автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.01, диссертация на тему:Измерение параметров материалов магнитных систем высокомоментных двигателей

На правах рукописи

ЧИЖОВ Андрей Вячеславович

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ МАТЕРИАЛОВ МАГНИТНЫХ СИСТЕМ ВЫСОКОМОМЕНТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Специальности: 05.11.01 — Приборы и методы измерения (электрические и магнитные величины); 05.11.14 — Технология приборостроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 2 АПР 2015

ПЕНЗА 2015

005567720

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

Научный руководитель -Официальные оппоненты:

Ведущая организация —

доктор технических наук, профессор Печерская Римма Михайловна Папко Антонина Алексеевна,

доктор технических наук, профессор, ОАО «Научно-исследовательский институт физических измерений» (г. Пенза), главный конструктор направления; Когельман Лев Григорьевич, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный технологический университет», начальник управления информатизации

ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет "МЭИ"»

Защита диссертации состоится «2/» 2015 г., в ¡2-00ча-

сов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.02 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» и на сайте http:// dissov.pnzgu.ru/ecspertiza

Автореферат разослан «(23» ОН 2015 г.

Ученый секретарь j?^

диссертационного совета —~ Светлов Анатолий Вильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Высокомоментные двигатели (ВМД) в настоящее время нашли широкое применение в приборостроении, машиностроении, робототехнике, в технике специального назначения. Их технические и эксплуатационные параметры во многом зависят от качества магнитной системы, предназначенной для преобразования электромагнитной энергии в крутящий момент. В свою очередь электромагнитные параметры магнитных систем определяются магнитными параметрами постоянных магнитов и магнитопровода, выполненного из магнитомягкого материала (МММ), в качестве которого часто используется сплав 49К2ФА, и технологий его изготовления. Несоответствие магнитных характеристик магнитопровода требуемым значениям приводит к возрастанию энергопотребления, снижению крутящего момента ВМД и, как следствие, снижению углового ускорения, что служит браковочным признаком и ведет к снижению технико-экономических показателей производства.

Повышение качества продукции достигается входным и межоперационным контролем магнитных параметров ленты сплава 49К2ФА, а именно: индукции технического насыщения, остаточной магнитной индукции, коэрцитивной силы по индукции и максимальной магнитной проницаемости в процессе производства, неотъемлемой частью которого является термообработка МММ магнитной системы. На сегодняшний день магнитные характеристики МММ измеряются оборудованием, ограничивающим получение в экспресс-режиме исчерпывающих знаний о магнитных параметрах применяемого материала, что связано с несовершенством как самих средств измерений, так и методик, заложенных в работу программного обеспечения. Эту задачу можно решить разработкой и внедрением в производство измерительно-вычислительных комплексов (ИВК) и алгоритмов исследования магнитных параметров МММ, обладающих повышенной точностью и быстродействием, основанных на современных достижениях в области микроэлектроники, вычислительной техники и программирования. Наиболее значимые научно-технические достижения в теории и практике магнитных измерений достигнуты зарубежными и отечественными коллективами ученых под руководством А. Г. Столетова, В. И. Чечерникова, И. И. Кифера, В. В. Клюе-ва, В. Г. Антонова, Е. Н. Чечерина, Д. Д. Мишина, А. А. Преображенского, Ю. Н. Стародубцева, С. Г. Сандомирского, Д. В. Шайхутдинова, М. В. Панкина, Е. А. Ломтева и др.

Известные методики исследования статических магнитных характеристик (СМХ) в замкнутой магнитной цепи (ЗМЦ) не обеспечивают требуемой точности измерения магнитных параметров. Это относится к обобщенным алгоритмам, разработанным для средств измерений с низкой автоматизацией и применением адаптивных алгоритмов в ИВ К для решения узких задач, погрешность которых с доверительной вероятностью 0,95 составляет для магнитной индукции ±3,0 %, напряженности поля ±2,0 %, магнитной проницаемости ±5,0 %, что является недостаточным.

Цель диссертационной работы - повышение точности измерения и стабилизация магнитных параметров материалов магнитных систем посредством совершенствования методик измерений и технологических процессов.

Предмет исследования - методики измерений магнитных параметров магнитомягких материалов с коэрцитивной силой менее 200 А/м в замкнутой магнитной цепи.

