§ 3.5. Примеры использования постоянных магнитов

Вакуумные приборы с движением электронов в магнитном поле. Их работа основана на передаче электронами приобретенной в постоянном электрическом поле энергии переменному электромагнитному полю (характерный интервал частот 108…1011 Гц). В зависимости от ориентации постоянных электрического и магнитного полей можно выделить два типа таких приборов: М-тип и О-тип.

Вприборах М-типа (магнетронного типа) присутствуют скрещенные (взаимно-перпендикулярные) постоянное электрическое поле и постоянное магнитное поле. В приборах О-типа постоянное магнитное поле отсутствует или применяется только для фокусировки электронного потока. Для создания постоянного магнитного поля могут использоваться постоянные магниты.

Траектория заряженных частиц при их движении поперек силовых линий магнитного поля искривляется под действием силы Лоренца. Этот эффект используется при создании различных приборов М-типа, к которым можно отнести:

– генераторы и усилители сигналов (магнетроны, лампы обратной и бегущей волны, клистроны и др.);

– системы на основе самостоятельного магнетронного разряда (магнетронные распылительные системы, вакуумные датчики, вакуумные насосы и др.).

Вприборах М-типа при параллельном расположении электродов (рис. 3.6, а) вектор напряженности электрического поля Е нормален к поверхностям электродов, а вектор индукции магнитного поля В лежит в плоскости, параллельной плоскостям электродов. При цилиндрической конструкции электродов (рис. 3.6, б) вектор напряженности электрического поля Е направлен по радиусу к оси,

авектор В параллелен оси.

Вскрещенных полях электроны подвергаются воздействию силы электрического поля (Fe) и силы магнитного поля (Fм), кото-

где Е – напряженность электрического поля; В – индукция магнитного поля; е – заряд электрона; v – скорость движения электрона.

99

ствия щелями. Электроны, пролетая в области щелей, наводят на них переменное напряжение, создающее электрическое поле напряженностью Е.

Рис. 3.7. Схематичное изображение траекторий движения электронов

вскрещенном электрическом и магнитном полях:

а– при наличии коаксиально расположенных катода и анода;

б– в многорезонаторном магнетроне

Электроны, летящие по траектории А, ускоряются полем Е и возвращаются на катод, что приводит к разогреву последнего. Такие электроны не вызывают колебаний в резонаторах. Электроны, летящие по траектории Б, замедляются полем Е и не имеют энергии, чтобы вернуться на катод. Такие электроны отдают свою энергию резонаторам. В зависимости от времени пролета электронов в электрическом поле щели одного резонатора в последнем формируются колебания электромагнитного поля. Частота таких колебаний зависит от диаметра анода магнетрона, а также от значений индукции магнитного поля и анодного напряжения.

При работе магнетрона в пространстве взаимодействия формируется неоднородное распределение электронного потока (рис. 3.8, а), что вызвано ускорением или замедлением (под действием электрического поля Е) электронов, летящих по разным траекториям. Области с повышенной плотностью электронов вращаются вокруг катода синхронно с изменением высокочастотного электрического поля. При этом они проходят мимо щелей резонаторов в тот момент, когда там действует замедляющее электрическое поле. В свою очередь, области с пониженной плотностью электронов проходят мимо щелей резонаторов в тот момент, когда там действует ускоряющее

101

электрическое поле. В результате происходит преобразование энергии электронов, полученной ими от источника постоянного анодного напряжения, в энергию электромагнитных колебаний в резонаторах. Для отбора энергии колебаний в один из резонаторов вводится виток связи, соединенный с коаксиальной линией.

Рис. 3.8. Принцип работы многорезонаторного магнетрона:

а– распределение плотности электронов; б – сектор анода магнетрона

суказанием направления силовых линий высокочастотного магнитного поля

иполярности высокочастотного напряжения

Благодаря наличию связи между резонаторами энергия отбирается от всех резонаторов. Все резонаторы магнетрона сильно связаны друг с другом вследствие того, что переменный магнитный поток одного резонатора замыкается через соседние резонаторы (рис. 3.8, б). Кроме того, резонаторы соединяют друг с другом посредством проводов, называемых связками.

Изменение индукции магнитного поля и анодного напряжения приводит к соответствующему изменению мощности и длины волны генерируемых колебаний. Для каждой конструкции магнетрона существует значение магнитной индукции, определяющее наибольший коэффициент полезного действия (КПД) устройства, поэтому при создании магнетронов целесообразно использовать постоянные магниты. Мощность электромагнитного излучения (ЭМИ) зависит от анодного напряжения, при повышении которого для сохранения требуемой траектории электронов необходимо повышать индукцию магнитного поля, зависящую от конструкции магнетрона и материала постоянного магнита.

102

Схематичное изображение планарной МРС приведено на рис. 3.10. В камере 1, находящейся под анодным потенциалом, установлен катод 2, изготовленный из распыляемого материала. Между катодом и анодом замыкаются силовые линии электрического поля 3. Постоянные магниты 4 обеспечивают магнитное поле в зоне эрозии катода 5, которая находится в области скрещенных электрического и магнитного полей. Для замыкания силовых линий магнитного поля 6 служит магнитопровод 7.

