Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследование электромагнитных процессов в силовом импульсном блоке контролирующего оборудования 14
1.1. Электрические схемы импульсного оборудования для намагничивания и контроля постоянных магнитов 14
1.2. Переходные процессы в ИИМП бестрансформаторного типа 18
1.3. Переходные процессы в ИИМП трансформаторного типа 23
1.4. Влияние постоянного магнита на параметры импульса 28
1.5. Расчет и оптимизация конструкции индукторных систем, обеспечивающих необходимую однородность поля и длительность импульса 32
1.6. Выводы 37
Глава 2. Математическая модель состояния постоянного магнита 39
2.1. Дифференциальные уравнения состояния магнитного вещества 40
2.2. Упрощенная модель состояния постоянного магнита в разомкнутой магнитной цепи на основе понятия размагничивающего фактора 45
2.3. Математические модели постоянного магнита в разомкнутой магнитной цепи с учетом реального распределения намагниченности 55
2.4. Выводы 59
Глава 3. Методика натурно-модельного исследования свойств высококоэрцитивных постоянных магнитов в разомкнутой цепи в импульсном магнитном поле 60
3.1.. Принцип построения системы натурно-модельного эксперимента по контролю свойств постоянных магнитов 60
3.2. Математическая модель системы контроля постоянных магнитов 67
3.3. Математическое представление материала постоянного магнита в ходе натурно-модельного эксперимента 71
3.4. Уравнение связи постоянного магнита с измерительной катушкой 72
3.5. Алгоритм восстановления свойств магнитного материала по методу натурно-модельного эксперимента 74
3.6. Анализ методической погрешности натурно-модельного эксперимента...80
Глава 4. Реализация метода контроля свойств высокоэнергетических постоянных магнитов в импульсном магнитном поле в автоматизированном электротехническом оборудовании . 84
4.1. Функциональная схема и устройство установки контроля гистерезисных параметров редкоземельных магнитов 84
4.2. Особенности системы регистрации экспериментальных данных 88
4.3. Обработка данных эксперимента 91
4.4. Расчет магнитной характеристики по экспериментальным данным 94
4.5. Пример контроля образца постоянного магнита на установке ТКМГП 95
4.6. Распечатка отчета и другие возможности 101
4.7.Выводы 102
Заключение 104
Список литературы 105
- Электрические схемы импульсного оборудования для намагничивания и контроля постоянных магнитов
- Дифференциальные уравнения состояния магнитного вещества
- Принцип построения системы натурно-модельного эксперимента по контролю свойств постоянных магнитов
- Функциональная схема и устройство установки контроля гистерезисных параметров редкоземельных магнитов
Введение к работе
Актуальность темы. Применение постоянных магнитов (ПМ) в технике ежегодно увеличивается. За последние годы отмечается большой спрос на ПМ из редкоземельных магнитотвердых материалов (РЗМ), типа NdFeB, SmCo [1 - 7]. Отличительной особенностью этих материалов максимальная коэрцитивная сила, которая делает эти магниты лидерами по применению в новых изделиях. Препятствием во взаимоотношениях между поставщиками магнитов и потребителями остается определение свойств ПМ.
Важной задачей является технологический и приемо-сдаточный контроль свойств РЗМ в процессе изготовления ПМ сложной формы. Известно, что режимы технологического процесса значительно влияют на конечные свойства магнита, которые от партии к партии могут иметь широкий разброс. При этом в процессе технологического контроля свойств материала ПМ в образцах сложной формы, не прошедших механическую обработку, можно допустить сравнительные испытания при наличии эталонных ПМ. Поэтому создание оборудования для оперативного технологического контроля магнитных параметров ПМ является актуальной задачей повышения качества изделий электротехники.
Увеличение производства редкоземельных высококоэрцитивных ПМ и непрерывное расширение их области применения в ответственных изделиях с экстремальными условиями работы (повышенная температура до 170 С, воздействие размагничивающих полей) вызывает необходимость дальнейших исследований и разработки новых эффективных методов производственного контроля свойств этих магнитов. Одним из наиболее перспективных является метод контроля свойств материалов редкоземельных ПМ в разомкнутой цепи с применением импульсных полей. Этот метод открывает перспективы получить информацию, как о первоначальной кривой намагничивания, так и обо всей кривой размагничивания и ее параметрах:
5 остаточной индукции и намагниченности, коэрцитивной силе, энергетическом произведении на основе испытания образцов ПМ сложной формы.
Большой вклад в развитие теории и методов испытания свойств материалов ПМ внесли отечественные ученые: Чечерников В.И., Шихин А.Я., Коген-Дален В.В., Сергеев В.Г., Ягола Г.К., Курбатов П.А., Нестерин В.А., Андриевский Е.А. и др. [8-29]. С появлением РЗМ многие методы и оборудование оказались непригодными для контроля свойств ПМ. Недостатком широко известных методов и средств контроля в замкнутой магнитной цепи является сложность их применения для технологического контроля магнитных характеристик непосредственно на готовых ПМ. Кривая размагничивания магнитотвердых материалов в такой аппаратуре может достоверно определяться лишь в ограниченном диапазоне напряженностей магнитного поля, что недостаточно для современных магнитотвердых материалов.
