/
Текст
Н.А.КЕЛИН
В. К. КУДРЯВЦЕВ
Методы
и устройства
для контроля
магнитных
свойств
постоянных
магнитов
Н.А.КЕЛИН
В. К. КУДРЯВЦЕВ
Методы
и устройства
для контроля
магнитных
свойств
постоянных
магнитов
|эа
МОСКВА ЭНЕРГОАТОМ ИЗ ДАТ 1984
ББК 31.222
К 34
УДК 621.318.2.002.2.001.41
Рецензент А.Д. Скоков
Келин Н.А., Кудрявцев В. К.
К34 Методы и устройства для контроля магнитных свойств
постоянных магнитов. — М.’ Энергоатомиздат, 1984. —80 с.,
ил.
35 к. 3000 экз.
Рассмотрены методы контроля магнитных свойств постоянных маг-
нитов сложных форм в условиях промышленного производства, ме-
тоды и устройства для измерения топографии магнитных полей, обобще-
ны результаты разработок и практического применения автоматизиро-
ванных устройств для контроля постоянных магнитов.
Для инженерно-технических работников, занимающихся испытани-
ями постоянных магнитов, проектированием и эксплуатацией приборов
для магнитных измерений и контроля качества постоянных магнитов.
230202000-381 ББК 31.222
К 051(011-84 87 84 6П2. 1.083
© Энергоатомиздат,! 984
ПРЕДИСЛОВИЕ
Технический прогресс в электротехнической промышленности на сов-
ременном этапе характеризуется широким применением постоянных
магнитов (ПМ). Это объясняется прежде всего разработками и внедре-
нием в промышленное производство новых высококоэрцитивных магнито-
твердых материалов (МТМ). Резкое увеличение производства, а также
непрерывные качественные изменения свойств ПМ позволили значительно
расширить их сферу применения в народном хозяйстве, что в свою оче-
редь потребовало создания новых методов и эффективных устройств для
контроля магнитных свойств ПМ.
В отечественной литературе достаточно широко освещены вопросы
метрологического обеспечения производства изделий из ферромагнит-
ных материалов, но пока нет достаточно достоверных сведений о контроле
магнитных свойств ПМ в условиях промышленного производства. Опуб-
ликовано много работ, посвященных различным вопросам проектирова-
ния средств измерения и контроля магнитных параметров ПМ и изделий
из ферромагнитных материалов, но процесс контроля магнитных свойств
ПМ не рассматривался с учетом неточности воспроизведения их работы
в изделиях, несовершенстве средств и методов измерений и др. Правиль-
ный учет всех факторов устраняет ряд нежелательных последствий в усло-
виях производства и эксплуатации, что имеет определенное народнохо-
зяйственное значение.
Настоящая книга до некоторой степени восполняет перечисленные
выше пробелы. Она обобщает и систематизирует имеющиеся в настоя-
щее время сведения о применяемых в условиях производства методах
и средствах для контроля магнитных свойств ПМ
В книге предлагается системный подход к решению задач контроля
магнитных свойств ПМ, при котором требуемые характеристики опреде-
ляются в зависимости от эксплуатационных параметров изделий. Рассмот-
рены также вопросы расчета некоторых элементов аппаратуры контроля
магнитных свойств ПМ.
Материалы § 4, 5, 17—20, 22—25, 27, 28 написаны В.К. Кудрявцевым,
остальное — Н.А. Келиным.
Авторы выражают искреннюю благодарность В.Б. Шеину, М.А. Чохели,
принявшим участие в разработке и внедрении описанных в книге средств
и методов измерения и контроля, а также рецензенту А.Д. Скокову за
ценные замечания и предложения, улучшившие содержание книги.
Все пожелания и советы авторы примут с благодарностью и просят
присылать их по адресу: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., д. 10,
Энергоатомиздат.
Авторы
^ВЕДЕНИЕ
Постоянные магниты как источники магнитного поля в последние
десятилетия находят широкое применение в изделиях различных отраслей
народного хозяйства и особенно в области электротехники благодаря
ряду ценных качеств по сравнению с электромагнитными устройствами.
Они не требуют источников питания, отличеются высокой надежностью,
экономичностью, долговечностью.
В области разработки магнитотвердых материалов (МТМ), из которых
изготавливаются ПМ, в последнее время достигнуты большие успехи.
Изготовители могут предложить довольно обширный ассортимент ПМ
с высокими магнитными свойствами и заранее определенными требуемы-
ми характеристиками.
В настоящее время промышленностью выпускаются ПМ из следующих
МТМ: литые кобальтовые на основе сплавов Fe-AI-Ni-Co (альнико, ЮНДК),
Fe-AI-Ni-Co-Ti (тикональ, ЮНДКТ); оксидные, прессованные из феррит-
бариевых, феррит-стронциевых порошков; ПМ с применением редко-
земельных элементов (РЗЭ); из деформируемых сплавов на основе
Fe-Co-Cr; с применением драгоценных металлов (платины) и др.
Разработка новых высокоэффективных МТМ для ПМ заметно измени-
ла структуру их потребления. Если раньше основными потребителями
ГТМ были радиотехническая и проборостроительная промышленности, то
в настоящее время опережающими темпами растет потребление ПМ элект-
ротехнической промышленностью.
Новые ПМ, обладающие высокой удельной магнитной энергией при
большой коэрцитивной силе, могут быть применены в электрических
машинах не только малой, но и средней мощности.
В нашей стране и за рубежом в настоящее время выпускаются серии
электрических машин с возбуждением от ПМ мощностью до 150 кВт
для станкостроения, металлургической, энергетической, целлюлозно-
бумажной промышленности. Это всевозможные машины постоянного то-
ка, среди которых можно отметить моментные исполнительные двигатели
к станкам с числовым программным управлением, синхронные машины
и др. Машины, возбуждаемые ПМ, отличаются простотой конструкции,
высоким КПД, малыми габаритными размерами, большой надежностью.
Для каждого конкретного типа ПМ метод контроля должен отвечать
следующим основным условиям: гарантировать работу изделия в опреде-
ленных условиях эксплуатации, допускать измерение параметров с задан-
ной точностью, обеспечивать построение системы контроля и управле-
ния качеством на всех стедиях технологического процесса.
В общем случае контролем называют определение соответствия пера-
метров объекта контроля с установленными, гарантирующими работу
объекта при заданных условиях. Процесс контроля включает в себя
совокупность специальных методов и аппаратуры. Операция контроля
4
сводится к сопоставлению значений некоторых параметров изделия с
заданными, а в случае двуальтернативного контроля — к заключению
"годен" или "не годен".
Выбор метода контроля ПМ определяется по существу выбором из
множества магнитных параметров тех, по значению которых классифи-
цируются испытуемые ПМ.
Большое значение при контроле имеют геометрические размеры и
конфигурация ПМ. По форме их можно подразделить на статорные, ротор-
ные, сегментные, шайбы, цилиндры, пластины. Последние принято назы-
вать простыми формами и их магнитные свойства можно определять
известными методами испытания МТМ [1, 2]. Все остальные относятся к
ПМ сложной формы, и методы их контроля базируются на косвенном
определении магнитных свойств с учетом конкретных условий эксплуа-
тации.
Применение новых высококоэрцитивных сплавов для ПМ поставило
ряд проблем, связанных с намагничиванием и размагничиванием ПМ,
с применением более мощных намагничивающих устройств, с необходи-
мостью исследования топографии магнитных полей непосредственно в
магнитных системах изделий.
В производстве ПМ из большинства традиционных материалов ранее
можно было ограничиться контролем характеристик "образцов-свиде-
телей" простой формы, изготовленных из той же партии материала и
прошедших вместе с партией ПМ технологическую обработку. При про-
изводстве. современных высококозрцитивных ПМ такой контроль непри-
емлем. Сложность технологии, наличие жестких режимов на ряде опера-
ций в отдельных случеях приводят к значительному разбросу параметров
ПМ, а следовательно, и необходимости 100%-ного контроля готовых
изделий. Естественно в этой связи возросло значение повышения произво-
дительности измерений и контроля, механизации и автоматизации испы-
тания ПМ.
Повышение требований к надежности ПМ вызывает в нестоящее время
иногде неоправданное ужесточение требований при контроле их свойств,
что приводит к необоснованному бракованию пригодных к эксплуатации
ПМ. С точки зрения экономической целесообразности большое значение
приобретает максимальное приближение промышленного контроля к усло-
виям эксплуатации ПМ в изделиях. Это, в конечном счете, оказывает по
ложительное влияние на эффективность производства без ущерба для ка-
чества, что имеет большое народнохозяйственное знечение.
Глава первая
ПОСТОЯННЫЕ МАГНИТЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
1. Магнитные параметры и свойства МТМ
Под постоянными магнитами следует понимать изделия или части
изделия, изготовленные из МТМ, предназначенные для создания магнит-
ного поля в определенном объеме пространства. В этом объеме (межпо-
люсное пространство) создается полезная магнитная энергия. Поэтому
магнитные цепи с ПМ должны быть разомкнутыми, т.е. иметь полезный
(рабочий) воздушный зазор. Магнитный поток в зазоре возникает после
намагничивания ПМ.
Магнитные свойства МТМ характеризуются зависимостями магнитной
индукции В или намагниченности М от напряженности поля Я[1]. Эти
свойства зависят не только от напряженности поля, но и от предшествую-
щего магнитного состояния.
При намагничивании предварительно размагниченного образца разли-
чают следующие типы зависимостей В (W):
1) начальную (нуле /ю) кривую намагничивания, получаемую при мо-
нотонном увеличении Н;
2) безгистерезисную (идеальную) кривую намагничивания, получае-
мую при одновременном действии постоянного и переменного полей с
убывающей до нуля амплитудой;
3) основную кривую намагничивания, представляющую собой геомет-
рическое место вершин симметричных петель гистерезиса, получаемых
при циклическом перемагничивании материала с различным значением
максимального магнитного поля.
Основная кривая намагничивания (рис. 1) является одной из важней-
ших характеристик магнитных материалов.
При циклическом перемагничивании зависимость В (Н} представляет
петлю гистерезиса. Петля гистерезиса (рис. 2), полученная при условии
технического насыщения, называется предельной.
Основными параметрами петли гистерезиса являются:
1) индукция насыщения Bs и соответствующая ей напряженность
магнитного поля Hs, харктеризующие состояние магнитного материала,
когда все магнитные моменты доменов ориентированы параллельно
внешнему магнитному полю;
2) остаточная индукция Вг — индукция на предельной петле гистере-
зиса при напряженности магнитного поля, равной нулю;
3) коэрцитивная сила по индукции Нс — напряженность магнитного
поля, которая должна быть приложена к предварительно намагниченному
образцу, чтобы довести магнитную индукцию до нуля;
4) коэрцитивная сила по намагниченности; Нсм — напряженность
размагничивающего поля, при которой намагниченность предварительно
полностью намагниченного образца доходит до нуля.
6
Рис. 1. Основная кривая намагни-
чивания
Рис. 2. Предельная петля гистерезиса
Для МТМ, используемых в ПМ, большое значение имеет кривая размаг-
ничивания — участок предельной петли гистерезиса, заключенный во
втором квадранте.
Во многих случаях рассматривают так называемые частные петли
гистерезиса, у которых вершины не лежат на основной кривой намагни-
чивания. Особое значение для МТМ имеют прямые возврата и магнитная
проницаемость.
Магнитная проницаемость МТМ характеризуется рядом значений.
Абсолютной магнитной проницаемостью называют отношение
ца=В!Н. (1)
Указанное выражение, отнесенное к магнитной постоянной = 4тгх
х 10“7 Гн/м, определяет относительную магнитную проницаемость
цг = В/ц0Н. (2)
Наиболее часто используют понятие относительной магнитной прони-
цаемости — начальной дгнвч, максимальной Цггт,аж, дифференциальной
Дгдиф и импульсной Цг*.
Начальная и максимальная относительные проницаемости определяются
выражениями (см. рис. 1)
Дгнач ~ \trr\{B/p.0H) — tgawa4, (3)
Mrma* =l*m (Bmax/lloHfnax} =Шатах- И)
Дифференциальную относительную проницаемость определяют как
производную от магнитной индукции по напряженности магнитного поля
для любой точки кривой намагничивания (размагничивания)
V-rnM$=dBliiadH. (5)
Импульсная относительная проницаемость определяется как
Дги = Де/д0Д Н, (6)
7
где Дб — максимальное изменение магнитной индукции при намагни-
чивании импульсным полем ДМ.
Положение рабочей точки А на кривой размагничивания определяется
конфигурацией магнитной цепи с ПМ (рис. 2). Индукцию ВА называют
кажущейся остаточной индукцией или остаточной индукцией в разомк-
нутой цепи.
Удельная магнитная энергия, Дж/м3, выражается формулой
WA =ВАНА/2. (7)
В некотором масштабе WA можно представить в виде площади прямо-
угольника со сторонами ВА и НА.
В замкнутой магнитной цепи остаточная индукция будет наибольшей,
равной Вг.
Точке D соответствует наибольшее значение удельной магнитной энер-
гии Wmgx. Этот параметр является важнейшим при оценке качества МТМ.
Обычно вместо энергии Wmax пользуются пропорциональным значением
(ВН)тах, называемым энергетическим произведением, которое имеет
единицу энергии, Тл - к А/М, но не является таковой.
Максимальная энергия Wmax тем больше, чем больше Вг, Нс и коэффи-
циент выпуклости кривой размагничивания материала
7 = (ВН}тах/ВгНс. (8)
На рис. 2 показана кривая с коэффициентом выпуклости у = 1/4, ко-
торая характерна для высококоэрцитивных МТМ на основе РЗЭ.
При изображении кривых намагничивания в координатах ц0М =
остаточная индукция сохраняет то же значение, что и в координатах
В = f(H), а коэрцитивная сила по намагниченности Нсм =£ Нсв-
В процессе эксплуатации положение рабочей точки ПМ не остается
постоянным. Изменение магнитного состояния происходит по кривым
возврата, представляющим собой частные петли гистерезиса, одна из вер-
шин которых лежит на кривой размагничивания. Частные петли явля-
ются узкими, их обычно заменяют прямыми возврата. Ход прямой воз-
врата оценивается относительной магнитной проницаемостью возврата
Д/-Д = (\В/ до ДМ. (9)
которая определяет в некоторой степени стабильность магнитной цепи.
Все характеристики, о которых говорилось выше, являются характе-
ристиками материала.
Если во внешнем магнитном поле находится образец разомкнутой
формы, например цилиндр (рис. 3), то на его концах образуются полюсы,
создающие внутри образца магнитное поле обратного напряжения по
отношению к внешнему.
Размагничивающее поле полюсов образца Но направлено навстречу
внешнему полю Мвн и пропорционально намагниченности образца:
H0=NM. (10)
Коэффициент пропорциональности N в выражении (9) называется
коэффициентом размагничивания или размагничивающим фактором.
Истинная напряженность магнитного поля Ми, действующая в образце,
меньше напряженности внешнего поля:
— NM. (11)
8
Коэффициент размагничивания зависит глав-
ным образом от геометрической формы образца
и в меньшей степени от материала. Его можно
аналитически рассчитать лишь для однородно на-
магниченного тела. Однако такое условие соблю-
дается только для тел правильной и простой
формы.
Так, коэффициент размагничивания:
шара N =4тт/3;
Рис. 3. Образец разомк-
нутой формы
бесконечно тонкой пластины в направлении, перпендикулярном ее
плоскости. Л/ =4тг;
Бесконечно длинного цилиндра /V =2тг.
Для примера на рис. 4 при ведены кривые зависимости коэффициента
размагничивания параллелепипедов от отношения их длины к корню квад-
ратному от сечения. Из кривых видно, что N сильно возрастает при
//>/$< 4-^5.
(12)
Зависимость В = f(H) материала ПМ является основой для расчетов
магнитных цепей с ПМ и устанавливает связь параметров ПМ с внешним
магнитным полем.
Энергия ПМ во внешнем пространстве проявляется только тогда, когда
сопротивление внешней магнитной цепи не равно нулю. Поэтому магнит-
ные свойства намагниченного тороида во внешнем пространстве не прояв-
ляются, хотя внутри его происходит поток Фг, соответствующий оста-
точной индукции Вг.
Наряду с основными магнитными свойствами важное значение имеет
стабильность магнитных свойств ПМ. Различают структурную и магнитную
нестабильность ПМ. Структурная нестабильность связана с кристалли-
ческим строением, фазовыми превращениями. Магнитная нестабильность
обусловливается изменением магнитной (доменной) структуры вещества.
Рис. 4. Зависимость коэффициенте
размагничивания прямоугольного
образца от его геометрических
размеров
Рис. 5. Кривые размагничивания различных
МТМ
9
Структурную стабильность обычно улучшают специальными режимами
термообработки (отпуск). Основой магнитной стабилизации является
частичное размагничивание ПМ, в результате которого дальнейшие измене-
ния свойств в некотором диапазоне изменений внешних условий стано-
вятся обратимыми.
В современной технике применяются десятки сплавов, составов, ком-
позиций для изготовления ПМ.
На рис. 5 изображены кривые размагничивания наиболее распростра-
ненных МТМ, применяющихся промышленностью для изготовления ПМ.
Литые сплавы типа альнико (кривая 7),тикональ (кривая 2), а также
сплавы на основе композиции Fe-Cr-Co (кривая 3) и металлокерамичес-
кие составы из железа, никеля, кобальта, алюминия имеют сравнительно
высокую остаточную индукцию и небольшую коэрцитивную силу. Оксид-
ные керамические составы из порошков феррита бария и феррита строн-
ция (кривая 4) при небольшой остаточной индукции имеют высокую
коэрцитивную силу. Интерметаллические соединения кобальта с РЗЭ
(кривые 5, б) при сравнительно высокой остаточной индукции имеют
коэрцитивную силу почти на порядок выше, чем литые кобальтовые.
Кривая 7 характеризует новые сплавы на основе системы Мп-А1.
Кроме указанных, для изготовления ПМ иногда используются мартен-
ситные стали, пластически деформируемые сплавы типа кунифе (Cu-Ni-Fe),
Кунико (Cu-Ni-Co), викаллой (Fe-V-Co), а также сплавы на основе благо-
родных металлов: симанал (Ag-Mn-AI), Fe-Pt и Pt-Co.
В табл. 1—6 приведены основные характеристики указанных сплавов,
составов и композиций. Там же приведены данные МТМ, выпускаемых
ведущими зарубежными фирмами.
Таблица 1. Сплавы альни, альнико, тикональ (ГОСТ 17809-72)
Марка сплава Химический состав, (ВН}тах, Тл- кА/м HcB. кА - м Br, Тл
ЮНД4 AI - 13,0-14,0; Ni - 24,0-25,0; 7,2 Си - 3,0—4,0; Ti - 0,2—0,3 40 0,50
ЮНД8 Al - 10,8-11,3; Ni - 28,0-28,4; 10,2 Си - 7,8—8,2 44 0,60
юнтс Al - 13,0-16,0; Ni - 32,0-35,0; 8,0 Ti - 0,4—0,5; Si - 1,0-1,5; 58 0,43
ЮНДК15 Al - 8,5—9,5; Ni - 19,0-20,0; 12,0 Си - 3,0—4,0; Co - 14,0—15,0; Ti - 0,2—0,3 48 0,75
ЮНДК18 Al - 9,0-10; Ni - 18,0-19,0; Си - 3,0-4,0; 19,4 Co - 18,0-19,0 55 0,90
ЮН13ДК24С Al - 7,5—8,0; Ni - 12,0-13,0; Си - 2,0-2,5; 36 Co - 23,5-24,5; Si - 0,15-0,25 36 1,30
ЮН13ДК24 Al - 7,5—8,5; Ni - 12,5-13,5: 36 Си - 2,5—3,8; Co - 23,5-24,5 40 1.25
ЮН14ДК24 Al - 7,5—8,5; Ni - 13,5-14,5; 36 Си - 2,5—3,5; Co - 23,5-24,5 48 1,20
ЮН15ДК24 Al — 7,5—8,5; Ni — 14,5-15,5; 36 52 1.15
Си - 2,5—3,5; Со - 23,5-24,5
10
Таблица 1 (продолжение)
Марка
сплава
Химический состав.
(SH) max- ^сВ- В г- Тл
Тп-кА/м кА -м
ЮН14ДК24Т2 Al - 8,0—9,0; Ni - 14,0-15,0; Си - 3,0-4,0; Со - 23,5—24,5; Ti - 1,5-2,0 30 60 1,10
ЮН13ДК25А Al - 7,5—8,0; Ni - 12,5-13,5; Си - 3,0—3,5; Со - 24,0-26,0 56 44 1,40
ЮН14ДК25А Al - 8,0—8,5; Ni - 13,5-14,5; Си - 3,5-4,0; Со - 24,0-26,0; Ti - 0,2-0,3 56 52 1,35
ЮН13ДК25БА AI - 7,7—8,1; Ni - 12,5-13,0; Си - 3,0-3,5; Со - 24,0-26,0; Nb - 0,5-0,8; Si - 0,3-0,6 56 48 1,40
ЮН14ДК25БА Al - 8,0—8,5; Ni - 13,5-14,0; Си - 3,5—4,0; Со - 24,0-26,0; Ti - 0,2—0,3; Nb - 0,8-1,0 56 58 1,30
ЮН15ДК25БА Al - 8,3—8,7; Ni - 14,5-15,0; Си - 4,0—4,5; Co - 24,0-26,0; Ti - 0,2-0,3; Nb - 1,0-1,4 56 62 1,25
ЮНДК31ТЗБА Al - 8,3—8,7; Ni - 14,5-15,0; Си - 3,0-3,5; Co - 30,5-31,5; Tn - 3,0—3,5; Nb - 0,9-1,5 64 92 1,15
ЮНДК34Т5 Al - 6,8—7,2; Ni - 14,0-14,5; Си - 3,0—4,0; Co - 34,0-35,0; Ti - 5,0—5,5 28 92 0.75
ЮНДК35Т5Б Al - 6,8—7,2; Ni - 14,0-15,0; Си - 3,0—4,0; Co - 34,5—35,5; Ti - 5,0—5,5; Nb - 0.8-1,1 32 92 0,75
ЮНДК35Т5 Al - 6,8—7,2; Ni - 14,0-14,5; Си - 3,3—3,7; Co - 34,5—35,5; Ti - 5,0—5,5 36 110 0,75
ЮНДК35Т5БА Al - 6,8-7,2; Ni - 14,0-14,5; Си - 3,3—3,7; Co - 34,5-35,5; Ti - 4,0—5,0; No - 0,9-1,1 72 110 1 02
ЮНДК35Т5АА Al - 7,0—7,5; Ni - 14,0-14,5; Си - 2,5—3,0; Co - 34,5-35,5; Ti - 5,0—5,5 80 115 1,05
ЮНДК38Т7 Al - 6,9—7,3; Ni - 13,5-14,0; Си - 3,3—3,7; Co - 38,0-40,0; Ti - 6,9—7,2 36 135 0,75
ЮНДК40Т8АА Al - 7,2—7,7; Ni - 14,0-14,5; Си - 3,0—4,0; Co - 39.0-40,0; Ti - 7,0—8,0 36 145 0,70
ЮНДК40Т8 Al - 7,5—8,5; Ni - 13,5-14,5; Си - 3,0—4,0; Co - 40,0-42,0; Ti - 8,0—9,0 64 145 0,90
Примечание. 8 обозначениях марок сплавов означают: Б — ниобий, Д —
медь, К — кобальт, Н — никепь, С — кремний, Т — титан, Ю— алюминий. А — столб-
чатая кристаппическая структура, АА — монокристаллическая структура. В хими-
ческом составе сплава цифры означают процентное содержание элемента, остальное —
Fe.
