Устройство для исследования магнитного трения

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при исследовании физической природы так называемого магнитного трения и его связи с магнитной восприимчивостью ферромагнетика, помещенного в изменяющееся внешнее магнитное поле. Технический результат - обеспечение возможности исследовании магнитного трения в ферромагнетиках, в частности зависимости магнитного трения от величины приложенного к ферромагнетику внешнего магнитного поля. Устройство для исследования магнитного трения содержит намагниченные вращающийся ротор и неподвижный статор, выполненные из исследуемого ферромагнитного вещества, катушку подмагничивания, высокочастотный трансформатор, регулируемый источник постоянного тока, электромагнитный датчик угловой скорости вращения ротора с противовесом, измеритель частоты, блок управления и обработки информации, широкополосный малошумящий усилитель и спектроанализатор, синхронный двигатель, регулируемый по частоте источник переменного тока, прибор измерения потребляемой синхронным двигателем мощности. Вращающийся ротор выполнен в виде симметричной конструкции с двумя одинаковыми цилиндрическими полюсами, зазор которых относительно цилиндрического статора не менее чем на два порядка меньше радиуса цилиндрических полюсов ротора. Указанные элементы соединены между собой так, как указано в материалах заявки. 4 ил.

 

Изобретение относится к физике магнетизма ферромагнетиков и может быть использовано при исследовании физической природы так называемого магнитного трения и его связи с магнитной восприимчивостью ферромагнетика, помещенного в изменяющееся внешнее магнитное поле.

Наблюдения в 1919 г. Г. Баркгаузена [1] показали, что при плавном изменении напряженности магнитного поля намагниченность ферромагнетика изменяется скачкообразно из-за действия различной природы трения доменов. Эффект Баркгаузена - одно из непосредственных доказательств доменной структуры ферромагнетиков, он позволяет определить объем отдельного домена. Для большинства ферромагнетиков этот объем равен 10^-6…10^-9 см³ (соответственно поперечный размер домена составляет 0,1…0,01 мм), что указывает на то, что один домен состоит из огромного числа атомов и молекул с одинаково ориентированными магнитными моментами, то есть домен имеет массу, во много порядков раз большую массы отдельной молекулы или атома вещества.

Считается, что при взаимодействии двух намагниченных ферромагнетиков выходящие из доменов магнитные силовые линии одного из них (с северного магнитного полюса Ν) входят в домены другого (в южный магнитный полюс S) и являются как бы «вмороженными» в соответствующие домены этих ферромагнетиков, расположенные между собой по кратчайшему пути. При взаимном перемещении магнитно взаимодействующих намагниченных ферромагнетиков относительно другдруга на некотором небольшом интервале перемещений магнитные силовые линии соответственно удлиняются или укорачиваются, что приводит к изменению магнитного сопротивления магнитной цепи, аналогично известному закону Ома для магнитной цепи. Всякое изменение во времени магнитного сопротивления может быть обнаружено техническими средствами на основе закона Фарадея об электромагнитной индукции.

Известно техническое решение [2] по обнаружению флуктуаций магнитного потока при взаимном перемещении двух намагниченных ферромагнетиков без изменения расстояния между их магнитными полюсами. Это устройство состоит из двух магнитно связанных торцами тонкостенных цилиндрических и соосно расположенных постоянных магнитов из исследуемого ферромагнитного вещества, один из которых - ротор - приводится во вращательное движение электродвигателем, а другой - статор - выполнен в виде подковообразной структуры магнитопровода, на котором расположена катушка индуктивности, образующая вместе с присоединенным к ней конденсатором переменной емкости колебательный контур, настроенный на частоту F=ΩD/2md, где Ω - круговая частота вращения цилиндрического магнита-ротора с диаметром D, m - некоторое положительное число, подлежащее измерению, d - предполагаемый поперечный размер домена в используемом ферромагнетике, причем толщина h стенок цилиндрических торцов магнитных полюсов во много раз меньше диаметра D, например на два порядка, а торцы магнитных полюсов ротора и статора расположены друг от друга на малом расстоянии s, соизмеримом с величиной h и образующим магнитный зазор. Увеличение отношения D/h в указанном техническом решении связано с требованием уменьшения разброса линейных скоростей различных точек торцов тонкостенных цилиндрических постоянных магнитов (электромагнитов) из исследуемого ферромагнитного вещества для получения квазимонохроматического колебательного процесса в указанном колебательном контуре, настраиваемом на частоту F.

