Способ намагничивания ферромагнитных сердечников

 

Использование: в электротехнике, а конкретно в способах повышения линейности характеристик ферромагнитных сердечников, применяемых в трансформаторах и электромагнитных устройствам переменного тока. Сущность изобретения: через ферромагнитный сердечник пропускают переменный магнитный поток, а затем к сердечнику прикладывают механические силы, создающие в сердечнике механические напряжения. При этом частота механических напряжений должна быть вдвое больше частоты перемагничивания сердечника. 4 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а конкретно к способам намагничивания ферромагнитных сердечников, применяемых в трансформаторах и электромагнитных устройствах переменного тока.

Известно, что намагничивание сердечников, изготовленных из электротехнических сталей и пермаллоев и обладающих нелинейными характеристиками зависимости магнитной индукции (В) от намагничивающей силы (Н), переменными магнитными полями в диапазонах магнитных индукций, близких к области насыщения, приводит к появлению искаженной формы тока и напряжения в электрической цепи, в которой используются катушки с ферромагнитными сердечниками, например, в трансформаторах [1,2] . Поэтому для уменьшения искажений синусоидальной формы токов и напряжений величину магнитной индукции в сердечниках катушек снижают примерно в 1,5 раза по сравнению с индукцией насыщения, что приводит к недоиспользованию магнитных материалов с указанным коэффициентом и, следовательно, к их завышенному расходу.

Наиболее близким к заявляемому является способ намагничивания ферромагнитных сердечников, используемый для получения механических колебаний в ферромагнитном сердечнике от действия переменного магнитного поля, основанный на эффекте магнитострикции [3] , заключающийся в изменении геометрических размеров ферромагнетика в зависимости от величины приложенного магнитного поля. При обратном магнитострикционном эффекте от приложенных к ферромагнитному сердечнику механических сил, создающих механические напряжения в сердечнике, меняются магнитные свойства.

Известный способ используется для получения механических колебаний сердечника, хотя в сердечнике, подвергающемуся действиям магнитного поля и механических напряжений, происходят изменения магнитной индукции в сторону улучшения линейности характеристик, но они не находят практического применения для повышения эффективности работы сердечников и, как следствие, для улучшения форм электрических напряжений вторичных обмоток трансформаторов и токов первичных обомоток.

Цель изобретения - повышение линейности характеристик сердечников, работающих в широком диапазоне магнитных индукций, при одновременном снижении их материалоемкости и повышение эффективности намагничивания.

Цель достигается тем, что на ферромагнитный сердечник воздействуют переменным магнитным полем, а затем в сердечнике создают переменные механические напряжения с частотой, вдвое большей частоты перемагничивания сердечника.

Сущностью изобретения являются последовательные действия намагничивающих и механических сил на ферромагнитный сердечник. Совокупность существенных признаков проявляет дополнительные свойства, а именно повышает линейность характеристик зависимости магнитной индукции (В) от намагничивающей силы (Н) в более широком диапазоне магнитных индукций, снижает материалоемкость и повышает эффективность намагничивания ферромагнитных сердечников в трансформаторах и других электромагнитных устройствах переменного тока.

На фиг. 1 приведена схема, реализующая заявленный способ, где 1 - сердечник, 2 - первичная обмотка, 3 - скоба, 4 - вторичная обмотка; на фиг. 2 - основные кривые намагничивания при действии механических напряжений; на фиг. 3 - диаграммы, поясняющие работу сердечника; на фиг. 4 - конструкция ферромагнитного сердечника.

Способ осуществляется следующим образом.

