Введение
Электромагнитным устройствам принадлежит заметная роль в современной радиоэлектронной аппаратуре и средствах автоматики при решении широкого круга технических задач в приводных, программных, переключающих, тормозных, фиксирующих, блокировочных и многих других устройствах.
Относительная простота, компактность конструкций, широкие функциональные возможности электромагнитных устройств обусловили применение их в системах автоматики и телемеханики, управления, сигнализации, контроля, защиты, информационных и других отраслях техники, науки, производства.
Электромагнитные устройства получили широкое применение в неразрушающем контроле, в частности в магнитопорошковом методе.
Широкое применение неразрушающих методов контроля, не требующих вырезки образцов или разрушения готовых изделий, позволяет избежать больших потерь времени и материальных затрат, обеспечить частичную или полную автоматизацию операций контроля при одновременном значительном повышении качества и надежности изделий. В настоящее время ни один технологический процесс получения ответственной продукции не внедряется в промышленность без соответствующей системы неразрушающего контроля.
Одним из самых распространенных методов неразрушающего контроля стальных деталей является магнитопорошковый. Он нашел широкое применение в авиации, железнодорожном транспорте, химическом машиностроении, судостроении, автомобильной и во многих других отраслях промышленности. Этот метод часто является единственно возможным для оценки закалочных трещин, шлифовочных прижогов и других дефектов. Большие объемы применения магнитопорошкового метода объясняются его высокой чувствительностью к трещиноподобным дефектам, наглядностью результатов.
Крайне важной чертой в подобной дефектологии является то, что неразрушающая диагностика позволяет заблаговременно выявить слабые узлы и дефекты внутри деталей или объектов. На сегодняшний день методы неразрушающего контроля получили широкое применение практически во всех областях промышленности. Большое количество различных методов и технологий позволяют применять их в самых разных областях.
Магнитопорошковый метод неразрушающего контроля используют при поиске поверхностных и подповерхностных микродефектов в сварных швах, деталях и конструкциях из ферромагнитных материалов. С этой целью изделие намагничивают и покрывают магнитным порошком, который оседает на неоднородностях магнитного поля в зоне дефектов, формируя видимые «следы» дефектов.
Этот метод позволяет обнаруживать тонкие, невидимые глазом поверхностные дефекты, материала типа трещин (закалочных, сварочных, шлифовочных, усталостных, штамповочных, литейных и др.), волосовин, закатов, заковов, надрывов, некоторых видов расслоений.
Подобный метод дефектологии используется для диагностики важных узлов или материалов, где обычные способы дефектологии не применимы. Это могут быть крупногабаритные и высоконагруженные объекты повышенной опасности или объекты с ограниченным доступом к поверхности контроля. К таким объектам относятся сосуды давления, трубопроводы, агрегаты и др. В этих случаях приборы неразрушающего контроля показывают хорошие результаты и дают достоверные оценки целостности материалов.
Магнитный метод неразрушающего контроля активно применяется сегодня при поиске микродефектов в различных изделиях из ферромагнитных материалов. В основе данного метода лежит использование свойств магнитных частиц концентрироваться на неоднородностях магнитного поля объекта. Данные неоднородности обусловлены наличием в изделии дефектов.
Магнитопорошковый контроль нашел очень широкое применение на железнодорожном транспорте, в авиации, судостроении, химическом машиностроении, автомобилестроении, нефтедобывающей и газодобывающей отраслях (контроль трубопроводов). Магнитно порошковый контроль имеет очень высокую производительность, чувствительность, также удобную наглядность результатов контроля. При грамотном использовании данного метода могут быть обнаружены дефекты даже в начальной стадии их появления.
Цель данного курсового проекта рассчитать намагничивающий элемент для магнитопорошкового метода неразрушающего контроля.
В первом разделе данного курсового проекта рассматривается природа магнитного поля, его основные характеристики; магнитные свойства различных веществ и источники магнитного поля.
Во втором разделе подробно рассматривается устройство электромагнитов, их классификация, применение и примеры использования.
В третьем разделе рассматривается соленоид и его применение.
В четвертом разделе данного курсового проекта рассчитывается намагничивающее устройство для магнитопорошкового метода неразрушающего контроля.
1 Магнитное поле
1.1 Основные характеристики магнитного поля
При прохождении электрического тока по проводнику вокруг него образуется магнитное поле. Магнитное поле представляет собой один из видов материи. Оно обладает энергией, которая проявляет себя в виде электромагнитных сил, действующих на отдельные движущиеся электрические заряды (электроны и ионы) и на их потоки, т.е. электрический ток. Под влиянием электромагнитных сил движущиеся заряженные частицы отклоняются от своего первоначального пути в направлении, перпендикулярном полю в соответствии с рисунком 1.1. Магнитное поле образуется только вокруг движущихся электрических зарядов, и его действие распространяется тоже лишь на движущиеся заряды.
