профессора Нестерина Валерия Алексеевича, посвящается

Намагничивание, размагничивание и калибровка постоянных магнитов в импульсном магнитном поле

Гусев С.А., Приказщиков А.В., Ткачишин Э.В.

Многочисленные виды технических устройств (электрические аппараты, электродвигатели, генераторы, магнитные муфты, магнитные сепараторы и др.) используют в своей конструкции постоянные магниты (ПМ) различных марок, размеров, конфигурации, количества магнитных полюсов и другие характеристики. Широкое применение ПМ потребовало решения технологических задач по их магнитной обработке: намагничивание, размагничивание и калибровка. Калибровку ПМ можно рассматривать как частный случай процесса размагничивания, производимого для получения заданного значения магнитных параметров для группы ПМ. Одним из основных методов решения этих задач служит применение импульсного оборудования, основанного на разряде электрической энергии, накопленной в конденсаторных батареях (емкостной накопитель энергии - ЕНЭ) в сочетании с намагничивающем приспособлением, в рабочей зоне которого создается необходимое магнитное поле. В качестве намагничивающих приспособлений служат соленоиды и индукторы, обеспечивающие формирование магнитного поля требуемого направления и конфигурации.

При разработке импульсного оборудования, наиболее подходящего по параметрам для решения конкретных задач по магнитной обработке ПМ, следует учитывать ряд факторов:

- марка материала ПМ;

- магнитная обработка единичного ПМ в разомкнутой или замкнутой цепи;

- магнитная обработка ПМ до или после монтажа в изделии;

- вид и размеры единичного ПМ или сборочной единицы изделия с магнитом (системой магнитов) в ее составе;

- схема магнитной обработки ПМ: осевая или радиальная, однополюсная или многополюсная, при многополюсной схеме наличие или отсутствие нейтральной области между соседними полюсами, т.п.;

- количество итераций магнитной обработки ПМ в единицу времени (производительность установки).

Намагничивание.

Намагничивание – это процесс, в результате которого под воздействием внешнего магнитного поля возрастает намагниченность магнитного материала.

Чтобы достичь максимальной выходной энергии магнита, он должен быть насыщенным, то есть намагничен полностью, хотя магнит впоследствии может быть стабилизирован термически или частично размагничен обратным полем. Для определения полной намагниченности магнита используется понятие намагниченности технического насыщения, это намагниченность магнитного материала, подвергнутого воздействию такого внешнего магнитного поля, при увеличении напряженности которого намагниченность не может быть существенно повышена.

Напряженность магнитного поля, необходимая для насыщения магнита зависит от коэрцитивной силы магнитного материала и в меньшей степени от характеристики компонентов, к которым он может быть прикреплен во время намагничивания (например, при намагничивании ПМ в составе магнитной цепи). Общее правило состоит в том, что для насыщения магнита необходимо применять поле в 2‑2,5раза больше коэрцитивной силы ПМ. В таблице 1 представлены основные характеристики распространённых постоянных магнитов.

Таблица 1. Типичные свойства некоторых распространенных постоянных магнитов.

Например, при коэрцитивной силе ПМ по намагниченности равной , значение напряженности магнитного поля (пиковое значение), необходимое для намагничивания ПМ до насыщения, составит величину не менее 4800кА/м. Типичный характер изменения остаточной индукции B_r постоянного магнита, выраженной в процентах, от изменения величины намагничивающего поля представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 - Характеристика изменения B_r, % от пикового значения намагничивающего поляH_намаг.

Кроме того, изотропные материалы достигают 98% максимального значения при более высокой требуемой величине поля, в 2,5–3 раза превышающей . Это связано с намагничиванием доменов, для выравнивания которых необходимо приложить поле, равное приложенному пиковому полю, умноженному на косинус угла между направлением приложенного поля и направлением выравниваемого домена. Например, при поле 2785кА/м достигается 97% от полной намагниченности для большинства изотропно связанных магнитов, но для достижения 99% насыщения требуется поле в 5170кА/м.

В случае магнитов, прикрепленных к электропроводящей арматуре, в материале арматуры во время намагничивающего импульса генерируются вихревые токи. Эти токи создают обратное магнитное поле, что может препятствовать тому, чтобы намагничивающий поток полностью проникал в проводящий материал, возможно, даже магнит, в течение короткого импульса, и это уменьшает намагничивающее магнит поле. Иногда это влияет на направление магнитного потока в магните и окружающем материале. В этих случаях при изготовлении оборудования необходимо отрегулировать параметры RLC цепи намагничивания, чтобы увеличить ширину импульса намагничивания, модифицировать намагничивающее приспособление. Большой по амплитуде и расширенный пиковый импульс генерируют больше тепла в намагничивающем приспособлении, что снижает производительность намагничивающего оборудования и требует применение принудительного охлаждения или других мер. Длительность импульса, достаточная для намагничивания постоянных магнитов в большинстве приложений, находится в диапазоне от 100мкс до 10мс. Таким образом, проектирование оборудования часто являться компромиссным решением для получения оптимальных режимов намагничивания ПМ и технических параметров установки.

Размагничивание.

