RU2338216C1 - Device for magnetic viscosity measurement in ferromagnets - Google Patents
Device for magnetic viscosity measurement in ferromagnets Download PDFInfo
- Publication number
- RU2338216C1 RU2338216C1 RU2007112212/28A RU2007112212A RU2338216C1 RU 2338216 C1 RU2338216 C1 RU 2338216C1 RU 2007112212/28 A RU2007112212/28 A RU 2007112212/28A RU 2007112212 A RU2007112212 A RU 2007112212A RU 2338216 C1 RU2338216 C1 RU 2338216C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetic
- disks
- gap
- frequency
- rotation
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области физики магнетизма и может быть использовано для измерения постоянной магнитной вязкости ферромагнитных материалов.The invention relates to the field of physics of magnetism and can be used to measure the constant magnetic viscosity of ferromagnetic materials.
Одним из важных свойств ферромагнитных материалов является их так называемая магнитная вязкость, магнитное последействие - отставание по времени намагниченности ферромагнетика от изменения напряженности магнитного поля. В наиболее простых случаях изменение намагниченности ΔJ(t) в зависимости от времени t описывается формулойOne of the important properties of ferromagnetic materials is their so-called magnetic viscosity, the magnetic aftereffect is the time lag of the magnetization of a ferromagnet from a change in the magnetic field strength. In the simplest cases, the change in the magnetization ΔJ (t) as a function of time t is described by the formula
где J0 и J∞ - соответственно значения намагниченности непосредственно после изменения напряженности Н магнитного поля в момент t=0 и после установления нового равновесного состояния, τ - константа, характеризующая скорость процесса и называемая постоянной времени релаксации (магнитной вязкости). Значение Т зависит от природы магнитной вязкости и в различных материалах может изменяться от 10-9 секунды до нескольких десятков часов. В общем случае для описания процесса последействия одного значения τ недостаточно.where J 0 and J ∞ are, respectively, the magnetization values immediately after the magnetic field strength H changes at the moment t = 0 and after the establishment of a new equilibrium state, τ is a constant characterizing the process speed and is called the relaxation time constant (magnetic viscosity). The value of T depends on the nature of magnetic viscosity and in various materials can vary from 10 -9 seconds to several tens of hours. In the general case, to describe the aftereffect process, a single value of τ is not enough.
Различают два вида магнитной вязкости: диффузионный (рихтеровский) и термофлуктуационный (иордановский). В первом из них магнитная вязкость определяется диффузией примесных атомов или дефектов кристаллической структуры. Объяснение роли примесей было дано J.Snock, а более строгая теория построена L.Neel и базируется на предположении о преимущественной диффузии примесных атомов в те межатомные промежутки кристалла, которые определенным образом ориентированы относительно направления спонтанной намагниченности. Это создает локальную наведенную анизотропию, приводящую к стабилизации доменной структуры. Поэтому после изменения магнитного ноля новая доменная структура устанавливается не сразу, а после диффузного перераспределения примеси, а также, возможно, с учетом эффекта Баркгаузена (скачкообразное изменение намагниченности ферромагнетиков при непрерывном изменении внешних условий, например магнитного поля), что и является причиной магнитной вязкости.There are two types of magnetic viscosity: diffusion (Richter) and thermofluctuation (Jordan). In the first of them, the magnetic viscosity is determined by the diffusion of impurity atoms or defects in the crystal structure. An explanation of the role of impurities was given by J. Snock, and a more rigorous theory was developed by L. Neel and is based on the assumption that predominant diffusion of impurity atoms into those interatomic gaps of the crystal that are oriented in a certain way relative to the direction of spontaneous magnetization. This creates a local induced anisotropy, leading to stabilization of the domain structure. Therefore, after a change in magnetic zero, a new domain structure is not established immediately, but after a diffuse redistribution of the impurity, and also, possibly, taking into account the Barkhausen effect (an abrupt change in the magnetization of ferromagnets with continuous changes in external conditions, for example, magnetic field), which is the cause of magnetic viscosity.
Второй вид магнитной вязкости более универсален и наблюдается практически во всех ферромагнетиках, особенно в области магнитных нолей, сравнимых с коэрцитивной силой. Неелем был предложен термофлуктуационный механизм для объяснения этого вида магнитной вязкости. Тепловые флуктуации способствуют преодолению доменными стенками энергетических барьеров в магнитных полях, меньших критического поля. В высококоэрцитивных сплавах, состоящих из однодоменных областей, наблюдается особенно большая магнитная вязкость, так как в этом случае термические флуктуации сообщают дополнительную энергию для необратимого вращения спонтанной намагниченности тех частиц, потенциальная энергия которых во внешнем магнитном поле недостаточна для их перемагничивания.The second type of magnetic viscosity is more universal and is observed in almost all ferromagnets, especially in the field of magnetic zeros, comparable with the coercive force. Néel proposed a thermofluctuation mechanism to explain this type of magnetic viscosity. Thermal fluctuations contribute to overcoming by the domain walls of energy barriers in magnetic fields lower than the critical field. In highly coercive alloys consisting of single-domain regions, a particularly high magnetic viscosity is observed, since in this case thermal fluctuations provide additional energy for the irreversible rotation of the spontaneous magnetization of those particles whose potential energy in the external magnetic field is insufficient for their magnetization reversal.
Кроме этих основных механизмов магнитной вязкости существуют и другие. Например, в некоторых ферритах вклад магнитной вязкости дает перераспределение электронной плотности (диффузия электронов между ионами разной валентности). С магнитной вязкостью тесно связаны такие явления в ферромагнетиках, как потери на перемагничивание, временной спад относительной магнитной проницаемости μ и ее частотная зависимость (см., например, Kronmuller H., Nachwirkung in Ferromsgnetika, 1068; С.В.Вонсовский, Магнетизм, М., 1971; Д.Д.Мишин, Магнитные материалы, М., 1981).In addition to these basic mechanisms of magnetic viscosity, there are others. For example, in some ferrites, the contribution of magnetic viscosity comes from the redistribution of electron density (electron diffusion between ions of different valencies). Magnetic viscosity is closely related to such phenomena in ferromagnets as magnetization reversal losses, the time decay of the relative magnetic permeability μ and its frequency dependence (see, for example, Kronmuller H., Nachwirkung in Ferromsgnetika, 1068; S.V. Vonsovsky, Magnetism, M ., 1971; D.D. Mishin, Magnetic materials, M., 1981).
В заявляемом техническом решении рассматривается возможность исследования свойства магнитной вязкости ферромагнетиков в диапазоне постоянных времени τ порядка десятых долей миллисекунды, например, в диапазоне τ=0,1...2 мс, поскольку указанный диапазон представляет значительный практический интерес с учетом построения различных физико-технических приборов на основе ферромагнитных материалов.The claimed technical solution considers the possibility of studying the magnetic viscosity properties of ferromagnets in the range of time constants τ of the order of tenths of a millisecond, for example, in the range τ = 0.1 ... 2 ms, since this range is of considerable practical interest, taking into account the construction of various physical and technical devices based on ferromagnetic materials.
