СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ МАГНИТОМЯГКИХ МАТЕРИАЛОВ
TEST METHOD OF PRODUCTS FROM MAGNETICALLY SOFT MATERIALS

Изобретение относится к магнитным измерениям и предназначено для измерения основной кривой намагничивания, динамической петли гистерезиса, потерь на перемагничивание, остаточной магнитной индукции и коэрцитивной силы изделий из магнитомягких материалов (МММ).
макс
Известен способ амперметра и вольтметра [Кифер И.И. Испытания ферромагнитных материалов. - М.: Энергия, 1969. - С.180-183] для измерения основной кривой индукции. Образец помещается в намагничивающую и измерительную катушки, намагничивающая катушка подключается к автотрансформатору, с помощью которого устанавливают необходимый намагничивающий ток. Способ заключается в измерении среднего значения ЭДС на измерительной катушке и максимальных значений тока в намагничивающей катушке. Расчет значений максимальной индукции В производится по формуле
ср
иo
где Е - среднее значение ЭДС на измерительной катушке, l - частота намагничивающего тока, w - число витков измерительной катушки, S - площадь поперечного сечения испытуемого образца.
макс
Соответствующие значения напряженности магнитного поля Н в образце определяются по формуле
макс
но
где I - максимальное значение намагничивающего тока, w - число витков намагничивающей катушки, l - длина магнитной линии.
макс
макс
Определенные, для всех необходимых значений намагничивающего тока, значения В и Н используются для построения основной кривой намагничивания.
Недостатком данного способа является необходимость нанесения на испытуемый образец измерительной катушки, что усложняет процедуру измерения магнитных характеристик образцов из МММ и делает невозможным измерения магнитных характеристик у готовых изделий (электромагнит, статоры электрических машин и т.д.). Кроме того, этот способ не позволяет измерять петлю гистерезиса испытуемого образца, потери на перемагничивание, остаточной магнитной индукции и коэрцитивной силы.
макс
макс
Известен осциллографический способ испытания ферромагнитных материалов [Чернышев Е.Т., Чечурина Е.Н., Чернышева Н.Г., Н.В.Студенцов. Магнитные измерения. - М.: Издательство стандартов, 1969. - С.196-201]. Образец помещается в намагничивающую и измерительную катушки, намагничивающая катушка подключается к автотрансформатору, с помощью которого устанавливают необходимый намагничивающий ток. Сигнал ЭДС с выхода измерительной катушки интегрируется и подается на пластины вертикального отклонения осциллографа. Сигнал тока в намагничивающей катушке, определенный, например, как напряжение на сопротивлении в намагничивающей цепи, подается на пластины горизонтального отклонения. Петля гистерезиса, пропорциональная петле гистерезиса испытуемого образца, соответствующая данному намагничивающему току, наблюдается на экране осциллографа. Определенные по ней, при необходимых значениях намагничивающего тока, значения В и Н используются для построения основной кривой намагничивания. Площадь петли гистерезиса используют для определения потерь на перемагничивание испытуемого образца.
Недостатком данного способа является необходимость нанесения на испытуемый образец измерительной катушки, что усложняет процедуру измерения магнитных характеристик образцов из МММ и делает невозможным измерения магнитных характеристик у готовых изделий (электромагнит, статоры электрических машин и т.д.). Кроме того, интегрирование сигнала ЭДС измерительной катушки влечет за собой фазовые искажения сигналов и дополнительные погрешности при определении магнитной индукции в образце.
Известен способ для измерения характеристик МММ без нанесения измерительной обмотки [Испытание магнитных материалов и систем / Е.В.Комаров, А.Д.Покровский, В.Г.Сергеев, А.Я.Шихин. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - С.243-244]. Образец помещается в намагничивающую катушку, намагничивающая катушка подключается к источнику питания. Определяется сигнал тока в намагничивающей катушке, например, как напряжение на сопротивлении в намагничивающей цепи.
г
Напряжение на выходе источника питания U определяется выражением
н
где I - ток, протекающий через намагничивающую катушку; R - активная составляющая сопротивления намагничивающей цепи; dФ - изменение магнитного потока, пронизывающего намагничивающую катушку за время dt; k - коэффициент, определяемый количеством витков намагничивающей катушки, длиной средней линии испытуемого образца и его площадью поперечного сечения.
Исходя из (2) формула для расчета магнитного потока в испытуемом образце имеет вид:
Активную составляющую RH намагничивающей цепи, включающую активную часть сопротивления намагничивающей катушки, сопротивления для измерения тока и выходного сопротивления источника питания, предварительно определяют и потом используют при вычислении магнитного потока. Магнитная индукция в образце определяется пропорционально магнитному потоку Ф, напряженность магнитного поля в образце определяется пропорционально току в намагничивающей катушке. По максимальным значениям магнитной индукции и напряженности определяются координаты основной кривой индукции. По площади петли гистерезиса определяются потери на перемагничивание испытуемого образца.
