Результат интеллектуальной деятельности: Способ измерения ВН-характеристик постоянных магнитов

Изобретение относится к магнитным измерениям и предназначено для измерения ВН-характеристик постоянных магнитов.

Известен способ регистрации гистерезисной петли (патент RU № 2376610, опубл. 20.12.2009, МПК G01R 33/14), заключающийся в подаче периодического сигнала возбуждения сложной формы, содержащего высокочастотную и низкочастотную составляющие, на намагничивающую обмотку, регистрацию сигнала напряженности магнитного поля, пропорционального току намагничивающей обмотки, регистрацию сигнала индукции, пропорционального интегралу электродвижущей силы (ЭДС) измерительной обмотки. Особенность способа в том, что сигнал возбуждения сложной формы формируют так, что внутри цикла полного перемагничивания он меняет знак только один раз, уточняют регистрируемый сигнал напряженности магнитного поля вычитанием из него сигнала ЭДС с коэффициентом пропорциональности, величину которого подстраивают наблюдением за регистрируемой петлей гистерезиса так, чтобы петля имела монотонную форму без чередования участков выпуклости и вогнутости.

К недостаткам относится то, что способ требует присутствия наблюдателя-корректировщика, либо автомата, сглаживающего участки, измеренные с большими отклонениями от гистерезисной формы. Вместе с необходимостью интегрировать измеренный сигнал, это дает значительные погрешности.

Известен способ определения кривой намагничивания ферромагнитного материала (патент RU № 2293344, опубл. 14.11.2005, МПК G01R 33/14), заключающийся в том, что образец материала в виде цилиндрического стержня с известной относительной длиной намагничивают в однородном стороннем магнитном поле напряженностью Н_е, по направлению совпадающем с осью тела, измеряют суммарную магнитную индукцию В в центральном сечении тела и строят зависимость В(Н_e), определяют напряженность «внутреннего поля» по формуле H_i, и затем определяют искомую кривую намагничивания материала В(H_i). При этом намагничивание ведут до магнитного насыщения материала, по измеренной зависимости В(Н_e) определяют индукцию поля магнетика, соответствующую насыщению материала В_мs и намагниченность насыщения M_s, при заданных значениях В определяют относительную магнитную индукцию b, а в качестве коэффициента размагничивания выбирают центральный коэффициент размагничивания N_ц цилиндрического стержня, который определяют с использованием семейства градировочных зависимостей коэффициентов N_ц, или их приведенных значений n = N_ц/N₀, от b при заданных значениях λ.

К недостаткам относится то, что в основе способа лежит операция интегрирования сигнала с индукционных датчиков, что ухудшает точностные параметры.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранная в качестве прототипа технология контроля параметров постоянного магнита, описанная в патенте RU 185424 U1 «Технологический коэрцитиметр магнитных гистерезисных параметров», опубл. 04.12.2018, МПК G01R 33/14, которую реализуют в разомкнутой цепи при воздействии на постоянный магнит импульсного двухполярного магнитного поля, создаваемого путем разряда емкостного накопителя энергии на индуктор, оснащенный системой индукционных датчиков.

Система датчиков индукционного типа выделяет сигналы, пропорциональные: намагниченности постоянного магнита M(t), индукции B(t) и напряженности магнитного поля H(t).

В результате воздействия двухполярного импульсного магнитного поля в рабочей зоне индуктора происходит перемагничивание постоянного магнита. Амплитуда и форма электрических сигналов, индуцированных в датчиках, зависят от величины напряженности поля и свойств контролируемого магнита.

Результаты опыта обрабатываются с использованием программного обеспечения на основе решения системы параметрических уравнений, имеющей вид:

где – напряженность магнитного поля в точке Q; – намагниченность магнита в точке P; – нормаль к поверхности S в точке интегрирования; – радиус-вектор, соединяющий точки P и Q; – напряженность внешнего магнитного поля; – функция, описывающая кривую размагничивания; ρ – весовая функция измерительной катушки; – экспериментально полученная зависимость потока поля магнита в измерительной катушке от напряжённости внешнего поля.

По результатам опыта выполняется построение кривых перемагничивания постоянного магнита.

К недостаткам прототипа относится то, что в основе способа измерения лежит операция интегрирования, что дает значительные погрешности измерения.

Задача изобретения - повышение точности измерения BH-характеристик постоянных магнитов за счёт измерения изменяющихся во времени напряжения, приложенного к индуктору, и тока, протекающего в нем, а также использования программного обеспечения, рассчитывающего математическую модель намагничивающей системы и магнита в виде системы параметрических уравнений, позволяющего применять датчики напряжения и тока.