Для ведения массового технологического контроля ПМ из магнитотвердых материалов наиболее пригоден метод контроля гистерезисных параметров в разомкнутой магнитной цепи в импульсном магнитном поле [8, 30]. Главное преимущество такого оборудования состоит в том, что оно способно создавать достаточно сильные магнитные поля при сравнительно малой потребляемой из сети мощности [8]. Если потребляемая мощность импульсной установки 1-3 кВт то для создания равного магнитного поля в электромагните потребуется мощность в несколько десятков кВт. Вопрос создания сильных магнитных полей в индукторных системах хорошо изучен [31-33]. В научных трудах анализу переходных процессов в системах типа «источник - индуктор» отводится достаточно места, каждый автор решает этот вопрос применительно к своей задаче [34-36]. Т.к. индукторная система является частью импульсного оборудования, то проектирование ее связано с применением комплексной математической модели, основанной на совместном анализе
6 электромагнитных переходных процессов в силовой разрядной цепи и процессов диффузии магнитного поля в ПМ [35]. Вопросам проектирования импульсного оборудования посвящена большая часть работ профессора Нестерина В.А. [8, 30, 37 - 76], работы других авторов [77 - 84]. В части моделирования электромагнитных полей в ферромагнитных средах большой вклад внесен работами ученых: Тамм И. Е., Поливанова К.М., Демирчяна К.С., Неймана Л.Р., Коровкина Н.В., Чечурина В.Л., Тикадзуми С, Арнольда Р., Вонсовского СВ., Курбатова П.А. [23, 85 - 89].
Важную роль в производстве играет автоматизация технологических процессов. Автоматизация позволяет освободить человека от монотонного труда, обеспечить его безопасность, повысить качество и точность управления оборудованием, увеличить производительность труда, а в контролирующем оборудовании, в частности, повысить точность результатов контроля свойств материалов. Автоматизированное оборудование сравнительно быстро окупается за счет снижения эксплуатационных расходов и повышения объемов и качества продукции [90]. Применение вычислительной и микропроцессорной техники является важным условием автоматизации оборудования, делает этот процесс доступным для широкого круга задач. При проектировании автоматизированного контролирующего оборудования решаются следующие задачи: разработка математического обеспечения; создание программного обеспечения алгоритма управления и обработки данных; механизация оборудования; проектирование измерительных датчиков. Задача управления технологическим процессом на стадии проектирования автоматизированного оборудования решаются на основе имитационного моделирования, результатом которого является синтез алгоритма управления сложным электротехническим комплексом [91]. Задача реализации алгоритма управления в части создания программного обеспечения решается программированием на языках высокого уровня (Delphi, Lab View) [92-97]. Задача обработки данных - с помощью процессорных средств измерения,
отличающихся тем, что их программируемая вычислительная мощность входит в состав измерительной цепи и участвует в получении результатов измерения, выполняя часть измерительной процедуры [98]. Результатом решения этих задач является управляющая программа для ПК, с помощью которой осуществляется управление и мониторинг автоматизированного оборудования, а также обработка и анализ данных. В контролирующем оборудовании для определения магнитных свойств материала применяются индукционные измерительные преобразователи или датчики Холла, которые объединяются в многофункциональные датчики для получения комплексных данных об объекте исследования. Такие датчики отличаются тем, что позволяют осуществить автоматическое избирательное преобразования требуемой физической величины из общей совокупности, воздействующих на вход датчика сигналов, исключая влияние дестабилизирующих факторов [99]. Задача механизации оборудования решается с помощью исполнительных механизмов на основе электроприводов двигателя постоянного тока или вентильного электродвигателя под управлением микропроцессорной техники, запрограммированной на языке низкого уровня [100-106].
Особое внимание при создании импульсного технологического оборудования отводиться мерам защиты линий связи от внешних и взаимных помех. Наиболее эффективными из них являются скрутка, экранирование и гальваническая развязка [107-109]. В цифровых линиях связи для технологического оборудования дополнительным средством защиты является применение протоколов передачи данных, устойчивых к действию помех [92-96, ПО].
Целью работы является разработка методики и создание автоматизированного высокопроизводительного электротехнического комплекса для технологического контроля свойств высококоэрцитивных ПМ сложной формы в импульсном поле.
Для достижения поставленной цели в диссертации решались следующие задачи:
1. Разработка методики контроля магнитных характеристик
магнитотвердых материалов на основе натурно-модельного эксперимента применительно к разомкнутой магнитной цепи в импульсном магнитном поле.
Разработка математической модели ПМ с учетом анизотропии магнитных свойств высококоэрцитивных магнитотвердых материалов.
Разработка алгоритма и программного обеспечения, позволяющего восстанавливать магнитную характеристику, пропорциональную кривой размагничивания материала по экспериментальной интегральной магнитной характеристике образца ПМ.