Недостатком способа для измерения характеристик МММ без нанесения измерительной обмотки является то, что в процессе измерения вследствие протекания по намагничивающей обмотке тока происходит ее нагрев, а увеличение температуры намагничивающей обмотки вызывает увеличение активной составляющей RH ее сопротивления. Тогда выражение (3), по которому вычисляется магнитный поток, реализуется некорректно, что вносит значительную, накапливающуюся в процессе интегрирования погрешность в результат измерения.
0
0
X
0
0
макс
В качестве прототипа выбираем способ подстановки [Кифер И.И. Испытания ферромагнитных материалов. - М.: Энергия, 1969. - С.272-273]. В цепь генератора синусоидального напряжения включается или обмотка, нанесенная на испытуемый образец, или известные переменные индуктивность L и безреактивное сопротивление r. Так же последовательно с генератором синусоидального напряжения включаются амперметр средних значений (измеритель тока) и переменные индуктивность L и конденсатор С (переменный управляемый конденсатор). Сначала при включенной в цепь генератора синусоидального напряжения обмотке испытуемого образца с помощью переменных индуктивности L и конденсатора С цепь настраивается в резонанс, что отмечается по максимальной величине тока в намагничивающей цепи. Затем в цепь вместо обмотки испытуемого образца включаются известные переменные индуктивность L и безреактивное сопротивление r и с их помощью цепь снова настраивается в резонанс. Причем, изменяя безреактивное сопротивление r, добиваются той же величины тока в цепи (при этом установленные величины L и С изменять нельзя). В момент резонанса неизвестная индуктивность обмотки испытуемого образца L=L. Зная величину индуктивности L, рассчитываем максимальную индукцию в образце В, Тл, по формуле
2
где I - ток по амперметру средних значений, A, w - число витков обмотки испытуемого образца, S - площадь поперечного сечения испытуемого образца, м.
макс
Соответствующие значения напряженности магнитного поля Н в образце определяется по формуле
где l - длина магнитной линии.
Потери в образце Р рассчитывают по формуле
0
0
х
где r - активное сопротивление обмотки индуктивности L постоянному току, r - сопротивление обмотки испытуемого образца постоянному току.
Недостатками данного способа является то, что он не позволяет определять динамическую петлю гистерезиса, остаточную магнитную индукцию и коэрцитивную силу испытуемого образца. Кроме того, определение максимальной магнитной индукции и коэрцитивной силы по среднему значению тока в намагничивающей цепи (формулы (4) и (5)) обеспечивает приемлемую погрешность только при синусоидальном изменении намагничивающего тока, в области малых магнитных полей, но при насыщении испытуемого образца, когда ток становится несинусоидальным, расчет по этим формулам вносит большую погрешность.
Задачей изобретения является разработка способа испытания изделий из магнитомягких материалов.
Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей путем обеспечения возможности измерения петли гистерезиса, потерь на перемагничивание, остаточной магнитной индукции и коэрцитивной силы испытуемого образца, а также повышение скорости и точности измерений.
Технический результат достигается способом испытания изделий из МММ, заключающимся в том, что в цепь генератора синусоидального напряжения включаются обмотка, нанесенная на испытуемый образец, переменный управляемый конденсатор, измеритель тока, цепь настраивается в резонанс напряжений, определяемый по совпадению фаз амплитудных значений напряжения последовательной цепи переменного управляемого конденсатора и обмотки испытуемого образца и тока в цепи, с помощью измерителя тока фиксируются все значения намагничивающего тока, с помощью которых определяются значения напряженности магнитного поля в испытуемом образце по формуле
где I - соответствующее значение тока, определенное по измерителю тока, w - число витков обмотки, l - длина магнитной линии, значение максимальной магнитной индукции определяется пропорционально среднему значению напряжения на обмотке испытуемого образца по формуле (1), по вольтамперной характеристике последовательно включенных обмотки испытуемого образца и переменного управляемого конденсатора определяется форма петли гистерезиса испытуемого образца, соответствующая данному намагничивающему току, эта петля масштабируется пропорционально максимальному значению магнитной индукции по формуле:
,
p
макс
макс
где U - соответствующее значение напряжения резонансной цепи (переменный управляемый конденсатор-обмотка испытуемого образца), U - максимальное значение напряжения резонансной цепи (переменный управляемый конденсатор-обмотка испытуемого образца) для данного намагничивающего тока, В - максимальное значение магнитной индукции в испытуемом образце для данного намагничивающего тока, потери на перемагничивание определяются по площади петли гистерезиса, затем, изменяя амплитуду на выходе генератора синусоидального напряжения, таким же образом производят измерения петель гистерезиса для всех необходимых значений намагничивающего тока, а по пересечению предельной петли гистерезиса с вертикальной и горизонтальной осями определяют значения соответственно остаточной магнитной индукции и коэрцитивной силы испытуемого образца.
На чертеже представлена блок-схема, соответствующая способу испытания изделий из магнитомягких материалов.