Объект исследования - магнитопровод магнитной системы^ ВМД, изготовленный из лент сплава 49К2ФА I и II класса.

Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие основные задачи:

1. Формирование основных технических требований к ИВК, позволяющему проводить входной и межоперационный контроль магнитомягких материалов за счет измерений статических магнитных характеристик в замкнутой магнитной цепи с экспресс-методикой и методикой измерения магнитных параметров с повышенной точностью.

2. Разработка методики измерения статических магнитных характеристик магнитомягких материалов магнитопровода в замкнутой магнитной цепи, позволяющей снизить основную относительную погрешность измерения с доверительной вероятностью 0,95 для магнитной индукции ±0,5 %, напряженности поля ±0,5 %, магнитной проницаемости ±1,0 %.

3. Разработка алгоритмов, позволяющих реализовать методики измерения статических магнитных характеристик магнитомягких материалов в замкнутой магнитной цепи на ИВК.

4. Повышение качества магнитных систем за счет стабилизации магнитных параметров магнитомягких материалов путем модификации режимов их термообработки.

Методы исследования базируются на положениях теории электрических цепей, теории погрешностей, математической статистики, математического анализа. Теоретические исследования проводились

с использованием сред моделирования MathCAD и программирования Delphi.

Научная новизна:

По специальности 05.11.01 :

1. Разработана методика измерения статических магнитных характеристик основной кривой намагничивания и петель магнитного гистерезиса в замкнутой магнитной цепи, заключающаяся в комбинации ступенчатого и коммутационного режимов изменения напряженности магнитного поля. При этом измерение магнитных параметров в диапазоне напряженности поля от -2Нс до +2Нс производится первоначально в ступенчатом режиме с последующим уточняющим измерением в коммутационном режиме. Это позволяет снизить погрешность измерения магнитных параметров до ±1,0 % и сократить время измерений до 5 раз за счет отсечения неинформативных точек на прямолинейных участках и областях перегиба основной кривой намагничивания и петли магнитного гистерезиса по сравнению с известными методиками.

2. Разработаны алгоритмы измерения статических магнитных характеристик основной кривой намагничивания и петли магнитного гистерезиса магнитомягких материалов в замкнутой магнитной цепи, которые в отличие от известных обеспечивают отсечение неинформативных точек на прямолинейных участках и областях перегиба, отслеживание, переключение диапазонов и контроль перегрузок источника тока намагничивания и интегратора, компенсацию дрейфа измерительных каналов. Это снизило методическую погрешность измерений магнитных параметров до ±1,0 %.

По специальности 05.11.14:

1. Разработан и изготовлен измерительно-вычислительный комплекс, отличающийся возможностью измерения статических магнитных характеристик в коммутационном и ступенчатом режимах изменения напряженности магнитного поля с инструментальной погрешностью менее ±1,5 %. Применение его на входном и межоперационном контроле повышает технико-экономические показатели производства магнитных систем высокомоментных двигателей.

2. Разработана методика выбора режимов термообработки для контролируемого управления магнитными параметрами, которая в отличие от ранее известных устанавливает взаимосвязь между режимами термообработки и магнитными параметрами лент сплава 49К2ФА.

Практическая значимость состоит в развитии индукционно-импульсного метода измерений статических магнитных характеристик

в ступенчатом и коммутационном режимах изменения напряженности магнитного поля; разработке методики измерений основных магнитных параметров, снизившей методическую погрешность до ±1,0% и сократившей время измерения статических магнитных характеристик магнитомягких материалов до 5 раз. Это обеспечено оптимизацией времени между коммутациями тока намагничивания с минимизацией динамических погрешностей, оптимизацией числа измеряемых точек на прямолинейных участках и структурной схемы ИВК, позволяющего измерять статические магнитные характеристики петель магнитного гистерезиса и основной кривой намагничивания магнитомягких материалов с инструментальной погрешностью не более ±1,5 %.

Усовершенствованная технология термообработки позволяет достичь более высокого магнитного потока в магнитной системе ВМД за счет улучшения магнитных параметров, что в сочетании с модификацией режимов термической обработки и применением изоляционного покрытия обеспечило увеличение крутящего момента ВМД и снижение энергопотребления.

