Способ намагничивания магнитожесткого ферромагнетика



Способ намагничивания магнитожесткого ферромагнетика
Способ намагничивания магнитожесткого ферромагнетика

 


Владельцы патента RU 2409876:

Меньших Олег Фёдорович (RU)

Изобретение относится к физике магнетизма и может быть использовано при намагничивании стержневых постоянных магнитов, выполненных из магнитожестких ферромагнетиков, например, из материала SmCo3. Способ намагничивания магнитожесткого ферромагнетика основан на его помещении в соленоид с постоянным током в его обмотке, приводящем к магнитному насыщению магнитожесткого ферромагнетика. Согласно изобретению магнитожесткий ферромагнетик помещают в высокочастотное магнитное поле генератора переменного тока с регулируемыми частотой и мощностью колебаний, связанного с колебательным контуром, в катушке индуктивности которого размещают намагничиваемый стержень из магнитожесткого ферромагнетика, с помощью которого возбуждают в последнем ультразвуковую волну, распространяющуюся вдоль оси намагничивания. Частоту колебаний f генератора переменного тока выбирают из условия резонанса колебаний магнитных доменов f=v/d, где v - скорость ультразвуковой волны в магнитожестком ферромагнетике, d - характерный размер магнитного домена. Мощность высокочастотных колебаний в магнитострикционном процессе выбирают из условия обеспечения требуемой подвижности неориентированных вдоль постоянного магнитного поля магнитных доменов и антипараллельно ориентированных атомно-молекулярных магнитных моментов в доменах. Технический результат состоит в повышении уровня намагниченности магнитожесткого ферромагнетика, то есть в увеличение остаточной намагниченности. 2 ил.

 

Изобретение относится к физике магнетизма и может быть использовано при намагничивании стержневых постоянных магнитов, выполненных из магнитожестких ферромагнетиков, например, из материала SmСо3.

Известен и широко используется способ намагничивания магнитожестких ферромагнетиков помещением их в сильное постоянное магнитное поле, получаемое в соленоиде с постоянным током в его обмотке [1-3]. При этом постоянное магнитное поле выбирают таким, что оно приводит к насыщению ферромагнетика. При снятии магнитного поля в ферромагнетике сохраняется так называемая остаточная намагниченность, которая и определяет силовые свойства постоянного магнита. При этом значительное число магнитных доменов ферромагнетика ориентируются коллинеарно намагничивавшему магнитному полю и не изменяют своей магнитной ориентации после снятия внешнего магнитного поля, создаваемого в соленоиде.

Недостатком известного способа намагничивания является снижение намагниченности магнитожесткого ферромагнетика из-за того, что не все атомные магнитные моменты его магнитных доменов ориентируются взаимно коллинеарно по полю.

Указанный недостаток устранен в заявляемом техническом решении.

Целью изобретения является повышение уровня намагниченности магнитожесткого ферромагнетика (увеличение остаточной намагниченности).

Указанная цель достигается в заявляемом способе намагничивания магнитожесткого ферромагнетика, основанном на его помещении в соленоид с постоянным током в его обмотке, приводящим к магнитному насыщению магнитожесткого ферромагнетика, отличающимся тем, что указанный магнитожесткий ферромагнетик также помещают в высокочастотное магнитное поле генератора переменного тока с регулируемыми частотой и мощностью колебаний, связанного с колебательным контуром, в катушке индуктивности которого размещают намагничиваемый стержень из магнитожесткого ферромагнетика, с помощью которого возбуждают в последнем ультразвуковую волну, распространяющуюся вдоль оси намагничивания, а частоту колебаний f генератора переменного тока выбирают из условия резонанса колебаний магнитных доменов f=v/d, где v - скорость ультразвуковой волны в магнитожестком ферромагнетике, d - характерный размер магнитного домена, а величину мощности высокочастотных колебаний в магнитострикционном процессе выбирают из условия обеспечения требуемой подвижности не ориентированных вдоль постоянного магнитного поля магнитных доменов и антипараллельно ориентированных атомно-молекулярных магнитных моментов в доменах.

Достижение поставленной цели в заявляемом способе объясняется резонансным магнитострикционным возбуждением структуры магнитных доменов магнитожесткого ферромагнетика, которое увеличивает подвижность атомно-молекулярных структур внутри доменов, не ориентированных по внешнему магнитному полю, создаваемому внутри соленоида и увеличивает тем самым число взаимно ориентированных доменов в единице объема магнитожесткого ферромагнитного вещества, что повышает уровень кривой его в области насыщения (парапроцесса), а следовательно, и величину остаточной намагниченности, то есть увеличивает энергию магнитного поля, запасенную в создаваемом постоянном магните. Указанное возбуждение, кроме того, переориентирует по внешнему магнитному полю магнитные моменты (спины) атомов и молекул, входящих в состав доменов, которые были до этого ориентированы в доменах встречно внешнему магнитному полю, что также повышает величину намагниченности насыщения и увеличивает энергию магнитного поля постоянного магнита.