Создание и внедрение автоматизированного электротехнического оборудования, реализующего натурно-модельный метод контроля гистерезисных параметров высококоэрцитивных ПМ в разомкнутой цепи в импульсном магнитном поле.
Методы исследования. При исследовании переходных процессов в импульсном конденсаторном оборудовании, разработке математической модели ПМ используются методы теории электрических цепей и электромагнитного поля, физических основ магнетизма и теории дифференциальных и алгебраических уравнений. Определение гистерезисных параметров высококоэрцитивных ПМ осуществляется на основе натурно-модельного эксперимента в разомкнутой магнитной цепи в импульсном магнитном поле. При восстановлении кривой размагничивания применялся метод аппроксимации нелинейной функции кусочно-ломанной кривой в сочетании с итерационным методом подбора параметров линейных отрезков.
Достоверность полученных результатов обеспечена соответствием результатов экспериментов контроля РЗМ ПМ по предлагаемой методике
9 и замеров кривых размагничивания образцов в замкнутой магнитной цепи, анализом методической погрешности и повторяемостью результатов контроля на одних и тех же образцах ПМ.
Научная новизна: 1. Предложен метод натурно-модельного эксперимента для восстановления характеристики размагничивания материала по интегральной экспериментальной характеристике размагничивания ПМ в разомкнутой магнитной системе в импульсном поле, отличающийся тем, что учитывает неоднородное распределение поля в ПМ и позволяет снизить методическую погрешность в сравнении с известным методом усреднения поля по всему объему ПМ.
2. Разработана математическая модель системы ПМ-индуктор-
измерительная катушка, отличающаяся тем, что в ней учтена анизотропия
магнитных свойств материала, что особенно важно для применения ее
в алгоритме восстановления кривой размагничивания материала ПМ.
Разработано автоматизированное электротехническое оборудование для контроля свойств высококоэрцитивных ПМ отличающееся тем, что на нем можно производить контроль ПМ произвольной формы предложенным методом натурно-модельного эксперимента.
Применена усовершенствованная измерительная система катушек с двойной компенсацией помех для контроля магнитного потока в импульсном магнитном поле, отличающаяся более высокой точностью, благодаря снижению сигнала помехи за счет применения дополнительных компенсирующих катушек.
Практическая ценность. Разработано и внедрено автоматизированное электротехническое оборудование для сравнительной оценки гистерезисных параметров магнитных материалов высокоэнергетических ПМ сложной формы в разомкнутой магнитной цепи в импульсном поле. Данное оборудование позволяет сократить время на технологический экспресс-контроль свойств материала при массовом производстве и применении высококоэрцитивных ПМ, а также снизить уровень брака, т.к. позволяет
10 отбраковывать и сортировать магниты уже на промежуточной стадии технологического процесса, а не по результатам испытаний готового изделия в сборе.
На защиту выносится: 1. Метод натурно-модельного эксперимента в разомкнутой магнитной системе в импульсном магнитном поле применительно к оценке магнитных свойств материала ПМ. Метод состоит в объединении в единый процесс экспериментального определения интегральных магнитных характеристик и моделирования параметров магнитного материала ПМ.
Математическая модель системы ПМ-индуктор-измерительная катушка с учетом анизотропии магнитных свойств высококоэрцитивных магнитотвердых материалов, позволяющая реализовать метод натурно-модельного эксперимента для технологического контроля гистерезисных параметров магнитотвердых материалов на образцах сложной формы.
Автоматизированное электротехническое оборудование для технологического контроля параметров высокоэнергетических ПМ в импульсном магнитном поле. В этом оборудовании реализована методика натурно-модельного эксперимента и применена усовершенствованная конструкция измерительных катушек с двойной компенсацией помех.
Реализация результатов работы. Разработанное
при непосредственном участии автора импульсное контролирующее оборудование для высокоэнергетических ПМ внедрено в ОАО «ЧЭАЗ» г. Чебоксары, ООО «Элмаг» г. Владимир. Это оборудование использовано при освоении новых изделий на базе высокоэнергетических ПМ и позволяет улучшить качество магнитных систем, благодаря отбраковке ПМ.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы автора докладывались и обсуждались на всероссийских конференциях и международных симпозиумах.
Публикации. Содержание диссертации отражено в 18 опубликованных научных работах автора. На импульсную намагничивающую установку получен патент РФ.
Структура и объем работы. Работа изложена на 151 странице, содержит введение, 4 главы, заключение, список литературы и 6 приложений.
Во введении приводится аналитический обзор литературы по теме диссертации, описаны перспективы применения высокоэнергетических ПМ, даны основные термины и определения, обоснование актуальности темы, сформулированы цель и задачи исследования и приведено краткое содержание работы.