11
Таблица 2. Магнитотвердые материалы зарубежных фирм
Фирма, страна Марка Химический состав Аналог в СССР
Mitsubishi Steel Mfg. Со, Япония МРВ-280 МРВ-330 МРВ-ЗЗОН Феррит бария с добав- ками 28БА190
Hitachi Metals Ltd, Япония УВМ-1А УВМ-2В Феррит Ва ВаО 6Fe2O3 Феррит Sr SrO nFe2O3 25БА150 28CA250
Robert Bosch GmbH., ФРГ Roboxid 330 380 Анизотропный ВаО • Fe ]2О19 Анизотропный SrO FeJ2Oi9 ЗБА1 28CA250
Philips, Нидерланды Ferroxdure 390 360 Анизотропный феррит Ва Анизотропный феррит Sr 28БА190 27CA220
Allen-Bradley, США М-058 •М8 Феррит Ва Феррит Sr 25БА170 28CA250
Magnetics Development Ltd.. Великобритания Samcomag SmCoj KC37
Hitachi Metals Ltd , Япбния Allevard Ugine, Франция Hicorex 26 (Smi—xPrx)Cos (Sm05Pros)C05 КСП37А КСП37
General Electric, США Gecor Co 63 %; P3M37% KC37A
ВВС, Швейцария Recoma-30 Srrvj (CoX) 17 KC37A
Hitachi Metals, Япония УСМ-9В — ЮНДК35Т5БА
Sumitomo Special, Япония F. Krupp Widia—Fabrik, ФРГ Alnico Alnico 39-40, 5 Co; 13,5-14,5 Ni; 2,5-3 Cu; 7,5-8 Ti; >0,06C; >0.3S: 6,7—7,6 Al; осталь- ное Fe ЮНДК35Т5БА ЮНДК40Т8БА
(ВН}тах, Тл • кА/м Нсв, кА/м HcJ.kA/m Вг, Тл Источник
20-28,8 160-272 — 0,33-0,40 Справочная таблица "Зару- бежные разработки керамиче- ских магнитов", 1975, ЦНИИ Электроника
26-32 135-167 139-171 0,37-0.41 Каталог фирмьГ'Регтапепт Magnet" 1976
27-34 215-271 231-286 0,38-0,42 То же
25,6+1,6 215±12 231 ±16 036±0,01 Справочная таблица "Зару- бежные разработки метни-
30,4 ±1,6 239±12 263±16 039±0,01 тотвердыя ферритов", ЦНИИ Эпектроника, 1979
28 143-159 147-163 039-0,40 То же
27,2-28,8 183-199. 191-207 0,38—039 Справочная таблица "Зару- бежные разработки магни- тотвердых ферритов", ЦНИИ Электроника, 1979
27,2 163 167 0,38 Каталог фирмы "How сап new
28 236 240 0,8 ceramic magnets increase motor output without changing frame size", 1972
120 560 — 0,8 "Electr. Review", 1976, t. 199 № 7, c. 22 - 23
152-216 677-796 — 0,87—1,05 "Магниты из сплавов РЗ ме- таллов с Со", 1978
177,6 661 1099 0,95 Journees sur les aimants permanents. Cycle 5, Paris, 1973
200 796 3184 036 "Alloy Dig." 1972
240 561 — 1,11 Brown Boveri Mittl., 1979, t. 66 № 1
72-88 107-119 — 1-1,1 Каталог фирмы "Permanent Magnet", 1976
84-92 111-127 — 1,1-1,2 Патент ФРГ № 1276072
84,0-91,2 151 034-0,96 "Cobalt", 1975, № 2
Таблица 3. Ферриты (ГОСТ 24063 80)
Марка Химический состав основные компо- ненты ВНтах, Тл - кА/м нсВ- кА/м HcJ, кА/м Остаточная ин- дукция Вг, Тл
6БИ240 ВаО ’6Ре2Оз 6 125 240 0.19
6БА190 ВаО - 6Ре2Оз 16 185 190 0,30
22БА220 ВаО 6Fe2O® 22 215 220 0,36
24БА210 ВаО -6Рв2Оз 24 205 210 0,37
25БА170 ВаО 6Ре2Оз 25 165 170 0,38
28БА190 ВаО 6FejOj 28 185 190 0,39
27СА220 SrO • 6FejOj 27 215 220 0,38
28СА250 SrO -6Fe2Og 28 240 250 0,39
Примечание. В обозначениях марок число в начале указывает произведение
(ВН]тах, а в конце — Н^.
Таблица 4. Сплавы Fe-Co-Cr (ГОСТ 24897-81)
Химический состав, % (остальное Fe) (flH)max, кА/м HcB.
кА/м Br. Tn
Сг Со Легирующие добавки
30-31 22-23 AI - 0,5-1,0; V - 1,0-1,5 14-6 60-64 1,06-1,00
22,5-23,5 14-15 AI -0,8-1,2; Nb- 0,6-1,2; V - 0,6-1 18.5-22,5 40-43 1,31-1,41
23 15 Al — 1; Nb — 1; V -0,8 19—22 41-43 1,30-1,37
26 15 Al - 1,2; Nb - 1;Mo —1,0 18-22 44-50 1,2-1,3
27 15-21 Ti - 1; Mo -2 40 62 1,15
22-24 15 V -5 45 45 1,35
Таблица 5. Материалы с применением РЗЭ (RCo) (ГОСТ 21559-75)
Марка Химический состав, % (остальное Со) (flW)max, ТлкА/м кА/м HcJ. кА/м fir, Тл
Sm Sm, Pr
KC37 36,0-38,5 — 110 540 1300 0,77
KC37A 36,0-38,5 — 130 560 1000 0,82
КСП37 — 36,0-28,5 130 520 800 0,85
КСП37А — 36,0-38,5 145 500 640 0,90
14
Таблица 6. Интерметаллические соединения RCq, полученные жидкофазным
спеканием
Химический состав (SH)max, Тл кА/м Hcg, кА/м fif, Tn
PrCOj 112 420 0,94
SmCoj 141 600 0,85
Ceo,sSm0iSCos 108 300 0,77
MM0,sSm0,sCos 122 540 0,79
Sm0,SPr0,SCo5 150 600 0,89
SmO,SPrO,SCoS 160 700 0,89
S|T|0,SPr0,5Co5 177 660 0,95
Smo,sPro,sCos 184 540 1,00
2. Состояние и перспективы развития производства ПМ
Литые кобальтовые сплавы типа апьнико и тикональ в нашей стране и за рубе-
жом к настоящему времени заметно утратили свое значение. Так, в США и Японии
с начала 70-х годов производство ПМ из этих Ъппавов к настоящему времени замет-
но снизилось. Такая ситуация объясняется ограниченными Объемами производства
кобальта и стремительным ростом его цены на международном рынке. Поэтому
все научные силы в области разработки МТМ обращены на решение проблемы сниже-
ния расхода кобальта на производство ПМ без ущерба для развития соответствую-
щих отраслей промышленности.
В настоящее время разработан ряд сплавов Fe-Сг-Со-композиции с содержанием
кобальта 8—12%, обладающих магнитными свойствами, сравнимыми со сплавом
ЮНДК24. Большим преимуществом этого сплава является пластичность. Он легко
обрабатывается резцом, штампуется, куется. Технологические трудности, связан-
ные с длительными и сложными процессами их термообработки, в ближайшее время
будут преодолены, и можно Ожидать, что МТМ из Fe-Сг-Со-композиций займут
превалирующее место в производстве литых ПМ.
Для создания ПМ повышенной механической прочности и снижения трудоем-
кости их изготовления все чаще применяют металлокерамические ПМ, изготов-
ляемые методом порошковой металлургии. Но'в связи с тем, что они имеют маг-
нитные свойства ниже, чем питые, при одном и том же содержании кобальта, эко-
номически не всегда выгодно расширять их производство.
Особое место занимают в настоящее время и будут занимать в будущем ПМ,
прессованные из оксидных феррит-бариевых и особенно феррит-стронциевых порош-
ков. Достоинствами их являются дешевизна и доступность исходных материалов
(карбоната бария или стронция и окиси железа), а также их физические свойства.
Ферритовые ПМ относятся к группе высококоэрцитивных, поэтому они устойчи-
вы к воздействию сильных размагничивающих попей. В настоящее время найдены
пути получения структурной анизотропии при изготовлении этих ПМ, что значитель-
но улучшило свойства [ 1ВН) тах до 32 Тп* кА/м при коэрцитивной сипе 240 кА/м
и более]. Так, США и Япония в настоящее время изготавливают их не менее80 тыс.
т в год.
Если в США в 1960 г. было произведено ферритовых ПМ на 5 мпн. доли., в 1970 г.
на 70 млн. допл., то в 1985 г. предполагается произвести на 115 млн. допл. Ферри-
товые ПМ из всех составов и сплавов имеют самую низкую стоимость единицы маг-
нитной энергии. К недостаткам их можно отнести относительно высокий отрица-
тельный температурный коэффициент индукции и коэрцитивной сипы, влияющий
на магнинтную стабильность при низкой температуре, и низкую магнитную индук-
цию по сравнению с другими МТМ.
Зарубежные фирмы продолжают научно-технические работы, направленные
на совершенствование и удешевление технологии призводства ПМ больших габарит-
15
ных размеров (до 2 кг) сложной формы, а также с особыми механическими свой-
ствами (метаппопластические и эластичные ПМ).
Большим достижением в последние 15 пет лвипось создание новых сплавов из
интерметаллических соединений кобальта с РЗЭ — RCo.
Эти сплавы имеют коэрцитивную силу по индукции на порядок выше питых ко-
бальтавых с кристаллической анизоптропией (до 8000 кА/м) , а по намагниченности
(до 30 000 кА/м) (ВН) тах = 150 т 160 Тл* кА/м. Японские фирмы уже предлагают
ПМ типа R2Co 17 со свойствами: Вг = 1,06 -="1,15 Тл, Нс = 360^460 кА/м, (ВН)тах=
= 224 т 248 Тп' кА/м. Магниты изготовляются методом порошковой металлургии
с применением как одноосного прессования, так и объемного гидростатического об-
жатия с последующим спеканием и отжигом. Механическая прочность их ниже питых
ПМ, однако этот недостаток легко устраняется специальным армированием. Неболь-
шое увеличение магнитного сопротивления за счет арматуры при большой коэрци-
тивной силе не имеет существенного значения. Специальным легированием добивают-
ся хорошей временной и температурной стабильности при температурах от — 50 до
+250 °C. Причем замечено, что при чизких температурах их свойства улучшаются,-
8 процессе изготовления ПМ в отдельных случаях производят обработку холодом.
Самый низкий температурный коэффициент намагниченности имело соединение
Sn’0,6No0,lDV0,3Co0,S (“г = 0,0148%) при изменении температуры от 20 до 220 °C.
Существенным недостатком ПМ из RCo является их высокая стоимость, связан-
ная с дороговизной исходных материалов и сложностью технологии их изготовле-
ния. Стоимость в расчете на единицу магнитной энергии у них выше, чем у ферри-
тов и анизотропных тиконалевых сплавов.
В настоящее время ведутся интенсивные работы в направлении, с одной сторо-
ны, повышения их энергетического уровня в основном за счет увеличения индук-
ции и, с другой — удешевления исходных материалов и технологических процессов.
Во втором случае Заходят применение способы получения ПМ методом прямого
восстановления из окислов РЗЭ.
Для повышения энергетического уровня используются всевозможные компози-
ции и легирования. Наибольшее распространение получило легирование состава
SmCO; железом, медью, цирконием, марганцем. Применяются также другие РЗЭ,
как празеодим, неодим, диспрозим. 8 настоящее время для изготовления ПМ приме-
няются также состав Sm2(Co Fe)i7-
Начинают выпускаться высококоэрцитивные МТМ из RCo и феррита стронция
с полимерными связками. Предполагается широкое их применение во многих облас-
тях техники, особенно когда будут решены вопросы повышеня стабильности их
мегнитных свойств.
Поиски доступных, недорогостоящих материалов для ПМ обратили внимание
ученых на МТМ на основе композиции марганец— алюминий, открытый 20 пет назад.
Ранее попытки создания ПМ на основе указанного сплава успеха не имели.
Однако в ближайшем будущем следует ожидать, что будут разработаны техно-
логия и высокопроизводительное оборудование для их производства.
3. Применение ПМ в электротехнических изделиях
Широкое внедрение ПМ в системы возбуждения электрических машин, в кон-
струкции электрических аппаратов, в системы магнитного подвеса транспортных
устройств предъявляет к ПМ новые требования. В недалеком прошом при использо-
вании ПМ в маломощных устройствах приборов, средств автоматики, электрони-
ки, микроэлектромашиностроения не предъявлялось особых требований к оптималь-
ному использованию материала ПМ, его свойствам и возможностям, так как габарит-
ные размеры и стоимость ПМ были невелики по сравнению с самими устройствами.
В настоящее время в электрических машинах с ПМ средней мощности масса и стои-
мость ПМ дотигают 30% и более от общей мессы и стоимости. В этих условиях
оптимальное использование ПМ имеет решающее значение, тем более, что для изго-
товления ПМ применяются зачастую дефицитные и дорогостоящие материалы (ко-
бальт, самарий, ниобий, титан, никель и др.). Поэтому разработчики электрических
16
машин стремятся не закладывать большие резервы и запасы в конструкции ПМ,
а это в свою Очередь повышает ответственность изготовителей и поставщиков ПМ
доступными и эффективными методами контроля гарантировать полную работо-
способность ПМ в изделиях.
В зависимости от назначения магнитных полей, создаваемых ПМ, все изделия,
в которых Они используются, можно разделить на следующие основные группы:
изделия, в котрых ПМ предназначены дпя создания собственно магнитных попей
заданных величин и распределений; изделия, в котрых магнитные поля, создавае-
мые ПМ, предназначены дпя создания сил притяжения; изделия, в которых магнит-
ные попя, создаваемые ПМ, предназначены для образования сил отталкивания
изделия, в которых магнитные поля ПМ предназначены для преобразования меха-
нической энергии в электрическую или наоборот; изделия, в которых магнитные
попя ПМ служат для направления, формирования электронных или ионных
лучей.
Какова же основная особенность работы ПМ в электротехнических условиях?
Это прежде всего условия, когда ПМ подвергается не только большим динами-
ческим нагрузкам, но и находится под воздействием размагничивающих внешних
постоянно меняющихся магнитных полей, возникающих от электрических обмоток
в процессе пусков, торможений, реверсов электрической машины, включений.
Отключений аппарата и др.
В электрических машинах ПМ применяются как непосредственно для создания
полного попя возбуждения, так и в комбинации с злектромагнитым возбуждением.
Во втором случае ПМ создает часть постоянного неизменного поля возбуждения
В некоторых машинах ПМ используют только для устойчивого и надежного началь-
ного возбуждения.
Создание эффективных полупроводниковых преобразователей и управляемых
выпрямителей на тиристорах обеспечивает экономичное и качественное регулиро-
вание частоты и напряжения питания электродвигателей, в связи с чем Отпедает
необходимость регулирования поля возбужеденйя. В таких двигателях целесообраз-
но всю систему возбуждения выполнять на ПМ. Не случайно, по данным американс-
ких фирм, в ближайшее десятилетие более 70% злектродвигатепей постоянного
тока будет выпускаться с возбуждением от ПМ. Естественно, для этих целей по-
требуется ПМ с повышенной максимальной удельной магнитной энергией. Тради-
ционные высокие свойства ПМ [Br, Нс, (ВН)таХ] не всегда приводят к лучшим
результатам в системах возбуждения электрических машин.
На рис. 6 представлены кривые размагничивания двух материалов В - f у (Н) и
В = ?2(Н) с одинаковыми значениями (ВН) тах и разной коэрцитивной силой.
Обычно магнитные системы с ПМ конструируются таким образом, что в номиналь-
ном режиме работы изделий материал, из которого изготовлены ПМ, находится
в состоянии максимальной магнитной энергии (точки cf>, р2). В экстремальных ре-
жимах работы изделий на ПМ могут воздействовать размагничивающие поля на-
пряженностью Нр. При этом магнитное состояние материалов характеризуется
точками Ку, Kj. После воздействия размагничивающего поля состояние второго
ПМ будет характеризоваться точкой пресечения прямой возврата К?а с лучем про-
водимости ПМ в магнитной системе d^O Поэтому магнитная энергия второго ПМ
будет использована не полностью (энергия пропорциональна площади четырех-
угольника abcO) . Магнитная энергия первого ПМ после воздействия поля напря-
женностью Нр практически не уменьшается. Но индукция материала первого ПМ
меньше, чем второго. Поэтому дпя обеспечения основных параметров электричес-
кой машины с пониженным магнитным потоком при прочих равных условиях
необходимо увеличение числа активных витков силовой обмотки. Это может быть
реализовано без увеличения габаритных размеров машины, так как высокое значе-
ние Нс материала ПМ позволяет увеличивать магнитное сопротивление цепи, т.е.
создать объем пространства, в котором можно уложить дополнительные витки
обмотки.
Отсюда следует, что машины с ПМ из высококоэрцитивных материалов можно
выполнить в меньших габаритных размерах Кроме того, нельзя механически
иминить ПМ, например, из ЮНДК на ферритовые ПМ равной энергии. Дпя дости-
17
Рис. 6. Кривые размегничивания двух МТМ с
одинаковой максимальной удельной энергией
и разной коэрцитивной силой
жения желаемых результатов необходимо
конструктивная переработка машины с целью
размещения дополнительного количестве вит-
ков.
При возрастающих масштабах применения
ПМ в техника встает чрезвычайно важная зада-
ча эффективного использования упомянутых
выше дефицитных и дорогостоящих материа-
лов, особенно кобальта. Решение этой задачи должно касаться не только разработчи-
ков и изготовителей ПМ, но и разработчиков изделий с ПМ.
Проведенный ведущими предприятиями-изготовителями ПМ анализ испопьэо-
вения наиболее дефицитного металла — кобальта в ПМ из литых кобальтовых спла-
вов типа ЮНДК показывает, что применение сплавов с низким содержанием кобаль-
та приводит к неоправданно высокому его расходованию на единицу энергии ПМ 151.
Глава вторая
ВЫБОР КОНТРОЛИРУЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ ПМ
4. Задачи контроля магнитных свойств ПМ
При выборе контролируемых параметров у ПМ необходимо знать,
какие из них в большей степени характеризуют способность ПМ обес-
печивать нормальное функционирование изделий.' В процессе приемо-
сдаточных испытаний по значениям магнитных потоков и других маг-
нитных параметров должны быть достаточно точно определены значения
косвенно с ними связанных эксплуатационных параметров изделий, в
которых ПМ применяются (ЭДС генератора, тормозной момент гисте-
резисного тормоза, частота вращения ротора двигателя и т.д.). Работо-
способность изделий с ПМ характеризует ряд технических параметров,
однако наиболее важными являются один или два. Поэтому заключение
о техническом состоянии ПМ, т.е. о его способности обеспечивать задан-
ные значения важнейших эксплуатационных параметров, может произво-
диться на основе измерения одного или нескольких контрольных пара-
метров (например, — поток в зоне максимальной магнитной энергии
материала; Нс — условная коэрцитивная сила и т.д.).
Можно выделить два подхода к установлению связи между эксплуата-
ционными параметрами изделий и контрольными параметрами ПМ. Пер-
вый — предполагает равномерное распределение намагниченности по
всему объему ПМ, а значение эксплуатационного параметра связывается
функциональной зависимостью со значением одного или нескольких
измеряемых параметров [6,7 ]. Второй — основан на установлении корре-
ляционных связей между значениями выбранных контрольных и эксплу-
атационных параметров [8].
В том случае, когда ПМ изготавливаются из анизотропных материалов,
имеют сложную форму и испытывают в изделии воздействия неоднород-
ных полей, наиболее достоверным будет второй подход.
18
Рис. 7. Статистическая модель процесса контро-
ля вида "1/1"
Рассмотрим процесс контроля, при ко-
тором у изделия с ПМ выделен один
основной эксплуатационный параметр, а
методика контроля основана на суждении
о пригодности ПМ по значению одного
контролируемого параметра. В дальнейшем будем обозначать такой вид
контроля "один по одному" ("1/1") [9].
В соответствии со статистической моделью, изображенной на рис. 7,
исходная совокупность ПМ характеризуется долей ПМ, способных обеспе-
чить нормальную работу изделий NP. и долей негодных NQ = N (1 — Р),
где Р и Q — априорные вероятности состояний "годен", "брак".
Любой метод контроля не может точно воспроизвести реальный
процесс эксплуатации, поэтому неизбежно некоторая доля ПМ NPn,
пригодных к применению, будет ложно забракована, а доля ПМ NPH,
непригодных к применению, аттестована как "годные".
Несовершенство контрольно-измерительной аппаратуры приводит к
тому, что доля годныхПМ NPn ошибочно аттестуется как "брак", a NP’H —
как "годные".
В результате из NP будут признаны годными N(P — Рп + Рм — рп + рн)
ПМ, а из NQ — негодными N(Q — Рн + Рл — Р„ + Рл).
Двуальтернативный контроль ПМ сводится к принятию одного из двух
возможных решений, причем всегда есть вероятность принятия ошибоч-
ного. При известных Р, Q и условных вероятностях пропуска брака а и
ложного бракования Р можно найти апостериорные вероятности принятия
ошибочных решений Рн + Р„ = QP, Рп+ Р'п= Ра.
Введение в магнитные измерения понятия средних потерь позволяет
единообразно, на основе системного подхода, решать задачи контроля
магнитных свойств, что дает возможность учитывать взаимосвязанную
совокупность свойств ПМ, методики контроля, аппаратуры, средней стои-
мости контроля и последствий от ошибок в классификации техничес-
кого состояния ПМ. В этом случае средние суммарные затраты при
контроле вида "1/1"
F (1/D =$(РН+Рн) + С(РЛ+РЛ) + т,
(13)
где S — затраты на устранение последствий от пропуска брака; С — стои-
мость ПМ; т — средние затраты на контроль одного ПМ.
Нетрудно заметить, что функция F (1/1) может быть определена как
сумма двух функций: Fм — обусловленной несовершенством методики,
и Fa — зависящей от точности аппаратуры и некоторых других причин.
Если в процессе контроля о каждом из л независимых эксплуата-
ционных параметров судят по значению соответствующего контроль-
ного параметра, статистическая модель будет представлять параллель-
ное соединение моделей вида "1/1", а средние затраты равны сумме
F (1/1) затрат, определяемых для каждого из л параметров по урав-
нению (13).
19
Иногда о нескольких эксплуатационных параметрах судят по значению
одного контрольного (вариант "л/1") - Уравнения для расчета затрат при
таком контроле представлены ниже. Следует отметить, что затраты на
устранение последствий от пропуска непригодных по какому-то /-му
параметру ПМ S, для каждого из п могут быть различны.
Технике экономические модели контроля ПМ
Вид контроля
1/1
п/п
Средние затраты
F (1/1) = S (Рн + />„) + С(/>п + Р^} + т
п
F (л/л) = У F, (1/1)
/ = 1
п
nil F (л/1) = 2 S, (Рн/ + Р-Н1 ) +
/ = 1
п
+ С X (Рл + Рл/ ) + т
I = 1
л Г л |
1/л F(1/n) = SQ Пл, ГС/’ll- II(1-ft)l +
I = 1 L < = 1 J
п
+ Z /л,-
1 = 1
т п
mln Fimin} = X S, О, Il (I.-.- +
/= 1 / = 1
m г л 1 л
+ С X 11 - II (1 -ft,)| + X т,
> = 1L / = 1 1 / = 1
На предприятиях-изготовителях и потребителях ПМ довольно широко
применяются методики контроля по двум или трем параметрам. При
использовании этих методик ПМ контролируются последовательно по
каждому из параметров. Статистическая модель такого вида контроля,
назовем его "один по п" ("1/п"), изображена на рис. 8. Средние затраты:
л л л
F(}/n) = SQ II «,+СР[1- П (1 - ft)] + S m, , (14)
/ = 1 / = 1 / = 1
где а,, .... ап — условные вероятности пропуска брака; /3.ft — услов-
ные вероятности ложного бракования при последовательном контроле по
п параметрам.
