Калібрувальна магнітна система з двох співвісно розташованих кільцевих постійних магнітів із зоною

Калібрувальна магнітна система з двох співвісно розташованих кільцевих постійних магнітів із зоною однорідності в центрі

У ряді випадків (наприклад, калібрування датчиків магнітної індукції) потрібні системи, що створюють однорідне магнітне поле в деякій протяжній зоні (зоні однорідності), наприклад, електромагніт [7, 1 4 ] або кільця Гельмгольца [1 2 ]. Проте їм необхідний джерело струму заданої величини і, можливо, прилад вимірювання індукції магнітного поля [ 10 ], що завжди зручно. Використання постійних магнітів дозволяє створювати калібрувальні системи, що не вимагають джерела живлення, причому величина магнітного поля цих систем може залишатися стабільною протягом багатьох років [9]. Відомо розподіл датчиків магнітної індукції у напрямку силових ліній вимірюваного поля щодо осі щупа, в який вмонтований датчик: С-і М-типу (розташування силових ліній вимірюваного поля вздовж і впоперек осі щупа, відповідно). Бажано мати магнітну систему, яка дозволяла б мати доступ до зони однорідності для обох типів датчиків (кільця Гельмгольця на цю вимогу задовольняють).

Один із пробних варіантів магнітної системи, що задовольняє наведеним вище вимогам, зібраний за осесиметричною схемою [5] (рис. 1 і 2). Система складається з двох однакових кільцевих постійних магнітів з фериту барію марки 28БА190 [8] типорозміру К60 х 24 х 9 (зовнішній діаметр 60 мм, внутрішній - 24 мм, висота 9 мм), розташованих співвісно на відстані 8 мм один від одного. Напрямок намагніченості аксіальний (показаний малюнку стрілками), однаковий обох магнітів. Між магнітними кільцями вміщено три немагнітні прокладки товщиною 8 мм (немагнітні гайки М10). Кільця склеєні із прокладками епоксидної смолою.У центрі системи є зона однорідного магнітного поля, до якої існує доступ вздовж осі системи (через отвори в магнітах), так і в перпендикулярному напрямку (через зазор між магнітами). Напрямок вектора магнітної індукції в цій зоні протилежний напрямку намагніченості постійних магнітів.

Мал. 1. Креслення магнітної системи у розрізі.

Мал. 2. Зовнішній вигляд пробного варіанта магнітної системи.

Методом кінцевих елементів [11] було здійснено розрахунок розподілу магнітного поля у системі. Результати подано на рис. 3.

Мал. 3. Розподіл силових ліній магнітного поля та щільності магнітного потоку в магнітній системі.

Розрахунки та синтез магнітної системи проводилися за допомогою програми A_Magnet [1] та методом кінцевих елементів [11]. Програма A_Magnet дозволяє розраховувати індукцію магнітного поля постійного кільцевого магніту методом еквівалентного соленоїда. Магнітне поле системи кільцевих магнітів відповідно до принципу суперпозиції [6] дорівнює векторній сумі магнітних полів, створюваних кожним магнітом окремо. Для зменшення трудомісткості розрахунків можна використовувати програму AM_System [2] , яка дозволяє відразу розраховувати індукцію магнітного поля системи, що розглядається, з двох кільцевих постійних магнітів у довільній точці простору. Результати розрахунків аксіальної складової магнітної індукції за допомогою програми A_Magnet та методом кінцевих елементів наведено на рис. 4 і 5. При розрахунках значення залишкової індукції фериту барію марки 28БА190 прийнято рівним 0.39 Тл, коерцитивної сили намагніченості - 190 кА/м [9] .

Мал. 4. Аксіальна складова магнітної індукції вздовж осі симетрії системи та вздовж осі,розташованої з відривом 2 мм від осі симетрії. Розрахунки за допомогою програми A_Magnet [1].

Мал. 5. Аксіальна складова магнітної індукції вздовж осі симетрії системи та вздовж осі, розташованої на відстані 2 мм від осі симетрії. Розрахунки методом кінцевих елементів [10].

З графіків рис. 4 і 5 видно, що в центрі системи повинна існувати зона однорідного магнітного поля (у вигляді циліндра діаметром 4 мм і 4 мм заввишки), в якій величина неоднорідності не перевищує 6 %. Якщо розглядати зону менших розмірів, то величина неоднорідності також зменшиться.

