Расчет намагничивающего устройства для магнитопорошкового метода неразрушающего контроля

Первым вкладом Стерджена в науку стала разработка им модифицированной модели вращающихся цилиндров Ампера. 23 мая 1825 г. представил Обществу искусств несколько усовершенствованных приборов для электромагнитных экспериментов, среди которых был ставший теперь знаменитым первый электромагнит.

Идея цилиндрического и подковообразного магнитов захватила его еще в 1823 г. Тогда Стерджен и построил вращающееся «колесо Стерджена» – фактически одну из первых модификаций электромотора.

Первый в мире электромагнит представлял собой согнутый в подкову лакированный железный стержень длиной 30 см и диаметром 1,3 см, покрытый сверху одним слоем изолированной медной проволоки. Электроэнергией он снабжался от гальванической батареи. Электромагнит удерживал на весу 3600 г. и значительно превосходил по силе природные магниты такой же массы. Это было блестящее по тем временам достижение.

Джоуль, экспериментируя с самым первым магнитом Стерджена, сумел довести его подъемную силу до 20 кг. Это было в том же 1825 г.

В 1828 г. лондонский часовой мастер Воткинс изготовил электромагнит, который поднимал 30 кг.

В 1832 г. Стерджен изготовил магнит, поднимавший 160 кг, но уже в том же году Марш создал магнит, способный поднять более 200 кг. Однако Стерджен не собирался терять первенства. По его заказу в 1840 г. был выполнен электромагнит, способный поднять уже 550 кг!

К тому времени у Стерджена нашелся очень сильный соперник за океаном. В апреле 1831 г. Джозеф Генри (его именем названа единица индуктивности) построил электромагнит массой около 300 кг, поднимавший около 1 т.

Все эти магниты по конструкции представляли собой подковообразные стержни, обмотанные проволокой. Джоуль в ноябре 1840 г. создал магнит собственной конструкции, в виде толстой стальной трубы, разрезанной вдоль оси. Сечение этого магнита было очень большим, магнит оказался компактным и поднимал 1,3 т.

В то же время Джоуль построил магнит совершенно новой конструкции – притягиваемый груз испытывал действие не двух полюсов, как обычно, а значительно большего количества, что позволило резко увеличить поднимаемый груз. Магнит массой 5,5 кг удерживал груз массой 1,2 т.

Первые магниты были сделаны «как бог на душу положит». Однако не любая форма давала хороший результат. Случайно получилось так, что Стерджен для своего первого магнита выбрал очень удачную – подковообразную – форму.

Отсутствие опыта и элементарной методики расчета магнитов привело к тому, что некоторые разновидности магнитов, предложенные в то время, были бы, на наш взгляд, просто абсурдными. Так, трехлапый магнит не мог бы успешно работать, так как магнитные потоки каждого стержня противодействовали бы друг другу – поток одного стержня замыкали на втором стержне, где он действовал навстречу потоку этого стержня.

Негодной, на современный взгляд, оказывается и очень часто использовавшаяся конструкция, один магнит в которой составлен из трех более мелких и намотанных отдельно. Ясно, что в промежутках между этими маленькими магнитами магнитные поля двух соседних стержней взаимно уничтожаются.

Лабораторные магниты того периода изготовлялись «на глазок». Никакой теории, которая позволила бы заранее предсказать свойства магнитов, не существовало.

Первый вклад в теорию расчета электромагнитов внесли русские ученые Э.X. Ленц и Б.С. Якоби, указавшие на связь подъемной силы электромагнита и произведение силы тока в катушках на число витков обмотки.

После Ленца и Якоби крупный вклад в теорию расчета магнитов внесли англичане братья Гопкинсоны, которые предложили метод учета насыщения – явления, давно замеченного проектировщиками магнитов и заключающегося в том, что в магните заданной формы после некоторого предела увеличением тока в катушках нельзя повысить его подъемную силу.

Современная теория связывает это явление с тем, что при достижении некоторого намагничивающего тока элементарные магнитики (диполи) железа (ферромагнетика), ранее расположенные беспорядочно, в основном ориентированы в одном направлении и при дальнейшем усилении намагничивающего тока существенного увеличения числа магнитиков, ориентированных в одном направлении, не происходит.

Наступила новая эра усиления мощности магнитов, но не путем увеличения их размеров, а посредством совершенствования их формы и борьбы с насыщением.

