ПРИБОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛОВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ТОРОИДОВ
DEVICE FOR MEASURING FORCE INTERACTION OF FERROMAGNETIC TOROIDS

Изобретение относится к области физики магнетизма и может быть использовано при синтезе ферромагнитных тороидов с нестандартным намагничиванием.
3
MAX
Широко известно применение в технике постоянных магнитов в форме ферромагнитных тороидов, магнитные полюсы у которых находятся на их торцевых поверхностях, а магнитные силовые линии ортогональны этим торцевым поверхностям. В частности, такие магниты используются в лампах бегущей (обратной) волны в СВЧ технике и при производстве электродинамиков для звуковоспроизводящей аппаратуры. Намагничивание таких ферромагнитных тороидов выполняют помещением их осесимметрично в соленоиды с намагничивающим постоянным током, величина которого создает в соленоидах насыщающее магнитное поле для ферроматериалов тороидов. При этом в ферроматериале, имеющем высокую коэрцитивную силу, создается достаточно высокая остаточная намагниченность после прекращения действия постоянного тока в соленоиде, а также запоминается такое распределение магнитных силовых линий, какое было в соленоиде с постоянным током намагничивания [1-3], за счет выстраивания магнитных доменов ферромагнетика вдоль линий насыщающего магнитного поля. Наиболее сильные магниты создаются с использованием ферритов, химическая формула которых содержит редкоземельные элементы, например, ферриты CoSm, для которых произведение магнитной индукции на напряженность магнитного поля (ВН) достигает величины 320 Тл.кА/м (40 млн. Гс.э).
Способность магнитных доменов ферромагнетиков сохранять направление намагничивания по направлению намагничивающего внешнего магнитного поля после отключения последнего общеизвестна и использована в заявляемом техническом решении.
Постоянные магниты в виде ферромагнитных тороидов с косокруговым намагничиванием (терминология автора) в известной литературе не рассматривались. Магнитные силовые линии в таких постоянных магнитах не ортогональны к плоскости торцов тороида, а наклонены относительно вертикалей к любой точке этих плоскостей под некоторым углом φ, лежащим в плоскости, проходящей через данную вертикаль и касательную к окружности, соосной оси симметрии тороида и проходящей через данную точку на плоскости торца магнита, причем отсчет углов φ относительно их вертикалей в данной плоскости торца магнита может быть по часовой стрелке или против часовой стрелки - для всех точек данной плоскости. Такой тип намагничивания ферромагнитного тороида осуществляется помещением последнего в сложное внешнее насыщающее магнитное поле, которое образуется при намотке на ферритовый тороид обмотки, включенной последовательно с обмоткой цилиндрического соленоида, соосного оси симметрии тороида, по которым пропускают постоянный ток намагничивания. За счет суперпозиции магнитных полей - кругового и цилиндрического - возникает так называемое косокруговое намагничивание тороида. Угол φ определяется соотношением напряженностей магнитных полей указанных типов, например, соотношением числа витков в указанных обмотках.
В зависимости от включения круговой обмотки на тороиде к цилиндрической обмотке вокруг него можно изменять наклон магнитных силовых линий либо вправо, либо влево от соответствующих вертикалей, то есть формировать два типа ферромагнитных тороидов с косокруговым намагничиванием. При этом, если создать два постоянных магнита с одинаковой ориентацией магнитных силовых линий косокругового намагничивания, а затем один из таких магнитов перевернуть на 180°, то такие два магнита будут отталкиваться друг от друга при их сближении вдоль оси их симметрии (из-за свойства магнитного отталкивания одноименных магнитных полюсов).
Целью изобретения является измерение соотношения вертикальных и горизонтальных составляющих косокруговой намагниченности в паре ферромагнитных тороидов, обращенных друг к другу одноименными магнитными полюсами, и их силового действия друг на друга при их сближении между собой.