В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбран прибор - магнитовязкий маятник, известный из патента РФ №2291546, опубликованного в бюллетене №1 от 10.01.2007 по заявке №2005111823/28 (013701) от 20.04.2005. Магнитовязкий маятник содержит постоянный магнит и ферромагнитное тело, закрепленное относительно постоянного магнита, например, на скользящей оси для движения с одной степенью свободы в магнитном поле с переменной магнитной индукцией вдоль указанной оси и упруго механически связанное с постоянным магнитом, например, с помощью пружины, закрепленной ее концами соответственно с постоянным магнитом и ферромагнитным телом, причем материал ферромагнитного тела выбран с постоянной времени релаксации магнитной вязкости, соизмеримой, например, с одной десятой периода свободных колебаний ферромагнитного тела, а напряженность поля в зазоре постоянного магнита выбрана предпочтительно насыщающей для ферромагнитного тела. В этом устройстве обеспечивается получение механического колебательного движения ферромагнетика, обладающего необходимой магнитной вязкостью и его уменьшающейся относительной магнитной проницаемостью при увеличении напряженности магнитного поля выше некоторого критического уровня. Действие устройства объясняется непрерывной энергетической подкачкой упругих, в принципе затухающих, колебаний со стороны магнитного поля постоянного магнита с переменной магнитной индукцией вдоль оси колебательного движения ферромагнитного тела, которое обладает свойством магнитной вязкости и уменьшением своей относительной магнитной проницаемости при увеличении напряженности магнитного поля, превышающего некоторый пороговый уровень, причем явление резонанса колебаний ферромагнитного тела наступает при выборе постоянной релаксации τ у материала ферромагнитного тела, соизмеримой с периодом собственных колебаний пружинного маятника с заданными массой ферромагнитного тела и жесткостью пружины. При прохождении ферромагнитного тела в магнитном поле, напряженность которого в данной области соответствует порогу магнитного насыщения для выбранного ферромагнитного материала, происходит экспоненциальный спад намагниченности ферромагнитного тела, что ослабляет силовое торможение магнитным полем ферромагнитного тела и способствует увеличению его амплитуды колебаний, а при нахождении ферромагнитного тела в зонах сниженной напряженности магнитного поля (вблизи амплитудных значений текущей координаты центра инерции ферромагнитного тела), наоборот, его относительная магнитная проницаемость экспоненциально возрастает, что приводит при обратном такте движения ферромагнитного тела в направлении градиента магнитного поля к дополнительному увеличению силы, приложенной к ферромагнитному телу, со стороны магнитного поля. При этом важным условием для обеспечения резонансных колебаний ферромагнитного тела (то есть условий достижения максимума амплитуды колебаний) является выбор постоянной релаксации τ материала ферромагнитного тела, величина которой должна быть соизмерима с периодом Т собственных колебаний пружинного маятника τ~Т=(1/2π)·(m/k)1/2, где m - масса ферромагнитного тела (с учетом других присоединенных масс), k - жесткость пружины. Соблюдение этого условия создает возможность синфазной силовой «подкачки» колебаний ферромагнитного тела в составе пружинного маятника.As the closest analogue to the claimed technical solution, a device is selected - a magnetically viscous pendulum, known from RF patent No. 2291546, published in bulletin No. 1 dated January 10, 2007 under application No. 2005111823/28 (013701) dated April 20, 2005. A magnetically viscous pendulum contains a permanent magnet and a ferromagnetic body fixed relative to the permanent magnet, for example, on a sliding axis for movement with one degree of freedom in a magnetic field with variable magnetic induction along the specified axis and elastically mechanically connected with a permanent magnet, for example, by means of a spring fixed its ends, respectively, with a permanent magnet and a ferromagnetic body, and the material of the ferromagnetic body is selected with a constant relaxation time of magnetic viscosity, comparable, for example for example, from one tenth of the period of free vibrations of a ferromagnetic body, and the field strength in the gap of the permanent magnet is chosen preferably saturating for the ferromagnetic body. This device provides mechanical vibrational motion of a ferromagnet having the necessary magnetic viscosity and its decreasing relative magnetic permeability with increasing magnetic field strength above a certain critical level. The operation of the device is explained by the continuous energy pumping of elastic, in principle damped, oscillations from the side of the magnetic field of a permanent magnet with variable magnetic induction along the axis of the oscillatory motion of the ferromagnetic body, which has the property of magnetic viscosity and a decrease in its relative magnetic permeability with an increase in the magnetic field strength exceeding a certain threshold level, and the phenomenon of resonance of vibrations of a ferromagnetic body occurs when choosing the constant of the relay cations τ for the material of the ferromagnetic body, commensurate with the period of natural vibrations of the spring pendulum with the given mass of the ferromagnetic body and the stiffness of the spring. When a ferromagnetic body passes in a magnetic field, the intensity of which in this region corresponds to the magnetic saturation threshold for the selected ferromagnetic material, an exponential decrease in the magnetization of the ferromagnetic body occurs, which weakens the force drag by the magnetic field of the ferromagnetic body and contributes to an increase in its oscillation amplitude, and when the ferromagnetic body is in areas of reduced magnetic field strength (near the amplitude values of the current coordinate of the center of inertia a ferromagnet th body), on the contrary, its relative permeability increases exponentially, resulting in the reverse stroke movement of the ferromagnetic body in the direction of the magnetic field gradient in a further increase of force applied to the ferromagnetic body, by the magnetic field. In this case, an important condition for ensuring resonance vibrations of a ferromagnetic body (that is, conditions for attaining a maximum amplitude of vibrations) is the choice of the constant relaxation τ of the material of the ferromagnetic body, the value of which should be commensurate with the period T of the natural oscillations of the spring pendulum τ ~ T = (1 / 2π) (m / k) 1/2 , where m is the mass of the ferromagnetic body (taking into account other attached masses), k is the stiffness of the spring. Compliance with this condition creates the possibility of in-phase power "pumping" of the vibrations of a ferromagnetic body in the composition of the spring pendulum.
То обстоятельство, что амплитуда колебаний магнитовязкого маятника зависит от соотношения величин τ и Т, позволяет судить о величине τ ферромагнитного материала в результате измерения периода колебаний Т при резонансе, то есть когда амплитуда колебаний достигает максимума.The fact that the oscillation amplitude of a magnetoviscous pendulum depends on the ratio of τ and T allows us to judge the value of ferromagnetic material as a result of measuring the oscillation period T at resonance, that is, when the oscillation amplitude reaches a maximum.
Недостатком известного устройства (прототипа) является относительная низкочастотность колебаний магнитовязкого маятника - порядка долей и единиц герц, что отвечает диапазону измеряемых значений τ=0,01...0,2 с, то есть приблизительно на два порядка больше интересующего нас диапазона τ=0,1...2 мс.A disadvantage of the known device (prototype) is the relative low-frequency oscillation of a magnetically viscous pendulum — of the order of fractions and units of hertz, which corresponds to the range of measured values τ = 0.01 ... 0.2 s, i.e., approximately two orders of magnitude more than the range of interest to us τ = 0 , 1 ... 2 ms.
Указанный недостаток устранен в заявляемом техническом решении.The specified disadvantage is eliminated in the claimed technical solution.
Целями изобретения являются расширение функциональных возможностей и повышение скорости протяжки ферромагнитовязкого вещества в промежутке насыщающего магнитного поля.The objectives of the invention are the expansion of functionality and increase the speed of broaching ferromagnetically viscous substances in the interval of a saturating magnetic field.
Указанные цели достигаются в приборе для измерения магнитной вязкости ферромагнетиков, содержащем постоянный магнит с насыщающим магнитным полем в его зазоре и помещенное в этот зазор ферромагнитное тело из магнитовязкого вещества, отличающимся тем, что ферромагнитное тело выполнено в виде двух дисков с раздельными их осями вращения и одинаковыми моментами вращения, кромки этих дисков помещены в зазор постоянного магнита, диски приведены во вращательное движение однократно приложенными моментами импульсов в противоположных направлениях, после чего вращение дисков сохраняется преимущественно с равными по модулю угловыми скоростями, зависящими от присоединенной к указанным осям вращения нагрузки.These goals are achieved in a device for measuring the magnetic viscosity of ferromagnets, containing a permanent magnet with a saturating magnetic field in its gap and placed in this gap a ferromagnetic body of magnetically viscous material, characterized in that the ferromagnetic body is made in the form of two disks with their separate rotation axes and the same moments of rotation, the edges of these disks are placed in the gap of the permanent magnet, the disks are brought into rotational motion by the singularly applied angular momenta in opposite directions niyah, whereupon rotation of the drive is preserved predominantly with equal modulo angular velocities depending on the connected load to said axis of rotation.
Достижение указанных целей объясняется возникновением вращательных моментов в двух противоположно вращающихся дисках из ферромагнитовязкого вещества, кромки которых помещены в зазор постоянного магнита с насыщающим магнитным полем. Эти вращательные моменты обусловлены неравенством сил втягивания в магнитное поле зазора постоянного магнита ферромагнитного материала с высокой относительной магнитной проницаемостью и торможения этим магнитным полем ферромагнитного материала с уменьшенной относительной магнитной проницаемостью, что происходит при нахождении указанного материала в насыщающем магнитном поле в течение интервала времени, определяемого длиной магнитного зазора постоянного магнита и скоростью протяжки в зазоре ферромагнитовязкого материала дисков с заданной постоянной времени τ магнитной вязкости, подлежащей измерению.The achievement of these goals is due to the occurrence of rotational moments in two oppositely rotating disks made of ferromagnetically viscous substances, the edges of which are placed in the gap of a permanent magnet with a saturating magnetic field. These rotational moments are caused by the inequality of the forces of pulling into the magnetic field the gap of the permanent magnet of a ferromagnetic material with a high relative magnetic permeability and the braking by this magnetic field of a ferromagnetic material with a reduced relative magnetic permeability, which occurs when the specified material is in a saturating magnetic field for a time interval determined by the length the magnetic gap of the permanent magnet and the pulling speed in the gap of the ferromagnetically viscous disco material with a predetermined time constant τ magnetic viscosity to be measured.
Другой целью изобретения является измерение постоянной времени τ магнитной вязкости ферромагнетиков преимущественно в диапазоне τ=0,1...2 мс.Another objective of the invention is to measure the time constant τ of the magnetic viscosity of ferromagnets mainly in the range τ = 0.1 ... 2 ms.
