книги из ГПНТБ / Миловзоров, В. П. Электромагнитные устройства автоматики учебник

а)

Из (8.8) легко получить аналитическое выражение для постоянной

Если напряженность поля перемагничивающей обмотки после

скачка остается неизменной и равной Н т, то выражение (8.11) можно записать так:

180

а из (8,4) найти максимальное значение производной dß/dt при В — 0. Эго значение определяет максимум э. д. с., наводимой в измеритель­ ной или любой другой обмотке,

< Я,.р наблюдается отклонение экспериментальных данных от прямо­ линейного закона, которое можно объяснить перечисленными ранее причинами (см. стр. 178).

Располагая экспериментально снятыми характеристиками (8.16)

а Я0 равно отрезку, отсекаемому на оси напряженностей (рис. 8.4, б) продолжением прямой, которая соответствует уравнению (8.17).

Характер зависимости (8.17) для всех ферритов с прямоугольной петлей гистерезиса, используемых в магнитных логических элемен­ тах, дает возможность считать, что импульсные характеристики сер­ дечников не изменяются при любых формах перемагничивающих импульсов напряженности, если выполняется условие Я т > Я гр. Э тот вывод подтвержден экспериментами [2.4].

При Нт<^Нѵр параметры гт и Sw считают не постоянными, как при Нт^> Hfр, а зависящими от конкретного диапазона напряженностей, при котором работает сердечник. Эти параметры находят по (8.18) после аппроксимации им­

пульсных характеристик прямыми линиями на том или ином участке.

или взять из экспериментально снятой импульсной характеристики Q = / (т), приведенной на рис. 8.4, в [2.4].

В ряде случаев следует знать связь между средним и максималь­ ным значениями выходного напряжения. Ее можно оценить по коэффи­ циенту формы

* Здесь и в дальнейшем полный импульс поля обозначен Q (без индекса) и назван просто импульсом поля.

181

ритовых сердечников имеет величину порядка 0,55^-0,65, что хорошо согласуется с формулой (8.22) для значений а, равных 0,87-^0,93.

Выражения (8.16) и (8.17) отличаются только коэффициентом про­ порциональности, который можно найти, используя коэффициент формы £ф. Располагая характеристикой 1/т = / (# т ), легко опреде­ лить, например, амплитуду напряжения, которое наведется в обмотке с числом витков w, намотанной на сердечнике сечением s с остаточной

Качество работы сердечника в цифровом устройстве во многом оп­ ределяется величиной отношения импульса э. д. с., наводящегося при считывании 1, к импульсу э. д. с. помехи (при считывании 0).

Для оценки этого отношения под руководством В. В. Бардижа были проведены исследования ферритовых сердечников с помощью специального генератора прямоугольных импульсов, обеспечивающе­ го программу импульсов (см. рис. 8.2, б) [2.1]. Данная программа создает два считывающих импульса одной полярности и один импульс записи обратной полярности. От воздействия первого импульса в из­ мерительной обмотке наводится полезный сигнал Ulm, от воздействия второго — сигнал помехи U0m, а третьим импульсом сердечник воз­ вращается в исходное состояние + В Г. Задние фронты импульсов тока создают между указанными импульсами напряжения проме­ жуточные импульсы, близкие по величине к импульсу помехи (см.

рис. 8.2, б).

182

Для этого коэффициента можно получить приближенное аналитическое вы­ ражение.

Если менять Нт в импульсной программе, то при Нт > Нгр зависимость Ulm будет близка к (8.23):

в которой 1/т заменено согласно (8.17).

Будем считать прямолинейным «насыщенный» участок петли, т. е. примем

где ps — возвратная магнитная проницаемость насыщенного участка петли гис­ терезиса.

Изменение индукции на этом участке при использовании в вычислительной технике импульсов тока микросекупдного диапазона происходит за время на­ растания импульса тока в перемагничивающей обмотке, т. е. за время фронта импульса Тф. При этом напряжение Uom будет связано с напряженностью Нт выражением

Выражение (8.28) является уравнением гиперболы. При увеличении Нт зна­ чения 1І асимптотически приближаются к величине, стоящей перед скобкой. Из (8.28) видно, что на П существенно влияет Тф. Причем повышение степени прямоуголыюсти считывающего импульса нежелательно, так как с уменьшением Тф уменьшается и П за счет возрастания сигнала помехи Uam. На рис. 8.4, г при­ ведены экспериментальные зависимости Ulm, Uom и П от Нт\ там же пунктиром нанесены расчетные кривые, соответствующие выражениям (8.25), (8.27) и (8.28). В табл. 8.1 даны характеристики некоторых сердечников с прямоугольной пет­ лей гистерезиса [4 и 2.1].

