Прибор для измерения спектра сигнала индукции в магнитно связанной системе

Изобретение относится к области электротехники и физики магнетизма и предназначено для исследования доменной структуры ферромагнитных материалов. Заявлен прибор для измерения спектра сигнала индукции в магнитно связанной системе, содержащий намагниченные вращающийся ротор и неподвижный статор из ферромагнитного вещества, в магнитную цепь которых включена катушка подмагничивания, отличающийся тем, что катушка подмагничивания закреплена на статоре и подключена к первому регулируемому источнику постоянного тока через последовательно с ней соединенную первичную обмотку трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к последовательно соединенным широкополосному малошумящему усилителю, спектроанализатору и регистрирующему устройству, например к компьютеру, на другой вход которого подключен выход измерителя частоты, входом связанный с электромагнитным датчиком частоты вращения ротора, вращение которого осуществляется от второго регулируемого источника постоянного тока, подключенного через переключатель реверсирования к обмотке статора, одна часть каждого из витков которой расположена в магнитном зазоре между ротором и статором, образующим цилиндрически-кольцевой промежуток, а другая их часть пропущена через отверстия в теле статора, расположенные эквидистантно на некоторой окружности, концентрической к оси вращения ротора, а оси симметрии указанных отверстий параллельны оси вращения ротора. Технический результат - повышение эффективности обнаружения разрывов «вмороженности» магнитных силовых линий при взаимном перемещении намагниченных ферромагнетиков и расширение функциональных возможностей измерителя. В частности, на основе использования данного прибора могут быть установлены характеристики используемых ферроматериалов - доменная структура, магнитная однородность, магнитосцепление и его динамика и другие. 1 ил.

 

Изобретение относится к области физики магнетизма и предназначено для исследования доменной структуры ферромагнитных материалов.

Наблюдения Г.Баркгаузена (1919 г.) (см. Рудяк В.М., Эффект Баркгаузена, УФН, 1970, т.101, с.429) показали, что при плавном изменении напряженности магнитного поля намагниченность ферромагнетика изменяется скачкообразно из-за действия различной природы трения доменов. Эффект Баркгаузена - одно из непосредственных доказательств доменной структуры ферромагнетиков, он позволяет определить объем отдельного домена. Для большинства ферромагнетиков этот объем равен 10^-6…10^-9 см³ (соответственно поперечный размер домена составляет 0,1…0,01 мм), что указывает на то, что один домен состоит из огромного числа атомов или молекул с одинаково ориентированными магнитными моментами, то есть домен имеет массу, во много порядков раз большую массы отдельной молекулы или атома вещества. Это, в частности, определяет свойство магнитной вязкости ферромагнитных материалов.

Считается, что при взаимодействии двух намагниченных ферромагнетиков выходящие из доменов магнитные силовые линии одного из них (с северного магнитного полюса N) входят в домены другого (южный магнитный полюс S) и являются «вмороженными» в соответствующие домены этих ферромагнетиков, расположенные между собой по кратчайшему пути. При взаимном перемещении магнитно взаимодействующих намагниченных ферромагнетиков относительно друг друга на некотором небольшом интервале перемещений магнитные силовые линии соответственно удлиняются или укорачиваются, что приводит к изменению магнитного сопротивления магнитной цепи, аналогично известному закону Ома для магнитной цепи. Всякое изменение во времени магнитного сопротивления может быть обнаружено техническими средствами на основе закона Фарадея об электромагнитной индукции.