2.2 Общие сведения об электромагнитах

Электромагнитом называется всякое железное, стальное или чугунное тело (сердечник), могущее быть временно намагниченным посредством пропускания электрического тока по проводнику (обмотка), окружающему это тело.

Вокруг всякого проводника, по которому проходит электрический ток, возникает магнитное поле, характер которого может быть описан указанием расположения и распределения магнитных силовых линий этого поля. Если проводник представляет тонкую проволоку значительной длины, то магнитные силовые линии созданного вокруг проволоки поля представляют вокруг каждой точки проволоки систему концентрических кругов, расположенных вокруг проволоки, как вокруг оси в соответствии с рисунком 2.1.

Рисунок 2.1 – Магнитные силовые линии электромагнита

Направление линий сил (направление поля; то направление, в котором двигался бы вокруг проволоки свободный северный магнитный полюс) зависит от направления тока в проволоке; направление линий сил в зависимости от направления тока определяется следующим правилом если мы будем глядеть вдоль тока так, чтобы ток уходил от нас, то линии сил будут направлены по направлению движения часовой стрелки.

Сила поля в данной точке его (число линий сил, пересекающих площадку в 1 квадратный сантиметр, расположенную в данной точке перпендикулярно к направлению линий сил) растет пропорционально силе тока, проходящего по проволоке; уменьшается по мере удаления от проволоки пропорционально расстоянию от проволоки (закон Био и Савара, 1820 г.) и может быть выражена через

 (2.1)

где H – сила поля в динах (или число линий на 1 см2);

J – сила тока в амперах;

А – расстояние проволоки в см.

Если проволока представляет не прямую, а какую-нибудь линию в плоскости или пространстве, то характер поля её вообще будет иной, зависящий от формы проволоки. Так, если проволока согнута в плоское кольцо, то расположение линий сил будет таково, какое показано в одной из диаметральных плоскостей кольца в соответствии с рисунком 2.2.

Рисунок 2.2 – Расположение линий сил для проволоки, согнутой в кольцо

Сила поля в какой-либо точке на оси кольца, радиусом в R см, отстоящей на а см от плоскости кольца, равна

 (2.2)

Если проволока навита спирально вокруг кругового цилиндра (соленоид), то поле внутри её состоит из пучка почти параллельных и равномерно густо расположенных линий сил, расходящихся по мере приближения к концу соленоида и охватывающих его со всех сторон; линии сил в одной из плоскостей сечения соленоида, проходящей через его ось располагаются в соответствии с рисунком 2.3.

Рисунок 2.3 – Линии сил в плоскости сечения, проходящей через ось соленоида

Чем ближе расположены друг к другу отдельные витки соленоида, чем большее число витков приходится на единицу длины соленоида и чем больше длина соленоида, тем более параллельны по направлению и равномерны по густоте распределения линии сил внутри соленоида, т.е. тем однороднее до силе и направлению будет магнитное поле внутри соленоида.

Если на таком соленоиде длины L см расположено N витков проволоки, по которым проходит ток силой в J ампер, то число линий сил на площадку в 1 квадратный сантиметр, расположенную перпендикулярно к линиям сил внутри соленоида, или сила поля внутри соленоида, может быть выражена формулой

 (2.3)

Если соленоид по меньшей мере в 6 раз длиннее диаметра составляющих его витков, то приведенная формула (2.3) дает с точностью до 1% силу поля той части внутри соленоида, которая отстоит по меньшей мере на 2 диаметра от концов соленоида.

Направление линий сил, пронизывающих соленоид, может быть определено по выше приведенному правилу для прямолинейного проводника, но еще проще по ниже следующему правилу: если мы будем глядеть на конец соленоида, и ток будет кружить по виткам его до направлению движения часовой стрелки, то линии сил внутри соленоида будут направлены от нас внутрь соленоида; если ток идет по виткам против направления часовой стрелки, то линии сил идут изнутри соленоида к нам. Количество линий сил, пронизывающих соленоид, или магнитный поток Ф, пронизывающий его, равняется:

 (2.4)

где H – сила поля внутри соленоида (число линий сил на 1 см2);

S – сечение соленоида в см2.

По характеру внешнего поля, создаваемого им, соленоид качественно и количественно совершенно подобен магниту в соответствии с рисунком 2.4, из которого выходит Ф линий сил, т.е. на полюсах которого находится Ф/4 π единиц количества магнетизма.

Рисунок 2.4 – Линии сил постоянного магнита

По аналогии с магнитом тот конец соленоида, из которого выходят линии сил, можно назвать северным полюсом соленоида, а тот конец, в который входят линии сил, – южным полюсом. И во внешних своих проявлениях соленоид, обегаемый током, совершенно подобен магниту: будучи подвешен, он устанавливается в магнитном меридиане; разноименные полюсы двух соленоидов притягиваются, одноименные отталкиваются; на железо, на магнитную стрелку соленоид действует как магнит.

Таким образом, соленоид является магнитом, которого магнитные свойства можно по желанию возбудить и уничтожить и внутреннее однородное поле которого нам доступно. Такой соленоид-магнит не может, однако, даже в исключительных условиях сравниться по силе даже с самыми обыкновенными стальными магнитами.

Действительно, если мы предположим даже, что на 1 см длины соленоида приходится, например, 20 оборотов (N/L = 20) и что J = 10 ампер, то H будет равно (2.3) всего только около 250, между тем как стальные магниты средней силы дают магнитный поток, соответствующий H, равному около 1000.

Магнитный поток, даваемый соленоидом, можно значительно увеличить, если заполнить пространство внутри его сильно магнитным веществом – железом, сталью, чугуном. Такой соленоид с железным стержнем (сердечником) внутри его представляет электромагнит в соответствии с рисунком 2.5; ему можно придать самые различные формы, из которых две основные – стержневой электромагнит и подковообразный электромагнит.

Рисунок 2.5 – Положение полюсов электромагнита

Положение полюсов у электромагнита определяется по тому же самому правилу, как и у соленоида: если глядеть на полюс, и ток течет вокруг него по направленно движения часовой стрелки в соответствии с рисунком 2.5, то это – полюс южный, если против движения часовой стрелки, то это – полюс северный. Магнитный поток, исходящей из электромагнита, может быть сделан чрезвычайно большим; в некоторых практически достигнутых случаях из 1 см2 плоскости полюса выходило до 40000 линий сил (или индукции).

Число, показывающее во сколько раз увеличился магнитный поток от заполнения соленоида железом, не есть величина постоянная при данном соленоиде, данной силе тока и данном сорте железа, а зависит в сильной мере от формы железного сердечника, близости его полюсов друг от друга и т.д.

Причины, влияющие на величину магнитного потока, исходящего из электромагнита, не поддавались анализу, и посему предвычисление электромагнита с данными свойствами было почти невозможно, пока Роулэнд, Бозанке и их последователи не ввели в рассмотрение этого вопроса нового понятия о «магнитной цепи»; к краткому изложению этого понятия и перейдем.

Магнитный поток Ф, возникающий внутри соленоида, Ф = НS, может быть, согласно формуле (2.3), написан в виде

 (2.5)

Магнитный поток состоит из линий сил, исходящих из одного полюса, замыкающихся через окружающее пространство и внутреннюю полость соленоида, в соответствии с рисунком 2.3, и образующих, таким образом, замкнутую магнитную цепь. Поток Ф тем больше, чем больше числитель формулы (2.5) 0,4π NJ; в этом числителе стоит произведение NJ (ампер-обороты), являющееся причиной возникновения магнитного потока; числитель 0,4π NJ называют поэтому магнитодвижущей силой цепи.

Поток Ф тем меньше, чем больше знаменатель L/S, который, подобно электрическому сопротивлению, пропорционален длине пути магнитного тока (внутри соленоида) и обратно пропорционален сечению этого пути; по аналогии выражение L/S – называют магнитным сопротивлением воздушного пути внутри соленоида.

Таким образом, устанавливается аналогия между законом Ома для электрической цепи и правилом (2.5) магнитной цепи: сила электрического тока (величина магнитного потока) прямо пропорциональна электродвижущей силе (магнитодвижущей силе) и обратно пропорциональна электрическому (магнитному) сопротивлению цепи.

Относительно выведенной этим путем аналогии необходимо сделать следующие оговорки:

а) эта аналогия чисто формальная, так как по природе своей явление тока не может быть уподоблено явлению магнитного потока;

б) в качестве сопротивления магнитной цепи соленоида нужно было бы поистине считать не только сопротивление воздушного столба внутри соленоида, но и сопротивление всего окружающего соленоид воздушного пространства, через которое замыкаются линии сил.

Но сопротивление этого пространства (внешнее сопротивление), в виду безграничной протяженности его, обыкновенно столь ничтожно в сравнении с сопротивлением (внутренним) воздушного столба внутри соленоида, что им можно пренебречь. Этим сопротивлением нельзя пренебречь, если внутреннее магнитное сопротивление само ничтожно мало (широкий, короткий соленоид), и это сказывается тем, что формула (2.4), как уже было упомянуто, к этому случаю не может быть применена; абсолютно точна она лишь для случая, когда и внутреннее сопротивление бесконечно велико по сравнению с внешним.

Возможен и другой случай, когда формула (2.5) будет совершенно точна: возьмем длинный тонкий соленоид и согнем его по кругу так, чтобы одна выходная плоскость его наложилась на другую; мы получим тогда расположенную по кольцу соленоидальную обмотку, внутри которой будут протекать все возникающие линии сил, не выходя наружу; в этом случае внешнего сопротивления вовсе нет и формула (2.5) вполне применима.

Из принятой нами аналогии вытекают затем следующие следствия:

а) проводя аналогию между магнитным сопротивлением (L/S) столба воздуха и электрическим сопротивлением R проводника

 (2.6)

где k – удельная проводимость вещества проводника,

Мы полагаем удельную магнитную проводимость воздуха равной единице. Магнитную удельную проводимость принято называть проницаемостью; проницаемость воздуха равна единице.

б) Для того, чтобы заставить пройти магнитный поток Ф путь сечением S кв. см и длиной в L см, необходимо число ампер-оборотов

 (2.7)

Т. е. на каждый сантиметр пути необходимо число ампер-оборотов

 (2.8)

Аналогично с этим необходима определенная разность потенциалов на каждый сантиметр длины проводника, чтобы возбудить в нем электрический ток определенной плотности (определенной силы на каждый квадратный сантиметр сечения).

Если мы заменим всю воздушную магнитную цепь соленоида веществом, у которого проницаемость μ больше, чем у воздуха, например, железом, то магнитное сопротивление уменьшится в μ раз, а поток Ф увеличится в μ раз. Для этого случая формула (2.5) примет вид

 (2.9)

Число линий сил, пронизывающих 1 квадратный сантиметр плоскости, перпендикулярной к линиям сил, тоже увеличится в μ раз и будет, направлена, внутрь соленоида не H, а

 (2.10)

величину B называют магнитной индукций. Если мы заполним железом только внутреннюю полость соленоида, то ввиду значительной проницаемости железа (доходит до μ = 3000) внутреннее магнитное сопротивление настолько уменьшится, что внешним воздушным сопротивлением нельзя будет пренебречь сравнительно с внутренним, и формула (2.9) сделается неприменимой.

Она останется применимой:

а) если, несмотря на введение железа, внутреннее сопротивление очень велико (соленоид очень длинный и тонкий)

б) если соленоид представляет сплошную замкнутую кольцевую обмотку.

Последний случай практически наиболее важный, и мы в дальнейшем только его и будем рассматривать. Опыт показывает, что формула (2.9) с достаточной для практики точностью применима и тогда, когда сплошной замкнутый железный сердечник не по всей длине обмотан проволокой в соответствии с рисунком 2.6; в этом случае не все линии сил потока проходят через железо, а часть замыкается и через воздух, но, ввиду огромной сравнительно с воздухом проницаемости железа, эта утечка магнитных линии сил столь ничтожна, что в практических расчетах ею часто можно пренебречь.

Рисунок 2.6 – Силовые линии сплошного замкнутого железного сердечника, не по всей длине обмотанного проволокой

Применяя к данному случаю формулу (2.9), мы убеждаемся, аналогично вышеизложенному, что необходимое число ампер-оборотов для того, чтобы заставить пройти индукцию В через 1 см пути с проницаемостью μ:

 (2.11)

Так, например, если бы мы желали достичь индукцию В = 12000 в электромагните в соответствии с рисунком 2.7 с железным путем в 30 см, и нам известно было бы, что при данной индукции проницаемость железа μ = 900, то, согласно (2.11), нам потребовалось бы для этого 0,8 (12 000/900) 30 = 320 ампер-оборотов, т.е. обмотку в 320 оборотов, до которой проходил бы ток в 1 ампер, или обмотку в 160 оборотов и ток в 2 ампера и т.д.