Магнитное и электрические поля неразрывны и образуют совместно единое электромагнитное поле. Всякое изменение электрического поля приводит к появлению магнитного поля и, наоборот, всякое изменение магнитного поля сопровождается возникновением электрического поля. Электромагнитное поле распространяется со скоростью света, т.е. 300 000 км/с.
Графически магнитное поле изображают магнитными силовыми линиями, которые проводят так, чтобы направление силовой линии в каждой точке поля совпадало с направлением сил поля; магнитные силовые линии всегда являются непрерывными и замкнутыми. Направление магнитного поля в каждой точке может быть определено при помощи магнитной стрелки. Северный полюс стрелки всегда устанавливается в направлении действия сил поля. Конец постоянного магнита, из которого выходят силовые линии соответствии с рисунком 1.2-а, принято считать северным полюсом, а противоположный конец, в который входят силовые линии, – южным полюсом.
Распределение силовых линий между полюсами плоского магнита можно обнаружить при помощи стальных опилок, насыпанных на лист бумаги, положенный на полюсы соответствии с рисунком 1.2-б. Для магнитного поля в воздушном зазоре между двумя параллельно расположенными разноименными полюсами постоянного магнита характерно равномерное распределение силовых магнитных линий соответствии с рисунком 1.3.
Рисунок 1.1 – Схемы действия магнитного поля на движущиеся электрические заряды: положительный ион (а) и электрон (б).
Рисунок 1.2 – Магнитное поле, созданное постоянным магнитом
Рисунок 1.3 – Однородное магнитное поле между полюсами постоянного магнита
Рисунок 1.4 – Магнитный поток, пронизывающий катушку при перпендикулярном (а) и наклонном (б) ее положениях по отношению к направлению магнитных силовых линий
Для более наглядного изображения магнитного поля силовые линии располагают реже или гуще. В тех местах, где магнитное роле сильнее, силовые линии располагают ближе друг к другу, там же, где оно слабее, – дальше друг от друга. Силовые линии нигде не пересекаются.
Во многих случаях удобно рассматривать магнитные силовые линии как некоторые упругие растянутые нити, которые стремятся сократиться, а также взаимно отталкиваются друг от друга (имеют взаимный боковой распор). Такое механическое представление о силовых линиях позволяет наглядно объяснить возникновение электромагнитных сил при взаимодействии магнитного поля и Проводника с током, а также двух магнитных полей.
Основными характеристиками магнитного поля являются магнитная индукция, магнитный поток, магнитная проницаемость и напряженность магнитного поля.
Интенсивность магнитного поля, т.е. способность его производить работу, определяется величиной, называемой магнитной индукцией. Чем сильнее магнитное поле, созданное постоянным магнитом или электромагнитом, тем большую индукцию оно имеет. Магнитную индукцию В можно характеризовать плотностью силовых магнитных линий, т.е. числом силовых линий, проходящих через площадь 1 м2 или 1 см2, расположенную перпендикулярно магнитному полю.
Различают однородные и неоднородные магнитные поля. В однородном магнитном поле магнитная индукция в каждой точке поля имеет одинаковое значение и направление. Однородным может считаться поле в воздушном зазоре между разноименными полюсами магнита или электромагнита при некотором удалении от его краев в соответствии с рисунком 1.3. Магнитный поток Ф, проходящий через какую-либо поверхность, определяется общим числом магнитных силовых линий, пронизывающих эту поверхность, например катушку 1 в соответствии с рисунком 4-а, следовательно, в однородном магнитном поле
(1.1)
где S – площадь поперечного сечения поверхности, через которую проходят магнитные силовые линии.
Отсюда следует, что в таком поле магнитная индукция равна потоку, поделенному на площадь S поперечного сечения:
(1.2)
Если какая-либо поверхность расположена наклонно по отношению к направлению магнитных силовых линий в соответствии с рисунком 1.4-б, то пронизывающий ее поток будет меньше, чем при перпендикулярном ее положении, т.е. Ф2 будет меньше Ф1.
В системе единиц СИ магнитный поток измеряется в веберах (Вб), эта единица имеет размерность В*с (вольт-секунда). Магнитная индукция в системе единиц СИ измеряется в теслах (Тл); 1 Тл = 1 Вб/м2.