В главе 1 рассмотрены две наиболее часто встречающиеся схемы импульсного оборудования трансформаторного и бестрансформаторного типа на базе емкостных накопителей энергии (ЕНЭ), предназначенные для намагничивания ПМ в системах контроля их параметров. Получены основные соотношения, описывающие переходные процессы в системе «накопитель энергии - индуктор» [111]. Даны рекомендации по выбору геометрических размеров индукторов для осевого намагничивания, обеспечивающих наибольшую амплитуду и однородность поля в зоне индуктора при заданной длительности импульса тока и емкости накопителя [112]. Анализ влияния длительности импульса на однородность намагничивания обоснованно указывает на возможность полного намагничивания до насыщения всего объема и отсутствие значимого влияния вихревых токов на процесс намагничивания ПМ. Получены условия и даны рекомендации по выбору параметров схем, обеспечивающих необходимую длительность, амплитуду и степень затухания импульса.
В главе 2 рассмотрен известный метод определения кривой размагничивания по измеренной зависимости магнитного потока ПМ в функции напряженности магнитного поля с использованием коэффициента размагничивания [8, 30, 113, 114]. Недостатком метода является требование
постоянства намагниченности по объему образца, а это в разомкнутой магнитной системе имеет место только для образцов правильной формы. Выполнен обзор математических моделей изделий из магнитных материалов. Проанализирован диапазон применимости этих моделей применительно к реализации метода натурно-модельного эксперимента для контроля свойств ПМ в импульсном магнитном поле в разомкнутой магнитной цепи. Дано обоснование выбора модели с кусочно-постоянной аппроксимацией намагниченности по элементарным объемам, как наиболее подходящей при разработке метода натурно-модельного эксперимента для контроля свойств ПМ в импульсном магнитном поле в разомкнутой магнитной цепи в качестве основы для получения математической модели ПМ в измерительной системе.
В главе 3 рассматриваются принципы построения системы натурно-модельного эксперимента по контролю свойств ПМ в разомкнутой магнитной системе в импульсном поле. Разрабатывается более совершенная методика натурно-модельного эксперимента определения свойств магнитотвердых материалов, в которой применяется математическая модель ПМ [115-123]. Метод контроля и прогнозирования магнитных свойств материала, основанный на объединении в единый процесс опытного определения и моделирования магнитных характеристик и параметров ПМ, носит название натурно-модельного эксперимента. Он позволяет учесть неоднородное распределение поля в ПМ и снизить методическую погрешность в сравнении с известным методом усреднения поля по объему ПМ. Выполнен анализ методической погрешности метода.
В главе 4 приведены результаты реализации методики натурно-модельного эксперимента контроля высокоэнеретических ПМ в импульсном магнитном поле в разомкнутой цепи. Практическая реализация автоматизированного электротехнического оборудования и программного продукта осуществлена в виде образца импульсного коэрцитиметра типа ТКМГП, разработанного и изготовленного в ОАО «ЧЭАЗ» при непосредственном участии автора [111, 124, 125]. Оборудование
13 позволяет снизить затраты времени на технологический контроль магнитных свойств материала при массовом производстве и применении ПМ любой формы, что позволит оперативно вносить изменения в технологический процесс и снизить уровень брака. Применена усовершенствованная измерительная система катушек с двойной компенсацией помех для контроля магнитного потока в импульсном магнитном поле, позволяющая снизить сигнал помехи за счет применения дополнительных компенсирующих катушек. В результате испытаний опытного образца оборудования ТКМГП подтверждено соответствие реальных функциональных возможностей и параметров коэрцитиметра расчетным данным и выявлено наличие дополнительных возможностей. Произведена также проверка установки на экологическую безопасность в процессе производства и эксплуатации.
В заключении по результатам диссертационной работы сделаны выводы.
Работа выполнялась на кафедре «Электромеханики и технологии электротехнических производств» ФГОУ ВПО «Чувашский государственный университета им. И.Н. Ульянова» и в отделе электрических машин ОАО «ЧЭАЗ».
Электрические схемы импульсного оборудования для намагничивания и контроля постоянных магнитов
Важной частью системы контроля параметров высокоэнергетических ПМ в импульсном магнитном поле является силовой импульсный блок, как источник импульсного магнитного поля (ИИМП), под действием которого испытуемый образец ПМ намагничивается в прямом направлении и перемагничивается в обратном направлении, если направление импульсного магнитного поля противоположно направлению магнитного поля ПМ.
Создание импульсных магнитных полей в отличие от постоянных магнитных полей связано с протеканием переходных процессов, исследование которых показывает, что амплитуда и длительность импульса тока в индукторной системе (ИС) зависит от множества факторов: параметров емкостного накопителя энергии (ЕНЭ), соединительных проводов, ИС, коммутационной аппаратуры, окружающей среды и др [8, 34-36]. Задача проектирования ИИМП тем не менее должна отвечать требованиям приемлемых вычислительных затрат, а это связано с применением методов расчета, допускающих упрощения при постановке задачи.
