УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ НА ВРАЩАТЕЛЬНЫЙ ГИСТЕРЕЗИС

Полезная модель относится к устройствам измерения магнитных величин, а более конкретно - к измерению и изучению физики гистерезиса во вращающихся магнитных полях, и может быть использована для различных магнитных материалов, применяемых для изготовления навигационной аппаратуры: магнитных гирокомпасов, демпферов, гироскопов. Кроме того, полезная модель может найти применение в электротехнике при создании гис терезисных электродвигателей, при разработке новых сортов электротехнических сталей с меньшими потерями на перемагничивание, при выборе материалов для магнитно-абразивной обработки поверхностей во вращающемся магнитном поле.
Известно устройство №849118 для определения потерь энергии на вращательный гистерезис (БИ №27 опубл. 23.07.81, автор А.Д.Барбаков) и способ его осуществления 864210 (БИ №34 опубл. 15.09.81, автор А.Д.Барбаков).
Недостатками этого устройства являются крайне ограниченная возможность изменения скорости вращения вектора напряженности магнитного поля только в инфранизком интервале угловых скоростей чисто механическим способом;
- энергоемкая, малопроизводительная и немобильная кинематическая схема вращения магнитных полюсов, состоящая из электромотора, редуктора, червячной передачи, и создающая низкочастотный шум и вибрации, повышающие уровень собственных шумов устройства и понижающие чувствительность гальванометрической подвесной системы и точность измерения при малых сигналах.
Задачей предлагаемой полезной модели являются:
- снижение уровня собственных шумов;
- повышение чувствительности подвесной системы;
- расширение динамического диапазона в сторону измерения малых сигналов;
- увеличение частотного диапазона измерения ПВГ за счет перехода с механического на электрический способ вращения полюсов магнитного поля.
Поставленная задача решена тем, что, в устройстве согласно предложенной полезной модели введены блок питания электромагнита с квадратурным выходом, являющийся датчиком угла поворота вектора напряженности магнитного поля и связанный с хронирующим устройством, а электромагнит выполнен в виде неявнополюсного цилиндрического индуктора с двумя обмотками в виде 4-х перекрывающихся секций и расположенных по кругу в виде противодействующих пар, запитываемых блоком питания с квадратурным выходом, так что противодействующие пары обмоток характеризуются противоположной магнитной полярностью и одинаковой фазой. В индукторе возникает круговое магнитное
поле, частота вращения которого равна частоте питающего тока. Хронирующее устройство формирует из напряжения питания индуктора управляющие сигналы, соответствующие началу вращения вектора напряженности магнитного поля, смене его направления вращения и окончании цикла перемагничивания. Сигнал, соответствующий 0°, отпирает интегратор, после прохождения 360° происходит автоматическая смена направления вращения поля в индукторе за счет переключения питающих токов к обмоткам индуктора. Сигнал, соответствующий окончанию цикла перемагничивания образца, отключает интегратор от масштабного усилителя и разрешает цифровому вольтметру произвести измерение на выходе интегратора.
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства для измерения ПВГ. На фиг.2 показано расположение обмоток в индукторе, на фиг.3 расположение витков обмоток в пазах.
Устройство содержит: постоянный магнит 1, подвесную систему 2, на стержне которой закреплены зеркало 3 и рамка 4 с градуировочной обмоткой 5, исследуемый образец 6, неявнополюсный цилиндрический индуктор 7 для создания вращающегося магнитного поля вокруг образца, источник света 8, блок питания 9 с квадратурным выходом, дифференциальный элемент 10, фотоэлектрический усилитель 11, компенсационная обмотка 12, масштабный усилитель 13, интегратор 14, хронирующее устройство 15, измерительный прибор 16. Индуктор 7 содержит 24 равномерно расположенных паза, в которые уложены четыре перекрывающиеся обмотки А, В, С, Д по окружности в виде пар противодействующих обмоток, как на фиг.2. Проволока, составляющая каждую обмотку, проходит через пазы 1-24 статора, как на фиг.3. Противодействующие обмотки С и Д, охватываемые другой парой противодействующих обмоток А и В, таким образом, что смежные концы внешней пары обмоток А и В находятся между концами внутренней пары обмоток С и Д, образуя их перекрывающееся расположение. Все обмотки питаются от 2-х переменных токов, сдвинутых на 90°. При этом противодействующие обмотки совпадают по фазе, но имеют противоположную магнитную полярность. Обмотки С и Д питаются одним током, и в каждой из них возникает свой магнитный полюс; обмотки А и В питаются током, сдвинутым на 90° относительного первого, и в каждой из них возникает также свой магнитный полюс. В результате сложения полей в индукторе возникают противолежащие северный и южный магнитные полюса обмоток, и эти полюса вращаются при изменении тока по синусоиде, т.о. возникает вращающееся магнитное поле вокруг исследуемого образца, частота вращения которого равна частоте питающего тока.
