Устройство для измерения магнитной вязкости ферромагнетиков

Предложено устройство для измерения магнитной вязкости ферромагнетиков. Устройство содержит последовательно связанные блок управления, вычисления и индикации, многофазный генератор с регулируемой частотой, синхронный двигатель, на оси которого закреплено ферромагнитное тело вращения из исследуемого ферроматериала, размещенное в магнитном поле электромагнита с обмоткой подмагничивания, подключенной к управляемому с дополнительного выхода блока управления, вычисления и индикации источнику постоянного тока. Ферромагнитное тело выполнено в виде сплошного цилиндра, размещенного в магнитном зазоре электромагнита, длина которого в три-пять раз меньше длины окружности ферромагнитного цилиндра с его малым зазором относительно соосно-округлых полюсов электромагнита, а на ферромагнитный цилиндр поверх него наложена равномерно намотанная измерительная обмотка из проводника, концы которой через кольцевые токосъемники, изолированно размещенные на оси синхронного двигателя, подключены к измерительному входу блока управления, вычисления и индикации. Техническим результатом является повышение достоверности измерений и расширение функциональных возможностей. 5 ил.

 

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

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

$$\Delta J\left(t\right)=\left[J\left(t\right)-J_0\right]=\left[J_{\infty }-J_0\right]\left[1-\exp \left(-t/\tau \right)\right],(1)$$

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

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

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

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

Недостатком известного прототипа является необходимость калибровки прибора при изменении зазора между магнитопроводом с магнитным зазором магнитного датчика с обмоткой измерительного колебательного контура и испытуемым вращающимся ферромагнитным кольцом в локализованном насыщающим магнитном поле, а также его относительно низкая чувствительность к производимым измерениям. Достоверность производимых измерений может нарушаться из-за радиального биения вращающегося диска, при котором изменяется расстояние между боковой поверхностью ферромагнитного кольца и электромагнитным датчиком.

Указанные недостатки известного устройства устранены в заявляемом техническом решении.

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

Указанные цели достигаются в заявляемом устройстве для измерения магнитной вязкости ферромагнетиков, содержащем последовательно связанные блок управления, вычисления и индикации, многофазный (например, трехфазный) генератор с регулируемой частотой, синхронный двигатель, на оси которого закреплено ферромагнитное тело вращения из исследуемого ферроматериала, размещенное в магнитном поле электромагнита с обмоткой подмагничивания, подключенной к управляемому с дополнительного выхода блока управления, вычисления и индикации источнику постоянного тока, отличающимся тем, что ферромагнитное тело выполнено в виде сплошного цилиндра, размещенного в магнитном зазоре электромагнита, длина которого в направлении вращения ферромагнитного цилиндра в три-пять раз меньше длины окружности последнего с его малым зазором относительно соосно-округлых полюсов электромагнита, а на ферромагнитный цилиндр поверх него наложена равномерно намотанная (например, виток к витку) измерительная обмотка из проводника, концы которой через кольцевые токосъемники, изолированно размещенные на оси синхронного двигателя, подключены к измерительному входу блока управления, вычисления и индикации.

Достижение поставленных целей в заявляемом устройстве объясняется возбуждением э.д.с. индукции в обмотке, наложенной на ферромагнитном цилиндре, значение которой определяется скоростью протяжки ферроматериала в магнитном зазоре и изменяющимся во времени из-за магнитной вязкости значением магнитной восприимчивости ферроматериала в магнитном зазоре при варьируемой скорости вращения ферромагнитного цилиндра для заданной регулируемой напряженности магнитного поля в магнитном зазоре, а возможный разброс этого значения э.д.с. в процессе вращения ферромагнитного цилиндра (на каждом его обороте) указывает на степень неоднородности по объему его магнитной восприимчивости и (или) магнитной вязкости. Значение указанной э.д.с. индукции имеет экстремум типа максимума при определенной скорости вращения ферроматериала в магнитном зазоре, по значению которой вычисляется постоянная магнитной вязкости ферроматериала. Магнитная вязкость проявляется во временном запаздывании разворота по вектору магнитного поля в магнитном зазоре магнитных моментов доменов ферромагнетика при его вращении в магнитном поле.