Эта цель достигается в вышеуказанном устройстве, отличающемся тем, что оси вращения дисков присоединены соответственно к ротору и статору трехфазного синхронного двигателя-генератора с ротором из постоянного магнита и статором из трех симметрично расположенных электромагнитных цепей с обмотками, подключенными к присоединяемой нагрузке с переменными параметрами и к измерителю частоты возбуждаемых в генераторе электрических колебаний, причем раскручивание двух дисков из ферромагнитовязкого вещества осуществлено подачей к статорным обмоткам указанного двигателя-генератора трехфазного переменного напряжения с частотой ω>ωо, где ωo=L/1,4τ R - угловая частота вырабатываемого генератором переменного напряжения, соответствующая максимуму вращательных моментов в дисках из ферромагнитовязкого вещества, L - длина магнитного зазора постоянного магнита, R - радиус дисков.This goal is achieved in the above device, characterized in that the axis of rotation of the disks are connected respectively to the rotor and stator of a three-phase synchronous motor generator with a rotor of a permanent magnet and a stator of three symmetrically arranged electromagnetic circuits with windings connected to the connected load with variable parameters and to measuring the frequency of electrical vibrations excited in the generator, and the unwinding of two disks of a ferromagnetically viscous substance is carried out by feeding to the stator windings of said motor-generator three-phase alternating voltage with the frequency ω> ω o, where ω o = L / 1,4τ R - angular frequency of the AC voltage generated by a generator corresponding to the maximum torques in the discs of ferromagnitovyazkogo substance, L - length of the magnetic gap of the permanent magnet , R is the radius of the disks.
Достижение указанной цели объясняется зависимостью суммы вращательных моментов, возникающих в дисках из ферромагнитовязкого вещества, от частоты их вращения, величина которой зависит от присоединенной к осям вращения этих дисков нагрузки с переменными параметрами. Максимально допустимая нагрузка соответствует частоте ωо электрического колебания, возбуждаемого в трехфазном синхронном двигателе-генераторе. Равенство модулей угловых скоростей вращающихся в противоположных направлениях ротора и статора трехфазного синхронного двигателя-генератора обеспечивается выбором равных моментов инерции механических цепей ротора и статора, а равенство присоединенных нагрузок к осям вращения указанных дисков из ферромагнитовязкого вещества обеспечивается автоматически за счет работы двигателя-генератора. При выполнении этих условий частота ω вырабатываемых электрических колебаний равна ω=ωр+|ωс|, где ωр и ωс - угловые скорости вращения соответственно ротора и статора двигателя-генератора, и в указанных условиях ωр=-ωс. Поскольку ротор и статор двигателя-генератора вращаются, то съем переменного напряжения от статорных обмоток осуществляется с помощью скользящих электродов (щеток) и трех кольцевых электродов, расположенных изолированно на оси статора и соединенных с обмотками статора по схемам треугольника или звезды.Achieving this goal is explained by the dependence of the sum of the torques arising in the disks made of ferromagnetically viscous substances on the frequency of their rotation, the value of which depends on the load with variable parameters connected to the axes of rotation of these disks. The maximum allowable load corresponds to the frequency ω o electrical oscillations excited in a three-phase synchronous motor-generator. The equality of the angular velocity modules of the rotor and stator of a three-phase synchronous motor-generator rotating in opposite directions is ensured by the selection of equal moments of inertia of the mechanical circuits of the rotor and stator, and the equality of the connected loads to the rotational axes of these disks made of ferromagnetically viscous material is ensured automatically by the operation of the motor-generator. Under these conditions, the frequency ω of the generated electrical oscillations is equal to ω = ω p + | ω s |, where ω p and ω c are the angular speeds of rotation of the rotor and stator of the motor generator, respectively, and under the indicated conditions ω p = -ω s. Since the rotor and the stator of the motor-generator rotate, the AC voltage is removed from the stator windings with the help of sliding electrodes (brushes) and three ring electrodes located in isolation on the stator axis and connected to the stator windings according to the schemes of a triangle or a star.
Прибор для измерения магнитной вязкости ферромагнетиков представлен на фиг.1A device for measuring the magnetic viscosity of ferromagnets is presented in figure 1
Прибор содержит постоянный магнит 1, в зазоре которого образовано насыщающее магнитное поле для ферромагнетика, из которого изготовлены два диска 2 и 3 с их осями вращения 4 и 5, которые механически связаны соответственно с ротором 6 и статором 7. При этом ротор 6 выполнен в виде магнита с полюсами S и N, статор содержит три обмотки, соединенные треугольником или звездой. Ротор и статор свободно вращаются относительно корпуса с использованием шариковых и упорных подшипников 8. На статоре 7 или его оси вращения 5 закреплена изолирующая втулка 9, на которой закреплены три кольцевых электрода 10, с которыми электрически соединены три щетки со щеткодержателем 11. Трехфазный щеткодержатель 11 электрически соединен с переключателем 12 на два положения (переключение указано стрелкой). Три вывода переключателя одного из его положений (правом на фиг.1) соединены с источником трехфазного переменного напряжения 13, который используется для предварительной раскрутки дисков 2 и 3, при этом ротор 6 и статор 7 работают в режиме синхронного двигателя. Частота колебаний ω источника трехфазного переменного напряжения 13 регулируется, что позволяет раскручивать диски 2 и 3 до требуемых угловых скоростей. Три вывода переключателя 12 в его другом положении (левом на фиг.1) подключены к трехфазному выпрямителю 14, например к схеме Ларионова из шести диодов, обеспечивающей трехфазное двухполупериодное выпрямление. Выпрямитель 14 соединен с нагрузкой с переменными параметрами 15, например, с переменным резистором. Кроме того, одна из фаз трехфазного генератора на основе вращающихся в противоположных направлениях ротора 6 с угловой частотой ωр и статора 7 с угловой частотой ωс соединена со входом электронного частотомера 16, измеряющего частоту ω=ωр+|ωс|.The device contains a
На фиг.2 представлена конструкция основной части прибора из нескольких, например трех постоянных магнитов 17, 18 и 19, в зазорах которых образовано насыщающее магнитное поле, и в них помещены кромки двух дисков 20 (21), аналогичных дискам 2 и 3 на фиг.1. Эти диски вращаются в противоположных направлениях. Диск 20 связан с его осью вращения 22 (аналогичной оси вращения 4 на фиг.1). На фиг.2 указан радиус дисков R и длина магнитных зазоров L постоянных магнитов 17, 18 и 19. Постоянные магниты 17, 18 и 19 симметрично расположены относительно дисков 20 (21), причем время нахождения Δtp=L/ωp R одной и той же точки кромки диска 20 в магнитном зазоре в каждом из указанных постоянных магнитов или Δtc=L/ωс R - для диска 21 выбирается из априорных данных о величине постоянной Т магнитной вязкости ферромагнетика, из которого изготовлены диски 20 (21). В случае равенства ωp=-ωс обеспечивается равенство Δtp=Δtc=Δt=2 L/ω R. Кроме того, для восстановления величины относительной магнитной проницаемости (магнитной восприимчивости) частей кромок ферромагнитовязких дисков, подверженных действию насыщающего магнитного поля, расстояние по окружности дисков между смежными постоянными магнитами 17, 18 и 19 выбирается существенно большим (приблизительно втрое) длины магнитного зазора L, как это видно на фиг.2. Указано вращение ротора двигателя-генератора с угловой скоростью ωp, связанного с осью вращения 22 относительно неподвижного корпуса 23 прибора. Форма магнитных полюсов для постоянного магнита 17 обозначена разрезом по АА, и она совпадает с формой магнитных полюсов, указанной для постоянного магнита 1 на фиг.1.Figure 2 shows the design of the main part of the device from several, for example, three
На фиг.3а представлен график зависимости магнитной индукции В ферромагнетика от напряженности Н магнитного поля в нем В(Н), а на фиг.3б - кривая А.Г.Столетова (1872 г.) - зависимость магнитной восприимчивости χ=μ-1 (μ - относительная магнитная проницаемость ферромагнетика) от напряженности магнитного поля, из которой следует, что в области насыщения величина магнитной восприимчивости уменьшается с ростом напряженности магнитного поля, то есть dχ/dH<0.Figure 3a shows a graph of the magnetic induction B of a ferromagnet versus magnetic field H in it B (H), and Figure 3b shows the curve of A.G. Stoletov (1872), the dependence of magnetic susceptibility χ = μ-1 ( μ is the relative magnetic permeability of the ferromagnet) versus the magnetic field strength, from which it follows that in the saturation region the magnetic susceptibility decreases with increasing magnetic field strength, i.e., d χ / dH <0.
