Установка для настройки рабочей точки редкоземельных постоянных магнитов методом частичного импульсного размагничивания-домагничивания (диаметр магнита до 40 мм, высота до 60 мм)

Установка для настройки рабочей точки редкоземельных постоянных магнитов методом частичного
импульсного размагничивания-домагничивания (диаметр магнита до 40 мм, высота до 60 мм)

1. Введение

Постоянные магниты намагничивают в установках намагничивания [6], как правило, до насыщения, чтобы получить максимально возможное значение остаточной магнитной индукции и, соответственно, наиболее сильное магнитное поле в заданной области. Однако при конструировании и настройке некоторых магнитных систем требуется либо стабилизировать магнит, чтобы уменьшить временную деградацию магнитной индукции, либо подобрать требуемое значение магнитной индукции в рабочей области. Выполнить эту процедуру можно посредством приложения обратного размагничивающего поля к предварительно намагниченному до насыщения магниту. При использовании высококоэрцитивных редкоземельных постоянных магнитов состава самарий-кобальт или неодим-железо-бор [4] требуемая величина магнитной индукции размагничивающего поля составляет порядка 1 ... 1.5 Тл или даже более. Генерация постоянного магнитного поля такой интенсивности в достаточно большом объеме затруднительна по энергетическим соображениям. Разумной альтернативой может быть использование пошагового импульсного режима частичного размагничивания с последовательным увеличением амплитуды индукции обратного магнитного поля и, при необходимости, импульсного частичного намагничивания (домагничивания) прямым полем, если по каким-либо причинам размагничивание оказалось чрезмерным.

2. Состав установки и назначение

Для выполнения вышеупомянутой процедуры настройки рабочей точки постоянных редкоземельных магнитов была разработана и изготовлена установка в составе емкостного накопителя энергии 1 кДж 500 В [3] и импульсного индуктора с проходным отверстием диаметром 41 мм. Она позволяет производить настройку рабочей точки постоянных магнитов, вписывающихся в цилиндрический объем диаметром 40 мм высотой 60 мм (рабочая зона индуктора). Установка может применяться в лабораторных или производственных условиях. Внешний вид установки показан на рис. 2.1. Постоянный магнит в заданной ориентации крепится в рабочей зоне с помощью приспособлений из немагнитных материалов. Устанавливается некоторый начальный заряд емкостного накопителя для создания обратного размагничивающего поля (обычно порядка 75 % для редкоземельных магнитов), далее генерируется импульс тока и производится контроль магнитной индукции постоянного магнита с помощью тесламетра [5]. Затем в зависимости от результата измерений либо продолжается размагничивание с увеличением уровня заряда, либо создается прямое намагничивающее (домагничивающее) поле противоположной полярности, чтобы вернуть постоянный магнит в предыдущее состояние. Помимо частичного размагничивания редкоземельных постоянных магнитов установка может использоваться как для целей стабилизации (частичного размагничивания), так и для намагничивания до насыщения менее энергоемких магнитов, например, ферритов или ЮНДК [4]. Намагничивание до насыщения редкоземельных постоянных магнитов также возможно при использовании в составе установки более мощного емкостного накопителя 4 ... 8 кДж 900 В [3].

3. Технические данные установки:

размеры рабочей зоны индуктора: диаметр - 40 мм, высота - 60 мм
направление генерируемого магнитного поля - осевое (по высоте)
амплитуда магнитной индукции в рабочей зоне на оси не менее 2 Тл в центре и не менее 1.5 Тл на краях при амплитуде импульса тока не более 650 А
длительность импульса тока и магнитного поля не более 30 мс
максимально допустимая амплитуда импульса тока через индуктор 1500 А
готовность к работе - сразу после включения
средняя потребляемая мощность при частоте следования импульсов тока амплитудой 650 А раз в минуту не превышает 150 Вт
производительность установки не менее 60 циклов размагничивания-домагничивания в час, при использовании принудительного воздушного охлаждения индуктора производительность может быть удвоена
активное сопротивление индуктора с подключающим кабелем не более 0.5 Ом, индуктивность на частоте 1000 Гц примерно 1.7 мГн
габаритные размеры емкостного накопителя 1 кДж 500 В не более (без элементов подключения и управления) 500 х 400 х 225 мм³, индуктора не более 110 х 140 х 140 мм³ (без учета кабеля подключения)
масса емкостного накопителя не более 25 кг, индуктора (с кабелем и разъемом) не более 2 кг

4. Расчет и конструкция импульсного индуктора

Импульсный индуктор представляет из себя цилиндрический соленоид высотой 80 мм с проходным отверстием диаметром 41 мм, расположенный в немагнитном защитном корпусе с силовым кабелем и разъемом для подключения к емкостному накопителю энергии (рис. 4.1). Индуктор может устанавливаться в произвольном положении на крепежные уголки.

Рис. 4.1. Внешний вид импульсного индуктора с кабелем подключения.

