35. Магнитные цепи и их элементы

Воздействие на магнитные материалы происхо­дит в магнитной цепи – совокупности тел и участков окружаю­щего пространства, по которым проходит магнитный поток. Маг­нитная цепь содержит источники магнитного поля — постоянные магниты или обмотки с протекающим по ним намагничивающим током и участки цепи, по которым протекает магнитный поток. Магнитные цепи разделяются на замкнутые и разомкнутые, поля­ризованные и нейтральные, расчетные и нерасчетные.

В замкнутых магнитных цепях (ЗМЦ) магнитный поток про­ходит практически полностью в телах, чья магнитная восприимчи­вость существенно больше единицы. Разомкнутые магнитные цепи (РМЦ) имеют существенные включения немагнитных сред, напри­мер воздушные зазоры. В поляризованных и неполяризованных магнитных цепях источниками магнитодвижущей силы являются соответственно постоянные магниты или обмотки с током. Магнитные цепи, напряженность на участках которых может быть опре­делена путем расчета по геометрическим размерам намагничиваю­щих обмоток и по протекающему по ним току, можно назвать расчетными.

Основной частью магнитной цепи является образец испытуемого материала. Наибольшая однородность намагничивания при наименьших потоках рассеяния может быть получена в кольцевых образцах. Они могут быть сплошными, на­бираться из штампованных колец или навиваться из ленты. При испытаниях на переменном токе кольца или соседние витки ленты должны быть изолированы диэлектриком. Для повышения однородности намагничивания отношение ра­диальной толщины образца к его среднему радиусу должно быть по возмож­ности минимальным. В отношении технологии изготовления и нанесения обмо­ток кольцевые образцы, пожалуй, самые неудобные. Наряду с кольцевыми ши­роко используются образцы в виде пакетов нарезанных полос,. образующих замкнутую магнитную цепь (аппарат Эпштейна), образцы с плоскопараллель­ными гранями для испытаний в пермеаметрах, электромагнитах и т. п.

Тор, кольцо. Преимущества: Однородность намагничивания, минимальные потоки рассеяния. Недостатки: Трудность изготовления, трудоем­кость нанесе­ния обмотки.

То же с одновитковым намагничиванием. Достоинства: Простота нане­сения обмотки, однородность намагничивания. Недостатки: Малое зна­чение изме­ряемого сиг­нала.

Аппарат Эпштейна. Достоинства: Отсутствие необходимости нанесения обмоток, простота уста­новки образца, простая форма образца. Недостатки: Влияние за­зоров в месте стыка на точ­ность измере­ния.

Пермеаметр. Достоинства: Простая форма образца, отсутствие обмотки на образце. Недостатки: Ограниче­ние намагни­чивания: а) из-за на­сыщения сер­дечника; б) из-за ос­таточной на­магниченности сердечника.

Электромагнит. Достоинства: Отсутствие об­мотки на образце, простота уста­новки образца, достижение больших напряженностей. Недостатки: Ограниче­ние намагни­чивания: а) из-за на­сыщения сер­дечника; б) из-за оста­точной намаг­ниченности сердечника. Ограничен­ный частот­ный диапазон.

Соленоид. Достоинства: Простота уста­новки образца, сравнительно неплохой доступ, достижение весьма больших напряженностей. Недостатки: Ограничен­ный частот­ный диапазон.

Катушки Гельмгольца. Достоинства: Простота уста­новки образца, хороший до­ступ, однородность поля. Недостатки: Сравнитель­но небольшая напряжен­ность магнит­ного поля.

Постоянный магнит (для испытаний слабомагнитных материалов). Достоинства: Отсутствие ис­точников питания, простота уста­новки образца, сравнительно сильные поля. Недостатки: Большие масса и габа­риты, невозмож­ность регули­рования маг­нитного поля.

Наилучшая форма образца для испытаний – эллип­соид вращения, намагничивающийся равномерно в однородном внешнем магнитном поле. Такой образец обладает еще одним важ­ным качеством – возможностью аналитического расчета его коэф­фициента размагничивания. Дело в том, что при намагничивании незамкнутого образца внешним магнитным полем с напряженностью Н_е напряженность внутри образца Н уменьшается на ве­личину, пропорциональную намагниченности: Н=Н_е–NJ, где N – коэффициент размагничивания, зависящий от формы испытуемого образца. Очевидная трудность изготовления образцов такой слож­ной формы, как эллипсоид вращения, приводит к замене их цилиндрическими или призматическими. Поскольку в этом случае одно­родность намагничивания в РМЦ нарушается, точный расчет ко­эффициента размагничивания становится невозможен. Вместо него пользуются приближенными формулами, в которые непременно входит отношение длины образца к его поперечному размеру. С увеличением этого отношения значение коэффициента размагничивания уменьшается. По этой причине везде, где это возможно, используют длинные и тонкие образцы.

Одним из существенных элементов магнитной цепи является устройство для создания необходимого режима намагничивания. Дело в том, что получение однозначных результатов измерений магнитных параметров возможно при заданном режиме изменения во времени напряженности или индукции, что эквивалентно под­держанию соответствующей формы кривой намагничивающего тока или индуцированной ЭДС. На рис. 1 приведена схема источ­ника намагничивающего тока на основе мощного операционного усилителя ОУ. Обеспечив условие R₄/R₃=R₂/R₁, получают пропорциональность тока I1 в намагничивающей обмотке образца О за­дающему напряжению и соответствующей формы: l₁= -u/R₃.

Аналогично можно создать необходимый режим изменения во времени магнитной индукции. Простейшим решением вопроса было бы подключение генератора напряжения с требуемой фор­мой выходного сигнала и с малым внутренним сопротивлением к намагничивающей обмотке. К сожалению, из-за конечного внутреннего сопротивления г последней индуцированная ЭДС будет отличаться от приложенного напряжения на тем большее значе­ние, чем больше ток намагничивания. Во избежание этого используют устройство по схеме, показанной на рис. 2, в котором соответствующим выбором сопротивлений в цепях обратной связи R4/R3=R(1+R2/R1)/(R + r)—1 получают пропорциональность ЭДС и входного напряжения. Поскольку ЭДС является производной функцией индукции, то для получения синусоидальной или пилообразной кривой индукции требуется соответственно синусоидальная или прямоугольная форма входного напряжения и.

Рис. 2.