Блок-схема испытания содержит генератор синусоидального напряжения 1, к которому подключены последовательно соединенные обмотка 2, нанесенная на испытуемый образец 3, переменный управляемый конденсатор 4, измеритель тока 5. Параллельно к обмотке 2 испытуемого образца 3 подключен вольтметр средних значений 6. Выход цепи (переменный управляемый конденсатор 4-обмотка 2 испытуемого образца 3) и выход измерителя тока 5 подключены на первый и второй вход фазового детектора амплитудных значений 7, первый выход которого подключен к блоку управления конденсатором 8. Выход цепи (переменный управляемый конденсатор 4-обмотка 2 испытуемого образца 3) и выход измерителя тока 5 также подключены соответственно к первому и второму входам регистрирующего блока 9. На третий вход регистрирующего блока 9 подключен выход вольтметра средних значений 6, а на четвертый его вход подключен второй выход фазового детектора амплитудных значений 7.
Для испытания не используется дополнительных индуктивностей и сопротивлений, что повышает скорость измерений.
Рассмотрим пример осуществления способа испытания изделий из магнитомягких материалов.
Напряжение питания с выхода генератора синусоидального напряжения 1 подается в последовательную цепь, состоящую из обмотки 2, нанесенной на испытуемый образец 3, переменного управляемого конденсатора 4 и измерителя тока 5. Ток в цепи имеет несинусоидальную форму, в связи с чем использование амперметра средних значений, а также формул (4) и (5) для расчета значений параметров магнитного поля в образце сопряжено со значительными ошибками. В описываемом способе данная ошибка устраняется, так как для расчетов используются все значения намагничивающего тока. По сигналу напряжения цепи (переменный управляемый конденсатор 4-обмотка 2 испытуемого образца 3) и сигналу на выходе измерителя тока 5 фазовый детектор амплитудных значений 7 определяет сдвиг фаз между их амплитудными значениями и выдает на блок управления конденсатором 8 пропорциональный фазовому сдвигу сигнал. Блок управления конденсатором 8 изменяет значение переменного управляемого конденсатора 4 так, что величина сдвига фаз между амплитудными значениями напряжения цепи (переменный управляемый конденсатор 4-обмотка 2 испытуемого образца 3) и тока в обмотке 2 испытуемого образца 3 уменьшается. В момент, когда этот сдвиг фаз равен нулю, в цепи возникает резонанс напряжений, обеспечивающий равенство напряжений на обмотке 2 испытуемого образца 3 и на переменном управляемом конденсаторе 4. Определение резонанса по фазовому, а не амплитудному признаку, увеличивает точность настройки в резонанс и, следовательно, точность испытания по сравнению со способом-прототипом. В условиях резонанса напряжения на обмотке 2 испытуемого образца 3 и на переменном управляемом конденсаторе 4 имеют практически синусоидальную форму изменения во времени. Это обеспечивает изменение индукции по синусоидальному закону. Тогда форма петли гистерезиса испытуемого образца, соответствующая данному намагничивающему току, и вольтамперная характеристика цепи (переменный управляемый конденсатор 4-обмотка 2 испытуемого образца 3) совпадают. В этот момент со второго выхода фазового детектора амплитудных значений 7 поступает сигнал разрешения записи на четвертый вход регистрирующего блока 9. На протяжении одного периода намагничивающего тока происходит запись сигналов, поступивших на первый, второй и третий входы регистрирующего блока 9. Затем происходит увеличение амплитуды напряжения на выходе генератора синусоидального напряжения 1. Так происходит до тех пор, пока образец не войдет в режим насыщения. Затем рассчитываются значения магнитной индукции В для каждой измеренной петли гистерезиса по формуле
p
макс
макс
где U - соответствующее значение напряжения резонансной цепи (переменный управляемый конденсатор 4-обмотка 2 испытуемого образца 3), В - максимальное значение напряжения резонансной цепи (переменный управляемый конденсатор 4-обмотка 2 испытуемого образца 3) для данного намагничивающего тока, В - максимальное значение магнитной индукции в испытуемом образце для данного намагничивающего тока, определенное пропорционально среднему значению напряжения на обмотке 2 испытуемого образца 3 по показаниям вольтметра средних значений 6 по формуле (1). При определении значений индукции в образце не используется операция интегрирования, что избавляет от соответствующей ошибки.
Далее рассчитываются значения напряженности магнитного поля Н для каждой измеренной петли гистерезиса по формуле
где I - соответствующее значение тока, определенное по измерителю тока 5, w - число витков обмотки 2, l - длина магнитной линии.
По рассчитанным значениям магнитной индукции и напряженности магнитного поля строится семейство динамических петель гистерезиса испытуемого образца. Соединив вершины полученных петель гистерезиса, получают основную кривую намагничивания испытуемого образца.
Значение остаточной магнитной индукции и коэрцитивной силы определяют известным способом по пересечению предельной петли гистерезиса соответственно с вертикальной и горизонтальной осями. Потери на перемагничивание для любого цикла перемагничивания определяют также известным способом - как площадь соответствующей петли гистерезиса.