На фиг.4 представлен график относительного изменения магнитной восприимчивости χ(х)/χmax в течение временного интервала Δt пока дифференциальный слой dx кромки ферромагнитовязкого диска находится в магнитном зазоре постоянного магнита с насыщающим магнитным полем при вращении диска с угловой скоростью ω/2 (ω - круговая частота генерируемого колебания в двигателе-генераторе фиг.1 при условии, что (ωр=-ωс). Ось х расположена вдоль длины магнитного зазора L постоянного магнита. При этом график χ(х)/χmax дан для одного из дисков, кромка которого движется в направлении оси х. Видно, что для оптимальной частоты ωо магнитная восприимчивость в промежутке - L/2≤x≤+L/2 падает в 1/0,061=16,4 раза.Figure 4 shows a graph of the relative change in the magnetic susceptibility χ (x) / χ max over the time interval Δt while the differential layer dx of the edge of the ferromagnetically viscous disk is in the magnetic gap of a permanent magnet with a saturating magnetic field during rotation of the disk with an angular velocity ω / 2 (ω - the circular frequency of the generated oscillations in the engine generator of figure 1, provided that (ω p = -ω c ). The x axis is located along the length of the magnetic gap L of the permanent magnet. Moreover, the graph χ (x) / χ max is given for one of disks whose edge d izhetsya in the x direction is seen that for optimum frequency ω of the magnetic susceptibility in the range -. L / 2≤x≤ + L / 2 falls in the 1 / 0.061 = 16.4 times.
На фиг.5 представлена статическая (то есть при ω=0) весовая функция магнитного тяготения ферромагнетика к центру магнитного зазора (при х=0). На краю магнитного зазора сила тяготения максимальна и направлена в сторону к центру, при этом весовая функция равна +1 слева от магнитного зазора и равна -1 справа от него для диска, направление вращения которого в магнитном зазоре совпадает с осью х. При х=0 дифференциальный слой dx ферромагнитного вещества кромки диска находится в равновесном состоянии. Весовая функция у краев магнитного зазора, но вне его (слева и справа), быстро уменьшается по модулю до нуля на интервалах δх<<L, так как вне зазора магнитное поле резко убывает.Figure 5 shows the static (i.e., at ω = 0) weight function of the magnetic gravity of a ferromagnet to the center of the magnetic gap (at x = 0). At the edge of the magnetic gap, the gravitational force is maximum and directed toward the center, while the weight function is equal to +1 to the left of the magnetic gap and equal to -1 to the right of it for the disk whose rotation direction in the magnetic gap coincides with the x axis. At x = 0, the differential layer dx of the ferromagnetic substance of the disk edge is in equilibrium. The weight function at the edges of the magnetic gap, but outside it (left and right), rapidly decreases in absolute value to zero in the intervals δx << L, since outside the gap the magnetic field decreases sharply.
На фиг.6 представлены: семейство характеристик относительных сил при разных значениях отношения Δt/τ в диапазоне 0,05...20 и график относительного вращательного момента в дисках 2 и 3 (фиг.1) в функции угловой частоты ω=ωр+|ωс|, который достигает максимума при частоте ωо=L/1,4τR. При вариации нагрузки с переменными параметрами 15 изменяется частота ω генерируемых колебаний. Нагрузочная прямая (штрихпунктирная наклонная прямая) пересекает график относительного вращательного момента в точке, соответствующей частоте ωраб>ωо (на графике по оси абсцисс указана угловая скорость диска 2). При минимальной нагрузке нагрузочная прямая становится наиболее пологой и соответствует частоте генерируемых колебаний ωmax. Увеличение нагрузки более той, при которой частота колебаний равна ωо, колебания срываются, и диски останавливаются. Это обстоятельство положено в основу измерения частоты ωо вариацией нагрузки с переменными параметрами 15 (фиг.1).Figure 6 presents: a family of characteristics of relative forces at different values of the ratio Δt / τ in the range of 0.05 ... 20 and a graph of the relative rotational moment in
Рассмотрим работу заявляемого устройства.Consider the operation of the claimed device.
Запуск в работу устройства - вращение дисков 2 и 3 (фиг.1) - осуществляется подачей на статор 7 синхронного двигателя-генератора переменного трехфазного напряжения от источника трехфазного переменного напряжения 13 через подключенные к нему переключатель 12, щетки со щеткодержателем 11 и систему кольцевых электродов 10, соединенных с обмотками статора 7. В статоре 7 возникает вращающееся магнитное поле с частотой ω, значение которой может регулироваться в достаточно широких пределах с учетом измеряемых постоянных времени τ магнитной вязкости в диапазоне 0,1...2 мс, для каждого из измеряемых значений которой частота ω должна выбираться из диапазона от ωо до ωmax (см. фиг.6). Например, для априорно задаваемой величины τ выбирают частоту источника трехфазного переменного напряжения порядка ωраб (см. фиг.6).Launching the device - the rotation of the
При обеспечении в конструкции вращающихся частей - дисков, их осей вращения и ротора и статора синхронного двигателя-генератора - равенства моментов инерции этих частей, вращающихся в противоположных направлениях, обеспечивается равенство ωр=-ωс, и круговая частота ω колебаний, подаваемых к обмоткам статора 7 в режиме двигателя и снимаемых с этих обмоток в режиме генератора, вдвое выше угловой скорости вращения каждого из дисков 2 и 3.By ensuring the construction of rotating parts — disks, their rotational axes and rotor and stator of a synchronous engine-generator — equal moment of inertia of these parts rotating in opposite directions, the equality ω p = -ω c and the circular frequency ω of the vibrations supplied to the windings are ensured
После раскручивания дисков 2 и 3 соответственно ротора 6 и статора 7 до необходимой угловой скорости, превышающей частоту колебаний ωо в источнике трехфазного напряжения 13 для априорно предполагаемой величины постоянной времени τ магнитной вязкости ферромагнитовязкого материала этих дисков, переключателем 12 коммутируют обмотки статора 7 к выпрямителю 14 с нагрузкой с переменными параметрами 15, а одну из фаз генерируемого трехфазного напряжения соединяют со входом электронного частотомера 16, измеряющего частоту ω колебаний. В дальнейшем поддержание вращательного движения дисков 2 и 3 обеспечивается возникновением в них вращательных моментов из-за действия превалирующих сил втягивания ферромагнитовязкого вещества дисков над силами их торможения в зазоре постоянного магнита 1 (фиг.1). Рассмотрим этот вопрос подробнее.After untwisting the
Из общей теории создания генерирующих систем известно, что условием генерирования является построение четырехполюсника с отрицательным сопротивлением, например, как это имеет место в генераторе на туннельном диоде, вольт-амперная характеристика которого в рабочей зоне имеет спад тока при росте приложенного к диоду напряжения. Роль такого «отрицательного сопротивления» в данном техническом решении выполняет ферромагнетик при его магнитном насыщении. Зависимость магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н (фиг.3а) характеризуется переменной крутизной dB/dH~χ(Н) (фиг.3б), и в области насыщения кривая χ(Н) имеет спад магнитной восприимчивости ферромагнетика при росте напряженности, то есть dχ(H)/dH<0. Это позволяет создать неуравновешенную по силовому воздействию на ферромагнитное вещество со стороны насыщающего магнитного поля систему на основе соблюдения двух условий: ферромагнитное вещество должно обладать свойством магнитной вязкости и двигаться в насыщающем поле с определенной скоростью, согласованной с постоянной времени магнитной вязкости. Рассмотрим, как эти два условия позволяют обеспечить безостановочное вращение ферромагнитовязкого диска, кромка которого помещена в насыщающее магнитное поле постоянного магнита 1 (фиг.1). В заявляемом устройстве полюсная пара постоянного магнита 1 создает на длине L ее зазора однородное насыщающее магнитное поле. Движение в таком поле ферромагнитовязкого вещества (кромки дисков 2 и 3) со скоростями V1=ωR/2 для диска 2 и V2=-ωR/2 для диска 3, приводит к распределению величины магнитной восприимчивости χ(х) в любой произвольный момент времени, как это представлено на фиг.4 для диска 2. Такое распределение по координате х вдоль длины L магнитного зазора с совмещением начала координат с центром последнего, то есть на расстоянии L/2 от краев полюсной пары, происходит из-за того, что входящая в магнитный зазор масса ферромагнетика под действием насыщающего магнитного поля Нmax>Н* уменьшает свою намагниченность J(t) по экспоненциальному закону согласно (1), то есть по экспоненциальному закону будет изменяться магнитная восприимчивость χ(t)=J(t)/μоН ферромагнетика с учетом постоянной времени τ магнитной вязкости по закону:It is known from the general theory of creating generating systems that the generation condition is the construction of a four-terminal with negative resistance, for example, as is the case in a generator on a tunnel diode, the current-voltage characteristic of which in the working zone has a current drop with increasing voltage applied to the diode. The role of such a "negative resistance" in this technical solution is played by a ferromagnet with its magnetic saturation. The dependence of the magnetic induction B on the magnetic field H (Fig.3a) is characterized by a variable steepness dB / dH ~ χ (H) (Fig.3b), and in the saturation region the curve χ (H) has a decrease in the magnetic susceptibility of the ferromagnet with increasing tension, then is d χ (H) / dH <0. This allows you to create a system that is unbalanced in terms of force on the ferromagnetic substance from the side of the saturating magnetic field on the basis of two conditions: the ferromagnetic substance must have the property of magnetic viscosity and move in the saturating field at a certain speed, consistent with the magnetic viscosity time constant. Consider how these two conditions allow for the non-stop rotation of a ferromagnetically viscous disk, the edge of which is placed in the saturating magnetic field of the permanent magnet 1 (figure 1). In the inventive device, the pole pair of the