Из уравнения (14) можно сделать важный для практики вывод; при
независимых между собой аь ..., ап и ft, .... ft порядок измерения пара-
метров не влияет на результаты контроля.
В литературе достаточно широко освещен вопрос количественной
оценки аппаратурных составляющих параметров контроля Р'п, Р„. Однако
он совершенно не рассматривался в комплексе с учетом несовершенства
20
Рис. 8. Статистическая модель процесса контроля вида "1/п"
методики контроля. Выдвинутое выше положение о том, что потребителей
интересуют не значения магнитных параметров ПМ, а значения основных
эксплуатационных параметров изделий, позволяет решить задачу коли-
чественной оценки методических составляющих Рп, Рн с позиций косвен-
ных измерений.
Для системы двух нормально распределенных случайных величин х, у
с математическими ожиданиями тх, ту и среднеквадратическими откло-
нениями ох, Оу оценка значения эксплуатационного параметра х по значе-
нию контрольного параметра у и погрешность оценки рассчитываются по
результату измерения контрольного параметра z с помощью уравнений
гху Ох Оу
'Oxly - оох + — ——— (у — /Пу — юг/у};
иу + иг! у
_ n zly + Dy(1 - 'ху )
,У ~ Dx D~Td^
(15)
(16)
где DZjy, mziv — дисперсия и математическое ожидание аппаратурной
составляющей погрешности измерений; г ху — коэффициент корреляции.
Рассмотрим имеющие весьма важное значение для практики вопросы о
степени влияния на результирующую погрешность параметров х, гху и
погрешностей средств измерения.
На рис. 9 графически изображена зависимость
f <rху< у! Оу) ~
1 + Dzjyl Dy
DziylDy{\-rlv^y
(17)
21
Рис. 9. Зависимость функции НгХу>'
Oz/ylOy) от отношения Oz/ylOy
Уравнение (17) получено путем
несложных преобразований из от-
ношения среднеквадратической по-
грешности измерения х при az/v -
= 0 к погрешности при аг /у > 0.
В результате исследования корреляционных связей между основ-
ными эксплуатационными параметрами электрических машин с ПМ и
контрольными параметрами ПМ было установлено, что г ху = 0,42 -г 0,9
[8].
Из графиков на рис. 9 видно, что при г < 0,9 и azivloy < 0,25 значе-
ния f(rxy; oxiylOy), f (г ху', 0) Отличаются не более чем на 10%. Это
означает, что для снижения потерь в процессе контроля необходимо
прежде всего совершенствовать методику контроля, т.е. особое внимание
уделять правильному выбору контрольного параметра у.
При освоении производства каждого конкретного типа ПМ в тех-
нической документации необходимо указывать допустимые значения
контрольных параметров. Измерение значений этих параметров может
производиться с помощью аппаратуры, имеющей различные метрологи-
ческие характеристики. Поэтому определенный практический интерес
представляет оценка результатов измерения параметра х по значениям у
при условиях применения идеальных средств измерения, т.е. при равен-
стве нулю систематической и случайной погрешностей измерения контро-
лируемых параметров (Dz/y = 0; mz/y ~ 0). В этом случае
pel
°х/ у ~ ох 1 — Гху
(19)
Рассмотрим вопрос о выборе допустимых значений контролируе-
мых параметров. Для методики контроля вида "1/1" допустимые значе-
ния контрольного параметра могут быть найдены по допустимым значе-
ниям эксплуатационного параметра xmin>xmax и при среднеквадратичес-
ком отклонении погрешности оценки.
Из условия минимизации методической составляющей функции затрат
FM = SP" + СРП находятся значения технологического запаса ен, ев.
Значения Рн, Рп определяются с помощью уравнений и графиков (см. §5).
По уравнению линейного приближения х по у определяют верхнее ув и
нижнее ун допустимые значения контрольного параметра
(20)
ГХу ^х
*тех ~ Ев = тх “ (Ув ~ту)
(21)
22
Предложенный алгоритм выбора допустимых значений контрольных
параметров применим также для минимизации методических потерь
при контроле ПМ по методикам вида "л/1", "п!п". Рассмотрим систему
трех нормально распределенных случайных величин х, ylt у2, связанных
мфжду собой линейной корреляционной зависимостью с коэффициента-
ми корреляции г ху1; г ху2; г yiy2. Математические ожидания этих слу-
чайных величин тх; тх2; тх2; их дисперсии Dx; Dyl; Dy2, т.е. рассмат-
ривается методика контроля вида "1/л" при л = 2. Предположим, что нас
интересует минимально допустимое значение эксплуатационного парамет-
ра хн. В этом случае значения х при известных значениях У1,у2 и диспер-
сия погрешности оценки v равны
_ °xOyl (гху1 ryly2 Dy2 — rxyl Dyl — fTlyl )
x - mx —---------------------2------------------ _
Dpi Dy2 (1 — r yjy2)
°х&у2 (rxy 1 ryl у 2 Dyi — rxy2 Dy2)(y2 — my2)
— ------------------------2---------------; (22)
Dy 1 Dy 2 ( 1 ~ r у 1 у 2 )
Divlyi ,y2) =DX (23)
1 — г yl/2
Исходя из сформированного выше условия минимизации потерь или из
каких-либо других соображений, например, равенства значения вероят-
ности пропуска брака Рн + Р'н = 0,005, определяем значение допуска
е, с учетом которого минимальное допустимое значение эксплуатацион-
ного параметра хн = хт,п + е. Подставляя значения хн в уравнение (22)
и вводя коэффициенты а, Ь, получим:
0=хн — тх —amyi —Ьту2 +ау1^+Ьу2„, (24)
где
а = ОхОу i^Xy2ryly2Dy2 — fxyiDyi)IDyiDy2{^ — ryiy2^f (25)
Ь= охОу2 (гхУ1Гу 1 у2 Dy I —rxy2Dy2]IDy ] ГухуъУ- (26)
На рис. 10 изображена область определения функции двумерной плот-
ности р\У1', у2', Гу1у2). Прямая, уравнение которой С = аУт+Ьу2„,
делит область определения функций р (у,; у2; гу1у2) на две части S( и
S2. Если значения магнитных параметров таковы, что магнитное состояние
ПМ характеризуется положением точки в области то ПМ признается
негодным, и наоборот.
Вероятности принятия ложных решений о состоянии ПМ рассчитыва-
ются так же, как и при использовании методики вида "1/1". Последнее
противоречит той статистической модели вида "1/л", которая рассмот-
рена выше. Это обусловлено тем, что в настоящее время в технической
документации оговаривается минимально допустимое значение каждого
из контрольных параметров (обозначим их и н, у2н). У ПМ измеряется
один из параметров, затем у признанных годными измеряется значение
второго. В результате признаются непригодными не только те ПМ, которые
действительно не способны обеспечивать работоспособность изделий, но и
те, свойства которых характеризуются положением точки в областях S3,
S4. Поэтому доля необоснованно забракованных ПМ возрастает на значе-
23
Рис. 10 Область определения функции p(/i,
Vi', r у1 у!>
НИе
Pn=J Р(УМ- У 2'. rviV2}dS. (27)
S3+S4
Таким образом, для исключения необоснованного бракования, вызван-
ного проанализированными выше причинами, необходимо при контроле
по методикам вида "Мп" принимать заключение о пригодности ПМ после
измерения значения всех контрольных параметров.
Повышение точности зачастую влечет повышение стоимости измерений.
Поэтому имеет смысл повышать точность измерительной аппаратуры,
применяемой в процессе контроля, до тех пор, пока суммарные потери,
обусловленные несовершенством аппаратуры и стоимостью измерений,
уменьшаются.
5. Методика оптимизации контроля магнитных свойств ПМ
На основе полученных выше результатов теоретических исследований
разработана методика оптимизации контроля магнитных свойств ПМ.
Методика распространяется на выпускаемые по промышленной техноло-
гии ПМ, значения магнитных параметров которых распределены по гаус-
совскому закону и связаны линейной корреляционной зависимостью
сс значениями основных эксплуатационных параметров изделий, где
применяются ПМ. Методика определяет выбор контролируемых магнит-
ных параметров и их допустимых значений.
Критерием совершенства процесса приемо-сдаточных испытаний ПМ
являются средние затраты F, являющиеся суммой затрат, обусловленных
неверным выбором контролируемых параметров FM, несовершенством
аппаратуры F& и уровнем средней стоимости контроля одного ПМ:
F=FM+Fa+m. (28)
При организации приемо-сдаточных испытаний, т.е. окончательного
контроля магнитных свойств ПМ, необходимо определить важнейшие
эксплуатационные характеристики изделия хт (т = 1, 2 .), в котором
применяются ПМ рассматриваемого типа.
Исходя из физических принципов, положенных в основу работы изде-
лия, выделяются магнитные параметры ПМ ун(л = 1, 2 . . .), оказываю-
щие определяющее влияние на работоспособность изделия в экстремаль-
ных режимах эксплуатации.
На партии ПМ, объем которой соответствует требованям ГОСТ 11.004-74
и 11.006 74, определяются:
вид случайного закона, по которому распределены значения эксплуа-
тационных хт и магнитных уп параметров;
оценки математических ожиданий тх, ту и среднеквадратических
отклонений ох Оу эксплуатационных и магнитных параметров;
24
значения коэффициентов линейной корреляции между параметрами гху.
Для уменьшения систематической составляющей погрешности для
каждого из комплектов ПМ значения эксплуатационных параметров
измеряются с помощью одного изделия.
Методические потери складываются из потерь, вызванных необосно-
ванным бракованием, и потерь, вызванных пропуском негодных ПМ.
Первые количественно определяются произведением вероятности лож-
ного бракования Рп и стоимостью ПМ С Вторые — произведением веро-
ятности пропуска брака Рн и средней стоимости последствий от пропуска
брака S. Таким образом,
FM=P„C>+PHS. (29)
Для каждого из выделенных эксплуатационных параметров хт необ-
ходимо поставить в соответствие контролируемые параметры уп. по
значению которых судят о пригодности ПМ
По найденным значениям величин стх, ау, гху определяется средне-
квадратическое отклонение погрешности оценки значения х по значениям у.
Для случая т= 1, п = 1
°х!у = °х \/ 1 — г ху- (30)
Для случая т =1, п =2
„ , =п /2''ху]'’хуггУ|V2-r2yiy2-r2xyi -rxy2+1
ux/yiy2 их /------------------2---------------:---- • (31)
V 1-Гу1у2
На рис. 11 изображены графики зависимостей основных параметров
контроля. С их помощью можно определить значения вероятности лож-
ного бракования Р„ и вероятности пропуска в сферу применения негод-
ных ПМ Рн по значениям: d = ув — ун — ширине поля пропуска, равной
разности между верхним и нижним значениями контролируемого пара-
метра; dlox — отношению ширины поля допуска к среднеквадратическо-
му отклонению значений эксплуатационного параметра; dloxiy— отноше-
нию ширины поля допуска к среднеквадратическому отклонению погреш-
ности оценки значений эксплуатационного параметра х по значению конт-
рольного параметра у; е — технологическому допуску, равному отно-
шению технологического допуска значения основного эксплуатационного
параметра к значению ах/у.
По заданным допустимым значениям эксплуатационных параметров с
помощью графиков рис. 11 определяются значения технологического
запаса, с учетом которого потери FM для кождой из рассматриваемых
методик минимальны. Подставлением допустимых значений хе в урав-
нения (20), (22) находятся допустимые значения у для л = 1 и область
допустимых значений yt и у2 для п =2.
у =л?и +
°У
(32)
ь
И1 + — у 2
a
~ ™х
(33)
Произведя расчеты по приведенным выше уравнениям, каждому из
рассмотренных процессов испытаний определяют соответствующие до-
25
пустимые потери. Для конкретного типа ПМ выбирается такая методика,
применение которой обеспечивает наименьшие средние потери.
8 качестве примера, иллюстрирующего применение методики, рассмотрим выбор
контролируемых параметров и их допустимых значений у ПМ, изготавливаемых
из анизотропных ферритовых материалов, имеющих форму цилиндрического сегмен-
те и применяющихся для возбуждения двигателей постоянного тока. Особенностью
работы этих двигателей являются воздействие на ПМ размагничивающих магнитных
полей, обусловленных реакцией якоря. Поэтому основным требованием, предъяв-
ляемым к ПМ, является способность их восстанавливать магнитный поток после
максимально допустимых перегрузок двигателя.
Одним из основных эксплуатационных параметров двигателя является частота
вращения п ротора в номинальном режиме после максимально допустимых перегру-
зок. Суждение о пригодности ПМ может основыветься на результатах измерения
значений магнитных потоков: Ф1 — в замкнутой магнитной системе; Фз — в той же
системе после стабилизации ПМ в свободном состоянии,- Фр — в имитирующей сис-
теме после воздействия резмагничивающего поля, эквивалентного по напряженности
полям, возникающим в наиболее тяжелых режимах работы двигателя.
Пусть случайные величины п, Фь Ф2, Ф распределены по гауссовскому закону с
математическими ожиданиями тл=998 об/мин; тф1“1,23 мВб; = 1,21 мВб;
тф “ 1,15 мВб; и среднеквадратическими отклонениями оп = 50 об/мин; Оф =
“ (fo55 мВб; 0ф2 «= 0,054 мВб; 0ф^ “ 0,050 мВб.
Значения параметра п связаны со значениями Ф|, Ф2, Фр линейной корреляци-
онной зависимостью с коэффициентами г„ф1, гпф2, гпфр. В табл. 7 приведены ре-
зультаты обработки данных.
В строках 1 и 2 приведены значения математических ожиданий и среднеквадра-
тических отклонений результатов измерений контрольных валичин. В строке 3
приведены с доверительной вероятностью 0,95 значения погрешностей измерений
26
Таблица 7. Результаты обработки экспериментальных данных
№ п/п. Параметр Ф2 ФР
1 тг, мВб 1,23 1,21 1,15
2 Oz, мВб 0,055 0,054 0,050
3 6. % 4 4 4
4 Oz!y, мВб 0,024 0,024 0,019
5 Оу, мВб 0,050 0,048 0,048
6 Оху/Оу 0,48 0,5 0,39
7 rxz -0,25 -0,62 -0,84
8 гху -0,2В -0,68 -0,90
9 f^xy; Ozivi(jv) 1 0,95 0,71
соответствующих магнитных параметров. В строке 4 приведены значения средне-
квадратичаского отклонения, характеризующего случайную составляющую погреш»
ности измерения
Oz!y = Sz/2 100 . (34)
В строке 5 — значения среднеквадратичаского отклонения измеряемого пара-
метра
---------------1--'
оу =y/oz-ozly. (35)
В строке 7 — значения коэффициента корреляции rxz между значениями выделенно-
го эксплуатационного параметра и результатами измерений магнитных параметров.
В строке 8 — значения коэффициенте корреляции гху между значениями эксплуа-
тационного и измеряемых параметров
rXy = rxz(\^O2zlyIO2y)112. (36)
В строке 9 — полученные с помощью графических зависимостей (см. рис. 9) значе-
ния функции ffrxy; Oz/ylOy}.
Как видно из строки 8, значение магнитного потока Фр гораздо теснее связано
со значением частоты вращения п, чем Ф]. Ф2.
Определим среднеквадратичаское отклонение Ох/у. характеризующее случай-
ную составляющую погрешности измерения частоты вращения по измеренному
значению потока Фр.
Так как f(rxy; Oziy/Oy) = 0,71 <0,9, приходится учитывать влияние инструмен-
тальной составляющей погрешности
Ох/у = Oxy/t -r2xy'lf(rxy-. Ox/ylOy) = <0,71) "1 • 50т/’-0,92‘ = 30,7 об/мин.
Рассчитаем значения вспомогательных параметров, учитывая, что максимально
допустимое значение п = 1100 об/мин;
dlOx = 204/50 = 4.08; dlax/v = 204/30,7 = 6,64.
С помощью графиков на рис. 11 вычислим по уравнению (15) срадние затраты,
обусловленные несовершенством процесса испытаний.
Для е = 0 при условиях, введенных в § 4,
^м + ^а = -у1$(^н+/,н> +£(₽„+₽„)] = 1/2 (60 -0,022 + 6-0,045) — 0,80 руб.
Для Рн + Р'н = 0,005
+ F8 = 1 /2 (60 0,005 + 6 • 0,17) = 0,66 руб.
27
При наиболее благоприятном значении допуска (при 6 = Оху 0,75)
= 1/2(60 0,008 + 6-0.13) ®=О,63 руб.
Определим допустимое минимальное значение параметра Фрт/n при условиях:
допустимое максимальное значение частоты вращения ротора птах = 1100 об/мин;
е = 0,75; Ох!у = 0,75 30,7 = 23 об/мин:
глфр°фр
Фрт/n = тфр-----~ \-тп ~ (птах — О) ~
—0,9-0,050
= 1,15-
50
(998- (1100-23)1 — 1,08 мВб.
6. Корреляционные связи между параметрами ПМ
и параметрами электротехнических изделий
Системный подход, рассмотренный в предыдущих параграфах, был применен при
разработка методик контроля ПМ. используемых в электрических машинах малой
мощности, муфтах и тормозах, а также для контроля феррит-стронциевых ПМ,
применяющихся в системах возбуждения моментных исполнительных двигателей
постоянного тока.
Таблица В
Номер партии Сплав Вид ПМ Число по- люсов Количест- во ПМ Вид электромехани- ческого изделия
1 ЮНДК24 С 2 63 Коллекторная ма-
шина
2 ЮНДК24 с 4 42 То же
3 ЮНДК24 с 4 58 То же
4 ЮНДК35Т5АА р 4 25 Магнитная муфта
5 ЮНДК35Т5 р 2 25 Бесщеточный двигатель
Примечание, с—статорный; р — роторный; rxv — коэффициент корреля-
ции между значениями основного эксплуатационного параметра х и контролируе-
мого у (где у = Ф|; Ф2; Ф<у; Нс); ^xyty2 — коэффициент множественной корре-
ляции между значениями х и контролируемых yt, у2, где /1/2 = Ф1мс: Фс/Нс;
Ф1Фсу; х — эксплуатационный параметр электрической машины; лн, пх, пх — часто-
8 [8] приведено исследование корреляции между контрольными параметрами
ПМ и рабочими параметрами электрической машины и дана оценка достоверности
способа приемо-сдаточного контроля магнитных параметров, введенного в ГОСТ
24936-81 на литыа ПМ для электрических машин малой мощности и магнитных
муфт. Контроль по указанным способам проводится по магнитному потоку Ф</ и
условной коэрцитивной силе Нс . Для измерения Ф^ магнит намагничивается в маг-
нитной системе с зазором в соответствии с его полярностью, а для измерения Нс
он намагничивается в двухполюсном электромагните вдоль любой пары его проти-
воположных полюсов.
Указанный способ рассмотрен в сравнении со способом контроля тех же ПМ по
трем параметрам, один из которых Нс, а два других — потоки: Ф1 и Ф2. Первый
28
Ф| измеряется в контрольной магнитной системе без зазора непосредственно после
его намагничивания до технически насыщенного состояния, второй Ф2 — после
стабилизации ПМ на "воздухе". Немагнитный зазор контрольной магнитной системы
у полюсов определяется по формуле S = 4тг 10-4/M/2(H£//fi^), где и — напря-
женность и индукция магнитного поля, соответствующие максимальной магнитной
энергии; 5 — зазор, мм; 1М — средняя длина линии магнитной индукции в ПМ, мм.
На партиях ПМ из сплавов ЮНДК35Т5, ЮН13ДК24, ЮНДК35Т5АА объемом 25—60 шт.
измерялись параметры: Фь Ф2, Ф</. Н^_ а также рабочие параметры электрических
машин и магнитных муфт с этими ПМ. Для постоянства систематической погреш-
ности результатов однотипные ПМ испытывались в одной контрольной системе и в
одном конструктивном узле изделия при одинаковых размагничивающих воздейст-
виях Полученные результаты проверялись на нормальность распределения контро-
лируемых параметров; определялись коэффициенты линейных корреляций г конт-
рольного параметра ПМ с рабочим параметром машины и множественных корреля-
ций Я двух контрольных параметров с тем же параметром
Результаты расчетов представлены в табл. 8, из которой видно, что эксплуата-
ционные параметры машин связаны наиболее тесной линейной связью с потоком
Ф{/. Расчет критериев линейности и квадратичное™ подтвердил, что зти связи имеют
преимущественно линейный херактер. Вычисление коэффициентов г выявило опти-
мальную пару контрол^ых параметров Ф<у и Нс. В большинстве случаев при этом
получено п = 1, т.е. достаточен контроль ПМ по одному параметру. Это обусловлено
X rxy Я*И1И2
Ф</ Ф| Ф2 Н'с фХ Ф|"с Ф|Ф</
"н -0.81 > -0,60 -0,53 — 0,81 0,63 0,81
-0.70 -0.45 — -0,42 0,75 0.60 0,70
пх -0,50 — — -0,39' 0,55 0,48 0,51
— — — -0,42 — — —
— — — -0,49 0.49 0,49 —
Mi 0,88 0,88 — — 0,89 0,88 0,92
М2 0,88 0,87 — — 0.88 0,87 0,91
fl 0,90 0,90 0,76 — 0,90 0.91 0,92
f2 0,81 0,74 0,64 — 0,82 0,74 0,81
та вращения двигателя при номинальной нагрузке, на холостом ходу после сборки и
после стабилизации соответственно, об/мин; М।, М2 — моменты сцепления ПМ в
паре со статорным ПМ после сборки и стабилизации; Et, Е2 — ЭДС, наведенные в
обмотке двигателя в генераторном режиме, при скорости вращения, соответствую-
щей холостому ходу (fi) и номинальной нагрузке (f2).
тесной связью между Ф^ и Нс на сплавах ЮНДК35Т5 и ЮНДК35Т5АА в условиях
налаженного производства.
Связь эксплуатационных и контрольных параметров существенно зависит от
интервала значений последних. Так, превышение некоторых предельных значений
контрольных параметров ослабляет указанную связь, свидетельствуя о недоис-
пользовании ПМ в конкретной конструкции изделия. Поэтому наиболее рациональ-
ным следует признать установление в технических условиях на ПМ интервала до-
пустимых значений приемо-сдаточных параметров и Нс.
Г лава третья
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ПМ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ
7. Основные положения
Магнитные свойства ПМ характеризуются в основном кривой размагни-
чивания В = f(H) и прямыми возврата от этой кривой. Ее определение
с достаточной точностью может быть обеспечено только на образцах
простой формы. На ПМ сложной формы снять кривую размагничива-
ния практически не представляется возможным. Поэтому все многообра-
зие методов и средств контроля магнитных свойств ПМ сложной формы
направлено на то, чтобы косвенно, облегченными и производительны-
ми приемами определить условные параметры магнитного материала или
измерить напряженность магнитного поля в зазоре, магнитной системы,
имитирующей реальную, и по ним судить о пригодности ПМ для ис-
пользования в конкретном изделии.
До последнего времени методики испытания ПМ сложной конфигу-
рации разрабатывались в отрыве от конкретных условий эксплуатации.
Наиболее приемлемой оказалась методика контроля магнитных
свойств ПМ, предназначенных для электротехнических изделий малой
мощности, по двум потокам и условной коэрцитивной силе. Поток Ф,
соответствует остаточной индукции Вг поток Ф2 находится при повтор-
ном замыкании магнитной цепи намагниченного до технически насыщен-
ного состояния ПМ, подвергнутого стабилизации на воздухе. Условная
коэрцитивная сила Н'с определяется для каждой конфигурации ПМ
соответствующим методом.
Внедрение ПМ с высокой энергией, имеющих большую выпуклость
кривой размагничивания, поставило задачу разработки новых методов
контроля ПМ сложной формы для электромеханических изделий.
Широкое распространение получил способ контроля ПМ, основанный
на измерении потока Ф^ в зоне максимальной магнитной энергии и услов-
ной коэрцитивной силы Нс. Значения Фа и однозначно определяют
положение самого ответственного участка на кривой размагничивания
между зоной максимальной энергии и коэрцитивной силой [10]. Этот
способ приближает условия контроля к условиям эксплуатации изделия,
так как обычно оно проектируется с целью оптимального использования
энергии ПМ.
