X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Выбор размеров элементов конструкции необходимо осуществлять на основании размеров ее элементов. Наиболее габаритным элементом конструкции магнитострикционного преобразователя линейных перемещений является волновод. Он оказывает существенное влияние на длину устройства. Оценка ширины устройства возможна на основании разработанного авторами метода определения рекомендуемого расстояния от постоянного магнита до волновода. Для объяснения способа выбора одного из параметров, а именно ширины, рассмотрим метод расчета возможного и оптимального расстояния от волновода до постоянного магнита.

Рисунок 1 – Процессы, возникающие при трансляции токовых импульсов в среде волновода

Известно, что токовые импульсы, сформированные генератором блока формирования входного сигнала, поступают в среду волновода, где распространяясь, создают в соответствии с рисунком 1, вокруг волновода магнитное поле напряженностью . Проекция напряженности магнитного поля волновода H_imp будет зависеть от его размеров и удаленности от его центра. Формулы расчета значения H_imp являются известными из курса физики и могут быть позаимствованы из справочной литературы, например, из [1].

Так, на поверхности волновода и за его пределами, то есть на расстоянии, равном радиусу волновода RB, проекция напряженности магнитного поля, созданного токовыми импульсами H_imp определится согласно выражению [1]:

H_imp =i/(2∙π∙RB), (1)

где i–амплитуда токовых импульсов.

Магнитное поле, созданное токовыми импульсами взаимодействует с полем, созданным постоянным магнитом (ПМ). Как уже упоминалось ранее, в магнитострикционных преобразователях перемещений наиболее часто используют сплошные и кольцевые постоянные магниты, а также постоянные магниты формы прямоугольного параллелепипеда. Напряженность магнитных полей, созданных постоянными магнитами указанных форм, а также вывод формул расчета подробно изложен в [2]. Так, для постоянного магнита формы прямоугольного параллелепипеда напряженность магнитного поля в точке наблюдения определится согласно выражению[2].

Таким образом, имея на этапе разработки магнитострикционных преобразователей перемещений (МПП) информацию о свойствах и параметрах магнита, используя формулы, приведенные в [2] можно рассчитать напряженность в любой точке наблюдения, удаленной на расстояние R1 от центра ПМ.

, (2)

, где H_MZ – проекция напряженности магнитного поля ПМ на ось 0Z;M – намагниченность магнита; a_M, b_{M ,} h_M– длина, ширина и высота постоянного магнита соответственно; x,y,z – координаты точки наблюдения относительно центра ПМ.

В результате взаимодействия магнитных полей, созданных постоянным магнитом и токовым импульсом, т.е. H_MZи H_imp,происходит формирование результирующего магнитного поля напряженностью _Res(рисунок 1), значение которого можно определить по принципу суперпозиций:

(H_Res)²=(H_imp)²+(H_MZ)² (3)

Используя выражения (1)-(3) можно определить значение результирующей напряженности магнитного поля в любой точке наблюдения.

Одной из трудностей, возникающих при анализе измерительных каналов МПП, является выбор значения результирующей напряженности магнитного поля на поверхности волновода. Это значение согласно [3,4,5] должно выбираться в диапазоне H₁ ≤H_Res ≤ HS(рисунок 2а), где H₁ и HS - напряженности магнитного поля на краях линейного участка кривой J=f(H), HS - напряженность технического насыщения.

а) б)

Рисунок 2 – Свойства материала волновода: а) характеристическая кривая намагничивания не находившегося в состоянии насыщения и б) статическая петля гистерезиса

Необходимо отметить, что кривая намагничивания материала волноводаJ=f(H), изображенная на рисунке 2а, зависит от его предыстории и может использоваться для расчетов в случае, если волновод не находился в состоянии насыщения. В остальных случаях выбор значений напряженностей H₁ и HSнеобходимо выполнять в соответствии со статической петлей гистерезиса, изображенной на рисунке 2б.

Отсутствие справочных данных и способов расчета значений напряженностей магнитного поля H₁ и HS, а также отсутствие рекомендуемого значения результирующей напряженности магнитного поля H_RR, представляет проблему, с которой приходится сталкиваться при расчете значения результирующей напряженности магнитного поля и анализе измерительных каналов МПП в целом.

Так как, согласно рисунку 2б, рекомендуемое значение результирующей напряженности магнитного поля H_RRв среде волновода должно быть в интервале H_C≤H_RR ≤ HS, то для разрабатываемых конструкций МПП рекомендуемое значение результирующей напряженности H_RRпредлагается рассчитывать по формуле:

H_RR=(H_С+BS/ μμ₀)/2, (4)

где H_С – коэрцитивная сила материала волновода; HS =BS/ μμ₀ – напряженность насыщения материала волновода; BS - индукция насыщения; μ - магнитная проницаемость; μ₀ - магнитная постоянная; H_С, BS и μ - являются справочными величинами[5].

Таким образом, для расчета одного из параметров, а именно ширины магнитострикционного преобразователя необходимо выполнить следующие действия:

1. Задать параметры постоянных магнитов и волноводов;

2. Справочно определить значения величин H_С, BS и μ.

3. По формуле (3) рассчитать рекомендуемое значение результирующей напряженности магнитного поля H_RR.

4.По формулам (1), (2) и (3) рассчитать рекомендуемое значение расстояния от центра ПМ до центра волновода.

5. Рассчитать ширину и высоту корпуса.

Подобный расчет на этапе проектирования подобных устройств, позволяет более точно определить габариты корпуса разрабатываемого МПП и снизить затраты на изготовление как прототипа МПП, так и их серийного выпуска.

Список литературы

Воронцов А.А. Математическое моделирование магнитных полей двухкоординатных магнитострикционных наклономеров, содержащих постоянный магнит в форме прямоугольного параллелепипеда / А.А. Воронцов, Ю.Н. Слесарев, Э.В. Карпухин // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2013. Т. 19. № 1. С. 25-29.

Воронцов А.А. Исследование оптимального значения результирующей напряженности магнитного поля в двухкоординатных магнитострикционных наклономерах с использованием сплошных постоянных магнитов / Ю.Н. Слесарев, А.А. Воронцов, В.А. Володин, Р.В. Шабнов // Информационные технологии. Радиоэлектроника. Телекоммуникации. 2013. № 3. С. 299-305.

Воронцов А.А. Анализ распределения и моделирование магнитных полей двухкоординатных магнитострикционных наклономеров / Ю.Н. Слесарев, А.А. Воронцов, Т.В. Дарченко, В.А. Володин // Информационные технологии. Радиоэлектроника. Телекоммуникации. 2013. № 3. С. 306-310.

Воронцов А.А. Анализ и математическое моделирование эффективно проводящего слоя в двухкоординатных магнитострикционных наклономерах / Слесарев Ю.Н., Воронцов А.А., Маркин Д.И., Дарченко Т.В. // Информационные технологии. Радиоэлектроника. Телекоммуникации. 2013. № 3. С. 311-315.

Воронцов А.А. Исследование оптимального значения результирующей напряженности магнитного поля в двухкоординатных магнитострикционных наклономерах с использованием кольцевых постоянных магнитов / Ю.Н. Слесарев, А.А. Воронцов, Р.В. Шабнов, И.В. Шувалова // Информационные технологии. Радиоэлектроника. Телекоммуникации. 2013. № 3. С. 316-322.

Код для цитирования: Скопировать