где Нmax - напряженность насыщающего магнитного поля в магнитном зазоре постоянного магнита 1 (фиг.1), Н* - напряженность магнитного поля вне зазора, при которой ферромагнитовязкое вещество дисков 2 и 3 имеет наибольшее значение χmax, μо=1,256·10-6 Гн/м - абсолютная магнитная проницаемость, χ(Нmax)∞ - установившееся значение величины магнитной восприимчивости ферромагнитного материала в насыщающем магнитном поле за большой промежуток времени (теоретически бесконечный), существенно больший величины Δt, Δχ=χmax-χ(Hmax)∞ - наибольшее изменение величины магнитной восприимчивости ферромагнитовязкого вещества. Можно показать, что перепадом значения магнитной восприимчивости Δχ определяется эффективность работы устройства в смысле его энергетических характеристик. Для увеличения этого перепада целесообразно вне магнитного зазора постоянного магнита 1 действовать на рабочую кромку дисков 2 и 3 магнитным полем с напряженностью Н*, при которой магнитная восприимчивость ферромагнитного материала устанавливается до своей наибольшей величины, соответствующей максимуму функции dB/dH, как это видно из фиг.3б (кривой Столетова в области так называемого Баркгаузена эффекта). Эти средства для простоты представления конструкции на фиг.1 не показаны, но могут быть легко реализованы при использовании дополнительных магнитных зазоров между рабочим магнитным зазором постоянного магнита 1 на фиг.1 или магнитных зазоров постоянных магнитов 17, 18 и 19 на фиг.2, причем в таких дополнительных магнитных зазорах устанавливают напряженность магнитного поля, равную Н*<Нmax, то есть обеспечивающую восстановление магнитной восприимчивости ферромагнетика до ее максимальной величины χmax.where H max is the saturating magnetic field strength in the magnetic gap of the permanent magnet 1 (Fig. 1), H * is the magnetic field strength outside the gap at which the ferromagnetically viscous substance of the
Вращение диска 3 в противоположном направлении относительно диска 2 приводит к аналогичному изменению величины магнитной восприимчивости в насыщающем магнитном поле магнитного зазора постоянного магнита 1 (фиг.1), как это показано на фиг.4, но с учетом зеркального поворота кривой χ(х)/χmax относительно оси ординат при замене знака при координате х. Это позволяет решить две важные технические задачи. Во-первых, естественно соединить оси дисков 2 и 3 соответственно с ротором 6 и статором 7 синхронного двигателя-генератора с автоматическим выравниванием моментов нагрузок для вращающихся дисков 2 и 3. Во-вторых, последовательное по магнитному полю включение ферромагнитных дисков 2 и 3 в магнитном зазоре постоянного магнита 1 позволяет существенно выровнять вдоль оси х распределение удельной магнитной проводимости в магнитном зазоре по сравнению с одним диском в зазоре из-за экспоненциального изменения магнитной восприимчивости в зазоре. Действительно, при двух дисках 2 и 3 магнитная проводимость связывается с магнитной восприимчивостью на краях зазора слева и справа с относительной величиной 1+0.061, как это видно из фиг.4, а в центре магнитного зазора (х=0) - с относительной величиной 2·0,247=0,494. Следовательно, перепад магнитных восприимчивостей для магнитного поля в магнитном зазоре для последовательно включенных двух дисков 2 и 3 приблизительно равен 2, в то время как при одном диске в зазоре этот перепад составляет более 16, как ранее было указано. Это также способствует увеличению энергетической эффективности устройства.The rotation of the
Дифференциальный слой dx ферромагнетика в зависимости от его текущего положения на оси х внутри магнитного зазора постоянного магнита 1, в частности, от обозначенного на фиг.4 начала координат х=0, разделяет находящуюся в магнитном поле этого зазора кромку диска из ферромагнитовязкого вещества на две части - втягивающуюся в магнитный зазор в промежутке - L/2≤х≤0 и тормозящую диск часть в промежутке 0≤х≤+L/2 для диска 2, и наоборот, втягивающуюся в магнитный зазор в промежутке 0≤х≤+L/2 и тормозящую диск часть в промежутке - L/2≤х≤0 для диска 3. Поскольку соответствующие силы пропорциональны магнитной восприимчивости χ(х), то обеспечение максимумов вращательных моментов дисков требует определения скорости их вращения ωо/2 в магнитном зазоре из уравнения:The differential layer dx of the ferromagnet, depending on its current position on the x axis inside the magnetic gap of the
в котором t=±2x/ωoR для соответствующих дисков 2 и 3, где G(x) - весовая функция, представленная на фиг.5. Решение уравнения (3) позволяет найти оптимальное значение отношения Δt/τ=2,8059, при котором силы втягивания ферромагнитного вещества в магнитный зазор и силы торможения имеют наибольшую разность для каждого из дисков 2 и 3.in which t = ± 2x / ω o R for the
После выхода ферромагнитовязкого вещества из магнитного зазора постоянного магнита 1 магнитная восприимчивость χ вновь начинает возрастать экспоненциально, стремясь к величине χmax=χ(Н*) при использовании в устройстве дополнительных магнитных зазоров с магнитным полем Н* в них, как об этом было указано выше.After the ferromagnetically viscous substance leaves the magnetic gap of the
Как указывалось, при использовании в конструкции устройства нескольких рабочих магнитов 17, 18 и 19 (фиг.2) расстояние между смежными магнитными зазорами с насыщающим магнитным полем таково, что на этом пути магнитная восприимчивость полностью восстановится (то есть увеличится) до уровня, соответствующего значению χmax, так что взаимодействие ферромагнитовязких дисков с насыщающим магнитным полем Нmax в каждом, следующем по ходу вращения дисков 2 и 3, магнитном зазоре вновь повторится по рассмотренному выше алгоритму. При этом энергетическая эффективность устройства (его выходная мощность электрических колебаний) пропорциональна числу n используемых в нем постоянных магнитов с насыщающим магнитным полем в их зазорах.As indicated, when using several working
Для анализа действующих на кромку диска тангенциальных сил (втягивающих и тормозящих) при взаимодействии ферромагнитовязкого диска с магнитным зазором постоянного магнита 1 (фиг.1) длиной L следует иметь в виду, что в центре притяжения полюсной пары (х=0) отсутствует силовое действие на элемент ферромагнетика с мгновенной координатой х=0 и увеличивается к краям зазора, что указано на фиг.5 с учетом краевых эффектов. Поэтому равнодействующая тангенциальная сила ΔF∑ определяется интегрированием χ(х) G(x), где функция G(x) изменяется в пределах +1≥G(x)≥-1, как указано на фиг.5. Поэтому сила ΔF∑, приложенная к кромке каждого из дисков 2 и 3, пропорциональна выражению:To analyze the tangential forces acting on the edge of the disk (retracting and braking) during the interaction of a ferromagnetically viscous disk with a magnetic gap of a permanent magnet 1 (Fig. 1) of length L, it should be borne in mind that there is no force action on the center of attraction of the pole pair (x = 0) element of a ferromagnet with an instantaneous coordinate x = 0 and increases to the edges of the gap, which is indicated in figure 5, taking into account edge effects. Therefore, the resultant tangential force ΔF ∑ is determined by integrating χ (x) G (x), where the function G (x) varies within + 1≥G (x) ≥-1, as indicated in Fig. 5. Therefore, the force ΔF ∑ applied to the edge of each of the
где S - сечение кромки ферромагнитного диска в магнитном зазоре (при этом dV=Sdx - дифференциальный объем ферромагнитовязкого материала).where S is the cross section of the edge of the ferromagnetic disk in the magnetic gap (in this case, dV = Sdx is the differential volume of the ferromagnetically viscous material).
