ПРИБОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОЙ ВЯЗКОСТИ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ Российский патент 2008 года по МПК G01R33/00 

Изобретение относится к области физики магнетизма и может быть использовано для измерения постоянной магнитной вязкости ферромагнитных материалов.

Одним из важных свойств ферромагнитных материалов является их так называемая магнитная вязкость, магнитное последействие - отставание по времени намагниченности ферромагнетика от изменения напряженности магнитного поля. В наиболее простых случаях изменение намагниченности ΔJ(t) в зависимости от времени t описывается формулой

где J₀ и J_∞ - соответственно значения намагниченности непосредственно после изменения напряженности Н магнитного поля в момент t=0 и после установления нового равновесного состояния, τ - константа, характеризующая скорость процесса и называемая постоянной времени релаксации (магнитной вязкости). Значение Т зависит от природы магнитной вязкости и в различных материалах может изменяться от 10^-9 секунды до нескольких десятков часов. В общем случае для описания процесса последействия одного значения τ недостаточно.

Различают два вида магнитной вязкости: диффузионный (рихтеровский) и термофлуктуационный (иордановский). В первом из них магнитная вязкость определяется диффузией примесных атомов или дефектов кристаллической структуры. Объяснение роли примесей было дано J.Snock, а более строгая теория построена L.Neel и базируется на предположении о преимущественной диффузии примесных атомов в те межатомные промежутки кристалла, которые определенным образом ориентированы относительно направления спонтанной намагниченности. Это создает локальную наведенную анизотропию, приводящую к стабилизации доменной структуры. Поэтому после изменения магнитного ноля новая доменная структура устанавливается не сразу, а после диффузного перераспределения примеси, а также, возможно, с учетом эффекта Баркгаузена (скачкообразное изменение намагниченности ферромагнетиков при непрерывном изменении внешних условий, например магнитного поля), что и является причиной магнитной вязкости.

Второй вид магнитной вязкости более универсален и наблюдается практически во всех ферромагнетиках, особенно в области магнитных нолей, сравнимых с коэрцитивной силой. Неелем был предложен термофлуктуационный механизм для объяснения этого вида магнитной вязкости. Тепловые флуктуации способствуют преодолению доменными стенками энергетических барьеров в магнитных полях, меньших критического поля. В высококоэрцитивных сплавах, состоящих из однодоменных областей, наблюдается особенно большая магнитная вязкость, так как в этом случае термические флуктуации сообщают дополнительную энергию для необратимого вращения спонтанной намагниченности тех частиц, потенциальная энергия которых во внешнем магнитном поле недостаточна для их перемагничивания.

Кроме этих основных механизмов магнитной вязкости существуют и другие. Например, в некоторых ферритах вклад магнитной вязкости дает перераспределение электронной плотности (диффузия электронов между ионами разной валентности). С магнитной вязкостью тесно связаны такие явления в ферромагнетиках, как потери на перемагничивание, временной спад относительной магнитной проницаемости μ и ее частотная зависимость (см., например, Kronmuller H., Nachwirkung in Ferromsgnetika, 1068; С.В.Вонсовский, Магнетизм, М., 1971; Д.Д.Мишин, Магнитные материалы, М., 1981).

В заявляемом техническом решении рассматривается возможность исследования свойства магнитной вязкости ферромагнетиков в диапазоне постоянных времени τ порядка десятых долей миллисекунды, например, в диапазоне τ=0,1...2 мс, поскольку указанный диапазон представляет значительный практический интерес с учетом построения различных физико-технических приборов на основе ферромагнитных материалов.

В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбран прибор - магнитовязкий маятник, известный из патента РФ №2291546, опубликованного в бюллетене №1 от 10.01.2007 по заявке №2005111823/28 (013701) от 20.04.2005. Магнитовязкий маятник содержит постоянный магнит и ферромагнитное тело, закрепленное относительно постоянного магнита, например, на скользящей оси для движения с одной степенью свободы в магнитном поле с переменной магнитной индукцией вдоль указанной оси и упруго механически связанное с постоянным магнитом, например, с помощью пружины, закрепленной ее концами соответственно с постоянным магнитом и ферромагнитным телом, причем материал ферромагнитного тела выбран с постоянной времени релаксации магнитной вязкости, соизмеримой, например, с одной десятой периода свободных колебаний ферромагнитного тела, а напряженность поля в зазоре постоянного магнита выбрана предпочтительно насыщающей для ферромагнитного тела. В этом устройстве обеспечивается получение механического колебательного движения ферромагнетика, обладающего необходимой магнитной вязкостью и его уменьшающейся относительной магнитной проницаемостью при увеличении напряженности магнитного поля выше некоторого критического уровня. Действие устройства объясняется непрерывной энергетической подкачкой упругих, в принципе затухающих, колебаний со стороны магнитного поля постоянного магнита с переменной магнитной индукцией вдоль оси колебательного движения ферромагнитного тела, которое обладает свойством магнитной вязкости и уменьшением своей относительной магнитной проницаемости при увеличении напряженности магнитного поля, превышающего некоторый пороговый уровень, причем явление резонанса колебаний ферромагнитного тела наступает при выборе постоянной релаксации τ у материала ферромагнитного тела, соизмеримой с периодом собственных колебаний пружинного маятника с заданными массой ферромагнитного тела и жесткостью пружины. При прохождении ферромагнитного тела в магнитном поле, напряженность которого в данной области соответствует порогу магнитного насыщения для выбранного ферромагнитного материала, происходит экспоненциальный спад намагниченности ферромагнитного тела, что ослабляет силовое торможение магнитным полем ферромагнитного тела и способствует увеличению его амплитуды колебаний, а при нахождении ферромагнитного тела в зонах сниженной напряженности магнитного поля (вблизи амплитудных значений текущей координаты центра инерции ферромагнитного тела), наоборот, его относительная магнитная проницаемость экспоненциально возрастает, что приводит при обратном такте движения ферромагнитного тела в направлении градиента магнитного поля к дополнительному увеличению силы, приложенной к ферромагнитному телу, со стороны магнитного поля. При этом важным условием для обеспечения резонансных колебаний ферромагнитного тела (то есть условий достижения максимума амплитуды колебаний) является выбор постоянной релаксации τ материала ферромагнитного тела, величина которой должна быть соизмерима с периодом Т собственных колебаний пружинного маятника τ˜Т=(1/2π)·(m/k)^1/2, где m - масса ферромагнитного тела (с учетом других присоединенных масс), k - жесткость пружины. Соблюдение этого условия создает возможность синфазной силовой «подкачки» колебаний ферромагнитного тела в составе пружинного маятника.

