Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии

Стартовая страница

О системе

Технические требования

Синтез

Обучающий модуль

Справка по системе

Контакты
Искать:
  Расширенный   Формализованый   По связи разделов
 А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я 
Общий каталог эффектов

Магнитострикционный преобразователь
Преобразование колебаний магнитного поля в механические и обратно

Описание

Магнитострикция - изменение размеров и формы кристаллического тела при намагничивании - вызывается изменением энергетического состояния кристаллической решетки в магнитном поле, и, как следствие, расстояний между узлами решетки. Наибольших значений магнитострикция достигает в ферро- и ферритомагнетиках, в которых магнитное взаимодействие частиц особенно велико.
Магнитострикция представляет собой деформирование тел при изменении их магнитного состояния. Данное явление, открытое в 1842 г. Джоулем, свойственно ферромагнитным металлам и сплавам (ферромагнетикам) и ферритам. Ферромагнетики обладают положительным межэлектронным обменным взаимодействием, приводящим к параллельной ориентации моментов атомных носителей магнетизма. Наличие постоянных магнитных моментов электронных оболочек характерно для кристаллов, состоящих из атомов, обладающих внутренними электронными оболочками. Способность вещества к намагничению характеризуется магнитной восприимчивостью, которая представляет собой отношение намагниченности к напряженности внешнего магнитного поля. Напряженность магнитного поля характеризуется силой, заключенной в единичной магнитной массе и действующей на северный магнитный полюс. Другой характеристикой магнитного поля является индукция магнитного поля. Магнитная энергия кристаллической решетки является функцией расстояния между атомами или ионами; следовательно, изменение магнитного состояния тела ведет к его деформированию, т. е. возникает явление магнитострикции. Магнитострикционная деформация сложным образом зависит от индукции и напряженности магнитного поля. В простейших случаях деформация пропорциональна квадрату намагниченности. Взаимосвязь между параметрами и геометрическими размерами преобразователя выводится на основе рассмотрения его конкретной формы.
Магнитострикционные преобразователи преобразуют энергию магнитного поля в механическую (звуковую или ультразвуковую) энергию. Их действие основано на магнитоупругом эффекте. Ярко выраженными магнитоупругими свойствами обладают и ферриты (материалы, спекаемые из смеси окиси железа с окислами никеля, меди, кобальта и других металлов). Если магнитоупругий стержень расположить вдоль переменного магнитного поля, то этот стержень станет попеременно сокращаться и удлиняться, т.е. испытывать механические колебания с частотой переменного магнитного поля и амплитудой, пропорциональной его индукции. Вибрации преобразователя возбуждают в твердой или жидкой среде, с которой он соприкасается, волны ультразвука той же частоты. Обычно такие преобразователи работают на собственной частоте механических колебаний, так как на ней наиболее эффективно преобразование энергии из одной формы в другую. Магнитострикционные преобразователи из тонкого листового металла работают лучше всего в низкочастотном ультразвуковом диапазоне (от 20 до 50 кГц), на частотах выше 100 кГц у них очень низкий КПД.
На практике используют два типа магнитострикционных преобразователей: стержневые и кольцевые, изготовленные из магнитных сплавов или ферритов. Металлические сплавы используют для изготовления мощных магнитострикционных преобразователей, поскольку они имеют высокие прочностные характеристики. Однако большая электропроводность сплавов обусловливает кроме потерь на перемагничение значительные потери на макровихревые токи, или токи Фуко. Поэтому преобразователи выполняют в виде пакета пластин толщиной 0,1-0,2 мм. Значительные потери определяют сравнительно низкий к. п. д. таких преобразователей (40-50%) и необходимость их водяного охлаждения. Ферритовые преобразователи обладают более высоким к. п. д. (70%), так как при большом электросопротивлении не имеют потерь на токи Фуко, но их мощностные характеристики весьма ограничены из-за низкой механической прочности.
Общий вид стержневого (а) и кольцевого (б) магнитострикционного преобразователя.
Рис.1
При воздействии на обмотку, в которую помещен сердечник-стриктор, переменным электрическим током в последнем вследствие электромагнитной индукции возникают колебательные процессы соответствующие частоте генератора электрического сигнала. Достоинством таких генераторов является относительно низкое рабочее напряжение, что позволяет значительно упростить при изготовлении инструментов конструктивные параметры изоляции электрической части рабочего инструмента от приводного механизма и сделать их разборными для быстрой смены привода стоматологического наконечника. Недостатком же магнитострикционного преобразователя является условие обязательного постоянного охлаждения водой работающего преобразователя.
 
