Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Высокоэнергетические постоянные магниты и физические основы процессов их частичного размагничивания в импульсных полях 11
1.1. Высокоэнергетические ИМ, их физические свойства и области применения 11
1.2. Обзор разновидностей частичного размагничивания ПМ 13
1.3. Процессы в ПМ при воздействии магнитного поля 17
1.4. Физические основы процессов частичного размагничивания высокоэнергетических ПМ в импульсном магнитном поле 19
1.5. Требования, предъявляемые к алгоритмам частичного размагничивания до заданного уровня 23
Глава 2. Оборудование для получения импульсного намагничивающего и размагничивающего полей на основе емкостных накопителей энергии 28
2.1. Импульсное оборудование для намагничивания и размагничивания ПМ 28
2.2. Принципиальная схема импульсных конденсаторных установок .31
2.3. Индукторные системы для импульсного намагничивания и размагничивания ПМ 34
2.4. Вопросы измерения контролируемых параметров 35
2.5. Тепловой расчёт соленоида в импульсном режиме 40
Глава 3. Математическое моделирование методов формирования последовательности импульсов для процесса частичного размагничивания РЗМПМ 51
3.1 Методы формирования последовательности размагничивающих импульсов как интерполяционная задача и пути её решения 51
3.2 Организация процесса частичного размагничивания, путём формирования последовательности импульсов по принципу «равного шага» 56
3.3 Организация процесса частичного размагничивания, путём формирования последовательности импульсов по принципу «равного наклона» 63
3.4 Исследование непараметрических методов расчёта
для организации процесса частичного размагничивания 74
3.4.1. Методика формирования импульсов с использованием метода экспоненциального сглаживания 74
3.4.2. Методика формирования импульсов с использованием метода Кулинича 83
Глава 4. Разработка автоматизированного оборудования для частичного размагничивания ПМ 95
4.1. Автоматизация процессов импульсного размагничивания 95
4.2 Общая функциональная схема оборудования и принципиальные схемы его узлов 97
4.3 Разработка контролирующего устройства 102
4.4. Адаптация выбранного алгоритма частичного размагничивания к импульсному размагничивающему оборудованию 104
4.5. Расчёт индукторной системы для контролирующего устройства установки частичного размагничивания 108
4.6 Разработка программного комплекса «Частичное размагничивание постоянных магнитов» 116
4.7 Автоматизированный электротехнический комплекс типа УЧРМ и результаты его испытания в производственных условиях 129
Заключение 136
Список литературы 138
Приложения. 149
- Обзор разновидностей частичного размагничивания ПМ
- Импульсное оборудование для намагничивания и размагничивания ПМ
- Методы формирования последовательности размагничивающих импульсов как интерполяционная задача и пути её решения
- Общая функциональная схема оборудования и принципиальные схемы его узлов
Введение к работе
В электротехнических производствах встречаются задачи, когда необходимо применение постоянных магнитов (ПМ) с заданным значением их магнитных характеристик, в частности намагниченности М, которые оказывают существенное влияние на параметры приборов или устройств, где они применяются. Это касается измерительной техники, электрических аппаратов, электрических машин, магнитных линз, магнитных фокусирующих систем, магнитных амортизаторов, и т.д. Получение таких ПМ осуществляется методами частичного размагничивания до заданного уровня. При этом' происходит выравнивание (калибровка) основной магнитной характеристики -намагниченности М, которая, как правило, определяет параметры устройств и связана с ними косвенным образом [1]. К частичному размагничиванию кроме калибровки также относятся операции стабилизации их магнитных свойств и технологическое размагничивание (до нуля, либо до какого-то значения контролируемого параметра).
Процесс частичного размагничивания предполагает одностороннее приближение к определенному значению намагниченности по кривой размагничивания, начиная от максимального значения, без проведения операций частичного подмагничивания постоянного магнита, когда его намагниченность оказалась ниже заданного уровня.