Такой же эффект магнитного сцепления имеет место и при любых других конфигурациях намагниченной системы ротор-статор [3], например в устройстве с соосно установленными цилиндрическим ротором и полым цилиндрическим статором, внутри которого установлен ротор, так что цилиндрические поверхности ротора и статора образуют цилиндрический магнитный зазор постоянной величины. Иначе говоря, утверждается, что для вращения намагниченной системы ротор-статор необходимо приложить добавочную величину энергии по сравнению с таким же вращением, но при отсутствии намагниченности. Это устройство можно принять в качестве ближайшего технического решения (прототипа) заявляемому. Это устройство позволяет исследовать спектр квазипериодических флуктуаций магнитного потока, обусловленных срывами связей магнитных доменов между ротором и статором, зазор между которыми сохраняется постоянным при вращении ротора. Средняя частота F таких срывов в спектре флуктуаций пропорциональна угловой скорости вращения ротора Ω и радиусу R ротора, что позволяет при заданном значении размера доменов d найти среднее значение числа m=dF/ΩR, которое определяет среднюю величину удлинения магнитных силовых линий Δp для каждой пары доменов системы «ротор-статор» от величины ε, равной постоянному зазору между ротором и статором, до величины p*=(ε²+m²d²)^1/2. Это удлинение равно Δp=p*-ε, которое приводит к увеличению магнитного сопротивления магнитной цепи и, следовательно, к возбуждению в обмотке, связанной с магнитопроводом э.д.с. индукции на средней частоте F.

К недостатку прототипа следует отнести невозможность исследования магнитного трения в различных режимах вращения ротора и выявления зависимости такого трения от значения магнитной восприимчивости ферромагнетика χ, изменяющейся при изменении напряженности Η магнитного поля, действующего на ферромагнетик.

Указанные недостатки прототипа устранены в заявляемом техническом решении.

Целью изобретения является обеспечение возможности исследовании магнитного трения в ферромагнетиках, в частности зависимости магнитного трения от величины приложенного к ферромагнетику внешнего магнитного поля.

Указанная цель достигается в заявляемом устройстве для исследования магнитного трения, содержащем намагниченные вращающийся ротор и неподвижный статор, выполненные из исследуемого ферромагнитного вещества, катушку подмагничивания, подключенную через токовую обмотку высокочастотного трансформатора к регулируемому источнику постоянного тока, установленную осесимметрично ротору и закрепленную неподвижно в теле статора, электромагнитный датчик угловой скорости вращения ротора с противовесом, закрепленный на оси вращения последнего и подключенный через измеритель частоты к первому входу блока управления и обработки информации, например к компьютеру, а также вторичную обмотку высокочастотного трансформатора, подсоединенную ко второму входу блока управления и обработки информации через последовательно включенные широкополосный малошумящий усилитель и спектроанализатор, отличающимся тем, что в него введены связанный с осью вращения ротора синхронный двигатель, подключенный к регулируемому по частоте источнику переменного тока через прибор измерения потребляемой синхронным двигателем мощности, выход последнего подключен к третьему входу блока управления и обработки информации, который выходом связан с регулируемым источником постоянного тока, величина тока подмагничивания ротора передается на четвертый вход блока управления и обработки информации, дополнительный управляющий выход которого связан с входом регулируемого по частоте источника переменного тока, а вращающийся ротор выполнен в виде симметричной конструкции с двумя одинаковыми цилиндрическими полюсами, зазор которых относительно цилиндрического статора не менее чем на два порядка меньше радиуса цилиндрических полюсов ротора.

Достижение указанной цели объясняется одновременным автоматическим управлением током подмагничивания ротора и частотой его вращения, а также автоматической переработкой информации, поступающей от регулируемого источника постоянного тока и перестраиваемого по частоте источника переменного тока, а также от прибора измерения потребляемой синхронным двигателем мощности с помощью блока управления и обработки информации, на основе сравнения потребляемой синхронным двигателем мощности при заданном токе подмагничивания ротора с мощностью потребления при заданной скорости вращения ротора в отсутствии подмагничивания ротора при условии, что напряженность магнитного поля Η в магнитном зазоре выбрана пропорциональной угловой скорости ω вращения ротора при возможности вариации коэффициента пропорциональности β такой связи Η=β ω (коэффициент β является размерным в единицах Ампер ∗ сек/метр).

Изобретение поясняется прилагаемыми рисунками.

