2.3. Метод решения оптимизационной задачи 34
2.4. Программный комплекс PULSE, реализующий алгоритм метода 40
2.4.1. Основные программные расчетные модули 40
2.4.2. Режимы работы программного комплекса PULSE 41
2.5. Программный комплекс JUMP при решении прямой задачи 43
2.5.1. Структура комплекса JUMP 43
2.5.2. Интеграция программы NONLP и программного комплекса JUMP 44
3. Обоснование работоспособности метода контроля магнитных свойств материалов 49
3.1. Решение прямой и обратной модельных задач ...49
3.1.1. Модель магнитной системы «Цилиндр-соленоид» 50
3.1.2. Модель магнитной системы «Призма-соленоид» 57
3.1.3. Модель магнитной системы «Два цилиндра-соленоид» 60
3.2. Расчет и анализ СМХ при введении погрешностей случайного характера в сигнал W(t) 64
3.2.1. Модель «Цилиндр-соленоид» 65
3.2.2. Модель «Призма-соленоид» 70
3.2.3. Модель «Два цилиндра-соленоид» 72
4. Установка для контроля магнитных свойств материалов 77
4.1. Состав установки для контроля магнитных свойств МММ 77
4.1.1. Установка импульсного намагничивания(УИН) 77
4.1.2. Нагрузка УМН. Выбор контролируемых образцов ..78
4.2. Первичные измерительные преобразователи установки контроля ..-: 79
4.2.1. Расчет и характеристики датчиков ЭМП в установке контроля 79
4.2.2. Расчет и характеристики датчика для контроля тока в УИН 80
4.3. Разработка контрольно-измерительной части разрабатьшаемой системы контроля 83
4.3.1. Плата ввода-вывода АЦП DAQCARD-700 для снятия сигналов с датчиков 83
4.3.2. Программа PULSE-LV для работы с измеряемыми сигналами 85
5. Эксперимент по контролю магнитных свойств изделий из магнитомягких материалов 91
5.1. Подготовка УИН для проведения экспериментов в ИМП 91
5.1.1. Оценка погрешности измерений тока для проведения испытаний образцов МММ в импульсном магнитном поле 9Г
5.1.2. Подготовка оборудования для проведения экспериментов...:... 93
5.2. Испытания образцов из МММ в импульсном магнитном поле ...94
5.3. Обработка и анашз результатов эксперимента .97
5.4. Внедрение метода и установки контроля магнитных свойств деталей МММ на производстве 100
Заключение 102
Литература... 104
Приложение
- Наиболее перспективные методы контроля магнитных свойств МММ
- Современные магнитоизмерительные комплексы для контроля магнитных свойств МММ
- Программный комплекс PULSE, реализующий алгоритм метода
- Расчет и анализ СМХ при введении погрешностей случайного характера в сигнал W(t)
Введение к работе
Промышленностью выпускается большое многообразие электрических аппаратов, содержащих электромагнитные и электромеханические устройства. В состав этих устройств входят следующие основные детали: контакты электромагнитных, электромеханических реле и герконов; различные типы контактов автоматических выключателей и контакторов; магнитопроводы электромагнитных механизмов в аппаратах управления и защиты.
Детали этих устройств изготавливаются из магнитных и электропроводящих материалов, стоимость которых существенно влияет на себестоимость всего аппарата. Стремление снизить материалоемкость таких изделий и повысить их конкурентоспособность предъявляет повышенные требования к обеспечению качества производства.
Особенности технологии производства такого вида продукции не позволяют гарантировать сохранение магнитных свойств материалов после механической обработки деталей. Это в первую очередь относится к никелиевым магнитомягким сплавам, изделиям из магнитотвердых материалов (постоянным магнитам) и ко всем анизотропным магнитным материалам. Поэтому создание методов и установок для оперативного цехового контроля магнитных свойств материалов представляется весьма актуальной задачей, решение которой позволит существенно повысить качество выпускаемой электротехнической продукции.