В настоящее время процессы частичного размагничивания недостаточно изучены, специализированное технологическое оборудование для их осуществления, как правило, разрабатывается технологическими службами предприятий под конкретное освоение выпуска того, или иного изделия с ПМ.
Обзор отечественной литературы, каталогов иностранных фирм и других информационных источников показывает, что имеющиеся характеристики технологического оборудования для намагничивания, размагничивания и контроля ПМ в настоящее время по своему техническому уровню не
соответствуют треоованиям, продиктованным появлением новых высоко коэрцитивных магнитотвёрдых материалов на основе редкоземельных элементов[2,3].
Совершенствование технологии получения порошков из редкоземельных материалов (РЗМ) для спеченных ПМ привело к значительному повышению магнитных свойств и поставило новые задачи по разработке более современных методов и средств намагничивания и размагничивания ПМ.
Большой вклад в развитие и совершенствование методов намагничивания, размагничивания, контроля и других видов испытаний ПМ внесли как зарубежные, так и отечественные учёные, среди которых можно отметить Г.К. Яголу, А.Я. Шихина, П.А. Курбатова, В.Г. Сергеева, В.А.Нестерина, Е.А. Андриевского и других.
Исследованиями установлено, что наиболее эффективным технологическим оборудованием для магнитной обработки ПМ, в особенности редкоземельных магнитов, является оборудование, основанное на применении импульсных токов, позволяющее получить магнитные поля с большой амплитудой при достаточной длительности размагничивающего импульса [1,4].
Импульсное оборудование позволяет производить такие технологические операции, как намагничивание до насыщения магнитов из РЗМ, размагничивание ПМ до заданного уровня, намагничивание ПМ в составе изделий, контроль гистерезисных параметров. Необходимость в автоматизированном оборудовании для частичного размагничивания ПМ, обусловлена серийным выпуском изделий, требующих калиброванных ПМ.
Таким образом, актуальность настоящей работы обусловлена необходимостью разработки и внедрения в промышленное производство высокопроизводительного импульсного оборудования для частичного размагничивания современных высококоэрцитивных ПМ.
В работе приведены результаты исследования процессов частичного размагничивания редкоземельных постоянных магнитов, а также дано описание
разработки автоматизированного комплекса импульсного размагничивающего
оборудования. Это оборудование позволяет проводить частичное
размагничивание до заданного уровня предварительно намагниченных до насыщения редкоземельных магнитов и получать ПМ с заданными магнитными характеристиками.
Целью работы является разработка методики проведения процессов частичного размагничивания ПМ из РЗМ в импульсных полях, математического обеспечения их организации, выдвижение технических требований и создание автоматизированного оборудования для реализации данных процессов. Для достижения этой цели необходимо решение следующих задач:
исследование физических основ и методов формирования последовательности размагничивающих импульсов на основе интерполяционных математических моделей для выявления основных требований к реализации процессов частичного размагничивания;
разработка силовой схемы импульсного оборудования с емкостным накопителем и её узлов, обеспечивающих высокую производительность;
разработка и исследование алгоритмов управления процессами частичного размагничивания РЗМ ПМ в импульсном поле, обеспечивающих заданную точность и максимальное быстродействие;
разработка автоматизированной системы управления импульсными размагничивающими устройствами на базе ПК, предназначенной для калибровки высокоэнергетических ПМ.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. С помощью математических моделей найден оптимальная методика формирования последовательности размагничивающих импульсов магнитного поля, отличающаяся минимизированным количеством импульсов, обеспечивающих надёжное исключение превышения заданного уровня размагничивания, и разработан способ его реализации применительно к частичному размагничиванию до заданного уровня ПМ из РЗМ.
Разработаны алгоритм и программное обеспечение, позволяющие реализовать оптимальный процесс размагничивания постоянных магнитов в импульсном поле при создании автоматизированного оборудования.
Разработана методика расчёта теплового режима индуктора при воздействии серии импульсов тока нарастающей амплитуды в процессе частичного размагничивания ПМ, позволяющая оценить нагрев индуктора в течение времени при приложении отдельных импульсов тока.
