CC BY
33
РОБОТОТЕХНИКА И МЕХАТРОНИКА
УДК 621.317.4
УСТАНОВКА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ СОВРЕМЕННЫХ МАГНИТОСТРИКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВ С ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
© 2011 г. Т. Бертрам, К.Н. Газаров, А.В. Кучероеа, М.В. Ланкин, М. Рудерман
Южно-Российский государственный South-Russian State
технический университет Technical University
(Новочеркасский политехнический институт) (Novocherkassk Polytechnic Institute)
Рассматриваются магнитострикционные материалы и их свойства, установка для испытаний магнитострикционных материалов и устройств с их использованием, а также объединение в одном устройстве измерительных и исполнительных функций для испытания магнитострикционных элементов, описан вариант устройства для измерения удлинения магнитострикционного элемента.
Ключевые слова: магнитострикция; испытание магнитострикционных материалов; устройство испытания магнитострикционных материалов; устройство измерения удлинения магнитострикционных материалов.
In article are considered magnetostriction materials and their properties, the test device magnetostriction materials and devices with their use and as association in one device of measuring functions and executive functions for test magnetostriction elements, the variant of the device for lengthening measurement magnetostriction an element.
Keywords: magnetostriction; testing of magnetostriction materials; the test device magnetostriction materials; the device of measurement of lengthening magnetostriction materials.
В настоящее время все большее применение находят устройства, использующие магнитострикционные явления.
Магнитострикция (от лат. натяжение, сжатие) -изменение формы и размеров тела при его намагничивании.
Магнитострикционные материалы нашли применение в следующих устройствах: излучатели и приемники звука, фильтры, стабилизаторы, селективные частотные устройства для радиотехники и электросвязи, линии задержки звуковых и электрических сигналов, магнитоупругие датчики, механические приводы, реле, шаговые двигатели.
В этих устройствах используется один из четырех видов магнитострикции: линейная, характеризуемая коэффициентом относительного удлинения образца (Х = А1 /1); объемная магнитострикция, характеризуемая коэффициентом изменения объема (ю = ДV / V ); эффект Видемана; моноклинная или сдвиговая магни-тострикция, приводящая к изменению углов между осями кристалла [1].
В табл. 1 приведены параметры пермендюра и TbFe2 - материалы, обладающие коэффициентом линейного расширения при комнатной температуре.
Таблица 1
Параметры пермендюра и TbFe2
Материал Кристаллическое состояние X • 10~6 Br, Тл Hc, А/м
Пермендюр поликристалл 80 1,5 398
TbFe2 поликристалл 1200 - 3400
Монокристалл (ось [111]) 2400 -
Одним из современных магнитострикционных материалов является сплав №-Мп^а, он обладает большим коэффициентом магнитострикции, равным 9 %, зависимость удлинения образца из магнитострикци-онного сплава №-Мп^а от внешнего магнитного поля представлена на рис. 1. Видно, что этот материал обладает памятью формы, и максимальное относительное удлинение достигается при напряженности внешнего магнитного поля, приблизительно равного 800 кА/м [2].
Обратимость вызванной магнитным полем деформации магнитострикционных материалов имеет важное значение для практических применений. По этой причине материал много раз подвергают предварительным механическим нагрузкам. Соответствую-
щие кривые деформации при различных статических нагрузках представлены на рис. 2, где по вертикали отложено удлинение магнитострикционного образца, а по горизонтали - напряженность внешнего магнитного поля, в которое помещен магнитострикционный образец. L, %
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0 B, Тл
Рис. 1. Характеристика магнитострикционного материала Ni-Mn-Ga
L, %
1 МПа
1,5 МПа
2 МПа
-1000 -500
0
500
1000 H, кА/м
В, Тл 1,0
0,5"
-0,5
-1,0
5,9% 3,9% 2,1% 0,7% 0%
-150 -50 50 150 Н, кА/м
Рис. 3. Магнитные характеристики материала М-Мп^а
При создании новых магнитострикционных материалов и проверки работоспособности устройств, основанных на магнитострикционном эффекте необходимо устройство для испытания магнитострикци-онных материалов (рис. 4).
НС
У
ИО
ДН —> ИУ1
ДИ —> ИУ2
-
ДУ 4* ИУЗ
УП
ПВВ
ПК
Рис. 2. Зависимость деформации от магнитного поля материала М-Мп^а
На рис. 3 показаны магнитные характеристики магнитострикционного материала №-Мп-ва при различных уровнях его деформации (по вертикали отложена магнитная индукция, по горизонтали напряженность магнитного поля).