Аналогией такого процесса повышения намагниченности насыщения в намагничиваемом магнитожестком ферромагнетике является хорошо известный опыт распределения железных опилок, равномерно рассыпанных на листе бумаги, снизу которого подносится подковообразный магнит, магнитное поле которого ориентирует железные описки в виде рисунка магнитных силовых линий. Если при этом лист слегка потряхивать, то рисунок становится более четким, цепи железных опилок становятся тоньше, а опилки в них располагаются более концентрированно. Магнитный поток замыкается между полюсами магнита, в основном, по образованным цепям из железных опилок, а не в воздушной среде, магнитное сопротивление которой на несколько порядков более высокое, чем в образующихся цепях. Каждая из опилок представляет собой элементарный магнит, полюсы которого ориентированы вдоль магнитного поля магнита, поэтому эти элементарные магниты-опилки в смежных магнитных цепях взаимно отталкиваются друг от друга, образуя четко выраженные нити из железных опилок. Встряхивание железных опилок на листе бумаги в заявляемом способе аналогично магнитострикционному возбуждению молекул, образующих домены, при действии на них продольных ультразвуковых колебаний, раскачивающих атомно-молекулярную структуру ферромагнитного вещества, что увеличивает подвижность атомов и молекул и повышает вероятность переориентации их магнитных моментов по внешнему магнитному полю.

Заявляемый способ поясняется реализующим его устройством, приведенном на фиг.1 и состоящем из следующих элементов и блоков:

1. Стержня из магнитожесткого ферромагнетика;

2. Соленоида, внутрь которого помещен стержень 1;

3. Источника постоянного тока намагничивания стержня 1 до глубокого насыщения;

4. Катушки колебательного контура, намотанной на стержень 1;

5. Конденсатора переменной емкости колебательного контура;

6. Генератора переменного тока с регулируемыми частотой и мощностью колебаний.

На фиг.2 представлены графики зависимостей индукции насыщения В(Н) в функции напряженности Н магнитного поля в соленоиде 2 для двух случаев - без использования магнитострикционного возбуждения атомно-молекулярных структур доменов (кривая 7) и при наличии такого резонансного возбуждения (кривая 8). Величина напряженности внешнего магнитного поля ННАС, создаваемого в соленоиде 2, должна выбираться в области парапроцесса для кривой В(Н) при включении резонансного магнитострикционного возбуждения при заданной резонансной частоте колебаний и их мощности. Величины остаточной намагниченности ВОСТ-1 и ВОСТ-2 соответственно для обеих кривых 7 и 8 указаны на фиг.2. При этом видно, что ВОСТ-2ОСТ-1 после выключения генератора переменного тока 6 и источника постоянного тока 3.

Рассмотрим операционную сущность заявляемого способа.

Остаточная магнитная индукция ВОСТ - намагниченность предварительно намагниченного магнитного материала при уменьшенной до нуля напряженности магнитного поля. Величина ее зависит от многих факторов: магнитных свойств материала, его магнитной предыстории, температуры. Она возрастает с увеличением напряженности намагничивающего поля, стремясь к предельному значению, которое и принимают за остаточную намагниченность данного материала. Последнюю следует отличать от остаточной намагниченности тела (образца), то есть от значения его средней намагниченности при равной нулю напряженности внешнего магнитного поля. Поскольку в этом состоянии на тело действует собственное размагничивающее поле, его остаточная намагниченность всегда меньше остаточной намагниченности материала. Чем больше размагничивающий фактор тела, тем меньше его остаточная намагниченность, остаточная магнитная индукция ВОСТ.

