ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ КАМЕРА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ

Область техники
Заявляемая полезная модель относится к экспериментальным установкам, используемым для прецизионных измерений петель гистерезиса в магнитомягких образцах и потерь энергии при частотном перемагничивании, в условиях синусоидальной зависимости магнитного потока от времени, что принципиально важно при разработке электрических машин с предельно высоким КПД. Устройство может быть использовано в электронной промышленности, при разработке специальной техники для авиации и морского транспорта.
Уровень техники
Исследование потерь энергии в магнетиках при частотном перемагничивании является необходимым требованием при конструировании высокоэффективных электрических машин. Существует достаточно большое количество методик и измерительных установок, позволяющих исследовать магнитные параметры при частотном перемагничивании и определить потери энергии (например, K.E. Blazek, C. Raviello "New magnetic parameters of characterize cold-rolled motor lamination steels and predict motor performence", IEEE Transactions on Magnetics, vol. 4, 1833-1838, July 2004 (K.E. Блажек, С. Равиелло "Новые магнитные параметры, характеризующие холоднокатанные стали для использования в моторах и прогноз характеристик двигателя"). Однако большинство из них рассчитаны на большую массу исследуемого образца, имеют сравнительно низкую точность получаемых результатов, не позволяющих оценить ряд факторов, влияющих на магнитные свойства материалов.
Из уровня техники (публикация US5619142A) известно устройство, использующее для реализации назначения принцип намагничивания тороидального трансформаторного элемента. Описано устройство и способ тестирования тороидальных магнитных сердечников для выявления магнитных аномалий, которые препятствуют равномерному функционированию сердечников. Сердечник расположен на приводном устройстве, обеспечивающем вращение сердечника до 360 градусов. Сердечник взаимодействует со входной обмоткой, которая принимает тестовый сигнал и выходной обмоткой, соединенной с устройством отображения, которое показывает наличие или отсутствие таких магнитных аномалий.
Недостатком данного устройства является тот факт, что с использованием данного устройства возможно измерить магнитные свойства, а точнее отклонения реальных магнитных свойств от стандартных значений только в отношении узкого диапазона вращения сердечника, т.е. частоты перемагничивания.
Известно также устройство, раскрытое в публикации US5446383 (А), реализующее метод определения магнитных свойств тороидальных образцов. Устройство представляет собой трансформаторный узел, содержащий тороидальный трансформаторный элемент, включающий в себя кольцо и вторичную обмотку, намотанную вокруг кольца. Кольцо выполнено с основным сквозным отверстием для формирования первичной обмотки. В результате проводят сравнение реальной энергии, индуцированной во вторичной обмотке, с ожидаемым значением, что позволяет оценить действительные потери энергии при перемагничивании сердечника.
Недостатком данного устройства является невозможность его использования для определения свойств сердечников из электротехнических сталей в трансформаторах при других частотах перемагничивания, а также необходимость намотки двух обмоток, первичной и вторичной для проведения измерений.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство, раскрытое в патенте RU 2580173, которое используется для измерения магнитных характеристик образцов из листовой электротехнической стали произвольной формы. Устройство содержит дифференциальный преобразователь магнитной индукции, представляющий из себя Ж-образный сердечник, два сенсора напряженности магнитного поля, блок питания, блок микроконтроллера, усилитель переменного напряжения. На центральные полюса сердечника нанесены две одинаковые по величине намагничивающие катушки, соединенные последовательно и встречно к выходу усилителя. Сенсоры расположены на одной оси, совпадающей с центром по толщине сердечника, на одинаковом расстоянии до ближайшего к испытываемому образцу края сердечника. В результате обеспечивается возможность измерения петли гистерезиса и кривой намагничивания образцов из листовой электротехнической стали.
Недостатком данного устройства является наличие размагничивающего фактора для измеряемых образцов, что не позволяет измерить незначительные, но очень важные при разработке ряда устройств, изменения магнитомягких характеристик образцов в результате механической и термообработки.
Раскрытие сущности полезной модели
Технической проблемой, решаемой посредством заявляемой полезной модели, является необходимость разработки устройства, позволяющего обеспечить высокую точность измерения потерь энергии при частотном перемагничивании малых по объему образцов, с возможностью оперативной смены исследуемых образцов в течение короткого времени.
Техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемой полезной модели, является повышение точности определения магнитных характеристик и энергетических потерь при частотном перемагничивании магнитных материалов, а также сокращение времени подготовки образцов к измерениям.