То обстоятельство, что амплитуда колебаний магнитовязкого маятника зависит от соотношения величин τ и Т, позволяет судить о величине τ ферромагнитного материала в результате измерения периода колебаний Т при резонансе, то есть когда амплитуда колебаний достигает максимума.

Недостатком известного устройства (прототипа) является относительная низкочастотность колебаний магнитовязкого маятника - порядка долей и единиц герц, что отвечает диапазону измеряемых значений τ=0,01...0,2 с, то есть приблизительно на два порядка больше интересующего нас диапазона τ=0,1...2 мс.

Указанный недостаток устранен в заявляемом техническом решении.

Целями изобретения являются расширение функциональных возможностей и повышение скорости протяжки ферромагнитовязкого вещества в промежутке насыщающего магнитного поля.

Указанные цели достигаются в приборе для измерения магнитной вязкости ферромагнетиков, содержащем постоянный магнит с насыщающим магнитным полем в его зазоре и помещенное в этот зазор ферромагнитное тело из магнитовязкого вещества, отличающимся тем, что ферромагнитное тело выполнено в виде двух дисков с раздельными их осями вращения и одинаковыми моментами вращения, кромки этих дисков помещены в зазор постоянного магнита, диски приведены во вращательное движение однократно приложенными моментами импульсов в противоположных направлениях, после чего вращение дисков сохраняется преимущественно с равными по модулю угловыми скоростями, зависящими от присоединенной к указанным осям вращения нагрузки.

Достижение указанных целей объясняется возникновением вращательных моментов в двух противоположно вращающихся дисках из ферромагнитовязкого вещества, кромки которых помещены в зазор постоянного магнита с насыщающим магнитным полем. Эти вращательные моменты обусловлены неравенством сил втягивания в магнитное поле зазора постоянного магнита ферромагнитного материала с высокой относительной магнитной проницаемостью и торможения этим магнитным полем ферромагнитного материала с уменьшенной относительной магнитной проницаемостью, что происходит при нахождении указанного материала в насыщающем магнитном поле в течение интервала времени, определяемого длиной магнитного зазора постоянного магнита и скоростью протяжки в зазоре ферромагнитовязкого материала дисков с заданной постоянной времени τ магнитной вязкости, подлежащей измерению.

Другой целью изобретения является измерение постоянной времени τ магнитной вязкости ферромагнетиков преимущественно в диапазоне τ=0,1...2 мс.

Эта цель достигается в вышеуказанном устройстве, отличающемся тем, что оси вращения дисков присоединены соответственно к ротору и статору трехфазного синхронного двигателя-генератора с ротором из постоянного магнита и статором из трех симметрично расположенных электромагнитных цепей с обмотками, подключенными к присоединяемой нагрузке с переменными параметрами и к измерителю частоты возбуждаемых в генераторе электрических колебаний, причем раскручивание двух дисков из ферромагнитовязкого вещества осуществлено подачей к статорным обмоткам указанного двигателя-генератора трехфазного переменного напряжения с частотой ω>ω_о, где ω_o=L/1,4τ R - угловая частота вырабатываемого генератором переменного напряжения, соответствующая максимуму вращательных моментов в дисках из ферромагнитовязкого вещества, L - длина магнитного зазора постоянного магнита, R - радиус дисков.

Достижение указанной цели объясняется зависимостью суммы вращательных моментов, возникающих в дисках из ферромагнитовязкого вещества, от частоты их вращения, величина которой зависит от присоединенной к осям вращения этих дисков нагрузки с переменными параметрами. Максимально допустимая нагрузка соответствует частоте ω_о электрического колебания, возбуждаемого в трехфазном синхронном двигателе-генераторе. Равенство модулей угловых скоростей вращающихся в противоположных направлениях ротора и статора трехфазного синхронного двигателя-генератора обеспечивается выбором равных моментов инерции механических цепей ротора и статора, а равенство присоединенных нагрузок к осям вращения указанных дисков из ферромагнитовязкого вещества обеспечивается автоматически за счет работы двигателя-генератора. При выполнении этих условий частота ω вырабатываемых электрических колебаний равна ω=ω_р+|ω_с|, где ω_р и ω_с - угловые скорости вращения соответственно ротора и статора двигателя-генератора, и в указанных условиях ω_р=-ω_с. Поскольку ротор и статор двигателя-генератора вращаются, то съем переменного напряжения от статорных обмоток осуществляется с помощью скользящих электродов (щеток) и трех кольцевых электродов, расположенных изолированно на оси статора и соединенных с обмотками статора по схемам треугольника или звезды.

