Сложение внешних магнитных потоков с постоянный магнит. Увеличение мощности магнита. Эксперименты с неодимовыми магнитами

Системы переключающихся магнитных потоков основаны на переключении магнитного потока относительно съёмных катушек.
Суть рассматривающихся в интернете СЕ устройств состоит в том, что есть магнит, за который мы платим один раз, а есть магнитное поле магнита, за который никто денег не платит.
Вопрос состоит в том, что необходимо в трансформаторах с переключающимися магнитными потоками создать такие условия при которых поле магнита становится управляемым и мы его направляем. прерываем. перенаправляем так. чтобы при этом энергия на переключения была минимальной или беззатратной

Для того, чтобы рассматривать варианты этих систем, решил заняться изучением и приведением своих мыслей относительно свежих представлений.

Для начала хотелось заглянуть какими магнитными свойствами обладает ферромагнитный материал и т.д. Магнитные материалы обладают коэрцитивной силой.

Соответственно рассматривают коэрцитивную силу , полученную по циклу , или по циклу . Обозначают соответственно и

Коэрцитивная сила всегда больше . Этот факт объясняется тем, что в правой полуплоскости графика гистерезиса значение больше, чем , на величину:

В левой полуплоскости, наоборот, меньше, чем , на величину . Соответственно, в первом случае кривые будут располагаться выше кривых , а во втором — ниже. Это делает цикл гистерезиса уже цикла .

Коэрцитивная сила

Коэрцитивная сила — (от лат. coercitio — удерживание), значение напряженности магнитного поля, необходимое для полного размагничивания ферро- или ферримагнитного вещества. Измеряется в Ампер/метр (в системе СИ). По величине коэрцитивной силы различают следующие магнитные материалы

Магнитомягкие материалы — материалы с низкой коэрцитивной силой, которые намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в относительно слабых магнитных полях напряжённостью около 8—800 а/м. После перемагничивания внешне они не проявляют магнитных свойств, так как состоят из хаотически ориентированных намагниченных до насыщения областей. Примером могут служить различные стали. Чем больше коэрцитивной силой обладает магнит, тем он устойчивее к размагничивающим факторам. Магнитотвердые материалы — материалы с высокой коэрцитивной силой, которые намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в сравнительно сильных магнитных полях напряжённостью в тысячи и десятки тысяч а/м. После намагничивания магнитно-твердые материалы остаются постоянными магнитами из-за высоких значений коэрцитивной силы и магнитной индукции. Примерами являются редкоземельные магниты NdFeB и SmCo, бариевые и стронциевые магнитотвердые ферриты.

С увеличением массы частицы радиус кривизны траектории увеличивается, а согласно первому закону Ньютона, увеличивается её инертность.

С увеличением магнитной индукции радиус кривизны траектории уменьшается, т.е. увеличивается центростремительное ускорение частицы. Следовательно, под действием одной и той же силы изменение скорости частицы будет меньше, а радиус кривизны траектории больше.

С увеличением заряда частицы увеличивается сила Лоренца (магнитная составляющая), следовательно, увеличивается и центростремительное ускорение.

При изменении скорости движения частицы изменяется радиус кривизны её траектории, меняется центростремительное ускорение, что следует из законов механики.

Если частица влетает в однородное магнитное поле индукцией В под углом, отличным от 90°, то горизонтальная составляющая скорости не меняется, а вертикальная составляющая под действием силы Лоренца приобретает центростремительное ускорение, и частица будет описывать окружность в плоскости, перпендикулярной вектору магнитной индукции и скорости. Благодаря одновременному перемещению вдоль направления вектора индукции частица описывает винтовую линию, причём будет возвращаться к исходной горизонтали через равные промежутки времени, т.е. пересекать её на равных расстояниях.

Тормозящее взаимодействие магнитных полей евзываются токами Фуко

Как только цепь в катушке индуктивности замкнута, вокруг проводника начинают действовать два встречно направленных потока.По закону Ленца, положительные заряды электрогаза (эфира) начинают своё винтовое движение приводя в действие атомы, по которому установлена электрическая связь. Отсюда моно объяснить наличие магнитного действия и противодействия.

Этим я объясняю торможение возбуждающего магнитного поля и противодействие ему при замкнутой цепи, тормозящим эффектом в электрогенераторе (механическое торможение или противодействие ротору электрогенератора механически прикладываемой силе и противодействие (торможение) тока Фуко падающему неодимовому магниту, падающему в медной трубке.

Немного о магнитных двигателях

Здесь так же применён принцип переключающихся магнитных потоков.
Но проще перейти к рисункам.

Как работать должна эта система.