Целью диссертационной работы было создание нового высокоэффективного метода контроля магнитных свойств материалов деталей электрических аппаратов и разработка установки для такого контроля. Для достижения этой цели были решены следующие основные задачи:
Наиболее перспективные методы контроля магнитных свойств МММ
Понятие контроля магнитных свойств деталей МММ является достаточно емким и включает в себя широкий спектр испытаний и исследований по определению ряда основных магнитных параметров контролируемой детали из МММ. Как отмечалось выше, СМХ или кривая намагничивания, как часть петли гистерезиса (ПГ), является одной из основных характеристик при испытаниях МММ. В работах [51, 76, 77] авторами предложен новый подход к решению проблемы определения СМХ на основе экстраполяции динамических характеристик в низкочастотную область. Проводятся исследования по определению статических магнитных характеристик, с использованием методов так называемой аналитической и экспериментальной экстраполяции и метода фрагмнтов[51], общим для которых является принудительное обеспечение нулевой скорости изменения магнитной индукции В(г)(или (H(t)) и измерении магнитной величины по окончании переходного процесса, то есть при dH/dt=0(dB/dt=0). Длительность этого процесса определяет быстродействие методов измерения статических характеристик. В связи с этим авторы исследуют переходные процессы(ПП) при измерении точек основной СМХ - петли гистерезиса. Проведение этих исследований позволило установить зависимость длительности ПП напряженности машитного поля в магнитных материалах при измерении статических характеристик от параметров перемагничивающего сигнала и свойств магнитных материалов. Автоматизированный магнитоизмерительный комплекс для перемагничивания контролируемый образцов под управлением микроЭВМ был разработан и изготовлен во ВНИ ПТИЭМ (г. Владимир).
В работе [78] авторами сделана попытка формализации процессов перемагничивания массивных магнийых материалов. Наиболее важный результат этой работы - учет вихревых токов. Был создан программный комплекс расчета статических и динамических характеристик магнитомягких и МТМ с учетом нелинейности, магнитного гистерезиса и проявления вихревых токов. Разработанный программный комплекс позволил получить достаточно полный наор магнитных характеристик, достаточный для анализа и проектирования таких устройств как гистерезисные двигатели, двигатели с постоянными магнитами, реактивные двигатели, герконы и т.д. Тексты программных модулей, реализующих непосредственно расчеты, написаны на алгоритмическом языке Фортран. Для программы расчета СМХ исходными данными являются следующие параметры: В и Н, соответствующие максимальной магнитной проницаемости образца; - геометрические параметры образца(для цилиндрических образцов - длина, наружный и внутренний диаметр); - удельная электропроводность; - частота перемагничивания материала. С помощью данной программы расчета были определены следующие характеристики: 1. Статические Bc=f(Hc) и динамические Bd=f(Hd)(Ha частоте) кривые намагничивания; 2. Семейство динамических петель перемагничивания; 3. Потери на вихревые токи в объеме образца. Однако авторам не удалось смоделировать и рассчитать процессы перемагничивания магнитных материалов по частным циклам, а из-за ограниченности технических возможностей результаты этих работ носят эмпирический характер. Работы [83] посвящены экспериментальным исследованиям холоднокатаной стали и построению кривых намагничивания. Более поздние труды этих авторов [85] посвящены измерению гистерезисных петель изотропных листовых электротехнических сталей. Авторами были разработано устройство для снятия динамических гистерезисных петель изотропных листовых электротехнических сталей, позволяющее без разрушения материала определять среднюю по толщине листа магнитную индукцию в той области, в которой была определена напряженность магнитного поля.
Современные магнитоизмерительные комплексы для контроля магнитных свойств МММ
Из современных разработок по созданию комплексов для контроля магнитных свойств МММ можно отметить несколько основных: 1. Комплекс для измерения гистерезисных кривых МММ - REMAGRAPH С (Magnet-Physik Dr. Steingroever GmbH, Germany) [30], а также программное обеспечение для этого комплекса REMA 6.0 является практически единственным современным оборудованием для измерений СМХ МММ, удовлетворяющее стандарту МЭК[14]. При определении гастерезисных кривых с использованием REMAGRAPH С процесс измерения напряженности магнитного поля контролируется программно с помощью АЦП. Учитьшается влияние вихревых токов, хотя измерения проводятся за достаточно короткий период времени. Измеренные величины напряженности магнитного поля Н и намагниченности М синхронно передаются в компьютер.
Рассчитанная гистерезисная кривая отображается на мониторе компьютера, поэтому результаты можно наблюдать уже в процессе эксперимента. Характерной особенностью REMA 6.0 является возможность сохранять исходные данные образца и измеряемые параметры. Поэтому при проведении новых измерений необходимо изменять только некоторые исходные данные. Результаты измерений и полученные кривые выводятся на монитор и принтер и могут быть при необходимости обработаны другими программами, например Microsoft Excel. Это позволяет проводить статистические исследования при измерениях за больший период времени. Характеристики установки представлены в табл. 1.1. Гистерезисграфы переменного и постоянного тока (Walker LDJ Scientific Inc.) [116] Гистерезисграфы используются для анализа магнитных свойств таких материалов как постоянные магниты, магнитомягкие стали и сплавы. Гистерезисграфы являются многоцелевыми лабораторными приборами для измерения широкого спектра материалов в различных испытательных условиях и могут быть также использованы для установок контроля качества материалов.