4. Создано высокопроизводительное автоматизированное оборудование с
управлением от персонального компьютера, отличающееся более высоким
уровнем размагничивающего поля, позволяющим осуществить процесс
частичного размагничивания высокоэнергетических ПМ в импульсных полях, а
также реализацией оптимального алгоритма процесса частичного
размагничивания и более высокой производительностью.
Структура и объем работы: Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 101 наименования и четырёх приложений.
В первой главе рассмотрены характеристики и области применения современных ПМ из РЗМ, физические основы процессов их частичного размагничивания в импульсных магнитных полях, рассмотрены требования и ограничения, регламентирующие реализацию процессов частичного размагничивания, поставлены задачи исследования.
Во второй главе рассмотрены общие принципы построения импульсного намагничивающего и размагничивающего оборудования, дан обзор индукторных систем, рассмотрены вопросы измерения контролируемых параметров, решена тепловая задача нагрева соленоида последовательностью импульсов размагничивающего тока.
Третья глава посвящена математическому моделированию методов формирования последовательности импульсов для процесса частичного размагничивания ПМ из РЗМ. Для каждого из методов проведен численный
расчёт параметров, необходимых для их реализации, разработаны алгоритмы, проанализированы их преимущества и недостатки.
В четвёртой главе представлены результаты разработки автоматизированного оборудования для частичного размагничивания ПМ из РЗМ, рассматривается работа программного комплекса для проведения операций частичного размагничивания, приведены результаты экспериментальных исследований и испытаний в производственных условиях.
Все теоретические исследования, приведенные в работе, выполнялись автором, или с его участием в процессе разработки оборудования для частичного размагничивания постоянных магнитов и вошли в данную разработку как составная часть.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы математического моделирования, методы теории электрических цепей, физические основы магнетизма и методы экспериментальных исследований. Расчёты проводились как аналитически, так и с применением компьютерных технологий.
Достоверность полученных результатов обеспечена согласованием теоретических положений с результатами экспериментальных исследований в лабораторных и производственных условиях, корректным использованием математического аппарата, совпадением результатов численных расчётов одних и тех же процессов различными методами и с результатами, полученными в известных работах, а также обсуждением основных итогов работы на всероссийских и международных научных конференциях и симпозиумах.
Практическая ценность. В автоматизированной установке типа УЧРМ для частичного размагничивания редкоземельных постоянных магнитов, изготовленной при непосредственным участии автора на ОАО «ЧЭАЗ» для ОАО «Машиностроительный завод» (г. Электросталь). Полученные в диссертационной работе результаты расчётов, математического моделирования, а также программный комплекс «Частичное размагничивание постоянных магнитов»,
позволили автоматизировать операцию частичного размагничивания ПМ. из РЗМ.
Результаты работы реализованы при создании импульсной установки типа УЧРМ, предназначенной для частичного размагничивания кольцевых ПМ из сплава типа Nd-Fe-B до заданного уровня. Установка УЧРМ внедрена в декабре 2005 года на предприятии ОАО «Машиностроительный завод» (г.Электросталь). Результаты диссертационной работы также внедрены в ОАО «Чебоксарский электроаппаратный завод» (ОАО «ЧЭАЗ») (приложение 1).
Диссертационная работа выполнялась в Чувашском государственном университете им. И.Н.Ульянова на кафедре «Электромеханики и технологии электротехнических производств» (кафедра «ЭМТЭП»).
Обзор разновидностей частичного размагничивания ПМ
Состояние системы взаимодействующих электронов оказывается энергетически выгодным, если магнитные моменты атомов ПМ ориентированы одинаково. Одинаковая ориентация магнитных моментов означает возникновение магнитного момента вещества, т. е. его намагничивание.