Реализация результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований работы использованы для исследования качества лент сплава 49К2ФА I и И классов с толщиной листа от 0,1 до 0,2 мм при изготовлении магнитных систем ВМД и для прогнозирования магнитных параметров МММ, прошедших отжиг на предприятии, а также в учебном процессе кафедры «Нано- и микроэлектроника» Пензенского государственного университета при уровневой подготовке по направлению 210100 «Электроника и наноэлектрони-ка», что подтверждено актами внедрения.

Измерительно-вычислительный комплекс ММ50А внедрен в технологический процесс изготовления ВМД во ФГУП ФНПЦ «ПО "Старт" им. М. В. Проценко». Он применяется для измерения магнитных характеристик электротехнических сталей и прецизионных сплавов при входном и межоперационном контроле качества термообработки. Подтверждено актом внедрения.

На защиту выносятся:

По специальности 05.11.01:

1. Усовершенствованная методика измерения статических магнитных характеристик в диапазоне напряженности магнитного поля* от -2Нс до +2Нс в замкнутой магнитной цепи, обеспечивающая относительную методическую погрешность менее ±1,0% при снижении времени измерения за счет отсечения неинформативных точек измерения основной кривой намагничивания и петли магнитного гистере-

зиса и комбинации ступенчатого и коммутационного режимов изменения напряженности магнитного поля.

2. Усовершенствованные алгоритмы измерения основной кривой намагничивания, петель магнитного гистерезиса и размагничивания, реализующие предложенную методику измерения магнитных параметров.

По специальности 05.11.14:

1. Измерительно-вычислительный комплекс, обеспечивающий входной и межоперационный контроль магнитных параметров МММ, повышающий эффективность производства магнитопроводов магнитных систем ВМД.

2. Результаты измерения магнитных параметров образцов-свидетелей лент сплава 49К2ФА I и II классов в зависимости от параметров термообработки, позволившие обеспечить повышение качества магнитных систем ВМД.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на ХУ-ХУШ Международных научно-методических конференциях «Университетское образование» (г. Пенза, 20112014), IX научно-технической конференции молодых специалистов Росатома «Высокие технологии атомной отрасли. Молодежь в инновационном процессе» во ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю. Е. Седакова» (г. Нижний Новгород, 2014), III Межотраслевой конференции «Автоматизированные системы контроля. Тестопригодность электронных изделий. Возможности и перспективы использования в производстве военной техники и специального оборудования» во ФГУП ФНПЦ «ПО "Старт" им. М. В. Проценко» (г. Заречный, Пензенская область, 2014).

Публикации. По теме диссертации опубликовано девять научных работ, в том числе три - в журналах из перечня, рекомендованного ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Текст изложен на 139 листах. Список литературы включает 105 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определена основная цель исследований, раскрыты научная новизна и практическая значимость.

В первой главе приведена краткая характеристика ВМД;- рассмотрены требования, предъявляемые к материалам их магнитных

систем, выполнен анализ технологий изготовления сборочных единиц. Определен объект исследования - используемая для изготовления роторов и статоров ВМД лента сплава 49К2ФА I и II классов, магнитные свойства которой влияют на величину магнитного потока в магнитной системе ВМД и, как следствие, на величину крутящего момента и углового ускорения. Выявлено изменение магнитных свойств магнито-проводов из лент сплава 49К2ФА от параметров термообработки в инертной среде. Проведены анализ и классификация современных методов исследования и средств измерений СМХ МММ. Установлено, что наилучшим методом измерения СМХ является индукционный с коммутационным и ступенчатым режимами изменения напряженности магнитного поля в замкнутой и разомкнутой магнитных цепях (РМЦ). Установлена необходимость в совершенстве методики измерений магнитных параметров магнитомягких материалов. Сформулированы задачи, решаемые в диссертационной работе.

Вторая глава посвящена развитию индукционно-импульсного метода измерения статических магнитных характеристик магнитомягких материалов в замкнутой магнитной цепи. Показано, что индукционный метод наиболее перспективен и относительно прост при разработке автоматизированных средств измерений СМХ МММ. Сформулированы требования к технологии изготовления и конфигурации образцов, в соответствии с которыми измерения СМХ выполняются на образцах-свидетелях в виде набранного из штампованных колец тора. Уточнены диапазоны возможных значений £)„ и Д,н и отношение Д, / £)„„ наружного и внутреннего диаметров тороидальных образцов-свидетелей, соответствующих условиям:

Проведено обоснование применяемого метода размагничивания для задания исходного состояния образцов к измерению основной, кривой намагничивания. Показано, что для измерения петель магнитного гистерезиса и основной кривой намагничивания экспресс-методом предпочтительным является ступенчатый режим изменения напряженности магнитного поля, так как время измерения магнитных параметров значительно ниже по сравнению с коммутационным режимом (рисунок 1).

