Главная страница   Контактная информация   Новости науки и техники   Поиск на сайте   Форум

Установка импульсного одноосного (диаметрального) намагничивания-домагничивания
магнитных систем модельных электродвигателей на основе ферритовых постоянных магнитов

1. Введение

Появление высокоэнергетических постоянных магнитов (ферритовых, а особенно редкоземельных [5]) привело к их широкому использованию в магнитных системах электродвигателей, применяемых, в частности, в моделизме. Миниатюрные электродвигатели авиа-, судо- и автомоделей часто работают в форсированном режиме в жестких условиях эксплуатации. Требуемая высокая мощность при малых габаритах диктует необходимость повышенной плотности тока в обмотках, следствием чего является высокая рабочая температура и большие значения обратных (размагничивающих) магнитных полей. Под воздействием этих факторов магнитные системы электродвигателей подвержены размагничиванию и потере магнитных свойств, следствием чего является уменьшение мощности и повышенное энергопотребление мотора. Поэтому периодически требуется вновь намагничивать или домагничивать магнитные системы электродвигателей до насыщения [6] в установках намагничивания [10], зачастую в полевых условиях.

2. Состав установки и назначение

Для выполнения вышеупомянутой процедуры намагничивания-домагничивания магнитных систем модельных электродвигателей на основе ферритовых постоянных магнитов была разработана, изготовлена и испытана малогабаритная установка в составе емкостного накопителя энергии 150 Дж 550 В [4] и импульсного индуктора с рабочей зоной (зоной намагничивания) размером 40 х 18 х 24 мм3 (намагничивание по высоте 24 мм). Внешний вид установки показан на рис. 2.1. Она позволяет производить одноосное, в частности, в диаметральном направлении намагничивание магнитных систем электродвигателей на основе ферритовых постоянных магнитов, а также при необходимости одиночных постоянных магнитов подходящих размеров и состава (ферриты, ЮНДК, магнитная сталь [5]). Полярность намагничивания задается либо положением магнитной системы (постоянного магнита) в рабочей зоне индуктора, либо полярностью подключения индуктора к емкостному накопителю. Установка может применяться как в бытовых, так и в полевых условиях. При отсутствии питающей сети 220 В 50 Гц установка может питаться от бортовой сети автомобиля или от аккумулятора через сравнительно маломощный преобразователь напряжения [7].

Рис. 2.1. Установка импульсного одноосного намагничивания-домагничивания магнитных систем модельных электродвигателей на основе ферритовых магнитов.

3. Технические данные установки:

4. Расчет и конструкция импульсного индуктора

Импульсный индуктор представляет из себя прямоугольную катушку размерами 60 х 40 х 24 мм3 с проходным отверстием 40 х 18 мм2, помещенную в стальной корпус и снабженную силовым кабелем и разъемом для подключения к емкостному накопителю энергии (рис. 4.1, 4.2). Индуктор может крепиться к рабочей поверхности с помощью крепежных планок с отверстиями. Намагничиваемая магнитная система устанавливается в требуемом положении в зону намагничивания и закрывается верхней стальной крышкой.

Рис. 4.1. Эскиз импульсного индуктора.

Рис. 4.2. Внешний вид импульсного индуктора: слева со снятой верхней крышкой и магнитной системой электродвигателя в зоне намагничивания, справа с закрытой верхней крышкой.

Расчет параметров катушки индуктора, импульса тока и магнитной индукции в ней выполнен с помощью программ Ansoft Maxwell [1], Rectangular Coil [9] и UNI [3]. Расчетная модель катушки в программе Ansoft Maxwell показана на рис. 4.3, а результаты расчета с помощью программ Rectangular Coil и UNI - на рис. 4.4 и 4.5. Катушка намотана на оправке медным проводом ПЭТ-155 диаметром 0.8 мм, число витков примерно 140, расчетное активное сопротивление 0.6472 Ом, расчетная индуктивность 0.62704 мГн. Емкостной накопитель энергии 150 Дж 550 В создает в катушке импульс тока амплитудой примерно 370 А и длительностью примерно 2 мс. При этом расчетное амплитудное значение магнитной индукции в центре катушки превышает 2 Тл. Внутреннее активное сопротивление накопителя и подключающих элементов принято равным 0.15 Ом.

Рис. 4.3. Расчетная модель катушки индуктора в программе Ansoft Maxwell. Шаг сетки 5 мм. Результат расчета индуктивности 0.62704 мГн.