Дальнейшее расширение области применения высококоэрцитивных
ПМ в системах возбуждения электрических машин средней мощности, где
в процессе эксплуатации ПМ подвергается воздействию сильных размаг-
ничивающих полей (пуски, торможения, реверсы), приводит к тому, что
метод контроля ПМ по потоку в зоне максимальной энергии зачастую дает
ошибочные результаты. В данном случае чрезвычайно важными факто-
рами являются прямолинейность кривой размагничивания и совпадение с
ней прямой возврата после воздействия размагничивающего поля.
В настоящее время успешно применяется способ технического контро-
ля магнитных свойств ПМ, основанный на двукратном воздействии на
ПМ размагничивающего поля, эквивалентного размагничивающему дей-
ствию поля в изделиях при максимально допустимых нагрузках. Внед-
рение этого метода показало его высокую эффективность при контроле
магнитных свойств ПМ из анизотропных оксидных ПМ.
30
Ведущие зарубежные фирмы США, Японии, ФРГ применяют аналогич-
ные методы контроля и испытаний ПМ. Особое внимание обращается на
достаточно точную имитацию условия эксплуатации ПМ в изделии. При
этом, кроме сопротивления магнитной цепи, учитываются и внешние
факторы: температура, наличие внешних магнитных полей, остаточный
магнетизм в испытательных конструкциях и др.
Из далеко не полного обзора видно, что все методы включают контроль
нескольких параметров ПМ в зависимости от вида конечного изделия и
условий его эксплуатации. Опыт эксплуатации большинства электротех-
нических изделий показывает, что на их выходные параметры оказывают
превалирующее влияние один- или два параметра ПМ. Поэтому регламен-
тация свойств ПМ по большому числу параметров неминуемо ведет к
необоснованному бракованию фактически годных изделий.
8. Контроль с помощью дополнения ПМ
сложной формы до простой
На практике часто применяется простой способ контроля ПМ сложной
формы, искусственно дополненных с помощью вставок из магнитотвердо-
го материала с известными магнитными свойствами до правильной формы
(прямоугольной или цилиндрической) [ 11 ]. Сравнивая кривые размаг-
ничивания полученного образца и вставок полюсных наконечников, судят
Q годности контролируемого ПМ.
Способ контроля заключается в том, что контролируемый ПМ сложной
формы перед измерениями предварительно помещается во вспомогатель-
ные полюсные наконечники, дополняющие его конфигурацию до правиль-
ной формы. Полюсные наконечники вырезаются из образца МТМ с номи-
нальными магнитными свойствами.
При размещении проверяемого ПМ между полюсными наконечниками
система "полюсные наконечники — проверяемый ПМ" имеет форму образ-
ца, измерение магнитных характеристик которого не вызывает затрудне-
ний и может быть осуществлено любым-способом с помощью обычной
стандартной аппаратуры. Если проверяемый ПМ обладает магнитными
свойствами худшими, чем свойства материала полюсных наконечников,
характеристика системы "полюсные наконечники — проверяемый ПМ"
также будет худшей. Имея статистические данные о работоспособности
ПМ в изделии с предельно допустимым нижним пределом характеристик,
судят о годности ПМ.
Рассмотренный способ имеет ряд преимуществ по сравнению с вы-
борочным разрушающим методом, когда из партии ПМ определенное
количество подвергается переделки до правильной формы с целью более
точного определения характеристик.
Однако описываемый способ не может претендовать на достаточную
точность в связи с неизбежным наличием зазоров между контролируе-
мым ПМ и полюсными наконечниками. Кроме того, неизвестно, какие
точки кривой размагничивания контролировать, так как снятие полностью
всех кривых размагничивания при серийном производстве довольно тру-
доемко, и по конфигурации кривых однозначно судить о качестве ПМ
невозможно.
9. Способ многопараметрового контроля
Способ многопараметрового контроля позволяет контролировать
любые заданные участки (точки) кривой размагничивания ПМ, дополнен-
ного до правильной формы.
Сущность способа поясняется рис. 12.
Рис. 12. Низкочастотная (/). высокочастотная (2 — 5)
петли перемагничивания
Испытуемый ПМ помещается в переменное магнитное поле низкой часто-
ты с напряженностью постоянной амплитуды, обеспечивающей изменение
магнитного состояния ПМ по динамической петле перемагничивания 1.
В строго определенные моменты времени, например когда магнитное со-
стояние ПМ в низкочастотном поле достигает насыщения или его пара-
метры близки к значению коэрцитивной силы Нс, остаточной индукции Вг
или максимума энергии Н^В^, на ПМ кратковременно подается высоко-
частотное поле с напряженностью определенной амплитуды. При этом
магнитное состояние ПМ будет изменяться по частным динамическим
циклам (2—5).
Если амплитуда напряженности высокочастотного поля постоянна,
ЭДС измерительной обмотки, помещенной на ПМ, пропорциональна значе-
ниям Дгди*.
По выбранным значениям ДГДИф можно характеризовать параметры
петли гистерезиса, коэрцитивную силу Нс, остаточную индукцию Вг,
а также индукцию в зоне максимальной энергии. Применяя соответству-
ющее переключающее устройство, указанные значения ЭДС можно
измерять раздельными селективными приборами и, сравнивая их значе-
ния с ЭДС эталонного образца (вручную или автоматически), опреде-
лять пригодность испытуемого ПМ. Выбор амплитуд и частот низко-
частотного и высокочастотного магнитных полей, а также моменты
включения высокочастотного поля определяются конкретными объек-
тами контроля. Например, при контроле ПМ, служащего для возбуждения
электрической машины малой мощности, достаточно одного (Bd) или
двух (firf и Нс) параметров.
Способ может быть успешно реализован с применением автоматических
устройств и эффективно применим для контроля ПМ, не подвергавшихся
воздействиям размагничивающих полей в изделиях.
10. Контроль методом разностных измерений
При необходимости контролирования ПМ малых размеров не менее
чем по трем основным параметрам Br , Hr, (ВН) тах применяется раз-
ностный (дифференциальный) метод измерения [12]. Метод обеспе-
32
Рис. 13. Сравнение петель перемагничивания образцового
(сплошная линия) и испытуемого (пунктирная) ПМ
чивает достаточную точность и возможность пол-
ной автоматизации процесса. При совмещении с
непрерывно-индукционным методом измерения
характеристик МТМ он позволяет производить
разбраковку ПМ в периодических магнитных по-
лях инфранизкой частоты.
Сравнение характеристик ПМ, образцового и
испытуемого, имеющих одинаковые геометричес-
кие размеры, производится путем помещения их
параллельно друг другу в одном рабочем зазоре
пермеаметра. При этом применяются измеритель-
ные преобразователи индукционного типа, плос-
кость которых совпадает с нейтральным сечением
испытуемого и эталонного ПМ. Такой способ
сравнения обеспечивает максимально возможную
идентичность условий, в которых оказываются в
момент измерения испытуемый и образцовый ПМ.
На рис. 13, а изображены петли гистерезиса образцового (сплошная
линия) и испытуемого (пунктирная линия) ПМ. На рис. 13, б представ
лена форма сигнала индукционного датчика, на рис. 13, в — разностный
сигнал с датчиков испытуемого и образцового ПМ при перемагничивании
их по кривой размагничивания. Отрицательные импульсы (заштрихова-
ны) свидетельствуют о том, что кривая размагничивания испытуемого ПМ
проходит ниже допустимого уровня соответствующей кривой образцо-
вого ПМ. Реализация способа описана в § 21.
11. Контроль по двум потокам и условной коэрцитивной силе
При данном методе определяются, кроме граничных точек кривой
размагничивания (Вг , Нс), промежуточные точки и прямые возврата ПМ.
Контролю подлежат поток Ф1, косвенно соответствующий Вг , условная
коэрцитивная сила и поток Ф2 (рис. 14).
Для каждого типа ПМ изготавливается индуктор, представляющий со-
бой магнитопровод с намагничивающей и измерительной обмотками.
Магнитопровод обеспечивает практически полное замыкание магнитной
цепи испытуемого ПМ, т.е. имеет число полюсов, равное числу полюсов
ПМ. Поток Ф, измеряется с помощью милливеберметра при удалении
ПМ из индуктора после его намагничивания до технически насыщенного
состояния.
Для определения потока Ф2 ПМ снова помещается в индуктор при обес-
точенной намагничивающей обмотке, т.е. происходит повторное замыкание
магнитной цепи стабилизированного на воздухе ПМ. Данный процесс
33
Рис. 14. Кривые размагничивания литых
ПМ типа ЮНДК
можно проследить с помощью рис. 14. После удаления ПМ индуктора его
состояние характеризуется точкой Ау (А2 или-43), при повторном замы-
кании магнитной цепи его магнитное состояние будет изменяться по пря-
мой А । Ст (А2С2 или Д3С3), при этом магнитный поток будет равен зна-
чению Ф21 (Ф22ИЛИФ23).
Коэрцитивная сила у ПМ сложной формы не может быть измерена с
достаточной точностью, поэтому в данной методике определяют услов-
ную коэрцитивную силу которая измеряется в коэрцитиметре обыч-
но при его двухполюсном намагничивании вдоль любой пары диаметраль-
но противоположных полюсов.
В данном случае измерением потока Ф2 определяется некоторое про-
межуточное состояние ПМ и по нему судят о работоспособности ПМ в
изделии при наличии воздушного зазора, т.е. частично разомкнутой маг-
нитной цепи.
Область применения метода при контроле ПМ из различных материалов
проследим, обратившись к рис. 14, где изображены кривые размагни-
чивания ПМ одних и тех же размеров и форм, но из разных материалов.
Прямая OG2 характеризует магнитную проводимость ПМ в полностью
разомкнутой магнитной системе, At, А2, А3 —точки отхода соответствен-
но ПМ 1, 2 и 3 при стабилизации их на воздухе; А 2С2, А2С2, А3С3 —
линии возврата соответствующих ПМ. Угол наклона прямой OG2 к оси
абсцисс зависит от размеров и конфигурации ПМ и определяется выраже-
нием
« = arctg (д0/ /V),
(37)
где N — размагничивающий фактор, который находится в обратной зави-
симости от отношения длины ПМ к площади его поперечного сечения
/M/VT.
В соответствии с описанным методом (по значениям Ф,, Ф2, Нс) луч-
шими свойствами должен обладать ПМ, имеющий более высокие значе-
ния Ф1 (Вг ), Ф2 и Нр. Как видно из рис. 14, по этим критериям лучшие
свойства имеет ПМ 2 и худшие ПМ 7. В то же время в рабочей области
(в зоне максимальной энергии) наибольший поток обеспечит ПМ /.Таким
образом, ПМ 7, имеющий объективно более высокие магнитные характе-
ристики, по этому методу будет забракован. Особенно это наглядно
проявляется при размерах ПМ, когда /м/ у/ S мало.
Сравнивая линии возврата ПМ 2 и 3 и потоки Ф2, видим, что для ПМ
со средней магнитной энергией, имеющих пологую кривую размагничива-
ния, этот метод достаточно точно характеризует их качество.
34
При контроле ПМ с высокой энергией, имеющих более выпуклую кри-
вую размагничивания, он приводит к ошибочным, а зачастую и прямо
противоположным результатам, поэтому для контроля этих ПМ необхо-
димы иные способы, основанные на контроле других параметров.
12. Контроль по трем потокам
Способ может быть применен для контроля ПМ любой формы, исполь-
зуемых, например, для возбуждения электрических машин [13].
Способ отличается от описанного в предыдущем параграфе тем, что
измеряются три значения потока,-два из которых соответствуют гранич-
ным точкам на участке основной кривой размагничивания, а третье —
точке, лежащей на прямой возврата, отходящей от одной из граничных
точек.
Особенность способа заключается в том, что измерения магнитных
потоков производятся в индукторе с применением нкладыша из МТМ,
по толщине равного воздушному зазору в изделии. Сущность его поясня-
ется рис. 15, на котором приведены рабочие диаграммы ПМ, соответству-
ющие условиям измерения и работе ПМ в изделии (электрической маши-
не) . На чертеже обозначено:
в условиях измерений:
вщ — линия внешней магнитной проводимости ПМ, замкнутого
индуктором с вкладышем (малое магнитное сопротивление цепи);
GU2 — линия внешней магнитной проводимости ПМ, замкнутого индук-
тором без вкладыша (большое магнитное сопротивление внешней цепи);
Gs — линия внешней магнитной проводимости ПМ без индуктора (с
индуктором из немагнитного материала);
DM— линия возврата;
М, D, L — точки, соответствующие значениям измеряемых потоков
Фь Ф2, Ф3;
при работе ПМ в изделии:
Gp0, — линия внешней проводимости ПМ в изделии (электрической
машине) при отсутствии внешнего поля (при токе якоря, равном нулю);
Gp — линия Gp0, сдвинутая на напряженность внешнего размагничи-
вающего поля Нр, соответствующего номинальному режиму работы
изделия (реакция якоря при номинальном токе якоря);
GCT — линия Gpo, сдвинутая на напряженность внешнего размагничи-
вающего поля Нст в режиме магнитной стабилизации ПМ в изделии (Нст —
напряженность поля реакции якоря в режиме стабилизации);
CN — рабочая прямая возврата, на ко-
торой находится рабочая точка N ПМ при
работе его в изделии;
С — точка отхода рабочей прямой воз-
врата C/V, расположенная на участке DL
характеристики размагничивания для
всех ПМ данного типа.
Рис. 15. Диаграмма ПМ при контроле по трем
потокам
35
Для реализации данного способа применяются два индуктора с числом
полюсов, равным числу полюсов испытуемого ПМ, имеющие намагничи-
вающие и измерительные обмотки, отличающиеся друг от друга тем, что
один имеет магнитопровод из МТМ, а другой — из немагнитного материа-
ла. Диаметр расточки индукторов для роторных ПМ больше диаметра
ПМ на удвоенный воздушный зазор в изделии (электрической машине).
Если ПМ статорный, то наружные диаметры по полюсам индукторов де-
лаются соответственно меньше диаметра расточки полюсов ПМ. Кроме
того, применяется вкладыш из МТМ.
Перед измерениями контролируемый ПМ собирается в индукторе с
магнитопроводом и вкладышем. Импульсом тока в намагничивающей
обмотке ПМ намагничивается до состояния технического насыщения. При
этом состояние ПМ соответствует точке А. С помощью веберметра,
подключенного к измерительной обмотке, измеряются магнитные потоки:
4! — когда вынут вкладыш и ПМ удален из индуктора, Ф2 — когда ПМ
снова собран вместе с вкладышем и повторно выдернут из вкладыша. При
этом ПМ в индукторе без вкладыша характеризовался точкой L (первая
граничная точка), вне индуктора — точкой D (вторая граничная-точка), а
при повторном его замыкании индуктором с вкладышем — точкой М. Для
определения потока в точке D ПМ помещают в индуктор с магнитопрово-
дом из немагнитного материала. Измерения производят тем же методом
удаления ПМ.
Потоки Ф2 и Ф3 определяют угол наклона ав рабочей прямой возвра-
та СЛ/, а потоки Ф3 и Ф3 — точку отхода С как пересечение линий DL и
GCT (при аппроксимации участка СЛ/прямой линией).
Положение рабочей линии возврата CN определяет рабочий поток
Фраб ПМ в электрической машине при номинальном токе (точка Л/).
Таким образом, совокупность магнитных потоков Ф! — Ф3 однозначно
определяет Фраб. Пригодность ПМ устанавливают по значениям Ф! — Ф3
с помощью специальных таблиц или номограмм, на которых указаны
границы применения этих потоков, соответствующие допустимому мини-
мальному значению Ф раб.
Достоинствами способа является повышенная достоверность контро-
ля и учет специфики работы в изделиях (электрических машинах).
Существенными недостатками способа являются сравнительно боль-
шая сложность и трудоемкость пераций контроля, что в условиях серий-
ного производства не всегда приемлемо.
13. Контроль по потоку в зоне максимальной энергии сплава
Основой методики данного контроля ПМ является измерение магнит-
ного потока Ф^ в зоне максимальной энергии сплава, поскольку изде-
лия, как правило, проектируются с целью оптимального использования
материала ПМ.
Для измерения потока Ф<у используется индуктор с диамагнитной
прокладкой, обеспечивающий сопротивление системы, характеризуемой
прямой OGrf (рис. 16). Длина немагнитного зазора определяется выраже-
нием'
5 =До /м Нт!2Вт , (38)
где /м — длина магнитной силовой линии; Нт и Вт — напряженность
и индукция в зоне максимальной энергии сплава.
36
Рис. 16. Диаграмма ПМ при конт-
роле по и Л/р
Рис. 17. Индуктор для контроля
роторных ПМ
Второй характеристикой ПМ остается определяющая его устойчи-
вость к воздействию размагничивающих полей.
В соответствии с данной методикой измерения производят в следую-
щей последовательности.
Испытуемый ПМ помещают в индуктор, представляющий собой магнит-
ную систему с числом полюсов, равным числу полюсов испытуемого
магнита. На рис. 17 схематически показан шестиполюсный индуктор с
испытуемым ПМ — шестиполюсным ротором 7, размещенным в магнит-
ной системе 2. Между полюсами ПМ и магнитной системы имеются немаг-
нитный зазор, образуемый путем размещения жестко закрепленной диа-
магнитной цилиндрической втулки 3. На полюсах магнитной системы
расположены намагничивающая 4 и измерительная 5 обмотки. Магнит
намагничивается импульсом тока, подаваемого в намагничивающую
обмотку, например, от батареи конденсаторов. Состояние ПМ при этом
соответствует точке А (см. рис. 16). Удаляя ПМ из индуктора, с помощью
милливеберметра измеряют поток Ф^. Затем ПМ размагничивается
импульсами обратной полярности и намагничивается как двухполюсный
вдоль любой пары его противолежащих полисов. При этом измеряется
в обычном коэрцитиметре значение условной коэрцитивной силы Н'с.
Внешний вид стенда для намагничивания и конструкции индукторов пред-
ставлены на рис. 18,19.
Значения Ф^ и Нс определяют положение самого ответственного участ-
ка на кривой размагничивания сплава между зоной максимальной магнит-
ной энергии и коэрцитивной силой, а также значение потока Фр ПМ в
номинальном режиме работы конкретного изделия.
На рис. 16 изображена кривая размагничивания ПМ, рабочие точки его
в процессе контроля и в условиях работы в изделии (электрической
машине) :
OG(j — линия внешней магнитной проводимости ПМ данного типа в
индукторе с немагнитным зазором 6 в условиях измерения;
А — точка пересечения линии Gd с кривой размагничивания, соответ-
ствующая значению потока Ф^;
В — точка на кривой размагничивания, соответствующая измеренному
значению условной коэрцитивной силы Н'с;
OG0 — линия проводимости в условиях работы ПМ в изделии без раз-
магничивающих полей;
37
Рис. 18. Стенд для намагничивания ПМ импульсным магнитным полем
Рис. 19. Индукторы для намагничивания и измерения магнитного потока Ф^
HpGp — та же линия, смещенная на значение напряженности размагничи-
вающего поля Нс в номинальном режиме работы изделия; Фр — поток
ПМ в номинальном режиме;
/УстСст — линия проводимости, смещенная на значение напряженности
размагничивающего поля НС1 при магнитной стабилизации ПМ;
CD — прямая возврата, на которой находится рабочая точка ПМ в номи-
нальном режиме.
Методика контроля по Ф^ и Н'с оправдывает себя для ПМ, предназна-
ченных для создания магнитного поля в электрических машинах, муфтах
и тормозах малой мощности
14. Контроль с учетом размагничивающих полей
На рис. 20 изображены кривые размагничивания двух одинаковых по
форме и размерам ПМ из высококоэрцитивного материала. Остальные
обозначения следующие:
OG0 — линия внешней магнитной проводимости ПМ в рабочем зазоре
системы;
OGd — линия внешней магнитной проводимости в зоне максималь-
ной магнитной энергии;
O'Gp— линия внешней магнитной проводимости ПМ при воздействии
внешнего размагничивающего магнитного поля (реакция якоря электри-
ческой машины);
/Ур — напряженность размагничивающего поля;
Alf А2 — точки, соответствующие магнитным потокам после намагни-
чивания ПМ в магнитной системе;
Cj/Vj, C2N2 — прямые возврата.
В соответствии с этой методикой о пригодности испытуемых ПМ судят
по результату измерения магнитных потоков Фр1 и Фр2 (соответственно
для ПМ 7 и 2}. Методика гарантирует получение достоверной информации
о способности испытуемых ПМ сохранять свои магнитные свойства, а
следовательно, и обеспечивать работоспособность изделий после воздей-
ствия размагничивающих полей, близких по напряженности к значениям
коэрцитивной силы материала ПМ
Из рисунка видно, что ПМ 7 имеет больший поток в зоне максимальной
энергии, большее значение (ВН) тах, но при наличии сильного размагни-
чивающего поля в изделии Нр (например, реакция якоря электродвигате-
ля при пуске, торможении, реверсе) он восстановит поток после снятия
размагничивающего поля на более
значения этого потока не будут
стабильными, так как точки отхода
Ci и С2 находятся на нисходящей
части кривой размагничивания.
Рис. 20. Диаграмма ПМ при контроле
по потоку в имитирующей магнитной
системе после стабилизации
низком уровне, чем ПМ 2. Причем
39
Следует отметить, что не всегда обязательно для конкретных типов
ПМ измерять значение ДФ. Важно, учитывая специфику материала, опреде-
лить необходимое количество размагничивающих воздействий, при кото-
ром стабилизируется магнитное состояние материала. При этом основным
информационным параметром будет поток Фр после стабилизации.
Данный способ позволяет существенно повысить достоверность контро-
ля магнитных свойств, а также обеспечить надежную и качественную
работу ПМ в изделиях (электрических машинах) любой мощности.
15. Контроль многололюсных ПМ
При контроле многополюсных ПМ (МПМ) измеряют два значения рабо-
чего магнитного потока: первое — непосредственно в точке Е, лежащей на
кривой размагничивания и являющейся точкой отхода рабочей прямой
возврата, и второе — в точке L пересечения рабочей прямой возврата с
линией проводимости GM, соответствующей состоянию МПМ в сборе с
изделием (рис. 21). По измеренным значениям определяют годность
МПМ. О степени стабильности потока на рабочей прямой возврата судят
по разности измеренных магнитных потоков Ф3 и Ф4 [16].
Для исключения влияния на результаты измерений магнитной предыс-
тории МПМ его перемагничивают двумя разнополярными импульсами
тока. Магнитное состояние МПМ изменяется по кривой О, — Фт, А, +Фт,
А, (рис. 21, 22). Сначала измеряется поток Ф1 в точке А. Затем подается
импульс тока, создающий напряженность размагничивающего поля А/р1,
соответствующую максимальной реакции якоря или максимальной напря-
женности стабилизирующего поля. Длительность размагничивающего им-
пульса должна быть такова, чтобы все процессы, связанные с возникно-
вением вихревых токов, успели затухнуть. При этом измеряются потоки
Ф3 и Ф4. Поток Ф3 в точке Е равен потоку МПМ в режиме короткого за-
мыкания или максимального размагничивающего воздействия, а поток
Ф4 в точке L равен потоку в режиме холостого хода.
Значения потоков Ф3 и Ф4 должны быть не меньше минимально допус-
тимых для данной марки МПМ. Разность потоков Ф4 — Ф3 определяет
степень стабильности потока на рабочей прямой возврата. В отдельных
случаях, когда предъявляются повышенные требования к стабильности
Рис. 21. К описанию способа конт-
роля МПМ
Рис. 22. Диаграмма при контроле
МПМ
40
потока, следует выполнить условие
ф4 _ ф3 < ДФдОП ,
где ДФдоп — допустимое изменение магнитного потока ПМ на рабочей
прямой возврата.
