ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Определение статических характеристик и параметров магнитных материалов.

Наиболее распространенным при определении статических характеристик магнитных материалов является индукционно-импульсный метод.

Схема установки для испытания магнитных материалов индукционно-импульсным методом приведена на рис. 15-28.

Измерительная часть схемы состоит из двух измерительных катушек: для измерения магнитной индукции — и для измерения напряженности поля — баллистического гальванометра двух магазинов сопротивлений и (для изменения чувствительности установки), вторичной обмотки катушки М.

Баллистический гальванометр можно заменить веберметром, что значительно упростит эксперимент, но приведет к увеличению погрешности измерения.

Порядок работы на установке следующий.

А. Подбор чувствительности схемы (раздельно для цепей измерения В и Н) состоит в подборе значения сопротивлений и при которых изменение напряженности намагничивающего поля от до соответствующего изменения намагничивающего тока, вызовет максимальное отклонение указателя гальванометра на всю длину шкалы.

Чувствительность схемы подбирают следующим образом.

Переключатель ставят в положение в обмотку катушки подают ток, соответствующий максимальному

Рис. 15-28. Схема индукционно-импульсной установки для определения характеристик магнитных материалов

значению напряженности магнитного поля переключатель ставят в положение В и изменяют направление поля путем изменения с помощью переключателя направления тока в обмотке катушки При этом наблюдают отклонение указатели гальванометра. Оно должно находиться в пределах шкалы и у ее конца. При необходимости регулируют сопротивление магазина Аналогично поступают и при подборе чувствительности в цепи измерения Н.

Б. Определение постоянной баллистического гальванометра по магнитному потоку проводят отдельно для цепей измерения В и Н при трех значениях силы тока в первичной обмотке катушки М, обеспечивающих при изменении направления тока отклонения указателя гальванометра приблизительно на 0,4; 0,6 и 0,8 длины шкалы. За действительное значение постоянной принимается среднее арифметическое из полученных значений. Методика определения постоянной баллистического гальванометра по магнитному потоку описана выше; значение постоянной определяется по формуле (15-7).

В. Размагничивание образца О производится путем снижения намагничивающего тока от максимального значения до нуля при одновременном непрерывном изменении его направления.

Для проведения размагничивания переключатель ставят в положение увеличивают ток до значения, соответствующего и плавно снижают ток, одновременно изменяя его направление с помощью переключателя Гальванометр при этом должен быть отключен (переключатель — в нейтральном положении). Размагничивание может быть проведено и переменным полем с убывающей до нуля амплитудой. Для этой цели применяются специальные размагничивающие устройства.

Г. Определение точек основной кривой намагничивания начинают с малых значений напряженности поля.

Переключатель ставят в положение т. е. подключают цепь питания к катушке . В намагничивающей катушке с помощью реостатов устанавливает силу тока А, соответствующую напряженности поля

Для получения установившейся (замкнутой) петли гистерезиса производят магнитную подготовку, которая состоит в многократном (5—10 раз) изменении направления намагничивающего поля. После магнитной подготовки (переключатель находится в положении цепь катушки замкнута) магнитное состояние образца характеризуется точкой а на основной кривой намагничивания (рис. 15-29).

Для определения магнитной индукции необходимо замкнуть цепь гальванометра, поставив переключатель в положение В, и изменить направление намагничивающего поля,

Рис. 15-29. Определение точек основной кривой намагничивания

Рис. 15-30. Определение точек петли магнитного гистерезиса

переключив из положения 1 в положение 2. При этом необходимо отметить первое наибольшее отклонение указателя гальванометра . Магнитное состояние образца характеризуется теперь точкой так как напряженность поля изменилась от до

Для измерения напряженности поля следует поставить в положение Н и, изменив направление тока в катушке переключателем отметить первое наибольшее отклонение указателя гальванометра .

Согласно выражению (15-8) значения определяют по формулам:

где — площадь сечения образца; — постоянная измерительной катушки поля.

Напряженность поля можно также найти по значению силы тока в обмотке намагничивающей катушки, числу ее витков и параметрам образца (или постоянной пермеаметра).

Для определения последующих точек основной кривой намагничивания увеличивают ток в намагничивающей катушке, производят магнитную подготовку, находя таким же образом, как и Ни и т. д.