Конструкция заявляемого устройства представлена на рис.1-3, график зависимости э.д.с. индукции, возбуждаемой в измерительной обмотке ферромагнитного цилиндра, от скорости его вращения в локализованном магнитном поле представлен на рис.4, а на рис.5 представлена известная кривая Столетова.

На рис.1 представлена схема заявляемого устройства, состоящая из.

1 - электромагнита с магнитным зазором и округлыми полюсами,

2 - катушки подмагничивания электромагнита,

3 - ферромагнитного цилиндра из исследуемого ферроматериала,

4 - оси вращения синхронного двигателя, осесимметрично скрепленной с ферромагнитным цилиндром (соответствующие оси показаны развернутыми под углом 90° для наглядности),

5 - синхронного двигателя (СД),

6 - многофазного генератора (МГ), например, трехфазного, с регулируемой частотой колебаний,

7 - блока управления, вычисления и индикации (УВИ),

8 - источника постоянного тока (ИПТ) с регулировкой тока подмагничивания,

9 - измерительной обмотки из проводника, равномерно размещенной поверх ферромагнитного цилиндра, например, виток к витку,

10 - двух кольцевых токосъемников для измерительной обмотки 9,

11 - двух изолирующих дисков для кольцевых токосъемников 10.

На рис.2 показан вид сбоку на ферромагнитный цилиндр 3 с измерительной обмоткой 9, осью его вращения 4, на которой закреплены изолирующие диски 11 с кольцевыми электродами 10, к которым соединены концы измерительной обмотки. Выход кольцевых электродов связан с измерительным входом блока УВИ 7.

На рис.3 показан характер намотки измерительной обмотки 9 на примере двух произвольно расположенных ее витков.

На рис.4 дан график зависимости э.д.с. индукции U(ω) в измерительной обмотке 9 от величины угловой скорости вращения ω измерительной обмотки без ферромагнитного цилиндра - пунктирной прямой и с ферромагнитным цилиндром - сплошной кривой, имеющей экстремум типа максимума при угловой скорости вращения ω*.

На рис.5 дан график зависимости магнитной восприимчивости χ(H) ферромагнетика от значения действующей в нем напряженности магнитного поля H - известная кривая Столетова. В области магнитного насыщения (в парапроцессе) произведение χ(H)·Н ≈const.

Рассмотрим действие заявляемого устройства.

По закону об электромагнитной индукции при движении одиночного проводника длиной b со скоростью V в поперечном магнитном поле с напряженностью Н в нем возникает э.д.с. е₁=µ_oHVb где µ_o=1,256·10^-6 Гн/м - абсолютная магнитная проницаемость вакуума. При плотной намотке измерительной обмотки 9 (виток к витку) при шаге обмотки δ на длине магнитного зазора L по ходу движения обмотки размещается n=L/δ ее витков. Каждый виток содержит два отрезка проводника длиной по b каждый (см. рис.2), расположенных коллинеарно магнитным полюсам электромагнита 1, и в них для каждого из витков возбуждается э.д.с. e₁=2µ_oHVb=2µ_oHqωR, поэтому в части обмотки длиной L полная величина э.д.с. U(ω)=n e₁=2µ_oHbLωR/δ. При H=const э.д.с. U(ω) - суть линейная функция от угловой скорости ω вращения ферромагнитного цилиндра 3 в магнитном зазоре электромагнитов 1, а тангенс угла наклона пунктирной прямой на рис.4 относительно оси абсцисс определяется величиной напряженности магнитного поля Н в плоскости дислокации указанных частей измерительной обмотки 9 в магнитном зазоре (на малых расстояниях ξ от полюсов магнитного зазора).

При вращении ферромагнитного цилиндра 3 в локализованном магнитном поле внутри зазора между полюсами электромагнита 1 происходит перемагничивание определенных частей ферроматериала, осуществляемое, как указано в (1) с временным запаздыванием, отражающим магнитную вязкость ферромагнетика. Это означает, что и изменение магнитной восприимчивости χ(H) также происходит с временным запаздыванием согласно выражению.

$$\Delta \chi \left(t\right)=\left[\chi {\left(H^{\ast }\right)}_{MAX}-{\chi }_{НАЧ}\right]\left[1-\exp \left(-t/\tau \right)\right],(2)$$

полагая, что к ферромагнетику приложено магнитное поле с напряженностью H*, при которой магнитная восприимчивость ферромагнетика достигает максимума в установившемся режиме, как это видно на кривой Столетова (рис.5).