Прибор для измерения магнитной вязкости ферромагнетиков представлен на фиг.1

Прибор содержит постоянный магнит 1, в зазоре которого образовано насыщающее магнитное поле для ферромагнетика, из которого изготовлены два диска 2 и 3 с их осями вращения 4 и 5, которые механически связаны соответственно с ротором 6 и статором 7. При этом ротор 6 выполнен в виде магнита с полюсами S и N, статор содержит три обмотки, соединенные треугольником или звездой. Ротор и статор свободно вращаются относительно корпуса с использованием шариковых и упорных подшипников 8. На статоре 7 или его оси вращения 5 закреплена изолирующая втулка 9, на которой закреплены три кольцевых электрода 10, с которыми электрически соединены три щетки со щеткодержателем 11. Трехфазный щеткодержатель 11 электрически соединен с переключателем 12 на два положения (переключение указано стрелкой). Три вывода переключателя одного из его положений (правом на фиг.1) соединены с источником трехфазного переменного напряжения 13, который используется для предварительной раскрутки дисков 2 и 3, при этом ротор 6 и статор 7 работают в режиме синхронного двигателя. Частота колебаний ω источника трехфазного переменного напряжения 13 регулируется, что позволяет раскручивать диски 2 и 3 до требуемых угловых скоростей. Три вывода переключателя 12 в его другом положении (левом на фиг.1) подключены к трехфазному выпрямителю 14, например к схеме Ларионова из шести диодов, обеспечивающей трехфазное двухполупериодное выпрямление. Выпрямитель 14 соединен с нагрузкой с переменными параметрами 15, например, с переменным резистором. Кроме того, одна из фаз трехфазного генератора на основе вращающихся в противоположных направлениях ротора 6 с угловой частотой ω_р и статора 7 с угловой частотой ω_с соединена со входом электронного частотомера 16, измеряющего частоту ω=ω_р+|ω_с|.

На фиг.2 представлена конструкция основной части прибора из нескольких, например трех постоянных магнитов 17, 18 и 19, в зазорах которых образовано насыщающее магнитное поле, и в них помещены кромки двух дисков 20 (21), аналогичных дискам 2 и 3 на фиг.1. Эти диски вращаются в противоположных направлениях. Диск 20 связан с его осью вращения 22 (аналогичной оси вращения 4 на фиг.1). На фиг.2 указан радиус дисков R и длина магнитных зазоров L постоянных магнитов 17, 18 и 19. Постоянные магниты 17, 18 и 19 симметрично расположены относительно дисков 20 (21), причем время нахождения Δt_p=L/ω_p R одной и той же точки кромки диска 20 в магнитном зазоре в каждом из указанных постоянных магнитов или Δt_c=L/ω_с R - для диска 21 выбирается из априорных данных о величине постоянной Т магнитной вязкости ферромагнетика, из которого изготовлены диски 20 (21). В случае равенства ω_p=-ω_с обеспечивается равенство Δt_p=Δt_c=Δt=2 L/ω R. Кроме того, для восстановления величины относительной магнитной проницаемости (магнитной восприимчивости) частей кромок ферромагнитовязких дисков, подверженных действию насыщающего магнитного поля, расстояние по окружности дисков между смежными постоянными магнитами 17, 18 и 19 выбирается существенно большим (приблизительно втрое) длины магнитного зазора L, как это видно на фиг.2. Указано вращение ротора двигателя-генератора с угловой скоростью ω_p, связанного с осью вращения 22 относительно неподвижного корпуса 23 прибора. Форма магнитных полюсов для постоянного магнита 17 обозначена разрезом по АА, и она совпадает с формой магнитных полюсов, указанной для постоянного магнита 1 на фиг.1.

На фиг.3а представлен график зависимости магнитной индукции В ферромагнетика от напряженности Н магнитного поля в нем В(Н), а на фиг.3б - кривая А.Г.Столетова (1872 г.) - зависимость магнитной восприимчивости χ=μ-1 (μ - относительная магнитная проницаемость ферромагнетика) от напряженности магнитного поля, из которой следует, что в области насыщения величина магнитной восприимчивости уменьшается с ростом напряженности магнитного поля, то есть d_χ/dH<0.

На фиг.4 представлен график относительного изменения магнитной восприимчивости χ(х)/χ_max в течение временного интервала Δt пока дифференциальный слой dx кромки ферромагнитовязкого диска находится в магнитном зазоре постоянного магнита с насыщающим магнитным полем при вращении диска с угловой скоростью ω/2 (ω - круговая частота генерируемого колебания в двигателе-генераторе фиг.1 при условии, что (ω_р=-ω_с). Ось х расположена вдоль длины магнитного зазора L постоянного магнита. При этом график χ(х)/χ_max дан для одного из дисков, кромка которого движется в направлении оси х. Видно, что для оптимальной частоты ω_о магнитная восприимчивость в промежутке - L/2≤x≤+L/2 падает в 1/0,061=16,4 раза.

На фиг.5 представлена статическая (то есть при ω=0) весовая функция магнитного тяготения ферромагнетика к центру магнитного зазора (при х=0). На краю магнитного зазора сила тяготения максимальна и направлена в сторону к центру, при этом весовая функция равна +1 слева от магнитного зазора и равна -1 справа от него для диска, направление вращения которого в магнитном зазоре совпадает с осью х. При х=0 дифференциальный слой dx ферромагнитного вещества кромки диска находится в равновесном состоянии. Весовая функция у краев магнитного зазора, но вне его (слева и справа), быстро уменьшается по модулю до нуля на интервалах δх<<L, так как вне зазора магнитное поле резко убывает.