Одним из известных решений обнаружения флуктуации магнитного потока при взаимном перемещении двух намагниченных ферромагнетиков является «Магнитопараметрический генератор» по патенту РФ того же автора №2359397, опубликованному в бюлл. №17 от 20.06.2009, и это устройство может быть выбрано в качестве прототипа заявляемому техническому решению. Известное решение состоит из двух магнитно связанных тонкостенных цилиндрических и соосно расположенных постоянных магнитов из исследуемого ферромагнитного вещества, один из которых - ротор - приводится во вращательное движение электродвигателем, а другой - статор - выполнен в виде подковообразной структуры, на магнитопроводе которой расположена катушка индуктивности, образующая вместе с присоединенным к ней конденсатором переменной емкости колебательный контур, настраиваемый на частоту F=ΩD/2md, где Ω - круговая частота вращения цилиндрического магнита-ротора с диаметром D, m - некоторое целое число, подлежащее измерению, d - известный поперечный размер домена в используемом ферромагнитном веществе, причем толщина стенок цилиндрических магнитов h вблизи магнитных зазоров выбрана во много раз меньше диаметра D, например на один-два порядка.

Увеличение отношения D/h в известном техническом решении связано с требованием уменьшения разброса линейных скоростей различных точек торцов тонкостенных цилиндрических и соосно расположенных постоянных магнитов из исследуемого ферромагнитного вещества для получения квазимонохромного колебательного процесса в колебательном контуре, настраиваемом на частоту F, что является недостатком известного решения. Кроме того, уменьшение толщины стенки h цилиндрических магнитов соответственно снижает магнитный поток в указанном колебательном контуре, то есть амплитуду релаксационных колебаний, возникающих вследствие разрывов «вмороженности» магнитных силовых линий.

Указанные недостатки прототипа устранены в заявляемом техническом решении.

Целями изобретения являются повышение эффективности обнаружения разрывов «вмороженности» магнитных силовых линий при взаимном перемещении намагниченных ферромагнетиков и расширение функциональных возможностей измерителя.

Указанные цели достигаются в приборе для измерения спектра сигнала индукции в магнитно связанной системе, содержащем намагниченные вращающийся ротор и неподвижный статор из ферромагнитного вещества, в магнитную цепь которых включена катушка подмагничивания, отличающемся тем, что катушка подмагничивания закреплена на статоре и подключена к первому регулируемому источнику постоянного тока через последовательно с ней соединенную первичную обмотку трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к последовательно соединенным широкополосному малошумящему усилителю, спектроанализатору и регистрирующему устройству, например к компьютеру, на другой вход которого подключен выход измерителя частоты, входом связанный с электромагнитным датчиком частоты вращения ротора, вращение которого осуществляется от второго регулируемого источника постоянного тока, подключенного через переключатель реверсирования к обмотке статора, одна часть каждого из витков которой расположена в магнитном зазоре между ротором и статором, образующим цилиндрически-кольцевой промежуток, а другая их часть пропущена через отверстия в теле статора, расположенные эквидистантно на некоторой окружности, концентрической к оси вращения ротора, а оси симметрии указанных отверстий параллельны оси вращения ротора

Достижение указанных целей объясняется, во-первых, тем, что все точки рабочей поверхности ротора равноудалены по кратчайшему пути от рабочей поверхности статора и при вращении ротора нет разброса в длине магнитных силовых линий в промежутке между рабочими поверхностями ротора и статора, во-вторых, существенно большей, чем в прототипе, поверхностью магнитного взаимодействия, которая, в первом приближении, равна площади рабочей поверхности ротора, что существенно увеличивает магнитный поток и э.д.с. индукции в первичной обмотке трансформатора с частотой разрывов «вмороженности» магнитных силовых линий. Кроме того, протекание постоянного тока в обмотке статора вызывает его дополнительное намагничивание тороидального слоя магнитопровода статора, охваченного указанной обмоткой, что приводит при соответствующем подключении этой обмотки ко второму регулируемому источнику постоянного тока к затягиванию процесса разрывов «вмороженности» магнитных силовых линий, то есть к снижению частоты регистрируемых разрывов при заданной скорости вращения ротора.