Перечислим основные характеристики таких гистерезисграфов: - Высокая точность, надежность, повторяемость и скорость измерений; - Гистерезисграфы являются высокоэффективными приборами, использующими технологию DSP(Digital Signal Processing - цифровая обработка сигнала) и цепь высокоскоростной обработки и передачи данных; - Многоцелевое назначение(для исследовательских измерений и для контроля качества); - Использования нового Языка Тестовых Исследований(фирмы LDJ Electronics) для решения различных задач по испытаниям; - Определение коэрцитивной силы, остаточной магнитной индукции и максимальной энергии изделий из магнитных материалов; - Измерение магнитных свойств на переменном токе и потерь в сердечниках трансформаторов; - Определение магнитной проницаемости, коэрцитивной силы и магнитного насыщения МММ. Таким образом, гистерезисграфы являются многоцелевым устройством для анализа широкого круга магнитных материалов. 3. Устройство для определения магнитных свойств образцов из магнитомягких материалов [98], в котором реализован предложенный авторами способ определения кривых намагничивания магнитных материалов. Этот способ основан на комбинировании эксперимента с компьютерным моделированием, то есть на так называемом экспериментально-модельном подходе [39 42-44]. Данный измерительный комплекс состоит из следующих блоков: - намагничивающая система - сенсоры для измерения параметров магнитного поля - электронный блок управления - усилитель мощности - компьютер с универсальной платой АЦП/ЦАП (используется карта PCL-812 фирмы ADVANTECH) Измерение кривой намагничивания реализовано следующим образом: образец располагается в центре намагничивающей системы между двумя цилиндрами из известного МММ. Для измерения магнитной индукции могут использоваться любые известные датчики, например, измерительные катушки.
Программный комплекс PULSE, реализующий алгоритм метода
Описанный выше алгоритм бьш реализован на языке FORTRAN стандарта Фортран 90 в программной среде Microsoft Fortran Power Station 4.0. Перечислим расчетные модули, используемые в комплексе PULSE: Основные расчетные модули: Основные программы NONLP и CLARKT являются исполняемыми модулями (EXE-файлами). Программа NONLP управляет всем алгоритмом расчета СМХ, вводом и выводом данных, вызовом процедур, функций и т.д. Расчетный модуль CLARKT предназначен для численного расчета квазистационарного магнитного поля во временной области. Программный комплекс PULSE, предназначенный для расчета СМХ магнитных материалов работает в двух, основных режимах: 1. Режим «ПРЯМОЙ ЗАДАЧИ» Данный режим необходим для настройки и тестирования расчетных модулей, входящих в PULSE, а также для решения модельных задач. При расчете модельных задач, с помощью программы расчета квазистационарного магнитного поля во временной области CLARKT решается прямая задача предлагаемого метода контроля. В табл. 2.1. представлены основные переменные, используемые в расчетных модулях комплекса PULSE. Следует отметить, что при расчете прямой задачи в файле исходных данных input.psi программного комплекса PULSE переменная idir=l. . Режим «ОБРАТНОЙ ЗАДАЧИ» Этот режим используется как при решении модельных задач (численном эксперименте), так и при реальном эксперименте, то есть работе с измеряемыми сигналами. И в том и в другом случае реализуется алгоритм, описанный в разд. 2.2.