П р и м е ч а н и е . Цифры в обозначениях ферритов ВТ приблизительно соответ­ ствуют напряженности в эрстедах (э); однако эти обозначения нельзя признать удач­ ными в связи с переходом на систему СИ, где напряженность измеряется в амперах на метр (а/м).

Наиболее полные сведения о ферритах отечественных марок даны в [2.19].

183

§ 8.3. ОСОБЕННОСТИ МАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МИКРОННЫХ СЕРДЕЧНИКОВ

Высокие значения индукции насыщения у пермаллоев и большая, чем у ферритов, стабильность магнитных параметров при изменении температуры обусловливали попытки применения железоникелевых сплавов в вычислительных и управляющих машинах. Однако на сер­ дечники из пермаллоя толщиной в десятые доли миллиметра на часто­ тах в сотни килогерц значительно влияют вихревые токи, сильно за­ тягивающие процесс перемагничивания. Эту проблему решили, создав

о ] z 3 ънт,а1см В)

Рис. 8.5. Характеристики микронного и ферритового сер­ дечников:

о — температурные: б — 1/т-/(Н т); в — r—ЦВ); г — В - /(Од)

м и к р о н н ы е с е р д е ч н и к и , навитые из ленты толщиной от нескольких мкм (микрон) до десятков мкм. Для микронных сердеч­ ников используют сплавы 79НМ, 77НМД и реже 34НКМП и 50НП.

Коэффициент прямоуголыюсти а, равный отношению индукций Вг/Вт, стро­ го говоря, зависит от напряженности Нт, с увеличением которой увеличивается Вт. Для сравнительной оценки статических свойств сплавов, особенно сильно

Величины ВГ и ps значительно меньше изменяются при изменении Нт, по­ этому ßn лучше отражает степень прямоугольности материала. По величине ßn можно также приближенно оценить некоторые импульсные свойства сердечни­ ков.

Микронные сердечники по сравнению с ферритовыми обладают в несколько раз большей индукцией ВТ. Однако значения ßn у тех и других близки, так как

184

ps у ферритовых сердечников значительно меньше, чем у микронных. Поэтому качество работы в логических схемах микронных сердечников, например, из пермаллоя 79НМ и ферритовых сердечников 0,16 ВТ приблизительно одинаково.

На рис. 8.5, а представлены относительные изменения Нс и S w в зависимости от температуры сплошными линиями для мик­ ронного сердечника из сплава 79НМ и пунктирными для ферритового 0,7ВТ. Следует особо отметить высокую стабильность постоянной перемагничивания S w у микронных сердечников, обеспечивающих ста­ бильность времени перемагничивания при изменениях температуры.

Время перемагничивания т связано с напряженностью поля Н т для микронных сердечников той же зависимостью (8.15), что и для фер­ ритовых. Порядок величины при этом одинаков, что иллюстрируется на рис. 8.5, б примерным совпадением сплошных линий для пермаллоя 79НМ (различной толщины ленты от двух до пяти мкм) и пунктирной линии для феррита 0,16ВТ. При этом на рис. 8.5, б видно влияние поверхностного эффекта — постоянная перемагничивания с возраста­ нием толщины ленты увеличивается.

Исследования [4] подтвердили справедливость уравнения (8.2) и для микронных сердечников, но зависимость приведенного динами­ ческого сопротивления от индукции для них отличается от параболи­ ческой (рис. 8.5, в). Это отличие возрастает по мере увеличения тол­ щины ленты. Влияние поверхностного эффекта искажает и зависи­ мость индукции от импульса поля (рис. 8.5, г), что свидетельствует о замедлении процесса перемагничивания по мере утолщения ленты при прочих равных условиях.

§ 8.4. ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЕ ИЗ ПРОИЗВОЛЬНОГО МАГНИТНОГО СОСТОЯНИЯ

В отдельных случаях для выполнения элементов на сердечниках, работающих по частным циклам, необходимо рассчитывать процессы намагничивания из произвольного магнитного состояния, а не из со­ стояния, соответствующего точке —В г.