-1<0,001,

Аж+А,

<0,1.

= 100

О 100 200 300 400 500 Пауза между коммутациями т, мс

<2= '01 +

¿ти + 2ЛГт

(M + l) + t02; • (Л/ + 2) + /02;

41=1

<3 = 'oi + Z*m + JVT + /02; )=1 4.W+1

'4='01+ £ Xm+T(4// + l) + <02-1=1

Рисунок 1 - Зависимость длительности измерения Г от длительности паузы т между коммутациями

Для оптимизации времени измерения в коммутационном (/ь 'г) и ступенчатом (?3> /4) режимах перемагничивания исследовано влияние на погрешности измерения статических магнитных характеристик предельной петли магнитного гистерезиса и основной кривой намагничивания длительности пауз при коммутации тока. Установлено, что при измерении магнитных параметров снижение времени паузы между коммутацией тока т приводит к росту коэрцитивной силы Нс и максимальной магнитной проницаемости ¡!тах (рисунок 2), а значения максимальной В, и остаточной Вг магнитных индукций остаются без изменений, что связано с ростом потерь в образце-свидетеле.

55 57,5

57 56.5

56 55,5

\ ! !

\! А! I

К , ]

•1

• •

13300

Я ё |

й а я я

13200 *

II 131001-

I*

а 1зооо с

12900 1

0 100 200 300 400 500 Пауза между коммутациями т, мс

б)

0 100 200 300 400 500 Пара между коммутациями г. мс

в)

Рисунок 2 - Зависимость магнитных параметров ленты сплава 49К2ФА от паузы между изменением напряженности поля т: а — коэрцитивной силы; б - максимальной магнитной проницаемости

Предложена аппроксимирующая функция F(x) по методу наименьших квадратов, позволяющая прогнозировать коэрцитивную силу

Нс предельного цикла гистерезиса и максимальную магнитную проницаемость, при заданном времени паузы т, исходя из измеренных значений.

Ступенчатый режим измерения основной кривой намагничивания заключается в разбиении диапазона напряженности магнитного поля от 0 до Н, на заданное число интервалов и последовательном измерении приращения магнитного потока ¿Ф в диапазоне от 0 до потока насыщения Ф„ возникающего при последовательном изменении напряженности намагничивающего поля на величину АН в диапазоне> от 0 до значения напряженности магнитного поля Я5, соответствующей индукции насыщения Измерение убывающей / возрастающей ветви петли гистерезиса осуществляется измерением магнитного потока насыщения Ф5 и последовательным измерением приращения магнитного потока с1Ф при изменении значения напряженности поля от Я, до Я, при котором Я/ последовательно изменяется в диапазонах +Н5 -г- -Н,1 -Н1 +Н„ соответственно.

Измерение основной кривой намагничивания в коммутационном режиме перемагничивания заключается в разбиении диапазона напряженности магнитного поля от 0 до Н5 на заданное число интервалов и последовательном измерении магнитного потока |2Ф,| при изменении значений напряженности поля Я, соответствующих каждому интервалу, на противоположные. Построение убывающей / возрастающей ветви петли гистерезиса осуществляется измерением магнитного потока насыщения Ф^ и последовательным измерением приращения магнитного потока с1Ф при изменении значения напряженности поля от //, до Я, при котором Я изменяется в диапазоне +Я5 ^ -Н5 / —Я5 +Н; соответственно, после выполнения заданного числа коммутаций в поле насыщения Н5.

Показано, что ступенчатый режим изменения напряженности магнитного поля может быть применен для получения опорных точек при измерении СМХ в коммутационном режиме перемагничивания. Установлено, что снижение времени измерения петли гистерезиса и основной кривой намагничивания достигается применением алгоритма отсечения неинформативных точек измерения (рисунок 3).

