CC BY
11УДК 691.2.082.78
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ПЕРЕМЕННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА МАГНИТОМОДУЛЯЦИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
В.Г. Жиров
Самарский государственный технический университет 443100, г. Самара, Молодогвардейская, 244
Проведен анализ влияния переменного магнитного поля на постоянный магнит магнитомодуляционного преобразователя перемещений. На основе использования графика кривой размагничивания постоянного магнита построена графическая модель процесса воздействия переменного поля на постоянный магнит. Эта модель дает основание сделать качественную и количественную оценки такого влияния на характеристики преобразователя.
Ключевые слова: магнитомодуляционный преобразователь перемещений, постоянный магнит, магнитный шунт.
Магнитные элементы широко используются в информатике, измерительной технике, вычислительных и управляющих системах Исследование и разработка новых преобразователей, основанных на использовании магнитных свойств материалов, является актуальным направлением при создании информационных систем [1, 2]. Магнитные элементы используются в системах памяти, в измерительных системах, магнитных зондах и других преобразователях физических величин в электрический сигнал. В последнее время появились новые разработки на основе магнитных наноструктур [3].
Предметом данной статьи является исследование магнитомодуляционных преобразователей перемещений в электрический сигнал. Такие преобразователи имеют магнитную систему, включающую насыщенный дроссель, магнитный шунт и постоянный магнит. Примеры подобной магнитной системы приведены на рис. 1. Описание и исследования магнитомодуляционных преобразователей рассмотрены в литературе [6-16].
Магнитомодуляционный измерительный преобразователь перемещения основан на взаимодействии в магнитной цепи двух магнитных полей, одно из которых является полем возбуждения, создаваемым обмотками переменного тока, а другое -полем управления, создаваемым постоянным магнитом или электромагнитом. Изменение поля управления вызывает изменение индуктивности или взаимоин-дуктивности обмоток переменного тока.
На рис. 1 показаны преобразователи линейного (рис. 1, а) и углового (рис. 1, б) перемещения. Составными частями преобразователя линейного перемещения (рис. 1, а) являются чувствительный к магнитному полю элемент - дроссель насыщения с рабочим магнитопроводом, управляющий элемент - подвижный постоянный магнит 2 и магнитный шунт 3, называемый нерабочим магнитопроводом.
Обмотки 4, 5, расположенные на рабочем магнитопроводе 1, соединены между собой согласно и совместно с нагрузкой Ян включены в цепь, питаемую от источни-
Жиров Валерий Георгиевич - к.т.н., доцент каф. «Информационные технологии».
а
Р и с. 1. Магнитомодуляционные преобразователи линейного и углового перемещения
В зависимости от положения магнита 2 изменяется перераспределение постоянного магнитного потока Фм=Ф0 +Фш между магнитопроводом 1 (поток Ф0) и магнитным шунтом 3 (поток Фш). Магнитный поток Ф0 является управляющим, под его воздействием изменяется магнитная проницаемость магнитопровода 1 и, как следствие, индуктивное сопротивление обмоток 4, 5. В результате ток в обмотках и нагрузке Лн, являющийся выходной величиной, определяется как
где х - координата положения магнита 2.
Исследования магнитной цепи рассмотрены в работах [10, 14, 15] без учета влияния переменного поля возбуждения на постоянный магнит. Однако в реальности такое влияние существует. Проанализируем это влияние.
При анализе полагаем, что активное сопротивление электрической цепи (см. рис. 1) равно нулю, потери на гистерезис и вихревые токи в магнитопроводе отсутствуют, управляющий магнитный поток Ф0 неизменен по периметру магнитопровода, напряжение питания в зависимости от времени t изменяется по закону косинуса и=Umcos ю t (рис. 2, б), где ю - угловая частота, a ит - амплитудное значение этого напряжения. В этом случае справедливы следующие выражения:
где ^ - число витков одной обмотки; Фл, Фп - соответственно магнитные потоки в левой и правой половинах магнитопровода.
При отсутствии переменного напряжения потоки Ф0л и Ф0п в левой и в правой половинах магнитопровода равны между собой: Ф0л=Ф0п=0,5Ф0, поскольку магнитная система симметрична. Здесь Ф0 - управляющий магнитный поток до включения переменного напряжения.