 

 

Ключевые слова

 

Области техники и экономики

 

Применение эффекта

Магнитострикционные преобразователи используют в ультразвуковой дефектоскопии в качестве широкополосных датчиков колебаний различных мод, в акустоэлектронике в качестве фильтров и резонаторов.
Магнитострикционные преобразователи   также используются в гидроаккустике, ультразвуковых (УЗ) технологиях (медицинские диагностические приборы, технические приборы неразрушающего контроля) в качестве излучателей и приёмников звука, фильтров, резонаторов и т.д., а также в качестве датчиков колебаний.
Материалом для сердечников магнитострикционных преобразователей-излучателей и приёмников в гидроаккустике и УЗ-технике, работающих на частотах ~100 Гц 100 кГц, служат металлические магнитострикционные материалы и керамические ферриты (на основе феррита никеля). Для построения фильтров и излучателей более выскох частот до нескольких сотен кГц применяются ферриты-шпинели, для частот в несколько МГц ферриты-гранаты на основе редкоземельных элементов. КПД магнитострикционных преобразователей может достигать ~50%. Интенсивность излучения ограничивается как нелинейностью магнитных свойств материала, так и его прочностными характеристиками.
Например, магнитострикционный преобразователь ПМС-2,5-18 (потребляемая мощность 2,5 кВт, рабочая частота 18 кГц) предназначен для ультразвуковой очистки и обезжиривания деталей, а также для других технологических процессов с воздействием ультразвука, протекающих в жидких средах.

 

Реализации эффекта

Магнитострикционные преобразователи чаще всего работают в режиме резонансных колебаний сердечника. Сердечники магнитострикционных преобразователей в гидроакустических устройствах или в установках промышленного применения УЗ представляют собой обычно радиально колеблющиеся кольца или продольно колеблющиеся стержни, соединённые между собой приёмно-излучающими накладками.
Преобразователи из металлических магнитострикционных материалов с сердечниками стержневой (а) и кольцевой (б и в) формы.
 
Рис.1
Сердечники из металлических материалов для уменьшения потерь на вихревые токи набирают из штампованных пластин толщиной 0,1—0,3 мм (рис.1 а, б) или навивают из тонкой ленты (рис.1в). Сердечники из ферритов используют монолитными. Ферритовые сердечники в фильтрах, резонаторах и т. п. устройствах имеют форму колец, гантелей, трубок. Магнитострикционные преобразователи обладают электроакустическим КПД =50%. Макс. интенсивность излучения магнитострикционного преобразователя ограничивается при работе на значительную акустическую нагрузку нелинейностью свойств материала, обусловленную явлением магнитного насыщения, а при работе с малой нагрузкой ограничивается механической прочностью материала. Магнитострикционные преобразователи на основе монокристаллов феррита-граната иттрия (ИФГ) обеспечивают устройствам акустоэлектроники в акустическом СВЧ диапазоне добротность до 107.

 

Литература

1. Физическая энциклопедия / гл.ред. Прохоров А.М. - М.: Большая российская энциклопедия. 1994.

2. Лукьянец В.А. Физические эффекты в машиностроении. - М.:Машиностроение. 1993

Формализованное описание Показать

Стартовая страница  О системе  Технические требования  Синтез  Обучающий модуль  Справка по системе  Контакты 
Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина