Магнитное устройство и способ его изготовления

 

1. Магнитное устройство выполненное в виде однородной по химическому составу магнитной проволоки, имеющей оболочковую и сердцевинную части и обладающей возможностью намагничиваться во внешнем магнитном поле вдоль ее оси и находиться в состоянии совпадения, когда направления намагниченностей оболочковой и сердцевинной частей совпадают, и в .обратном состоянии - когда они противоположны , причем коэрцитивная сила оболочковой части больше коэрцитивной силы сердцевинной части, отлич ающе е с я тем, что, с целью увеличения чувствительности и улучшения характеристики сигнал/ шум, сердцевинная часть, выполнена так, что обладает коэрцитивной силой , достаточной для того, чтобы в отсутствии внешнего магнитного поля сохранялось состояние совпадения, причем относит,ельные магнитные свой ства сердцевинной и оболочковой частей выбраны так, что переключение устройства из обратного состояния в состояние совпадения посредством перемагничиванйя сердцевинной чзгсти происходит быстрее, чем наоборот. 2.Способ изготовления магнитного устройства, включающий операции тер« мообработки, циклического деформационного кручения находящейся под натяжением магнитной проволоки, о т (Л и чающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности магнитного устройства, деформационное кручение в одном направлении О производят в большей степени, чем it в другом направлении. 4 СХ)

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИ4ЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

Э(51) Н 13 00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К IlATEHTY (21) 2617555/24-07 (22) 03 ° 05 ° 78 (31) 793394 (32) 03 ° 05 ° 77 (33) США (46) 07,09,83, Бюл. Р 33 (72) Джон Ричард Виеганд (США) (71) Дзе Эглин Мануфактуринг Компа(США) (53) 621.315.25(088.8) (56) 1. Патент США Р 3820090, кл. 340/174,1974 °

2, Патент CIA 9 3892118 кл, 72/371, 1975 ° (54) МАГНИТНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ

ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ (57) 1, Магнитное устройство, выполненное в виде однородной IIo химическому составу магнитной проволоки, имекицей оболочковую и сердцевиннуюi части и обладающей возможностью намагничиваться во внешнем магнитном поле вдоль ее оси и находиться в состоянии совпадения, когда направления намагниченностей оболочковой и сердцевинной частей совпадают, и в обратном состоянии — когда они про»» тивоположны, причем коэрцитивная

„SU„„1 48 A. сила оболочковой части больше коэр цитивной силы сердцевинной части, o T ë è ÷ а ю щ е е с я тем, что, с целью увеличения чувствительности и улучшения характеристики сигнал/ шум, сердцевинная часть выполнена так, что обладает коэрцитивной силой, достаточной для того, чтобы в отсутствии внешнего магнитного поля сохранялось состояние совпадения,,причем относительные магнитные свойства сердцевинной и оболочковой частей выбраны так, что переключеиие устройства1из обратного состояния в состояние совпадения посредством перемагничивання сердцевинной части происходит быстрее, чем наоборот. ф

2.Способ изготовления магнитного устройства, включающий операции тер» мообработки, циклического деформа..ционного кручения находящейся под натяжением магнитной проволоки, о т: личающийся тем, что, с .Q целью увеличения чувствительности магнитного устройства, деформацион-. ное кручение в одном направлении производят в большей степени, чем в другом направлении.

1041048

Изобретение относится к электротехнике, точнее к магнитным устройствам и способам их изготовления. Известно магнитное устройство, выполненное в виде однородной по химическому составу магнитной прово- 5 локи, имеющей оболочковую и сердцевинную части и обладающей возможностью намагничиваться во внешнем магнитном поле вдоль ее оси и находиться в состоянии совпадения, ког- 10 да направления намагниченностей оболочковой и сердцевинной частей совпадают,. и обратном состоянии — когда они противоположны, причем коэрцитивная сила оболочковой 15 части больше коэрцитивной силы сердцевинной части и в отсутствии внешнего магнитного поля устройст во может находиться лишь в обратном состоянии (11 .

Недостатками известного устройства являются относительно низкая чувствительность и неоптимальная характеристика сигнал/шум.

25

Известен способ изготовления магнитного устройства, включающий операции термообработки, циклического деформационного кручения находящейся под натяжением магнитной проволоки, причем деформационное кручение в обоих направлениях производят в одинаковой степени 21.