Результаты измерения магнитных параметров основной кривой намагничивания (рисунок 3,6) и предельной петли магнитного гистерезиса ленты сплава 49К2ФА показывают приемлемую точность оптимизации опорных точек измерения. Цветом выделены опорные точки, полученные после оптимизации. Предложенный алгоритм апробирован при измерениях основной кривой намагничивания и петли

гистерезиса тороидальных образцов-свидетелей лент сплавов 79НМ и 80НХС, отличающихся наивысшими значениями магнитной проницаемости в слабых и средних полях. Проведен анализ результатов измерения образцов-свидетелей (рисунок 4), установлен интервал нахождения значений максимальной магнитной проницаемости цтах.

§100000 2

I

а

¡5

3 Т Л ■ ^ \ 4

-.>000 о :ооо

' л

-г

! 50000

Напряженность магнитного пола//. А/ы

20 40 60 80 100 120 Напряженность магнитного поля Н, Ли

а) б)

Рисунок 3 — Пояснение оптимизации точек измерения: а - принцип работы алгоритма; б - кривая магнитной проницаемости

350

ё 2

2 I

¡3

5

300

,250

з

й 200 а

3

1-150

100

к

Ч •

0,8 1,0 1,2 1,4 Напряженность магм: пиш о паля Н, А/м

Рисунок 4 — Зависимость (1тах от напряженности поля

Установлено, что для снижения методической погрешности цта* и Нс до уровня менее ±1 % необходимо в полях от 0,65 до 1,65 А/м и от 0,5Нс до 1,5Нс задавать дискретность изменения поля намагничивания из интервала (0,01-0,05) А/м соответственно, который обусловлен геометрическими размерами образца-свидетеля и числом витков обмотки намагничивания. Уменьшение дискретности изменения поля намагничивания приводит к росту числа измеряемых точек N и, как следствие, к увеличению длительности измерений /. Сформулированы дополнительные требования к подготовке образцов-свидетелей лент сплавов 79НМ, 80НХС.

Результаты измерения магнитных параметров основной кривой намагничивания и предельной петли магнитного гистерезиса ленты сплава 79НМ показали приемлемую точность оптимизации опорных точек измерения. Обеспечена максимальная плотность точек на начальном участке диапазона поля от -2Нс до +2Нс, в котором находятся искомые значения цтах и Нс. Для снижения погрешности измерения. цтах из-за задания значения поля Нт превосходящим фактическое поле насыщения материала, диапазон поля, в котором находится искомое значение цтах, корректируется. Сформулированы требования к подготовке образцов-свидетелей лент сплавов 79НМ, 80НХС для измерения статических магнитных характеристик предельной петли магнитного гистерезиса и основной кривой намагничивания в полях от -2Нс до +2Нс, обеспечивающие выполнение измерений магнитных параметров с методической погрешностью менее ±1,0 % без введения поправки на индукцию, в соответствии с которыми оптимальными являются диаметры £>„„=35 мм и £>„=39 мм при числе витков намагничивающей обмотки IVI= 5. С целью снижения методической погрешности измерения статических магнитных характеристик предельной петли магнитного гистерезиса и основной кривой намагничивания в диапазоне напряженности поля от -2Нс до 2Нс на тороидальных образцах-свидетелях из лент сплава 49К2ФА I и И классов и других применяемых в приборостроении магнитомягких прецизионных сплавов и электротехнических сталей разработана методика измерения основной кривой намагничивания и предельной петли магнитного гистерезиса, заключающаяся в следующем:

1. Разбиение диапазона напряженности поля от 0 до Н5 на заданное число интервалов N0 по геометрической профессии с знаменателем д.

2. Отсеивание точек, задание напряженности поля в которых невозможно с нормируемой погрешностью.

3. Предварительное измерение нисходящей ветви предельной петли магнитного гистерезиса в ступенчатом режиме изменения напряженности магнитного поля в последовательности 0 —> +Н, —*■

с числом ступеней 27/о+1-

4. Анализ экспериментальных точек на предмет «шума» и при необходимости его фильтрация кубическим сплайном.

5. Анализ отношения ЩНС для уточнения Н5 при измерении основной кривой намагничивания.

6. Исключение неинформативных точек измерения для уточняющего измерения предельной петли гистерезиса в коммутационном режиме.