При определении точек основной кривой и петли гистерезиса (см. ниже) следует помнить о том, что магнитное состояние

образца должно изменяться по той кривой, точки которой подлежат определению.

Так, например, при определении точек основной кривой намагничивания сила намагничивающего тока должна только возрастать от 0 до уменьшение силы тока приведет к появлению данных, не соответствующих определяемой характеристике.

Д. Определение точек петли гистерезиса осуществляют одним из наиболее распространенных методов, который основан на измерении изменения индукции при изменении напряженности намагничивающего поля от максимальной до некоторого значения соответствующего интересующей нас точке петли (рис. 15-30). Искомая индукция определяется как разность между индукцией соответствующей напряженности поля (точка А на петле), и измеренным значением т. е. .

Точки петли гистерезиса на участке от до определяются следующим образом. Проводят магнитную подготовку при максимальной напряженности намагничивающего поля и находят описанным выше способом и II т. Затем размыкают ключ (рис. 15-28) и с помощью реостатов устанавливают некоторый ток соответствующий напряженности поля При этом магнитное состояние материала будет характеризоваться точкой а на петле гистерезиса (рис. 15-30). Для того чтобы найти изменение индукции необходимо снова «попасть» в точку А, что можно сделать путем «обхода» петли гистерезиса в направлении, указанном стрелками. Для этого ставят переключатель в нейтральное положение (рис. 15-28), замыкают ключ а затем ставят в положение магнитное состояние будет определяться точкой С. Ставят в положение магнитное состояние определяется точкой А. Проводят магнитную подготовку, после которой переключатель должен остаться в положении 1. Переключатель ставят в положение В, и, размыкая ключ наблюдают первое отклонение указателя гальванометра соответствующее изменению индукции

Аналогично можно определить значение напряженности намагничивающего поля используя для этого измерительную катушку (переключатель ставят в положение Н).

Значения индукции и напряженности поля, например, для точки а, определяют по формулам:

где — отклонения указателя гальванометра при измерении, соответственно, — то же при измерении

Рис. 15-31. Схема для определения динамических характеристик способом амперметра, вольтметра и ваттметра

Точки петли гистерезиса во втором и третьем квадрантах определяются так же, как в первом, только при размыкании ключа одновременно изменяют направление намагничивающего поля, переключая из положения 1 в положение 2.

Описанный способ определения статических характеристик магнитных материалов реализован в установках (см. § 10-3).

При массовых испытаниях листовых магнитных материалов для определения точек основной кривой намагничивания широко применяется дифференциальный метод, основанный на сравнении испытуемого образца с нормальным, характеристики которого известны и близки к характеристикам испытуемого образца.

Определение динамических характеристик и параметров магнитных материалов.

Основными способами испытаний магнитных материалов в переменных магнитных полях являются индукционный и параметрический.

Ввиду особенностей динамических характеристик сведения об их значении следует дополнять данными об условиях проведения эксперимента, средствах и методах измерений.

Рассмотрим некоторые, наиболее распространенные способы определения динамических характеристик магнитных материалов.

Способ амперметра, вольтметра и ваттметра. Это простейший способ испытания магнитных материалов в переменных полях. Схема приведена на рис. 15-31. С помощью этой схемы можно определить динамическую кривую намагничивания — зависимость амплитуды магнитной индукции от амплитуды напряженности поля: амплитудную магнитную проницаемость и потери на перемагничивание (для измерения частоты в этом случае в схеме предусмотрен частотомер).

Если испытания проводятся при синусоидальной индукции в образце (а так обычно и бывает), то для определения амплитуды напряженности намагничивающего поля используют образцовый резистор и вольтметр амплитудных значений Значение

напряженности определяют по формуле

где — амплитудное значение падения напряжения на резисторе — число витков намагничивающей обмотки; — средняя длина силовой линии.

Если испытания проводятся при синусоидальной напряженности намагничивающего поля в образце (при большом активном сопротивлении намагничивающей цепи), то для определения амплитуды напряженности поля измеряют действующее значение намагничивающего тока И тогда Индукцию в материале определяют с помощью вольтметра средних значений по индуцированной в измерительной обмотке

где — показание вольтметра площадь сечения образца.