Если рабочая точка МПМ лежит на кривой размагничивания в точке
D максимума магнитной энергии, то измеряется аналогично Ф3 только
при соответствующей напряженности размагничивающего поля Нр2.
Указанная методика контроля магнитных свойств ПМ позволяет
достаточно достоверно судить о пригодности ПМ для работы в изделии
и может использоваться при заводских и лабораторных испытаниях.
16. Контроль ПМ из сплавов ПСо в разомкнутой
системе
За основу прямого контроля ПМ из сплавов RCo взят метод Вейса-
Феррера, сущность которого состоит в том, что исследуемый образец,
находящийся в зазоре разомкнутой магнитной цепи, удаляется из систе-
мы катушек, соединенных с гальванометром, по углу отклонения его
стрелки судят о намагниченности образца [17].
В качестве измерительного элемента используются катушки Гель-
мгольца, которые представляют собой две последовательно соединенные
секции обмоток, расстояние между геометрическими центрами которых
равно их среднему радиусу, а толщина обмотки и ее длина малы по срав-
нению с радиусом. Вокруг центра системы этих катушек имеется объем
пространства, в котором можно измерить с достаточной точностью намаг-
ниченность образца из ферромагнитного материала путем быстрого удале-
ния его из системы катушек.
Для обеспечения указанной точности размеры системы катушек свя-
заны с размерами ПМ прямоугольной формы соотношением
R 1,5 \/ /2 + Л2,' где R — радиус катушки, / — длина ПМ в направлении
намагничивания, h — максимальный поперечный размер ПМ.
Выполнение этого соотношения обеспечивает повторяемость резуль-
татов измерений с точностью до 1% независимо от положения ПМ в этом
объеме. Так, для магнитов прямоугольной формы с размерами 8x15x17 мм
(/ = 8 мм) радиус катушки R = 36 мм.
Для исключения случайных отклонений в показаниях измерительного
прибора, вызванных пульсацией тока в обмотках электромагнита, встреч-
но катушкам Гельмгольца включаются компенсационные катушки,
имеющие то же поперечное сечение, но с меньшим количеством витков.
Внешний вид установки показан на рис. 23, а схема на рис. 24, где 1 — по-
люсы электромагнита, 2 — измерительные катушки, 3 — компенсационные
катушки, 4 — испытуемый ПМ.
Градуировка измерительной цепи выполняется методом сравнения
по образцу химически чистого никеля, имеющего, как известно, постоян-
ную намагниченность насыщения.
Перед началом измерений ПМ намагничивается в электромагните
до насыщенного состояния, затем напряженность поля уменьшается до
конкретных значений, при которых ПМ удаляется из межполюсного
пространства, при этом фиксируются углы отклонения стрелки гальвано-
метра, которые соответствуют намагниченности ПМ при данных значениях
намагничивающего (размагничивающего) поля, т.е. определяются основ-
ные точки кривой размагничивания.
41
Рис. 23. Установка для контроля высококоэрцитивных ПМ в разомкнутой магнит-
ной цепи
Рис. 24 Схема измерительной установки
Так как в процессе измерений испыту-
емый образец находится в разомкнутом
состоянии, при построении кривой размаг-
ничивания ПМ вводится поправка на соб-
ственное размагничивающее поле, которое
раёсчитывается с помощью значения баллистического размагничивающего
фактора
(39)
где А — площадь нейтрального сечения; S — половина площади поверх-
ности ПМ.
17. Контроль парных ПМ
В некоторых изделиях ПМ применяются парами. В этом случае работо-
способность изделия определяется магнитными свойствами на каждого
взятого в отдельности ПМ, а свойствами пары в целом. При этом система
может быть работоспособна даже в том случае, когда один из ПМ имеет
свойства несколько ниже номинальных, а второй — несколько выше.
Подбор работоспособных пар может быть осуществлен следующим
образом: каждый из ПМ намагничивается до состояния технического
насыщения, подвергается стабилизации размагничивающим полем и
помещается в эквивалентную магнитную систему, в центре зазора кото-
42
Рис. 25. Схема изделия, где
применена пара ПМ
Рис. 26. Схема испытательной уста-
новки
рой измеряется магнитная индукция. Затем испытуемый ПМ подвергает-
ся воздействию магнитного поля вспомогательной катушки, имитирую-
щей действие второго flM магнитной системы, причем ток в катушке
увеличивается до такого значения, при котором индукция в центре зазора
магнитной системы равна номинальной. Сортировка испытуемых ПМ
на различные классы технического состояния производится по результа-
ту измерения значения тока в обмотке вспомогательной катушки [26].
На рис. 25 изображена конструкция одного из изделий, в котором ПМ
применяются парами, где 1,2 — парные ПМ; 3,4 — арматура из немагнит-
ного материала; 5 — каркас; 6 — область в центре магнитной системы, в
которой магйитная индукция должна быть не менее заданного значения.
Магнитные потоки ПМ направлены согласно.
В процессе контроля испытуемый ПМ 1 помещают в зазор магнитной
системы, состоящей из источника питания 6 и магнитопровода 5 с ими-
тирующей катушкой 4 (рис. 26). Площадь полюсного наконечника 3
равна площади полюса испытуемого ПМ. Это позволяет обеспечить топо-
графию магнитного поля в объеме между полюсами 3 и ПМ 1, близкой к
топографии поля, создаваемого в изделии. В центре рабочего объема
имитирующей магнитной системы расположен преобразователь Холла
(ПХ) 2. С помощью реостата R изменяют ток в катушке 4 до такого
значения, при котором индукция в зазоре будет номинальной. Индукция
в зазоре измеряется с помощью ПХ 2 и измерительного прибора 7. По ре-
зультату измерения тока в'катушке 4 (с помощью амперметра S) судят
о том, какое значение магнитных параметров должен иметь ПМ, чтобы
в паре с испытуемым ПМ обеспечить требуемое значение индукции в за-
зоре реальной магнитной системы. Испытуемые ПМ в процессе сортиров-
ки будут разбиваться на классы технического состояния (количество
классов может быть различно). Классы состояния могут быть разбиты на
три группы: первая — свойства ПМ ниже номинальных; вторая — номи-
нальные; третья — выше номинальных. Магнит из любого класса первой
группы в совокупности с ПМ из соответствующего класса третьей группы
может обеспечить работоспособность изделия.
Таким образом открывается возможность использования ПМ с зани-
женными свойствами в изделиях без снижения их рабочих параметров,
что дает определенный экономический эффект.
Глава четвертая
СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ И ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНЫХ
ПАРАМЕТРОВ ПМ
18. Основные положения
В настоящее время разработка средств контроля и измерения магнит-
ных параметров ПМ идет в трех основных направлениях.
Первое связано с созданием лабораторной аппаратуры, позволяющей
с максимальной точностью на образцах правильной формы, заданных раз-
меров и обладающих достаточно высокой однородностью по объему
определять такие характеристики, как кривые размагничиваия при нор-
мальных условиях и при воздействии различных дестабилизирующих
факторов, а также частные гистерезисные циклы, кривые возврата и т.д.
В нашей стране работы в этом направлении ведутся в Институте электро-
динамики АН УССР, в Проблемной лаборатории постоянных магнитов
МЭИ, в ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, в ХГНИИМ ив ряде других органи-
заций.
Второе направление решает задачи по обеспечению контроля ПМ в про-
цессе производства в промышленных условиях. Производственный техно-
логический контроль включает в себя либо измерение магнитных парамет-
ров образцов-свидетелей правильной формы, имеющих шлифованные
поверхности и прошедших соответствующие стадии технологического
процесса совместно с партией ПМ, либо результаты измерений контроль-
ных образцов, вырезанных из определенного процента ПМ в партии. Боль-
шое место в технологическом контроле занимает измерение магнитных
параметров материала самих ПМ после промежуточных операций техно-
логического процесса, т.е. промежуточный контроль свойств ПМ. Для
определения магнитных свойств образцов-свидетелей и контрольных
образцов обычно используется лабораторное оборудование.
Третье направление — это создание средств магнитных измерений,
обеспечивающих проведение приемо-сдаточных испытаний ПМ в усло-
виях производства. Эти средства должны обеспечивать возможность изме-
рения магнитных параметров и автоматической сортировки ПМ.
Лабораторная аппаратура для исследования свойств МТМ применяется
в системе метрологического обеспечения производства ПМ. Существенное
значение-имеет измерение магнитных параметров и определение характе-
ристик МТМ на образцах, имеющих форму прямоугольного параллелепи-
педа строго определенного размера с шлифованными поверхностями.
Подобная задача возникает при входном контроле сырья, при контроле
технологического процесса, при освоении производства ПМ на основе
новых материалов, при разработке и внедрении новых технологических
процессов.
В основу работы применяющихся в настоящее время в промышлен-
ности средств магнитных измерений, применяемых для решения перечис-
ленных выше задач, положено два принципа преобразования первичной
информации. Первый основан на использовании явления электромагнит-
ной индукции, а второй — гальваномагнитных явлений (эффекта Холла).
Может быть предложено несколько классификаций средств измерения
параметров МТМ.
По режиму изменения магнитного состояния испытуемого образца
устройства могут быть разделены на три группы: работающие в стати-
44
ческом, в квазистатическом, в динамическом режимах. Режим измене-
ния состояния образца определяет тип гистерезисной петли, получаемой
в результате измерения (статическая, квазистатическая или динамичес-
кая) .
Последняя классификация, основанная на учете режима изменения маг-
нитного состояния образца, определяет метод измерения и тип магнитной
системы измерительной установки.
Наиболее широко в промышленности применяются установки БУ-3.
Установка имеет замкнутую магнитную систему. В ней заложен индук-
ционно-импульсный метод измерения. Работает она в квазистатическом
режиме перемагничивания испытуемых образцов.
В ХГНИИМ проводились исследования разброса результатов измерений
одних и тех же образцов МТМ на различных установках, находящихся в
эксплуатации в настоящее время. Результаты исследований позволили
сделать вывод, что погрешность измерения с доверительной вероятностью
0,95 для Вг не превосходит ± 3,0%, для Нс — 5,4%; для Hj, Bj — 3,9%
[18].
Работы, проведенные в Проблемной лаборатории МЭИ, позволили соз-
дать ряд автоматических установок для определения характеристик фер-
ромагнитных матриалов (установки типов АРСПГ и МИС). В установках
используется индукционно-непрерывный метод измерения. Погрешность
измерения основных параметров не превосходит 2% с доверительной
вероятностью 0,95 [19].
Средства магнитных измерений, применяющиеся в промышленности
для испытаний ПМ, должны обеспечить возможность измерения магнит-
ных параметров, рассмотренных в гл. 3. Все установки по типу магнит-
ной системы, как было отмечено, обычно разделяются на три группы:
с разомкнутой магнитной системой, с частично разомкнутой и с замкну-
той.
Первую группу составляют коэрцитиметры, довольно широко приме-
няющиеся в промышленности для измерения коэрцитивной силы по
намагниченности двухполюсных ПМ и условной коэрцитивной силы
многополюсных ПМ. Для определения других параметров они малопри-
годны, и существенным их недостатком является трудность автоматиза-
ции процесса измерений. К этой группе относятся устройства, в которых
ПМ скатываются или скользят по немагнитному желобу. В зависимости от
остаточной индукции меняется и скорость скольжения, по значению ко-
торой судят о годности ПМ. Недостатком таких устройств является низ-
кая точность измерения индукции.
Во вторую группу входят полуавтоматические установки, в которых
измеряется поток, создаваемый контролируемым двухполюсным ПМ 1
в зазоре U-образной магнитной системы 2 (рис. 27). В качестве первич-
ного измерительного преобразователя может использоваться либо рамка
с током, либо гальваномагнитный преобразователь 3 (например, ПХ).
Сюда же можно отнести полуавтоматические и автоматические установки,
в основе работы которых лежит применение дифференциального перме-
аметра (рис. 28). В одном из зазоров цепи помещен ПМ — эталон 1, а в
другой — испытуемый ПМ 2; в зазоре магнитопровода, выполняющего
роль диагонали магнитного моста, помещают ПХ 3. По фазе выходного
напряжения ПХ судят о соотношении между магнитными потоками
Ф! — ПМ-эталона и Ф2 — испытуемого ПМ.
Общими недостатками этих устройств являются: а) погрешность,
обусловленная тем, что магнитная цепь имеет зазор для ПХ; б) возмож-
45
Рис. 27. Устройство с L/ образ-
ным магнитопроводом
1
Рис. 28. Устройство с дифференци-
альным пермеаметром
Рис. 29- Устройство для испытания многополюс-
ных ПМ
Рис. 30. Устройство с ферромагнитным ПХ
ность применения только для двухполюсных ПМ; в) сложность баланси-
ровки мостовой цепи для установок с дифференциальными пермеаметра-
ми.
Рост производства многополюсных ПМ поставил задачу создания
автоматических и полуавтоматических установок для измерения их
магнитных параметров. Одна из разработанных в Новочеркасском поли-
техническом институте (НПИ) установок состоит (рис. 29) из магнито-
провода 7 с измерительными обмотками 2, испытуемого ПМ 3, измери-
тельного блока 4, схемы сравнения 5, источника опорного напряжения 6,
индикаторного устройства 7.
К третьей группе установок для измерения параметров ПМ могут быть
отнесены установки, в основе работы которых лежит применение либо
измерительных катушек, либо ферромагнитных ПХ. На рис. 30 изображен
участок магнитной цепи такой установки, состоящей из магнитопрово-
да 1, изоляционных прокладок 2, ферромагнитного ПХ 3 и испытуемого
ПМ4.
19. Основные принципы построения средств
магнитных измерений при испытаниях ПМ
Установки для измерения магнитных параметров ПМ должны обеспе-
чивать выполнение следующих операций:
намагничивание испытуемого ПМ до состояния технического насыще-
ния полем, распределение которого максимально приближено к полю,
намагничивающему ПМ совместно с изделием;
моделирование магнитного состояния ПМ в соответствии с выбран-
ными измеряемыми параметрами;
измерение значения магнитного параметра ПМ;
размагничивание ПМ.
Решение вопроса намагничивания контролируемого ПМ связано с
особенностями магнитных свойств и конструкции ПМ. Для намагни-
чивания двухполюсных ПМ можно применять как источники постоянных
магнитных полей, так и импульсные поля. Для многополюсных статорных
и роторных ПМ более приемлемы многополюсные магнитные системы,
в которых создаются импульсные поля.
Применение новых МТМ поставило ряд проблем перед магнитоизмери-
тельной техникой. Если для достижения технически насыщенного состоя-
ния литых кобальтовых ПМ типа ЮНДК необходимы были поля напря-
женностью 160—400 кА/м, то для намагничивания оксидных ПМ их зна-
чение должно быть более 1000 кА/м, а для ПМ на основе сплавов РЗМ с
кобальтом свыше 4000 кА/М.
Создание таких полей связано с целым рядом трудностей. Например,
при таких полях сердечники намагничивающего устройства насыщаются,
и резко возрастает магнитное сопротивление магнитопровода. Поэтому
такие ПМ зачастую намагничиваются совместным действием импульсного
и постоянного полей.
Для намагничивания литых кобальтовых и оксидных ПМ предпочти-
тельны электромагниты с шихтованным магнитопроводом с питанием
катушек от импульсных источников. Они имеют меньшие габаритные
размеры, массу, стоимость и эксплуатационные расходы.
При моделировании магнитного состояния ПМ необходимо обеспечить
магнитное состояние ПМ, идентичное тому, какое он имеет в номинальном
режиме работы изделия, и создать размагничивающее воздействие, экви-
валентное действию на ПМ полей, возникающих в изделии в экстремаль-
ных режимах. Первое условие выполняется с помощью контрольной маг-
нитной системы, проводимость которой эквивалентна проводимости маг-
нитной системы изделия. Второе — обеспечивается многократным воздей-
ствием на ПМ размагничивающего поля заданной напряженности.
Для измерения значения магнитного параметра основную роль выполня-
ют первичные преобразователи магнитных величин в электрические К
ним предъявляются следующие требования:
они должны быть небольших размеров;
иметь возможно большую чувствительность (коэффициент преобразо-
вания) ;
обладать возможно меньшей нелинейностью амплитудной характеристи-
ки в довольно широком диапазонеизменения значений магнитной индукции;
сохранить высокую температурную и временную стабильность основных
метрологических характеристик.
В установках для измерения магнитных характеристик широко приме-
няются ПХ. Благодаря ряду технических решений устранены отдельные
47
недостатки этих преобразователей. Представление ПХ как неидеального
асимметричного управляемого четырехполюсника позволило разработать
несколько схем коррекции и компенсации аддитивной погрешности в
аналоговом и цифровом виде. Для уменьшения влияния мультиплика-
тивной составляющей погрешности измерения используются схемы с отри-
цательной обратной связью, автоматические компенсационные схемы и
самонастраивающиеся системы с пробным сигналом.
Размагничивание ПМ может производиться несколькими способами.
Полное размагничивание достигается путем нагрева ПМ выше точки
Кюри. Этот способ применяется в основном для размагничивания редко-
земельных ПМ. В большинстве случаев применяется способ размагничи-
вания, основанный на воздействии на ПМ переменного поля с убывающей
до нуля амплитудой. В отдельных случаях для этой цели используется
убывающее по напряженности непрерывно коммутируемое постоянное
магнитное поле. В условиях производства наиболее удобным является
воздействие на ПМ постоянного магнитного поля с напряженностью, рав-
ной или несколько превышающей по напряженности коэрцитивную силу
по намагниченности материала ПМ. В этом случае полного размагничива-
ния не достигается и магнитное состояние материала ПМ остается неста-
бильным. Но благодаря простоте реализации этот способ широко приме-
няется для неполного размагничивания высокоэрцитивных ПМ.
20. Типовая установка для контроля
магнитных параметров ПМ
На рис. 31 представлена функциональная схема установки, предназна-
ченной для промышленного контроля ПМ из материалов с повышенной
коэрцитивной силой, применяемых для систем возбуждения электри-
ческих машин.
Устройство содержит магнитопровод 7, катушки размагничивания 2,
испытуемый ПМ 3, диамагнитные прокладки 4, катушки намагничивания 5,
преобразователь магнитного потока 6, генератор запуска 7, программный
блок 8, источник намагничивающего тока 9, источник размагничивающе-
го тока 10, усилитель 7 7, преобразователь 72, ключ 13, схема сравнения 14,
блок памяти 15, схемы И 16, 17, реверсивный счетчик 18, нуль-индика-
тор 19, схемы НЕ 20, 21, исполнительно-индикаторный блок 22.
Устройство работает следующим образом. Перед началом контроля
партии ПМ определенного типоразмера на полюсы электромагнита накла-
дывают прокладки из диамагнитного материала такой толщины, чтобы
состояние испытуемых ПМ, помещенных в электромагнит, было экви-
валентно их состоянию в сборе с изделием. Затем в зазор магнитной сис-
темы помещают ПМ-эталон, который намагничивают до состояния техни-
ческого насыщения и подвергают затем действию размагничивающего по-
ля напряженностью Нр. Здесь Л/р — напряженность размагничивающего
поля, действующего на ПМ в экстремальных режимах работы электри-
ческой машины. После этого магнитное состояние ПМ-эталона характери-
зуется потоком Фрт/П — минимально допустимым для ПМ данного типо-
размера.
На выходе магнитного потока 6 наводится электрический сигнал, кото-
рый усиливается и через ключ 13 поступает на вход блока памяти 15,
где фиксируется напряжение Uis ~ K<bpmin (К — коэффициент пропор-
циональности) . После этого ключ 13 размыкают, и устройство готово для
48
Рис. 31. Структурная схема установки для промышленного контроля ПМ
Рис. 32. Диаграммы, поясняющие работу ус-
тановки
контроля магнитных свойств ПМ соот-
ветствующего типоразмера, причем поря-
док операций, производимых устройст-
вом, определяется программным бло-
ком 8.
Испытуемый ПМ фиксируется меж-
ду полюсами магнитопровода 7, после
чего в момент времени tj (рис. 32) с
выхода задающего генератора 7 (см.
рис. 31) поступает импульс напряжения
на вход программного блока 8 и вход
"установка О" реверсивного счетчика 18.
С первого выхода блока 8 в момент времени t2 на вход источника
намагничивающего тока 9 поступает управляющий импульс t/g (, и блок 9
выдает в намагничивающие катушки 5 электромагнита импульс тока,
вызывающий импульс магнитного поля с напряженностью W5(t), в
результате ПМ 3 намагничивается до состояния технического насыщения.
В момент времени ts со второго выхода блока 8 на вход источника раз-
магничивающего тока 10 поступает импульс напряжения U^.2, после чего
источник 10 выдает в размагничивающие катушки 5 импульс тока, вы-
49
зывающий импульс магнитного поля с напряженностью Н2 (t), амплитуда
которого равна Л/р, а длительность т такова, чтобы за это время закон-
чились переходные процессы в ПМ.
В момент времени Г4 с третьего выхода блока 8 на первый вход первой
схемы И 17 поступает сигнал (У8_3, при этом электрический сигнал с напря-
жением L/ц = КФр1, пропорциональный потоку Фр испытуемого ПМ,
поступает на вход блока 12, в котором преобразуется из аналоговой
формы в дискретную, после чего подается на второй вход первой схе-
мы И 17. В связи с тем, что на ее первый вход подано напряжение 1/8_3,
реверсивный счетчик 16 зафиксирует число, пропорциональное Фр1 .
В момент времени ts со второго выхода блока 8 на блок 10 поступает
сигнал запуска и ПМ повторно подвергается воздействию размагничиваю-
щего поля. После этого на первый вход схемы сравнения 14 поступает
электрический сигнал с напряжением Ut i =КФ'р2
В момент времени Г6 с четвертого выхода блока 8 на первые входы
второй и третьей схем И 16, 21 поступает сигнал U& а с выхода схе-
мы И 21 на первый вход блока 22 поступает сигнал, несущий информацию
о годности ПМ по значению Фр2. В противном случае (Фр2 < Фрт/П)
на вход блока 22 поступает инверсный сигнал U2i, свидетельствующий
о негодности ПМ.
21. Автомат для разбраковки ПМ малых размеров
Схема автомата представлена на рис. 33.
Для уменьшения потока рассеяния в качестве пермеаметра П применен
разомкнутый тороид. Намагничивающие обмотки пермеаметра питаются
от тиристорного переключающего устройства ПУ с независимым возбуж-
дением колебательного контура. Переключатель позволяет получать на-
магничивающий ток инфранизкой частоты 5—7 Гц с амплитудой, доста-
точной для технического насыщения испытуемых ПМ.
Измерительные катушки ИК (одна для образцового ПМ, другая для
испытуемого) одинаковой конструкции установлены в одном из полю-
Рис. 33. Функциональная схема автомата для разбраковки ПМ малых размеров
50
к
сов пермеаметра и соединены встречно. Образцовый ПМ ОМ и испытуе-
мый ИМ располагаются в рабочем зазоре параллельно друг другу так, что
с одной стороны упираются своими торцами в полюс электромагнита,
а с другой стороны — в соответствующие зажимные клинья.
Сигнал, снимаемый с ИК, поступает на вход интегрирующего усилителя
переменного тока ИУ, имеющего коэффициент усиления около 1000 и
частотный диапазон 0,5—500 Гц. Потенциометрическая регулировка уси-
ления дает возможность менять чувствительность измерительного устрой-
ства и, следовательно, заранее устанавливать необходимый допуск контро-
лируемых параметров испытуемых ПМ.
Фазовый селектор ФС, предназначенный для выделения разностного
сигнала участка, соответствующего размагничивающей части петли гисте-
резиса материала образцового ПМ, представляет собой два фазовращате-
ля, состоящих из цепочек R\C\, R2C2 и источников переменной ЭДС —
вторичных обмоток трансформатора Тр. Первичная обмотка Тр питается
переменным напряжением с резистора Ks, который имеет сопротивление
1—2 Ом и включен последовательно с намагничивающей обмоткой перме-
аметра. Фазовращатели управляют двумя поляризованными реле Р{ и₽2,
контакты которых п0и замыкании шунтируют выход ЙУ.С помощью
переменных резисторов R2, R3 момент срабатывания реле устанавливает-
ся так, что выходной сигнал ИУ действует только в течение времени,
необходимого для измерения индукции в образцовом ПМ от Вг до нуля.