Другой важной задачей при проектировании ИИМП является определение оптимальных параметров импульсного магнитного поля: длительность, амплитуду, однородность поля в рабочей области ИС. На практике сложилось так, что при проектировании намагничивающего оборудования для обеспечения намагничивания образца из магнитотвердого материала до технического насыщения напряженность импульсного магнитного поля выбирается с 2-3 кратным превышением коэрцитивной силы материала ПМ, а длительность импульса порядка 5-10мс. При таких параметрах импульса влиянием поверхностных токов и магнитной вязкости можно пренебречь [1]. Опыт, накопленный автором, подтверждает справедливость такого подхода, что делает вполне разрешимой задачу проектирования импульсного технологического контролирующего оборудования [111,124].
В данной главе рассмотрены и проанализированы наиболее часто встречающиеся схемы ИИМП бестрансформаторного и трансформаторного типа на базе ЕНЭ, обеспечивающих получение двухполярных импульсов. Приведены основные соотношения, описывающие переходные процессы в системе «источник-индуктор». Даны рекомендации по выбору геометрических размеров ИС для контролирующего оборудования, обеспечивающих наибольшую амплитуду и однородность поля в зоне ИС при заданной длительности импульса тока и емкости ЕНЭ.
Наиболее простыми импульсными источниками магнитного поля для контролирующих устройств являются ИИМП бестрансформаторного типа, в которых энергия сети, ЕНЭ или источника электрической энергии другого типа поступает в виде импульса непосредственно в ИС. Исследованию переходных процессов в таких схемах применительно к намагничивающему оборудованию посвящено достаточно большое количество работ [31-36]. Как показывает практика, применение упрощенных методов расчета на основе схем замещения с сосредоточенными параметрами в сочетании со специальными конструкторскими решениями обеспечивает достаточную точность при определении параметров переходного процесса. Для создания контролирующего оборудования применяются установки, генерирующие двухполярный импульс магнитного поля. Схема ИИМП бестрансформаторного типа для контроля параметров ПМ с ЕНЭ приведена нарис. 1.1.
В этих установках ЕНЭ, представляющий собой батарею конденсаторов с емкостью С, заряжается до необходимого напряжения от специального зарядного устройства (ЗУ). ЗУ в общем случае состоит из повышающего трансформатора, выпрямителя и регулятора зарядного тока. Для получения мощных импульсов тока целесообразно применять конденсаторы повышенного напряжения. Так, в установке УИН-3000, выпускаемой ОАО «ЧЭАЗ», использованы специальные масляные импульсные конденсаторы типа К75-40 с номинальным напряжением UuaM=3 кВ. ЗУ подключается и отключается от сети с помощью коммутирующего устройства (КУ), представляющего собой автоматический выключатель электромагнитного типа. Процессы включения и отключения ЗУ от сети, а также заряда ЕНЭ контролируются и регулируются системой управления (СУ). СУ работает либо в автоматическом, либо в ручном режиме.
В ИИМП трансформаторного типа энергия от батареи конденсаторов поступает в ИС не непосредственно, а через промежуточное звено - специальный импульсный согласующий трансформатор (ИТ). Применение ИТ в намагничивающих установках приводит к некоторому снижению КПД установки, однако позволяет получить целый ряд очень важных преимуществ, которые, как показал опыт эксплуатации намагничивающих установок, в значительной мере перекрывают недостатки [8, 113,114]. К этим преимуществам в первую очередь следует отнести: 1. пониженное напряжение на ИС (единицы или десятки вольт), обеспечивающее падежную электробезопасность в работе с намагничивающими установками трансформаторного типа; 2. возможность контроля образцов ПМ со сложной формой текстуры материала путем применения простых и технологичных конструкций одновитковых ИС; 3. значительно более высокая по сравнению с бестрансформаторными установками производительность, обусловленная хорошими условиями отвода тепла от одновитковой ИС; 4. универсальность оборудования, заключающаяся в использовании одной установки с комплектом легкосъемных одновитковых ИС для намагничивания, размагничивания и контроля ПМ различных типоразмеров и устройств с ПМ. Кроме того, наличие ИТ позволяет повысить напряжение заряда ЕНЭ, а значит снизить его размеры при одной и той же запасаемой энергии. Однако, ИИМП трансформаторного типа имеет свои недостатки: низкий коэффициент использования энергии, дополнительный расход активных материалов для согласующего ИТ, увеличенные массо-габаритные показатели установки.
Дифференциальные уравнения состояния магнитного вещества
Известно, что магнитные свойства вещества обусловлены спиновым и орбитальным магнитными моментами электронов, а также магнитными моментами ядер атомов [88, 89]. Опыты по изучению гиромагнитного эффекта показали, что у некоторых металлов спиновый магнитный момент играет основную роль в создании магнитного момента атома. Чтобы атом в целом имел магнитный момент, должны быть нескомпенсированы магнитные моменты спинов. Это возможно в атомах с незаполненными оболочками. К ним относятся элементы переходной группы, редкоземельные элементы и др. Наличие незаполненных оболочек в атоме еще не является достаточным условием для существования ферромагнетизма. Между спинами соседних атомов должно еще существовать сильное электрическое взаимодействие квантовомеханической природы (обменные силы). Это приводит к возникновению самопроизвольной намагниченности, когда магнитные моменты атомов ориентируются в очень малых объемах (доменах) в одном направлении, например у ферромагнетиков, или в противоположных направлениях у антиферромагнетиков [18, 89].
