Электротехническое материаловедение. Учебное пособие

где Wи — число витков измерительной обмотки; Фt — мгновенное значение магнитного потока в сердечнике образца; S — площадь поперечного сечения сердечника образца; Bt — мгновенное значение магнитной индукции в сердечнике образца.

Чтобы получить на экране осциллографа динамическую петлю намагничивания, надо на вход «y» электронно-лучевого осциллографа подать напряжение, которое должно быть пропорционально магнитной индукции, создаваемой в образце. С этой целью измерительная обмотка образца подсоединяется по входу интегрирующей цепи с пассивными элементами Rи и Си (рис. 3.21).

Тогда мгновенное значение тока, протекающего по интегрирующей цепи, определяется

Если выполнить условие Rи >> xCи , то можно считать, что ток в интегри-

рующей цепи является практически активным (i = ia). Тогда напряжение на входе интегратора будет равно интегралу от ЭДС, наводимой в измерительной обмотке

Решив уравнение (3.24) относительно величины Bt, получим

где Rи — активное сопротивление интегрирующей цепи; Си — емкость конденсатора этой цепи.

Из уравнения (3.25) видно, что индукция в образце пропорциональна выходному напряжению интегрирующей цепи.

Переходя к амплитудным значениям индукции и выходного напряжения интегрирующей цепи, получим

61

Подав напряжение с выхода интегратора Umвых на вход «у» и напряжение с сопротивления Rо на вход «х» осциллографа, на экране последнего получим динамическую петлю намагничивания.

Чтобы реакция измерительной цепи не влияла на форму динамической петли, желательно, чтобы магнитодвижущая сила тока измерительной обмотки была значительно меньше, чем магнитодвижущая сила тока намагниченной обмотки, т. е.

Rи Cи ≥0,001.

Wи S

Для получения неискаженной формы динамической петли постоянная времени интегратора должна удовлетворять следующему требованию:

где fmin — наименьшая частота переменного магнитного поля.

По активному сопротивлению Rи и емкости конденсатора Си рассчитывается постоянная времени интегрирующей цепи τи по уравнению:

Затем определяется наименьшая частота магнитного поля, при которой выходное напряжение интегратора пропорционально магнитной индукции в образце:

При частоте магнитного поля f < fmin исследовать образец нельзя из-за больших искажений формы динамической петли намагничивания, вызываемых интегрирующей цепью образца.

3.10.2. Объект исследования

Образцы ферромагнитных материалов тороидальной формы с двумя обмотками: намагничивающей и измерительной. Параметры образцов и обмоток приведены в таблицах, расположенных на корпусах образцов. Параметры образцов и обмоток записываются в табл. 3.2.

62

Таблица 3.2

Данные исследуемого образца

3.10.3.Средства измерения

ивспомогательные средства исследования

Осциллограф универсальный типа СI-73.

Звуковой генератор с регулируемым напряжением и частотой.

3.10.4 Подготовка осциллографа к работе

Перед включением осциллографа нужно установить органы управления на передней панели в следующие положения:

•ручку «яркость»— в крайнее левое;

•ручку «фокус» — в среднее;

•переключатель «V/дел»— 0,01;

•ручку «усиление»— в крайнее правое;

•ручку «↕» — в среднее;

•переключатель «~ ~» в «~»;

•ручку «уровень» — в крайнее правое;

•ручку «↔» — в среднее.

Далее требуется установить тумблер «разверт. X» на правой боковой панели в положение « Х». Подключить осциллограф кабелем питания к сети 220 В и включить тумблер «питание» на передней панели осциллографа. При этом должна загореться сигнальная лампочка. В течение 2‒3 мин прогреть осциллограф. Пока осциллограф прогревается, необходимо нанести координатную сетку осциллографа на листки кальки. После прогрева осциллографа установите ручкой «яркость» удобную яркость точки. Рукояткой «↕» установите

63

точку на горизонтальную ось экрана осциллографа. Рукояткой «↔» установите точку точно по центру экрана.

В результате выполнения вышеперечисленных операций осциллограф подготовлен к выполнению экспериментальной части лабораторной работы.

3.10.5. Калибровка осциллографа и определение масштабов по напряженности и индукции магнитного поля

Для определения амплитудных значений индукции и напряженности магнитного поля образца по динамическим петлям необходимо определить чувствительность осциллографа по входам «х» и «у». Если при зарисовке динамических петель намагничивания ручка «усиление» находится в крайнем правом положении, то чувствительность осциллографа по оси «у» определяется по числу, против которого находилась риска переключателя «V/дел», если осциллограф был правильно откалиброван. Для проверки правильности калибровки необходимо переключатель «V/дел» установить в положение «5 дел». При правильной калибровке на экране осциллографа появятся две горизонтальные линии или две точки, смещенные на 5 клеток (делений) относительно друг друга.