Указанная задача решается за счёт того, что способ измерения ВН-характеристик постоянных магнитов, заключающийся в определении магнитной индукции и напряжённости магнитного поля в разомкнутой цепи при воздействии на постоянный магнит импульсного двухполярного магнитного поля, создаваемого путем разряда емкостного накопителя энергии на индуктор, оснащенный системой датчиков, сигналы с выхода которой оцифровывают и обрабатывают программным обеспечением с возможностью решения системы параметрических уравнений, по результатам работы которого выполняют построение кривых перемагничивания постоянного магнита, причем системой датчиков измеряют изменяющиеся во времени напряжение, приложенное к индуктору, и ток, протекающий в нем, значения которых оцифровывают и обрабатывают программным обеспечением с возможностью решения системы параметрических уравнений вида:

(1)

где u_р(t) – зависимость от времени напряжения, приложенного к индуктору, полученное в результате решения системы параметрических уравнений;

i(t) – зависимость от времени тока, протекающего в индукторе;

R – активное сопротивление индуктора;

Ф(t) – зависимость магнитного потока, пронизывающего постоянный магнит, от тока в индукторе;

p ₁, p₂, …, p_k – параметры, определяющие форму зависимости Ф(t);

k – количество учитываемых параметров;

H(t) – зависимость от времени напряженности магнитного поля, создаваемое индуктором;

w – количество витков в индукторе;

l – длина индуктора;

B(t) – зависимость индукции магнитного поля в постоянном магните от времени;

S – площадь сечения постоянного магнита;

вместе с тем, программное обеспечение производит аппроксимацию методом разложения в ряд Фурье-Бесселя зависимостей от времени напряжений: измеренного u(t) и u_р(t), рассчитанного системой параметрических уравнений, и определяет уровень различия между зависимостями u_р(t) и u(t) по неравенству

(2)

где n – количество учитываемых членов при разложении в ряд Фурье-Бесселя;

x – количество моментов времени, в которые происходит расчёт координат точек;

J ₀(t) – функция Бесселя нулевого порядка;

– положительные нули функции Бесселя нулевого порядка, пронумерованные в порядке их возрастания от 1 до n;

δ – относительная погрешность измерения напряжения на индукторе, в процентах;

y – номер точки;

a_m и a_рт – коэффициенты ряда Фурье-Бесселя, полученные в ходе разложения u(t) и u_р(t) с помощью выражения

(3)

где Δt – шаг дискретизации;

если неравенство не выполняется, то изменяются параметры p₁, p₂, … p_k, определяющие форму зависимости Ф(t), вычисляемые при помощи итерационного алгоритма, например Нелдера-Мида, после чего вновь определяется полученное в результате решения системы параметрических уравнений (1) напряжение u_р(t), если же неравенство выполняется, то BH характеристика постоянного магнита, полученная в результате решения системы параметрических уравнений (1), считается измеренной в виде выражения:

B = f (H).

На Фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого способа.

На Фиг. 2 показана форма измеряемых зависимостей напряжения u и тока i на индукторе от времени t.

На Фиг. 3 представлена функция Бесселя нулевого порядка.

В ходе разряда емкостного накопителя на индуктор, внутри которого расположен постоянный магнит, подаётся двухполярный импульс тока.

Измеряют зависимости напряжения u и тока i на индукторе от времени t.

Измеренная зависимость i(t) поступает на вход математической модели, представляющей собой систему параметрических уравнений (1), на выходе которой определяется зависимость u_р(t).

Производится аппроксимация зависимостей u(t) и u_р(t) методом разложения в ряд Фурье-Бесселя. Функция Бесселя J_ν(x) применяется для разложения в ряд Фурье-Бесселя с возможностью находить коэффициенты и имеет вид:

где ν – порядок функции; k – количество учитываемых слагаемых.

Разложение в ряд Фурье-Бесселя функций u(t) и u_р(t) имеет вид:

Затем рассчитывается уровень различий между измеренной характеристикой u(t) и рассчитанной характеристикой u_р(t), полученной в результате решения системы параметрических уравнений (1). Для этого высчитывается функционал (2), который численно характеризует различие между двумя характеристиками.

Если неравенство не выполняется, то блоком вычисления изменяются параметры p₁, p₂, … p_k, определяющие форму зависимости Ф(t), вычисляемые при помощи итерационного алгоритма, например Нелдера-Мида, после чего вновь определяется полученное в результате решения системы параметрических уравнений напряжение u_р(t), если же неравенство выполняется, то магнитную характеристику постоянного магнита, полученную в результате решения системы параметрических уравнений (1), считают измеренной в виде выражения:

B = f (H),

и выводят в виде графика.

Таким образом, использование датчиков, измеряющих напряжение, приложенное к индуктору, и ток, протекающий в нем, а также применение программного обеспечения, включающего в себя математическую модель намагничивающей системы и магнита в виде системы параметрических уравнений, позволяет избежать накопления ошибки, что улучшает точность измерения ВН-характеристик.