МАГНИТНАЯ СИСТЕМА С ТЕМПЕРАТУРНОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ

Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники и предназначена для применения в устройствах, содержащих магнитные системы (цепи), в которых необходимо изменять или устранять температурную зависимость выходных параметров.
В одном из вариантов реализации изобретения по патенту США №3325758 от 13.06.1967 г. «Шунт с отрицательным температурным коэффициентом для магнитных структур» (см. фиг.2), выбранного в качестве прототипа, приведена магнитная система самоэкранирующего спектрометра с гиромагнитным резонансом. Она состоит из защитной цилиндрической железной станины (служащей магнитопроводом), на поверхностях оснований которой установлено по одному постоянному магниту. На обращенных к рабочему воздушному зазору магнитных полюсах магнитов установлены полюсные наконечники в форме усеченных конусов. Для температурной компенсации применены термомагнитные шунты (ТМШ) двух типов: 1) в виде пустотелых цилиндров, установленных на каждый постоянный магнит таким образом, что каждый ТМШ сопрягается (соприкасается) с частью боковой поверхности своего постоянного магнита, причем каждый ТМШ не касается ни магнитопровода, ни полюсного наконечника (т.е. между каждым ТМШ и магнитопроводом, а также между каждым ТМШ и полюсным наконечником имеются гарантированные воздушные зазоры); 2) в виде стержня с резьбой, установленного в сквозное резьбовое отверстие одного из постоянных магнитов до упора в полюсный наконеник, причем отверстие сделано по направлению намагничивания постоянного магнита, а высота стержня меньше высоты постоянного магнита.
Недостаток этой магнитной системы заключается в том, что ТМШ первого типа установлены на боковые поверхности постоянного магнита, где величина магнитного потока минимальна (максимальна на полюсах). Чем меньше величина магнитного потока в зоне, где установлен такой ТМШ, тем меньшую величину магнитного потока он может ответвить на себя и тем меньше участие этого ТМШ в процессе термокомпенсации и, следовательно, уровень термокомпенсации магнитной системы с таким расположением ТМШ незначителен.
ТМШ второго типа подразумевают выполнение на них резьбовой поверхности, а для постоянного магнита - сквозного отверстия с резьбовой поверхностью, что для спеченных постоянных магнитов из материала на основе кобальт-самариевого сплава является практически невыполнимым.
Также недостаток этой магнитной системы заключается в ее ограниченном использовании - она создана для конкретного устройства и содержит элементы уже определенные по количеству, форме и габаритам (магнитопровод, постоянные магниты, ТМШ, полюсные наконечники).
ш
В известной магнитной системе отсутствует критерий выбора площади (S) сечения ТМШ, ортогонального направлению магнитного потока в шунте, т.е. не приведено соотношение по выбору размеров ТМШ. Определено только место расположения ТМШ, имеющих заранее определенные габариты.
ш
Кроме того, величина S напрямую влияет на уровень (степень) компенсации температурной погрешности, т.е. определяет эффективность компенсации, а в известной магнитной системе, судя по описанию, остается неизвестным фактический уровень компенсации.
Решаемая задача заключается в создании магнитной системы с обеспечением заданной величины рабочего (под рабочим магнитным потоком следует понимать магнитный поток магнитного полюса за вычетом магнитного потока, ответвляемого в ТМШ.) магнитного потока (или его постоянства) при изменяющихся от температуры параметрах магнитной системы, например, магнитной проницаемости ее элементов (магнитопроводов, полюсных наконечников).
Технический результат, получаемый при реализации магнитной системы, состоит в повышении эффективности температурной компенсации магнитной системы, обеспечении заданного уровня температурной компенсации, расширении области применения магнитной системы.
ш
Это достигается тем, что в магнитной системе, содержащей, по крайней мере, одну пару магнитных полюсов с полюсными наконечниками и, по крайней мере, один термомагнитный шунт, новым является то, что термомагнитный шунт установлен до соприкосновения с полюсными наконечниками указанной пары магнитных полюсов, а площадь S любого его сечения, ортогонального направлению магнитного потока в шунте, выбрана из соотношения
п
где S - площадь магнитного полюса;
м
ΔВ - диапазон изменения индукции рабочего магнитного потока, вызванного изменением температуры в заданном интервале температур;
ш
ΔВ - диапазон изменения индукции в материале термомагнитного шунта, вызванного изменением температуры в заданном интервале температур,
ш
при этом площадь поверхности соприкосновения каждого полюсного наконечника с шунтом выбрана не менее S.
