СПОСОБ НАМАГНИЧИВАНИЯ ФЕРРОМАГНИТНЫХ СЕРДЕЧНИКОВ Российский патент 1994 года по МПК H01F13/00 

Изобретение относится к электротехнике, а конкретно к способам намагничивания ферромагнитных сердечников, применяемых в трансформаторах и электромагнитных устройствах переменного тока.

Известно, что намагничивание сердечников, изготовленных их электротехнических сталей и пермаллоев и обладающих нелинейными характеристиками зависимости магнитной индукции (В) от намагничивающей силы (Н), переменными и постоянными магнитными полями в диапазонах магнитных индукций, близких к области насыщения, приводит к появлению искаженной формы тока и напряжения в электрической цепи, в которой используются катушки с ферромагнитными сердечниками [1 и 2] . Поэтому для уменьшения искажений синусоидальной формы токов и напряжений величину магнитной индукции в сердечниках катушек снижают примерно в 1,5 раза по сравнению с индукцией насыщения, что приводит к недоиспользованию магнитных материалов с указанным коэффициентом и, следовательно, к завышенному расходу этих материалов.

Наиболее близким к заявленному является способ намагничивания ферромагнитных сердечников, используемый для получения механических колебаний в ферромагнитном сердечнике от действия переменного и постоянного магнитных полей, основанный на эффекте магнитострикции [3] , заключающийся в изменении геометрических размеров ферромагнетика в зависимости от величины приложенного магнитного поля, и обратный магнитострикционный эффект, при котором от приложенных к ферромагнитному сердечнику механических сил, создающих механические напряжения в сердечнике, меняются магнитные свойства.

К недостатку известного способа относится то, что он используется для получения механических колебаний сердечника, хотя в сердечнике, подвергающемся действиям магнитных полей и механических напряжений, происходят изменения магнитной индукции в сторону улучшения линейности характеристик, но они не находят практического применения для повышения эффективности работы сердечников и, как следствие, для улучшения форм электрических напряжений вторичных обмоток трансформаторов и токов первичных обмоток.

Цель изобретения - снижение материалоемкости и повышение эффективности намагничивания, а также повышение линейности характеристик ферромагнитных сердечников.

Это достигается тем, что на ферромагнитный сердечник одновременно воздействуют переменным и постоянным магнитными полями, а затем создают в сердечнике механические напряжения с частотой, равной частоте перемагничивания сердечника.

Сущностью изобретения являются последовательные действия намагничивающих и механических сил на ферромагнитный сердечник. Совокупность существенных признаков проявляет дополнительные свойства, а именно снижает материалоемкость, повышает эффективность характеристики зависимости магнитной индукции (В) от намагничивающей силы (Н) в более широком диапазоне магнитных индукций.

На фиг. 1 приведена схема, реализующая предлагаемый способ; на фиг. 2 - основные кривые намагничивания при действии механических напряжений; на фиг. 3 - диаграммы, поясняющие работу сердечника; на фиг. 4 - конструкция сердечника.

Схема содержит источник 1 переменного напряжения, конденсатор 2, источник 3 постоянного тока, сердечник 4, первичную обмотку 5, скобу 6, вторичную обмотку 7.

Способ осуществляется следующим образом.

Переменный электрический ток от источника 1 через разделительные конденсаторы 2 поступает в первичную обмотку 5 сердечника 4. Сердечник 4 при пропускании переменного электрического тока по обмотке 5 начинает перемагничиваться. При симметричном перемагничивании благодаря явлению магнитострикции сердечник вибрирует с частотой, вдвое превышающей рабочую частоту тока, протекающего по обмотке 5. Для снижения частоты вибрации в два раза необходимо воздействовать на сердечник 4 постоянным магнитным полем, которое производит смещение рабочей точки на характеристике. Постоянное магнитное поле в сердечнике 4 образуется от протекания постоянного тока от источника 3 в первичной обмотке 5. Для образования механических напряжений в сердечнике 4 его зажимают жестким каркасом в виде скобы 7, поэтому при увеличении размеров сердечника от перемагничивания в нем, в силу магнитострикционного эффекта создаются механические напряжения. При выборе размеров сердечника, приближающих собственные механические колебания сердечника - частоту механического резонанса к частоте электрических колебаний, возрастает амплитуда механических колебаний. В этом случае магнитная индукция в сердечнике является функцией двух переменных: напряженности магнитного поля Н и величины механического напряжения σ
В = f(H, σ ) , Так как Н и σ являются функциями времени, то полный дифференциал от магнитной индукции В будет равен
dB= dH + dσ , где первое слагаемое в правой части представляет собой индукцию покоя В_пок., а второе - индукцию движения В_дв. , т. е.

В = В_пок + В _дв.

На фиг. 2 приведены кривые изменения магнитной индукции от напряженности намагничивающего поля при разных по знаку механических напряжениях; 8 - при положительном напряжении (растяжение); 9 - напряжение равно нулю; 10 - при отрицательном напряжении (сжатие) материала сердечника. При этом меняется угол наклона кривых, а индукция насыщения остается одной и той же. Величина индукции движения в пределах упругой деформации пропорциональна относительной деформации сердечника
В_дв = а λ , где а - постоянная, зависящая от свойств материала сердечника;
λ - относительная деформация.

При взаимном наложении индукции покоя и индукции движения характер работы сердечника резко меняется (см. фиг. 3). В этом режиме перемещение рабочей точки происходит по кривой намагничивания, но сама кривая намагничивания синхронно с частотой перемагничивания, но сама кривая намагничивания синхронно с частотой перемагничивания меняет свое положение в координатах В - Н. Это способствует "вытягиванию" частного гистерезисного цикла при наличии подмагничивания и приближает его по форме к эллипсу, что позволяет увеличивать значение магнитной индукции и сохранить практически линейность свойств сердечника. При этом одновременно изменяется угол наклона и происходит увеличение большой оси эллипса. Таким образом, искажающее действие нелинейной характеристики намагничивания сердечника отсутствует, что обеспечивает синусоидальную форму тока в первичной обмотке и напряжении на вторичной обмотке при выходе за колено кривой намагничивания. Для получения условий работы сердечника, близких к значению механического резонанса, рабочие частоты и геометрические размеры Ш-образного сердечника строго связаны между собой и могут быть определены по формуле
f= , где f - частота механических колебаний сердечника;
Е - модуль упругости материала сердечника;
b и h - геометрические размеры сердечника.

Способ обладает высокой эффективностью, так как позволяет благодаря лучшему использованию материала сердечника снизить материалоемкость сердечников на 10-15% .

(56) 1. Бессонов Л. А. Нелинейные электрические цепи. М. : Высшая школа, 1964, c. 46-58.

2. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. М. : Высшая школа, 1973, c. 62-63, 248-251.

3. Бозорт Р. Ферромагнетизм, М. : Иностранная литература, 1956, c. 477-500, 534-537, 542.

Использование: электротехника, а конкретно, в способах повышения линейности характеристик ферромагнитных сердечников, применяемых в трансформаторах и электромагнитных устройствах переменного тока. Сущность изобретения: через ферромагнитный сердечник пропускают постоянный и переменный магнитные потоки, затем к сердечнику прикладывают механические силы, создающие в сердечнике механические напряжения. При этом частота механических напряжений должна быть равной частоте перемагничивания сердечника. 4 ил.

СПОСОБ НАМАГНИЧИВАНИЯ ФЕРРОМАГНИТНЫХ СЕРДЕЧНИКОВ, при котором на ферромагнитный сердечник воздействуют переменным магнитным полем с постоянной частотой в диапазоне магнитных индукций, близких к индукции насыщения магнитного материала, отличающийся тем, что, с целью снижения материалоемкости и повышения эффективности намагничивания, а также повышения линейности характеристик, одновременно с воздействием на ферромагнитный сердечник переменным магнитным полем воздействуют постоянным магнитным полем, а затем создают в сердечнике переменные механические напряжения с частотой, равной частоте перемагничивания сердечника.