7. Добавление в набор точек измерения ИВп N0,95нос, М,о5нос-

8. Уточняющее измерение предельной петли магнитного гистерезиса в коммутационном режиме изменения напряженности магнитного поля и определение основных магнитных параметров.

9. Статическое размагничивание в диапазоне напряженности поля от Н, до 0 в коммутационном режиме изменения напряженности магнитного поля с убывающей амплитудой А в точках, полученных по п. 1, п. 2.

10. Исключение неинформативных точек измерения для уточняющего измерения в коммутационном режиме.

11. Добавление в набор точек измерения основной кривой намагничивания Л^0.95НОц, М.05Но»-

12. Уточняющее измерение основной кривой намагничивания в коммутационном режиме изменения напряженности магнитного поля в диапазоне поля от 0 до

13. Обработка результатов измерения.

Применение описанной методики позволяет значительно сократить время измерения основных магнитных параметров за счет обработки экспериментальных данных, полученных измерением в ступенчатом режиме изменения напряженности магнитного поля и последующей выборки опорных точек на петле гистерезиса и основной кривой намагничивания, обеспечивающих измерение областей перегиба и прямолинейных участков с погрешностью, не превышающей заданной.

Третья глава посвящена разработке измерительно-вычислительного комплекса измерения магнитных параметров магнитомягких материалов, алгоритмов калибровки и измерения статических магнитных характеристик петель магнитного гистерезиса и основной кривой намагничивания в замкнутой магнитной цепи. Разработана структурная схема опытного образца измерительно-вычислительного комплекса «Измеритель параметров магнитомягких материалов ММ50А» (рисунок 5), реализующая индукционно-импульсный метод с коммутационным и ступенчатым режимами изменения напряженности магнитного поля.

мк

( АЦП

[з™ Ы1

ЦАП

Г Ы1

ч )

И

Методики измерений

Внтултппацня результатов измерений

Рисунок 5 - Структура ИВК «Измеритель параметров магнитомягких материалов ММ50А»

Обоснованы требования для блока намагничивания. Предложен подход к определению числа диапазонов блока намагничивания и канала интегратора, позволяющих обеспечить погрешность измерения статических магнитных характеристик с точностью ±1,5 %. Предложены пути минимизации и учета дрейфа интегратора. Сформулированы ос-, новные технические требования к проектируемому ИВК. С целью оценки приведенной погрешности установки намагничивающего тока 81 и относительной погрешности измерения магнитного потока 5Ф проведена калибровка на (КВИ) Р536 с взаимной индуктивностью М = 0,001 Гн, класс точности 0,2. По ее результатам установлено, что приведенная погрешность установки намагничивающего тока 8: не превышает ±0,5 %, а относительная погрешность измерения магнитного потока 5Ф - не более ±1,0%. С целью подтверждения теоретических выводов, адаптации и апробации предложенной методики измерения СМХ в ЗМЦ ленты сплава 49К2ФА I и II классов и других применяемых в приборостроении прецизионных сплавов и электротехнических сталей в ступенчатом и коммутационном режимах изменения напряженности магнитного поля на ИВК «Измеритель параметров магнитомягких материалов ММ50А» разработан алгоритм измерения основных магнитных параметров предельной петли магнитного гистерезиса и основной кривой намагничивания, в основу которого заложен метод оптимизации неинформативных точек измерения (рисунок 6). Установлено, что для выполнения коррекции аддитивной погрешности АЦП и ЦАП относительно нуля в процессе измерения, регулирования паузы между коммутациями, автокалибровки и контроля перегрузки источника питания необходимо использовать модифицированный протокол взаимодействия ПО с измерительным блоком. Определена структура пакетов обмена данными между ПО и измерительным блоком ИВК.

Четвертая глава посвящена совершенствованию качества ленты сплава 49К2ФА за счет модификации параметров термообработки. Установлены этапы подготовки материалов к термообработке в вакууме. Выявлены причины, приводящие к снижению магнитных параметров. Исследовано влияние режимов термообработки в инертной среде на магнитные свойства ленты сплава 49К2ФА I и II классов. Рассмотрены следующие этапы отжига:

1) подготовка материала и образцов-свидетелей к термообработке;

2) определение максимальной температуры отжига и скорости ее достижения;

3) определение времени выдержки при максимальной температуре;

4) определение градиента снижения температуры.