Диоды Д1 иД2 образуют селектор полярности.
Оконченный усилитель-ОУ предназначен для усиления отрицательных
импульсов, возникающих на его входе в случае прохождения через рабо-
чий зазор пермеаметра, негодного ПМ, который вызывает срабатывание
включенного на выходе ОУ классифицирующего реле КР.
22. Испытание ПМ в условиях воздействия
дестабилизирующих факторов внешней среды
Сфера применения ПМ в науке и технике расширяется, поэтому к их
свойствам предъявляются новые требования, в особенности к способности
обеспечивать работоспособность изделий в условиях воздействия дестаби-
лизирующих факторов внешней среды (например, теплоты). Для решения
задачи контроля ПМ в указанных условиях может быть использована ус-
тановка, в которой за счет применения отрицательной обратной связи по
магнитному потоку снижается нестабильность коэффициента преобразо-
вания измерительного блока.
На рис. 34 изображена функциональная схема измерительного блока
установки для контроля магнитных свойств ПМ с учетом воздействия
дестабилизирующих факторов. Установка содержит частично замкнутую
магнитную систему 1, испытуемый ПМ 2, диамагнитные прокладки 3, ка-
тушку намагничивания 4, катушку обратной связи 5, ПХ 6, измеритель-
ный усилитель 7, схему сравнения 8, задатчик напряжения 9, индикаторно-
исполнительный блок 10, усилитель тока 11 [25].
Перед контролем партии ПМ в зазор магнитной системы помещается
предварительно намагниченный ПМ-образец контролируемого типа, имею-
щий минимально допустимый магнитный поток. Задатчиком 9 фиксиру-
ют электрическое напряжение UBXl, равное напряжению UBx2, поступаю-
щему с выхода усилителя 7 на второй вход схемы сравнения. Затем
магнитную систему с находящимся в ее зазоре испытуемым магнитом
помещают в камеру, где ПМ подвергается воздействию соответствую-
51
Рис. 34. Функциональная схема установки с применением отрицательной обратной
связи по магнитному потоку
щих дестабилизирующих факторов, и намагничивают. На выходе ПХ
появится напряжение, которое, усиливаясь, поступает на второй вход
схемы сравнения и на вход усилителя тока, нагруженного на катушку
обратной связи. Ток, протекающий по катушке обратной связи, вызовет
магнитный поток, который в центре катушки направлен встречно потоку
испытуемого ПМ. Наличие отрицательной обратной связи по магнитному
потоку позволяет значительно снизить влияние нестабильности ПХ и
усилителя на результаты контроля. Действительно, на второй вход схемы
сравнения поступает электрический сигнал с напряжением
,. = К3К2К3Ф/5
Ubk2 1+KtK2KsP
(40)
где (3 — коэффициент передачи цепи обратной связи; К3 — коэффициент
преобразования ПХ; К2 - коэффициент пропорциональности; К3 -
коэффициент преобразования усилителя; Ф — поток ПМ; S — площадь
сечения магнитопровода в месте расположения ПХ. При ^|^2^s 1
Цзх2 =Ф/5Р-
(41)
Таким образом, напряжение сигнала, поступающего на вход схемы
сравнения, не зависит от нестабильности ПХ. Кроме того, нетрудно обес-
печить достаточно высокую стабильность (3.
Рассмотрим, какое влияние на магнитное состояние испытуемого ПМ
оказывает поток катушки обратной связи. На рис. 35 изображена схема
замещения для рассматриваемого случая, где Foc — источник МДС, кото-
рым является катушка обратной связи; R2 = R2m + /?2g — магнитное
сопротивление внутреннего для катушки участка цепи, являющееся
суммой магнитных сопротивлений зазора /?2g площадью S2 и участка
магнитопровода R2m; Ri - /?iM + Rj g — магнитное сопротивление участ-
52
ка магнитопровода площадью S,. который является для катушки внеш-
ним участком; RM — магнитное сопротивление ПМ; R& — магнитное
сопротивление зазора между ПМ и магнитопроводом; Rs — магнитное
сопротивление рассеяния; Фм — магнитный поток ПМ. С учетом коэф-
фициента рассеяния, значение которого определяется размерами ПМ,
размерами зазоров и конструкцией магнитопровода, Фм = сгФ (где а —
коэффициент пропорциональности). Если принимать во внимание, что
магнитная проницаемость материала магнитопровода на несколько по-
рядков выше проницаемости воздуха, доля потока Фм, проходящая через
центральную часть катушки обратной связи, будет равна
ф2м = фм----- (42)
1 + Sj IS2
Нетрудно получить уравнение для расчета значения размагничивающего
потока Фр катушки обратной связи в основной магнитопровод;
фр = FOiCRt/[R2 + R3R, {R3 + Я,)] (Яэ + Rt), (43)
где
/?э = (RM + /?§) RS/(RM +RS + Rs).
На основании того, что при условии полной компенсации поток в
центре катушки равен нулю, с учетом равенств (42), (43) получим:
фр =ф2м/(1 + S,/S2)(1 + R3/Rl). (44)
С учетом равенства (44) определим напряженность размагничивающего
поля, действующего на испытуемый ПМ:
и -о 1___о _________________]_____________________ (45)
Р Ма * <1 +$1/$2>И + *3/«1)[1 + "
Например, в установке Si/S2 =40. В зависимости от длины ПМ R3/R\ =
= 104-30; О! =0,54-0,8; Rs/(Rm + Rft) = 0,44-0,7. Установка предназначена
для контроля магнитных свойств феррит-бариевых (феррит-стронциевых)
ПМ. Из уравнения (45) получим Нр = 0,124-0,39 кА/м, что составляет
менее 0,2 % номинального значения коэрцитивной силы по индукции (для
материала 28СА250 Нсв = 2404-250 кА/м).
При использовании пленочных ПХ отношение R3/R\ может быть значи-
тельно увеличено и, следовательно, значение Нр еще более уменьшится.
Применение ферромагнитных ПХ позволяет вообще свести значение Нр
практически к нулю.
Проанализируем, какое влияние на работу системы обратной связи по
магнитному потоку оказывает зависимость абсолютной магнитной про-
ницаемости материала магнитопровода от значения магнитной индукции
Ра = Лб).
При полной компенсации поток в центре катушки равен нулю, т.е.
магнитное сопротивление /?2 не зависит от значения . Изменение пото-
ка Фм ПМ партии одного типа и размера не влияет на значение RM, поэто-
му на основании (43) можно записать
о,с
ф- =ПЯ1) =
Я|
RI + Ri
R2 +
ЯЭЯ 1
«э + fli
(46)
53
Разложим правую часть равенства (46) в степенной рнд, ограничиваясь
при этом первой производной.
F О.С + о,с
-ф .Лф----= + АЯ«’ +^ф(«|)ДФ =
= f(R) +
я2 R\R3(R3+R2} + 2RtR23R2
7 1 ф J -------------------2" В | Лч^Ф.
(flj+fij) [«, + Ri(R2+R3) +ЯэЯ2] Ф
(47)
Нетрудно заметить, что с увеличением потока Фм отношение FoС/Фм
будет возрастать в том случае, если производная Я’ <0. Это означает,
что сопротивление внешнего участка магнитопроводгг с увеличением Фм
повышается, т.е. магнитная проницаемость материала магнитопровода
уменьшается. Для этого необходимо, чтобы состояние материала внешнего
для катушки обратной связи участка магнитопровода (см. рис. 34) харак-
теризовалось положением точки на отрезке убывания функции ра = /(Я).
Таким образом, при контроле ПМ для номинального значения потока
ПМ индукция материала внешнего участка магнитопровода (с сопротивле-
нием ) должна находиться в пределах
В = (1,1 4- 1,3) fi0, (48)
где Во — индукция, соответствующая максимуму функции да = f(B).
При выполнении этого условия всегда будет выполняться неравенство
Ф(/Ф2 <UJU2, где Ф1 и Ф2 — магнитные потоки двух испытуемых ПМ;
U{, U2 — соответствующие им напряжения электрических сигналов на
выходе измерительного блока. Следует подчеркнуть, что наличие нелиней-
ной отрицательной обратной связи позволяет усилить неравенство маг-
нитных потоков.
В описанной установке в качестве материала для внешнего участка
зазора магнитопровода, в котором размещена катушка обратной связи,
применена листовая электротехническая сталь марки 1511. При этом
S| =12 см2, S2 =0,3 см2. В качестве преобразователя применен ПХ типа
Х201. Введение отрицательной обратной связи по магнитному потоку
позволило приблизительно в 40 раз уменьшить влияние нестабильности
параметров ПХ на коэффициент преобразования измерительного блока
установки.
Таким образом, для стабилизации коэффициента преобразования из-
мерительного блока установок для контроля магнитных свойств ПМ
целесообразно применять отрицательную обратную связь по магнитному
потоку.
Глава пятая
ОТДЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ
И КОНТРОЛЯ ПМ
23. Измерительные преобразователи
Измерительными преобразователями называют средства измерений,
предназначенные для выработки сигнала измерительной информации в
форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки
и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюда-
телем?
При измерении магнитных величин первичные измерительные преобра-
зователи играют особую роль и зачастую определяют метрологические
характеристики средств измерений в целом. Последнее обусловлено тем,
что на их выходе сигнал измерительной информации представлен в фор-
ме тока, напряжения, количества электричества. В то же время достиг-
нутый уровень развития измерительной техники позволяет измерять зна-
чения электрических величин с гораздо более высокой точностью, нежели
преобразование величин магнитных в электрические.
В настоящее время в качестве средств для измерения и контроля маг-
нитных свойств ПМ применяются преобразователи, в основе которых за-
ложены три принципа измерения; электромагнитный, гальваномагнитный
и электродинамический.
Наибольшее распространение получили первые два.
Электромагнитные преобразователи основаны на явлении электромаг-
нитной индукции. К ним относятся индукционные элементы, содержащие
в качестве измерительного органа катушку, причем выходным сигналом
является либо ЭДС, наводимая при периодическом изменении магнитного
потока, пронизывающего катушку, либо количество электричества при
одноразовом изменении потока. К этому классу относятся также магни-
томодуляционные преобразователи (феррозонды).
Индукционные измерительные преобразователи широко применяются
при измерении коэрцитивной силы магнитных потоков и других магнит-
ных параметров. Большое распространение в промышленности получили
установки, в основу работы которых положен электромагнитный принцип.
С помощью этих установок определяются статические магнитные характе-
ристики образцов МТМ и другие магнитные величины.
В коэрцитиметре на основе соленоида измерение напряженности раз-
магничивающего поля производится по значению тока в катушке солено-
ида. Заключение о значении условной коэрцитивной силы Нс производит-
ся по значению тока в намагничивающей обмотке в момент равенства ну-
лю намагниченности материала. Необходимо отметить две особенности,
присущие измерениям коэрцитивной силы с помощью соленоида.
Во-первых, в коэрцитиметрах типа соленоид измеряется всегда услов-
ная коэрцитивная сила испытуемого ПМ.
Вторая особенность коэрцитиметров на основе соленоида связана с
тем, что результаты измерения Нс зависят от того, в каком месте распо-
ложен измерительный преобразователь намагниченности. Последнее обус-
ловлено как неоднородностью материала, так и неоднородностью магнит-
ного состояния по объему ПМ. Поэтому при измерении условной коэр-
цитивной силы необходимо оговаривать условия, при которых происхо-
дят измерения.
55
Рис. 36. Схема измерения условной коэрци-
тивной силы ПМ в установке типа солено-
ида
Рис. 37. Конструкция индуктора (а), схема ис-
точника питания (6)
На рис. 36 схематически изображено устройство коэрцитиметра типа
соленоид.
Коэрцитиметр состоит из соленоида 7, испытуемого ПМ 2, измеритель-
ной катушки 3, реостата 4, источника постоянного тока 5, баллистическо-
го гальванометра 6. Испытуемый ПМ намагничивается до состояния тех-
нического насыщения (многополюсные ПМ намагничиваются как двух-
полюсные) . Затем ПМ помещают внутрь соленоида таким образом, что из-
мерительная катушка охватывает его нейтральное сечение. Постепенно
увеличивают ток в обмотке соленоида и совершают колебательные движе-
ния измерительной катушки относительно нейтрального сечения ПМ до
тех пор, пока стрелка баллистического гальванометра не перестанет откло-
няться. О значении условной коэрцитивной силы судят по значению напря-
женности размагничивающего магнитного поля в соленоиде, равному
произведению тока в обмотке на постоянную соленоида.
На рис. 37,а изображена магнитная система (индуктор) установки для
измерения магнитного потока четырехполюсного роторного ПМ. Индук-
тор состоит из магнитопровода 7, последовательно включенных катушек
намагничивания 3, последовательно-согласно включенных измерительных
катушек 4, немагнитной втулки 5, испытуемого ПМ 2. На рис. 37,бизоб-
ражена схема установки для измерения магнитного потока ПМ.
В установку входят ЗУ — зарядное устройство, К\, К2, К3 — ключи,
С — накопитель (батарея конденсаторов); Z.H, 7.и — катушки намагничи-
вания и измерительная, Г — милливеберметр. Измерения проводятся в
следующей последовательности: ПМ 2 помещается в индуктор 7, замы-
кается ключ /<1, при этом заряжается накопитель С, после размыкания
ключа К2 и замыкания ключа К3 через обмотку намагничивания £н про-
исходит разряд накопителя и ПМ намагничивается импульсным полем.
Состояние материала ПМ будет определяться размерами немагнитного за-
зора, создаваемого втулкой 5. Переключателем К замыкают контакты
7 и 2 и выдергивают испытуемый ПМ из индуктора. Стрелка милливебер-
метра отклоняется на число делений, пропорциональное сумме магнит-
ных потоков, отдаваемых ПМ в каждый из полюсов магнитной системы
под действием ЭДС, наведенной в катушке
56
На гальваномагнитном принципе измерения основаны ПХ и преобразо-
ватели, работа которых основана на использовании магниторезистивного
эффекта (эффекта Гаусса).
Физика работы ПХ подробно описана в литературе. Кратко сущность
ее заключается в следующем. На выходных холловских электродах ПХ,
помещенного в магнитное поле с индукцией В, возникает электричес-
кий сигнал с напряжением! U = К!В, где / — ток питания ПХ, К — коэф-
фициент чувствительности ПХ, В — проекция вектора В на нормаль к плос-
кости пластины ПХ. Произведение S = К/ном (гДе 'ном — номинальное
значение постоянного тока питания данного типа ПХ) называют коэффи-
циентом преобразования ПХ.
Наибольшее значение коэффициента преобразования имеют преобра-
зователи, изготавливаемые из полупроводниковых материалов. Разли-
чают монокристаллические и пленочные ПХ.
ПХ являются наиболее премлемыми при измерении параметров векто-
ра магнитной индукции, что объясняется небольшими размерами чувст-
вительной площади ПХ, а также направленностью чувствительности, от-
сутствием ферромагнитных элементов в конструкции полупроводнико-
вых ПХ. При измерении магнитного потока ПМ и образцов МТМ послед-
нее является недостатком, так как приводит к необходимости разрывать
магнитную цепь. Существенное уменьшение влияния этой составляющей
погрешности может быть достигнуто при использовании ферромагнитных
ПХ, изготавливаемых из пластин электротехнической стали [20]. Для
исследования магнитных свойств МТМ в лабораторных условиях может
быть также использован способ, основанный на измерении ЭДС Холла
непосредственно на противоположных боковых гранях образца, к вто-
рой паре граней которого подведены электроды, подключенные к источ-
нику питания.
Независимо от материала, из которого изготавливаются ПХ, на резуль-
таты измерения магнитных величин оказывают влияние следующие фак-
торы нестабильность чувствительности, нелинейность статической харак-
теристики, наличие неинформативных составляющих выходного сигна-
ла ПХ. Поэтому на выходе ПХ, помещенного в поле с индукцией В, появ-
ляется электрический сигнал
U=S (б) (1 + |) (1 ± Ao/S/б) В, (49)
где S (б) — коэффициент преобразования ПХ, значение которого в общем
случае зависит от б; S/ - коэффициент преобразования ПХ в режиме
заданного тока;
мультипликативная составляющая погрешности измерений; х = I, t, Т —
факторы, обусловливающие возникновение погрешности (ток питания,
временные изменения, температура и т.д.) ;
/х = г, Т '
До= V S (ЦЛ + I/-? + U^+U£)2 -
абсолютная аддитивная составляющая погрешности измерения; С/£э,
, Uy , U^, U* — напряжения неэквипотенциальности, Эттингсгаузена,
57
термо-ЭДС, внутренних шумов, наводок, зависящие от тока питания
/, времени t, температуры Т.
Неравенство нулю приведенной погрешности измерения приводит к
увеличению погрешности средств измерений в целом. Влияние U3, Uy
на результаты измерений может быть практически полностью устранено
при питании ПХ переменным током. Влияние l/щ, на результаты изме-
рений значительно уменьшается при питании ПХ переменным током с
последующей фильтрацией основной составляющей выходного напряже-
ния преобразователя.
Результаты исследований температурной стабильности коэффициента
неэквипотенциальности позволили сделать вывод, что на дрейф нуля ПХ,
помимо ряда других причин, наибольшее влияние оказывают неоднород
ность сопротивления материала по объему ПХ и его зависимость от темпе-
ратуры.
В Проблемной лаборатории ПМ МЭИ создан прибор, в котором погреш-
. ность, зависящая от U„3 — напряжения неэквипотенциальности, устраняет-
ся вращением ПХ в измеряемом поле. ПХ питается постоянным током.
При вращении ПХ полезный сигнал изменяется с частотой вращения,
а паразитный — остается постоянным. Однако эта схема не всегда пригод-
на для измерения индукции в малых зазорах магнитных систем установок
для контроля МС ПМ.
Представление ПХ в качестве несимметричного, неидеального четырех-
полюсника позволило коллективу сотрудников Института электродина-
мики АН УССР разработать меры по снижению влияния дрейфа нуля ПХ
на результаты измерений. В схемах питания ПХ с временным разделением
к источнику питания по очереди подключаются токовые и холловские
электроды, а к входу измерительной схемы — соответственно холловские
и токовые. При наличии в измерительной схеме фильтра погрешность за
счет дрейфа нуля ПХ может быть сведена практически к нулю.
Мультипликативная составляющая погрешности обусловливается не-
стабииьностью коэффициента передачи измерительной схемы, в том чис-
ле нестабильностью коэффициента преобразования ПХ. Погрешность
за» счет нестабильности коэффициента преобразования ПХ при условии,
что обеспечена достаточно высокая стабильность тока питания, зависит
в основном от температуры ПХ. Ниже приведены значения температур-
ного коэффициента ЭДС, % • °C-1, для некоторых типов отечественных
ПХ.
Х101 Х201 ХБ11 ДИГ-2С ДХК-74 ХАГ-П4
0.4 0,15 0,03 0,3 0,15 0,3
Магнитоизмерительная аппаратура в условиях производства (например,
на литейно-термическом участке) находится под воздействием изменения
температуры окружающей среды в диапазоне от 10 до + 50°C. Это при-
водит к тому, что температурный коэффициент ЭДС может меняться
у монокристаллических ПХ в зависимости от типа от 1,2 до 16%. Возни-
кает актуальная проблема нейтрализации температурной зависимости ко-
эффициента ЭДС, так как расширение сферы применения ПМ в науке
и технике поставило задачу контроля их свойств в очень широком диапа-
зоне температур, границы которого лежат значительно ниже 0 и выше
100°С. Задача стабилизации чувствительности ПХ решается специалиста-
ми по-разному. В магнитоизмерительном приборе Е11-3 ПХ помещен в
58
термостатированный зонд, габаритные размеры которого довольно вели-
ки, что не всегда приемлемо. В Проблемной лаборатории ПМ МЭИ раз-
работан компенсационный измеритель магнитных полей с измерительным
и компенсационным ПХ [21]. Применение этого технического решения
позволяет значительно снизить влияние нестабильности ПХ, если они нахо-
дятся в одинаковых температурных условиях, что, однако, не всегда воз-
можно. В Институте электродинамики АН УССР разработан магнитоизме-
рительный прибор, в котором на ПХ действуют два поля: измеряемое
и высокостабильное дополнительное. Примененное техническое решение
позволяет снизить влияние дестабилизирующих факторов на результаты
измерения при условии, что дополнительное и основное поля распростра-
няются в однородной среде, т.е. в воздухе. В установках же для контроля
ПМ ПХ обычно находится в неоднородной среде, в зазоре магнитопровода.
На основании результатов научно-исследовательских работ, проведен-
ных в ряде ведущих в области магнитных измерений организаций, следу-
ет вывод, что одним из наиболее перспективных методов снижения вли-
яния нестабильности чувствительности ПХ на результаты снижения яв-
ляется применение систем с отрицательными обратными связями.
24. Основные режимы, питания преобразователей
Холла (ПХ)
В большинстве автоматических и полуавтоматических установок для
магнитных измерений в качестве первичного преобразователя применяют-
ся ПХ. Поэтому оптимизация режима их работы заслуживает определен-
ного внимания [22].
Питание ПХ может осуществляться как постоянным, так и переменным
синусоидальным или импульсным-током. Применение постоянного тока
связано со сложностью построения усилителей постоянного тока с высо-
кими метрологическими характеристиками. Поэтому, как правило, в
промышленных приборах отечественного и зарубежного производства
ПХ питаются синусоидальным током.
Установлено, что эффективным способом повышения отношения "сиг-
нал Холла—шум" является введение в канал усиления выходного напря-
жения ПХ избирательного элемента. Поэтому при питании ПХ током,
изменяющимся во времени по гармоническому закону, требуется исполь-
зование генератора синусоидальных колебаний, высокостабильных как
по амплитуде, так и по частоте. Проведенные исследования амплитудной
6 А и частотной нестабильности 5 со однокаскадного ЯС-генератора с мос-
товым фазовращателем показали, что у схем с тщательной подборкой
элементов при Изменении температуры окружающей среды от 20 до
40 °C за время работы 1000 ч, с доверительной вероятностью 0,997 величи-
ны & А < 11,37%, 6 со < 1706% [23]. Применение генераторов с автомати-
ческой подстройкой частоты существенно усложняет приборы.
Источники прямоугольных импульсов обеспечивают стабильные им-
пульсы по амплитуде и длительности в диапазоне рабочих температур
при более простых схемных решениях, так как транзисторы в них рабо-
тают в режиме насыщения. Так, например, импульсные генераторы с мос-
товыми времязадающими элементами обеспечивают нестабильность дли-
тельности импульса 6т < 0,22 4- 0,35% при изменении температуры A t =
= 20°С. Однако питание ПХ импульсами тока прямоугольной формы не
нашло широкого применения в связи с трудностью компенсации квадра-
59
турных составляющих напряжения неэквипотенциальности и сложностью
построения линейных схем импульсных усилителей.
Эти недостатки устраняются введением в канал усиления напряжения
Холла избирательного элемента, настроенного на частоту первой гармони-
ки тока, питающего ПХ.
Известно, что любой периодический сигнал, в том числе и перирдичес-
кая последовательность однополярных прямоугольных импульсов, может
быть представлен суммой гармонических составляющих и постоянной
составляющей. Причем уровень составляющих зависит от скважности
импульсов /V = Т!т, где Т — период, т — длительность импульса (рис. 38):
А о оо оо
Sn (t) = — + Z Ап cos nut + Z Bn sin nut;
2 n = 1 n = 1
2 T
An- — J f (t) cos GJtdt, w=2n/t,
T 0
(50)
Bn^ 0, так как функция / = fit) —четная.