На рис. 1 представлена блочно-конструктивная схема устройства, состоящая из следующих элементов и блоков:

1 - двухполюсный цилиндрический ротор с симметричной конструкцией полюсов,

2 - цилиндрический двухполюсный статор,

3 - верхняя крышка датчика с подшипником,

4 - нижняя крышка датчика с подшипником,

5 - синхронный двигатель переменного тока,

6 - ось вращения ротора 1, общая для датчика и встроенного в статор 2 синхронного двигателя переменного тока 5,

7 - катушка подмагничивания ротора 1, закрепленная в теле статора 2,

8 - изоляторы выводов катушки подмагничивания 7,

9 - токовая обмотка высокочастотного трансформатора,

10 - магнитопровод высокочастотного трансформатора (стержневой или кольцевой),

11 - регулируемый источник постоянного тока,

12 - регулируемый по частоте источник переменного тока,

13 - прибор измерения мощности, потребляемой синхронным двигателем 5,

14 - электромагнитный датчик угловой скорости вращения ротора,

15 - противовес датчика 14,

16 - измеритель частоты вращения вала 6,

17 - вторичная обмотка высокочастотного трансформатора,

18 - широкополосный малошумящий усилитель,

19 - спектроанализатор,

20 - блок управления и обработки информации, например персональный компьютер.

На рис. 2 даны графики зависимости магнитной восприимчивости χ ферромагнетика - кривая 21 и его намагниченности J в функции от напряженности Η приложенного к нему магнитного поля - кривая 22.

На рис. 3 даны графики потребляемой синхронным двигателем мощности Ρ(ω) при отсутствии намагничивания ротора - наклонная прямая 23 и при подмагничивании ротора в заданном диапазоне угловых скоростей ω его вращения при соблюдении условия Η=β ω, где размерный коэффициент β - величина постоянная и может варьироваться в зависимости от типа исследуемого ферромагнетика - немонотонная кривая 24.

На рис. 4 дано наглядное представление природы изменения магнитной восприимчивости ферромагнетика при вариации напряженности Η внешнего магнитного поля.

Рассмотрим действие заявляемого устройства (рис. 1).

С помощью управления от блока 20 синхронный двигатель 5 приводит во вращение ротор 1 от регулируемого по частоте источника переменного тока 12 без подачи постоянного тока в катушку подмагничивания 7 (Н=0) от регулируемого источника постоянного тока 11. При этом снимается характеристика 23 (рис. 3) зависимости потребляемой синхронным двигателем 5 мощности Ρ_O(ω) в отсутствие намагничивания ротора 1 (Н=0) от угловой скорости вращения ротора, измеряемой измерителем частоты 16 при работе электромагнитного датчика 14, связанного с осью вращения 6, при наличии постоянного по величине момента трения M_{TP O}, так что Ρ_O(ω)=ω Μ_{TP O}, то есть эта характеристика является линейной функцией при условии, что Μ_{TP O}=const(ω), что обычно имеет место.

Затем производится измерение потребляемой синхронным двигателем 5 мощности Р(ω) при намагничивании ротора 1 током в катушке намагничивания 7 от регулируемого источника постоянного тока 11 при различных значениях угловой скорости вращения ротора 1. При этом важно указать, что в блоке управления и обработки информации 20 реализуется условие одновременного изменения тока в катушке намагничивания 7, то есть напряженности магнитного поля Η(ω), и изменение угловой скорости вращения ротора 1 при выполнении условия Η(ω)=β ω, где β - размерная константа, значение которой можно изменять.

Ясно, что при наличии магнитного трения, связанного с вращением намагниченного ротора относительно магнитного полюса неподвижного статора при сохранении неизменным магнитного зазора между цилиндрическими полюсами «ротор-статор» в обеих парах полюсов ротора 1 сила такого магнитного трения F_TP(ω) создает момент магнитного трения Μ_TP(ω), равный Μ_TP(ω)=F_TP(ω) R, и тогда дополнительно потребляемая синхронным двигателем 5 мощность Ρ_TP(ω)=ω Μ_TP(ω)=F_TP(ω) ω R, где ω R=V - линейная скорость перемещения доменов ферромагнитного кольца 25 ротора 1 относительно связанных доменов ферромагнитного кольца 26 статора 2 (рис. 5). При V=0 эта мощность P_TP(0)=0, а при увеличении V эта мощность P_TP(0)>0. Полная потребляемая синхронным двигателем 5 мощность Ρ_Σ(ω) равна сумме Ρ_Σ(ω)=Ρ_O(ω)+Ρ_TP(ω)=ω[M_{TP O}+F_TP(ω)R], и поэтому график 24 для мощности Ρ_Σ(ω) располагается выше наклонной прямой 23 на рис. 3, ассимпотически приближаясь к ней на начальном и конечном участках (априорное утверждение).