У любой магнитной системы, как с постоянным магнитом (из намагниченного магнитотвердого материала), так и с электромагнитом (катушка с током), максимальная концентрация магнитного потока (т.е. максимальное количество линий магнитной индукции на единицу объема) находится на магнитных полюсах (на практике магнитные полюса обычно равны по площади и образованы полюсными наконечниками или магнитопроводами).
Таким образом, чтобы повысить эффективность влияния ТМШ на рабочий магнитный поток, ТМШ следует располагать ближе к области максимальной его концентрации, т.е. ТМШ необходимо вводить в соприкосновение с полюсными наконечниками, тем самым, обеспечивая минимум магнитного сопротивления магнитной цепи, проходящей через ТМШ.
ш
ТМШ ответвляет и пропускает через себя часть магнитного потока с магнитного полюса (полюсного наконечника), при этом, в зависимости от температуры, пропускаемый ТМШ магнитный поток меняется по определенному, для конкретного материала, закону (справочные данные из технической литературы или стандарта на материал ТМШ). Следовательно, чтобы определить S (а, значит, и габариты ТМШ), необходимо знать, какую часть магнитного потока необходимо ответвить от рабочего магнитного потока и пропустить через ТМШ, выполненный из конкретного материала.
ш
ш
Величина пропускаемого через ТМШ магнитного потока определяется физическими свойствами ТМШ (т.е. ΔВ) и величиной площади сечения ТМШ согласно соотношению (1). Для того чтобы магнитный поток, ответвленный ТМШ с одного магнитного полюса, полностью замкнулся на другой магнитный полюс, площадь поверхности соприкосновения каждого полюсного наконечника с ТМШ должна быть не менее S, в противном случае будет иметь место неэффективное использование шунта и не будет обеспечен заданный уровень термокомпенсации.
Соотношение (1) образовано из равенства температурного изменения магнитного потока, проходящего через ТМШ, изменению рабочего магнитного потока, вызванного температурными изменениями параметров магнитной системы.
Выполнение равенства в соотношении (1) означает полную (100%) температурную компенсацию магнитной системы с ТМШ из выбранного материала. В этом случае температурное изменение магнитного потока, проходящего через ТМШ, равно изменению рабочего магнитного потока, необходимого для компенсации температурных изменений параметров магнитной системы.
Знак «меньше» в соотношении (1) означает, что температурная компенсация неполная (частичная), т.е. выполнена на заданную величину. В этом случае температурное изменение магнитного потока, проходящего через ТМШ, меньше изменения рабочего магнитного потока, необходимого для компенсации температурных изменений параметров магнитной системы.
В противном случае, температурное изменение магнитного потока, проходящего через ТМШ, станет больше изменения рабочего магнитного потока, необходимого для компенсации температурных изменений параметров магнитной системы, т.е. ТМШ будет забирать от рабочего магнитного потока больше, чем необходимо для выполнения температурной компенсации. Это приведет к уменьшению выходных характеристик магнитной системы, т.е. к ухудшению удельных характеристик устройства в целом.
ш
Таким образом, указанные соотношения для выбора S и площади поверхности соприкосновения полюсного наконечника, а также соответствующее размещение ТМШ позволяют увеличить эффективность температурной компенсации магнитной системы (за счет расположения ТМШ ближе к области максимальной концентрации магнитного потока), расширить область ее применения (заявляемая магнитная система может быть использована в разных приборах и устройствах, где необходимо уменьшение температурной составляющей погрешности), при этом будет обеспечен заданный уровень температурной компенсации используемой магнитной системы.
На фиг.1 изображена магнитная система с температурной компенсацией при расположении пар магнитных полюсов в ряд.
На фиг.2 - то же, вид А.
На фиг.3 - магнитная система с температурной компенсацией при расположении пар магнитных полюсов напротив друг друга.
На фиг.4 - то же, вид Б.
Здесь: 1 - одна пара магнитных полюсов, образованная двумя постоянными магнитами; 2 - два полюсных наконечника; 3 - ТМШ;
В - силовые линии рабочего магнитного потока (линии магнитной индукции); Е- поверхности соприкосновения полюсных наконечников и ТМШ; Г, Д - размеры полюсных наконечников; Г, Ж - размеры ТМШ.