Рис. 4. Структурная схема устройства испытания магнитострикционных материалов
На структурной схеме устройства показано: НС -намагничивающая система, ИО - испытуемый образец, У - усилитель, УП - устройство противодействия, ДН и ДИ - соответственно датчик напряженности и датчик индукции, ДУ - датчик удлинения образца, ИУ1, ИУ2, ИУ3 - измерительные усилители, ПВВ -плата ввода/вывода, ПК - персональный компьютер.
ПК через ПВВ формирует на входе У сигнал с необходимой формой и частотой, усилитель У усиливает этот сигнал до необходимого уровня и подает в НС где происходит перемагничивание ИО. Сигналы с ДН, ДИ, ДУ, ДС усиливаются измерительными усилителями, затем через ПВВ подаются в ПК, где обрабатываются и хранятся. ПК через ПВВ также формирует управляющий сигнал для УП, которое создает противодействующее усилие для испытуемого образца при его удлинении во внешнем магнитном поле.
С датчиков ДН и ДИ поступает информация о магнитных свойствах испытуемого магнитострикци-онного образца, а с датчика ДУ - информация о маг-нитострикционных свойствах испытуемого образца. Информация с датчиков ДН, ДИ и ДУ фиксируется при различных противодействующих усилиях, создаваемых УП.
Датчик удлинения ДУ и устройство противодействия УП реализованы в одном устройстве, объединяющем в себе как функции измерения удлинения магнитострикционного образца, так и возможность создания нагружающих магнитострикционный образец усилий [3], на рис. 5 показана структурная схема устройства.
Линейный электромагнит (ЛЭМ) при подаче тока в его обмотку от устройства управления электромагнитом (УУЭ) создает различные усилия, соответст-
0
вующие питающему току, эти усилия нагружают маг-нитострикционный образец, являющийся испытуемым образцом ИО. В свою очередь, удлиняясь магнитост-рикционный образец, воздействует на ЛЭМ, изменяя его параметры, измеряемые устройством измерения параметров линейного электромагнита (УИПЛЭ), сигналы с УИПЛЭ поступают через ПВВ в ПК где преобразуются в искомые значения удлинения магни-тострикционного элемента при различных нагрузках на него.
УИПЛЭ ПВВ ПК
Рис. 5. Структурная схема устройства противодействия с возможностью измерения удлинения испытуемого образца
На рис. 6 показана конструкция линейного электромагнита с магнитным шунтом, а на рис. 7 представлены тяговые характеристики данного электромагнита при различных токах в его обмотке.
Корпус Якорь Втулка
Немагнитная впайка
Катушка
Рис. 6. Конструкция пропорционального электромагнита
F, Н 60
50 40 30 20 10 0 -
2,4 8, мм
Гистерезис силы, присутствующий в тяговых характеристиках линейного электромагнита преимущественно возникает в связи с трением якоря об направляющую втулку, таким образом, гистерезис силы слабо связан с магнитным гистерезисом и поэтому не влияет на параметры катушки электромагнита [4].
В результате моделирования линейного электромагнита в пакете прикладных программ FEMM были получены зависимости у = f (5, I), показанные на рис. 8, где у - потокосцепление катушки, 5 - зазор.
ИО ЛЭМ УУЭ Т, Вб
1 1 к 0,01
0,008
0,006
0,004
0,002
Я ■ »г
Ч. 3
^ 2
1
0
1
2
8, мм
Рис. 7. Тяговые характеристики линейного электромагнита
Рис. 8. Зависимость потокосцепления от положения якоря электромагнита и от тока протекающего по его обмотке: 1- 0,3 А; 2 - 0,6 А; 3 - 0,9 А
Видно, что при изменении зазора и тока изменяется потокосцепление катушки ЛЭМ, которое и может являться информативным параметром ЛЭМ.
Целесообразно использовать данный линейный электромагнит как первичный измерительный преобразователь удлинения магнитострикционного образца в диапазоне изменения зазора 5 от 1,1 мм до 2,3 мм, так как в этом диапазоне наблюдается наилучшая чувствительность.
Для получения эмпирической модели зависимости потокосцепления от зазора и от тока в обмотке электромагнита у' = f (5, I), при помощи методов планирования эксперимента был построен ортогонально-центрально-композиционный план второго порядка, в матрице планирования эксперимента введем обозначения: Х1, Х2 - факторы, У - отклик (табл. 2).
В общем виде эмпирическая модель второго порядка выглядит так:
У = ь0 + ь X + Ь2 X 2 + Ь12 Х1Х 2 + Ьих2 + Ь22X22 ,
где Ь0,Ь1,Ь2,Ь12,Ь11,Ь22 - коэффициенты уравнения регрессии.