На заключительном этапе осуществляется сравнение зависимостей Ρ_O(ω) и Ρ_Σ(ω), что позволяет определить величину магнитного трения F_TP(ω) простейшим вычислением по формуле F_TP(ω)=[Ρ_Σ(ω)-Ρ_O(ω)]/ω R, где R - наружный радиус ферромагнитного кольца 25, закрепленного на полюсах ротора 1 (рис. 5) при малом зазоре ε<<<R между ферромагнитными кольцами 26 системы «ротор-статор» в обеих одинаковых парах, как это видно на рис. 1.

Априорное утверждение о немонотонности характеристики F_TP(ω) с максимумом в точке ω=ω*, для которой напряженность магнитного поля Н*, создаваемого в магнитных зазорах током подмагничивания в катушке 7 и воздействующего на ферромагнитный материал и равная Η*=β ω*, является предметом исследования, подлежащего экспериментальной проверке на основе заявляемого технического решения.

Ток подмагничивания I от регулируемого источника постоянного тока 11 создает в роторе 1 магнитный поток Φ (указан фигурной стрелкой на рис. 1), создающий индукцию В, определяемую площадью магнитного полюса статора S, так что Φ=В S. Тогда напряженность магнитного поля Н, действующего на ферромагнетик, равна Η=Β/µ_O(χ+1)=Φ/µ_O(χ+1)S, причем значение магнитного потока Φ определяется конструкцией катушки подмагничивания, ее числом витков и током I по известным формулам электротехники, а площадь магнитного полюса ротора S=π R h, где h - ширина магнитного полюса.

Поводом считать, что максимум функции F_TP(ω) соответствует напряженности магнитного поля Η*=β ω*, при которой магнитная восприимчивость χ ферромагнетика, достигает максимальной величины согласно кривой Столетова 21 (рис. 2), является представление о перераспределении магнитных потоков каждого из магнитных доменов ферромагнетика между потоком, выходящим наружу ферромагнетика в виде связанных магнитных потоков группы связанных доменов, и потоком, замыкающимся для каждого из доменов внутри тела ферромагнетика, как это наглядно представлено на рис. 4.

Автором предлагается модель этого процесса, объясняющая поведение ферромагнетика в магнитном поле. На рис. 4 представлены цепи магнитных доменов А, В, С, … при трех разных значениях напряженности магнитного поля Η=0, Н* и H_HAC, магнитная восприимчивость ферромагнетика при которых имеет соответственно значения χ_НАЧ, χ_МАХ и χ(H_HAC)=J_MAX/µ_O H_HAC при H_HAC>Η*, где J_MAX - намагниченность насыщения (рис. 2), µ_O - магнитная постоянная (µ_O=1,256∗10^-6 Гн/м).

В восходящей ветви кривой Столетова при 0≤Η≤Н* действие на ферромагнетик внешнего магнитного поля увеличивает его способность к намагничиванию, а в нисходящей ветви кривой Столетова, наоборот, уменьшает. Это возможно объяснить перераспределением плотности магнитного потока каждого из магнитных доменов ферромагнетика, ориентируемых по вектору внешнего магнитного поля, одна часть которого замыкается внутри ферромагнетика около каждого из доменов, а другая его часть образует магнитную цепь группы последовательно связанных доменов, создающую внешний магнитный поток намагниченного ферромагнетика. При этом каждый домен рассматривается как прямой микромагнит с его собственным магнитным моментом, магнитные силовые линии которого частично замыкаются во внутреннем контуре, а частично образуют магнитные связи с другими доменами в последовательно расположенных цепях. При этом внешнее магнитное поле управляет процессом указанного перераспределения магнитных полей доменов в ферромагнетиках.

Обозначим полный магнитный поток домена как σ_O, часть его, связывающуюся во внешнюю магнитную цепь, обозначим как σ₁, а другую его часть, образующую внутренний контур, обозначим как σ₂. Тогда σ_O=σ₁+σ₂. Отношение ψ=σ₁/σ_O определяет степень указанной перегруппировки магнитного потока домена. В магнитном поле с напряженностью Н* все магнитные силовые линии домена образуют внешние магнитные цепи и значение ψ=1, а при иных напряженностях магнитных полей значение ψ<1, как это показано на рис. 4.