Средняя катушка съёмная и работает на относительно широкой длине импульса, который создаётся прохождением магнитных потоков от магнитов изображенных на схеме.
Длинна импульса определяется индуктивностью катушки и сопротивлением нагрузки.
Как только время истекает и сердечник становится намагниченным, необходимо прерывать, размагничивать или перемагничивать сам сердечник. чтобы продолжать работу с нагрузкой.

КАТУШКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ

Катушка является одним из главных элементов электромагнита и должна удовлетворять следующим основным требованиям:

1) обеспечивать надежное включение электромагнита при наихудших условиях, т.е. в нагретом состоянии и при пониженном напряжении;

2) не перегреваться свыше допустимой температуры при всех возможных режимах, т. е. при повышенном напряжении;

3) при минимальных размерах быть удобной для производства;

4) быть механически прочной;

5) иметь определенный уровень изоляции, а в некоторых аппаратах быть влаго-, кислотно- и маслостойкой.

В процессе работы в катушке возникают напряжения: механические – за счет электродинамических сил в витках и между витками, особенно при переменном токе; термические – за счет неравномерного нагрева отдельных ее частей; электрические – за счет перенапряжений, в частности при отключении.

При расчете катушки необходимо выполнить два условия. Первое – обеспечить требуемую МДС при горячей катушке и пониженном напряжении. Второе – температура нагрева катушки при этом не должна превосходить допустимую.

В результате расчета должны быть определены следующие величины, необходимые для намотки: d – диаметр проволоки выбранной марки; w – число витков; R – сопротивление катушки.

По конструктивному исполнению различают катушки: каркасные – намотка осуществлена на металлическом или пластмассовом каркасе; бескаркасные бандажированные – намотка производится на съемном шаблоне, после намотки катушка бандажируется; бескаркасные с намоткой на сердечник магнитной системы.

Постоянный магнит представляет собой кусок стали или какого-либо другого твердого сплава, который, будучи намагничен, устойчиво сохраняет, запасенную часть магнитной энергии. Назначение магнита – служить источником магнитного поля, не меняющимся заметно ни со временем, ни под влиянием таких факторов, как сотрясения, изменение температуры, внешние, магнитные поля. Постоянные магниты применяются в разнообразных устройствах и приборах: реле, электроизмерительных приборах, контакторах, электрических машинах.

Различают следующие основные группы сплавов для постоянных магнитов:

2) сплавы на основе стали – никеля – алюминия с добавлением в некоторых случаях кобальта, силиция: альни (Fe, Al, Ni), альниси (Fe, Al, Ni, Si), магнико (Fe, Ni, Al, Co);

3) сплавы на основе серебра, меди, кобальта.

Величинами, характеризующими постоянный магнит, являются остаточная индукция В r и коэрцитивная сила Н c . Для определения магнитных характеристик готовых магнитов пользуются кривыми размагничивания (рис. 7-14), представляющими собой зависимость В = f (– H ). Кривая снимается для кольца, которое вначале намагничивается до индукции насыщения, а затем размагничивается до В = 0.

Поток в воздушном зазоре. Для использования энергии магнита необходимо изготовить его с воздушным зазором. Составляющая МДС, затрачиваемая постоянным магнитом на проведение потока в воздушном зазоре, называется свободной МДС.

Наличие воздушного зазора δ снижает индукцию в магните от В r до В (рис. 7-14) аналогично тому, как если бы по катушке, надетой на кольцо, пропустили размагничивающий ток, создающий напряженность H . Это соображение положено в основу приведенного ниже способа вычисления потока в воздушном зазоре магнита.

При отсутствии зазора вся МДС расходуется на проведение потока через магнит:

где l μ – длина магнита.

При наличии воздушного зазора часть МДС F δ будет расходоваться на проведение потока через этот зазор:

F = F μ + F δ (7-35)

Допустим, что мы создали такую размагничивающую напряженность магнитного поля Н , что

Н l μ = F δ (7-36)

и индукция при этом стала В.

При отсутствии рассеяния поток в магните равен потоку в воздушном зазоре

Bs μ = F δ Λ δ = Λl μ Λ δ , (7-37)

где s μ – сечение магнита; Λ δ = μ 0 s δ /δ; μ 0 – магнитная проницаемость воздушного зазора.

Из рис. 7-14 следует, что

B/H = l μ Λ δ / s μ = tg α (7-38)

Рис. 7-14. Кривые размагничивания

Таким образом, зная данные о материале магнита (в виде кривой размагничивания), размеры магнита l μ , s μ и размеры зазора δ, s δ , можно, пользуясь уравнением (7-38), вычислить поток в зазоре. Для этого следует провести на диаграмме (рис. 7-14) прямую Ob под углом α. Отрезок bс определяет индукцию В магнита. Отсюда поток в воздушном зазоре будет

При определении tg α учитываются масштабы оси ординат и абсцисс:

где р = n/m - отношение масштабов осей В и H.