Пример: при зарисовке динамических петель намагничивания ручка «усиление» находится в крайнем правом положении, а переключатель «V/дел» — против числа 0,02. При переключении переключателя «V/дел» в положение «5 дел» на экране появились две горизонтальные линии на расстоянии 5 клеток друг от друга.

В этом случае масштаб осциллографа по входу «н» составляет

mв =0,02 В/дел.

Масштаб mв необходимо записать в табл. 3.3.

Если ручка «усиление» находилась в положении, отличном от крайнего правого, то расчет масштаба осуществляется следующим образом. Сохраняя ручку «усиление» в том же положении, что и при зарисовке динамических петель намагничивания, переключатель «V/дел» установить в положение «5 дел». Измерить расстояние по вертикальной оси между двумя горизонтальными ли-

64

ниями или точками nв и записать в таблицу 3.3. Тогда чувствительность осциллографа по оси «у» может быть рассчитана следующим образом:

где ḿв — чувствительность осциллографа, определенная числом напротив переключателя «V/дел» в рабочем положении; nв — расстояние между горизонтальными линиями в дел.

Результат расчета записывается в табл. 3.3.

При калибровке усилителя сигнала на оси «х» необходимо соединить гнездо «Х», расположенное на правой боковой панели, с гнездом «1V», расположенным на левой боковой панели, определить расстояние между двумя вертикальными линиями nr и записать в табл. 3.3. Напряжение, подаваемое на вход усилителя х, равно 1 В. Тогда чувствительность осциллографа по горизонтальной оси (оси «х») рассчитывается по уравнению:

r nr

Рассчитанное значение mr записывается в табл. 3.3.

По определенным масштабам mв и mн рассчитываются масштабы по индукции и напряженности магнитного поля Мв и Мн по уравнениям

где rср — средний радиус сердечника, м; Rо — образцовое сопротивление в цепи намагничивающей обмотки; Wн — число витков намагничивающей обмотки; Wи — число витков измерительной обмотки; Rи — сопротивление интегрирующей цепи, Ом; Си — емкость интегрирующей цепи, ф; S — площадь поперечного сечения сердечника образца м2.

Определенные масштабы Мв и Мн записываются в табл. 3.3.

3.10.6. Подготовка звукового генератора к работе

Методика подготовки звукового генератора к работе написана применительно к генератору Г3-53. При использовании генератора другого типа необходимо производить подготовку к работе согласно инструкции по эксплуатации или в соответствии с указанием преподавателя.

65

Перед включением звукового генератора необходимо установить органы управления на передней панели прибора в следующие положения:

•переключатель «поддиапазоны» — «Ок Нz»;

•рукоятку «частота Нz» — в положение, при котором риска указателя частоты оказывается против цифры 0 на шкале частоты, соответствующей поддиапазону 0‒5 кГц;

•переключатель «пределы шкал, ослабление» — 3 В;

•рукоятка «регулировка выхода» — в положение, соответствующее значению выходного напряжения, равного нулю.

Затем следует подключить генератор кабелем питания к сети 220 В и включить переключатель «сеть». При этом должна загоретьсясигнальная лампа.

Втечение 2‒3 мин прогреть генератор. Если после прогрева вольтметр «напряжение выхода» покажет напряжение, отличное от нуля, необходимо плавным вращением рукоятки «уст. нуля» добиться нулевого показания вольтметра.

После выполнения вышеуказанных операций звуковой генератор подготовлен к работе.

3.11. Лабораторная работа № 1. «Исследование свойств магнитных материалов

в магнитных полях постоянной частоты». Цель работы

Целью лабораторной работы является ознакомление студентов с индукционным методом измерения магнитных величин и экспериментальное определение свойств и характеристик ферромагнитных материалов при воздействии на них магнитного поля постоянной частоты с изменяющейся по амплитуде напряженностью.

3.11.1. Рабочее задание

Собрать схему установки (рис. 3.21).

Зарисовать с экрана осциллографа семейство динамических петель намагничивания, начиная с предельной динамической петли до минимально различимой (6‒7 петель.)

Произвести калибровку осциллографа.

По данным калибровки рассчитать масштабы по напряженности и индукции магнитного поля.

Для каждой из динамических петель намагничивания определить амплитудные значения напряженности и магнитной индукции.

Для каждой из динамических петель намагничивания определить удельные потери на перемагничивание.

Определить для каждой динамической петли значение магнитной проницаемости.

66

Рассчитать по предельной динамической петле дифференциальную магнитную проницаемость при различных значениях напряженности поля в диапазоне изменения ее от 0 до Нm и обратно.

Построить зависимости Bm = F(Hm), µr = (Hm), µrg = (H), P = F(Bm). Сделать выводы по работе.

