Повышение точности измерения статических характеристик магнитных материалов для высокомоментных двигателей

УДК 621.317.421.3

А. В. Чижов

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ВЫСОКОМОМЕНТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

A. V. Chizhov

IMPROVEMENT OF THE ACCURACY OF MEASUREMENT OF THE STATIC CHARACTERISTICS OF MAGNETIC MATERIALS FOR HIGH-TORQUE MOTORS

Аннотация. Рассмотрена возможность применения индукционно-импульсного метода в ступенчатом режиме намагничивания для измерения статических магнитных характеристик магнитомягких прецизионных сплавов и электротехнических сталей. Внедрение ступенчатого режима в адаптивные алгоритмы измерений позволяет сократить время и повысить достоверность.

Abstract. The possibility of using induction-pulse method in a stepwise magnetization mode for measuring of the static magnetic characteristics of soft magnetic precision alloys and electrical steels is described. Implementation of step mode in adaptive measurement algorithms allows to reduce the time and improve the accuracy.

Ключевые слова: индукционно-импульсный метод, ступенчатый режим, коммутационный режим, петля гистерезиса, кривая намагничивания.

K e y words: Induction-pulse method, stepwise mode, switching mode, hysteresis loop, magnetization curve.

Введение

В области исследования статических магнитных характеристик применяют индукционноимпульсный и индукционно-непрерывный методы измерений, развитие которых в настоящее время осуществляется перспективными разработками новых измерительно-вычислительных комплексов [1-8], позволяющих одновременно повысить точность и расширить область измерений, а также развитием и совершенствованием применяемых методик и алгоритмов измерений.

Индукционно-непрерывный метод наиболее востребован в неразрушающем контроле в режиме линейного изменения напряженности внешнего магнитного поля, основное достоинство которого - измерение большего числа магнитных параметров материала, что существенно расширяет возможность его применения для выявления корреляций между магнитными и механическими свойствами материала [9].

В качестве основного метода измерения статических магнитных характеристик прецизионных сплавов и электротехнических сталей на производстве магнитных систем высокомомент-ных двигателей применяют исключительно индукционно-импульсный метод измерения [10], который является стандартизированным [11, 12] и нашел применение при входном и межоперационном контролях качества выпускаемой продукции.

Цель работы: развитие методики измерения основных магнитных характеристик магнитомягких материалов, основанной на индукционно-импульсном методе с коммутационным и ступенчатым режимами.

40

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

Главной отличительной особенностью индукционно-импульсного метода в коммутационном режиме является измерение скачкообразно изменяющегося магнитного потока ±2 Ф в процессе перемагничивания из одного состояния образца в другое. Это позволяет повысить точность измерения магнитного потока Ф за счет снижения методических погрешностей, поскольку в этом случае влияние дрейфа измерителя сводится к минимальной величине [4], а минимизация погрешности от вклада поверхностного эффекта и задержки перемагничивания за счет магнитной вязкости материала образца достигается заданием требуемого числа коммутаций и длительностью пауз между ними. Снижение инструментальной погрешности обеспечивается отсутствием измерительных пределов каналов интегратора из диапазона 0.. .10 мкВб, на которых наблюдается существенный дрейф, вносимый как полем земли, так и работой самого устройства.

Измерение основной кривой намагничивания в коммутационном режиме перемагничивания заключается в разбиении диапазона напряженности магнитного поля (О^И^) на заданное число интервалов N и последовательном измерении магнитного потока |2-Фг| при изменении значения напряженности поля H, соответствующего каждому интервалу, на противоположное. Построение убывающей/возрастающей ветви петли гистерезиса осуществляется измерением магнитного потока насыщения Ф8 и последовательным измерением приращения магнитного потока с1Ф при изменении напряженности поля от Hs до Н, при котором H, изменяется в диапазоне +Hs...-Hs / -Hs.+Hs соответственно, после выполнения заданного числа коммутаций в поле насыщения Hs.

Ступенчатый режим измерения основной кривой намагничивания заключается в разбиении диапазона напряженности магнитного поля (0.Hs) на заданное число интервалов N и последовательном измерении приращения магнитного потока с1Ф в диапазоне от 0 до ±ФЛ возникающего при последовательном изменении напряженности намагничивающего поля на величину АН в диапазоне от 0 до значения напряженности магнитного поля ±Hs, соответствующей индукции насыщения ±Bs. Построение убывающей/возрастающей ветви петли гистерезиса осуществляется измерением магнитного потока насыщения Ф8 и последовательным измерением приращения магнитного потока с1Ф при изменении значения напряженности поля от Hs до H, при котором H , последовательно изменяется в диапазоне +Hs.-Hs / -Hs.+Hs соответственно.

Для оценки относительной погрешности измерения статических магнитных характеристик в коммутационном и ступенчатом режимах выполним измерения основной кривой намагничивания и петли магнитного гистерезиса путем измерения магнитного потока Ф катушки взаимной индуктивности (КВИ) в интервалах тока 0.3 А (рис. 1) и +3.-3 А соответственно (рис. 2).

о4

to

К

0.6

0.2

-0.2

-0.6

-1

1

2

600 1200 1800 2400

Магнитный поток Ф, мкВб

3000

Рис. 1. Относительная погрешность измерения 5 КВИ с М = 0,001 основной кривой намагничивания: 1 - в коммутационном режиме перемагничивания; 2 - в ступенчатом режиме намагничивания

2014,. № 4

41

Рис. 2. Относительная погрешность измерения 5 КВИ с М = 0,001 петли магнитного гистерезиса: 1 - в коммутационном режиме перемагничивания; 2 - в ступенчатом режиме намагничивания

Анализ результатов измерений показывает, что основным недостатком ступенчатого режима перемагничивания является высокая относительная погрешность измерения магнитного потока с1Ф 5 для каждой последующей точки измерения, поскольку в этом случае магнитный поток Ф в заданной точке N] определяется как

N

Фмі = Z d°.

i=1

При этом отсутствие заданного числа коммутаций N в каждой точке позволяет в ступенчатом режиме перемагничивания значительно сократить время измерения статических магнитных характеристик основной кривой намагничивания и петель магнитного гистерезиса.

Поскольку КВИ характеризуется линейной зависимостью магнитного потока от величины тока коммутации, в ступенчатом режиме перемагничивания между двумя точками измерялась одна и та же величина с1Ф.

Известно, что ферромагнитные материалы обладают нелинейной зависимостью изменения индукции в заданной напряженности поля. В связи с этим при измерениях максимальной магнитной проницаемости pmax и коэрцитивной силы HC в коммутационном режиме перемаг-ничивания существует вероятность появления методической погрешности вследствие того, что интервалы полей, в которых находятся искомые значения pmax и НС, неизвестны и каждый материал характеризуется своей кривизной основной кривой намагничивания и углом наклона кривой размагничивания, измеряемые точки могут находиться как вблизи искомых величин, так и за диапазонами поля, позволяющими выполнить измерения с методической погрешностью менее ±1 %.

В связи с этим при исследовании параметров широкого спектра магнитомягких материалов, когда искомые значения pmax и НС могут составлять диапазоны 0...300 000 и 0...200 А/м соответственно, предлагается для предварительного измерения применять ступенчатый режим измерения, по результатам которого выполнить уточняющее измерение в коммутационном режиме перемагничивания. Такой подход позволит разбить диапазон поля 0.Hs в соответствии с заданным числом точек таким образом, чтобы методическая погрешность измерения составила менее ±1 %.

Выводы

1. Ступенчатый режим не может обеспечить требуемую погрешность измерения, но может быть применен для получения опорных точек при измерении статических магнитных характеристик в коммутационном режиме перемагничивания.

42

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

2. Относительно высокая скорость измерения в ступенчатом режиме позволяет проводить исследования в экспресс-режиме.

