ПРИБОР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МАГНИТНОГО СИЛОВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
DEVICE FOR EXAMINATION OF MAGNETIC FORCE INTERACTION

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться в качестве прибора для диагностики распределения напряженности магнитного поля прямых постоянных магнитов (электромагнитов), используемых при построении кольцевых магнитодвижущих систем с вихревым магнитным полем.
Диаграмма распределения напряженности магнитного поля прямого постоянного магнита (электромагнита) является достаточно сложной. В частности, известно, что напряженность магнитного поля вдоль его продольной магнитной оси вдвое выше напряженности поля в направлениях, ортогональных продольной магнитной оси [1], и с достаточной степенью точности может описываться выражением:
где α - угол между продольной магнитной осью и выбранным направлением, вдоль которого определяется напряженность магнитного поля.
Известно также, что при использовании прямого электромагнита, содержащего прямой магнитопровод и соленоид намагничивания, распределение напряженности магнитного поля в пространстве является одинаковым при питании соленоида как постоянным, так и переменным током. Это позволяет проводить измерения силового взаимодействия магнитного поля с ферромагнитным телом, которое в заявляемом приборе заменено катушкой из проводника в качестве индикатора напряженности переменного магнитного поля, как это имеет место в известных индукционных магнетометрах при поиске ферромагнитных включений под землей. Такая плоская катушка имеет собственную диаграмму направленности, обычно в форме двух равновеликих сфероидов, в точке соприкосновения которых размещена плоская катушка, плоскость расположения которой ортогональна линии соединения центров указанных сфероидов. Для повышения чувствительности и точности работы прибора с указанной плоской катушкой целесообразно использовать для питания прямого электромагнита переменный ток повышенной частоты, например, с частотой 1-10 кГц.
Аналоги заявляемого технического решения автором не найдены.
Целью изобретения является повышение точности производимых измерений приращения энергии взаимодействия при вращении ферромагнитного тела в магнитном поле прямых постоянных магнитов, используемых при построении кольцевых магнитодвижущих систем с вихревым магнитным полем [2].
Указанная цель достигается в приборе для исследования магнитного силового взаимодействия, содержащем измерительную плоскую катушку из проводника, помещенную в интересующую точку пространства, где измеряется напряженность магнитного поля, малошумящий усилитель переменного тока, регистрирующее устройство и возбудитель переменного магнитного поля на основе электромагнита, соленоид которого связан с источником переменного тока, отличающегося тем, что измерительная плоская катушка закреплена на вращающемся на оси синхронного двигателя немагнитном, например диэлектрическом, рычаге, ее выводы подключены через установленные на оси синхронного двигателя кольцевые токосъемники со щетками скольжения к входу малошумящего усилителя переменного тока, в плоскости вращения плоской катушки установлен прямой электромагнит с обмоткой намагничивания, продольная магнитная ось которого совпадает с касательной к указанной окружности вращения плоской катушки, обмотка электромагнита подключена через регулируемый по амплитуде усилитель мощности к генератору переменного тока повышенной частоты (в диапазоне 1-10 кГц), второй выход которого соединен с входом опорного сигнала фазочувствительного выпрямителя, к сигнальному входу которого подключен выход малошумящего усилителя переменного тока, а выход фазочувствительного выпрямителя соединен с входом интегратора, выход интегратора соединен с первым входом регистрирующего устройства, второй вход которого подключен к одной из фаз трехфазного генератора с регулируемой частотой, соединенного с обмотками синхронного двигателя, управляющий выход регистрирующего устройства связан с входом сброса интегратора, причем плоскость расположения плоской катушки и закрепленный с нею немагнитный рычаг расположены в одной плоскости, ортогональной к плоскости вращения, а центр плоской катушки совмещен с траекторией ее движения по окружности.
Достижение указанной цели объясняется тождественностью диаграмм распределения в пространстве напряженности магнитного поля для прямого постоянного магнита и электромагнита с намагничиванием переменным током и высокой чувствительностью магнитоэлектрической регистрации переменного магнитного поля повышенной частоты с помощью измерительной плоской катушки, не искажающей картину распределения магнитного поля из-за отсутствия ферромагнитных элементов в области измерения магнитного поля (проводник плоской катушки выполнен из немагнитного материала, например из меди). Выходной отклик интегратора определяет среднее приращение энергии, получаемой ферромагнитным, телом (в данном приборе - плоской катушкой) в цикле вращения последнего с заданной угловой скоростью.
Заявляемое техническое решение понятно из представленного чертежа, на котором в нижней его части представлена блок-схема прибора со следующим перечнем позиций:
1 - прямой магнитопроводящий стержень электромагнита,
2 - обмотка соленоида электромагнита,
3 - регулируемый по амплитуде тока намагничивания усилитель мощности,
4 - генератор переменного тока намагничивания электромагнита,
5 - плоская катушка (измерительная, из немагнитного проводника),
6 - немагнитный, например, диэлектрический рычаг длиной R,
7 - ось вращения синхронного двигателя,
8 - синхронный двигатель (например, трехфазный),
9 - трехфазный генератор с регулируемой частотой,
10 - кольцевые токосъемники, связанные с выводами плоской катушки 5,
11 - щетки скольжения,
12 - малошумящий усилитель переменного тока (с частотой генератора 4),
13 - фазочувствительный выпрямитель,
14 - интегратор,
15 - регистрирующее устройство.
В верхней части рисунка представлен вид сверху на фрагмент прибора с указанием необходимых для расчета обозначений точек и углов.
1
2
2
3
Далее будет показано, что максимум силового взаимодействия между ферромагнитным телом (плоской катушкой) и магнитным полем прямого магнита в зоне X≤x≤X (в зоне ускорения ферромагнитного тела) больше абсолютной величины минимума в зоне X≤x≤X (в зоне торможения ферромагнитного тела), так что в результате интегрирования отклика фазочувствительного выпрямителя в каждом цикле движения плоской катушки 5 в пределах окружности образуется отличное от нуля напряжение, определяющее среднее значение приращения энергии движения ферромагнитного тела в цикле его вращения, которое поддерживает последнее с определенной угловой скоростью.
Рассмотрим работу заявленного устройства.
1
1
3
1
2
2
3
1
0
Пусть центр полюса прямого электромагнита (точка А) отстоит от точки X на расстоянии R-h, где h - произвольная постоянная конструкции, как показано на верхней части чертежа, рычаг 6 с плоской катушкой 5 вращается в направлении от точки X к точке X (против часовой стрелки). В зоне X≤x≤X расстояние между центрами магнитного полюса (точкой А) и плоской катушки (точкой x) уменьшается, а в зоне X≤x≤X увеличивается при вращении рычага 6 в пределах левого верхнего квадранта в угловой зоне 0<β<+π/2. При этом угол α между продольной магнитной осью AX=r и текущим направлением Ax=r(β) между центрами полюса электромагнита и плоской катушки 5 изменяется в пределах 0<α<ε+π/2, где угол ε=arctg(h/R). Обозначим h/R=δ.
1
1
1
Рассмотрим сначала взаимодействие ферромагнитного тела, вместо плоской катушки 5, с электромагнитом из прямого магнитопроводящего стержня 1 и обмотки соленоида 2. Данный электромагнит расположен так, что его продольная магнитная ось совпадает с касательной AX к окружности радиуса R в точке X. Точка А при этом находится на плоскости магнитного полюса и является точкой пересечения этой плоскости продольной магнитной осью AX. Расстояние ОА=R+d, то есть точка А находится на расстоянии d от данной окружности.
1
0
Величина отрезка AX=r=R-h. Путем несложных преобразований расстояние от центра ферромагнитного тела до точки А на полюсе электромагнита находится из выражения:
0
для диапазона 0≤β≤π. Угол α между продольной магнитной осью r электромагнита и линией между центром ферромагнитного тела и точкой А рассчитывается в два этапа - на первом этапе в диапазоне углов 0≤β≤β*, где β*=arctg(1-δ), по формуле:
на втором этапе в диапазоне углов β*≤β≤π/2 (с учетом δ=1-tgβ*) по формуле:
1
где α*=(π/2)-β*=(π/2)-arctg(1-δ).
Результаты расчетов по формулам (3) и (4) «сшиваются» для диапазона 0≤β≤π/2.
Отметим, что на чертеже максимум угла Мах α=ε+π/2, где tgε=h/R.
