необходимо обеспечить максимальную коэрцитивную силу веще ства, то магнит нужно помещать в магнитное поле, совпадающее по направлению с полем, которое будет в нем при нормальных условиях эксплуатации устройства. Применение магнитомягкого вещества в сочетании с магнитожестким позволяет изготовлять магниты довольно сложной формы, в которых, однако, тонкая шлифовальная обработка требуется только для плоских поверх ностей магнитожесткого материала. Во-вторых, магнитожесткие вещества обычно бывают недостаточно однородны. Если такой материал непосредственно примыкает к воздушному зазору, то плотность магнитного потока в зазоре не будет распределена равномерно. В то же время магнитомягкие материалы характе ризуются большей однородностью. Их можно использовать для «сглаживания» магнитного потока в воздушном зазоре, чтобы обеспечивалась максимально возможная равномерность плот ности потока.
Постоянный магнит имеет определенную рабочую точку. Эта точка, обозначенная на рис. 19.1 буквой Р, характеризует вы нуждающую силу Я, требуемую для создания магнитного потока с определенной плотностью В при наличии заданной размагничи вающей силы. Если постоянный магнит используется для созда ния магнитного поля в воздушном зазоре, то основная размагни чивающая сила в этой цепи определяется длиной воздушного зазора. Поскольку величина Я отнесена к единице длины магни та, действительная длина магнита, требуемая для данной магнит ной цепи, будет пропорциональна длине воздушного зазора. Кроме того, весь магнитный поток, проходящий через зазор, и магнитный поток «утечки» вокруг зазора должны обеспечи ваться магнитной индукцией В, соответствующей данной рабочей точке Р. Величина В также имеет характер удельной величины — она отнесена к единице площади поперечного сечения магнита. Действительная требуемая площадь поперечного сечения магни та определяется площадью воздушного зазора и дополнительной площадью, учитывающей магнитный поток утечки.
При конструировании постоянной магнитной цепи с оптималь ной рабочей точкой принимают во внимание два требования. Во-первых, точка Р выбирается так, чтобы сводился к минимуму объем используемого магнитожесткого материала. Для любой другой рабочей точки элемент из магнитожесткого материала будет иметь либо большую длину, либо большую площадь поперечного сечения, чем для оптимальной точки. Длина и пло щадь поперечного сечения определяют энергетическое произ ведение ВХ Я. В данном случае чем больше это произведение, тем меньше требуемое количество магнитожесткого материала. Петли гистерезиса у разных материалов характеризуются разными значениями максимального энергетического произведения В х Я . Для сплава алнико V оно равно 5 М ГсЭ=39,8 кТл-А/м, для
зю
самария 15 МГсЭ = 119,4 кТл*А/м, и для некоторых эксперимен тальных материалов оно достигает 30 МГсЭ=238,8 кТл-А/м.
Во-вторых, выбор точки Р должен обеспечивать максималь ную стабильность характеристик устройства. Как указано выше, эта точка находится на одной из вспомогательных петель гисте резиса. Если выбранная точка Р будет расположена вблизи основной петли, то внешние размагничивающие силы могут сместить ее вниз по основной петле, где она перейдет на другую вспомогательную петлю, не способную обеспечить требуемую плотность магнитного потока в воздушном зазоре. Поэтому точку Р нужно выбирать в таком месте, чтобы ее расстояние от основной петли было больше, чем ее возможное смещение под влиянием любой внешней размагничивающей силы, которая может воздействовать на магнит после его первоначальной настройки.
Элементам магнита из магнитожесткого материала нередко придают коническую форму, с тем чтобы площадь их поперечного сечения уменьшалась по мере приближения к воздушному зазо ру. Как показано на рис. 19.2, с удалением от воздушного зазора увеличивается магнитный поток утечки. Поскольку под держание этого потока (наряду с потоком в воздушном зазоре) обеспечивается магнитным материалом, количество последнего должно увеличиваться по мере удаления от зазора.
Если у поверхности тела из магнитожесткого материала сосредоточено некоторое магнитное поле, то в этом месте магне тоны элементарного объема тела изменяют свою ориентацию, упорядочивая ее в направлении локального поля, и перестают вносить вклад в общее поле, создаваемое магнитом. Но рабочая точка определяется в результате суммарного действия всех
Рис. 19.2. Пути магнитных силовых линий утечки у воздушного зазора. Воздушный зазор магнита всегда окружен нежелательными путями магнитных силовых линий утечки, которые имеют характерную форму. Через эти пути должен проходить соответствующий магнитный поток, если требуется поддерживать за данную плотность потока в зазоре
элементарных объемов, которое изменяется при изменении вкла да любого из них.
Даже простое соприкосновение с поверхностью магнитожест кого материала тела из ферромагнитного вещества любого типа, магнитожесткого или магнитомягкого, может оказаться доста точным для смещения рабочей точки из требуемого положения. Более того, этот вид размагничивания не оказывает влияния на процесс стабилизации магнита. Для того чтобы предотвратить локальную концентрацию размагничивающих полей, магнито жесткие элементы магнитной цепи обычно покрывают достаточно толстой оболочкой из немагнитного вещества, не допускающей приближения вплотную к его поверхности ферромагнитных тел, которые могут вызвать нарушение такого типа.