Допустим, что в момент времени t = 0 происходит включение переменного напряжения питания, под действием которого в обеих половинах возникают переменные во времени магнитные потоки Фл и Фп. Предположим, что величина постоянного потока магнита достаточна для насыщения магнитопровода, тогда потоки Фл и Фп
1=Ах),
(1)
ит ^ші;
(2)
йі йі
Фл + Ф0 _ Фп — 0
не могут одновременно изменяться. Для принятого на рис. 2, а направления потоков первой насыщается правая половина магнитопровода.
Р и с. 2. К анализу влияния переменного поля возбуждения на постоянный магнит В течение интервала времени
Л
0 < t < — фл = ф8 = const,
ю
где Фх - поток, соответствующий индукции насыщения магнитопровода. Поскольку dФп/dt = 0, выражение (2) принимает вид
Um cos at = w
^Ф л dt
(3)
Отсюда поток в левой половине определяется как
Фл = I" cosшtdt = + Съ
шю J шю
здесь постоянная интегрирования С{ определяется из начальных условий при ^ = 0:
С1 = Фл(; = 0) = —Фх .
Тогда
Фл = siпшt — Ф8.
шю
Очевидно, что в течение интервала времени
ж 2ж
— < t <— ш ш
имеем Фл = —Фк и
Фл = sinœt + Фк
шю
Изменение Фл и Фп во времени показано на рис. 2, в. Учитывая, что Ф0=Фп-Фл, имеем:
Вследствие поочередного насыщения правой и левой половин магнитопровода изменяется проводимость внешней цепи магнита, причем к постоянному магниту периодически прикладывается размагничивающее поле напряженностью Нр (см. рис. 2, г), обусловленное наличием переменной намагничивающей силы обмоток. Поэтому рабочая точка постоянного магнита перемещается по линии возврата из положения 1, характеризующего магнитную цепь магнита при ненасыщенном маг-нитопроводе, в положение 2, соответствующее новому значению проводимости при насыщении одной из половин магнитопровода, и далее в положение 3, соответствующее максимальному значению размагничивающего поля Нр. Таким образом, рабочая точка магнита совершает периодическое движение по линии возврата.
Отсюда следует, что управляющий поток Ф0 и индукция Вм + постоянного магнита при наличии переменной составляющей поля в магнитопроводе изменяются во времени с удвоенной частотой по отношению к частоте питания (см. рис. 2, б). Амплитуда колебаний Вм зависит от размагничивающего поля, от режима работы магнитной цепи магнита, т. е. от начального положения рабочей точки на линии возврата и от свойств выбранного материала. При выборе материала с меньшим значением коэффициента возврата цг амплитуда колебаний Вм уменьшается.
Среднее за период значение Вм= Вм.ср в действительности меньше, чем значения Вм, полученные без учета влияния переменного потока на постоянный магнит. Реальная чувствительность преобразователя получается ниже расчетной. Вызываемая при этом погрешность невелика. Например, для преобразователя, имеющего такие параметры: материал рабочего магнитопровода - сталь Э350, сечение магнитопровода Se = 10-5 м2, длина средней линии магнитопровода 4=0,1 м, число витков одной обмотки w = 250, материал постоянного магнита - феррит бария 2БА с коэрцитивной силой Нс = 205 кА/м, остаточной индукцией Br = 0,32 Т, коэффициентом возврата ^=1,1^, индукция в нейтральном сечении магнита SM = 0,27 Т (при ненасыщенном магнитопроводе высота магнита 1/м = 9 мм, воздушный зазор на одну сторону 0,5 мм, максимальный ток в обмотках преобразователя 1м = 0,028 А, напряженность размагничивающего поля в магните составляет не более Нр = 0,78 кА/м, т.е. почти в 260 раз меньше Нс, при этом среднее значение Вм.ср за период меньше расчетного значения Вм не более, чем на 0,28%).