На фиг.6 представлены: семейство характеристик относительных сил при разных значениях отношения Δt/τ в диапазоне 0,05...20 и график относительного вращательного момента в дисках 2 и 3 (фиг.1) в функции угловой частоты ω=ω_р+|ω_с|, который достигает максимума при частоте ω_о=L/1,4τR. При вариации нагрузки с переменными параметрами 15 изменяется частота ω генерируемых колебаний. Нагрузочная прямая (штрихпунктирная наклонная прямая) пересекает график относительного вращательного момента в точке, соответствующей частоте ω_раб>ω_о (на графике по оси абсцисс указана угловая скорость диска 2). При минимальной нагрузке нагрузочная прямая становится наиболее пологой и соответствует частоте генерируемых колебаний ω_max. Увеличение нагрузки более той, при которой частота колебаний равна ω_о, колебания срываются, и диски останавливаются. Это обстоятельство положено в основу измерения частоты ω_о вариацией нагрузки с переменными параметрами 15 (фиг.1).

Рассмотрим работу заявляемого устройства.

Запуск в работу устройства - вращение дисков 2 и 3 (фиг.1) - осуществляется подачей на статор 7 синхронного двигателя-генератора переменного трехфазного напряжения от источника трехфазного переменного напряжения 13 через подключенные к нему переключатель 12, щетки со щеткодержателем 11 и систему кольцевых электродов 10, соединенных с обмотками статора 7. В статоре 7 возникает вращающееся магнитное поле с частотой ω, значение которой может регулироваться в достаточно широких пределах с учетом измеряемых постоянных времени τ магнитной вязкости в диапазоне 0,1...2 мс, для каждого из измеряемых значений которой частота ω должна выбираться из диапазона от ω_о до ω_max (см. фиг.6). Например, для априорно задаваемой величины τ выбирают частоту источника трехфазного переменного напряжения порядка ω_раб (см. фиг.6).

При обеспечении в конструкции вращающихся частей - дисков, их осей вращения и ротора и статора синхронного двигателя-генератора - равенства моментов инерции этих частей, вращающихся в противоположных направлениях, обеспечивается равенство ω_р=-ω_с, и круговая частота ω колебаний, подаваемых к обмоткам статора 7 в режиме двигателя и снимаемых с этих обмоток в режиме генератора, вдвое выше угловой скорости вращения каждого из дисков 2 и 3.

После раскручивания дисков 2 и 3 соответственно ротора 6 и статора 7 до необходимой угловой скорости, превышающей частоту колебаний ω_о в источнике трехфазного напряжения 13 для априорно предполагаемой величины постоянной времени τ магнитной вязкости ферромагнитовязкого материала этих дисков, переключателем 12 коммутируют обмотки статора 7 к выпрямителю 14 с нагрузкой с переменными параметрами 15, а одну из фаз генерируемого трехфазного напряжения соединяют со входом электронного частотомера 16, измеряющего частоту ω колебаний. В дальнейшем поддержание вращательного движения дисков 2 и 3 обеспечивается возникновением в них вращательных моментов из-за действия превалирующих сил втягивания ферромагнитовязкого вещества дисков над силами их торможения в зазоре постоянного магнита 1 (фиг.1). Рассмотрим этот вопрос подробнее.

Из общей теории создания генерирующих систем известно, что условием генерирования является построение четырехполюсника с отрицательным сопротивлением, например, как это имеет место в генераторе на туннельном диоде, вольт-амперная характеристика которого в рабочей зоне имеет спад тока при росте приложенного к диоду напряжения. Роль такого «отрицательного сопротивления» в данном техническом решении выполняет ферромагнетик при его магнитном насыщении. Зависимость магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н (фиг.3а) характеризуется переменной крутизной dB/dH˜χ(Н) (фиг.3б), и в области насыщения кривая χ(Н) имеет спад магнитной восприимчивости ферромагнетика при росте напряженности, то есть d_χ(H)/dH<0. Это позволяет создать неуравновешенную по силовому воздействию на ферромагнитное вещество со стороны насыщающего магнитного поля систему на основе соблюдения двух условий: ферромагнитное вещество должно обладать свойством магнитной вязкости и двигаться в насыщающем поле с определенной скоростью, согласованной с постоянной времени магнитной вязкости. Рассмотрим, как эти два условия позволяют обеспечить безостановочное вращение ферромагнитовязкого диска, кромка которого помещена в насыщающее магнитное поле постоянного магнита 1 (фиг.1). В заявляемом устройстве полюсная пара постоянного магнита 1 создает на длине L ее зазора однородное насыщающее магнитное поле. Движение в таком поле ферромагнитовязкого вещества (кромки дисков 2 и 3) со скоростями V₁=ωR/2 для диска 2 и V₂=-ωR/2 для диска 3, приводит к распределению величины магнитной восприимчивости χ(х) в любой произвольный момент времени, как это представлено на фиг.4 для диска 2. Такое распределение по координате х вдоль длины L магнитного зазора с совмещением начала координат с центром последнего, то есть на расстоянии L/2 от краев полюсной пары, происходит из-за того, что входящая в магнитный зазор масса ферромагнетика под действием насыщающего магнитного поля Н_max>Н* уменьшает свою намагниченность J(t) по экспоненциальному закону согласно (1), то есть по экспоненциальному закону будет изменяться магнитная восприимчивость χ(t)=J(t)/μ_оН ферромагнетика с учетом постоянной времени τ магнитной вязкости по закону:

где Н_max - напряженность насыщающего магнитного поля в магнитном зазоре постоянного магнита 1 (фиг.1), Н* - напряженность магнитного поля вне зазора, при которой ферромагнитовязкое вещество дисков 2 и 3 имеет наибольшее значение χ_max, μ_о=1,256·10^-6 Гн/м - абсолютная магнитная проницаемость, χ(Н_max)_∞ - установившееся значение величины магнитной восприимчивости ферромагнитного материала в насыщающем магнитном поле за большой промежуток времени (теоретически бесконечный), существенно больший величины Δt, Δχ=χ_max-χ(H_max)_∞ - наибольшее изменение величины магнитной восприимчивости ферромагнитовязкого вещества. Можно показать, что перепадом значения магнитной восприимчивости Δχ определяется эффективность работы устройства в смысле его энергетических характеристик. Для увеличения этого перепада целесообразно вне магнитного зазора постоянного магнита 1 действовать на рабочую кромку дисков 2 и 3 магнитным полем с напряженностью Н*, при которой магнитная восприимчивость ферромагнитного материала устанавливается до своей наибольшей величины, соответствующей максимуму функции dB/dH, как это видно из фиг.3б (кривой Столетова в области так называемого Баркгаузена эффекта). Эти средства для простоты представления конструкции на фиг.1 не показаны, но могут быть легко реализованы при использовании дополнительных магнитных зазоров между рабочим магнитным зазором постоянного магнита 1 на фиг.1 или магнитных зазоров постоянных магнитов 17, 18 и 19 на фиг.2, причем в таких дополнительных магнитных зазорах устанавливают напряженность магнитного поля, равную Н*<Н_max, то есть обеспечивающую восстановление магнитной восприимчивости ферромагнетика до ее максимальной величины χ_max.

Вращение диска 3 в противоположном направлении относительно диска 2 приводит к аналогичному изменению величины магнитной восприимчивости в насыщающем магнитном поле магнитного зазора постоянного магнита 1 (фиг.1), как это показано на фиг.4, но с учетом зеркального поворота кривой χ(х)/χ_max относительно оси ординат при замене знака при координате х. Это позволяет решить две важные технические задачи. Во-первых, естественно соединить оси дисков 2 и 3 соответственно с ротором 6 и статором 7 синхронного двигателя-генератора с автоматическим выравниванием моментов нагрузок для вращающихся дисков 2 и 3. Во-вторых, последовательное по магнитному полю включение ферромагнитных дисков 2 и 3 в магнитном зазоре постоянного магнита 1 позволяет существенно выровнять вдоль оси х распределение удельной магнитной проводимости в магнитном зазоре по сравнению с одним диском в зазоре из-за экспоненциального изменения магнитной восприимчивости в зазоре. Действительно, при двух дисках 2 и 3 магнитная проводимость связывается с магнитной восприимчивостью на краях зазора слева и справа с относительной величиной 1+0.061, как это видно из фиг.4, а в центре магнитного зазора (х=0) - с относительной величиной 2·0,247=0,494. Следовательно, перепад магнитных восприимчивостей для магнитного поля в магнитном зазоре для последовательно включенных двух дисков 2 и 3 приблизительно равен 2, в то время как при одном диске в зазоре этот перепад составляет более 16, как ранее было указано. Это также способствует увеличению энергетической эффективности устройства.

Дифференциальный слой dx ферромагнетика в зависимости от его текущего положения на оси х внутри магнитного зазора постоянного магнита 1, в частности, от обозначенного на фиг.4 начала координат х=0, разделяет находящуюся в магнитном поле этого зазора кромку диска из ферромагнитовязкого вещества на две части - втягивающуюся в магнитный зазор в промежутке - L/2≤х≤0 и тормозящую диск часть в промежутке 0≤х≤+L/2 для диска 2, и наоборот, втягивающуюся в магнитный зазор в промежутке 0≤х≤+L/2 и тормозящую диск часть в промежутке - L/2≤х≤0 для диска 3. Поскольку соответствующие силы пропорциональны магнитной восприимчивости χ(х), то обеспечение максимумов вращательных моментов дисков требует определения скорости их вращения ω_о/2 в магнитном зазоре из уравнения:

в котором t=±2x/ω_oR для соответствующих дисков 2 и 3, где G(x) - весовая функция, представленная на фиг.5. Решение уравнения (3) позволяет найти оптимальное значение отношения Δt/τ=2,8059, при котором силы втягивания ферромагнитного вещества в магнитный зазор и силы торможения имеют наибольшую разность для каждого из дисков 2 и 3.

После выхода ферромагнитовязкого вещества из магнитного зазора постоянного магнита 1 магнитная восприимчивость χ вновь начинает возрастать экспоненциально, стремясь к величине χ_max=χ(Н*) при использовании в устройстве дополнительных магнитных зазоров с магнитным полем Н* в них, как об этом было указано выше.

Как указывалось, при использовании в конструкции устройства нескольких рабочих магнитов 17, 18 и 19 (фиг.2) расстояние между смежными магнитными зазорами с насыщающим магнитным полем таково, что на этом пути магнитная восприимчивость полностью восстановится (то есть увеличится) до уровня, соответствующего значению χ_max, так что взаимодействие ферромагнитовязких дисков с насыщающим магнитным полем Н_max в каждом, следующем по ходу вращения дисков 2 и 3, магнитном зазоре вновь повторится по рассмотренному выше алгоритму. При этом энергетическая эффективность устройства (его выходная мощность электрических колебаний) пропорциональна числу n используемых в нем постоянных магнитов с насыщающим магнитным полем в их зазорах.