При этом энергетически более выгодным является разделение всего объема ПМ на замкнутые области — домены, каждая из которых имеет определенный магнитный момент. В целом ПМ не намагничен, так как магнитные моменты доменов ориентированы в пространстве равновероятно. Между соседними доменами возникают граничные слои (стенки Блоха), внутри которых происходит плавный поворот векторов намагниченности. Если образец был размагничен, то при наложении монотонно возрастающего поля напряженностью Я намагниченность М будет изменяться по кривой намагничивания (рис. 1.3) [59,60].
На данной кривой различают три характерных участка: начальный участок I, с малым наклоном, средний участок II, с крутым подъёмом, и участок III (зона насыщения), на котором магнит приближается к техническому насыщению. Доменная структура материала (т.е. размеры и форма доменов, форма и энергия граничных слоев) сильно зависит от структурных неоднородностей кристаллической решётки, к которым относятся наличие примесей, микропор, дислокации и т.д. Вблизи дефекта намагниченность не может быть однородной, поскольку дефект приводит к появлению сильного магнитного поля рассеяния. Вблизи дефекта возникают доменные структуры, замыкающие магнитный поток, которые оказывают задерживающее влияние на смещение граничных слоев доменов при намагничивании ПМ. Петля гистерезиса (рис. 1.4) - это зависимость магнитной индукции (намагниченности) магнитного материала от напряженности поля при условии, что напряженность магнитного поля периодически (не менее чем двукратно) и достаточно медленно изменяется от одного фиксированного значения до другого. Этим значениям соответствуют установившиеся значения магнитной индукции (намагниченности) магнитного материала [63, 64]. При физическом объяснении явления магнитного гистерезиса возникает несколько факторов, определяющих процессы перемагничивания у РЗМ ПМ: сохранение областей с обратной намагниченностью в зерне, например в области дислокации; возникновение ряда «кинжаловидных» доменов с обратной намагниченностью, замыкающих магнитный поток внутри образца при уменьшении напряженности внешнего магнитного поля. При больших обратных полях, некоторые из этих областей начинают разрастаться, превращаясь в т.н. «зародыши перемагничивания»; влияние разориентированных зёрен в соседних областях; наличие магнитомягких частиц в зерне. Вышеперечисленные факторы и определяют механизмы перемагничивания и размагничивания ПМ. Частичное размагничивание ПМ происходит под действием импульсов размагничивающего поля, создаваемого с помощью индуктора, через который осуществляется разряд накопителя энергии. Для уменьшения уровня внутреннего поля магнита, необходимо подать несколько разрядных импульсов, причём каждый последующий импульс должен быть больше предыдущего на величину шага, зависящего от разницы текущего значения уровня контролируемого параметра с его заданным значением: где Я/ - напряженность поля индуктора на /-м цикле размагничивания; #/_i - напряженность поля на (/-1 )-м цикле размагничивания; AHj - шаг повышения напряженности поля после (z -l)-ro цикла размагничивания. Процесс частичного размагничивания предполагает одностороннее приближение к определенному значению намагниченности по кривой размагничивания, начиная от максимального значения, без проведения операций частичного подмагничивания ПМ, когда его намагниченность оказалась ниже заданного уровня, поскольку в этом случае, ПМ необходимо вновь намагнитить до насыщения и начать процесс частичного размагничивания. Подмагничивание в этом случае неприменимо, т.к. при этом рабочая точка перейдет на нестабильную кривую какого-то частного гистерезисного цикла, в то время как в процессе воздействия размагничивающего поля рабочая точка перемещается по предельной кривой размагничивания и петле возврата [1].
