Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ. МАГНИТНЫЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ АППАРАТОВ АВТОМАТИКИ II
Глава 1. Магнитные цепи постоянного тока 13
Терминологии, направлении величин,законы,классификация 14
Магнитные цепи с сопротивлением зазоров, значительно большим сопротивления магиитопровода 20
Глава 2. Магнитные и электрические цепи переменного тока 33
Особениостн, направления величии, классификация 34
Магнитные системы без вторичных обмоток н электромагнитных экранов 43
Магнитные системы со вторичными обмотками или с электромагнитными экранами 57
РАЗДЕЛ ВТОРОЙ. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ РЕЛЕ70
Глава 3. Классификация, параметры, характеристики, категории применения реле 70
Классификация, составныечастиреле 73
Основные параметры 78
Коммутационные характеристики н категории применении . . . .81
Глава 4. Электромагнитные н поляризованные электромагнитные реле 84
Устройство н характеристики электромагнитных реле 85
Электромагнитные реле, выпускаемые отечественной промышленностью 98
Полирнзованиые электромагнитные реле 104
Глава 5. Механизмы электромагнитных реле 108
Характеристики пружин и формулы для нх расчета 109*
Механизмы реле с плоскими контактными пружинами, консольно закрепленными иа корпусе 114
Механизм реле с плоской контактной пружиной, «консольно закрепленной иа якоре 121
Глава 6. Магнитоэлектрические, электродинамические, ферродннамиче- скне и индукционные реле 124
Магинтоэлектрическне, электродинамнческве и ферродянамнче- скне реле 125
Индукционные реле 129
РАЗДЕЛ Т Р Е Т И И. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ С ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫМИ МАГНИТОУП РАВ Л Я ЕМЫМИ КОНТАКТАМИ — ГЕР
КОНАМИ ....-142
Глава 7. Принцип действия, разновидности и основные параметры герметизированных магннтоуправляемых контактов 143
Сухне язычковые магиитоуправлиемые контакты 143
Жидкометаллические язычковые магиитоуправляемые контакты 153
Мембранные магиитоуправляемые контакты 156
Магнитоуправляемые контакты с жестким подвижным контактным сердечником н возвратной пружиной 157
Магнитоуправляемые контакты с жестким подвижным контактным сердечником и без возвратной пружины 161
Глава 8. Герконовые реле 163
Простейшее герконовое реле- . . • .163
Применение дополнительных магннтопроводов в герконовых реле. Многоконтактные герконовыереле 173
Поляризация герконовых реле 176
Расчет магнитной системы н функциональных параметров герконовых реле 178
Глава 9. Командоаппараты на магнитоуправляемых контактах. Фер- риды 183
Управление язычковыми магннтоуправляемымн контактами пе- ремещеняем постоянных магнитов 184
Управление плунжерными н шариковыми магннтоуправлиемыми контактами перемещениемпостоинных магнитов 187
Ферриды 191
РАЗДЕЛ ЧЕТВЕРТЫЙ. ПЕРВИЧНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 197
Глава 10. Основные определения, характеристики и параметры первичных ореобразователей 198
Статические характеристики и параметры первичных преобразователей 198
Динамические характеристики первичныхпреобразователей . .200
Погрешности первичных преобразователей 203
Глава 1L Первичные параметрические преобразоаатели 205
Резисторные преобразователи 206
Емкостные преобразователи 215
Индуктивные преобразователи 217
Трансформаторные преобразователи 226
Гл а в а 12. Первичные генераторные преобразователи 233
Индукционные преобразователи 233
Пьезоэлектрические преобразователи 239
Термоэлектрические преобразователи (термопары) 241
Преобразователи на основе эффекта Холла 245
РАЗДЕЛ ПЯТЫЙ. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА И ОПОРЫ 248
Глава 13. Магнитоэлектрические, ферродинамическне, электромагнитные поляризованные и электромагиитиые исполнительные устройства248
Магнитоэлектрические исполнительные устройства 249
Ферродннамнческне исполнительные устройства 251
Электромагнитные поляризованные исполнительные устройства 252
Электромагнитные нсполиительвые устройства 254
Глава 14. Электромагнитные муфты с механической связью 255
Одиоднсковые электромагнитные фрикционные муфты257
Многодисковые электромагнитные фрикционные муфты . . . .260
Характеристики, динамика работы, выбор, материалы электромагнитных фрикционных муфт 266
Расчет однодцсковой электромагвитной фрикционной муфты . .273
Электромагнитные зубчатые нпорошковые муфты 278
Глава 15. Магнитные опоры 282
Опоры на постоянных магнитах 284
Индукционные н диамагнитныеопоры 285
Кондукцнонные, магнитогидродинамнческне и магннтоферро- жидкостиые опоры 289
Электромагнитные опоры 291
Заключение 295
Список литературы 295
Предметный указатель 298
ББК 31.264Э45
УДК 621.3.01
Б. К. Буль, О. Б. Буль, В. А. Азаноа, В. Н. Шоффа
Рецензенты：
кафедра электрических аппаратов Чувашского государственного университета нм. И. Н. Ульянова (зав. кафедрой канд. техн, наук, доц. Ю. В. Софронов);
д-р техн, наук, профессор Д. В. Орлов (Ивановский энергетический ин-т им. В. И. Ленина)
Электромеханические аппараты автоматики: Учеб, для ву- Э45 зов по спец. «Электрич. аппараты»/Б. К. Буль, О. Б. Буль, В. А. Азанов, В. Н. Шоффа. — М.: Высш, шк.» 1988. — 303 с.: ил.
ISBN 5—06—001232—8
Рассматриваются методы расчета магнитных систем постоянного и переменного тока. Описаны различные реле (электромагнитные, магиитоэлектрнческне. электродинамические и ферродинамические, индукционные); аппараты на базе герконов； первичные измерительные преобразователи; исполнительные устройства н магнитные опоры. Приводится расчеты электромагнитной муфты, механических характеристик электромагнитных реле н функциональных параметров герконовых реле.
2302030000(4309000000)—234
001(01)—88
131—88
ББК 31.264
6П2.1.082
ISBN 5—06—001232—8
© Издательство «Высшаи школа», 1988
ПРЕДИСЛОВИЕ
Учебник написан по программе курса «Электромеханические аппараты автоматики» для студентов специальности «Электрические аппараты》. Он может быть полезен также студентам специальностей «Электрические машины》, «Автоматика и телемеханика», «Электрооборудование самолетов и автомобилей», «Электропривод и автоматизация промышленных установок», «Электрификация и автоматизация горных работ», «Автоматизация и комплексная механизация машиностроения», «Электрические станции», «Электроснабжение промышленных предприятий, городов и сельского хозяйства».
Материал учебника состоит из пяти разделов.
Первый раздел посвящен общим вопросам анализа и расчета магнитных систем постоянного и переменного тока электромеханических аппаратов автоматики.
Во втором разделе рассмотрены различные электромеханические реле, в том числе принцип их действия, основные понятия, определения и параметры, контакты, механические характеристики и согласование последних с тяговыми характеристиками. Приведены примеры электромагнитных реле для промышленной автоматики, защиты и радиоэлектроники.
Третий раздел посвящен электрическим аппаратам с герметизированными магнитоуправляемыми контактами (МК) — герконами. Дан анализ МК и рассмотрены их характеристики. Изложены вопросы теории и конструирования герконовых реле и командоап- паратов на базе МК; описаны ферриды — запоминающие аппараты с МК, управляемые кратковременными импульсами магнитного поля.
В четвертом разделе рассмотрены различные параметрические и генераторные первичные измерительные преобразователи: резисторные, емкостные, индуктивные, трансформаторные, индукционные и др.
В пятом разделе описаны различные исполнительные устройства (магнитоэлектрические, ферродинамические. электромагнитные, электромагнитные поляризованные) и магнитные опоры.
В основу учебника положены курсы лекций, которые авторы на протяжении многих лет читали в Московском энергетическом институте (МЭИ) и во Всесоюзном заочном политехническом инсти-
туте (ВЗПИ). При его написании авторы использовали результаты своей научной работы, а также публикации других исследователей.
Распределение материала учебника между авторами следующее: предисловие, введение, с шестой по девятую главы, пятнадцатая глава (кроме §15.4) и заключение — В. Н. Шоффа; с первой по пятую (кроме § 4.3) главы — О. Б. Буль; с десятой по тринадцатую главы, а также § 4.3 и § 15.4 — В. А. Азаиов; четырнадцатая глава (кроме § 14.4) — совместно Б. К- Буль и О. Б. Буль; § 14.4 — Б. К- Буль.
При работе над учебником авторы с благодарностью учли замечания и пожелания, отмеченные в рецензиях кафедры электрических аппаратов Чувашского государственного университета им. И. Н. Ульянова (зав. кафедрой канд. техн, наук, доц. Ю. В. Софронов) и д-ра техн, наук, проф. Д. В. Орлова, а также пожелания, высказанные преподавателями кафедр электрических аппаратов Московского энергетического института и Ереванского политехнического института, кафедры электрических машин и аппаратов Всесоюзного заочного политехнического института.
Авторы будут признательны читателям за замечания и предложения, которые можно направлять по адресу: 101430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., 29/14, издательство ^Высшая школа».
Авторы
СПИСОК СОКРАЩЕНИЯ
ВО — включено—отключено
*МК— жидкометаллический контакт
3 — замыкаемый
ЗМКУ — запоминающее герметизированное магинтоуправляемое контактное устройство
КЗВ — короткозамкнутый виток
КС ——контактный сердечник
КТР — коэффициент теплового расширения
КЭ — контактный элемент
МДС — магнитодвижущая сила
МК— магиитоуправляемый контакт
МС — магнитная система
МЦ — магнитная цепь
МЭК——Международная электротехническая комиссии
П — переключающий
ПГП——первичный генераторный преобразователь
ПП— первичный преобразователь
ППП— первичный параметрический преобразователь
Р — размыкаемый
ТОЭ— теоретические основы электротехники
ЭВМ— электронная вычислительная машина
ЭДС — электродвижущаи сила
ЭЗМ— электромагнитная зубчатая муфта
ЭПМ— электромагнитная порошковая муфта
ЭФМ — электромагинтиая фрикционная муфта
ВВЕДЕНИЕ
Автоматика представляет собой совокупность методов и технических средств, предназначенных для исключения участия человека в выполнении операций какого-либо процесса.
Автомат — это устройство, выполняющее по заданной программе без непосредственного участия человека процессы получения, преобразования, передачи и использования энергии, материала или информации.
История развития автоматов. До XVIII в. автоматы были только редкими примерами искусства мастеров. Промышленная революция XVIII—XIX вв. создала условия для механизации процесса производства. Важнейшими достижениями этого периода стали изобретения: в России — автоматического суппорта для токарно-копировальных станков (А. Нартов, 20-е годы XVIII в.), поплавкового регулятора уровня воды в паровом котле (И. И. Ползунов, 1765 г.); в Англии ——центробежного регулятора скорости паровой машины (Дж. Уатт, 1784 г.); во Франции — ткацкого станка с программным управлением от перфокарт (Ж. Жаккар, 1808 г.).
Достижения науки в области электротехники послужили базой для разработки новых видов автоматов ——электрических. Основные теоретические положения, применяемые для их построения, были заимствованы из электроизмерительной техники. В создании электрических измерительных приборов и средств автоматики значительны заслуги русских ученых. В 1830—1832 гг. П. Л. Шиллинг изобрел электромеханическое реле и телеграфный аппарат. В 1834 г. Б. С. Якоби создал первый электродвигатель с непрерывным движением вращения. В 1887 г. К- А. Мосцицкий разработал одну из первых в мире автоматических телефонных станций (АТС). В 80-е годы XIX в. Ф. М. Балюкевич, В. М. Тагайчиков и другие разработали ряд устройств автоматической сигнализации на железнодорожном транспорте. В конце XIX в. М. О. Доливо-Добровольский, основываясь на принципе вращающегося магнитного поля, открытом итальянским физиком Г. Феррарисом (1885 г.), предложил систему трехфазного тока н, развивая идею ее применения, разработал трехфазный асинхронный двигатель и ряд новых электроизмерительных приборов, в частности первый фазометр. В прошлом веке появились также реле А. П. Давыдова для автоматической 6
мины, регуляторы В. Н. Чиколева и А. И. Шпаковского для дуговых ламп, реле Р. Р. Вредена для защиты телефона от действия токов осветительной сети и др. В 1913 г. М. О. Доливо-Добровольский, основываясь на работах А. Г. Столетова по намагничиванию сталей, впервые разработал ферродинамические приборы.
В СССР освоение автоматизированных средств управления и регулирования производственных процессов проводилось в соответствии с постановлениями партии и правительства об индустриализации. В 1930 г. по инициативе Г. М. Кржижановского был организован комитет для руководства работами по автоматизации в энергетике. В 1935 г. в системе АН СССР стала работать Комиссия телемеханики и автоматики для обобщения и координации научно- исследовательских работ в этой области. В период 1928——1941 гг. создаются первые заводы по производству приборов и аппаратуры автоматики.
В послевоенном плане восстановления и развития народного хозяйства (1946—1950 гг.) была предусмотрена дальнейшая автоматизация в энергетике, химической, нефтяной и нефтехимической промышленностях, широкое внедрение в производство автоматизированного электропривода. В 50-х годах автоматизация производства начала распространяться на все важнейшие отрасли народного хозяйства СССР. XXI съезд КПСС (1959 г.) сформулировал как одну из важнейших задач в развитии народного хозяйства переход к комплексной автоматизации процессов и предприятий, отметив целесообразность применения ЭВМ для управления сложными автоматизированными производствами. Все последующие съезды партии уделяли этому вопросу большое внимание.
В Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года предусмотрена всемерная интенсификация и повышение эффективности производства на базе научно-технического прогресса. Для достижения этой цели с 1986 по 1990 г. уровень автоматизации производства намечено поднять примерно в два раза. Основная роль в решении этой задачи отводится современным системам автоматизации, в том числе с применением робототехнических комплексов. Высшим видом этих систем в наше время являются такие комплексно-автоматизированные производства, которые можно быстро и экономично перестраивать, а именно гибкие автоматизированные производства (ГАП).
Автоматика как наука. Наука «автоматика» возникла на базе теории автоматического регулирования, основы которой были заложены в работах Дж. К- Максвелла (1868 г.), И. А. Вышнеградского (1872—1878 гг.), А. Стодолы (1899 г.) и др. В стадии становления она опиралась сначала на теоретическую механику, а затем на теорию электрических цепей.
Как самостоятельная область техники автоматика получила признание на Второй Мировой энергетической конференции (Берлин, 1930 г.).
Совершенствование технических средств привело к созданию комплексных автоматических систем, что предъявило новые требо- вания к автоматике как к науке, объединяющей ряд теоретических аспектов: теорию автоматического регулирования, теорию электрических аппаратов автоматики, теорию различных видов связи и другие специальные науки. И наконец, потребовалось направление в науке, которое определяло бы сходство между процессами в машинах и живых организмах (в том числе в людях) с целью облегчения создания машин, помогающих человеку в его умственном труде. Направление науки, определяющее общие законы получения, хранения, передачи и переработки информации, называется кибернетикой. Кибернетика сложилась в 40-е годы XX в. и связана с именами американского математика Н. Винера, мексиканского нейрофизиолога А. Розенблюта и американского исследователя Дж. X. Бигелоу. Однако сам Н. Винер в своей книге «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине» упоминает, что им использовались труды советского математика А. Н. Колмогорова; упоминаются также работы Н.Н. Боголюбова и Н. М. Крылова, труды ряда ученых других стран. Основными техническими средствами Для решения задач кибернетики являются ЭВМ. Современная кибернетика состоит из ряда разделов, представляющих собой самостоятельные научные направления (теория информации, теория алгоритмов, теория оптимального управления, теория распознавания образов и др.).
Технические средства автоматики. По назначению они разделяются на несколько групп.
Первая группа — первичные измерительные преобразовате- /а, воспринимающие изменения параметров контролируемого объекта и вырабатывающие информацию в форме, удобной для ее передачи и дальнейшего преобразования.
Вторая группа — устройства для передачи (распределения) информации: а) аппаратура телеконтроля для передачи сигнала информации по каналам связи; б) коммутаторы для распределения сигналов информации на места ее представления и обработки.
Третья группа — устройства для логической и математической обработки информации: а) преобразователи, изменяющие характер сигналов информации с целью ее обработки или хранения; б) устройства (в том числе ЭВМ) для переработки информации по заданным алгоритмам с целью осуществления законов и режимов управления (регулирования), в том числе для хранения сигналов информации, создания программных сигналов* сравнения информационных сигналов с программными.
Четвертая группа — исполнительные устройства контроля, показывающие оператору состояние процессов в контролируемом объекте: сигнальные табло, мнемонические схемы, стрелочные и цифровые приборы, указательные (сигнальные) реле, алфавитные или цифровые печатающие машины.
Пятая группа — устройства выработки управляющих воз- действий, преобразующие сигналы информации в более мощные сигналы требуемой формы (часто и другой физической природы относительно информационных сигналов) для приведения в действия исполнительных устройств управления.
Ш естая группа — исполнительные устройства управления, выполняющие заключительную операцию процесса управления.
Таким образом, технические средства автоматики выполняют функции контроля и управления, которые могут реализовываться отдельно или быть связанными. В последнем случае это часто делается для выполнения функции регулирования. Что же из перечисленных выше технических средств относится к аппаратам автоматики, электрическим аппаратам автоматики и электромеханическим аппаратам автоматики в частности?
Согласно «Советскому энциклопедическому словарю», аппарат—это прибор, техническое устройство, приспособление. Если следовать такому определению, то все указанные выше технические средства автоматики относятся к аппаратам автоматики. Таким образом, аппараты автоматики (АА) служат для получения измерительной (контрольной) информации об объектах, ее передачи, преобразования, запоминания и сравнения с программными данными, а также для формирования, передачи (распределения) обратной, командной (управляющей) информации с целью воздействия на объекты. Для построения АА используются различные физические явления, чаще всего электрические, гидравлические и пневматические. Следует, однако, отметить, что к электрическим аппаратам автоматики (ЭАА) не относят ЭВМ, печатающие машины, сигнальные, табло, мнемонические схемы, измерительные приборы, электромоторные исполнительные механизмы.
Электрические аппараты (ЭА), принцип действия которых не связан с использованием перемещения их сос!авных элементов, называются статическими электрическими аппаратами (СЭА). Электрические аппараты, функционирование которых основано на использовании перемещения их составных элементов, называются электромеханическими аппаратами (ЭМА).
К электромеханическим аппаратам автоматики (ЭМАА) традиционно относят:
—первичные электромеханические измерительные преобразователи;
—различные электромеханические реле;
— шаговые искатели (распределители), осуществляющие поочередное подключение одной цепи к ряду других;
——командная аппаратура: конечные и путевые выключатели, поворотные переключатели и др.;
——различные исполнительные аппараты контроля и управления, в том числе: электромагнитные муфты, электромагнитные клапаны и др.;
—электрические и магнитные опоры.
В настоящем учебнике рассмотрены вопросы теории и принципы построения большинства из этих аппаратов.
Такие ЭА, как контакторы и пускатели, контроллеры, автоматические выключатели, тепловые реле, предохранители, рубильники и пакетные переключатели, традиционно рассматриваются в курсе «Электрические аппараты управления》 (ЭАУ), хотя разделение учебного материала на курсы ЭМАА и ЭАУ весьма условно, так как помимо рубильников и пакетных переключателей все остальные аппараты, анализируемые в курсе ЭАУ, представляют собой электрические аппараты автоматики в связи с тем, что автоматическое управление является частью автоматики.
В развитии теории ЭМАА большую роль сыграли работы советских ученых Д. И. Агейкина, В, А. Аркадьева, А. Я. Буйлова, М. А. Витенберга, А. В. Гордона, М. Ф. Зарипова, Б. Ф. Ивакина, В. И. Коваленкова, В. С. Кулебакина, Л. Ф. Куликовского, Е. Л. Львова, Н. Е. Лысова, М. А. Любчика, А. Г. Никитенко, Д. В. Орлова, И. И. Пеккера, А. М. Сенкевича, А. Г. Сливинской, Б. С. Сотскова, Ю. В. Софронова, Ф. А. Ступеля, А. М. Туричина, Н. Н. Шумиловского и др. Значительна заслуга в этой области и исследователей других стран: А. К- Александрова, Дж. Витолы, К. Като, М. Копеленда, А. Ленка, Д. Новотного, П. Р. Пенчева, Р. Пика, Г. Б. Ротерса, Г. Уэйгара, Н. Шмитца и др.
Дисциплина ЭМАА представляет собой одну из составных частей системы дисциплин, изучаемых по специальности «Электрические аппараты». Основной целью этой дисциплины является получение знаний по устройству и принципам действия различных ЭМАА, методам анализа протекающих при их работе процессов и приобретение навыков творческого использования этих знаний на практике.
Раздел первый
Магнитные системы электро* механических аппаратов автоматики
Магнитная система (МС) — это совокупность проводников с током (или постоянных магнитов) и ферромагнитных элементов, предназначенная для создания заданного магнитного поля. Проводник с током в МС чаще всего используется в виде обмотки — несколько раз обвивает ферромагнитный элемент МС. Ферромагнитные элементы МС образуют магнитопрб- вод, который предназначен для уменьшения магнитного сопротивления потоку и подведения его к тому пространству, в котором поток используется.
Магнитная система — неотъемлемая часть подавляющего большинства ЭМАА. Она имеется у ЭМАА электромагнитного, поляризованного электромагнитного, магнитоэлектрического, индукционного и других принципов действия, поэтому вопросам расчета МС в учебнике уделяется большое внимание.
Магнитопровод МС большинства ЭМАА, как правило, разомкнут одним или несколькими немагнитными промежутками, необходимыми для того, чтобы тем или иным образом использовать магнитное поле системы. Наличие этих промежутков существенно усложняет расчет МС, так как магнитный поток проходит не только через них. Он распределяется во всем немагнитном пространстве, окружающем магнитопровод. Расчет таких устройств возможен двумя путями: с помощью методов теории поля (полевые) и с использованием методов теории цепей (целевые). В последнее время все более широкое применение находят полевые методы, особенно для расчета МС ответственных и дорогостоящих электротехнических установок. Интерес к полевым методам объясняется, с одной
стороны, достаточно высоким уровнем развития цифровой вычислительной техники, без применения которой многие полевые методы практически невозможно использовать, а с другой ——возможностью получения более точных решений, чем целевыми методами. К полевым можно отнести методы: вторичных источников, конеч- ннх разностей, конечных элементов, зеркальных изображений, сеток, конформных преобразований и др. Некоторые из этих методов рассматриваются в курсах теоретических основ электротехники [9], основ теории электрических аппаратов [1] и в специальной литературе [30—32].
Расчет трехмерных полей этими методами связан обычно с такими вычислительными трудностями, что не всегда экономически оправдан даже при использовании ЭВМ. Большим недостатком полевых методов является обычно слишком сложная связь между конкретными геометрическими размерами и характеристиками МС. От этого недостатка в значительной степени свободны цепевые методы расчета МС, являющиеся традиционными для электроаппара- тостроения. Они применяются в настоящее время и будут применяться в обозримом будущем наряду с полевыми методами. В не- лом цепевые методы дают большие погрешности при расчете, так как при их использовании картина трехмерного магнитного поля заменяется упрощенной; потоки немагнитного пространства, окружающего магнитопровод, разбиваются на отдельные группы; упрощается направление линий индукции. На последнем этапе расчета МС рассматривается в виде магнитной цепи.
Магнитная цепь (МЦ)——это некоторое упрощенное представление о МС и ее магнитном поле, при котором электромагнитные процессы описываются уравнениями, содержащими понятия: магнитодвижущая сила (МДС), разность скалярных магнитных потенциалов (магнитное напряжение), магнитный поток, магнитное сопротивление, магнитная проводимость. Эти понятия формально аналогичны электродвижущей силе, электрическому напряжению, току, сопротивлению, проводимости электрической цепи соответственно. Понятие «магнитная цепь» введено для расчета МС мето- дамн теории цепей, которые разработаны главным образом применительно к электрическим цепям.
Электрический ток течет в среде, проводимость которой существенно выше проводимости окружающей проводник изоляции. Подобно этому проводимость среды, по которой проходит основной магнитный поток (магнитопровод), выше проводимости немагнитной среды, окружающей магнитопровод. Аналогия эта формальна потому, что магнитное поле и поле электрического тока — физически разные виды материи. Между магнитной цепью и электрической есть и другие отличия: удельная электропроводность проводников примерно в 1010—1020 раз выше, чем у изоляторов, тогда как магнитная проницаемость ферромагнитных материалов обычно не более чем в 103—106 раз больше, чем у немагнитных материалов; МЦ большинства ЭМАА, как уже было сказано, разомкнуты не-
магнитными зазорами, которые не прерывают магнитного потока, а только увеличивают магнитное сопротивление на его пути. Электрические цепи постоянного тока должны быть замкнуты: изоляционный промежуток в такой цепи практически означает полное отсутствие тока. Эти отличия делают расчеты МЦ существенно более сложными, чем расчеты электрических цепей постоянного тока.
Под расчетом магнитной цепи имеется в виду обычно одна из двух задач анализа: прямая и обратная. При прямой задаче считается известным магнитный поток (или индукция), требуется определить магнитодвижущую силу (МДС) обмотки. При обратной задаче известна МДС, требуется определить поток (или индукцию). Как при прямой, так и при обратной задачах известны также все размеры МС и материал магнитопровода. В учебнике рассматриваются методы расчета МЦ постоянного тока только при безгисте- резисном намагничивании, при котором расчет сопротивления магнитопровода проводится по основной кривой намагничивания материала магнитопровода. Проектный расчет (синтез) возможен путем анализа нескольких предварительно выбранных вариантов конструкции, т. е. путем последовательного приближения к окончательным размерам, поэтому приобретает особое значение возможность использовать такие методы расчета МЦ, которые позволяют решать задачу в несколько этапов: сначала приближенно, а при окончательном расчете — с наименьшим количеством допущений.
Деление методов расчета МС на полевые и целевые является условным, так как при расчете разомкнутых МС целевыми методами мы все равно предварительно решаем полевую задачу — определяем магнитные проводимости немагнитного пространства, окружающего магнитопровод МС. Точность расчета всей МС в значительной степени зависит от точности расчета этих проводимостей. Методы расчета магнитных проводимостей рассматриваются в курсе «Основы теории электрических аппаратов» и в [1—7]. В первом разделе учебника объясняются основные понятия, усвоение которых необходимо для расчета МС методами теории цепей.
ГЛАВА 1. МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
В этой главе рассматриваются основы теории МЦ постоянного тока (основные законы МЦ, приведение магнитной проводимости рассеяния к МДС обмотки по потоку и потокосцеплению, изменение потока вдоль сердечника, схемы замещения, зависимость индуктивности обмотки от длины рабочего немагнитного зазора, коэффициенты рассеяния по потоку и потокосцеплению). Магнитные цепи классифицируются в зависимости от соотношения магнитных сопротивлений немагнитных зазоров н магнитопровода.
Терминология, направления величинг законы, классификация
Терминология. Среди ЭМАА наибольшее распространение получили аппараты с электромагнитным принци- пом действия, основанные на воздействии магнитного поля неподвижной обмотки на подвижный ферромагнитный элемент —— якорь. Поясним на примере МС клапанного электромагнита основные понятия и термины, необходимые для понимания последующего материала. Эта МС в начальном положении (при обесточенной обмотке и максимальном расстоянии между якорем и остальной частью магнитопровода) показана на рис. 1.1, а. Магнито
Рис. 1.1. Потокораспределение клапанной магнитной системы прн максимальном зазоре:
а — с учетом внешнего потока рассеяния В； ; 6 — поле рассеяния принимается плоскопараллельным
провод ее состоит из полюсного наконечника 3, сердечника 6, ярма 7 и якоря 1. Магнитный поток создается током в обмотке 5, расположенной на каркасе 4. Немагнитная прокладка 2, закрепленная на якоре, предназначена для того, чтобы при притянутом якоре в МС оставался такой немагнитный зазор, при котором при обесточенной обмотке остаточный магнитный поток не сможет удержать якорь в притянутом положении. Он вернется в исходное положение под действием возвратной пружины, не показанной на рис. 1.1, а.
Для расчета МЦ этой системы ее магнитное поле разбито на три части. Суммарный магнитный поток каждой из них условно показан на рис. 1.1, а одной замкнутой линией индукции (Фб,①/,①/')• Эти потоки замыкаются по магнитопроводу и через окружающее его немагнитное пространство, заполненное воздухом, материалом каркаса и провода катушки, немагнитными покрытиями элементов магнитопровода и т. п.
Немагнитный зазор (кратко《зазор》)一заполненный немагнитным материалом промежуток между поверхностями элементов магнитопровода на пути рабочего магнитного потока. На рис. 1.1, а на пути рабочего потока Ф^ встречаются рабочие зазоры 锵(между якорем / и ярмом 7) и д2 (между якорем / и полюсным наконечником 5), а также нерабочие зазоры б3 (в месте соединения полюсного наконечника 3 и сердечника 6) и д4 (в месте соединения сердечника 6 и ярма 7). Потоки рассеяния Фа и ①d" тоже проходят через некоторые немагнитные промежутки, которые зазорами в учебнике не называются.
Поток рабочих зазоров (сокращенно ^рабочий потока)—магнитный поток, обеспечивающий выполнение магнитной системой тех функций, для которых она предназначена. Рабочий поток и ток обмотки, создавший этот поток, образуют правовинтовую систему. На рис. 1.1, а и везде далее направление тока показано крестиком (от нас) и точкой (к нам) в кружке на поперечном сечении обмотки. Аналогично крестиком и точкой в кружке обозначаются потоки, перпендикулярные плоскости рисунка (см. разрез А—Д).
Рабочий зазор — это тот немагнитный промежуток, в котором рабочий магнитный поток выполняет функции, для которых предназначена МС. Для системы рис. 1.1, а зазоры 6^ и 62 являются рабочими потому, что выполнение этой системой своих функций — притяжение якоря / к полюсному наконечнику 3 и ярму 7 — осуществляется полем в зазорах 6^ и б2； зазоры 63 и 64 — нерабочие потому, что поле в этих зазорах непосредственно в создании электромагнитной силы участие не принимает.
У клапанной МС часто б3 = 0 (детали 3 и 6 — одно целое или вообще отсутствует полюсный наконечник). Зазор 63 иногда вводится специально вместо прокладки 2 для уменьшения остаточного потока. В большинстве случаев нерабочие зазоры вредны, так как оказывают магнитному потоку дополнительное сопротивление. Обычно стремятся свести эти зазоры к минимально возможным. Наличие нерабочих зазоров является следствием конструктивных и технологических соображений.
У МС электромагнитного принципа действия в процессе выполнения системой своих функций изменяется магнитная проводимость рабочих зазоров, чаще всего за счет изменения их длины, как у МС рис. 1.1, а.
В том же смысле, что «немагнитный зазор», в литературе по электрическим аппаратам используется термин ^.воздушный зазор». Так как немагнитный зазор может быть заполнен не только воз-
духом, но и другими немагнитными материалами (инертный газ у герконов, немагнитные покрытия, алюминиевый диск у индукционных систем и т. п.), то термин «воздушный зазор» будет использоваться в учебнике только в его буквальном смысле.
Поток рассеяния — это поток, который не проходит через рабочие зазоры. У клапанной МС оба потока рассеяния (①/ и ①/') не проходят также и через якорь. У этой системы внутренний поток рассеяния Фа обычно существенно больше внешнего потока рассеяния ①(/"• Такое соотношение этих потоков имеет место у МС, в которых магнитная проводимость путей потоков ①/ в окружающем магнитопровод пространстве существенно выше магнитной проводимости аналогичных путей потока (!)/'• А это соотношение проводимостей характерно для систем, у которых ширина окна магнитопровода с в несколько раз меньше длины сердечника /с (рис. 1.1, а； окно магнитопровода — немагнитное пространство, которое окружено ярмом, якорем, сердечником и полюсным наконечником). Такое соотношение сторон окна магнитопровода имеет большинство МС ЭМАА, поэтому в таких системах для упрощения расчета потоком Ф^ можно пренебречь. Примерная картина поля рассеяния изображена на рис. 1.1,6 в сечении А—А (обмотка в этом сечении не показана). Поле рассеяния принимается плоскопараллельным в пределах толщины /(/.
Предположение о плоскопараллельности поля рассеяния ——непременное условие традиционных методов расчета МЦ (с учетом рассеяния), описанных в [1—8]. Это предположение является также одним из основных источников погрешностей этих методов.
Катушка — это отдельная конструктивная единица, которая состоит из проводов, а также из каркаса, на котором размещаются провода, и выводов. Обмотка — совокупность определенным образом расположенных и соединенных проводов, предназначенная для создания или использования магнитного поля. Этот термин в учебнике используется в двух смыслах: 1) обмотка — это проводники, расположенные на каркасе катушки; 2) обмотка — это совокупность проводников нескольких катушек, если МС имеет несколько соединенных между собой катушек. Во втором смысле термин «обмотка» используется только в четвертом и пятом разделах. Так как потоки создает обмотка, то при описании расчетов МС для упрощения будут рассматривать бескаркасные катушки.
На рис. 1.1, а дана штриховка обмотки в разрезе в соответствии с правилами выполнения чертежей. Кроме этого основного обозначения на рисунках, поясняющих методы расчета МЦ (гл. 1 и 2), поперечное сечение обмотки будет показано условно в виде двух прямоугольников (рис. 1.1, б), а на рисунках, поясняющих картины магнитного поля герконов (раздел третий),——в виде двух прямоугольников со штрихпунктирными сторонами поперечного сечения. Иногда, особенно в случаях, когда размеры поперечного сечения не имеют значения, будет использоваться также условное изо-
бражение обмотки в виде провода, винтообразно расположенного на сердечнике.
Магнитопровод в основной проекции, как правило, будет изображаться в разрезе или сечении. На рисунках, поясняющих конструкцию, элементы магнитопровода будем штриховать в соответствии с правилами выполнения чертежей (рис. 1.1, а). На рисунках, поясняющих методы расчета, магнитопровод в разрезе и сечении на основной проекции штриховать не будем (рис. 1.1, б).
Действительные и условно-положительные направления неизменных во времени величин. Некоторые величины электрических и магнитных цепей (ток, напряжение, ЭДС, магнитный поток, магнитное напряжение, МДС) могут быть охарактеризованы направлением. Следует отличать действительное (истинное) направление： от условно-положительного (положительного, расчетного).
Действительное направление некоторой величины — это такое ее направление, в котором она положительна. Действительное направление тока в участке цепи, не содержащем ЭДС, и действительное направление напряжения на сопротивлении — от большего потенциала к меньшему, от «плюса» к «минусу». При расчете и анализе электрических и магнитных цепей постоянного тока действительное направление какой-либо одной или нескольких величин обычно бывает задано. Если оно не задано, то за действительное направление принимается какое-либо одно направление как базовое, относительно которого определяются направления остальных величин. За базовое направление при анализе магнитных цепей будем выбирать направление тока в обмотке.
У словно-положительное направление величины (кр атко ^положительное направлением)—это направление, в котором она принимается положительной. В начале расчета и исследования это приходится делать в том случае, когда действительное направление величины не очевидно (при ее сложной связи с действительным направлением заданной или заданных величин). Необходимость в условно-положительных направлениях возникает потому, что уравнения Кирхгофа для электрических и магнитных цепей могут бьпъ написаны только для величин, для которых известны действительные или условно-положительные направления.
Положительным направлением магнитного потока, созданного обмоткой с током, считается направление, связанное с положительным направлением тока обмотки правилом правоходового вин- та： если заворачивать правый винт, поступательно перемещаясь по направлению тока в левой половине сечения обмотки (крестик i на верхний проекции рис. 1.1, а), то винт будет вращаться по направлению магнитного потока (Ф^ и Фб на этом же рисунке). Это правило справедливо и в другой форме: если заворачивать правый ВИнт» поступательно перемещаясь по направлению магнитного по- тока (крестик ф в разрезе А—А на рис. 1.1, а), то он будет вра- ^аться по направлению тока в витках обмотки (стрелка i на том Же Рисунке).
Положительное направление магнитного напряжения на магнитном сопротивлении совпадает с положительным направлением потока в этом сопротивлении.
Если в результате расчета или исследования какая-либо величина получается с 《плюсом», то это значит, что предварительно принятое условно-положительное направление совпадает с действительным； если же с «минусом», то противоположно действительному.
Основные законы магнитной цепи. Закон Ома для участка магнитной цепи постоянного тока
@ = AUm，(1-1)
где Ф ——магнитный поток; Л — магнитная проводимость участка МЦ； Um — магнитное напряжение на участке. Здесь и везде далее имеются в виду участки МЦ, не содержащие источников МДС.
Первый закон Кирхгофа, Алгебраическая сумма магнитных потоков в узле МЦ равна нулю:
2Ф=0.(1.2)
Поток, входящий в узел, берется с одним знаком; выходящий из узла — с другим.
Второй закон Кирхгофа. Алгебраическая сумма магнитных напряжений на сопротивлениях любого произвольно выбранного замкнутого контура обхода равна алгебраической сумме МДС, пронизывающих любую поверхность, ограниченную этим контуром обхода. Если направление обхода контура совпадает с положительным направлением магнитного напряжения, то это напряжение подставляется со знаком плюс; со знаком минус, если не совпадает. МДС в уравнение подставляется со знаком плюс, если направление обхода контура совпадает с направлением вращения винта с правой нарезкой, перемещающегося поступательно по направлению тока, который создает эту МДС; если не совпадает, то МДС подставляется со знаком минус.
Математически второй закон Кирхгофа можно записать так:
Х"м=Х 尸，(1.3)
где Um — магнитное напряжение на сопротивлении участка замкнутого контура обхода;尸一МДС, пронизывающая контур обхода.
Так как второй закон Кирхгофа позволяет определять не только значение магнитного напряжения, но и его действительное направление, то исследование МЦ с помощью второго закона Кирхгофа часто дает нам возможность составить представление о потокор аспределении магнитной системы, т. е. о том, где и в какую сторону замыкаются потоки.
Уравнения и параметры МЦ формально аналогичны соответствующим уравнениям и параметрам электрической цепи.
Классификация магнитных цепей. В зависимости от соотношения между магнитными сопротивлениями зазоров RM& и магнито- 18
провода Rm.m при расчете МЦ можно не учитывать некоторые из- эТих сопротивлений. Так как в начале расчета МЦ известными являются только геометрические размеры магнитопровода, его материал и рабочий магнитный поток (или МДС обмотки), то ответ на вопрос об учете того или иного сопротивления часто вызывает затруднения. Для МЦ электромагнитов предварительно это можно- сделать, ориентируясь на положение якоря. При больших рабочих зазорах сопротивление магнитопровода обычно значительно меньше их сопротивления, поэтому, в первом приближении, сопротивлением магнитопровода можно пренебречь. При этом потоки между боковыми поверхностями полюсов рабочих зазоров (потоки выпучивания), как правило, бывают соизмеримы с потоками между торцовыми их поверхностями (торцовые потоки), а суммарный поток рабочих зазоров (рабочий поток) соизмерим с потоком рассеяния, поэтому потоки выпучивания и рассеяния необходимо учитывать.
При минимальных рабочих зазорах сопротивление магнитопровода обычно значительно больше сопротивления зазоров или со-
Таблица 1.1. Классификация магнитных цепей постоянного тока
Характеристика группы
Группа
I
п
ill
Соотношение магнитных сопротивлений зазоров &з и магнитопровода /?м.м
Rm В》Rm.m
&з соизмеримо или 《Rm.m
Rmb соизмеримо С &.М
Длина рабочих зазоров (для электромагнитов)
Максимальная
Минимальная
Промежуточная
Потоки рассеяния и выпучивания
Учитываются
Не учитываются
Учитываются
Сопротивление зазоров & $
Учитывается
Сопротивление магнитопрово- "а Rm.m
Не учитыва* ется
Учитывается
измеримо с ним, а потоки выпучивания и рассеяния существенно меньше торцового потока зазоров, поэтому такую МЦ можно рас- счнтнвать без учета потоков выпучивания и рассеяния, учитывая только торцовые потоки зазоров, считая поле в них однородным.
При промежуточных положениях якоря, при которых магнитные сопротивления зазоров и магнитопровода соизмеримы друг с другом, необходимо учитывать все факторы: сопротивление магнитопровода, зазоров (с учетом выпучивания) и поток рассеяния.
В соответствии с вышесказанным МЦ ЭМАА можно разбить на т'ри группы (табл. 1.1). В § 1.2 учебника описаны расчеты МЦ I группы; МЦ II и III групп рассмотрены в [1—8].
Магнитные цепи с сопротивлением звзоров, значительно большим
сопротивления мвгнитопроводв
При рассмотрении МЦ этой группы со-
противление магнитопровода не учитываем.
Расчет магнитного напряжения на проводимости рассеяния. Определим с помощью второго закона Кирхгофа значение и направление магнитного напряжения U^dx (рис. 1.2, а) между любой точкой М на левой вертикальной
Рис. 1.2. Магнитная система с распределенной мдсРис. 1.2. Магнитная система с распределенной мдсчасти магнитопровода и точкой ^ на его правой части. Считаем заданными размеры МС, а также значение и направление (действительное) тока в обмотке (крестик н точка в кружках). Предварительно выбранное условно-положительное направление UMdx показано на рис. L2, Q стрелкой (от М к N). Для контура MNCDM по (1.3) можно написать U^dx=SxF /
Рис. 1.2. Магнитная система с распределенной мдс
Рис. 1.2. Магнитная система с распределенной мдс
/S()6, где Sx — площадь части поперечного сечения обмотки, охваченной контуром обхода MNCDM\ 尸一МДС обмотки; So6 — площадь поперечного сечения обмотки, расположенного внутри контура ABCDA； F/S06 — плотность МДС (принимается одинаковой во всех точках поперечного сечения обмотки).
Будем считать, что оба поперечных сечения обмотки имеют форму прямоугольника со сторонами с и /Об, перпендикулярными и
(1.4)(1.4)параллельными вертикальным и горизонтальным частям магнитопровода, и что точки М н М находятся на одинаковом расстоянии х от нижней горизонтальной границы поперечного сечения обмотки. Тогда при ширине поперечного сечения обмотки с получим Sx = xc; So6 = Eq6C И
(1.4)
(1.4)
U м “X = X 尸"об •
Предположим, как это обычно делается при расчетах МЦ, что поле рассеяния рассматриваемой системы плоскопараллельно в пределах толщины слоя, равного на рис. 1.2 длине /Об обмотки. 20
Тогда можно утверждать, что линии индукции поля рассеяния, ле・ матне в плоскости, проходящей через точки М н N н показанные в сечении Л—А рис. 1.1, б, все находятся под магнитным напряжением, определяемым (1.4).
На рис. 1.2, б построена эпюра изменения этого напряжения. При всех названных выше допущениях ее можно считать эпюрой изменения магнитного напряжения на воздушном промежутке, в котором замыкаются линии индукции потоков рассеяния (кратко «магнитное напряжение на проводимости рассеяния»).
Покажем, что полученный результат не зависит от выбранного контура обхода. По второму закону Кирхгофа для контура ABNMA (рис. 1.2, a) Um6i + Um62—UmRx = F瓜6・х)//об- Внутри контура оказалась часть поперечного сечения обмотки, пропорциональная длине /об—х. Магнитное напряжение Umd% для этого контура в урав- ненне вошло с минусом, так как оказалось направленным навстречу обходу его по часовой стрелке. Так как UM6i + UM62 = F (по второму закону Кирхгофа для контура обхода ABCDA), то уравнение Для контура ABNMA принимает вид： F—U^ = no6/lo6—xF/lo6. Окончательно получаем (1.4).
Магнитные цепи, в которых магнитное напряжение на проводимости рассеяния изменяется линейно от нуля до МДС обмотки, как МЦ на рис. 1.2, называются магнитными цепями с распределенной магнитодвижущей силой; МЦ, в которых магнитное напряжение на проводимости рассеяния не изменяется и равно МДС обмотки, называются магнитными цепями с сосредоточенной магнитодвижущей ^^ой. Большинство ЭМАА относятся к цепям с распределенной МДС. В гл. 1 и 2 при изучении МЦ, сопротивление зазоров которых значительно больше сопротивления магнитопровода, будем иметь в виду только такие МЦ.
Изменение потока вдоль сердечника магнитной системы с распределенной МДС. Ниже приводится вывод формул, сделанный для МС рис. 1.3, а при следующих допущениях:
поле рассеяния в пространстве, окружающем магнитопро- вод，принимается плоскопараллельным (в плоскостях, перпендику- 』ярных оси обмотки, картины поля одинаковы и имеют вид поля, близкого к изображенному в сечении А~А на рис. 1.1,6); толщина плоскопараллельного поля рассеяния ld равна длине обмотки /Об (рнс. 1.3, а), вне этой толщины поле рассеяния отсутствует;
потоки выпучивания зазоров замыкаются между якорем и Участками длиной /с—/Об вертикальных частей магнитопровода;
обмотка имеет равномерную намотку.
При расчетах МС правильнее магнитные проводимости рабочих зазоров 6] и 62 рассчитывать с учетом действительной области, за- Нимаемой потоками выпучивания. Тогда для толщины плоскопарал- лИльного поля рассеяния 〃 остается не занятая потоком выпучива- ；н* длина сердечника, в общем случае не равная длине обмотки °б. Полученные ниже формулы, как правило, приближенно при-
годны и для /d#=/06* О делении магнитного поля на области выпучивания и рассеяния см. [3].
На рис. 1.3, а показана схема потокораспределения рассматриваемой МС, соответствующая принятым допущениям. Поток рассеяния Фйх слоя плоскопараллельного поля рассеяния толщиной /об——х условно обозначен одной линией индукции и фигурной скобкой, высота которой равна толщине этого слоя. На рис. 1.3, а видно, что этот поток пронизывает поперечные сечения pq и тп маг-
Рис. 1.3. Схема потокораспределения (а) и эпюры изменения:б — магнитного напряжения на проводимости рассеяния； в — потока рассеяния Ф《.добавляющегося к потоку Ф^ на длине /0^ —х； г — потока Фс t проходящего через сечения сердечника； d — числа витков, охваченных контуром ABCDAРис. 1.3. Схема потокораспределения (а) и эпюры изменения:б — магнитного напряжения на проводимости рассеяния； в — потока рассеяния Ф《.добавляющегося к потоку Ф^ на длине /0^ —х； г — потока Фс t проходящего через сечения сердечника； d — числа витков, охваченных контуром ABCDA
Рис. 1.3. Схема потокораспределения (а) и эпюры изменения:
б — магнитного напряжения на проводимости рассеяния； в — потока рассеяния Ф《.добавляющегося к потоку Ф^ на длине /0^ —х； г — потока Фс t проходящего через сечения сердечника； d — числа витков, охваченных контуром ABCDA
Рис. 1.3. Схема потокораспределения (а) и эпюры изменения:
б — магнитного напряжения на проводимости рассеяния； в — потока рассеяния Ф《.добавляющегося к потоку Ф^ на длине /0^ —х； г — потока Фс t проходящего через сечения сердечника； d — числа витков, охваченных контуром ABCDA
нитопровода. Поток рассеяния ①‘江乂 слоя плоскопараллельного поля рассеяния толщиной х условно показан также одной линией индукции и фигурной скобкой, высота которой равна толщине этого слоя. На рис. 1.3, а видно, что Ф^х не пронизывает поперечные сечения pg и тп магнитопровода. Сказанное можно записать в виде следующих уравнений:
①e* = 5 +①厶=吗-①Z；①Е =①6十①42；①42 =%上 +①]，(1-5) где ①с* ——поток в сечении сердечника с абсциссой х;①心 ——рабочий поток МС; Ф2 ——суммарный поток МС, проходящий через сечения cd и ab магнитопровода;①江工一суммарный поток рассеяния.
Мысленно представим себе плоскопараллельное поле рассеяния МС на рис. 1.3, а толщиной /ое——х состоящим, как слоеный пирог, из большого количества слоев толщиной dx. Каждый такой слой несет в себе бесконечно малый поток рассеяния d①江*・ Если сложить потоки этих бесконечно узких слоев на толщине /Об—х, то получим поток рассеяния, который проходит через сечения pq и тп магнитопровода:
Ф^= ( d①* (1.6)
(1.7)(1.7)По закону Ома для участка МЦ d ①“X = "мах dA^
(1.7)
(1.7)
Где U^dx — магнитное напряжение, под которым находятся линии индукции слоя плоскопараллельного поля рассеяния толщиной dx в немагнитном промежутке между вертикальными частями магнитопровода (рис. 1.3,6); dAd — магнитная проводимость этого слоя (d перед Л(/ — знак дифференциала, индекс d показывает, что речь идет о потоках рассеяния).
Как для любого плоскопараллельного поля,
d А“：= у。入a dx,(1.8)
где л(/—удельная проводимость, соответствующая картине поля в сечении А—А рис. 1.1, б.
Расчет л(/ описан в [3, 4].
Для МС с распределенной МДС справедливо (1.4). Подставим (1.7), (1.8) и (1.4) в (1.6) и проведем интегрирование:
* dx=£ ^dlo^ О —方卜* dx=£ ^dlo^ О —方卜(1-9)(1-9)
* dx=£ ^dlo^ О —方卜
* dx=£ ^dlo^ О —方卜
(1-9)
(1-9)
При х=0 поток Фйх превращается в суммарный поток рассеяния:
①d£ =气入/об尸/2・(LIO)
С учетом (1.5), (1.9) и (1.10) окончательно поток в любом сечении сердечника и ярма с координатой х равен:
①e х =б+①42 -①心*2/分=①2一①心*2储6.(1.11)
Кривые изменения потоков g и Фс построены на рис. 1,3, в, г.
Приведение магнитной проводимости рассеяния по потоку н потокосцеплению. «Приведение» делается для удобства расчета потока и потокосцепления рассеяния МС с распределенной МДС. Под магнитной проводимостью рассеяния Лйф, приведенной по потоку к МДС обмотки, подразумевается такая проводимость, которая» будучи умноженной на МДС обмотки, даст поток рассеяния. Аналогично, под проводимостью рассеяния Adw, приведенной по пото- косцеплению к МДС и числу витков обмотки, подразумевается та- ка貝 проводимость, которая, будучи умноженной на МДС и число витков обмотки, даст потокосцепление рассеяния. Приведенная по потокосцеплению проводимость рассеяния необходима также для определения индуктивности рассеяния и электромагнитной энер- г^и> запасенной в поле рассеяния. При расчете составляющей силы, °бусловленной изменением поля рассеяния, в энергетическую фор- Му』у необходимо подставлять проводимость рассеяния, приведен- ну*о по потокосцеплению. В гл. 2 будет показано, что при расчете
МС переменного тока используется главным образом тоже приведение по потокосцеплению.
Приведение по потоку. Суммарный поток рассеяния можно представить в виде произведения МДС 尸 на некоторую магнитную проводимость, которая учитывает не только размеры системы, но и изменение магнитного напряжения:
①心=(』.(L12)
Эта проводимость (Л(/ф) называется магнитной проводимостък> рассеяния, приведенной по потоку к МДС обмотки.
Суммарная магнитная проводимость плоскопараллельного поля рассеяния рассматриваемой системы, определяемая только ее геометрией, не учитывающая распределение МДС вдоль сердечника и соответствующая суммарному потоку рассеяния ①心，равна
А(/е =气入 〃об・(L 13>
Принимая во внимание (1.10), (1.12) и (1.13), можно написать
Ads^ 爲 Ad『(L14>
где /?ф=1/2 ——коэффициент приведения по потоку проводимости рассеяния МС с распределенной МДС к МДС обмотки. Приведением по потоку следует пользоваться при расчете потоков.
Приведениепо потокосцеплению. По аналогии с (1.6) суммарное потокосцепление рассеяния
"%= j 叫*,(1.15)
о
где dWdx — потокосцепление потока рассеяния йФах слоя плоскопараллельного поля рассеяния толщиной dx. Поток d①dx сцеплен только с той частью витков wx обмотки, которая охватывается контуром ABCDA этого потока. Если полное число витков обмотки з, то
吗=叫:〃 。6.(1.16)
Эпюра изменения числа витков обмотки, сцепленных с потоками рассеяния, приведена на рис. 13 d. Эту эпюру следует понимать так. Ордината wx точки М эпюры, имеющей абсциссу х, означает то число витков, с которым сцеплен поток d①dx бесконечно тонкого слоя плоскопараллельного поля рассеяния магнитной системы, отстоящего от нижнего края обмотки на расстоянии х.
Потокосцепление dYdx потока d①壮工 равно произведению этого потока на число витков wXt с которым он сцеплен:
(1.17)
Подставим (1.7), (1.8), (1.4) и (1.16) в (1.17) ； подставим также 0.17) в (1.15) и проведем интегрирование
Zo6
^di= f气％气u幫矶(1.18)
J *об *обJ
О
Для расчета суммарное потокосцепление рассеяния удобно представить в виде произведения некоторой магнитной проводимости рассеяния Ad屮 на МДС F и число витков з обмотки. Проводимость 八dB учитывает как изменение магнитного напряжения на проводимости потоков рассеяния, так и изменение числа витков, с которым ■сцеплены потоки рассеяния. Суммарное потокосцепление рассеяния
审心=A川尸初，(1.19)
где под Ad屮 имеется в виду
-Л-^ф—h“ 卜 d*(1.20)
Проводимость Ad屮 называется магнитной проводимостью рассеяния, приведенной по потокосцеплению к МДС F и числу витков з обмотки;々屮——коэффициент приведения проводимости рассеяния то потокосцеплению к МДС 尸 и числу витков w; Л(/2 ——по (1.13).
Сравнение (1.18) с (1.19), (1.20) и учет (1.13) показывают, что магнитная проводимость рассеяния, приведенная по потокосцеплению,
AdN = Ad"3(1.21)
и что коэффициент приведения по потокосцеплению 左屮=1/3.
Заметим здесь, что по (1.21) и (1.14)
А(/屮=2Adb/3.(1.22)
Схемы замещения магнитных цепей. Суммарная магнитная проводимость. По аналогии со схемами замещения электрических цепей можно составлять схемы замещения МЦ. Это облегчает их расчет и систематизирует наши представления о принимаемых при зтом расчете допущениях.
На рис. 1.4,а показана клапанная МС, а на рис. 1.4, б — схема замещения ее МЦ, составленная без учета сопротивления магнито- ^ровода. Каждому немагнитному промежутку МЦ соответствует резистор электрической цепи (буквами Лбь Аб2 н Ad ① обозначены проводимости этих резисторов). В схеме замещения МДС внпол- 胃ет функцию, аналогичную функции ЭДС электрической схемы. 口。схеме замещения рис. 1.4, б можно рассчитать поток Фб в рабо- "нх зазорах 61 и 6з, суммарный поток рассеяния ①壮工 и суммарный поток ①工 при заданной МДС обмотки 尸 и заданных размерах сис- темн, позволяющих рассчитать магнитные проводимости Лвь A^j ? Ads (проводимость Л(/ф —по (1.14) и (1.13);猫，Лб1 и Аб2 — по U —8]). Так как магнитная проводимость рассеяния исходной МЦ
находится под переменным магнитным напряжением, изменяющимся от 0 до МДС обмотки 尸，а в схеме замещения рис. 1.4,6 резистор, соответствующий этой проводимости, включен под полное напряжение, равное F, то проводимость этого резистора должна быть равна магнитной проводимости рассеяния приведенной к МДС обмотки по потоку.
На рис. 1.4,8,а показаны последовательные этапы преобразования исходной схемы замещения рис. 1.4, б до простейшей цепи
Рис. 1.4. Клапанная магнитная система (а), ее схемы замещения (6, & г,咏)；Ш—образная магнитная система (О) и ее схемы замещения (е, 6, в, г, ж)Рис. 1.4. Клапанная магнитная система (а), ее схемы замещения (6, & г,咏)；Ш—образная магнитная система (О) и ее схемы замещения (е, 6, в, г, ж)
Рис. 1.4. Клапанная магнитная система (а), ее схемы замещения (6, & г,咏)；Ш—образная магнитная система (О) и ее схемы замещения (е, 6, в, г, ж)
Рис. 1.4. Клапанная магнитная система (а), ее схемы замещения (6, & г,咏)；Ш—образная магнитная система (О) и ее схемы замещения (е, 6, в, г, ж)
рис. 1.4, г с источником МДС и суммарной магнитной проводимостью Лхф на его зажимах (буква Ф в индексе Л2ф означает, что в А工力 входит проводимость рассеяния, приведенная по потоку).
Легко показать, что суммарная магнитная проводимость всех учитываемых немагнитных промежутков клапанной МС, приведенная по потоку к МДС обмотки,
(1.23)(1.24)(1.23)(1.24)А±Ф=Аб +А^ф, где
(1.23)
(1.24)
(1.23)
(1.24)
Л8 = Л81Л52/(Л81 -|-Л82).
Эту проводимость можно использовать, например, для расчета суммарного потока системы по формуле
(1-25)(1-25)①工= Am/\
(1-25)
(1-25)
которая соответствует схеме замещения рис. 1.4, г.
26
Поток рабочих зазоров такой системы
①尸 V.(1.26)
На рис. 1.4, е изображена схема замещения разветвленной Ш-об- разной магнитной системы рис. 1.4,0 с тремя рабочими зазорами на пути двух рабочих магнитных потоков. На этой схеме А'у, Аб2, А"б[ — магнитные проводимости зазоров 6/, 6з и &〃； А% ф и А"ет ——магнитные проводимости путей потоков рассеяния ①％ и ①/, приведенные к МДС обмотки 尸 по потоку. Схему замещения на рис. 1.4, е можно привести к схеме рис. 1.4, б, если считать в ней Aoi = А‘61 + А"б1 и Л^ф =А%ф +А%ф .
Еслн в схему замещения рис. 1.4, б, е вместо Ad力,А%① и Л^ф включить Ad中,A'd中 и A"d中 (магнитные проводимости рассеяния, приведенные по потокосцеплению к МДС и числу витков обмотки), а в качестве источника МДС вместо 尸 поставить произведение F на число витков обмотки ш, то по полученным схемам замещения можно будет определить суммарное потокосцепление МС, необходимое, например, для расчета индуктивности обмотки. Такая схема замещения приведена на рис. 1.4, ж. Из нее, учитывая (1.24) и (1.22), получим суммарную магнитную проводимость системы, при* веденную по потокосцеплению к М〃С и числу витков обмотки:
厶工中=厶5 + А^®=Aj + 2А^ф/3.(1.27)
Суммарное потокосцепление тогда может быть найдено по формуле
公=аё中尸血(1.28)
Уравнение (1.28) можно переписать также в виде
%=5му,(1.29)
где суммарный поток, приведенный по потокосцеплению к числу витков обмотки wt
①£中=аё屮尸.(1.30)
Подробнее о нем будет сказано в гл. 2.
Коэффициенты рассеяния. Коэффициенты рассеяния по потоку нужны для расчета МЦ с учетом сопротивления магнитопровода методом коэффициентов рассеяния [4]. Максимальный коэффициент рассеяния по потокосцеплению позволяет определить суммар- ное потокосцепление МС, а значит — индуктивность обмотки, электромагнитную энергию системы и электромагнитную силу.
Коэффициент рассеяния по потоку оф* равен отношению потока Фсх в каком-либо сечении к рабочему потоку Фд：
аФх = Фсх/Ф8.(1-31)
Так как каждый из потоков можно выразить через произведе- нне магнитной проводимости на МДС обмотки (по упрощенной схеме замещения, не учитывающей сопротивление магнитопрово-
27
да), то легко получить выражения коэффициентов рассеяния через магнитные проводимости.
Максимальный коэффициент рассеяния по потоку для МС рис. 1.4 с учетом (1.23), (1.25) и (1.26):
ЗфЕ=ФЕ/Ф8 = K^F !(XZF) = 1 +Ad®/A»(1.32)
Коэффициент рассеяния по потоку для любого сечения вертикальных частей магнитопровода той же МС можно получить с помощью (1.31), (1.Н), (1.32), (1.12) и (1.26):
3 =(①Е —①公炉片6)/①8 = 3 - (AdФ/%)炉/爲=
=1 +(А^ф/А&) (1 — х?僞б) = ьф£ — (ьфе — 1)曲点.(1.33)
Коэффициент рассеяния по потокосцеплению- максимальный:
0屮Ё =w/恥.(1.34)
По аналогии с (1.32) для рассмотренных МС
с ①* = 1 + Adw/Ay(1.35}
Зависимость индуктивности обмотки магнитной системы и рабочего потока от длины зазора. Зависимость индуктивности. По определению [9],
L = W"i・(1.36)
С индексом f здесь и далее будут обозначаться мгновенные потокосцепление 4rb поток Ф(, индукция Bt, напряженность магнитного поля Htt МДС F±. Если 4r工力 обмотки выразить по (1.28), которая справедлива и для V^ и для Ft = iw, и подставить в (1.36), то для индуктивности обмотки МС с зазорами, сопротивление которых значительно больше сопротивления магнитопровода, получим
L =72/2Леф.(1.37)
По (1.27) Аз：чг = Аб + А(/中.Для МС с одним рабочим зазором магнитную проводимость Лб зазора можно представить в виде: Лб = = Ат + Ав, где Ат — магнитная проводимость путей торцового потока; Лв ——магнитная проводимость путей потока выпучивания. В явном виде связь индуктивности с длиной рабочего зазора мы получим, если упрощенно будем считать, что Л^ —Ле и
Л5 三 Лт=[105/8,(1.38)
где S ——площадь торцов полюсов, образующих рабочий зазор; 6 ―■ длина зазора. Тогда
L』qS硏工(1.39)
Полученное выражение показывает, что при увеличении зазора 6 индуктивность обмотки МС падает.
28
Зависимость рабочего потока от длины зазора. Для МС с одним рабочим зазором справедливо (1.26). С учетом (1.38) получим
(L40>(L40>①6 =呪5尸/6.
(L40>
(L40>
Практически рабочий поток зависит от 6 в меньшей степени, чем по (1.40), из-за влияния потоков выпучивания, сопротивления магнитопровода и других факторов.
Потокораспределение, эпюры магнитного напряжения и потока броневой магнитной системы. Броневая МС (рис. 1.5) состоит нз верхнего / и нижнего 6
фланцев, полого цилиндра 2 стопа 4 и якоря 2, обмотки 5. Немагнитная гильза 7 — направляющая якоря 2. Детали 1, 3, 4, 6 жестко скреплены между собой. Вместе с якорем 2 они образуют магнитопровод с пятью зазорами между ними; детали /, 3 и 6— ярмо МС; якорь 2 и стоп 4— сердечники МС. Магнитная цепь броневой МС отличается от ра
Рис. 1.5. Броневая магнитная системаРис. 1.5. Броневая магнитная системанее рассмотренных тем, что ее рабочий зазор
Рис. 1.5. Броневая магнитная система
Рис. 1.5. Броневая магнитная система
расположен внутри обмотки. Из нерабочих будем учитывать только зазор 62 между якорем и верхним фланцем 1. Далее МС будет изображаться в сечении той же плоскостью, в которой показан
разрез на рис. 1.5, но без излишней детализации конструкции. Для
упрощения примем следующие допущения:
поле рассеяния учитывается только на толщине /я и /ст, а пределах которых оно считается плоскопараллельным (картины поля одинаковы в плоскостях, перпендикулярных оси полюсов);
потоки выпучивания зазоров д( и 62 в окне магнитопровода отсутствуют (боковая поверхность стопа и якоря занята только полем рассеяния);
обмотка имеет равномерную намотку, длина которой /Об- равна высоте окна магнитопровода.