Магнитная индукция зависит не только от силы тока, проходящего по прямолинейному проводнику или катушке, но и от свойств среды, в которой создается магнитное поле. Величиной, характеризующей магнитные свойства среды, служит абсолютная магнитная проницаемость μа. Единицей ее измерения является генри на метр (1 Гн/м = 1 Ом*с/м).
В среде с большей магнитной проницаемостью электрический ток определенной силы создает магнитное поле с большей индукцией. Установлено, что магнитная проницаемость воздуха и всех веществ, за исключением ферромагнитных материалов, имеет примерно то же значение, – что и магнитная проницаемость вакуума.
Абсолютную магнитную проницаемость вакуума называют магнитной постоянной, μо = 4π*10-7 Гн/м. Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов в тысячи и даже десятки тысяч раз больше магнитной проницаемости неферромагнитных веществ. Отношение магнитной проницаемости μа какого-либо вещества к магнитной проницаемости вакуума μо называют относительной магнитной проницаемостью:
(1.3)
Напряженность Н не зависит от магнитных свойств среды, но учитывает влияние силы тока и формы проводников на интенсивность магнитного поля в данной точке пространства. Магнитная индукция и напряженность связаны отношением
(1.4)
Следовательно, в среде с неизменной магнитной проницаемостью индукция магнитного поля пропорциональна его напряженности.
Напряженность магнитного поля измеряется в амперах на метр (А/м) или амперах на сантиметр (А/см).
По изменению во времени выделяют постоянные, переменные, импульсные, вращающиеся, пульсирующие, бегущие и шумоподобные магнитные поля.
Постоянным магнитным полем является поле, индукция которого не изменяется во времени. В каждой точке пространства вектор магнитного поля остается постоянным по значению и направлению. Постоянное магнитное поле образуется либо постоянным магнитом, либо постоянным электрическим током, протекающим по какому-либо проводнику.
Переменноемагнитное поле образуется с помощью индукторов при питании их переменными, чаще всего синусоидальными, токами. В переменноемагнитном поле в каждой точке пространства изменяются как значение, так и направление вектора магнитной индукции в соответствии с законом изменения тока.
Пульсирующее магнитное поле – разновидность переменноемагнитного поля, у которого вектор магнитной индукции изменяется по уровню, но не изменяется по направлению. Такое поле образуется в индукторе при питании его пульсирующим током.
Вращающееся магнитное поле характеризуется тем, что вектор магнитной индукции перемещается в пространстве. Создается вращающееся магнитное поле с помощью трех или многофазных преобразователей. При этом индукторы должны располагаться либо по окружности, либо по образующей цилиндр.
Импульсное магнитное поле формируется с помощью индукторов при питании их импульсным током заданной формы.
Импульсное бегущее магнитное поле представляет собой поле, перемещающееся в пространстве относительно неподвижного объекта и импульсно изменяющееся во времени. Воспроизвести его можно двумя способами: механическим перемещением источника импульсного магнитного поля относительно объекта или последовательно переключением тока в группе неподвижных индукторов.
Шумоподобное магнитное поле – поле с хаотически изменяющимися основными параметрами.
1.2 Магнитные свойства различных веществ
Все вещества – твердые, жидкие и газообразные в зависимости от магнитных свойств делят на три группы: ферромагнитные, парамагнитные и диамагнитные.
К ферромагнитным материалам относят железо, кобальт, никель и их сплавы. Они обладают высокой магнитной проницаемостью μ, в тысячи и даже десятки тысяч раз большей магнитной проницаемости неферромагнитных веществ, и хорошо притягиваются к магнитам и электромагнитам.
К парамагнитным материалам относят алюминий, олово, хром, марганец, платину, вольфрам, растворы солей железа и др. Относительная магнитная проницаемость μ у них несколько больше единицы. Парамагнитные материалы притягиваются к магнитам и электромагнитам в тысячи раз слабее, чем ферромагнитные материалы.
Диамагнитные материалы к магнитам не притягиваются, а, наоборот, отталкиваются. К ним относят медь, серебро, золото, свинец, цинк, смолу, воду, большую часть газов, воздух и пр. Относительная магнитная проницаемость μ у них несколько меньше единицы.
Ферромагнитные материалы благодаря их способности намагничиваться широко применяют при изготовлении электрических машин, аппаратов в других электротехнических установок. Основными характеристиками их являются: кривая намагничивания, ширина петли гистерезиса и потери мощности при перемагничивании.
