Магнитное поле в кольцевом шихтованном сердечнике с анизотропными свойствами

Магнитное поле в кольцевом шихтованном  сердечнике с анизотропными свойствами

Современную электроэнергетику отличают разнообразием конструктивных исполнений и режимов работы силовых электротехнических устройств (СЭУ), высокие удельные нагрузки всех элементов последних, использование для ферромагнитных шихтованных сердечников (ШС) лучших марок холоднокатаных листовых электротехнических сталей (ЛЭС) со свойственной им анизотропией магнитных свойств (АМС) [1]. В этих условиях применение традиционных методик электромагнитных расчетов становится затруднительным из-за появления дополнительных погрешностей, обусловленных не учетом фактического характера распределения вектора магнитной индукции в анизотропном магнитопроводе. Постоянное стремление к оптимизации конструктивных решений, расширение возможных режимов работы делают необходимым привлечение к расчету аппарата электромагнитного поля [2, 3].

Как показывают научные исследования, сдерживающим фактором применения прогрессивных методик становится отсутствие необходимого набора справочной информации на магнитные свойства электротехнических сталей и в частности векторных характеристик намагничивания [4], где - вектор напряженности магнитного поля (МП).

Для обоснования необходимости учета  векторного характера магнитной анизотропии используем метод математического моделирования на примере ШС кольцевой формы, где влияние стыков исключено, а магнитная анизотропия проявляется в наиболее явной форме.

Для определения магнитного поля в кольцевом  анизотропном ШС решаем краевую задачу при заданном магнитном потоке, соответствующем амплитуде перемагничивания, в цилиндрической системе координат относительно векторного магнитного потенциала. Окончательное расчетное дифференциальное уравнение в частных производных имеет вид:

(1)

где ; - нелинейные удельные магнитные сопротивления определяемые через соответствующие проекции и на оси x и y, совпадающие с осями магнитной анизотропии, соответственно, j = 0 и 90^о. Символ z при векторном потенциале опущен.

Уравнение (1) является нелинейным и аналитического решения не имеет. Решение последнего может быть получено одним из известных численных методов.

 
Рис. 1. Принцип измерения напряженности магнитного поля в различных точках по радиальной координате кольцевого сердечника.

На основе численного метода конечных разностей производится расчет магнитного поля кольцевого ШС в функции отношения  радиусов r, степени АМС К [4], и амплитуды средней по сечению магнитной индукции В_Мср. При моделировании варьировалось отношение радиусов r, степень АМС К и уровень насыщения характеристики намагничивания. Результаты моделирования показали, что с ростом К существенно возрастает неоднородность МП в области кольцевого сердечника, где направления вектора непосредственно прилегают к оси легкого намагничивания ЛЭС, причем характер распределения качественно отличается от случая К = 1 (изотропного материала). Увеличение усиливает эту неоднородность МП в сердечнике. При значительных насыщениях, последняя приближается к распределению в изотропном кольцевом сердечнике.

Рис. 2. Зависимости В*(r) в кольцевом сердечнике из стали 2412, в угловых положениях j = 0 и 90^o в ненасыщенных режимах (В_мср £ 0,8 Тл). R_в и R_н - внутренний и наружный радиусы; В* = В_м/В_мср - относительное значение магнитной индукции.

При моделировании МП в кольцевом  ШС принимается ряд допущений, которые  могли повлиять на точность расчета. Для математической модели и обоснования  правомерности принятых допущений проведены специальные экспериментальные исследования на кольцевых ШС, изготовленных из холоднокатаных ЛЭС 3413 и 2142 с разными уровнями магнитной анизотропии.

Из одного рулона каждой стали были изготовлены и совместно подвергнуты  восстановительному отжигу в проходной печи пакеты стандартных полосовых образцов (для различных направлений намагничивания) и кольцевых сердечников. Полосовые образцы для получения необходимой для расчетов исходной информации о магнитных свойствах материала вырубались под углами к направлению прокатки a = 20^о, 30^о, 55^о, 75^о, 90^о и вдоль НП (a = 0). Кольцевые сердечники с отношением радиусов r = 2,1, имели диаметры, соответственно Дн = 231,2 мм, Двн = 110 мм (рис.1). Ожидалось, что большое r приведет к значительному перераспределению МП по высоте спинки сердечника, а размер ширины спинки 60,6 мм обеспечит достаточную разрешающую способность в определении измерения магнитной индукции по радиальной координате. 

Рис. 3. Зависимости В*(r) в кольцевом сердечнике из стали 3413, в угловых положениях j = 0 и 90^o в ненасыщенных режимах (В_мср £ 0,8 Тл). R_в и R_н - внутренний и наружный радиусы; В* = В_м/В_мср - относительное значение магнитной индукции.