В соответствии с допущениями а) и б) потоки в окне магнитопровода на длине & не учитываются.
На рис. 1.5 стрелками показаны предварительно принимаемые условно-положительные направления магнитных напряжений: ^мб! — на рабочем зазоре &; 厶62 — на зазоре д2; ^м(/хя — между
■якорем 2 и полым цилиндром 3; U^hct — между стопом 4 и полым цилиндром 3. За действительное (базовое) направление принимаем направление тока в обмотке МС (крестик и точка). Ось х параллельна оси обмотки и начинается от основания стопа, совпадающего с нижним краем обмотки.
По второму закону Кирхгофа для контура ABCDA: Um6i + Um62 = =F. Для контура MNCDM получим (1.4): UMdxcT^FxCT/l0Q. Уравнение справедливо на всей длине стопа /ст. При хСт = /ст имеем UMdxcr — =f/Ст//об； при хСт = 0 имеем U^dxcr — 0. Таким образом, на длине стопа магнитное напряжение между стопом и полым цилиндром 3 ярма изменяется линейно от нуля у основания стопа (в начале катушки) до F/CT//o6 у торца стопа, обращенного к рабочему зазору. На длине стопа потоки рассеяния направлены в сторону предварительно выбранного направления магнитного напряжения.
По второму закону Кирхгофа для контура AM^N^BA (обходим контур против часовой стрелки)
Uм“хя=им62—尸 «об — %)/犧・ (141)
Уравнение справедливо на всей длине /я, т. е. при всех хя, лежащих в диапазоне /ст + 61&Хя《/об・ Рассмотрим сначала упрощенный случай, когда магнитным сопротивлением зазора 62 можно пренебречь, т. е. Г/мб2 = 0・ Тогда из (1.41)
им4хя=—尸 “об —Хя)//<>6・ (1.42)
Уравнение показывает, что во всем диапазоне изменения хя, в котором оно справедливо, Umc/xhVO, т. е. что потоки рассеяния на
длине якоря направле-
Рис. 1.6. Броневая магнитная система с одним зазором:Рис. 1.6. Броневая магнитная система с одним зазором:а — схема потокораспределення； 6 — эпюра изменения магнитного напряжения на проводимости рассеяния； в — кривая изменения потоков в сечениях сердечников 'а — схема потокораспределення； 6 — эпюра изменения магнитного напряжения на проводимости рассеяния； в — кривая изменения потоков в сечениях сердечников 'ны в сторону, противоположную предварительно выбранному направлению магнитного напряжения.
Рис. 1.6. Броневая магнитная система с одним зазором:
Рис. 1.6. Броневая магнитная система с одним зазором:
а — схема потокораспределення； 6 — эпюра изменения магнитного напряжения на проводимости рассеяния； в — кривая изменения потоков в сечениях сердечников '
а — схема потокораспределення； 6 — эпюра изменения магнитного напряжения на проводимости рассеяния； в — кривая изменения потоков в сечениях сердечников '
При Хя=/ст + 61 имеем Uм(/хя = 一尸2я〃о6； При Хя = /Об имеем Um(/xh = =0.
на длине стопа и по (1.42) на длине якоря.на длине стопа и по (1.42) на длине якоря.На рис< 1.6, а показано потокораспределе- ние броневой МС, построенное в соответствии с эпюрой изменения магнитных напряжений, изображенной на рис. 1.6, б по (1.4) Напомним, что магнит-
на длине стопа и по (1.42) на длине якоря.
на длине стопа и по (1.42) на длине якоря.
ное напряжение на сопротивлении принимается совпадающим с потоком в этом сопротивлени. Отличие в направлении U^dxn меж- ду точками М н М на рис. 1.5 и потока ①如 на рис. 1.6 не противо-
речит этому правилу потому, что стрелка С^хя иа рис. 1.5 обозначает условно-положительное направление напряжения (и потока), а стрелка ①&я на рис. 1.6, а — действительное направление потока (и напряжения), которое на этом участке оказалось противоположным условно-положительному.
На рис. 1.6,8 приведена эпюра изменения потока в сечениях якоря и стопа. Рис. 1.6, а, в показывает, что броневая МС имеет два максимума потока: ФЯх — в том сечении якоря, которое совпадает с верхним краем обмотки (при зазоре 62 = 0), и ФСтх — в сечения стопа, совпадающем с нижним краем обмотки.①я】=①61+ +①加工；①eT工 =①61+①dCT工.
При 。2=#0 и Um62峻° потокораспределение броневой МС сложнее. Формула (1.41) показывает, что при хя = /об имеем 几(/切= Um62, а при Хя ~~ /ст + 6】:=/об /я имеем
U^c = U"i2-Fl』10b.(1.43)
Для Uмб2<Fl』lo6 потокораспределение и эпюры изменения магнитных напряжений и потоков показаны на рис. 1.7, а, б, 6, а для Um62>F〃//o6 ——на рис. 1.7, г, 0, е. Последний случай представляет меньший интерес, так как характерен для малых длин рабочего зазора 61, при которых магнитные проводимости зазоров 6】и 62 значительно больше проводимости рассеяния и последней можно пренебречь.
При большой и средней длине рабочего зазора 济 при хя = /об——/注 обычно имеет место неравенство Um62V尸％/厶6・ Так как в этом случае при xH = /o6 получается имаХя= ^мб2>0, а при хя = /()б——'я напряжение UMdxn<0, то можно показать, что при некотором %н = /об.р = =厶6—UmMogIF магнитное напряжение UMdxn — 0 (/об.р—расчетная длина обмотки). Через эту координату хя = ^об.р на рис. 1.7,а, 6, 8 проведена горизонтальная штриховая линия. Ниже этой линии потоки рассеяния ①'(/я (рис. 1.7, а) направлены в сторону, противоположную предварительно выбранному направлению Um^jt (рис. 1.5), выше—потоки рассеяния ①〃加(рис. 1.7, а) направлены в сторону, совпадающую с предварительно выбранным направлением Омйхя.
Проследим по рис. 1.7, а, в изменение потоков в сечениях сердечников. У основания стопа поток равен ФСТх； по мере приближения к рабочему зазору в сечениях стопа поток уменьшается, так как от него ответвляются потоки рассеяния Фйст на длине стопа /Сг (на рис. 1.7, а условно показана одна линия индукции замкнутого контура этого потока). Поток в верхнем торце стопа при принятых Допущениях равен потоку в нижнем торце якоря (Фб1 на- рис. 1.7,а, 8).
На длине якоря от нижнего торца до нейтрального сечения (расчетная длина якоря %.р на рис. 1.7, а) поток в сечениях якоря Увеличивается от Фб1 в торце до Фях (рис. 1.7,8)в нейтральной течении за счет добавляющихся к рабочему потоку Фб1 потоков рассеяния ①‘迎(рис. 1.7, а). В нейтральном сечении суммарный по-
31
ток ①яз： =①6i + ①'(/яе・ В сечениях якоря от нейтрального до сечения, совпадающего с верхней частью обмотки, поток будет уменьшаться от Фя2 до ①62 за счет потоков рассеяния ①％я (рис. 1.7, а), ответвляющихся на длине /я——/я.р. Нейтральным сечением рассмотренную -МЦ можно разбить на две независимые цепи. Магнитная цепь ниже нейтрального сечения эквивалентна МЦ броневой МС без зазора
Рис. 1.7. Броневая магнитная система с зазорами 6】и &：
，。・ г — схемы потокораспределення; 6, d — эпюры изменения магнитного напряжения на проводимости рассеяния; а, е — кривые изменения потоков в сечениях сердечников. Эскизы а, 6 н е —прн U м§2V户/兔〃об；克。н е —прн ^乂62＞尸%/%6
^2 (показана на рис. 1.6) при длине обмотки, равной расчетной дли- ие обмотки /Об.р=/об一"я—/яр) (рис. 1.7, а). Выше нейтрального сечения МЦ броневой МС соответствует МЦ с одним зазором (62), расположенным вне обмотки.
Расчетную длину якоря /я.р (рис. 1.7, а) можно определить, если воспользоваться уравнением ①61+①〃я】 =①％я】+@62, где фб1 = =а61им61； и吩 1 =尸一厶62=尸厶6.р4О6； Ф^d^ = a^ФяУма^ u仆而= 『尸 2я.р//о6； Фл，с/Я1 = ЛХ/йФя^ М62； Um62 = F «я—/я.р)〃о6；① 62 = Аб2〃мб2； Аб】一магнитная проводимость зазора 拆；Л^фя — магнитная про-
водимость путей потока рассеяния Ф^ях (в пределах толщины /я.р), приведенная по потоку к U'mm； Л^йфя—магнитная проводимость путей потока рассеяния ①'〃я】 (в пределах толщины /я—/я.р), приведенная по потоку к Um62； Аб2一 магнитная проводимость зазора 62.
Проводимости рассеяния Л/йфя = Цо^^я.р/2; Л,,йфя = ЦоЛй(^я— —/я.р)/2, где Ad — удельная проводимость плоскопараллельного поля рассеяния. Окончательно получим
I (4丿4"/06/% +A必e偿A認)1 + Л81/Л82 + Л4яе/Л82
где А^я】=卩(认d%・
При дальнейшем расчете броневой МС отпадает необходимость в допущении о том, что потоки выпучивания зазоров 5 и 也 в окне магнитопровода отсутствуют. Без такого допущения проводимости зазоров 61 и д2 следует рассчитывать с учетом потоков выпучивания. Соответственно должны быть скорректированы (уменьшены) толщины слоев плоскопараллельного поля на длине якоря и стопа.
ГЛАВА 2. МАГНИТНЫЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Рассматриваются МС только с обмотками напряжения в диапазоне частот от нескольких герц до десятков килогерц. Ток в обмотке напряжения МС постоянного тока / = =U/Rq в статике зависит только от напряжения питания обмотки U и ее сопротивления Ro постоянному току. Ток в обмотке напряжения МС переменного тока
/ = и/Ю?：к + Х；к
зависит не только от напряжения питания U и активного сопротивления обмотки R, но и от параметров МЦ и частоты источника питания, так как от них зависят R3K и Хэк — эквивалентные активное и индуктивное сопротивления обмотки. Таким образом, МЦ при переменном токе нельзя рассматривать в отрыве от электрических цепей обмоток. Поэтому, если при постоянном токе мы говорили о расчете МЦ, то при переменном токе будем говорить о расчете МС, подразумевая под этим расчет не только МЦ, как в гл. 1, но и электрических цепей обмоток МС.
Мгновенные значения изменяющихся во времени величин обозначаются строчными буквами или прописными с индексом f (для тех величин, обозначать которые строчными буквами не принято), амплитудные значения — прописными с индексом т, действующие—прописными без специального индекса.
Особенности, направления величин, классификация
Особенности МС переменного тока. При изменении во времени тока в обмотке МС происходит изменение во времени магнитного потока» создаваемого этой МС. Изменяющийся во времени магнитный поток, по закону электромагнитной индукции Фарадея—Максвелла» создает в окружающем его пространстве изменяющееся во времени электрическое поле. Совокупность магнитного и электрического полей называется электромагнитным полем. Электрическое поле создает в электропроводящей среде, пронизываемой трубками магнитного потока, электрические токи. Если эта среда односвязная (один раз связана с трубками магнитного потока), то они называются вихревыми токами. В электропроводящей среде происходит выделение энергии. Таким образом, в МС переменного тока энергия выделяется не только в активном сопротивлении обмотки вследствие джоулевых потерь в ней, но и в любой электропроводящей среде, с которой сцеплен магнитный поток системы, а в магнитопроводе, кроме того, еще и вследствие потерь на гистерезис и потерь» обусловленных магнитной вязкостью. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы МС переменного тока делаются из изолированных друг от друга ферромагнитных пластин.
Электропроводящая среда влияет на картину магнитного поля： оказывая магнитному потоку сопротивление, выталкивает его. Элементы конструкции из электропроводящих материалов, специально предназначенные для создания вихревых токов, тем или иным образом используемых в электротехнических устройствах, называются электромагнитными экранами. К электромагнитным экранам ЭМАА относятся: короткозамкнутые витки (КЗВ), диск индукционной системы и пр. В гл. 2 изучение влияния электропроводящей среды на режим МЦ проводится на примере влияния вторичной обмотки, замкнутой на активное сопротивление, и КЗВ, охватывающего часть поперечного сечения магнитопровода.
У МС постоянного тока магнитное сопротивление немагнитного зазора не зависит от электрического сопротивления расположенных в зазоре материалов, у МС переменного тока ——зависит. Следует отличать немагнитные зазоры, не содержащие электропроводящие материалы, от содержащих их. В гл. 2 под термином «зазор» понимаются немагнитные зазоры, не содержащие электропроводящие материалы. Если зазор.содержит электропроводящие материалы, то магнитное сопротивление этой электропроводящей части зазора учитывается специальной составляющей магнитного сопротивления, кроме той составляющей, которая учитывает сопротивление неэлектропроводящей части зазора. Так как при проектировании магнитопроводов МС переменного тока требуемое поперечное сечение S магнитопровода следует рассчитывать по амплитуде потока ФП(, ориентируясь па желаемую амплитуду индукции Вт, 34
а нагрев обмотки и экранов определяется действующими током и напряжением, то в литературе в формулах, связывающих величины МС переменного тока, и на векторных диаграммах этих систем поток, индукцию и потокосцепление выражают, главным образом, в амплитудных значениях, а все остальные величины ——в действующих (см., например, [3], где амплитудные поток, индукция, потокосцепление обозначены через Ф, В и V без индекса т). Использование в одних и тех же формулах амплитудных и действующих величин создает некоторые неудобства» поэтому мы часто будем давать формулы» векторные диаграммы и схемы замещения для действующих значений потока, индукции и потокосцепления. Об этом всегда надо помнить при использовании формул гл. 2 в рас-
четах, так как кривые намагничивания, кривые изменения удельных магнитных сопротивлений материала магнитопровода в литературе обычно приводятся для амплитудных индукций.
Действительные и условно-положительные направления изменяющихся во времени величин. Термины «действительные» и «условно-положительные» направления величин» описанные в § 1.1, на
переменном токе имеют свою них более подробно. Рассмотрим обмотку без магнитопровода и без активного сопротивления (индуктивность), включенную в замкнутую электрическую цепь. Ток в цепи обмотки i= =/m sin(о/, где з ——угловая частота. В соответствии с этим уравнением ток принимает в первом полупериоде положительные, а во втором ——отрицательные значения. Предположим, что положительным значениям соответствует направление тока сверху вниз (стрелки i из точек на схемах рис. 2.1,
Рис. 2.1. Действительные (точечные стрел-Рис. 2.1. Действительные (точечные стрел-условио-положительиые (сплош-условио-положительиые (сплош-ЭДС. условЭДС. условии) и иые)ии) и иые)специфику, поэтому остановимся наспецифику, поэтому остановимся нанаправления тока инаправления тока иПринято е=—Ldi/dt но-положительиыеПринято е=—Ldi/dt но-положительиыеи согласныеи согласныенаправления е и iнаправления е и iа, 6), а отрицательным —снизу вверх (стрелки i из точек на рис. 2.1,8, а). Описанное наа, 6), а отрицательным —снизу вверх (стрелки i из точек на рис. 2.1,8, а). Описанное напримере тока направление величины, которое изменяется на схеме 6 зависимости от знака этой величины, называется действительном (истинным).
Рис. 2.1. Действительные (точечные стрел-
Рис. 2.1. Действительные (точечные стрел-
условио-положительиые (сплош-
условио-положительиые (сплош-
ЭДС. услов
ЭДС. услов
ии) и иые)
ии) и иые)
специфику, поэтому остановимся на
специфику, поэтому остановимся на
направления тока и
направления тока и
Принято е=—Ldi/dt но-положительиые
Принято е=—Ldi/dt но-положительиые
и согласные
и согласные
направления е и i
направления е и i
а, 6), а отрицательным —
снизу вверх (стрелки i из точек на рис. 2.1,8, а). Описанное на
а, 6), а отрицательным —
снизу вверх (стрелки i из точек на рис. 2.1,8, а). Описанное на
Условно-положительным (положительным, расчетным) направлением физической величины называется направление, условно принимаемое положительным в течение всего времени ее измене- 制辽兄，совпадающее с действительным в то время, когда она больше нуля, и противоположное действительному, когда она меньше. Для приведенного примера условно-положительное направление для
тока (сплошные стрелки i на рис. 2.1) совпадает с действительным в первой половине периода (рис. 2.1, а, б) и противоположно действительному——во второй (рис. 2.1,8, г).
Необходимо отметить, что действительное направление, как и положительное, тоже до какой-то степени условно, так как положительное направление тока от «плюса》 к «минусу» — тоже условность. Однако чтобы отличать описанные два принципиально разных направления величин, слово «условное» будем использовать только в связи со вторым направлением.
Не следует смешивать условно-положительное направление величины в схеме, т. е. в пространстве, и вектор, изображающий эту же величину на векторной диаграмме, т. е. во времени, несмотря на одинаковое графическое изображение их на рисунках с помощью стрелок. Любая изменяющаяся во времени физическая величина может быть определена в пространстве и во времени только единством двух изображений ——положительным направлением на схеме и вектором на векторной диаграмме.
Знак минус формулы закона электромагнитной индукции. По закону электромагнитной индукции, при изменении во времени суммарного потокосцепления 4r工力 любого контура в нем наводится мгновенная ЭДС е, равная (по модулю) этому изменению. По замну электромагнитной инерции (закону Ленца), наводимая в контуре ЭДС должна противодействовать этому изменению. Закон электромагнитной индукции принято в литературе в настоящее время записывать с «минусом»:
е=—%/也，(2.1)
«Минус》в (2.1) связан, с одной стороны, с необходимостью удовлетворить закон электромагнитной инерции, а с другой — с выбором направлений W^t и е. Поясним это на примере частного случая использования (2.1) — для обмотки без активного сопротивления и без магнитопровода (индуктивности L), все w витков которой пронизывает поток самоиндукции ①九 Суммарное потокосцепление такой обмотки
屮ё,=匕=6政=上力(2.2)
С учетом (2.1) ЭДС е=—d(Li)/d厶 Если L^=f(t), то
e= 一丄 d "也.(2.3)
При
i = /m sin <о/(2.4)
по (2.3) ЭДС самоиндукции e = —^LIm cos(dt = —Em cos w/» где Em = = ^LIm. Кривые мгновенных тока и ЭДС построены на рис. 2.i,d.
Объяснен ие знака минус для действительных направлений е и /. В течение первой четверти периода ток возрастает. Так как производная возрастающей функции больше нуля (d〃df>0), то в соответствии с (2.3) получается eVO. Это означает, что действительное направление ЭДС е ——снизу вверх (стрелка 36
е из точек на рис. 2.1,а), так как на схемах рис. 2.1,а—г положительным принято направление сверху вниз. Таким образом, в первой четверти периода действительное направление ЭДС е встречно току i (рис. 2.1, а). Это соответствует закону электромагнитной инерции, по которому ЭДС должна противодействовать изменению (в данном случае нарастанию) тока — ЭДС должна создавать ток, направленный против тока i цепи, что и получилось по (2.3). Во второй четверти периода ток убывает, поэтому di/dfVO и е>0, т. е. ЭДС направлена в сторону положительных значений (вниз на рис. 2.1,6). Это тоже находится в соответствии с законом Ленца, так как противодействие изменению означает (при убывающем токе) стремление поддержать ток. На рис. 2.1,仇 г показаны действительные направления ЭДС самоиндукции для оставшихся четвертей периода. Легко показать, что получающиеся в этот полупериод направления е и i удовлетворяют закону Ленца.
Объяснение знака минусдляусловно-положи- тельных направлений ен，. Примем условно-положительное направление ЭДС е (сплошные стрелки е на рис. 2.1) совпадающим с условно-положительным направлением тока i (сверху вниз на рис. 2.1). В первой четверти периода (по 2.3) получается eVO. Отрицательная ЭДС означает, что в действительности она направлена в сторону, противоположную предварительно принятому сверху вниз условно-положительному направлению, т. е. на самом деле не по току, а против тока — так, как указывает стрелка е из точек на рис. 2.1 а. А это, как было показано для действительных направлений, согласуется с законом Ленца. Аналогично рассматриваются остальные три четверти периода. Самая сложная для понимания ——четвертая. Для нее по (2.3) значение eVO, поэтому действительное направление ЭДС самоиндукции — вверх (стрелка е из точек на рис. 2.1, г). В четвертой четверти периода ток тоже меньше нуля, поэтому действительное направление тока — тоже вверх. Таким образом, при принятых условно-положительных направлениях тока , и ЭДС самоиндукции е их действительные направления противоположны условно-положительным. При этом е направлено в ту же сторону, что и ток, поддерживая его, что соответствует закону Ленца, так как в этой четверти периода ток убывает (по абсолютной величине).
Закон электромагнитной индукции с «плюсом》. Показанные на рис. 2.1 условно-положительные направления тока и индуктированной ЭДС не являются единственно возможными. Если закон электромагнитной индукции записать с «плюсом» (е = =+(14r工力/df, для индуктивности е= +Ldi/dt), то можно показать, что для того» чтобы он соответствовал закону Ленца, необходимо условно-положительное направление е взять навстречу току (сплошные стрелки на рис. 2.2). Так сделано, например, в [23] при составлении уравнений и построении векторных диаграмм трансформатора тока. Следует обратить внимание на то, что при такой записи закона электромагнитной индукции он не удовлетво-
ряет закону Ленца для действительных направлений ей/, которые показаны на рис. 2.2 стрелками из точек для тех четвертей периода, в течение которых они не совпадают с условно-положительными.
Использование формулы записи закона электромагнитной ин
дукции с «минусом» и согласных условно-положительных направлений тока и ЭДС самоиндукции, а также с «плюсом» и встречных условно-положительных направлений , и е является равноправным.
Однако так как в электро
технике получила преимущественное распространение формула (2.1) с «минусом》, дальнейшее изложение базируется на ней и на согласных условно-положительных направлениях тока и ЭДС самоиндукции.
В гл. 2 учебника все уравнения написаны для условно-положительных направлений. Направления эти обязательно должны быть показаны на схемах
электрических и магнитных цепей. Если меняется условно-положительное направление какой- либо величины на схеме, то вектор, соответствующий этой величине на векторной диаграмме, должен изменить свою фазу на 180°. Векторные диаграммы нельзя рассматривать в отрыве от условноположительных направлений величин, обозначенных на схеме.
Правила знаков при написании уравнений электрических и магнитных цепей индуктивно связанных контуров. На рис. 2.3, а приведена схема цепи обмотки без магнитопровода, питаемой от внешней ЭДС евнеш. Сопротивление провода обмотки R вынесено в виде отдельного элемента； е — ЭДС самоиндукции, создаваемая потоком Ф/, сцепленным со всеми витками обмотки и составляющим с током обмотки правовинтовую систему； ZBHem — сопротивление внешней по отношению к обмотке части цепи; и — напряжение на обмотке с активным сопротивлением R； ue — напряжение на обмотке без активного сопротивления, соответствующее наведенной в обмотке ЭДС е. Положительное направление напряжения иЕ на любой обмотке без активного сопротивления принято совпадающим с положительным направлением тока в обмотке, как и на любом другом элементе электрической цепи. Договоримся сразу о распространении этого правила также и на вторичные обмотки индуктивно связанных контуров.
Сплошными линиями на рис. 2.3, а показана часть обмотки, которую мы рассматривали в двух предыдущих разделах § 2.1. Продолжим анализ этой части. Рассмотрим изменение не только тока и ЭДС» но и потока» а также напряжения иЕ на обмотке без сопро-
тивления. На рис. 2.3, б дано условное изображение обмотки, а на рис. 2.3,6 она заменена ЭДС самоиндукции е, направленной, как это было принято в предыдущем разделе, по току i в цепи обмотки.
Рис. 2.3. Условио-положительиые направления тока i, напряжения Ue и ЭДС е в обмотке, наводимой синусоидальным потоком Ф(. Принято е=——e^dGr/df, активное сопротивление обмотки R=0. Ток в обмотке и магнитный поток составляют: а, 6, 8, г, d, е — правовиитовую систему;优，6', s', X О', е‘ 一 левовинтовую системуРис. 2.3. Условио-положительиые направления тока i, напряжения Ue и ЭДС е в обмотке, наводимой синусоидальным потоком Ф(. Принято е=——e^dGr/df, активное сопротивление обмотки R=0. Ток в обмотке и магнитный поток составляют: а, 6, 8, г, d, е — правовиитовую систему;优，6', s', X О', е‘ 一 левовинтовую систему
Рис. 2.3. Условио-положительиые направления тока i, напряжения Ue и ЭДС е в обмотке, наводимой синусоидальным потоком Ф(. Принято е=——e^dGr/df, активное сопротивление обмотки R=0. Ток в обмотке и магнитный поток составляют: а, 6, 8, г, d, е — правовиитовую систему;优，6', s', X О', е‘ 一 левовинтовую систему
Рис. 2.3. Условио-положительиые направления тока i, напряжения Ue и ЭДС е в обмотке, наводимой синусоидальным потоком Ф(. Принято е=——e^dGr/df, активное сопротивление обмотки R=0. Ток в обмотке и магнитный поток составляют: а, 6, 8, г, d, е — правовиитовую систему;优，6', s', X О', е‘ 一 левовинтовую систему
Для замкнутого контура обхода ABCDA (рис. 2.3,8), по второму закону Кирхгофа,
й£=—е.(2.5)
Так как в (2.2) индуктивность L и число витков з обмотки — арифметические существенно положительные величины, то поток самоиндукции и потокосцепление самоиндукции изменяются в фазе с током, их создавшим. Поэтому при (2.4) поток
Фг=фт sin W.(2.6)
По (2.1) с учетом (2.2)
е~ —初 d①f/df= — w^m cos «/=Em sin (⑴f — r/2).(2.7)
По (2.5) напряжение на обмотке
UE— —6=^0)①m COSOjf = U^m sin (o)f+ 口/2).(2.8)
На рис. 2.3, г построены кривые изменения потока ①匕 ЭДС самоиндукции е и напряжения иЕ на зажимах обмотки, а на рис. 2.3,0 — соответствующая этим кривым векторная диаграмма Для действующих напряжения Ue, ЭДС £ и потока Ф. По (2.7) действующая ЭДС самоиндукции
七=e3/^=①初①.(2.9)
39
U Е=@а/①.U Е=@а/①.В комплексной форме временной рис. 2.3, a, d соответствуют уравненияЁ= 一 /3如山=-/3 巾；В комплексной форме временной рис. 2.3, a, d соответствуют уравненияЁ= 一 /3如山=-/3 巾；Для действующего напряжения можно написать то же выражение
U Е=@а/①.
U Е=@а/①.
В комплексной форме временной рис. 2.3, a, d соответствуют уравнения
Ё= 一 /3如山=-/3 巾；
В комплексной форме временной рис. 2.3, a, d соответствуют уравнения
Ё= 一 /3如山=-/3 巾；
(2.10) и векторной диаграммам
(2.11)
(2.12)
Уравнение (2.11)——комплексная форма записи закона электромагнитной индукции. В учебнике этот закон принят с «минусом», поэтому вектор ЭДС £, наводимой любым потоком Ф, всегда от- стает от этого потока на 90°.
Рассмотрим теперь участок магнитной цепи, по которому замы- кается магнитный поток самоиндукции Ф/ и на котором расположена обмотка w с током i (рис. 2.3,。). Как уже было сказано, в электротехнике принято считать, что обмотка создает поток, положительное направление которого составляет с направлением тока в витках обмотки правовинтовую систему. Логично принять поэтому такое правило знаков： МДС в схему замещения МЦ включается согласно с потоком, если ток в обмотке и положительное направление сцепленного с витками обмотки магнитного потока составляют правовинтовую систему. Так как на рис. 2.3, а ток i, создающий МДС 尸二=心，составляет с потоком Ф^ правовинтовую систему, то в схему замещения рассматриваемого участка МЦ (рис. 2.3, е) МДС включена по направлению магнитного потока. Магнитное сопротивление некоторого участка МЦ, по которому проходит поток Ф/, обозначено на рис. 2.3, е через /?м-
Рис. 2.3, а——е позволяют сделать следующий вывод: если поток составляет с током в обмотке правовинтовую систему, то ЭДС, наводимую в витках обмотки этим потоком, следует в схему замещения электрической цепи обмотки включать по току, а МДС, создаваемую этой обмоткой, в схему замещения магнитной цепи включать по потоку. Так как для индуктированной изменяющимся потоком ЭДС не имеет значения, каким потоком она создана — самоин* дукции или взаимной индукции, то это правило можно распространить на любой поток, сцепленный с обмоткой, в том числе на суммарный поток, созданный внешним и собственным полем. При этом может оказаться, что поток будет составлять с током обмотки левовинтовую систему. Индуктированная ЭДС не должна измениться ни по модулю, ни по фазе, так как при законе электромагнитной индукции с «минусом» она однозначно определяется (2.11). Изменение направления потока по отношению к току мы можем учесть, изменив положительное направление ЭДС и МДС в схемах замещения цепей. Итак, если поток и ток составляют левовинтовую систему, то ЭДС в схему замещения электрической цепи следует вклю-
чить встречно току, а МДС в схему замещения МЦ — встречно потоку.
Поясним это правило на примере вторичной обмотки воздушного трансформатора, замкнутой на сопротивление R провода обмотки (рис. 2.3, а7). На рис. 2.3,6’ показано ее условное изображение, на рис. 2.3, вх она заменена источником ЭДС, направленным встречно току; на рис. 2・3,Е приведена временная, а на рис. 2.3,0’ векторная диаграмма. Для замкнутого контура A BCD А (рис. 2.3, а') по второму закону Кирхгофа
〃Е=е. (2.13)
Для комплексных значений
0后=月=一/①世①. (2.14)
Сравнение рис. 2.3, а и г\ д и d‘，а также уравнений (2.12) и (2.14) показывает, что изменение направления потока относительно тока в обмотке привело к изменению фазы напряжения на обмотке на 180°.
Заметим, что если для обмотки, изображенной на рис. 2.3, а, питаемой от источника ЭДС Свнет и не имеющей активного сопротивления, изображение на рис. 2.3,6 является не только условным изображением обмотки, но и схемой ее замещения — индуктивностью, то для вторичной обмотки воздушного трансформатора (рис. 2.3, а') схема рис. 2.3,6’ ——только условное изображение обмотки, но не индуктивность в электрической схеме цепи обмотки.
Чтобы не рисовать витки обмотки, в схемах с условным изображением обмоток принято обозначать одноименные выводы точкой. Условимся считать началом обмотки и обозначать точкой вывод обмотки, в который ток входит, для той обмотки, ток которой составляет с магнитным потоком правовинтовую систему (рис. 2.3,6); ток выходит со стороны точки при левовинтовой системе (рис. 2.3,6'). Для однообмоточных МС обозначение начала обмотки не имеет смысла. Для обмоток, связанных через магнитный поток и условно изображаемых без указания направления намотки, обозначение выводов обмотки обязательно. Точка на рис. 2.3, 6 оправданна, например, в случае, когда обмотка на рис. 2.3, а — вторичная обмотка трансформатора, направление тока в которой составляет с направлением потока правовинтовую систему (имеется в виду схема цепи обмотки, в которой отброшена штриховая часть цепи рис. 2.3, а, а концы обмотки замкнуты на сопротивление любого характера). Далее будем использовать изображение обмоток с указанием направления намотки, чтобы не затруднять дополнительными условностями понимание направлений индуктированных ЭДС и МДС.
На рис. 2.3, е‘ изображена схема замещения участка МЦ с электрической схемой рис. 2.3, а'. Так как ток в обмотке, создающий МДС Ft = iw и поток Ф；, пронизывающий ее, составляют левовинтовую систему, на рис. 2.3, ^ МДС Ft включена встречно потоку Ф(. Если принять магнитное напряжение umf на МДС совпадаю-
щим по направлению с потоком, то для правовинтовой системы (рис. 2.3, е) можно получить umf=——Ft, а для левовинтовой (рис. 2.3, е ) umf = F( — уравнения, совершенно аналогичные (2.5) и (2.13).
Описанная система условно-положительных направлений величин электрических и магнитных цепей делает их взаимно увязанными друг с другом и не позволяет произвольно выбирать направление третьей величины, если известны две из следующих трех: ток, магнитный поток и наводимая его изменением ЭДС и ток, магнитный поток и создаваемая этим током МД С. При определении направления третьей величины мы должны руководствоваться вышеприведенными соображениями. Рис. 2.3 следует пользоваться как ключом для определения направлений ЭДС и МДС при составлении схем замещения. Схемы рис. 2.3,8, 6’ и е, е‘ можно использовать как схемы замещения электрических и магнитных цепей лишь для тех простейших случаев, которые рассмотрены при объяснении этих рисунков. Для обмоток с потерями в магнитопроводе или во вторичных контурах они будут уточнены далее.
В заключение подчеркнем, что описанные правила составления схем замещения и написания уравнений индуктивно связанных контуров не являются единственно возможными. Так, например, можно обойтись без понятия 《ЭДС», рассматривая только индуктированные напряжения.
Классификация магнитных систем переменного тока. Магнитные системы переменного тока можно разбить на два класса: МС без вторичных обмоток и электромагнитных экранов и МС со вторичными обмотками или с электромагнитными экранами. В табл. 2,1 в зависимости от характера МЦ магнитные системы первого класса разбиты на три группы по аналогии с МЦ постоянного тока (см. табл. 1.1). В табл. 2.1 через ZMM обозначен модуль комплексного
Таблица 2.1. Магнитные системы перемеииого тока первого класса (без вторичных обмоток и электромагнитных экранов)
Характеристика группы
Группа
I
II
III
Соотношение магнитных со-
Rm &》Zm.*
Rm6 соизме-
&б соизме-
противлений зазоров &з и магнитопровода ZK M
римо или
римо с
Длина зазоров
Максимальная
Минимальная
Промежуточная
Потоки рассеяния и выпучивания
Учитываются
Не учитываются
Учитываются
Сопротивление зазоров Rm&
Учитывается
Учитывается
Учитывается
Сопротивление магиитопрово-
Не учитыва-
>
>
да Zm.*
ется
магнитного сопротивления магнитопровода (подробнее о нем см. §2.2).
Магнитные системы второго класса можно разбить на две группы (табл. 2.2).
Таблица 22 Магнитные системы переменного тока второго класса (со вторичными обмотками и (или) электромагнитными экранами)
Признак группы
Группа
I
II
Вторичная обмотка и (или) электромагнитный экран сцеплены
С полным потоком
С частью потока
К I группе относятся МС индукционной системы с рамкой, с цилиндрическим ротором и с диском (см. гл. 6). Рамка индукционной системы — короткозамкнутая обмотка, в которой ток создается переменным во времени потоком, сцепленным с этой обмоткой. Диск индукционной системы ——круглая пластина из электропроводящего материала, которая пронизывается переменным во времени магнитным потоком. Ее действие эквивалентно действию КЗВ, охватывающего весь поток. Наиболее типичными представителями II группы второго класса являются системы с КЗВ, охватывающим часть поперечного сечения полюса. Такие МС используются в индукционных системах с цилиндрическим ротором и с диском (см. гл. 6), а также в электромагнитах переменного тока для уменьшения вибрации якоря. В обоих случаях назначение КЗВ со стоит в разделении полного потока на два, сдвинутых в пространстве и во времени. Индукционная система с диском или с цилиндрическим ротором, таким образом, является комбинацией двух групп второго класса МС переменного тока (если в этих системах одна обмотка возбуждения).
Магнитные системы без вторичных обмоток и электромагнитных экранов
Магнитные системы с сопротивлением за- зоров, значительно большим сопротивления магнитопровода. Магнитные цепи этой группы будем рассматривать без учета сопротивления магнитопровода. В таких системах, в которых сопротивление магнитному потоку оказывают только немагнитные, например воздушные, зазоры, связь между магнитным потоком и МДС обмотки линейна и однозначна. Это означает, что МЦ таких систем можно рассчитывать методами, описанными в § 1.2 для аналогичных МЦ постоянного тока, с помощью приведенных там формул. МДС обмотки и ток совпадают по фазе с магнитным потоком (в следующем
разделе будет показано, что на переменном токе при наличии потерь в магнитопроводе поток и МДС не совпадают по фазе).
Магнитные системы с сопротивлением зазоров, значительно большим сопротивления магнитопровода, будем рассматривать с учетом активного сопротивления обмотки. Электрическая цепь МС этой группы эквивалентна цепи с последовательным включением индуктивности (или ЭДС самоиндукции) и активного сопротивления, равного сопротивлению обмотки.
Векторная диаграмма. Магнитная система с зазорами, сопротивление которых значительно больше сопротивления магнитопровода, показана на рис. 2.4, а, на котором активное сопротивление обмотки R в схеме электрической цепи выделено в виде от-
Рис. 2.4. Потокораспределение (а), схемы замещения электрической цепи (6 н в), векторная диаграмма (г) магнитной системы с большими зазорами
дельного элемента. Схемы замещения ее электрической цепи (рис. 2.4, 6, в) отличаются от схем рис. 2.3, 6, в только наличием активного сопротивления обмотки. Для рис. 2.4, 6, 8, по второму закону Кирхгофа, Ue = —Е="Х и
1R + Ue-U=Q. (2.15)
При построении векторной диаграммы (рис. 2.4, г) рассматриваемой МС по действительной оси комплексной плоскости отложены совпадающие по фазе действующие комплексные ток /, МДС 户= /з, рабочий поток Фе, потоки рассеяния 2Ф(^х/3 и Ф^х/З, суммарный поток в магнитопроводе Ф2. Составляющие напряжения U на обмотке МС — это напряжения Ue и /R на последовательно соединенных индуктивном X и активном R сопротивлениях. Из прямоугольного треугольника электрических напряжений следует
4=e=/U2 二(/配 (2.16)
Средний поток в магнитопроводе. На рис. 2.5, а изображена клапанная МС переменного тока, а на рис. 2.5, б — кривая изменения действующих потоков в сечениях ее сердечника. Кривая
на рис. 2.5,6 построена с учетом тех же допущений, какие были приняты при построении кривой рис. 1.3, г. Так как различные витки обмотки МС рис. 2.5,。пронизываются различными по значению потоками, то формулой (2.9), которая была выведена исходя из предположения о том, что все витки обмотки пронизываются одним потоком, мы воспользоваться непосредственно не можем. Однако
Рис. 2.5. Магнитная система с большими зазорами (а), кривая изменения потоков вдоль ее сердечника (6); схемы замещения магнитной цепи (в н г)Рис. 2.5. Магнитная система с большими зазорами (а), кривая изменения потоков вдоль ее сердечника (6); схемы замещения магнитной цепи (в н г)
Рис. 2.5. Магнитная система с большими зазорами (а), кривая изменения потоков вдоль ее сердечника (6); схемы замещения магнитной цепи (в н г)
Рис. 2.5. Магнитная система с большими зазорами (а), кривая изменения потоков вдоль ее сердечника (6); схемы замещения магнитной цепи (в н г)
можно считать, что витки обмотки <1з, расположенные в слое бесконечно малой толщины dx, пронизываются все одним и тем же потоком Фсх (рис. 2.5, а). Для этих dw витков можно по (2.9) написать: d£x==(o<I)cxd^, где d瓦:一ЭДС, наводимая потоком Фсх в витках d3 слоя обмотки толщиной dx； dw = wdx/l06. Полная ЭДС самоиндукции Е может быть определена как сумма ЭДС d£x слоев толщиной dx, на которые разбита вся длина обмотки /Об. Так как все витки обмотки соединены согласно и последовательно, то
(2•⑺(2•⑺f = f dfJC=uw，一 J ①ex dx. о0 о
(2•⑺
(2•⑺
Величина
(2.18)(2.18)
(2.18)
(2.18)
называется средним потоком магнитной системы. Ее не следует путать со средним значением синусоидально изменяющегося во времени потока, понятие которого в учебнике не используется. Инте- грал f ①c#dx численно равен заштрихованной горизонтально на б，
Рис. 2.5, б площади, заключенной между кривой изменения потока
вдоль сердечника и осью %. Геометрически ФСр — горизонтальная сторона прямоугольника, равновеликого этой площади. Учитывая (2.17) и (2.18), получим
七=о)切①ср・(2.19)
При синусоидальном изменении суммарного потокосцепления Vz^VzmSin со/, ПО (2.1) получим е = —d4f Ef/df = —(O^zm cos со/, откуда
Em=^im н £=з屮》.(2.20)
Поэтому, учитывая (2.19), можно написать
屮工= RpW・(2.21)
Сравнение (2.21) с (1.29) показывает, что суммарный поток, приведенный по потокосцеплению к числу витков з, есть не что иное, как средний по длине сердечника поток (ф1Т=фСр).
Рассчитаем значение среднего потока. Подставим (1.11) в (2.18) и проинтегрируем:
}б2
①ср = ； Т ®8dx + -— f ®ds dx —— I ®ds -4-dx="об JJ"об J'об
000
=q+2①心/3.(2.22)
Суммарный поток в магнитопроводе (у основания сердечника) Фх = Фо+ Odz, т. е.
①尸①ср + %〃3・(2.23)
По (1.11) и (2.22) легко показать, что поток в сердечнике Ф竺 численно становится равным среднему потоку Фср при Х=/об/ X3 (рис. 2.5,6).
На рис. 2.5, в, а приведены схемы замещения МЦ рис. 2.5, а, составленные с выделением среднего потока. Здесь Абз Аб2, Ad6 и Aw имеют тот же смысл, что в § 1.2 и на рис. 1.4.
Коэффициенты рассеяния. Коэффициенты рассеяния по потоку и потокосцеплению МЦ переменного тока рассчитываются по тем же формулам, что и на постоянном токе [(см. (1.31)— (1.35)]. Однако поскольку на переменном токе известен обычна средний поток фср (связанный с напряжением питания), определим отношение среднего потока ФСр к рабочему Фб・
Поток рабочего зазора сцеплен со всеми витками обмотки, поэтому Фб==Уб/з, где 4f6 — потокосцепление потока Фб・ С учетом (1.34) и (1.29) Фср/ Фб= (%/砌(％/з)=%/4fб = о. Таким образом, рабочий поток по среднему можно найти с использованием коэффициента рассеяния。屮 по потокосцеплению.
3 а висимость тока в обмотке от длины зазора. Ток в обмотке МС переменного тока с одним большим рабочим зазором с учетом (1.37) — (1.39)
/ = U/Z = 5VR+X』"/|/必 + 3丄)2=
="/加田石е£?弋u/MFk硏両支="/加田石е£?弋u/MFk硏両支(2.24)(2.24)
="/加田石е£?弋u/MFk硏両支
="/加田石е£?弋u/MFk硏両支
(2.24)
(2.24)
Уравнением (2.24) не следует пользоваться для практических расчетов, так как оно получено с использованием (1.38), при выводе которого не учитывались потоки выпучивания и рассеяния. Достоинство (2.24) состоит в том, что оно дает связь между током и зазором в явном виде. Эта связь проявляется и в динамике: при включении электромагнита в начальный момент ( рабочий зазор максимален) через его обмотку протекает ток, во много раз больший, чем при притянутом якоре. Электромагнит переменного тока обладает автоматической форсировкой (подробнее об этом см. § 4.1).
Зависимость потока о т длины зазора. Из (2.19) и (2.16)
Фер = Mi - (/ R)2/(0)切).
При больших зазорах это равенство соблюдается достаточно точно; при малых зазорах — приближенно, так как из-за потерь в магнитопроводе и вторичных обмотках векторы /R и Ue не перпендикулярны друг другу (см. ниже в этом параграфе и § 2.3). Уравнение (2.24) показывает, что при уменьшении длины зазора ток / ■обмотки уменьшается. Это приводит к увеличению среднего потока.
У реальных электромагнитов переменного тока Фср увеличивается при уменьшении зазора от максимального до минимального обычно не более чем на несколько десятков процентов. По сравнению с изменением Фб электромагнита постоянного тока [см. (1.40)] поток фср электромагнита переменного тока при таком же перемещении якоря изменяется в значительно меньшей степени.
Выше было показано, что
(2.25)(2.25)◎&=®ср/о 口
(2.25)
(2.25)
Так как длина зазора 6 изменяется в значительно большей степени, чем коэффициент рассеяния 口中 и поток Фср (при том же перемещении якоря), то сравнение (2.25) и (1.40) позволяет сделать следующий вывод: рабочий поток МС постоянного тока при уменьшении длины зазора увеличивается в гораздо большей степени, чем у МС переменного тока.
На рис. 2.6 зависимость потока от длины зазора проиллюстрирована кривыми изменения потока вдоль сердечника одной и той же системы при двух крайних положениях якоря (масштабы осей ко-
ординат рис. 2.6, а, б одинаковы). Для этого рисунка можно напи- сaть：①16V ①1 ерV ①2cp=①26 =①2工.
Рис. 2.6. Влияние длины зазоров на потокораспределеииеРис. 2.6. Влияние длины зазоров на потокораспределеиие
Рис. 2.6. Влияние длины зазоров на потокораспределеиие
Рис. 2.6. Влияние длины зазоров на потокораспределеиие
Рис. 2.7. Тороид с равномерной намоткойРис. 2.7. Тороид с равномерной намоткой
Рис. 2.7. Тороид с равномерной намоткой
Рис. 2.7. Тороид с равномерной намоткой
Магнитные системы с сопротивлением зазоров, соизмеримым или значительно меньшим сопротивления магнитопровода. Потоки рассеяния и выпучивания не учитываются. Магнитные системы этой
группы рассмотрим на примере тороида с равномерной намоткой (рис. 2.7) сначала без зазоров. Считаем, что весь поток тороида сцеплен со всеми его w витками. Активное сопротивление обмотки R на схеме рис. 2.7 вынесено в виде отдельного элемента. Примем сначала
=0 и и=иЕ. В такой МС активные потери в виде теплоты выделяются только в маг
нитопроводе тороида, на непрерывное перемагничивание которого из сети потребляется активная энергия.
Эквивалентные синусоиды. Как известно [9], при переменном токе мгновенная индукция Bt в ферромагнетике связана с мгновенной напряженностью магнитного поля /Л в нем динамической петлей гистериса, площадь которой пропорциональна удельным (на единицу массы) потерям в ферромагнетике за один период. Для тороида рис. 2.7 при △「《「в любом перпендикулярном магнитному потоку сечении тороида
① f=8fS,(2.26)
где S — площадь этого сечения.
По закону полного тока,
HJ = iw,(2.27)
где Ht ——напряженность магнитного поля вдоль средней линии индукции тороида； / — длина последней (/ = 2лг).
48
Если Ar«r, то приближенно можно считать напряженность магнитного поля Ht и индукцию В» одинаковыми во всех точках манитопровода тороида. В этом случае динамическая петля гистерезиса для материала магнитопровода при изменении масштабов по осям координат в соответствии с (2.26) и (2.27) будет показывать зависимость потока от тока обмотки тороида (рис. 2.8, а).
Если намагничивание осуществить так, чтобы поток Ф( в магнитопроводе изменялся синусоидально (по 2.6), что будет иметь место при отсутствии активного сопротивления у обмотки и напря-
Рис. 2.8. Динамическая петля гистерезиса (а); кривые изменения во времени (6) напряжения 〃％ потока Ф(, тока i и эквивалентной синусоиды тока ieg при намагничивании ферромагнетика в режиме синусоидального потокаРис. 2.8. Динамическая петля гистерезиса (а); кривые изменения во времени (6) напряжения 〃％ потока Ф(, тока i и эквивалентной синусоиды тока ieg при намагничивании ферромагнетика в режиме синусоидального потока
Рис. 2.8. Динамическая петля гистерезиса (а); кривые изменения во времени (6) напряжения 〃％ потока Ф(, тока i и эквивалентной синусоиды тока ieg при намагничивании ферромагнетика в режиме синусоидального потока
Рис. 2.8. Динамическая петля гистерезиса (а); кривые изменения во времени (6) напряжения 〃％ потока Ф(, тока i и эквивалентной синусоиды тока ieg при намагничивании ферромагнетика в режиме синусоидального потока
женин источника питания, изменяющемся по (2.8), то ток в обмотке будет несинусоидален (рис. 2.8,6). На рис. 2.8 стрелками показано построение точки In кривой изменения тока по точке On( кривой изменения потока. Масштабы по осям ординат рис. 2.8, а и б для потока, а также по оси абсцисс у рис. 2.8, а и по оси ординат у рис. 2.8, б для тока одинаковы.
Несинусоидальность кривой тока осложняет расчет МЦ, так как применение комплексного метода и построение векторных диаграмм возможно только для величин, гармонически изменяющихся с одинаковой частотой. Для того чтобы сделать все же возможным изучение и расчет МЦ переменного тока комплексным методом, поступают так: заменяют несинусоидальную кривую изменения тока синусоидальной кривой, действие которой до какой-то степени можно считать эквивалентным действию реальной кривой. Основным критерием эквивалентности является равенство активной мощности в цепи с эквивалентной синусоидой тока
оог
о
о
g COS ^UE
и в цепи с реальной кривой тока г
Prn=£ J 〃七》df.
о
Здесь igq, Ieq ——мгновенный и действующий эквивалентный ток соответственно; ^иЕ——угол сдвига фаз между синусоидой напряжения питания 〃е и эквивалентной синусоидой тока ieq. В нашем случае активная мощность выделяется только в магнитопроводе МС (напомним, что /?=0), поэтому для цепи с реальной синусоидой тока она обозначена через Ргд —потери в магнитопроводе на гистерезис и динамические потери. Так как Р^=Р】н , то
"е【“ cos ^и^Рг^(2.28)
Принципиально (2.28) позволяет выбрать бесконечное множество эквивалентных синусоид тока, для которых Ieq cos ?у£= =P「n/U£. Однако для наших расчетов целесообразно выбрать такую синусоиду, у которой действующее значение равно действующему значению реальной несинусоидальной кривой тока. Это обеспечит равенство мощностей, выделяемых в активном сопротивлении R обмотки эквивалентным и действительным токами. Сейчас, когда мы не учитываем R, это не существенно, но имеет значение в расчетах МС с учетом сопротивления R, которые мы позднее опишем.
На рис. 2.8,6 для рассмотренного случая намагничивания показана эквивалентная кривая изменения тока 匕「Из рис.2.8, б видно, что она опережает кривую изменения потока на угол 6, причем 平0七 + 6=^°・ Так как cos ^£ —sin 3, то (2.28) можно переписать в виде UE(Ieq sin д) — Ргд- Это уравнение показывает, что при заданном напряжении питания составляющая тока обмотки /ед sin 6 тем больше, чем больше потери в магнитопроводе. А так как sin д увеличивается с увеличением угла 6, то последний получил название угла потерь.
Если синусоидальным является ток обмотки, то построениями, аналогичными сделанным на рис. 2.8, легко показать, что несинусоидальным будет магнитный поток, а значит, в соответствии с законом электромагнитной индукции и напряжение на обмотке Несинусоидальными могут быть и ток, и поток. Во всех этих случаях дальнейшее рассмотрение МС переменного тока предполагает замену несинусоидальных кривых эквивалентными синусоидами, у которых действующие значения равны действующим значениям реальных кривых, а угол сдвига фаз между током и напряжением определяется из формулы cos ^иЕ—Ргд.1(иЕе^ец)^ где UEeq — действующее значение эквивалентной синусоиды напряжения, приложенного к обмотке без активного сопротивления.
Замена несинусоидальных кривых потока, тока, напряжения и т. д. эквивалентными синусоидами позволяет от уравнений и схем 50
замещения для мгновенных значений перейти к алгебраическим уравнениям, схемам замещения и векторным диаграммам для комплексных значений. При этом правила знаков распространяются и на уравнения, записанные в комплексной форме.
Векторные диаграммы и схемы замещения электрической цепи. Продолжим рассмотрение МС рис. 2.7 при R = 0. Заменим обмотку этой системы такими идеализированными элементами, которые бы оставили без изменения эквивалентный ток ieq, приложенное напряжение иЕ и угол сдвига фаз между ними ^иЕ^ обеспечив тем самым выделение активной мощности» равной потерям в магнитопроводе Ргд • Чистой индуктивности или одной ЭДС самоиндукции Е, которыми мы пользовались для замены обмотки без магнитопровода (см. рис. 2.3, б, в и 2.4,6,6), здесь недостаточно, так как они обеспечивают ^£ = 90°, тогда как эквивалентный ток в МС рис. 2.7 отстает от напряжения на угол ^иE<Z 90° (рис. 2.8,6). Заменить обмотку с потерями в магнито- проводе можно только совокупностью индуктивности (или ЭДС самоиндукции) и активного сопротивления. Возможны два типа схем замещения цепи обмотки без сопротивления с учетом потерь в магнитопроводе: параллельные (по току) и последовательные (по напряжению). Рассмотрим их более подробно.
Рис. 2.9. Временная (а) и векторная (6) диаграммы; параллельные схемы замещении (в и г)
Параллельные схемы замещения. Синусоида напряжения пита- ния МС рис. 2.7 и эквивалентная синусоида тока, построенные на Рнс. 2.8, б, перенесены (в другом масштабе) на рис. 2.9, а (послед-
51
няя обозначена через i, далее везде индекс eq эквивалентных синусоид имеется в виду, но не пишется). Синусоида тока разложена на рис. 2.9, а на две составляющие: синусоиду 1д, совпадающую по фазе с 〃е, и синусоиду ix, отстающую по фазе от иЕ на 90°. На рис. 2.9,6 построена векторная диаграмма, соответствующая временным диаграммам рис. 2.9, а (для амплитуд), а на рис. 2.9, в, г —— параллельные схемы замещения обмотки (штриховую часть этих схем пока не следует принимать во внимание): на рис. 2.9,6 — через параллельные активное Ri и индуктивное Х『сопротивления; на рис. 2.9, г — через параллельные сопротивление Ri и ЭДС самоиндукции £, включенную по току в соответствии с правилами знаков, принятыми нами (см. § 2.1). В соответствии с рис. 2.9,в,г
/ = /х + Л?=/х+〃&； (2.29)
Uе=IrRi= IкХ严Е; l\Rj=U2ElRi=fJEIR=Pv^
Последовательные схемы замещения становятся понятными, если синусоиду напряжения 〃е, приложенного к обмотке, разложить на две составляющие: активную 〃口/七， совпадающую по фазе с током, и реактивную UxuE^ опережающую ток на 90°. Это разложение показано на векторной диаграмме рис. 2.10,。，построенной
Рис. 2.10. Векторная диаграмма (а) и последовательные схемы замещения (6, & г)для действующих значений, а последовательная схема замещения обмотки с потерями в магнитопроводе — на рис. 2.10, б (штриховую часть схемы пока не следует принимать во внимание). Напряжение и^иЕ^ находящееся в фазе с током /, обеспечивается активным сопротивлением Rue^ а напряжение йхиЕ, опережающее ток / на 90°,— индуктивным сопротивлением Х%. Для схемы рис. 2.10,6 можно написать UE=UxuE-{~^wE\ Urue=IRu^Рис. 2.10. Векторная диаграмма (а) и последовательные схемы замещения (6, & г)для действующих значений, а последовательная схема замещения обмотки с потерями в магнитопроводе — на рис. 2.10, б (штриховую часть схемы пока не следует принимать во внимание). Напряжение и^иЕ^ находящееся в фазе с током /, обеспечивается активным сопротивлением Rue^ а напряжение йхиЕ, опережающее ток / на 90°,— индуктивным сопротивлением Х%. Для схемы рис. 2.10,6 можно написать UE=UxuE-{~^wE\ Urue=IRu^
Рис. 2.10. Векторная диаграмма (а) и последовательные схемы замещения (6, & г)
для действующих значений, а последовательная схема замещения обмотки с потерями в магнитопроводе — на рис. 2.10, б (штриховую часть схемы пока не следует принимать во внимание). Напряжение и^иЕ^ находящееся в фазе с током /, обеспечивается активным сопротивлением Rue^ а напряжение йхиЕ, опережающее ток / на 90°,— индуктивным сопротивлением Х%. Для схемы рис. 2.10,6 можно написать UE=UxuE-{~^wE\ Urue=IRu^
Рис. 2.10. Векторная диаграмма (а) и последовательные схемы замещения (6, & г)
для действующих значений, а последовательная схема замещения обмотки с потерями в магнитопроводе — на рис. 2.10, б (штриховую часть схемы пока не следует принимать во внимание). Напряжение и^иЕ^ находящееся в фазе с током /, обеспечивается активным сопротивлением Rue^ а напряжение йхиЕ, опережающее ток / на 90°,— индуктивным сопротивлением Х%. Для схемы рис. 2.10,6 можно написать UE=UxuE-{~^wE\ Urue=IRu^
йXUE= "^^Еу /須％ = и2RUe!Rue = /иRUЕ = Рр
Можно показать, что RuE = RiX2i/(R2i-\-X2i) и XvE = ^iR2i/(R2i + + X2)
Схемы замещения цепи обмотки с учетом ее активного сопротивления. Полная векторная диаграмма. Активное сопротивление R обмотки МС рис. 2.7 на схемах замещения рис. 2.9, 6, а н рис. 2.10,6 учитывается штриховой частью схем. Для них справедливо (2.15). С учетом сопротивления R последовательная схема замещения рис. 2.10, б легко преобразуется в схемы рис. 2.10, в, г, где
二зк =凡к + /Хзк； Хзк = 3厶K=Xup &K = R+Rug (2.30)
Zsk, /?эк и Лэк — эквивалентные комплексное, активное и реактивное сопротивления обмотки с активным сопротивлением R н с потерями в магнитопроводе; Лэк — ее эквивалентная индуктивность.
Полная векторная диаграмма рассмотренной МС приведена на рис. 2.11, а. Треугольник напряжений дополнен векторами 1R и U,
показанными на рис. 2.11, а штриховыми линиями. Они образуют вместе с вектором Ue треугольник напряжений, соответствующий (2.15). Если стороны получившихся двух треугольников напряжений разделить на вектор тока /, то получим треугольни ки составляющих комплексного сопротивления обмотки (рис. 2.11, б). В дополнение к (2.30) по рис. 2.11, б 二％ = =Ru е + jXu е・
Особенности
Рис. 2.11. Полная векторная диаграмма (а); треугольник составляющих эквивалентного электрического сопротивления обмотки с учетом ее активного сопротивления и потерь в магнитопроводе (6), схема замещения магнитной цепи (в) и треугольник составляющих комплексного сопротивления магнитопровода (г)Рис. 2.11. Полная векторная диаграмма (а); треугольник составляющих эквивалентного электрического сопротивления обмотки с учетом ее активного сопротивления и потерь в магнитопроводе (6), схема замещения магнитной цепи (в) и треугольник составляющих комплексного сопротивления магнитопровода (г)основных законов магнитной цепи. Проведенный анализ показал, что ток в обмотке МС переменного тока, а значит, и МДС обмотки не совпадают по фазе с потоком, если
Рис. 2.11. Полная векторная диаграмма (а); треугольник составляющих эквивалентного электрического сопротивления обмотки с учетом ее активного сопротивления и потерь в магнитопроводе (6), схема замещения магнитной цепи (в) и треугольник составляющих комплексного сопротивления магнитопровода (г)
Рис. 2.11. Полная векторная диаграмма (а); треугольник составляющих эквивалентного электрического сопротивления обмотки с учетом ее активного сопротивления и потерь в магнитопроводе (6), схема замещения магнитной цепи (в) и треугольник составляющих комплексного сопротивления магнитопровода (г)
учитывать потери в магнитопроводе системы. А это означает, что на переменном токе не только параметры электрической цепи, по х магнитной следует характеризовать как по значению, так и по фазе. Это достигается записью всех уравнений МЦ в комплексной форме.
Закон Ома для участка магнитной цепи: действующее комплексное магнитное напряжение на участке МЦ
九=倏l小昆/^,(2.31)
где Ф и Фт ——действующий и амплитудный комплексные потоки в участке; Zm — комплексное магнитное сопротивление участка;
厶=凡+丿儿；(2.32)
Rm и Хм — активное и реактивное магнитные сопротивления участка.
Здесь и далее, как и для электрической цепи, выражение «магнитное напряжение на участке» эквивалентно выражению «магнитное напряжение на сопротивлении участка», так как везде имеются в виду участки МЦ, не содержащие источников МДС. Положительное направление магнитного напряжения на сопротивлении любого характера принимаем совпадающим с направлением потока.
Второй закон Кирхгофа для магнитной цепи:
£Um=2 戶，(2.33)
где F = iw ——комплексная МДС. Формулировку закона см. в § 1.1.
Схем а замещения магнитной цепи. На рис. 2.11, з изображена схема замещения МЦ тороида рис. 2.7. Так как на схеме рис. 2.7 магнитный поток Ф/ и ток i образуют правовинтовую систему, то в схему замещения рис. 2.11, в источник МДС 户 включен по направлению потока Ф. По второму закону Кирхгофа (2.33), для МЦ тороида можно написать Um*=^, где Ом* определяется по (2.31) при Ом=им.м и Zm = Zm.&・ Напомним, что вторая 《《м》в индексе магнитных величин означает, что рассматриваемая величина имеется в виду для магнитопровода. Вектор МДС обмотки 户 совпадает по фазе с током /, так как F—tw (см. рис. 2.11, а). Разложим 户 на активную FR и реактивную 尸х составляющие:
尸=尸К+/厶.(2.34)
Активной составляющей FR следует считать ту, которая находится с потоком в фазе; реактивная составляющая 尸х пропорциональна потерям в магнитопроводе, перпендикулярна потоку, находится в фазе с напряжением Ue. Умножим (2.29) на число витков обмотки
/w=/^w + 〃欠耽(2.35)
Так как F—Iw, то из (2.34) и (2.35) получим FR — IX^ и Fx= — lRw. Эти уравнения показывают, что активная составляющая МДС обмотки соответствует реактивной составляющей тока, а реактивная составляющая МДС обмотки ——активной составляющей тока.
54
Разложим вектор магнитного напряжения UM,M на сопротивлении магнитопровода на две составляющие:
U—nUyR + jUpX.(2.36)
Здесь UM,MR — магнитное напряжение на активном сопротивлении магнитопровода; им,мХ — магнитное напряжение на реактивном сопротивлении магнитопровода (см. рис. 2.11, а). Так как им,м=Р, то, учитывая (2.34) и (2.36), получим FR=UM,MR и 尸х=%.*х・ Если разделить (2.36) на Ф и учесть (2.31) при 2м=2мж и 0м= = 0м* то получим
Z^R^jX^M(2.37)
—частную форму (2.32).