Коэффициенты уравнения регрессии были рассчитаны при помощи программы Statistica: Ь0 = 0,0057 ,
Ь = -0,0017, Ь2 = -0,0013,
Ь11 = -0,00029, Ь22 = 0,00049.
b12 = 0,00061;
0
Таблица 2
Матрица планирования эксперимента
N X2 6, мм I, А X1*X2 X 2 Y
1 1 1 2,3 0,9 1 0,333 0,333 0,00415
2 1 -1 2,3 0,3 -1 0,333 0,333 0,00256
3 -1 1 1,1 0,9 -1 0,333 0,333 0,00851
4 -1 -1 1,1 0,3 1 0,333 0,333 0,00448
5 1 0 2,3 0,6 0 0,333 -0,667 0,00351
6 -1 0 1,1 0,6 0 0,333 -0,667 0,00734
7 0 1 1,7 0,9 0 -0,667 0,333 0,00645
8 0 -1 1,7 0,3 0 -0,667 0,333 0,00401
9 0 0 1,7 0,6 0 -0,667 -0,667 0,00569
После определения значимости коэффициентов уравнения регрессии получаем следующую эмпирическую модель:
Y = 0,0057 - 0,0017X1 - 0,0013X2 + 0,0006IX!X2 -
-0,00029X! + 0,00049Х22.
Совпадение исходных характеристик у = f (5,1) и полученных при помощи эмпирической модели у' = f (5,1) отражено на рис. 9.
Ч*, Вб
0,01
0,008
0,006 -
0,004
0,002
3
2
1 6 5
Т4 N
0
0,5
1,5
5, мм
Рис. 9. Зависимости у = f (5, I) и у' = f (5, I): 1- 0,3 А; 2 - 0,6 А; 3 - 0,9 А; 4- 0,3 А'; 5 - 0,6 А'; 6 - 0,9 А'
При испытании магнитострикционного образца, выполненного из материала №-Мп-ва, его намагничивают не вдоль, а поперек, так как при таком намагничивании ввиду особенностей его изготовления и внутренних свойств он удлиняется на максимальную величину [2].
На рис. 10 показано взаимное расположение испытуемого образца и линейного электромагнита.
ио
Рис. 10. Взаимное расположение испытуемого образца и линейного электромагнита
При создании внешнего поперечного магнитного поля магнитострикционный образец удлиняется на некоторую величину, и так как один из его концов неподвижен, то он воздействует на якорь линейного электромагнита, изменяя его положение и соответственно потокосцепление катушки электромагнита, измеряя которое, мы можем судить о том, насколько удлинился магнитострикционный образец.
Литература
1. Белов К.П. Магнитострикционные явления и их технические приложения. М., 1987. 224 с.
2. Tellinen J., Suorsa I. Basic properties of magnetic shape memory actuators // 8th international conference ACTUATOR 2002. Bremen, 2002.
3. Газаров К.Н., Ланкин М.В. Устройство активного испытания магнитострикционных элементов мехатронных
Поступила в редакцию
систем // Мехатроника : сб. тез. и статей Всерос. науч. школы для молодежи в области мехатроники. Новочеркасск, 2010. С. 63 - 66.
4. Гадючко А., Калленбах Э. Метод раздельной идентификации и принцип компенсации гистерезиса тяговой характеристики пропорционального электромагнита // Меха-троника-2008 : междунар. науч.-техн. коллоквиум / ЮРГТУ(НПИ). Новочеркасск, 2008.
24 января 2011 г.
Бертрам Торстен - д-р техн. наук, профессор, Германия, Дортмунд. Тел. (+49)231 755-2760. E-mail: torsten. [email protected]
Газаров Карен Николаевич - студент, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (918) 584 77 68. E-mail: [email protected]
Кучерова Анастасия Викторовна - аспирант, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (951) 497-48-96. E-mail: [email protected]
Ланкин Михаил Владимирович - канд. техн. наук, доцент, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (918) 523 59 89. E-mail: [email protected]
Михаил Рудерман - специалист, Германия, Дортмунд. Тел. (+49)231 755-2496. E-mail: [email protected]
Bertram Torsten - Doctor of Technical Sciences, professor, Deutschland, Dortmund. Ph. (+49)231 755-2760. E-mail: torsten. [email protected]
Gazarov Karen Nicolaevich - student, South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (918) 584 77 68. E-mail: [email protected]
Kucherova Anastasia Viktorovna - graduate student, South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (951) 497-48-96. E-mail: [email protected]
Lankin Michail Vladimirovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (918) 523 59 89. E-mail: [email protected]
Michael Ruderman - Dipl.-Ing. Deutschland, Dortmund. Ph. (+49)231 755-2496. E-mail: [email protected]