Для исключения влияния механических напряжения сердечники собирались без  стягивающих усилий. При этом также контролировался согласованный способ шихтовки отдельных колец. Чтобы при локальных измерениях результаты гарантировали достоверность, какие-то ни было сверления пакета исключались. Для доступа к боковой поверхности пакет собирался из двух полупакетов с воздушным промежутком, где можно было бы разместить датчик-зонд напряженности МП. В угловых положениях сердечника j = 0 и j = 90^о, совпадающих с осями магнитной анизотропии материала, были предусмотрены радиальные каналы, позволяющие передвигать датчик напряженности вдоль радиальной координаты и осуществлять измерения касательной составляющей напряженности Н_jм при различных значениях амплитуды средней по сечению магнитной индукции (рис. 1). Поскольку из результатов математического моделирования МП анизотропного ШС известно, что на осях магнитной анизотропии радиальные составляющие векторов и отсутствуют, по измеренным значениям Н_jм и кривой намагничивания можно определить соответствующие значения B_jм. Таким образом, устанавливался характер распределения B_м по радиусу при различных насыщениях сердечника. Все измерения производились при синусоидальном магнитном потоке на частоте f = 50 Гц.

На рис. 2 и 3 представлены зависимости  магнитной индукции (в относительной  форме) от радиальной координаты в угловых  положениях, соответствующих осям магнитной  анизотропии (j = 0 и 90^о) для обеих марок сталей - 3413 (К = 7) и 2412 (К = 1,6). Указанные кривые характерны для ненасыщенных режимов работы. На этом же рисунке точками отмечены результаты измерений, которые подтверждают хорошую сходимость с расчетом.

Таким образом, в результате моделирования МП кольцевого ШС установлена необходимость использования при расчетах векторных характеристик намагничивания, что особенно важно для текстурованных сталей с большими К. Определяющее влияние на характер МП оказывают угловые характеристики магнитной анизотропии y(В, a) [4]. Использование при расчетах МП одних только справочных характеристик Н_a(В, a), то есть при условии y = 0 (где Н_a - проекция вектора на вектор ) приводит к такому же распределению МП при математическом моделировании, как и в случае отсутствия анизотропии (К = 1). Следует заметить, что для других случаев использования текстурованных ЛЭС в ШС СЭУ анизотропия будет накладывать условия на рабочие характеристики магнитопроводов, и это необходимо учитывать эти поля.

Магнитное поле Земли

Механизм возникновения, предложения  по его экспериментальной проверке и использованию

 

Существует ряд гипотез, объясняющих  возникновение магнитного поля Земли. В последнее время получила развитие теория, связывающая возникновение  магнитного поля Земли с протеканием  токов в жидком металлическом  ядре. Подсчитано, что зона, в которой  действует механизм «магнитное динамо» находится на расстоянии 0,25...0,3 радиуса Земли [1].

 

Следует заметить, что гипотезы, объясняющие  механизм возникновения магнитного поля планет, довольно противоречивы  и до настоящего времени экспериментально не подтверждены.

 

Что касается магнитного поля Земли, то достоверно установлено, что оно  чутко реагирует на солнечную  активность. В то же время вспышка  на Солнце не может оказать заметного  влияния на ядро Земли. С другой стороны, если связывать возникновение магнитного поля планет с токовыми слоями в жидком ядре, то можно сделать заключение, что планеты солнечной системы, имеющие одинаковое направление вращения, должны иметь одинаковое направление магнитных полей. Так Юпитер, вращающийся вокруг своей оси в ту же сторону что и Земля, имеет магнитное поле направленное противоположно земному.

 

Предлагается новая гипотеза о  механизме возникновения магнитного поля Земли и установка для  экспериментальной проверки.

 

На рис. 1 изображена схема Солнце-Земля. Земля (З) вращается вокруг своей оси N-S с угловой скоростью ?. Земля имеет магнитное поле, северный полюс которого находится на южном географическом полюсе. Чтобы получить магнитное поле такого направления, вокруг земного шара, в плоскости перпендикулярной оси вращения Земли, должен существовать устойчивый токовый слой с током IЗ. Назовем его током Земли. Следовательно, над поверхностью Земли должен существовать проводящий слой, по которому должен замыкаться ток IЗ. Такой слой существует – это ионосфера.

 

Рассмотрим каким образом может возникануть направленный ток IЗ в ионосфере. Солнце, в результате ядерных реакций протекающих в нем, излучает в окружающее пространство огромное количество заряженных частиц больших энергий (энергия частиц солнечного ветра ?1027...1029 эрг/с) – так называемый солнечный ветер. По составу солнечный ветер содержит, главным образом, протоны, электроны, немного ядер гелия, ионов кислорода, кремния, серы, железа [1]. Частицы образующие солнечный ветер, обладающие массой и зарядом, увлекаются верхними слоями атмосферы в сторону вращения Земли. Таким образом, вокруг Земли образуется направленный поток электронов, движущихся в сторону вращения Земли. Электрон – это заряженная частица, а направленное движение заряженных частиц есть не что иное, как электрический ток. За направление тока принято направление противоположное движению электронов, которое совпадает с направлением тока IЗ. Таким образом, существует ток IЗ, вызванный направленным круговым движением частиц солнечного ветра, увлекаемых круговым движением Земли. В результате наличия тока IЗ возбуждается магнитное поле Земли ФЗ.