Треугольник составляющих комплексного магнитного сопротивления магнитопровода показан на рис. 2.11, г. Он подобен треугольнику составляющих МДС обмотки. По (2.31) для магнитопровода тороида
ZM J$=°M м/6т・(2.38)
Подставим им.м т=Йт1 и Фт=Втп5 в (2.38), получим
^.M=^ml/^mS).(2.39)
Обозначим Йт/Вт через рм z, которое будем называть комплексным удельным магнитным сопротивлением материала магнитопровода:
^z=HJBm=HIB.(2.40)
Рм z— 1/н» где ц—6/Й — комплексная магнитная проницаемость материала магнитопровода.
Разложим рмг на активную рмк н реактивную рмх составляющие:
Ем2 = Рм& + «/РмХ・(2.41)
Комплексное сопротивление магнитопровода по (2.39) с учетом (2.40) и (2.41)
4・M = HmlI(RmS)=£Mz"S = 9MR+ jPMX)"S.(2.42)
Сравним (2.37) и (2.42), получим
灭м.*=Рм&〃S; Х&農=Pmx〃S.(2.43)
Отметим здесь, что в [3] комплексное удельное магнитное со- противление^м z=pZM я + Ур^ х принято равным отношению действующей напряженности магнитного поля к амплитуде индукции Р^м z—Й/Вт (в [3] удельные магнитные сопротивления обозначены
без штриха и амплитуда индукции обозначена без индекса т), тогда как у нас рм z равно отношению амплитуд (или действующих значений) напряженности магнитного поля и индукции. Это следует иметь в виду при использовании кривых удельных магнитных сопротивлений, приведенных_в [3], так как рмк=р'мк/2; рмх = = р'мхМ 2 и Pmz=p'mz/2.
Комплексное сопротивление магнитной цепи с зазорами. Рассмотрим МС рис. 2.7 с зазором, сопротивление которого Rmg значительно меньше сопротивления магнитопровода Zm.m. Напомним, что под термином «зазор» в гл. 2 имеется в виду зазор не только немагнитный, но и неэлектропроводящий, например воздушный. Магнитное напряжение UM б на длине такого зазора находится в фазе с магнитным потоком Ф, поэтому Um 6= = Rm6① и Um_r=Um.m_r+Um6・ Для такой МС на рис. 2.11, а, в, г и в соответствующих уравнениях следует заменить параметры МЦ, учитывающие только сопротивление магнитопровода, на их более общие выражения: RM.M на Rm=Rm.*+Rm6； 厶.川 на Zm=/?m4- +/Хм.л<; Ом.м на Um = &4m・
Деление комплексного сопротивления на составляющие привело к тому, что при расчете МЦ переменного тока более удобным оказалось оперировать значениями магнитных сопротивлений зазоров, а не проводимостей. Использование последних получило преимущественное распространение при расчете МЦ постоянного тока.
Магнитные системы с соизмеримыми сопротивлениями зазоров и магнитопровода. Потоки рассеяния и выпучивания учитываются.
Рис. 2.12. Векторная диаграмма магнитной системы (с учетом потока рассеяния, сопротивления магнитопровода и зазоров)Рис. 2.12. Векторная диаграмма магнитной системы (с учетом потока рассеяния, сопротивления магнитопровода и зазоров)Имеется в виду МС типа изображенной на рис. 2.4, Учитывается сопротивление магнитопровода. Векторная диаграмма показана на рис.
Рис. 2.12. Векторная диаграмма магнитной системы (с учетом потока рассеяния, сопротивления магнитопровода и зазоров)
Рис. 2.12. Векторная диаграмма магнитной системы (с учетом потока рассеяния, сопротивления магнитопровода и зазоров)
По действительной оси
отложен действующий средний по длине сердечника по-
+/ ток Фср. Большую часть магнитного сопротивления на пути потока рассеяния (D^ составляет активное магнитное сопротивление, так как при той длине немагнитного промежутка, которую проходят в пространстве, окружающем магнитопровод, линии
индукции потока рассеяния, даже при насыщенном магнитопроводе немагнитный промежуток оказывает сопротивление этому потоку обычно существенно большее, чем магнитопровод. Это означает, что полный поток рассеяния ⑴心 можно считать совпадающим по фазе с МД С 户 и током /
обмотки. Поэтому векторы 2Ф^Х/3 и Ф^х/3 на рис. 2.12 проведены параллельно вектору тока / обмотки. Для МС с учетом как активного, так и реактивного магнитных сопротивлений МЦ (2.22) и (2.23) могут быть переписаны в векторной форме. Для действующих потоков
®ср = Ф« 4~ 2Ф^е/3; ФЕ = Фср-[-Ф4Е/3.
Из векторной диаграммы видно, что рабочий поток Фб отстает от тока обмотки / на угол 6ь а средний поток Фср ——на угол 6V6i・
Напряжение U на обмотке МС может быть определено по уравнению U=Ue6~^jlXd-^IR, причем
UEi^jiXd=UE=-E.(2.44)
Здесь Ue6=—広6 — составляющая напряжения питания, компенсирующая ЭДС Еб, индуктированную в обмотке рабочим потоком Фб； jtXd составляющая напряжения питания, компенсирующая ЭДС, индуктированную в обмотке потоком рассеяния. Разбивка вектора UE на 0Ей //Х^ принята при изображении векторной диаграммы обмотки со стальным сердечником в курсах теоретических основ электротехники [9]. Индуктивное сопротивление рассеяния Xd=s厶％ где приближенно (без учета сопротивления магнитопровода) индуктивность рассеяния Ld = w2Adz причем Adw определяется по (1.20).
В (2.44) и на векторной диаграмме рис. 2.12 Ue ——составляющая напряжения питания, ком пеней рующая ЭДС Е, наведенную в обмотке средним потоком ФСр； /R — напряжение на активном сопротивлении обмотки. Диаграмму электрических напряжений на рис. 2.12 можно дополнить, разложив вектор UE на составляющие, как это сделано на рис. 2.10, а и 2.11, а.
Магнитные системы со вторичными обмотками или с электромагнитными экранами
Магнитные системы второго класса (см. табл. 2.2), рассматриваемые в этом параграфе, исследуются упрощенно (предполагается, что вторичные обмотки и электромагнитные экраны не создают потоков, не сцепленных с первичной обмоткой). Ниже рассматриваются представители обеих групп МС второго класса: МС со вторичной короткозамкнутой обмоткой, охватывающей весь поток (группа I), и МС с КЗВ, сцепленным с частью полного потока (группа II).
Вторичная обмотка охватывает весь поток. Предполагается, что весь поток, созданный первичной обмоткой, сцеплен со вторичной. Учитывается активное сопротивление магнитопровода, зазоров и активное электрическое сопротивление цепи вторичной обмотки.
Для МС второго класса группы I, используемых в ЭМАА, характерны короткозамкнутые вторичные обмотки. Условная электрическая схема такой МС приведена на рис. 2.13, а, на котором активные сопротивления Ri и R? обмоток Wj и w2 выделены в виде отдельных элементов (вторичная обмотка замкнута на свое собственное активное сопротивление).
Потери в магнитопроводе н е учитываются. Нет никаких оснований в начале изучения такой МС утверждать, что МД С первичной и вторичной обмоток направлены встречно (или
Рис. 2.13. Магнитная система со вторичной обмоткой (сплошные стрелки—согласное, штриховые — встречное направление МДС W\ и 切2)
согласно), поэтому выбор их условно-положительных направлений Делается произвольно. Рассмотрим сначала работу системы при согласных условно-положительных направлениях токов и МДС обмоток W\ и @2, для которых все величины обозначены на рис. 2.13 сплошными стрелками. Обмотки W\ и w2 связаны между собой общим магнитным потоком Ф. Условно-положительное направление потока Ф тоже можно выбрать произвольно. Для удобства здесь и далее будем связывать его правилом правого винта с током первичной обмотки.
На рис. 2.13, б, в приведены схемы замещения электрических цепей первичной и вторичной обмоток, а на рис. 2.13, а ——схема замещения МЦ. Так как токи в обмотках и поток в магнитопроводе образуют правовинтовую систему, то в первых двух схемах ЭДС £i и &, индуктированные в 叫 н g потоком Ф, совпадают по направлению с токами 厶 н 厶 в этих обмотках; по той же причине в третьей схеме МДС 户【и 户2, создаваемые обмотками wx и з?, совпадают с потоком Ф МЦ (см. § 2.1).
В отличие от МС рис. 2.7, при изучении которой учитывались потери в магнитопроводе, здесь они ие учитываются, поэтому в схему замещения МЦ (рис. 2.13, а) включено только активное магнитное сопротивление /?м магнитопровода и зазоров (последние на рис. 2.13, а не показаны). Для электрических цепей обмотки з【 (рис. 2.13, б) и w2 (рис. 2.13, в) можно написать:
(2.45)(2.46)(2-47)(2.45)(2.46)(2-47)(2-48)(2-48)/[R — U\=£\ или IiRi 4" ^£i=^ь U Ei =—瓦=/(owQ;
(2.45)
(2.46)
(2-47)
(2.45)
(2.46)
(2-47)
(2-48)
(2-48)
。2=/2R2 = 方2=-叫也
Для магнитной цепи (рис. 2.13, а) 户1+户2 = %??=小%,
где 户1 =八31 и P2—i2W2.
По полученным уравнениям на рис. 2.13, д построена векторная диаграмма. По действительной оси отложен поток ф. От потока отстают на 90° обе ЭДС (瓦 и 当)，индуктированные в обмотках. С ЭДС 良，наведенной во вторичной обмотке, совпадает по направлению [см. (2.47)] ток /г, а значит, и вторичная МДС F2. Сумма МДС 户I и 户2 дает магнитное напряжение Umr на активном сопротивлении МЦ [см. (2.48)]. Напряжение Umr совпадает по фазе с потоком Ф [см. (2.48)]. Векторная диаграмма показывает, что между напряжением UE\ на индуктивном сопротивлении первичной обмотки и током этой обмотки /1 угол сдвига фаз меньше 90°. Это означает, что ток первичной цепи имеет не только реактивную, но и активную составляющую. Такую обмотку в эквивалентной схеме замещения нельзя заменить одной ЭДС Ё^ поэтому на рис. 2.13,6 параллельно Е〔 подключено сопротивление Ri, по которому замыкается активная составляющая первичного тока. Вместо ЭДС Е〔 на рис. 2.13, б можно включить индуктивное сопротивление аналогично тому, как это сделано на рис. 2.9, в (по Х^ будет замыкаться реактивная составляющая тока /〔). Электрическую цепь первичной обмотки можно заменить и последовательной схемой замещения, аналогичной рис. 2.10, 6, 6, г. Заменить индуктивностью ЭД С вторичной обмотки, как это следует из (2.46), нельзя.
Разложим вектор МДС первичной обмотки на активную UMR и реактивную UM * составляющие:
尸i = Umr+Umx・(2.49)
Составляющая Um л находится в фазе с потоком; Омх перпендикулярна потоку. Сравнение (2.48) и (2.49) показывает, что
UmX= —%(2.50)
Замена МДС 户2 на магнитное напряжение UMX равносильна замене ее на реактивное магнитное сопротивление вторичной обмотки Хм2, поток в котором отстает от магнитного напряжения на 90°:
ОмХ = /6Хм2.(2.51)
Сопротивление Хм? аналогично индуктивному сопротивлению электрической цепи Х=(оЛ, ток в котором отстает от напряжения на 90°. Можно сказать, что комплексное сопротивление Хм? имеет «индуктивный» характер. Таким образом исследуемая МЦ формально приводится к МЦ с одной обмоткой.
Выразим реактивное магнитное сопротивление вторичной короткозамкнутой обмотки через ее электрическое сопротивление /?2- Учитывая (2.47), получим
/2=5 电①/a.(2.52)
Реактивное магнитное сопротивление вторичной обмотки найдем из (2.51), если подставим в него Umx = % [см. (2.50)], которое определим, умножив (2.52) на
(2.53)
На рис. 2.13, а, 8, г штриховыми стрелками /2, U2 и 户？ показаны условно-положительные направления вторичных тока, напряжения и МДС, если принять положительное направление тока в w2 противоположным рассмотренному выше. При этом в уравнениях (2.47), (2.48) и (2.50) у этих величин изменится знак. Получим: u2=厶A2=-e2；户]-户2= Um R； Um X=户2. ВеКТОрНаЯ ДИаГраММа ДЛЯ встречно направленных МДС 叫 и w? изображена на рис. 2.13, ж. Нетрудно видеть, что она отличается от диаграммы рис. 2.13, О только знаками (направлениями) векторов % и Л, что и следовало ожидать.
Покажем, что векторные диаграммы рис. 2.13, д, ж дают физически один и тот же результат, если рассматривать их в совокупности с условно-положительными направлениями величин, показанными на рис. 2.13, а. Для этого рассмотрим момент времени, соответствующий совпадению положительной оси +£ (рис. 2.13, д,兆)вращающейся плоскости времени с вектором одной из МДС, например 广卜 Если бы векторные диаграммы (рис. 2.13, д, ж} были построены для амплитуд, то мгновенные значения всех ве- 60
личии можно было бы найти в виде проекций амплитуд на эту плоскость времени. Из рис. 2.13, д видно, что при выбранном положении плоскости времени мгновенная МДС первичной обмотки 尸^ положительна и равна амплитуде МДС первичной обмотки 尸皿，а МДС вторичной обмотки 户 2t отрицательна и равна /2^= =——尸2m sin 6 (尸2m ——ЭМПЛИТуДЗ МДС ВТОрИЧНОЙ обМОТКИ). ОтрИ- дательное значение 尸2t следует понимать так： предварительно принятое направление 厶 (сплошная стрелка /2 на рис. 2.13, а) в этот момент времени противоположно действительному направлению. Таким образом, в действительности ток вторичной обмотки в рассматриваемый момент времени направлен по штриховой стрелке на том же рисунке.
Из рис. 2.13, ж видно, что при выбранном положении плоскости времени (мгновенная МДС 尸卄 положительна и равна F!m) мгновенная МДС вторичной обмотки 尸2t=尸2m sin 6 и тоже положительна. Последнее следует понимать так: предварительно принятое при построении диаграммы рис. 2.13, ж условно-положительное направление /2 (штриховая стрелка /2 на рис. 2.13, а) совпадает с действительным направлением тока вторичной обмотки. Таким образом, обе векторные диаграммы, несмотря на разные предварительна принятые (условно-положительные) направления МДС в обмотках 5] и 侬2, приводят к одинаковым действительным направлениям и одинаковым мгновенным значениям величин 尸“ и 尸?з
Так как при принятых допущениях угол между векторами 户i и 戶2 на рис. 2.13, 0 всегда больше 90° и меньше 180°, а на рис. 2.13,* всегда меньше 90° и больше 0, то можно сказать, что большую часть времени действительные направления МДС первичной и вторичной обмоток встречны, меньшую часть времени — согласны.
Потери в магнитопроводе учитываются. Идентичность векторных диаграмм МС без потерь в магнитопроводе, но со вторичной обмоткой, замкнутой на активное сопротивление и охватывающей все поперечное сечение магнитопровода (рис. 2.13, 0,宛),н векторной диаграммы МС с потерями в магнитопроводе, но без вторичной обмотки (рис. 2.11, а) позволяет сделать следующие выводы:
составляющие МДС, магнитного напряжения и тока обмотки, обусловленные потерями в магнитопроводе и вторичной обмотке, имеют одну и ту же фазу (перпендикулярны потоку Ф);
суммарное реактивное магнитное сопротивление Хм МЦ в общем случае равно сумме реактивного сопротивления XM,Mt соответствующего потерям в магнитопроводе, и реактивного магнитного сопротивления Хм2 вторичной обмотки;
любая из приведенных на рис. 2.11, а или 2.13, д, ж векторных диаграмм может считаться векторной диаграммой МС переменного тока с учетом вторичной обмотки, замкнутой на активное сопротивление и охватывающей все поперечное сечение магнитопровода, потерь в магнитопроводе, активного сопротивления магнито-
провода и зазоров, если под векторами Ом.мх на рис. 2.11, а или Umx на рис. 2.13, д, ж иметь в виду магнитное напряжение на суммарном реактивном, а под векторами Um.mr или Ukr — на суммарном активном сопротивлении МЦ;
магнитные цепи II и III групп табл. 2.1 отнесены к первому классу условно, так как действие магнитопровода МС этих групп эквивалентно действию вторичной обмотки, замкнутой на активное сопротивление. С другой стороны, заменой МДС вторичной обмотки 尸2 на реактивное магнитное сопротивление Хмг мы можем формально МЦ с двумя МДС (рис. 2.13, г), которые имеются у МС второго класса, привести к МЦ с одной МДС (рис. 2.13, е), которые имеются у МС первого класса (см. классификацию в § 2.1);
потери в магнитопроводе эквивалентны по своему действию потерям в короткозамкнутом витке, охватывающем все поперечное сечение магнитопровода, если активная мощность, выделяемая в этом витке, равна потерям в магнитопроводе. На этом основан вывод формулы для расчета удельного реактивного магнитного сопротивления рмх по удельным потерям в магнитопроводе.
Из (2.43) и (2.53) при ХМ.Ж=ХМ2 и w2= 1 получим
Рм х=X м25//=3伏2)S/厶
Сопротивление эквивалентного КЗВ связано с напряжением U? на нем и мощностью Р2 потерь в нем формулой R?=U£IPa Потери в эквивалентном КЗВ равны потерям в рассматриваемом магнитопроводе Р2=ргд 丫/S, где ргд —удельные потери на единицу массы магнитопровода; у — плотность материала магнитопровода. С учетом
Ф=адГ2
по (2.47) при w2= 1 имеем
Из приведенных уравнений легко получить рмх=2р гд *у/(з¥т) = —ргд y(门旭2m).
Короткозамкнутый виток охватывает часть поперечного сечения полюса (с КЗВ сцеплена только часть потока, сцепленного с обмоткой). На рис. 2.14, а изображена клапанная МС с таким КЗВ (w2= = 1). Она рассматривается при притянутом якоре, так как влияние КЗВ сказывается только при малых зазорах. На рис. 2.14, б она повторена с указанием принятых положительных направлений величин (пропорции искажены для удобства обозначений). Сначала рассмотрим эту МС при согласном направлении МДС обмотки и КЗВ.
Основные соотношения. Магнитный поток системы
&]=屯+由2，(2.54)
где поток Фо проходит через зазор б0 и часть полюса шириной а0 и длиной А (рис. 2.14, 6), не охваченную КЗВ, а поток Ф2 ——через за-
зор 62 и часть полюса шириной。2 и длиной h, охваченную КЗВ. На рис. 2.14, б принято 60=62- Поток Ф1 проходит через зазор 61 и все остальные части магнитопровода, кроме участков полюса шириной а0, а2 н длиной h. На рис. 2.14, б он условно показан двумя линиями индукции.
Схема замещения МЦ приведена на рис. 2.14, в. МДС p2=/2w2= =/2 включена в схему замещения согласно потоку Ф2, который сцеплен с КЗВ, потому что они образуют (рис. 2.14, б) правовинто-
Рис. 2.14. Магнитная система с короткозамкнутым витком, охватывающим часть поперечного сечения полюса
вую систему. На схеме замещения приняты следующие обозначения: &饵，/?мбо и Rm62 — магнитные сопротивления зазоров бь б0 и б2； 2м1Л( j == RMM! + jXM.M ! — комплексное магнитное сопротивление основной части магнитопровода, в которую входят якорь, ярмо и сердечник на всей длине за вычетом ft; Rm.*о ——активное магнитное сопротивление участка полюса длиной ht шириной а。и глубиной Ь. Реактивное магнитное сопротивление этого участка не учитывается для упрощения расчетов. Ниже будет показано, что введение КЗВ, охватывающего часть поперечного сечения полюса, приводит к перераспределению потока между зазорами до и б2- В результате
увеличения потока Фо индукция в не охваченной КЗВ части полюса становится больше, чем в охваченной: неохваченная часть полюса часто насыщается. Поэтому в схему замещения на пути потока Фо введено магнитное сопротивление участка полюса длиной ft, а на пути потока Ф2 сопротивление аналогичного участка полюса не учитывается.
По второму закону Кирхгофа, для контура обхода mnpqm <(рис. 2.14, б, б) можно написать
Um62 一儿卅0-u40=户2.(2.55)
Здесь
^Me2=®2^?Me2J ^m.mQ~^^mmQi °關80 = 6(/?MbQ・(2.56)
Подставив
им = й^й^(2.57)
в (2.55), получим
°мо=—户 2+&ш・(2.58)
По второму закону Кирхгофа для контура обхода mqcdem (рис. 2.14, б), можно определить МДС обмотки 户匚
Umo+Umh + Um・*i=A，(2.59)
где Um61=&1Rm61；。m.*1 =山必m山.
На рис. 2.14, г приведена условная схема электрических соединений исходной МС, на которой выделены в виде отдельных элементов активные сопротивления обмоток R、и /?2- Эта схема аналогична схеме рис. 2.13, а, поэтому для цепи обмотки 5】справедлива схема замещения рис. 2.13, б и (2.46) с заменой Ф на Фь а для :цепн КЗВ — схема на рис. 2.13, 6 и (2.47) с заменой Ф иа Фг-
Исследуем влияние КЗВ на потокораспределение рассматриваемой МС. Для этого сравним две одинаковые МС, обмотки которых литаются от источников напряжения U、и UJ, при которых в этих обмотках наводятся ЭДС Ё^—Ё/. У первой МС имеется КЗВ (рис. 2.14), а у второй его нет (рис. 2.15).
Сравнение МС с КЗВ с МС без КЗВ. Потоки Ф1 и Ф/ обеих систем, протекающие во всех сечениях магнитопровода, кроме участка полюса длиной 力，связаны с ЭДС первичных обмоток по формулам Ei=j(oui而 1 и E/=j(o04g. Так как £1=£/, угловая частота(о и число витков обмотки W\ сравниваемых систем одинаковы, то можно считать потоки в их магнитопроводах тоже одинаковыми (Ф1=Ф/). При заданных условиях поток не зависит от наличия или отсутствия КЗВ. Сравнение будем проводить в диапазоне индукций в магнитопроводе, при которых комплексное сопротивление Zmjh 1 магнитопровода можно считать не зависящим от индукции (однаковым в обеих сравниваемых системах).
(2.60)(2.60)По рис. 2.15 ® =备+①2,
(2.60)
(2.60)
где Фо7 и <D2z — потоки, проходящие через левую и правую части полюса соответственно. Фазы всех этих потоков совпадают, так как магнитные сопротивления на их пути имеют одинаковый характер (активные) и к ветвям этих потоков приложено одинаковое на-
Рис. 2.15. Магнитная система рис. 2.14 со снятым короткозамкнутым виткомРис. 2.15. Магнитная система рис. 2.14 со снятым короткозамкнутым витком
Рис. 2.15. Магнитная система рис. 2.14 со снятым короткозамкнутым витком
Рис. 2.15. Магнитная система рис. 2.14 со снятым короткозамкнутым витком
Рис. 2.16. Магнитная система рис. 2.14 с по-Рис. 2.16. Магнитная система рис. 2.14 с по-током Фкзв , создаваемым в ней короткозамкнутым виткомтоком Фкзв , создаваемым в ней короткозамкнутым витком
Рис. 2.16. Магнитная система рис. 2.14 с по-
Рис. 2.16. Магнитная система рис. 2.14 с по-
током Фкзв , создаваемым в ней короткозамкнутым витком
током Фкзв , создаваемым в ней короткозамкнутым витком
пряжение t//M0=t/,M62. Если на часть полюса МС рис. 2.15, а на
деть КЗВ и провести небольшую коррекцию напряжения питания.
заключающуюся в сохранении неизменным ЭДС обмотки, то в ней к потокам, изображенным на рис. 2.15, добавится поток Фкзв , по
казанный на рис. 2.16. Этот поток создает в МС рис. 2.14 МДС 尸2 = =/2^2 = Л. Так как Фкзв на своем пути встречает только активные магнитные сопротивления, то фаза его совпадает с фазой 尸2.
Выше было доказано, что у МС рис. 2.15, а и 2.14, а, б потоки Ф1 в маг-
нитопроводе одинаковы. Это означает, что в МС
рис, 2,14, а, б КЗВ не мо-
*ет создать поток, пронизывающий обмотку W\ и замыкающийся по магнипопроводу по пути npcden (рис. 2.14, б), поэтому на рис. 2.16, а, б такой поток не показан.
%=®0—Фкзв； $2 = ®2+®КЗВ・%=®0—Фкзв； $2 = ®2+®КЗВ・(2.61)(2.61)Потоки в зазорах б0 и д2 МС рис. 2.14 найдем суммированием потоков, показанных на схемах рис. 2.15 и 2.16:
%=®0—Фкзв； $2 = ®2+®КЗВ・
%=®0—Фкзв； $2 = ®2+®КЗВ・
(2.61)
(2.61)
На рис. 2.17, а по полученным уравнениям построены две векторные диаграммы: сплошными стрелками — для МС с КЗВ, штрихпунктирными стрелками с одной точкой — д』兄 МС без КЗВ. Штрихпунктирными стрелками с двумя точками показан поток Фкзв, создаваемый КЗВ в системе рис. 2.14.
Векторная диаграмма МС с КЗВ. По действительной оси отложен поток ⑸.ЭДС £2, наводимая в КЗВ, отстает от него
па 90°. Напряжение U? на активном сопротивлении КЗВ равно Ё2 [см. (2.47)J. С ^2=Л^2 совпадает по направлению МДС КЗВ 戶2= =，2. От конца вектора —尺 параллельно вектору &? откладываем вектор Омб2 магнитного напряжения на зазоре 62, так как Фг и
66
Dim имеют одинаковую фазу [см. (2.56)]. Замыкает треугольник магнитных напряжений вектор Омо, который состоит из векторов Umjho и Umm) [см. (2.57)]. Так как при принятом допущении Umo= =&oRmo, где Rmo=Rmmo+Rm6o, то вектор Umo параллелен вектору Фо- Последний откладываем вдоль полученного направления от конца вектора Ф2. Замыкающим треугольник потоков будет вектор Ф1 [см. (2.54)]. Параллельно вектору Ф1 от конца векторов t/M0 и Um62 откладываем магнитные напряжения Um6i = ®iRm6i я 而i&mw, перпендикулярно — вектор /Ф1Хм.мь Замыкающим будет вектор МДС обмотки 户 1=/曲][см. (2.59)]. ЭДС 瓦 в обмотке отстает от потока Ф1 на 90°. Составляющая UE\ напряжения питания %, компенсирующая & равна по величине и противоположно направлена этой ЭДС (при согласном направлении МДС). Вектор 1R параллелен вектору МДС обмотки М = 1з. Треугольник электрических напряжений строим по (2.45).
Попутно заметим, что магнитное напряжение Umg между точками m и q (или лир) схемы рис. 2.14, в мы можем разложить на активную и реактивную составляющие: Umo=Umr2+Umx2=Umr2+ + /UmX2・ Из векторной диаграммы рис. 2.17, а видно, что UmR2= =°№62=山2女№62 и UmX2=—户公 Эти уравнения соответствуют замене КЗВ в схеме замещения МЦ (см. рис. 2.14, в) не МДС 户2, а реактивным магнитным сопротивлением Хм2, магнитное напряжение на котором [7мХ2 = /Ф^м2*
Векторная диаграмма МС без КЗВ (см. рис.2.15). Поток Ф/ этой системы, сцепленный с витками обмотки 5「при принятом условии равенства ЭДС Ё\ МС с КЗВ и Е/ МС без КЗВ остается равным потоку Ф1 системы с КЗВ. Так как поток Фкзв замыкается по зазорам 6о и 62, а также по участку полюса длиной й, сопротивление которого носит активный характер (см. рис. 2.16, б), то поток Фкзв совпадает по фазе с МДС КЗВ /'2=/2. Этот поток мы получим на диаграмме рис. 2.17, а, если из конца вектора Ф2 восставим перпендикуляр до пересечения с вектором Фь Треугольник потоков Фь Фо и Ф2» соответствующий (2.54), разбивается на два треугольника, соответствующих (2.61), а вектор ф1=ф/ — на две составляющие Фг7 и Фо\ соответствующие (2.60) и совпадающие по направлению.
МДС МС без КЗВ по рис. 2.15, б
户;=U：o+U；u + U：."i. (2.62)
Магнитное напряжение U，mo=U，m62 (см. рис. 2.15, 6) откладываем на рис. 2.17, а вдоль векторов Фо\ Фг7 и Ф/ (заметим, что 丨 U’moI V I Омо|, так как |Фхо| < |Фо| и ^7мo=Фo^мo； ^/мо=Ф，о^?мо. К концу вектора 0Mo добавляем вектор UKot напряжения на зазоре 5 и вектор 0‘麗,间 напряжения на сопротивлении_2м.л<1 основной
части магнитопровода. Замыкающим будет вектор МДС 产] [см. (2.62)]. Треугольник напряжений О'е\ = Оеъ /'iR и UJ строим по (2.45).
Выводы по результатам сравнения:
Поток Фг, проходящий через часть пол юса, охваченную КЗВ, отстает по фазе от потока Фо, проходящего через не охваченную КЗВ часть полюса.
Если на часть поперечного сечения полюса МС надеть КЗВ, то в этой системе увеличится МДС обмотки (Fj>Fzi) и произойдет перераспределение магнитного потока: поток через охваченную КЗВ часть полюса уменьшится по модулю (Ф2<ФЛ2), через неохваченную—увеличится (Фо>Фхо). Такое изменение по модулю этих потоков получилось, несмотря на то, что при выбранном согласном направлении МДС КЗВ и обмотки потоки через охваченную КЗВ часть полюса складываются, а через не охваченную вычитаются [см. рис. 2.15 и 2.16 и уравнения (2.61)]. Увеличение по модулю потока через не охваченную КЗВ часть полюса (после установки КЗВ) осложняет расчет, так как при получающихся в этой части полюса амплитудных значениях индукции, обычно больших индукции насыщения материала магнитопровода, кривая изменения потока Фог во времени становится существенно несинусоидальной. При синусоидальной кривой ①“ несинусоидальной будет и кривая потока Ф2ь
У системы с КЗВ угол потерь 6 больше, а угол ф между то- ком и напряжением меньше, чем эти величины 6’ н д/ у системы без КЗВ (рис. 2.17, а).
Так как стороны треугольников ФЛ0, Фо, —Ф кзв и ^м0, △户， О'мо (см. рис. 2.17, а) параллельны друг другу, то нетрудно видеть, что в системе с КЗВ МДС обмоткн, а значит, и ее ток по модулю больше, чем в системе без КЗВ, причем увеличение это происходит за счет составляющей А户，перпендикулярной потоку ф2 (составляющие МДС обеих систем, согласные с потоком Ф2, одинаковы). Так как <Dj = Ф/, то Um6i = U'm6i, Um.mi = U'm.mi и МДС обмоток этих систем 户】и 户 1 отличаются друг от друга на такое же А户，на какое отличаются магнитные напряжения Омо и О'мо (户]=户，+ 厶户
Описанное выше сравнение МС с КЗВ и МС без КЗВ проводилось при одинаковом потоке, сцепленном с намагничивающей обмоткой 5]. При этом в обмотках обеих систем должны наводиться одинаковые ЭДС. Так как токи в них получаются разными, то из-за разных /【R] и /[Ri должны несколько различаться напряжения питания (U]>U'i). Однако для МС с обмотками напряжения это различие незначительно. Таким образом, приняв при сравнении систем U1 = U], мы может сделать практически те же выводы.
Для того чтобы убедиться в том, что результаты исследования не зависят от направления тока в КЗВ, примем при анализе рассмотренной МС условно-положительное направление тока в КЗВ 68
противоположным показанному на рис. 2.14, 6, а (что означает также и противоположные показанным на рис. 2.14, б, в, г и 2.16 направления МДС 尸2, напряжения U? и потока Фкзв ). Тогда получим уравнения： u2 =厶r2 =-R2； оm62-UmjhO-оm60 =-户 2； Ф0 = =Фхо+Фкзв и Ф2=Ф,2—Фкзв • Они отличаются от (2.47), (2.55) и (2.61) знаком минус перед &,户2 и Фкзв , направление которых изменилось на противоположное (в схемах замещения ЭДС & включается навстречу току /% МДС 户2 — навстречу потоку Фг). Изменяется на противоположное направление потока Фкзв , создаваемого МДС 户2・ На рис. 2.17, б для встречных МДС обмотки и КЗВ построена векторная диаграмма, которая позволяет сделать те же выводы, что и диаграмма рис. 2.17, а.
Раздел второй
Электро・ механические реле
Приводятся общие сведения о реле (дается их классификация, объясняются термины, параметры, характеристики) ；рассматриваются реле, в основе конструкции которых лежит магнитная система (электромагнитные, электромагнитные поляризованные, магнитоэлектрические, ферродинамические, индукционные).
ГЛАВА 3. КЛАССИФИКАЦИЯ, ПАРАМЕТРЫ, ХАРАКТЕРИСТИКИ, КАТЕГОРИИ ПРИМЕНЕНИЯ РЕЛЕ
Аппарат релейного действия осуществляет скачкообразное изменение выходной (управляемой) величины У при заданных значениях входной (управляющей) величины X (имеется в виду скачкообразное изменение У не во времени, а в зависимости от X). К некоммутационным аппаратам релейного действия относятся, например, электромагнитные исполнительные аппараты: выходная величина (перемещение якоря) скачкообразно увеличивается от минимальной до максимальной при одном значении входной величины (ток в обмотке или напряжение на обмотке) и уменьшается от максимальной до минимальной — при другом. Простейший коммутационный аппарат такого типа приведен на рис. 3.1 в начальном положении. Будем постепенно увеличивать ток /вх в его обмотке 5 (/Вх — входной сигнал X). При некотором его значении якорь 3 притянется к сердечнику 4. В процессе этого дви- 70
жения верхний конец якоря изогнет плоскую контактную пружину / вверх до соприкосновения ее контакт-детали 2 с контакт-деталью 2’ контактной пружины Г ——произойдет замыкание контакта. По выходной цепи аппарата будет протекать ток, который после оконча
Рис. 3.1. Простейшее электромагнитное реле с замыкающим контактом из плоских консольно закрепленных контактных пружин：/ н /' — соответственно подвижная н неподвижная контактные пружины； 2 н 2' — контакт-деталн； 3 — якорь； 4 — сердечник; 5—обмотка; 6 — ярмо； 7 — изоляционная планка. Контактная пружина / н контакт- деталь 2 вместе — контактный элемент (то же /' и 2。； /, 2, 2「Г н 7 — контакт (контактный узел); Ар — раствор контактаРис. 3.1. Простейшее электромагнитное реле с замыкающим контактом из плоских консольно закрепленных контактных пружин：/ н /' — соответственно подвижная н неподвижная контактные пружины； 2 н 2' — контакт-деталн； 3 — якорь； 4 — сердечник; 5—обмотка; 6 — ярмо； 7 — изоляционная планка. Контактная пружина / н контакт- деталь 2 вместе — контактный элемент (то же /' и 2。； /, 2, 2「Г н 7 — контакт (контактный узел); Ар — раствор контактарис 3 2. Типичные характеристики управления аппаратов релейного деистрис 3 2. Типичные характеристики управления аппаратов релейного деиствия:а, 6, в, д — электромеханических; стабильных： в — двустабильных;。一работающих на замыкание；вия:а, 6, в, д — электромеханических; стабильных： в — двустабильных;。一работающих на замыкание；г — статических электрических； а, б, г, 3 — одно- а,歩，а—максимальных； д——минимальных; а, б — работающих на размыканиег — статических электрических； а, б, г, 3 — одно- а,歩，а—максимальных； д——минимальных; а, б — работающих на размыканиения переходного процесса станет равным /Вых (/вых —выходная величина Y). Выходной ток не изменится при дальнейшем увеличении входного. Если теперь уменьшать входной ток, то при некотором его значении изогнутые пружины 1 и Г преодолеют си；1у притяжения якоря к сердечнику и вернут якорь в исходное положение. При этом контакт разомкнется, а выходная цепь обесточится. Под входной величиной X и выходной У такого аппарата можно иметь в виду и другие величины, например напряжение на обмотке и напряжение на сопротивлении нагрузки
Рис. 3.1. Простейшее электромагнитное реле с замыкающим контактом из плоских консольно закрепленных контактных пружин：
/ н /' — соответственно подвижная н неподвижная контактные пружины； 2 н 2' — контакт-деталн； 3 — якорь； 4 — сердечник; 5—обмотка; 6 — ярмо； 7 — изоляционная планка. Контактная пружина / н контакт- деталь 2 вместе — контактный элемент (то же /' и 2。； /, 2, 2「Г н 7 — контакт (контактный узел); Ар — раствор контакта
Рис. 3.1. Простейшее электромагнитное реле с замыкающим контактом из плоских консольно закрепленных контактных пружин：
/ н /' — соответственно подвижная н неподвижная контактные пружины； 2 н 2' — контакт-деталн； 3 — якорь； 4 — сердечник; 5—обмотка; 6 — ярмо； 7 — изоляционная планка. Контактная пружина / н контакт- деталь 2 вместе — контактный элемент (то же /' и 2。； /, 2, 2「Г н 7 — контакт (контактный узел); Ар — раствор контакта
рис 3 2. Типичные характеристики управления аппаратов релейного деист
рис 3 2. Типичные характеристики управления аппаратов релейного деист
вия:
а, 6, в, д — электромеханических; стабильных： в — двустабильных;
。一работающих на замыкание；
вия:
а, 6, в, д — электромеханических; стабильных： в — двустабильных;
。一работающих на замыкание；
г — статических электрических； а, б, г, 3 — одно- а,歩，а—максимальных； д——минимальных; а, б — работающих на размыкание
г — статических электрических； а, б, г, 3 — одно- а,歩，а—максимальных； д——минимальных; а, б — работающих на размыкание
Характеристика управления аппарата релейного действия имеет форму релейной петли (рис. 3.2): скачкообразное возрастание выходной величины происходит при одном значении входной, а уменьшение — при другом. При всех остальных значениях входной величины X выходная У не изменяется или изменяется незначительно.
К коммутационным аппаратам релейного действия относятся реле и контакторы. Иногда граница между ними выглядит неопределенно, один и тот же аппарат можно назвать как реле, так и контактором. При определении границы между реле 以 контакторами будем исходить из следующего:
Реле коммутирует в основном цепи управления, сигнализации, связи и пр. (например, цепь обмотки электромагнитного контактора). Контакторы коммутируют главным образом силовые цепи, в которых происходит преобразование электрической энергии в механическую (например, цепь электродвигателя), и наоборот.
У контакторов в основном имеются специальные дугогасительные устройства, а у реле, как правило, этих устройств нет.
Контакторы рассматриваются в курсе «Аппараты управления», в курсе «Электромеханические аппараты автоматики» рассматриваются реле.
В зависимости от области применения реле последние можно разбить на реле для: 1) промышленной автоматики； 2) защиты электроэнергетических систем; 3) радиоэлектроники; 4) летательных аппаратов； 5) морских и речных судов; 6) систем регулирования движения поездов и обеспечения безопасности на железных дорогах; 7) горно-рудной и нефтегазодобывающей промышленности и др.
Промышленная автоматика включает в себя автоматику процессов потребления электроэнергии в промышленности (преобразование электроэнергии в механическую работу электродвигателями, в теплоту электропечами; использование электроэнергии для дуговой плавки металлов, для электролиза и т. д.). Реле, применяемые для управления и защиты электроприводов, называются реле управления. Это наиболее массовый вид продукции первой области применения реле.
Реле, применяемые для защиты электроэнергетических систем, осуществляющих выработку электроэнергии (электростанции), передачу и распределение ее по потребителям (электрические сети и системы), называются реле защиты.
Реле третьей области применения используются для управления режимами работы радиоэлектронной аппаратуры, для усиления, контроля, защиты, измерения, счета, запоминания, кодирования и т. д. На основе реле создаются системы комплексной автоматики и телемеханики, автономного управления и встроенного контроля, вычислительные, программные и телеграфные устройства, шифраторы и дешифраторы, автоматические телефонные станции и т. п.
Специфика областей применения реле приводит к большому разнообразию конструктивных исполнений и видов реле. С другой стороны, границы, отделяющие одну область применения от другой, часто условны, определяются ведомственной подчиненностью предприятий, выпускающих реле; поэтому многие реле, спроектированные для одной цели, иногда можно с успехом использовать для дру-
гой. Дальнейшее изложение вопроса базируется главным образом на нормативных документах для первых трех областей их применения.
Классификация» составные части реле
Классификация. Реле можно классифицировать по многим признакам (рис. 3.3). В зависимости от физич еской природы управляющего сигнала реле бывают электрические, тепловые, механические, оптические и пр. Электрические реле реагируют на электрические параметры: ток, напряжение, мощность, электрическое сопротивление цепи и т. п. Тепловые реле реагируют на температуру, количество теплоты и т. д. Реле, в которых используется тепловое действие тока, относятся к электрическим и называются электротепловыми. Механические реле реагируют на силу, давление, скорость, перемещение и т. п.
В зависимости от выполняемых функций электрические реле делятся на логические и измерительные. Электрическое логическое реле предназначено для срабатывания и возвращения в исходное состояние при изменении входной воздействующей величины, не нормируемой в отношении точности. Срабатывание реле — выполнение реле функции, для которой оно предназначено. Возврат реле — переход реле в исходное состояние из состояния, в котором оно находилось после срабатывания. Входная воздействующая величина логического реле — это величина, на которую реле предназначено реагировать, если она приложена в заданных условиях (X на рис. 3.2).
Электрическое измерительное реле предназначено срабатывать с определенной точностью при заданном значении или значениях характеристической величины. Характеристическая величина измерительного реле — это электрическая величина, нормируемая в отношении точности и определяющая функциональный признак реле. Для ее образования необходима входная воздействующая величина электрического измерительного реле или несколько входных воздействующих величин.
Чтобы пояснить принципиальную разницу между логическим и измерительным реле, сравним два таких реле, имеющих в качестве входной воздействующей величины напряжение. Логическое реле предназначено для срабатывания или возврата при дискретном изменении входной воздействующей величины (в нашем примере напряжение подается на вход реле или не подается). В отличие от логического обмотка измерительного реле постоянно находится под напряжением, следит за его изменением (входная величина измеряется непрерывно). Напряжение для него не только входная воздействующая, но и характеристическая величина. Если это максимальное реле, то оно сработает, когда напряжение возрастет до
airedкнавннфнзвих ・'e JHdairedкнавннфнзвих ・'e JHd
airedкнавннфнзвих ・'e JHd
airedкнавннфнзвих ・'e JHd
значения уставки по характеристической величине (с некоторой точностью, обеспечиваемой этим реле). Минимальное измерительное реле сработает, когда напряжение снизится до значения уставки. В дальнейшем мы будем иметь в виду максимальные реле.
Уставка по характеристической величине ——заданное значение характеристической величины, при котором реле должно сработать. Измерительные реле бывают со шкалой уставок, по которой в реле вводится уставка по характеристической величине; без шкалы, но с возможностью изменения уставки; с фиксированной настройкой на определенное значение характеристической величины.
В зависимости от измеряемой величины измерительные реле бывают: тока, напряжения, активной мощности, реактивной мощности, сдвига фаз, полного сопротивления, частоты и т. д. Для перечисленных реле характеристическими величинами являются соответственно ток, напряжение и т. д.
На вход измерительного реле в отличие от логического одновременно может подаваться несколько входных воздействующих величин. Например, на вход реле мощности подаются две такие величины. Одна из них является функцией тока, другая — напряжения. Обе эти входные воздействующие величины формируют одну характеристическую величину ——мощность, которая и вводится в реле по шкале уставок. У измерительных реле с одной входной воздействующей величиной характеристическая величина совпадает с последней. Исключение составляет реле частоты, в котором характеристической величиной является частота, а входной воздействующей —напряжение.
Электрические реле, как логические, так и измерительные, бывают с нормируемым временем (у них нормируется в отношении точности одно или несколько времен, характеризующих реле) и не- нормируемым. Заданное значение выдержки времени, при котором реле с нормируемым временем должно сработать при определенных условиях, называется уставкой выдержки времени.
По функциональному признаку логические реле можно разбить на промежуточные, указательные и реле времени. Промежуточное реле — логическое электрическое реле с ненормируемым временем, предназначенное для передачи команд из одной электрической цепи в другую [16]. Обычно оно используется для расширения функций других реле — для усиления сигнала и увеличения числа исполнительных цепей. Это самый распространенный тип реле. Указательное реле предназначено для указания срабатывания и возврата других коммутационных аппаратов. Реле времени ——логическое реле с нормируемой выдержкой времени. Реле времени могут быть со Шкалой уставок выдержки времени; могут иметь регулируемую выдержку времени, не имея шкалы уставок, и могут быть с фиксированной настройкой на определенную выдержку времени (ГОСТ 16120—79 и 22557—77).
Измерительное реле с нормируемым временем может быть с зависимой выдержкой времени (при одном и том же значении уставки
выдержка времени заданным образом изменяется в зависимости от значения характеристической величины), с независимой выдержкой времени (выдержка времени практически не зависит от значения характеристической величины в заданных пределах изменения последней) и с ограниченно зависимой выдержкой времени. Для пояснения этих терминов рассмотрим время-токовые ха-
Рис. 3.4. Время-токовые характеристики индукционного реле тока серии РТ80Рис. 3.4. Время-токовые характеристики индукционного реле тока серии РТ80рактеристики токового реле серии РТ80 (рис. 3.4). Если ввести в это реле отсечку при токе /Отс, то при протекании по обмотке этого реле тока / в диапазоне /у—/Отс (/у — уставка реле по току) реле сработает через время /Ср, зависящее от / и большее времени уставки /у; при протекании же тока />/Отс реле сработает при 5《％ (сплошная кривая на рис. 3.4 — пример харак* теристики реле с ограниченно зависимой выдержкой времени). Если при тех же /у и /у не вводить отсечку, то время-токовая характеристика этого реле будет состоять из кри
Рис. 3.4. Время-токовые характеристики индукционного реле тока серии РТ80
Рис. 3.4. Время-токовые характеристики индукционного реле тока серии РТ80
волинейной части сплошной кривой и штриховой кривой на рис.
3.4 — пример характеристики реле с зависимой выдержкой вре
мени.
В зависимости от того, возвращается ли реле, изменившее свое состояние под воздействием входной воздействующей или характеристической величины, в прежнее состояние после устранения этого воздействия, реле делятся на одностабильные и двустабильные. Одностабильные возвращаются, а для возврата двустабильных необходимо приложить другое специальное воздействие.
В зависимости от наличия или отсутствия ме-
ханического перемещения электрические реле делятся соответственно на электромеханические и статические электрические (в литературе часто используются термины «контактные» и 《бесконтактные》соответственно). Эти реле отличаются друг от друга также и по характеру изменения параметра, вносимого в выходную цепь. У электромеханических реле (см. рис. 3.2, а, 6, & д) выходной цепью управляют контакты: при разомкнутых контактах величина У=0. У статических электрических реле (рис. 3.2, г) при отсутствии сигнала на входе выходная величина не может быть меньше некоторой Ут1п, определяемой током холостого хода. В учебнике рассматриваются только электромеханические реле. Статические электрические, например полупроводниковые — на базе двухкаскадного полупроводникового усилителя, магнитные—на базе магнитного усилителя, и другие рассматриваются при изучении дисциплины «Бесконтактные электрические аппараты автома- тикиэ.
В зависимости от явлений внутри реле, используемых для работы, электромеханические реле можно классифицировать иа электромагнитные, магнитоэлектрические, электродинамические (в том числе ферродинамические), индукционные, электротепловые и т. п. Герконовые реле (реле с магнитоуправляемыми герметизированными контактами) относятся к электромагнитным, но из-за их специфики рассматриваются в специальном (четвертом) разделе.
По роду упра вл яющего тока реле делятся на реле постоянного и переменного тока, У некоторых электромагнитных реле, как правило, небольших размеров изменение рода тока управления требует только замены катушки； иногда медный на переменном токе короткозамкнутый виток меняется на стальной на постоянном токе. Такие реле называются универсальными. На переменном токе медный короткозамкнутый виток предназначен для снижения вибраций якоря, а на постоянном токе стальной короткозамкнутый виток выполняет функцию полюсного наконечника —— делает тяговую характеристику более пологой, увеличивая силу при максимальном зазоре (см. § 4.1).
Электрическое реле постоянного тока, изменение состояния которого зависит от полярности его входной воздействующей величины, называется поляризованным.
В зависимости от способа включения в к он-
тролируемую цепь реле делятся на первичные, вторичные и шунтовые. Первичные непосредственно возбуждаются током или напряжением главной электрической цепи; вторичные — током или напряжением с выхода измерительного трансформатора или преобразователя; шунтовые реле возбуждаются током, ответвленным от главной электрической цепи.Составные части электромеханического реле. Электромеханическое реле с МС (электромагнитное, электромагнитное поляризо-тролируемую цепь реле делятся на первичные, вторичные и шунтовые. Первичные непосредственно возбуждаются током или напряжением главной электрической цепи; вторичные — током или напряжением с выхода измерительного трансформатора или преобразователя; шунтовые реле возбуждаются током, ответвленным от главной электрической цепи.Составные части электромеханического реле. Электромеханическое реле с МС (электромагнитное, электромагнитное поляризо-ванное, магнитоэлектрическое, для удобства расчета его частей можно разбить на три связанные между собой системы: магнитную, механическую (механизм) и кон-ванное, магнитоэлектрическое, для удобства расчета его частей можно разбить на три связанные между собой системы: магнитную, механическую (механизм) и кон-ферродинамическое, индукционное)ферродинамическое, индукционное)° Вход 1° Вход 1тактную (рис. 3.5). Магнитнаятактную (рис. 3.5). Магнитнаясисте-систе-МагнитнаяI КонтактнаяJ Механизм |система 丨I системаМагнитнаяI КонтактнаяJ Механизм |система 丨I системавыходвыход
тролируемую цепь реле делятся на первичные, вторичные и шунтовые. Первичные непосредственно возбуждаются током или напряжением главной электрической цепи; вторичные — током или напряжением с выхода измерительного трансформатора или преобразователя; шунтовые реле возбуждаются током, ответвленным от главной электрической цепи.
Составные части электромеханического реле. Электромеханическое реле с МС (электромагнитное, электромагнитное поляризо-
тролируемую цепь реле делятся на первичные, вторичные и шунтовые. Первичные непосредственно возбуждаются током или напряжением главной электрической цепи; вторичные — током или напряжением с выхода измерительного трансформатора или преобразователя; шунтовые реле возбуждаются током, ответвленным от главной электрической цепи.
Составные части электромеханического реле. Электромеханическое реле с МС (электромагнитное, электромагнитное поляризо-
ванное, магнитоэлектрическое, для удобства расчета его частей можно разбить на три связанные между собой системы: магнитную, механическую (механизм) и кон-
ванное, магнитоэлектрическое, для удобства расчета его частей можно разбить на три связанные между собой системы: магнитную, механическую (механизм) и кон-
ферродинамическое, индукционное)
ферродинамическое, индукционное)
° Вход 1
° Вход 1
тактную (рис. 3.5). Магнитная
тактную (рис. 3.5). Магнитная
систе-
систе-
МагнитнаяI Контактная
J Механизм |
система 丨I система
МагнитнаяI Контактная
J Механизм |
система 丨I система
выход
выход
Рис. 3.5. Составные части электромеханического реле с магнитной системойРис. 3.5. Составные части электромеханического реле с магнитной системойреле к магнитной системе относятсяреле к магнитной системе относятсям а является частью реле, преобразующей входной электрический сигнал в механический. У электромагнитного
Рис. 3.5. Составные части электромеханического реле с магнитной системой
Рис. 3.5. Составные части электромеханического реле с магнитной системой
реле к магнитной системе относятся
реле к магнитной системе относятся
якорь 3, сердечник 4, обмотка 5 и ярмо 6 (см. рис. 3.1). Основным результатом расчета МС реле является его тяговая характеристика (см. гл. 4).
Меха низм реле включает в себя те элементы реле, которые передают механический сигнал по линии «магнитная система ——
контакт-деталиэ и сами создают силы любого характера, кроме электромагнитных сил, создаваемых МС реле. К механизму электромагнитного реле (см. рис. 3.1) относятся жесткий рычаг —— якорь 3; консольно закрепленные, работающие на изгиб балки — контактные пружины / и Г； ограничитель хода якоря при минимальном рабочем зазоре — сердечник 4; ограничитель хода якоря при максимальном зазоре и упоры пружин, не показанные на рис. 3.1. Основным результатом расчета механизма реле является его механическая характеристика (см. гл. 4 и 5).
Контактная система реле может состоять из нескольких контактных узлов. Для реле на рис. 3.1 понятия «контактный узе』》 и «контактная система» совпадают. При расчете контактной системы определяются размеры контактных пружин и контакт-деталей с точки зрения их возможности проводить ток и отводить выделяемую в них теплоту, сопротивление цепи контакта реле, коммутационные характеристики реле.
Основные параметры
Статические. Величина срабатывания Хер — значение входной воздействующей или характеристической величины, при котором происходит скачкообразное увеличение выходной величины при замыкающем контакте (см. рис. 3.2, а, а, 0) или скачкообразное уменьшение выходной величины при размы- кающем контакте (см. рис. 3.2, 6). Величина возврата Хв ——значение входной воздействующей или характеристической величины, при котором происходит скачкообразное уменьшение выходной величины при замыкающем контакте (см. рис. 3.2, а, а, д) или скачкообразное увеличение выходной величины при размыкающем контакте (см. рис. 32 6). Отношение величины возврата к величине срабатывания называется коэффициентом возврата Ав= = Хв/Аср・ Для максимальных реле Авс 1, для минимальных ^в> L Чем ближе к единице коэффициент возврата, тем в более узких пределах реле будет осуществлять контроль входного параметра.
Для надежного срабатывания логического реле рабочее значение входной воздействующей величины Хр (рис. 3.2, а) выбирается с некоторым запасом. Коэффициент запаса по входной воздействуй ющей величине 左з=Хр/Хср.
Параметры реле являются функциями воздействующих величии, а также функциями влияющих величин и факторов. Воздействующая величина ——это электрическая величина, которая одна или в сочетании с другими электрическими величинами должна быть приложена к реле в заданных условиях для достижения ожидаемого функционирования. Воздействующие величины делятся на входные (см. выше) и вспомогательные (любые воздействующие, кроме входных, например напряжение дополнительного источника возбуждения). К влияющим величинам относятся: температура окружающей среды, атмосферное давление, относительная влажность, 78
внешняя индукция магнитного поля, частота тока входной цепи и т. п. К влияющим факторам относятся: положение реле в пространстве, форма волны тока, наличие смазки в испытуемом реле, наличие или отсутствие оболочки и т. п. Нормальные значения влияющих величин и факторов ——их заданные значения, к которым отнесены характеристики реле. Эти значения должны указываться в нормативной документации на реле.
Времена, характеризующие работу репе. На рис. 3.6 поясняются временные параметры логического одностабильного электромагнитного реле с обмоткой напряжения с одним замыкающим контактом,
Рис. 3.6. Дннамнка работы логического электромагнитного реле с обмоткой напряжения н одним замыкающим контактом:
а — ток входной цепи； 6 — длина рабочего зазора; в — ток выходной цепи
коммутирующим активно-индуктивную цепь. На этом рисунке под моментами времени, обозначенными по оси абсцисс арабскими Цифрами 1——14, имеются в виду: 0 ——момент замыкания входной Цепи (момент приложения входной воздействующей величины — напряжения Urx); / — момент начала движения якоря; 2—момент первого замыкания контакта выходной цепи, начало дребезга контакта (на рис. 3.6 показан условно); 3 — конец дребезга контакта; 4 ——момент, когда длина рабочего зазора электромагнита реле
(см. д, например, на рис. 3.1) в первый раз стала равна минимальной (Отт на рис. 3.6,6), начало вибрации якоря электромагнита при срабатывании (вибрация яко^я электромагнита — процесс многократного соударения якоря и сердечника при срабатывании, якоря и упора при возврате — на рис. 3.6 показана условно); 5 ——конец вибрации якоря электромагнита при срабатывании (окончательная остановка якоря); 6—момент, когда ток в обмотке реле практически достигает своего установившегося значения /вх= = Ubx/R； 7 ——момент размыкания входной цепи; магнитный поток в магнитопроводе начинает уменьшаться, индуктируя в магнитопроводе вихревые токи, поддерживающие поток; 8 — момент, когда ток входной цепи падает до нуля; 9 ——момент начала движения якоря в обратную сторону; 10 — момент первого размыкания замыкающего контакта (начало возможного дребезга контакта при размыкании); 11 — момент окончания дребезга рассматриваемого контакта; 12 — момент, когда первый раз при возврате зазор стал равен максимальному (6тах на рис. 3.6, б),— начало вибрации якоря при возврате; 13 — конец вибрации якоря при возврате; 14 — момент, когда ток в выходной цепи стал равен нулю.
Чередование процессов при включении и отключении может отличаться от изображенного на рис. 3.6. Так, дребезг контакта при срабатывании может закончиться (точка 3) после начала вибрации якоря (точка 4), конца вибрации якоря (точка 5), конца нарастания тока во входной цепи до /Вх (точка 6), конца нарастания тока выходной цепи до /вых- Возможны и другие отличия.
Промежутки времени при срабатывании: /тр.Ср — время трогания при срабатывании — время от момента замыкания входной цепи до момента начала движения якоря; ^дв.ср1 — время движения якоря до первого замыкания контакта; /3 — время замыкания кон- такта； /др.ср — время дребезга контакта при срабатывании； /дв.ср2 一 время движения якоря до конца дребезга контакта; /дв.срз — время движения якоря до момента, когда немагнитный зазор стал в первый раз при включении равен 6mm； /виб.ср——время вибрации якоря электромагнита (при срабатывании) \ /дв.Ср4 — полное время движения якоря электромагнита при срабатывании. В зависимости от потребителя временем срабатывания реле можно считать любой из отрезков времени ^cpi/з^^^тр.срН-^дв.ср)» /сра^^/з+^др.ср； ^срз^11 =^тр.ср-Ь^Дв.срЗ； fcp4 = £№.ср+'дв.ср4 И fcp5 ВрвМЯ ДО МОМВНТа, КОГДЯ ток входной цепи реле и поток в магнитопроводе практически достигнут своих установившихся значений. Чаще всего под временем срабатывания имеется в виду 6；рЬ равное времени замыкания контакта 厶(для реле по [12] — только эта величина).
Время срабатывания реле следует отличать от времени срабатывания электромагнита реле, под которым имеется в виду промежуток времени от момента подачи напряжения на обмотку до начала вибрации якоря (/々：рн) или до конца вибрации якоря (Н'ср.з). Из рис. 3.6 ВИДНО, ЧТО Уср・；尸 ％3 И，‘cpa=fcp4.
Промежутки времени при возврате： /тр.в — время трогания при. возврате — время спада потока в магнитной системе до величины^ при которой сумма электромагнитной силы и сил трения становится меньше механической силы, возвращающей якорь в исходное положение; /дв.в1 ——время от начала движения якоря до момента первого размыкания контакта реле; /р=/Тр.в+^дв.в1 — время размыкания этого контакта; ^Др.в — время дребезга контакта при возврате; /дВ.в2 — время движения якоря до конца дребезга контакта при возврате; /дв.вз — время движения якоря при возврате до момента^ когда воздушный зазор в первый раз станет равным dmax； /виб.в —— время вибрации якоря при возврате; /Дв.в4=^дв.взН-^виб.в — полное время движения якоря при возврате; /отк ——время отключения выходной цепи реле.
Под временем возврата реле (в зависимости от потребителя) можно иметь в виду промежутки времени /В1 = ^р； £в2=»р+£др.・； £вз=%р.в+»дв.вз； £в4=&р・в + £дв.в4 и /В5 — время с момента размыка- ния обмотки реле до момента, когда магнитный поток в магнитопроводе реле упадет до нуля (/В5 на рис. 3.6 не показано). В литературе по электрическим аппаратам наряду с рекомендованным [11] термином «возврат реле» используется термин «отпускание реле». Под временем отпускания реле в зависимости от потребителя можно иметь в виду промежутки времени 仆口尸力^储 и %тп2 = %2； для реле, подпадающих под [12], только /отп2 = ^р==^в1； для реле» подпадающих под [30], только £отп2 = »в2・
При изучении динамики работы электромагнита реле используется термин время возврата (отпускания) электромагнита, под которым следует иметь в виду £'в.з=£вз или ///в.э=^в4.
Коммутационные характеристики и категории применения
Коммутационные характеристики реле определяются режимом работы контактов реле, значениями влияющих величин и факторов, условиями коммутации. Различают два режима работы реле: 1) режим нормальных коммутаций, когда контакт коммутирует цепь многократно; 2) режим предельных (редких) коммутаций, когда контакт коммутирует цепь несколько раз или несколько десятков раз.
Испытание реле в этих режимах проводится при нормальных значениях влияющих величин и факторов и при определенных условиях коммутации. К условиям коммутации относятся относительная продолжительность включения и частота коммутаций цепи возбуждения, а также следующие параметры коммутируемой цепи: род тока (постоянный или переменный), частота переменного тока, напряжение на разомкнутых контактах, ток цепи до размыкания, характер нагрузки, соотношение замыкаемого и размыкаемого токов. На переменном токе к условиям коммутации относятся также
параметры восстанавливающегося напряжения (частота колебаний и коэффициент превышения амплитуды цепи нагрузки). Параметры восстанавливающегося напряжения должны обеспечиваться при испытаниях в тех случаях, когда они установлены в стандартах на конкретные виды аппаратов [18].
На постоянном токе нагрузку принято характеризовать постоянной времени электрической цепи т=£//?, где L — индуктивность, а R — активное сопротивление коммутируемой цепи; на переменном токе ——косинусом угла сдвига фаз между током и напряжением коммутируемой цепи (cos(p).
Для уменьшения количества условий испытаний и получения сравнимых данных стандарты рекомендуют предпочтительные номинальные значения параметров коммутируемых цепей [12, 13, 16, 17, 18» а также публикации Международной электротехнической комиссии (МЭК) 255-14, 255-1-00, 255-4, 255-6].
В зависимости от режима работы к коммутационным характеристикам реле относятся:
коммутационная износостойкость реле ——количество циклов включения — отключения (ВО), гарантированное изготовителем при работе реле в режиме нормальных коммутаций при определенных условиях коммутации;
предельная коммутационная способность циклического действия реле — наибольшее значение тока, которое выходная цепь реле может последовательно замыкать и размыкать в режиме редких коммутаций при определенных условиях коммутации.
Количество циклов, которое должны выдерживать контакты реле при испытании на предельную коммутационную способность, должно указываться в технических условиях на серии реле, оно имеется и в некоторых ГОСТах. Так, [16] требует, чтобы контакты оставались работоспособными после 20——100 циклов ВО в зависимости от рода тока и режима работы.
