Малогабаритная установка
импульсного одноосного (осевого) намагничивания и частичного
размагничивания редкоземельных постоянных магнитов (диаметр до 15 мм, высота до
20 мм)
1. Введение
Появление высокоэнергетических редкоземельных постоянных магнитов (в частности, состава самарий-кобальт и неодим-железо-бор [6]) привело к их широкому применению в различных магнитных системах (датчики, клапаны, электродвигатели, электрогенераторы, динамические головки и т. д.). Миниатюрные магнитные системы 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 постоянные магниты подвержены размагничиванию и потере магнитных свойств, следствием чего является уменьшение развиваемых усилий и повышенное энергопотребление. Поэтому периодически требуется вновь намагничивать или домагничивать магнитные системы, например, электродвигателей [7] в установках намагничивания [10], зачастую в полевых условиях. При ремонте магнитной системы может потребоваться размагничивание постоянного магнита для облегчения процедуры монтажа-демонтажа.
2. Состав установки и назначение
Для выполнения вышеупомянутой процедуры намагничивания-домагничивания и частичного размагничивания редкоземельных постоянных магнитов или магнитных систем на их основе была разработана, изготовлена и испытана малогабаритная установка в составе емкостного накопителя энергии 150 Дж 550 В [5] и импульсного индуктора с рабочей зоной (зоной намагничивания) диаметром 15 мм и высотой 16 ... 20 мм (в зависимости от размеров полюсных наконечников) с намагничиванием по высоте. Внешний вид установки показан на рис. 2.1. Она позволяет производить одноосное осевое намагничивание одиночных постоянных магнитов состава самарий-кобальт или неодим-железо-бор и магнитных систем на их основе, а также магнитов иных марок (ферриты, ЮНДК, магнитная сталь [6]) подходящих размеров, вписывающихся в габариты рабочей зоны. 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 [8].
Рис. 2.1. Установка импульсного одноосного (осевого) намагничивания и частичного размагничивания редкоземельных постоянных магнитов.
3. Технические данные установки:
4. Расчет и конструкция импульсного индуктора
Импульсный индуктор представляет из себя цилиндрический соленоид высотой 30 мм, внешним диаметром примерно 32 мм с проходным отверстием диаметром 15 мм, помещенный в стальной корпус и снабженный силовым кабелем и разъемом для подключения к емкостному накопителю энергии (рис. 4.1, 4.2). Индуктор может крепиться к рабочей поверхности с помощью крепежных уголков с отверстиями. Намагничиваемый постоянный магнит или магнитная система устанавливается в требуемом положении в зону намагничивания и закрывается полюсными наконечниками.
Рис. 4.1. Эскиз импульсного индуктора.
Рис. 4.2. Внешний вид импульсного индуктора: слева со снятым полюсным наконечником, справа со вставленным полюсным наконечником.
Расчет параметров катушки индуктора, импульса тока и магнитной индукции в ней выполнен с помощью программ Coil [2] и UNI [4]. Результаты расчета показаны на рис. 4.3 и 4.4. Катушка намотана на оправке медным проводом ПЭТ-155 диаметром 0.8 мм, число витков примерно 285, расчетное активное сопротивление 0.7176 Ом, расчетная индуктивность 0.8708 мГн. Емкостной накопитель энергии 150 Дж 550 В создает в катушке импульс тока амплитудой примерно 328 А и длительностью примерно 2 мс. При этом расчетное амплитудное значение магнитной индукции в центре катушки превышает 3 Тл. Внутреннее активное сопротивление накопителя и подключающих элементов принято равным 0.15 Ом.
Рис. 4.3. Расчет параметров цилиндрической катушки индуктора с помощью программы Coil: число витков примерно 285, активное сопротивление 0.7176 Ом, амплитуда осевой составляющей магнитной индукции в центре 3.076 Тл и 2.956 Тл на расстоянии 5 мм от центра по оси при амплитуде импульса тока 328 А.
Рис. 4.4. Расчет параметров импульса тока в катушке с помощью программы UNI: емкостной накопитель 150 Дж 550 В, активное сопротивление нагрузки 0.7176 Ом, индуктивность 0.8708 мГн, амплитуда импульса тока примерно 328 А, длительность - примерно 2 мс (удвоенное время достижения пика).