Рис. 4.4. Расчет параметров прямоугольной катушки индуктора с помощью программы Rectangular Coil: число витков примерно 140, активное сопротивление 0.6472 Ом, амплитуда осевой составляющей магнитной индукции в центре 2.07 Тл и 1.205 Тл на краях при амплитуде импульса тока 370 А.

Рис. 4.5. Расчет параметров импульса тока в катушке с помощью программы UNI: емкостной накопитель 150 Дж 550 В, активное сопротивление нагрузки 0.6472 Ом, индуктивность 0.62704 мГн, амплитуда импульса тока примерно 370 А, длительность - примерно 2 мс (удвоенное время достижения пика).

Перегрев провода обмотки за одиночный импульс тока амплитудой 370 А длительностью 2 мс рассчитан с помощью программы dTWire [2] и не превышает 5.5 градусов (рис. 4.6) даже в приближении прямоугольной формы импульса. Реальный перегрев предполагается примерно в 2 раза меньше.

Рис. 4.6. Расчет перегрева обмотки за одиночный импульс тока с помощью программы dTWire: диаметр медного провода 0.8 мм, форма импульса тока прямоугольная, амплитуда импульса тока 370 А, длительность 2 мс, перегрев 5.411 градусов.

Расчет индуктора в сборе (индуктивность, амплитуда импульса тока, амплитуда магнитной индукции в зоне намагничивания) выполнен с помощью программ Ansoft Maxwell [1] и UNI [3]. Расчетная модель индуктора в программе Ansoft Maxwell показана на рис. 4.7, а результат расчета с помощью программы UNI - на рис. 4.8. Расчетная индуктивность индуктора 0.75354 мГн. Емкостной накопитель энергии 150 Дж 550 В создает в катушке индуктора импульс тока амплитудой примерно 350 А и длительностью примерно 2 мс (амплитуда импульса тока несколько уменьшается при установке катушки в стальной корпус). При этом расчетное амплитудное значение магнитной индукции в рабочей зоне находится на уровне 2 Тл (рис. 4.9 - 4.11).

Рис. 4.7. Расчетная модель индуктора в программе Ansoft Maxwell. Шаг сетки 5 мм. Результат расчета индуктивности 0.75354 мГн.

Рис. 4.8. Расчет параметров импульса тока в индукторе с помощью программы UNI: емкостной накопитель 150 Дж 550 В, активное сопротивление нагрузки 0.6472 Ом, индуктивность 0.75354 мГн, амплитуда импульса тока примерно 350 А, длительность - примерно 2 мс (удвоенное время достижения пика).

Рис. 4.9. Осевая составляющая амплитуды магнитной индукции на длинной поперечной центральной оси в зоне намагничивания.

Рис. 4.10. Осевая составляющая амплитуды магнитной индукции на короткой поперечной центральной оси в зоне намагничивания.

Рис. 4.11. Осевая составляющая магнитной индукции на продольной (вертикальной) центральной оси в зоне намагничивания.

По результатам расчетов можно сделать вывод, что параметры магнитного поля в рабочей зоне индуктора позволяют гарантированно намагничивать любые марки ферритовых магнитов, а также ЮНД и ЮНДК [5].

5. Испытания установки

Активное сопротивление индуктора с кабелем подключения измерено мультиметром APPA-107N и составляет 0.69 Ом, хорошо согласуясь с рассчитанным значением 0.6472 Ом в сумме с дополнительным сопротивлением кабеля и разъема. Индуктивность индуктора с кабелем подключения 0.89 мГн измерена прибором VC6243 на частоте 1000 Гц, также вполне соответствуя рассчитанному значению 0.75354 мГн.

Контроль формы импульса и амплитуды тока в катушке индуктора выполнен с помощью последовательно подключенного шунта (падение напряжения 75 мВ при токе 50 А) и осциллографа UTD2102CEL-R. Форма импульса тока показана на рис. 5.1. Амплитуда импульса тока составляет примерно 400 А (расчетное значение 370 А). Длительность импульса на уровне половины амплитуды составляет примерно 2 мс, общая длительность импульса тока не превышает 4 мс.

Для контроля параметров импульса магнитной индукции в зоне намагничивания индуктора использовался импульсный тесламетр [8] с внешним аналоговым выходом с коэффициентом преобразования 1 В/Тл и осциллограф UTD2102CEL-R. Форма импульса магнитной индукции в центре рабочей зоны показана на рис. 5.2. Измеренная амплитуда магнитной индукции составляет 1.1 Тл, длительность импульса на уровне половины амплитуды примерно 3 мс, общая длительность импульса не превышает 10 мс. С учетом ограниченной полосы пропускания тесламетра (примерно от 0 до 150 ... 200 Гц) измеренные параметры магнитного импульса достаточно хорошо согласуются с расчетными и с параметрами импульса тока. На рис. 5.3 показана уточненная форма импульса магнитной индукции при снятии сигнала непосредственно с датчика Холла. При чувствительности датчика 59 мкВ/мТл амплитуда магнитной индукции составляет 1.9 Тл, хорошо согласуясь с расчетной.