Упрощенно коммутационные возможности реле можно характеризовать разрывной мощностью контакта реле, равной произведению напряжения коммутируемой цепи на ток. В большом диапазоне значений напряжения и тока разрывная мощность контакта реле для определенных условий коммутаций меняется обычно в относительно небольших пределах (на несколько десятков или сотен процентов) .С помощью разрывной мощности характеризуются обычно контакты реле защиты, не предназначенные для частых и многократных коммутаций выходных цепей. Более информативной характеристикой контактов являются кривые зависимости допустимой мощности коммутации от тока (или напряжения) для определенных условий и при нормальных значениях влияющих величин и факторов. Возможности контактов реле характеризуют также следующие параметры：
предельно допустимое напряжение на контакте ——напряжение на контакте, опасное с точки зрения пробоя межконтактного промежутка; номинальное напряжение коммутируемой цепи должно
X
1
о о
寸sЛ)X
О — Z
O О o6U
n
口
S 3 S1 H
I
J
л л л л!号
g
z寸
о о
口
г si 1
ОООК . d
口
口
g s s^毎
J
n о
X d
©■ g
寸寸
о о
н
寸s•.二 F
о I aS e ®
о © он 话 ” А
口
口
dddd〉E^O
S S S S
O x °= II
7
7 77 患體,
令
g
о о
口
3 Й 。003禍?
口
口
ddddH&o件
SSSSsg Ьо
& & ^ &^訥
К
*7 a
二 =
■ а р ю в о 丁 к h a d d 6 &
pd
выть ниже предельно допустимого напряжения (учитываются возникающие при коммутации перенапряжения и другие факторы);
предельный длительный ток выходной цепи реле ——наибольшее значение тока, которое предварительно замкнутая (в проводящем состоянии) выходная цепь способна выдержать продолжительно в заданных условиях [11];
минимальное напряжение коммутируемой цепи~ напряжение, ниже которого коммутация становится ненадежной;
минимальный ток коммутируемой цепи — ток, ниже которого коммутация цепи становится ненадежной.
Категории применения. Характер нагрузки и соотношение меж- ду током включения и отключения при испытании реле на предельную ком мутационную способность и коммутационную износостойкость регламентирует категория применения реле. ГОСТ 17523——85 для электромагнитных реле управления электроприводами устанавливает категории применения, указанные в табл. 3.1. Параметры цепей, коммутируемых при испытании контактов этих реле, отражают характерные особенности работы реле в схемах промышленной автоматики.
Табл. 3.1 следует понимать так. Если, например, в каталоге реле РП21 для режима нормальных коммутаций указаны: категория применения АС-11; t7HP=380 В; /нр= 1,6 А; коммутационная износостойкость 0,16* 106 циклов ВО при числе контактов 1 и 2, то это означает, что при испытании такая коммутационная износостойкость получилась при токе включения 16 A, cos фвк=0,7; токе отключения 1,6 A, cosq)oTK=0,4. Категория АС-11 предназначена для реле, управляющих обмотками контакторов переменного тока, которые при включении имеют значительно меньшую индуктивность (а значит, и больший ток в цепи обмотки и больший cosq)), чем при отключении [см. (1.39) и (2.25)].
Для режима редких коммутаций этого же реле, при той же категории применения, том же числе контактов указаны номинальные рабочие токи /^=6,0; 3,0; 2,5; 1,6 А при номинальных рабочих напряжениях соответственно 36; 110 (127); 220; 380 В. Это означает в соответствии с табл. 3.1 и [16], что в режиме редких коммутаций реле РП 21 может включать и отключать токи (/вк=/отк=:= 11/нр) при cos q)=0,7 соответственно 66; 33; 27,5; 17,6 А не менее чем 50 раз.
ГЛАВА 4. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ
И ПОЛЯРИЗОВАННЫЕ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ РЕЛЕ
Электромагнитные реле — это электромеханические реле, работа которых основана на воздействии магнитного поля неподвижной обмотки с током на подвижный ферромагнитный элемент (якорь). Они бывают двух типов: собственно
электромагнитные (иногда используется термин «нейтральные электромагнитные») —в них направление движения якоря не зависит от направления тока в обмотке, и поляризованные электромагнит^ ные — в последних направление движения якоря зависит от направления тока в обмотке. Таким образом, термин «электромагнитные реле» имеет два значения: в широком смысле слова он включает в себя и поляризованные реле, в узком смысле имеет в виду только нейтральные электромагнитные реле. В § 4.1 и 4.2 используется значение этого термина в узком смысле слова.
Электромагнитные реле — самый распространенный тип реле. Полная замена электромагнитных реле статическими электрическими представляется невозможной не только в настоящее время, но и в обозримом будущем. Объясняется это тем, что электромагнитные реле по сравнению со статическими электрическими обладают следующими преимуществами： 1) обычно меньшей стоимостью; 2) большим сопротивлением контактов в разомкнутом состоянии и меньшим в замкнутом; 3) большей устойчивостью к перегрузкам во входной и выходной цепях; 4) большим диапазоном коммутируемых токов и напряжений； 5) большим сопротивлением между входной и выходной цепями； 6) устойчивостью к радиации; 7) возможностью коммутирования одновременно нескольких, гальванически не связанных друг с другом цепей.
Полупроводниковые бесконтактные устройства превосходят электромагнитные реле по быстродействию, отсутствию дребезга «контактов» при коммутации и по коммутационной износостойкости.
Устройство и характеристики электромагнитных реле
Устройство. Схематично при начальном положении (т. е. при максимальном рабочем зазоре 6 = 6тах) наиболее распространенные конструкции одностабильных электромагнитных реле показаны на рис. 3.1 и 4.1. Все они относятся к логическим реле с одной входной воздействующей величиной или к измерительным реле с одной характеристической величиной. При подаче напряжения на обмотку 5 в магнитопроводе возникает поток, который создает силу, перемещающую якорь 4 (рис. 4.1) таким образом, чтобы уменьшить длину рабочих зазоров системы. Непосредственно или через какие-либо передаточные звенья (тя- та 6, рис. 4.1,6, 8) с якорем связан подвижный контактный эле- мент. У реле рис. 4.1, а, 6 с вращающимся вокруг оси Ц якорем он состоит из плоских, консольно закрепленных контактных пружин / и контакт-деталей 2, а у реле рис. 4.1, 8 с поступательным движением якоря ——из цилиндрической винтовой контактной пружины / и контактного мостика 8 с двумя контакт-деталями 2. При некотором промежуточном положении якоря контакт-детали 2 подвижного контактного элемента соприкасаются с контакт-деталями 2'МС Рис- 3.1 и 4.1,а, 6, а также 2’ и 2"МС (рис. 4.1, в). При дальнейшем
движении якоря, вплоть до его конечного положения при срабатывании, происходит увеличение контактного нажатия. В конструкции рис. 4.1, а при этом происходит изгиб пружины / подвижного контактного элемента; в конструкциях рис. 3.1 и 4.1, б — изгиб подвижных / и «неподвижных» /' контактных пружин. В конструкции рис. 4.1,8 после соприкосновения контакт-деталей 2 мостика 8 с неподвижными контакт-деталями 2，и 2" левый конец контактной пружины останавливается, тогда как правый конец продолжает переме-
Рис. 4.1. Одностабильные электромагнитные реле с неуравновешенным якоремРис. 4.1. Одностабильные электромагнитные реле с неуравновешенным якорем
Рис. 4.1. Одностабильные электромагнитные реле с неуравновешенным якорем
Рис. 4.1. Одностабильные электромагнитные реле с неуравновешенным якорем
щаться вместе с тягой 6, увлекаемой якорем. При этом происходит сжатие контактной пружины /. «Неподвижными» контактные пружины Г МС рис. 3.1 и 4.1, б называются потому, что непосредственно с подвижной системой реле онн не связаны. В кавычки слово взято нз-за того, что в действительности после соприкосновения контакт-деталей онн перемещаются. Далее кавычки опускаем. Контакт-деталн 2’МС рис. 4.1, а, а также 2’ и 2"МС рис. 4.1, в являются частью жестких коротких контактных элементов, которые остаются практически неподвижными н после соприкосновения кон- такт-детален.
Положение одностабнльного электромагнитного реле при мнни* мально возможном зазоре (прн 3 = 6mm) н рабочем значении тока в обмотке будем называть его конечным положением. После снятия входного сигнала ток обмотки уменьшается до нуля, а поток в магнитопроводе уменьшается от максимального значения до остаточного. При некотором значении потока, большем остаточного, сила, развиваемая деформированными при срабатывании пружинами 86
электромагнита, оказывается больше электромагнитной силы. В этот момент якорь начинает движение в обратном направлении. Якорь возвращается в исходное (начальное) положение под действием: контактных пружин / и /7 на рис. 3.1 и 4.1, 6; контактной лружины / и возвратной пружины 3 на рис. 4.1, а, в.
Для уменьшения остаточного потока до величины, при которой исключается «залипание» якоря, вместо немагнитных прокладок 2 (см. рис. 1.1, а) могут использоваться заклепки, устанавливаемые непосредственно на якоре,——«штифты отлипания». Иногда в таких специальных конструктивных элементах вообще не возникает необходимости, например при большой толщине немагнитных покрытий магнитопровода, при сильных возвратной и контактной пружинах, прн значительных нерабочих зазорах. Остаточный поток реле рнс. 4.1,8 уменьшается из-за разных по длине зазоров (6>6卜 так что яри 6] = 0 зазор 6>0).
Под длиной рабочего зазора 6 для систем с несколькими рабочими зазорами на рис. 3.1, 4.1 и далее в гл. 4 имеется в виду основной рабочий зазор, к которому приводятся электромагнитная и механическая силы. Для клапанной МС длина зазора б ——расстояние между якорем н торцом сердечника (или полюсного нако- яечннка, если он имеется), измеренное вдоль оси сердечника. В этом зазоре у этой МС создается большая часть вращающего момента.
На рис. 4.2 показаны конструкции электромагнитов реле, у которых ось вращения О якоря / проходит через центр массы подвижных частей. Такне реле используются при повышенных требованиях к виброустойчнвости, удароустойчнвостн н устойчивости к линейным ускорениям (подробнее см. § 5,4). На этом рисунке рабочий поток в плоскостях, параллельных плоскостям проекций, показан сплошной линией to стрелками, а в плоскостях перпендикулярных —крестиком н точкой в кружках.
Согласование тяговых й механической характеристик. Электромагнитная сила ——сила, действующая на ферромагнитное тело в магнитном поле. Тяговая характеристика электромагнитного реле——это зависимость суммарной электромагнитной силы, действующей на якорь н приведенной к рабочему зазору, от длины этого зазора при постоянном (не зависящем от положения якоря) напряжении питания для обмоток напряжения илн прн постоянном (не зависящем от положения якоря) токе для токовых обмоток (или зависимость суммарного электромагнитного момента, деист* вующего на якорь, от угла его поворота).
При возврате реле электромагнитная сила, которая создается электромагнитом практически всегда, даже при полностью обесточенной обмотке (за счет остаточного потока в магнитопроводе) оказывает сопротивление движению, прн срабатывании она является движущей. Сила трения всегда оказывает сопротивление движению. Далее при объяснениях для удобства силой трения, а также весом подвижных частей реле будем пренебрегать.
Тяговая характеристика при медленном изменении положения якоря называется статической, при быстром — динамической.
Статическая механическая характеристика (далее механическая характеристика)——это зависимость суммарной силы, действующей на подвижную часть аппарата, от перемещения (или момента этих сил от угла поворота). Учитываются все силы, кроме электромаг-
皿_ 6)一世出！1,!^小皿_ 6)一世出！1,!^小“6“6m-c=-m-c=-上上*4*400в-в ив-в иTs上Ts上
皿_ 6)
一世出！1,!^小
皿_ 6)
一世出！1,!^小
“6
“6
m
-c=-
m
-c=-
上
上
*4
*4
0
0
в-в и
в-в и
Ts
上
Ts
上
^^ О
Рис. 4.2. Электромагниты реле с уравновешенным якорем:
0 — ось поворота якоря; 1 — якорь; 2 — полюс; 3 — ярмо; 4— катушка； 5 ■ —возвратная пру-
нитной, создаваемой МС аппарата. Имеется в виду столь медленное перемещение, при котором можно пренебречь силами инерции движущихся масс. При срабатывании механические силы, как правило, противодействуют движению. Поэтому механическую характеристику называют иногда противодействующей. Однако при возврате механические силы являются движущими, поэтому термин «противодействующая» является менее удачным, чем «механическая». Под механической характеристикой электромагнитного реле обычно имеется в виду зависимость суммарной силы, действующей на якорь и приведенной к рабочему зазору, от длины этого зазора (или момента от угла поворота якоря). В суммарную силу не входит электромагнитная сила, создаваемая МС реле, но входят силы реакций опор якоря и упоров пружин (см. гл. 5).
Для нормальной работы реле его динамические тяговые характеристики при срабатывании и при возврате должны быть согла-
сованы с механической характеристикой. Часто ограничиваются согласованием статических тяговых характеристик при срабатывании и возврате с механической характеристикой, так как достаточно точный расчет динамических характеристик электромагнитного реле слишком сложен.
Рассмотрим вопрос согласования этих характеристик для частного случая ——логического электромагнитного реле, управляемого источником напряжения. При разном напряжении, приложенном к обмотке реле, статические тяговые характеристики реле (кривые 2, 2〔 3——7, рис. 4.3) относительно механической (жирные ломаные линии / на рис. 4.3) могут занимать разное положение: быть выше основной части механической характеристики, не соприкасаясь с ней (кривые 4 на рис. 4.3, а, 6) или соприкасаясь в одной какой- либо точке (кривые 2 на рис. 4.3); пересекать ее (кривые 5 н 6 на рис 4.3, 6 н 2’ на рис. 4.3, в); быть ниже основной части механической характеристики, соприкасаясь с ней в какой-либо точке (кривые 3 на рис. 4.3,。，6) и не соприкасаясь с ней (кривая 7). Здесь и далее под основной частью механической характеристики подразумевается участок necb (рис. 4.3) между ее вертикальными частями, соответствующими максимальному и минимальному зазорам. Очевидно, что при напряжении, соответствующем статической тяговой характеристике 2, якорь притянется к сердечнику, так как при этом напряжении при всех зазорах в диапазоне от бШах до 6mm
Рнс. 43 Статические (2, 2', 3, 4, 5, 6, 7), динамическая (2") и механическая (/) характеристики электромагнитного реле
статическая электромагнитная сила больше механической или равна ей, причем состояние подвижной системы реле, соответствующее бтах на рис. 4.3,q, можно считать состоянием неустойчиво- го равновесия (при любом бесконечно малом увеличении напряже- ння питания обмотки или бесконечно малом уменьшении зазора ЯКОРЬ начнет перемещаться в сторону дальнейшего уменьшения зазора вплоть до 6m】n). Состояние подвижной системы реле, соот-
ветствующее зазору бтш, при котором тяговые характеристики 2 пересекаются с механической / в точке m (рис. 4.3, а, 6),— состояние устойчивого равновесия (при некотором, даже не бесконечна малом изменении напряжения питания якорь реле останется при 6min неподвижным, при некотором — тоже не бесконечно малом — случайном увеличении зазора возникнут силы, возвращающие якорь в конечное положение, при котором зазор равен 6тщ).
При приложении к обмотке реле напряжения, соответствующего статическим тяговым характеристикам 5, 6 (рис. 4.3,6) и 2’ (рис. 4.3,8), пересекающим основную часть механической характеристики (на длине ес), реле может сработать, а может и не сработать. На рис. 4.3, в показана статическая тяговая характеристика 2’ и соответствующая этому же напряжению динамическая характеристика 2" того же реле. Динамическая тяговая характеристика электромагнита постоянного тока при срабатывании всегда лежит ниже статической, так как мгновенный ток %х в обмотках (см. рис- 3.6,。)такого реле всегда меньше установившегося тока, соответствующего статической тяговой характеристике. Это значит, что мгновенный поток в зазоре, создающий электромагнитную снлу, меньше установившегося.
При зазорах от бшах до зазора 6СК (рис. 4.3, в) тяговая характеристика 2’ лежит выше механической. Суммарная сила Рх, действующая на якорь реле и равная разности электромагнитной динамической Рзм.д и механической Рмх, увеличивает скорость движущихся частей реле (так как Р* при уменьшении зазора увеличивается, то увеличивается также и ускорение). Движущиеся массы приобретают кинетическую энергию, равную работе 4 суммарной силы на участке от бтах до бек и пропорциональную площади криволинейного треугольника abc (рис. 4.3,s). При зазорах от 6СН до 6’ электромагнитная сила меньше механической (6‘ ——зазор, при котором эти силы равны). На этом участке суммарная сила, равная разности механической и электромагнитной динамической силг уменьшает скорость движущихся частей. При этом кинетическая энергия, накопленная ими при движении на пути от dmax до бСк, переходит в потенциальную энергию сжатых пружин. Работа Л2 суммарной силы на этом участке пропорциональна площади криволинейного треугольника ade на рис. 4.3,8. Если А{>А2 (площадь abc больше площади ade), то подвижная система реле будет продолжать движение вплоть до 6mn причем на участке от 6’ до 6т1п она будет ускоряться под действием силы Рх=Рзм.д——Рмх, накапливая кинетическую энергию. Если 4 <4, то после нескольких колебаний подвижная система реле остановится при зазоре 6ск- Такой режим следует рассматривать как аварийный, так как при этом не обеспечивается нормальное нажатие соприкасающихся контакт- деталей.
Так как динамические тяговые характеристики при приложении к обмотке того же напряжения, которое прикладывается при получении статических тяговых характеристик 2 (рис. 4.3), соприкасаю-
щихся с основной частью механической характеристики / в одной точке (при бтах на рис. 4.3, а и 6СК на рис. 4.3, б, в), лежат ниже статических тяговых, то при таком взаимном положении статических тяговых и механической характеристик возможно некоторое замедление движения якоря реле, иногда даже кратковременная остановка при некотором промежуточном зазоре. После этого реле все же срабатывает.
Для того чтобы отклонения в размерах и характеристиках элементов реле, допустимое снижение напряжения питания, увеличение температуры окружающей среды не повлияли на надежность срабатывания реле, рабочее значение напряжения питания выбирают таким, при котором при критическом зазоре 6Кр будет обеспечен необходимый запас по силе при номинальных значениях всех параметров. Критический зазор ——это зазор, при котором статическая тяговая характеристика при срабатывании, лежащая выше основной части механической и имеющая с этой частью одну общую точку, соприкасается с последней. На рис. 4.3, а зазор 6кр= ■— бщах, НН рИС. 4.3, 6, 8, ЗЗЗОр 6кр=== 6сн・
Коэффициент запаса по силе при срабатывании ^3 р ср= ==^>эм.кр/Рмх.кр* Рэм.кр и Рмх.кр показаны на рис. 4.3, о, 6. При выборе коэффициента запаса АзРср при проектировании реле кроме перечисленных выше факторов необходимо учитывать также и то, что увеличение 々зРср приводит к увеличению массы, габаритов, потребляемой мощности, вибрации якоря и ускоряет механический износ реле, так как деформация элементов реле и расшатывание его происходят главным образом за счет энергии, накапливаемой подвижной системой при движении.
После состояния завершенного срабатывания, при котором якорь находится в положении, соответствующем bmm, возврат якоря в начальное положение может быть осуществлен путем снижения напряжения питания, размыкания или закорачивания обмотки. Рассмотрим первый путь. На рис. 4.3,6 показаны статические тяговые характеристики 6 н 5, соответствующие напряжениям, при которых при зазорах от 6mhi до бек электромагнитная сила меньше механической или равна ей. Последняя в данном случае является движущей. Якорь реле начнет движение в сторону увеличения рабочего зазора. При этом состояние завершенного возврата, при котором якорь возвращается в положение, соответствующее бтах, может произойти, а может и не произойти. Все будет зависеть от соотношения между динамическими тяговыми и механической характеристиками. При напряжении, соответствующем статической тяговой характеристике 3 (рис. 4.3, а, б), якорь вернется в начальное положение (бтах), так как при этом напряжении при всех зазорах механическая сила больше электромагнитной силы или равна ей. При этом напряжении питания состояние подвижной системы реле, соответствующее при 6mhi точке л соприкосновения тяговой $ и механической / характеристик на рис. 4.3, о,——состояние неустойчивого равновесия, а состояние подвижной системы реле, соответ-
ствующее при зазоре 6тах точке q пересечения рассматриваемых характеристик,——состояние устойчивого равновесия.
Для того чтобы отклонения в размерах и характеристиках элементов реле, допустимое повышение напряжения источника питания, уменьшение температуры окружающей среды не повлияли на надежность возврата реле, рабочее значение напряжения при возврате следует выбрать таким, чтобы обеспечить при номинальном значении всех параметров требуемый запас по силе при возврате. При этом статическая электромагнитная характеристика займет положение кривой 7 (рис. 4.3, а). Так как возврат электромагнитного логического реле осуществляется чаще всего простым размыканием его обмотки, то необходимо по крайней мере сопоставить статическую механическую характеристику и статическую тяговую характеристику, соответствующую остаточным потокам.
Наибольшее влияние на вид тяговых характеристик оказывает форма полюсов электромагнита и род питающего тока.
Рис. 4.4. Клапанные электромагниты без полюсного наконечника (а) и с полюсным наконечником (б)Рис. 4.4. Клапанные электромагниты без полюсного наконечника (а) и с полюсным наконечником (б)Сравнение тяговых характеристик клапанных электромагнитов постоянного тока с полюсным наконечником и без него. Сравним два электромагнита (рис. 4.4, а, 6), которые отличаются друг от друга только тем, что у электромагнита рис. 4.4, а диаметр сердечника d по всей длине одинаков, а у электромагнита рис. 4.4,6 конец сердечника длиной Дп.н оформлен в виде полюсного наконечника диаметром D>d.
Рис. 4.4. Клапанные электромагниты без полюсного наконечника (а) и с полюсным наконечником (б)
Рис. 4.4. Клапанные электромагниты без полюсного наконечника (а) и с полюсным наконечником (б)
Считаем, что в системе с полюсным наконечником, несмотря на уменьшение расстояния между внутренней боковой поверхностью по~ люсного наконечника и вертикальной частью ярма, между ними нет потока рассеяния (с боковой по
верхности полюсного наконечника МС рис. 4.4, б, как и с боковой поверхности сердечника длиной Дп.н МС рис. 4.4, а, весь поток замыкается на якорь). Предполагаем, что вращающие моменты создаются только электромагнитными силами, действующими по оси сердечника в основном рабочем зазоре 6. Далее под рабочим зазором имеем в виду только этот зазор.
Сравним силы, создаваемые электромагнитами рис. 4.4, в двух крайних случаях: 1) магнитное сопротивление Rmg рабочего зазора значительно меньше суммы сопротивлений нерабочих зазоров Rm6h и магнитопровода Rm.m\ 2)Rm6》Rmgh + Rm* Первый случай обычно имеет место при минимальном рабочем зазоре, при котором приближенно можно считать, что вся МДС обмотки расходуется на преодоление сопротивления магнитопровода и нерабочих зазоров. Так как магнитопроводы обеих систем практически оди- наковы, нерабочие зазоры и МДС одинаковы, то можно считать^ 92
что при минимальном зазоре у сравниваемых систем одинаковы рабочие потоки Фв.
В общем случае Фв=Фт + Фв» где Фт — поток между обращенным к рабочему зазору торцом сердечника (или полюсного наконечника) и якорем; Фв ——поток выпучивания. При минимальном рабочем зазоре обычно ①т》①в, поэтому можно принять фв=фт.
По формуле Максвелла, сила притяжения якоря
эм=①：/(2 氏 S), (4.1) где S — площадь торца сердечника (или полюсного наконечника) г обращенного к зазору (Si=nd2/4; S2=nD2/4), Так как Si<S2, то при минимальном зазоре сила электромагнита без полюсного наконечника больше силы, создаваемой электромагнитом с полюсным наконечником.
Второй случай (Rm6》Rm6h+Rm.*) обычно имеет место при максимальном зазоре, при котором можно считать, что магнитное напряжение на сопротивлениях магнитопровода и всех зазоров, кроме рабочего, равно нулю. Тогда при равных длинах зазора б индукция Вт—Фт/S в зазорах обеих систем будет одинакова, так как ОДИ НЭ КОВЫ ?\^^^С 尸—~ Uмб Нтб -- В тб/卩0*
По формуле Максвелла, электромагнитная сила
(4・2)(4・2)^эм=&S/(2[i0).
(4・2)
(4・2)
Так как S2>Si, то при одинаковых МДС и зазоре сила, разви
ваемая электромагнитом с полюсным наконечником, больше силы»
Рис. 4.5. Статические тяговые характеристики клапанных электромагнитов без полюсного наконечника (/) и с ним (2)Рис. 4.5. Статические тяговые характеристики клапанных электромагнитов без полюсного наконечника (/) и с ним (2)развиваемой таким же электромагнитом без полюсного наконечника.
Рис. 4.5. Статические тяговые характеристики клапанных электромагнитов без полюсного наконечника (/) и с ним (2)
Рис. 4.5. Статические тяговые характеристики клапанных электромагнитов без полюсного наконечника (/) и с ним (2)
Проведенное сравнение показало, что электромагнит постоянного тока с полюсным наконечником имеет более пологую тяговую характеристику, чем аналогичный электромагнит без полюсного наконечника (рис. 4.5). Для реле с входом на постоянном токе чаще всего используются электромагниты с полюсным наконечником по двум причинам; тяговая характеристика на постоянном токе даже при наличии полюсного наконечника получается достаточно крутой; электромагнит с полюсным наконечником при максимальном зазоре создает большую силу, чем электромагнит без полюсного наконечника. Так как начало движения якоря
при срабатывании происходит при 6Шах, то
наиболее существенным обычно бывает отличие в силах, создавае
мых электромагнитом именно при этом зазоре.
Рис. 4.5 показывает, что преимущества МС с полюсным нако
нечником перед МС без полюсного наконечника увеличиваются по мере увеличения 6mm. При 6min = 6mid электромагнит с полюсным
наконечником развивает большую силу при всех возможных во время работы положениях (6mid — зазор, при котором тяговые характеристики сравниваемых электромагнитов пересекаются).
Сравнение электромагнитов постоянного и переменного тока реле с обмотками напряжения. Имеются в виду электромагниты обычной конструкции, с полюсами, имеющими плоские торцы, без лолюсных наконечников (например, как на рис. 1.4, а, 0). Магнитопровод на постоянном токе сплошной, на переменном шихтованный.
Изменение тока в обмотке при срабатывании и возврате электромагнита постоянного тока (см. рис. 3.6, а) показывает, что в динамике в его обмотке ток всегда меньше установившегося значения
В § 2.2 показано, что электромагнит переменного тока обладает автоматической форсировкой: действующий ток в его обмотке при притянутом якоре всегда меньше, чем при других его положениях ]см. (2.24)]. Выгода такой форсировки очевидна: при максимальном зазоре, когда требуется большая МДС для преодоления большого магнитного сопротивления рабочего зазора, обмотка создает ее автоматически; при минимальном зазоре, когда большая МДС не требуется, обмотка ее автоматически снижает. Время переходного процесса при включении, в течение которого действующий ток б обмотке оказывается больше действующего тока при притянутом якоре, обычно значительно меньше времени, в течение которого ток в обмотке равен току при притянутом якоре (при не слишком частых коммутациях). Поэтому габариты обмотки (а значит, и всего электромагнита) обычно определяются ее нагревом током при притянутом якоре. Аналогичное изменение МДС в процессе включения электромагнита постоянного тока можно получить только с помощью специальной схемы.
Автоматическая форсировка тока в обмотке электромагнита переменного тока превращается в недостаток тогда, когда существует вероятность заедания якоря в начальном или промежуточном положениях (например, при работе в условиях сильной запыленности). Так как в начальном и во всех промежуточных положениях якоря ток больше, чем ток при притянутом положении, на который обычно рассчитана обмотка, то в случае заедания она, как правило, перегревается (часто просто сгорает).
Изменение электромагнитной силы с и з м е не н и- ем длины зазора. Для электромагнита постоянного тока по (4.1) с учетом (1.40) при допущении фт=фб без учета сопротивления магнитопровода и нерабочих зазоров электромагнитная сила 尸^==咸/(2師$=出5尸/(232).(4.3)
Уравнение (4.3) показывает, что сила, развиваемая электромагнитов постоянного тока, еще больше, чем его поток, зависит от длины зазора. Реально она изменяется в меньшей степени, чем по (4.3), из-за влияния потоков выпучивания, сопротивления магнитопровода и других факторов.
В § 2.2 было показано, что рабочий поток электромагнита переменного тока с уменьшением длины зазора от максимального до минимального увеличивается в значительно меньшей степени, чем поток электромагнита постоянного тока [ср. (2.25) и (1.40)]. Так как электромагнитная сила пропорциональна квадрату потока [см. (4.1)], то и сила электромагнита постоянного тока увеличивается при уменьшении зазора в значительно большей степени, чем у электромагнита переменного тока (тяговая характеристика на постоянном токе существенно круче, чем на переменном).
Электромагнитныесилы при одинаковых индукции и площади попереч ного сечения полюсов. Для упрощения будем сравнивать МС с одним рабочим зазором. Если создать в зазоре электромагнита переменного тока такую индукцию, амплитудное значение которой Втт равно индукции в зазоре электромагнита постоянного тока, то при одинаковой площади сечения полюсов электромагнит переменного тока создаст среднюю за период силу Рам~, примерно в 2 раза меньшую, чем электромагнит постоянного тока. Это произойдет потому, что Ам〜 определяется по (4.2) при ВТ=ВТ^ действующей индукцией Вт^ = = BTmJV 2.
Масса и габариты при одинаковых электромаг* нитной силе и индукции. Если одинаковы электромагнитные силы и Втт~=Вт=, то по соображениям, изложенным при предыдущем сравнении, площадь поперечного сечения магнитопрово- да на переменном токе должна быть примерно в два раза больше^ чем на постоянном. Такое соотношение между индукциями (Втш〜= Вт=) характерно для многих электромагнитов при притя- нутом якоре, например для удерживающих электромагнитов, специально предназначенных для создания усилия практически без перемещения при зазорах, близких к нулю. В магнитопроводах этих электромагнитов индукции делаются такими, что их дальнейшее повышение становится нерациональным. Примерно они одинаковы на переменном и постоянном токе (на переменном токе имеется в виду амплитуда индукции). В таких условиях сравнения можно сказать, что материал магнитопровода электромагнитов переменного тока используется хуже, чем электромагнитов постоянного тока.
Так как у электромагнитов переменного тока обычно не удается полностью устранить пульсацию силы, то в сравниваемом случае для устранения вибрации якоря следует дополнительно увеличить площадь поперечного сечения магнитопровода, чтобы не сред* няя, а минимальная тяговая сила электромагнита переменного тока была равна силе, развиваемой электромагнитом постоянного тока. Сравнение показывает, что удерживающие электромагниты лучше проектировать на постоянном токе.
Масса и габариты реле при одинаковых механизмах и конта ктн ой системе. Такие реле имеют одинаковую механическую характеристику. Дополнительные условия
95
сравнения: частота коммутацйй такова, что тепловой режим обмотки электромагнита переменного тока определяется только током при притянутом якоре (тепловым действием бросков тока при включении пренебрегаем); зазор 16mm близок к нулю.
Сравним сначала короткоходовые электромагниты (под корот
коходовыми здесь имеются в виду электромагниты, у которых отношение хода якоря (6max—6min) к бтш значительно меньше, чем у ллинноходовых. В этом смысле короткоходовые электромагниты близки к удерживающим.
На рис. 4.6, а сплошными тонкими кривыми показаны статиче
оптимально спроектированных корот-
ские тяговые характеристикиские тяговые характеристикиРис. 4.6. Сравнение электромагнитов постоянного и переменного тока реле с обмотками напряженияРис. 4.6. Сравнение электромагнитов постоянного и переменного тока реле с обмотками напряжениякоходовых электромагнитов постоянного тока (кривая /) и переменного тока (кривая 2), а жирной ломаной линией 3 — их механическая характеристика. У обоих сравниваемых электромагнитов зазор бтах] бл ИЗОК К fimiii- Под оптимально спроектированными электромагнитами здесь понимаем электромагниты, минимальные по массе, развивающие При бтах! одинаковую среднюю силу и имеющие одинаковую температуру обмотки. По со
ские тяговые характеристики
ские тяговые характеристики
Рис. 4.6. Сравнение электромагнитов постоянного и переменного тока реле с обмотками напряжения
Рис. 4.6. Сравнение электромагнитов постоянного и переменного тока реле с обмотками напряжения
ображениям, изложенным в предыдущем подразделе, можно сказать, что чем ближе 6maxi к бпипл тем более вероятно, что электро
магнит постоянного тока окажется меньших размеров, чем электромагнит переменного. Преимущества электромагнита постоянного тока будут увеличиваться при увеличении крутизны наклонной (основной) части механической характеристики.
Штриховыми кривыми на рис. 4.6, а показаны тяговые характеристики тех же электромагнитов при больших, чем бщахь зазорах. При 6max2 3>6min сила, развиваемая электромагнитом переменного тока, во много раз больше, чем постоянного.
Электромагнит переменного тока с характеристикой 2 (рис. 4.6,。，6) обеспечит срабатывание реле не только с механической характеристикой 3 на рис. 4.6, а, но и с механической характеристикой 5 на рис. 4.6, б.
Электромагнит постоянного тока обеспечит срабатывание реле с механической характеристикой 5 только в том случае, если он бу-
дет иметь тяговую характеристику 4 (рис. 4.6,6). Это возможно только при МДС, значительно большей, чем у того электромагнита постоянного тока, который имел характеристику / на рис. 4.6, а. При одинаковой температуре обмоток электромагнит постоянного тока может иметь характеристику 4 только за счет увеличения габарита и массы. В этих условиях, при которых мы фактически сравниваем длинноходовые электромагниты, специально спроектированные для реле с одинаковой механической характеристикой, масса электромагнита постоянного тока может оказаться больше массы электромагнита переменного тока. Однако если при 6тах2 электромагниты постоянного н переменного тока должны обеспечивать срабатывание реле с круто поднимающейся механической характеристикой 6 (рис. 4.6, б), то меньшей массы может оказаться электромагнит постоянного тока.
Выводы. При заданных ходе в контакте (раствор + провал), контактном нажатии и характеристике^ возвратной пружины электромагнит постоянного тока будет тем меньших размеров, чем меньшим перемещением якоря (изменением длины рабочего зазора) мы обеспечим заданный ход в контакте. Электромагнит переменного тока — наоборот. Для электромагнитов постоянного тока выгодно поэтому увеличивать в разумных пределах /ки/А (см. рис. 4.1,。), а для электромагнитов переменного тока — уменьшать. Действительно, на постоянном токе увеличение /кц//б, например, в 2 раза позволяет уменьшить ход якоря в 2 раза (при заданном ходе в контакте) и потребует увеличить электромагнитную силу в 2 раза по сравнению с требуемым усилием в контакте. Но уменьшение зазора в 2 раза приведет в соответствии с (4.3) к увеличению силы примерно в 4 раза. Так как силу нужно увеличить всего в 2 раза, то можно уменьшить МДС, т. е. в конечном счете массу и габарит электромагнита при той же температуре обмотки. Электромагниты реле постоянного тока часто поэтому делаются клапанными (см. рис. 3.1 и 4.1,。)，в которых /ки>/б (это правило по конструктивным и другим соображениям не всегда выполняется). На переменном токе получили большее распространение реле с прямоходовыми МС (см. рис. 4.1,8)； в таких реле ход в контакте равен ходу якоря.
Для заданного хода в контакте и требуемого контактного нажатия вопрос о том, какой из электромагнитов, постоянного или переменного тока, окажется минимальным по массе, можно решить только в каждом конкретном случае часто только расчетным путем. При сравнении электромагнитов переменного и постоянного тока необходимо учитывать также и другие факторы, о которых здесь не говорилось и которые влияют на выбор рода тока питания (технологичность, механическая износостойкость, надежность и пр.). Большинство малогабаритных и миниатюрных реле работают на постоянном токе. Электромагнитные реле относительно больших размеров, например реле управления серии РПЛ (см. § 4.2), получаются меньшей массы на переменном токе; удерживающие и ко-
роткоходовые электромагниты — на постоянном токе, длинноходовые——на переменном.
В условиях высокой запыленности работа электромагнитных реле открытого исполнения с управлением от цепи переменного тока становится ненадежной, так как заедание якоря в начальном положении обычно приводит к перегреву обмотки и выходу ее из строя. Поэтому реле управления, предназначенные для тяжелых условий работы [16], выполняются обычно с магнитной системой клапанного типа с управлением от цепи постоянного тока, и это несмотря на их большие габариты, чем у реле переменного тока с тем же механизмом и контактной системой.
Механическая износостойкость электромагнитов постоянного тока, элементы магнитопровода которых выполняются обычно сплошными, как правило, существенно выше, чем электромагнитов переменного тока, магнитопровод которых выполняется из отдельных пластин, которые должны быть скреплены между собой и вместе с тем изолированы друг от друга электрически.
Электромагнитные релег выпускаемые отечественной промышленностью
Реле для промышленной автоматики. Эти реле относятся к самым большим по габаритам и занимают промежуточное положение между силовыми коммутационными аппаратами (контакторами, силовой полупроводниковой техникой) и слаботочной частью схем автоматики. В этой области применения наиболее массовым видом электромагнитных реле являются реле для управления электроприводами (реле управления) [16], а среди ннх ——промежуточные реле. Для реле управления характерно применение в повторно-кратковременном и прерывисто-продолжительном режимах с числом коммутаций в час до 3600 при высокой механической и коммутационной износостойкости. Последняя для промежуточных реле управления выбирается из ряда, расположенного в диапазоне (0,16-4-6,3) -106 циклов коммутаций. Рассмотрим более подробно разработанные и освоенные в последние годы промежуточные реле серий РП21, РП20 и РПЛ с приставками. Приставки——пристраиваемые к аппарату устройства, которые действуют совместно с аппаратом, расширяя его функциональные возможности. Приставки реле РПЛ не изменяют его установочные размеры (изменяют только высоту реле).
Реле серии РПЛ совместно с контактными приставками серии ПКЛ, пневматическими приставками выдержки времени серии ПВЛ и приставками памяти серии ППЛ применяются для коммутации цепей постоянного тока с напряжением до 440 В и переменного тока частотой 50 и 60 Гц с напряжением до 660 В. Ток выходной цепи реле, допустимый в продолжительном режиме, 10 А. Реле РПЛ выпускаются в двух модификациях: РПЛ-1 с питанием входной цепи на переменном токе (рис. 4.1, в) и РПЛ-2 с питанием на постоянном токе. Конструктивно они отличаютси друг от друга только магнитной системой.
Габаритные размеры РПЛ-1 равны 44X67X74,5 мм, масса 0,32 кг, полная мощность (при притянутом якоре) 9 В-А; размеры РПЛ-2 равны 44X87X114 мм, масса 0,73 кг, потребляемая мощность 14 Вт.
Приставки контактные ПКЛ отличаются количеством контактов (0, 1, 2, 4 замыкающих; 0, 1, 2, 4 размыкающих. ПКЛ-2 — с двумя контактами, ПКЛ-4 — с четырьмя). Пневмоприставки могут создавать выдержку времени в диапазонах 0,1—30 и 10—180 с при включении (ПВЛ-1) нли при отключении (ПВЛ-2). Выдержка времени вводится по шкале уставок регулятором, изменяющим длину канала, по которому воздух из герметичного объема в процессе срабатывания
перетекает в окружающее пространство.
Приставка памяти ППЛ-04 превращает реле РПЛ в двустабильное. Она состоит из электромагнита и защелки, которая позволяет удерживать контактную систему реле во включенном положении после обесточивания обмотки реле. При подаче напряжения на обмотку приставки памяти происходит освобождение защелки, и реле возвращается в состояние, соответствующее начальному состоянию одностабильного реле.
Кинематика работы замыкающих контактов показана на рис. 4.1,8 и 4.7. При движении от положения, соответствующего рис. 4.7, а, до положения рис. 4.7, 6 контактный мостик 8 пере
Рис. 47. Замыкающий контактный узел реле РПЛ в момент соприкосновения контакт-деталей (а) и в конечном положении (6); п — провал контактаРис. 47. Замыкающий контактный узел реле РПЛ в момент соприкосновения контакт-деталей (а) и в конечном положении (6); п — провал контактамещается вверх на длину Дк под давлением направляющей 3, проходящей через отверстие в мостике н перемещающейся влево вместе с тигой 6. Давление иа мостик 8 со стороны направляющей 3 создается потому, что последняя на некоторой ее длине не перпендикулярна мостику. В результате проскальзывания контакт-дета- лей мостика относительно неподвижных контакт-деталей 2’ и 2" происходит самозачистка их поверхностей во время работы.
Рис. 47. Замыкающий контактный узел реле РПЛ в момент соприкосновения контакт-деталей (а) и в конечном положении (6); п — провал контакта
Рис. 47. Замыкающий контактный узел реле РПЛ в момент соприкосновения контакт-деталей (а) и в конечном положении (6); п — провал контакта
Реле промежуточные
многоконтактные серии РП20 применяются в цепях управления электроприводами для коммутации переменного тока частотой 50 и 60 Гц с напряжением до 440 В и по-
стоянного тока с напряжением до
220 В. По конструкции близки к ре
ле, показанному на рис. 3.1. Предусмотрены двустабильные исполнения. Выполняются с тремя модификациями контактных систем: РП20-1 с раздвоенными контактными элементами (типа показанных на рис. 4.1,6), нх общее количество—до 12; РП20-2 с одинарными контактными элементами без специального устройства для гашения дуги; РП20-3 с одинарными контактными элементами со специальным устройством для гашения дуги (осуществляется с помощью постоянного магнита). Раздвоенные контактные элементы позволяют существенно отодвинуть в область еще меньших значений нижнюю границу диапазона надежно коммутируемых токов. Реле РП20-2 и РП20-3 могут иметь до восьми контактов.
Реле РП20-2 может коммутировать 4- 10е раз цепь с напряжением 380 В и током 0,27 А по категории А-12 (см. табл. 3.1) и цепь с напряжением 220 В и током 0,08 А по категории Д-12. Реле РП20-3 прн 220 В и категории Д-12 коммутирует 4-106 раз ток 0,2 А. Масса реле РП20-1 и РП20-2 составляет 0,16 кг; РП20-3 0,18 кг. Габаритные размеры 82x71X25 мм. Реле серии РП20 — универсальное (изменение рода тока на входе потребует замены только обмотки). Вы- Держка времени может быть получена с помощью приставки времени серии РП20-8, которая предназначена для работы в комплекте с реле серии РП20. Ее масса 0,08 (6,1) кг, выдержка времени (в зависимости от исполнения) 0,5—5; 1—10 и 3—30 с. Приставка бесшкальная, регулировка выдержки плавная. Кон-
струкцня реле и приставки позволяет быстро монтировать их на установочную рейку с помощью защелки.
Реле серин РП21 — электромагнитные промежуточные универсальные одностабильные—предназначены для установки в устройствах торговой, медицинской, множительной техники, а также для цепей управления электроприводами переменного тока частотой 50 или 60 Гц, напряжением до 240 В при числе контактов 3 и 4 и до 380 В —для 1- и 2-контактных, а также в цепях постоянного тока с напряжением до 220 В. Конструктивно реле выполнено по схеме рис. 4.1, а. Масса 0,08 кг, габаритные размеры 33X33X45 мм.
Особенности реле промышленной автоматики и тенденции в области их конструирования. При длительно допустимом токе контактов порядка 10 А характерны МС прямоходового типа с мостиковыми контактами (по рис. 4.1, в). Такие реле с входом на постоянном токе, как правило, имеют большую массу и габариты, чем реле с входом на переменном токе. Реле на длительно допустимый ток контактов около 5 А обычно имеют клапанную универсальную МС и контактную систему из прямых, плоских, консольно закрепленных пружин (как на рис. 3.1 и 4.1, а).
Логические операции (память, выдержка времени и др.) выполняются либо с помощью соответствующих приставок, как это сделано у реле серии РПЛ, либо в одном модуле, как это сделано, например, у реле серий CA2-F и RH французской фирмы «Телемеханик». В обоих случаях упрощается заводское изготовление станций управления.
Реле управления открытого исполнения, предназначенные для тяжелых условий работы [16] (например, на предприятиях металлургической промышленности, при высокой запыленности воздуха, в том числе при наличии токопроводящей пыли), для повышения надежности работы имеют магнитную систему, как правило, клапанного типа с управлением от цепи постоянного тока. По своему габариту и массе эти реле существенно превосходят электромагнитные реле, не предназначенные для работы в таких условиях, близки по этим показателям к контакторам.
Реле защиты. Эти реле применяют преимущественно в продолжительном режиме работы; у них значительно меньше, чем у реле управления, механическая и коммутационная износостойкость. Последняя, например, по ГОСТ 11152——82 на промежуточные и указательные низковольтные реле защиты — от 1 • 103 до 20-103 циклов. В настоящее время отечественная промышленность выпускает электромагнитные реле защиты многих серий, основные из которых следующие： 1) промежуточные (РП16, РП17, РП18) по ГОСТ 11152—82; 2) указательные (РУ-1 и др.) по ГОСТ 11152—82； 3) тока (РТ40, РТ40/1Д, РТ40/Р, РТ40/Ф) по ГОСТ 3698-82; 4) напряжения (РН51, РН53, РН53/60Д, РН54, РН58, РН153/60Д) по ГОСТ 3699-82.
Эл е к т р о м а г н и т н ы е реле тока серин РТ40 (рис. 4.8 к 4.9). На 1НИХТОВИПНОМ магнитопроводе 6 П-образной формы расположены две намагничивающие катушки 7, создающие поток Ф, который замыкается по стальному яко- 100
рю 3, очень легкому для увеличения быстродействия. Под действием электромагнитных сил якорь стремится повернуться по часовой стрелке (рис. 4.9) до правого упора 2. Под действием механических сил, создаваемых спиральной пружиной 14 (рис. 4.8), якорь стремится повернуться против часовой стрелки до левого упора 2. При токе срабатывания электромагнитная сила при всех углах поворота якоря, от начального до конечного, больше механической, поэтому, если ток достигает тока срабатывания, якорь повернется вплоть до упора 1. С якорем жестко связаны посредством изоляционного рычага 8 два электропроводящих подвижных контактных мостика 10. В начале поворота якоря при сраба-
Рнс. 4.8. Электромагнитное реле тока типа РТ40 (схематично, при начальном угле поворота якоря)Рнс. 4.8. Электромагнитное реле тока типа РТ40 (схематично, при начальном угле поворота якоря)Рис. 4.9. Якорь и сердечник реле РТ40 в сечении плоскостью mnpabcd (рис. 4.8)Рис. 4.9. Якорь и сердечник реле РТ40 в сечении плоскостью mnpabcd (рис. 4.8)
Рнс. 4.8. Электромагнитное реле тока типа РТ40 (схематично, при начальном угле поворота якоря)
Рнс. 4.8. Электромагнитное реле тока типа РТ40 (схематично, при начальном угле поворота якоря)
Рис. 4.9. Якорь и сердечник реле РТ40 в сечении плоскостью mnpabcd (рис. 4.8)
Рис. 4.9. Якорь и сердечник реле РТ40 в сечении плоскостью mnpabcd (рис. 4.8)
Тываннн правый мостик разомкнет контакт-деталн 9, левый в конце поворота якоря замкнет контакт-деталн 13. Поворот якоря против часовой стрелки начнется при токе возврата.
Реле должно иметь достаточно высокий коэффициент возврата. Этого мож- н。достигнуть, если приблизить тяговую характеристику реле к механической. Чрезмерное сближение нх при конечном положении якоря приведет, однако, к очень малым нажатиям на замыкающих контактах. Оптимальное согласование характеристик осуществляется изменением положения упоров / н 2. Грубая регулировка тока срабатывания (изменение в 2 раза) осуществляется путем различного (последовательного или параллельного) соединения обмоток 7 (на рис. 4.8 они соединены параллельно). Плавное изменение тока срабатывания осуществляется путем перемещения указателя уставки 11 по шкале уставок 12. Указатель уставки // соединен с пружиной 14 и закручивает (при движении направо) илн ослабляет ее, поднимая или опуская тем самым механическую характеристику реле.
Описанное реле может работать как на постоянном, так и на переменном токе. Для устранения вибраций якоря, которые возникают на переменном токе, применяется гаситель колебаний 5, в котором энергия колебания переходит в работу трения песчинок.
Реле напряжения серин РН50 отличается от описанного реле серин РТ40 следующим: 1) обмотками напряжения с большим числом витков провода меньшего диаметра; 2) отсутствием гасителя колебаний 5 (см. рис. 4.8). Так как ток в обмотках реле РН50 относительно невелик, то для предотвращения внбра- ции якоря применяется выпрямительная схема.
Подробнее об электромагнитных реле защиты можно прочитать в [21].
Реле для радиоэлектроники. По номенклатуре и количеству серий эти реле — самые многочисленные. С развитием автоматизации количество реле, применяемых в радиоэлектронной аппаратуре, непрерывно возрастает, происходит постоянное совершенствование реле, уменьшение их массы и габаритов. К реле этой группы относятся реле, которые могут коммутировать на постоянном токе — до 10 А, 300 В и 300 Вт; на переменном токе с частотой до 10 кГц — до 10 А, 380 В н 1000 В*А; на переменном токе с частотой более 10 кГц — до 2 А, 300 В и 100 В-А. При этом часто предъявляются повышенные требования к надежной коммутации низких токов и напряжений (порядка 10~6 А и 10-2 В). Общие технические условия на реле этой группы сформулированы в [2].
К электромагнитным реле, применяемым в радиоэлектронной аппаратуре, предъявляется очень много самых разнообразных требований, которые все не могут быть удовлетворены в одной конструкции. Эти реле должны быть небольших габаритов и малой массы, иметь достаточное количество контактов, малую потребляемую мощность, большую разрывную мощность контактов, малое время срабатывания и отпускания, возможность получения значительного замедления, большой срок службы, большую износостойкость и т. п. Реле для радиоэлектронной аппаратуры должны надежно работать в очень тяжелых эксплуатационных условиях: при изменении температуры окружающей среды от ―60 до + 55+200°С; при вибрациях в диапазоне частот от 1 до 5000 Гц при ускорениях (перегрузках) до 40g; при многократных ударах с ускорениями от 3g при длительности 2—20 мс до 150 g при длительности 1—3 мс; при однократных ударах с ускорением от 20 g при длительности 10—50 мс до 1000 g при длительности до 0,2—1 мс; при линейных ускорениях до 500 g; прн изменениях атмосферного давления от 1 мкПа до 0,3 МПа; прн воздействиях высокой относительной влажности (98% прн температуре 35℃ без конденсации влаги и 100% при температуре 35℃ с конденсацией влаги); в условиях запыленности, морского тумана, воздействия плесневых грибов, инея с последующим оттаиванием, акустических шумов и радиоактивных излучений [7].
Реле этой группы можно разбить на несколько подгрупп. Самые большие имеют обычно конструкции, как на рис. 3.1 и 4.1,。，6, и применяются главным образом в аппаратуре связи. К ним относятся уже десятки лет выпускаемые отечественной промышленностью реле РКН, РПН, МКУ48-С и др. Самые маленькие (объемом менее 15 см3 н массой менее 50 г, будем называть их миниатюрными) имеют электромагнит с уравновешенным якорем (см. рис. 4.2); они выполняются, как правило, герметичными (защищены чехлом, предохраняющим от проникновения воды при полном погружении в воду). Разработка и серийное производство последней группы реле вызваны потребностями в аппаратуре, применяемой в основ- 102
1н^1н^力ом на подвижных объектах. Предназначены для работы в самых жестких условиях. По своим размерам и массе они соизмеримы с полупроводниковыми элементами. К наиболее характерным конструктивным особенностям миниатюрных реле можно отнести также крепление элементов контактного узла непосредственно на металлических выводах цоколя, изолированных от последнего стеклянными «слезками», и применение теплостойких обмоточных проводов и изоляционных материалов. Изготовление таких реле потребовало внедрения в производство самых современных технологических процессов: микросварки и микропайки, ультразвуковой очистки, термостатирования, откачки, газонаполнения, герметизации и т. д. Наиболее широкое применение находят миниатюрные реле с одним и двумя переключающими контактами. К таким реле, серийно выпускаемым нашей промышленностью, относятся реле типов: РЭС34, РЭС49, РЭС47, РЭС48, РЭС54, РЭС60, РЭС77, РЭС78, РЭС79, РЭС80 и др. Самое маленькое из перечисленных — РЭС80 — имеет массу 2 г; габаритные размеры 5,ЗХ Ю,4Х 10,8 (20,4) мм, 2 переключающих контакта и требует на входе 0,2 Вт для срабатывания.
1н^
1н^
Герметичное миниатюрное реле РЭС49 [7] имеет один переключающий контакт. Масса реле 3,5 г; мощность на входе, требуемая для срабатывания, 0J4 Вт; рабочая температура от —60 до 4-80°С; относительная влажность 98% при +40°С; выдерживает линейные (постоянные) ускорения 100g и 4000 ударов с ускорением 7$g.
66/43/43Рис. 4.10. Контактная система релеРис. 4.10. Контактная система релеРЭС49РЭС49(схематично)(схематично)выводы катушки реле, а так- замыкающего 8. Оболочка 2выводы катушки реле, а так- замыкающего 8. Оболочка 24.106 и4.106 ирис.рис.Контакты реле могут коммутировать активную цепь с током 0,1 А при напряжении 150 В или до шести параллельно включенных обмоток реле типа РЭС49 при напряжении 20—36 В постоянного тока. Износостойкость при этом 105 коммутаций при частоте не более 36 000 коммутаций в час, в том числе 25% коммутации при 85°С. Реле с позолоченными контактами может коммутировать токнКонтакты реле могут коммутировать активную цепь с током 0,1 А при напряжении 150 В или до шести параллельно включенных обмоток реле типа РЭС49 при напряжении 20—36 В постоянного тока. Износостойкость при этом 105 коммутаций при частоте не более 36 000 коммутаций в час, в том числе 25% коммутации при 85°С. Реле с позолоченными контактами может коммутировать токнСхематично магнитная система реле РЭС49 и его возвратная пружина 5 показаны на рнс. 4.2, б, контактная система —на рис. 4.10. Якорь 1 поворачивается по часовой стрелке (в сечении А— 4 рис. 4.2,6) вокруг оси О под действием электромагнитных сил, возникающих в рабочих зазорах между полюсами 2 электромагнита и якорем. К якорю жестко прикреплен толкатель 10 (рис. 4.® со стеклянным изолирующим шариком 7, который изгибает подвижную контактную пружину 3, консольно закрепленную иа выводе 5, изолнрованном от цоколя (основания) 9 реле с помощью стеклянной «слезки» 4. Аналогичным образом устроены не показанные иа же неподвижных контактов—размыкаю! реле герметично присоединена к цоколю.
6
6
/43
/43
Рис. 4.10. Контактная система реле
Рис. 4.10. Контактная система реле
РЭС49
РЭС49
(схематично)
(схематично)
выводы катушки реле, а так- замыкающего 8. Оболочка 2
выводы катушки реле, а так- замыкающего 8. Оболочка 2
4.10
6 и
4.10
6 и
рис.
рис.
Контакты реле могут коммутировать активную цепь с током 0,1 А при напряжении 150 В или до шести параллельно включенных обмоток реле типа РЭС49 при напряжении 20—36 В постоянного тока. Износостойкость при этом 105 коммутаций при частоте не более 36 000 коммутаций в час, в том числе 25% коммутации при 85°С. Реле с позолоченными контактами может коммутировать токн
Контакты реле могут коммутировать активную цепь с током 0,1 А при напряжении 150 В или до шести параллельно включенных обмоток реле типа РЭС49 при напряжении 20—36 В постоянного тока. Износостойкость при этом 105 коммутаций при частоте не более 36 000 коммутаций в час, в том числе 25% коммутации при 85°С. Реле с позолоченными контактами может коммутировать токн
10~8—10~3 А при напряжении 0,05—10 В. Контактные пружины 3, 6, 8 выполнены из пружинно-контактного сплава на основе серебра, не имеют контакт-дета- лей. На концах неподвижных контактных пружин 6 н 8 выдавлены сферические поверхности, по которым и происходит контактирование.
Подробные сведения о реле для радиоэлектроники, автоматики, связи содержатся в [7, 19].
Поляризованные электромагнитные реле
Поляризованные электромагнитные реле получили в настоящее время широкое распространение в технике. Несмотря на развитие и совершенствование приборов и устройств бесконтактной коммутации, применение поляризованных реле в современной аппаратуре автоматики увеличивается и промышленный выпуск их с каждым годом возрастает.
Поляризованные реле отличаются от нейтральных электромагнитных реле направленностью действия, т. е. зависимостью перемещения якоря от направления тока в рабочих обмотках, большей чувствительностью и быстродействием. В аппаратуре автоматики они играют роль логических и измерительных.
Высокая чувствительность поляризованных реле достигается благодаря наличию вспомогательного источника энергии (обычно постоянного магнита, но может быть применен и электромагнит), осуществляющего подмагничивание магнитной системы, а также благодаря сравнительно малому рабочему ходу якоря и небольшим усилиям в контактной системе.
Мощность срабатывания малогабаритных поляризованных реле составляет 10—70 мкВт, что во много раз меньше мощности срабатывания чувствительных нейтральных электромагнитных реле (20—100 мВт).
В поляризованных электромагнитах имеется два независимых потока: поляризующий и рабочий. Поляризующий магнитный поток в большинстве случаев создается постоянным магнитом, а рабочий——обмоткой управления. Существует много конструктивных разновидностей поляризованных реле, которые классифицируются по ряду признаков. По конструктивной схеме магнитной цепи различают реле с последовательной, параллельной (дифференциальной) и мостовой магнитными цепями; по числу обмоток управления——однообмоточные и многообмоточные, по числу устойчивых положений якоря ——двухпозиционные и трехпозиционные.
Поляризованное реле, как и всякое реле, состоит из воспринимающей и исполнительной частей. Каждая из этих частей имеет свои параметры и характеристики. Основными параметрами реле принято считать параметры срабатывания, возврата и временные параметры. Параметры срабатывания и возврата определяются мощностью или МДС, необходимыми для срабатывания или возврата реле.
Исполнительный (выходной) орган характеризуется параметрами, определяющими надежность действия и коммутационную способность реле. К этим параметрам относятся: сила контактного иажатия, обеспечивающая надежное замыкание коммутируемой
цепи, номинальное значение тока, протекающего через контакты, и напряжение на разомкнутых контактах.В поляризованных реле обычно используют дифференциальные “ мостовые схемы магнитных цепей, которые имеют много разновидностей. Одна из принципиальных схем поляризованного реле с дифференциальной маг* нитной цепью изображена на рис. 4.11, а. Оно состоит из магнитопровода /, на кото* ром размещена рабочая обмотка 2, состоя* щая из двух катушек, включенных последовательно и согласно. С магнитопроводом жестко скреплен постоян' ный магнит 3, создающий поляризующий поток Фп. Поворачиваю-цепи, номинальное значение тока, протекающего через контакты, и напряжение на разомкнутых контактах.В поляризованных реле обычно используют дифференциальные “ мостовые схемы магнитных цепей, которые имеют много разновидностей. Одна из принципиальных схем поляризованного реле с дифференциальной маг* нитной цепью изображена на рис. 4.11, а. Оно состоит из магнитопровода /, на кото* ром размещена рабочая обмотка 2, состоя* щая из двух катушек, включенных последовательно и согласно. С магнитопроводом жестко скреплен постоян' ный магнит 3, создающий поляризующий поток Фп. Поворачиваю-Рис. 4.11. Поляризованные реле:а — с дифференциальной магнитной цепью; 6 — с мостовой магнитной цепьюРис. 4.11. Поляризованные реле:а — с дифференциальной магнитной цепью; 6 — с мостовой магнитной цепьющийся якорь 4 одним концом закреплен на оси, расположенной около торца постоянного магнита, а другой конец может перемещаться от одного полюса магнитопровода к другому.
цепи, номинальное значение тока, протекающего через контакты, и напряжение на разомкнутых контактах.
В поляризованных реле обычно используют дифференциальные “ мостовые схемы магнитных цепей, которые имеют много разновидностей. Одна из принципиальных схем поляризованного реле с дифференциальной маг* нитной цепью изображена на рис. 4.11, а. Оно состоит из магнитопровода /, на кото* ром размещена рабочая обмотка 2, состоя* щая из двух катушек, включенных последовательно и согласно. С магнитопроводом жестко скреплен постоян' ный магнит 3, создающий поляризующий поток Фп. Поворачиваю-
цепи, номинальное значение тока, протекающего через контакты, и напряжение на разомкнутых контактах.
В поляризованных реле обычно используют дифференциальные “ мостовые схемы магнитных цепей, которые имеют много разновидностей. Одна из принципиальных схем поляризованного реле с дифференциальной маг* нитной цепью изображена на рис. 4.11, а. Оно состоит из магнитопровода /, на кото* ром размещена рабочая обмотка 2, состоя* щая из двух катушек, включенных последовательно и согласно. С магнитопроводом жестко скреплен постоян' ный магнит 3, создающий поляризующий поток Фп. Поворачиваю-
Рис. 4.11. Поляризованные реле:
а — с дифференциальной магнитной цепью; 6 — с мостовой магнитной цепью
Рис. 4.11. Поляризованные реле:
а — с дифференциальной магнитной цепью; 6 — с мостовой магнитной цепью
Поток постоянного магнита Фп проходит через якорь и затем разветвляется на два потока Фпб1 и ФПб2, проходящие через воздушные зазоры 61 и 62. При отсутствии тока в рабочей обмотке и среднем положении якоря между полюсами на него действуют равные, но противоположно направленные электромагнитные силы. Однако это положение якоря является неустойчивым, так как при незначительном смещении якоря к одному из полюсов сила притяжения к этому полюсу увеличивается, а к другому уменьшается. В результате этого смещение якоря возрастает, и он переходит к одному из полюсов, например к правому, замыкая при этом правый контакт 5.
После включения обмоток появляется дополнительная МДС, которая создает рабочий поток Фр, проходящий последовательно через два воздушных зазора 61 и 62. При этом у одного из полюсов происходит сложение магнитных потоков, а у другого вычитание. Если полярность тока рабочей обмотки такова, что сложение потоков происходит в зазоре &, то при определенном значении тока якорь перебросится к левому полюсу и замкнет левый контакт 6. При изменении полярности тока якорь перебросится в противопо-
ложную сторону.
Принцип действия одного из поляризованных реле с мостовой магнитной цепью иллюстрируется рис. 4.11, б. Магнитная система состоит из С-образиого магиитопровода 1, на котором расположена обмотка 5, постоянного магнита 2, двух полюсных иакоиечииков 3 и 4. Постоянный магнит и жестко связанные с ним полюсные наконечники могут поворачиваться на некоторый угол относительно центральной оси. Поток постоянного магнита разветвляется на потоки ①‘口 и Ф%. Поток Ф'ц проходит через воздушные зазоры 岳 и ба, а поток ①“口 一 через зазоры бз и 6《.При протекании тока по рабочей обмотке создается рабочий поток Фр, разветвляющийся на потоки ФЛР и Ф"р. Если полярность тока такова, что происходит суммирование магнитных потоков в зазорах 61 и б3, а вычитание в зазорах ба и 6% то постоянный магнит вместе с полюсными наконечниками повернется по часовой стрелке. В том случае, когда суммирование потоков происходит в зазорах ба и 6《,а вычитание в зазорах 61 и бз, постоянный магнит повернется против часовой стрелки.