Недостатком известного способа 1 является относительно низкая чувствительность магнитного устройства, полученного с его помощью.

65.С целью увеличения чувствитель ности и улучшения характеристики сигнал/шум в магнитном устройстве, выполненном в виде однородной по химическому составу магнитной проволоки, имеющей оболочковую и сердце винную части и обладающей возможностью намагничиваться во внешнем магнитном поле вдоль ее оси и нахо.. диться в состоянии совпадения, когда направления намагниченностей оболоч- ковой и сердцевинной частей совпадают,:и обратном состоянии — когда они противоположны, причем коэрцитивная сила оболочковой части больше коэрцитивной силы .сердцевинной 40 части, сердцевинная часть выполнена так, что обладает коэрцитивной силой, достаточной для того, чтобы в отсутствии внешнего магнитного поля сохранялось состояние совпа- 45 дения, причем относительные магнитные свойства сердцевинной и оболочковой частей выбраны так,что переключение устройства из обратного состояния в состояние совпаде- 50 ния посредством перемагничивания сердцевинной части происходит бйстрее, чем наоборот.

С целью увеличения чувствительности магнитного устройства в способе изготовления магнитного устройства, включающем в себя операции тер-. мообработки, циклического деформационного кручения находящейся под натяжением магнитной проволоки,деформационное кручение в одном направлении производят в большей степени, чем в другом.

На фиг. 1 представлено схематическое изображение ферромагнитной проволоки в обратном состоянии, увеличенное; на фиг. 2 — схема соленоидного устройства возбуждения, используемого для создания внешнего поля<. действующего на магнитную проволоку, и воспринимающей катушки, используемой для выработки выходного: сигнала в ответ на изменение магнитного состояния проволоки на противоположное1 на фиг. 3 — графическое иэображение асимметричного типа перемагничивания проволоки,йолученное по результатам .испытания, проведенного с использованием устройства по фиг., причем на нем показаны возбуждающее внешнее поле, петля гистерезиса и получаемые выходные импульсы; на фиг. 4 — то же, симметричного типа; на фиг. 5— схематическое иэображение механизма для обработки магнитной проволоки по изобретению., На фиг, 1 показан вариант магнитной проволоки 1 по изобретению, состоящей из материала, содержащего кобальт, железо и ванадий. Отрезок магнитной проволоки имеет круглое сечение, предпочтительно точно круглое или близкое к точному кругу сечени . Наиболее пригодны отрезки проволоки диаметром около 0,25 мм и длиною 1-3 см.

Проволоку обрабатывают, получая единый магнитный проволочный элемент 1, имеющий относительно мягкую . сердцевинную часть 2 с относительно низкой коэрцитивной силой и относительно жесткую оболочковую часть 3, имеющую относительно высокую коэрцитивную силу.

Относительно мягкая сердцевинная часть 2 (фиг, 1) магнитноаниз1ютуенВщ,причем ось легкого намагничивания проходит параллельно оси проволоки. Относительно жесткая оболочковая часть 3 также магнитно-анизотропна, причем ocb легкого намагничивания, обеспечивающего результирующую намагниченность, параллельна оси проволоки. Направление намагниченности сердцевинной части 2 в значительной степени зависит от воздействия магнитного поля оболочковой части и любого внешнего магнитного поля. В показанном на фиг. 1 состоянии результируЮщая. намагниченность сердцевинной части. 2 противоположна по направлению результирующей намагниченности оболоч-. ковой части 3. Это состояние наэва= но как обратное состояние. В этом обратном состоянии стенка 4 домена- образует границу между сердцевинной . частью 2 и оболочковой частью 3. Эта граница раздела показана на фиг. 1 в виде цилиндрической доменной . ::-"" 10 стенки 4, хотя доменная граница раздела представляет собой довольнр сложную магнитную переходную .зону в проволоке.