Увеличение амплитуды сигнала на выходе вторичной обмотки трансформатора позволяет исключить из схемы колебательный контур и, следовательно, исследовать весь спектр сигналов, что расширяет возможности прибора с точки зрения получаемых оценок от измерений при разных режимах подмагничивания всей магнитной цепи ротор-статор от первого регулируемого источника постоянного тока и подмагничивания тороидального слоя статора, охваченного обмоткой, подключенной ко второму регулируемому источнику постоянного тока. Применение переключателя реверсирования позволяет изменять направление вращения оси ротора, определяя степень асимметрии зависимостей частоты разрывов «вмороженности» магнитных силовых линий от угловой скорости вращения ротора по и против часовой стрелки.

Изобретение понятно из рассмотрения чертежа, включающего следующие элементы и блоки:

1 - намагниченный ротор с осью вращения и подшипниковой парой,

2а - первая половина намагниченного статора,

2б - вторая половина намагниченного статора (обе половины жестко скреплены),

3 - верхняя немагнитная крышка статора,

4 - нижняя немагнитная крышка статора,

5 - обмотка статора,

6 - изоляторы выводов обмотки статора,

7 - катушка подмагничивания (закреплена к статору, обеспечивая свободное вращение ротора),

8 - изоляторы выводов катушки подмагничивания,

9 - электромагнитный датчик частоты вращения ротора,

10 - противовес,

11 - измеритель частоты,

12 - первый регулируемый источник постоянного тока,

13 - второй регулируемый источник постоянного тока,

14 - переключатель реверсирования,

15 - трансформатор,

16 - широкополосный малошумящий усилитель,

17 - спектроанализатор,

18 - регистрирующее устройство, например компьютер.

Рассмотрим работу заявляемого прибора.

Под действием протекающего тока в катушке подмагничивания 7 от первого регулируемого источника постоянного тока 12 ротор 1 и статор, состоящий из двух разъемных половин 2а и 2б (что необходимо для обеспечения сборки двигателя), намагничиваются, так что рабочая цилиндрическая поверхность ротора представляет, например, северный магнитный полюс N, а рабочая цилиндрическая поверхность статора образует южный магнитный полюс S. Цилиндрическая часть ротора, связанная магнитно с катушкой подмагничивания 7, имеет малый зазор от цилиндрической нижней на чертеже части статора, так что систему ротор-статор можно рассматривать как подковообразный электромагнит с цилиндрически-кольцевым промежутком. В этом промежутке образуется радиальное квазиоднородное магнитное поле, напряженность которого регулируется изменением тока подмагничивания от первого регулируемого источника постоянного тока.

По закону об электромагнитной индукции помещение в магнитный зазор между ротором и статором проводника с постоянным током приводит к возникновению силы, стремящейся переместить проводник в поперечном магнитном поле в направлении, определяемом так называемым правилом левой руки. Как следует из представленной конструкции, обмотка статора 5 выполнена так, что часть каждого из ее витков находится в магнитном зазоре между ротором и статором и протекающий в этих частях обмотки постоянный ток имеет одно и то же направление, например сверху вниз, как указано на чертеже стрелками. Поэтому все эти части обмотки 5 испытывают действие силы в одном и том же направлении (по касательным к рабочей поверхности статора). Указанные парциальные силы приложены между указанными частями проводников обмотки 5 и магнитным полем в рабочем зазоре между ротором и статором, что по третьему закону Ньютона приводит ротор во вращательное движение, угловая скорость которого пропорциональна произведению напряженности магнитного поля в рабочем зазоре, числа витков обмотки 5 и тока в ней. Частота вращения ротора с помощью связанного с его осью вращения электромагнитного датчика 9, уравновешенного для исключения статического и динамического дисбаланса противовесом 10, измеряется измерителем частоты 11 и в дальнейшем используется в расчетах, проводимых в регистрирующем устройстве 18 (компьютере).