Сердечник 1 (фиг. 1) при пропускании переменного электрического тока по обмотке 2 начинает перемагничиваться. При симметричном перемагничивании благодаря явлению магнитострикции сердечник вибрирует с частотой, вдвое превышающей рабочую частоту тока, протекающего по обмотке 2. В таких сердечниках амплитуда вибрации и соответственно механические напряжения, как правило, на порядок и более ниже тех же величин, которые могут быть получены при приближении частоты вибрирующего сердечника к частоте его механического резонанса. В этом случае магнитный поток и магнитная индукция в сердечнике являются функциями двух переменных: напряженности магнитного поля (Н) и величины механического напряжения ( σ): B = f(H, σ).

Так как Н и σ являются функциями времени, то полный дифференциал от магнитной индукции В равен dB = dH + dτ, где первое слагаемое в правой части представляет собой индукцию покоя, а второе - индукцию движения, т. е.

В = В_пок + В_дв, где В_пок - индукция покоя; В_дв - индукция движения.

Для образования механических напряжений в сердечнике его зажимают жестким каркасом в виде скобы 3 (фиг. 1), поэтому при перемагничивании сердечника в нем в силу магнитострикционного эффекта создаются механические напряжения. На фиг. 2 приведены кривые изменения магнитной индукции от напряженности намагничивающего поля при разных по знаку механических напряжениях: 5 - при положительном напряжении (растяжение), 6 - напряжение равно нулю, 7 - при отрицательном напряжении (сжатие) материала сердечника. При этом меняется угол наклона кривых, а индукция насыщения остается одной и той же. Величина индукции движения в пределах упругой деформации пропорциональна относительной деформации сердечника: B_дв = а λ , где а - постоянная, зависящая от свойств материала сердечника; λ - относительная деформация.

При взаимном наложении индукции пульсации и индукции движения характер работы сердечника резко меняется. На фиг. 3 приводится графическое пояснение такой работы. В этом режиме перемещение рабочей точки происходит по кривой намагничивания, но сама кривая намагничивания синхронно с частотой перемегничивания меняет свое положение в координатах В-Н. Это способствует "вытягиванию" частного гистерезисного цикла и приближению его по форме к эллипсу, что позволяет увеличивать значение магнитной индукции и сохранять практически линейность свойств сердечника трансформатора при возрастании намагничивающего поля от Н_m1до H_m2. При этом одновременно изменяется угол наклона и происходит увеличение большой оси эллипса. Таким образом, искажающее действие петли гистерезиса отсутствует, что обеспечивает синусоидальную форму тока в первичной обмотке и напряжения вторичной обмотки при выходе за колено кривой намагничивания. Для получения условий работы сердечника трансформатора, близких к значению механического резонанса, рабочие частоты и геометрические размеры Ш-образного сердечника строго связаны между собой и могут быть определены по формуле f = где f - частота механических колебаний сердечника; Е - модуль упругости материала сердечника; b и h - геометрические размеры.

Конструкция такого сердечника показана на фиг. 4.

Способ обладает высокой эффективностью, так как позволяет благодаря лучшему использованию материала сердечника снизить материалоемкость сердечников на 10-15% . (56) 1. Бессонов Л. А. Нелинейные электрически цепи. - М. : Высшая школа, 1964, с. 46-58.

2. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. - М. : Высшая школа, 1973, с. 62-63, 248-251.

3. Бозорт Р. Ферромагнетизм. - М. : Иностранная литература, 1956, с. 477-500, 534-537, 542.

Формула изобретения

СПОСОБ НАМАГНИЧИВАНИЯ ФЕРРОМАГНИТНЫХ СЕРДЕЧНИКОВ, при котором на ферромагнитный сердечник воздействуют переменным магнитным полем с постоянной частотой в диапазоне магнитных индукций, близких к индукции насыщения магнитного материала, отличающийся тем, что, с целью повышения линейности характеристик сердечников, работающих в широком диапазоне магнитных индукций, при одновременном снижении их материалоемкости и повышения эффективности намагничивания, после воздействия на ферромагнитный сердечник переменным магнитным полем создают в сердечнике переменные механические напряжения с частотой, вдвое большей частоты перемагничивания сердечника.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4