Для анализа действующих на кромку диска тангенциальных сил (втягивающих и тормозящих) при взаимодействии ферромагнитовязкого диска с магнитным зазором постоянного магнита 1 (фиг.1) длиной L следует иметь в виду, что в центре притяжения полюсной пары (х=0) отсутствует силовое действие на элемент ферромагнетика с мгновенной координатой х=0 и увеличивается к краям зазора, что указано на фиг.5 с учетом краевых эффектов. Поэтому равнодействующая тангенциальная сила ΔF_∑ определяется интегрированием χ(х) G(x), где функция G(x) изменяется в пределах +1≥G(x)≥-1, как указано на фиг.5. Поэтому сила ΔF_∑, приложенная к кромке каждого из дисков 2 и 3, пропорциональна выражению:

где S - сечение кромки ферромагнитного диска в магнитном зазоре (при этом dV=Sdx - дифференциальный объем ферромагнитовязкого материала).

Из выражения (4) следует, что оптимизация энергетической характеристики ферромагнитовязкого генератора требует учета краевых эффектов на отрезках δх и достигается при уменьшении напряженности магнитного поля за пределами магнитного зазора до величины Н* соответственно для дисков 2 и 3, вращающихся в противоположных направлениях.

Вращательные моменты в ферромагнитовязких дисках М_вращ определяются произведением тангенциальной силы ΔF_∑ на активный радиус диска R и число n постоянных магнитов с насыщающим магнитным полем в их зазорах, а мощность электрического генератора N_ген находится из произведения момента М_вращ на угловую скорость ω/2 вращения двух дисков:

На фиг.6 представлена кривая М_вращ с максимумом на частоте колебаний ω_о, значение которой с учетом функции веса G(x) равно:

Максимум М_вращ на частоте колебаний генератора ω_о объясняется из рассмотрения семейства относительных сил ΔF_∑/ΔF_∑max, представленного на фиг.6 графиками при различных значениях Δt/τ=0,05...20. Все кривые проходят через значение х=0 (фиг.4), то есть через середину магнитного зазора L/2. Разность площадей, ограниченных осями абсцисс и ординат, а также соответствующей кривой в промежутках слева и справа от середины указанного интервала, пропорциональна относительной силе ΔF_∑/ΔF_∑max(ω_o) при разных значениях Δt/τ. Как показал анализ, максимум этой силы ΔF_∑max достигается при соблюдении условия (6) на частоте ω_о=ω_p+|ω_с| с учетом, что ω_р=-ω_с.

То обстоятельство, что мощность генератора согласно (5) характеризуется немонотонной функцией, объясняется просто: при малой частоте ω очень быстро происходит установление магнитной восприимчивости в начальной зоне рабочего зазора, а при большой частоте ω (по сравнению с ω_o), наоборот, на длине зазора L магнитная восприимчивость не успевает сколько-нибудь существенно уменьшиться. В обоих случаях снижается величина силы ΔF_∑ (вращательный момент). При остановленных дисках сила ΔF_∑=0, однако d М_вращ/dω>0, то есть угол наклона кривой М_вращ(ω/2) при ω=0 с осью абсцисс максимален, что и объясняет невозможность самораскручивания диска двигателя из неподвижного состояния. Это есть так называемый жесткий режим самовозбуждения: пуск в работу генератора осуществляется внешним воздействием - раскручиванием дисков до определенных угловых скоростей, задаваемых частотами колебаний ω_пуск>ω_о, при которых dM_вращ/dω<0 в точке пересечения кривой М_вращ(ω/2) с нагрузочной прямой, угол наклона которой пропорционален сумме моментов трения и нагрузки на частоте колебаний генератора ω для установившегося режима вращения дисков, и при этом производные соответствующих функций имеют разные знаки.

Приведенные на фиг.6 семейство относительных сил, действующих на элементы объема dV=Sdx ферромагнитовязкого вещества в магнитном зазоре на интервале - L/2≥х≥L/2, при

различных значениях Δt/τ, а также кривая М_вращ и различные нагрузочные характеристики - холостого хода, рабочей нагрузки (штрихпунктирная линия) и критической нагрузки, которые представляют наклонные прямые линии, исходящие из начала координат под различными углами к оси абсцисс, позволяют решить поставленную задачу измерения постоянной времени τ. Чем больше нагрузка на ось двигателя, тем круче нагрузочная прямая. Точка пересечения кривой М_вращ с нагрузочной прямой соответствует устойчивому равновесию на частоте ω_раб, лежащей в диапазоне частот ω_о<ω_раб<ω_max. Из теории систем с обратной связью известно, что равновесие является устойчивым, если производные от амплитудной характеристики эквивалентного четырехполюсника и прямой обратной связи в точке их пересечения имеет противоположные знаки. Точки пересечения указанных кривой и прямой, в которых их производные имеют один знак, являются точками неустойчивого равновесия.

Всякое случайное отклонение частоты ω от ω_раб приводит к возврату к ней. Если ω=ω_о, то система находится в критическом состоянии, и при случайном уменьшении частоты ω, при котором ω<ω_о, что связано с увеличением присоединенной нагрузки, происходит срыв автоколебаний в системе, и диски 2 и 3 останавливаются. При снижении нагрузки ниже критической частота автоколебаний просто возрастает ω>ω_о, и система остается устойчивой. Когда нагрузка на ось минимальна, то генератор работает в так называемом режиме холостого хода. При этом частота генерируемых колебаний увеличивается до значения ω_max. Следовательно, действие переменной нагрузки приводит к вариации угловой скорости вращения ферромагнитовязких дисков, если нагрузка не превышает максимально допустимую. Для облегчения пуска двигателя следует осуществлять его в режиме холостого хода, во всяком случае угловая скорость вращения дисков должна превышать значение угловой частоты ω_о/2.