С учетом рассеяния поток Ф δ определяется следующим образом.

Проводят прямую Ob под углом α, где tg α == Λ δ l μ (ps μ). Полученное значение В характеризует индукцию в среднем сечении магнита. Поток в среднем сечении магнита

Поток в воздушном зазоре

де σ - коэффициент рассеяния. Индукция в рабочем зазоре

Прямые магниты. Выражение (7-42) дает решение задачи для магнитов замкнутой формы, где проводимости воздушных зазоров могут быть вычислены с достаточной для практических целей точностью. Для прямых магнитов задача вычисления проводимостей потока рассеяния весьма трудна. Поток вычисляется с помощью опытных зависимостей, связывающих напряженность поля магнита с размерами магнита .

Свободная магнитная энергия . Это та энергия, которую отдает магнит в воздушных зазорах. При расчете постоянных магнитов, выборе материала и требуемых соотношений размеров стремятся к максимальному использованию материала магнита, сводящемуся к получению максимального значения свободной магнитной энергии.

Магнитная энергия, сосредоточенная в воздушном зазоре, пропорциональная произведению потока в зазоре и МДС:

Учитывая, что

Получаем

где V- объем магнита. Материал магнита характеризуется магнитной энергией, отнесенной к единице его объема.

Рис. 7-15. К определению магнитной энергии магнита

Пользуясь кривой размагничивания, можно построить кривую W м = f (В ) при V = 1 (рис. 7-15). Кривая W м = f (В ) имеет максимум при каких-то значениях В и H , которые обозначим В 0 и H 0 . Практически применяется способ нахождения В 0 и H 0 без построения кривой W м = f (В ). Точка пересечения диагонали четырехугольника, стороны которого равны В r и Н c , с кривой размагничивания достаточно близко соответствует значениям В 0 , Н 0 . Остаточная индукция В r колеблется в относительно малых пределах (1-2,5), а коэрцитивная сила Н c – в больших (1 – 20). Поэтому различают материалы: низкокоэрцитивные, у которых W м малое (кривая 2), высококоэрцитивные, у которых W м большое (кривая 1 ).

Кривые возврата . В процессе работы может меняться воздушный зазор. Допустим, что до введения якоря индукция была B 1 tga 1 . При введении якоря зазор δ изменяется, и такому состоянию системы соответствует угол а 2 ; (рис. 7-16) и большая индукция. Однако увеличение индукции происходит не по кривой размагничивания, а по некоторой другой кривой b 1 cd , названной кривой возврата. При полном замыкании (δ = 0) мы имели бы индукцию B 2 . При изменении зазора в обратном направлении индукция меняется по кривой dfb 1 . Кривые возврата b 1 cd и dfb 1 являются кривыми частных циклов намагничивания и размагничивания. Ширина петли обычно невелика, и петлю можно заменить прямой b 1 d. Отношение ΔВ /ΔН называется обратимой проницаемостью магнита.

Старение магнитов . Под старением понимают явление уменьшения магнитного потока магнита с течением времени. Это явление определяется рядом причин, перечисляемых ниже.

Структурное старение. Материал магнита после закалки или отливки имеет неравномерную структуру. Со временем эта неравномерность переходит в более стабильное состояние, что приводит к изменению значений В и Н .

Механическое старение. Происходит вследствие ударов, толчков, вибраций и влияния высоких температур, которые ослабляют поток магнита.

Магнитное старение. Определяется влиянием внешних магнитных полей.

Стабилизация магнитов. Всякий магнит перед установкой его в аппарат должен быть подвергнут дополнительному процессу стабилизации, после которого увеличивается сопротивляемость магнита уменьшению потока.

Структурная стабилизация. Заключается в дополнительной термической обработке, которая проводится до намагничивания магнита (кипячение закаленного магнита в течение 4 ч после закалки). Сплавы на основе стали, никеля и алюминия не требуют структурной стабилизации.

Механическая стабилизация. Намагниченный магнит подвергается перед установкой в аппарат ударам, сотрясениям, вибрации в условиях, близких режиму работы.

Магнитная стабилизация. Намагниченный магнит подвергают действию внешних полей переменного знака, после чего магнит становится более устойчивым к воздействию внешних полей, к температурным и механическим воздействиям.