Рис. 5.1. Форма импульса тока через катушку индуктора: цена деления по вертикали 100 мВ соответствует примерно 67 А/дел., амплитуда импульса тока 400 А, цена деления по горизонтали 1 мс/дел., длительность импульса примерно 2 мс.

Рис. 5.2. Форма импульса магнитной индукции в центре зоны намагничивания индуктора: цена деления по вертикали 200 мТл/дел., амплитуда импульса магнитной индукции 1.1 Тл, цена деления по горизонтали слева 1 мс/дел.

Рис. 5.3. Форма импульса магнитной индукции в центре зоны намагничивания индуктора: сигнал непосредственно с датчика Холла, чувствительность 59 мкВ/мТл, амплитуда магнитной индукции 112/59 ≈ 1.90 Тл.

Ссылки:

  1. ANSYS Maxwell – Low Frequency Electromagnetic Field Simulation. Электронный ресурс: http://www.ansys.com/Products/Electronics/ANSYS-Maxwell . Доступен по состоянию на 30.07.2017.
  2. dTWire: Программа расчета перегрева провода при одиночном синусоидальном импульсе тока
  3. UNI: Программа расчета параметров импульса тока в активно-индуктивной нагрузке
  4. Генератор мощных импульсов тока (емкостной накопитель энергии)
  5. Марки постоянных магнитов. Обозначения и свойства
  6. Намагничивание магнитных систем электродвигателей и электрогенераторов на постоянных магнитах
  7. Преобразователь напряжения =12/~220 В 50 Гц 100 Вт
  8. Приборы для измерения магнитных полей
  9. Расчет параметров и индукции магнитного поля систем соосных прямоугольных катушек. Программы Rectangular Coil и Rectangular 3-Coils System
  10. Установки импульсного намагничивания и размагничивания постоянных магнитов

Словарь терминов:

  • Амплитуда импульса - максимальное абсолютное значение величины, конкретизирующей импульс.
  • Длительность импульса - длительность интервала времени, в течение которого величина, конкретизирующая импульс, имеет ненулевое значение.
  • Индуктор - генератор индукции.
  • Магнитная индукция - вектор, численно равный пределу отношения силы, действующей со стороны магнитного поля на элемент проводника с электрическим током, к произведению тока и длины элемента проводника, если длина этого элемента стремится к нулю, а элемент так расположен в поле, что этот предел имеет наибольшее значение, и направленный перпендикулярно к направлению элемента проводника и к направлению силы, действующей на этот элемент со стороны магнитного поля, причем из его конца вращение по кратчайшему расстоянию от направления силы к направлению тока в элементе проводника должно быть видно происходящим против часовой стрелки.
  • Намагничивание - воздействие на образец магнитным полем, вследствие которого у образца появляется отличная от нуля остаточная намагниченность.
  • Постоянный магнит - объект, создающий магнитное поле за счет собственных внутренних элементарных электрических токов, текущих без использования внешнего источника энергии в составляющем объект материале.
  • Тесламетр (гауссметр) - прибор для измерения магнитной индукции.
  • Феррит - двойной окисел состава MeO·Fe2O3, где Me - металл (например, Ni - никель, Mn - марганец, Ba - барий, Co - кобальт, Sr - стронций), а Fe2O3 - окись железа.
  • ЮНД, ЮНДК - отечественное обозначение группы магнитотвердых сплавов на основе железа, алюминия, никеля, кобальта с легирующими добавками, получаемых методами литья (сплавы ЮНД, ЮНДК) или порошковой металлургии (металлокерамические сплавы ММК). Буквы в обозначении марки сплава обозначают: Ю - алюминий, Н - никель, Д - медь, К - кобальт, Б - ниобий, С - кремний, Т - титан, а цифры - процентное содержание элемента (железо не обозначается). Применяются для изготовления постоянных магнитов. См. также ални, алнико.
  • 30.03.2022
    10.06.2022


    Альтернативные источники энергии
    Компьютеры и Интернет
    Магнитные поля
    Механотронные системы
    Перспективные разработки
    Электроника и технология

    Главная страница



     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    Hosted by uCoz