Установлено, что применение неактивных покрытий, в качестве которых выступали оксиды магния, алюминия и кальция, способствовало предотвращению спекания кольцевых образцов, что привело

к улучшению магнитных свойства. Скорость нарастания температуры не оказывает существенного влияния на качество отжига, тем не менее малая скорость нагрева нежелательна по экономическим соображениям, из-за потерь времени на термообработку. В работе скорость нагрева составляла 500 °С/ч, что снижает появление трещин на поверхности сплава при сравнительно низких затратах. Добавление, 2 %-го ванадия сопровождается малозаметным изменением диаграммы состояния, хотя и увеличивает удельное сопротивление, улучшает механические свойства. Установлено, что максимальная температура отжига, обеспечивающая, судя по диаграмме Fe-Co, протекание металлургических процессов в сплаве 49К2ФА, находится в интервале от 850 до 900 °С. По результатам исследования времени выдержки при максимальной температуре установлено, что с увеличением времени выдержки повышаются значения магнитной индукции в диапазоне поля намагничивания от 0 до технического насыщения. Оптимальные значения индукции достигаются после выдержки в течение 6 ч. Градиент снижения температуры также является значимым параметром. Проведенные исследования показывают, что малая скорость охлаждения оказывает положительное влияние на магнитные свойства Fe-Co сплавов, что свидетельствует об упорядоченной равновесной структуре. С учетом режима нагрева и диаграммы состояния Fe-Co установлено, что наилучшим является одноступенчатый режим охлаждения с постоянной скоростью. Выявлено, что режим охлаждения с постоянной скоростью 100 °С/ч позволяет понизить значение коэрцитивной силы до 28-30 А/м. Варьирование режимами термообработки позволило улучшить магнитные параметры лент сплава 49К2ФА I и II классов. Исследование режимов выдержки и охлаждения позволило снизить коэрцитивную силу сплава 49КФ до 130 А/м.

В заключении сформулированы основные результаты диссерта-« ционной работы.

В приложениях к работе А, Б, В, Г, Д представлены результаты экспериментальных исследований зависимости магнитных свойств от длительности паузы между коммутацией тока, уравнения регрессии коэрцитивной силы, текст подпрограммы оптимизации неинформативных точек, результаты оптимизации неинформативных точек, акты внедрения результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

По специальности 05.11.01:

1. Исследованы для индукционно-импульсного метода в коммутационном и ступенчатом режимах перемагничивания длительности

пауз между коммутациями тока, исключены неинформативные точки измерения основных статических магнитных характеристик: основной кривой намагничивания и петли магнитного гистерезиса магнитомяг-ких материалов, позволившие сократить время измерений до 5 раз.

2. Разработана методика подготовки тороидальных образцов-свидетелей, которая уточняет требования к диапазону возможных значений наружного £>„ и внутреннего £>„„ диаметров и отношению £>„ / Ввн, позволяя обеспечить однородность магнитного поля по их сечению в процессе измерения основных статических магнитных характеристик магнитомягких материалов с высокой точностью, исключить брак при термообработке в инертной среде и снизить методическую погрешность за счет исключения перегрева, взаимоиндукции обмоток и подмагничивания поперечным полем.

3. Разработана и внедрена в технологический процесс изготовления магнитопроводов магнитных систем ВМД методика измерения статических магнитных характеристик основной кривой намагничивания и петель магнитного гистерезиса в замкнутой магнитной цепи, заключающаяся в комбинации ступенчатого и коммутационного режимов изменения напряженности магнитного поля, позволяющая измерять магнитные параметры в диапазоне напряженности поля от -2//с до +2Нс с методической погрешностью менее ±1,0 % и сократить время измерений до 5 раз за счет отсечения неинформативных точек на прямолинейных участках и областях перегиба основной кривой намагничивания и петли магнитного гистерезиса.

4. Разработаны алгоритмы измерений статических магнитных характеристик основной кривой намагничивания и петли магнитного гистерезиса магнитомягких материалов в замкнутой магнитной цепи, которые обеспечивают отсечение неинформативных точек на прямолинейных участках и областях перегиба, отслеживают переключение диапазонов и контроль перегрузок источника тока намагничивания и интегратора, выполняют компенсацию дрейфа измерительных каналов. Их применение в измерительно-вычислительном комплексе «ММ50А» позволило снизить погрешность измерений магнитных параметров до ±1,0 %.

