СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРИВОЙ НАМАГНИЧИВАНИЯ ФЕРРОМАГНИТНОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2007 года по МПК G01R33/14 

Изобретение относится к области измерения переменных магнитных величин и может быть использовано для определения и/или построения кривых намагничивания ферромагнитных материалов на «разомкнутых» образцах простой формы.

Известен способ определения кривых намагничивания (зависимости магнитной индукции В от «внутреннего поля» Hi) ферромагнитных материалов на образцах в виде тороидов, т.е. в условиях сплошной, однородной в направлении намагничивания, среды (Лившиц Б.Г. и др. Физические свойства металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1980, с.90-91). При этом «внутреннее поле» Hi материала равно напряженности Н_е стороннего (внешнего) магнитного поля, создаваемого обмоткой намагничивания, и определяется числом витков обмотки, током намагничивания и средней длиной магнитной силовой линии в тороиде. Магнитная индукция В определяется по изменению магнитного потока в измерительной обмотке, установленной на тороиде.

Недостатком данного способа является сложность (иногда и невозможность) изготовления образца материала в виде тороида, а также сложность подготовки образца и ограниченный диапазон намагничивающих полей, обусловленный нагревом обмотки.

Известен также способ определения магнитных свойств материалов на «разомкнутых» осесимметричных образцах в виде эллипсоидов вращения (Арнольд P.P. Расчет и проектирование магнитных систем с постоянными магнитами. - М.: Энергия, 1969, с.11-17) - прототип. При этом способе эллипсоид с заданной относительной длиной λ=l/d, где l и d - его длина и диаметр соответственно, помещается в однородное стороннее магнитное поле напряженностью Н_е, действующее вдоль оси эллипсоида, магнитная индукция В определяется с помощью катушки (обмотки), установленной в центральной части эллипсоида, а «внутреннее поле» - по формуле

H_i=B/μ₀-B_м/μ₀(1-N_э),

где μ₀ - магнитная постоянная, В_м=В-μ₀H_e - индукция поля магнетика, N_э - коэффициент размагничивания эллипсоида (постоянная при заданной λ эллипсоида величина, не зависящая от свойств магнетика и намагничивающего поля).

Недостатком способа-прототипа является сложность изготовления образцов, большие погрешности измерения, обусловленные неточностью определения геометрических параметров эллипсоида и соответственно его коэффициента размагничивания N_э, а также ограниченная номенклатура материалов и изделий, из которых могут быть изготовлены эллипсоиды вращения.

Предлагаемое изобретение направлено на упрощение способа, повышение точности - определения кривых намагничивания ферромагнитных материалов и расширение номенклатуры исследуемых материалов и изделий.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения кривой намагничивания ферромагнитного материала, заключающемся в том, что образец материала в виде осесимметричного тела с известной относительной длиной λ=l/d, где l и d - длина и диаметр тела соответственно намагничивают в однородном стороннем магнитном поле напряженностью Н_е, по направлению, совпадающем с осью тела, измеряют суммарную магнитную индукцию В в центральном сечении тела и строят зависимость В(Н_е), вычисляют «внутреннее поле» по формуле

H_i=B/μ₀-B_м/μ₀(1-N),

где μ₀ - магнитная постоянная, В_м=В-μ₀Н_е - индукция поля магнетика, а N - коэффициент размагничивания образца, и определяют кривую намагничивания материала В(Hi), согласно изобретению в качестве образца материала используют цилиндрический стержень, а намагничивание ведут до магнитного насыщения материала. По измеренной зависимости В(Н_е) определяют индукцию поля магнетика, соответствующую насыщению материала, В_мs и намагниченность насыщения по формуле

M_s=B_мs/(1-N₀),

где N₀ - центральный коэффициент размагничивания однородно намагниченного стержня. При заданных значениях В определяют относительную магнитную индукцию b=B/μ₀M_s, а в качестве коэффициента размагничивания выбирают центральный коэффициент размагничивания N_ц цилиндрического стержня, который определяют с использованием семейства градировочных зависимостей коэффициентов N_ц, или их приведенных значений n=N_ц/N₀, от b при заданных значениях λ.

Кроме того, определение магнитной индукции в образце производят путем измерения магнитного потока Ф в контуре, установленном в центральном сечении образца, после определения кривой намагничивания В(Hi) определяют магнитный поток в зазоре между измерительным контуром и образцом при заданных значениях Hi по формуле

Ф_з=S₃μ₀Hi,

где S₃ - площадь поперечного сечения зазора,

определяют магнитную индукцию в образце по формуле

В'=(Ф-Ф₃)/S₀,

где S₀ - площадь поперечного сечения образца,

и определяют кривую намагничивания материала В'(Hi).

Выбор формы образцов материалов в виде цилиндрического стержня позволяет существенно упростить изготовление образцов, расширить диапазон их размеров и номенклатуру исследуемых материалов, повысить точность определения кривой намагничивания материала за счет точного измерения длины и диаметра цилиндрического стержня.

Намагничивание образцов до магнитного насыщения материала дает возможность определить специфические параметры материала - индукцию поля магнетика при насыщении B_мs и намагниченность насыщения M_s, лежащие в основе определения центрального коэффициента размагничивания N_ц образца с известным значением λ во всем диапазоне изменения В, заданного в виде экспериментально определенных градуировочных графиков (таблиц, функций) зависимости N_ц, или приведенного параметра n, от относительной магнитной индукции b.

Учет размеров контура измерителя магнитной индукции и его неплотного прилеганию к поверхности испытуемого образца дополнительно повышает точность определения кривой намагничивания материала.

Предлагаемый способ определения кривых намагничивания ферромагнитных материалов поясняется чертежами, где на фиг.1 показаны параметры магнетика и магнитного поля при намагничивании цилиндрического стержня конечной длины до насыщения материала; на фиг.2 - зависимость центрального коэффициента размагничивания N_ц от относительной магнитной индукции b при различных значениях (цилиндрических ферромагнитных стержней); на фиг.3 - зависимость приведенного параметра n от b при различных значениях λ; на фиг.4 - кривые намагничивания двух ферромагнитных материалов с различными магнитными свойствами.

Способ определения кривых намагничивания ферромагнитных материалов заключается в следующем. Образец материала в форме цилиндрического стержня с известной относительной длиной λ=l/d, где l и d - длина и диаметр стержня, соответственно, намагничивают до магнитного насыщения материала в однородном стороннем магнитном поле напряженностью Н_е, по направлению совпадающем с осью тела. В центральном сечении стержня с помощью короткой измерительной катушки (витка) измеряют магнитную индукцию В как сумму магнитных индукций стороннего поля (B_e=μ₀Н_е) и магнетика (В_м), т.е. В=B_e+В_м (фиг.1).

По измеренной зависимости В(Н_е) определяют индукцию поля магнетика, соответствующую насыщению материала, B_мs. Этот параметр можно определить непосредственно из кривой В_м(Н_е), где В_м=В-B_e, либо путем экстраполяции значений В из области насыщения на ось ординат (фиг.1). Далее определяют намагниченность насыщения магнетика M_s. Из фиг.1 видно, что в общем случае намагниченность - насыщения M_s может быть определена через величину B_мs и соответствующую ей напряженность стороннего поля Н_е, если при этом известен центральный коэффициент размагничивания стержня N_ц=Н_σ/M_s, где Н_σ=Н_е-Hi - «размагничивающее поле» или «поле магнитных зарядов». На фиг.1 этот коэффициент пропорционален углу α наклона прямой, проведенной из точки Н_е на оси абсцисс в точку с координатами (μ₀M_s;H_i), к оси ординат. В соответствии с изобретением, намагниченность насыщения материала определяют по формуле

M_s=B_мs/(1-N₀),

где N₀ - центральный коэффициент размагничивания однородно намагниченных стержней (постоянный коэффициент, не зависящий от свойств магнетика и определяемый только относительной длиной стержня λ).

После этого при заданных значениях В определяют относительную магнитную индукцию b=В/μ₀М_s. Далее определяют центральный коэффициент размагничивания N_ц исследуемого стержня, с использованием семейства градировочных зависимостей коэффициентов N_ц или их приведенных значений n=N_ц/N₀ от b при заданных значениях λ, вычисляют «внутреннее поле» по формуле

Hi=В/μ₀-В_м/μ₀(1-N_ц)

и определяют кривую намагничивания материала образца В(Hi).

Благодаря использованию универсальных характеристик - зависимостей N_ц(b) или n(b) при заданных λ цилиндрических стержней - удается восстанавливать кривые намагничивания «вещества» В(Hi) по кривым намагничивания «тела» В(Н_е) для широкого класса ферромагнитных материалов, имеющих существенно различные начальные участки кривых намагничивания и индукции насыщения. В основе этого лежат следующие закономерности.