ГЛАВА 8 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

Трансгенерация энергии электромагнитного поля

Сущность исследований:

Основным направлением исследований является изучение теоретической и технической возможности создания устройств генерирующих электроэнергию за счет открытого автором физического процесса трансгенерации энергии электромагнитного поля. Суть эффекта заключается в том, что при сложении электромагнитных полей (постоянных и переменных) складываются не энергии, а амплитуды поля. Энергия поля пропорциональна квадрату амплитуды суммарного электромагнитного поля. В результате, при простом сложении полей энергия суммарного поля может во много раз превышать энергия всех исходных полей по отдельности. Такое свойство электромагнитного поля называется неаддитивностью энергии поля. Например, при сложении в стопку трех плоских дисковых постоянных магнитов энергия суммарного магнитного поля возрастает в девять раз! Аналогичный процесс происходит при сложении электромагнитных волн в фидерных линиях и резонансных системах. Энергия суммарной стоячей электромагнитной волны может во много раз превосходить энергию волн и электромагнитного поля до сложения. В итоге суммарная энергия системы возрастает. Процесс описывается простой формулой энергии поля:

При сложении трех постоянных дисковых магнитов объем поля уменьшается в три раза, а объемная плотность энергии магнитного поля возрастает в девять раз. В итоге, энергия суммарного поля трех магнитов вместе оказывается в три раза больше энергии трех разъединенных магнитов.

При сложении в одном объеме электромагнитных волн (в фидерных линиях, резонаторах, катушках, также происходит увеличение энергии электромагнитного поля по сравнению с исходной).

Теория электромагнитного поля демонстрирует возможность генерации энергии за счет переноса (транс-) и сложения электромагнитных волн, полей. Разработанная автором теория трансгенерации энергии электромагнитных полей не противоречит классической электродинамике. Представление о физическом континууме, как о сверхплотной диэлектрической среде с огромной скрытой энергией массы приводит к тому, что физическое пространство обладает энергией и трансгенерация не нарушает полный закон сохранения энергии (с учетом энергии среды). Неаддитивность энергии электромагнитного поля демонстрирует, что для электромагнитного поля простое выполнение закона сохранения энергии не происходит. Например, в теории вектора Умова-Пойтинга сложение векторов Пойтинга приводит к тому, что складывается электрическое и магнитное поля одновременно. Поэтому, например, при сложении трех векторов Пойтинга, общий вектор Пойтинга возрастает в девять раз, а не в три, как кажется на первый взгляд.

Результаты исследований:

Возможность получения энергии за счет сложения электромагнитных волн исследований исследовались экспериментально в различных типах фидерных линий - волноводах, двухпроводных, полосковых, коаксиальных. Диапазон частот составляет от 300 МГц до 12,5 ГГц. Мощность измерялась как прямо - ваттметрами, так и косвенно - детекторными диодами и вольтметрами. В результате, при выполнении определенных настроек в фидерных линиях получены положительные результаты. При сложении амплитуд полей (в нагрузках) выделяемая мощность в нагрузке превосходит мощность подаваемую с разных каналов (использовались делители мощности). Самым простым опытом, иллюстрирующим принцип сложения амплитуд, является эксперимент, в котором три узконаправленные антенны синфазно работают на одну приемную, к которой подключен ваттметр. Результат этого опыта: мощность фиксируемая на приемной антенне в девять раз больше чем дает каждая передающая антенна в отдельности. На приемной антенне складываются амплитуды (три) от трех передающих антенн, а мощность приема пропорциональна квадрату амплитуды. То есть при сложении трех синфазных амплитуд мощность приема возрастает в девять раз!

Следует заметить, что интерференции в воздухе (вакууме) является многофазной, по ряду признаков отличается от интерференции в фидерных линиях, объемных резонаторах, стоячих волнах в катушках и пр. В так называемой, классической картине интерференции наблюдается как сложение, так и вычитание амплитуд электромагнитного поля. Поэтому, в целом, при многофазной интерференции нарушение закона сохранения энергии носит локальный характер. В резонаторе или при наличии стоячих волн в фидерных линиях, наложение электромагнитных волн не сопровождается перераспределением электромагнитного поля в пространстве. При этом в четверть и полуволновых резонаторах происходит только сложение амплитуд полей. Энергия сложенных в одном объеме волн происходит энергию прошедшую от генератора в резонатор.

Экспериментальные исследования полностью подтверждают теорию трансгенерации. Из практики СВЧ известно, что даже при обычном электрическом пробое в фидерных линиях мощность превосходит мощность подаваемую от генератора. Например волновод, рассчитанный на мощность СВЧ 100 МВт, пробивается сложением двух СВЧ мощности по 25 МВт каждая, - при сложении двух встречных волн СВЧ в волноводе. Это может произойти при отражении мощности СВЧ от конца линии.

Разработаны ряд оригинальных принципиальных схем для генерации энергии с использованием различных типов интерференции. Основной диапазон частот - это метровый и дециметровый (СВЧ), вплоть до сантиметрового. На основе трансгенерации можно создать компактные автономные источники электроэнергии.