Указанная цель достигается в заявляемом приборе для измерения силового взаимодействия ферромагнитных тороидов, состоящем из разъемного цилиндрического немагнитного корпуса, в нижней части которого расположен первый ферромагнитный тороид с механизмом его перемещения, связанным с датчиком перемещения, а в верхней части расположен соосно второй ферромагнитный тороид, механически связанный с калиброванной пружиной скручивания-сжатия, другой конец которой закреплен с верхней частью цилиндрического корпуса, а также с датчиками перемещения и угла поворота оси, к которой прикреплен второй ферромагнитный тороид, датчики перемещения первого и второго ферромагнитных тороидов и датчик угла поворота оси второго ферромагнитного тороида выходами соединены с первым, вторым и третьим входами вычислительно-регистрирующего устройства, причем намагничивание первого и второго ферромагнитных тороидов осуществлено так, что векторы намагниченности, исходящие из обращенных друг другу плоскостей первого и второго ферромагнитных тороидов, являются встречными друг к другу и наклонены относительно вертикальной оси их симметрии соответственно по часовой и против часовой стрелки.
Достижение указанной цели изобретения объясняется возникающей силой сжатия калиброванной измерительной пружины скручивания-сжатия вертикальными составляющими косокруговой силы отталкивания, при контролируемой подаче первого ферромагнитного тороида ко второму. Данные датчиков перемещений и угла поворота по известным параметрам жесткости калиброванной измерительной пружины скручивания-сжатия позволяют вычислить соответствующие компоненты напряженностей магнитных полей, полученных при косокруговом намагничивании пары ферромагнитных тороидов, а также изменение их величин при сближении одноименных магнитных полюсов первого и второго ферромагнитных тороидов, для чего используется вычислительно-регистрирующее устройство, например, на основе персонального компьютера, действующего по соответствующей программе.
Изобретение будет понятно из представленных чертежей.
На фиг.1 изображена функционально-блочная схема заявляемого прибора, содержащего следующие элементы и блоки:
1 - нижний цилиндрический немагнитный корпус;
2 - стойка с подставкой;
3 - верхний цилиндрический немагнитный корпус;
4 - заглушки крепления половин корпуса;
5 - первый ферромагнитный тороид с косокруговым намагничиванием;
6 - нижний крепежный стакан (немагнитный);
7 - ось подачи нижнего крепежного стакана 6 (немагнитная);
8 - второй ферромагнитный тороид с косокруговым намагничиванием;
9 - верхний крепежный стакан (немагнитный);
10 - ось вращения-скольжения верхнего крепежного стакана (немагнитная);
11 - подшипник вращения-скольжения оси 10;
12 - калиброванная измерительная пружина скручивания-сжатия;
13 - датчик перемещения нижнего крепежного стакана 6;
14 - датчики поворота и перемещения верхнего крепежного стакана 9;
15 - вычислительно-регистрирующее устройство.
На фиг.2 представлена электрическая схема косокругового намагничивания пары ферромагнитных тороидов, содержащая следующие элементы и блоки:
16 - сложенная вместе пара ферромагнитных тороидов (не намагниченных);
17 - круговая обмотка, намотанная на пару ферромагнитных тороидов 16;
18 - цилиндрическая обмотка соленоида, соосная паре ферромагнитных тороидов 16;
19 - накопительный высоковольтный конденсатор;
20 - органичивающий ток заряда резистор;
21 - источник высокого напряжения постоянного тока;
22 - высоковольтный разрядник;
23 - силовой высоковольтный диод.
На фиг.3 представлена та же схема (фиг.2) при виде сбоку на пару ферромагнитных тороидов 16, которые после их намагничивания с помощью обмоток 17 и 18 с постоянным током, обеспечивающим насыщение ферромагнетика, становятся ферромагнитными тороидами 5 и 8 (фиг.1) с косокруговым намагничиванием.
k
m
⊥
||
⊥
||
На фиг.4 показано расположение векторов H и H намагниченности для двух точек k и m, расположенных на верхней грани тороида. Каждый из этих векторов имеет вертикальную H и горизонтальную Н составляющие (по отношению к плоскости торца тороида). При этом вертикальные составляющие H для любых точек на данной грани тороида параллельны между собой и с осью симметрии тороида z, а горизонтальные составляющие Н расположены по касательным к окружностям с центром на оси симметрии тороида и проведенным через любую данную точку на плоскости торца тороида. Касательные составляющие образуют оси у для соответствующих точек поверхности торца, а оси х таких декартовых координат направлены к оси симметрии тороида. Число таких координатных систем равно числу точек на торце ферромагнитного тороида (теоретически их бесчисленное множество, а практически - определяется отношением площади торца тороида к площади магнитного домена).
