УДК 620.179.14
УСТАНОВКА ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ДИНАМИЧЕСКОЙ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ ВО ВРАЩАЮЩИХСЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ
В.Ф. Тиунов
Описан принцип действия установки для наблюдения и регистрации вида доменной структуры (ДС) ферромагнетиков, перемагничиваемых во вращающихся магнитных полях. Она позволяет надежно фиксировать вид доменной структуры ферромагнетиков на единичных циклах перемагничивания в интервале частот 20—400 Гц и в области индукций 0,25— 2,0 Тл. Наблюдаемые особенности перестройки ДС в образцах анизотропной электротехнической стали позволили целенаправленно найти пути снижения уровня ее магнитных потерь во вращающихся магнитных полях и тем самым значительно улучшить ее функциональные характеристики.
Ключевые слова: неразрушающие методы контроля, ферромагнетики, вращательное пе-ремагничивание, магнитные потери, доменная структура.
Одной из важнейших характеристик электротехнических сталей, определяющих их качество, является величина удельных магнитных потерь на перемагничивание (значение магнитных потерь, приходящееся на единицу массы магнитопровода). Особенно велик уровень магнитных потерь во вращающемся магнитном поле, вектор магнитной индукции которого В по величине не меняется, но непрерывно вращается с постоянной угловой скоростью ю = 2%f, где f — частота вращения поля. В таком режиме перемаг-ничиваются сердечники электродвигателей и генераторов всевозможного назначения. Возникающие при этом потери превышают в 7—12 раз уровень их значений, измеренных в магнитопроводах, перемагничиваемых в линейно-поляризованных магнитных полях (при неизменной индукции Вт и частоте f [1, 2]. Это показывает, что выявление механизма формирования магнитных потерь при вращательном перемагничивании и снижение их величины представляют не только научный, но и значительный практический интерес. В [3—5] установлено, что уровень потерь и их поведение во вращающихся полях в значительной мере определяются видом доменной структуры ДС и особенностями ее изменения при динамическом перемагничивании образцов железокремнистых сплавов. При этом были выявлены многие особенности ее изменения, объясняющие причину появления аномально высоких значений потерь и их немонотонного изменения от величины индукции при вращательном перемагничивании образцов железокремнистых сплавов.
Отметим, что эти исследования удалось провести благодаря разработанной методике регистрации вида ДС образцов ферромагнитных сплавов, перемагничиваемых во вращающихся магнитных полях. Данная методика наблюдения ДС во вращающихся магнитных полях не требует специализированной аппаратуры и позволяет регистрировать вид ДС на единичных циклах перемагничивания в широком интервале изменения индукции от 0,25 до 2,0 Тл и частот перемагничивания 10—400 Гц.
Рассмотрим основные узлы установки для выявления ДС и регистрации ее вида при различных ориентациях вращающегося магнитного поля относительно образца. На рис. 1 приведена блок-схема данной установки. Исследуемый образец 1 в виде диска (диаметром 10—28 мм) помещается во вращающееся магнитное поле, создаваемое парой С-образных электромагнитов 2,2' и 3,3' (более детально один из электромагнитов приведен рис. 1в). Магнитопроводы располагали друг к другу под углом л/2, а намаг-
Валерий Федорович Тиунов, доктор физ.-мат. наук, ведущий научный сотрудник лаборатории микромагнетизма Института физики металлов УрО РАН. Тел. 378-36-81. E-mail: tiunov@imp.uran.ru
ничивающие обмотки (обозначены черными прямоугольниками) включали через фазосдвигающий конденсатор 4 (С = 28 мкф) к усилителю мощности 5, на который поступал синусоидальный сигнал от генератора низкой частоты 6. При таком включении в межполюсном пространстве создается, как известно из [6], вращающееся магнитное поле, индукция которого В пропорциональна намагничивающему току, измеряемому амперметром 7. Частоту вращения поля/измеряли частотомером 8. Как правило, в межполюсном пространстве вращающееся поле имеет эллиптический вид, при котором Вх Ф В , где Вх и В — составляющие магнитной индукции вдоль координатных осей х и у (рис. 1а). Такое несоответствие обусловлено различной величиной магнитной проницаемости магнитопроводов 2,2' и 3,3'. Для преодоления этого затруднения в намагничивающую цепь электромагнита с наибольшей магнитной проницаемостью сердечника включали переменное сопротивление 9. С его помощью добивались равенства компонент магнитного поля Вх и Ву, которое оценивали с помощью плоских измерительных катушек 10, 11. Сигнал от них поступал на входы электронного коммутатора осциллографа 12, на экране которого наблюдались кривые изменения сигналов Е ~ В Е ~ В + л/2). Равенство их ам-
х х У У
плитуд свидетельствовало о том, что в межполюсном пространстве создавалось круговое вращающееся магнитное поле.
б
В
в
В
т
а
в
8
6
5
Рис. 1. Схема установки для исследования доменной структуры образцов: а — компоненты вращающегося магнитного поля; б — электрическая часть; в — оптическая часть
установки (все подробности в тексте).