Расчет индуктора в сборе (индуктивность, амплитуда импульса тока, амплитуда магнитной индукции в зоне намагничивания) выполнен с помощью программ Ansoft Maxwell [1] и UNI [4]. Расчетная модель индуктора в программе Ansoft Maxwell показана на рис. 4.5, а результат расчета с помощью программы UNI - на рис. 4.6. Расчетная индуктивность индуктора 1.1461 мГн. Емкостной накопитель энергии 150 Дж 550 В создает в катушке индуктора импульс тока амплитудой примерно 300 А и длительностью примерно 2.5 мс (индуктивность увеличивается, а амплитуда импульса тока несколько уменьшается при установке катушки в стальной корпус). При этом расчетное амплитудное значение магнитной индукции в рабочей зоне не менее 3.5 Тл (рис. 4.7).
Рис. 4.5. Расчетная модель индуктора в программе Ansoft Maxwell. Шаг сетки 5 мм. Результат расчета индуктивности 1.1461 мГн.
Рис. 4.6. Расчет параметров импульса тока в индукторе с помощью программы UNI: емкостной накопитель 150 Дж 550 В, активное сопротивление нагрузки 0.7176 Ом, индуктивность 1.1461 мГн, амплитуда импульса тока примерно 300 А, длительность - примерно 2.5 мс (удвоенное время достижения пика).
Рис. 4.7. Осевая составляющая магнитной индукции на центральной оси в зоне намагничивания (от одного полюсного наконечника к другому).
Перегрев провода обмотки за одиночный импульс тока амплитудой 300 А длительностью 2.5 мс рассчитан с помощью программы dTWire [3] и не превышает 4 градусов (рис. 4.8) даже в приближении прямоугольной формы импульса. Реальный перегрев предполагается примерно в 2 раза меньше.
Рис. 4.8. Расчет перегрева обмотки за одиночный импульс тока с помощью программы dTWire: диаметр медного провода 0.8 мм, форма импульса тока прямоугольная, амплитуда импульса тока 300 А, длительность 2 мс, перегрев 3.557 градусов.
По результатам расчетов можно сделать вывод, что параметры магнитного поля в рабочей зоне индуктора позволяют гарантированно намагничивать большинство марок редкоземельных магнитов, а также и другие марки с меньшей магнитной энергией (ферриты, ЮНД, ЮНДК) [6].
5. Испытания установки
Активное сопротивление индуктора с кабелем подключения измерено мультиметром APPA-107N и составляет 0.85 Ом, достаточно хорошо согласуясь с рассчитанным значением 0.7176 Ом в сумме с дополнительным сопротивлением кабеля и разъема. Индуктивность индуктора с кабелем подключения 1.23 мГн измерена прибором VC6243 на частоте 1000 Гц, также вполне соответствуя рассчитанному значению 1.1461 мГн.
Для контроля параметров импульса магнитной индукции в зоне намагничивания индуктора использовался импульсный тесламетр [9] и осциллограф UTD2102CEL-R. Так как полоса пропускания тесламетра ограничена (примерно от 0 до 150 ... 200 Гц), то, чтобы исключить погрешность измерения сигнал на осциллограф подавался непосредственно с датчика Холла. Форма импульса магнитной индукции в центре рабочей зоны показана на рис. 5.1 и 5.2. Измеренная амплитуда магнитной индукции в центре рабочей зоны составляет примерно 3.4 Тл без полюсных наконечников и 3.6 Тл с одним полюсным наконечником, длительность импульса на уровне половины амплитуды примерно 2.5 мс, общая длительность импульса не превышает 10 мс. Параметры измеренного импульса магнитной индукции хорошо согласуются с расчетными.
Рис. 5.1. Форма импульса магнитной индукции в центре зоны намагничивания индуктора без полюсных наконечников: сигнал непосредственно с датчика Холла, чувствительность 59 мкВ/мТл, амплитуда магнитной индукции 200/59 ≈ 3.39 Тл.
Рис. 5.2. Форма импульса магнитной индукции в центре зоны намагничивания индуктора с одним полюсным наконечником: сигнал непосредственно с датчика Холла, чувствительность 59 мкВ/мТл, амплитуда магнитной индукции 212/59 ≈ 3.59 Тл.
Ссылки:
20.06.2022
Альтернативные источники
энергии
Компьютеры и
Интернет
Магнитные поля
Механотронные системы
Перспективные
разработки
Электроника и
технология
