Электронный научный журнал
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

К ВОПРОСУ РАЗРАБОТКИ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ВЫБОРУ РАЗМЕРОВ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ МАГНИТОСТРИКЦИОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Зупарова В.В. 1 Маркова И.В. 1 Воронцов А.А. 1
1 Пензенский государственный технологический университет
В данный момент магнитострикционные преобразователи линейных перемещений востребованы на рынке и серийно выпускаются как отечественными, так и зарубежными компаниями. Не смотря на их разнообразие, каналы магнитострикционных измерителей линейных перемещений условно состоят из следующих блоков: блока формирования входного сигнала, состоящего из генератора токовых импульсов и их усилителя до необходимой амплитуды; одного или нескольких волноводов (как правило, цилиндрической формы) и постоянных магнитов (наиболее часто используются сплошные и кольцевые постоянные магниты, а также в форме прямоугольного параллелепипеда); блока считывания продольных или крутильных механических колебаний и преобразования их в импульсы напряжения (как правило, индуктивный или пьезоэлемент); блока усиления выходных импульсов. Исследованиям размеров элементов на основании возможных расстояний между элементами в магнитострикционных преобразователях линейных перемещений на ультразвуковых волнах кручения и посвящена статья.
магнитострикционный преобразователь
преобразователь перемещений
магнитострикционный эффект
расстояния между элементами
размеры элементов конструкции
1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. Воронцов А.А. Анализ и математическое моделирование эффективно проводящего слоя в двухкоординатных магнитострикционных наклономерах / Ю.Н. Слесарев, А.А. Воронцов, Д.И. Маркин, Т.В. Дарченко // Информационные технологии. Радиоэлектроника. Телекоммуникации. – 2013. – № 3. – С. 311–315.
5. 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.

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.

Известно, что токовые импульсы, сформированные генератором блока формирования входного сигнала, поступают в среду волновода, где распространяясь, создают в соответствии с рис. 1, вокруг волновода магнитное поле напряженностью zp1.wmf. Проекция напряженности магнитного поля волновода Himp будет зависеть от его размеров и удаленности от его центра. Формулы расчета значения Himp 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 Himp определится согласно выражению [1]

Himp =i/(2•π•RB), (1)

где i – амплитуда токовых импульсов.

zupr1.tif

Рис. 1. Процессы, возникающие при трансляции токовых импульсов в среде волновода

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.

zpr1.wmf

zp2.wmf

zp3.wmf

zp4.wmf, (2)

где HMZ – проекция напряженности магнитного поля ПМ на ось 0Z; M – намагниченность магнита; aM , bM , hM – 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. HMZ и Himp ,происходит формирование результирующего магнитного поля напряженностью zp5.wmfRes (рис. 1), значение которого можно определить по принципу суперпозиций:

(HRes)2=(Himp)2+(HMZ)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 ≤ HRes ≤ HS (рис. 2а), где H1 и HS – напряженности магнитного поля на краях линейного участка кривой J=f(H), HS – напряженность технического насыщения.

Необходимо отметить, что кривая намагничивания материала волновода J=f(H), изображенная на рис. 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 HS необходимо выполнять в соответствии со статической петлей гистерезиса, изображенной на рис. 2б.

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

а б

zupr2.tiff

Рис. 2. Свойства материала волновода: а – характеристическая кривая намагничивания не находившегося в состоянии насыщения; б – статическая петля гистерезиса

Так как, согласно рис. 2б, рекомендуемое значение результирующей напряженности магнитного поля HRR в среде волновода должно быть в интервале HC ≤ HRR ≤ HS , то для разрабатываемых конструкций МПП рекомендуемое значение результирующей напряженности HRR предлагается рассчитывать по формуле:

HRR=(HС+BS / μμ0)/2, (4)

где HС – коэрцитивная сила материала волновода; HS =BS / μμ0 – напряженность насыщения материала волновода; BS – индукция насыщения; μ – магнитная проницаемость; μ0 – магнитная постоянная; HС, 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 HС, BS и μ.

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

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.


Библиографическая ссылка

Зупарова В.В., Маркова И.В., Воронцов А.А. К ВОПРОСУ РАЗРАБОТКИ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ВЫБОРУ РАЗМЕРОВ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ МАГНИТОСТРИКЦИОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ // Международный студенческий научный вестник. – 2018. – № 3-2. ;
URL: https://eduherald.ru/ru/article/view?id=18258 (дата обращения: 17.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074