Поставленная задача решается тем, что измерительная камера для проведения прецизионных измерений магнитных свойств и потерь энергии образцов магнитомягких материалов, согласно техническому решению, представляет собой цилиндрический кожух с жестко закрепленной крышкой, в котором размещен тороидальный сердечник с намотанной первичной катушкой трансформатора, в отверстии которого с зазором относительно намотки катушки расположен медный стержень, на котором размещен тороидальный пояс Роговского и текстолитовая вставка, предназначенная для размещения образца магнитомягкого материала, снабженного намоткой, представляющего собой измерительную катушку трансформатора. Цилиндрический кожух и крышка выполнены медными для обеспечения уменьшения электросопротивления камеры. Измерительная камера выполнена с возможностью измерений с частотой до 10 кГц и в магнитных полях до 1,6 Т в высокосимметричном однородном магнитном поле. Диаметры медного стержня и цилиндрического кожуха выбраны с возможностью обеспечения индуцирования высокосимметричного однородного магнитного поля со степенью однородности 0,01%, в котором находится весь исследуемый образец.
Технический результат заявляемой полезной модели достигается за счет использования конструкции измерительной камеры, позволяющей исключить намотку первичной обмотки на исследуемый образец и обеспечивающей замыкание магнитного потока в измерительной системе.
Краткое описание чертежей
Полезная модель поясняется следующими изображениями, где
На фиг. 1 приведен чертеж заявляемой измерительной камеры,
На фиг. 2 приведено фото измерительной камеры, изготовленной в качестве опытного образца в соответствии с заявляемой полезной моделью.
На фиг. 3 приведен график части петли гистерезиса электротехнической стали. На вставке к графику приведены кривые зависимости магнитной индукции при частоте перемагничивания 20 Гц и 1500 Гц в области малых магнитных полей.
На фиг. 4 приведен график потерь удельной мощности при различных частотах перемагничивания в полях от 0,5 до 1,7 Тл в электротехнической стали. Образцы представляли собой тороиды с намотанной на них вторичной обмоткой с массой несколько грамм.
Позициями на чертежах обозначены:
1. первичная тороидальная катушка трансформатора,
2. сердечник из шихтованной электротехнической стали
3. центральный медный стержень,
4. исследуемый образец,
5. центрирующая текстолитовая вставка,
6. пояс Роговского,
7. съемная крышка,
8. медный кожух,
9. отверстия под крепежные болты
Заявляемое измерительное устройство использует для частотного перемагничивания исследуемого образца тороидальный трансформатор. Первичную тороидальную катушку трансформатора (1), содержащую 300 витков, наматывают на сердечник (2), выполненный из электротехнической стали. Количество витков обусловлено необходимостью того, чтобы после трансформации медный стержень индуцировал магнитное поле, достаточное для насыщения образцов. Сформированную таким образом катушку помещают в медный цилиндрический кожух (8) для замыкания магнитного потока. По оси цилиндра вертикально ориентированно расположен медный стержень (3), обладающий минимальным электросопротивлением (суммарное электросопротивление вторичной цепи не превышает 20 мкОм). На стержень надевают пояс Роговского (6), на котором размещают кольцевую текстолитовую вставку (5), предназначенную для центрирования и изоляции исследуемого образца от пояса Роговского.
На образец проводом ПЭЛШО (ПЭЛ - провод эмалированный с изоляцией на масляной основе, ШО - один слой обмотки из натурального шелка) (диаметром 0,15 мм) наматывают измерительную катушка. Образец с намоткой (4) образует вторичную катушку трансформатора. Намотка на образец включает 40 витков. Такая вторичная обмотка может быть намотана на образец, выполненный из даже тонкого листа электротехнической стали, при этом не деформируя сам образец. С помощью данной методики можно проводить измерения на образце из электротехнической стали толщиной 0,18 мм.
Образец с намоткой надевают на центральный медный стержень и опускают до текстолитовой вставки. Камеру закрывают крышкой, которую затягивают болтами для обеспечения хорошего электрического контакта при прохождении тока. Через силовые выводы на первичную катушку подают переменный электрический ток, который трансформируется на медный стержень с коэффициентом трансформации 300-400. Ток, проходящий через стержень измеряется поясом Роговского и создает вокруг себя магнитное поле, которое проходит через исследуемый образец. ЭДС индукции, возникающая за счет изменения магнитного потока в образце генерируется в измерительной катушке и после усиления регистрируется и обрабатывается вычислительным комплексом.
Стержень вместе с тороидальным образцом образует вторичный виток трансформатора. Для создания сильного магнитного поля на первичную катушку подается напряжение 50 В, в результате чего, благодаря большому коэффициенту трансформации (от 300) и малому электрическому сопротивлению 20 мкОм замкнутого контура, во вторичной цепи индуцируется электрический ток в несколько килоампер. Такая величина тока достигается за счет массивного кожуха из толстостенной медной трубы, большого сечения центрального стержня диаметром не менее 30 мм (чем больше диаметр стержня, тем больший ток он может выдержать) и тщательной подгонки всех разъемных соединений до плотного прилегания плоскостями друг к другу для обеспечения хорошего электрического контакта.