3.11.2. Методические рекомендации к выполнению рабочего задания

Подготовка к проведению эксперимента

Перед началом выполнения лабораторной работы необходимо получить у лаборанта комплект соединительных проводов, осциллограф, звуковой генератор и исследуемый образец по указанию преподавателя.

Данные образца записать в табл. 3.2.

По известным параметрам интегрирующей цепи образца рассчитайте наименьшую частоту магнитного поля fmin в соответствии с уравнением (3.29) и запишите ее в табл. 3.2.

Соберите схему установки (рис. 3.21). При сборке схемы, в соответствии с рис. 3.21, гнезда «вход у» и « » ис-

следуемого образца соединить с гнездом «УIМ Ω 35pF» тракта вертикального отклонения луча осциллографа, а гнезда «вход х» и « » образца — с гнездом «Х» осциллографа.

Произведите подготовку осциллографа к работе в соответствии с методикой, изложенной в разделе 3.10.4 данных методических указаний и звукового генератора (раздел 3.10.6).

Рекомендации по зарисовке семейства динамических петель намагничивания

Увеличивая выходное напряжение генератора, получите на экране осциллографа предельную динамическую петлю намагничивания. Предельной динамической петлей является наибольшая по площади динамическая петля, у которой появляются «усы», свидетельствующие о начале насыщения. Наложив кальку с нанесенной координатной сеткой, зарисуйте предельную динамическую петлю намагничивания.

Уменьшая выходное напряжение звукового генератора, зарисуйте на кальку семейство 6‒7 динамических петель от предельной до минимально различимой петли намагничивания.

Калибровка осциллографа

Калибровка осциллографа осуществляется в соответствии с п. 3.10.5. данных методических указаний. При калибровке положение точки «усиление» должно быть таким же, как и во время зарисовки динамических петель.

67

Определение амплитудных значений индукции, напряженности магнитного поля

и потерь в сердечнике образца на перемагничивание

По имеющимся на кальках изображениям определяются для каждой динамической петли намагничивания координаты вершин H́m и В́m в миллиметрах. Значения H́m и Вḿзаписываются в табл. 3.4. Пример определения координат H́m и В́m приведен на рис. 3.22.

BB́m1

Рис. 3.22. Определение координат вершин динамических петель намагничивания

Амплитудные значения индукции и напряженности магнитного поля рассчитываются:

Для определения потерь на перемагничивание образца подсчитываются площади каждой из динамических петель намагничивания по клеткам миллиметровой бумаги, на которую накладывается калька с динамическими петлями намагничивания. Значения площадей записываются в табл. 3.4.

68

По найденным значениям Bm, Hm, Sn вычисляются значения относительной магнитной проницаемости и потери на перемагничивание для каждой петли

где μо = 1,256·10-6 Гн/м — магнитная постоянная вакуума; f — частота намагничивающего потока, Гц; γ — плотность сердечника образца, кг/м3.

Результаты расчетов записываются в табл. 3.4.

Определение дифференциальной магнитной проницаемости

Определение дифференциальной магнитной проницаемости производится по предельной динамической петле намагничивания в следующем порядке. В интервале изменения Н́от 0 до Н́m откладываются 6‒7 значений Н́(Н́0, Н1́, Н́2 … Н́m) на одинаковом расстоянии друг от друга. Затем в окрестности каждого значения Н́задаются приращениями Н́так, чтобы эти значения Н́находились посередине отрезка, равного Н́(рис. 3.23).

Проведя из концов Н́линии, параллельные оси В, до пересечения с восходящей и нисходящей ветвями предельной динамической петли намагничивания, определяем для каждого значения напряженности поля приращение индукции В1́и В́2. В́1 — приращение индукции, когда размагничивание осуществляется по нисходящей ветви при уменьшении напряженности поля от Нḿ до 0.

B́ B́1

B́2

0 Н́1 Н́2 Н́3 Н́4 H́

Н́

Рис. 3.23. К определению дифференциальной магнитной проницаемости

Значения напряженности Н,́приращений Н,́ В1́, В́2 записываются в табл. 3.5.

69

Таблица 3.5

Определение дифференциальной магнитной проницаемости

Затем производится перерасчет значений напряженности Н́по уравнению (3.35), а Н,́В́1, В2́— по нижеследующим формулам

Значения дифференциальной магнитной проницаемости рассчитывается по формулам

При построении зависимости μrg = F (Н) по оси абсцисс откладываются значения напряженности Н, а по оси ординат соответствующие им значения μ́rg и μ́́́́rg. В результате́ построения должен получиться график, представленный на рис. 3.24.

µrg

µ́́΄rg

µ́́rg

0 Н1 Н2 Н3 Н4

Н

Рис. 3.25. Зависимость μrg = F (Н)

70