В том случае, когда суммирование потоков происходит в зоне верхнего правого и ииж- иего левого полюсов, а вычитание у двух других полюсов, якорь повернется по часовой стрелке.
Рис. 4.12. Настройка контактов реле:Рис. 4.12. Настройка контактов реле:а — двухпознцнонная настройка; 6 — настройка с преобладанием; 6 — трехпо- знцнонная настройкаа — двухпознцнонная настройка; 6 — настройка с преобладанием; 6 — трехпо- знцнонная настройкаПоляризованные реле, спроектированные иа мостовых схемах, обладают рядом преимуществ по сравнению с реле иа дифференциальных схемах. К этим преимуществам относятся в первую очередь возможность уменьшения габаритных размеров и массы реле, более высокая устойчивость к внешним механическим воздействиям и более высокая стабильность параметров при изменении температуры окружающей среды.
Рис. 4.12. Настройка контактов реле:
Рис. 4.12. Настройка контактов реле:
а — двухпознцнонная настройка; 6 — настройка с преобладанием; 6 — трехпо- знцнонная настройка
а — двухпознцнонная настройка; 6 — настройка с преобладанием; 6 — трехпо- знцнонная настройка
Современные поляризованные реле большей частью изготавливаются с двумя и более катушками. Якорь реле может крепиться иа осях или иа пружинном подвесе. В ряде конструкций поляризованных реле якорь подвешивается на плоской пружине, что позволяет получить одинаковые конструкции двухпозициониых и трехпозициоииых реле, различающихся только жесткостью пружины.
Поляризованные реле могут быть одно- стабильными и двухстабильными. Двухстабильные реле могут быть в свою очередь
двухпозиционными 〃 трехпозиционными.
При двухпозициоиной настройке (рис. 4.12, а) контакты реле устанавливаются симметрично и якорь перебрасывается от одного контакта к другому при одинаковом значении тока рабочей об мот-
*н. При отсутствии тока в рабочей обмотке якорь реле остается у контакта, к которому ои был предварительно переброшен. Якорь такого реле занимает два устойчивых положения — у левого или у правого контакта. При одиостабильиой настройке оба контакта располагаются по одну сторону от оси симметрии (рис. 4.12,6) и срабатывание реле происходит при одном определенном направлении тока в обмотке. После выключения тока якорь возвращается в исходное положение. В случае трехпозициоииой настройки (рис. 4.12,6)контакты располагаются симметрично и при снятии тока в обмотке реле якорь занимает среднее положение под действием пружины. При протекании тока в обмотке якорь отклоняется и замыкает правый или левый контакт. Якорь таких реле имеет три положения, что достигается закреплением его на достаточно жесткой подвесной пружине.
Определим электромагнитную силу притяжения якоря дифференциального поляризованного реле (рис. 4.11, а) исходя из следующих допущений: магнитное сопротивление магиитопровода равно нулю; потоками рассеяния пренебрегаем; магнитное поле в воздушных зазорах считаем равномерным.
При отсутствии тока в рабочей обмотке потоки в воздушных зазорах(6i и & определяются соотношениями
① u61 = ©iRm62/(Rm61 + Rm52)=
=①也僚1 + %)；062=①自/@ + %)，(4.3)
где Фп ~ поток постоянного магнита; Rm6i и Rm62 — магнитные сопротивления зазоров 筛 и %.
Эти потоки создают электромагнитные силы, действующие одновременно и направленные в противоположные стороны:
2m1 =①电/偉步戸)；，зм2= Фп52/(2|105).
Здесь s — сечение полюса.
Таким образом, при отсутствии тока в рабочей обмотке на якорь со стороны потоков, созданных постоянным магнитом, действует результирующая сила
^Зм.Л = ^Зм2 — 2м1 =(嗚2 -嗚 1)/(2*m).(4.4)
Подставив значения потоков ФПб1 и ФПб2 из (4.3) в (4.4), получим
р — Фп(5i — В2)
8me= 2門5(瓦 + 加).
Если якорь расположен на оси симметрии, то 61 = 62 суммарное тяговое усилие Рэм.п = 0.
При протекании тока в рабочей обмотке реле создается поток
Фр, замыкающийся через воздушные зазоры 61 и 心2：
@р^尸 p*0S/(/[ +&)•
где 尸р ——суммарная МДС рабочей обмотки.
Суммарные потоки, создаваемые постоянным магнитом и током рабочей обмотки соответственно в зазорах 61 и 62：
Ф51 = Фп51 + Фр； Ф82=Фп52-Фр-Результирующая электромагнитная сила, действующая на якорь,體…)-尸卜(4.5)Ф51 = Фп51 + Фр； Ф82=Фп52-Фр-Результирующая электромагнитная сила, действующая на якорь,體…)-尸卜(4.5)0 -L.M —0 -L.M —%一端%一端瓦+ &2瓦+ &2
Ф51 = Фп51 + Фр； Ф82=Фп52-Фр-
Результирующая электромагнитная сила, действующая на якорь,
體…)-尸卜(4.5)
Ф51 = Фп51 + Фр； Ф82=Фп52-Фр-
Результирующая электромагнитная сила, действующая на якорь,
體…)-尸卜(4.5)
0 -L.M —
0 -L.M —
%一端
%一端
瓦+ &2
瓦+ &2
Рис. 4.13. Зависимости электромагнитной силы от значения МДСРис. 4.13. Зависимости электромагнитной силы от значения МДСот величины МДС рабочей ний якоря. Эти зависимости ют изменение направления МДС.от величины МДС рабочей ний якоря. Эти зависимости ют изменение направления МДС.
Рис. 4.13. Зависимости электромагнитной силы от значения МДС
Рис. 4.13. Зависимости электромагнитной силы от значения МДС
от величины МДС рабочей ний якоря. Эти зависимости ют изменение направления МДС.
от величины МДС рабочей ний якоря. Эти зависимости ют изменение направления МДС.
В момент трогания якоря Рзм=0 и, следовательно,
尸卩=ФП (S1 —В2)/(2Но5)-
Из выражения (4.5) следует, что при отрицательной МДС (противоположной, показанной на рис. 4.11, а) сила, действующая на якорь вправо, возрастает и переброса его из одного положения в другое не произойдет. При определенном значении положительной МДС сила изменит направление и якорь перейдет от одного полюса к другому.
На рис. 4.13 приведены зависимости силы, действующей на якорь, обмотки для фиксированных положе- носят линейный характер и показыва- действия силы при изменении знака
ГЛАВА 5. МЕХАНИЗМЫ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ РЕЛЕ
В механизмах большинства электромагнитных аппаратов, в том числе и электромагнитных реле, используются пружины. По назначению их можно разбить на две группы: возвратные (или противодействующие) и контактные. Возвратные являются движущими при возврате подвижной части аппарата в начальное положение после снятия сигнала управления. Их также называют противодействующими, так как при срабатывании аппарата они действуют встречно электромагнитной силе.
Контактные пружины имеются только у коммутационных аппаратов, в том числе реле. В этих аппаратах основная функция контактных пружин — обеспечить необходимое контактное нажатие. Контактные пружины могут создавать силу, совпадающую по направлению с электромагнитной или противоположную последней. Иногда функции возвратной и контактной пружин совмещаются в одной или нескольких пружинах.
Механические характеристики пружин и реле рассматриваются в гл. 5 без учета сил трения, веса подвижных частей механизма реле и сил, создаваемых остаточным магнитным потоком. Якорь реле принимается абсолютно жестким. Во всех случаях, при всех положениях рассматриваются реле при обесточенных обмотках. Вее силы и перемещения будем снабжать индексами, соответствующими i-му положению механизма. Поэтому под обозначениями 61, 'бг, 6з и 64 в гл. 5 в отличие от других глав учебника следует понимать не разные по местоположению в системе немагнитные зазоры, а различные (i-e) значения одного рабочего немагнитного зазора, общее обозначение которого 6, текущее — & (i= 1, 2, 3,...)
Характеристики пружин и формулы для их расчета
Характеристики пружин. В механизмах электромагнитных реле наибольшее распространение получили цилиндрическая витая и плоская консольная пружины.
Цилиндрическая витая пружина изготовляется обычно мз стальной проволоки круглого сечения. Работает чаще всего на сжатие или на растяжение. Применяется тогда, когда требуются сравнительно большие усилия и большие перемещения.
Цилиндрическая витая пружина с рабочими и пассивными витками показана на рис. 5.1, а в четырех положениях; 0——исходное (свободное) состояние; 1 ——пружина сжата внешней силой Pi； 2—— пружина сжата внешней силой Р?； 3——пружина растянута внешней силой Рз. В каждом из показанных на рис. 5.1, а положений пружина находится в состоянии равновесия, поэтому внешней приложенной силе Pi равна по значению и противоположна по направлению сила Рмх», создаваемая пружиной (Pl = PMxi； Р2 = Р^2 и Рз = РмхЗ).
В верхней части рис. 5.1, а показана механическая характеристика рассматриваемой пружины ——зависимость силы Рмх, развиваемой пружиной, от перемещения f ее левого конца при закрепленном правом конце (перемещение f измеряется от положения левого конца пружины, находящейся в свободном состоянии).
Пружину рис. 5.1, а будем называть свободной. Если эту пружину, предварительно сжав, поместить в стакан, который не даст ей распрямиться, то она будет иметь характеристику, показанную на рис. 5.1,6. Такую пружину будем называть предварительно сжатой. В отличие от свободной для сжатия предварительно сжатой 109
пружины необходимо приложить внешнюю силу, которая возрастает не от нуля, как в случае свободной пружины, а от Р【(если начало координат — точку G на рис. 5.1, б — расположить у левого конца предварительно сжатой пружины). При дальнейшем сжатии предварительно сжатая пружина ведет себя, как свободная,— сила, создаваемая пружиной, линейно увеличивается до Рмх2 при перемещении
Если на рис. 5.1,6 начало координат расположить в точке 0 пересечения продолжения механической характеристики с осью перемещений, то из сравнения рис. 5.1, а, 6 видно, что характеристи-
Рис. 5.1. Пружины и их механические характеристикиРис. 5.1. Пружины и их механические характеристики
Рис. 5.1. Пружины и их механические характеристики
Рис. 5.1. Пружины и их механические характеристики
ка предварительно сжатой пружины — это часть характеристики свободной пружины. На участке от точки 0 до 仇(рис. 5.1, б) внешняя сила, необходимая для сжатия предварительно сжатой пружины, равна нулю (механическая характеристика совпадает с осью абсцисс).
Плоская консольная пружина (рис. 5.1, в? а, д)——упругая балка с заделанным концом. Работает на изгиб. Поперечное сечение этой пружины показано на рис. 5.1, в в масштабе, увеличенном по сравнению с масштабом, в котором изображена длина пружины I. «Плоской» такая пружина называется потому, что для устойчивости при изгибе ширина b поперечного сечения пружины делается в несколько раз больше высоты й.
по
Плоские консольные пружины широко распространены в электромагнитных реле в основном в качестве контактных пружин. Такие контактные пружины не только обеспечивают необходимое контактное нажатие, но и несут на себе контакт-детали. Кроме этого, они являются элементами токоведущего контура. Далее будут рассматриваться только плоские консольные контактные пружины. Они используются в реле в двух конструктивных вариантах: в первом контактные пружины консольно закреплены на корпусе (закрепленный конец пружины неподвижен относительно неподвижной части реле ——рис. 3.i, 4.1, 6 н § 5.2), во втором контактные пружины консольно закреплены на якоре реле — место их консольного закрепления перемещается вместе с якорем, рис. 4.1, а и § 5.3.
На рис. 5.1, в——д и всех последующих рисунках плоских консольных пружин будут показаны только внешние силы, приложенные к пружинам (эти силы обозначаются без индекса «мх》); механические характеристики будут изображаться для сил, создаваемых пружинами (такие силы обозначаются с индексом《мх》). Консольные пружины в свободном состоянии на этих и на последующих рисунках гл. 5 показаны штрихпунктирной линией.
На рис. 5.1, в—д изображены механические характеристики пружин, на которых f—перемещение правого конца пружины. На рис. 5.1, в пружина изгибается от свободного состояния, на рис. 5.1,2, 0—— от предварительно изогнутого состояния (7), которое обеспечивается упором пружины УП, расположенным в конце пружины (рис. 5.1,г) и в средней части пружины (рис. 5.1,0). В последнем случае в положении /, когда внешняя сила в конце пружины Pi = 0, со стороны упора пружины УП на нее действует внешняя сила Pyj=#0. Для снятия такой пружины с упора на конце пружины необходимо приложить внешнюю силу, которая от положения / до положения 2 возрастает от нуля до Р2 на некотором перемещении %——/ь В положении 2 сила давления пружины на упор РУ2 = 0. При изгибе от положения 2 до положения 3 внешняя сила возрастает ОТ「2 до Рз.
В механизмах электромагнитных реле, использующих консольно закрепленные пружины, перемещения обычно значительно меньше длины пружин (на порядок и более). Для удобства обозначения сил и перемещений на рис. 5.1, в—д и всех последующих рисунках тл. 5 масштаб по оси перемещений сделан существенно больше масштаба, в котором изображена длина пружины. При этом пружина в разных положениях на рисунке условно показана так, что каждая ее точка перемещается при изгибе по направлению действия силы (по вертикали на рис. 5.1, в—д). Направление действия силы принимается всегда перпендикулярным положению пружины ® свободном состоянии и не зависящим от того, в каком положении мн рассматриваем изогнутую пружину. Так как длина пружины лри изгибе не меняется, в действительности траектория перемещения точек пружины отличается от принятой на рисунках гл. 5. Из- за незначительности перемещений по сравнению с длиной пружин
этим отличием можно пренебречь и пользоваться для расчета прямых консольных пружин формулами теории изгиба упругой балки, полученными при тех же допущениях и известными из курса со- противления материалов.
Здесь и далее в гл. 5 прописными буквами русского алфавита У (рис. 5.1,。)，К (рис. 5.1,(?) и Т, О, /7, не использованными на рис. 5.1, обозначены направления, перпендикулярные положению консольной пружины в свободном состоянии. Направление У проходит через точку, в которой пружины опираются на упор УП, а направление К — через точку приложения внешних сил в конце пружины.
Основным параметром, характеризующим любую пружину, можно считать ее жесткость c=P/f=PMI/f. Здесь Р — внешняя сила; f ——перемещение, вызванное этой силой； Рмх ——сила, развиваемая пружиной (Р=Рмх)・ Для пружин на рис. 5.1, а, 8 жесткость
С —，МХ1 /1 = Рмх2/『2 = (Рмх2 — Рмх1)/(『2 — /1)* (5.1)
Для пружин на рис. 5.1,6, а, 0 при перемещениях от 0 до fi жесткость Ci = 0; для пружин на рис. 5.1, б, г при перемещениях от 力 до 『2 жесткость определяется по (5.1). Для пружины рис. 5.1, д при изгибе в диапазоне перемещений от 厶 до % жесткость с2 = = Рмх2/(『2——厶)；при изгибе в диапазоне перемещений от % до % жесткость Сз= (РмхЗ—Рмх2)/(%—%)•
Жесткость пружины пропорциональна тангенсу угла наклона механической характеристики, которая представляет собой прямую или ломаную линию. Рис. 5.1,0 показывает, что для изображенной на нем пружины ^2>^з>^1 = 0. Для предварительно сжатой пружины рис. 5.1,6 и предварительно изогнутой пружины рис. 5.1, г при 厶 жесткость теоретически равна бесконечности, так как сила возрастает у этих пружин на конечную величину при нулевом перемещении.
Формулы для расчета плоских консольных пружин известны из теории изгиба упругой консольно закрепленной балки. Перемещение любой точки такой балки, измеренное от ее свободного положения до любого 1-ГО,
『尸 PpxJ" (5.2)
Если определяется перемещение балки по тому направлению, в котором приложена сила, то в формулу подставляется жесткость пружины, рассчитанная для этого направления:
c = 3EJ ］艮 (5.3)
Здесь £ — модуль упругости материала пружины, I — расстояние точки приложения силы (и направления, по которому определяется перемещение) от места заделки балки.
Момент инерции прямоугольного поперечного сечения
/=ь网12,(5.4)
где 6 и Л — ширина и высота поперечного сечения балки.
Если ищется перемещение балки по другому перпендикулярному балке направлению, то в формулу подставляется взаимная жесткость, рассчитанная между направлением приложения силы и направлением, в котором определяется перемещение:
Сук=Ску —2EJ/[ly (ZK —/у/3)], (5.5) где /у и & ——расстояния направлений У и К до места заделки пружины (рис. 5.1,0). Всегда берется %>1у независимо от того, в каком из направлений приложена сила и для какого ищется перемещение.
С помощью взаимной жесткости можно определить перемещение правого конца пружины рис. 5.1, д под действием силы
Pyi давления упора на нее 『【= ==Ру}/су к и перемещение пружины по направлению У под действием приложенной по направлению К силы Р?, которая снимает пружину с упора: f ”2 = р2/су к・ Это перемещение равно расстоянию от свободного положения пружины до точки, в которой она опирается на упор У〃 на рис. 5.1, °.
В механизмах контактных систем из плоских консольно закрепленных пружин часто на одну пружину действуют две силы в разных точках. На рис. 5.2 вертикальные направления, по которым действуют внешние силы /\ и Рт, обозначены соответственно буквами К и 7. На рис. 5.2, а показана пружина, на которую действует только &； на рис. 5.2, б— только Рт. Обе пружины повторены тонкими линиями (соответственно / и II) на рис. 5.2, в. На последнем жирной линией (кривая П1) показана пружина, которая находится под воздействием сил
Рис. 52 Изгиб плоской консольной пружины при приложении внешней силы в конце пружины (а), в средней части пружины (б), одновременно в конце и средней части (в)Рис. 52 Изгиб плоской консольной пружины при приложении внешней силы в конце пружины (а), в средней части пружины (б), одновременно в конце и средней части (в)尸к и Рт одновременно. Переме
Рис. 52 Изгиб плоской консольной пружины при приложении внешней силы в конце пружины (а), в средней части пружины (б), одновременно в конце и средней части (в)
Рис. 52 Изгиб плоской консольной пружины при приложении внешней силы в конце пружины (а), в средней части пружины (б), одновременно в конце и средней части (в)
щение любой точки этой пружины в диапазоне упругих деформаций может быть найдено алгебраическим суммированием перемещения Дрн, созданного силой Рк, и перемещения /рт, созданного силой Рт. Положительными примем перемещения вверх от свободно-
то состояния пружины, отрицательными — вниз. Для направления К перемещение fK=fKPT~fKpK; для направления Г перемещение /т=/тр т—/т Р к.
Механизмы реле с плоскими контактными пружинами, консольно закрепленными на корпусе
Механизм замыкающего контакта. Электромагнитное реле с замыкающим контактом при максимальном рабочем зазоре — положение /, или начальное,——показано на рис. 5.3, а. Обе плоские контактные пружины, верхняя В и нижняя Н, в этом положении имеют предварительный изгиб: верхняя опирается на упор УП, нижияя — иа толкатель якоря ГЯ. Якорь электромагнита упирается в ограничитель хода якоря ОЯ. Если убрать упор УП и толкатель ГЯ, то пружины Н м В в свободном состоянии займут горизонтальное положение, обозначенное штрихпунк- тирными линиями. Предварительный изгиб нижней пружины делается для улучшения вибро- и удароустойчивости реле, а также устойчивости его к линейным ускорениям (см. § 5.3). Предварительный изгиб пружины В уменьшает дребезг контакта при срабатывании.
На рис. 5.3, а буквами Ру^ и Pti показаны силы давления соответственно упора пружины УП и толкателя якоря ТЯ на пружины в положении /• Буквой У показано направление, проходящее через точку, в которой пружина В опирается на упор УП, буквой К —— направление, проходящее через точку, в которой контакт-детали КД соприкасаются друг с другом при замкнутом состоянии контакта; буквой Г ——направление, проходящее через точку, в которой толкатель якоря ТЯ соприкасается с пружиной Н. Считаем, что силы Ру» всегда направлены по вертикали У, силы Р*п — по вертикали Г, силы Ркг ~ по вертикали К независимо от того, какое i-e положение изогнутых пружин рассматривается.
Под механической характеристикой электромагнитных реле в гл. 5 будем иметь в виду зависимость создаваемой механизмом реле суммарной силы P^i, приведенной к рабочему зазору, от длины этого зазора 6?. Иными словами, механическая сила РМх( — это та сила, которую можно уравновесить относительно центра Ц поворота якоря внешней силой Р& (рис. 5.3, а), приложенной к якорю на том же плече 厶.Для любого положения якоря Р^=Рмх；・ Таким образом, расчет механической характеристики реле рис. 5.3, а заключается в определении зависимости Р& от 6「Рассмотрим расчет для наиболее характерных положений якоря. В формулах далее будут использоваться моменты сил только относительно центра Ц поворота якоря.
В положении / якорь электромагнита может находиться в двух крайних состояниях: I и II (рис. 5.3,6 и в соответственно). В состоянии I момент силы Рт【давления пружины /7 на якорь уравно- 114
вешивается моментом силы Рои давления ограничителя якоря (PtJtU =РсшЬ)・ При ЭТОМ Рбп = Рмх11=0.
Показатель состояния (I или II) добавляется к индексам сил, в которых обозначаются направление действия силы и положение механизма, только в том случае, если эти силы зависят не только
Рис. 5.3. Замыкающий контактРис. 5.3. Замыкающий контакт
Рис. 5.3. Замыкающий контакт
Рис. 5.3. Замыкающий контакт
от положения, но и от состояния. Так как сила, с которой толкатель якоря TH действует на пружину /7, равна силе, с которой пружина Я давит на толкатель, то обе эти силы обозначены одинаково. Так Как эти силы зависят только от изгиба пружин, то в состояниях I и II положения / они одинаковы по значению, поэтому в индексе обозначения этой силы отсутствует обозначение состояния.
В состоянии II момент силы давления Pti пружины Н на якорь уравновешивается моментом внешней силы Аш, снимающей якорь с ограничителя ОЯ:
Рът = рмх1 п=^и W^a • (5.6)
При этом сила давления якоря на ограничитель Poni = 0.
Если, начиная с Р^пь увеличивать внешнюю силу Р^, то якорь начнет поворачиваться по часовой стрелке, занимая последовательно положения 2, 3 и 4. Положение 2 соответствует такому значению силы Рт2, при котором контакт-детали соприкасаются, но контактное нажатие РК2 = 0. При этом положении происходит замыкание контакта при срабатывании реле и размыкание при возврате. В положении 3 (рис. 5.3,0) нижняя пружина действует на верхнюю по направлению К с такой силой РКз, при которой последняя снимается с упора УП (Руз=0). При дальнейшем увеличении Рп верхняя пружина оторвется от упора УП и будет изгибаться по всей своей длине. В конечном положении (положение 4, рабочий зазор 6=6<=Дш, рис. 5.3, е} со стороны якоря на нижнюю пружину действует сила Рт© а в контакт-деталях ——сила конечного контакта нажатия 尸《. В этом положении 4 можно, как и в положении 1, выделить два состояния. В состоянии I (рис. 5.3, х) внешняя сила Рб41 создает момент, равный моменту силы 尸丁4 давления пружин на толкатель якоря: Рб4(/б=РТ4/Тц. Состояние II положения 4 (рис. 5・3,з) —текущее состояние. Оно отличается от состояния I лишь тем, что в состоянии II внешняя сила Рбт, приложенная к якорю, больше силы Р^ Момент, создаваемый силой /^ш, уравновешивается суммой моментов силы РТ4 и силы Pcqi давления на якорь со стороны сердечника: Рб411/б = /5Т4/Тц + РС4ц/в. При увеличении 尸《《и будет увеличиваться и Речи- В состоянии I положения 4 сила давления сердечника на якорь PC4i~0.
На рис. 5.3,〃 построена механическая характеристика рассмотренного реле. По оси абсцисс отложены значения длины рабочего зазора &, которые легко определить по изменениям рабочего зазора 6/, x+i. Последние связаны с соответствующими изменениями перемещений /тл z+i простой зависимостью
%,1+1=/ти+14//ти, (5.7) где i= 1, 2, 3.
Параметры точек механической характеристики соответствуют номеру положения и состояния механизма: точка 八一рис. 5.3, а, 6; точка /п — рис. 5.3, а, 8； точка 2 — рис. 5.3, г； точка 3 — рис. 5.3,0; точка 41 — рнс. 5.3, е, ж; точка 4汽一рис. 5.3, е, з. При 笳 на участке 71—/口 характеристики и при “ на участке 务一4口 характеристики жесткость механизма реле равна бесконечности. Наименьшую жесткость механизм имеет на участке /п—2： изгибается только одна пружина. На участке 3—4【жесткость больше, потому что изгибаются обе пружины. Еще большая жесткость — на участке 2— 3, На этом участке изгиб верхней пружины приближенно можно 116
рассматривать как изгиб балки длиной ，к——/у * заделанной левым концом в стенку, граница которой проходит по вертикали У. Так как жесткость балки обратно пропорциональна кубу ее длины — см. (5.3), то жесткость пружины В на участке 2—3 выше жесткости этой пружины на участке 3——4【.Изгиб нижней пружины на
участке 2—3 проходит в тех же условиях, что и на участке 3— 4ь а значит, при той же жесткости.
Механизмы размыкающего и переключающего контактов. В начальном положении (при максимальном зазоре электромагнита) механизм размыкающего контакта показан на рис. 5.4,а (положение /). Обе пружины имеют предварительный изгиб. Верхняя пружина находится под воздействием двух сил: по направлению Т на нее давит толкатель якоря с усилием PTi и по направлению К — нижняя пружина с усилием Ркь направленным вверх. В размыкающем контакте нижняя пружина создает силу, направленную в ту же сторону, что и сила, создаваемая электромагнитом (при наличии тока в обмотке). Нижняя пружина изогнута под действием направленной вниз силы PKi давления верхней пружины по направлению К. В начальном положении с упором УП она не соприкаса
Рис. 5.4. Размыкающий контактРис. 5.4. Размыкающий контактется.На рис. 5.4, б показано поло-ется.На рис. 5.4, б показано поло-жение пружин в момент соприко
Рис. 5.4. Размыкающий контакт
Рис. 5.4. Размыкающий контакт
ется.
На рис. 5.4, б показано поло-
ется.
На рис. 5.4, б показано поло-
сновения нижней пружины с упором УП (положение 2), а на рис. 5.4,8 — положение 3, при котором контактное нажатие Ркз = 0 (в этом положении происходит размыкание контакта при срабатывании реле и замыкание при возврате). При дальнейшем уменьшении длины рабочего зазора электромагнита перемещается только верхняя пружина. При этом происходит увеличение расстояния между контакт-деталями до Ар (положение 4、рис. 5.4, г).
Механическая характеристика реле с рассмотренным размыкающим контактом приведена на рис. 5.4, О. Силы, действующие на якорь реле с таким контактом в состояниях I и II положений / и 4 показаны на рис. 5.3, 6, 8, ж, з.
Механизм переключающего контакта в начальном
положении (при максимальном зазоре) показан на рис. 5.5,а, механическая характеристика — на рис. 5.5, б. На участке 1\—/и—— 2——3——4 она ничем не отличается от характеристики размыкающего контакта, а на участке 3—4—5—6i—6口 一 от характеристики за
мыкающего контакта. Намыкающего контакта. НаО6Рис. 5.5. Переключающий контактО6Рис. 5.5. Переключающий контактучастке 3—4 обе рассматриваемые цепи контакта разомкнуты.
мыкающего контакта. На
мыкающего контакта. На
О6
Рис. 5.5. Переключающий контакт
О6
Рис. 5.5. Переключающий контакт
Расчет механической / характеристики замыкающего контакта (см. рис. 5.3). Считаем заданными: размеры поперечных сечений пружины; /к,，т, /у, /тц, /в, Др, Дш； материал пружин; силы Рк4/ Pyi = =Ру 2, Рть
Моменты инерции и жесткости пружин. Моменты
инерции поперечных сечений пружин определяются по (5.4). Жесткости Снт и Снк пружины Н по направлениям 7 и К, а также жесткости сВк и с ву пружины В по направлениям К и У соответственно определяются по (5.3). Взаимная жесткость Свку==^вук пружины В между направлениями У и К определяется по (5.5), взаимная жесткость снтк=Снкт пружины 〃 между направлениями Т н К определяется по аналогичной формуле.
Кривые изгиба пружин, обозначения перемещений. Кривые изгиба пружин приведены на рис. 5.6. Цифрами 1, 2, 3 н 4 обозначены пружины в положениях, которые соответствуют этим же положениям механизма на рис. 5.3, а, г, О, е.
Перемещения пружин от нулевого положения обозначаются по направлению К (рис. 5.3 и 5.6) с индексами, включающими: обозначение пружин (Н ——нижняя пружина, В ——верхняя пружина); направление, по которому ищется перемещение (К); номер положения (1, 2, 3 и 4), для которого ищется перемещение. Например, /нкз — перемещение по направлению К пружины Н от нулевого положения до 3-го. Так как по направлению 7 перемещения ищутся только для пружины //, индекс Н у перемещений по направлению 7 опускаем. Например, /тз — перемещение пружины Н по направлению Т от нулевого положения до 3-го. Аналогично для пружины В по направлению У: /уз — перемещение пружины В по направлению У от нулевого положения до 3-го.
Приращения перемещений по направлениям Т н К тоже не имеют в индексах обозначения пружины, потому что по направлению
Т определяются приращения перемещений，乃力 /т^з,，тз4 только для пружины Я, а по направлению К — приращения перемещений на участках от 2-го положения до 3-го (/к2з) и от 3-го до 4-го (/кз4) у пружин Я и В одинаковы (контакт-детали проходят эти промежутки замкнутыми). На участке от 1-го положения до 2-го перемещение по направлению К пружины Н равно раствору контакта Др.
На рис. 5.6, а стрелками показаны и буквами обозначены внешние силы, приложенные к пружине В, а на рис. 5.6,6—внешние силы, приложенные к пружине Н.
Расчет сил и перемещений. Расчет механической характеристики контакта рнс. 5.3 заключается в определении координат
Рис. 5,6. Кривые изгиба пружин замыкающего контакта:
а — пружины В； 6 — пружины Н
точек /ц, 2, 3 н 4* этой характеристики (рис. 5.3,и), т. е. в определении сил Р^=РЫ и рабочих зазоров соответствующих этим силам. Силы 户工》определяются через Рт/ по формулам, аналогичным (5.6); зазоры 6« — через изменения зазоров 6工中，которые определяются по (5.7) через изменения перемещений 沁,屮 по направлению Т. Основное уравнение всего расчета— (5.2).
Сила Pti толкателя якоря создает предварительный изгиб пружины 〃 по направлению Т на，ti=Pti/cht и по направлению К на /нк1 = Рт1/снкт (рис. 5.6,6). До момента соприкосновения кон- такт-деталей пружина Н по направлению К пройдет путь (от нулевого положения ，нк2=，нк】+Ар под действием силы, изменяющейся от нуля до »т2=，нк2Снкт・ По направлению Т перемещение будет /Т2 = РТ2/снт, а на пути от положения / до положения 2 приращение перемещения /Т]2=/т2—/т】・ В положениях 3 н 4 пружина Н находится под действием двух сил ——Рт н Рк- Величины, необходимые для определения Ртз, Рт4 и /тгз, /тз4, получим из расчета пружины В (рис. 5.6, а). Эта пружина под действием силы Ру2 давления упора УП предварительно изогнута относительно своего свободного состояния по направлению У на /у2 = ^у 2/сву н по направлению К на /вк2 —Руг/Свук • На участке 2—3 на пружину В по направлению К действует сила со стороны пружины ", направленная вверх. В положении 3, когда эта сила равна РКз, сила давления упора УП на пружину В Ру =0. Значит, сила Ркз, сила спечивает по направлению У перемещение fyr=fy3. Следовательно, Ркз=М свку- Перемещение пружины В по направлению ^ при этом /вкз = Ркз/свк・
Приращение перемещения по направлению К от момента соприкосновения контакт-деталей (положение 2) до момента снятия пружины В с упора (положение 3) у пружин Н и В одинаково и равно /к2з = /вкз—/вк2- Перемещение пружины Н по направлению К в положение 3 от нулевого положения: /нкз=，нк2+，к2з・ Это перемещение создается одновременным действием на пружину Н двух сил: искомой РТз, направленной вверх, и РКз, направленной вниз. Работа пружины Н в таких условиях была описана при объяснении рис. 5.2,仇 Перемещение /нкз=/нкзрт—，нкзрн=Ртз/Снтк—Ркз/Снк, откуда находим Ртз-
Перемещение /Тз пружины Н по направлению Т находим тоже как результат действия тех же сил: /тз=/Тз р т—^тз рк = РтзДнт— —Ркз/Снтк. Приращение перемещения по направлению 7:斤2з = = /тз—/т2.
По направлению К под действием заданной силы конечного контактного нажатия Рк4 пружина В переместится на /вк4 = = Рк4/，вк・ Приращение перемещения от положения 3 до положения 4 по этому же направлению /К34=/ВК4—，вкз・ Перемещение пружины Н по направлению К от свободного состояния до положения 4 составит /*нк4 =，нкз +，кз4. Это перемещение создается при совместном действии на пружину Н силы Рт4 со стороны якоря и СИЛЫ &4 СО стороны пружины В： ,НК4=/нК4 Рт—,НК4 Рк = = Рт4/снкт—Рк/снк, откуда можно определить РТ4. Перемещение пружины Н от нулевого положения до положения 4 под действием сил Рт4 и Р(<4：斤4 =斤4尸丁一，Т4_рк=Ртд/^нт—Рк4/，нтк・ Приращение перемещения пружины Н по направлению Т на пути от 3-го до 4-го положений /тз4=/т4——/тз・
По (5.7) изменения рабочих зазоров электромагнита, соответствующие приращениям перемещений: 612=/ть2/б//Тц； б2з=，т2з/б/，ти ； 6з4=/тз4^б//тц- Значения рабочих зазоров: 64=ДШ； 63=64 + 634； 62=63 + 623； 61 = 62 + 612.
Силы механизма, приведенные к рабочему зазору по формулам, аналогичным (5.6): РМи п = ^т1/тцДб； Рмх2=Рт2，ти /厶；Рмхз = нРгз/тц/齿 Рмх41 = Рт4/ти/Ь По зазорам & и силам РМХ| строим механическую характеристику.
Механизм реле с плоской контактной пружиной, консольно закрепленной на якоре
Работа механизма. Электромагнитное реле такого типа с одним размыкающим контактом при максимальном рабочем зазоре 6=М (положение /) изображено на рис. 5.7, а, 6. Рис. 5.7, а соответствует состояние I, при котором на якорь
Рис. 5.7. Электромагнитное реле с плоской контактной пружиной, консольно закрепленной на якоре (а, 6, 8, а), и его механическая характеристика 厶——/“一2—— 3f【9)
со стороны ограничителя хода якоря ОЯ действует сила Р011- Рис. 5.7,6 соответствует состоянию II, при котором на плече 厶 относительно центра Ц поворота якоря к якорю приложена внешняя сила Рв! ц, снимающая якорь с упора (Р。】 ц=0). В любом i-м поло-
121
жении якоря здесь, как ранее было принято в § 5.2, Р& — внешняя сила, равная по значению и противоположная по направ* лению механической силе Рм* т. е. Рб『=Рт・ На рис. 5.7, б штриховой стрелкой для примера показана Рми п. В состоянии I положения / сила Рб1 i=Pmxi i=0.
Кроме сил Pei и Ан, на подвижную часть реле в положении / (рнс. 5.7, а, б) действует еще сила PKi давления неподвижной кон- такт-детали на подвижную и сила Рп i растянутой противодействующей пружины ПП. Все эти силы показаны иа рис. 5.7, a, G сплошными стрелками. На подвижную часть реле действует также сила реакции центра Ц поворота якоря, не показанная на рис. 5.7, а, 6.
Если в положении / убрать неподвижную контакт-деталь, то по направлению К подвижная контакт-деталь пройдет путь 力，равный перемещению конца пружины под действием силы РКь При этом контактная пружина займет положение, показанное на рис. 5.7, а штрихпунктирной линией.
Для работы механизма реле рис. 5.7 кроме положения / характерными являются еще два положения: положение 2 при зазоре 6=62 (рис. 5.7,8), при котором контактное нажатие РК2 = 0, н положение 3 при притянутом якоре. В положении 2 происходит размыкание контакта при срабатывании реле и замыкание при возврате, контактная пружина находится в свободном состоянии. В положении 3 при 6=63 контакт-детали КД находятся друг от друга на максимальном расстоянии, равном раствору контакта. На рис. 5.7, г для этого конечного положения показаны силы, действующие на якорь в состоянии I, при котором Роз 1/б=^пз^п*
При дальнейшем увеличении внешней силы, действующей на якорь на плече /б по направлению к сердечнику, возникнет сила Рез п давления сердечника на якорь, при которой Рбз1“б=Рп'п + + ^сз н/б. Силы в состоянии II положения 3 на рис. 5.7 не показаны.
Для упрощения будем полагать, что в каждом из трех положений системы контактная пружина в свободном состоянии параллельна нижней поверхности якоря и что все силы действуют по направлениям К, П, О, перпендикулярным этой поверхности. Вместе с якорем все силы поворачиваются на угол, равный углу поворота якоря.
Механическая характеристика рассматриваемого реле показана на рис. 5.7,6 (жирная ломаная 1\—/ц——2——3i—Зц). На участке /“一2 характеристики на подвижную часть реле действуют обе пружины. При этом конктактная пружина создает момент, встречный моменту, создаваемому противодействующей пружиной. На участке 2—3 на подвижную часть реле со стороны механизма действует только сила противодействующей пружины. На рис. 5.7, д характеристика противодействующей пружины—прямая /п——2——3i, контактной ——прямая /к——2g Основная часть (/ц—2——3【) механической характеристики реле получается путем алгебраического
суммирования характеристик противодействующей и контактной пружин.
Формулы для расчета сил и перемещений. В любом из положений, показанных на рис. 5.7, а—г, подвижная часть реле находится в равновесии, поэтому алгебраическая сумма моментов всех сил, действующих на нее относительно любой точки, равна нулю. Относительно точки Ц для состояния I положения /
Pki/кц — ^т/п + Psdo = 0- (5.8)
Здесь и далее положительными приняты моменты, поворачивающие подвижную часть реле относительно точки Ц против часовой стрелки. В этом положении и состоянии Рмц i = 0.
В состоянии II положения / (рис. 5.7,6)
Pki/ku+Bi"厶一。口而=。・ (5.9)
Из этого уравнения Р^ ц = Рш1п /4—Рк/кц /G=P?n —Р/, где Р'тп н Р'к1 ——силы противодействующей и контактной пружин в положении /, приведенные к h Далее все приведенные к /б силы будем обозначать со штрихом.
Из (5.8) и (5.9) Ли u=Poi “о//б=Рси i・ Таким образом, Pmxi м=Рб1 ii = P'oi i = P'm — Р'к1・
В положении 2 (рис. 5.7, в) P^h—Pmk =0, откуда Рмх2 = =Рб2 = РцМп//б=Р'п2・ Аналогично для состояния I положения 3 (рис. 5.7, 2) РмхЗ I ^3°63 1 — пз^п /'б==尸'гтз*
Для состояния II положения 3: РМхз и = Рбз п = Рпз^п /^— —Рез 11=Рцз—Рез и*
Значения сил Реи「P\i и Рщ показаны на рис. 5.7, д.
При перемещении от положения 1 до положения 2 рабочий зазор изменяется на 6i2=6i—б2=А/б//кц» где 九二戶内/融；^к — жесткость контактной пружины, определяется по (5.3) при /=/к (рис. 5.7, а).
При перемещении от положения 2 до положения 3 рабочий зазор изменится на 623 = 62—6з=/ц2з/б/£ц, где перемещение верхнего конца противодействующей пружины /п2з = Д^п 23/сп ； изменение силы противодействующей пружины ЛРп2з—Рлз —户口2； ，口 一 жесткость противодействующей пружины.
Устойчивость реле к линейным ускорениям. Устойчивость электротехнического изделия к воздействию механических факторов —— его способность нормально функционировать во время их воздействия (ГОСТ 16962—71). Реле можно считать устойчивым к линейным ускорениям, если при этих ускорениях не происходит уменьшения контактного нажатия или раствора контакта, самопроизвольного замыкания и размыкания контакта.
Если реле рис. 5.7, а будет перемещаться с ускорением а вверх в направлении, параллельном векторам сил, то на центр М массы m подвижных частей реле будет действовать сила инерции 戶м = =та. направленная вниз (штриховая стрелка Рм на рис. 5.7, а).
В этом случае уравнение равновесия моментов сил в состоянии I положения / (при Pmxi i = 0):
PkWku 一p"1/n + 尸011$0 +pm/m=。， (5.10} где Pen fa — сила давления якоря на ограничитель ОН при наличии ускорения (Poi f в (5.8)——аналогичная сила при отсутствии ускорения).
Наличие или отсутствие ускорения а не может изменить значения сил &1 и Ре, если якорь неподвижен. Из (5.8) и (5.10)
Poiia=Poii — ^м^м/^о^ ^oi I — /wa/мЯо- (5.11)
Таким образом, сила Poi ia давления якоря на упор зависит от значения ускорения а. При а=0 сила Poi i a=Poi i； при некотором критическом ускорении aKpi =^м «pi/m сила давления якоря на упор Роиа = 0. Тогда из (5.11) ускорение aKPI ==PqiНо/(^/м). Так как Рсл #о = Рмх】f也，то
。叩1 = Рцх1 и 厶/(т'м)・ (5.12}
На рис. 5.7, д штриховой линией 厶一2Kp——З^р показана механическая характеристика реле при анрь Так как при всех。《。通 не произошло уменьшения контактного нажатия, реле рис. 5.7, а можно считать устойчивым к линейным ускорениям вплоть до акрь
При некотором акр2 подвижная часть реле будет находиться в положении 2, при котором контактное нажатие РК2=0. Для этого ускорения акР2т/м-~^п2^п = 0, откуда акР2 = РП2^п/(т^м).
Наконец, при а^акр3 — Рпз1п / (m/м) якорь силой инерции будет прижат к сердечнику, между контакт-деталями реле установится расстояние, равное раствору контакта.
Таким образом, для повышения устойчивости реле к линейным ускорениям, а значит, и устойчивости к вибрациям и ударам, необходимо увеличивать силу давления якоря на упор в начальном положении системы. Иными словами, необходимо поднимать механическую характеристику, особенно ее точку /巾 Из (5.12) ускорение aKpi не будет достигнуто при любом Рмц п, если сделать /м —О» поэтому самый простой путь повышения рассматриваемой устойчивости—совмещение центра массы подвижных частей реле с центром их поворота, что и сделано в конструкциях реле с уравновешенным якорем (см. рис. 4.2).
ГЛАВА 6. МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ, ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ, ФЕРРОДИНАМИЧЕСКИЕ И ИНДУКЦИОННЫЕ РЕЛЕ
Принцип действия всех этих реле основан на взаимодействии магнитных полей с токами, подведенными к реле извне, или с токами, индуктированными в нем.
Магнитоэлектрические, электродинамические и ферродинамические реле
Магнитоэлектрическое реле — это электромеханическое реле, работа которого основана на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита с током 8 обмотке, подведенным извне.
На рис. 6.1,а схематично изображена одна из конструкций такого реле. Его магнитная система состоит из постоянных магнитов / и 3, сердечника 2 и ярма 4. В рабочих зазорах 6 вращается рамка 5 с намотанной на ней обмоткой. Ток к обмотке от внешнего ис-
Рис. 6.1. Принципиальная схема магнитоэлектрического реле
точника подводится по спиральным проводам (не показаны на рис. 6.1), которые служат также возвратными пружинами. При отсутствии тока в обмотке они создают момент, удерживающий подвижный контактный элемент (КЭ) 6 замкнутым с неподвижным КЭ 7.
При допущении равномерности магнитного поля в рабочих зазорах с учетом закона Ампера следует, что вращающий момент, действующий на обмотку, определяется выражением
阳叩=2也=2"叫山， (6.1) где г, I, ш ——средний радиус, активная длина и число витков обмотки в рабочем зазоре соответственно; В — составляющая магнитной индукции, направленная по радиусу г; /вш — ток в обмотке от внешнего источника; РЭд ——электродинамическая сила, действующая на активную длину обмотки (рис. 6.1).
Магнитная индукция В, строго говоря, зависит от угла перемещения рамки а (рис. 6.2, а), что следует из анализа распределения линий магнитной индукции, показанных на рис. 6.1. Соответственно от угла а зависит и вращающий момент. Однако при малых от-
Рис. 62 Некоторые характеристики магнитоэлектрического реле:•а — зависимости магнитной индукции В и вращающего момента М 叩 от угла а при i=const； б — зари- снмость угла статического поворота рамки от изменения тока в обмотке； в — кривые динамического изменения угла поворота рамки при трех режимах работы реле： / — колебательном, 2 — критическом, 3 — апериодическом； е — зависимости времени срабаты- :вання реле от коэффициента запаса по току срабатывания (нумерация кривых соответствует рис. 6.2, 8)Рис. 62 Некоторые характеристики магнитоэлектрического реле:•а — зависимости магнитной индукции В и вращающего момента М 叩 от угла а при i=const； б — зари- снмость угла статического поворота рамки от изменения тока в обмотке； в — кривые динамического изменения угла поворота рамки при трех режимах работы реле： / — колебательном, 2 — критическом, 3 — апериодическом； е — зависимости времени срабаты- :вання реле от коэффициента запаса по току срабатывания (нумерация кривых соответствует рис. 6.2, 8)
Рис. 62 Некоторые характеристики магнитоэлектрического реле:
•а — зависимости магнитной индукции В и вращающего момента М 叩 от угла а при i=const； б — зари- снмость угла статического поворота рамки от изменения тока в обмотке； в — кривые динамического изменения угла поворота рамки при трех режимах работы реле： / — колебательном, 2 — критическом, 3 — апериодическом； е — зависимости времени срабаты- :вання реле от коэффициента запаса по току срабатывания (нумерация кривых соответствует рис. 6.2, 8)
Рис. 62 Некоторые характеристики магнитоэлектрического реле:
•а — зависимости магнитной индукции В и вращающего момента М 叩 от угла а при i=const； б — зари- снмость угла статического поворота рамки от изменения тока в обмотке； в — кривые динамического изменения угла поворота рамки при трех режимах работы реле： / — колебательном, 2 — критическом, 3 — апериодическом； е — зависимости времени срабаты- :вання реле от коэффициента запаса по току срабатывания (нумерация кривых соответствует рис. 6.2, 8)
клонениях рамки от вертикального положения (от —ар до +ар на рис. 62 а) можно принять В = const и считать, что
川叩=走(6.2)
где kM3=2rlwB.
Из (6.2) следует, что магнитоэлектрические реле могут работать только на постоянном токе.
Предположим, что при токе гвщ, равном значению трогания (^ш.тр), движение рамки начинается с а=0 (рис. 6.1). Тогда выра-
жение для механического противодействующего момента спиральных токопроводящих пружин имеет вид
附 кх=—с(а + %),
(6.3)
где с — жесткость пружин; ао — угол, соответствующий их предварительному растяжению от а =—а0 До угла трогания атр=0, что необходимо для создания силы контактного нажатия между КЭ 6 и 7 при отсутствии тока ism (рис. 6.1).
Пренебрегая трением в подшипниках осей вращения О и О' рамки (рис. 6.1, б) и провалом контактов, для статического режима перемещения рамки получим
附 нр=—Ммх・
(6.4)
Знак минус в (6.3) и (6.4) показывает, что направление Мвр противоположно положительному направлению Мвр.
Из (6.2) — (6.4) в пределах перемещения рамки:
Q = “Jmu/c-%,(6.5)
что иллюстрируется рис. 6.2, б, на котором значения аср и Гвт.ср со- отвётствуют срабатыванию реле (замыкание КЗ 6 н 8 при увеличении тока в рамке), а значения ав и Гвш.я — возврату реле (замыкание КЭ 6 н 7 при уменьшении тока).
В динамическом режиме помимо Мвр и Ммх на рамку действуют успокаивающие тормозные моменты, обусловленные токами, 126
Индуктируемыми в витках обмотки и в рамке (если последняя выполнена из металла), вихревыми токами в толще проводника обмотки, а также трением о воздух.
Электродвижущая сила, индуктируемая в витках обмотки при ее движении в магнитном поле постоянных магнитов, определяется выражением
4=一(1更/也.(6.6)
Если пренебречь размерами поперечного сечеиия рамки с обмоткой и длиной рабочего зазора 6 по сравнению со средним радиусом г обмотки (рис. 6.1), принять, что линии индукции в рабочих зазорах перпендикулярны поверхности сердечника и что В=# #/(а), то потокосцепление 4f можно рассчитать по формуле
W=2rlwBa.(6.7)
Из (6.6) и (6.7) при В=const получаем
4=—力 g(da/df)・
Ток в обмотке, обусловленный этой ЭДС при допущении чисто активного характера цепи,
九=4/(r+凡а=一就3(r+凡山尸((1a2),(6.8)
где R — сопротивление обмотки; /?вш — сопротивление внешней цепи с учетом сопротивления источника.
Успокаивающий момент, обусловленный током /и, можно найти, используя формулу (6.2):
附 у.°б= -或(R+凡皿尸(da/d/)= —".。6 (da/df),(6.9)
где ^у.об=^2мэ/(/?+^аш) — коэффициент успокоения рамки от действия тока, индуктированного в обмотке.
Поскольку моменты от токов, индуктированных в металлической рамке, от вихревых токов, индуктированных в толще проводника обмотки, и момент, обусловленный трением о воздух, также пропорциональны da/df, то действие всех успокаивающих моментов можно характеризовать величиной [—feys(da/d/)], где 々ух —— суммарный коэффициент успокоения рамки.
Таким образом, для динамического режима работы можно записать
ЛМ9<ВШ — J(d2a/d/2) — *у1 (da/d/) — с (а +ао)=О,(6.10)
где J — момент инерции рамки с обмоткой.
Анализ этого выражения [6] показывает, что в зависимости от значения коэффициента 砧 реле может работать в трех режимах, иллюстрируемых кривыми a=f(f) на рис. 6.2,8： колебательном (кривая /), критическом (кривая 2) и апериодическом (кривая 3). На рис. 62 8 аУст обозначает установившееся значение угла а после успокоения рамки в случае удаленного КЭ 8 (см. рис. 6.1), а ^п» — время трогания.
Зная аСр, 々мз, 々ух, Л с и ЭД С источника питания евш обмотки, используя (6.10) и принимая /вш=^пш/ (Л +Лвш), можно найти время срабатывания /Ср реле. Это время снижается с ростом коэффициента запаса k3 по току срабатывания ^щ.ср (рис. 6.2, г).
Расчет динамических характеристик реле существенно услож-* няется при учете собственной индуктивности обмотки, взаимной индуктивности обмотки с металлической рамкой и провала контактов.
Рис. 63 Принципиальная схема ферродинамического релеРис. 63 Принципиальная схема ферродинамического релеМагнитоэлектрические реле с подвижной рамкой высокочувствительны (минимальная мощность срабатывания достигает Ю~10 Вт), однако время их срабатывания сравнительно велико (порядка 0,1 с). К магнитоэлектрическим можно отнести магнитогидродинамические реле, в которых подвижным токопроводом является жидкий металл, например ртуть.
Рис. 63 Принципиальная схема ферродинамического реле
Рис. 63 Принципиальная схема ферродинамического реле
Электродинамическое реле отличается от магнитоэлектрического реле только тем, что в нем вместо постоянного магнита применяется обмотка с током.
Ферродннамическое реле — это электродинамическое реле, 8 котором взаимодействие двух систем проводников с током усиливается наличием ферромагнитных деталей.
Принцип действия ферродинамического реле иллюстрируется на рис. 6.3. На полюсы магнитопровода / намотана обмотка 2, по которой проходит постоянный ток 厶.
Симметрично между полюсами находится ферромагнитный сердечник 3. В рабочих зазорах размещается рамка с обмоткой 4. При протекании по обмотке 4 постоянного тока /2 его взаимодействие с магнитным полем, создаваемым в рабочих зазорах обмоткой 2, вызывает поворот рамки, направление которого определяется правилом левой руки. При допущении линейности магнитной системы и равномерности поля в рабочих зазорах вращающий момент, действующий на обмотку 4,
(6.11)(6.11)-Л4вр —^фД/р 2,
(6.11)
(6.11)
где 々фД — коэффициент пропорциональности.
Если обмотки питаются синусоидальным переменным током [ii=/misinsf и i2=/m2sin(sf—ф)], то при вышеуказанных допущениях мгновенное значение вращающего момента
附Bpf = ^4);/ml/m2 Sin з£・$Е (就一屮)=
=^флЛ^2 [(1 — cos 2w/)cos^ — sin 2co/-sin y],(6.12)
где 厶 и /2—действующие значения токов в обмотках; <р — угол сдвига фаз между токами.
128
Анализ формулы (6.12) показывает, что вращающий момент ферродииамического реле при питании обмоток переменным током имеет как переменную, так и постоянную составляющие. Среднее значение вращающего момента за период Т
г
Мр=，~ j 他p,d/=%/i/2Cos?.(6.13)
О
Таким образом, ферродинамические реле могут работать как на постоянном, так и на переменном токе.
Из (6.13) следует, что ферродинамическая система может использоваться для создания реле сдвига фаз. На ее основе может быть создано также реле мощности, если через одну из обмоток пропускать ток нагрузки, а через другую — ток, пропорциональный приложенному к нагрузке напряжению.
Индукционные реле
Работа индукционных реле основана на использовании сил взаимодействия переменных магнитных полей неподвижных обмоток с токами, индуктированными этими полями в подвижном электропроводящем элементе. Поэтому такие реле могут работать только на переменном токе. Электропроводящий элемент выполняется в виде диска, цилиндрического ротора, сектора или рамки, имеющих возможность вращения.
Индукционные реле с диском. Упрощенная схема одного из таких реле изображена на рис. 6.4. Реле состоит из шихтованного магнитопровода / с обмоткой 2. Полюсы магиитопровода охватывают алюминиевый диск 5、Ось 4, жестко связанная с диском, может вращаться в подшипнике 3, опираясь ннжним концом на подпятник //. При отсутствии тока в обмотке подвижный КЭ 6 поджат х упору 8 действием пружины 10 на ось 4. При подаче переменного тока в обмотку диск поворачивается к подвижный КЭ 6 замыкается с неподвижным КЭ 7 — реле срабатывает. Возврат реле осуществляется усилием пружины 10.
Для создания вращающего момента, достаточного для срабатывания индукционного реле, его подвижный электропроводящий элемент должен пронизываться не меиее чем двумя знакомеремеи- ными магнитными потоками, сдвинутыми относительно друг друга в пространстве и во времени (по фазе), что и выполнено в рассматриваемой конструкции с помощью расщепления полюсов на две части к установки на одной из них короткозамкнутых колец 12, В результате в рабочем зазоре магнитной системы образуются магнитные потоки dh и Ф2, причем поток S отстает по фазе от потока &2 на угол if (рис. 6.5). Эти потоки создают в диске соответствующие трансформаторные ЭДС £Ti и £тг, отстающие от них по фазе на 90° (рис. 6.5). Электродвижущие силы вызывают в диске токи
трансформации /т1 и /Т2, которые из-за существования индуктивных составляющих в электрическом сопротивлении диска отстают от ЭДС соответственно на углы ут1 и уТ2 (рис. 6.5) .
С этого места в тексте мы могли бы приступить к объяснению природы появления момента, вращающего диск в рассматриваемой
ма иидукциоииого реле
конструкции. Но не будем спешить. Давайте сначала ответим на вопрос: а не создаст ли вращающий момент один магнитный поток?
Согласно закону Ампера, на элементарный участок dZ диска с проходящим в нем мгновенным значением тока трансформации % при перпендикулярном направлении мгновенного значения 8f вектора магнитной индукции к плоскости диска и синусоидальном характере изменения J и Bt действует переменная во времени элементарная сила
d/\=6lBmIm sin cousin (w^ —90 — yt)=
=—dZ5m/m[sin Yt + cos(23/ —90 —yJ/2,(6.14)
где Bm и Im — амплитудные значения индукции и тока; <о — угловая частота изменения fT и Вь
Таким образом, сила, меняется во времени с двойной частотой (рис. 6.6, а—в). Среднее значение этой элементарной силы за период:
г
dP=£ J dQd/=—d/8"m(sin “)/2,(6.15)
т. e. при 丫工，0 это значение не равно нулю (рис. 6.6, а, б).
а丿а丿Рис. 6.6. Определение возможности вращения диска иидукциои- иой системы под действием одного магнитного потока:4 6. в — характер нзмененнн во времени элементарной силы dP, соответственно при 7Т =“/4, “/2 и 0; г— направления величин %, 々 и 匕 при нзмененин о/ от 0 до Зл/4 (см. рис. 6.6, а); ° — направления величин Bf，»т н pt прн нзмененнн sf от Зя/4 до Я; е — четыре варианта расположения полюса электромагнита относительно дискаРис. 6.6. Определение возможности вращения диска иидукциои- иой системы под действием одного магнитного потока:4 6. в — характер нзмененнн во времени элементарной силы dP, соответственно при 7Т =“/4, “/2 и 0; г— направления величин %, 々 и 匕 при нзмененин о/ от 0 до Зл/4 (см. рис. 6.6, а); ° — направления величин Bf，»т н pt прн нзмененнн sf от Зя/4 до Я; е — четыре варианта расположения полюса электромагнита относительно диска
а丿
а丿
Рис. 6.6. Определение возможности вращения диска иидукциои- иой системы под действием одного магнитного потока:
4 6. в — характер нзмененнн во времени элементарной силы dP, соответственно при 7Т =“/4, “/2 и 0; г— направления величин %, 々 и 匕 при нзмененин о/ от 0 до Зл/4 (см. рис. 6.6, а); ° — направления величин Bf，»т н pt прн нзмененнн sf от Зя/4 до Я; е — четыре варианта расположения полюса электромагнита относительно диска
Рис. 6.6. Определение возможности вращения диска иидукциои- иой системы под действием одного магнитного потока:
4 6. в — характер нзмененнн во времени элементарной силы dP, соответственно при 7Т =“/4, “/2 и 0; г— направления величин %, 々 и 匕 при нзмененин о/ от 0 до Зл/4 (см. рис. 6.6, а); ° — направления величин Bf，»т н pt прн нзмененнн sf от Зя/4 до Я; е — четыре варианта расположения полюса электромагнита относительно диска
При ут=л/2 элементарная сила dPt не меняет своего направления в пространстве с течением времени (рис. 6.6,6), а ее среднее значение максимально [см. (6.15)]. При 丫丁=0 сила dPt имеет только переменную составляющую — см. (6.14) и рис. 6.6, в.
Обратимся теперь к рис. 6.6, а, 0, на которых изображены часть контура диска и след от одного прямоугольного полюса электромагнита переменного тока, причем центр полюса смещен по оси х относительно центра диска. На этих рисунках за положительное направление Bt принято от нас к диску, а положительное направление it —- по правилу правоходового винта (по часовой стрелке). Рис. 6.6, г соответствует изменению <of на рис. 6.6, а от 0 до Зп/4, а рис. 6.6, д — от Зл/4 до л.
На рис. 6.6,2, д также показаны определяемые по правилу левой руки четыре вектора интегральных [по / — см. (6.14)] сил, приведенных по осям у (силы Рц и Ра) и х (силы Рз/ и P4J к точке О схода градиентных линий электрического поля в диске (не показаны на рисунках), перпендикулярных линиям тока J. Точка схода О из-за асимметрии полюса относительно оси у смещена от его центра по оси х в сторону центра диска. Из-за симметрии относительно оси х имеем Ра=»2f.
Число линий тока J в пределах части следа полюса, расположенной на рис. 6.6, г выше плоскости, проходящей параллельно оси у через точку О, больше числа линий тока в пределах остальной части следа полюса, поэтому Рз〉Ри.
На рис. 6.6, д качественное соотношение сил остается прежним (Plt = P2t； Р^>Рм), но каждая из сил имеет противоположное направление. Как следует из рис. 6.6, а, средние за период от 8f=О до ш/ = Зл/4 значения сил больше средних значений сил за период от o>f=3n/4 до ш/=л. Следовательно, среднее значение силы Рз/ больше среднего значения силы Р4f (°3>「4)・
Таким образом, мы пришли к выводу, что на диск по оси х действует результирующая сила (Рз/——Pgj с частотой 2з, причем ее среднее значение не равно нулю при 丫丁片。и направлено на выталкивание диска из-под полюса. Последнее определяет физический смысл знака минус в формуле (6,15): сила направлена в сторону снижения токов трансформации при постоянном значении магнитной индукции. Выталкивание диска из-под полюса имеет и энергетическую трактовку: при удаленном диске меньше потребление энергии из сети, так как влияние диска на электромагнитную систему эквивалентно влиянию КЗ витка (см. § 2.3).
К знаку минус в формуле для среднего значения результирующей силы мы придем также, если сравним результаты нашего анализа по направлению силы с рис. 6.6,0, соответствующему принятым положительным направлениям Bt и 厶.На этом рисунке результирующая сила (Рз/—Р<и) направлена в сторону втягивания диска под полюс.
Мы доказали, что при утт^О иа диск будет действовать среднее значение силы. Однако в случаях, изображенных на рис. 6.6, а, & диск вращаться не будет, так как направление результирующей силы проходит через его ось (нет плеча). Вращения не будет при любом симметричном расположении полюса относительно радиуса диска (см. позиции /—Ill на рис. 6.6, е). Но если расположить пря-
моугольный полюс, как показано иа позиции IV рис. 6.6, е, то мгновенное значение вращающего момента Мвр£=/=0, а при ут#=0 имеем и среднее значение Мвр=/=0・
При промышленной частоте питания обмотки индуктивное электрическое сопротивление диска существенно меньше его активного сопротивления, угол ут мал, мал и вращающий момент, поэтому однополюсные системы ие используются в индукционных
реле.
Вернемся теперь к конструкции, изображенной на рис. 6.4. Для упрощения анализа действующих в ней моментов примем сначала на диаграмме рис. 6.5 yTi =0 и $2 = 0. С учетом этого на рис. 6.7
дано изменение во времени мгновенных значений потоков и трансформируемых ими токов при отставании потока Oi от потока Фг на угол 屮=30°. На рис. 6.8 показаны направления мгновенных значений магнитных ПОТОКОВ Фп И ①2f двух полюсов (изображены пунктиром), имеющих одинаковые размеры и расположенных симметрично относительно оси у диска, а также токов 订1 и iT2 в диске за один полупериод через промежутки, равные 30°.
При анализе используем метод суперпозиции: изображая линии тока Ji, считаем, что имеется только поток
Рис. 6.7. Изменение во времени потоков и токов трансформации индукционного релеРис. 6.7. Изменение во времени потоков и токов трансформации индукционного релеФ1» а изображение линий тока tT2 связываем с существованием только потока Фг. Положительное направление магнитных потоков
Рис. 6.7. Изменение во времени потоков и токов трансформации индукционного реле
Рис. 6.7. Изменение во времени потоков и токов трансформации индукционного реле
считаем от нас к диску, а положительное направление токов — по часовой стрелке.
При sf=0 (рис. 6.8,а) значение Фг^=0, а ток &2 достиг своего максимального отрицательного значения (см. рис. 6.7), так как перед этим моментом поток ①2f был направлен на нас и уменьшался по модулю. Поток ①"к этому моменту прошел уже свой максимум в отрицательном направлении, но не достиг нулевого значения (рис. 6.7), поэтому ток Ji имеет отрицательное направление, но еЩе не достиг своего максимального значения. Поток ①卄,как мы выяснили ранее, не может создать вращающий момент при ут1 = 0, взаимодействуя с током %i・ Но взаимодействуя с током iT2> этот поток создает момент вращения 乂叩】2f = Pi2fOi, направление которого (определяется правилом левой руки)——против часовой стрел-
ки (примем это направление вращающего момента за положительное).
Для следующего рассматриваемого момента ((о/=л/6), которому соответствует рис. 6.8, б, имеем: поток ①及 равен нулю, ток /т1 достигает своего максимального отрицательного значения, поток ①2f увеличивается в положительном направлении, а ток iT2 умень-
Рис. 6.8. Изменение направления магнитных потоков и токов трансформации в течение одного полупернода для двух одинаковых полюсов, симметрично расположенных относительно диска:
а — прн G)f・O; б — прн G)f・“/6; в — при G)f—n/3; е — при о)/»л/2;。一при 3£・2几/3; е — при е)/=5л/б
тается по модулю в отрицательном направлении (см. рис. 6.7). В результате мы получаем положительный вращающий момент 乂叩2“ =「21山2 от взаимодействия потока ф2/ с током 片卜
В третий рассматриваемый момент, при(о/=л/3 (рис. 6.8, в), имеются два вращающих момента: положительный Мвр2н= =Р2iffl2 ——от взаимодействия потока Oaf с током iTi и отрицательный MBpi2f=Pi2f°i — от взаимодействия потока ①卄 с током ，2, причем Рги>|Pi2f|, так как в этот момент поток d)2f и ток }i соответственно больше потока Фи и тока /т2 (см. рис. 6.7). При。2 = % нмеем Мвр21f> I Мвр12fl.
Анализируя подобным образом все остальные случаи на рис. 6.8, приходим к выводу, что сдвинутые по фазе синусоидальные магнит- ньсе потоки двух одинаковых полюсов, симметрично расположен- 134
WWx относительно радиуса диска, создают на диске суммарный вра^ щающий момент Мврхь в любой момент времени направленный от полюса с опережающим потоком к полюсу с отстающим потоком (в нашем случае — от полюса с потоком Фг к полюсу с потоком Ф1).“
Найдем теперь выражения для мгновенных и средних значений суммарного вращающего момента в конструкции, изображенной на рис. 6.4 в общем случае, когда полюса разные и углы »i и »2 не равны нулю.
Для мгновенных значений вращающих моментов Мвр12f и MBp2if, согласно закону Ампера, имеем
Мвр121 =自@1/T2m sin 3/• sin (З/ +屮一90 — Yt2)=
— —k^lmlT2m sin ш^-СО5(ш/+ф —Yt2).(6.16)
M^nt=k^>2ml^m sin(3/+屮)・sin(3/-90-y“)=
=—^2Ф2т/Т1т sin(3/+W)・cos(3/ — Yu),(6.17)
где 论I н 论2 ——коэффициенты пропорциональности.
Примем положительное направление суммарного вращающего момента совпадающим с положительным направлением момента Мвр®, как показано на рис. 6.8, е. Тогда мгновенное значение суммарного момента с учетом (6.16) и (6.17) определится выражением
MBpit=MBfl2t- Жвр21/= -*1Ф1т/т2т Sin 3/・cos(3f+屮一YQ +
+ 局@2«厶1加 sin(3/ +屮)・cos (з/ — YT1).(6.18)
Среднее за период значение суммарного момента г
Мвр» = £ J 他pgfd/ =
=十肉①Vn&m sifl (ф—YT2)+ ^2m^т1т $也(屮一 丫1)1，(6.19)
Знаки плюс перед составляющими выражения (6.19) при учете W>?ti и р>ут2 свидетельствуют о том, что истинное направление среднего значения суммарного вращающего момента совпадает с принятым выше его положительным направлением, т. е. от полюса с опережающим потоком к полюсу с отстающим потоком.
Амплитудные значения токов трансформации в выражениях (6.16) —(6.19)
* =Zz = sАт [ М忌+ ©呜(6.20)
и
/т2/п = 3①2т/2т2 = 3①2/n / М忌 + 题;2 ,(621)
где Zh, Rti, sLti — полное, активное и реактивное электрические сопротивления диска току Ji, a Zt2, Rt2, ®Lt2 — соответствующие сопротивления току &2・
Если полюса одинаковы по размерам и расположены симметрично относительно оси у (рис. 6.8), то
电=々2 =々；RtI = Rt2 = Rt； % =厶=L.(6.22)
Yt1 = Yt2 = Yt・
Тогда с учетом (6.18) —(6.22) имеем
川врв/=Мвр£ = -2偿R# [sin (屮+%)+ sin (屮一yJ, (6.23)
т. e. в этом случае вращающий момент не имеет переменной составляющей.
При допущении LT=0 (^т=0) из (6.23) получаем
也вР£/=МвРЕ =(加❿Ъл①2/Я SiH 屮)/Ат*(6.24)
В ненасыщенной магнитной системе потоки примерно пропорциональны создающим их токам в обмотках. На рис. 6.4 оба потока определяются одним и тем же током /, поэтому при отсутствии насыщения из (6.24) следует
М1P 产％. (6.25)
При неизменных значениях s, Ф1щ, Фгт и * вращающий момент зависит от толщины и удельного электрического сопротивления диска, а также от так называемой геометрической постоянной индукционной системы, представляющей собой функцию от размеров
Рис. 6.9. Влияние смещения полюсов относительно центра диска на электрическое сопротивление диска токам трансформации н вращающий моментРис. 6.9. Влияние смещения полюсов относительно центра диска на электрическое сопротивление диска токам трансформации н вращающий моментРис. 6.10. Возникновение моментов от токов резанияРис. 6.10. Возникновение моментов от токов резания
Рис. 6.9. Влияние смещения полюсов относительно центра диска на электрическое сопротивление диска токам трансформации н вращающий момент
Рис. 6.9. Влияние смещения полюсов относительно центра диска на электрическое сопротивление диска токам трансформации н вращающий момент
Рис. 6.10. Возникновение моментов от токов резания
Рис. 6.10. Возникновение моментов от токов резания
полюсов, их взаимного расположения и размещения относительно диска (рис, 6.9). Так, например, при перемещении полюсов от центра диска к его краю вращающий момент сначала растет, достигает максимального значения, а затем падает (рис. 6.9). Это связано с тем, что с удалением полюсов от центра диска растет электриче- 136
ское сопротивление последнего на пути прохождения токов трансформации, но при этом увеличивается плечо приложения силы, возникающей от взаимодействия потоков Ф1 и Фг с этими токами.
При вращении диска под действием Мврх в нем появляются ЭДС резания £pe3i и £ре32, обусловленные пересечением диском магнитных потоков Ф1 и Фг- Направление этих ЭДС определяется правилом правой руки. В свою очередь ЭДС резания вызывают в диске токи резания /pe3i и /резг, которые, согласно закону Ленца, препятствуют вращению диска. Рассмотрим этот процесс на примере пересечения диском потока 匕 (рис. 6.10). Считая поле равномерным под полюсом, получим приближенное выражение для мгновенного значения ЭДС резания:
Срез】~ -~ з陶加 sin 3f,(6.26)
где г ——удаление оси полюса от оси вращения диска (рис. 6.9); Zn — средняя длина линии тока под полюсом; Sn — площадь поперечного сечения полюса; <од — угловая скорость диска.
Мгновенное значение тока резания
»рез1 ~sin з/,(6.27)
где Zpesi — полное электрическое сопротивление диска на пути прохождения тока /резь
При допущении 7рез1=/?рез1 ток tpeai совпадает по фазе с потоком Фь На рис. 6J0 направление мгновенных значений потоков Фи и ①2f показано от нас к диску, а вращение диска происходит против часовой стрелки, поэтому по правилу правой руки ток под полюсом с потоком Ф^ должен протекать слева направо. Момент, создаваемый взаимодействием потока Ф^ с током /резь будет, согласно правилу левой руки, направлен по часовой стрелке (т. е. против суммарного вращающего момента), а его мгновенное значение при допущении совпадения по фазе потока Ф1 с током /рез! (Ype31 = 0) равно
М>ез1" =亀《^'siM 叫(6.28)
где 々3 — коэффициент пропорциональности.
Часть тока ipe3i пройдет под соседним полюсом (рис. 6.10) и, взаимодействуя с потоком ①2h создаст момент Afpeazw, направленный против момента Мрез”. Мгновенное значение этого момента При урез! — 0；
^Рез2И=МлФ1тФ2т SW з/.skl (з/十屮).(6.29)
Мгновенные значения аналогичных моментов:
^рез22；= %学筛I SiM (з/ + 屮)；(6.30)
也e“2f = Mglm@2n. Siil <o/・Skl (加 +屮).(6.31)
137
Значение |Л1реэ21/| < |Л1резн/|, а значение |从鹏2〃 V |Мрез22/1, так как под полюсом с потоком ф2 проходит незначительная часть тока резания, возникающего под полюсом с потоком Фь а под по- ЛЮСОМ С ПОТОКОМ 6 — незначительная часть тока резания, возникающая под полюсом с потоком &2・
Мгновенное значение суммарного тормозного момента от токов резания, создаваемого магнитной системой на диск,
Mpes£f ^^МрИ Н-^резгг"- Мрез21 —川卩匕類^^
=%他3①MsiM也+亀①詳Sin2 (О)/+屮)一
—(自 + 鳥)①bn@2m sifl <0/. sin (Ш/ + 屮)]=
=% 依з① in (1 — cos 2吼)+ 亀① M (1 — cos 2 屮 cos 2ш^ 十
+ sin 2屮 sin 2(ojf) —(自+ 々6)①bn①2nleos 屮(1 — cos 2o)f)+
上 sic 屮 sih 2ш/]|/2.(6.32)
Таким образом, суммарный тормозной момент от магнитной системы имеет переменную составляющую. Среднее значение этого момента
о
=% [岛*m + 亀①詳一(& + 鳥)Ф1тФ2т COS 屮]/2.(6.33)
При одинаковых размерах полюсов и симметричном их расположении относительно диска в выражениях (6.32) и (6.33) имеем 自=履h々4=备.
В ряде случаев для ограничения скорости диска его край охватывают полюсами постоянного магнита (см. поз. 9 на рис. 6.4), тормозной момент которого на вращающийся диск от возникающих токов резаиия определяется выражением
^Ирез.п.м = ЛГп.ми)дФп.м,(6.34)
где Кп.м ——коэффициент пропорциональности; Фп.м ——магнитный поток между полюсами постоянного магнита.
Так как вращающий момент в индукционных системах является функцией частоты, амплитудных значений Фщг и Ф2т магнитных потоков, а также угла сдвига фаз между комплексными значениями последних [см. (6.24)], то эти системы могут быть использованы для создания различных по назначению реле:
—реле частоты, если w=var, а Ф1тФг/п sin 5|з=const;
—реле тока, если <Dim<I>2ms/2m=var, a w=const и \j)=const;
——реле напряжения, если ФхтФ2т = и2т=уаг, a <o=const и ф = =const;
——реле активной мощности, если ФщФгт sin^^UIcos ф=var (屮一угол между U н /), a <o=const;
—реле реактивной мощности, если ФщФзт sin 屮三 UI sin(p=var> a <o = const;
——реле сопротивления — при реализации сложной схемы при- соединения обмоток индукционной системы к сети [21, 23] с при* менением специальных трансформаторов тока (трансреакторов), имеющих воздушные зазоры в магнитной цепи.
Индукционные системы с диском отличаются большими габаритами, невысокой чувствительностью и из-за значительного момента инерции подвижного элемента—относительно большим временем срабатывания, поэтому такие системы в настоящее время применяются только в реле тока серий РТ-80 и РТ-90 для реализаций зависимой от тока характеристики времени срабатывания. Указанные типы реле являются по своему принципу действия комбинированными: в них помимо индукционной системы с диском имеется электромагнитный элемент, реализующий «мгновенное» срабатывание (отсечку) при больших токах.
Для создания более чувствительных и быстродействующих индукционных реле используются системы с подвижными цилиндрическим ротором, сектором или рамкой, В настоящее время распространение получили первые два вида этих реле.
Индукционные реле с цилиндрическим ротором. В таких реле два магнитных потока (Ф1 и Ф2) сдвинуты в пространстве на угол л/2 за счет применения специальной (четырехполюсной) конструкции магнитной системы / (рис. 6.11), а фазовый сдвиг между ни-
Рис. 6.12. Распределение токов трансформации в системе с цилиндрическим роторомРис. 6.12. Распределение токов трансформации в системе с цилиндрическим роторомРис. 6.11. Иидукциоииая система с цилиндрическим ротором
Рис. 6.12. Распределение токов трансформации в системе с цилиндрическим ротором
Рис. 6.12. Распределение токов трансформации в системе с цилиндрическим ротором
ми осуществляется определенным включением обмоток двух электрических цепей реле к внешней сети. Магнитные потоки индуктируют в стейках цилиндрического алюминиевого ротора 2 токн, которые, взаимодействуя с магнитными потоками, создают момент, поворачивающий ротор. Внутри ротора 2 находится неподвижный
139
момента времени, аналогичного моменту времени, характеризуемомомента времени, аналогичного моменту времени, характеризуемостальной сердечник 3 для снижения магнитного сопротивления на пути потоков Ф1 и &2，уменьшения рассеяния между полюсами и повышения равномерности поля под ними. Распределение в роторе токов трансформации fTi и iT2 условно показано на рис. 6.12 для
момента времени, аналогичного моменту времени, характеризуемо
момента времени, аналогичного моменту времени, характеризуемо
му рнс. 6.8, е для реле с диском. Для упрощения рассмотрения на рис. 6.12 даны только граничные линии токов Ji и Гг2・
Вращающий момент на роторе определяется выражением (6.24) при соблюдении условий, принятых при выводе этого выражения.
Рис. 6.13. Принципиальная схема вклю- На рис. 6.13, а приведена чения (а) и векторная диаграмма (6) ре- принципиальная схема присое- ле направления мощностидинения к сети реле мощности
типа РБМ, выполненных на основе индукционной системы с цилиндрическим ротором. Одна из электрических цепей реле мощности kW подключается к трансформатору тока ТА и обтекается вторичным током /, а вторая ——к трансформатору напряжения TV и обтекается током /и, пропорциональным напряжению U. На рис. 6.13,6 дана векторная диаграмма, иллюстрирующая принцип действия таких реле при допу
щении, что потоки Ф и ①и совпадают по фазе с создающими их токами / и /и. Тогда с учетом (6.24) вращающий момент на роторе определяется как
Ч»ре =①% sin 屮三 /U sin (Yu —池(6.35)
где уи ——внутренний угол реле, т. е. угол сдвига по фазе между напряжением, подведенным к реле, и током в обмотке напряжения, а <р — угол сдвига по фазе между напряжением и током, подведенными к реле.
Таким образом, вращающий момент пропорционален мощности.
В зависимости от параметров цепи напряжения существуют реле мощности трех видов. Если реактивное сопротивление цепи напряжения много больше ее активного сопротивления, то уи=л/2. Тогда из (6.35) имеем
= IU cos %(6.36)
т. е. получаем реле активной мощности (косинусное реле).
Если же, наоборот, цепь напряжения имеет активный характер, то уи=0, и из (6.35) имеем
Мврл=—/U sin %(6.37)
т. е. получаем реле реактивной мощности (синусное реле).
Реле, в которых угол имеет промежуточное значение между О и л/2, называется реле смешанного типа.
Из выражений (6.35)——(6.37) следует, что при изменении направления тока в токовых обмотках реле или в обмотках напряжения знак момента изменяется, поэтому рассмотренные реле называются также реле направления мощности. Промышленностью выпускаются такие реле двух основных серий: РБМ-170 и РБМ-270. Они используются в схемах релейной защиты для выявления линии, на которой произошло короткое замыкание (КЗ). Реле РБМ-170 являются односторонними — имеют один замыкающий контакт и выдают выходной сигнал при протекании тока КЗ по цепи только в одном направлении. Реле РБМ-270 — двусторонние, имеют два замыкающих контакта без общей точки (в зависимости от направления мощности замыкается тот или другой контакт); при обесточенных обмотках реле оба контакта разомкнуты. Последние реле предназначены для поперечных направленных дифференциальных защит двух параллельных линий [23].
Индукционные реле с сектором. Такие реле серии ДСШ получили широкое распространение в железнодорожной автоматике. Они имеют две магнитные системы (местную / и путевую 2), расположенные напротив друг друга с противоположных сторон алюминиевого сектора 3 (рис.
6.14). Обмотка местной магнитной системы питается от источника, расположенного в пункте нахождения реле. Обмотка путевой магнитной системы включена в электрическую цепь рельсового пути, по которой направляется управляющий сигнал.
Функционирование реле определяется воздействием магнитного потока, создаваемого путевой системой,
на ТОКИ, индуктированные В Рис. 6.14. Индукционная система с сек- секторе магнитным ПОТОКОМ тором реле ДСШ для железнодорожной местной системы. В резуль- автоматики
тате сектор перемещается
вверх от упора 4 к упору 5, переключая контакты (не показаны на рисунке). При прекращении питания обмотки путевой системы сек
тор опускается.
Более 95% электроэнергии, необходимой для перемещения сектора при срабатывании, поступает от местной электрической цепи, что определяет высокую чувствительность реле. Момент, вращающий сектор, резко уменьшается даже при небольшом различии частот питания обмоток местной и путевой систем, что исключает ложное срабатывание реле от токов помех в управляющей (путевой) обмотке.
Раздел третий
Электрические аппараты с гермети • зированными магнито» управляемыми контактами ・ герконами
Герметизация электромагнитных реле исключает воздействие внешней среды на контакты, но не устраняет выделение летучих веществ из изоляционных материалов катушек, траверс и других деталей самих реле, что вызывает отказы контактов. Следует также отметить, что традиционные электромагнитные реле представляют собой достаточно сложную конструкцию, содержащую в ряде случаев более сотни деталей. Это затрудняет автоматизацию их производства. Упрощение конструкции за счет сокращения числа элементов приводит к необходимости выполнения каждой из оставшихся деталей большого числа функций, что повышает требования к материалам этих деталей. Из истории раз* вития коммутационной техники известны разные решения некою* рых из указанных проблем. Наиболее полное решение было полу' чено при создании новых видов коммутационных элементов — герметизированных магиитоуправляемых контактов. Согласно [33], лаг- нитоуправляемым контактом называется《контакт электрической цепи, изменяющий состояние электрической цепи посредством механического замыкания или размыкания ее при воздействии управляющего магнитного поля на его элементы, совмещающие функции контактов и участков электрических и магнитных цепей^. Магнитоуправляемый контакт, помещенный в герметизированный баллон, называется герметизированным магнитоуправляемым контактом или герконом.
ГЛАВА 7. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, РАЗНОВИДНОСТИ И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫХ МАГНИТОУПРАВЛЯЕМЫХ КОНТАКТОВ
Магнитоуправляемые .контакты (МК) могут быть замыкающими, размыкающ им и или перекл ючающ им и. Существуют сухие (с твердыми контактами) и жидкометаллические (контакты смочены жидким металлом) МК. Как те, так и другие бывают нейтральными и поляризованными. Большее распространение получили нейтральные МК. Среди нейтральных МК применение в настоящее время нашли в основном замыкающие н переключающие.
Так как детали МК реализуют функции контактов и участков электрических и магнитных цепей, им дали название контактные сердечники (КС). Контактные сердечники могут быть неподвижными и подвижными. Часто подвижные КС выполняются гибкими—в этом случае они играют роль возвратной пружины. Магнитоуправляемые контакты с гибкими подвижными КС можно назвать безъякорными, так как в иих отсутствует жесткий подвижный элемент магнитной системы — якорь, характерный для негерконовых электромагнитных реле. К безъякорным МК относятся язычко- и мембранные конструкции.
Сукне язычковые мвгимтоупрмляемые контакты
Магнитоуправляемые контакты, содержащие КС в виде «консольно закрепленных пластин или стержней, изгибающихся под действием магнитного поля》，получили название язычковых [33].
Основные виды язычковых МК. К наиболее распространенным видам язычковых МК относятся: симметричный (рис. 7.1, а) и асимметричный (рис. 7.1, а) замыкающие МК； переключающий МК вида РП-3 (рис. 7.1, 6), у которого размыкаемый (Р) КС 5 и переключающий (П) КС 4 закреплены с одной стороны герметизированного баллона 3, а замыкаемый (3) КС / ——с другой •его стороны; переключающий МК вида РЗ-П (рис. 7.1, е), у которого размыкаемый КС 5 и замыкаемый КС / расположены с одной -стороны баллона 3, а переключающий КС 4 — с его противоположной стороны; переключающий Т-образиый МК (рис. 7.1, ж).
Симметричный язычковый замыкающий МК (рис. 7.1, а) является простейшей конструкцией, состоящей из одинаковых подвижных КС / и 2, заваренных в стеклянную трубку диаметром от 2,0 до 5,5 мм, которая после изготовления МК образует герметизированный баллон 3. Длина баллонов составляет от 7,5 до 50 мм. Об-
щая длина (с выводами) язычковых МК лежит в пределах от 20 до 80 мм. При изготовлении МК баллон заполняется сухим защитным газом (например, азотом, водородом или их смесью) под давлением или вакуумируется. Контактные сердечники кроме функций элементов электрической и магнитной цепи выполняют роль возвратных пружин.
Чтобы КС выполняли свои функции, материал для их изготовления должен обладать определенными свойствами: большой маг-
Рис. 7.1. Язычковые герметизированные магиитоуправляемые контакты：
а — симметричный замыкающий МК; б — контактные сердечники разомкнуты; в — контактные сердечники замкнуты； г — асимметричный замыкающий МК- д — переключающий МК вида РП-3； е — переключающий МК вида РЗ-П； ж — переключающий Т-образный МК; /, 2 — замыкаемые КС; 3 — герметизированный баллон； 4 — переключающий КС； 5 — размыкаемый КС; 6 — немагнитная контакт-деталь； 7 — обмотка； 8 — постоянный магнит
нитной индукцией в средних полях (с напряженностью примерно 200—700 А/м) и низкой коэрцитивной силой; достаточной электропроводностью; хорошей упругостью; малой зависимостью магнитных и механических свойств от температуры МК в пределах ее рабочего диапазона, а также незначительными изменениями этих свойств после 10s—109 циклов упругих деформаций и ударов КС друг о друга; коэффициентом теплового расширения (КТР), близким к КТР стекла, используемого для баллона; хорошей адгезией со стеклом для создания вакуумно-плотного спая.
Указанными свойствами обладают некоторые магнитомягкие материалы, например низконикелевые пермаллои марок 52Н, 52Н-ВИ, 47НД. Коэрцитивная сила у этих материалов небольшая (6—12 А/м), магнитная индукция при напряженностях поля 600—700 А/м составляет 1,35—1,45 Тл (магнитная индукция насыщения—примерно 1,5 Тл), температура точки Кюри — 470—500。& модуль упругости—(1,3—1,4) • 10" Н/м2. Контактные сердечники язычковых МК штампуются из проволоки диаметром 0,5—1,5 мм, изготовленной из этих материалов.
При применении КС из низкоиикелевых пермаллоев баллоны изготавливаются из легкоплавких стекол, имеющих температуру размягчения 400—500℃ и КТР (от 8,5-10-6 до 10-10-6 град-'), близкий к КТР этих пермаллоев (от 8,2-10~6 до 9,8-10-6 град-»
В ряде случаев КС изготавливаются также из ковара, например^ марки 29НК. Спай ковара осуществляется с тугоплавкими стеклами, температура размягчения которых равна 560——600℃, а КТР — (4,6+5) • 10~ град— Этот спай более термостоек по сравнению со спаями пермаллоев с легкоплавкими стеклами. Одиако ковар марки 29НК имеет большую коэрцитивную силу (примерно 45 А/м) по сравнению с указанными выше марками пермаллоя. Температура точки Кюри у этого сплава равна примерно 420℃, магнитная индукция при напряженностях поля 600—700 А/м составляет 1,25—1,45 Тл, модуль упругости — примерно 1,42- 10й Н/м2.
Внутренние концы КС в язычковых МК перекрываются на величину а (рис. 7.1, а, б) и имеют контактное покрытие толщиной А (рнс. 7.1, б), составляющей от единиц до десятков микрометров. С целью создания низкого и стабильного сопротивления при коммутации малых токов и напряжений для контактного покрытия используется обычно золото и его сплавы. В высоковольтных МК и в МК, коммутирующих повышенные токи, применяются тугоплавкие металлы (например, вольфрам, молибден) и их сплавы с другими металлами. Для МК многоцелевого назначения широко используется родий. Защитная среда в баллоне предохраняет тугоплавкие покрытия в МК от обычного для них окисления на воздухе. Существуют также и более сложные (многослойные и многоструктурные) покрытия. Покрытия в МК наносятся: гальванизацией с последующей термообработкой и образованием диффузионного слоя (например, атомы гальванического золота диффундируют в пермаллой КС, а атомы никеля и железа пермаллоя —в золото); вакуумным напылением, электроискровой обработкой и другими способами.
При отсутствии управляющего магнитного поля перекрывающиеся поверхности внутренних концов КС удалены друг от друга на размер начального немагнитного рабочего зазора * 6Н (рис. 7.1, 6). При этом между поверхностями контактных покрытий имеется раствор др； у язычковых МК он составляет от 40 до 300 мкм.
Внешние концы КС служат для присоединения МК к коммутируемой электрической цепи.
При воздействии управляющего магнитного поля от обмотки 7 с током или постоянного магнита 8 (рис. 7.1, а) между КС возникает электромагнитная сила, которая, преодолевая механическую силу упругости КС, приближает их внутренние концы друг к другу. При определенном значении поля (зиаченнн величины срабатывания) КС переходят в замкнутое состояние, которому соответствует конечный рабочий зазор 6联(рис. 7.1, в). Уменьшение поля до значения величины возврата вызывает размыкание КС под действием сил их упругости.
Асимметричный язычковый замыкающий МК (рис. 7.1, г) имеет разные КС, один из которых (на рисунке обозначен цифрой /) более гибкий. Такая конструкция сложнее в изготовлении (различные КС; необходимость при заварке установки одного из КС под углом к продольной осн баллона, если желательна параллельность контактных поверхностей при их соприкосновении; труднее исключить разрушение контактных покрытий под действием теплоты, выделяющейся прн заварке более короткого КС, так как контактирующие поверхности приближаются к месту заварки). Однако такая конструктивная схема решает проблему мнниатюрнзацни, так как при этом для одного и того же раствора н возвращающей механической силы КС длниу баллона удается получить меньше, чем по схеме симметричного исполнения. Применение асимметричных язычковых МК дает также возможность в ряде случаев получить более компактные переключатели, управляющее магнитное поле в которых создается подвижным постоянным магнитом. Принцип действия асимметричных язычковых замыкающих МК такой же, как и у симметричных конструкций.
В исходном состоянии большинства язычковых переключающих МК (рис. 7.1, д—ж) переключающий КС 4 механически поджат к размыкаемому КС 5. Прн определенном значении управляющего магнитного поля происходит перемещение переключающего КС от размыкаемого (5) к замыкаемому (/) КС.
В конструкции, показанной на рис. 7.1, д, КС / обычно выполняется неподвижным； из двух других КС переключающий КС 4 обладает существенно большей гибкостью.
Конструкция, изображенная на рнс. 7.1, е, имеет одни подвижный КС 4 и два неподвижных КС (/ и 5). Возможность переключения в этой конструкции обеспечивается за счет создания асимметрии： большего рабочего зазора между КС 4 H 5 по сравнению с зазором между КС / и 4 (с этой целью на КС 5 устанавливается немагинтиая контакт-деталь $, например, как показано на рисунке); разных перекрытий между КС； выполнения КС 5 с меньшнм поперечным сечением, чем у КС /, с целью насыщения КС 5 при воздействии магнитного поля.
Возможность переключения в конструкции, изображенной иа рис. 7.1, яс, обеспечивается наличием немагнитной коитакт-детали 6 146
между КС 4 и 5. Условия переключения улучшаются, если источник управляющего магнитного поля располагается асимметрично относительно МК, ближе к рабочему зазору между КС / н 4. Например, с этой целью источник управляющего поля может быть выполнен в виде обмотки с током, расположенной вокруг КС /.
Существуют язычковые МК, по конструктивному исполнению аналогичные изображенным иа рис. 7.1, е, *, но без предварительного механического поджатия переключающего КС к какому-либо из других КС. Такие МК предназначены для использования только в поляризованных электрических аппаратах, например в поляризованных герконовых реле. При отсутствии поляризующего и управляющего магнитных полей переключающий КС в этих МК расположен между двумя другими КС и находится с ними в разомкнутом состоянии.
Помимо МК с цилиндрическими баллонами существуют язычковые МК с плоскими баллонами. Такне МК имеют в полтора-два раза меньшую площадь поперечного сечення. Это позволяет выполнять реле на их основе (особенно с большим числом МК в обмотке управления) более компактными н менее энергоемкими. Последнее достигается за счет более близкого расположения обмотки к КС (что снижает МДС срабатывания) и сокращения средней длины ее витка. Однако плоские МК более трудоемки в изготовлении и широкого распространения пока не получили.
Контактные сердечники язычковых МК могут быть изготовлены не только из магнитомягкнх, но и из средиекоэрцитнвных материалов (Нс^ 1,5+4,0 кА/м) с высокой остаточной магнитной нидукци- ей (Вг^ 1,44-1,8 Тл). В этом случае после замыкания МК его КС прн снятии управляющего магнитного поля остаются в замкнутом состоянии под воздействием их остаточной магнитной энергии. Такне МК в СССР получили название гезаконов (герметизированные запоминающие контакты).
Требование по коэрцитивной силе для материала КС гезакоиов определяется, с одной стороны, желанием быстро и с меньшей затратой электрической энергии перемагничивать КС (ограничение по верхнему пределу 儿)，а с другой — необходимостью создать достаточную магнитную энергию для удержания КС в замкнутом состоянии после снятия управляющего поля (ограничение по инжне- му пределу 〃с). Материал для КС гезакоиов должен также иметь прямоугольную петлю гистерезиса, что дает возможность перемагничивать его импульсами магнитного поля с меньшей напряженностью, повышает стабильность параметров гезаконов при производстве и снижает влияние паразитных размагничивающих импульсов поля (не превышающих в КС значение Яс) на их работу, В настоящее время гезакоиы изготавливаются по конструктивной схеме, изображенной на рис. 7.1, а.
Электрическое сояротявление замкнутых язычкояых МК с твердыми контактными покрытвямн включает в себя сопротнвлевие КС, сопротивление покрытия н переходное сопротивление контакта. Второй составляющей можно пренебречь.
147
Вследствие значительного удельного электрического сопротивления низконике< левых пермаллоев и ковара (примерно 0,4о—0,5 мкОм м; для сравнения у ме- дн — 0,0175 мкОм-м), большой длины и малой площади поперечного сечения КС сопротивление двух КС (20—75 мОм при измерении на постоянном токе) часто бывает больше переходного сопротивления контакта в начале срока службы МК-
Как и в обычных контактных аппаратах, переходное сопротивление МК, а соответственно и его суммарное сопротивление зависят от контактного нажатня. Защитная среда позволяет в МК обеспечить малые значения переходного сопротивления (от иесколькнх единиц до 100—150 мОм при контактном нажатин примерно от 0,015 до 0,2 Н в зависимости от материала покрытия, технологии его получения и характера среды). О диако контактное нажатие в МК не должно быть ниже определенного значения для обеспечения надежности его работы н устойчивости к вибрациям и ударным нагрузкам. В микроминиатюрных МК (с длиной баллона 7,5——10 мм) она примерно составляет 0,02—0,03 Н, а в МК нормального размера (с длиной баллона 50 мм) —0,2—0,4 Н.
Наиболее низкое суммарное сопротивление в замкнутом состоянии (примерно 25 мОм) имеют МК нормального размера с серебряным покрытием н заполнением баллона чистым водородом при повышенном давлении, а также с покрытием сплавами иа основе золота. Наиболее высокое сопротивление (до 100— 300 мОм) — у МК нормального размера с покрытием из вольфрама н у микро- миниатюрных МК. Обычно МК, меньшие нормального размера, с вольфрамовым покрытием ие изготавливаются из-за их большого сопротивления.
Сопротивление МК возрастает с увеличением частоты проходящего по ннм тока из-за поверхностного эффекта. При частоте Ю5 Гц оно может быть уже в 1,5——3 раза больше, чем при постоянном токе. Для коммутации токов высокой частоты КС покрывают слоем иеферромагнитного материала с большой электропроводностью (чаще всего медью) толщиной 5——10 мкм. Контактные сердечники высокочастотных МК изготавливают также из платинитовой проволоки, представляющей собой сердечник из ковара или пермаллоя, покрытого тонким слоем немагнитного материала с высокой электропроводностью.
Для коммутации токов высокой частоты коммутирующие аппараты должны обладать небольшими емкостью и индуктивностью. Благодаря малым размерам КС и малой площади их перекрытия язычковые МК (рис. 7.1) имеют небольшую собственную емкость (0,2—1,0 пФ) н индуктивность (0,02—0,06 мкГн).
Отечественный язычковый замыкающий МК типа МК-17 способен коммутировать токи частотой до 100 МГц. Прн частоте 60 МГц его активное сопротивление ие более 200 мОм.
Сопротивление изоляции МК (электрическое сопротивление в его разомкнутом состоянии) в основном определяется поверхностным сопротивлением стеклянного баллона.
Наиболее характерные цифры для большинства язычковых МК при нормальной температуре и влажности окружающей среды — 103—Ю5 МОм. В МК. предназначенных для коммутации токов до Ю"10—10~12 А при напряжениях до 100 В, сопротивление изоляции достигает 107—Ю9 МОм.
Некоторые язычковые МК позволяют коммутировать не только токн 10~10-?- ♦ 10—12 а, ио н цепи весьма низкого напряжения (до Ю-6 В). К отечественным конструкциям такого рода относится МК-17.
Таким образом, МК являются перспективными элементами для коммутации сигналов очень малых уровней (так называемых сухих нагрузок)t когда состоя- нив контактирующих поверхностей меняется практически под действием только механических сил (влияние электрических н тепловых эффектов пренебрежимо мало).
Электрическая прочность МК характеризуется напряжением газового пробоя l/叩 или напряжением, вызывающим перекрытие по поверхности баллона. Напря- Жеиие пробоя язычковых МК с твердым контактным покрытием зависит от межкоитактного расстояния, формы, материала и состояния контактирующих по- ■верхиостей, рода и давления газа внутри баллона, формы и длительности прикладываемого к КС напряжения.
Исследования статических н динамических характеристик электрической прочности язычковых замыкающих МК с длиной баллона 50 мм при заполнении азотом показали:
При постоянном напряжении, переменном напряжении (амплитудное значение) промышленной частоты и воздействия импульсов (амплитудное значение) длительностью 30—60 с напряжение пробоя МК имеет одинаковую величину и подчиняется закону Пашена. Результаты статических исследований приведены на рис. 7.2. .
При кратковременных импульсах прямоугольной формы напряжение пробоя больше, чем при постоянном напряжении, причем оно увеличивается с со-
рис. 7.2. Зависимость статического напряжения пробоя от раствора контактов при различных давлениях азота в баллоне МКрис. 7.2. Зависимость статического напряжения пробоя от раствора контактов при различных давлениях азота в баллоне МКРнс. 7.3. Динамические зависимости напряжения пробоя МК от длительности прямоугольного импульса при различных давлениях азота в баллоне н растворе контактов 100 мкмРнс. 7.3. Динамические зависимости напряжения пробоя МК от длительности прямоугольного импульса при различных давлениях азота в баллоне н растворе контактов 100 мкм
рис. 7.2. Зависимость статического напряжения пробоя от раствора контактов при различных давлениях азота в баллоне МК
рис. 7.2. Зависимость статического напряжения пробоя от раствора контактов при различных давлениях азота в баллоне МК
Рнс. 7.3. Динамические зависимости напряжения пробоя МК от длительности прямоугольного импульса при различных давлениях азота в баллоне н растворе контактов 100 мкм
Рнс. 7.3. Динамические зависимости напряжения пробоя МК от длительности прямоугольного импульса при различных давлениях азота в баллоне н растворе контактов 100 мкм
кращеннем длительности импульса тем резче, чем меньше давление газа (рис. 7.3). Если длительность импульса меньше критического значения 4₽ (соответствует точке пересечения любых двух кривых на рис. 7.3), то напряжение пробоя выше при более инзком давлении, что при указанных на рнс. 7.3 давлениях азота н растворе 100 мкм не соответствует закону Пашена.
Динамические исследования электрической прочности МК важны не только для оценки возможности их пробоя от различных внешних импульсов напряжения, ио н при анализе процессов коммутации.
В обычных язычковых МК с твердыми контактными покрытиями, заполнение газом которых происходит при давлении, равном илн несколько превышающем нормальное атмосферное, после нагрева при заварке и последующего охлаждения газа его давление внутри баллона становится меньше атмосферного (примерно от 0,35-105 Па до 0,8-105 Па). У таких МК напряжение пробоя обычно находится в пределах 100—600 В (действующее значение напряжения промышленной частоты). Максимальное коммутируемое напряжение МК в несколько раз меньше напряжения пробоя и у большинства конструкций составляет 30—— 300 В.
Для получения большей электрической прочности ——примерно до 1—1,5 кВ (действующее значение) создаются МК с повышенным давлением газа в баллоне—примерно до нескольких десятков МПа.
Для получения электрической прочности свыше 3——5 кВ баллоны МК вакуумируются. В вакуумированных язычковых МК (с гибкими подвижными КС) достигается электрическая прочность до 7——10 кВ. Для пол учения электрической прочности 20—30 кВ создаются специальные (неязычковые) вакуумированные
МК, описание которых дано в § 7.4. Давление в вакуумированных МК понижено до 10*~2—10т Па.
Коммутационная иэвосостойкость МК. Исследования показывают, что в сухих язычковых МК даже после 109 циклов срабатываний механический износ контактных покрытий незначителен. При коммутациях нагрузок, сопровождающихся электротермическим износом, ресурс МК меньше. На рис. 7.4 приведены зависимости коммутационной износостойкости язычковых МК от постоянного тока при активной нагрузке. При напряжении 12 В (кривая /) износостойкость МК плавно уменьшается с ростом тока. Однако в кривой 2 (напряжение 48 В) при то-
Рис. 7.4. Зависимости коммутационной износостойкости язычковых МК нормального размера с родиевым контактным покрытием от коммутируемого постоянного тока прн активной нагрузке и двух значениях напряжения:/ — при U—12 В; 2 — при UT8 ВРис. 7.4. Зависимости коммутационной износостойкости язычковых МК нормального размера с родиевым контактным покрытием от коммутируемого постоянного тока прн активной нагрузке и двух значениях напряжения:/ — при U—12 В; 2 — при UT8 ВРис. 7.5, Зависимости коммутационной износостойкости язычковых МК нормального размера с родиевым контактным покрытием от напряжения коммутируемой цепи постоянного тока 100 мА при активной нагрузкеРис. 7.5, Зависимости коммутационной износостойкости язычковых МК нормального размера с родиевым контактным покрытием от напряжения коммутируемой цепи постоянного тока 100 мА при активной нагрузке
Рис. 7.4. Зависимости коммутационной износостойкости язычковых МК нормального размера с родиевым контактным покрытием от коммутируемого постоянного тока прн активной нагрузке и двух значениях напряжения:
/ — при U—12 В; 2 — при UT8 В
Рис. 7.4. Зависимости коммутационной износостойкости язычковых МК нормального размера с родиевым контактным покрытием от коммутируемого постоянного тока прн активной нагрузке и двух значениях напряжения:
/ — при U—12 В; 2 — при UT8 В
Рис. 7.5, Зависимости коммутационной износостойкости язычковых МК нормального размера с родиевым контактным покрытием от напряжения коммутируемой цепи постоянного тока 100 мА при активной нагрузке
Рис. 7.5, Зависимости коммутационной износостойкости язычковых МК нормального размера с родиевым контактным покрытием от напряжения коммутируемой цепи постоянного тока 100 мА при активной нагрузке
ке 200 мА имеется максимум, что свидетельствует об изменении характера износа материала контактных покрытий. Одна нз наблюдаемых на сухих язычковых МК зависимостей коммутационной износостойкости от постоянного напряжения показана на рис. 7.5. Однако в зависимости от параметров коммутируемой цепи типа МК, условий коммутации и критерия отказов зависимость коммутационной износостойкости от напряжения может иметь иной вид.
На рис. 7.6 как пример в матричном виде приведена диаграмма влияния постоянных силы тока и напряжения иа коммутационную износостойкость миниатюрных (с длиной баллона 20 мм) язычковых МК при критерии отказа — не- размыкаиие или превышение сопротивления МК сверх 1,0 Ом. Испытания проводились до 100 млн. срабатываний. Область без штриховки иа рис. 7.6 показывает наиболее благоприятные нагрузки.
Прн активной нагрузке, постоянном напряжении до нескольких деснтков вольт и токах примерно 100——200 мА наблюдается мостиковая эрозия. Прн золотом покрытии перенос материала в МК происходит с анода иа катод, причем при толщине покрытия 5—6 мкм в переносе участвует не только золото, ио и материал КС. Крутизна возникающих прн этом на контактах пиков н кратеров большая. Удовлетворительная работа МК при такой эрозии наблюдается до тех пор, пока пики
не станут больше толщины контактного слоя илн не будет заклинивания пиков в кратерах. При таком же постоянном напряжении, но прн больших токах или при большем иапряженнн и при тех же токах после разрыва расплавленного мостика при размыкании активной нагрузки появляется короткая дуга. Перенос в этом слу
чае также происходит с анода на катод, однако стенки кратеров и пиков становится более пологими и оплавленными. Отказы при этом вызываются сваркой. Появление иидуктивиости в нагрузке меняет характер эрозии. Даже такая малая индуктивность, как 10~6—10-7 Гн, вызывает перенапряжения на контактах при отключении. При этом в зависимости от значений тока и напряжения
Рис. 7.6. Диаграмма влияния постоянных силы тока и напряжения на ресурс миниатюрных язычковых МК с золото-родиевым контактным покрытием прн работе в цепях с активными нагрузками. Число в кружках — количество срабатываний в миллионах до наступления отказаРис. 7.6. Диаграмма влияния постоянных силы тока и напряжения на ресурс миниатюрных язычковых МК с золото-родиевым контактным покрытием прн работе в цепях с активными нагрузками. Число в кружках — количество срабатываний в миллионах до наступления отказамогут возникнуть разные виды разрядов.
Рис. 7.6. Диаграмма влияния постоянных силы тока и напряжения на ресурс миниатюрных язычковых МК с золото-родиевым контактным покрытием прн работе в цепях с активными нагрузками. Число в кружках — количество срабатываний в миллионах до наступления отказа
Рис. 7.6. Диаграмма влияния постоянных силы тока и напряжения на ресурс миниатюрных язычковых МК с золото-родиевым контактным покрытием прн работе в цепях с активными нагрузками. Число в кружках — количество срабатываний в миллионах до наступления отказа
При больших индуктивностях (десятые доли генри и выше), постоянном напряжении до 50—60 В и токах до 300 мА наблюдается длительный тлеющий разряд, которому предшествуют разрыв моста и кратковременные другие виды разрядов: прерывистый — повторяющиеся пробои межкоитактного промежутка с зажиганием и погасанием коротких дуг (рис. 7.7, а) или одна короткая дуга
Рис. 7.7. Осциллограммы напряжения иа контактах в начале размыкания индуктивной нагрузки прн постоянном напряжении источника питаияя 60 В:а — при /=30 мА; 6 — при /=200 мАРис. 7.7. Осциллограммы напряжения иа контактах в начале размыкания индуктивной нагрузки прн постоянном напряжении источника питаияя 60 В:а — при /=30 мА; 6 — при /=200 мА(рнс. 7.7, б). Характер процесса коммутации существенно зависит от распреде- -леиной емкости цепи. На рис. 7.8 в качестве примера приведены временные зависимости тока и напряжении иа МК, когда после прерывистого разряда (ие показан иа рисунке из-за малой длительности) зажигается тлеющий разряд. Если тлеющему разряду предшествует прерывистый разряд, то перенос материала происходит с катода на анод, а если короткая дуга, то с анода на катод.
Рис. 7.7. Осциллограммы напряжения иа контактах в начале размыкания индуктивной нагрузки прн постоянном напряжении источника питаияя 60 В:
а — при /=30 мА; 6 — при /=200 мА
Рис. 7.7. Осциллограммы напряжения иа контактах в начале размыкания индуктивной нагрузки прн постоянном напряжении источника питаияя 60 В:
а — при /=30 мА; 6 — при /=200 мА
При напряжении и токе цепи, превышающих минимальные значения дугообра- зоваиия, в процессе коммутации загорается пламенная (длинная) дуга. Перенос материала при этом наблюдается с катода на анод.
При коммутации емкостной нагрузки н ламп накаливания из-за бросков тока наиболее опасен процесс замыкания МК- Размыкание емкостной нагрузки не опасно, так как благодаря небольшим значениям сопротивлений подводящих проводов и замкнутых контактов в установившемся режиме после замыкания емкость заряжается до напряжения источника питания н после размыкания контактов разность потенциалов на них равна нулю.
Из-за малой толщины контактных покрытий, небольших растворов, плохого отвода теплоты через КС н газ внутри баллона (чаще всего ——азот) обычные язычковые МК Даже самого большого, нормального размера не предназначены для коммутации тока свыше 1 А н мощности свыше 50 Вт при активной нагрузке, при этом коммутационная износостойкость составляет 104——105 операции.
Ограничениями на пути повышения коммутируемого н пропускаемого в замкнутом состоянии тока являются не только рост износа контактных покрытий,
Рис. 7.8. Временные характеристики тока и напряжения на контактах при размыкании МК Цепи с индуктивной нагрузкой при постоянном напряжении сети 60 В и токе 12 мА
яо и электромагннтное, а также тепловое воздействие тока на магнитные характеристики КС. Электромагнитное воздействие тока нагрузки заключается в том, что, протекая по КС, он создает в них Магнитное поле, изменяющее значение поля управления, что влияет на электромагнитную силу притяжения КС н контактное нажатие. Тепловое воздействие тока нагрузки выражается в нагреве КС до температуры, при которой существенно уменьшаются их магнитные свойства. Чрезмерный нагрев вызывает также размягчение контактных покрытий н нарушение герметичности спаев КС со стеклом.
Рис. 7.9. Язычковый МК повышенной коммутируемой мощности:
/, 2 — контактные сердечники; 3, 4 — дугогасительные контакт-деталн； 5 — баллон
Сухие язычковые МК по-
вышеннон мощности.
коммутируемой
Для
коммутируемой
повышения мощности
язычковых МК (за счет роста коммутируемого тока) были созданы конструкции с двумя параллельными парами контактов, например конструкция, показанная на рис. 7.9. Одна пара образуется
КС / и 2, покрытыми в области перекрытия мягким материалом с
высокой электропроводностью, обеспечивающим низкое переходное сопротивление МК. Вторая пара создается вольфрамовыми контакт-деталями 3 н 4. Раствор у второй пары меньше, чем у первой, поэтому процессы замыкания и размыкания цепи осуществляются более тугоплавкими деталями. Область коммутации вынесена из немагнитного зазора между КС / н 2, что снижает вероят
ность попадания продуктов износа контактов в этот зазор и повышает вероятность замыкания КС с необходимым контактным нажатием. Контакт-деталь 3 закреплена на КС 2 с натягом, что обеспечивает начальное контактное нажатие между контакт-деталями 3 и 4, снижает вибрацию при замыкании этих деталей и увеличивает скорость их расхождения, так как при отключении конец. КС 2 ударяет по контакт-детали 3.
Создание двух параллельных цепей снижает плотность тока в некоторых поперечных сечениях КС, что уменьшает указанное
выше электромагнитное и тепловое воздействие тока нагрузки на магнитные характеристики КС. Для повышения теплоотдачи от мест контактирования и токопроводящих деталей баллон заполняется водородом, являющимся хорошим проводником теплоты, при повышенном давлении.
Конструкция, изображенная на рис. 7.9, дала возможность увеличить коммутируемую мощность до 100 Вт при активной нагрузке и максимальном коммутируемом постоянном токе 3 А с коммутационной износостойкостью до нескольких сотен тысяч операций.
Решение проблемы дальнейшего увеличения коммутируемой мощности сухих МК удается достигнуть, только перейдя от язычковых к более сложным конструкциям, с которыми ознакомимся в § 7.4.
Эксплуатационные параметры сухих язычковых МК・ Отечественные язычковые МК имеют массу от 0,2 до 4 г. Максимальный рабочий диапазон температуры окружающей среды для них ——60++155℃. Они виброустойчивы при воздействии частот до 200——3000 Гц при ускорениях до 5—25g, устойчивы при воздействии многократных ударов при ускорениях до 15—75g (некоторые типы МК — до 150g) и однократных ударов до 150g (некоторые МК — выше), устойчивы к линейным ускорениям до 25——100g. Магнитодвижущая сила срабатывания таких МК в заводской испытательной обмотке, охватывающей баллон, равна от 15 до 200 А; коэффициент возврата ——от 0,3 до 0,95. Максимальное время срабатывания (с учетом времени дребезга), измеренное в испытательной обмотке при МДС, превышающей МДС срабатывания в 1,5——2,0 раза, составляет от 0,8 до 3 мс, максимальное время возврата — от 0,3 до 2,5 мс.
Жидкометвллические язычковые мвгнитоупрмляемые контакты
Жидкометаллические МК (氷МК) [34— 36] — это МК, внутри герметизированного баллона которых токопроводящие детали частично или полностью смочены жидким металлом. Наиболее распространенным смачивающим материалом в настоящее время является ртуть. Это единственный чистый металл, который при нормальной температуре находится в жидком состоянии (температура плавления равна —38,87℃).
Один из язычковых ЖМК изображен на рис. 7.10. Подвижный переключающий КС 4 при отсутствии магнитного поля расположен между контакт-деталями 3 н 8, закрепленными на неподвижных КС / и 2, заваренных в баллон 5. Нижняя часть баллона представляет собой резервуар с ртутью 6. Находящийся в ртути нижний конец КС 4 приварен к штенгелю 7. По капиллярам, имеющимся на поверхности КС 4, ртуть поднимается к контактирующим поверхностям и смачивает их. Баллон заполнен водородом при давлении выше 1 МПа. Этот газ устраняет пленки окислов с внутрен-
них контактирующих и капиллярных частей ЖМК и тем самым способствует лучшему смачиванию их ртутью. Высокое давление
газа улучшает отвод теплоты, увеличивает электрическую проч
ность, а также повышает температуру кипения ртути (при нормаль-
ена равна +375°С). Повышение температуры кипе-
ном давлениином давленииРис. 7.10. Ртутный язычковый переключающий МК： /, 2 — неподвижные КС; 3, 8 — контакт- детали： 4 — переключающий КС; 5 — бал* лон; 6 — ртуть； 7 — штенгельРис. 7.10. Ртутный язычковый переключающий МК： /, 2 — неподвижные КС; 3, 8 — контакт- детали： 4 — переключающий КС; 5 — бал* лон; 6 — ртуть； 7 — штенгельния уменьшает количество ртути, испаряемой при коммутации. Работа такого *МК возможна только при наличии поляризации (см. § 8.3).
ном давлении
ном давлении
Рис. 7.10. Ртутный язычковый переключающий МК： /, 2 — неподвижные КС; 3, 8 — контакт- детали： 4 — переключающий КС; 5 — бал* лон; 6 — ртуть； 7 — штенгель
Рис. 7.10. Ртутный язычковый переключающий МК： /, 2 — неподвижные КС; 3, 8 — контакт- детали： 4 — переключающий КС; 5 — бал* лон; 6 — ртуть； 7 — штенгель
Существуют язычковые переключающие *МК, которые могут работать без поляризации (выполняются аналогично сухому МК, изображенному на рис. 7.1, е), а также язычковые замыкающие жмк.
Благодаря наличию смоченных контактных поверхностей в ЖМК можно устранить разрывы цепи при вибрации КС после их первого соударения, снизить сопротивление МК в замкнутом состоянии и повысить его стабильность до 1— 2 мОм в течение срока службы, увеличить ресурс. Быстрое установление контакта позволяет с помощью ЖМК формировать сигналы с нано- секундным фронтом.
Для многих переключающих ЖМК характерно наличие периода ^неразрывности»: в результате поверхностного натяжения ртуть в течение
串吊mm
Рис. 7.11. Различные состояния коммутирующей системы жидкоме- таллнческого переключающего МК прн работе в режиме «моста»: а — замкнутое состояние КС 5 н контакт-детали 2; б — начало растяжения жндкометаллнческого мостика; в一режим «моста»; е — разрыв жндкометал- лнческого мостика； / — размыкаемый неподвижный КС; 2, 3 — контакт-детали, смоченные ртутью； 4 — замыкаемый неподвижный КС; 5 — переключающий КС
некоторого времени тянется за переключающим КС (рис. 7.11,。, 6) вплоть до его замыкания с замыкаемым КС, образуя «мост» от размыкаемого до замыкаемого КС (рис. 7.11,8). Переключающие ЖМК, работающие в режиме «моста», называются《переходными》* а без этого режима ——^перекидными» [33]. Период «неразрывно-
сти» увеличивается с ростом скорости перемещения переключающего КС. Он также зависит от частоты и длительности управляющих сигналов» если за время между сигналами ртуть не приходит в устойчивое состояние. Так при определенных параметрах управления режим《моста» может пропасть у переходного 氷МК При размыкании ртутных ЖМК мостик разрывается часто в двух и более точках; в результате выпадает одна (рис. 7.11, г) или несколько капель ртути.
До токов, при которых в результате роста испарения ртути начинает заметно уменьшаться подпитка ею контактирующих поверхностей, дуга не оказывает на последние значительного разрушающего воздействия. Однако при разрывах дуги в течение длительного времени внутренние стенки баллона, примыкающие к контактам, покрываются ртутью, что снижает электрическую прочность ЖМК.
Относительно большое количество ртути на контактах в резервуарных (с резервуаром ртути) 氷МК определяет большую длину мостиков до их разрыва (нескольких десятых долей миллиметра), что увеличивает ход подвижных частей в таких ЖМК по сравнению с сухими конструкциями. Это приводит к росту габаритов коммутационного элемента и требует снижения жесткости переключающего КС, что в свою очередь ведет к уменьшению резонансной частоты и снижению в связи с этим виброустойчивости ЖМК. Виброустойчивость отечественных резервуарных язычковых ЖМК по частоте — до 60 Гц при ускорении 1g; удароустойчивость при многократном воздействии — до 15g.
В высоковольтных исполнениях резервуарных ЖМК ртуть из-за ее большого количества на контактах и подпитки из резервуара вытягивается под действием электростатических сил, сокращая меж контактный промежуток и снижая соответственно электрическую прочность. Большое количество ртути на контактах увеличивает также ее разбрызгивание при замыкании и размыкании. Однако больший объем ртути снижает сопротивление ЖМК и увеличивает пропускаемый ток. Следует, правда, учитывать, что из-за действия электродинамических сил количество ртути в области контактирования уменьшается с ростом тока. Для сокращения длины мостиков жидкого металла при размыкании, с одной стороны, и обеспечения высокой пропускной и коммутационной способности по току — с другой, целесообразно создавать композиционные 氷МК. Во включенном состоянии такие 氷МК имеют несколько параллельных жидкометаллических контактов, разделенных решеткой из тугоплавкого металла. ”
Резервуарные ЖМК могут работать при наклонах от вертикального положения (рис. 7.10) не более чем на 30—45°.
Разработаны конструкции язычковых беэрезервуарных ЖМК, жидкий металл в которых находится только в капиллярах переключающего КС. Такие ЖМК могут работать в любом положении,
однако из-за ограниченного запаса ртути ресурс их не превышает Юб циклов при коммутируемой мощности 4——15 Вт (без искрога- шения).
§ 7.3. Мембранные магнитоуправляемые контакты
Стремление к уменьшению дребезга кон- тактов и повышению чувствительности коммутационных элементов
привело к разработке конструкций с гибким подвижным КС в виде мембраны — мембранных МК, один из которых (замыкающий, с су-
3
4 t J
\
11
хими контактами) изображен на рис. 7.12. Неподвижный КС / сое-
ю
Рнс. 7.12. Мембранный МК:
/ — неподвижный КС； 2 — кольцеобразное основание; 3 — крышка； 4 — мембрана； 5 — калиброванная прокладка； 6 — стеклянный спай； 7 — выточка; 8 — центральная часть мембраны； 9, 10, 〃 —лепестки мембраны
динен стеклянным спаем 6 с кольцеобразным основанием 2, к которому через кольцеобразную калиброванную прокладку 5 крышкой 3 поджата мембрана 彳.Детали /—5 — ферромагнитные и электропроводные. Мембрана имеет центральную часть 8, соединенную с ее периферийным кольцевым участком тремя гибкими лепестками (9, 10, //). Прокладка 5 обеспечивает необходимый рабочий зазор между центральным участком мембраны и торцом КС. В процессе сборки крышка 3 и основание 2 свариваются контактной сваркой, образуя внутри МК герметизированный объем, заполненный газом. Мембрана и КС / покрываются контактным материалом.
Если в результате прохождения магнитного потока (от обмотки с током, расположенной на КС /, или от приближения к МК постоянного магнита) в рабочем зазоре возникает достаточная электромагнитная сила, то центральный участок мембраны, преодолев механические силы ее пружинящих лепестков, притянется к торцу КС / и замкнет тем самым внешнюю электрическую цепь. Для обеспечения более надеж-
ного контактирования и повышения магнитной индукции в области рабочего зазора торец КС / имеет выточку 7. Так как центральный участок мембраны имеет благодаря конфигурации лепестков несколько степеней свободы перемещения, то он прилегает к торцу
КС / гарантированно в нескольких точках (в отличие от язычковых МК, где это обеспечить труднее). В результате при попадании посторонней частицы между контактными поверхностями не наблюдается заметного изменения сопротивления МК. Кроме того, после момента первого касания происходит обкат мембраной контактной поверхности КС /, что уменьшает дребезг контактов.
Еще одна особенность мембранного МК — это разделение магнитного потока, входящего в центральный участок мембраны нз торца. КС /, на два параллельных потока. Один из них проходит через лепестки в основание 2, а второй — в основном сразу от центрального участка в крышку и частично распределенно в крышку через лепестки. Это разгружает в магнитном отношении лепесткн, дает возможность уменьшить площадь их поперечного сечения до допустимой по нагреву от проходящего по ним тока и обеспечить необходимую гибкость при малом внешнем диаметре мембраны (меньше 10 мм). 。
Особенностью мембранных МК является то, что их подвижный КС — мембрана ни с чем не сваривается, и поэтому выбор ее материала определяется только хорошими магнитными, электрическими и механическими свойствами.
Помимо замыкающих разработаны также переключающие мембранные МК. Имеются и ртутные мембранные МК, работающие в любом пространственном положении. В них ртуть находится в виде тонкой пленки на контактирующих поверхностях.
§ 7-4. Магиитоуправляемые контакты с жестким подвижным контактным сердечником и возвратной пружиной
Совмещение нескольких функций (электрическая и магнитная цепи, возвратная пружина) в гибких подвижных КС язычковых и мембранных МК не позволяет, однако, решить ряд технических задач. Так, небольшое поперечное сечение подвижных КС, связанное с необходимостью придать им определенную гибкость, ограничивает проходящий по ним магнитный поток и соответственно электромагнитную силу притяжения КС. Это не дает возможности получить большие значения рабочего зазора между КС, а соответственно и большие значения раствора и толщины контактных покрытий, что ограничивает коммутационную способность МК. Например, в язычковых МК даже самого большого размера раствор контактов обычно не превышает 0,3 мм.
Коммутационная способность в МК с гибкими КС снижается и из-за совмещения в них контактного зазора с рабочим зазором, так как продукты износа контактов попадают в последний и нарушают работу МК・ Малое поперечное сечение, относительно большое удельное электрическое сопротивление и недостаточная теплопроводность пермаллоя и ковара (язычковые МК) и других фер-
157
ромагнетиков (мембранные магнитоуправляемые контакты) по сравнению с традиционными электропроводниками (например, медь и серебро) ограничивают также токопроводящую способность КС рассмотренных конструкций МК.
При создании высоковольтных МК возникает еще одна проблема, связанная с действием электростатических сил. Так как в язычковых и мембранных МК контактные сердечники находятся под разными по знаку электрическими потенциалами, то при напряжении свыше 10—15 кВ электростатическая сила, пропорциональная квадрату напряжения и площади перекрытия КС (приближенно) и обратно пропорциональная квадрату межконтактного промежутка (также приближенно), становится настолько большой, что сближает КС разомкнутых МК до расстояния, при котором происходит пробой.
Небольшой ход подвижного КС в язычковых и мембранных МК в большинстве случаев не дает также возможности создать ЖМК с большим количеством жидкого металла в области контактов (ЖМК на повышенные токи), так как для разрыва цепи требуется растягивать жидкометаллическнй мостик. Особенно это затруднительно, когда необходимо создавать ЖМК, работающие без режима «моста». Кроме того, используя гибкий подвижный КС, сложно создать МК с двумя последовательными межконтактными зазорами, что используется в электрических аппаратах для повышения коммутационной способности. Не удается создать и конструкции с полностью уравновешенным подвижным КС для повышения устойчивости МК к внешним механическим воздействиям. Для решения этих н других задач создаются МК с жестким подвижным КС (якорем), закрепленным на возвратной пружине. Примеры таких МК даны на рис. 7.13—7.16. В них подвижный КС выполняет, как и в безъякорных конструкциях, функцию участка магнитной цепи. Ток, однако, во многих типах этих МК проходит по подвижному КС только частично, а функция возвратной пружины с подвижного КС полностью снята.
На рис. 7.13 показан МК повышенной коммутируемой мощности типа «Паурид» (США). Его магнитная цепь состоит из ввода /, неподвижного КС 9, рабочего зазора 6Ь якоря 7, нерабочего зазора 62 и ввода 6. Детали 1 и 6 выполнены из пермаллоя, а детали 7 м 9 ——из малоуглеродистой электротехнической стали. Такое вы- лолненне магнитной цепи дает возможность: сделать оба вывода и неподвижный КС массивными для снижения электрического сопротивления, улучшения теплоотдачи и уменьшения влияния тока нагрузки на магнитное поле управления; выполнить подвижный КС мз материала с магнитной индукцией насыщения свыше 2,0 Тл, так как к нему не предъявляется требование согласованного спая со стеклом баллона 4. Якорь 7 присоединен к вводу 6 с помощью возвратной пружины 5, изготовленной из серебряно-магниево-никеле- вого сплава, обладающего большой электро- н теплопроводящей спдсобностью, а также хорошими упругими свойствами. Возвратная 158
пружина представляет собой единое целое с пружинящей подвижной контакт-деталью 2, замыкающейся при срабатывании с неподвижной контакт-деталью 8, также выполненной из серебряно-маг- ниево-никелевого сплава. Перекрывающиеся концы якоря 7 и неподвижного КС 9 имеют твердое (вольфрамоугольное) покрытие для уменьшения механического износа.