Подставляя найденное из (3) и (4) значение α в выражение (1), получим для диаграммы ξ(α) двухэтапное соотношение:
Напряженность магнитного поля в точке нахождения ферромагнитного тела относительно магнитного полюса определяется расстоянием r(β) согласно (2) и с учетом (3) и (4)равна:
M
а сила притяжения F(β) ферромагнитного тела постоянным магнитом определяется как:
0
0
0
0
2
2
2
5
-6
где D=µµνSН /8πR, µ=1,256.10 Гн/м - абсолютная магнитная проницаемость вакуума, µ - относительная магнитная проницаемость ферромагнитного тела объемом ν, S - площадь сечения магнитного полюса прямого магнита 1, Н - напряженность магнитного поля непосредственно на его полюсе (для электромагнита, возбуждаемого переменным током, - амплитуда напряженности магнитного поля на полюсе).
M
M дв
Вектор магнитной силы F(β), спроецированный на ортогональ к рычагу эксцентрика, определяет магнитную движущую ферромагнитное тело силу f(β), которая определяется в указанных выше двух этапах как:
m дв
1
1
2
2
3
и эта движущая сила определяет вращательный момент М(β)=f(β)R. Отметим, что когда ферромагнитное тело находится на линии ОА, движущая сила равна нулю, так как cos(α+β)=cosπ/2=0. До линии ОА (при X≤x≤X) движущая сила положительная (ускоряющая), а после (при X≤x≤X) - отрицательная (тормозящая). Угловое положение β* линии ОА определено соотношением tgβ*=1-δ, что однозначно связывает параметры h и d между собой.
1,2
1,2
Поскольку в заявляемом устройстве, вместо ферромагнитного тела, используется немагнитная плоская катушка 5, имеющая собственную диаграмму направленности вида η(α+β)=cos(α+β), поэтому напряжение, индуцируемое в плоской катушке в функции угла β поворота немагнитного рычага 6, определяется согласно (8) в виде:
0
1
1
1
где U - коэффициент пропорциональности, имеющий размерность электрического напряжения, используемый взамен постоянного множителя D (используемого при замене плоской катушки на ферромагнитное тело). При β=β* имеем α+β*=π/2 и тогда cos(α+β*)=0, а при β=0 имеем cos(α+β)=1.
0
Отклик на выходе фазочувствительного выпрямителя в относительном представлении вида p(β)=U(β)/0,25 U равен:
1,2
где значения углов α определяются из (3) и (4) значениями угла β и параметра δ=h/R.
Интегрируя выражение (10) в пределах 0≤β≤π/2, находим, что значение этого интеграла больше нуля, что как раз и доказывает, что в каждом цикле вращения ферромагнитного тела, установленного на немагнитном рычаге 6, вместо плоской катушки 5, магнитное поле прямого постоянного магнита сообщает ферромагнитному телу некоторую порцию кинетической энергии, отличную от нуля. Величина этой энергии определяется как создаваемой магнитом напряженностью магнитного поля, параметрами ферромагнитного тела, так и геометрией конструкции, в частности, параметром δ. При этом полагаем, что за пределами указанного значения углов β силовым взаимодействием магнитного поля можно пренебречь с достаточной степенью точности.
1
2
Интегрирование (10) по частям - для углов α одной части и α другой части - определяет два интегральных выражения:
где β*=arctg[(R-h)/R]=arctg(1-δ).
1
2
С учетом (3) и (4) значения интегралов (11) и (12) для заданного параметра δ, например, при δ=0,1 и при угле β*=arctg 0,9=0,733 рад.=42°, и значениях углов α и α из (3) и (4) равных соответственно:
1
2
2
1/2
α=arcsin{(1-cosβ)/[(0,9-sinβ)+(1-cosβ)]} и
2
2
2
1/2
α=0,838+arcsin{[(sinβ-0,743)/[(0,743-sinβ)+(1-cosβ)]},
имеют следующие решения:
1
2
Следовательно, в результате интегрирования в диапазоне углов 0≤β≤π/2 значение разности интегралов (13) и (14) ΔI=I-I равно:
и при этом величина ΔI является функцией параметра δ.