Процесс намагничивания ферромагнитного материала можно изобразить в виде кривой намагничивания в соответствии с рисунком 1.5-а, которая представляет собой зависимость индукции В от напряженности Н магнитного поля. Так как напряженность магнитного поля определяется силой тока, посредством которого намагничивается ферромагнитный материал, эту кривую можно рассматривать как зависимость индукции от намагничивающего тока I.
Кривую намагничивания можно разбить на три участка: Оа, на котором магнитная индукция возрастает почти пропорционально намагничивающему току (напряженности поля); а-б, на котором рост магнитной индукции замедляется («колено» кривой намагничивания), и участок магнитного насыщения за точкой б, где зависимость В от H становится опять прямолинейной, но характеризуется медленным нарастанием магнитной индукции при увеличении напряженности поля по сравнению с первым и вторым участками кривой.
Следовательно, при большом насыщении ферромагнитные вещества по способности пропускать магнитный поток приближаются к неферромагнитным материалам (магнитная проницаемость их резко уменьшается). Магнитная индукция, при которой происходит насыщение, зависит от рода ферромагнитного материала.
Рисунок 1.5 – Кривая намагничивания ферромагнитного материала (а) и петля гистерезиса (б)
Чем больше индукция насыщения ферромагнитного материала, тем меньший намагничивающий ток требуется для создания в нем заданной индукции и, следовательно, тем лучше он пропускает магнитный поток.
Магнитную индукцию в электрических машинах, аппаратах и приборах выбирают в зависимости от предъявляемых к ним требований. Если необходимо, чтобы случайные колебания намагничивающего тока мало влияли на магнитный поток данной машины или аппарата, то выбирают индукцию, соответствующую условиям насыщения (например, в генераторах постоянного тока с параллельным возбуждением). Если желательно, чтобы индукция и магнитный поток изменялись пропорционально намагничивающему току (например, в электроизмерительных приборах), то выбирают индукцию, соответствующую прямолинейному участку кривой намагничивания.
Большое практическое значение, особенно в электрических машинах и установках переменного тока, имеет процесс перемагничивания ферромагнитных материалов. На рисунке 1.5-б показан график изменения индукции при намагничивании и размагничивании ферромагнитного материала (при изменении намагничивающего тока I или напряженности магнитного поля Н).
Как видно из этого графика, при одних и тех же значениях напряженности магнитного поля магнитная индукция, полученная при размагничивании ферромагнитного тела (участок а-б-в), будет больше индукции, полученной при намагничивании (участки О-а и д-а). Когда напряженность поля (намагничивающий ток) будет доведена до нуля, индукция в ферромагнитном материале не уменьшится до нуля, а сохранит некоторое значение Вr соответствующее отрезку Об. Это значение называется остаточной индукцией.
Явление отставания, или запаздывания, изменений магнитной индукции от соответствующих изменений напряженности магнитного поля называется магнитным гистерезисом, а сохранение в ферромагнитном материале магнитного поля после прекращения протекания намагничивающего тока – остаточным магнетизмом.
При изменении направления намагничивающего тока можно полностью размагнитить ферромагнитное тело и довести магнитную индукцию в нем до нуля. Обратная напряженность Нс, при которой индукция в ферромагнитном материале уменьшается до нуля, называется коэрцитивной силой. Кривую О-а, получающуюся при условии, что ферромагнитное вещество было предварительно размагничено, называют первоначальной кривой намагничивания.
Следовательно, при перемагничивании ферромагнитного вещества, например при постепенном намагничивании и размагничивании стального сердечника электромагнита, кривая изменения индукции будет иметь вид петли; ее называют петлей гистерезиса.
При периодическом перемагничивании ферромагнитного вещества затрачивается определенная энергия, которая выделяется в виде тепла, вызывая нагревание ферромагнитного вещества. Потери энергии, связанные с процессом перемагничивания стали, называют потерями на гистерезис. Значение этих потерь при каждом цикле перемагничивания пропорционально площади петли гистерезиса. Потери мощности на гистерезис пропорциональны квадрату максимальной индукции Вmах и частоте перемагничивания f. Поэтому при значительном увеличении индукции в магнитопроводах электрических машин и аппаратов, работающих в переменном магнитном поле, эти потери резко возрастают.
Рисунок 1.6 – Распределение магнитных силовых линий в кольце из ферромагнитного материала
Если поместить в магнитное поле какое-либо тело из ферромагнитного материала, то магнитные силовые линии будут входить и выходить из него под прямым углом. В самом теле и около него будет иметь место сгущение силовых линий, т.е. индукция магнитного поля внутри тела и вблизи него возрастает.
Страницы: 1, 2, 3, 4