На фиг.5 показано два возможных типа пар ферромагнитных тороидов с косокруговым намагничиванием, образующихся при замене включения круговой обмотки 17 (фиг.2) к цилиндрической обмотке соленоида 18 (путем переключения начала Н и конца К круговой обмотки 17).
До рассмотрения действия заявляемого прибора (фиг.1) необходимо показать, как создаются ферромагнитные тороиды с косокруговым намагничиванием. Схема такого намагничивания пары одинаковых ферромагнитных тороидов приведена на фиг.2 и фиг.3. Цилиндрическая обмотка соленоида 18 способна создавать вертикально ориентированное магнитное поле, а круговая обмотка 17, намотанная сразу на обоих ферромагнитных тороидах, как показано на фиг.3, намагничивает эти тороиды вдоль их образующих, то есть по окружностям, соосным оси симметрии тороидов, располагаемым внутри тела тороидов. Суперпозиция этих двух магнитных полей создает косокруговую намагниченность в ферромагнитных тороидах, как это проиллюстрировано на фиг.4 для двух произвольно взятых точек на плоскости их торцов. Причем в зависимости от направления намагничивающего постоянного тока, например, в круговой обмотке 17 косокруговое намагничивание возможно двух типов - с наклоном вектора намагниченности относительно вертикалей вправо или влево.
Для создания однонаправленного тока разряда накопительного высоковольтного конденсатора 19, заряженного от высоковольтного источника постоянного тока 21 через ограничивающий резистор 20, используется силовой высоковольтный диод 23, включенный последовательно с накопительным высоковольтным конденсатором 19 и высоковольтным разрядником 22. При этом не возникает режима затухающих колебаний в таком контуре, которые препятствовали бы намагничиванию ферромагнитных тороидов. Импульс однонаправленного тока доводит ферромагнетик тороидов до глубокого насыщения. Эта операция может быть повторена, что, в конечном счете, приводит к намагничиванию тороидов.
После косокругового намагничивания пары ферромагнитных тороидов 5 и 8 (фиг.1) один из них переворачивают на 180°, в результате чего получаем пару взаимно отталкивающихся по вертикали тороидов, так как они обращены друг к другу одноименными магнитными полюсами. Так, первая и вторая пары ферромагнитных тороидов имеют обращенные друг к другу магнитные южные S-полюса. В первой паре нижний ферромагнитный тороид имеет наклон вектора намагниченности вправо от вертикали, а в верхнем ферромагнитном тороиде, наоборот, наклон влево от вертикали. Во второй паре эти наклоны противоположны выше указанным. При обозначении направлений вектора намагниченности для торцевых поверхностей тороидов, обращенных друг к другу в данной паре, вверх и вправо через единицу, а при направлениях вниз и влево через ноль, получим две пары ферромагнитных тороидов с косокруговым намагничиванием, указанные на фиг.5. Сумма чисел для каждой из пар равна двум, а одинаковые составляющие в парах должны быть различными. Любые другие комбинации должны исключаться из рассмотрения. Всего работающих комбинаций четыре.
Теперь обратимся к рассмотрению работы заявляемого устройства (фиг.1).
Ферромагнитные тороиды с косокруговым намагничиванием обращены друг к другу одноименными северными N-полюсами и относятся ко второму типу пар (фиг.5). Первый ферромагнитный тороид 5 (нижний) имеет возможность перемещения вверх-вниз относительно второго ферромагнитного тороида 8 (верхнего) и считается неподвижным, механически связанным с датчиком перемещения 13. Второй ферромагнитный тороид 8 (верхний) обладает свободной подвижностью по вертикали и по вращению оси вращения-скольжения 10, которая механически связана с датчиком перемещения и датчиком угла поворота 14 оси 10. Кроме того, указанная подвижность второго ферромагнитного тороида ограничивается калиброванной измерительной пружиной скручивания-сжатия 12, один конец которой закреплен с верхним крепежным стаканом 9, соединенным со вторым ферромагнитным тороидом 8 и осью вращения-скольжения 10, а другой ее конец закреплен на верхнем цилиндрическим немагнитным корпусом 3, скрепленным с нижним 1 заглушками крепления 4.
Отметим, что при сжатии пружины 12 происходит также ее скручивание на небольшой угол, обусловленное наклоном витков пружины относительно плоскости, ортогональной оси симметрии пружины. Этот угол отслеживается датчиком 14.