Существует два основных типа магнитов: постоянные и электромагниты. Определить, что же такое постоянный магнит, можно на основании главного его свойства. Постоянный магнит получил свое название за то, что его магнетизм всегда «включен». Он генерирует собственное магнитное поле, в отличие от электромагнита, сделанного из проволоки, обернутой вокруг железного сердечника, и требующего протекания тока для создания магнитного поля.

История изучения магнитных свойств

Столетия назад люди открыли, что некоторые типы горных пород обладают оригинальными особенностями: притягиваются к железным предметам. Упоминание о магнетите встречается в древних исторических летописях: больше двух тысячелетий назад в европейских и намного ранее в восточноазиатских. Сначала он оценивался как любопытный предмет.

Позже магнетит стали использовать для навигации, обнаружив, что он стремится занять определенное положение, когда ему предоставлена свобода вращения. Научное исследование, проведенное П. Перегрином в 13-м веке, показало, что сталь может приобрести эти особенности после потирания магнетитом.

У намагниченных предметов было два полюса: «северный» и «южный», относительно магнитного поля Земли. Как обнаружил Перегрин, изоляция одного из полюсов не представлялась возможной, если разрезать осколок магнетита надвое, – каждый отдельный фрагмент имел в результате собственную пару полюсов.

В соответствии с сегодняшними представлениями магнитное поле постоянных магнитов – это результирующая ориентация электронов в едином направлении. Только некоторые разновидности материалов взаимодействуют с магнитными полями, значительно меньшее их количество способно сохранять постоянное МП.

Свойства постоянных магнитов

Основными свойствами постоянных магнитов и создаваемого ими поля являются:

• существование двух полюсов;
• противоположные полюса притягиваются, а одноименные отталкиваются (как положительные и отрицательные заряды);
• магнитная сила незаметно распространяется в пространстве и проходит через объекты (бумага, дерево);
• наблюдается усиление интенсивности МП вблизи полюсов.

Постоянные магниты поддерживают МП без внешней помощи. Материалы в зависимости от магнитных свойств делятся на основные виды:

• ферромагнетики – легко намагничивающиеся;
• парамагнетики – намагничиваются с большим трудом;
• диамагнетики – склонны отражать внешнее МП путем намагничивания в противоположном направлении.

Важно! Магнито-мягкие материалы, такие как сталь, проводят магнетизм при прикреплении к магниту, но это прекращается при его удалении. Постоянные магниты изготавливаются из магнито-твердых материалов.

Как работает постоянный магнит

Его работа связана с атомной структурой. Все ферромагнетики создают естественное, хотя и слабое, МП, благодаря электронам, окружающим ядра атомов. Эти группы атомов способны ориентироваться в едином направлении и называются магнитными доменами. Каждый домен обладает двумя полюсами: северным и южным. Когда ферромагнитный материал не намагничен, его области ориентированы в случайных направлениях, а их МП компенсируют друг друга.

Чтобы создать постоянные магниты, ферромагнетики нагреваются при очень высоких температурах и подвергаются воздействию сильного внешнего МП. Это приводит к тому, что отдельные магнитные домены внутри материала начинают ориентироваться по направлению внешнего МП до тех пор, пока все домены не выровняются, достигнув точки магнитного насыщения. Затем материал охлаждают, и выровненные домены блокируются в нужном положении. После удаления внешнего МП магнито-твердые материалы будут удерживать большую часть своих доменов, создавая постоянный магнит.

Характеристики постоянного магнита

1. Магнитную силу характеризует остаточная магнитная индукция. Обозначается Br. Это та сила, которая остается после исчезновения внешнего МП. Измеряется в тестах (Тл) или гауссах (Гс);
2. Коэрцитивность или сопротивление размагничиванию – Нс. Измеряется в А/м. Показывает, какова должна быть напряженность внешнего МП для того, чтобы размагнитить материал;
3. Максимальная энергия – BHmax. Рассчитывается путем умножения остаточной магнитной силы Br и коэрцитивности Нс. Измеряется в МГсЭ (мегагауссэрстед);
4. Коэффициент температуры остаточной магнитной силы – Тс of Br. Характеризует зависимость Br от температурного значения;
5. Tmax – наивысшее значение температуры, при достижении которого постоянные магниты утрачивают свойства с возможностью обратного восстановления;
6. Tcur – наивысшее значение температуры, когда магнитный материал безвозвратно утрачивает свойства. Этот показатель называется температурой Кюри.

Индивидуальные характеристики магнита изменяются в зависимости от температуры. При разных значениях температуры разные типы магнитных материалов работают по-разному.