Важно указать, что с ростом магнитной восприимчивости от минимального значения, соответствующего начальной магнитной восприимчивости χ_НАЧ, до максимального χ(H*)_МАХ повышается магнитная проводимость в магнитном зазоре электромагнита, как если бы при одном и том же токе подмагничивания уменьшилось бы расстояние между полюсами электромагнита, что приводит к росту напряженности магнитного поля, действующего на вращающуюся измерительную обмотку 9 вместе с ферромагнитным цилиндром. Следовательно, в этом случае будет расти и э.д.с. индукции U(ω) на концах измерительной обмотки.

Если ферромагнитный цилиндр с измерительной обмоткой вращать очень быстро, то магнитная восприимчивость не будет успевать нарасти до максимальной величины, и, следовательно, э.д.с. индукции будет снижаться с ростом угловой скорости. Если угловая скорость ω будет мала, то при насыщающем магнитном поле согласно кривой Столетова на ее нисходящей ветви (после максимума) магнитная восприимчивость также становится малой, и э.д.с. индукции U(ω) также снижается. Следовательно, при использовании насыщающего магнитного поля в магнитном зазоре H_нас>H* существует некоторое оптимальное значение угловой скорости ω*, при которой магнитная восприимчивость ферромагнитного цилиндра успевает за время пребывания некоторого дифференциального объема ферромагнетика, охваченного магнитным полем в течение промежутка времени Δt=L/ωR (L - длина магнитного зазора, R - радиус ферромагнитного цилиндра), достигнуть максимального значения χ(H*)_МАХ. Это приведет, в свою очередь, к росту э.д.с. индукции до максимума, как это видно на рис.4.

Анализ действия насыщающего магнитного поля на вращающийся ферромагнитный цилиндр показывает, что значение оптимальной угловой скорости вращения ω*=L/еτR. где е=2,71 основание натурального логарифма, откуда искомая величина постоянной релаксации т магнитной вязкости ферромагнетика находился как τ=L/еω*R

Таким образом, варьируя частотой многофазного генератора 6 под управлением с УВИ 7 и при заданном значении тока подмагничивания с выхода блока МПТ 8 (также под управлением с УВИ 7), можно найти значение ω*, и по нему рассчитать величину постоянной магнитной вязкости г исследуемого ферромагнетика. По разбросу величины э.д.с. индукции в измерительной обмотке 9 в процессе вращения можно судить о степени однородности ферромагнетика. Кривую на рис.4 можно отобразить на экране дисплея, входящего в состав УВИ 7.

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

Литература

1. Kronmiiller H. Nachwirkung in Kerromagnetika, B. - [u.a], 1968.

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

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

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

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

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

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

8. Меньших О.Ф. Способ получения энергии и устройство для его реализации. Патент РФ №2332778, опубл. в бюл. №24 от 27 08.2008.

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

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

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

Устройство для измерения магнитной вязкости ферромагнетиков, содержащее последовательно связанные блок управления, вычисления и индикации, многофазный (например, трехфазный) генератор с регулируемой частотой, синхронный двигатель, на оси которого закреплено ферромагнитное тело вращения из исследуемого ферроматериала, размещенное в магнитном поле электромагнита с обмоткой подмагничивания, подключенной к управляемому с дополнительного выхода блока управления, вычисления и индикации источнику постоянного тока, отличающееся тем, что ферромагнитное тело выполнено в виде сплошного цилиндра, размещенного в магнитном зазоре электромагнита, длина которого в три-пять раз меньше длины окружности ферромагнитного цилиндра с его малым зазором относительно соосно-округлых полюсов электромагнита, а на ферромагнитный цилиндр поверх него наложена равномерно намотанная (например, виток к витку) измерительная обмотка из проводника, концы которой через кольцевые токосъемники, изолированно размещенные на оси синхронного двигателя, подключены к измерительному входу блока управления, вычисления и индикации.