При вращении намагниченного ротора 1 относительно неподвижного намагниченного статора 2а с угловой скоростью Ω при диаметрах рабочих поверхностей ротора D_P и статора D_C, то есть при ширине зазора b=(D_C-D_P)/2 и среднем размере доменов d, средняя частота F разрывов «вмороженности» магнитных силовых линий определяется формулой F=ΩD_P/2md, где m - измеряемое целое число, определяющее предельную величину удлинения магнитных силовых линий до очередного разрыва «вмороженности» от начальной величины b до конечной величины (b²+m²d²)^1/2. Измеряя частоту F спектроанализатором 17, можно найти искомое число m.

Следует отметить, что изменение длины магнитных силовых линий во времени (при заданном вращении ротора) в диапазоне от b до (b²+m²d²)^1/2 приводит к возбуждению электрических импульсов с частотой F во вторичной обмотке трансформатора 15, и эти сигналы усиливаются в широкополосном малошумящем усилителе 16, и их спектр измеряется спектроанализатором 17, информация от которого поступает на регистрирующее устройство 18 (компьютер). Поскольку следует считать, что m²d²<<b², ясно, что импульсный сигнал, возбуждаемый в первичной обмотке трансформатора 15, является весьма малым и требует усиления.

Применение широкополосного малошумящего усилителя 16 в сочетании со спектроанализатором 17 позволяет найти не только среднее значение частоты F, но также и другие возможные частоты спектра, появление которых возможно при условии неоднородности используемого ферромагнетика в магнитной системе ротор-статор, то есть когда число m варьирует в некоторых пределах m₁≤m≤m₂.

Представляет также интерес исследование влияния величины тока в обмотке статора 5 на изменение среднего значения числа m, связанного с искривлением магнитного поля статора, а также при изменении направления вращения ротора изменением направления тока в обмотке статора 5 с помощью переключателя реверсирования 14.

Отверстия в статоре 2а для проводников обмотки статора 5 располагаются эквидистантно на некоторой окружности диаметром D_O>D_C. Диаметр самих отверстий d_О выбирается несколько большим диаметра используемого проводника, если обмотка статора 5 выполняется однослойной (виток к витку по всей рабочей поверхности статора). При этом для обеспечения нормальной магнитной проводимости статора следует выбирать диаметр распределения отверстий D_O≥D_C+2d_O.

Статор состоит из двух частей 2а и 2б для обеспечения сборки в нем катушки подмагничивания 7, закрепляемой неподвижно к части 2б статора (не показано). Верхняя 3 и нижняя 4 немагнитные крышки статора с подшипниками качения оси ротора крепятся к соответствующим частям статора, а последние также скреплены между собой с использованием направляющих штифтов.

Поскольку частота F импульсных колебаний оказывается достаточно высокой, то для уменьшения потерь в трансформаторе 15 можно использовать в нем тороидальный ферритовый сердечник.

Прибор для измерения спектра сигнала индукции в магнитно связанной системе, содержащий намагниченные вращающийся ротор и неподвижный статор из ферромагнитного вещества, в магнитную цепь которых включена катушка подмагничивания, отличающийся тем, что катушка подмагничивания закреплена на статоре и подключена к первому регулируемому источнику постоянного тока через последовательно с ней соединенную первичную обмотку трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к последовательно соединенным широкополосному малошумящему усилителю, спектроанализатору и регистрирующему устройству, например к компьютеру, на другой вход которого подключен выход измерителя частоты, входом связанный с электромагнитным датчиком частоты вращения ротора, вращение которого осуществляется от второго регулируемого источника постоянного тока, подключенного через переключатель реверсирования к обмотке статора, одна часть каждого из витков которой расположена в магнитном зазоре между ротором и статором, образующим цилиндрически-кольцевой промежуток, а другая их часть пропущена через отверстия в теле статора, расположенные эквидистантно на некоторой окружности, концентрической к оси вращения ротора, а оси симметрии указанных отверстий параллельны оси вращения ротора.