Важно! Все постоянные магниты теряют процент магнетизма при подъеме температуры, но с разной скоростью, зависящей от их типа.

Типы постоянных магнитов

Всего существует пять типов постоянных магнитов, каждый из которых изготовляется по-разному на основе материалов с отличающимися свойствами:

• альнико;
• ферриты;
• редкоземельные SmCo на основе кобальта и самария;
• неодимовые;
• полимерные.

Альнико

Это постоянные магниты, состоящие в основном из комбинации алюминия, никеля и кобальта, но могут также включать медь, железо и титан. Благодаря свойствам магнитов альнико, они могут работать при самых высоких температурах, сохраняя свой магнетизм, однако они легче размагничиваются, чем ферритовые или редкоземельные SmCo. Они были первыми серийными постоянными магнитами, заменяющими намагниченные металлы и дорогие электромагниты.

Применение:

• электродвигатели;
• термическая обработка;
• подшипники;
• аэрокосмические аппараты;
• военная техника;
• высокотемпературное погрузо-разгрузочное оборудование;
• микрофоны.

Ферриты

Для изготовления ферритовых магнитов, известных еще как керамические, применяются карбонат стронция и оксид железа, в соотношении 10/90. Оба материала в изобилии и экономически доступны.

Из-за низких издержек производства, устойчивости к нагреву (до 250°C) и коррозии ферритовые магниты – одни из самых популярных для повседневного применения. Они имеют большую внутреннюю коэрцитивность, чем альнико, но меньшую магнитную силу, чем неодимовые аналоги.

Применение:

• звуковые колонки;
• охранные системы;
• большие пластинчатые магниты для удаления загрязнения железом технологических линий;
• электродвигатели и генераторы;
• медицинские инструменты;
• подъемные магниты;
• морские поисковые магниты;
• устройства, основанные на работе вихревых токов;
• выключатели и реле;
• тормоза.

Редкоземельные магниты SmCo

Магниты из кобальта и самария работают в широком температурном диапазоне, имеют высокие температурные коэффициенты и высокую коррозионную стойкость. Этот вид сохраняет магнитные свойства даже при температурах ниже абсолютного нуля, что делает их популярными для использования в криогенных установках.

Применение:

• турботехника;
• насосные муфты;
• влажные среды;
• высокотемпературные устройства;
• миниатюрные гоночные автомобили с электроприводом;
• радиоэлектронные устройства для работы в критических условиях.

Неодимовые магниты

Сильнейшие существующие магниты, состоящие из сплава неодима, железа и бора. Благодаря их огромной силе, даже миниатюрные магниты эффективны. Это обеспечивает универсальность использования. Каждый человек постоянно находится рядом с одним из неодимовых магнитов. Они есть, например, в смартфоне. Изготовление электродвигателей, медтехника, радиоэлектроника опираются на сверхпрочные неодимовые магниты. Из-за их сверхпрочности, огромной магнитной силы и стойкости к размагничиванию возможно изготовление образцов до 1 мм.

Применение:

• жесткие диски;
• звуковоспроизводящие устройства – микрофоны, акустические датчики, наушники, громкоговорители;
• протезы;
• насосы с магнитной связью;
• дверные доводчики;
• двигатели и генераторы;
• замки на ювелирных изделиях;
• сканеры МРТ;
• магнитотерапия;
• датчики ABS в автомобилях;
• подъемное оборудование;
• магнитные сепараторы;
• герконовые переключатели и т. д.

Гибкие магниты содержат магнитные частицы, находящиеся внутри полимерного связующего. Используются для уникальных устройств, где невозможна установка твердых аналогов.

Применение:

• дисплейная реклама – быстрая фиксация и быстрое удаление на выставках и мероприятиях;
• знаки транспортных средств, учебные школьные панели, логотипы компаний;
• игрушки, головоломки и игры;
• маскирование поверхностей для окраски;
• календари и магнитные закладки;
• оконные и дверные уплотнения.

Большинство постоянных магнитов являются хрупкими и не должны использоваться в качестве структурных элементов. Они изготавливаются в стандартных формах: кольца, стержни, диски, и индивидуальных: трапеции, дуги и др. Неодимовые магниты из-за высокого содержания железа подвержены коррозии, поэтому покрываются сверху никелем, нержавеющей сталью, тефлоном, титаном, каучуком и другими материалами.

Видео

а) Общие сведения. Для создания постоянного маг­нитного поля в целом ряде электрических аппаратов ис­пользуются постоянные магниты, которые изготавлива­ются из магнитно-твер­дых материалов, имею­щих широкую петлю ги­стерезиса (рис.5.6).