Таким образом, для измерения постоянной времени τ магнитной вязкости ферромагнетика, из которого изготовлены диски 2 и 3, необходимо после запуска устройства от источника трехфазного переменного напряжения 13 измерить частоту ω_о генерируемых колебаний электронным частотомером 16 в момент срыва генерации, то есть перехода системы в неустойчивое состояние при плавном увеличении нагрузки с помощью нагрузки с переменными параметрами 15. По найденному значению частоты ω_о и известных конструктивных параметрах устройства - радиусу R дисков 2 и 3 и длины L магнитного зазора постоянного магнита 1 - можно рассчитать искомую величину:

Уточнение частоты ω_о может потребовать проведения нескольких измерений этой величины с применением статистических методов вычислений.

Следует отметить, что установка выпрямителя 14 между выходом генератора (обмотками статора 7) и нагрузкой с переменными параметрами 15 позволяет использовать в цепи нагрузки измерительные приборы постоянного тока (амперметр и вольтметр) для более точного измерения электрической мощности, рассеиваемой в нагрузке 15. Однако выпрямитель 14 не является обязательным элементом заявляемого устройства, поэтому он не указан в формуле изобретения. Получение постоянного тока после использования выпрямителя 14, кроме указанного, позволяет расширить функциональные возможности устройства. В частности, в этом случае можно применить систему авторегулирования подачей постоянного тока в катушку дополнительного подмагничивания постоянного магнита 1 (фиг.1), что позволяет автоматически регулировать величину насыщающего магнитного поля в магнитном зазоре, поддерживая неизменной частоту генерируемых колебаний при условии изменяющейся в некоторых пределах нагрузки. С этой целью в схеме применяют опорный генератор фиксированной частоты (которую желают стабилизировать), фазовый детектор и соответствующий усилитель мощности, выход которого подключают к обмотке подмагничивания постоянного магнита для изменения величины Н_max [1]. Рассмотрение такой системы выходит за рамки данной заявки.

При выборе постоянного магнита 1 (фиг.1) могут быть рекомендованы лучшие современные магнитные материалы, энергетическое произведение в которых (В Н)_max достигает величины около 320 Тл·кА/м (40 млн Гс·Э), например, как у материала с высокой коэрцитивной силой SmCo₃ [2-4].

Можно рассматривать несколько научных гипотез для объяснения возможности поддержания вращательного движения дисков из ферромагнитовязкого вещества в магнитном зазоре с насыщающим магнитным полем при соблюдении условия (7) и в результате раскрутки дисков 2 и 3 от внешнего энергетического источника. По одной из гипотез вращение поддерживается за счет внутренней энергии ферромагнитовязкого вещества, изменяющего свои параметры (магнитную восприимчивость в насыщающем магнитном поле), что может быть связано, например, с охлаждением ферромагнитовязких дисков (аналог магнетокалорического эффекта).

По другой гипотезе возникновение силы объясняется эффектом инверсии спиновых состояний электронов движущегося со скоростью V ферромагнитовязкого вещества в насыщающем магнитном поле с напряженностью Н_max, состоящем в возникновении экспоненциально убывающей силы F(t)=F₀ exp(-t/τ) с постоянной времени магнитной вязкости τ, вектор которой ортогонален вектору насыщающего магнитного поля и объясняемым поворотом векторов спиновых магнитных моментов s_M группы электронов ферромагнитовязкого вещества в направлении вектора внешнего насыщающего магнитного поля, в результате чего эта группа электронов образует суммарную макроскопическую силу, приложенную к ферромагнитовязкому веществу со стороны насыщающего магнитного поля, причем размер данной группы электронов определяется коэффициентом вероятности β=1-ехр[(Н_max-Н*)/Н*] как отношением превышения напряженности насыщающего магнитного поля Н_max над некоторым пороговым уровнем Н* к величине этого порогового уровня, величина которого зависит от свойств ферромагнитовязкого вещества, определяемых безразмерным коэффициентом ξ, и соответствует максимуму магнитной восприимчивости χ_max(H)=μ_max-1 последнего, при этом в диапазоне Н*≤Н≤Н_max соблюдается условие dχ/dH<0, а величина дифференциала силы dF(x) для дифференциала объема Sdx ферромагнитного вещества (здесь S - площадь сечения кромки ферромагнитного диска, помещенной в насыщающее магнитное поле) равна:

где μ_Б=(μ_оeh/4π m_о)=1,165·10^-29 м.В.с - магнетон Бора, c_эл=ρ N_A/А - концентрация электронов в единице объема ферромагнитовязкого вещества (ρ - плотность вещества, N_A=6,02·10^-23 моль^-1 - число Авогадро, А - молекулярный вес), α=L/V τ (здесь L - длина магнитного зазора, вдоль которого проходит дифференциальный объем ферромагнитовязкого вещества в насыщающем магнитном поле Н_max) - безразмерный коэффициент энергетической эффективности, χ(х) - мгновенная восприимчивость движущегося ферромагнитного вещества (его дифференциального объема Sdx) в насыщающем магнитном поле вдоль оси х, задаваемая формулой (2) с учетом связи dx=V dt, G(x)=1-(2х/L) - весовая функция магнитного взаимодействия, V - скорость движения объема S dx ферромагнетика в магнитном зазоре.