Полное размагничивание ПМ может потребоваться при сборке их в изделии, когда это необходимо по требованию технологии сборки, определенных конструктивных особенностей изделия (при наладке, регулировке и т.п.) или при измерении гистерезисных характеристик ПМ с «нулевого» состояния.

Существует ряд способов получения полного размагничивания ПМ:

- термический способ, т.е. нагрев магнитов до температуры Кюри T_С (°С). Для магнитов различных марок значение этой температуры различно. В таблице 2 приведены значения этих температур.

Таблица 2 Температура Кюри для ряда ПМ

Данный метод в отношении РЗМ-кобальтовых ПМ имеет существенные недостатки, связанные с частичной необратимой потерей магнитных свойств материала вследствие возможных изменений в его структуре, а также из-за интенсивного окисления поверхности.

- способ размагничивания ПМ в знакопеременном затухающем магнитном поле. Для высококоэрцитивных магнитов этот способ требует достаточно мощную установку, обеспечивающую возможность получение затухающих знакопеременных импульсов поля значительной величины в начале колебательного процесса. Направление размагничивающего затухающего переменного поля направлено встречно и согласно направлению намагниченности ПМ. Для получения более качественного размагничивания ПМ на магнит воздействуют основным полем, направление которого противоположно направлению остаточной намагниченности магнита, и дополнительным полем заданной амплитуды, затем отключают дополнительное поле, изменяют направление основного поля на противоположное и воздействуют дополнительным полем с меньшей амплитудой, этот процесс повторяется до уменьшения амплитуды дополнительного поля до нуля, затем воздействуют только основным полем, уменьшая амплитуду поля до нуля с периодическим изменением его направления.

- комбинированный способ размагничивания ПМ заключается в одновременном воздействии на ПМ нагрева и знакопеременного затухающего магнитного поля. В основе комбинированного способа размагничивания лежит явление обратимого уменьшения коэрцитивной силы ПМ с увеличением температуры нагрева. Нагрев ПМ производится до температуры не превышающей значения 0,6T_С. Таким образом размагничивание ПМ достигается при относительно невысокой температуре и небольшой начальной амплитуде затухающего знакопеременного магнитного поля, величины которых могут быть определены для конкретных ПМ.

Калибровка.

Постоянные магниты, поставляемые одним производителем в составе одной поставочной партии или различных поставочных партиях за период времени, либо в составе партий разных производителей ПМ, должны работать одинаково в составе комплектуемого изделия. Для этого необходимо соответствие определенному допустимому диапазону отклонения (разбросу) их магнитных характеристик. Согласно данным для конкретной марки ПМ общепринятые диапазоны параметров ПМ варьируются в пределах от ±3% до ±5% для B_r и от ±7% до ±10% для H_см. В том случае, когда применение ПМ в составе тех или иных изделий требует более жестких допусков магнитных характеристик, необходимо выполнить селективную сортировку магнитов по величине параметров, либо произвести регулирующее воздействие (калибровку) на магниты приводящее к изменению параметров, соответствующих определенному значению. Материалы высококоэрцитивных магнитов довольно дорогие и процесс регулировки параметров чаще всего более приемлем, чем селективный отбор, использование которого возможно при необходимости применения в изделии магнитов с предельными (максимальными) значениями характеристик. Калибровка может уменьшить диапазон отклонений до значений ± 1,2% и ниже, хотя на практике более применим диапазон ± 1,5%.

Магнитная калибровка ПМ достигается путем последовательного приложения размагничивающего поля к магниту, значение которого каждый раз увеличивается, а параметры магнита контролируются, Процесс продолжается до достижения магнитом параметров требуемого значения в пределах заданного допуска. Следовательно, регулируемые параметры магнита должны быть измерены после каждого применения обратного поля. Этот процесс может быть автоматизирован в соответствии с определенным алгоритмом и выполнен с применением программируемого логического контроллера (ПЛК) или компьютера в составе импульсной установки. Возможны калибровки ПМ в ручном режиме или с однократным применением обратного поля. При применении импульсного оборудования для калибровки ПМ обычно задается, например, точка исходного состояния B_нач и конечное значение индукции B_к. Переход из начального состояние в конечное должен осуществляется путем подачи серии импульсов размагничивающего поля, амплитуда которого увеличивается по определенному закону. Например, процесс калибровки ПМ может быть представлен зависимостью B=f(U_с) представленной на рисунке 2.

Рисунок 2 - Графическая интерпретация линейного алгоритма процесса калибровки ПМ

При этом формирование импульсов осуществляется по оптимальному закону, соответствующему принципу «равного наклона»:

U_сi = U_с(i-1) +tgφ₀·(B_i-1 – B_к),

где U_сi -напряжение заряда батареи в i-м цикле размагничивания;

U_с(i-1) - напряжение заряда батареи на (i-l) цикле размагничивания;

B_i-1 - индукция ПМ после воздействия (i-l) размагничивающего импульса;

B_нач и B_к – начальное и конечное значения индукции ПМ;

φ₀- угол наклона ступенчатой аппроксимации, выбираемый в зависимости от типа ПМ и требуемого уровня размагничивания.