Из выражения (4) следует, что оптимизация энергетической характеристики ферромагнитовязкого генератора требует учета краевых эффектов на отрезках δх и достигается при уменьшении напряженности магнитного поля за пределами магнитного зазора до величины Н* соответственно для дисков 2 и 3, вращающихся в противоположных направлениях.It follows from expression (4) that the optimization of the energy characteristics of a ferromagnetically viscous generator requires taking into account edge effects on the δx segments and is achieved by reducing the magnetic field strength outside the magnetic gap to H * for
Вращательные моменты в ферромагнитовязких дисках Мвращ определяются произведением тангенциальной силы ΔF∑ на активный радиус диска R и число n постоянных магнитов с насыщающим магнитным полем в их зазорах, а мощность электрического генератора Nген находится из произведения момента Мвращ на угловую скорость ω/2 вращения двух дисков:Rotational moments in ferromagnetically viscous disks M rotation are determined by the product of the tangential force ΔF ∑ by the active radius of the disk R and the number n of permanent magnets with a saturating magnetic field in their gaps, and the power of the electric generator N gene is found from the product of the moment M rotation by the angular velocity ω / 2 of rotation two drives:
На фиг.6 представлена кривая Мвращ с максимумом на частоте колебаний ωо, значение которой с учетом функции веса G(x) равно:Figure 6 presents the curve M rotation with a maximum at the oscillation frequency ω about , the value of which, taking into account the weight function G (x), is:
Максимум Мвращ на частоте колебаний генератора ωо объясняется из рассмотрения семейства относительных сил ΔF∑/ΔF∑max, представленного на фиг.6 графиками при различных значениях Δt/τ=0,05...20. Все кривые проходят через значение х=0 (фиг.4), то есть через середину магнитного зазора L/2. Разность площадей, ограниченных осями абсцисс и ординат, а также соответствующей кривой в промежутках слева и справа от середины указанного интервала, пропорциональна относительной силе ΔF∑/ΔF∑max(ωo) при разных значениях Δt/τ. Как показал анализ, максимум этой силы ΔF∑max достигается при соблюдении условия (6) на частоте ωо=ωp+|ωс| с учетом, что ωр=-ωс.The maximum M rotation at the oscillation frequency of the generator ω о is explained from the consideration of the family of relative forces ΔF ∑ / ΔF ∑max , presented in Fig.6 graphs for different values of Δt / τ = 0.05 ... 20. All curves pass through the value x = 0 (Fig. 4), that is, through the middle of the magnetic gap L / 2. The difference between the areas bounded by the abscissa and ordinates, as well as the corresponding curve in the spaces to the left and to the right of the middle of the indicated interval, is proportional to the relative force ΔF ∑ / ΔF ∑max (ω o ) for different values of Δt / τ. As analysis has shown, the maximum of this force ΔF ∑max is achieved subject to condition (6) at a frequency ω о = ω p + | ω с | taking into account that ω p = -ω c .
То обстоятельство, что мощность генератора согласно (5) характеризуется немонотонной функцией, объясняется просто: при малой частоте ω очень быстро происходит установление магнитной восприимчивости в начальной зоне рабочего зазора, а при большой частоте ω (по сравнению с ωo), наоборот, на длине зазора L магнитная восприимчивость не успевает сколько-нибудь существенно уменьшиться. В обоих случаях снижается величина силы ΔF∑ (вращательный момент). При остановленных дисках сила ΔF∑=0, однако d Мвращ/dω>0, то есть угол наклона кривой Мвращ(ω/2) при ω=0 с осью абсцисс максимален, что и объясняет невозможность самораскручивания диска двигателя из неподвижного состояния. Это есть так называемый жесткий режим самовозбуждения: пуск в работу генератора осуществляется внешним воздействием - раскручиванием дисков до определенных угловых скоростей, задаваемых частотами колебаний ωпуск>ωо, при которых dMвращ/dω<0 в точке пересечения кривой Мвращ(ω/2) с нагрузочной прямой, угол наклона которой пропорционален сумме моментов трения и нагрузки на частоте колебаний генератора ω для установившегося режима вращения дисков, и при этом производные соответствующих функций имеют разные знаки.The fact that the generator power according to (5) is characterized by a nonmonotonic function can be easily explained: at a low frequency ω, the magnetic susceptibility in the initial zone of the working gap is established very quickly, and at a high frequency ω (compared to ω o ), on the contrary, over the length In the gap L, the magnetic susceptibility does not have time to decrease significantly. In both cases, the force ΔF ∑ (rotational moment) decreases. When the disc is stopped force ΔF Σ = 0, but d M rot / dω> 0, i.e., the angle of inclination of the curve M rot (ω / 2) with ω = 0 with the horizontal axis is maximal, and this explains the impossibility samoraskruchivaniya disc motor from standstill. This is the so-called hard self-excitation mode: the generator is put into operation by an external action — spinning the disks to certain angular velocities determined by the oscillation frequencies ω start > ω о at which dM rot / dω <0 at the intersection of the curve M rotate (ω / 2 ) with a load line, the angle of which is proportional to the sum of the friction and load moments at the oscillator frequency ω of the generator for the steady-state mode of rotation of the disks, and the derivatives of the corresponding functions have different signs.
Приведенные на фиг.6 семейство относительных сил, действующих на элементы объема dV=Sdx ферромагнитовязкого вещества в магнитном зазоре на интервале - L/2≥х≥L/2, приShown in Fig.6 family of relative forces acting on the volume elements dV = Sdx ferromagnetically viscous substances in the magnetic gap in the interval - L / 2≥x≥L / 2, when
различных значениях Δt/τ, а также кривая Мвращ и различные нагрузочные характеристики - холостого хода, рабочей нагрузки (штрихпунктирная линия) и критической нагрузки, которые представляют наклонные прямые линии, исходящие из начала координат под различными углами к оси абсцисс, позволяют решить поставленную задачу измерения постоянной времени τ. Чем больше нагрузка на ось двигателя, тем круче нагрузочная прямая. Точка пересечения кривой Мвращ с нагрузочной прямой соответствует устойчивому равновесию на частоте ωраб, лежащей в диапазоне частот ωо<ωраб<ωmax. Из теории систем с обратной связью известно, что равновесие является устойчивым, если производные от амплитудной характеристики эквивалентного четырехполюсника и прямой обратной связи в точке их пересечения имеет противоположные знаки. Точки пересечения указанных кривой и прямой, в которых их производные имеют один знак, являются точками неустойчивого равновесия.different values of Δt / τ, as well as the M rotation curve and various load characteristics - idle, work load (dash-dot line) and critical load, which represent oblique straight lines coming from the origin at different angles to the abscissa axis, allow us to solve the problem measuring the time constant τ. The greater the load on the engine axis, the steeper the load line. The intersection point of the curve M rotation with the load line corresponds to a stable equilibrium at a frequency ω slave lying in the frequency range ω о <ω slave <ω max . It is known from the theory of feedback systems that equilibrium is stable if the derivatives of the amplitude characteristics of the equivalent four-terminal network and the direct feedback at the intersection point have opposite signs. The intersection points of the indicated curve and straight line, in which their derivatives have the same sign, are points of unstable equilibrium.
Всякое случайное отклонение частоты ω от ωраб приводит к возврату к ней. Если ω=ωо, то система находится в критическом состоянии, и при случайном уменьшении частоты ω, при котором ω<ωо, что связано с увеличением присоединенной нагрузки, происходит срыв автоколебаний в системе, и диски 2 и 3 останавливаются. При снижении нагрузки ниже критической частота автоколебаний просто возрастает ω>ωо, и система остается устойчивой. Когда нагрузка на ось минимальна, то генератор работает в так называемом режиме холостого хода. При этом частота генерируемых колебаний увеличивается до значения ωmax. Следовательно, действие переменной нагрузки приводит к вариации угловой скорости вращения ферромагнитовязких дисков, если нагрузка не превышает максимально допустимую. Для облегчения пуска двигателя следует осуществлять его в режиме холостого хода, во всяком случае угловая скорость вращения дисков должна превышать значение угловой частоты ωо/2.Any random deviation of the frequency ω from ω the slave leads to a return to it. If ω = ω о , then the system is in a critical state, and with a random decrease in the frequency ω, at which ω <ω о , which is associated with an increase in the connected load, self-oscillations break in the system, and
Таким образом, для измерения постоянной времени τ магнитной вязкости ферромагнетика, из которого изготовлены диски 2 и 3, необходимо после запуска устройства от источника трехфазного переменного напряжения 13 измерить частоту ωо генерируемых колебаний электронным частотомером 16 в момент срыва генерации, то есть перехода системы в неустойчивое состояние при плавном увеличении нагрузки с помощью нагрузки с переменными параметрами 15. По найденному значению частоты ωо и известных конструктивных параметрах устройства - радиусу R дисков 2 и 3 и длины L магнитного зазора постоянного магнита 1 - можно рассчитать искомую величину:Thus, to measure the time constant τ of the magnetic viscosity of the ferromagnet from which the
Уточнение частоты ωо может потребовать проведения нескольких измерений этой величины с применением статистических методов вычислений.Refining the frequency ω о may require several measurements of this quantity using statistical calculation methods.