Из рассмотрения модели физического объяснения изменения магнитной восприимчивости ферромагнетика под УПРАВЛЕНИЕМ внешним магнитным полем можно утверждать, что магнитные силовые линии, виртуально описывающие соответствующие парциальные магнитные потоки доменов являются действительно «вмороженными» в эти домены, то есть обособлены от магнитных потоков других доменов, а следовательно, магнитное взаимодействие доменов системы «ротор-статор» представляется взаимодействием отдельных пар магнитно связанных доменов, расположенных соответственно на роторе и на статоре с кратчайшими расстояниями между этими парами доменов. Тогда становится понятным эффект магнитного трения, препятствующего взаимному перемещению ротора относительно статора без изменения расстояния между ними (без изменения величины магнитного зазора ε). Понятно также и то, что такое магнитное сцепление, нарушаемое скачкообразными переходами магнитных связей между близлежащими парами доменов ротора и статора, связано с необходимостью затраты дополнительной энергии при взаимном перемещении ротора от статора в магнитном зазоре электромагнита 1 (рис. 1).

Наличие устойчивых связей пар доменов ротора и статора при действии намагничивания от катушки 7 с постоянным током и вынужденный разрыв этих связей при вращении ротора, происходящий после некоторого удлинения магнитных силовых линий до критической величины p*=(ε²+m²d²)^1/2>ε, регистрируется в форме возбуждения э.д..с. индукции во вторичной обмотке 17 высокочастотного трансформатора вследствие флуктуации магнитного поля из-за скачкообразного изменения магнитного сопротивления магнитной цепи «ротор-статор» и связи катушки подмагничивания 7 с токовой обмоткой 9 высокочастотного трансформатора с магнитопроводом 10. После усиления этой э.д.с. в широкополосном малошумящем усилителе 18 и преобразовании усиленного сигнала в спектроанализаторе 19 данные поступают на блок управления и обработки информации 20, что позволяет получить важную дополнительную информацию о структуре исследуемого ферромагнетика.

При таком представлении сила трения F_TP(ω) действительно достигает максимума F_TP* при ω=ω*, при которой согласно выполнению ранее указанного условия Η*=β ω*, магнитная восприимчивость ферромагнетика достигает максимума χ_MAX, поскольку ψ=σ₁/σ_O=1, то есть когда магнитные потоки доменов, выходящие наружу ферромагнетика, максимальны.

Использование заявляемого устройства расширяет границы нашего познания происходящих в ферромагнетиках явлений.

Литература

1. Рудяк В.М. Эффект Баркгаузена, УФН″, 1970, т. 101, с. 429.

2. Меньших О.Ф. Магнитопараметрический генератор, патент РФ №2359397, опубл. в бюл. №17 от 20.06.2009.

3. Меньших О.Ф. Устройство для измерения спектра сигнала индукции в магнитно связанной системе, патент РФ №2467464, опубл. в бюл. №32 от 20.11.2012.

Данные патентного поиска

RU 2467342 С1, 20.11.2012; RU 2451945 С1, 27.05.2012;

RU 2357240 С1, 27.05.2009; RU 2357241 С1, 27.05.2009;

RU 2338216 С1, 10.11.2008; US 2009009157 А1, 08.01.2009;

RU 2309527 С1, 27.10.2007; RU 2291546 С1, 10.01.2007;

JP 20011255305 А, 21.09.2001; JP 63180851 А, 25.07.1988.

Устройство для исследования магнитного трения, содержащее намагниченные вращающийся ротор и неподвижный статор, выполненные из исследуемого ферромагнитного вещества, катушку подмагничивания, подключенную через токовую обмотку высокочастотного трансформатора к регулируемому источнику постоянного тока, установленную осесимметрично ротору и закрепленную неподвижно в теле статора, электромагнитный датчик угловой скорости вращения ротора с противовесом, закрепленный на оси вращения последнего и подключенный через измеритель частоты к первому входу блока управления и обработки информации, например, к компьютеру, а также вторичную обмотку высокочастотного трансформатора, подсоединенную ко второму входу блока управления и обработки информации через последовательно включенные широкополосный малошумящий усилитель и спектроанализатор, отличающееся тем, что в него введены связанный с осью вращения ротора синхронный двигатель, подключенный к регулируемому по частоте источнику переменного тока через прибор измерения потребляемой синхронным двигателем мощности, выход последнего подключен к третьему входу блока управления и обработки информации, который выходом связан с регулируемым источником постоянного тока, величина тока подмагничивания ротора передается на четвертый вход блока управления и обработки информации, дополнительный управляющий выход которого связан с входом регулируемого по частоте источника переменного тока, а вращающийся ротор выполнен в виде симметричной конструкции с двумя одинаковыми цилиндрическими полюсами, зазор которых относительно цилиндрического статора не менее чем на два порядка меньше радиуса цилиндрических полюсов ротора.