По специальности 05.11.14:

1. Разработан и внедрен в технологический процесс входного и межоперационного контроля измерительно-вычислительный комплекс «Измеритель параметров магнитомягких материалов». Он измеряет статические магнитные характеристики основной кривой намагничивания и петель магнитного гистерезиса в коммутационном и ступен-

чатом режимах изменения напряженности магнитного поля с погрешностью, не превышающей 1,5 %, за счет многодиапазонного управляемого источника тока и интегратора, применение которого повышает технико-экономические показатели производства магнитных систем высокомоментных двигателей.

2. Выявлены зависимости между максимальной температурой отжига, временем выдержки, режимом охлаждения и основными магнитными параметрами ленты сплава 49К2ФА. Разработан режим термообработки ленты, позволяющий поднять индукцию при напряженности магнитного поля от 0 до 2500 А/м, снизить коэрцитивную силу до 30 А/м, что способствует повышению качества магнитопроводов магнитных систем ВМД и, как следствие, их технических характеристик.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ .

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Чижов, А. В. Методика определения максимальной магнитной проницаемости пермаллоев в постоянном магнитном поле / Р. М. Печерская, А. В. Чижов // Научно-технический вестник Поволжья. - 2014. - № 3. -С. 202-206.

2. Чижов, А. В. Термическая обработка Fe-Co-V как инструмент совершенствования качества изделий из магнитомягких материалов / А. В. Чижов // Инженерный вестник Дона. - 2014. - № 2. - URL: http:// www.ivdon.ru/magazine/archive/n2y2014/2374 (Дата обращения: 10.01.2015).

3. Чижов, А. В. Автоматизированный комплекс для исследования статических характеристик магнитомягких материалов / Р. М. Печерская, А. В. Чижов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2015. - № 1 (32). - С. 78-86.

Публикации в других изданиях

4. Чижов, А. В. Автоматизация измерений параметров магнитомягких материалов / А. В. Чижов // Университетское образование : сб. ст. XV Меж-дунар. науч.-метод. конф. - Пенза: Изд-во ПТУ, 2011. - С. 476-477.

5. Чижов, А. В. Автоматизированная установка для исследования магнитомягких материалов / Ю. А. Вареник, А. М. Метальников, Д. В. Рябов, А. В. Чижов // Университетское образование : сб. ст. XVI Междунар. науч.-метод. конф. - Пенза: Изд-во ПТУ, 2012. - С. 176-177.

6. Чижов, А. В. Повышение характеристик магнитопроводов высокомоментных двигателей / А. В. Чижов // Университетское образование : сб. ст. XVII Междунар. науч.-метод. конф. - Пенза: Изд-во ПТУ, 2013. - С. 470-471.

7. Чижов, А. В. Анализ принципов и методов изготовления магнитопроводов высокомоментных двигателей / А. В. Чижов // Университетское

образование : сб. ст. XVII Междунар. науч.-метод. конф. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2013.-С. 471-472.

8. Чижов, А. В. Влияние твердости стали на ее магнитные параметры / А. В. Чижов // Университетское образование : сб. ст. XVIII Междунар. науч.-метод. конф. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2014. - С. 322-323.

9. Чижов, А. В. Повышение точности измерения статических характеристик магнитных материалов для высокомоментных двигателей / А. В. Чижов // Измерения. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2014. -№4(10).- С. 39-43.

Научное издание

ЧИЖОВ Андрей Вячеславович

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ МАТЕРИАЛОВ МАГНИТНЫХ СИСТЕМ ВЫСОКОМОМЕНТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Специальности: 05.11.01 - Приборы и методы измерения (электрические и магнитные величины); 05.11.14 - Технология приборостроения

Редактор О. Ю. Ещина Технический редактор М. Б. Жучкова Компьютерная верстка М. Б. Жучковой

Распоряжение № 6/28-15 от 19.03.2015. Подписано в печать 19.03.15. Формат 60х84шб. Усл. печ. л. 1,16. Заказ № 149. Тираж 100.

Издательство ПГУ. 440026, Пенза, Красная, 40. Тел./факс: (8412) 56-47-33; e-mail: iic@pnzgu.ru

/ Л

I / '