При этом важно отметить, что коэффициент α энергетической эффективности определяется связью между постоянной магнитной вязкости τ и временем Δt пребывания дифференциального объема ферромагнитовязкого вещества в насыщающем магнитном поле. Теоретически значение этого коэффициента произвольно, то есть α изменяется в пределах 0≤α≤∞, однако в соответствии с (2) и (4) легко понять, что результирующая сила ΔF_∑→0 для крайних пределов коэффициента α и максимальна при значении α=2,8059, что видно из представленной кривой на фиг.6 для относительного вращательного момента, полученной интегрированием функции (8) при варьируемых параметрах коэффициента α, а само оптимальное значение α получено расчетом на персональном компьютере с использованием программы Windows Office Excel.

В качестве научной гипотезы, объясняющей физическую сущность феномена преобразования энергии магнитного поля постоянного магнита во вращательное движение ферромагнитовязких дисков с точки зрения соблюдения закона сохранения и превращения энергии, можно сослаться на известный в физике магнетокалорический эффект, который состоит в охлаждении ферромагнетика при его адиабатическом размагничивании, что нашло широкое применение в современной криогенной технике при получении инфранизких температур - до десятых и сотых долей градуса абсолютной температурной шкалы Кельвина. Из этого эффекта следует, что намагниченный ферромагнетик имеет меньшую величину запасенной в нем тепловой энергии по сравнению с ненамагниченным, в котором магнитные диполи распределены хаотически в объеме ферромагнитного вещества, причем на величину, соответствующую энергии магнитного поля в намагниченном ферромагнетике. Таким образом, снижение намагниченности ферромагнитовязкого вещества в насыщающем магнитном поле постоянного магнита должно сопровождаться охлаждением ферромагнитовязкого вещества, а восполнение затраченной тепловой энергии осуществляется притоком тепловой энергии из внешней среды практически в неограниченном объеме, так как температура внешней среды всегда может быть больше температуры ферромагнитовязких дисков. Таким образом, никакого нарушения закона сохранения и превращения энергии при этом не происходит.

Исследование физической сущности происходящих процессов, лежащих в основе работы заявляемого устройства, представляет интерес для физиков-теоретиков, связанных с фундаментальными проблемами магнетизма и исследованием микроструктуры ферромагнитовязкого вещества, широко применяемого в различных технических приборах и элементах радиотехнических устройств.

Литература

1. Меньших О.Ф. Устройство автоматической подстройки частоты, Авт. свид. СССР №322131, 328828. М., 1970.

2. Преображенский А.А., Биширд Е.Г. Магнитные материалы и элементы, 3 изд. М., 1986.

3. Февралева И.Е. Магнитотвердые материалы и постоянные магниты. К., 1969.

4. Постоянные магниты. Справочник. М., 1971.

Изобретение относится к области физики магнетизма и может быть использовано для измерения постоянной магнитной вязкости ферромагнитных материалов. Прибор для измерения магнитной вязкости ферромагнетиков содержит постоянный магнит с насыщающим магнитным полем в его зазоре и помещенное в этот зазор ферромагнитное тело из магнитовязкого вещества, выполненное в виде двух дисков с раздельными осями вращения и одинаковыми моментами вращения, кромки этих дисков помещены в зазор постоянного магнита, диски приведены во вращательное движение однократно приложенными моментами импульсов в противоположных направлениях, после чего вращение дисков сохраняется преимущественно с равными по модулю угловыми скоростями, зависящими от присоединенной к указанным осям вращения нагрузки. Оси вращения дисков присоединены соответственно к ротору и статору трехфазного синхронного двигателя-генератора с ротором из постоянного магнита и статором из трех симметрично расположенных электромагнитных цепей с обмотками, подключенными к присоединяемой нагрузке с переменными параметрами и к измерителю частоты возбуждаемых в генераторе электрических колебаний, причем раскручивание двух дисков из ферромагнитовязкого вещества осуществлено подачей к статорным обмоткам напряжения с частотой ω>ω_о, где ω_o=L/1,4τR - угловая частота вырабатываемого генератором переменного напряжения, соответствующая максимуму вращательных моментов в дисках из ферромагнитовязкого вещества, L - длина магнитного зазора постоянного магнита, R - радиус дисков. Технический результат - возможность измерения постоянной магнитной вязкости ферромагнетиков в диапазоне τ=0,1...2 мс. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Прибор для измерения магнитной вязкости ферромагнетиков, содержащий постоянный магнит с насыщающим магнитным полем в его зазоре и помещенное в этот зазор ферромагнитное тело из магнитовязкого вещества, отличающийся тем, что ферромагнитное тело выполнено в виде двух дисков с раздельными их осями вращения и одинаковыми моментами вращения, кромки этих дисков помещены в зазор постоянного магнита, диски приведены во вращательное движение однократно приложенными моментами импульсов в противоположных направлениях, после чего вращение дисков сохраняется преимущественно с равными по модулю угловыми скоростями, зависящими от присоединенной к указанным осям вращения нагрузки.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оси вращения дисков присоединены соответственно к ротору и статору трехфазного синхронного двигателя-генератора с ротором из постоянного магнита и статором из трех симметрично расположенных электромагнитных цепей с обмотками, подключенными к присоединяемой нагрузке с переменными параметрами и к измерителю частоты возбуждаемых в генераторе электрических колебаний, причем раскручивание двух дисков из ферромагнитовязкого вещества осуществлено подачей к статорным обмоткам указанного двигателя-генератора трехфазного переменного напряжения с частотой ω>ω_о, где ω_о=L/1,4τ·R - угловая частота вырабатываемого генератором переменного напряжения, соответствующая максимуму вращательных моментов в дисках из ферромагнитовязкого вещества, L - длина магнитного зазора постоянного магнита, R - радиус дисков, τ - постоянная магнитной вязкости ферромагнетика.