Магнитное устройство и способ его изготовления Советский патент 1983 года по МПК H01F13/00 

Изобретение относится к электро технике, точнее к магнитным устрой ствам и способам их изготовления. Известно магнитное устройство, выполненное в виде однородной по химическому составу магнитной пров локи, имеющей оболочковую и сердце винную части и обладающей возможностью намагничиваться во внешнем магнитном поле вдоль ее оси и нахо диться в состоянии совпадения, ког да направления нама -ниченностей оболочковой и сердцевинной частей совпадают, и обратном состоянии - когда они противоположны, причем коэрцитивная сила оболочковой части больше коэрцитивной силы сердцевинной части и в отсутствии внешнего магнитного поля устройство может находиться лишь в обратно состоянии l . Недостатками известного устройства являются относительно низкая чувствительность и неоптимальная характеристика сигнал/шум. .С целью увеличения чувствитель кости и улучшения характеристики сигнал/шум в магнитном устройстве, выполненном в виде однородной по химическому составу магнитной проволоки, имеющей оболочковую и серд винную части и Обладающей возможностью намагничиваться во внешнем магнитном поле вдоль ее оси и нахо диться в состоянии совпадения, ког направления намагниченностёй оболоч коврй и сердцевинной частей совпадают, и обратном состоянии - когда они противоположны, причем коэрцитивная сила оболочковой части боль ше .коэрцитивной силы сердцевинной части, сердцевинная часть выполнена так, что обладает коэрцитивной силой, достаточной для того, чтобы в отсутствии внешнего магнитного поля сохранялось состояние совпадения, причем Относительные магнитные свойства сердцевинной и оболочковой частей выбраны так,что переключение устройства из обратного состояния в состояние совпаде ния посредством перемагничивания сердцевинной части происходит бйст рее, чем наоборот. Известен способ изготовления магнитного устройства, включающий операции термообработки, циклического деформационного кр5чения находящейся под натяжением магнитной проволоки, причем деформационное кручение в обоих направлениягс производят в одинаковой степени 2j Недостатком известного способа является относительно низкая чувст вительность магнитного устройства, полученного с его помощью. С целью увеличения чувствительности магнитного устройства в способе изготовления магнитного устройстВа, включающем в себя операции термообработки, циклического деформационного кручения находящейся под натяжением магнитной проволоки,деформационное кручение в одном направлении производят в большей степени, чем в другом. На фиг. 1 представлено схематическое изображение ферромагнитной проволоки в обратном состоянии, увеличенное; на фиг. 2 - схема соленоидного устройства возбуждения, используемого для создания внешнего поля., дейс гвующего на магнитную проволоку, и воспринимающей катушки, используемой для выработки выходного: сигнала в ответ на изменение магнитного состояния проволоки на противоположное; на фиг. 3 - графическое изображение асимметричного типа перемагничивания проволоки,полученное по результатам -испытания, проведенного с использованием устройства по фиг. f причем на нем показаны возбуждающее внешнее поле, петля гистерезиса и получаемые выходные импульсы; на фиг. 4 - то же, симметричного типа; на фиг. 5 схематическое изображение механизма для обработки магнитной проволоки по изобретению. , На фиг. 1 показан вариант магнитной проволоки 1 по изобретению, состоящей из материала, содержащего кобальт, железо и ванадий. Отрезок магнитной проволоки имеет круглое сечение, предпочтительно точно круглое или близкое к точному кругу сечени5|. Наиболее пригодны отрезки проволоки диаметром около 0,25 мм и длиною 1-3 см. Проволоку обрабатывают, получая единый магнитный проволочный элемент 1, имеющий относительна мягсердцевинную часть 2 с относительно низкой коэрцитивной силой и относительно жесткую оболочковую часть 3, имеющую относительно высокую коэрцитивную силу. Относительно мягкая сердцевинная часть 2 (фиг. 1) магнитноанизйвФ юдн-М,причем ось легкого намагничивания проходит параллельно оси проволоки. Относительно жесткая оболочковая часть 3 также магнитно-анизотропна, причем ось лег когр намагничивания обеспечивающего результирующую намагниченность, параллельна оси проволоки. Направление намагниченности сердцевинной части 2 f значительной степени зависит от воздействия магнитного поля оболочковой части и любого внешнего магнитного поля. В показанном

на фиг. 1 состоянии/результирукицая намагниченность сердцевинной части 2 противоположна по направлению результирующей намагниченности оболоу1 koвoй части 3. Это состояние названо как обратное состояние, в этом , обратном состояний стенка 4 домена образует границу между сердцевинной частью 2 и оболочковой частью 3. Эта граница рёздела показана на фиг. 1 в виде цилиндрической доменной стенки 4, хотя доменная граница раздела представляет собой довольнр сложную магнитную переходнуюзону в проволоке.