Если внешнее магнитное поле отсутствует, то результирующий магнитный момент вещества будет равен нулю. При наложении магнитного поля каждый атом создает часть магнитного момента по направлению поля и появляется результирующий магнитный момент т. Магнитное состояние вещества можно характеризовать величиной результирующего магнитного момента, отнесенного к единице объема, к единице массы или к грамм-атому вещества.
Таким образом, между намагниченностью и напряженностью магнитного поля имеется простая связь вида [89]: где коэффициент пропорциональности х называется магнитной восприимчивостью. Численное значение восприимчивости диа- и парамагнитных веществ очень мало (ІО -ІО"1), причем у диамагнитных веществ оно отрицательно (% 0). Для ферромагнетиков соотношение (2-18) является нелинейным, так как существует сильная зависимость магнитной восприимчивости от напряженности магнитного поля, при этом восприимчивость этих веществ достигает очень больших значений (до 10). Если какое-либо вещество поместить во внешнее магнитное поле, то внутри этого вещества магнитные моменты атомов создадут магнитные поля, которые будут складываться, в результате чего возникнет внутреннее дополнительное поле. Это поле добавляется к внешнему магнитному полю. Среднее магнитное поле в веществе определяется магнитной индукцией. Магнитная индукция характеризует магнитное состояние вещества в некотором бесконечно малом объеме. Она является функцией внешнего магнитного поля и определяется с учетом (2-5) и (2-18) соотношением [89]: где величина ца = ц0 (1 + у) называется абсолютной магнитной проницаемостью. Основной способ определения характеристик образцов из магнитотвердых материалов - это испытания их в устройствах с замкнутой магнитной системой [11, 12, 18]. Измерение индукции или намагниченности при этом производится с помощью обмотки, охватывающей нейтральное сечение образца, а напряженности поля - измерителем, расположенным на поверхности образца в нейтральной плоскости [18]. Во всех случаях, когда индукция (намагниченность) определяется измерителями, установленными в торцевом сечении образца или в зазоре магнитной системы, последняя оказывается разомкнутой в большей или меньшей степени. Это обстоятельство приводит к тому, что полученные таким образом кривые могут не соответствовать действительным кривым размагничивания материала. Наиболее сильно такое расхождение измеренных и действительных характеристик проявляется в тех случаях, когда измерения проводятся на образцах в полностью разомкнутой магнитной системе. В соответствии с теорией для этого случая можно показать, что при указанном способе расположения измерителей магнитные характеристики, снятые для образцов, обеспечивающих однородность намагниченности (образцы в форме эллипсоидов вращения), будут соответствовать характеристикам, определенным в замкнутой магнитной системе. Если форма образца не обеспечивает его однородной намагниченности, то задача сравнения таких характеристик решается на основании анализа экспериментально полученных данных [8, 113, 114]. Остановимся несколько подробнее на вопросе об учете эффекта размагничивания при снятии петель гистерезиса вообще у любых ферромагнитных материалов. Рассмотрим простейший образец ферромагнетика в форме круглого тора (рис. 2.3). Если тор сплошной и однородно намагничен вдоль своей внутренней оси, то все магнитные силовые линии параллельны этой оси тора и замыкаются в виде концентрических окружностей (рис. 2.3,а). Поскольку эти линии параллельны поверхности тора, то на ней не будут образовываться «магнитные заряды» и, следовательно, размагничивающее поле будет отсутствовать, т. е. ЯР = 0. Напряженность поля внутри тора будет определяться индукцией Bcm=\iQM, которая в данном случае создается одной намагниченностью тора М. Это типичный пример идеальной замкнутой магнитной цепи, в которой можно точно определять магнитные свойства вещества ферромагнетика без искажающего влияния эффектов размагничивания. Впервые метод замкнутой магнитной цепи был предложен выдающимся русским физиком А. Г. Столетовым и в дальнейшем развит в работах других ученых [18]. Когда тор разрезан (рис. 2.3,6 2.3,в), на плоскостях разреза появляются «магнитные заряды», определяемые скачком намагниченности на поверхностях зазора (этот скачок осуществляется потому, что в торе есть намагниченность, а в воздушном зазоре ее нет), которые и создают размагничивающее поле. Это случай разомкнутой магнитной цепи. Из рис. 2.3,6 видно, что направления векторов напряженности размагничивающего поля в зазоре и внутри тора противоположны, причем внутри тора направления напряженности Н? оказываются антипараллельными направлению намагниченности М. Напряженность поля Яр растет с увеличением намагниченности и, как правило, нарушает ее однородность даже при условии однородности вещества и внешнего магнитного поля [89].