По полученным значениям можно построить зависимость и подсчитать амплитудную магнитную проницаемость

Погрешность измерения при использовании этого способа составляет обычно

Для измерения потерь на перемагничивание служит ваттметр, последовательная обмотка которого включается в цепь намагничивающей катушки параллельная — к зажимам измерительной обмотки

Амперметр и частотомер включены для контроля тока и частоты.

Определение потерь на перемагничивание проводят при синусоидальной индукции в образце. В этом случае показания ваттметра где — действующее значение напряжения на обмотке — действующее значение первой гармоники намагничивающего тока; — угол фазового сдвига между и Так как угол обычно близок к 90°, то при определении потерь необходимо использовать малокосинусный ваттметр, для которого номинальное значение

Мощность, измеренная ваттметром, включает в себя, кроме потерь на перемагничивание, потери в вольтметре, параллельной обмотке ваттметра и самой обмотке (последними, ввиду их малости, пренебрегают).

Потери на перемагничивание определяются по формуле:

где — действующее значение напряжения на обмотке

Рис. 15-32. Схема для определения динамических характеристик способом вольтметра с управляемым выпрямителем

— сопротивление вольтметра; — сопротивление параллельной обмотки ваттметра.

Необходимое при определении потерь значение индукции в материале устанавливают в соответствии с формулой (15-9) по показаниям вольтметра Таким образом можно определить потери в материале для различных значений индукции и частоты. Погрешность измерения потерь составляет 5,0-7,0 %.

При массовых испытаниях магнитных материалов для определения потерь на перемагничивание применяется дифференциальный ваттметровый метод, основанный на сравнении потерь испытуемого образца с потерями нормального образца.

Способ вольтметра с управляемым выпрямителем. На рис. 15-32 приведена схема установки, с помощью которой можно определить практически все динамические характеристики магнитомягкого материала.

Основными элементами схемы являются: испытуемый образец с намагничивающей и измерительной обмотками; фазочувствительные вольтметры среднего значения и ; источник управляющего напряжения — фазовращатель катушка взаимной индуктивности М, выполняющая роль дифференцирующего устройства.

Мгновенные значения индукции и напряженности магнитного поля определяют по показаниям фазочувствительных вольтметров и При этом необходимо, чтобы кривые индукции и напряженности магнитного поля не содержали четных гармоник (любые два значения индукции и напряженности магнитного поля, сдвинутые на половину периода, должны быть равны по величине и обратны по знаку).

Показания вольтметра однополупериодном выпрямлении) определяются соотношениями:

Так как

где на зажимах вторичной обмотки катушки — сопротивление цепи, в которую включен вольтметр — сопротивление вольтметра — ток в намагничивающей обмотке; — частота; М — коэффициент взаимной индуктивности катушки; — средняя длина силовой линии; — мгновенное значение напряженности магнитного поля.

Следовательно, среднее значение напряжения (показания вольтметра пропорционально мгновенному значению напряженности намагничивающего поля.

Показания вольтметра определяются такими соотношениями:

Так как

где на зажимах измерительной обмотки — сопротивление цепи, в которую включен вольтметр — сопротивление вольтметра — площадь поперечного сечения образца; — мгновенное значение магнитной индукции.

Следовательно, среднее значение напряжения (показание вольтметра ) пропорционально мгновенному значению индукции в материале.

Изменяя угол фазового сдвига между управляющим и измеряемым напряжениями, можно определить значения в

Рис. 15-33. Схема для определения динамических характеристик осциллографическим способом

любой момент периода, т. е. снять динамическую петлю гистерезиса — зависимость

Для определения динамической кривой индукции как вершин динамических петель необходимо при каждом значении намагничивающего тока плавно изменять фазу управляющего напряжения до получения наибольших показаний вольтметров.

Описанный способ определения динамических характеристик магнитомягких материалов реализован в серийно выпускаемой установке (см. § 10-3).

Осциллографинеский способ. Осциллографический способ испытания магнитных материалов нагляден и прост. Он дает возможность визуально наблюдать и фотографировать динамические кривые в весьма широком диапазоне частот. Кроме того, он позволяет наблюдать характер влияния различных факторов (например, подмагничивания постоянным полем) и изменений режима намагничивания на форму и размеры динамической петли. Недостатком этого способа является низкая точность — погрешность измерения значений В и Н достигает

На рис. 15-33 приведена схема для определения динамических характеристик с помощью электронного осциллографа. На входы X и осциллографа подается два напряжения соответственно пропорциональные мгновенным значениям напряженности намагничивающего поля Н и магнитной индукции в материале В.