Следует отметить, что установка выпрямителя 14 между выходом генератора (обмотками статора 7) и нагрузкой с переменными параметрами 15 позволяет использовать в цепи нагрузки измерительные приборы постоянного тока (амперметр и вольтметр) для более точного измерения электрической мощности, рассеиваемой в нагрузке 15. Однако выпрямитель 14 не является обязательным элементом заявляемого устройства, поэтому он не указан в формуле изобретения. Получение постоянного тока после использования выпрямителя 14, кроме указанного, позволяет расширить функциональные возможности устройства. В частности, в этом случае можно применить систему авторегулирования подачей постоянного тока в катушку дополнительного подмагничивания постоянного магнита 1 (фиг.1), что позволяет автоматически регулировать величину насыщающего магнитного поля в магнитном зазоре, поддерживая неизменной частоту генерируемых колебаний при условии изменяющейся в некоторых пределах нагрузки. С этой целью в схеме применяют опорный генератор фиксированной частоты (которую желают стабилизировать), фазовый детектор и соответствующий усилитель мощности, выход которого подключают к обмотке подмагничивания постоянного магнита для изменения величины Нmax [1]. Рассмотрение такой системы выходит за рамки данной заявки.It should be noted that the installation of a rectifier 14 between the output of the generator (stator windings 7) and the load with variable parameters 15 allows the use of direct current measuring devices (ammeter and voltmeter) in the load circuit to more accurately measure the electric power dissipated in the load 15. However, the rectifier 14 is not a mandatory element of the claimed device, therefore, it is not indicated in the claims. Obtaining direct current after using the rectifier 14, in addition to the specified, allows you to expand the functionality of the device. In particular, in this case, it is possible to apply a self-regulating system by supplying direct current to the coil of additional magnetization of the permanent magnet 1 (Fig. 1), which allows you to automatically adjust the value of the saturating magnetic field in the magnetic gap, maintaining the frequency of the generated oscillations constant provided that the load varies within certain limits . For this purpose, a fixed-frequency reference oscillator (which they wish to stabilize), a phase detector, and a corresponding power amplifier, the output of which is connected to the magnetization winding of a permanent magnet to change the value of H max, are used in the circuit [1]. Consideration of such a system is beyond the scope of this application.
При выборе постоянного магнита 1 (фиг.1) могут быть рекомендованы лучшие современные магнитные материалы, энергетическое произведение в которых (В Н)max достигает величины около 320 Тл·кА/м (40 млн Гс·Э), например, как у материала с высокой коэрцитивной силой SmCo3 [2-4].When choosing a permanent magnet 1 (Fig. 1), the best modern magnetic materials can be recommended, the energy product in which (V N) max reaches a value of about 320 T · kA / m (40 million G · E), for example, as with a material with high coercive force SmCo 3 [2-4].
Можно рассматривать несколько научных гипотез для объяснения возможности поддержания вращательного движения дисков из ферромагнитовязкого вещества в магнитном зазоре с насыщающим магнитным полем при соблюдении условия (7) и в результате раскрутки дисков 2 и 3 от внешнего энергетического источника. По одной из гипотез вращение поддерживается за счет внутренней энергии ферромагнитовязкого вещества, изменяющего свои параметры (магнитную восприимчивость в насыщающем магнитном поле), что может быть связано, например, с охлаждением ферромагнитовязких дисков (аналог магнетокалорического эффекта).Several scientific hypotheses can be considered to explain the possibility of maintaining the rotational movement of disks from a ferromagnetically viscous substance in a magnetic gap with a saturating magnetic field under the condition (7) and as a result of the spinning of
По другой гипотезе возникновение силы объясняется эффектом инверсии спиновых состояний электронов движущегося со скоростью V ферромагнитовязкого вещества в насыщающем магнитном поле с напряженностью Нmax, состоящем в возникновении экспоненциально убывающей силы F(t)=F0 exp(-t/τ) с постоянной времени магнитной вязкости τ, вектор которой ортогонален вектору насыщающего магнитного поля и объясняемым поворотом векторов спиновых магнитных моментов sM группы электронов ферромагнитовязкого вещества в направлении вектора внешнего насыщающего магнитного поля, в результате чего эта группа электронов образует суммарную макроскопическую силу, приложенную к ферромагнитовязкому веществу со стороны насыщающего магнитного поля, причем размер данной группы электронов определяется коэффициентом вероятности β=1-ехр[(Нmax-Н*)/Н*] как отношением превышения напряженности насыщающего магнитного поля Нmax над некоторым пороговым уровнем Н* к величине этого порогового уровня, величина которого зависит от свойств ферромагнитовязкого вещества, определяемых безразмерным коэффициентом ξ, и соответствует максимуму магнитной восприимчивости χmax(H)=μmax-1 последнего, при этом в диапазоне Н*≤Н≤Нmax соблюдается условие dχ/dH<0, а величина дифференциала силы dF(x) для дифференциала объема Sdx ферромагнитного вещества (здесь S - площадь сечения кромки ферромагнитного диска, помещенной в насыщающее магнитное поле) равна:According to another hypothesis, the occurrence of a force is explained by the effect of the inversion of the spin states of electrons of a ferromagnetically viscous substance moving at a speed V in a saturating magnetic field with intensity Н max , consisting in the appearance of an exponentially decreasing force F (t) = F 0 exp (-t / τ) with a magnetic time constant viscosity τ, the vector which is orthogonal to the vector of the saturating magnetic field and mainly to rotating vectors of spin magnetic moments of the electrons s M group ferromagnitovyazkogo substances towards external saturating vector agnitnogo field, whereby this group of electrons forms macroscopic aggregate force applied to ferromagnitovyazkomu substance from saturating magnetic field, the size of the group of electrons is determined by the probability factor β = 1-exp [(H max -H *) / H *] as a the ratio of the excess of the saturation magnetic field strength H max over a certain threshold level H * to the value of this threshold level, the value of which depends on the properties of a ferromagnetically viscous substance, determined by the dimensionless coefficient ξ, and corresponds to the maximum magnetic susceptibility χ max (H) = μ max -1 of the latter, while the condition dχ / dH <0 is met in the range H * ≤H≤H max , and the force differential dF (x) for the volume differential Sdx of the ferromagnetic substance ( here S is the cross-sectional area of the edge of the ferromagnetic disk placed in a saturating magnetic field) is equal to:
где μБ=(μоeh/4π mо)=1,165·10-29 м.В.с - магнетон Бора, cэл=ρ NA/А - концентрация электронов в единице объема ферромагнитовязкого вещества (ρ - плотность вещества, NA=6,02·10-23 моль-1 - число Авогадро, А - молекулярный вес), α=L/V τ (здесь L - длина магнитного зазора, вдоль которого проходит дифференциальный объем ферромагнитовязкого вещества в насыщающем магнитном поле Нmax) - безразмерный коэффициент энергетической эффективности, χ(х) - мгновенная восприимчивость движущегося ферромагнитного вещества (его дифференциального объема Sdx) в насыщающем магнитном поле вдоль оси х, задаваемая формулой (2) с учетом связи dx=V dt, G(x)=1-(2х/L) - весовая функция магнитного взаимодействия, V - скорость движения объема S dx ферромагнетика в магнитном зазоре.where μ B = (μ о eh / 4π m о ) = 1,165 · 10 -29 m.V.s is the Bohr magneton, with el = ρ N A / A is the electron concentration per unit volume of a ferromagnetically viscous substance (ρ is the density of the substance, N A = 6.02 · 10 -23 mol -1 is the Avogadro number, A is the molecular weight), α = L / V τ (here L is the length of the magnetic gap along which the differential volume of the ferromagnetically viscous substance passes in a saturating magnetic field, N max ) is the dimensionless coefficient of energy efficiency, χ (x) is the instantaneous susceptibility of a moving ferromagnetic substance (its differential volume Sdx) in a saturating magnetic ohm field along the x axis, defined by formula (2), taking into account the relation dx = V dt, G (x) = 1- (2х / L) is the weight function of the magnetic interaction, V is the velocity of the volume S dx of the ferromagnet in the magnetic gap.