Физический смысл частичного размагничивания заключается в следующем. Данная операция происходит под действием импульсов размагничивающего поля нарастающей амплитуды, создаваемых с помощью индуктора, на который осуществляется разряд энергии с емкостного накопителя. Постоянный магнит создает внутреннее магнитное поле, которое также его размагничивает (собственное размагничивающее поле). В этом случае размагничивающее поле магнита будет состоять из двух составляющих: внутренней (Щ и внешней (Не). При появлении внешнего поля намагниченность М уменьшается по характеристике а) на рис. 1.5, соответственно уменьшается и внутреннее поле магнита. При размагничивающем поле (Не + Щ меньше некоторого критического значения Нкрит (точка 1 на рис. 1.5), переход на частную петлю гистерезиса не происходит. При превышении Нкрит происходит переход на частные петли гистерезиса (по кривым 2-2 , 3-3 , 4-4 на рис. 1.5). Конечным этапом процесса моделирования частичного размагничивания служит нахождение значения размагничивающего поля НК()Н, при котором происходит возврат по кривой 4-4 (см. рис. 1.5), в точку 4 , соответствующую заданному значению намагниченности М.км. Данный процесс реализуется с помощью последовательного приближения путём воздействия серии импульсов с нарастающей по определенному закону амплитудой.
Контроль намагниченности ПМ в процессе размагничивания может осуществляться разными способами. Существуют различные методы проверки магнитного состояния для контроля ПМ при массовом производстве. Известен [65, 66], например, натурно-модельный метод для контроля ПМ, в котором при расчете функции намагниченности от напряженности магнитного поля учитывается внутреннее состояние элементарных частей магнита с учетом коэффициентов взаимного влияния каждого элементарного объема. На базе данного метода созданы коэрцитиметры, в которых в качестве чувствительных элементов применяются феррозондовые, индукционные датчики, либо преобразователи Холла, причем два из них являются индикаторами намагниченности образца, а третий - для измерения напряженности поля соленоида [67,68].
Также известен импульсно-индукционный метод с регистрацией изменения магнитного потока в образце с помощью баллистического гальванометра (установка У-541). На базе этого метода были разработаны и серийно выпускались установки, в котором магнитная индукция измерялась микровеберметром, а напряженность магнитного поля - преобразователем Холла (установка УПМ-68, УПМ-70). В другом методе используется импульсное намагничивание и размагничивание плавно изменяющимся полем [59], при этом значения измеряемых величин отсчитываются по цифровым гистерезиметрам (измерительная система У5056). Несмотря на высокие метрологические показатели, устройства со скачкообразным изменением внешнего магнитного поля имеют существенный недостаток - значительная длительность процесса получения полной информации о свойствах материала.
Импульсное оборудование для намагничивания и размагничивания ПМ
Намагничивающее оборудование стационарного поля с соленоидом генерирует стационарное поле от мощного источника электроэнергии. При этом создание поля сопровождается выпрямлением и передачей через коммутатор постоянного тока на многовитковую катушку (соленоид), в рабочей зоне которой находится ПМ [75]. Данный вид оборудования нашёл применение только при намагничивании ПМ с невысоким значением коэрцитивной силы, т.к. создание высоких полей с помощью данного оборудования экономически невыгодно.
Основными достоинствами намагничивающего оборудования стационарного поля является отсутствие вихревых токов, отрицательно влияющих на процесс намагничивания ПМ, возможность точного регулирования амплитуды магнитного поля в процессе намагничивания ПМ. Недостатками данного вида оборудования являются сложность конструкции, большие массогабаритные показатели и необходимость мощного питающего источника.
В намагничивающем оборудовании с непосредственным питанием от сети нагрузкой служит намагничивающая катушка, подключаемая через выпрямитель непосредственно к сети, либо через согласующий трансформатор. При этом используется один полупериод тока промышленной частоты.
Намагничивающее оборудование, основанное на применении импульсных источников тока, в настоящий момент наиболее широко распространено и представляют собой генераторы импульсных токов, как правило, с емкостным накопителем энергии. Их нагрузкой могут служить: импульсные соленоиды [76, 77], электромагниты [2], а также импульсные согласующие трансформаторы со сменными одновитковыми индукторами [1,78,79].