В разомкнутом положении подвижная система имеет нажатие на упор 3, выдавленный в баллоне, что обеспечивает срабатывание
МК сразу с начального рабочего зазора и снижает вибрацию подвижной системы при отпускании. Номинальное значение рабочего зазора равно 0,51 мм (примерно в два раза больше, чем в отечественном симметричном язычковом МК нормального размера типа КЭМ-1), а значение раствора между деталями 2 H 8 составляет 0,38 мм. При срабаты-
Рис. 7.13. Магннтоуправляемый контакт типа <Паурнд> повышенной коммутируемой мощности:
/, g— вводы; 2—подвижная контакт-деталь； 3—упор； 4 — баллон; 5 — возвратная пружина； 7 — якорь； 8 — неподвижная коитвкт-деталь; 9 — неподвижный КС
Рис. 7.14. Магнитоуправляемый контакт типа МКА-52202 повышенной коммутируемой мощности:
/, 8, 9 — вводы; 2 — неподвижный КС; 3, 4 — к такт-детали; 5 — якорь： 6 — возвратная пружи
7 — баллон
82勿
Рнс. 7.15. Высоковольтный МК на коммутируемое напряжение до 20 кВ постоянного гока:
/, р — неподвижные КС; 2 — возвратная пружина； 3 — якорь； 4 — керамический упор； 5» 7 — контакт- детали: 6 — штенгедь； 8 — баллон
Рнс. 7.16. Якорный ртутный переключающий МК： / — штенгель; 2 — ртуть； 3 — баллон; 4 — возвратная пружина； 5 — якорь; 6 — контактный элемент с капилляром； 7, 8 — размыкаемые неподвижные КС； 9, 10 — замыкаемые неподвижные КС; // — дополнительный магнитопровод
вании сначала замыкаются детали 2 H 8, а затем 7 H 9; при отпускании первыми размыкаются детали 7 и 9, а потом 2 и 8. Таким образом, износ происходит в основном на контакт-деталях 2 H 8, т. е. вне рабочего зазора.
В конструкции создано начальное контактное нажатие при замыкании деталей 2 и S за счет расположения детали 2 с натягом относительно конца якоря 7 в разомкнутом состоянии МК.
Описанная конструкция обеспечивает коммутацию довольно (большой для МК мощности. Так, при напряжении 125 В и нагрузке с cos(р = 0,35 максимальный включаемый переменный ток равен 15 А (мощность 1,875 кВ-А), а отключаемый — 3 А (мощность 375 В-А). Длительно пропускаемый ток — 3 А. При переменном напряжении 125 В и cos ф=0,35 обеспечивается 4,5 млн. циклов включения тока 8,7 А и отключения тока 1,24 А. Общая длина такого МК равна 79,4 мм, длина баллона — 54 мм, диаметр баллона — 6,35 мм, масса — 2,6 г. ・
На рис. 7.14 изображен отечественный замыкающий МК типа МКА-52202 повышенной коммутируемой мощности, особенность которого состоит в том, что неподвижный КС 2 выполнен в виде полоски, приваренной к внутренним концам вводов / и 9. В средней части КС 2 имеется отверстие, образующее два участка с суммарным поперечным сечением, меньшим, чем в остальной части этого КС. При управлении МК магнитным полем эти участки насыщаются. В результате образуются два полюса, к которым соответственно в области двух рабочих зазоров (61 и 62) притягивается якорь 5, закрепленный на электропроводящей возвратной пружине 6, соединенной с вводом 8 и представляющей единое целое с контактной пружиной, на которой расположена подвижная контакт- деталь 4. Контактная пружина имеет изгиб, упирающийся в бал- -лон 7 при разомкнутом состоянии МК. Напротив контакт-детали 4 расположена неподвижная контакт-деталь 3. При срабатывании •сначала замыкаются контакт-детали 3 н 4, а затем якорь 5 с КС 2. Размыкание происходит в обратном порядке. В замкнутом состоянии ток проходит от ввода I (может также проходить от ввода 9) тто КС 2, затем по двум параллельным путям (через контакт-детали 3 и 4 и притянутый якорь 5) в пружину 6 и далее по вводу 8.
Такой МК предназначен для коммутации активных и индуктивных цепей с током до 4 А и напряжением до 220 В постоянного и до 380 В переменного тока частотой 50 Гц при мощности до 250 В-А. При переменном напряжении 110 В и cos(р^0,35 он обеспечивает 2,5 млн. циклов включения тока 3,0 А и отключения тока 0,4 А. Размеры мало отличаются от соответствующих параметров рассмотренного перед этим МК; масса — не более 4 г.
Аналогичную конструкцию имеет и отечественный переключающий МК повышенной коммутируемой мощности типа МКС-52201.
На рис. 7.15 приведена конструкция высоковольтного МК на максимальное коммутируемое напряжение постоянного тока 20 кВ (минимальное напряжение пробоя — 25 кВ). Максимальный ком-
мутируемый ток при этом напряжении 1 мА и максимальная коммутируемая мощность 50 Вт. В этом МК неподвижный КС / и якорь 3, подвешенный на возвратной пружине 2, находятся под электрическим потенциалом одного знака, поэтому между ними не действуют электростатическая сила притяжения. В связи с этим площадь перекрытия между деталями / и 3 может быть выбрана достаточно большой для создания необходимой электромагнитной силы при срабатывании МК. Контакт-детали 5 и 7 выполнены нз тугоплавкового материала и в области их контактирования расположены перпендикулярно друг к другу. Последнее обеспечивает малую площадь их перекрытия, а соответственно н небольшое значение электростатической силы притяжения.
Баллон 8 вакуумирован через штенгель 6、который на рисунке показан в заваренном состоянии. Подвижная часть имеет начальное нажатие на внутреннюю стенку баллона через керамический упор 4, расположенный на контакт-детали 5.
Общая длина такого МК 82 мм, длина и диаметр баллона соответственно 50 и 5,6 мм. Большое время дребезга и небольшая площадь контактирующих поверхностей дают возможность коммутировать этим МК только малые токи.
На рис. 7.16 изображена еще одна якорная конструкция —— ртутный переключающий 氷МК・ Якорь 5 подвешен на возвратной пружине 4, приваренной к штенгелю 1. На якоре расположен контактный элемент 6, образующий капилляр, по которому ртуть из резервуара внизу баллона 3 поднимается к местам контактирования. В невозбужденном состоянии подвижная система поджата пружиной 4 к контакт-деталям, расположенным на неподвижных КС 7 H 8. При возбуждении магнитным полем якорь притягивается к перекрывающимся с ним концам неподвижных КС 9 н 10, Контактный элемент прн этом размыкается с контакт-деталями на КС 7 и S и замыкается с контакт-деталями на КС 9 и /0, осуществляя переключение электрических цепей. Для повышения чувствительности ЖМК выводы КС 9 и 10 имеют большую длину, чем выводы КС 7 H 8. С этой же целью в конструкцию введен дополнительный магнитопровод //, приваренный к штенгелю / и имеющий перекрытие с якорем. Такой ЖМК имеет следующие максимальные коммутационные параметры (при работе со схемами искрогашения): ток 5 А, напряжение 500 В, мощность 250 В-А.
Магнитоуправляемые контакты с жестким подвижным контактным сердечником и без возвратной пружины
Стремление создать микроминиатюрные контактные коммутационные элементы с быстродействием и ресурсом, наиболее приближенными к параметрам полупроводниковых коммутационных приборов, привело к созданию МК, в которых механическая возвратная пружина отсутствует, а изменение функ- 161
ционального состояния осуществляется только электромагнитным полем.
7, 7 — неподвижные КС： 2, 6 — стеклянные трубки； 3 — втулка; 4 — ферромагнитный плунжер; 5 — вывод7, 7 — неподвижные КС： 2, 6 — стеклянные трубки； 3 — втулка; 4 — ферромагнитный плунжер; 5 — выводРис. 7.18. Шариковый МК:Рис. 7.18. Шариковый МК:1, 2, 5, 6 — неподвижные КС; 3 — баллон： 4 — ферромагнитный шарик1, 2, 5, 6 — неподвижные КС; 3 — баллон： 4 — ферромагнитный шарикДва примера таких конструкций даны на рис. 7.17 и 7.18. Первый МК — плунжерный (рис. 7.17). Он содержит неподвижные КС / и 7, заваренные в стеклянные трубки 2 н 6, которые сварены также с втулкой 3. Втулка является направляющей для перемещения жесткого подвижного КС — цилиндрического плунжера 4, смоченного ртутью, и имеет дисковый вывод 5. Торцовые поверхности КС / и 7 также смочены ртутью. Данный МК является переключа-
7, 7 — неподвижные КС： 2, 6 — стеклянные трубки； 3 — втулка; 4 — ферромагнитный плунжер; 5 — вывод
7, 7 — неподвижные КС： 2, 6 — стеклянные трубки； 3 — втулка; 4 — ферромагнитный плунжер; 5 — вывод
Рис. 7.18. Шариковый МК:
Рис. 7.18. Шариковый МК:
1, 2, 5, 6 — неподвижные КС; 3 — баллон： 4 — ферромагнитный шарик
1, 2, 5, 6 — неподвижные КС; 3 — баллон： 4 — ферромагнитный шарик
Рис. 7.17. Плунжерный МК:
ющим (внешние электрические цепи присоединяются к КС /, 7 и выводу 5). Изменение функционального состояния осуществляется импульсным включением одной из двух обмоток (на рисунке не показаны), расположенных на МК слева и справа от вывода 5 и охватывающих один из двух рабочих зазоров между торцами плунжера и неподвижных КС. Переключение может осуществляться также перемещением постоянного магнита. При снятии внешнего магнитного поля плунжер удерживается поверхностным натяжением ртути в одном из крайних положений. Таким образом, данный МК является двустабильным. Однако создав поляризацию внешним магнитным полем, можно реализовать и одностабильное реле на основе этого коммутационного элемента.
Подобный МК под названием «Логсэлл-1» (США, ФРГ) имеет габариты по стеклу: длина 7 мм, диаметр 1,2 мм. Коммутационные параметры: мощность до 15 Вт, ток до 1 А, напряжение до 200 В. Минимальный ресурс от 5 -106 до 2,5-108 циклов в зависимости от коммутационных параметров. Этот МК работает в любом пространственном положении и не имеет дребезга. Максимальная частота его переключения достигает 200 Гц ——высокая для контактных аппаратов. Однако МК типа «Логсэлл-Ь сложны в производстве и не являются массовым коммутационным элементом.
Второй МК — шариковый (рис. 7.18). В нем подвижный КС выполнен в виде шарика 4, замыкающего в своих двух крайних положениях в стеклянном баллоне 3 соответственно неподвижные КС / и 2 или КС 5 и 6. Конструкция может быть с сухими или ртутно- смоченными контактами. Управление осуществляется так же, как в плунжерном МК-
ГЛАВА 8. ГЕРКОНОВЫЕ РЕЛЕ
Герконовые реле могут содержать: один или несколько МК； одну или несколько обмоток; поляризующие постоянные магниты; дополнительные ферромагнитные детали, играющие роль участков магнитопровода и экрана от воздействия внешних магнитных полей; другие детали конструкции.
Простейшее герконовое репе
Принцип действия. Простейшим электрическим аппаратом с МК, управляемым обмоткой с током, является нейтральное реле, содержащее один симметричный язычковый за-
Рис. 8.1. Простейшее реле с од-］伴用 一
ним симметричным язычковым.卜；丁
замыкающим МК (в продоль- "”~VM^二」” ”. 片二一
ной проекции)什构，Illi
мыкающий МК Л расположенный симметрично в обмотке 2 (рис. 8.1). При воздействии магнитного поля обмотки между КС магнитоуправляемого контакта возникает электромагнитная сила Рэм, которая, преодолевая механическую силу упругости Рмх КС, приближает их друг к другу. На рис. 8.2 приведены механическая характеристика РМх=Л (6) и статические тяговые характеристики
Рэм == / 2 (6) реле.
При медленном увеличении МДС обмотки, например, до значения 尸 1 (рис. 8.2) рабочий зазор между КС уменьшается от начального значения 6Н до 6「Контактные сердечники при 9ToM находятся в устойчивом состоянии. При дальнейшем медленном увеличении МДС КС сближаются до зазора ^срабатывания^ 6Ср» соответствующего МДС статического срабатывания 尸ср и определяемого точкой касания механической характеристики с тяговой харак-
Рнс. 8.2. Механическая Рмх=&(6) н тяговые Рзм=% ⑹ характеристиРнс. 8.2. Механическая Рмх=&(6) н тяговые Рзм=% ⑹ характеристики реле с язычковым замыкающим МКки реле с язычковым замыкающим МКтеристикой при FCp. С достижением бср КС быстро переходят к замкнутому состоянию при конечном рабочем зазоре 6К (рис. 8.2). Резкий переход КС от зазора 6Ср к бк называют «срывом».
Рнс. 8.2. Механическая Рмх=&(6) н тяговые Рзм=% ⑹ характеристи
Рнс. 8.2. Механическая Рмх=&(6) н тяговые Рзм=% ⑹ характеристи
ки реле с язычковым замыкающим МК
ки реле с язычковым замыкающим МК
С уменьшением МДС до значения возврата (尸в) КС разомкнутся и после цикла затухающих колебаний останутся на расстоянии 62 между собой (рис. 8.2). При дальнейшем снижения МДС до нуля в случае отсутствия магнитного и механического гистерезиса КС вернутся в свое первоначальное положение, соответствующее зазору дн.
В замкнутом состоянии при F>Fb КС воздействуют друг на друга с силой контактного нажатия
Rch = Rmk — ^мх К1(8.1)
где Рам.к и Рмх.к一соответственно электромагнитная и механическая силы при дк.
В рассматриваемом аппарате контактное нажатие, а следовательно, и контактное сопротивление RK МК зависят от МДС обмотки. Для обеспечения малого и стабильного контактного сопротивления в обмотке реле в установившемся режиме создается рабочая МДС
尸 Р = ^3尸Ср，
где /?з>1 — коэффициент запаса по МДС срабатывания реле.
Значение ^3 выбирается из соображений обеспечения надежности работы реле с учетом возможного разброса его параметров, изменения напряжения питания обмотки в процессе эксплуатации^ изменения температуры окружающей среды, воздействия механических нагрузок.
К временным параметрам герконового замыкающего реле относятся время срабатывания /ср и время возврата /в. В зависимости от требований, предъявляемых к реле, под /Ср может пониматься разное время, но как минимум оно принимается равным времени до первого замыкания МК ——t3, которое для МК составляет обычно от десятых долей миллисекунды до нескольких миллисекунд. Если зажимы обмотки присоединяются к источнику напряжения, то время /з зависит от следующих факторов: напряжения питания, размеров, числа витков и сопротивления обмотки; материала КС, их размеров и перекрытия; значений дн и 6к； приложенного к разомкнутому МК напряжения, создающего электростатическую силу, действующую на подвижную систему； рода и давления газа в баллоне МК. Разрядные процессы между контактирующими поверхностями могут начинаться до первого замыкания контактов.
Чаще всего во время /Ср кроме 匕 включают также время дребезга при срабатывании (厶р.ср) ——процесса размыканий и замыканий электрической цепи, вызванных чередующимися соударениями и отскоками КС, следующими за их первым замыканием. В течение времени /Др.<ч)наблюдаются разрывы мостиков и разрядные явления (исключением является процесс замыкания сухими МК «сухих» цепей).
Время 厶р.г» зависит от вышеперечисленных факторов, влияющих на время f；〃 а также от материала и конфигурации контак-
тирующих поверхностей, тока, напряжения и характера нагрузки. Из-за существования расплавленных металлических мостиков время ^др.ср в основном (кроме коммутации сухими МК «сухих» цепей) меньше времени чередующихся соударений и отскоков КС — /с.о. Как было сказано в гл. 7, в некоторых ЖМК /др.ср может быть равно нулю. Время 方以。для большинства МК находится в диапазоне от сотых долей миллисекунды до нескольких миллисекунд.
Контактные сердечники продолжают совершать затухающие колебания в течение времени динамического шума ^д.ш и после прекращения их отскоков друг от друга. Эти колебания КС приводят к появлению динамических помех ——высокочастотному изменению тока в электрической цепи без ее разрыва. Динамические помехи связаны с несколькими физическими процессами. Рассмотрим некоторые из них. Во-первых, взаимное перемещение замкнутых КС или изменение формы жидкометаллического мостика при расходящихся и сближающихся КС в случае отсутствия разрыва электрической цепи вызывают изменения сопротивления MKf что определяется термином динамическое контактное сопротивление. Во-вторых, из-за механических напряжений, возникающих при изгибе КС, изменяется их намагниченность, что определяется обратным магнитострикционным эффектом — магнигоупругостью. В результате в КС создаются ЭДС помех и соответствующие вихревые токи. В-третьих, колебания КС в магнитном поле обмотки приводят к индуктированию к них ЭДС. Динамические помехи имеют знакопеременный затухающий характер с частотой до нескольких десятков килогерц и наблюдаются до нескольких миллисекунд после прекращения дребезга. В начальной стадии динамический шум из-за обратного магнитострикционного и генераторного эффектов может достигать нескольких милливольт.
Таким образом, в зависимости от назначения герконового реле под временем его срабатывания можно иметь в виду: /Ср1 = ^з；厶中2= = £з+，；1р.ср； /срЗ = /з + /с.о； £ср4===/з+/др.ср+/д.П1・
После прекращения динамического шума остаются статические шумы, имеющие различное происхождение. К ним в первую очередь относится постоянная составляющая, определяемая термо-ЭДС, возникающими в МК и в местах соединения его выводов с подводящими проводами при нагреве обмоткой и протекающим по МК током. Термо-ЭДС тем выше, чем больше несимметричность нагрева двух КС, неоднородность их по составу и микроструктуре, а также чем больше разность температур соединений выводов с проводами. У герконовых реле обычной конструкции в зависимости от температурного режима работы обмотки суммарная термо-ЭДС равна от 50 мкВ до 1,5 мВ. С помощью специальных конструктивных решений, выравнивающих температуру КС и соединений выводов МК с проводами, понижают термо-ЭДС до десятых долей микровольта.
Помимо постоянной составляющей в спектре статического шума имеется и переменная составляющая, определяемая пульсацией 165
напряжения в обмотке, которая в результате индукционного эффекта наводит в цепн МК ЭДС при наклонном его расположении в обмотке.
Проблема снижения динамического н статического шумов имеет большое значение прн коммутации МК «сухнх» цепей.
Под временем возврата /в в завнснмостн от требований, предъявляемым к реле, также может пониматься длительность разных процессов.
Например, это время может определяться следующими выражениями:
，в1 =，р；，в2 = % + %з；、3 =，р+，др.в；
% =，р +，др.в +，раз；，в5 =，р +，внб，
где /р — время с момента отключения обмоткн от источника напряжения до первого размыкания контактных сердечников МК; "аз — время разрядных процессов прн отсутствии повторных замыканий КС; /др.в—- время наблюдаемого в ряде случаев дребезга при возврате; /Виб — время внбрацнн КС до нх полного успокоения.
На характер процесса внбрацнн КС влияют не только электромагнитные н механические силы, действующие на КС, но и электростатические силы, возникающие между ннмн прн разрыве электрической цепн, электродинамические н другие усилия.
Краткий анализ магнитной системы. Магнитная система рассматриваемого реле является системой с распределенными параметрами н содержит нелинейные элементы — КС. Строгому аналитическому анализу такие системы не поддаются, поэтому для нахождения нх параметров применяются приближенные методы: численные методы нлн методы теории цепей.
Прн расчете методами теории цепей сначала создаются ^мысленные» модели (представление о конфигурации поля), которые часто сопровождают наглядным моделированием в виде изображения на бумаге топографических моделей ——картин поля. Затем создаются схемы замещения, составляются дифференциальные н интегральные уравнения, описывающие «мысленные» модели, алгоритмы н программы расчета, т. е. проводится математическое моделирование. Этот путь расчета требует, однако, для получения достоверных результатов часто большого опыта н научной ннтунцнн исследователя. Дело в том, что прн нспользованнн методов теории цепей для расчета магнитных систем, особенно «разомкнутых», к которым относятся, в частности, магнитные системы многих электрических аппаратов с МК, может возникнуть ряд проблем. Так, аналнзнруемон магнитной системе в рассматриваемых диапазонах соотношения ее размеров н МДС источника поля могут соответствовать несколько качественно отличающихся друг от друга картин поля. Тогда надо иметь представление обо всех этих картинах н в процессе расчетов знать, прн каких соотношениях параметров происходит переход от одной картины к другой. Если картина поля 166
определена, то нензвестнымн все же остаются граничные линии магнитной индукции (так называемые сепаратрисы) между ее характерными областями, магнитные проводимости которых должны быть выражены математически. В этих случаях, применяя методы теории цепей, необходимо использовать метод вариации возможных картин поля, координат его особых точек и формы сепаратрис [37, 38]. Пример применения этого метода дан в § 8.4.
В случаях, когда аналнтнческне нлн численные методы анализа магнитных систем по тем нлн иным причинам являются малоэффективными, применяют различные виды аналогового моделирования нлн физическое моделирование. Подготовку н реализацию процесса моделирования целесообразно проводить на основе методов планирования эксперимента с применением автоматизированных систем научных исследований (АСНИ).
Магнитное поле изображенного на рнс. 8.1 реле трехмерно, несимметрично относительно продольной н поперечной осей, однако оно обладает центральной симметрией (относительно центра рабочего зазора) и симметрично относительно плоскости рнс. 8.1 (в продольной проекции). Для качественного анализа поля в этой плоскости можно использовать методы исследования плоских полей, одним нз которых является метод аналогового (в данном случае электрического) моделирования поля на электропроводящей бумаге.
На рнс. 8.3 представ* лена картина магнитного поля в продольной проекции аналнзнруемого реле, полученная этим методом прн допущении, что маг- ннтная проницаемость КС / н 2 равна бесконечности. Сплошными кривыми изображены лнннн маг- ннтной индукцнн, причем более толстыми кривыми
УУРис. 8.3. Картина магнитного поля в плоскости рис. 8.1:/, 2 — контактные сердечники； 3 — обмоткаРис. 8.3. Картина магнитного поля в плоскости рис. 8.1:/, 2 — контактные сердечники； 3 — обмотка(/—IV) отмечены сепаратрисы. Буквами О' н О" обозначены точки схода градиентных линий поля (даны пунктиром), называемых также линиями нулевой работы. Точки О' н О" являются особыми точками, так как в ннх векторный магнитный потенциал Л достигает максимума, а напряженность поля ", определяемая как
У
У
Рис. 8.3. Картина магнитного поля в плоскости рис. 8.1:
/, 2 — контактные сердечники； 3 — обмотка
Рис. 8.3. Картина магнитного поля в плоскости рис. 8.1:
/, 2 — контактные сердечники； 3 — обмотка
grad Л, и, следовательно, магнитная индукция равны нулю. В том, что точки схода градиентных линий являются особыми, легко убедиться, рассматривая рис. 8.3. Пересекая эти точки плоскостями, перпендикулярными плоскости чертежа, и строя кривые изменения нормальной к этим плоскостям составляющей магнитной индукции, убеждаемся, что в анализируемых точках эти кривые будут менять знак, значит индукция в них равна нулю. В особом характере точек О' и 0〃 можно убедиться и другим способом: при «стягивании» контура магнитной индукции вокруг любой из этих точек в пределах площади окна обмотки 5 суммарный ток, охватываемый контуром, уменьшается быстрее, чем длина контура; поэтому из закона полного тока в пределе - следует, что в точках схода градиентных линий напряженность поля равна нулю.
При трехмерном рассмотрении поля анализируемого реле мы имеем расположенные в обмотке особые кривые (в данном случае кривые схода градиентных поверхностей). Точки О' и 0〃 являются следами пересечения этих особых кривых плоскостью рис. 8.3, а градиентные линии — следами градиентных поверхностей. На рис. 8.3 приведены только градиентные линии, соответствующие вне обмотки магнитным потенциалам q)Mi и(рм2 КС 7 и 2.
Каждое ферромагнитное тело, находящееся в поле одной обмотки с током, имеет на своей поверхности S замкнутую кривую, которая разделяет поверхность на две части. В одну из этих частей линии магнитной индукции «входят》，а из другой «выходят》，что следует из принципа их непрерывности (RgdS = O)・ Таким образом, в точках указанной разделяющей кривой на поверхности S напряженность поля равна нулю, а векторный магнитный потенциал достигает максимума. Это означает, что данная кривая также является особой. При пересечении такой кривой плоскостью она дает следы в виде двух особых точек. В магнитной системе, изображенной на рис. 8.3, таких точек четыре (по две на поверхности каждого КС): точки л и nz ——на КС 1, m и mf ——на КС 2. Экспериментальные кривые распределения нормальной к поверхности ненасыщенных КС составляющей вектора индукции вдоль граней Л и 5, полученные физическим моделированием, иллюстрируют изменение знака индукции при переходе через точки лил7 (рис. 8.4). В особые точки л, л\ m и mf «входят» градиентные линии, соответствующие потенциалам q)Mi и(рм2 КС (см. рис. 8.3). В них же происходит преломление сепаратрис, которые в этих точках касаются поверхности КС, подходя к ним не под прямым углом, несмотря на то, что поверхность каждого КС в нашем рассмотрении (卩=8)эквипотенциальна. Здесь нет никакого противоречия, так как в особых точках напряженность поля равна нулю, а следовательно, не соблюдается условие сопряженности функции потока и потенциальной функции (условия Коши — Римана). Вне особых точек линии магнитной индукции всюду перпендикулярны градиентным линиям.
Сепаратрисы /—IV разделяют характерные области магнитных потоков. Так внутри сепаратрис I и IV находятся соответственно области потоков рассеяния Ф(/в1 и Ф(/В2, проходящие по пространству, занятому только воздухом и обмоткой . Между сепаратрисами / и // находится об-
ласть потока рассеяния ①dci, проходящего по воздуху и КС 丄 Аналогичная область потока рассеяния OdC2, проходящего по воздуху и КС 2, расположена между сепаратрисами III и IV. Область рабочего магнитного потока Ф6 (проходит по обоим КС) расположена в оставшемся пространстве ——между сепаратрисами II и ///. Линии магнитной индукции этого потока на рис. 8.3 входят в КС / с его левой стороны в пределах зон Л—С и Л—л\ проходят по КС /, далее через рабочий зазор входят в
Рис. 8.4. Кривые распределения магнитной индукции вдоль граней Л и 5 ненасыщенных контактных сердечниковРис. 8.4. Кривые распределения магнитной индукции вдоль граней Л и 5 ненасыщенных контактных сердечниковКС 2, из которого выхо
Рис. 8.4. Кривые распределения магнитной индукции вдоль граней Л и 5 ненасыщенных контактных сердечников
Рис. 8.4. Кривые распределения магнитной индукции вдоль граней Л и 5 ненасыщенных контактных сердечников
дят с правой его стороны в зонах т——/Г и С——/Г, замыкаясь затем через внешнее пространство опять на КС /.
Для рассматриваемой нами симметричной системы ①dBi = ==①dв2==:①dB И @dci 屯加2:^①dc・
По картине поля можно судить о характере распределения магнитного потока вдоль КС в его сечениях, перпендикулярных оси х. В нижней части рис. 8.3 дана качественная кривая такого распределения. По мере удаления от наружного конца КС / в направлении оси х поток в нем сначала растет за счет потока Фе, а начиная
с точки С — и за счет потока ①询，достигает максимума ①max в некотором сечении %тах, расположенном на участке 九‘——п, а затем уменьшается за счет того, что сначала поток Фе, а затем и поток Odd выходят из него. Из рис. 8.3 следует, что максимальный магнитный поток в КС выражается как
①так=②+电cRc -岛①》
(8.2)(8.2)где 々dcVl и 自V1—безразмерные коэффициенты, учитывающие доли входа и выхода на участках С——#max и 〃'——xmax соответственно потоков ①加 и Фе.
(8.2)
(8.2)
Суммарный магнитный поток всей системы ф2 = ф6 +2(0^4- + ①de) •
Если известно распределение магнитной нндукцин вдоль граней Л н Б контактного сердечника (рнс. 8.4), то с помощью формулы Максвелла можно найтн значения электромагнитных енл 户зм.а н ^эм.б (рнс. 8.4), действующих на каждый КС в противоположных направлениях. Из рис. 8.4 следует, что на участках граней Л н Б от наружных концов КС примерно до точки л' распределение нн- дукцнн практически одинаково, в области же перекрытия а КС значения нндукцнн на граны 5 существенно больше, чем на грани Л. Из этого следует, что Рмэ. > Рэм.а, а результирующая электромагнитная сила Рэм =-Рэм. б—Рзм.а направлена в сторону сближения КС. Прн насыщенны последних картина распределения нндукцнн вдоль нх поверхностей меняется не только количественно, но н качественно. Прн этом может существенно измениться н соотношение СНЛ Рзм.А н Рзм. Б -
Прн достаточно полном анализе рассматриваемой системы с применением методов теории цепей необходимо использовать дифференциальные уравнения с учетом того, что удельные параметры такой системы (МДС обмоткн н магнитная проводимость потока ①^в на единицу длины обмоткн, магнитная проводимость потоков Фе н ①de на единицу длины КС н магнитное сопротивление единицы длннн КС), строго говоря, переменны. Кроме того, прн составлении дифференциальных уравнений в пределах обмоткн необходимо нметь математическую связь текущего (по длине системы) значения МДС обмоткн с точками вхождения в КС лнннн магнитной нндукцнн, охватывающей эту часть обмоткн. Решение задачи в таком виде чрезвычайно сложно, поэтому делают ряд допущений, обоснованных данными аналогового н физического моделирований
Рнс. 8.5. Упрощенная схема замещения магнитной цепи симметричного реле с язычковым замыкающим МКРнс. 8.5. Упрощенная схема замещения магнитной цепи симметричного реле с язычковым замыкающим МК(см. § 8.4). В результате удается провести расчет с высокой точностью.
Рнс. 8.5. Упрощенная схема замещения магнитной цепи симметричного реле с язычковым замыкающим МК
Рнс. 8.5. Упрощенная схема замещения магнитной цепи симметричного реле с язычковым замыкающим МК
В данном параграфе мы ограничимся рассмотрением простейших выражений, которые позволят нам, однако, судить о взаимосвязи некоторых параметров реле с его геометрическими факторами.
На рис. 8.5 изображена упрощенная схема замещения магнитной цепн анализируемой
системы, составленная прн пренебрежении магнитным сопротивлением КС. На схеме /?м.вт — магнитное сопротивление внутреннего участка цепн на пути прохождения потока Фб между внутренними концами КС; t/M.BT=q)Mi—<рм2 — магнитное напряжение на этом сопротивлении; Км.вш — магнитное сопротивление внешнего участка цепи на пути прохождения потока Фб между внешними участками
КС, приведенное по потоку к магнитному напряжению UMtBm=F— —Ом.вт； RmWb и RM.dc — приведенные по потоку к полной МДС обмотки магнитные сопротивления на путях прохождения соответственно ПОТОКОВ ①dB и Ode.
Суммарная магнитная проводимость, приведенная к полной МДС обмотки по потоку, определяется выражением
ДЕФ= [ЛвТЛвш/(ЛвтЦ- Лвш)] +2(А^в + Аа),(8.3)
где Авт, Лвш, А^в н Adc — магнитные проводимости, соответствующие указанным выше магнитным сопротивлениям.
Суммарный магнитный поток в системе
①,=尸а工力.(8.4)
Исследования показывают, что для наиболее часто встречающихся на практике соотношений размеров реле (обмотка имеет малую толщину по сравнению с длиной, а ее внутренний диаметр несущественно превышает наружный диаметр баллона) величина 2(①(^в+①de) составляет не более 15—20% от Ф2, если КС не насыщены. Прн этом, как следует нз (8.2), можно приближенно принять ф2 = Фтах = Фб. В этом случае нз схемы рнс. 8.5 получаем
①£=① max = ©бН^АвтАвт^Авт + Ар,.(8.5)
Основные расчетные соотношения. Значения максимального магнитного потока в КС дает возможность определить результирующую электромагнитную силу РЭм по эмпирическим формулам, например, вида [39]
РзмП^ахСРоаЬ。+[財з +局s(〃b)+ ^3s®a)]®a)}・(8.6)
Здесь b н й ——ширина н толщина КС в области нх перекрытия а; %з, 紘 н 紘一безразмерные эмпирические коэффициенты, зависящие от соотношения размеров 6/а н h/b, а также от максимальной индукции в КС [39].
Результирующую электромагнитную силу можно также найти по энергетической формуле, которая для неизменного тока имеет вид [40]:
% = 一0%。綱，(8.7)
где WK0—коэнергня магнитной системы.
Для некоторого заданного значения тока / коэнергня равна rK0=j 屮(/, »d/,
где 屮一потокосцепление системы.
Для линейной завнснмостн потокосцепления от тока (индуктивность L системы не является функцией от тока) имеем
Рэм=-尸 dAw/(2dB).(8.8)
171
В этом выражении Л2Чг (см. § 1.2) —суммарная магнитная проводимость системы, определяемая через потокосцепление Т, запасенную магнитную энергию WM системы нлн индуктивность обмотки в этой системе:
Л^= W/w2/ = 2UZm/尸 2=£/w‘，(8.9)
где w — число витков обмоткн.
Для линейной системы WM = U/Ko.
Таким образом, для определения электромагнитной силы по энергетическим формулам (8.7) н (8.8) необходимо рассчитывать потокосцепление системы.
В общем случае Л2Чг<Ахф (см, гл. 1). С сокращением площади поперечного сечення обмоткн отлнчне этих проводимостей уменьшается. Прн идеалнзнрованной замене обмоткн одним витком провода с бесконечно малым диаметром имеем Л2Чг = Л2ф .
Механическая сила упругости КС (рнс. 8.2) может быть выражена как
Рмх=%р (% — »•(8.10)
Здесь Сир — приведенная жесткость двух КС, характеризуемая на рнс. 8.2 углом
a = arctg(cnpne/np),
где 九6 н лр ——масштабы по осям абсцисс н ординат на рнс. 8.2 (размерность соответственно м/мм н Н/мм).
Можно легко показать, что прн равенстве результирующих электромагнитных снл, действующих на каждый нз двух КС, приведенная жесткость этих КС определяется как
e叩=°1°2心 +e2)。
В формуле с】н с2 — жесткости отдельных КС.
Для точки касания характеристик PMX=f} (6) н Рэм_/2(б) (рнс. 8,2), т. е, 6=6Ср н F=Fcp, определимы следующие равенства:
Рэм =「мх； dP34^dB = dPMx/dB.
Прн учете (8.8) н (8.10) для 6=6Ср этн равенства преобразуются к следующему виду:
一аP (dAЁ中,(13%/2 = e" ® 一 "ер)；(8.11)
—尸；p(d2A 眦/d32)%p'2=—%p・(8.12)
Из (8,11) находим выражение для МДС срабатывания реле:
尸 ср — I’ 一Ze” (8Н — BcpJCdAsyr/dB^p.(8.13)
Как следует из (8.13), для определения МДС срабатывания необходимо найти величины бср и (dAI4r/d6)flc?. Разделив (8.11) на' (8.12), получим выражение для 6Ср：
(dAS4fyda)5
7р=% Н—;.(8.14)
Р黎%
Если определить зависимости A2y, dAxw/db и d2Az/d62 от 6, то нз (8.14), используя итерационный метод расчета, можно для заданного 6Н найти величину 6ср. Зная 6Ср н соответствующее ему значение (dA24r/d6)6cp, по (8.13) находится МДС срабатывания.
При возврате реле (6=6К) справедливо равенство РЭм= = Рмх.к； отсюда, учитывая (8.8) и (8,10), имеем
—尸:(dAs4r/dB)eK/2 — 6np (BH —占к)・(8.15)
Из (8.15) находится выражение для МДС возврата реле р^=^-2%p ® -*J 付A工中/部)限*(8.16)
а нз (8.13) и (8.16)—выражение для коэффициента возврата
储=£/尸ср= /(йн — Sk)(йи-^ср)™1 (dAsyr/dB^pCdAsyr/dS)^1. (8.17)
Используя (8.1), (8.8) и (8.10), можно получить также формулу для контактного нажатня прн произвольной МДС, а с добавлением (8.13) —для контактного нажатия прн 凡р・
Применение дополнительных магнитопроводов в герконовых реле. Многоконтактные герконовые реле
Для изменения параметров герконовых реле (МДС срабатывания, коэффициента возврата н др,), а также для экранирования этих реле от воздействия посторонних магнитных полей широко используются внешние (по отношению к обмоткам) дополнительные магннтопроводы. На рнс, 8.6, а изображена одна нз возможных картин магнитного поля реле с таким магннто- проводом, выполненным в виде скоб 3 н 4, находящихся под одним и тем же магнитным потенциалом (фмз = фм4). Внутри сепаратрис / и VIII расположены лнннн нндукцни потоков рассеяния, проходящих только по воздуху. Между сепаратрисами /—II (VII—VIII) проходят потоки рассеяния, замыкающиеся также н через КС / <КС 2). Область, ограниченная сепаратрисами 〃一Ill, характеризует поток рассеяния, замыкающийся через КС /, пространство между КС / и скобой 3, скобу 3 и пространство между скобой 3 н КС /. Область, ограниченная сепаратрисами VI—VII, характеризует поток рассеяния, замыкающийся через КС 2, пространство между КС 2 и скобой 4, скобу 4 н пространство между скобой 4 и
КС 2. Между сепаратрисами III—IV расположена область потока, проходящего через КС 2, воздух, скобу 3, воздух и КС /, а между сепаратрисами V—VI расположена область потока, проходящего через КС 2, воздух, скобу 4, воздух и КС /. Область между сепаратрисами /У—V во внешнем пространстве и в рабочем зазоре соответствует потоку, проходящему через оба КС, но не связанному со
Рис. 8.6. Картины магнитного поля герконового реле с внешним магнитопроводом
скобами 3 н 4. Наличие двух дополнительных ферромагнитных деталей приводит, естественно, к четырем новым особым точкам (р, р‘ на скобе 3 н q, q‘ на скобе 4).
Рассмотренная картина поля не является единственно возможной для такой конструкции реле, даже если скобы 3 н 4 находятся под одним и тем же магнитным потенциалом. На рис. 8.6, б, 8 приведены верхние части еще двух возможных картин поля при(рнз — = фМ4. Первая из них (рис. 8.6, б) характеризуется слиянием сепаратрис / и //, чго свидетельствует об отсутствии потока рассеяния, проходящего, исключая воздух, только по КС 1.
На второй картине (рис. 8.6, 8) этот поток также отсутствует, но имеется новый вид потока рассеяния (между сепаратрисами / и 〃)，замыкающийся только на скобу 3. Таким образом, картина поля, представленная на рис. 8.6, 6, является граничной между картинами, изображенными на рис. 8.6, а, 8. Внешний дополнительный магнитопровод при достаточно близком расположении концов скоб 3 н 4 c КС и отсутствии насыщения последних уменьшает МДС срабатывания и коэффициент возврата реле за счет роста внешней магнитной проводимости. Однако при больших начальных зазорах, когда срабатывание происходит в условиях насыщения КС, применение внешних дополнительных магнитопроводов с целью повышения чувствительности реле не дает положительного 174
результата и может даже снизить чувствительность из-за роста потоков рассеяния, замыкающихся на магнитопровод.
Для изменения параметров реле используются также внутренние (по отношению к обмотке) дополнительные магнитопроводы. Одна из схем построения реле с таким магнитопроводом в виде двух ферромагнитных трубок приведена на рис. 8.7, а. На рис. 8.7, 6 дана эксперимен
тальная зависимость МДС срабатывания увеличенной физической модели такого реле от расстояния 三 между ферромагнитными трубками. При малых Е трубки шунтируют рабочий зазор МК, что
Рис. 8.7. Герконовое реле сРис. 8.7. Герконовое реле свиутреииим магнито-виутреииим магнито-проводомпроводомРис. 8.8. Многоконтактное герконовое реле серии РПГ:Рис. 8.8. Многоконтактное герконовое реле серии РПГ:/ — пластмассовый кожух; 2 — обмотка: 3 — ферромагнитный экран； 4 — МК: 5 — каркас обмотки； 6 — скоба； 7 — пластмассовые колодкн； 8 — резиновые трубки； 9 — основание/ — пластмассовый кожух; 2 — обмотка: 3 — ферромагнитный экран； 4 — МК: 5 — каркас обмотки； 6 — скоба； 7 — пластмассовые колодкн； 8 — резиновые трубки； 9 — основаниеприводит к увеличению 尸ср по сравнению с вариантом, когда та、 кого рода дополнительный магнитопровод отсутствует 信=8). При больших же 三 трубки увеличивают внешнюю магнитную проводимость на пути прохождения рабочего магнитного потока, и чувствительность реле повышается.
Рис. 8.7. Герконовое реле с
Рис. 8.7. Герконовое реле с
виутреииим магнито-
виутреииим магнито-
проводом
проводом
Рис. 8.8. Многоконтактное герконовое реле серии РПГ:
Рис. 8.8. Многоконтактное герконовое реле серии РПГ:
/ — пластмассовый кожух; 2 — обмотка: 3 — ферромагнитный экран； 4 — МК: 5 — каркас обмотки； 6 — скоба； 7 — пластмассовые колодкн； 8 — резиновые трубки； 9 — основание
/ — пластмассовый кожух; 2 — обмотка: 3 — ферромагнитный экран； 4 — МК: 5 — каркас обмотки； 6 — скоба； 7 — пластмассовые колодкн； 8 — резиновые трубки； 9 — основание
Часто в одном реле используются как внешний, так и внутренний дополнительные магнитопроводы.
На основе МК можно создать не только одноконтактное (см. рис. 8.1), но и многоконтактное реле, расположив, например, в обмотке несколько коммутационных элементов (рис. 8.8). В многоконтактном герконовом реле коммутация отдельных выходных цепей в общем случае происходит при различных значениях МДС обмотки, что определяется тремя причинами. Во-первых, МК даже одного типа отличаются друг от друга по МДС срабатывания и МДС возврата, измеренными в обмотке одноконтактного реле (см. рис. 8.1). Во-вторых, магнитное поле в местах расположения различных МК многих исполнений многоконтактных реле неодинаково, поэтому раньше замыкаются МК, которые (при прочих равных условиях) находятся в областях с большей напряженностью поля. В-третьих, замыкание одного МК приводит к магнитному шунтированию других и поэтому требует дополнительного увеличения МДС обмотки для замыкания всех МК реле. Следует иметь в виду, что магнитное шунтирование здесь имеет более сложную природу, чем шунтирование в параллельных активных электрических цепях. При замыкании одного из МК не только увеличивается внутренняя магнитная проводимость этого МК, но и возрастает его внешняя магнитная проводимость, при этом внешняя магнитная проводимость остальных МК уменьшается.
Поляризация герконовых реле
Поляризация осуществляется с целью изменения чувствительности и коэффициента возврата реле, создания на основе замыкающего МК реле с размыкаемым контактом. Кроме того, как было указано в § 7.2, существуют МК, которые без поляризации вообще не могут работать (см. рис. 7.10).
Поляризующий магнитный поток в МК создается специальной обмоткой или постоянным магнитом. Влияние поляризации постоянным магнитом на функциональные статические характеристики сухого симметричного язычкового замыкающего МК (рис. 8.9, а) иллюстрируется диаграммой рис. 8.9, б. При отсутствии поляризации (на диаграмме обозначено вертикалью А) значения FCp и 居 не зависят от полярности питания обмотки управления (магнитным гистерезисом пренебрегаем). Небольшая поляризация (вертикаль ЛП1 на диаграмме) приводит к уменьшению значений +Е：р и +尸в, соответствующих одинаковому направлению в рабочем зазоре М.К магнитных потоков от поляризующего магнита и обмотки (назовем поляризацию при таком направлении потоков «положительной»), и увеличению значений «|——Fcp|》и 《|—尸в|», соответствующих встречному направлению этих потоков («отрицательная» поляризация). «Положительная» поляризация уменьшает коэффициент возврата, а «отрицательная» увеличивает. Увеличение поляризации до определенной величины приводит к состоянию (обозна-
чено вертикалью ЛП2 на диаграмме), характеризуемому удержанием МК в замкнутом положении при снижении тока в обмотке до нуля после замыкания МК при некотором значении《+尸》(точка / на вертикали ЛП2). Для размыкания МК необходимо увеличивать ток в обмотке от нуля в противоположном направлении (точка 2 на вертикали Лп2).
Дальнейший рост поляризации приводит к замыканию МК полем постоянного магнита при отсутствии тока в обмотке. Это дает
Рнс. 8.9. Поляризованное реле с сухнм симметричным язычковым замыкающим МК (а) н диаграмма его функциональных характеристик (б):1 — МК； 2 — обмотка; 3 — поляризующий магнит; X — замыкание МК; О "• размыкание МКРнс. 8.9. Поляризованное реле с сухнм симметричным язычковым замыкающим МК (а) н диаграмма его функциональных характеристик (б):1 — МК； 2 — обмотка; 3 — поляризующий магнит; X — замыкание МК; О "• размыкание МКРнс. 8.10. Поляризованное реле с переключающим жндкометалличе- ским МК (а) и диаграмма его функциональных характеристик (б):/ —МК； 2 — обмотка; 3 — поляризук>- щий магнит； X — замыкание КС; О — размыкание КСРнс. 8.10. Поляризованное реле с переключающим жндкометалличе- ским МК (а) и диаграмма его функциональных характеристик (б):/ —МК； 2 — обмотка; 3 — поляризук>- щий магнит； X — замыкание КС; О — размыкание КС
Рнс. 8.9. Поляризованное реле с сухнм симметричным язычковым замыкающим МК (а) н диаграмма его функциональных характеристик (б):
1 — МК； 2 — обмотка; 3 — поляризующий магнит; X — замыкание МК; О "• размыкание МК
Рнс. 8.9. Поляризованное реле с сухнм симметричным язычковым замыкающим МК (а) н диаграмма его функциональных характеристик (б):
1 — МК； 2 — обмотка; 3 — поляризующий магнит; X — замыкание МК; О "• размыкание МК
Рнс. 8.10. Поляризованное реле с переключающим жндкометалличе- ским МК (а) и диаграмма его функциональных характеристик (б):
/ —МК； 2 — обмотка; 3 — поляризук>- щий магнит； X — замыкание КС; О — размыкание КС
Рнс. 8.10. Поляризованное реле с переключающим жндкометалличе- ским МК (а) и диаграмма его функциональных характеристик (б):
/ —МК； 2 — обмотка; 3 — поляризук>- щий магнит； X — замыкание КС; О — размыкание КС
возможность реализовать на основе замыкающего нейтрального МК реле с размыкающим контактом (вертикаль В на диаграмме). Размыкание МК происходит при увеличении МДС от нуля в «отрицательном» направлении (точка 2 на вертикали В). При последующем снижении I—F\ МК замыкается (точка / на вертикали В).
При реализации состояний ЛП2 и В следует иметь в виду, что рост МДС I——F| после размыкания МК (точки 2 на вертикалях 4H2 и В) приводит при ее некотором значении к изменению направления суммарного магнитного потока в рабочем зазоре, а дальнейшее увеличение |—尸| вызывает замыкание МК (точки 3 на вертикалях ЛП2 и В). При последующем снижении |—F\ МК размыкается (точки 4 на вертикалях ЛП2 и В).
На рис. 8.10, а изображен поляризованный переключающий 丈МК・ Поляризация осуществляется постоянным магнитом, расположенным между выводами неподвижных КС. При отсутствии постоянного магнита подвижный переключающий КС находится симметрично между неподвижными КС. Возможные функциональные характеристики реле (в зависимости от исполнения) с МК такого вида иллюстрируются диаграммой рис. 8.10, 6, на которой точки / соответствуют замыканию и размыканию одного из неподвижных КС, а точки 2 — другого(КС. Реле может быть одностабильным (вертикаль СП] на диаграмме рис. 8.10, 6), когда после снятия управляющего сигнала (« + 尸》или «——尸》)переключающий КС занимает нейтральное положение между неподвижными КС, или двустабильным, когда в двух крайних положениях переключающего МК осуществляется его магнитная блокировка. Двустабильное реле может быть в свою очередь трехпозиционным или двухпозиционным. В трехпозиционном реле (вертикаль СП2 на диаграмме) при достижении током в обмотке значений возврата (в области 《+尸》или «—尸龙)переключающий КС размыкается с одним из неподвижных КС и после затухающих колебаний остается между неподвижными КС. В двухпозиционном реле (вертикаль Сп3 на диаграмме) переключающий КС при токах возврата «перелетает» от одного неподвижного КС ко второму и остается в замкнутом состоянии с последним после снятия сигнала в обмотке.
Расчет магнитной системы и функциональных параметров герконовых реле
Рассмотрим в качестве примера методологию расчета герконового реле, картина магнитного поля которого в продольной проекции изображена на рис. 8.3. Простейшая рас-
Рнс. 8.11. Топографическая модель магнитного поля реле с одним симметричным язычковым замыкающим МК
модели принято, в част-модели принято, в част-бесконечно тонком слое»бесконечно тонком слое»Рис. 8.12. Определение концевого магнитного потока ①кРис. 8.12. Определение концевого магнитного потока ①кчетная топографическая модель поля такого реле, полученная на основе анализа результатов аналогового и физического моделирования [37], приведена на рис. 8.11. В этой
модели принято, в част-
модели принято, в част-
бесконечно тонком слое»
бесконечно тонком слое»
Рис. 8.12. Определение концевого магнитного потока ①к
Рис. 8.12. Определение концевого магнитного потока ①к
ности, что МДС обмотки сосредоточена в расположенном по окружности, образованной средним диаметром обмотки d06.
При математическом описании топографической модели (т. е. при математическом моделировании) на основе анализа результатов исследований [37] удельная (на единицу длины КС) внешняя магнитная проводимость АрШ принята постоянной вдоль КС. Сделано также допу-
щение о бесконечно большом значении магнитной проницаемости материала КС, что при условии работы на 《линейном》участке кривой намагничивания пермаллоев, используемых для изготовления КС и обладающих высокой максимальной магнитной проницаемостью, не вносит
значительной погрешности в расчет.
Рабочий магнитный поток системы на основе рис. 8.11 и 8.12 определяется как
Ф8 = Фк + Флв4-Фвс,(8.18)
где Фк — концевой поток (рис. 8.12), учитывающий часть потока Фб, входящую в торец внешнего конца КС, и отличие от линейного характера распределения магнитного потока в КС [®=f(x)] у этого конца [37]; Флв и ❿вс — магнитные потоки, «входящие» в КС соответственно иа участках АВ и ВС (рис. 8.11).
(8.19)(8.19)(8.20)(8.20)Для потока Фк имеем
(8.19)
(8.19)
(8.20)
(8.20)
Фк=AKUм вш = AK(F*—"м.вт)，
где Лк ——концевая магнитная проводимость, а для потока Фдв имеем
①АЕ =仆山《МК -厶6)(尸—U м・вт)/2・
При нахождении выражения для потока Фвс необходимо сначала составить дифференциальное уравнение, так как линии магнитной индукции этого потока не охватывают все витки обмотки (рис. 8.11). Это дифференциальное уравнение имеет вид
ЙФВС=ХВШ [F (^мк — 2х)//об —(/м.вт] dx.
После его интегрирования получаем
%с=| d①бс=f d%c=
=儿山{尸 “м/с —廸 ^мк (^мк **4б)/2 +(^мк —^o6)2/4]//o6 —
-U м.вт[生-амк - 46)/2]}.(8.21)
179
Учитывая (8.18) — (8.21) и (см. рис. 8.5) формулу
(8.22)(8.23)(8.24)(8.22)(8.23)(8.24)Art= 1//?м вт= Ф>/^/м RT,
(8.22)
(8.23)
(8.24)
(8.22)
(8.23)
(8.24)
ВТ • 'М.ВТм.вт，
после преобразования получаем
鱼=尸鱼=尸1 + (入bih*c 丄 Ak)/Art1 + (入bih*c 丄 Ak)/Art-Лк + ^вш ["мк*с в ХС 一 ('мк — /°6)2/4]〃о6
鱼=尸
鱼=尸
1 + (入bih*c 丄 Ak)/Art
1 + (入bih*c 丄 Ak)/Art
Из (8.22) и (8.23) имеем
.! + *нш [/мк*с — ХС — «мк—/о6)〃4]/Ак/о6 iy М.вт С-/ и пт/丿 "'
•1 4-(Хвшхс + Лвт)；Лк
Как показано в § 8.1, при анализе рассматриваемой магнитной системы, для наиболее часто встречающихся случаев можно пренебречь потоками рассеяния Ф^вь Ф^В2, Odd и Ф^С2 (см. рис. 8.3 и 8.11). При этом Фх=Фб (см. рис. 8.5 и 8.11). Тогда из (8.4) и (8.23) получаем выражение для суммарной магнитной проводимости, приведенной к полной МДС обмотки по потоку:
(8时5)(8.26)(8时5)(8.26)Лк 4- Хвш [/мк*с —抬 一《мк — /o6)2/4]//o6 а e力=.
(8时5)
(8.26)
(8时5)
(8.26)
1 + (入 BU1*C + Ак)/Авт
Из (8.23) и (8.24) с учетом (см. рис. 8.5) формулы
Ав 山=1//?м.вш =亀/(尸—U М.вт)
находим выражение для внешней магнитной проводимости
А — Ак + Xbui [/мк*с — 疋一《мк — /о6)2/4]〃о6(8 27)
вШ 1 + Хв山{*С — [/мк%—*^—"мк —/о6)2/4]〃об}/Авт
При 6=0 (соответственно Авт=оо и хс=/мк/2—а/2^/Мк/2) (см. рис. 8.11) имеем
厶8山=Ак+入ВШ ("мк/2 — "об/4)・
Как следует из (8.9), для определения магнитной проводимости Л2Чг надо найти значения 屮，Км или L. Найдем выражение для Леф рассматриваемой магнитной системы через магнитную энергию. Последняя в случае пренебрежения потоками рассеяния, согласно рис. 8.11, определяется суммой
^м = Гк+Глв + Гвс,(8.28)
где 1Гк, WAB и Wbc ——составляющие магнитной энергии системы, соответствующие потокам Фк, Фдв и Фвс.
Эти составляющие находятся следующим образом:
羽 к=^『/2=Ак(尸一〃м.вт)尸/2；(8.29)
ав~^ав^/2=Хвш (/мк — /об) {F — U м.вт)尸/4；(8.30)
d 步"=d%cF (《к — 2х)/(2/об);
^вс f ^вс= J drBC=FXBU1 [4Fx?：/(3/o6)-
хв(小一%6)/2
—(2尸4к/"о6 — "м.ВТ)"с + 4к (尸/мк//°6 — “М.ВТ)"с —
(8.31)(8.31)с учетомс учетом(8.32)(8.32)—尸"мк — /о6)3/6/об +(/мк —4б)2(尸"mk//o6 — Um.bt/2)/2 —
(8.31)
(8.31)
с учетом
с учетом
(8.32)
(8.32)
一 %MK 〃MK — %об)(尸“мк//" — UMW)/2]/(2/o6)・
Магнитная проводимость 八工里 определяется из (8.9) (8.24) и (8.28) —(8.31):
Аечг=Ar (1 — А) + Хвш [/мк/2 — /об/3 — (/мк/6 — 4х%3 +
+ 2/мк%^ — ^мкХс)//об 一 厶(4к/2 — /об/4 — ^мк/(4/об)—
一 Лс/^об + %мкХс//о6)]，
где безразмерная величина
厶={Ar + 入Bin ["мкХс — "^ — ("мк — ^об)2/^1/^об}/(-^-к "Ь -^втН- ^вш-^С)*
(8.33)
При %cW (/мк—/об)/2 имеем А2ф=Ае фэ так как линии индукции потока Фе охватывают в этом случае все витки обмотки.
Значения проводимостей Хвш и Ак, входящих в основные уравнения (8.23) —(8.25), (8.27) и (8.32), находятся из формул
入в山=(0,724+4,92"：+ 0,314/：б) 1Q-6, Гн/м,(8.34)
Ак=*3「н,/ (8.35)
入к=(0,378+0,37広 + l,82d：6 —17,04Ad：б) Ю~6, Гн/м.(8.36)
Здесь рс — периметр поперечного сечения КС, м; /*об=/об//мк, *об=&б//мк, р*с = Рс〃мк — безразмерные величины.
В эмпирических выражениях (8.34) и (8.36) допустимое варьирование факторов находится в следующих пределах: рс* = 0,075± 士0,042; /*°б=0,4±0,1; d*°6=0,125±0,033.
При заданных размерах магнитной системы (/мк, рс, /об, dO6)и рассчитанных Хвш и Ак в уравнениях (8.23) — (8.25), (8.27) и (8.32) неизвестными являются координата Хс и проводимость Авт, представляющая собой функцию от Хс. Для нахождения Хс и АВт используется известное положение о том, что линии магнитной индукции при заданных параметрах магнитной системы (размеры, материал магнитопровода и значение МДС обмотки) принимают в пространстве единственно возможную конфигурацию. Эта конфигурация соответствует максимуму магнитной энергии поля [максимуму потокосцепления, индуктивности или проводимости A£V —— см. (8.9)] этой системы.
Исследования показывают, что Хвш и Ак практически не зависят от рабочего зазора и перекрытия КС при реальных для герконовых реле соотношениях размеров. Это свидетельствует о том, что конфигурацию поля на внешнем участке прохождения потока Ф& можно принять независимой от изменения конфигурации поля на
внутреннем участке прохождения этого потока.
Таким образом, для принятой нами модели поля (рис. 8.11) и допущении AdB=0 и А^с = 0 факторами при определении максимума, например, Леф остаются конфигурация участка сепаратрисы ограничивающего область потока Фб в зазоре 6 (аналогичный участок сепаратрисы III ввиду центральной симметрии системы имеет такую же форму), и координата
Учет изменения конфигурации сепаратрисы может быть решен вариационными методами. Можно также найти функциональную связь формы рассматриваемого участка сепаратрисы (а затем и Авт) с координатой х& используя с этой целью, например, конформные преобразования или планированный эксперимент с применением аналогового моделирования. Однако все это очень слож
но и по трудоемкости приближается к решению поля численными методами. К нашему удовлетворению, предварительный анализ многих магнитных систем электрических аппаратов позволяет заметно упростить задачу, приняв- конфигурацию сепаратрис неизменной. В рассматриваемом на-
Рис. 8.13. Принятая при расчете КОН- МН случае можно поступить и мен- фигурация сепаратрисы // иа участке но так. Учитывая подход упомя- Е—тнутого участка сепаратрисы 11 к
точке т на поверхности КС под острым углом (см. рис. 8.11), представим его в виде совокупности части лемнискаты Бернулли — на длине m—G и четверти окружности —на длине G—E (см. рис. 8.13).
Удельная проводимость л (на единицу ширины КС) заштрихованного на рис. 8.13 участка находится в безразмерном виде по эмпирической формуле
入=2,314+63АХт — 49・ К)2з + 2,84・ 102力 + 1」4・ 105 А%а +
4-6,7-104Дхш/г — 9,5-105о/г,
где Axm, 6 и А — в метрах.
Допустимые диапазоны варьирования факторов в этой формуле: 厶尤小=(5±4)10-3 м； 6=(0,17±0,14)10-3 м; (0,5±0,3)10~3 м.
Связь между Хс и Ахт ясна из рис. 8.11 и 8.13: Хс=仏к—。)/2— ДХлп*
182
Полна% магнитная проводимость заштрихованного участка (рис. &13) представляет собой одну из составных частей проводимости Лвт и находится по формуле
a=|\)^. (8.37)
Другие составные части проводимости Авт принимаются независимыми от Хс и определяются по известному методу вероятных путей потока {1—4].
Порядок расчета рассматриваемой магнитной системы следующий. Сначала, варьируя координатой Хс, находим её значение, соответствующее максимуму Axw. Затем, например, определяем рабочий магнитный поток Фб по (8.23) и далее ——электромагнитную силу Рзм по (8.6) при Фтах=Фв. Проведя расчет Azw для нескольких значений 6, можно, используя формулы (8.13), (8.14) и (8.17), найти МДС срабатывания 尸ср и коэффициент возврата 々в реле. Время расчета 尸ср и 々в данного реле на ЭВМ типа ЕС1030 не превышает 1—2 мин.
Симметричному герконовому реле без дополнительных магнитопроводов (см. рис. 8.1) соответствует только одна картина магнитного поля (см. рис. 8.3). В более сложных конструкциях, например в реле с таким же МК, но с дополнительным магнитопроводом, варьирование размеров системы может привести к качественному изменению картины поля (см. рис. 8.6). В этом случае картина поля становится еще одним фактором при нахождении максимума 八xw. Количество факторов увеличивается также при усложнении конструкции МК (38].
ГЛАВА 9. КОМАНДОАППАРАТЫ НА МАГНИТОУПРАВЛЯЕМЫХ КОНТАКТАХ.
ФЕРРИДЫ
Командоаппараты на МК по назначению многообразны. Это различные кнопки; тумблеры; конечные, путевые и пакетные переключатели; распределители сигналов; устройства адресования и др. В этих аппаратах переключение МК осуществляется перемещением или изменением магнитного состояния управляющего элемента. Роль управляющего элемента могут выполнять: подвижный постоянный магнит (ПМ); подвижная или неподвижная ферромагнитная деталь (в последнем случае функционирование аппарата осуществляется за счет изменения магнитного состояния этой детали, например при воздействии температуры) ；быстроперемещающийся немагнитный металлический экран, в котором наводятся вихревые токи, препятствующие проникновению в МК поля от ПМ.
Конструкции командоаппаратов также весьма разнообразны. Подробно с ними можно ознакомиться по специальной литературе.
например [42]. Здесь рассмотрены только особенности магнитных систем некоторых командоаппаратов, управление МК в которых осуществляется перемещением постоянных магнитов.