От проволоки, состоящей из кобальта, железа и ванадия, могут быть получены импульсы, величина которых по меньшей мере на один порядок больше, чем величина импульсов, получаемых от проволоки из сплава никеля и железа. Предпочтительным сос гавом для проволоки по изобретению я вляется состав, содержащий кобальт примерно 45-55%, железа примерно 30-50% и ванадия 4-14%.

Для изготовления предлагаемых устройств используют должным образом обработанную проволоку диаметром . 0,25 мм. Проволока из сплава викаллой имеет состав, содержащий около кобальта, околи 10% ванадия остальное, в основном, железо с некоторыми в торостепенными ком- онентами, включающими в себя мар-ганец и кремний в количествах несколько ниже половины процента кажый.

Первая схема технологического роцесса обработки проволоки.

При использовании 30-сантиметрового отрезка проволоки из сплава викаллой диаметром 0,25 мм предочтительная схема процесса деформационного упрочнения включает слеующие этапы.

Первый. Проволоку растягивают о полной ее длины. Кусок проволои 5 (фиг. 5) закрепляют на патро нах 6 и It Посредством подпружиненной катушки 8 обеспечивают натяжение проволоки, достаточное для ее выпрямления, но без вы.тягивания ее. Затем проводят один цикл деформиования проволоки 5 кручением, соержащий приблизительно 64 оборота против часовой стрелки, а затем римерно 48 оборотов по часовой стрелке. Натяжение поддерживают во время всех этапов деформирования кручением. Второй. Проводят далее 17,5 цйкг ов деформирования проволоки по оборотов в каждом направлении (8 оборотов против часовой стрелки, а затем 8,5 оборотов по часовой стрелке составляют один цикл). Цикл повторяют 17 раз, после чего

второй этап завершают 8,5 оборотами против часовой стрелки. Во время этого второго этапа, который нормально длится около 10-15 с 30-сантиметровую проволоку непрерывно и 5 медленно вытягивают: величина удлинения при этом находится в пределах 1-2%.

Третий. Последний этап обработки состоит из другой серии по 8,5 оборотов, на этот раз с равным числом циклов и без дополнительного вытягивания, но с поддержанием натяжения проволоки. Во время этого этапа число циклов, проводимое на втором этапе, повторяют 3-4 раза. Установлено , что хороший результат получается при проведении около 60 циклов.

Затем проволоку режут на пригодные для использования отрезки 0 длиной, например,. 1-3 см.

Вторая схема технологического процесса обработки.

Для тех применений, где максимальная стабильность по времени 5 не важна, эффективна менее предпочтительная схема технологического гр процесса Обработки проволоки из сплава викаллой, включающая в себя следующие этапы (используют 30-сантиметровый кусок проволоки диаметром 0,25 мм).

Первый этап. Проволоку растягивают до полной ее длины. Приложенное усилие натяжения удерживает проволоку в -выпрямленном до полной ее. 5 длины состояниии без вытягивания ее. Далее проводят один цикл деформирования проволоки кручением, содержащий 14 оборотов против часовой стрелки, а затем 12 оборотов 0 по часовой стрелке.

Второй этап. Проводят 120 циклов деформирования проволоки по двенадцать Оборотов в каждом направле . НИИ (12 оборотов против часовой 5 стрелки, а затем 12 оборотов по

часовой стрелке составляют один цикл), Во время этого второго этапа технологического процесса деформационного упрочнения проволоки ее во время л скручивания непрерывно вытягивгиот. nph этом 30-сантиметровая проволока медленно и непрерывно удлиняется примерно на 3 мм.

Третий этап. Последний этап обра-, ботки состоит из 12 циклов по 12 рбо- 5 ротов против часовой стрелки и 12 оборотов по часовой стрелке без дальнейшего вытягивания, но с.поддержанием натяжения проволоки, . в результате чего сохраняется полученное на втором этапе удлинение.

Затемпроволоку режут на отрезки длиною, например, 1-3 см.

В обоих схе.мах результирующее касательное напряжение в одном цй5 клическом направлениизначительно

превышает результирующее касательное напряжение, прилагаемое в другом циклическом направлении, В частности, первая операция каждой из схем обработки обеспечивает этот, результат.

Сплав, используемый при обеих схемах технологического процесса деформационного упрочнения проволоки одинаков. Его снанала отжигают с целью получения однородного исходного материала и обеспечен 1Я достаточной вязкости для проведения процесса деформационного упрочнения. Проволоку предпочтительно сначала отжигают о получе1ни:я зернистой/г структуры, имекядей 10 000 (или больше) зерен .на 1 мм . Эта мелкозернистая структура обес печивает получение требуемой вязкости.

