Формы электрических токов в знакопеременных и импульсных магнитных полях

Самые тонкие дефекты при магнитопорошковом контроле определяются при повышенных частотах. В отличие от ста­тического режима, динамической режим характеризуется ограниченным временем воздействия намагничивающей МДС. Если при статическом режиме переходные процессы и материале магнитопровода успевают закончиться до прек­ращения действия МДС, то в динамическом режиме пере­ходные процессы часто не могут закончиться за время действия МДС. Основными показателями, определяющими режим перемагничивания в переменных магнитных полях, являются величина амплитуды намагничивающей МДС и ее время действия. Кроме этого, большое значение имеет; характер изменения МДС во времени, который может быть, как периодическим, так и апериодическим. На рис. 40 приведены различные возможные случаи изменения намагни­чивающей МДС во времени. На рис. 40, а-д изменение МДС носит периодический характер, при котором отсутс­твуют паузы между воздействиями МДС противоположных полярностей. На рис. 40, е-з изменение МДС носит апе­риодический или, как часто называют, импульсный харак­тер. Различают также симметричный и несимметричный характеры воздействия МДС, которые к тому же могут отличаться как по амплитуде, так и по длительности воз­действия. При симметричном периодическом характере воздействия МДС F⁺_m = F^-_m, t⁺ = t^- = Т/2 и t⁺ + t^- =T, при несимметричном периодическом характере воздействия МДС F⁺_m ≠ F^-_m или t⁺ ≠ t^- ≠ Т/2, но t⁺ + t^- =T (рис. 40). Здесь F⁺ _m и F^- _m — максимальные значения намагничива­ющей МДС положительной и отрицательной полярности, a t⁺ и t^- — значения времени действия МДС соответству­ющих полярностей. Симметричный или несимметричный характер воздействия может иметь место и при апериодичес­ком изменении МДС с той лишь разницей, что t⁺ + t^- < Т, так как Т = t⁺ + t^- + t_n (рис. 40, е, ж), где t_n — время паузы. Изменение МДС по форме может носить прямоуголь­ный, синусоидальный, трапецеидальный характер и т.п. Однако форма намагничивающий МДС начинает сказы­ваться лишь при небольших амплитудных значениях МДС, когда создаваемое магнитное поле по величине соизмеримо с коэрцитивной силой материала (Н_т » Н_с). При достаточно больших амплитудах МДС, когда создаваемое магнитное поле по величине значительно больше коэрцитивной силы Н_т » Н_с), форма МДС практически не сказывается на режиме перемагничивания, в особенности если время нарастания МДС существенно меньше длительности воздейс­твия МДС.

Рис. 40. Различные законы изменения тока во времени i(t) в намагничивающей цепи.

При перемагничивании в быстроменяющихся знакопе­ременных магнитных полях конфигурации петель гистере­зиса по сравнению со статическими изменяются (рис. 41).

Рис. 41. Динамические петли гистерезиса (а); построение кривых тока с учетом гистерезиса (б, в).

Такие петли гистерезиса называются динамическими (рис. 41, а). Изменение формы петель гистерезиса обусловлено временными эффектами (вихревыми токами, маг­нитной вязкостью), которые в значительной мере зависят от электрических параметров магнитного материала. В свою очередь степень влияния вихревых токов зависит от частоты перемагничивания, от характера перемагничивания (пери­одического или импульсного), от режима перемагничива­ния (симметричного или несимметричного) и т.п. Динамические параметры магнитных материалов значи­тельно отличаются от статических. Величина коэрцитивной силы Н_с, например, увеличивается, так как петля гистере­зиса расширяется, а абсолютная магнитная проницаемость материала μ_а уменьшается.

Всякое изменения магнитного потока внутри замкнуто­го контура индуцирует в этом контуре ЭДС, вызывающую в контуре электрический ток. Токи в проводящей среде, индуцированные изменяющимся магнитным потоком, яв­ляются вихревыми. Из-за малой величины электрического сопротивления металлических магнитопроводов вихревые токи могут достигать значительных величин. В свою оче­редь вихревые токи в контролируемой детали образуют соб­ственное магнитное поле, которое направлено навстречу магнитному потоку, их создавшему. Взаимодействие встречных магнитных потоков приводит к поверхностному эффекту (скин-эффекту), т.е. к резкому уменьшению про­никновения переменного электромагнитного поля в глубь магнитного материала. При сильно выраженном поверхнос­тном эффекте переменное магнитное поле в основном сос­редоточено в тонком поверхностном слое.

Ферромагнитная деталь под действием вихревых токов нагревается, а эффективное сечение из-за поверхностного маг­нитного эффекта уменьшается. Величина коммутируемого магнитного потока уменьшается и вместе с тем это способс­твует обнаружению мелких поверхностных дефектов.

Знакопеременное напряжение, изменяющееся и по ам­плитуде и по фазе обусловливает изменение магнитной проницаемости. С ростом напряженности магнитного поля (то­ка в обмотке катушки) магнитная проницаемость сначала увеличивается, а затем, достигнув максимума, уменьшает­ся.

Полный магнитный поток Ψ, сцепленный с витками ка­тушки, не пропорционален току i. Поэтому индуктивность катушки:

L = Ψ /i

и индуктивное сопротивление х=ωL являются величинами переменными. Кривая L = f(i) повторяет ход кривой μ = f(i) магнитной проницаемости.

При синусоидальном напряжении, подведенном к за­жимам катушки, если пренебречь ее активным сопротивле­нием, мгновенное значение тока:

будет изменяться по несинусоидальному закону, так как индуктивность L является величиной нелинейной. На прак­тике часто этой нелинейностью пренебрегают, несинусои­дальный ток катушки при расчетах заменяют эквивалентной синусоидой. Однако при магнитном конт­роле с использованием датчиков, реагирующих на мгновен­ные значения тока, магнитных потоков рассеяния важно, знать и характер изменений и мгновенных значений параметров электрической цепи. Кривую мгновенных значений тока i = f(t) можно построить, если известны кривые зави­симостей F = f(t) и F = f(i).

Построение производят следующим образом: для про­извольного момента времени 1 по кривой F = f(t) опреде­ляют значение магнитного потока 2; затем по кривой намагничивания F = f(i) находят соответствующее значе­ние тока i; откладывают значение тока от точки 1 вверх (или вниз).

Построив для различных моментов времени ряд точек и соединив их плавной линией, получают искомую кривую тока.

Из построения видно, что в данном случае (без учета гистерезиса) магнитный поток и ток одновременно прохо­дят через нулевое и максимальное значения. Здесь активная мощность равна нулю.

При наличии гистерезиса в каждом полупериоде про­цесс намагничивания и размагничивания детали происхо­дит по несовпадающим ветвям петли гистерезиса. Поэтому кривые тока и магнитного потока неодновременно проходят через нулевые значения. Сдвиг между ними обозначают через α. Здесь активная мощность не будет равна нулю.