Исследования намагничивания из произвольного начального со­ стояния В н показали [4], что его можно рассматривать так же, как и перемагничивание по полному циклу, но не относительно начала коор­ динат, а относительно центра частного цикла, лежащего в точке В0

(рис. 8.6, а);

(8.30)

Если индукцию неперемагниченной части сердечников обозна­ чить В', то уравнение динамического равновесия (8.4) можно записать так:

185

Это позволяет для Н т > Ягр записать уравнение (8.31) в системе координат, связанной с предельным циклом:

где приведенное динамическое сопротивление имеет вид

Рис. 8.6. К выводу уравнения вязкости при перемагничивании из произвольного магнитного состояния (вместо В!В\ считать BJBS)

Парабола, соответствующая этому выражению, и результаты экспе­ римента при перемагничивании сердечника из феррита с прямоуголь­ ной петлей гистерезиса из начального состояния, лежащего между точками —Вг и В = 0, приведены на рис. 8.6, б.

Из (8.34) видно, что максимальное динамическое сопротивление линейно зависит от В0 (рис. 8.6, б):

Путем интегрирования уравнения (8.33) получим выражение для динамической характеристики В (Qn) при намагничивании из на­ чального состояния Ва:

186

§8.5. НАГРЕВ СЕРДЕЧНИКОВ ПРИ ПЕРЕМАГНИЧИВЛНИИ

ИПРЕДЕЛЬНАЯ ЧАСТОТА РАБОТЫ

При частотах перемагничивания в сотни килогерц происходит нагрев сердечников. На рис. 8.5, а показаны изменения Я с и Sw для ферритового и микронного сердечников в зависимости от темпера­ туры. Изменение магнитных характеристик вызывает изменение ве­ личин полезного сигнала и помехи и может привести к неправильной работе схемы с магнитными элементами.

Температуру нагрева сердечников приближенно можно опреде­ лить, учитывая количество тепла, выделяемое в сердечнике и обмотке, поверхность охлаждения и коэффициент теплопередачи. Тепло, выде­ ляемое в обмотках сердечника, как правило, невелико; основным ис­ точником тепла являются потери на перемагничивание сердечника.

Средняя мощность, затрачиваемая на перемагничивание сердеч­

(см. рис. 8.1), что за один полуцикл сердечник перемагничивается от

— В г до - ) г В т та -fB r , а за другой — от -fß r до — В т та — В г и при­ нимая перемагничивающее поле симметричным с Я,„ та const, получим

где V — объем сердечника.

Если исходя из условий нагрева задать допустимую мощность Раоа, которую может отвести в окружающую среду сердечник данных габаритов, легко определить минимальное время перемагничивания тіп1п, а значит, и предельную частоту работы схемы 15J. Раскрывая скоб­ ки в (8.40), получим квадратное уравнение относительно тп)1п:

187

откуда

где ат — коэффициент теплоотдачи, равный для сердечников в зави­ симости от условий охлаждения по данным [4 и 2.41 0,002 -+-

где D, d и h — соответственно внешний и внутренний диаметры и вы­ сота сердечника.

Улучшая отвод тепла путем погружения сердечников в трансфор­ маторное масло или обдува воздухом, можно в несколько раз повы­ сить коэффициент теплоотдачи итем самым повысить предельную с точ­ ки зрения нагрева частоту работы схемы.

Параметры феррита при расчете нужно брать для максимальной температуры, до которой будет нагреваться сердечник. Например, при температуре окружающей среды 30° С и допустимом превышении АѲ = 40° С параметры феррита должны быть взяты при температуре

70° С.

Tmin = 1,28-1,35.10-« +

+ у (1,28 -1,35 - ІО-6)2 + 2-0,46-10_6- 1,3510~e =3,78-10-« сек

188

§8.6. РАСЧЕТ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ

ВИМПУЛЬСНЫХ ЦЕПЯХ С ФЕРРОМАГНИТНЫМИ СЕРДЕЧНИКАМИ

Как указывалось в § 8.2, характеристика В (Qn) позволяет анали­ зировать процесс перемагничивания ферромагнитного сердечника. Рассмотрим использование этой характеристики для расчета переход­ ного процесса перемагничивания сердечника (рис. 8.7, а) при питании его обмотки w от источника тока произвольной формы (рис. 8.7, б), но при условии, что напряженность, создаваемая этим током, больше Ягр. При этом условии характеристика В (фд) достаточно хороню

Рис. 8.7. Перемагничивание сердечника при питании от ис­ точника тока произвольной формы:

о —схема; б— форма тока и напряжения; в — графические по­ строения

описывается выражением (8.9) и при известных параметрах сердечни­ ков rm, Bs, Вг, Н0 и S w может быть построена в первом квадранте

(рис. 8.7, в).

Задаваясь рядом моментов времени th по кривой і (/) и известным

По известному для данного сердечника значению постоянной пере­ магничивания Sw путем построения можно легко найти время пол­ ного перемагничивания т, а по кривым Qa (t) и В (<2Д) — зависимость

В (/).

189