Было установлено, что для обеих схем технологического процесса обработки проволоки важен и четвертый этап. Этим четвертым этапом явля-, ется этап термической обработки. На ранних стадиях проведения экспериментов термическую обработку проводили примерно при в течение примерно 8 ч,Однако достаточно проводить этап термической обработки в течение 4 ч примерно при , что выгодно благодаря ускорению процесса обработки проволоки. Предпочтительно выполнять термическую обработку, пропуская через эту проволоку диаметром 0,25 мм ток в 5,6 А в течение 120 мс. Термическая обработка дает заметное улучшение выхолного сигнала,,но .более важным является то, что она уменьшает опасность изменения характеристик проволоки во время ее использования при возействии на нее высокотемпературной окружающей среды. Этот четвертый этап термической обработки после деформационного упрочнения обеспечивает старение проволоки, которое в свою очередь обеспечивает стабильность при использовании ее.

Техника проведения испытаний проволоки и результаты испытаний.

На фиг. 2 схематически показано устройство для испытаний, используемое для определения выходных импульсов, которые могут быть получены при использовании кобальто железованадиевой проволоки по изобретению, и сравнения их с выходными импульсг1ми, получаемыми от желеэоникелевой проволоки, к трансформатору 9 подводят от линии с частотой 60 Гц входной сигнал, обеспечивающий подачу переменного сигнала к соленоиду 10, Внутри соленоида 10 в центре его размещен отрезок проволоки 1,вокруг которого намотана воспринимающая катушка 11, Проходящий через обмотку соленоида 10 ток создает в центре соленоида осевое магнитное поле.

Наиболее резко выраженные выход/ные импульсы от кобальтожелезова надиевой проволоки получаются, когда проволока перемагничивается асим- метрично. Действующее на проволоку 1 (фиг, 2) возбуждающее поле Н показано на фиг. 3 кривой 12, Диод 13

10 пропускает полный положительный полупериод переменного сигнала частотою 60 Гц, а сопротивление ветви 14 отрегулировано так, что пропус- кает намного меньший отрицательный

5 полупериод, так что действующее на проволоку 1 возбуждающее поле имеет положительный пик 150 Э, а 6 рицательный пик только около 20 Э. Сопротивление ветви 15 являе.тся

0 просто сопротивлением, ограничивающим ток.

Петля гистерезиса для проволоки 1 по изобретению, возбужденной описанным образом, показана кривой

5 16 на фиг. 3 (показана та форма, которую видно было бы нд осциллографе) , Разрывы кривой 16 видны на осциллографе лишь как слабосветящий-, ся след, потому что скорость изменения магнитного потока .(или намагниченности) через сердцевинную часть 2, когда напряженность внешнего Н проходит через соответствующую пороговую величину, очень велика.,

Больший разрыв кривой 16 наблюдается, когда внешнее продольное магнитное поле Н пёремагничивает . продольно намагниченную сердцевинную часть из обратного состояния (фиг. 1) в состояние совпадения,

0 Малый разрыв наблюдается при переходе из состояния совпадения в обратное посредством перемагничивания внешним полем сердцевинной части совпадения. Импульс 17 (фиг.з)

5 индуцированный в катушке 11 при перемагничивании. из обратного состояния в состояние совпадения, намного больше, чем импульс 18, индуцированный при перемагничивании из i

-0 состояния совпадения в обратное.

Например, при использовании от- ; резка проволоки 1 длиною 3 см и воспринимакяцей катушки 11 с 925 витками проволоки и подаче выходного сигнала от катушки 11 в нагрузке

1000 Ом импульс 17 составляет более IfS В и имеет длительность примерно 20 МКС при половинной амплитуде. А импульс 18 имеет сравниваемые значения 125 мВ и по меньшей мере

60 МКС. Таким образом, при этих условиях .амплитуда импульса 17 в 12 раз больше амплитуды импульса 18, В незамкнутой цепи получается импульс