В результате на основе использования графика кривой размагничивания постоянного магнита построена графическая модель процесса воздействия переменного поля на постоянный магнит. Эта модель дает основание сделать качественную и количественную оценку такого влияния на характеристики преобразователя.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Карпенков С.Х. Современные преобразователи и накопители информации. - М.: Логос, 2004. -
2. Келим Ю.М. Электромеханические и электромагнитные элементы систем автоматики. - М.: Высшая школа, 2004. - 352 с.
œw
344 с.
3. Чеченин Н.Г. Магнитные наноструктуры и их применение. - М., 2006. - 166 с.
4. Карпенков С.Х. Тонкопленочные накопители информации. - М.: Радио и связь, 1993. - 504 с.
5. Карпенков С.Х. Современные средства информационных технологий. - М.: Логос, 2008. - 362 с.
6. Агейкин Д.И., Кнопов Ю.Т., Кузнецова Н.Н. Система спорадического контроля // Приборы и системы управления. - 1970. - №4. - С. 26-28.
7. Шульгин Л.В., Демина Н.А., Каган И.Е., Соколова Н.Д. Магнитомодуляционные преобразователи угла поворота в код. - М.: Энергия, 1968. - 88 с.
8. БеликовИ.Д. Магнитомодуляционные путевые переключатели. - М.: Энергия, 1974. - 80 с.
9. Гусев В.Г., Андрианова Л.П. Индуктивные и магнитомодуляционные преобразователи для передачи информации с вращающихся объектов. - М.: Энергия, 1979. - 88 с.
10. Куликовский Л.Ф., Жиров В.Г. Графо-аналитический метод исследования магнитомодуляционного функционального преобразователя перемещения с профилированным постоянным магнитом // Приборы и системы управления. - 1969. - № 8. - С. 12-14.
11. А.с. 459663 (СССР) МКИ G 08 с 9/04 Магнитомодуляционный преобразователь перемещения / Л.Ф. Куликовский, В.Г. Жиров. - № 1876172/25-28; заявл. 22.01.73; опубл. 05.07.75, Бюл. «Открытия. Изобретения. Пром. образцы. Товарные знаки». - 1975. - №5. - 2 с.
12. А.с. 210713 (СССР) МКИ G 08 с Функциональный преобразователь перемещения с магнитным усилением / В. Г. Жиров, О.А. Коржавин, В.Ф. Акимов, Ю.И. Виноградов (СССР). № 210713 (СССР). -№ 899601/26-24; заявл. 11.05.64; опубл. 06.02.68, Бюл. «Открытия. Изобретения. Пром. образцы. Товарные знаки». - №6. - 1968. - 2 с.
13. Жиров В.Г. Магнитомодуляционный преобразователь с профилированным магнитом // Измерительная техника. - 1969. - №12. - С. 9.
14. Жиров В.Г. Магнитно-усилительный функциональный преобразователь и особенности его расчета // Известия вузов. Приборостроение. - 1970. - №8. - С. 41-45.
15. Жиров В.Г. К расчету магнитомодуляционного функционального преобразователя перемещения // Приборы и системы управления. - 1971. - №1. - С. 31-32.
16. 16. А.с. 269742 (СССР). МКИ G 08 с 9/04 Функциональный преобразователь перемещения / В.Г. Жиров (СССР). - № 1315389/18-24; заявл. 24.03.69; опубл. 17.04.70, Бюл. «Открытия. Изобретения. Пром. образцы. Товарные знаки». - 1970. - №15.- 2 с.
Статья поступила в редакцию 8 сентября 2009 г.
UDC 691.2.082.78
ANALYSIS OF VARIABLE MAGNETIC FIELD INFLUENCE ON CONSTANT MAGNET AS A UNIT OF MAGNETOMODULATION MOVEMENT TRANSDUCER
V.G. Zhirov
Samara State Technical University
244, Molodogvardejskaya str., Samara, Russia, 443100
This article describes analysis of variable magnetic field influence on constant magnet as a unit of magnetomodulation movement transducer. A graphic model of variable field influence on constant magnet was built on the basis of constant magnet demagnetization curve. The model allows of qualitative and quantitative estimation of such influence on transducer characteristics.
Key words: magnetomodulation movement transducer, constant magnet, magnetic shunt.
Valeriy G. Zhirov - Candidate of Technical Sciences, Associate professor.