Как было отмечено выше, этот алгоритм восстановления СМХ реализуется с помощью программы NONLP. При этом исходными данными NONLP в случае численного эксперимента являются результаты численного расчета электромагнитного поля (потокосцепление в измерительных катушках и ток в соленоиде). JUMP - это интегрированная диалоговая система интерфейсной оболочки и расчетных модулей, позволяющая проводить численный анализ трехмерных электромагнитных систем без существенной идеализации задачи. Комплекс программ JUMP объединяет расчетные программы LOMAN, CLARKfT), CLARK(F) (а также модули расширения), реализующие алгоритмы численного расчета трехмерных электромагнитных полей с нелинейными ферромагнитными свойствами. Указанные расчетные программы написаны на языке FORTRAN и откомпилированы 32-битным компилятором MS FORTRAN POWER STATION 4.0. Интерфейсная оболочка разработана с помощью пакета графического программирования LabVIEW версии 5.1[120,121] фирмы NATIONAL INSTRUMENTS [118]. Краткое описание работы комплекса JUMP изложено в Приложении 1. Возможности среды программирования Lab View позволили объединить расчетные модули решения обратной задачи и необходимые исходные данные, которые пользователь создает в окне «Исходные данные текущей задачи»(файл input.dat). Такая интеграция осуществляется при помощи структуры исполняемых приложений в среде ЛЖР(так называемых Plugln - программ). Перечислим основные этапы программной реализации предложенного алгоритма метода контроля. На первом этапе происходит задание исходных данных в окне «Исходные данные текущей задачи» среды JUMP (см. разд. 2.5.1). При задании исходных данных магнитной системы установки импульсного намагничивания(УИН) в среде JUMP следует учесть следующие моменты
Расчет и анализ СМХ при введении погрешностей случайного характера в сигнал W(t)
Для исключения избыточной информации о ходе внешних итераций из результатов решения обратной задачи, представим графически только характеристики М(Н) для различных отклонений исходных данных і (t), а также зависимости параметра CV для последнего шага на внешнем цикле поиска минимума Ф(Х)при различных процентных отклонениях входных параметров алгоритма расчета для фиксированного значения погрешности х (t). Модельные расчеты, которые проводились для конструкции магнитной системы «Цилиндр-соленоид» при базовых параметрах модели(см.табл.З.З) показали следующие: при погрешностях случайного характера, внесенных во входные параметры г (/)в пределах от 2 до 10% погрешность результатов, оцененная по относительной квадратичной невязке(см. формулу 3.2) лежит в пределах от 2,6 до 15,1 %(см. табл.3.7). При этом значения Msi, Hsi рассчитывались как средние по П выборкам(п=5) для каждого варианта введенной погрешности(2%, 5% и 10%); Примечание: В формуле относительной квадратичной невязки по сравнению с (3.2) приняты следующие обозначения: - Msi, Hsi - намагниченность и напряженность магнитного поля насыщения, соответствующие текущей погрешности, внесенной в зависимость і (t). Характеристики М(Н), построенные по результатам данного расчета, представлены на рис.3.15. Остановимся более подробно на исследованиях алгоритма на данной модели магнитной системы, то есть будем использовать ее в качестве базовой для анализа характеристик метода. Для начальной оценки характеристик метода контроля проведем исследования по влиянию входных параметров алгоритма на сходимость и конечный результат решения обратной задачи, то есть вектор искомых решений X..
При этом погрешности, внесенные в зависимость т (t), находятся в пределах 2%. По результатам исследований влияния параметров алгоритма рагХ, argO и imax на сходимость обратной задачи, основные из которых представлены в табл.3.8-3.10 и на рис.3.16 - 3.18 можно сделать следующие выводы: 1. Изменение каждого из вышеперечисленных параметров алгоритма в заданных пределах практически не влияет на вектор результатов \Ad s, tl s j, а значит и на величину квадратичной невязки (см. формулу 3.2); 2. Увеличение параметра числа внешних итераций imax 4 приводит к неоправ данному возрастанию времени расчета. При внесении случайных погрешностей в исходные параметры для данной магнитной системы и проведении обратного расчета по схеме, описанной в п. 3.2.1 были получены следующие результаты(см. табл. 3.11): м средние значения по YI выборкам (п=5) намагниченности Ш s и напряжен ности магнитного поля насыщения - относительная квадратичная невязка Ot, где индекс /определяет текущее значение вводимой погрешности исходных данных(от О до 10 %).
Относительная квадратичная невязка оценивалась по формуле 3.2 с введенными в п.3.2.1 обозначениями. По этой же формуле построены(см. рис.3.19) зависимости М(Н) для значений погрешностей входных параметров от 0 до 10 %. Для анализа результатов, полученных в разд. вклада магнитного поля образца в суммарную составляющую поля всей магнитной системы в процессе намагничивания. С этой целью проведем прямой расчет для каждой из вариантов магнитных систем, рассматриваемых в данной главе. При этом для исключения влияния поля образца при проведении расчетов в комплексе JUMP воспользуемся опцией "При расчете поля элемент...", устанавливаемой в положение «Учитывать» при проведении численного расчета ЭМП с учетом данного элемента магнитной системы и в положение «Не учитывать», если текущий элемент магнитной системы исключаются из численного расчета ЭМП. По результатам п. 3.2 можно сделать следующий вывод: - В отличие от рассмотренных в п.3.2.1 магнитной системы с одним цилиндрическим образцом и системы с образцом, состоящим из цилиндров разного диаметра(п.3.2.3), образец в системе «Призма соленоид» имеет меньшие размеры в осевом направлении (см. табл. 3.1 и 3.4), поэтому вклад поля призматического образца существенно меньше по сравнению с образцами двух других вариантов магнитных систем (см.рис.3.21);
Похожие диссертации на Метод и установка оперативного контроля магнитных свойств материалов деталей электрических аппаратов