0
Таким образом, в плоской катушке 5 при вращении немагнитного рычага 6 в угловом диапазоне от 0 до 42° напряжение увеличивается практически от нуля до некоторого максимума, а затем падает до нуля, а в угловом диапазоне от 42° до 90° напряжение меняет знак на обратный, растет по абсолютной величине, а затем вновь падает до нуля. Кривая этого напряжения явно несимметрична: положительный максимум существенно больше отрицательного из-за свойств диаграммы (1). Это напряжение с плоской катушки передается через кольцевые токосъемники 10 и щетки скольжения 11 к малошумящему усилителю переменного тока 12 и после усиления в нем воздействует на сигнальный вход фазочувствительного выпрямителя 13, на вход опорного сигнала которого поступает колебание со второго выхода генератора переменного тока 4, осуществляющего намагничивание прямого магнитопроводящего стержня 1 с помощью обмотки соленоида электромагнита 2, связанной с выходом регулируемого по амплитуде тока намагничивания усилителя мощности 3, входом связанного с первым выходом генератора переменного тока 4. При этом на выходе фазочувствительного выпрямителя 13 возникает изменяющееся напряжение по величине и знаку, которое поступает на вход интегратора 14. В результате интегрирования этого напряжения на выходе интегратора растет напряжение пропорционально величине ΔI за каждый оборот вращения оси 7, связанной с синхронным двигателем 8, питание которого осуществляется с выхода трехфазного генератора 9 с регулируемой частотой колебаний (низкочастотных, например, в диапазоне 10-50 Гц). Напряжение U, указанное в (9), зависит в том числе и от угловой скорости вращения плоской катушки 5 в переменном магнитном поле, напряженность которого на полюсе определяется регулировкой тока подмагничивания в усилителе мощности 3.
CP
Возрастающий во времени униполярный сигнал с выхода интегратора 14 поступает на первый вход регистрирующего устройства 15, и когда величина этого сигнала достигает заданного уровня, например 10 В, с управляющего выхода (от амплитудного компаратора) регистрирующего устройства 15 поступает импульс сброса напряжения интегратора 14, и процесс накопления в последнем начинается вновь. При этом на второй вход регистрирующего устройства 15 действует сигнал с частотой вращения оси 7 с одной из фаз трехфазного генератора 9, что позволяет подсчитать число оборотов плоской катушки 5 за цикл накопления напряжения интегратором 14 от нуля до 10 В, то есть определить соответствующим расчетом среднюю мощность N, которая будет воздействовать на ферромагнитное тело (вместо плоской катушки 5) со стороны прямого постоянного магнита, имеющего диаграмму направленности магнитного поля, указанную в (1), при которой указанное на чертеже расположение прямого магнита приводит к тому, что импульс ускорения ферромагнитного тела превышает импульс его торможения.
Диагностика распределения напряженности магнитного поля прямых постоянных магнитов (электромагнитов) оценивается по огибающей напряжения, возникающего на выходе фазочувствительного выпрямителя 13. Указанная огибающая имеет форму асимметричной дискриминационной характеристики и может быть исследована внешними устройствами, например осциллографом.
CP
Заявляемое техническое решение может быть модернизировано введением серии эквидистантно по углу расположенных электромагнитов (вместо одного), питаемых от одного усилителя мощности тока подмагничивания для образования вихревого магнитного поля, что соответственно приведет к увеличению регистрируемой в блоке 15 средней мощности N. Такие магниты будут действовать взаимно независимо, если они будут достаточно длинными, так что их противоположные полюсы для смежных магнитов будут значительно удалены друг от друга.
CP
Поскольку мощность потерь при вращении ферромагнитного тела, в первом приближении, пропорциональна угловой скорости вращения оси 7, рассчитанная величина мощности N, пересчитанная по отношению к вращению ферромагнитного тела с известными параметрами (известной величиной D), то в установившемся режиме ферромагнитное тело будет вращаться с некоторой постоянной угловой скоростью.
Литература
1. Эберт Г. Краткий справочник по физике, пер. с нем., под ред. К.П.Яковлева, изд. 2-ое, ГИФМЛ, М., 1963, стр.420.
2. Меньших О.Ф. Способ создания вихревого магнитного поля. Патент РФ №2364969, опубл. в бюл. №23 от 20.08.2009.