От проволоки, состоящей из кобадгь- 15 та, железа и ванадия, могут быть (у получены импульсы, величина которйх:" по меньшей мере на один порядок больше, чем величина импульсов, по--. лучаемых от проволоки иэ сплава нике-70 ля и железа.. Предпочтительным составом для проволоки по изобретению является состав, содержащий кобальт : примерно 45-55%, железа примерно

30-50% и. ванадия 4-14%. - .—; 25

Для изготовления предлагаемых г устройств используют должным образом обработанную проволоку диаметром - 0,35 мм. Проволока из сплава викаллой имеет состав, содержащий около- -52% кобальта, около 10% ванадия и остальное, в основном, железо с некоторыми второстепенными ком-:: понентами, включающими в себя мар- -: ганец и кремний н количествах не- ..::-. сколько ниже половины процента каж- З5 дыйе

Первая схема технологического — : процесса обработки проволоки.

При использовании 30-сантиметро-. вого отрезка проволоки из сплава ., 49 викаллой диаметром 0,25 мм предпочтительная схема процесса дефор-... мационного упрочнения включает сле-: дующие этапы.

Первый . ПРОВОЛОКУ Растягивают .. . 45 до полной ее длины. Кусок проволо-.: ки 5 (фиг. 5) закрепляют на патро .: нах 6 и 7. Посредством подпружинен-, ной катушки 8 обеспечивают натяже-ние проволоки, достаточное для ее". выпрямления, но без вытягивания ее.:Затем пронодят один цикл деформи-: . рования проволоки 5 кручением, со;держащий приблизительно 64 оборота. против часовой стрелки, а затем примерно 48 оборотов по часовой стрелке. Натяжение поддерживают во - время всех этапов деформирования:кручением.

Второй. Проводят далее 17,5 цик-.лов деформирования проволоки по...8j- 5 60 оборотов в каждом направлении (.8j5 оборотов против часовой стрелки а затем &,5 оборотов по часовой стрелке составляют один цикл) °

Цикл повторяют 17 раз, после чего: 65 второй этап завершают 8, 5 оборотами против часоной стрелки. Во время этого второго этапа, который нормально длится около 10-.15 с 30-сантиметровую проволоку непрерывно и медленно вытягивают: величина удлинения при этом находится н пределах 1-2%.

Третий. Последний этап обработки состоит из другой серии по 8,5 оборотов, на этот раз с равным числом циклов и без дополнительного вытягивания, но с поддержанием натяжения проволоки. Во время этого этапа число циклов, проводимое на втором этапе, повторяют 3-4 раза. Установлено; что хороший результат получается при проведении около 60 циклов.

Затем проволоку режут на пригодные для использования отрезки длиной, например, l 3 см.

Вторая схема технологического процесса обработки.

Для тех применений, где максимальная стабильность по времени не важна, эффективна менее предпочтительная схема технологического

ro процесса обработки проволоки из сплава викаллой, включающая н себя следующие этапы (используют 30-сантиметровый кусок проволоки диаметром 0,25 мм), Перный этап. Проволоку растягивают до полной ее длины. Приложенное усилие натяжения удерживает проволоку в-выпрямленном до полной ее длины состояниии без вытягивания ее..

Далее проводят один цикл деформирования проволоки кручением, содержащий 14 оборотов против часовой стрелки, а затем 12 оборотов по часовой стрелке..

Второй этап. Проводят 120 циклов деформирования проволоки по двенадцать оборотов в каждом направлении (12 оборотов против часовой стрелки, а затем 12 оборотов по часовой стрелке составляют один цикл) .

Во время этого второго этапа технологического процесса деформационного упрочнения проволоки ее но время скручивания непрерывно вытягивают.

При этом 30-сантиметровая проволока медленно и непрерывно удлиняется примерно на 3 мм.

Третий этап. Последний этап обработки состоит из 12 циклов по 12 Обо-. ротон против часовой стрелки и 12 оборотов .по часовой стрелке без дальнейшего вытягивания, но с поддержайием натяжения проволоки в результате чего сохраняется полученное на втором этапе удлинение.

Затем проволоку режут на отрезки длиною, например, 1-3 см.