Доменную структуру образцов выявляли с помощью меридионального керр-эффекта. Оптическая часть установки приведена на рис. 1в. В качестве источника освещения применялся импульсный строботрон типа ИСШ-100 (13), представляющий собой управляемую трехэлектродную лампу. Источник питания 14 позволял работать лампе в двух режимах — стробоскопическом и импульсном. При стробоскопическом режиме проводили настройку оптической части установки на оптимальное качество получаемого изображения поверхности образца 1, при импульсном (режим съемки) — работу лампы синхронизировали изменением направления вектора индукции в относительно положения исследуемого образца. Такое управление позволяет фиксировать вид ДС в любом наперед заданном направлении магнитной индукции.
Рассмотрим работу системы синхронизации. Сигнал с измерительной катушки 15, расположенной в межполюсном пространстве непосредственно под образцом, подавался на внешний запуск генератора ГПИ (16) и на 7-вход осциллографа 12, работающего в режиме внешней развертки. Запуск развертки осуществляли прямоугольным импульсом с выхода генератора ГПИ. Одновременно этот импульс производил поджиг импульсной лампы 13 и
тем самым регистрировался вид ДС образца в определенном направлении поля относительно образца. Последовательно задавая с помощью генератора необходимую временную задержку t между моментом его запуска и моментом появления на выходе прямоугольного импульса, проводили съемку ДС в любой наперед заданной ориентации поля относительно образца. Все сказанное иллюстрируется на рис. 2, на котором приведено изменение сигнала с измерительной катушки E(t) ~ Bsinrat. Начальное положение 1 на этой кривой соответствует моменту запуска генератора ГПИ и исходному направлению магнитной индукции В относительно образца, которое ниже указано стрелкой. Устанавливая время задержки tз с помощью генератора, получали, что выходной запускающий импульс соответствовал по времени как состоянию 2 на кривой E(t), так и новому направлению поля 2. Одновременно с этим в этом направлении поля регистрировали вид ДС. Время задержки определяли отношением t = Tin, где T — период вращения магнитного поля, n — необходимое число кадров на цикл перемагничивания. Обычно при частоте вращения поля f = 50 Гц выбирали n = 20, то есть время задержки было равно t = 1,0 мс. При этом съемку ДС образца осуществляли при временах t = 0, t3l = 1,0; 12 = 2,0 мс., иными словами, в направлениях поля, повернутых последовательно друг за другом на 18°. При этом угловая ошибка не превышала 1,0 % и определялась погрешностью временной задержки генератора прямоугольных импульсов.
Рис. 2. Осциллограммы напряжений на измерительной катушке и выходе генератора
прямоугольных импульсов.
Рассмотрим особенности оптической части установки, которая приведена на рис. 1в. Луч света от лампы 13 проходя поляризатор 17, отражался от поверхности образца 1 и проходил через анализатор 18. Выявленное, таким образом с помощью меридионального керр-эффекта изображение ДС далее через микроскоп (не указан на рисунке) попадало в объектив цифрового аппарата 19. Достаточно большая интенсивность вспышки используемой лампы позволяла получать изображение ДС на образцах диаметром до 20 мм. При этом время экспозиции не превышало 5 мкс и определялось длительностью вспышки импульсной лампы.
Рассмотрим полученные результаты. На рис. 3 приведен вид ДС одного из образцов Бе — 3 % (толщина й = 0,10 мм), перемагничиваемого во вращающемся поле с частотой / = 50 Гц и индукцией В = 1,5 Тл. Для краткости иллюстрации здесь приведены только 3 фотографии (из 20), отражающих вид ДС при трех разных углах поворота индукции В относительно оси легкого намагничивания образца [001] на угол а. Первый кадр получен при а = 0°, второй — при а = 90° и, наконец, последний — при а = 180°. Из полученных таким образом фотографий можно проследить за
3 Дефектоскопия, № 5, 2014
изменением ДС в течение полного цикла перемагничивания. На рис. 4 приведены зависимости изменения положения нескольких 180-градусных границ на поверхности образца за цикл перемагничивания. Эти графики получены путем планиметрирования положения границ на поверхности образца по изображениям ДС, полученным при разных ориентациях поля относительно оси [001]. Видно, что исследованные 180-градусные границы совершают синусоидальные, синфазные колебания. При этом движение наблюдаемых границ идет неоднородно, поскольку амплитуды различных границ существенно отличаются друг от друга. Рассмотренные особенности смещения доменных границ позволили объяснить некоторые закономерности изменения магнитных потерь на образцах из железокремнистых сплавов Fe — 3 % Si, перемагничиваемых во вращающихся магнитных полях. На основе этих исследований найдены эффективные подходы снижения магнитных потерь железокремнистых сплавов, перемагничиваемых во вращающихся магнитных полях. Одними из таких способов являются оптимизация толщины листа электротехнической стали и термомагнитная обработка ее в переменном линейно-поляризованном поле.
Таким образом, в работе предло
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.