Для того чтобы постоянный магнит обладал максимальной энергией и стабильностью характеристик, он должен быть намагничен до состояния насыщения. В связи с этим размагничивающее оборудование включает в себя и намагничивающее оборудование. Намагничивание и размагничивание ПМ в импульсных полях существенно отличается от соответствующих процессов в стационарном или медленно изменяющемся магнитном поле. Оно имеет ряд особенностей, основные из которых состоят в следующем: возможность применения сильных полей с малыми энергетическими затратами; кратковременность воздействия импульсного поля на образец, приводящая при больших скоростях изменения поля к явлениям поверхностного экранирующего эффекта и недостаточному намагничиванию внутренних областей ПМ; нагрев ПМ с высокой удельной проводимостью вследствие возникновения вихревых токов; возникновение динамических усилий, требующих применения специальных мер защиты индуктора и ПМ от разрушения; возможность применения простых индукторных систем разомкнутого типа без магнитопровода; особенности, обусловленные спецификой контроля импульсных полей и управления импульсными процессами. Главным преимуществом импульсного оборудования является способность создавать сильные магнитные поля при сравнительно малой потребляемой из сети мощности. Проблема генерации мощных импульсов тока для получения сильных магнитных полей в целях намагничивания и размагничивания постоянных магнитов в первую очередь сводится к созданию подходящих источников энергии, которые должны: а) запасать необходимую энергию; б) преобразовывать и передавать энергию при достаточно малых скоростях ее изменения (т.е. при достаточных для промагничивания временах разряда); в) создавать однополярный импульс тока. При намагничивании ПМ и МС, особенно крупногабаритных, трудно достичь технического насыщения из-за больших полей рассеяния в индукторных системах. В этом случае возможно комбинированное намагничивание с применением нагрева одновременно с воздействием импульсного поля. Этот способ рассмотрен в [52,70] и обеспечивает повышение намагниченности до 10-20%. 2.2 Принципиальная схема импульсных конденсаторных установок Общая функциональная схема импульсной конденсаторной установки приведена на рис. 2.2. Емкостной накопитель энергии заряжается от специального зарядного устройства, подключаемого через коммутаирующее устройство к электросети. Коммутирующее устройство в простейшем случае представляет собой контакторы переменного тока. Зарядное устройство представляет собой повышающий трансформатор с выпрямителем и схемой регулирования зарядного тока. Система управления обеспечивает заряд емкостного накопителя энергии до требуемого уровня, управление коммутирующим устройством и коммутатором, через который происходит разряд емкостного накопителя энергии на нагрузку. В качестве коммутатора могут применяться игнитроны на соответствующее рабочее напряжение, либо силовые тиристоры.
Методы формирования последовательности размагничивающих импульсов как интерполяционная задача и пути её решения
На основе математического моделирования рассмотрены и проанализированы различные методы частичного размагничивания, в результате чего выявлено следующее: 1. Метод «равного шага» может использоваться при автоматизированном частичном размагничивании ПМ, однако он даёт хорошие результаты по точности и быстродействию лишь при правильном выборе начальных параметров для его реализации. Данный метод применим только для партий ПМ, имеющих сравнительно небольшой разброс магнитных свойств. 2. Метод «равного наклона» является наиболее универсальным, поскольку даже при неоптимальном выборе начальных параметров он позволяет проводить автоматизированное частичное размагничивание с достаточной точностью и быстродействием. 3. Для реализации метода экспоненциального сглаживания не нужно знать тренд по экспериментальным данным. Основной недостаток метода, что он даёт прогноз только на один - два, причём равных шага. Однако в отличие от остальных методов данный метод с помощью подбора постоянных сглаживания позволяет задать больший вес последних экспериментальных данных. 