Рассмотрим составляющую с частотой со
2 Т j 7"/2
А, =— f f (г) cos соГ dt= — f /(г) cos <of dt. (51)
Г ° Т—Т!2
Решение этого уравнения дает результат
Д] =----sin —. (52)
7Г
Возможны два варианта питания ПХ прямоугольными импульсами:
однополярными и разнополярными симметричными. В первом случае
через ПХ протекают не только гармонические, но и постоянная составля-
ющая импульсов тока питания. Во втором — на ПХ поступают только пе-
ременные составляющие тока питания, что осуществляется применением
блокировочного конденсатора или трансформатора во входных цепях ПХ.
Рассмотрим эти варианты.
Если через ПХ протекают переменная и постоянная составляющие им-
пульсов тока Питания (рис. 39,а), то можно повысить чувствительность
прибора, увеличивая амплитуду импульсов при соответствующем увели-
чении скважности:
! и ! 1 ном —
(53)
где /и — амплитуда импульса тока; /Ном — номинальное значение тока пи-
тания; N — скважность импульсов.
На основании равенств (51) и (52) получаем:
А, =
1Г
sin —.
N
(54)
Определим значение Л/, при котором амплитуда первой гармоники
Ai (Л/) максимальная. Максимум Ai имеет место при А\ (/V) =0:
60
Рис. 33 Импульсы питания ПХ
Рис 39. Возможные варианты питания ПХ
а — однополярными импульсами тока;
б — двухполярными; в — током, изменяю-
щимся во времени по гармоническому закону;
ГПИ — генератор прямоугольных импульсов;
Ф — фильтр; ИБ — измерительный блок
А\ (М = —— ( — — sin —
л I 2 /V N
—у xJN cos — I = 0.
N2 Л/ /
(55)
Уравнение (55) — трансцендентное. Равенство удовлетворяется при зна-
чении N = 2,69535 Rs 2,7. При этом значении амплитуда первой гармоники
тока питания ПХ будет равна:
2 /uqm 2,7 * л
А, (2,7) = ----------- sin ~ « 0,96/ном. (56)
Л 2,7
Максимальное напряжение на выходе ПХ, помещенного в магнитное
поле с индукцией В,
Ux 1 = IBK = 0,96/ном ВК, (57)
где — чувствительность ПХ.
Рассмотрим вариант питания ПХ только гармонической составляющей
импульсов (рис. 39,6). При этом мощность, рассеиваемая на ПХ, будет
пропорциональна разности между полной мощностью импульсов тока и
мощностью постоянной составляющей:
/2 2 \
^П X = К I — - —г) = K'l (58)
\ /V N2/ N
Для работы ПХ в номинальном режиме необходимо, чтобы
/ном=/и (/V-D//V2; /и= /ном Л//(Л/-1)
Таким образом, амплитуда первой гармоники тока питания ПХ будет
Нетрудно показать, что амплитуда первой гармоники масимальна при
Л/Опт=2.
Полученный результат очевиден, так как максимум амплитуды первой
гармоники знакопеременных периодических прямоугольных импульсов
61
Рис. 40. Зависимость первой гармоники от скваж-
ности
Рис. 41. Структурная схема измерительного устройства:
ЗН — задатчик напряжения; ПУ — предварительный усилитель; УМ — усилитель
мощности; В — выпрямитель; УО — усилитель ошибки
имеет место при полной симметрии кривой как по знаку, так и при равен-
стве паузы ширине импульса, т.е. при скважности, равной двум (Л/ =2).
Тем не менее ценность полученного уравнения (59) заключается в том,
что оно позволяет определить зону максимальных амплитуд в допусти-
мых пределах.
Определим амплитуду первой гармоники тока питания ПХ
, ,. 2/ном 2 . тт . ____,
<Л/опт» — Т— । ~ 1'27/ном
7Г х/2 - 1 2
(60)
Максимальное напряжение на выходе ПХ, помещенного в магнитное по-
ле с индукцией В. будет:
Ux 2 = 1ВК = 1,27 1НОМВК.
(61)
Сравнивая результаты уравнений (57) и (61), находим, что при про-
чих равных условиях С/х2 =1,32 Uxl.
На рис. 40 изображена зависимость амплитуды первой гармоники
А ! (Л/) от скважности N. аналитически выражаемая формулой
M(N) = At (Л/) Mj (Л/Опт) = At (Л/) М, (2,7).
(62)
Из этого рисунка следует, что максимум амплитуды первой гармоники
заметно не изменяется при изменении скважности прямоугольных импу-
льсов от 1,6 до 2,6.
На рис. 41 изображена функциональная схема измерительного устройст-
ва, у которого питание ПХ осуществляется током, изменяющимся во вре-
мени по гармоническому закону, причем в качестве задающего генерато-
ра используется - генератор прямоугольных импульсов (см. рис. 39,в).
62
В этом случае
Ux3 =1.41 /ном ВК, (63)
т.е. ихз в 1,11 раза больше, чем (/х2,и в 1,66 раза больше, чем Uxl.
Специфическим источником погрешности, принципиально присущим
рассматриваемым вариантом построения функциональной схемы питания
ПХ магнитоизмерительного прибора прямого преобразования, является
разница ДА между резонансной частотой фильтрующего элемента измери-
тельного канала и основной гармоники тока питания ПХ. В качестве филь-
трующих элементов могут применяться четырехполюсники, нормирован-
ная частотная характеристика которых
XU) = 1 /VI , (64)
где £ = ДА/ДА*; ДА* = — половина полосы пропускания фильтра.
Нетрудно получить в этом случае уравнения для расчета абсолютной
Д5 и относительной 8S погршеностей чувствительности, обусловленных
значением ДА.
Для схем, изображенных на рис. 41,а, б,
Д$= S (1-/(£)]; (65)
8S= AS/S= 1 — и(£). (66)
где S — коэффициент преобразования прибора до выхода фильтрующего
элемента.
Для схемы изображенный на рис. 39, в
Д5 = 5(1-и2(?Н; 1 |67)
8S=1-y2(£). ]
Уравнения (65) — (67) позволяют на стадии эскизного проектирования
по заданной составляющей погрешности измерения рассчитать максималь-
но допустимое значение ДА с учетом конкретных значений добротности
фильтрующего четырехполюсника О и его резонансной частоты Ао.
Как уже было упомянуто, нетрудно обеспечить относительную неста-
бильность длительности и период следования прямоугольных импульсов
при изменении температуры от 20 до 40 ° С
6 Т< 0,22 4- 0,35%.
Следовательно, настроив генератор при температуре окружающей сре-
ды 30°С, можно обеспечить в диапазоне температур 10 — 50°С значение
5 Т < 0,21 = 0,35%. Это позволяет получить относительную нестабильность
частоты тока питания ПХ 5 А < 0,21 = 0,35% в том же температурном диа-
пазоне, что в 3 — 5 раз меньше, чем нестабильность частоты однокаскад-
ного R С-генератора
Известно, что относительная нестабильность резонансной частоты ак-
тивного /?С-фильтра в наихудшем случае равна сумме половин нестабиль-
ностей параметров элементов фильтра. При температурных коэффици-
ентах ТКС резисторов и ТКЕ конденсаторов не более 1,2 10"2 % • °C-1
нестабильности резонансной частоты фильтра с пятью элементами (в ука-
занных выше температурных условиях) будет не более \/ (0,6 10”2)2 х
х 5 20 = 0,27%. Возможна разница между частотами тока питания и ре-
63
зонансной
6 f = y/bfl+bf2^ = х/ (0,21 • Ю-2)2 + (0,27 10-2)2 = 0,332 10-2;
-SX = 1 -y(£) = 1 - l/x/1 + £2'.
При £ = Д/7Д f’ = 06/=20 -0,332 -102 =6,64 -10-2 SR = 22 IO-4 =
= 22 10" 2 % =0,22%.
При тех же условиях применение в качестве задающего ЯС-генерато-
ра приведет к появлению погрешности до ЬК 4%.
Для стабилизации амплитуды тока питания ПХ в блок питания измери-
тельного прибора должна вводиться система автоматического регули-
рования (рис.4.1) . Это позволяет стабилизировать амплитуду тока питания
ПХ.
Таким образом, на основании изложенного можно сделать следующие
выводы:
1) применение в качестве задающего сигнала прямоугольных импуль-
сов со скважностью два и последующей фильтрацией основной частоты
позволяет существенно упростить решение задачи стабилизации частоты
тока питания ПХ;
2) для стабилизации амплитуды тока питания ПХ целесообразно ис-
пользовать схемы с автоматическим регулированием;
3) при выборе значения добротности фильтров необходимо принимать
во внимание возможные расхождения частот тока питания и резонансной
и настраивать блок питания и измерительный блок при температуре,
средней относительно крайних значений допустимого диапазона темпе-
ратур.
25. Регулируемый стабилизированный источник тока
При измерении магнитных свойств ПМ для создания стабильных раз-
магничивающих магнитных полей в рабочих зазорах магнитных систем
измерительных установок требуются регулируемые стабилизированные
источники постоянного тока (СИПТ). Применяемые в настоящее время
электромашинные преобразователи с реостатным регулятором, а также
дестабилизированные электронные выпрямители не обеспечивают стабиль-
ности тока. Наиболее предпочтительны стабилизаторы тока, у которых
в качестве регулирующих элементов применяются тиристоры.
Рассмотрим тиристорный СИПТ, функциональная схема которого
изображена на рис. 42.
В схему входят: 1 — силовой трансформатор; 2 — фазоуправляемый
выпрямитель; 3 — фильтр, Ro c — сопротивление обратной связи, вклю-
ченное последовательно с нагрузкой 4; 5 — генератор линейно изменяю-
щегося напряжения ГЛИН; 6 — компаратор; 7 — генератор импульсов
запуска; 8 — интегрирующий усилитель; 9 — сумматор; 10 — корректи-
рующее звено; 11 — задатчик.
Работает СИПТ следующим образом (рис. 43). В момент перехода се-
тевого напряжения через нуль с выхода генератора линейно изменяющего-
ся напряжения 5 на первый вход 6 поступает напряжение и$, на второй
иъ, пропорциональное разности между током в нагрузке и заданным.
При и$ =и% компаратор 6 изменяет свое состояние, запуская напряжением
и6 генератор 7. Генерация срывается в конце каждого периода сетевого
напряжения, когда компаратор возвращается в исходное состояние.
64
Рис. 43. Осциллограмма напряжений на выходе
блоков источника размагничивающего тока
tz,
Рис. 44. Структурная схема источника тока
Рис 45. Корректирующее зве-
но
Изменение угла включения части полупериода сетевого напряжения,
когда тиристоры находятся в проводящем состоянии, зависит от значения
выходного напряжения и8 усилителя 8, т е. в данной схеме имеет место
отрицательная обратная связь, благодаря которой ток в нагрузке опреде-
ляется только напряжением задатчика 11. Запуск тиристоров серией им-
пульсов применен для, обеспечения их надежной работы на индуктивную
нагрузку.
Для анализа основных свойств источника преобразуем структурную
схему (рис. 42) в функциональную (рис. 44).
В схему входят элементы со следующими передаточными функциями:
ИЛ (р) =«ilp - интегрирующего усилителя, И/2 (р) = К7 - схемы управ-
ления, включающей ГЛИН, компаратор; 1Л/3 (р) = К3 — силового ключа,
включающего фазоуправляемый усилитель 2; И/4 (р) = К<JTp + 1 —
цепи нагрузки, учитывающей параметры фильтра, при этом Т =
где L н. Ян - индуктивность и активное сопротивление нагрузки; И/5 (р) =
= (Тэр + 1) / (КаТэр + 1) — корректирующего звена (рис. 45), при
этом коэффициент деления Ка = Н2/ (Я( + Я2), Гэ =СЙ; W6 (р) = RO с -
сопротивления обратной связи.
Таким образом, передаточная функция прямой цепи
К” I 1 к
и/(р) = -- К2К3 К4 —— = , (68)
Р Тр + 1 р ( Тр + 1)
65
где К = /<i 7^2 Кз «ц,ав цепи обратной связи
^о.с (р) ~ ^о,с^д
гэ₽ + i fx тзР + 1
— "о,с
КсТ3р Кс ТЭР + 1
(69)
где К"ОжС — НОжС «’д-
Передаточная функция замкнутой системы
1 + W{p) WOiC (р)
К ^о,с 7"эР + 1) (70)
р [Тр + 1) (Кс Т3р + 1) + ККО С {Т3р + 1)
Кроме традиционных технических требований к СИПТ (стабильность,
пульсация, диапазон регулирования и т.д.) к источникам, используемым
в установках для контроля магнитных свойств ПМ, предъявляется ряд
специфических: отсутствие перерегулирования при переходном процес-
се и возможно более короткое время переходного процесса. Первое
требование связано с тем, что при испытаниях ПМ по методикам, учи-
тывающим специфику их работы в условиях воздействия размагничиваю-
щих полей, недопустимо превышение тока в катушках электромагнита
заданного значения, так как размагничивающее поле, действующее на ПМ
в процессе измерения, должно иметь строго определенное значение. Вто-
рое требование связано со стремлением снизить затраты времени на из-
мерение свойств ПМ.
Условием отсутствия перерегулирования является отсутствие мнимых
частей у корней характеристического уравнения передаточной функции
(7(5).- Максимальное быстродействие обеспечивается при максимальном
значении ближайшего к началу координат полюса, что имеет место при
равенстве корней характеристического уравнения
р3ТТ3Кд + р2 (Г+ ТЭКД) +р (1 +ККО_С Тэ) + ХА(О>С= 0. (71)
В качестве времени переходного процесса Тпер возьмем время, за
которое разность между значениями токов в нагрузке и заданным умень-
шается до 5% от своего начального значения.
Тогда
т_________1_ . J____ _ 3
пер ~ 0 п 0 05 - р-
В этом случае
рэТТ3/<д + р2 [Г+Г3КД] + (1 +ККО'СТ3) +
+ KKOiC= (р + 0)3 = р3 + 3р20 + 3р02+ 03.
(72)
66
Для того, чтобы определить связи между параметрами структурной
схемы, составим и решим систему уравнений
КХ>,с= ЛЗ3/(30-1/7) ; 1
[KKOiC-V/KKOiC; I (73)
Кд Гэ= 1/(30-1/Г). ]
В системе уравнений (73) неизвестны 7, 7Э, Кя. Ко,с- Для ее реше-
ния необходимо задаться значениями трех неизвестных.'
Величину 7пер выбираем, учитывая требования к быстродействию.
Как правило, 7 = L^IR* и определяется при расчете магнитной системы
установки. Величины Кя и Ко с следует выбирать так, чтобы сигнал об
ратной связи не ослаблялся, Кя =0,9 + 0,7. Яо с выбирается таким, что-
бы при максимальном токе нагрузки /н = 1цтах- Напряжение UpQ =
= Яо,с^н определяется выходным напряжением задатчика.
На практике истинные.значения параметров элементов всегда отлича-
ются от рас етных, поэтому определенное значение имеет исследование
влияния, оказываемого на переходный процесс отклонениями от номи-
нальных значений величин 7Э, Кя, К. Для этого приведем к нормальному
виду характеристическое уравнение
аор3 + atp2 + а2р + а3 = О,
где а0 = ТТЭКЯ; at = Т+ ТЭКЯ; а2 =1 + ККО:СТ; аз =ККО с.
Введя q =р \J.a0.fa2 = p/Sl0, где Г20 = 3\/а 31а^, получим
q3 + Aq2 + Bq+ 1 = 0, (74)
где А = а^ / а3 = а^ /\J а о а3*; В =а2 Г2о /а3 —а2 / \/ а^ а 3.'
А, В — параметры Вышнегородского.
Условие оптимальности переходного процесса А = В = 3. При этом
9i =q2 =9з =- 1. (q+1)3=0.
Из уравнения (74) нетрудно показать, что при заданной постоянной
времени нагрузки увеличение значений 73 по сравнению с оптимальным
не приводит к возникновению перерегулирования.
Рассмотрим, какое влияние оказывает сглаживающий фильтр на пере-
ходный процесс в системе.
Параметры элементов L С-фильтра определяются по требуемому коэф-
фициенту фильтрации Кф и коэффициенту фильтрации нагрузки Кф,н:
^ф,ф ^ф/^ф,н>
Кф ф — коэффициент фильтрации фильтра.
Пусть ток в нагрузке изменится в пределах /н =5 -г 10 А. Средне вып-
рямленное значение напряжения 1/ср = /НЯН =40 80 В при Ян =3 Ом.
Пусть Ucp = 90 В при значении угла включения тиристоров у5 = 30°.
Тогда с учетом значения у5 среднее значение напряжения, подводимо о
к диагонали тиристорного моста (кривая 7, рис. 46),
Ua= Ucp (<р0) К'1 = (/ср (<р =30°> = 84,2 к 85 В.
67
Рис. 46. Зависимость коэффициента первой гармони-
ки 1 и коэффициента пульсации 2 от угла включе-
ния <р
Примем Ua = 90 В (Кс — коэффициент средне вы прямленного значения
напряжения).
Определим значение уз, при котором Ucp =40 В:
t-/cp('P— *) _ UCpi\p — 30°) Umin Q 95 — Q 47
ua ua umaK '80
иа
По графику 7 определяем уз = 100°.
Коэффициент пульсаций Кп имеет максимальное значение 1,5 при уз =
= 100° (см. кривую2).
При допустимом значении коэффициента пульсации 7<п,доп =0,1% ко-
эффициент фильтрации Кф > 1,5/103 =1500.
Нагрузкой СИПТ является катушка намагничивания с коэффициентом
фильтрации /<фК. При Як =8 Ом, LK =1 Гн
Хф.к = V«k+ (глш£н)2/Як = 80.
Для обеспечения Кф = 1500 необходимо ввести сглаживающий фильтр
с Кжф =1500/80 « 20.
Для Г -образного L С-фильтра
Дф > RK/a, где а= (т2 — 1) znco/2 = 3 • 2 314/2 = 942.
L ф >8/942 «0,1 Гн; LC^ 10/Гф/т2; С = 10 • 20/0,1 • 4 =500 мкФ.
Для Г-образного сглаживающего L С-фильтра переходная характерис-
тика
h (Г) = 1 +
1 е - R t / 2 L
y/lLC) - (Я/2С.)2’
X
X sin [7(ДО-1-(Я/2С)2'г-ф] =
= 1 + -7- 1 =; е"25 f sin К/25000 - 625 t -ф].
V25000 - 625
При условии, что параметры элемента фильтра находятся в следующих
диапазонах значений: С = 2000 = 8000 МкФ, L = 0,005 = 0,1 Гн, Я =0,054-
10 Ом, переходный процесс имеет колебательный характер со сравни-
тельно большой частотой (со = 110 =10000), малым перерегулированием
68
(о = 0,01 v 0,8%) и большим коэффициентом затухания (6 =2,5 -г 100).
А это значит, что при Гпер = 1 с фильтр практически не влияет на переход-
ный процесс системы в целом.
Г лава шестая
СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЙ ТОПОГРАФИИ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
26. Распределение индукции в воздушных зазорах
наиболее распространенных магнитных систем
электрических машин с ПМ
Проблема эффективного использования ПМ в магнитных системах изделий элект-
ротехники, главным образомв электрических машинах, не может быть успешно реше-
на без тщательного изучения распределения в них магнитных полей На рис. 47 изоб-
ражены наиболее распространенные магнитные системы электрических машин с ПМ
и показаны примерные пути магнитных потоков в простейшем случае, когда отсутст-
вует реакция якоря Из рисунков видно, насколько трудно учесть теоретически воз-
можные пути рассеяния магнитных потоков при расчете и конструировании машины
с минимальными габаритными размерами ПМ, особенно при использовании ПМ из
дорогостоящих МТМ. Машины с применением ПМ из традиционных материалов кон-
струируют в большинстве случаев, опираясь на опыт, интуицию и метод экспери-
ментальных проб.
При конструировании машин с применением дорогостоящих высокоэффектив-
ных ПМ, например, из сплавов SmCoj малейшие ошибки могут привести к неоп-
равданному удорожанию машины и излишнему расходованию дефицитных материа-
лов.
Рис. 47. Магнитные системы элект-
рических машин с ПМ
69
Рис. 48. Распределение индукции в зазоре
магнитной системы
-0,5 -0,3 -0,1 0 0.1 0,3 05171
Вопросу исследования магнитных полей в воздушных зазорах электрических ма-
шин посвящена [23].
Магнитная система машины имитировалась с помощью электромагнита, имею-
щего один и два боковых стержня, верхнее и нижнее ярма. Для исследования были
выбраны прямоугольные образцы ПМ из сплава SmCO; с размерами / = 16 мм (в
направлении намагничивания), с = 17,4 мм (ширина ПМ), d = 21,2 мм (в направле-
нии оси машины). Магниты устанавливались'между полюсными наконечниками
среднего стержня на неподвижный нижний наконечник так, чтобы ось ПМ совпада-
ла с осью стержня. Верхняя часть стержня могла перемещаться, образуя воздушные
зазоры между ПМ и полюсным наконечником.
После определения магнитных свойств образцов устанавливался определенный
водушный зазор (6 =0,75 т- 10,0 мм) и измерялись знечения магнитной индукции
на поверхности верхнего полюсного наконечника, на средней линии полюса в точке
на оси полюса и ПМ z, а также в точках на осях к и у, расположенных слева и спра-
ва от оси г на расстоянии до 15 мм.
Поперечные сечения магнитной цепи, по которой замыкался поток ПМ, в 8 -
10 раз превышали сечение ПМ, следовательно, измерения индукции производи-
лись при ненасыщенной магнитной системе. *
Проведенные исследования позволили построить кривые распределения магнит-
ной индукции вдоль средней линии полюса ло ширина магнита для различных значе-
ний воздушного зазора и определить зависимость максимального значения индук-
ции на оси полюса от зазора.
Кривые распределения индукции по ширине ПМ и размеру по оси машины по
форме близки к трапецеидальным (рис. 48) . Несмотря на постоянный зазор между
ПМ и полюсным наконечником, горизонтальный участок в кривых сравнительно
четко выражен только при малых зазорах. Вследствие увеличивающегося рассеяния
к краям ПМ индукция начинает существенно падать уже на значительном расстоянии
от края.
В табл. 9 дано сравнение снижения магнитной индукции с увеличением воздуш-
ных зазоров для ПМ из разных сплавов. Видно, что для ПМ на основе РЗЭ индукция
снижается значительно меньше, чем для ПМ из других сплавов. Это не случайно,
если учесть, что коэрцитивная сила ПМ из SmCo$ 450 — 500 кА/м, а ЮНДК35Т5 —
120 кА/м.
Таблица 9- Уменьшение магнитной индукции с увеличением зазора
Марка сплава /, мм So. Тл ® /S о 7 5, %, при зазорах, мм
0,75 2 3 4 6 10
SmCos 16 0,73 100 85 74 65 49 31
ЮНДК35Т5 14 0,8 100 75 61 51 37 22
ЮНДК25БА 27 1,16 100 72 57 44 30 17
Примечан ре 0,75 мм. и е: Во — индукция при нулевом зазоре; Во ' г5 — индукция при зазо-
70
Полученные данные представляют определенный практический интерес. Однако
методы и средства проведения эксперимента слишком трудоемки, несовершенны.
Они практически не применимы в более сложных условиях (наличие реакции якоря,
его зубчатость и др.).
Ниже рассматриваются новые более совершенные методы и средства исследова-
ния топографии магнитных полей.
27. Средства измерения параметров вектора
магнитной индукции
При испытании электротехнического оборудования, в том числе и с применением
ПМ. зачастую необходимо знать картину распределения магнитного поля в рабочих
зазорах магнитных систем. С аналогичной задачей также сталкиваются специелисты,
занимающиеся разработкой новых типов ПМ и исследованием их свойств. Иногда
в процессе приемо-сдаточных испытаний требуется измерять параметры собствен-
ных полей рассеяния ПМ, по значению которых судят о пригодности ПМ. Для неко-
торых изделий с ПМ, например магнитных фокусирующих систем, необходимо
контролировать топографию магнитного поля в рабочем объеме системы. Коллек-
тивом сотрудников Проблемной лаборатории ПМ МЭИ разработан метод, позволя-
ющий контролировать распределение намагниченности внутри ПМ по значению па-
раметров его внешнего поля.