В обоих схемах результирующее касатЕльное напряжение в одном цйклическом направлении значительно

1041048

65 превышает результирующее касательное напряжение, прилагаемое в другом циклическом направлении. В частности, первая операция каждой иэ схем обработки обеспечивает этот. результат. 5

Сплав, используемый при обеих схемах технологического процесса деформационнаго упрочнения проволоки одинаков. Его сначала отжигают с целью получения од- 10 нородного исходного материала и обеспечения достаточной вязкости для проведения процесса деформационяого упрочнения. Проволоку предпочтительно сначала отжигают до получе- 15 .ния зернистой!. структуры, имеющей

10 000 (или больше) зерен на 1 мм

Эта мелкозернистая структура обес . печивает получение требуемой вязкости.

Было установлено, что для обеих схем технологического процесса обработки проволоки важен и четвертый этап. Этим четвертым этапом является этап термической обработки, На ранних стадиях проведения экспериментов термическую обработку проводили примерно при 320 С в течение примерно 8 ч.Однако достаточно проводить этап термической обработки в течение 4 ч примерно при 300 С, что выгодно благодаря ускорению процесса обработки проволоки. Предпочтительно выполнять термическую обработку, пропуская через эту проволоку диаметром 0,25 мм ток в 5 6 A З5 в течение 120 мс. Термическая обработка дает заметное улучшение выходного сигнала.,но более важным является то, что она уменьшает опасность изменения характеристик проволоки 40 во время ее использования при возIдействии на нее высокотемпературной окружающей среды, Этот четвертый этап термической обработки посЛе деформационного упрочнения обеспе- 45 чивает старение проволоки, которое в свою очередь обеспечивает стабильность при использовании ее.

Техника проведения испытаний про-, волоки и результаты испытаний.

На фиг. 2 схематически показано устройство для испытаний, используемое для определения выходных импульсов,которые могут быть получены при использовании кобальтожелеэованадие .вой проволоки по изобретению, и срав- нения их с выходными импульсами, получаемыми от железоникелевой проволоки. K трансформатору 9 подводят от линии с частЬтой 60 Гц входной сигнал, обеспечивающий подачу пе- 60 ременного сигнала.к соленоиду 10.

Внутри соленоида 10 в центре его размещен отрезок проволоки 1,вокруг которого намотана воспринимающая катушка 11. Проходящий через обмотку соленоида 10 ток создает в центре соленоида осевое магнитное поле.

Наиболее резко выраженные выходные импульсы от кобальтожелезованадиевой проволоки получаются, когда проволока перемагничивается асимметрично. Действующее на проволоку 1 (фиг. 2) возбуждающее поле Н пОказано на фиг. 3 кривой 12. Диод 13 пропускает полный положительный полупериод переменного сигнала частотою 60 Гц, а сопротивление ветви

14 отрегулировано так, что пропус- . кает намного меньший отрицательный полупериод, так что действующее на проволоку 1 возбуждающее поле имеет положительный пик 150 Э, à отрицательный пик только около 20 Э.

Сопротивление ветви 15 является просто сопротивлением, ограничивающим ток

Петля гиатерезиса для проволоки 1 по изобретению, возбужденной описанным образом, показана кривой

16 на фиг. 3 (показана та форма, которую видно было бы .на осциллог- . рафе), Разрывы кривой 16 видны на осциллографе лишь как слабосветящий-: ся след, потому что скорость изменения магнитного потока (или намагниченности) через сердцевинную часть 2, когда напряженность внешнего поля

Н проходит через соответствующую пороговую величину, очень велика.

Больший разрыв кривой 16 наблюдается, когда внешнее продольное магнитное поле Н перемагничивает .. продольно намагниченную сердцевинную часть из обратного состояния (фиг. 1) в состояние совпацения.

Малый разрыв наблюдается при переходе из состояния совпадения в обратное посредством перемагничивания внешним полем сердцевинной части совпадения, Импульс 17 (фиг.3) индуцированный в катушке 11 при церемагничивании иэ обратного состояния в состояние совпадения, намного больше, чем импульс 18, инду- цированный при перемагничивании иэ состояния совпадения в обратное.

Например, при использовании отрезка проволоки 1 длиною 3 см и воспринимающей катушки 11 с 925 витками проволоки и подаче выходного сигнала от катушки 11 в нагрузке

1000 Ом импульс 17 составляет более

1 5 В и имеет длительность примерно 20 мкс при половинной амплитуде.