Принцип построения системы натурно-модельного эксперимента по контролю свойств постоянных магнитов
Натурно-модельному эксперименту соответствует измерительно-вычислительная процедура совместных измерений, равноценными составляющими которой являются и измерение, и моделирование, причем последнее может быть выполнено как в аналоговой, так и в числовой форме. Примером устройств, пригодных для натурно-модельного эксперимента, являются процессорные измерительные средства [98], в которых вычислительная мощность используется не только для управления и обработки результатов измерений, но и непосредственно участвует в реализации измерительной процедуры.
Общая методология натурно-модельного эксперимента является весьма перспективной для решения всего спектра проблем, связанных с измерением, контролем и прогнозированием магнитных свойств изделий в лабораторных и цеховых условиях. Этому, безусловно, способствует быстрое развитие компьютерной техники, теории и программных средств моделирования и расчета магнитных полей сложных магнитных систем. Однако, несмотря на имеющиеся предпосылки, экспериментальный и расчетный (модельный) подходы весьма медленно интегрируются в единый метод натурно-модельных испытаний изделий из ферромагнитных материалов. Это обусловлено ориентацией расчетных методов в основном на проектирование и исследование сложных магнитных систем. Применение компьютерной техники в натурных испытаниях изделий из ферромагнитных материалов ограничивается обычно решением задач автоматизации процесса испытаний и статистической обработкой его результатов.
Таким образом, представляется актуальной и технически реализуемой задача разработки метода натурно-модельных испытаний электротехнических изделий из магнитотвердых материалов (МТМ), для решения которой необходимо выполнить следующее: 1) разработать модели магнитных состояний, адекватно отражающие магнитные свойства изделий в заданных условиях; 2) разработать принципы построения, структуры и алгоритмы функционирования технических средств, обеспечивающих эффективное взаимодействие измерения и моделирования как единого процесса, позволяющего получить новую информацию о магнитных свойствах испытуемого изделия; 3) разработать оборудование, обеспечивающее натурно-модельные испытаний изделий из МТМ. Применение дискретных моделей является эффективным методом решения полевых задач. При расчете распределения магнитного поля, как было показано во второй главе, пользуются математическими моделями, созданными на основе допущений о неизменном характере свойств среды в элементарном объеме [23]. Анализ математических моделей ПМ (гл. 2) показывает неразрывную связь геометрии магнитной системы и магнитных свойств среды в части влияния на распределение магнитного поля, представленную в виде подынтегрального выражения в формуле (2-17) или соотношений под знаком суммирования в выражениях для дискретных математических моделей (таблица 2.3). Другими словами при исследовании магнитного поля необходимо учитывать влияние сочетания факторов магнитных свойств среды и геометрии магнитной системы. Это делает затруднительным применение моделей в том виде, как они описаны во второй главе. В некоторых случаях этим влиянием можно пренебречь из-за его малости. Так, например, в магнитных системах, где топология магнитного поля (геометрическое расположение силовых линий магнитного поля - магнитная геометрия) не зависит от величины внешнего магнитного поля (замкнутые магнитные системы, образцы в виде эллипсоидов вращения), т. е. не меняет своего расположения относительно геометрии магнитной системы (физической геометрии) распределение магнитного поля однозначно определено и соотношения между магнитными величинами подчиняется выражениям (2-5) - (2-22), наличие такого влияния выражается в виде коэффициента размагничивания. В разомкнутых магнитных системах топология магнитного поля зависит от амплитуды магнитного поля, что является источником методической погрешности при исследовании магнитного поля с помощью размагничивающего фактора. Применение дискретных моделей призвано обеспечить необходимый уровень точности в определении магнитных характеристик материала образца. В работе [3] описан комбинированный способ моделирования магнитных характеристик: методом магнитных цепей и методом граничных элементов. В предложенном методе модель исследуемого магнита представляется в виде эквивалентной схемы замещения с сосредоточенными параметрами магнитных сопротивлений элементов образца, внутри которых индукция принимается постоянной и равной ее значению в среднем сечении для каждого элемента. Магнитные сопротивления между элементами образца определяются по результатам испытания образца с известной характеристикой и расчета эквивалентной схемы методом контурных токов. Метод применялся для контроля магнитомягких материалов и обеспечил большую точность по сравнению с моделью с размагничивающим фактором.
Для исследования характеристик МТМ в разомкнутой магнитной цепи широкое распространение получил метод контроля с размагничивающим фактором, описанный в гл. 2 [8]. Метод обеспечивает достаточную точность для контроля свойств при условии параллельности векторов напряженности магнитного поля и индукции внутри образца магнита из редкоземельного материала, совпадающих с текстурой материала. При высокой анизотропии свойств высококоэрцитивных материалов (неодим-железо, самарий-кобальт, анизотропные ферриты) соблюдается условие постоянства топологии магнитного поля, становиться возможным применение метода с размагничивающим фактором, а главное, разделение размагничивающего действия на две независимые составляющие. Одна из них геометрическая, определяемая размерами и конфигурацией каждого элементарного объема образца магнита и другая магнитная, целиком и полностью отвечающая за нелинейные магнитные свойства материала. Первая неизменна на протяжении всего цикла намагничивания и перемагничивания, вторая зависит от величины намагниченности материала в направлении текстуры и определяет искомую характеристику МТМ. Иными словами направление вектора магнитной индукции в элементарном объеме всегда совпадает с текстурой магнитотвердого материала, а его величина определяется напряженностью внешнего магнитного поля и размагничивающим действием магнита, действующими в этом направлении. Векторные величины намагниченности, напряженности и индукции имеют составляющие, часть из которых (поперечные) можно не учитывать из-за малости их величины и особенности свойств анизотропии у МТМ.