Рис. 3.10. Планарная МРС: а – схематичное изображение; б – пример исполнения

При работе МРС в вакуумную камеру подается аргон. При включении напряжения, превышающего пороговое значение (оно определяется материалом катода, конструкцией МРС и технологическими параметрами), между катодом и анодом возникает разряд. За счет наличия магнитной ловушки электроны движутся по циклоидам. В процессе этого движения происходят соударения и ионизация атомов аргона. Ионы аргона бомбардируют поверхность катода, что приводит к его распылению.

Магнитная система МРС обычно включает в себя постоянные магниты и полюсные наконечники, создающие магнитное поле заданной конфигурации. Постоянные магниты должны обеспечивать:

–индукцию магнитного поля в диапазоне 0,02…0,15 Тл;

–стабильность магнитной индукции при длительной эксплуа-

тации;

–стойкость к температурным воздействиям;

–коррозионную стойкость при интенсивном водяном охлаждении.

Высокая магнитная индукция и стабильность свойств обеспечиваются магнитами NdFeB, при этом для обеспечения стойкости к

104

температурным воздействиям МРС обычно подвергается прямому водяному охлаждению. В таких условиях эксплуатации проблема повышения коррозионной стойкости постоянных магнитов решается за счет нанесения на их поверхность защитных покрытий (обычно – никелевых).

Вращающиеся электрические машины (ВЭМ) наряду с магни-

топроводом, выполненным из магнитомягкого материала, могут иметь в своей конструкции постоянные магниты, что позволяет уменьшить потери, а также (при полюсах, расположенных на роторе) устранить подвод тока через коллекторные устройства к обмотке возбуждения.

В основном для изготовления ВЭМ применяются сплавы ЮНДК, которые постепенно вытесняются сплавами металлов группы железа с редкоземельными элементами, у которых значительно выше коэрцитивная сила, значение которой необходимо учитывать особенно при создании малогабаритных прецизионных двигателей. Применение сплавов металлов группы железа с редкоземельными элементами позволяет увеличить мощность ВЭМ и повысить их эксплуатационные характеристики (допускаются перегрузки, ударные короткие замыкания и т. п.).

На рис. 3.11 приведены типы роторов ВЭМ с постоянными магнитами.

Рис. 3.11. Типы роторов ВЭМ с постоянными магнитами: а – «Звездочка»; б – коллекторный

105

На рис. 3.11, а показан ротор типа «Звездочка». Постоянные магниты 1, намагниченные по оси, установлены на втулке 2 из магнитомягкого материала, которая закреплена на валу. Магниты устанавливаются так, чтобы их полярность чередовалась. Механическую прочность конструкции обеспечивает внешняя оболочка, состоящая из полюсных башмаков 3 (из магнитомягкой стали) и немагнитных вставок 4, сваренных в местах стыка 5. Промежутки между магнитами заполняются алюминиевыми вставками 6 (или компаундом).

В такой конструкции недостаточно реализованы высокие удельные магнитные характеристики магнитов с редкоземельными металлами, так как мало используется объем ротора.

Устранить этот недостаток можно в роторах коллекторного типа (рис. 3.11, б). Такой ротор представляет собой набор намагниченных параллельно короткой стороне призматических постоянных магнитов 1, установленных на немагнитный вал 2 так, чтобы оси их намагничивания были направлены тангенциально. При этом полярность смежно расположенных магнитов одноименна. Между магнитами расположены концентраторы магнитного потока 3 (изготовлены из магнитомягкой стали). Механическую прочность обеспечивает внешняя немагнитная оболочка 4.

Рис. 3.12. Конструкция электродвигателя на постоянных магнитах, применяемого в автомобиле «Chevrolet Spark EV» (производитель – компания «General Motors»)

106

Принцип действия ВЭМ с роторами, в конструкции которых входят постоянные магниты, аналогичен изложенному в § 2.4 для асинхронной ВЭМ. Вращение роторов происходит благодаря питанию переменным током обмоток статора.

Одним из перспективных направлений использования двигателей с постоянными магнитами является автомобилестроение. Компанией «General Motors» разработан двигатель коллекторного типа (рис. 3.12).

Микрофон – это преобразователь акустических колебаний в воздушной среде в электрические колебания. Микрофоны имеют различные конструкции. Если классифицировать их по способу преобразования колебаний, то можно выделить два основных типа: электромагнитные и электродинамические. Последние могут иметь в своем составе постоянные магниты.

Электромагнитный микрофон (рис. 3.13, а) состоит из корпуса 1

и постоянного магнита 2, на полюсных наконечниках 3 которого установлена катушка индуктивности 4. Под действием звукового давления диафрагма 5, изготовленная из ферромагнетика, изменяет значение магнитного потока через витки индуктивной катушки. Магнитный поток изменяет ЭДС индукции, которая создает на зажимах катушки переменное напряжение звуковой частоты, являющееся выходным сигналом микрофона. Недостатками электромагнитного микрофона являются узкий частотный диапазон, большая неравномерность частотной характеристики и значительные нелинейные искажения.