В размагниченном состоянии ферромагнетик разбивается на отдельные области -домены, в пределах которых материал намагничен до насыщения вдоль одной из осей легкого намагничивания. Ввиду различной ориентации намагниченности в доменах суммарный магнитный момент образца равен нулю. Под влиянием внешнего магнитного поля происходит рост областей, в которых магнитные моменты доменов составляют наименьшие углы с направлением поля за счет соседних областей. Этот рост осуществляется в результате смещения доменных границ (доменных стенок). После завершения процессов смещения в каждом кристалле остается всего лишь один домен, намагниченность которого ориентирована вдоль ближайшей к направлению поля оси легкого намагничивания. Дальнейшее намагничивание идет за счет вращения атомно-молекулярных спинов в доменах к направлению магнитного поля. По завершении процесса вращения в образце достигается техническое магнитное насыщение, и прирост намагниченности может иметь место лишь за счет парапроцесса - увеличения самой намагниченности насыщения вследствие подавления магнитным полем тепловых колебаний элементарных магнитных моментов вещества [4-6]. Согласно квантовой теории ферромагнетизма [7] расположение атомных магнитных моментов в доменах может быть параллельным или антипараллельным, что связано с различным знаком орбитального спина электронов. Наличие в доменах группы антипараллельно расположенных атомных магнитных моментов из их общего числа приводит к снижению намагниченности насыщения во внешнем магнитном поле при парапроцессе.

Возбуждение ферромагнитной среды ультразвуковой волной (продольными акустическими колебаниями) способствует возникновению подвижности атомов и молекул вещества, что повышает вероятность разворота антипараллельно расположенных атомных магнитных моментов в доменах по внешнему магнитному полю, что соответствует повышению уровня магнитного насыщения на кривой зависимости магнитной индукции ферромагнетика от напряженности внешнего магнитного поля, как это указано на фиг.2.

Ультразвуковая волна в стержне 1 возникает за счет магнитострикционного эффекта, для чего намагничиваемый стержень помещают в высокочастотное переменное магнитное поле, создаваемое катушкой 4 колебательного контура, подключенного к генератору переменного тока 6 с регулируемыми частотой колебаний и их мощностью. Настройка в резонанс колебательного движения доменов осуществляется с помощью конденсатора 5 переменной емкости указанного колебательного контура. Размер доменов d, скорость распространения ультразвуковой волны v в ферромагнитном стержне 1 и резонансная частота f связаны соотношением f=v/d.

Известно, что размер доменов для некоторых ферромагнетиков растет с увеличением напряженности Н внешнего магнитного поля, поэтому требуется соответствующая перестройка частоты f в генераторе переменного тока 6 (уменьшение частоты) после того, как напряженность магнитного поля в соленоиде 2 установится на уровне насыщения ННАС (фиг.2). Тренировка намагничиваемого магнитожесткого ферромагнетика достигается его циклическим намагничиванием по известной методике - включением и выключением тока намагничивания в обмотке соленоида 2 от источника постоянного тока 3. При этом сначала включается внешнее насыщающее магнитное поле, а затем генератор переменного тока 6. При окончании цикла намагничивания сначала отключают генератор переменного тока 6, а затем источник постоянного тока 3. И цикл намагничивания можно повторять несколько раз, пока величина остаточной намагниченности прекратит возрастать от цикла к циклу.

Если стержень 1 имеет плоскопараллельные торцы, то в нем устанавливается стоячая ультразвуковая волна, если на длине стержня L укладывается целое нечетное число n полуволн ультразвука, то есть n=2Lf/v - нечетное число. Можно организовать в стержне 1 также бегущую ультразвуковую волну, которая одинаково раскачивает все атомы вещества, но при этом необходимо увеличить мощность колебаний и использовать согласованный по импедансу поглотитель ультразвуковой волны на конце стержня 1.

Пример реализации. Пусть стержень 1 имеет длину L=10 см, скорость распространения ультразвуковой волны v=1000 м/с, размер домена d=0,1 мм. Тогда резонансная частота f=10 МГц. Отметим, что это значение частоты существенно отличается от частоты ферромагнитного резонанса, имеющей порядок нескольких сотен МГц, то есть возбуждение ферромагнитного вещества не приводит к поглощению электромагнитной энергии ферромагнетиком.

Использование заявляемого способа позволяет создавать постоянные магниты с повышенными значениями энергии магнитного поля W=µ0 НОСТ2 V/2, где µ0=1,256·10-6 Гн/м - абсолютная магнитная проницаемость вакуума, V - объем магнита [м3]. Выбор величины мощности ультразвуковых колебаний осуществляется опытным путем и для различных ферромагнетиков может различаться по величине.

Литература

1. Вонсовский С.В., Магнетизм, М., 1971.

2. Парселл Э., Электричество и магнетизм, пер. с англ., 3 изд., М., 1983.

3. Преображенский А.А., Бишард Е.Г., Магнитные материалы и элементы, 3 изд., М., 1986.

4. Тикадзуми С., Физика ферромагнетизма. Магнитные свойства вещества, пер. с япон., М., 1983.