При этом важно отметить, что коэффициент α энергетической эффективности определяется связью между постоянной магнитной вязкости τ и временем Δt пребывания дифференциального объема ферромагнитовязкого вещества в насыщающем магнитном поле. Теоретически значение этого коэффициента произвольно, то есть α изменяется в пределах 0≤α≤∞, однако в соответствии с (2) и (4) легко понять, что результирующая сила ΔF∑→0 для крайних пределов коэффициента α и максимальна при значении α=2,8059, что видно из представленной кривой на фиг.6 для относительного вращательного момента, полученной интегрированием функции (8) при варьируемых параметрах коэффициента α, а само оптимальное значение α получено расчетом на персональном компьютере с использованием программы Windows Office Excel.It is important to note that the energy efficiency coefficient α is determined by the relationship between the constant magnetic viscosity τ and the residence time Δt of the differential volume of a ferromagnetically viscous substance in a saturating magnetic field. Theoretically, the value of this coefficient is arbitrary, that is, α varies in the
В качестве научной гипотезы, объясняющей физическую сущность феномена преобразования энергии магнитного поля постоянного магнита во вращательное движение ферромагнитовязких дисков с точки зрения соблюдения закона сохранения и превращения энергии, можно сослаться на известный в физике магнетокалорический эффект, который состоит в охлаждении ферромагнетика при его адиабатическом размагничивании, что нашло широкое применение в современной криогенной технике при получении инфранизких температур - до десятых и сотых долей градуса абсолютной температурной шкалы Кельвина. Из этого эффекта следует, что намагниченный ферромагнетик имеет меньшую величину запасенной в нем тепловой энергии по сравнению с ненамагниченным, в котором магнитные диполи распределены хаотически в объеме ферромагнитного вещества, причем на величину, соответствующую энергии магнитного поля в намагниченном ферромагнетике. Таким образом, снижение намагниченности ферромагнитовязкого вещества в насыщающем магнитном поле постоянного магнита должно сопровождаться охлаждением ферромагнитовязкого вещества, а восполнение затраченной тепловой энергии осуществляется притоком тепловой энергии из внешней среды практически в неограниченном объеме, так как температура внешней среды всегда может быть больше температуры ферромагнитовязких дисков. Таким образом, никакого нарушения закона сохранения и превращения энергии при этом не происходит.As a scientific hypothesis explaining the physical essence of the phenomenon of conversion of magnetic field energy of a permanent magnet into rotational motion of ferromagnetically viscous disks from the point of view of observing the law of conservation and conversion of energy, we can refer to the magnetocaloric effect known in physics, which consists in cooling a ferromagnet during its adiabatic demagnetization, which has found wide application in modern cryogenic technology in obtaining infra-low temperatures - up to tenths and hundredths of a degree abs lute Kelvin temperature scale. From this effect it follows that a magnetized ferromagnet has a smaller amount of thermal energy stored in it than a non-magnetized one, in which magnetic dipoles are distributed randomly in the volume of a ferromagnetic substance, and by an amount corresponding to the magnetic field energy in a magnetized ferromagnet. Thus, a decrease in the magnetization of a ferromagnetically viscous substance in a saturating magnetic field of a permanent magnet should be accompanied by cooling of the ferromagnetically viscous substance, and the expended heat energy is replenished by the inflow of thermal energy from the external medium in an almost unlimited volume, since the temperature of the external medium can always be higher than the temperature of the ferromagnetically viscous disks. Thus, no violation of the law of conservation and conversion of energy occurs.
Исследование физической сущности происходящих процессов, лежащих в основе работы заявляемого устройства, представляет интерес для физиков-теоретиков, связанных с фундаментальными проблемами магнетизма и исследованием микроструктуры ферромагнитовязкого вещества, широко применяемого в различных технических приборах и элементах радиотехнических устройств.The study of the physical nature of the processes that underlie the operation of the claimed device is of interest to theoretical physicists associated with the fundamental problems of magnetism and the study of the microstructure of a ferromagnetically viscous substance, widely used in various technical devices and elements of electronic devices.
ЛитератураLiterature
1. Меньших О.Ф. Устройство автоматической подстройки частоты, Авт. свид. СССР №322131, 328828. М., 1970.1. Smaller O.F. Automatic frequency control device, Aut. testimonial. USSR No. 322131, 328828. M., 1970.
2. Преображенский А.А., Биширд Е.Г. Магнитные материалы и элементы, 3 изд. М., 1986.2. Preobrazhensky A.A., Bishird E.G. Magnetic Materials and Elements, 3rd ed. M., 1986.
3. Февралева И.Е. Магнитотвердые материалы и постоянные магниты. К., 1969.3. Fevraleva I.E. Hard magnetic materials and permanent magnets. K., 1969.
4. Постоянные магниты. Справочник. М., 1971.4. Permanent magnets. Directory. M., 1971.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007112212/28A RU2338216C1 (en) | 2007-04-02 | 2007-04-02 | Device for magnetic viscosity measurement in ferromagnets |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007112212/28A RU2338216C1 (en) | 2007-04-02 | 2007-04-02 | Device for magnetic viscosity measurement in ferromagnets |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2338216C1 true RU2338216C1 (en) | 2008-11-10 |
Family
ID=40230433
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007112212/28A RU2338216C1 (en) | 2007-04-02 | 2007-04-02 | Device for magnetic viscosity measurement in ferromagnets |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2338216C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2451945C1 (en) * | 2011-02-02 | 2012-05-27 | Олег Фёдорович Меньших | Method of measuring magnetic viscosity of ferromagnetic materials |
| RU2462730C1 (en) * | 2011-01-24 | 2012-09-27 | Олег Фёдорович Меньших | Device for measuring magnetic viscosity of ferromagnetic materials |
| RU2488840C1 (en) * | 2012-06-19 | 2013-07-27 | Олег Фёдорович Меньших | Device for checking magnetic viscosity of ferromagnetic materials |
-
2007
- 2007-04-02 RU RU2007112212/28A patent/RU2338216C1/en active
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2462730C1 (en) * | 2011-01-24 | 2012-09-27 | Олег Фёдорович Меньших | Device for measuring magnetic viscosity of ferromagnetic materials |
| RU2451945C1 (en) * | 2011-02-02 | 2012-05-27 | Олег Фёдорович Меньших | Method of measuring magnetic viscosity of ferromagnetic materials |
| RU2488840C1 (en) * | 2012-06-19 | 2013-07-27 | Олег Фёдорович Меньших | Device for checking magnetic viscosity of ferromagnetic materials |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Qin et al. | Calculation of the hysteretic force between a superconductor and a magnet | |
| Melle et al. | Polarizable particle aggregation under rotating magnetic fields using scattering dichroism | |
| RU2338216C1 (en) | Device for magnetic viscosity measurement in ferromagnets | |
| Oh et al. | Analysis of electromotive force characteristics and device implementation for ferrofluid based energy harvesting system | |
| Cansiz et al. | The design considerations for a superconducting magnetic bearing system | |
| Cansiz et al. | An effective noncontact torque mechanism and design considerations for an evershed-type superconducting magnetic bearing system | |
| Kim | Analysis of electromotive force characteristics for electromagnetic energy harvester using ferrofluid | |
| Samanta et al. | On the evolution of passive magnetic bearings | |
| Han et al. | Charging characteristics of rotary HTS flux pump with several superconducting wires | |
| Takebuchi et al. | Reduction of vibration amplitude in vibration-type electricity generator using magnetic wire | |
| Sakai et al. | Effect of the magnetic configuration on the rotational motion in the attractive-type HTS-permanent magnet hybrid bearing | |
| Koelmans et al. | Electrohydrodynamic flow in nematic liquid crystals | |
| RU2332778C1 (en) | Method of energy generation and related device | |
| RU2309527C2 (en) | Ferro-magneto-viscous rotator | |
| RU2368073C2 (en) | Device for stabilising generator frequency | |
| RU2542711C1 (en) | Stabilised alternating-current generator | |
| RU2444802C1 (en) | Device of automatic control of power generator | |
| RU2325754C1 (en) | Magnetoviscous rotator | |
| RU2467464C1 (en) | Instrument for measurement of spectrum of induction signal in magnetically linked system | |
| RU2359397C1 (en) | Magneto-parametric generator | |
| RU2561143C1 (en) | Bridge diagram for check of rotational magnetodynamic effect | |
| Großer et al. | Damping of the oscillations of a permanent magnet levitating between high‐T c superconductors | |
| Hull | Using high-temperature superconductors for levitation applications | |
| RU2537051C1 (en) | Device to inspect magnetic engagement | |
| RU2539290C2 (en) | Magnetic friction study device |