Функциональная схема и устройство установки контроля гистерезисных параметров редкоземельных магнитов
Погрешность интегрирования при использовании таких интеграторов связано с неидеальностью операционного усилителя дрейфом нуля. Для уменьшения дрейфа нуля операционных усилителей применяют различные схемы коррекции. При сравнительно небольшом времени напряжение дрейфа нуля изменяется незначительно, поэтому погрешность составляет 5=0,5% [12].
В качестве регистрирующего прибора в измерительной технике все большее распространение получают аналого-цифровые приборы. Аналого-цифровое преобразование требует обязательного выполнения двух операций - дискретизации во времени и квантование по уровню [98]. Очевидно, что при выполнении этих процедур также возникают погрешности. Так, погрешность, связанная с дискретизацией сигнала во времени сводится к временному сдвигу - задержке результата на время, затраченное на численные преобразования. А погрешность квантования сводится к ограниченному количеству возможных значений цифрового сигнала. Применение многоразрядных быстродействующих АЦП уменьшает величину погрешности.
Дальнейшие преобразования над цифровыми данными производятся ПК под управлением прикладной программы. Каждая операция над данными сопровождается округлением полученного результата из-за ограниченности сетки процессора ЭВМ, что вызывает вычислительную погрешность. Разрядность процессора позволяет пренебречь вычислительной погрешностью
Таким образом, причинами методической погрешности при реализации методики натурно модельного исследования свойств высококоэрцитивных постоянных магнитов в разомкнутой цепи в импульсном магнитном поле являются: 1. Неравномерное намагничивание образца ПМ в разомкнутой магнитной цепи, связанное с наличием собственного магнитного поля образца; 2. Неравномерное намагничивание образца ПМ в импульсном магнитном поле, обусловленное динамическими процессами перемагничивания образца; 3. Неидеальность операционного усилителя интегратора, связанная с дрейфом нуля операционного усилителя; 4. Дискретизация во времени и квантование по уровню при аналого-цифровом преобразовании. Анализ причин методической погрешности, приведенный выше, является качественным и указывает на основные источники погрешности. Следует отметить, что на точность измерения наряду с методическими погрешностями, обусловленные несовершенством метода, оказывают влияние инструментальные погрешности, связанные с несовершенством средств измерения, которые трудно поддаются формализации. Поэтому окончательную оценку погрешности можно произвести в ходе имитационного моделирования. Практическая оценка точности метода осуществляется с помощью тестового магнита с известной характеристикой. Критерием точности является относительная погрешность остаточной намагниченности и коэрцитивной силы магнита относительно величин полученных в ходе эксперимента в медленно изменяющемся магнитном поле. В ходе такого эксперимента оценивается точность и повторяемость результатов испытания. Опыт работы с установками подобного типа и с внедренным образцом контролирующего оборудования показывает, что погрешность измерения остаточной намагниченности находится в пределах 5=5 %, а коэрцитивной силы (5=20 % для высококоэрцитивных магнитов с уровнем коэрцитивной силы свыше Яс=1500кА/м [12,111,113-120,121-124]. В настоящей главе приведены результаты реализации разработанной в диссертации методики натурно модельного эксперимента контроля высокоэнеретических ПМ в импульсных полях в разомкнутой цепи. Основные положения этой методики изложены в гл. 3. Практическая реализация осуществлена в виде экспериментального образца импульсного коэрцитиметра типа ТКМГП, разработанного и изготовленного в ОАО «ЧЭАЗ» при непосредственном участии автора. 4.1. Функциональная схема и устройство установки контроля гистерезисиых параметров редкоземельных магнитов В соответствии со структурной схемой рис. 2.1 и разработанными в гл. 3 теоретическими положениями натурно-модельного метода разработана функциональная схема импульсной установки ТКМГП, которая показана на рис. 4.1. Основным узлом установки является генератор электромагнитного импульса, достаточного для перемагничивания образца. Для определения исходных данных перед расчетом магнитной характеристики нужно одновременно измерять напряженность внешнего магнитного поля Я и магнитный поток Ф, пронизывающий магнитную катушку. Напряженность магнитного поля Н определяется с помощью первого датчиком установки. Для непосредственного определения магнитного потока Ф датчиков не существует, поэтому испытание производится косвенным путем: образец магнита, изначально находясь на некотором расстоянии от измерительной катушки, вдвигается в нее. При этом второй датчик измеряет ЭДС индукции, наводимую в катушке при движении магнита. Измеренную ЭДС необходимо интегрировать (аппаратно или программно) для оценки магнитного потока.