Ток, протекающий через полевую обмотку, измеряется с помощью пояса Роговского (6). Для получения зависимости намагниченности образца от приложенного поля сигнал интегрируется с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Кроме того, для проведения измерений в широком диапазоне частот от 5 Гц до 18 кГц при значениях индукции от 1 до 20 кГс динамический диапазон амплитуды сигнала ЭДС измерительной катушки достаточно высок (от ~100 мкВ до единиц вольт).
Внутри рабочего объема, т.е. объема камеры, где располагается образец, индуцируется переменное магнитное поле с высокой степенью однородности с осевой симметрией. Рассчитанное из общих уравнений электродинамики соотношение между диаметром центрального стержня и областью расположения тороидального образца показало, что неоднородность поля по радиусу не превышает 0,01%. В камере обеспечивается синусоидальная зависимость потока магнитной индукции в магнитной цепи в процессе перемагничивания исследуемого образца, что исключает появление дополнительных гармоник, получаемых со вторичной катушки сигнала.
На фиг. 3, в качестве примера, приведен график части петли гистерезиса электротехнической стали. На вставке к графику (увеличенное изображение части графика справа) приведены кривые зависимости магнитной индукции при частоте перемагничивания 20 Гц и 1500 Гц в области малых магнитных полей. Такие измерения позволяют оценить изменение магнитных свойств магнетиков вследствие различных частот при перемагничивании. Из графика видно, что с увеличением частоты перемагничивания увеличивается коэрцитивная сила исследуемого образца.
В результате измерений строились зависимости магнитной индукции от напряженности приложенного магнитного поля, по которым определялись индукции насыщения и величина коэрцитивной силы. По площади петли гистерезиса на низких частотах (W) определялись потери на перемагничивание материала. Полные потери на перемагничивание, включающие в себя омический нагрев образца вихревыми токами, определялись по формуле:
i
где I(t) - ток в цепи катушки возбуждения, U(t) - напряжение на выводах измерительной катушки, n, m - числа витков в катушке возбуждения и измерительной катушке, интеграл вычисляется на периоде Т колебаний магнитного поля.
На фиг. 4 приведен график потерь удельной мощности при различных частотах перемагничивания в полях от 0,5 до 1,7 Тл в электротехнической стали. Образцы представляли собой тороиды с намотанной на них вторичной обмоткой с массой несколько грамм.
Пример конкретного выполнения
Заявляемое устройство реализовано в качестве опытного образца для проведения измерений магнитных свойств и определению потерь энергии при частотном перемагничивании магнитомягких материалов.
Основная часть измерительный камеры выполнена из медного листа толщиной 2 мм, согнутого в цилиндр диаметром 151 мм и высотой 100 мм. Снизу к медному цилиндру припаян медный диск диаметром 148 мм и толщиной 8 мм, имеющий центральное отверстие диаметром 18 мм для размещения медного стержня. К верхней части медного цилиндра для крепления крышки припаяно медное кольцо с внутренним и внешним диаметрами 151 и 191 мм соответственно. На расстоянии 161 мм от центра в крышке выполнены 6 отверстий под крепежные шпильки. Внутри цилиндра размещена тороидальная катушка. Измерительная камера закрывается верхней медной крышкой в виде диска диаметром 191 мм и толщиной 2 мм. В крышке выполнены аналогичные отверстия, что и в медном кольце и центральное отверстие диметром 18 мм для размещения медного стержня. Стержень выполнен из медного цилиндра диаметром 30 мм. Сверху и снизу стержень имеет резьбу M18 под крепежные гайки. Стержень вставляется в нижний медный диск, затем на стержень надевается пояс Роговского, текстолитовая вставка, сверху на которой располагают исследуемый образец. Пояс Роговского представляет собой текстолитовое кольцо, на которое намотана обмотка 119 витков, позволяющая точно определять ток после трансформации. Выводы с пояса Роговского проходят через нижнюю часть цилиндра. Сверху надевается крышка, после чего стержень закрепляют двумя латунными гайками. В каждое из 6 отверстий вставляется медная шпилька, проходящая через верхнюю крышку и кольцо. Каждая шпилька имеет резьбу М10. Сверху и снизу на шпильку накручиваются латунные гайки. Вместе все крепежный элементы обеспечивают плотный контакт между всеми элементами измерительной камеры.