Блок питания с квадратурным выходом для цилиндрического индуктора состоит из генератора, например, инфранизкой и звуковой частоты, квадратурного фазорасщепителя,
аналоговых ключей для коммутации фаз при реверсе вращения вектора магнитного поля, предварительных усилителей, регуляторов постоянного тока, источника форсированного напряжения и схемы его подключения при коммутации фаз. Частота вращения магнитного поля задается генератором, сигнал с которого подается на квадратурный фазорасщепитель. Сдвинутые на 90° два сигнала усиливаются и подаются на регуляторы постоянного тока, которые изменяют до нужного значения величину тока, подаваемого в обмотки индуктора от источника постоянного тока. В момент коммутации сигналов после прохождения вектором магнитного поля 360° происходит скачок тока на одной из обмоток, поэтому для сглаживания переходных процессов в эту обмотку подключается источник форсированного напряжения.
Форма выполнения цилиндрического индуктора имеет особенности для получения кругового вращающегося магнитного поля: число пазов кратно 4, поскольку обмотка состоит из 4 секций, раскладка пластин электротехнической стали веером вдоль расточки магнитопровода для равномерного распределения магнитных свойств, обусловленных анизотропией и текстурой листа. Индуктор имеет скос рабочих пазов на один шаг пазового деления. Число витков в пазах по окружности статора подчинено закону синусоидальности, обмотка концентрическая, порядок намотки указан на фиг.3.
Устройство работает следующим образом. При помещении исследуемого образца 6, закрепленного на подвесной системе 2 во вращающееся магнитное поле, созданное индуктором 7, на образец действует вращающий момент, стремящийся повернуть образец так, чтобы ось легкого намагничения была параллельна вектору напряженности магнитного поля. Вследствие поворота образца с подвесной системой, рамкой и зеркалом отраженный луч производит разбаланс моста, плечами которого является дифференциальный фотоэлемент 10. Напряжение рассогласования подается на фотоэлектрический усилитель 11, нагрузкой которого является компенсационная обмотка 12 рамки. В результате взаимодействия поля компенсационной обмотки, по которой течет пропорциональный напряжению разбаланса моста ток, с полем постоянного магнита 1, рамка создает вращающий момент, равный и противоположный по направлению вращающему моменту образца. Выходное напряжение фотоэлектрического усилителя, пропорциональное вращающему моменту образца, подается через масштабный усилитель на интегратор, и затем на измерительный прибор, например, цифровой вольтметр.
Масштабный усилитель имеет несколько динамических диапазонов амплитуд с плавной перестройкой коэффициентов усиления, который выбирается для каждого образца специально в зависимости от величины сигнала и объема образца, скорости вращения магнитного поля и с учетом согласования выхода масштабного усилителя со входом усилителя постоянного
тока интегратора, линейный участок входной характеристики которого ограничен. Интегратор производит аналоговое интегрирование напряжения с выхода масштабного усилителя только во время вращения магнитного поля, что обеспечивает хронирующее устройство, связанное с блоком питания 9 с квадратурным выходом.
Хронирующее устройство формирует из напряжения питания индуктора управляющие сигналы, соответствующие началу вращения магнитного поля, смене направления вращения и окончанию цикла перемагничивания. Сигнал, соответствующий углу 0°, отпирает интегратор; после прохождения 360° происходит автоматически смена направления вращения поля в индукторе за счет переключения питающих токов к обмоткам индуктора; сигнал, соответствующий окончанию цикла перемагничивания образца, отключает интегратор от масштабного усилителя и разрешает цифровому вольтметру произвести измерение на выходе интегратора напряжения, равного по величине потерям энергии на вращательный гистерезис в единице объема исследуемого материала.