A импульс 18 имеет сравниваемые значения 125 мВ и по меньшей мере

60 мкс. Таким образом, при этих условиях амплитуда импульса 17 в 12 раз больше амплитуды импульса 18. В незамкнутой цепи получается импульс

17. более 2 В, 1041048

Когда устройство возбуждения создает отрицательное поле Н, равное 150 Э и положительное поле Н равное 160 Э, получаются два импульса 19, равных друг другу и противоположных по полярности (см. ) фиг. 4), Каждый из этих двух им- . пульсов 19 имеет амплитуду около

550 мВ и длительность (ширину) около 40 мкс при половинной амплитуде. 10

Таким образом, при симметричном перемагничивания два получаемых импульса равны друг другу и имеют значительно меньшую величину,чем импульс 17,получаемый при оптимальном асимметричном j5 перемагничиванияии сердцевинной части. При использовании схемы, показанной на фиг. 2, за исключени ем элементов 13 и 14 на проволоку 1. будет действовать синусоидальное возбуждающее поле (кривая 20), соз-,:: дающее внешнее поле Н, напряженность которого изменяется от +150 до

-150 Э. Результатом является петля 21 гистерезиса. 25

При максимальном положительном поле Н оболочковая часть 3 и сердцевинная часть 2 намагничиваются

-в положительном направлении, пред-. ставленном верхним правым углом пет-: ли 21 гистерезиса. Это можно считать положительным состоянием сов- .: падения. При .уменьшении внешнего поля Н намагниченность будет умень; шаться до тех пор, пока при относи-. тельно небольшом Отрицательном по- . З5 ле Н, составляющем примерно -12 Э. сердцевинная часть 2 не изменит

:направление своей намагниченности с.положительного на отрицательное.

Таким образом, проволока 1 пере-,:40 магничивается из состояния совпаде, ния в обратное. При этом в петле 21 гистерезиса образуется разрыв 216, и в результате на воспринимающей катушке 11 появляется выходной импульс примерно в 550 мВ и длитель -. ностью 40 мкс. При дальнейшем увели.чении поля H в отрицательном направлении достигается, точка, в которой направление намагниченности оболоч» .ки изменяется на противоположное, . 50 результатом чего являются небольшой разрыв 219 в петле 21 гистереэиса и небольшой выходной импульс

22. Сердцевина и оболочка находятся теперь в отрицательном состоя.нии совпадения. Поле H достигает отрицательного пика, а затем уменьшается по величине. Когда поле Н становится положительным (около

12 Э), сердцевинная часть 2 изменяет направление намагниченности на положительное, что показано разрывом 21 С > При этом вырабатывается другой выходной импульс 19, амплитуда которого 550 мВ и длительность

40 мкс. Происходит перемагничивание из отрицательного состояния совпадения в обратное состояние. Поле Н продолжает дальнейшее свое увеличение в положительном направлении до того момента, при котором оболочковая часть изменяет направление своей намагниченности, результа том чего являются небольшой выхоДной импульс 22 и возврат проволоки 1 в положительное состояние совпадения.

Перемагничивание из обратного состояния в состояние совпадения да-. ет большой выходной импульс, чем перемагничивание из состояния совпадения в обратное, потому что первое происходит с более высокой скоростью, чем последнее.

В описанных вариантах для сердцевины необходимо изменять направление возбуждающего поля Н на противоположное, Простое полное снятие возбуждающего поля Н не обеспечит перемагничивания сердцевин-, ной части 2. Укаэанная необходимость в изменении направления возбуждающего поля на противоположное для обеспечения перемагничивания сердцевины существует независимо O1 того, каков тип; перемагничивания: асимметричный.(фиг. 3) или симметричный (фиг. 4), В противоположность этому в вариантах с желеэоникелевой проволокой последняя автоматически перемагни- . чиваЕтся иэ .состояния совпадений в обратное при снятии возбуждающего поля, 1041048

:.- 2 041048

guz. Ф

Состазтель A.11óêèí

Редактор С.Пекарь Техреду A.Бабинец Корректор М.Демчик

Заказ 6971/61 ТираФ,.: :703 . Подписное

ВНИИПИ Государственного. комитета СССР по делам ивобретейий и открытий

113О35, Москва, Ж-ÇS, Раушская наб. д. 4/5 (;

Филиал ППП Патейт -, r. Ужгород, ул. Проек ная, 4