3. Применение ступенчатого режима позволяет повысить достоверность результатов измерения параметров магнитомягких материалов на измерительно-вычислительном комплексе «Измеритель параметров магнитомягких материалов ММ505» [13].

Список литературы

1. Ишков, А. С. Измерительно-вычислительный комплекс для исследования магнитных характеристик электротехнической стали / А. С. Ишков, Л. Н. Литвинов // Датчики и системы. - 2006. - № 4. - С. 14-17.

2. Гордон, В. И. Оценка возможности применения метода ступенчатого намагничивания для точного измерения статических магнитных параметров ферромагнитных материалов / В. И. Гордон, В. Г. Антонов // Метрология. - 1982. - № 6. - С. 48-55.

3. Шихин, А. Л. Магнитоизмерительные комплексы для испытания магнитных материалов и систем / А. Л. Шихин, В. Г. Сергеев, В. Г. Тугарин // Метрология. - 1983. -

№ 9. - С. 41-49.

4. Антонов, В. Г. Средства измерения магнитных параметров материалов / В. Г. Антонов, Л. М. Петров, А. П. Щелкин. - Л. : Энергоатомиздат, 1986. - 216 с.

5. Автоматизированный комплекс для магнитных измерений на базе микро-ЭВМ и аппаратуры КАМАК / Э. С. Горкунов, Р. П. Петров, А. В. Кадров, И. Н. Красильников // Дефектоскопия. - 1987. - № 8. - С. 56-60.

6. Мельгуй, М. А. Установка для измерения динамических и квазистатических магнитных характеристик / М. А. Мельгуй, А. А. Осипов // Дефектоскопия. - 1991. - № 3. -С. 34-39.

7. Магнито-измерительный комплекс для магнитоструктурных исследований /

Э. С. Горкунов, В. Н. Махов, А. М. Поволоцкая, С. В. Тузанкин, Ю. С. Субботин,

Б. М. Лапидус // Дефектоскопия. - 1999. - № 3. - С. 78-84.

8. Дидик, Ю. И. Установка для измерения магнитных свойств магнитомягких материалов в импульсном режиме перемагничивания / Ю. И. Дидик, Г. С. Корзунин,

М. Ю. Дидик // Дефектоскопия. - 2001. - № 7. - С. 13-24.

9. Матюк, В. Ф. Измерение магнитных характеристик магнитомягких материалов при квазистатическом перемагничивании / В. Ф. Матюк, А. А. Осипов // Неразрушающий контроль и диагностика. - 2011. - № 4. - С. 3-34.

10. Преображенский, А. А. Магнитные материалы и элементы : учеб. для студ. вузов по специальности «Полупроводники и диэлектрики» / А. А. Преображенский, Е. Г. Би-шард. - 3-е изд., перераб. и доп. - М. : Высш. шк., 1986. - 352 с.

11. ГОСТ 8.377-80. Материалы магнитомягкие. Методика выполнения измерений при определении статических магнитных характеристик. - М. : Изд-во стандартов, 1986. -21 с.

12. ГОСТ 12119-98. Сталь электротехническая. Методы определения магнитных и электрических свойств. - М. : Изд-во стандартов, 2003. - 124 с.

13. Автоматизированная установка для исследования магнитомягких материалов /

Ю. А. Вареник, А. М. Метальников, Д. В. Рябов, А. В. Чижов // Университетское образование : сб. ст. XVI Междунар. науч.-метод. конф. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2012. -С. 176-177.

Чижов Андрей Вячеславович Chizhov Audrey Vyacheslavovich

аспирант, postgraduate student,

Пензенский государственный университет Penza State University

E-mail: lifting2@mail.ru

УДК 621.317.421.3 Чижов, А. В.

Повышение точности измерения статических характеристик магнитных материалов для высокомоментных двигателей / А. В. Чижов // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. -2014. - № 4 (10). - С. 39-42.