Расчет соленоида выполнен с помощью программ Coil [1] и UNI [2]. Результаты расчета представлены на рис. 4.2 и 4.3. Соленоид намотан медным проводом ПЭТ-155 диаметром 1.6 мм на оправке диаметром 41 мм длиной 80 мм. Число витков примерно 260, активное сопротивление 0.3632 Ом, индуктивность 1.557 мГн. Емкостной накопитель энергии 1 кДж 500 В создает в соленоиде импульс тока амплитудой примерно 600 А и длительностью примерно 10 мс. При этом амплитудное значение магнитной индукции в центре соленоида превышает 2 Тл (2.067 Тл). Внутреннее активное сопротивление накопителя и подключающих элементов принято равным 0.15 Ом.

Рис. 4.2. Расчет активного сопротивления, индуктивности и магнитной индукции соленоида индуктора с помощью программы Coil.

Рис. 4.3. Расчет параметров импульса тока с помощью программы UNI.

В таблице 4.1 и на рис. 4.4 показаны результаты расчета аксиальной составляющей амплитуды магнитной индукции на оси соленоида и на расстоянии 15 мм от оси.

Таблица 4.1. Аксиальная составляющая амплитуды магнитной индукции на оси соленоида и на расстоянии 15 мм от оси.

Расстояние от центра, мм	Амплитуда магнитной индукции, Тл	Амплитуда магнитной индукции на расстоянии 15 мм от оси, Тл
0	2.067	2.11
10	2.025	2.077
20	1.884	1.964
30	1.602	1.709
40	1.176	1.179

Рис. 4.4. Расчетные значения амплитуды аксиальной составляющей магнитной индукции на оси соленоида и на расстоянии 15 мм от оси.

5. Испытания установки

Активное сопротивление индуктора с кабелем подключения измерено мультиметром APPA-107N и составляет 0.46 Ом, хорошо согласуясь с рассчитанным значением 0.3632 Ом в сумме с дополнительным сопротивлением элементов подключения к конденсаторной батарее 0.15 Ом (всего примерно 0.51 Ом). Индуктивность индуктора с кабелем подключения 1.710 мГн измерена прибором VC6243 на частоте 1000 Гц, также вполне соответствуя рассчитанному значению 1.557 мГн.

Контроль формы импульса и амплитуды магнитной индукции в рабочей зоне индуктора выполнен с помощью импульсного тесламетра [5] и осциллографа UTD2102CEL-R. Форма импульса магнитной индукции в центре рабочей зоны показана на рис. 5.1. Амплитуда магнитной индукции достигает 2.1 Тл, длительность импульса на уровне половины амплитуды примерно 10 мс, общая длительность импульса не превышает 30 мс.

Рис. 5.1. Форма импульса магнитной индукции в центре рабочей зоны индуктора: цена деления по вертикали 500 мТл/дел., цена деления по горизонтали слева 5 мс/дел., справа - 2 мс/дел.

В таблице 5.1 и на рис. 5.2 показаны результаты расчета и измерения аксиальной составляющей амплитуды магнитной индукции на оси рабочей зоны индуктора. Соответствие между данными расчета и измерений достаточно хорошее.

Таблица 5.1. Аксиальная составляющая амплитуды магнитной индукции на оси рабочей зоны (расчет и измерение).

Расстояние от центра, мм	Амплитуда магнитной индукции на оси расчетная, Тл	Амплитуда магнитной индукции на оси измеренная, Тл
0	2.067	2.12
10	2.025	2.01
20	1.884	1.85
30	1.602	1.51
40	1.176	1.06

Рис. 5.2. Расчетные и измеренные значения амплитуды аксиальной составляющей магнитной индукции на оси рабочей зоны индуктора.

Ссылки:

Словарь терминов:

Амплитуда импульса - максимальное абсолютное значение величины, конкретизирующей импульс.

Генератор импульсов - прибор или устройство для создания последовательности импульсов.

Длительность импульса - длительность интервала времени, в течение которого величина, конкретизирующая импульс, имеет ненулевое значение.

Импульсный генератор - генератор импульсов напряжения или тока.

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.

Неодим-железо-бор (англ. Ne-Fe-B) - магнитотвердый материал на основе соединения железа, неодима и бора состава Nd₂Fe₁₄B, Nd₃Fe₁₆B, Nd₄Fe₂₈B₃.

Постоянный магнит - объект, создающий магнитное поле за счет собственных внутренних элементарных электрических токов, текущих без использования внешнего источника энергии в составляющем объект материале.

Размагничивание - процедура, позволяющая уменьшить остаточную намагниченность образца до таких значений, когда ею можно пренебречь.

Самарий-кобальт (англ. Sm-Co) - магнитотвердый материал на основе интерметаллического соединения самария и кобальта состава SmCo₅. В обозначении марки (например, КС37) буквы обозначают состав (К - кобальт, С - самарий), а число (37) - процентное содержание самария.

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.

Цилиндрический соленоид - соленоид в виде цилиндра с центральным цилиндрическим отверстием (если таковое имеется).

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.

28.01.2022

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

Главная страница