5. Филиппов Б.Н., Танкеев А.П., Динамические эффекты в ферромагнетиках с доменной структурой, М., 1987.

6. Зайкова В.А., Старцева И.Г., Филиппов Б.Н., Доменная структура и магнитные свойства электротехнических сталей, М., 1992.

7. Уайт Р., Квантовая теория магнетизма, пер. с англ., 2 изд., М., 1985.

Способ намагничивания магнитожесткого ферромагнетика, основанный на его помещении в соленоид с постоянным током в его обмотке, приводящем к магнитному насыщению магнитожесткого ферромагнетика, отличающийся тем, что указанный магнитожесткий ферромагнетик также помещают в высокочастотное магнитное поле генератора переменного тока с регулируемыми частотой и мощностью колебаний, связанного с колебательным контуром, в катушке индуктивности которого размещают намагничиваемый стержень из магнитожесткого ферромагнетика, с помощью которого возбуждают в последнем ультразвуковую волну, распространяющуюся вдоль оси намагничивания, а частоту колебаний f генератора переменного тока выбирают из условия резонанса колебаний магнитных доменов f=v/d, где v - скорость ультразвуковой волны в магнитожестком ферромагнетике, d - характерный размер магнитного домена, а величину мощности высокочастотных колебаний в магнитострикционном процессе выбирают из условия обеспечения требуемой подвижности неориентированных вдоль постоянного магнитного поля магнитных доменов и антипараллельно ориентированных атомно-молекулярных магнитных моментов в доменах.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технике размагничивания труб, стыков труб промысловых и магистральных газопроводов всех категорий. .

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для изготовления ферритовых тороидов с большой коэрцитивной силой - постоянных магнитов, векторы намагничивания которых являются косокруговыми, то есть когда из любой i-ой точки на торцевой поверхности тороида можно провести вектор, лежащий в плоскости уi zi под некоторым углом относительно оси zi, где ось уi является касательной к окружности с центром в начале координатной системы xi уi zi, проходящей через данную точку i на данной окружности.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для изготовления постоянных магнитов в виде ферромагнитных тороидов с большой коэрцитивной силой, векторы намагничивания которых являются косокруговыми, для магнитных амортизаторов вместо поршневых амортизаторов колебательных движений на основе двух совмещенных одноименными магнитными полюсами тороидов с косокруговой намагниченностью, вращение одного из которых относительно другого в одном направлении осуществляется легко, а в противоположном - с усилиями.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в интегральных СВЧ устройствах, содержащих ферритовые элементы. .

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для размагничивания длинномерных ферромагнитных изделий, например трубопроводов, проложенных в условиях сложного рельефа или под водой.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при размагничивании труб, стыков труб промысловых и магистральных газопроводов всех категорий и других намагниченных изделий.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах для намагничивания полимерных композиционных материалов. .

Изобретение относится к электротехнике, к маломагнитным электрическим машинам и может быть использовано на судах с немагнитным корпусом. .
Изобретение относится к электротехнике, к размагничиванию ферромагнитных тонкостенных кольцевых деталей больших диаметров (более 1500 мм) с 3-10 полюсами и степенью намагниченности 8-140 А/см

Изобретение относится к электротехнике, к размагничиванию длинномерных ферромагнитных материалов и изделий

Изобретение относится к электротехнике, к физике магнетизма и может быть использовано для изготовления ферромагнитных тороидов с большой коэрцитивной силой - постоянных магнитов, векторы намагничивания которых являются разнонаклонно ориентированными к вертикалям к плоскости граней ферромагнитного тороида в одну и ту же сторону по окружностям, проходящим через точки пересечения этих вертикалей с плоскостью граней ферромагнитного тороида

Изобретение относится к физике магнетизма и может быть использовано при изготовлении постоянных магнитов с большим энергетическим произведением (ВН)max в форме намагниченных колец или полых цилиндров

Изобретение относится к электротехнике, к размагничиванию ферромагнитных материалов и изделий и может быть использовано для снятия остаточной магнитной индукции труб, сортового и листового проката в производственных линиях металлургических заводов

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в интегральных СВЧ схемах, элементом которых является пленочный ферритовый резонатор