Слишком малое число оборотов нельзя взять, так как в этом случае обмотка будет занимать слишком малую часть сердечника, и утечка будет слишком велика.

Рисунок 2.7 – Разомкнутая магнитная цепь

Из теории магнитного поля, данной Максвеллом, следует, что две соприкасающиеся плоскости, сквозь которые проходит индукция B, притягивают друг друга с силой в

 (2.12)

где S – число квадратных сантиметров в плоскости соприкосновения.

Если в упомянутом выше электромагните в соответствии с рисунком 2.7 полная плоскость соприкосновения якоря с полюсными поверхностями электромагнита равняется 20 кв. см, то нужно было бы употребить силу в 12000 2 х 20/ 8π 981000 = около 120 кГ, чтобы оторвать якорь от электромагнита.

Приподнимем якорь над полюсными поверхностями электромагнита в соответствии с рисунком 2.8.

Рисунок 2.8 – Якорь, поднятый над полюсными поверхностями электромагнита

Вследствие этого:

а) увеличится магнитное сопротивление цепи, так как к первоначальному сопротивлению прибавится еще сопротивление двух воздушных слоев ab;

б) уменьшится соответственно увеличению сопротивления поток

 (2.13)

где 2l – удвоенная высота воздушного слоя;

в) увеличится утечка линий сил.

Если l очень невелико, то мы можем предположить, что ширина пути, занимаемого потоком в воздушных слоях, равна толщине железа электромагнита, и что утечка столь незначительна, что ею еще можно пренебречь на практике, и на этих основаниях пользоваться формулой (2.13). Она дает

NJ = (ФL/ Sμ + 2 Фl/ S) 0,8 = 0,8 В (L/ μ + 2l),

т.е. для достижения того же В мы к выше полученному числу ампер-оборотов должны прибавить еще число ампер-оборотов, необходимое для того, чтобы заставить пройти индукцию В через слой воздуха 2l.

Если мы опять пожелали бы получить В = 12000, а l было бы равным только 1 мм, то нам потребовалось бы, благодаря огромному сопротивлению, введенному двумя тонкими воздушными слоями, уже не 360, а 2280 ампер-оборотов!

Если бы мы удалили якорь на значительное расстояние в соответствии с рисунком 2.9, то утечка очень сильно возросла бы, поток сильно ослабел бы и, вследствие неопределенности величины утечки и сопротивления воздушных частей пути линий сил, всякий расчет сделался бы невозможным.

Отсюда видно, что расчет электромагнита на основании принципа магнитной цепи возможен лишь тогда, когда электромагнит с его якорем представляет почти замкнутую магнитную цепь, и результат применения правила магнитной цепи становится тем более сомнительным, чем больше сопротивление воздушных слоев сравнительно с сопротивлением железного пути.

Рисунок 2.9 – Отведение якоря на значительное расстояние

В наиболее важных на практике случаях (электромагниты у динамо-машин и двигателей, электромагниты в телеграфных приборах, часах и т.д.) мы имеем дело с почти замкнутыми магнитными цепями, и применением правила магнитной цепи возможно. Но и в этих случаях, если мы желаем достичь некоторой точности расчета, приходится на основании опытов или вычислений приблизительно определять, какой процент возникающих в соленоиде линий сил утекает, и принимать эти данные в соображение при расчете. Лишь в случае электромагнита, держащего приложенный к нему якорь в соответствии с рисунком 2.7, расчет по приведенному выше образцу дает достаточную для технических целей точность.

Пользуясь правилом магнитной цепи, необходимо иметь ввиду, что проницаемости сильно магнитных веществ не есть величина постоянная, но в сильной мере зависит от силы магнитного поля, в которое помещены эти вещества.

Поэтому применение закона магнитной цепи возможно лишь в том случае, если зависимость проницаемости от силы поля известна для всех веществ (железо, сталь, чугун), входящих в конструкцию данного электромагнита. Данные для различных веществ располагаются обыкновенно в таблицах или кривых, в которых дается зависимость между силой поля H и индукцией.

В этих же таблицах для облегчения расчета дается обыкновенно и число ампер-оборотов на 1 см пути данного материала при данной индукции. В качестве примера ниже приведены некоторые данные для лучшего мягкого железа, литой стали и чугуна.

Таблица 2.1 – Параметры для веществ

Железо мягкое

Сталь литая

Страницы: 1, 2, 3