4. Метод, основанный на методике Кулинича, исходит из условия, что должна наблюдаться наименьшая сумма линейных отклонений эмпирических значений результативного признака от его теоретических значений, показал высокую точность и быстродействие и может быть использован для проведения автоматизированного частичного размагничивания ПМ, особенно если ПМ внутри партии имеют большой разброс параметров. Разработка автоматизированного оборудования для частичного размагничивания ПМ 4.1. Автоматизация процессов импульсного размагничивания В основе создания высокопроизводительного импульсного технологического оборудования лежит автоматизация данного процесса[1]. Именно на ее основе проектируется высокопроизводительное технологическое оборудование, осуществляющее рабочие процессы без непосредственного участия человека. Одна из основных закономерностей развития техники на современном этапе заключается в том, что автоматизация проникает во все отрасли техники, во все звенья производственного процесса, вызывая в них качественные изменения, раскрывая недостижимые ранее возможности роста производительности труда, повышение качества и увеличение выпуска продукции [95]. Рассмотрим автоматизацию процессов магнитной обработки постоянных магнитов, в частности процессов их частичного размагничивания с применением компьютерных технологий. Автоматизация процессов импульсной магнитной обработки ПМ имеет свои особенности, главные из которых состоят в необходимости учета следующих факторов: 1) дискретность и кратковременность воздействия поля на ПМ; 2) неизвестность результатов после воздействия на образец ПМ импульсного поля; 3) сравнительно большая длительность подготовительных операций, относительно времени воздействия импульсного поля; 4) тепловые процессы в индукторе. Высокая производительность работы импульсного оборудования, точность, повторяемость результатов контроля ПМ в импульсных ПОЛЯХ достигается применением микропроцессорной техники и управляющего ПК. Рассмотрим основные принципы построения системы управления импульсным технологическим оборудованием. Любая импульсная технологическая установка для намагничивания, размагничивания и контроля ПМ как объект регулирования может быть рассмотрена в виде системы с сигналами управления и функциями отклика. Между ними существуют некие связи, часто невыраженные в явном виде. Также нет возможности управления процессом путём изменения воздействующих факторов во время протекания импульса в связи с дискретностью и кратковременностью воздействия поля на образец. Соответственно, для получения требуемого магнитного состояния, ПМ должен быть подвергнут пробному импульсному воздействию. После этого автоматизированная система управления анализирует новое состояние ПМ и даёт команду для формирования нового воздействия на ПМ. Таких циклов воздействия на образец в зависимости от особенностей магнитных свойств ПМ может быть несколько. Для реализации таких задач разрабатывается алгоритм, который реализуется непосредственно в системе управления оборудованием и позволяет автоматизировать технологические процессы. Блок-схема автоматизированного импульсного технологического оборудования для магнитной обработки ПМ представлена на рис. 4.1. В качестве силового импульсного блока здесь выступает некоторая установка импульсного намагничивания (УИН), способная осуществлять намагничивание, размагничивание и контроль ПМ.
Состояние УИН и ПМ контролируется специальной системой контроля СК аналоговых сигналов по параметрам у\, У2---Уп, которые преобразуются в цифровую форму с помощью АЦП и поступают в персональный компьютер. В ПК сигналы обрабатываются в соответствии с алгоритмом работы системы управления, который закладывается в управляющее программное обеспечение. После этого информация запоминается в ПК и поступает на регистрирующее устройство. Также при этом формируется система сигналов для управления дальнейшим процессом магнитной обработки ПМ, которая через блок управляющих сигналов (БУС) поступают в виде сигналов х\, х2...хп на органы управления УИН.
В связи со значительным временем подготовительных операций в системе управления режимами намагничивания и размагничивания ПМ в импульсных установках, обычно не предъявляются какие-либо специальные требования к АЦП, ПК и другим блокам. Однако тепловые процессы, протекающие в индукторе, требуют определения режима работы оборудования, исключающего перегрев индукторной системы.
