Магнитная система с индукцией около 1 Тл в объеме диаметром 20 мм высотой 5 мм
Постоянные магниты состава неодим-железо-бор с остаточной индукцией более 1 Тл и коэрцитивной силой по намагниченности порядка 1000 кА/м [4, 5] позволяют конструировать несложные магнитные системы [1], генерирующие достаточно однородное магнитное поле с индукцией порядка 1 Тл. Объем создаваемого магнитного поля определяется размерами применяемых магнитов и может быть довольно большим. Подобные системы могут быть использованы для проведения различных экспериментов, магнитных измерений, проверки и калибровки датчиков магнитной индукции [6], а также для намагничивания постоянных магнитов [3], например, магнитопластов [2] на основе ферритов или железо-алюминий-никелевых сплавов (ални - ЮНД, алнико - ЮНДК). Конструкция такой системы приведена на рис. 1. Важным ее достоинством является отсутствие потребления энергии при генерации магнитного поля.
Рис. 1. Конструкция системы на постоянных магнитах с магнитной индукцией в зазоре около 1 Тл: 1 - цилиндрические постоянные магниты (диаметр - 30 мм, высота 10 мм, состав - неодим-железо-бор, намагниченность - вдоль оси), 2 - ярмо, состоящее из верхней, нижней и двух боковых стальных плит (малоуглеродистая сталь).
Система состоит из двух постоянных цилиндрических (можно применить призматические такой же высоты со стороной, равной диаметру) магнитов состава неодим-железо-бор (1), намагниченных вдоль оси в установке импульсного намагничивания [8]. Магниты установлены внутри О-образного стального ярма (2), служащего для замыкания магнитного потока. Внешний вид магнитной системы показан на рис. 2.
Рис. 2. Внешний вид магнитной системы (ширина рабочего зазора 5 мм).
Перед изготовлением магнитной системы был произведен расчет ее параметров методом конечных элементов [7] для постоянных магнитов состава неодим-железо-бор, обладающих следующими свойствами [4, 5]: остаточная индукция 1.15 Тл, коэрцитивная сила по намагниченности 950 кА/м, магнитная проницаемость 1.05. Принятые для расчетов магнитные свойства стали, использованной для изготовления ярма, показаны на рис. 3. Результаты расчета представлены на рис. 4 и 5.
Рис. 3. Кривая намагничивания малоуглеродистой стали, использованной при изготовлении ярма магнитной системы.
Рис. 4. Распределение магнитного поля в магнитной системе (расчет).
Рис. 5. Аксиальная составляющая магнитной индукции в середине зазора (расчет).
В соответствии с расчетами, магнитная индукция в центральной зоне диаметром 20 мм и высотой 5 мм имеет значение примерно 0.95 Тл, отклонение не превышает 5 %.
Был также выполнен расчет магнитной системы методом магнитных проводимостей (магнитных сопротивлений) [5]. Эквивалентная магнитная цепь магнитной системы приведена на рис. 6.
Рис. 6. Эквивалентная магнитная цепь магнитной системы. Fm – магнитодвижущая сила одного магнита, Rm – магнитное сопротивление одного магнита, Rg – магнитное сопротивление воздушного зазора, Rud – магнитное сопротивление половины верхней или нижней стальной плиты, Rlr – магнитное сопротивление боковой стальной плиты.
Для эквивалентной магнитной цепи можно записать соотношение:
где F – магнитный поток через воздушный зазор, Fm – магнитодвижущая сила (МДС) одного постоянного магнита, R – суммарное магнитное сопротивление цепи:
где Rm - магнитное сопротивление одного магнита, Rg - магнитное сопротивление воздушного зазора, Rud - магнитное сопротивление половины верхней или нижней стальной плиты, Rlr - магнитное сопротивление боковой стальной плиты. МДС магнита может быть выражена через его остаточную индукцию Br, магнитную проницаемость mM (mM ≈ 1.05) и высоту (толщину) h (h = 10 мм):
где m0 = 4p ∙ 10-7 Гн/м – магнитная постоянная. Тогда магнитная индукция в воздушном зазоре системы B0:
где H0 – напряженность магнитного поля в воздушном зазоре.
Магнитное сопротивление воздушного зазора Rg:
где D2 – диаметр магнита и, соответственно, воздушного зазора (D2 = 30 мм). Магнитное сопротивление постоянного магнита Rm:
Магнитное сопротивление половины верхней или нижней стальной плиты Rud:
где lUD – расстояние, которое проходит магнитный поток в половине верхней или нижней стальной плиты (lUD = 35 мм), mST – магнитная проницаемость стали (mST ≈ 1000 ... 2000), T – толщина плиты (T = 10 мм), D2 – ширина плиты, которая в данном случае совпадает с диаметром магнита. Магнитное сопротивление боковой стальной плиты Rlr:
где lLR – расстояние, которое проходит магнитный поток в боковой стальной плите (lLR = 35 мм). Тогда:
Для значений:
Br = 1.15
Тл
h = 0.01 м
g = 0.005 м
D2 = 0.03 м
T = 0.01 м
lUD
= 0.035 м
lLR
= 0.035 м
mM
= 1.05
mST
= 1000
получаем:
Для значений:
Br = 1.15
Тл
h = 0.01 м
g = 0.005 м
D2 = 0.03 м
T = 0.01 м
lUD
= 0.035 м
lLR
= 0.035 м
mM
= 1.05
mST
= 2000
получаем:
Видно, что изменение магнитной проницаемости стали в два раза (с 1000 до 2000) слабо влияет на результат расчета. Результаты расчетов двумя разными методами вполне соответствуют друг другу.
Измерения индукции магнитного поля реальной системы проводились с помощью тесламетра [6]. Результаты измерений достаточно хорошо согласуются с данными расчетов.
Характеристики реализованной магнитной системы приведены ниже:
Магнитная система может использоваться для одноосного намагничивания постоянных анизотропных ферритовых магнитов и магнитов из сплавов ални, алнико. Максимальный размер магнита: диаметр 20 мм, высота 5 мм. Намагничивание производится по высоте. Для удобства намагничивания можно использовать контейнер (рис. 7). В отверстие контейнера вставляется намагничиваемый магнит. Контейнер вдвигается в магнитную систему, затем выдвигается из нее.
Рис. 7. Использование магнитной системы для намагничивания постоянных магнитов.
Ссылки:
22.06.2009
02.02.2019
Альтернативные источники
энергии
Компьютеры и
Интернет
Магнитные поля
Механотронные системы
Перспективные
разработки
Электроника и
технология