19.4. ВОЗДУШНЫЕ ЗАЗОРЫ
Воздушные зазоры в.постоянных магнитных цепях порождают размагничивающие силы. Их конфигурация более сложна, чем может показаться на первый взгляд. Дело в том, что параллель ные магнитные силовые линии противодействуют одна другой, и при наличии соответствующих условий они «выпячиваются» за пределы воздушного зазора, принимая пространственную форму, характерную для воздушного зазора каждого конкретного типа.
На рис. 19.2 магнитное поле утечки представлено в виде нескольких путей магнитных силовых линий упрощенной формы. Хотя они не совпадают с действительными путями, при выборе достаточно большого числа таких путей их совокупность дает удовлетворительную оценку магнитного потока утечки по отноше нию к потоку в воздушном зазоре. Очевидно, задача здесь сводится к интегрированию. Чем больше выбранное для расчета число путей магнитных силовых линий (с соответственно мень шей площадью поперечного сечения), тем точнее будет результат расчета. Однако в общем случае предельно высокой точности этих вычислений не требуется, так как небольшие погрешности могут быть легко скомпенсированы за счет надлежащего выбора рабочей точки.
Общий магнитный поток в магнитной цепи (соответствующий величине В для данной рабочей точки Р) равен сумме магнит ного потока в воздушном зазоре и магнитных потоков для каждого составляющего пути магнитных силовых линий утечки. Поток для каждого такого пути пропорционален площади его поперечного сечения и обратно пропорционален его длине. По этому для определения потока утечки нужно измерить длину каждого составляющего пути на графическом изображении поля (аналогичном рис. 19.2) и вычислить его площадь поперечного сечения, исходя из известной ширины и формы воздушного зазо ра в проекции на поперечную плоскость. Если в этой проекции
312
зазор имеет круглую форму, то поперечное сечение каждого составляющего пути магнитных силовых линий представляет собой кольцо.
19.5. МАГНИТНЫЙ ПОТОКОВОД
Конструкция магнитного шунта характеризуется тем, что воздушный зазор окружен экраном из ферромагнитного материа ла и все элементарные объемы магнита имеют одинаковую намагниченность; в результате этого магнитное поле внутри экрана будет равномерным.
Из-за наличия магнитного потока утечки, который обычно концентрируется у краев полюсных наконечников, магнитные потоководы должны иметь переменное поперечное сечение, как показано на рис. 19.3.
Рис. 19.3. Магнитный потоковод. Для того чтобы поддерживалось равномер ное магнитное поле в воздушном зазо ре, длина которого намного больше диаметра, нужно при помощи магнит ного потоковода обеспечить экраниро вание путей магнитных силовых линий утечки
19.6. ПРЯМОУГОЛЬНЫЕ ПЕТЛИ ГИСТЕРЕЗИСА
Прямоугольная петля гистерезиса характеризуется тем, что изменение наклона основной петли гистерезиса и переход от малых к большим плотностям потока происходят при относительно небольшом изменении намагничивающей силы. В результате того что изменения наклона петли (а следовательно, и изменения магнитной проницаемости) сосредоточены в окрестности «колена» прямоугольной петли, очень малые изменения намагничивающей силы проявляются как довольно большие изменения магнитной проницаемости.
Степень прямоугольности петли гистерезиса определяется как отношение разности плотностей потока для двух значений оста точной намагниченности к разности плотностей потока для двух соответствующих точек насыщения. На рис. 4.2, 19.1 и 19.5
показаны петли гистерезиса, имеющие разные степени прямоугольности.
19.7. МАГНИТНЫЕ СЕРДЕЧНИКИ КАК ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
Благодаря симметрии петли гистерезиса магнитная цепь может функционировать с одинаковыми результатами, описывая петлю в любом из двух противоположных направлений. Принцип работы такой цепи используют при создании устройств для хранения чисел в памяти цифровых вычислительных машин.
Работа всех цифровых вычислительных машин базируется на двоичной системе исчисления, в которой используются лишь две цифры — единица и нуль. Эти два символа могут быть представлены двумя различающимися физическими состояниями любого типа — механическими, электрическими или магнитными. В частности, для хранения единиц и нулей в памяти вычисли тельной машины можно использовать малые тороидальные (в форме бублика) магнитные сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса и достаточно большой коэрцитивной силой, противодействующей внешним размагничивающим силам.
На рис. 19.4 иллюстрируется простая конструкция, в которой через такой сердечник проходят три проволоки. Одна из них предназначена для того, чтобы задавать сердечнику состояния «нуль» или «единица» путем намагничивания его в одном или другом направлении (по часовой стрелке или против часовой стрелки). Это осуществляется при помощи импульса тока воз буждения, подаваемого на эту «шину записи». Импульс имеет
Рис. 19.4. Запоминающий магнитный сердечник. В сердечнике можно уста навливать магнитный поток в одном из двух противоположных направлений, которым приписываются значения 0 и 1 в соответствии с двоичной логикой
Рис. 19.5. Прямоугольная петля гисте резиса запоминающего магнитного сердечника. Направление намагничен ности сердечника можно определить при помощи импульса с постоянной амплитудой, который слегка намагни чивает или размагничивает сердечник, находящийся в заданном состоянии намагниченности