ш
Магнитные системы содержат одну пару магнитных полюсов 1 постоянных магнитов (магниты одинаковы по размерам) с полюсными наконечниками 2 (полюсные наконечники одинаковы по размерам), между которыми расположен ТМШ 3, причем полюсные наконечники 2 и ТМШ 3 соприкасаются по поверхностям Е. В ТМШ 3 площадь (S) любого сечения, ортогонального направлению магнитного потока в шунте, определена из соотношения
п
п
где S - площадь магнитного полюса (известный конструктивный параметр данных магнитных систем, для приведенных примеров S=Д·Г);
м
ш
ΔВ - диапазон изменения индукции рабочего магнитного потока, вызванного изменением температуры в заданном интервале температур (заданная величина, рассчитанная с учетом диапазона рабочих температур и физических свойств материалов магнитной системы); ΔВ - диапазон изменения индукции в материале термомагнитного шунта, вызванного изменением температуры в заданном интервале температур (справочная величина).
ш
ш
Т.к. ТМШ 3 имеет форму параллелепипеда, то площадь (S) любого сечения ТМШ 3, ортогонального направлению магнитного потока в шунте, равна произведению размеров Г·Ж, при этом для приведенных вариантов выполнения магнитной системы, полюсные наконечники 2 выполнены таким образом, что площадь поверхности соприкосновения каждого из них с ТМШ 3 также равна произведению размеров Г·Ж (т.е. не меньше S).
Знак равенства в соотношении (2) означает, что в приведенных магнитных системах с ТМШ из выбранного материала, выполнена полная температурная компенсация, т.е. температурное изменение магнитного потока, проходящего через ТМШ, равно изменению рабочего магнитного потока, необходимого для компенсации температурных изменений параметров магнитной системы.
ш
Ниже приведен пример расчета площади сечения шунта S магнитной системы, выполненной согласно фиг.1, 2, приведенных в материале заявки.
Постановка задачи:
ш
1) определить площадь сечения шунта S для полной (100%-ой) термокомпенсации магнитной системы;
2) определение площади поверхности соприкосновения полюсного наконечника с ТМШ.
Исходные данные для расчета:
полюсные наконечники имеют два габаритных размера, равных габаритным размерам магнитного полюса, т.е. размерам Д и Г, причем Д=Г=4 мм; рабочий диапазон температур - от минус 40°С до плюс 50°С, т.е. ΔT=90°С;
материал шунтов - сплав 31НХ3Г ТУ 14-131-481-80;
материал постоянных магнитов - КС25 группы 4 ПОТУ9;
температурный коэффициент индукции материала КС25 по ПОТУ9 - К=-0,07%/°С;
п
2
площадь поверхности каждого магнитного полюса - S=16 мм (получена произведением размеров Д и Г);
о
величина индукции рабочего магнитного потока при температуре минус 40°С (заданная величина, рассчитанная с учетом площади поверхности магнитного полюса и расстояния между парой магнитных полюсов) - В=0,5Тл.:
Расчет:
ш
1) Определение площади сечения шунта S.
ш
м
Согласно техническим характеристикам, в заданном диапазоне температур материал шунта изменяет свою индукцию (ΔВ) от 0,15 до 0,55Тл, т.е. на 0,4Тл (см. график «Справочника по электротехническим материалам» под ред. Ю.В.Корицкого и др., т.3, Энергоатомиздат, Ленинград, 1988 г.), а материал постоянного магнита изменяет свою индукцию (ΔВ) на 6,3% (получено произведением ΔТ и К). Таким образом, при линейном характере изменения индукции постоянного магнита изменение индукции рабочего магнитного потока (ΔВ) должно быть:
При расчете согласно соотношению (1), получаем
ш
2
Для выполнения полной температурной компенсации S должна быть равна 1,26 мм.
2) Определение площади поверхности соприкосновения полюсного наконечника с ТМШ.
ш
ш
2
Т.к. площадь поверхности соприкосновения каждого полюсного наконечника с шунтом должна быть не менее S, то, с целью минимизации габаритно-массовых параметров магнитной системы, выбираем площадь поверхности соприкосновения полюсного наконечника с ТМШ равной S т.е. 1,26 мм.
Заявляемая магнитная система с температурной компенсацией работает следующим образом. При изменении температуры изменяются параметры магнитной системы - индукция постоянных магнитов и магнитная проницаемость ТМШ3. Изменение индукции постоянных магнитов и, как следствие, изменение магнитного потока, компенсируется изменением магнитной проницаемости ТМШ3, который перераспределяет магнитный поток в магнитной системе.