Изобретение относится к области магнетизма и предназначено для намагничивания ферромагнитных параллелепипедов, векторы намагниченности которых наклонены под некоторым острым углом по отношению к противолежащим двум граням параллелепипеда в направлении их более длинных сторон, и эти грани являются магнитными полюсами ферромагнитного параллелепипеда. Заявлен способ намагничивания ферромагнитных параллелепипедов, основанный на помещении ферромагнитного параллелепипеда в соленоид перпендикулярно его оси симметрии и использовании насыщающего магнитного поля, отличающийся тем, что на ферромагнитный параллелепипед наматывают катушку индуктивности, ось симметрии которой перпендикулярна оси симметрии соленоида, катушку индуктивности соединяют последовательно с соленоидом к источнику импульса тока намагничивания до насыщения ферромагнитного параллелепипеда, после чего снимают катушку индуктивности с ферромагнитного параллелепипеда. Технический результат - осуществление намагничивания ферромагнитного параллелепипеда, векторы магнитной индукции в котором образуют некоторый острый угол к его двум противоположным граням, а их проекции на эти грани направлены вдоль более длинных их сторон. Заявляемый способ позволяет создавать магнитные системы с продольным неоднородным магнитным полем, что может найти применение в магнитной энергетике для повышения энергетической эффективности магнитных генераторов. 8 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для научных исследований, в частности по взаимодействию тороидального магнитного поля с однополярными магнитными жидкостями. Технический результат состоит в создании тороидального магнитного поля без использования электрической энергии. Cогласно изобретению склеивают между собой две пары соосно установленных магнитотвердых ферромагнитных тороидов с прямоугольной формой сечения так, что в первой паре тороиды одинаковой толщины вставляют друг в друга с зазором. Одинаковые тороиды второй пары перекрывают своими плоскими гранями зазор первой пары тороидов с обеих сторон, образуя тороидальную полость между четверкой тороидов. На все четыре тороида предварительно наматывают катушки их намагничивания. Катушку первого тороида первой пары соединяют с катушкой первого электромагнита, образующего радиально-кольцевое магнитное поле, в которое помещают первый тороид первой пары, и производят его намагничивание постоянным током. Аналогичные операции осуществляют со вторым тороидом первой пары, используя второй электромагнит с габаритами кольцевого зазора, соответствующими габаритам второго тороида первой пары. Затем катушки намагничивания первого и второго тороидов второй пары соединяют последовательно между собой и с катушкой третьего электромагнита, образующего однородное соленоидальное магнитное поле, ортогональное плоским граням первого и второго тороидов второй пары, помещенных в магнитное поле третьего электромагнита, и производят намагничивание второй пары тороидов. После намагничивания со всех четырех тороидов снимают катушки намагничивания. Склеивание тороидов между собой производят так, что все одноименные магнитные полюсы обращают в образующуюся тороидальную полость с одинаковыми направлениями тангенциальных составляющих векторов намагниченности всех четырех тороидов. 5 ил.

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, к способу размагничивания рельсового изолирующего стыка. Согласно способу размагничивания рельсового изолирующего стыка объект подвергают воздействию магнитного поля, возбуждаемого индуктором, обмотка которого подключена к блоку конденсаторов. Обмотку индуктора подключают к блоку конденсаторов через блок электронных ключей, управляемых с помощью датчика Холла, таким образом, чтобы магнитный импульс, возбуждаемый обмоткой индуктора при разрядке конденсаторов, имел направление вектора магнитной индукции, противоположное вектору магнитной индукции, создаваемому магнитным полем изолирующего стыка. Блок конденсаторов заряжают от пьезоэлектрического генератора, при этом для деформации пьезоэлектрических элементов генератора используют механические колебания рельсов, возбуждаемых проходящим подвижным составом. Разрядку блока конденсаторов на обмотку индуктора производят посредством силового ключа, при достижении номинального напряжения блока конденсаторов, контролируемого посредством порогового элемента. Изобретение относится также к устройству для осуществления указанного способа. В результате обеспечивается постоянное размагничивание рельсового изолирующего стыка за счет энергии проходящего подвижного состава. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к судовым средствам магнитной защиты подводного или надводного объекта, в частности к автоматическим регуляторам его магнитного поля. Автоматический регулятор магнитного поля подводного или надводного объекта включает блок приема сигналов от датчиков его магнитного поля, от навигационного комплекса и сигналов о токах компенсаторов магнитного поля объекта, блок формирования алгоритма управления системы автоматического управления магнитным полем объекта, блоки управления компенсаторами магнитного поля объекта и блок распределения сигналов управления эффективностью компенсаторов магнитного поля объекта. В него введен блок контроля магнитного состояния объекта, соединенный с выходом блока формирования алгоритма управления, и блок сигнализации о превышении предельных значений параметров его магнитной защиты, соединенный с выходом блока контроля магнитного состояния объекта. В результате обеспечивается возможность оценивать магнитное состояние объекта в процессе плавания и сигнализировать о снижении требуемого уровня его магнитной защиты. 1 ил.
Наверх