Общая функциональная схема оборудования и принципиальные схемы его узлов
Компьютер, установленный в компьютерный шкаф Для достижения нужной величины силы притяжения, входящей в установленный диапазон, необходимо дать серию импульсов с помощью установки УЧРМ, амплитуда которых постепенно увеличивается. Увеличение амплитуды разрядных импульсов достигается последовательным увеличением напряжения, до которого заряжается конденсаторная батарея. ПК рассчитывает в ходе размагничивания каждого магнита уровень увеличения напряжения на каждом шаге. В установке УЧРМ обеспечивается выполнение следующих функций: а) вывод на экран значения подъемной силы магнита, помещенного в установку; б) регистрация подъемной силы постоянного магнита после воздействия размагничивающего импульса; в) анализ полученного значения на соответствие заданным условиям; г) принятие решения о продолжении или остановке процесса; д) при продолжении процесса расчет напряжения зарядки батареи для следующего размагничивающего импульса с последующим размагничиванием. Протокол испытаний установки УЧРМ приведён в приложении 2. Разработанная установка УЧРМ по энергетическим показателям позволяет размагничивать высокоэнергетические ПМ, такие как из сплавов типа неодим-железо-бор и имеет высокую производительность при проведении операций частичного размагничивания. 1. На основе теоретических исследований методов частичного размагничивания разработано автоматизированное оборудование типа установки УЧРМ, в котором реализован алгоритм, основанный на методе «равного наклона». Оборудование позволяет снизить затраты времени на частичное размагничивание ПМ при массовом производстве, и позволяет автоматизировать и ускорить технологический процесс изготовления изделий с ПМ. 2. Разработаны контролирующее устройство, позволяющее регистрировать подъёмную силу ПМ, а также индукторная система, обеспечивающая заданный уровень поля и необходимую производительность оборудования. 3. В результате испытаний УЧРМ установлено соответствие функциональных возможностей установки частичного размагничивания основным требованиям, предъявляемым к процессу калибровки современных ПМ на основе сплава Nd-Fe-B. Установка реализует дополнительные функции, заключающихся в возможности ручного управления процессами частичного размагничивания путём задания напряжения зарядки непосредственно с УИН-2000М и разряда ЕНЭ на индукторную систему, а также автоматизированное определение параметров процесса частичного размагничивания. Проведенные в работе исследования охватывают актуальные вопросы частичного размагничивания современных высококоэрцитивных постоянных магнитов в импульсных магнитных полях. Полученные результаты позволили разработать алгоритм частичного размагничивания ПМ из РЗМ, отвечающий требованиям точности и быстродействия и на его базе создать автоматизированное импульсное оборудование. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований можно сформулировать следующим образом: 1. Рассмотрены физические основы процессов частичного размагничивания в импульсных полях, исходя из которых сформулированы требования, предъявляемые к алгоритму частичного размагничивания: показано, что основным требованием выступает недопустимость перехода контролируемого параметра за нижнюю границу диапазона заданного уровня. При этом должны выполняться дополнительные требования: минимизированное число импульсов частичного размагничивания, достижение заданной точности и быстродействия. 2. Разработаны математические модели различных методов формирования последовательности импульсов в процессе частичного размагничивания, с помощью которых проанализированы пути оптимизации, вопросы программной реализации, разработаны алгоритмы реализации этих методов, выявлены их преимущества и недостатки. В результате данного моделирования выбран наиболее простой и точный метод для проведения операций частичного размагничивания - метод «равного наклона». 3. Проработаны вопросы программной реализации выбранного алгоритма и разработан программный комплекс «Частичное размагничивание постоянных магнитов», позволяющий организовать автоматизированное управление импульсным оборудованием для частичного размагничивания высококоэрцитивных ПМ. 4. Разработаны общие структурные схемы импульсного оборудования для намагничивания и размагничивания ПМ. Выполнена разработка контролирующего устройства для установки частичного размагничивания УЧРМ, сущность которой состоит в использовании в качестве контролируемого параметра подъёмной силы постоянного магнита и измерении её с помощью тензодатчика. 5. Разработана методика проектирования индукторных систем для получения заданной производительности. Предложены аналитические выражения для расчёта температуры обмотки многовитковых индукторных систем в условиях воздействия последовательности импульсов тока нарастающей амплитуды. 6. При непосредственном участии автора разработана, изготовлена и внедрена установка типа УЧРМ для частичного размагничивания РЗМ ПМ, позволяющая производить калибровку кольцевых РЗМ ПМ в автоматическом режиме. Результаты испытаний подтверждают достоверность теоретических положений и рекомендаций, полученных в диссертации.