Вимірювання індукції магнітного поля реальної системи проводилися за допомогою тесламетра [3] з щупами С- та М-типу на основі датчиків Холла. Результати вимірювань, що загалом підтверджують дані розрахунків, представлені на рис. 6. Причому величина неоднорідності магнітного поля у зоні діаметром 4 мм заввишки 4 мм, розташованої у центрі системи, реально вбирається у 2 %.

Мал. 6. Аксіальна складова магнітної індукції вздовж осі симетрії системи та вздовж осі, розташованої на відстані 2 мм від осі симетрії. Результати вимірів за допомогою тесламетра [3].

Отже, магнітна система вищенаведеної конструкції має в центрі зону однорідного магнітного поля з двокоординатним доступом і може в деяких випадках, наприклад, при перевірці та калібруванні тесламетрів з датчиками Холла [9] замінювати кільця Гельмгольца [12] . Причому для створення такого ж за величиною поля в системі котушок Гельмгольця потрібний досить великий струм, при якому час роботи системи обмежений. Змінюючи марку і типорозмір постійних магнітів [8] , можна будувати аналогічні калібрувальні системи з різними розмірами зони однорідності та величиною індукції магнітного поля в ційзоні. Розрахунок таких систем може бути з добрим ступенем точності виконаний за допомогою програми A_Magnet [1] або AM_System [2] . На рис. 7 показаний робочий варіант калібрувальної магнітної системи, розрахованої за допомогою вищезгаданих програм.

Мал. 7. Зовнішній вигляд робочого варіанту калібрувальної магнітної системи з двох співвісних кільцевих постійних ферит-барієвих магнітів типорозміру К60 х 24 х 9. Діаметр прохідного отвору 21 мм, зазор між магнітами 5 мм. Магнітна індукція в центрі для різних калібрувальних систем 60 мТл.

Для намагнічування кільцевих постійних магнітів з фериту барію до насичення використовувався малогабаритний електромагніт [7, 14] з блоком живлення [4], а також установки імпульсного намагнічування [1, 3].

Посилання:

Датчик Холла (перетворювач Холла) - пристрій для отримання електричного сигналу, що залежить від магнітної індукції, принцип роботи якого заснований на ефекті Холла.
Кільця Гельмгольца- система двох однакових кільцевих витків зі струмом, розташованих співвісно з відривом радіуса витка друг від друга і з'єднаних між собою послідовно. У центрі системи є зона однорідного магнітного поля.
Магнітна індукція - вектор, чисельно рівний межі відношення сили, що діє з боку магнітного поля на елемент провідника з електричним струмом, до твору струму та довжини елемента провідника, якщо довжина цього елемента прагне до нуля, а елемент так розташований поле, що ця межа має найбільше значення, і спрямований перпендикулярно до напрямку елемента провідника та до напрямку сили, що діє на цей елемент з боку магнітного поля, причому з його кінця обертання по найкоротшій відстані віднапрями сили до напрямку струму в елементі провідника повинно бути видно, що відбувається проти годинникової стрілки.
Магнітний потік - потік магнітної індукції крізь задану поверхню.
Намагніченість - магнітний момент одиниці об'єму.
Намагнічування - вплив на зразок магнітним полем, внаслідок якого у зразка з'являється відмінна від нуля залишкова намагніченість.
Однорідне магнітне поле - магнітне поле, у кожному точці якого вектор магнітної індукції має одні й самі напрям і величину.
Постійний магніт - об'єкт, що створює магнітне поле за рахунок власних внутрішніх елементарних електричних струмів, що поточні без використання зовнішнього джерела енергії в складовому об'єкт матеріалі.
Принцип суперпозиції магнітних полів - магнітне поле, створюване кількома зарядами або струмами, що рухаються, дорівнює векторній сумі магнітних полів, створюваних кожним зарядом або струмом окремо.
Ферит барію - магнітотвердий матеріал на основі оксидів заліза та барію складу BaO·6Fe2O3. У позначенні марки (наприклад, 19БА190) перше число (19) позначає енергетичний твір (кА·Тл/м), перша літера - склад фериту (Б - барієвий), друга літера - властивості (А - анізотропний, І - ізотропний), друге число (190) - коерцитивну силу намагніченості (в кА/м).
Електромагніт - пристрій, що містить котушку індуктивності та магнітний контур (ланцюг).