Напряжение на входе X

где число витков намагничивающей обмотки; мгновенное значение намагничивающего поля; средний диаметр образца (кольца); R - сопротивление резистора. Напряжение на входе в

где - ЭДС измерительной катушки и С — параметры интегрирующей RС-цепочки, — площадь сечения образца.

Таким образом в результате приложения к осциллографу напряжений на его экране появляется изображение динамической петли.

Для определения значений В и Н по изображению на экране необходимо произвести градуировку осциллографа. Один из способов градуировки сводится к градуировке осциллографа в единицах напряжения. Для этого на входы осциллографа подаются известные напряжения и подсчитываются масштабы:

где и — действующие значения напряжений, поданных на входы осциллографа; — длины световых полосок по горизонтали и по вертикали, соответствующие двойным амплитудам приложенных напряжений.

Значения напряженности поля и индукции подсчитывают по формулам:

где — масштаб по горизонтальной оси, — отклонение луча по горизонтальной оси, дел; — масштаб по вертикальной оси, — отклонение луча по вертикальной оси, дел.

По изображению петли можно подсчитать удельные потери в материале:

где — площадь динамической петли; у — плотность материала; — частота.

Параметрический (мостовой) способ. Этот способ основан на измерении с помощью моста переменного тока индуктивности и сопротивления переменному току катушки, сердечником которой является испытуемый магнитный материал.

Рис. 15-34. Схемы мостов для определения динамических характеристик

По результатам измерения вычисляют основные параметры магнитного материала и данные для построения характеристик.

На рис. 15-34 приведены в качестве примера две мостовые схемы. Схему, изображенную на рис. используют на частотах от 100 Гц до на частотах до нескольких мегагерц предпочитают резонансный мост (рис. 15-34, б).

Значения параметров цепи образца определяют по формулам:

для схемы рис. 15-34, а

для схемы рис.

где — значения сопротивлений и емкостей соответствующих магазинов в плечах уравновешенных мостов.

Амплитудная проницаемость определяется из соотношений:

где — средний диаметр образца; — число витков обмотки; — площадь сечения образца; — угол потерь образца; — активное сопротивление обмотки.

Удельные потери на гистерезис и вихревые токи

где — масса образца; I — сила тока в намагничивающей обмотке. Напряженность намагничивающего поля можно определить по силе тока в намагничивающей обмотке и ее параметрам (ток измеряется в неразветвленной цепи моста и по нему рассчитывается ток в намагничивающей обмотке)

Максимальное значение индукции

Для измерения магнитной индукции (если не измеряется напряженность намагничивающего поля) необходимо на образец нанести вторую (измерительную) обмотку и с помощью вольтметра средних значений измерить напряжение на ее зажимах:

Для получения достоверных результатов при использовании мостов следует проводить испытания в слабых полях, так как при сильных полях искажается форма кривой напряжения на образце, что препятствует уравновешиванию моста.

Параметрический способ обеспечивает высокую точность определения магнитных параметров материала образца: погрешность измерения на низких и звуковых частотах составляет на более высоких частотах — не превышает

К недостаткам мостовых схем следует отнести влияние на результаты измерения на высоких частотах индуктивных и емкостных связей и остаточных индуктивностей отдельных элементов схемы моста.

Определение характеристик магнитных материалов при одновременном намагничивании постоянным и переменным полями производится теми же методами, что и определение характеристик материалов в переменных магнитных полях. Разница заключается лишь в наличии дополнительной намагничивающей обмотки для создания постоянного (подмагничивающего) поля.

Наиболее распространенными способами определения характеристик и параметров магнитных материалов на повышенных и высоких частотах являются: способ амперметра, вольтметра и ваттметра (на частотах до ); осциллографический способ (на частотах от 50 Гц до параметрический способ (от нескольких килогерц до десятков мегагерц). Погрешность измерения параметров магнитных материалов этими способами достигает

Для точного измерения потерь в магнитных материалах в широком диапазоне частот (до десятков мегагерц) и магнитных индукций применяют калориметрический способ, при котором потери энергии на перемагничивание материала определяют по изменению температуры среды, в которую помещен испытуемый образец. Погрешность определения потерь на перемагничивание составляет 1-2 %.