Рис. 3.13. Схематическое изображение микрофонов различных типов: а – электромагнитного; б – электродинамического

107

Электродинамический микрофон обладает большей́ стабиль-

ностью и более широким частотным диапазоном при сравнительно небольшой неравномерности зависимости чувствительности микрофона от частоты. Магнитная система микрофона содержит корпус 1, постоянный магнит 2, кольцо 3 из ферромагнетика и диафрагму 4. В зазоре магнитной системы расположена присоединенная к диафрагме индуктивная катушка 5, которая под действием звукового давления колеблется и изменяет магнитный поток через свои витки. Как и в случае с электромагнитным микрофоном, изменение магнитного потока создает на зажимах катушки переменное напряжение звуковой частоты.

Электродинамические микрофоны подразделяются на ленточные (в которых материалом для катушки служит гофрированная алюминиевая фольга), катушечные (оснащенные диафрагмой в кольцевом зазоре магнита, см. рис. 3.13, б), изодинамические и др.

В качестве материала постоянного магнита в микрофонах используются магнитотвердые сплавы с высокой остаточной индукцией (например, NdFeB). Корпус и кольцо изготавливают из магнитомягких сплавов (например, из электротехнических сталей или пермаллоев).

Захваты с постоянными магнитами предназначены для пе-

ремещения ферромагнитных деталей. При создании таких захватов обычно используют магниты NdFeB. Для отцепления детали конструкция захвата предусматривает возможность шунтирования магнитного потока постоянного магнита или его перемагничивания при помощи катушки индуктивности.

Схематическое изображение захвата с постоянными магнитами приведено на рис. 3.14. Захват состоит из неподвижного магнита 1, подвижного магнита 2 с полюсными наконечниками 3 (которые имеют сегментную форму и изготовлены из магнитомягкого материала), полюсных наконечников 4 (которые имеют сегментные проточки и изготовлены из магнитомягкого материала) и рычага 5 (которым производится поворот магнита 2). На рис. 3.14, а изображено рабочее положение магнита 2, силовые линии магнитного поля которого замыкаются по воздуху между полюсными наконечниками 4. Если захват

108

установить на груз из ферромагнитного материала, то через него произойдет замыкание магнитного потока. Максимальная масса удерживаемого захватом груза зависит от результирующей силы тяжести и силы, обусловленной градиентом магнитного поля.

Отсоединение захвата осуществляется при повороте рычага 5 на 180°, в этом случае магнит 2 шунтирует поток магнита 1

(рис. 3.14, б).

Рис. 3.14. Принцип работы захвата с постоянными магнитами: а – рабочее положение; б – нерабочее положение

Захваты с постоянными магнитами используют для перемещения:

–тяжелых и габаритных деталей при их транспортировке, хранении и обработке;

–металлоконструкций при строительных работах;

–ферромагнитного лома на металлобазах, в том числе при утилизации автомобилей, а также изделий промышленной и бытовой техники.

Магнитные мешалки предназначены для приготовления раз-

личных растворов, эмульсий*, суспензий (см. гл. 6) и используются

* Эмульсия – жидкая неоднородная система (см. гл. 6), в которой присутствует дисперсная фаза – взвешенные капельки одной или нескольких жидкостей с ограниченной растворимостью в дисперсионной среде.

109

при химических, микробиологических, биологических, медицинских и других исследованиях, а также в фармацевтической промышленности.

Принцип работы мешалки основан на взаимодействии вращающегося электромагнитного поля, один или несколько источников которого (например, электродвигатели) расположены в корпусе мешалки, с якорем, выполненным из магнитотвердого материала. Якорь заключен в герметичную оболочку, выполненную из материала, инертного к перемешиваемой среде.

Сосуд с перемешиваемыми компонентами и якорем устанавливается на рабочую поверхность мешалки. Включение питания приводит к вращению якоря (до 3000 мин–1) и соответственно перемешиванию компонентов в сосуде. Пример такого оборудования, производимого фирмой «Биосан» (Латвия), приведен на рис. 3.15.

Наиболее востребованы постоянные магниты на основе NdFeB. Из всех областей, в которых они применяются, необходимо выделить массовое изготовление запоминающих устройств с жесткими магнитными дисками: этот сегмент рынка занимает ~57 % от общего рынка NdFeB. В оставшихся сегментах распределение имеет следующий характер: электродвигатели и электрогенераторы ~17 %, магниторезонансные томографы ~11 %, акустические системы ~5 %, остальные ~10 %.

Широкое применение постоянных магнитов, а также других источников постоянного магнитного поля (электромагнитов, линий передач постоянного тока, электролитических ванн, транспорта на магнитной подушке, магнитогидродинамических генераторов и др.) вызывает необходимость нормирования их воздействия на организм человека. Наиболее чувствительны к воздействию постоянного магнитного поля системы, выполняющие регуляторные функции (нервная, сердечно-сосудистая, нейроэндокринная и др.). Предельно до-

110