Возможны и другие законы формирования алгоритма процесса калибровки ПМ в импульсных полях, которые обеспечивают приращение амплитуды импульса в каждом цикле не только в зависимости от уменьшения поля ПМ, но и от скорости сходимости процесса одностороннего приближения к точке заданной индукции. Выбор того или иного закона формирования импульсов зависит как от поставленных требований по точности и скорости процесса, так и от сложности реализации системы управления установкой.

При калибровке ПМ сигналом для обратной связи системы автоматического управления процессом являются изменяемые значения параметров магнита, находящегося в разомкнутой или замкнутой магнитной цепи. В практических применениях процесс размагничивания ПМ, находящегося в составе какого-либо изделия электротехники или механики, в основном используют термин «частичное размагничивание магнита». Сами процессы воздействия на магнит импульсным полем аналогичны, но для сигнала обратной связи при регулировке, могут использоваться различные выходные характеристики самих изделий, снимаемых как напрямую, так и с использованием различного рода датчиков. Это может быть индукция на поверхности магнита в контрольной точке или в воздушном зазоре магнитной системы, определяемая датчиком Холла, сигнал с тензодатчика пропорциональной подъемной силе или сжатия, эдс двигателя или генератора, сигнал с датчика момента магнитной муфты, сигнал напряжения срабатывания и отпускания реле т.п. для различных систем и конструкций с ПМ.

Заключение.

Технологические процессы намагничивания, размагничивания и калибровки постоянных магнитов в импульсном магнитном поле, применяемые при изготовлении различных изделий электротехники и механики, требует внимательного и профессионального подхода при проектировании импульсного намагничивающего оборудования, обеспечивающего высокие технические и эксплуатационные показатели.

Литература:

1. Нестерин В.А. Оборудование для импульсного намагничивания и контроля постоянных магнитов,-М.: Энергоатомиздат,1986. -88 с.: ил.

2. Постоянные магниты: Справочник/Альтман А. Б., Герберг А.Н., Гладышев П. А. и др; Под ред. Ю.М. Пятина. -2-е изд., перераб. и доп.-М.Энергия,1980. -488 с.,ил.

3. А.с.1453453 СССР, МПК H 01 F 13/00. Способ размагничивания постоянного магнита типа РЗМ-Со [Текст]/ Лукин А.А., Супонев Н.П., Левандовский В.В., Ляхова М.В. и Егоров С.М. (СССР).-3948685/24-07; заявлено 09.07.85: опубл. 07.02.88, Бюл. 5.

4. А.с.1141458 СССР, МПК H 01 F 13/00. Устройство для размагничивания постоянных магнитов до заданного уровня[Текст]/ Васильев В.В., Нестерин В.А., Окопник Е.Б., Кудрявцев А.И., , Мельников Ю.А., Бучиню Г.З.(СССР).- 3679212/24-07; заявлено 27.12.83: опубл. 23.02.85, Бюл.7.

5. А.с.1403109 СССР, МПК H 01 F 13/00. Способ получения заданного уровня размагничивания постоянных магнитов [Текст]/ Вебер В.Л., Нестерин В.А., Окопник Е.Б., Васильев В.В, Мельников Ю.А., Кудрявцев А.И. (СССР).- 3960044/24-07; заявлено 05.10.85: опубл. 15.06.88, Бюл.22.

6. А.с.1072116 СССР, МПК H 01 F 13/00. Способ получения заданного уровня размагничивания постоянных магнитов [Текст]/ Васильев В.В., Нестерин В.А., Окопник Е.Б., Кудрявцев А.И., Лемешко О.В., Мельников Ю.А.(СССР).- 3476332/24-07; заявлено 30.07.82: опубл. 15.04.88, Бюл.14.

7. А.с.1732381 СССР, МПК H 01 F 13/00. Способ размагничивания постоянного магнита типа РЗМ-Со [Текст]/ Лукин А.А., Пушкарь М.Б., ., Ляхова М.В., Егоров С.М. и Левандовский В.В. (СССР). -4176546/24-07; заявлено 07.01.87; опубл. 23.01.89, Бюл. 3.

8. Намагничивающее оборудование; http://kbea.ru;

9. Joseph J. Stupak Jr., Methods of Magnetizing Permanent Magnets, Oersted Technology Corp.,2000;

10. Marek Przybylski , Darrius Kaspersky , Barbara Slusarek and Sławomir Wiak ; Impulse Magnetization of Nd-Fe-B Sintered Magnets for Sensors

11. Introduction to Magnetizing and Measuring Equipment; Arnold Magnetic Technologies; TN 9807 rev.2016a.

12. GREGOR BAVENDIEK, FABIAN MULLER,JAMSHID SABIROV, KAY HAMEYER Magnetization dependent demagnetization characteristic of rare-earth permanent magnets, Institute of Electrical Machines (IEM), Aachen, Germany.

13. Kostadin MILANOV, Mihaela SLAVKOVA SURVEY OF REQUIREMENTS TO PERMANENT MAGNETS, Technical University of Sofia, Bulgaria, semanticscholar.org .

14. ГОСТ 19693-74 Материалы магнитные. Термины и определения.