Для решения всех перечисленных выше технических задач применяются как се-
рийно выпускаемые приборы, так и ряд опытных разработок. В качестве первично-
го преобразования в приборах для исследования топографии магнитных полей мо-
гут применяться магнитомодуляционные и гальваномагнитные преобразователи.
Более предпочтительными из них являются ПХ, так как они имеют небольшие га-
баритные размеры.
Довольно широкое применение при исследовании топографии магнитных полей
нашел теслаамперметр типа Ф4354/1.
Работа этого прибора основана на применении монокристаллического ПХ типа
XI01. размещенного в торце измерительного зонда. Прибор имеет класс точности
2,5 и пределы измерения: 0,15; 0,3; 0,6; 1,5 Тл. К его недостаткам относятся: не-
высокая точность и необходимость контроля тока питания. Компенсационный тес-
ламетр типа Е11-3 имеет класс точности 1,5, однако габаритные размеры измеритель-
ного зонда у этого прибора довольно велики.
В Проблемной лаборатории ПМ МЭИ созданы приборы для измерения таких па-
раметров вектора магнитной индукции, как тангенциальная и нормальная состав-
ляющие, градиент. Приборы имеют класс точности 0,5, что достигается применением
отрицательной обратной связи по магнитному потоку и фильтрацией выходного
напряжения ПХ
В институте электродинамики АН УССР разработан ряд магнитоизмерительных
приборов с цифровой регистрацией и индикацией. Повышение точности измерения
магнитных полей с индукцией менее 0.001 Тл достигнуто за счет целого рада техни-
ческих решений, среди которых способ компенсации дрейфа нуля ПХ, схема кор-
рекций значений измеряемой величины по результатам измерения значения эталон-
ной и др.
Мегнитоизмерительные приборы типа "Векторомегр", разработанные авторами,
позволяют в точке плоскости, в которой расположен измерительный зонд, без из-
мерения его положения и без вычислений измерять тангенциальную и нормальную
составляющие в/у, Вт, модуль В вектора магнтиной индукции, а также угол </>
между вектором магнитной индукции и заданным направлением.
На рис. 49 приведена структурная схема прибора, где 1 — источник питания, ток
которого изменяется во времени по гармоническому закону; 2 — фазовращатель,
обеспечивающий поворот вектора тока на угол 71/2; 3 — измерительный зонд с
двумя перпендикулярно расположенными преобразователями Холла 4 (ПХ1) и
5 (ПХ2); 6 и 7 — ключи; 8 — сумматор; 9 — блок измерения модуля; 10 и 11 —
формирователи импульсов запуска; 12 — схема НЕ; 13 — схема И; 14 — триггер с
раздельным запуском; 15 — фильтр; 16 — индикатор.
71
Рис. 49. Структурная схема прибора
"Векторометр"
Рис. 50. Расположение ПХ1, ПХ2 в тор-
це измерительного зонда
Рис. 51. Выходные напряжения блоков прибора
Поперечное сечение щупа измерительного
зонда (рис. 50) имеет размеры 1,5X1,5 мм3.
В качестве датчиков применены монокристал-
лические ПХ типа Х510 с размерами пластины
0,7X0,7X0,15 мм3 В процессе измерения зонд 3
(см. рис. 49) располагается перпендикулярно
исследуемой плоскости таким образом, чтобы
нормаль к плоскости ПХ1 была параллельна
направлению отсчета угла ф. На рис. 51 пред-
ставлены временные диаграммы, иллюстри-
рующие работу прибора. На рисунке обозначе-
но: 04 (г) = Osin to t — напряжение на выходе
источника питания 1. о2 (t)= О cos <Ot —напря-
жение на выходе фазовращателя? (см. рис. 49).
Электрическое напряжение на выходе ПХ1 определяется равенством
од(т) = ВТКi /] sin СО t = Slfllcosip sin СО t.
(75)
а на выходе ПХ2
os(t) = В/у К2 >2 cos СО t = S Ifll sin cos СО t, (76)
где К], К2 — коэффициенты преобразования соответственно ПХ1, ПХ2.
В процессе настройки прибора всегда можно обеспечить условие
K1/1=K2/2=S. (77)
На диаграмме uj(r) изображено выходное напряжение сумматора, равное с уче-
том уравнений (75), (76)
из(0 = S IbIsin (G?t + ф). (78)
Отсюда видно, что закон изменения напряжения ug (г) содержит информацию как
о модуле вектора магнитной индукции, так и о его направлении в исследуемой точ-
ке. Для измерения составляющих вектора необходимо разомкнуть один из ключей.
В этом случае на выходе блока 8 появится электрический сигнал, амплитуда кото-
рого пропорциональна либо В?, либо В/у. Выходной сигнал блока 8 усиливается,
выпрямляется и поступает на вход индикатора.
Диаграммы Ojo(t), uji(r) отображают выходные напряжения формирователей
импульсов запуска 10. 11. Импульсы запуска появляются в моменты времени t10 =
= 2тгл/сои Гц = (21Гп — 1ф}/СО. При этом на прямом выходе триггера 14 появляются
импульсы напряжения oI4 (t) длительностью 7 = Гю — t|l =iplCO. Импульсное
72
Рис. 52 Зависимость погрешностей измерения
модуля, обусловленных неперпендикулярнос-
тью расположения ПХ и несовершенством
фазовращетеля
напряжение 014(f) с помощью фильтра 15 преобразуется в постоянное, значение
которого однозначно связано с углом между вектором магнитной индукции и задан-
ным направлением и регистрируется измерительным индикатором 16. Наличие в
приборе логических элементов И, НЕ "позволяет устранить неоднозначность резуль-
татов измерения при одновременном поступлении импульсов запуска с выходов фор-
мирователей 6, 7.
Представляет интерес анализ совместного влияния на точность измерения В/у Вг,
В, р следующих факторов: 1) нестабильность чувствительности ПХ S i = S (1 + 5S j),
S2 = S(1 + Ss2); 2) неперпендикулярность расположения ПХ (угол между ними
7Т
--— П); 3) смещение плоскости ПХ1 от оси ОУ на угол 7 и плоскости ПХ2 от оси ОХ
на угол р (рис. 52); 4) смещение центра ПХ1 относительно центра ПХ2 на отрезок
ОС длиной Д/ (выходное напряжение ПХ1 зависит от вектора магнитной индукции,
характеризующегося значениями модуля В (1+5в|) и угла у? + £±pi', 5) неортогональ-
ность векторов токов питания (сдвиг по фазе равен ~ — 0 )
В результате влияния перечисленных выше факторов на выходах ПХ и сумматора
появятся электрические напряжения щ (f), uj (t), u8'(t), отличающиеся от значений
и4 (f), us(t), u8(t):
u4(f) = S(1 + 6S ।) В cos(y) — /3) sin CO f ; (79)
u’s(f) = S(1 + 5S2) B(1 + 5В,) sin (fl+ у> + Дур — (3) costCO t - в ), (80)
c8(f) = SB[(1 + 5S|) cosy> — (1 + 5S2)(1 + 6b])'sin(fl + ip + A<^)sin01 sin CO t + (81)
+ SB(1 + 6s2l( 1 + 6fii I sin(fl+ у + Ду>]) cos0cos co f .
Разложив правую часть каждого из равенств (79) — (81) в степенной ряд и ограни-
чиваясь частными производными первого порядка, нетрудно получить значения
относительных погрешностей измерения величин Bpj. Вт, В и абсолютной погрешности
измерения Ду> при отличных от нуля значениях 6S i,8S2,bBi, Ду>|, /3, fl, в :
8BT=8St + (3 tgy>,
5Вд/ = 6S2 + 8Bt — ( Дф] + a— fl) ctg <p ;
5b = 7/ (5S1 cos y> — 0cos y?)2 + [( B\ + 5s2) sin <p + (fl+ Ду?]) cos уз) 2 ,
(1 + 6s2)(1 +5b2) sin(a+y> + Ду>] )cos0
Ду+ = arctg —-------------------------------------------------— у.
(1+5si )cos >p — (1+5s2)(1 +5b 1 )sin(fl+ y>* Ду>[) sin 0
73
Основные технические данные прибора "Векторометр"
Диапазон измерения модуля вектора магнитной индукции и
его составляющих. мТл................................. 0,5—1000
Диапазон измерения угла.............................. 0—360°
Приведенная погрешность измерения, %:
отдельных составляющих вектора индукции
на пределе 5 мТп ............................... 3,0
на остальных пределах...... ........... 2,5
модуля на пределе 5 мТл........................... 4
на остальных пределах....................... . 3
угла на всех пределах. . ......... ............. 3
Тип примененного ПХ.................................. ХЗЮ
Сечение измерительного зонда, мм...................... 1,5х 1,5
Рабочий диапазон температур, °C...................... 15—35
Напряжение питающей сети частоты 50 Гц, В............. 220
Габаритные размеры прибора, мм....................... 300х250х200
Масса, кг.............................. ............. 3
Приборы применяются для следующих целей:
исследований полей рассеяния ПМ на основе анизотропных ферритов и РЗЭ;
исследование полей в системах для намагничивания и термообработки ПМ;
промежуточного контроля магнитных свойств ферритовых ПМ после прессо-
вания.
28. Средства исследования топографии магнитных полей
в объеме магнитных систем
На рис. 53 изображен в декартовой системе координат вектор (лагнитной индук-
ции В. Вектор В может характеризоваться либо значениями трех ортогонапьныхсос-
тавляюших, либо значениями модуля В и углов а, (3. На рис. 54 изображена структур-
ная схема прибора, позволяющего без изменения положения измерительного зонда и
без дополнительных вычислений измерить параметры вектора магнитной индукции
объемах исследуемых магнитных систем.
Схема содержит источник 1 питания датчиков Хоппа, измерительный зонд 2 с ПХ
3—5; ключи 6—8 и сумматоры 9 и 10, фазовращатели 11 и 12; нуль-компараторы
13 и 14, триггер 15, фильтр 16 первой гармоники; измерительный блок 17, состоя-
щий из усилителя 18, выпрямителя 19 и индикатора 20; элемент И 21 на два входа,
логический блок 22, состоящий из триггера 23, ждущих мультивибраторов 24 и 25,
элемента 26 ИЛИ-HE на два выхода; координатный
стенд 27, переключатель 28. ключ 29, сумматор на
три выхода 30. формирователи импульсов запуска 31,
32, элементы НЕ (34) и И (35), триггер 36, фильтр 37,
измерительный прибор 38.
Устройство работает следующим образом.
Источник 1 тока питания создает в ПХ 3 ток,
мгновенное значение которого
'] ~ Im s,n ОЭ t.
(82)
где !т — амплитуда тока; <й— частота тока.
Рис. 53. Вектор магнитной индукции В и его состав-
ляющие
74
1
28
Рис. 54. Структурная схема прибора для измерения вектора магнитной индукции и
его составляющих
На выходе ПХ 3 появляется напряжение
u1 = Klslcosftsin (3 lm sin СР (, (83)
где К — коэффициент чувствительности ПХ; В — модуль вектора магнитной индук-
ции; а — наименьший угол между нормалью к плоскости Пх Зи проекцией вектора
магнитной индукции на плоскость, перпендикулярную ПХ 3 и 4 в исследуемой точ-
ке поля; р — наименьший угол между вектором магнитной индукции и нормалью
к плоскости ПХ 5.
Фазовращатель 11 сдвигает фазу тока питания ПХ 4 ча угол 7Т/2, поэтому мгно-
венное значение этого тока изменяется во времени по закону
>2 (t) = 'т cos СР t. (84)
На выходе ПХ 4 появляется напряжение
и2 = К Is I sin Osin (3 lm cos CPr (85)
Напряжения ui и u2 через ключи би 7 поступают на выходы сумматора 9, выход
ное напряжение которого при Замкнутых ключах би 7 пропорционально проекции
75
вектора магнитной индукции на плоскость, перпендикулярную ПХ Зи 4;
(t) = Kiel/т sin/3 sin(G>t + О). (86)
Этот гармонический сигнал преобразуется нуль-компаратором 13 в последо-
вательность импульсов, формирующихся в моменты перехода синусоиды через
нулевой уровень. Триггер 15 срабатывает на каждый импульс и генерирует прямо-
угольные импульсы со скважностью /V = 2. Фильтр 16 выделяет из этого сигнала пер-
вую гармонику с частотой <0, которая сдвигается вторым фазовращателем 12 на
угол тг/2, поэтому ток, питающий ПХ 5, имеет вид:
= cos (СОТ + а). (87)
На выходе ПХ 5 появляется напряжение
и3 = Kiel cos (ЗУ,,, cos (G>t +a). (88)
Это напряжение через ключв подается на второй вход сумматора 10, на первый вход
которого поступает сигнал с выхода сумматора 9. На выходе сумматора 10 появляет-
ся напряжение
= к\в\1т cos |Wt +а— (3).
(89)
Если угол /3 ->0, то сигнал и
S,
на выходе нупь-компаратора 13 отсутствует, им-
пульсов на входе логического блока 22 нет, триггер 23 находится в устойчивом со-
стоянии, на выходах ждущих мультивибраторов 24 и 25 будут логические нули и
на выходе элемента ИЛИ-НЕ 26, т.е. на выходе логического блока 22 будет логичес-
кая единица, которая откроет элемент И 21, что обеспечит формирование тока
питания ПХ 5 с частотой и фазой, определяемой источником тока 1,
i3 = !т cos СО г.
Напряжение на выходе ПХ 5
и3 = К\в\/т cos COt.
(90)
(91)
Это напряжение будет и на выходе сумматора 10.
При измерении значения угла а (см. рис. 54) переключатель 28 находится в поло-
жении 1, а ключ 29 разомкнут. На входах формирователей 31, 32 появятся соответ-
ственно напряжения и [ (см. (86) ]. При переходе напряжений и через
нуль (с положительного на отрицательное) с выходом формирователей на входы
триггера поступят импульсы запуска, сдвинутые во времени на Ти = О1О). На выходе
триггера появятся прямоуголные импульсы длительностью ти, что позволяет изме-
рить значение угла а.
При измерении значения угла (3 переключатель 28 находится в положении 2, а
ключ 29 замкнут. На входах формирователей 31, 32 появятся напряжения, соответ-
ственно совпадающие по фазе с током i3 и напряжением [см. (85), (89) ]. На вы-
ходе триггера при этом появятся импульсы длительностью Ти = /3/С0. что позволяет
измерить значение угла (3.
Логический блок 33, состоящий из элементов НЕ, И, служит для устранения неод-
нозначности результатов измерения углов U, /3 при а->2тг или (3_*2л.
В зависимости от положения ключа 29 и переключателя 28 измерительный при-
бор 38 регистрирует значение угла а между проекцией вектора В на плоскость OaY
и осью ОХ или угла (3 между вектором В и осью OZ. Предложенное устройство позво-
ляет Измерять значения составляющих и модуля вектора магнитной индукции, а
также углов а и /3 (см. рис. 53). Применение предлагаемого устройства при исследо-
вании топографии магнитных полей позволяет исключить влияние субъективных
факторов (так как исключается необходимость дополнительных вычислений) и
тем самым повысить точность результатов исследований, а также снизить их трудо-
емкость.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Преображенский А.А. Магнитные материалы и элементы. — М.: Высшая школа.
1976. 336 с.
2. Постоянные магниты (Справочник)/Под ред. Ю.М. Пятина.2-е изд. М.: Энергия,
1980. 488 с.
3. Андриевский Е.А. Измерение параметров постоянных магнитов. Киев: Техн|-
ка, 1977. 151 с.
4. Келин Н.А. Эффективность применения постоянных магнитов в изделиях элек-
тротехники. — Электротехника, 1981, № 11, с. 25—28.
5. Кудрявцев В.К. Оптимизация процесса контроля магнитных свойств постоян-
ных магнитов. — В кн.: Тезисы докладов VI Всесоюзной конференции по постоянным
магнитам. М.; Информэлектро, 1979, с. 84, 85.
6. Пеккер И.И., Шупляк Н.Г., Галикян Г.С. К выбору параметров для контроля
магнитных свойств постоянных магнитов. — Измерительная техника, 1979, № 2, с. 49,
50.
7. Замошкина Н.П., Сергеев В.В.. Келин Н.А. Исследование корреляции между
контрольными параметрами магнита и рабочими параметрами электрической маши-
ны. — Электротехника, 1977, № 9, с. 53, 54.
В. Кудрявцев В.К. Системный подход к решению задач контроля магнитных свой-
ств постоянных магнитов. — Электротехника, 1981, № 10, с. 34—37.
9. Келин Н.А. Методы контрольных магнитных измерений постоянных магни-
тов. — Электротехника, 19В0, № 2, с. 35—37.
10. А.с. № 213963 (СССР). Способ контроля постоянных магнитов сложной
формы / Ю.А. Конашинский, А.В. Конашинский. Опубл в Б.И., 1968. № 11.
11. А.Д. Семченко. Автоматическое испытание постоянных магнитов малых раз-
меров. — Электромеханика, 1974, № 9, с. 1042—1048.
12. А.с. № 256869 (СССР). Способ технического контроля постоянных магнитов
по магнитным свойствам / И.И. Пеккер, В.Е. Новогренко, В.В. Мартынов, В.А. Ва-
сильев. Опубл, в Б.И., 1970, № 35.
13. А.с. № 455606 (СССР). Способ контроля постоянных магнитов по магнитным
свойствам / Н.П. Замошкина, В.В. Сергеев, Ф.М. Сальковский и др. Опубл, в Б.И.,
1975, № 12.
14. А.с. № 631850 (СССР). Способ технического контроля постоянных магнитов /
Н.А. Келин, В.К. Кудрявцев, М.А. Чохели. Опубл, в Б.И., 1979, № 47.
15. А.с. № 516980 (СССР). Устройство для контроля многополюсных постоянных
магнитов / Г.С. Галикян, И И. Пеккер, Н.Р. Шупляк, И.П. Синяпкин. Опубл, в Б.И.,
1976, №21.
16. Замошкина Н.П., Сергеев В.В., Потапова Л.В. Методы контроля промышлен-
ных магнитов из соединений Со—РЗЭ. — Заводская лаборатория, 1977, № 12,
с. 1492-1494.
17. Артемова М.А., Гробовицкий М.И., Зингерман В.И. Оценка результетов ис-
следования образцов магнитотвердых материалов. — Измерительная техника, 1979,
№ 7, с. 55-57.
18. Шихин А.Я. Автоматические магнитоизмерительные системы. М.: Энергия,
1977. 136 с.
19. Определение статических характеристик магнитотвердых материалов в устрой-
ствах с ферромагнитными преобразователями Холла/ Г.Л. Горнштейн, Б.А. Марша-
77
ленко, А.Д. Нестеренко и др. — В кН.: Тезисы докладов Всесоюзного научно-техни-
ческого совещания "Проблемы магнитных измерений и магнитоизмерительной
аппаратуры". Л.: 1972, с. 73 — 76.
20. Коген-Далин В.В., Комаров Е.В. Расчет и испытание систем с постоянными
магнитами. М.: Энергия, 1977. 248 с.
21. Келин Н.А., Кудрявцев В.К. Оптимальная скважность импульсов тока пита-
ния датчиков Холла. — Электротехника, 1976, № 12, с. 27, 28.
22. Исследование магнитных полей в зазорах электрических машин с постоянны-
ми магнитами из сплава / Е.И. Анищенко, Ю.М. Запорожец, Н.А. Келин, В.С. Растега-
ев. — Электротехника, 1977, № 9, с. 57—59.
23. Бондаренко В.Г. НС-генераторы синусоидных колебаний. М.: Связь. 1976.
208 с.
24. Сергеев В.Г., Шихин А.Я. Магнитоизмерительные приборы и установки. М.:
Энергоиздат, 1982. 152 с.
25. А.с. № 741211 (СССР). Устройство для измерения магнитных параметров пос-
тоянных магнитов / В.К. Кудрявцев. Опубл, в Б.И., 1980, № 22.
26. А.с. № 1013878 (СССР). Способ разбраковки постоянных магнитов / В.К. Куд-
рявцев, Ю.Н. Маслов, А.И. Гриднев, М.А. Чохели. Опубл, в Б.И., 1983, № 15.
27. Кудрявцев В.К. Разработка и исследование средств магнитных измерений,
обеспечивающих в условиях производства контроль постоянных магнитов, изготав-
ливаемых из анизотропных ферритовых материалов. Автореф. дис. на соиск. учен,
степени канд. твхн. наук. Омск: ОмПИ, 1983. 22с.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие........................................................ 3
Введение........................................................... 4
Глава первая. Постоянные магниты и их применение...................... 6
1. Магнитные параметры и свойства МТМ.......................... 6
2. Состояние и перспективы развития производства ПМ.............. 15
3. Применение ПМ в электротехнических изделиях................. 16
Глава вторая. Выбор контролируемых параметров ПМ..................... 18
4 Задачи контроля магнитных свойств ПМ........................ 18
5 Методика оптимизации контроля магнитных свойств ПМ............ 24
6. Корреляционные связи между параметрами ПМ и параметрами электро-
технических изделий.............................................. 28
Глава третья. Методы контроля магнитных свойств ПМ сложной формы . 30
7. Основные положения........................................... 30
8. Контроль с помощью дополнения ПМ сложной формы до простой .... 31
9 Способ многопараметрового контроля ... 32
10. Контроль методом разностных измерений........................ 32
11. Контроль по двум потокам и условной коэрцитивной силе........ 33
12. Контроль по трем потокам..................................... 35
13. Контроль по потоку в зоне максимальной энергии сплава........ 36
14. Контроль с учетом размагничивающих полей..................... 39
15. Контроль многополюсных ПМ.................................... 40
16. Контроль ПМ из сплавов RCo в разомкнутой системе............. 41
17. Контроль парных ПМ ......................................... 42
Глава четвертая. Средства контроля и измерения магнитных парамет-
ров ПМ............................................................... 44
18. Основные положения........................................... 44
19. Основные принципы построения средств магнитных измерений
при испытаниях ПМ................................................ 47
20. Типовая установка для контроля магнитных параметров ПМ...... 48
21- Автомат для разбраковки ПМ малых размеров.................... 50
22 Испытание ПМ в условиях воздействия дестабилизирующих факто-
ров внешней среды................................................ 51
Глава пятая. Отдельные элементы средств измерения и контроля ПМ ... 55
23. Измерительные преобразователи................................ 55
24. Основные режимы питания преобразователей Холла (ПХ).......... 59
25. Регулируемый стабилизированный источник тока................. 54
Глава шестая. Средства исследований топографии магнитных полей.... 69
26. Распределение индукции в воздушных зазорах наиболее распростра-
ненных магнитных систем электрических машин с ПМ........ 69
27. Средства измерения параметров вектора магнитной индукции.... 71
28. Средства исследования топографии магнитных полей в объеме маг-
нитных систем................................................... 74
Список литературы.................................................... 77
Николай Александрович Калин,
Владимир Константинович Кудрявцев
МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ
ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ
Редактор В. Г. Сергеев
Редактор издательства Н. Б. Фомичева
Художественный редактор А. Т. Кирьянов
Технический редактор П.В. Осипова
Корректор Е.С Арефьева
Операторы С.В. Быкова, Л,А. Дорманова
ИБ № 2934
Набор выполнен в Энергоатомиэдате на Компоэере ИБМ-82. Подписано в печать
20.03.84.Т-08804 Формат 60x90 1/16. Бумага офсетная №2.Печать офсетная.Усл.печ.
л. 5,0. Усл. кр.-отт. 5,25. Уч.-изд. л. 6,0. Тираж 3000 экз. Заказ 2550. Цена 33 к.
Энергоатомиэдат, 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10
Московская типография №9 Союзполиграфпрома при Государственном комитете
СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли
109033, Москва, Ж-33, Волочаевская ул., 40
35 к.
Ц5