1
⊥
2
1
2
СЖ
1
2
1
СЖ
⊥
⊥
||
⊥
||
2
1
⊥
||
⊥
||
1
⊥
||
1
1
1
2
1
2
0
1
2
0
1
2
0
0
0
⊥
||
⊥
||
||
⊥
1
2
2
2
-6
2
При перемещении вверх первого ферромагнитного тороида 5 на величину Δz увеличение силы отталкивания между первым 5 и вторым 8 ферромагнитными тороидами (за счет вертикальных составляющих H) приводит к смещению второго ферромагнитного тороида вверх на величину Δz<Δz. При этом сжатие пружины 12 на величину Δz указывает на действие силы сжатия F=k Δz, где k - известный модуль сжатия для пружины 12. Сила сжатия F равна вертикальной составляющей силы отталкивания F. Указанные силы F и F, как известно, изменяются пропорционально соответствующим компонентам H и Нвектора напряженности Н косокруговой намагниченности ферромагнитных тороидов. Следовательно, по измеренным значениям перемещения Δz при известном параметре модулей k можно судить о соотношении компонент H и Н и тем самым о величине угла наклона φ вектора Н, а также об изменении величины сил F и F при изменении перемещения Δz первого ферромагнитного тороида 5 устройством подачи нижнего крепежного стакана 6 через ось подачи 7, контролируемой датчиком перемещения 13. Все данные датчиков 13 и 14 передаются в вычислительно-регистрирующее устройство 15, работающее по заданной программе вычисления величин H и Н по введенному параметру k и вариации параметра перемещения Δz. Как известно, сила F, действующая между полюсами с магнитными потоками Ф и Ф на некотором расстоянии d=h/cosφ, где h - расстояние между торцами тороидов, равна F=ФФ/4πµd=ФФcosφ/4πµh. Магнитные потоки Ф и Ф определяются произведениями индукций ферромагнитных тороидов В=µН на площадь S торцов ферромагнитных тороидов, то есть Ф=µНS [Вб], где µ=1,256*10 Гн/м - абсолютная магнитная проницаемость вакуума, Н - напряженность магнитного поля на торцах магнитов [А/м], размеры S и h соответственно в [м] и [м]. Сила F разлагается на составляющие F и F, вычисляемые как F=Fcosφ и F=Fsinφ, где угол φ=arctg(Н/H). Видно, что с уменьшением расстояния h между торцами ферромагнитных тороидов квадратично возрастает сила F косокругового отталкивания, стремящаяся сжать и калиброванную измерительную пружину 12. Изменение расстояния h достигается соответствующей контролируемой подачей Δz.
0
1
∑
∑
∑
02
Следует указать, что при отсутствии намагничивания ферромагнитных тороидов 5 и 8 под действием веса ферромагнитного тороида 8, его верхнего крепежного стакана 9 и оси вращения-скольжения 10 и других присоединенных к ним масс калиброванная измерительная пружина растягивается на величину Δz=-kР, где P - полный вес подвижной части прибора, поэтому при начальной юстировке прибора следует так переместить ферромагнитный тороид 5 с косокруговым намагничиванием ко второму тороиду 8, чтобы сила отталкивания этих тороидов друг от друга уравнялась бы весом P, и при этом измерительная пружина 12 оказалась бы не растянутой и не сжатой (ее сжатие в исходном состоянии Δz=0).
1
1
Программа вычислений несколько осложняется тем обстоятельством, что модуль k, строго говоря, не остается постоянной величиной, поскольку скручивание пружины 12 изменяет модуль упругости k. В достаточно грубых оценках можно, однако, полагать величину этого модуля постоянной и известной (опытно определяемой) величиной.
Техническое решение может быть использовано при проверке идентичности пар ферромагнитных тороидов с косокруговым намагничиванием, при их выбраковке и испытании тороидов на их силовое взаимодействие, в частности, при опытном определении наиболее выгодных углов наклона φ вектора напряженности Н относительно вертикали.
Источники информации
1. Преображенский А.А., Биширд Е.Г., Магнитные материалы и элементы, 3 изд., М., 1986.
2. Февралева И.Е., Магнитотвердые материалы и постоянные магниты, К., 1969.
3. Постоянные магниты. Справочник, М., 1971.