5 17 более 2В.. Когда устройство возбуждения создает отрицательное поле Н, равное 150 Э и положительное поле Н равное 160 Э, получаются два импульса 19, равных друг друг.у и противоположных по полярности (см, фиг. 4). Каждый из этих двух импульсов 19 имеет амплитуду около 550 мВ и длительность (ширину) около 40 МКС при половинной амплитуде.Таким образом, при симметричном перемагничивания два получаемых импу льса равныдруг другу и имеют значите но меньшую величину,чем импульс 17,п лучаемый при оптимальном асимметричн перемагничиванияии сердцевинной части. При использовании схемы, показанной на фиг, 2, за исключени ем элементов 13 и 14 на проволоку будет действовать синусоидальное возбуждающее поле (кривая 20), соз Дсшщее внешнее поле Н, напряженнос которого изменяется от +150 до -150 Э. Результатом является петля 21 гистерезиса. При максимальном положительном поле Н оболочковая часть 3 и сердцевинная часть 2 намагничиваются в положительном направлении, представленном- верхним правым углом пе ли 21 гистерезиса. Это можно считать положительным состоянием совпадения При уменьшении внешнего поля Н намагниченность будет умень шаться до тех пор, пока при относи тельно небольшом йтрицательном поле Н, составляющем примерно -12 Э. сердцевинная часть 2 не изменит I направление своей намагниченности с положительного на отрицательное, Таким образом, проволока 1 перемагничивается из срстояния совпаде ния в обратное. При этом в петле.2 гистерезиса образуется разрыв 21а, и в результате на воспринимающей катушке 11 появляется выходной импульс-примерно в 550 мВ и длител ностью 40 МКС. При дальнейшем увел чении поля Н в отрицательном непра лении достигается; точка, в которой направление намагниченности оболоЧ :ки изменяется на противоположное, результатом чего являются небольшой разрыв 21Й. в петле 21 гистерезиса и небольшой выходной импульс 22, Сердцевина и оболочка находятся теперь Б отрицательном состоянии совпадения, Поле Н достигает отрицательного пика, а затем уменьшается по величине. Когда поле Н становится положительным (около 12 Э), сердцевинная часть 2 изменяет направление намагниченности на положительное, что показано разрывом 21с t При этом вырабатывается другой выходной импульс 19, амплитуда которого 550 мВ и длительность 40 МКС, Происходит перемагничивание из отрицательного состояния совпадения в обратное состояние, Поле Н продолжает дальнейшее свое уйеличение в положительном направлении до того момента, при котором b бол очковая часть изменяет направление своей намагниченности/ результа-том чего являются небольшой выходной импульс 22 и возврат проволоки 1 в положительное состояние совпадения. Перемагничивание из обратного состояния в состояние совпадения дает большой выходной импульс, чем Перемагничивание из состояния совпадения в обратное, лотому что первое происходит с более высокой скоростью, чем последнее, В описанных вариантах для сердцевины необходимо изменять направление возбуждающего поляН на противоположное. Простое полное снятие возбуждающего поля Н не обеспечит перемагничивания сердцевин-, ной части 2. Указанная необходимо.сть в- изменении направления возбуждающего поля на противоположное для обеспечения перемагничивания сердцевины существует независимо от того, каков ТИП; перемагничивания: асимметричный.(фиг, 3) или симметричный (фиг. 4). В противоположность sTOMj в вариантах с железоникелевой проволокой последняя автоматически перемагни- .. из .состояния совпадения в обратное при снятии возбуждакмцего поля.

/f

k,H

+w

H

wH

44H

1. Магнитное устройство выполненное в виде однородной по химическому составу магнитной проволоки, имеющей оболочковую и сердцевинную части и обладающей возможностью намагничиваться во внешнем магнитном поле вдоль ее оси и находиться в состоянии совпадения, когда направления намагниченностей оболочковой и сердцевинной частей совпадают, и в .обратном состоянии - когда они противоположны, причем коэрцитивная сила оболочковой части больше коэрцитивной силы сердцевинной части, отлич ающе е с я тем, что, с целью увеличения чувствительности и улучшения характеристики сигнал/ шум, сердцевинная часть, выполнена так, что обладает коэрцитивной силой, достаточной для того, чтобы в отсутствии внешнего магнитного поля сохранялось состояние совпадения, причем относит,ельные магнитные свой ства сердцевинной и оболочковой частей выбраны так, что переключение устройства из обратного состояния в состояние совпадения посредством перемагничиванйя сердцевинной чзгсти происходит быстрее, чем наоборот. 2.Способ изготовления магнитного устройства, включающий операции тер« мообработки, циклического деформационного кручения находящейся под натяжением магнитной проволоки, о т(Л и чающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности магнитного устройства, деформационное кручение в одном направлении О производят в большей степени, чем it в другом направлении. 4 СХ)

fffffff ;г

rff

/

ff

rj

fffO фуг. I

/

;

,

.A

+w

+m

Hit

««

HH

«

Hff

«H

/7

V

Z%r. J

-K}fffff

44Ф

;J 04 104 8

s

/

fc

.

««

+Ш

. 4