Работа постоянного магнита происходит на участке отH= 0 до H = - Н с. Эта часть петли называется кривой размагничивания.

Рассмотрим основные соотношения в постоян­ном магните, имеющем форму тороида с одним малым зазором б (рис.5.6). Благодаря форме тороида и небольшому зазору потоками рассеяния в таком магните можно пренебречь. Если зазор мал, то магнитное поле в нем можно счи­тать однородным.

Рис.5.6. Кривая размагничивания постоянного магнита

Если пренебречь выпучиванием, то индукции в зазоре В & и внутри магнита В одинаковы.

На основании закона полного тока при интегрирова­нии по замкнутому контуру 1231 рис. получим:

Рис.5.7. Постоян­ный магнит, имеющий форму тороида

Таким образом, напряженность поля в зазоре направ­лена встречно напряженности в теле магнита. Для элек­тромагнита постоянного тока, имеющего аналогичную форму магнитной цепи, без учета насыщения можно написать: .

Сравнивая мож­но видеть, что в случае с постоян­ным магнитом н. с, создающей поток в рабочем зазоре, является про­изведение напряженности в теле магнита на его длину с обратным знаком -Hl.

Воспользовавшись тем, что

, (5.29)

, (5.30)

где S -площадь полюса; - проводимость воздушного зазора.

Уравнение есть уравнение прямой, проходя­щей через начало координат во втором квадранте под углом а к оси Н . С учетом масштаба индукции т в и на­пряженности т н угол а определяется равенством

Так как индукция и напряженность магнитного поля в теле постоянного магнита связаны кривой размагничи­вания, то пересечение указанной прямой с кривой раз­магничивания (точка А на рис.5.6) и определяет со­стояние сердечника при заданном зазоре.

При замкнутой цепи и

С ростом б проводимость рабочего зазора и tga уменьшаются, индукция в рабочем зазоре падает, а на­пряженность поля внутри магнита увеличивается.

Одной из важных характеристик постоянного магни­та является энергия магнитного поля в рабочем зазоре W t . Учитывая, что поле в за­зоре однородно,

Подставляя значение Н ь получим:

, (5.35)

где V M - объем тела магнита.

Таким образом, энергия в рабочем зазоре равна энер­гии внутри магнита.

Зависимость произведения В(-Н) в функции индук­ции показана на рис.5.6 . Очевидно, что для точки С, в которой В(-Н) достигает максимального значения, энергия в воздушном зазоре также достигает наиболь­шей величины, и с точки зрения использования постоян­ного магнита эта точка является оптимальной. Можно показать, что точка С, соответствующая макси­муму произведения , есть точка пересечения с кривой размагничивания луча О К, проведенного через точку с координатами и .

Рассмотрим более подробно влияние зазора б на ве­личину индукции В (рис.5.6). Если намагничивание магнита производилось при зазоре б , то после снятия внешнего поля в теле магнита установится индукция, соответствующая точке А. Положение этой точки опреде­ляется зазором б.

Уменьшим зазор до значения , тогда

. (5.36)

При уменьшении зазора индукция в теле магнита воз­растает, однако процесс изменения индукции идет не по кривой размагничивания, а по ветви частной петли гистерезиса AMD. Индукция В 1 определяется точкой пересечения этой ветви с лучом, проведенным под углом к оси - Н (точка D).

Если мы снова увеличим за­зор до значения б , то индукция будет падать до значения В, при­чем зависимость В (Н) будет определяться ветвью DNA частной петли гистерезиса. Обычно частная петля гистерезиса AMDNA достаточно узка и ее заменяют прямой AD, которую на­зывают прямой возврата. Наклон к горизонтальной оси (+ Н) этой прямой называется коэффициентом возврата:

. (5.37)

Характеристика размагничивания материала обычно не приводится полностью, а задаются только величины индукции насыщения B s , остаточной индукции В г, коэр­цитивной силы Н с. Для расчета магнита необходимо знать всю кривую размагничивания, которая для боль­шинства магнитно-твердых материалов хорошо аппроксимируется формулой

Кривая размагничивания, выражаемая (5.30), мо­жет быть легко построена графически, если известны B s , В r .

б) Определение потока в рабочем зазоре для задан­ной магнитной цепи . В реальной системе с постоянным магнитом поток в рабочем зазоре отличается от потока в нейтральном сечении (середине магнита) из-за наличия потоков рассеяния и выпучивания (рис.).

Поток в нейтральном сечении равен:

, (5.39)

где поток в нейтральном сечении;

Поток выпучивания у полюсов;

Поток рассеяния;

Рабочий поток.