 

Относительно Земли солнечный  ветер представляет собой поток  заряженных частиц постоянного направления, а это не что иное, как электрический  ток. Назовем его током Солнца IС. Согласно определению направления тока он направлен в сторону, противоположную движению отрицательно заряженных частиц, т.е. от Земли к Солнцу.

 

Рассмотрим взаимодействие тока Солнца IС с возбужденным магнитным полем  земли. В результате такого взаимодействия на Землю действует вращающий момент МЗ, направленный в сторону вращения Земли. Таким образом, Земля относительно солнечного ветра (IС) проявляет себя аналогично двигателю постоянного тока с самовозбуждением. Источником энергии (генератором) в данном случае является Солнце.

 

Следует отметить дополнительно, что  магнитный поток, вызванный током  солнечного ветра IС, пронизывает вращающийся  вместе с Землей поток раскаленной  лавы внутри нее. В результате взаимодействия поля IС и потока раскаленной лавы в ней наводится электродвижущая сила, под действием которой течет ток, который так же создает магнитное поле. Вследствие этого магнитное поле Земли является результирующим полем от взаимодействия тока IС и тока лавы.

 

Поскольку и магнитное поле, и  вращающий момент, действующий на землю, зависят от тока Солнца, а последний от степени солнечной активности, то при увеличении солнечной активности должен увеличиваться вращающий момент, действующий на Землю и увеличиваться скорость ее вращения.

 

Реально существующая картина магнитного поля Земли зависит не только от конфигурации токового слоя, но и от магнитных свойств земной коры, а так же от относительного расположения магнитных аномалий. Здесь можно провести аналогию с контуром с током при наличии ферромагнитного сердечника и без него. Известно, что ферромагнитный сердечник не только меняет конфигурацию магнитного поля, но и значительно усиливает его.

 

Токовый слой Земли постоянно подпитывается  электронами солнечного ветра. Таким  образом, в результате наличия свободного токового слоя, обусловленного электронами солнечного ветра, земной шар вместе с атмосферой и ионосферой, в настоящее время должен иметь отрицательный некомпенсированный заряд.

 

Токовый слой Земли, в значительной степени, определяет протекание электрических процессов в атмосфере (грозы, полярные сияния, огни «святого Эльма»). Замечено, что при извержении вулканов значительно активизируются электрические процессы в атмосфере. Данное явление можно объяснить следующим. При извержении вулкана выбрасывается столб раскаленных газов (плазмы). Конвективное движение раскаленных газов замыкает токовый слой ионосферы с поверхностью Земли. Таким образом, появляется ток утечки, который активизирует электрические процессы при извержениях.

 

Предложенная гипотеза, в противовес теории токовых слоев в жидком ядре, может быть проверена на практике. Подтверждение предложенной гипотезы позволит уточнить и расширить наши знания о механизме магнитного поля Земли и других планет, позволит объяснить природу сил и моментов, поддерживающих вращение Земли вокруг своей оси. 

 

Рис. 2. Схема экспериментальной  установки:

Iз – токовый слой земли  Земли;

Iк – ток в искусственном  параллельном контуре;

ПЗ – поверхность Земли;

ДЛЭ – длинная линия электропередачи;

СК – соединитель концов линии  с токовым слоем;

ИП – измерительный прибор.

 

Для экспериментальной проверки гипотезы предлагается создать искусственный  контур, расположенный параллельно  токовому слою Земли (рис. 2). В качестве параллельного контура можно  использовать длинную линию электропередачи, идущую, преимущественно, в направлении восток-запад. Концы длинной линии должны быть соединены или приближены к токовому слою Земли. В качестве соединителей предполагается использовать столб плазмы, например, струю газов реактивного двигателя или воздушные шары, соединенные проводником с концами длинной линии.

 

Таким образом, предполагается зарегистрировать измерительным прибором величину и  направление тока в искусственном  параллельном контуре.

 

Практическое подтверждение высказанных  предположений позволит объяснить взаимосвязь электромагнитных процессов в системе Солнце-Земля и обеспечит возможность разработки мощных энергетических установок использующих энергию Солнца.

 

 

Если бы пришлось создавать энциклопедию рекордов, то нейтронные звезды вошли бы в нее как обладатели самых мощных магнитных полей во Вселенной. По этому параметру они превзошли возможности лучших физических лабораторий, в которых пока получены поля, не большие 10 Гс. Нейтронным звездам уступают белые карлики (10" Гс), с ними не могут соперничать даже черные дыры звездных масс, вблизи которых напряженность магнитного поля не превышает 10'¦ Гс.