Как показывают проведенные авторами экспериментальные и теоретические исследования, к моменту магнитного насыщения любого ферромагнитного материала в цилиндрическом образце его центральный коэффициент размагничивания всегда уменьшается до значения N₀ и при дальнейшем намагничивании не превышает этой величины. Это дает возможность, во-первых, по измеренной величине B_мs определить намагниченность насыщения M_s материала по приведенной выше формуле и, во-вторых, использовать единый приведенный параметр - относительную магнитную индукцию b=B/μ₀M_s - для широкого класса ферромагнитных материалов с различными значениями M_s, т.е. иметь при одной и той же величине λ испытуемых образцов материалов единственную универсальную зависимость коэффициента N_ц (или его приведенной величины n=N_ц/N₀) от параметра b=B/μ₀M_s. Имея набор (семейство) характеристик N_ц(b) или n(b) при различных значениях λ, можно использовать их для определения коэффициента N_ц конкретного образца во всем диапазоне изменения В.

На фиг.2 показана зависимость N_ц от параметра b в диапазоне λ от λ₁=3 до λ₂=7 в сопоставлении с соответствующими значениями N₀. При изготовлении образца с относительной длиной из указанного диапазона можно найти (при необходимости, путем интерполяции данных) нужную зависимость N₀(b) и построить кривые намагничивания исследуемых материалов. Для тех же цилиндрических стержней (значения λ от 3 до 7) можно пользоваться также семейством зависимостей приведенного коэффициента размагничивания n=N_ц/N₀ от b (фиг.3). Характеристики n(b) могут оказаться более удобными с точки зрения математической обработки данных.

На фиг.4 показаны основные (коммутационные) кривые намагничивания В(Hi) двух ферромагнитных материалов - сталь ШХ15 (кривая 1 на начальном участке намагничивания при 0<Hi<40 А/см и кривая 3 на участке насыщения при Hi>40 А/см) и сталь 3 (соответственно кривые 2 и 4), измеренных известным способом: образец материала в виде цилиндрического стержня после динамического размагничивания помещался в однородное стороннее магнитное поле с постепенно увеличивающейся напряженностью поля Н_е. При нескольких заданных значениях Н_е в интервале от нуля до магнитного насыщения материала производилось перемагничивание стержня по данной петле магнитного гистерезиса и с помощью фотокомпенсационного веберметра и короткой катушки измерялась суммарная магнитная индукция В в центральном сечении стержня. Одновременно с помощью миниатюрного датчика Холла измерялась касательная составляющая напряженности магнитного поля у поверхности образца Н_τ вблизи его центрального сечения на различных расстояниях от поверхности. «Внутреннее поле» Hi_{определялось путем экстраполяции значений Нτ на поверхность образца. Кривые В(Hi), построенные по результатам измерений, показывают существенные различия материалов как в области малых полей, так и при насыщении магнетика (так, для стали 3 намагниченность насыщения Ms=16800 А/см, а для стали ШХ15 - Ms=13000 А/см).}

Для сравнения на фиг.4 пунктиром показаны кривые намагничивания «вещества», восстановленные по предлагаемому способу из кривых намагничивания «тела» В(Н_е) цилиндрических стержней из упомянутых сталей (λ=4,7647 для стали 3, λ=3,8246 для стали ШХ15) с использованием градировочных зависимостей, приведенных на фиг.2, 3.

Отклонения восстановленной кривой намагничивания от «истинной» зависимости В(Hi) составляют не более 1 А/см вдоль оси напряженностей магнитного поля.

При измерении магнитной индукции В в образце с помощью контура (витка, катушки и т.п.), установленного в центральном сечении образца (когда измеренный магнитный поток Ф через контур делится на площадь S₀ поперечного сечения образца с получением В=Ф/S₀), возникает погрешность измерения, обусловленная конечными размерами измерительного контура и его неплотным прилеганием к поверхности образца. Она может быть снижена за счет устранения из суммарного магнитного потока, пронизывающего контур, потока в зазоре между образцом и контуром. Возможность определения последнего основана на том, что на небольших расстояниях от поверхности образца напряженность магнитного поля практически равна «внутреннему полю» Hi. При этом после определения кривой намагничивания В(Hi) приведенным выше способом можно найти магнитный поток в зазоре при заданных значениях H_i по формуле Ф_з=S_зμ₀H_i, где S_з - площадь поперечного сечения зазора, а уточненное значение магнитной индукции в образце - по формуле В'=(Ф-Ф₃)/S₀.

Например, при измерении магнитной индукции в образце из стали 3 использовалась измерительная катушка со средней площадью поперечного сечения S=30,37 мм², при этом S_з=S-S₀=2,58 мм². Если определение магнитной индукции в образце производить непосредственно через деление магнитного потока Ф на площадь поперечного сечения образца S₀, то абсолютная погрешность определения магнитной индукции В в образце составит ΔВ=В-В'=Ф_з/S₀. Так, при Hi=670 А/см имеем ΔВ=0,0078 Тл, что составляет около 0,36% от величины В=2,15 Тл, соответствующей данному значению H_i. Определение величины В' позволяет устранить эту погрешность.

Таким образом, предлагаемый способ определения кривой намагничивания ферромагнитного материала упрощает процедуру подготовки образцов материалов, расширяет номенклатуру последних, в том числе за счет возможности измерений на трудно обрабатываемых веществах. Кроме того, существенно упрощаются измерения магнитных параметров (вместо «внутреннего поля» Hi измеряется напряженность Н_е стороннего поля, например по величине тока соленоида и его постоянной), что позволяет использовать способ при массовых измерениях, например при неразрушающем магнитном контроле ферромагнитных изделий (цилиндрических стержней или образцов-свидетелей различных размеров) по параметрам кривой намагничивания материала.

Предложенное изобретение относится к области измерения переменных магнитных величин и может быть использовано для определения и/или построения кривых намагничивания ферромагнитных материалов на «разомкнутых» образцах простой формы. Предлагаемое изобретение направлено на упрощение процедуры построения указанных кривых, повышение точности их построения и расширение номенклатуры исследуемых материалов и изделий. Способ определения кривой намагничивания ферромагнитного материала заключается в том, что образец материала в виде цилиндрического стержня с известной относительной длиной намагничивают в однородном стороннем магнитном поле напряженностью Н_е, по направлению совпадающем с осью тела, измеряют суммарную магнитную индукцию В в центральном сечении тела и строят зависимость В(Н_e), определяют напряженность «внутреннего поля» по формуле H_i, и затем определяют искомую кривую намагничивания материала В(H_i). При этом намагничивание ведут до магнитного насыщения материала, по измеренной зависимости В(Н_e) определяют индукцию поля магнетика, соответствующую насыщению материала В_мs и намагниченность насыщения M_s, при заданных значениях В определяют относительную магнитную индукцию b, а в качестве коэффициента размагничивания выбирают центральный коэффициент размагничивания N_ц цилиндрического стержня, который определяют с использованием семейства градировочных зависимостей коэффициентов N_ц, или их приведенных значений n=N_ц/N₀, от b при заданных значениях λ. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ определения кривой намагничивания ферромагнитного материала, заключающийся в том, что образец материала в виде осесимметричного тела с известной относительной длиной λ=l/d, где l и d - длина и диаметр тела соответственно, намагничивают в однородном стороннем магнитном поле напряженностью Н_е по направлению, совпадающем с осью тела, измеряют суммарную магнитную индукцию В в центральном сечении тела и строят зависимость В(Н_е), вычисляют «внутреннее поле» по формуле

H_i=B/μ₀-B_м/μ₀(1-N),

где μ₀ - магнитная постоянная;

В_м=В - μ₀Н_е - индукция поля магнетика;

N коэффициент размагничивания образца,

и определяют кривую намагничивания материала В(Н_i), отличающийся тем, что в качестве образца материала используют цилиндрический стержень, намагничивание ведут до магнитного насыщения материала, по измеренной зависимости В(Н_е) определяют индукцию поля магнетика, соответствующую насыщению материала В_мs, и намагниченность насыщения по формуле

M_s=B_мs/(1-N₀),

где N₀ - центральный коэффициент размагничивания однородно намагниченного стержня,

при заданных значениях В определяют относительную магнитную индукцию b=B/μ₀M_s, а в качестве коэффициента размагничивания выбирают центральный коэффициент размагничивания N_ц цилиндрического стержня, который определяют с использованием семейства градуировочных зависимостей коэффициентов N_ц, или их приведенных значений n=N_ц/N₀, от b при заданных значениях λ.

Ф_з=S_зμ₀Н_i,

где S_з - площадь поперечного сечения зазора,

определяют магнитную индукцию в образце по формуле

В'=(Ф-Ф_з)/S₀,

где S₀ - площадь поперечного сечения образца,

и определяют кривую намагничивания материала В'(H_i).