Коэффициент рассеяния о определяется равенством

Если принять, что потоки создаются одной и той же разностью магнитных потенциалов, то

. (5.41)

Индукцию в нейтральном сечении найдем, определив :

,

и воспользовавшись кривой размагничивания рис.5.6. Индукция в рабочем зазоре равна:

поскольку поток в рабочем зазоре в раз меньше, чем поток в нейтральном сечении.

Очень часто намагничивание системы происходит в несобранном состоянии, когда проводимость рабочего зазора уменьшена из-за отсутствия деталей из ферро­магнитного материала. В этом случае расчет ведется с ис­пользованием прямой возврата. Если потоки рассеяния значительны, то расчет реко­мендуется вести по участкам, так же как и в случае элек­тромагнита.

Потоки рассеяния в постоянных магнитах играют зна­чительно большую роль, чем в электромагнитах. Дело в том, что магнитная проницаемость магнитно-твердых материалов значительно ниже, чем у магнитно-мягких, из которых изготавливаются системы для электромагни­тов. Потоки рассеяния вызывают значительное падение магнитного потенциала вдоль постоянного магнита и уменьшают н. с, а следовательно, и поток в рабочем зазоре.

Коэффициент рассеяния выполненных систем ко­леблется в довольно широких пределах. Расчет ко­эффициента рассеяния и потоков рассеяния связан с большими трудностями. Поэтому при разработке новой конструкции величину коэффициента рассеяния реко­мендуется определить на специальной модели, в которой постоянный магнит заменен электромагнитом. Намагничивающая обмотка выбирается такой, чтобы по­лучить в рабочем зазоре необходимый поток.

Рис.5.8. Магнитной цепи с постоянным магнитом и потоками рассеяния и выпучивания

в) Определение размеров магнита по требуемой ин­дукции в рабочем зазоре. Эта задача является еще более трудной, чем определение потока при известных разме­рах. При выборе размеров магнитной цепи обычно стремятся к тому, чтобы индукция В 0 и напряженность Н 0 в нейтральном сечении соответствовали максимальному значению произведения Н 0 В 0 . При этом объем магнита будет минимальным. Даются следую­щие рекомендации по выбору материалов. Если требу­ется при больших зазорах получить большое значение индукции, то наиболее подходящим материалом является магнико. Если при большом зазоре необходимо создать небольшие индукции, то можно рекомендовать альниси. При малых рабочих зазорах и большом значении индук­ции целесообразно применение альни.

Сечение магнита выбирается из следующих сообра­жений. Индукция в нейтральном сечении выбирается равной В 0 . Тогда поток в нейтральном сечении

,

откуда сечение магнита

.
Величины индукции в рабочем зазоре В р и площадь полюса являются заданными величинами. Наиболее трудным является определение значения коэффициента рассеяния. Величина его зависит от конструкции и индукции в сердечнике. Если сечение магнита получилось большим, то применяют не­сколько магнитов, включенных параллельно. Длина маг­нита определяется из условия создания необходимой н.с. в рабочем зазоре при напряженности в теле магнита Н 0:

где б р - величина рабочего зазора.

После выбора основных размеров и конструирования магнита проводится поверочный расчет по методике, опи­санной ранее.

г) Стабилизация характеристик магнита. В процессе работы магнита наблюдается уменьшение потока в ра­бочем зазоре системы - старение магнита. Различают структурное, механическое и магнитное старение.

Структурное старение наступает вследствие того, что после закалки материала в нем возникают внутренние напряжения, материал приобретает неоднородную струк­туру. В процессе работы материал становится более од­нородным, внутренние напряжения исчезают. При этом остаточная индукция В т и коэрцитивная сила Н с умень­шаются. Для борьбы со структурным старением мате­риал подвергается термообработке в виде отпуска. При этом внутренние напряжения в материале исчезают. Его характеристики становятся более стабильными. Алюминиево-никелевые сплавы (альни и др.) не требуют струк­турной стабилизации.

Механическое старение наступает при ударах и ви­брациях магнита. Для того чтобы сделать магнит нечув­ствительным к механическим воздействиям, его подвер­гают искусственному старению. Образцы магнита перед установкой в аппарат подвергаются таким ударам и ви­брации, которые имеют место в эксплуатации.

Магнитное старение - изменение свойств материала под действием внешних магнитных полей. Положитель­ное внешнее поле увеличивает индукцию по прямой воз врата, а отрицательное снижает ее по кривой размагни­чивания. Для того чтобы сделать магнит более стабиль­ным, его подвергают действию размагничивающего поля, после чего магнит работает на прямой возврата. Из-за меньшей крутизны прямой возврата влияние внешних полей уменьшается. При расчете магнитных систем с по­стоянными магнитами необходимо учитывать, что в про­цессе стабилизации магнитный поток уменьшается на 10-15%.