Управление язычковыми магнитоуправляемыми контактами перемещением постоянных магнитов
На рис. 9.1 приведен простейший способ управления язычковым замыкающим МК прямолинейным перемещением стержневого ПМ, Однако даже для такой простой магнитной системы распределение поля весьма сложно. На рис. 9.2 при
ведена картина поля в плоскости продольной проекции магнитной системы, соответствующей рис. 9.1, для случая, когда поперечные оси ПМ и баллона МК
Рис. 9.1. Пример управления МК прямолинейным перемещением стержневого постоянного магнитаРис. 9.1. Пример управления МК прямолинейным перемещением стержневого постоянного магнитасовпадают, длина ПМ в несколько раз меньше длины МК и ПМ расположен близко к МК- На рис. 9.2 приведены также соответствующие картине поля кривые распределения магнитных потоков вдоль
Рис. 9.1. Пример управления МК прямолинейным перемещением стержневого постоянного магнита
Рис. 9.1. Пример управления МК прямолинейным перемещением стержневого постоянного магнита
контактных сердечников МК. На картине поля можно выделить следую
щие характерные области потоков. В областях, охваченных сепаратрисами / и 〃，проходят соответственно потоки рассеяния Ф^в2 и 0^2, линии магнитной индукции которых, кроме ПМ, проходят только по воздуху. Между сепаратрисами /—Ill и 11—IV проходят потоки рассеяния Odc2+ и ①代2-, линии магнитной индукции которых замыкаются соответственно на внутренних и внешних участках КС 2. Область между се- паратрисами 111 и IV характеризует поток ①i? проходящий по обоим КС. Внутри этой области имеются линии магнитной индукции q и 也 которые в поперечных сечениях /—U и с—сг пересекают соответственно КС / и 2. Вправо и влево от этих сечений линии магнитной индукции в КС имеют разное направление, а продольный поток в них равен нулю. Одну часть потока Oi,2, ограниченную линиями магнитной индукции 々 и ///, условно можно назвать потоком в рабочем зазоре Фб (область этого потока заштрихована), а вторую часть (между линиями магнитной индукции 々 и /V) —потоком рассеяния Odciz проходящим по обоим КС.
Следует отметить, что в отличие от магнитной системы реле с язычковым замыкающим МК (см. рис. 8.3) в рассматриваемой магнитной системе этого же МК с ПМ при определенном соотношении ее размеров в каждом КС имеется не одно, а два макси-
мальных значения потока (рис. 9.2), причем одно из них, например
1 Q4
в КС /, условно положительно (Фтах1+)—поток протекает в КС справа налево, а другое (Фтах1-)—отрицательно (поток проходит в КС слева направо).
Если ПМ в несколько раз короче МК, то увеличение длины МК не приводит к повышению чувствительности системы, т. е. к увеличению координаты у, соответствующей срабатыванию МК (см. рис. 9.1), и даже может ее снизить из-за шунтирующего действия внешних частей КС (см. потоки Ф^С2- и Фа】,2 на рис. 9.2). В этом
Рис. 9.2. Одна из картин поля и распределение потоков вдоль КС магнитной системы, изображенной на рис. 9.1.
существенное отличие такого аппарата от реле с МК (см. рис. 8.3), в котором удлинение КС приводит из-за увеличения внешней магнитной проводимости к монотонному росту чувствительности (до насыщения КС, когда этот рост практически прекращается).
При увеличении расстояния у (см. рис. 9.1), а также при уменьшении рабочего зазора МК сечения f—，и с—с' (рис. 9.2), соответствующие нулевым значениям потока в КС, смещаются к внешним концам последних. В результате при значительном удалении ПМ от МК распределение магнитного потока по длине КС становится близким по форме к его распределению в реле, т. е. в обоих КС поток проходит только в одном направлении. Аналогичным образом сказывается на характере распределения магнитного потока в КС и удлинение ПМ. Практически уже при длине ПМ, равной дли-
не МК, даже прн минимальных расстояниях у в КС отсутствуют потоки, направленные противоположно рабочему потоку. При этом особые точки mf и л7 (см. рис. 9.2) располагаются не на гранях А? и 4 сердечников, а на гранях 5 и 52.
Важным параметром многих аппаратов с МК, управляемых перемещением постоянного магнита (или подвижной ферромагнитной детали), является дифференциал хода управляющего элемента
Д=Ув—Уср.
где ув — координата положения управляющего элемента при его «обратном» перемещении, соответствующая возврату МК； Уср — координата положения управляющего элемента при его 《прямом» перемещении, соответствующая срабатыванию МК-
Для снижения дифференциала хода имеются два пути： повышение коэффициента возврата МК и увеличение градиента магнитного поля. Так как в настоящее время МК выпускаются с большим разбросом по значениям коэффициента возврата, второй путь яа- ляется более радикальным.
Примером командоаппарата с язычковым МК является кнопка, схема конструкции которой дана на рис. 9.3. При отсутствии нажатия на клавишу 5 (Рис- 9.3, а) шток 10 находится в верхнем положении под действием пружины. 6.
Рис. 9.3. Схема конструкции кнопки с язычковым МК
На штоке 10 между пружинами 8 н // расположена подвижная втулка 9 с постоянным магнитом 4, который притянут к выступу ферромагнитной детали 3. экранирующей МК 2 от поля магнита. Управляемая электрическая цепь разомкнута.
При нажатии на клавишу 5 и соответствующем перемещении штока 10 вниз магнит 4 сначала остается неподвижным за счет электромагнитной силы притя-
1R6
жения к детали 3 (рис. 9.3, б). Пружина 8 сжимается, а пружина // разжимается. Когда фланец 7 штока 10 доходит до втулки 9 и нажимает на иее, магнит 4 отрывается от детали 3. Электромагнитная сила притяжения магнита к выступу детали 3 значительно уменьшается, и втулка 9 вместе с магнитом перебрасывается вниз (рис. 9.3, 8). Магнит притягивается к выступу ферромагнитной детали Л В этом положении магнита детали / н 3 являются полюсами, улучшающими подвод магнитного потока от магнита к МК 2; последний замыкается.
При снятии нажатия с клавиши 5 шток 10 под действием пружины 6 перемещается вверх (не показано на рис. 9.3). На некотором участке его движения магнит 4 остается притянутым к детали Л поэтому пружина 11 сжимается, а пружина 8 разжимается. При дальнейшем движении штока его нижний фланец /2 достигает втулки 9. Магнит 4 отрывается от детали / и пружиной 11 перебрасывается в верхнее положение (рис. 9.3, а).
В рассмотренной конструкции скорость перемещения магнита практически не является функцией от скорости перемещения клавиши, что обеспечивает независимость износостойкости МК от индивидуальных особенностей оператора, воздействующего на кнопку.
Управление плунжерными
и шариковыми магнитоуправляемыми контактами перемещением постоянных магнитов
В плунжерных (см. рис. 7.17) и шариковых (см. рис. 7.18) МК подвижный КС имеет чаще всего малые размеры и его можно рассматривать как《пробное тело», т. е. тело, не меняющее своим внесением магнитное состояние источника и меняющее поле последнего только в области своего расположения и в непосредственной близости. Тогда принимая поле источника равномерным в пределах пробного тела до внесения последнего в поле, электромагнитную силу, действующую на такое тело в направлении 2, можно рассчитать по формуле
P3Mz=m{dB]dz),(9.1)
где В ——модуль полного вектора магнитной индукции в месте расположения пробного тела до его внесения в поле; m ——магнитный момент тела, определяемый как
m = MV.(9.2)
В формуле (9.2) М, V — намагниченность и объем тела. В дальнейшем будем рассматривать магнитомягкое «пробное тело», пренебрегая его магнитным гистерезисом. Намагниченность находится из выражения
М^в^-Н^(9.3)
где Hi и Bi — соответственно напряженность и индукция поля внутри тела; цо — магнитная постоянная.
Для расчета поля внутри тела можно использовать выражение "尸"/[1+N3一1)],
где Н — напряженность в месте расположения тела до его внесения 187
в поле; N,卩г ——размагничивающий фактор и относительная магнитная проницаемость материала тела.
Учитывая
Н=B[+q и Нi=Вil(^r^^^(9.4>
при 卩「》1 получим
Bt 工 B[N・(9.5>
Используя (9.2) — (9.5), из (9.1) имеем
P^=VB[dB!dz)l^N).(9.6>
В случае использования ферромагнитного тела в виде шара с радиусом г (размагничивающий фактор для шара равен 1/3) имеем
P^=^B(dBldz)l^.(9.7)
ный магнит вдоль его продольной оси z (рис. 9.5). Такое распределение обеспечивается наличием двух особых точек поля (Л и 5), в
которых происходит ветвление сепаратрис и магнитная индукция равна нулю. При переходе через эти точки вектор магнитной ин
Как следует из выражения (9.7),
модуль или градиент модуля вектора
Рис. 9.4. Кривые распределения магнитной индукции, при которых возможна реализация скачкообразного перемещения магнитомягкого подвижного КС в шариковом МК
Рис. 9.5. Магнитное поле аксиально-намаг- ниченного кольцевого постоянного магпига (а) н управление им шариковым МК (6, в)
в точках пространства, г деиндукции равны нулю, электромагнитная сила тоже равна нулю, причем в точках с максимальным значением модуля вектора индукции имеет место устойчивое^ а в точках с минимальным (в том числе с нулевым) значением модуля вектора индукции —неустойчивое равновесие. Тело смещается в сторону увеличения индукции. Из этого следует, что для реализации скачкообразного перемещения подвижного КС в виде плунжера или шарика (т. е. для обеспечения релейного процесса коммутации) с помощью подвижных постоянных магнитов необходимо синтезировать на основе этих магнитов в пространстве распределение магнитной индукции, подобное показанным на рис. 9.4, а или б, и перемещать это распределение относительно подвижного КС. Распределение поля, как на рис. 9.4, а, имеет, например, аксиально-намагни- чепный кольцевой постоян-
дукции по оси 2 меняет направление. Управление, например, шариковым МК с помощью такого постоянного магнита осуществляется следующим образом. Если шарик на оси z расположен между точками Л и В, то на него действует электромагнитная сила вправо (см. рис. 9.5, а и на рис. 9.4, а тот же участок), прижимая его к правой паре неподвижных КС (рис. 9.6,6). Перемещение постоянного магнита вправо с переходом точки Л через шарик вызывает скачкообразное перемещение шарика влево до замыкания другой пары неподвижных КС (рис. 9.5,в).
Управление плунжерными и шариковыми МК может осуществляться и системой постоянных магнитов, причем последние часто выполняют функцию ^магнитной пружины^, основанной на реализации магнитной опоры. Примером такой системы служат два аксиально и встречно намагниченных кольцевых постоянных магнита (рис. 9.6). При значительном удалении А постоянных магнитов друг от друга (примерно более наружного диаметра) их магнит-
Рис. 9.6, Картины поля и кривые распределения индукции вдоль осей гну двух кольцевых постоянных магнитов, намагниченных встречно-аксиально:
НО6 ПОЛе В ПЛОСКОСТИ про- а — при Д = Д(; б — при Да<Д1； в — при Аз<А? дольной проекции характе
ризуется шестью особыми точками: пятью точками 4, Л7, Б, 5‘，В» расположенными на продольной оси z, и одной точкой ——в бесконечности (рис. 9.6,а). В каждой из этих точек наблюдается ветвление четырех сепаратрис, изображенных сплошными линиями.
188
189
Градиентные кривые, сходящиеся в этих точках, показаны штриховыми линиями. По мере сокращения расстояния между магнитами точки А и Af сближаются с точкой В и, наконец, сливаются с ней, образуя по характеру более сложную особую точку В', в которой происходит ветвление уже восьми сепаратрис (рис. 9.6,6). При дальнейшем сближении магнитов на поперечной оси у между ними появляются две особые точки: ^ и ^, (рис. 9.6,в). В этом случае, так же как и при положении магнитов, соответствующем рис. 9.6, а, имеется особая точка В, однако направление разветвляющихся в ней сепаратрис меняется на противоположное. Особые точ- кн К н К' являются следами кольцевой особой кривой, представляющей собой геометрическое место множества подобных особых точек. По мере перемещения магнитов относительно друг друга по оси 2 диаметр этой особой кривой (а соответственно и координаты особых точек К и К') меняются. Анализ кривых распределения индукции вдоль осей z и у, приведенных на рис. 9.6, а——в, показывает, что перемещением таких магнитов по оси z можно осуществлять переключение от одного до пяти плунжерных или шариковых МК, расположенных на оси z, или множества таких МК, расположенных радиально в вертикальной плоскости посередине между магнитами.
Рис. 9.7. Картина поля н кривые распределения индукции вдоль осей z н у двух кольцевых постоянных магнитов, имеющих «бочоночное» намагничивание в одном направленииРис. 9.7. Картина поля н кривые распределения индукции вдоль осей z н у двух кольцевых постоянных магнитов, имеющих «бочоночное» намагничивание в одном направлении
Рис. 9.7. Картина поля н кривые распределения индукции вдоль осей z н у двух кольцевых постоянных магнитов, имеющих «бочоночное» намагничивание в одном направлении
Рис. 9.7. Картина поля н кривые распределения индукции вдоль осей z н у двух кольцевых постоянных магнитов, имеющих «бочоночное» намагничивание в одном направлении
Кольцевые постоянные магниты намагничиваются не только аксиально. Существуют радиальный, диаметральный и «бочоночный» (встречно-азимутальный) способы их намагничивания. Поля таких постоянных магнитов, естественно, отличаются от полей,
изображенных на рис. 9.6. Так, поле системы из двух магнитов с «бочоночным» намагничиванием (рис. 9.7) характеризуется шестью особыми точками, две из которых (К и К') находятся вне магнитов в вертикальной плоскости между ними, а четыре других (А, Л\ 6, £)—в теле магнитов в плоскости сечения, где образованы полюса. Такая система по оси у образует распределение магнитной индукции, соответствующее рис. 9.4, а, а по оси z — соответствую- шее рис. 9.4, б.
Магнитные поля с перемещаюшимися в пространстве особыми точками для управления МК могут создаваться не только кольцевыми, но и другими видами постоянных магнитов, например двумя встречно намагниченными стержневыми магнитами, а также электромагнитами.
Ферриды
Как было показано в § 8.3, при определенном расположении постоянных магнитов относительно МК последние будут находиться в замкнутом состоянии после снятия сигнала с обмотки управления, т. е/будет реализовываться функция《память》. Однако длительность управляющего поля в таких аппаратах с МК не должна быть меньше десятых долей ——единиц миллисекунды. Необходимость уменьшения длительности управляющего поля до микросе- кундного диапазона, а также ряд схемных и других требований, предъявляемых к координатным соединителям автоматических телефонных станций (АТС) и к устройствам систем контроля, привели к созданию новых быстродействующих электромеханических коммутационных аппаратов——запоминающих магнитоуправляемых контактных устройств (ЗМКУ), или ферридов [43], сочетающих в себе свойства МК и элемента магнитной памяти (ЭМП). Второе название — ферриды более распространено. Оно появилось от слияния двух терминов: феррит и рид свич (транскрипция английского термина reed switch — язычковый выключатель), так как первоначально ЭМП выполнялись из магнитотвердых ферритов. В современных ферридах ЭМП изготавливают из среднекоэрцитивных ("с=2-?6 кА/м) металлических ферромагнетиков с более высокими, чем у ферритов, значениями остаточной индукции (£= = 1,6+1,8 Тл) и коэффициента прямоугольности петли гистерезиса, равного 0,85—0,9. Если ЭМП располагается вне баллона МК, то такое исполнение классифицируется как феррид с внешним ЭМП. Роль ЭМП могут играть контактные сердечники МК или их части. Такие конструкции классифицируются как ферриды с внутренним ЭМП. В отечественной литературе МК, контактные сердечники которых выполняют роль ЭМП, называются гезаконами (см. §7.1).
Простейшие ферриды. Схемы простейших ферридов с внешним и внутренним ЭМП приведены соответственно на рис. 9.8, а,氏 В первом случае (рис. 9.8, а) рядом с МК / расположен ЭМП 4 191
с полюсами 2 и 5. В схеме феррида с внутренним ЭМП (рис. 9.8, б) КС помимо обычных функций выполняют также функцию магнитной памяти. В обеих схемах магнитная память феррида создается и разрушается с помощью соответствующих импульсов тока, подаваемых в обмотку 3. Для срабатывания МК в обмотку подается импульс намагничивающего тока & (рис. 9.8, в). Контактные сер-
Рис. 9.8. Принципиальные схемы (а, б) и управляющие импульсы (8)простейших ферридов
дечники замыкаются и после снятия импульса тока остаются в замкнутом состоянии за счет остаточного магнитного потока ЭМП. Для возврата МК в обмотку подается импульс размагничивающего тока ip. Амплитуда и длительность размагничивающего импульса должны быть строго определенными, чтобы не произошло перемагничивание ЭМП в противоположном направлении и повторное (ложное) замыкание КС.
Параллельные и последовательные ферриды. Недостаток, присущий однообмоточным ферридам и заключающийся в требовании калибровки импульсов при возврате, может быть ликвидирован следующими способами [43]: 1) размагничиванием ЭМП переменным затухающим магнитным полем; 2) ортогональным перемагничиванием ЭМП; 3) взаимным шунтированием участков ЭМП; 4) встречным намагничиванием участков ЭМП.
Первый способ общеизвестен. Второй способ к настоящему времени не получил широкого распространения, поэтому мы проанализируем только два последних решения. Третий способ конструктивно реализуется в виде параллельного феррида, четвертый — в виде последовательного феррида.
Принцип действия простейшего параллельного феррида с внешним ЭМП иллюстрируется рис. 9.9, а. Элемент магнитной памяти в данном случае состоит из двух полуколец с размещенными на них 192
обмотками, в которые подаются импульсы тока. Принцип действия последовательного феррида с внешним ЭМП может быть легко понят на рис. 9.9, б. Примером последовательной конструкции является также феррид с внутренним ЭМП, имеющий две обмотки управления (рис. 9.10). Сплошные стрелки показывают направление МДС обмоток при срабатывании феррида, штриховые — при
возврате. Магиитомягкий шунт Ш (рис. 9.9,6 и 9.10) улучшает условия возврата последовательных фер- ридов [43].
Все рассмотренные ферриды имеют общую
Рис. 9.9. Принципиальные схемы параллельного (а) и последовательного (6) ферридовРис. 9.9. Принципиальные схемы параллельного (а) и последовательного (6) ферридовРис. 9.10. Двухобмоточный феррид с внутренним ЭМПРис. 9.10. Двухобмоточный феррид с внутренним ЭМПРис. 9.11. Параллельный феррид с аддитивным управлением. На ЭМП / стрелками показано: срабатывание： -----—возвратРис. 9.11. Параллельный феррид с аддитивным управлением. На ЭМП / стрелками показано: срабатывание： -----—возвратчерту — при их управлении требуется перемагничивание в противоположных направлениях преимущественно по полному циклу петли гистерезиса хотя бы одной из частей ЭМП. Более подробное описание различных параллельных и последова-
Рис. 9.9. Принципиальные схемы параллельного (а) и последовательного (6) ферридов
Рис. 9.9. Принципиальные схемы параллельного (а) и последовательного (6) ферридов
Рис. 9.10. Двухобмоточный феррид с внутренним ЭМП
Рис. 9.10. Двухобмоточный феррид с внутренним ЭМП
Рис. 9.11. Параллельный феррид с аддитивным управлением. На ЭМП / стрелками показано: срабатывание： -----—возврат
Рис. 9.11. Параллельный феррид с аддитивным управлением. На ЭМП / стрелками показано: срабатывание： -----—возврат
тельных ферридов, а также анализ ортогонального способа управления приведены в специальной литературе [43].
Способы управления ферридами в матричных системах АТС. Распространение получили три способа: аддитивный (суммирующий), дифференциальный и безгистерезисный.
Прн аддитивном управлении число витков, амплитуда и длительность импульса тока в каждой из обмоток (соответствующей колонке или ряду коммутационной матрицы) выбираются таким
образом, что срабатывание или возврат феррида происходит только при одновременном воздействии двух обмоток, перемагничивающих ЭМП в одинаковом направлении. Примером аддитивного управления является схема параллельного феррида (рис. 9.11), в котором на одной (перемагничиваемой) половине / ЭМП расположены обмотки двух цепей (х и у), а вторая представляет собой постоянный магнит 2. Для перемены состояния МК требуется изменить полярность импульсов.
Аддитивный способ относительно прост, однако имеет ряд недостатков [43]. Наиболее существенный из них ——необходимость достаточно точной стабилизации амплитуды импульсов тока.
При дифф еренциаль ном управлении каждая из цепей х или у (колонка или ряд) коммутационной матрицы в точке коммутации имеет две обмотки (рис. 9.12): основную с числом витков kw (где 尼＞1) и дополнительную с числом витков w.
Рис. 9.12. Параллельный феррид с дифференциальным управлениемРис. 9.12. Параллельный феррид с дифференциальным управлениемОсновные и дополнительные обмотки цепей хну размещаются на разных частях ЭМП. Дополнительная обмотка цепи х размещается на участке расположения основной обмотки цепи у, а до-
Рис. 9.12. Параллельный феррид с дифференциальным управлением
Рис. 9.12. Параллельный феррид с дифференциальным управлением
Рис. 9.13. Расположение дифференциальных обмоток на гезаконе
полнительная обмотка цепи у — на участке расположения основной обмотки цепи %. Дополнительная обмотка одной цепи включается встречно основной обмотке другой цепи, в чем и заключается принцип дифференциального управления. Число витков дополнительной обмотки и ток через нее должны быть такими, чтобы МДС, создаваемая этой обмоткой, не была меньше значения, необходимого для перемагничивания соответствующей части ЭМП по полной петле гистерезиса. При возбуждении обеих пар обмоток каждая из дифференциальных МД С [(尸幻——FQ =即工—/у)^] или [(尸/——尸％2)= (kly——Ix)w] также должна быть достаточной для перемагничивания ЭМП по полной петле гистерезиса.
Для срабатывания устройства (рис. 9.12) импульсы тока, равные по значению и совпадающие во времени, должны быть поданы 194
в обе цепи и иметь такую полярность, чтобы дифференциальные МДС создавали в двух частях ЭМП магнитные потоки, направленные встречно. Возврат происходит при подаче импульса в одну цепь. Для магнитного потока в этом случае создается последовательный магнитный контур по частям ЭМП, и МК размыкается.
Возврат феррида по схеме рис. 9.12 можно осуществить и подачей импульсов в обе цепи, но и в этом случае необходимо изменить полярность импульса в одной из них.
Дифференциальное управление можно реализовать и в последовательных ферридах, например в ферриде на гезаконе (рис. 9.13).
Второй описанный способ управления не требует стабилизации амплитуд импульсов тока в направлении их увеличения по сравнению с аддитивным способом, если изменения токов в цепях происходят одинаково и в одном и том же направлении. Это определяет возможность форсирования процесса перемагничивания. Выбор максимальных амплитуд импульсов при дифференциальном управлении ограничивается энергетическими соображениями, нагревом обмоток, а также электромагнитным влиянием ферридов друг на друга в матрице. По сравнению с аддитивным дифференциальный способ требует большей мощности управления.
При способе безгистерезисного намагничивания в одну из обмоток (например, цепь у) подается импульс постоянного тока, а во вторую (например, цепь х) —серия знакопеременных затухающих до нуля импульсов, причем начальная амплитуда последних должна быть достаточной для насыщения ферромагнетика. В нашем случае таким ферромагнетиком является ЭМП. Затухание знакопеременных импульсов осуществляется до прекращения импульса постоянного тока.
Рис. 9.14. Безгистерезисное управление ферридомРис. 9.14. Безгистерезисное управление ферридомРис. 9.15. Поворотный переключатель с ферридамиРис. 9.15. Поворотный переключатель с ферридами
Рис. 9.14. Безгистерезисное управление ферридом
Рис. 9.14. Безгистерезисное управление ферридом
Рис. 9.15. Поворотный переключатель с ферридами
Рис. 9.15. Поворотный переключатель с ферридами
На рис. 9.14 изображена безгистерезисная (/) и основная (2) кривые намагничивания. Значение напряженности магнитного поля ”2, при котором практически начинается намагничивание по основной кривой, значительно превышает значение напряженности поля
Яь при котором практически заканчивается намагничивание по безгистерезисиой кривой. Таким образом, если за номинальное значение импульса постоянного магнитного поля принять "ном (цепь у) и ограничить возможные изменения напряженности этого поля величинами /Л и H2f то срабатывание феррида не будет происходить при возбуждении только обмотки цепи у. Возврат осуществляется при размагничивании ЭМП за счет воздействия только знакопеременных затухающих импульсов.
В матрице феррид срабатывает при одновременном возбуждении обеих его цепей; ферриды, на которые действует только постоянное поле (цепь у), сохранят свое предшествующее состояние срабатывания или возврата, а ферриды, которые подвержены действию только переменного затухающего поля (цепь х), будут находиться в состоянии возврата.
Достоинством безгистерезисиого способа намагничивания является большая надежность возврата феррндов, так как их ЭМП размагничиваются.
Управление ферридами с помощью постоянных магнитов. В качестве примера рассмотрим поворотный переключатель (рис. 9.15), в котором параллельно МК /, расположенным по образующим цилиндра, установлены ЭМП 2, перемагничиваемые вращающимися постоянными магнитами 3 н 4. При прохождении магнита 3 мимо какого-либо из ЭМП 2 последний намагничивается и, имея на своих концах магнитные полюса разной полярности ("' и S')> замыкает расположенный рядом с ним МК /• При прохождении магнита 4 мимо какого-либо из ЭМП 2 последний перемагничивается и приобретает на своих концах магнитные полюса одинаковой полярности (N"), в результате соотвествующий МК размыкается.
Раздел четвертый
Первичные измерительные преобразователи
В различных системах автоматики, телемеханики и информационно-измерительной техники возникает необходимость преобразования одной физической величины в другую. Такие функции наряду с другими выполняют измерительные преобразователи.
Во всей совокупности измерительных преобразователей, используемых в общепромышленных устройствах, значительную часть составляют те из них, у которых входная величина связана с движением.
Измерительным преобразователем называется средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки или хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.
Первичным преобразователем называется измерительный преобразователь, к которому подведена измеряемая величина, т. е. первый в измерительной цепи.
Первичные преобразователи разделяют на параметрические (пассивные) и генераторные (активные). В первичных параметрических преобразователях (ППП) энергия выходного сигнала обеспечивается только за счет энергии входного сигнала и, следовательно, мощность выходного сигнала всегда меньше мощности входного сигнала. ППП могут обеспечить лишь увеличение интенсивности передаваемых сигналов. В первичных генераторных преобразователях (ПГП) может быть дополнительный источник энергии. При этом входной сигнал лишь управляет передачей энергии источника.
ППП обычно преобразуют неэлектрические входные величины (перемещение, скорость, давление) в параметры электрических цепей (сопротивление R, индуктивность 工，емкость С, взаимную индуктивность М) и затем в напряжение, ток или частоту. В соответствии с видом переменного параметра их подразделяют на резисторные, индуктивные, емкостные, трансформаторные. Для таких элементов необходимы электрические источники питания. ПГП преобразуют неэлектрические величины (скорость, температуру, силу) непосредственно в электрическую величину: напряжение или ток. К ПГП относятся индукционные, пьезоэлектрические, термоэлектрические и преобразователи на основе эффекта Холла.
В настоящее время термин «измерительный преобразователь» применяется достаточно широко. В данной книге рассматриваются измерительные преобразователи, выполненные на основе определенного физического принципа: индуктивные, емкостные, трансформаторные, пьезоэлектрические и др.
Совокупность измерительных преобразователей, объединенных в один конструктивный узел, выносимый на объект измерения, называется датчиком.
ГЛАВА 10. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ
ПЕРВИЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Объект измерения характеризуется множеством физических величин, каждая из которых может быть измерена в отдельности, но в реальных условиях действующих сов* местно. Первичный преобразователь (ПП) позволяет получить информацию обычно об одной измеряемой величине. Свойства ПП определяются их характеристиками.
Статические характеристики и параметры первичных преобразователей
Функционная связь между измеряемой х и выходной у величинами, выраженная для установившегося режима, называется статической характеристикой y=f(x). В литературных источниках кроме термина статическая характеристика употребляется термин характеристика управления.
Статические характеристики реальных ПП в основном нелинейные. Нелинейность характеристик обусловлена физическими свойствами ПП: наличием в них насыщения, зоны нечувствительности, неоднородности магнитного поля и т. п. Статическая характеристика (рис. 10.1) ограничивается нижними “mm, t/min) и верхними (力max, Утах) предельными значениями входной и выходной величин. По статической характеристике могут быть определены еле* 198
дующие параметры ПП: чувствительность, коэффициент преобразования, нелинейность, остаточный сигнал, порог чувствительности,
ширина петли неоднозначности.
Чувствительностью первичного преобразователя называется предел отношения приращений выходной и измеряемой величин.
Для нелинейной статической характеристики чувствительность является функцией измеряемой величины. При линейной статической характеристике чувствительность имеет постоянное значение.
Отношение значения выходной величины к соответствующему значению входной величины называется коэффициентом преобра
Рис. 10.1. Непрерывная характеристика управленияРис. 10.1. Непрерывная характеристика управлениязования К=д/第 У ПП с линейной статической характеристикой чувствительность и коэффициент преобразования равны. Если величины х и ^ имеют размерность, то чувствительность и коэффициент преобразования будут также иметь размерность.
Рис. 10.1. Непрерывная характеристика управления
Рис. 10.1. Непрерывная характеристика управления
Нелинейные статические характеристики ряда ПП можно с некоторым приближением заменить линейными. Погрешность от
такой замены оценивается степенью нелинейности. Степенью нелинейности рассматриваемого
участка статической характерис
тики называется отношение максимального отклонения по ординатам характеристики от аппроксимирующей ее на этом участке прямой ко всему диапазону изменения ординаты на этом же участке. Степень нелинейности определяют, используя метод наименьших квадратов. При этом находится вспомогательная функция
У = j[/ (X)—々х]2 dx,
о
где /(х)——исследуемая функция; k ——коэффициент, равный тангенсу угла наклона аппроксимирующей прямой, значение коэффициента 例 соответствующего наименьшей квадратичной погрешности линеаризации, находится из решения уравнения dY/d^=O.
Статические характеристики ПП могут проходить или не проходить через начало координат. Если теоретически полученная характеристика проходит через начало координат, то практически при нулевой входной величине выходная величина у。 (рис. 10.1) нс равна нулю. Значение выходной величины ПП, соответствующее входной величине, равной нулю, называется остаточным сигналом. Остаточный сигнал отрицательно влияет на точность измерительного устройства, так как при этом в зоне малых значений х чувствительность ПП резко падает.
Порогом чувствительности называется минимальное значение входной величины, которая вызывает изменение выходной величины. Появление порога чувствительности вызывается как внешни
ми, так и внутренними факторами (трение, люфты, гистерезис, внутренние шумы).
Динамические характеристики первичных преобразователей
Динамическими характеристиками ПП называются такие свойства, которые сказываются только при нз・ менении измеряемой величины во времени. Обычно динамические характеристики рассматриваются как причина динамических погрешностей, однако иногда они используются в полезных целях: сглаживания, фильтрации, усреднения и т. д.
Большинство ПП можно отнести к линейным средствам измерений непрерывного действия. В таких ПП связь выходной величины y(t) с входной х(/) выражается дифференциальным уравнением (10.1) > в котором символ дифференцирования p=d/dt:
(%"” + ап-""-' + • • • + 1) 9 = К (%7 + %т"т-1 + ... + 1)%
(Ю.1)
где К — статическая чувствительность (коэффициент преобразования), т. е. чувствительность к входной величине, не изменяющейся во времени.
При медленно меняющихся входных величинах уравнение (ЮЛ) может быть представлено в виде у 6 = К% ⑴.Например, таким уравнением определяется связь между входной и выходной величинами трансформаторного ПП при перемещении подвижной части с малой скоростью. При значительных скоростях кроме трансформаторной ЭДС появляется генераторная ЭДС, зависящая от скорости подвижной части ПП. В этом случае зависимость y(f) следует определять из уравнения (ЮЛ).
На практике решение уравнения (10.1) находится при определенных типовых воздействиях x(f) и начальных условиях у(0)・ Применяют следующие виды типовых воздействий:
Единичное ступенчатое воздействие, которое мгновенно возрастает от нуля до единицы и далее остается неизменным.
Это воздействие математически выражается единичной ступенчатой функцией 1 (/):
!(/)= ( 0 11PH У。；
[1 при f》0.
Воздействие, описываемое единичной импульсной функцией 6(0- Функция 6(f) представляет собой импульс бесконечно боль- 200
шой амплитуды и бесконечно малой длительности, площадь которого равна 1:
8(0=( Опрн//о； +『6(/)d；=i. [оо при f=0;
Единичная импульсная функция может быть также представлена как скорость изменения во времени единичной функции:
o(O=dl(/)/dt
Воздействие, описываемое гармонической функцией
X = X„,Sin W + 也(叫，
где Xm — амплитуда входного сигнала; (о — угловая частота; ф] (со)——начальная фаза.
Реакция ПП на входную величину, имеющую вид единичной ступенчатой функции 1 (f), называется переходной характеристикой 力(f) (рис. 10.2). Чем быстрее приближается переходная характеристика h(t) к установившемуся значению, тем меньше инерциоииость ПП. Если переходная характеристика хорошо аппроксимируется экспонентой 頁(f) = l——ь〃* то инерционность ПП можно характеризовать постоянной времени т. Зиая постоянную времени, можно
Рис. 10.2. Переходная харак- Рнс. 10.3. Амплнтудно-фазовая характеристика тернстнка преобразователяРис. 10.2. Переходная харак- Рнс. 10.3. Амплнтудно-фазовая характеристика тернстнка преобразователя
Рис. 10.2. Переходная харак- Рнс. 10.3. Амплнтудно-фазовая характеристика тернстнка преобразователя
Рис. 10.2. Переходная харак- Рнс. 10.3. Амплнтудно-фазовая характеристика тернстнка преобразователя
определить время, необходимое для приближения переходного процесса к установившемуся значению с любой заданной точностью. Отметим, что если ПП характеризуется постоянной времени, то это указывает на то, что его рассматривают как апериодическое звено.
Реакция ПП н а воздействие един и ч но й импульсной функции 6(f) называется импульсной характеристикой. Переходная и импульсная характеристики связаны между собой. Импульсная характеристика равна производной от переходной характеристики W(t)=dh(t)/dt, Чем быстрее затухает импульсная характеристика, тем меньше инерционность ПП. Воздействие в ви-
201
де короткого импульса единичной площади характерно для ПП, предназначенных для измерения ударных ускорений.
Реакция ПП на гармоническое воздействие. Если на вход ПП подать гармоническое воздействие х=Хт sin[(o/4- + q)i (s)L то в установившемся режиме выходная величина будет изменяться по гармоническому закону с той же частотой, которую имеет входная величина, но с другими амплитудой н фазой：
y^=Ymsin 回+?23)1，
Амплитуда и фаза выходного сигнала зависят от частоты возмущающего воздействия. По их изменениям в зависимости от частоты можно судить о динамических свойствах ПП. Как правило, вследствие инерционности выходной сигнал отстает по фазе от входного тем больше, чем выше частота воздействия. Это отставание приводит к убыванию амплитуды, так как выходной сигнал еще не успевает возрасти, когда входной уже начинает уменьшаться. Поэтому отношение К((о) = Ym/Xm всегда затухает с ростом частоты со.
При разных значениях s отношение амплитуд K(s) выходного У« и входного Хт колебаний, а также разность фаз <р((о) = = q)2 ((о)——ф1 (со) имеют разные значения. Связь между параметрами входного и выходного колебания при разных частотах описывается амплитудно-фазовой частотной функцией или комплексным коэффициентом передачи:
К "&)=К (ш) ММ) = А (⑺ + JB (<о), (10.2) где Л (ш) и В(0)) ——соответственно вещественная и мнимая частотные функции.
Прн графическом построении функции К (j(o) в комплексной плоскости в зависимости от изменения(о (например, от 0 до сю) конец вектора K(js) описывает на комплексной плоскости некоторую кривую (годограф), являющуюся амплитудно-фазовой характеристикой. На рис. 10.3 приведен один из видов характеристики K(js). Вектор, проведенный из начала координат в какую-либо точку характеристики, определяет амплитуду и фазу, комплексного коэффициента передачи при соответствующей частоте, например К®1) И ф(й)1).
Амплитудно-фазовая характеристика объединяет амплитудно- частотную и фазочастотную характеристики.
Функция К(ы) = I /<(/(о) I является амплитудно-частотной характеристикой ПП. В соответствии с (10.2)
К (з) = /А2 (з) -[-^(ш).
Амплитудно-частотная характеристика показывает изменение отношения амплитуд выходного и входного сигналов в зависимости от частоты входных гармонических колебаний.
202
Функция 屮(со), представляющая собой разность фаз выходного и входного колебаний, является фазочастотной' характеристикой:
у 3)=arctg В (⑴)/4 (⑴).
Графическое построение функций К (со) и <р((о) удобно выполнять в виде логарифмических частотных характеристик. Если прологарифмировать выражение (10.2), то получим зависимость
1nК (Ja))=ln/((出)+ /屮3), состоящую из вещественной и мнимой частей, каждую из которых можно представить в виде функции логарифма частоты. Вместо 1п К((о) обычно рассматривают функцию L (со) =201g К (со), графическое изображение которой в логарифмическом масштабе частот называется логарифмической амплитудно-частотной характеристикой. Функция ф((о), построенная в логарифмическом масштабе частот, называется логарифмической фазочастотной характеристикой.
При воздействии на ПП сигнала произвольной формы его можно разложить с помощью ряда Фурье на простые гармонические составляющие и получить результат общего воздействия как сумму воздействий от отдельных составляющих.
Выявление динамических свойств преобразователей облегчается в случае представления их типовыми звеньями, которое основано на идентичности линейных дифференциальных уравнений, описывающих процессы в различных элементах. Типовое звено обладает направленным (детектирующим) свойством, т. е. пропускает управляющее воздействие только в одном направлении: от входа к выходу. Дифференциальные уравнения типовых линейных звеньев можно составлять независимо от других звеньев, поскольку при однонаправленности действия подключение последующего звена не оказывает обратного действия на предыдущее звено.
Для подавляющего большинства систем автоматического регулирования и управления различают следующие основные типовые звенья: апериодическое, колебательное, интегрирующее, дифференцирующее, усилительное и звено с запаздыванием. Следует отметить, что один и тот же элемент или комбинация из нескольких элементов может относиться к различным типовым звеньям в зависимости от того, какие физические величины приняты за входной и выходной сигналы.
Погрешности первичных преобразователей
Качество передачи информации ПП принято характеризовать не их точностью, а размером допущенных погрешностей. Погрешности ПП классифицируются на разновидности по целому ряду признаков.
Методические н инструментальные погрешности. Методические погрешности определяют приближенный характер метода измере-
203
ний. Например, прямо пропорциональной зависимостью y=kx можно считать лишь при постоянном значении k. Если же коэффициент k даже незначительно изменяется при воздействии каких-либо факторов, то зависимость y=kx можно считать линейной с некоторой погрешностью.
Инструментальные погрешности образуются из-за недостаточной точности изготовления деталей и сборки ПП. Величина инструментальных погрешностей зависит от класса точности изготовления, наличия трения и люфтов в опорах и от других причин. Инструментальные погрешности иногда называют технологическими.
Основная н дополнительная погрешности. Как правило, ПП работают в сложных, изменяющихся во времени условиях, поэтому выходной сигнал ПП зависит не только от входной величины, но и от ряда эксплуатационных факторов (температуры, атмосферного давления, вибраций, напряжения питания и др.). При аттестации ПП создаются условия, обеспечивающие изменение влияющих величин в узких пределах. Такие оговоренные в технической документации условия называются нормальными. Суммарная результирующая погрешность, возникающая в нормальных условиях, называется основной погрешностью.
Погрешности, образующиеся при отклонении условий эксплуатации от нормальных, называются дополнительными.
Систематические, прогрессирующие и случайные погрешности. Систематическими называются погрешности, неизменяющиеся с течением времени. Систематические погрешности могут иметь постоянное значение или быть функциями некоторых величин (напряжения, температуры и т. п.), не изменяющихся во времени. Примером постоянной систематической погрешности является неточная установка начального (нулевого) положения подвижной части ПП относительно неподвижной.
Эта погрешность устраняется при повторной аттестации ПП. Примером второго вида систематических погрешностей служит большинство дополнительных погрешностей. Они могут быть скомпенсированы введением соответствующих конструктивных или схемных элементов.
Лрогрессирующими называются погрешности, медленно изменяющиеся с течением времени. Эти погрешности, как правило, вызываются процессами старения деталей аппаратов (старение резисторов, конденсаторов, постоянных магнитов, деформация механических деталей и т. п.). Прогрессирующие погрешности могут быть скомпенсированы лишь в данный момент времени, а далее они вновь монотонно возрастают.
Случайными называются погрешности, не определенные по своей величине и не имеющие закономерного появления. Случайные погрешности обусловливаются стационарным случайным процессом, поэтому эти погрешности характеризуют законом распределения нх вероятностей.
Рнс. 10.4. Характеристики измерительных преобразователейРнс. 10.4. Характеристики измерительных преобразователейАбсолютная, относительная и приведенная погрешности. Абсолютной погрешностью называется разность между полученным значением выходной величины yf и расчетным (номинальным) ее значением у (рис. 10.4): Ау=у‘—у. Абсолютная погрешность не служит мерой точности. Точность преобразования характеризуется относительной погрешностью.
Рнс. 10.4. Характеристики измерительных преобразователей
Рнс. 10.4. Характеристики измерительных преобразователей
Относительной погрешностью 丫。называется отношение абсолютной погрешно- ности Ау к расчетному значению выходной величины у. Обычно относительная погрешность выражается в процентах: уо = Ау・ 100/у. Текущее значение относительной погрешности не остается постоянным, а растет с уменьшением х и при jtfO оно стремится к бесконечности. Вследствие этого вводится понятие приведенной погрешности.
Приведенной погрешностью уп называется отношение абсолютной погрешности к наибольшему значению выходной величины. Приведенная погрешность выражается в процентах: уп=Ау・ 100/ут・
ГЛАВА 11. ПЕРВИЧНЫЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Применяемые в технике ППП построены на основе различных принципов действия. Широкое применение в настоящее время нашли резисторные, емкостные, индуктивные и трансформаторные ППП.
В зависимости от вида входной величины резисторные ППП делят на потенциометрические, тензорезисторы, терморезисторы и магниторезисторы. Входной величиной емкостных ППП является перемещение, уровень неэлектропроводной жидкости и диэлектрическая проницаемость среды между пластинами конденсатора. Индуктивные ППП можно разделить на ППП с изменяющимся сопротивлением немагнитного зазора и с изменяющейся магнитной проницаемостью магнитопровода. Прн этом сопротивление немагнитного зазора может изменяться или за счет перемещения ферромагнитной детали, или при перемещении в зазоре короткозамкнутого витка (КЗВ). В трансформаторных ППП меняется магнитная связь (взаимоиндуктивность) между первичной и вторичной обмотками или при перемещении подвижной части преобразователя, или при изменении под действием силы магнитной проницаемости магнито- провода. Последние называются магнитоупругими преобразователями.
Подвижными элементами трансформаторного ППП могут быть ферромагнитная деталь, КЗВ или обмотка.
§ 11.1 Резисторные преобразователи
Резисторные преобразователи предназна
чены для измерения перемещения и сил.
Принцип действия резисторных преобразователей основан на изменении электрического сопротивления при изменении длины I, сечения S или удельного сопротивления р резистора, так как в общем случае R = p〃S.
В потенциометрических преобразователях изменение сопротивления происходит за счет изменения длины проводника, в тензоре- зисторах меняются три величины /, S н р, а в терморезисторах и
магниторезисторах меняется удельное сопротивление р при изменении соответственно температуры или магнитного поля.
Потенциометрические преобразователи предназначены для измерения угловых или линейных перемещений. Они представляют собой переменный резистор, подвижный контакт которого перемещается. Величина сопротивления переменного резистора зависит от положения подвижного токосъемного контакта. Потенциометрические преобразователи служат для преобразования механических перемещений в соответствующие изменения напряжения или тока.
Широкое применение получили проволочные потенциометрические преобразователи непрерывной иамотки. Такой преобразователь состоит из каркаса, обмотки и подвижного токосъемного контакта обычно в виде щетки, скользящей по виткам провода, очищенного в месте контактирования от изоляции. Каркас выполня
Рис. 11.1. Кольцевой потенциометриче ский преобразовательРис. 11.1. Кольцевой потенциометриче ский преобразовательРис. 11.2. Принципиальная схема потенциометрического преобразователяРис. 11.2. Принципиальная схема потенциометрического преобразователяется из изоляционного материала или металла, покрытого слоем изоляции. По форме каркасы изготавливают плоскими, цилиндрическими или кольцевыми. Для обмоточного провода ис-
Рис. 11.1. Кольцевой потенциометриче ский преобразователь
Рис. 11.1. Кольцевой потенциометриче ский преобразователь
Рис. 11.2. Принципиальная схема потенциометрического преобразователя
Рис. 11.2. Принципиальная схема потенциометрического преобразователя
пользуются сплавы с высоким удельным сопротивлением: манганин, константан, нихром. Если требуется повышенная износостойкость или контактные давления щетки по техническим условиям невелики, то применяют сплавы из благородных металлов: платины с иридием, платины с паладием и др. Намотку провода на каркас производят с некоторым механическим натяжением, зависящим от материала и диаметра провода.
Выходная характеристика потенциометрического преобразователя может быть линейной или нелинейной. При воспроизведении заданной нелинейной функции сопротивление потенциометра, работающего без нагрузки, должно изменяться по соответствующему нелинейному закону. Это достигается различными способами: изготовлением неоднородной намотки, намоткой на фигурный кар
кас и т. п.
На рис. 11.1 изображен кольцевой потенциометрический преобразователь. На каркасе /, выполненном из изоляционного материала, размещена обмотка 7. По очищенной от изоляции гладкой кромке провода перемещается контакт 6 щетки 4, приводимой во вращение осью 5. Питающее напряжение U подается на зажимы потенциометра, к которым подсоединены концы обмотки, а выход
ное напряжение снимается между одним из этих зажимов и контактом 3, соединенным с токосъемным кольцом. 2. При равномерной иамотке в режиме без нагрузки выходное напряжение преоб
разователя пропорционально углу поворота щетки.
Принципиальная схема преобразователя приведена на рис. 11.2.
Рис. 11.3. Характеристики управления потенциометрического преобразовате-Рис. 11.3. Характеристики управления потенциометрического преобразовате-К зажимам Я и К ненагруженно- го потенциометра прикладывается постоянное или переменное напряжение U. При этом сопротивление потенциометра между зажимом Я и щеткой Щ изменяется по закону
Рис. 11.3. Характеристики управления потенциометрического преобразовате-
Рис. 11.3. Характеристики управления потенциометрического преобразовате-
Rx=Rxh
где Rx — сопротивление участка •X； I — длина потенциометра; R — полное сопротивление потенциометра.
снимается с части потенциометра ляRx и зависит от перемещениящетки. Таким образом осуществляется преобразование механичеснимается с части потенциометра ляRx и зависит от перемещениящетки. Таким образом осуществляется преобразование механичеВыходное напряжение {/Вых
снимается с части потенциометра ля
Rx и зависит от перемещения
щетки. Таким образом осуществляется преобразование механиче
снимается с части потенциометра ля
Rx и зависит от перемещения
щетки. Таким образом осуществляется преобразование механиче
ского перемещения в электрическое напряжение.
При смещении щетки вправо от точки Н на величину х выходное напряжение преобразователя в режиме холостого хода
U хх=URjclR=Ux)L(11.1)
Характеристика управления в этом режиме линейная (рис. 11.3). В нагрузочном режиме характеристика управления становится не-
(11.2)(11.2)линейной. Выходное напряжение преобразователя
(11.2)
(11.2)
4hx=/hRh，
где /н ——ток, протекающий через нагрузочное сопротивление.
В соответствии с теоремой об эквивалентном генераторе в случае чисто активной нагрузки
/н = и»/(&+&кв)・(11.3)
Здесь R?kb — эквивалентное сопротивление схемы (сопротивление между точками Н и Щ со стороны нагрузки при закороченном источнике питания)；
Подставляя (11.1) и (11.3) в (11.2), находим выходное напряжение в нагрузочном режиме
=urrkrRn 4-ад 一 咫)・
При х—0 имеем & = 0; Ubhx = 0； при х=/ имеем RX=R； Ubhx = U.
Чем меньше Rh, тем больше нелинейность характеристики управления. Для уменьшения влияния нагрузки выбирают нагрузочное сопротивление в соотношении Rh= (10+100)R.
Характеристика управления реальных потенциометрических пре~ образователей имеет ступенчатый характер, так как перемещение
Рис. 11.4. Схема (а) и характеристика управления (б) реверсивного потенциометрического преобразователяРис. 11.4. Схема (а) и характеристика управления (б) реверсивного потенциометрического преобразователящетки с одного витка провода на другой вызывает скачкообразное изменение выходного напряжения. Ошибка, вызываемая ступенчатостью характеристики,составляет
Рис. 11.4. Схема (а) и характеристика управления (б) реверсивного потенциометрического преобразователя
Рис. 11.4. Схема (а) и характеристика управления (б) реверсивного потенциометрического преобразователя
А〃=〃/(2 図)，
где w ——полное число витков потенциометра. Для уменьшения ошибки ступенчатости увеличивают число витков, уменьшая ври этом диаметр провода. Однако с увеличением числа витков резко растет сопротивление потен
циометра, что приводит к увеличению нелинейности характеристи
ки управления.
Рассмотренный преобразователь позволяет измерить перемещение только одного знака. На рис. 11.4, а показана схема реверсивного потенциометрического преобразователя. Такой преобразователь имеет отвод от средней точки обмотки, от которой происходит
отсчет перемещения щетки. При изменении направления перемещения щетки от средней точки обмотки происходит изменение знака выходного напряжения. На рис. 11.4 положительным считается t/вых, измеренное от щетки к центру потенциометра. Если щетка Щ находится выше центра, то 〃вых>6, если ниже центра, то ^/Вых<0- Характеристика управления преобразователя в режиме холостого хода (Zh=8)приведена на рис. 11.4, б. В этом режиме характеристика линейная. Знак выходного напряжения зависит от координаты х.
Динамические характеристики потенциометрических преобразователей зависят от рода нагрузки. Если нагрузкой является активное сопротивление, то преобразователь представляет собой безынерционное звено.
Достоинствами потенциометрических преобразователей являются малые масса и габариты, сравнительная простота конструкции, возможность питания от источников как постоянного, так и переменного тока. Основной недостаток ——наличие скользящего контакта, который обусловливает низкую надежность преобразователя. Недостатком является также сильное влияние нагрузки на линейность характеристики управления.
Тензорезисторы предназначены для измерения деформаций, возникающих под действием внешних сил.
Принцип действия тензорезистора основан на явлении тензоэф- фекта, заключающегося в изменении активного сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов под воздействием приложенных к ним механических напряжений. При наличии внешней силы происходит деформация проводника как в направлении действия силы, так и в перпендикулярном направлении. Деформация в направлении действия силы в области упругих деформаций происходит в соответствии с законом Гука
& = А〃/= о/Е,
где 6/ ——относительная продольная деформация; и — механическое напряжение в проводнике; / — длина проводника； А/ — изменение длины в результате деформации; Е ——модуль упругости.
Относительная поперечная деформация бп проводника прямо пропорциональна относительной продольной деформации, но имеет противоположный знак：
4=—步也，(114)
где ц — коэффициент Пуассона.
Активное сопротивление проводника при неизменной температуре
R=p〃S,
где р—удельное сопротивление материала; S — площадь попереч
ного сечения.
Изменение сопротивления проводника под действием упругой деформации
AR=~^- A/ + ~^-AS-|--— Ар=р —р— AS-j— Др.
Относительное изменение сопротивления
%r=bRIR = А〃/ — AS/S + Др/р.
Площадь поперечного сечения проводника пропорциональна квадрату его поперечного размера b (для круглого или квадратного сечения), поэтому
场=А〃/ — 2Ab/^ + Ap/p,
где Ab/b = 6n ——относительная поперечная деформация проводника.
С учетом (11.4) получим
“=А + 2|«^ + Ар/р.
Тензоэффект различных материалов характеризуется коэффициентом тензочувствительности
月7=6k/& = 1 + 2|i+/и,
где w== Др/(б/р) учитывает изменение удельного сопротивления материала проводника.
Коэффициент Пуассона 卩 для различных металлов имеет значения 0,24—0,4. С учетом изменения удельного сопротивления коэффициент тензочувствительности для металлов, применяемых в тензорезисторах, близок к двум.
Характеристика управления проволочных тензорезисторов определяется выражением
\R=hr雁卜
Для увеличения чувствительности тензорезисторов выбирают материалы с высоким коэффициентом тензочувствительности, большим удельным сопротивлением и малым поперечным сечением. Наибольшее применение в тензорезисторах нашел константан. Он имеет незначительный температурный коэффициент сопротивления, что уменьшает погрешность, вызванную колебаниями температуры. В тензорезисторах, изготовленных из константана, в широком диапазоне сохраняется линейная зависимость между относительной деформацией и изменением сопротивления. Для работы при повышенных температурах рекомендуется изготовлять тен- зорезисторы из нихрома.
Проводниковые тензорезисторы разделяют на проволочные и фольговые. Проволочный тензорезистор (рис. 11.5, а) представляет собой тонкую тензочувствительную проволоку, уложенную зигзагообразно между двумя электроизоляционными подложками. К концам проволоки подсоединяются выводы. Для изготовления тензорезисторов применяют проволоку диаметром 0,01—0,05 мм. Элек- 210*
троизоляционные подложки выполняют из листов тонкой пленки», скрепляемых между собой клеем или лаком. Проволочные тензо- резисторы выполняются с сопротивлением 10—1000 Ом и имеют размеры 2—100 мм.
Фольговые тензорезисторы (рис. 11.5,6) аналогичны проволочным. Они изготавливаются из фольги толщиной 0,004—0,012 мм. Фотохимический способ позволяет создать любой рисунок тензоре-
зистора, что является существенным преимуществом фольговых тензорезисторов. Фольго
Рис. 11.5. Схемы тензорезисторов проволочного (а) и фольгового (6):/ — ось деформации； 2 — клей; 3 — бумага (пленка); 4 — выводыРис. 11.5. Схемы тензорезисторов проволочного (а) и фольгового (6):/ — ось деформации； 2 — клей; 3 — бумага (пленка); 4 — выводывые тензорезисторы имеют большую площадь охлаждения, поэтому могут пропускать больший ток, чем проволочные. Максимальная сила тока проводниковых тензорезисторов достигает нескольких десятков миллиампер.
Рис. 11.5. Схемы тензорезисторов проволочного (а) и фольгового (6):
/ — ось деформации； 2 — клей; 3 — бумага (пленка); 4 — выводы
Рис. 11.5. Схемы тензорезисторов проволочного (а) и фольгового (6):
/ — ось деформации； 2 — клей; 3 — бумага (пленка); 4 — выводы
Для измерения дефор
мации тензорезистор наклеивается на поверхность контролируемой части механизма таким
образом, чтобы его про
дольная ось совпадала с направлением измеряемой деформации. Приклеивание тензорезисторов приводит к тому, что тензорезистор- ные преобразователи являются преобразователями разового действия. Обычно градуируют тензорезисторы из одной партии, приклеивая их на специальную тарировочную балку, а другим теизо- резисторам той же партии присваивают усредненные характеристики, полученные на нескольких образцах.
В настоящее время находят также применение тензорезисторы^ изготовленные из полупроводниковых материалов. Основными достоинствами полупроводниковых тензорезисторов являются малые размеры, высокий коэффициент тензочувствительности, высокий уровень выходного сигнала. Однако разброс параметров в одной партии полупроводниковых тензорезисторов достигает 20%.
Терморезисторы предназначены для измерения температуры деталей машин, приборов и механизмов.
Принцип действия терморезисторов основан на изменении электрического сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов при изменении их температуры. В терморезисторах используются материалы, обладающие большим и стабильным те№ пературным коэффициентом сопротивления и линейной зависимостью сопротивления от температуры.
Приборы для измерения температуры, в которых в качестве чувствительных элементов используются терморезисторы, называются термометрами сопротивления. В промышленных термометрах
сопротивления нашли применение проводниковые терморезисторы, которые изготовляются из химически чистых платины, меди, никеля и железа. Наиболее широко применяются платина и медь.
Зависимость сопротивления от температуры для металлов с некоторым приближением имеет вид
女=旦(1 +q8),
где R。一 сопротивление проводника при температуре 0℃; 0 — превышение температуры проводника относительно 0℃; а — температурный коэффициент, зависящий от свойств проводника.
Терморезисторы из медного проводника могут работать при температурах —50-；--1-180℃. Для изготовления терморезисторов из проводниковых материалов наиболее пригодны металлы: платина, медь, никель. С целью повышения чувствительности следует применять металлы с большим температурным коэффициентом сопротивления.
Конструктивно терморезистор представляет собой бифилярную обмотку из тонкой проволоки, размещенную на изоляционном каркасе, что и составляет чувствительный элемент, который вставляется в специальный чехол с выводами.
Характеристики управления проволочных медных терморезисторов практически линейны во всем рабочем диапазоне, а характеристики платиновых терморезисторов обладают заметной нелинейностью, особенно при большом температурном диапазоне. Влияние нелинейности характеристики учитывается с помощью градуировочных кривых.
Чувствительность проволочных медных терморезисторов
S=dR/dQ=RqU・
На точность работы терморезисторов влияют изменения свойств материала со временем, нестабильность сопротивления токоподводящих проводов, дополнительный нагрев терморезисторов при прохождении по ним тока. Погрешность измерений у терморезисторов составляет 0,5—1 %.
Терморезисторы, изготовленные из полупроводниковых материалов, называются термисторами. В качестве материала для термисторов используют окислы металлов — марганца, меди, железа, никеля, кобальта и других, которые спекают при высокой температуре. Образующиеся оксиды, карбиды, сульфиды металлов обладают отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, что характерно для полупроводников.
Сопротивление термистора уменьшается с повышением температуры по экспоненциальному закону:
0—a8+*一…),
где R。一сопротивление термистора при температуре 0℃; а — температурный коэффициент сопротивления термистора; обычно а =
=(0,03+0,06) град-1; 0 — превышение температуры термистора относительно температуры 0℃.
Характеристики термистора нелинейны. Основными из них являются зависимость сопротивления термистора от температуры и вольт-амперные характеристики (рис. 11.6,а,б).
с металлическими выводами, для за-с металлическими выводами, для за-Конструктивно термисторы представляют собой тело дисковой, шаровой или других форм~
с металлическими выводами, для за-
с металлическими выводами, для за-
Рнс. 11.6. Характеристики термистора температурная (а), вольт-амперная (6)Рнс. 11.6. Характеристики термистора температурная (а), вольт-амперная (6)щиты от влаги рабочее тело покрывают слоем лака или стекла, а иногда его помещают в герметически закрытый стеклянный баллон или металлический корпус. Чувствительность термисторов в 5—30 раз больше, чем чувствительность терморезисторов, однако линейность характеристик обусловливает использование термисторов в узком температурном диапазоне.
Рнс. 11.6. Характеристики термистора температурная (а), вольт-амперная (6)
Рнс. 11.6. Характеристики термистора температурная (а), вольт-амперная (6)
Термисторы находят также применение для ограничения пускового тока электродвигателей, бареттеров и мощных ламп накаливания. В момент пуска сопротивление термистора велико, а затем оно падает при нагревании термистора.
Магниторезисторы предназначены для измерения индукции магнитного поля.
Под названием эффект магнитосопротивления (или эффект Гаусса) подразумевают наличие зависимости удельного сопротивления полупроводника от магнитного поля. Первое упоминание о практическом использовании явления Гаусса относится к 1887 г., когда Ледюк предложил использовать это явление для измерения магнитной индукции [47]. В последние годы явление магнитосопротивления стало привлекать к себе повышенное внимание. Новые материалы, такие, как арсенид индия и антимонид индия (InAs и InSb), позволили значительно расширить диапазон применения магниторезисторов. Это объясняется тем, что магниторезистор представляет собой резистор, активное сопротивление которого легко управляется сигналом, гальванически не связанным с этим резистором.
Большинство, магниторезисторов имеет начальное сопротивление порядка 0,1——0,2 Ом, однако имеются магниторезисторы, начальное сопротивление которых составляет несколько десятков Ом.
Основной характеристикой магниторезистора является зависимость его сопротивления от индукции магнитного поля R = f(B). На рис. 11.7 приведена характеристика магниторезистора, выполненно-
го из InSb. В интервале малых индукций эта характеристика нелинейна, а при больших значениях индукций практически линейна.
В слабых полях до индукции 0,3—6,5 Тл зависимость сопротивления магниторезистора от индукции квадратичная:
где Rb — значение активного сопротивления при индукции В; R。— значение активного сопротивления при индукции 8 = 0; 。— коэффициент пропорциональности.
При больших индукциях зависимость становится линейной, а именно:
Кв=ЬВ 土 Rq*
Здесь b — коэффициент пропорциональности; R。'一 значение сопротивления на оси ординат, соответствующее продолжению прямой линии.
Рис. 11.7. Характеристика магниторезистораРис. 11.7. Характеристика магниторезистораРис. 11.8. Схема умножающего устройства на магниторезисторахРис. 11.8. Схема умножающего устройства на магниторезисторах
Рис. 11.7. Характеристика магниторезистора
Рис. 11.7. Характеристика магниторезистора
Рис. 11.8. Схема умножающего устройства на магниторезисторах
Рис. 11.8. Схема умножающего устройства на магниторезисторах
Квадратичная зависимость создает при некоторых применениях большие затруднения, поэтому используют поле предварительного смещения с индукцией 0,3—0,5 Тл.
Схема умножающего устройства на основе магниторезистора приведена на рис. 11.8. Эта схема устраняет нелинейность магниторезистора при слабых полях и позволяет производить умножение трех токов: /ь /2 н /& Схема представляет собой мост, в два плеча которого включены магниторезисторы R】н R2 c одинаковыми свойствами, а в два другие плеча включены одинаковые сопротивления Кз, значительно большие, чем сопротивление магниторезистора. Каждый магниторезистор помещен в зазоре магнитной системы с двумя обмотками, навитыми на магнитопровод и подсоединенными, как показано на рис. 11.8. Оба сердечника и обмотки на них идентичны, различие только в подсоединении обмоток w2. В результате магниторезистор Ri находится под действием суммы
потоков, создающих в зазоре индукции Вх и В2, a R2 — под действием их разности （В】一В2）. Тогда соответственно
凡=凡+a （统+当产；Rz=Ro+a （当一B2）2.
Предполагая, что сердечники далеки от насыщения, а их магнитные сопротивления пренебрежимо малы относительно магнитных сопротивлений зазоров, можно считать, что В{ и В? пропорциональны /1 и /2. При пропускании тока через оба магниторезистора на зажимах магниторезисторов возникает напряжение
Ubhx =（/；—/；）Кз У/з（К1 — /?2）= 4^8182/3 ИЛИ Ubhx =走厶Л/з， где k — коэффициент пропорциональности； /3^ U3/R3.
§ 11-2- Емкостные преобразователи
Емкостные преобразователи служат для измерения перемещений, размеров деталей, уровня жидкости и т. п. Емкостные преобразователи нашли широкое применение в различных схемах автоматики и в измерительных приборах благодаря ряду достоинств высокой чувствительности, малым габаритам и массе, простой технологии изготовления. Их недостатки ——необходимость усиления выходного сигнала и защиты от влияния паразитных емкостей.
Принцип действия емкостных преобразователей основан на изменении емкости конденсатора под воздействием преобразуемой величины.
На рис. 11.9 схематически изображено устройство емкостных преобразователей и приведены графики изменения их емкости при изменении площади перекрытия пластин в результате смещения одной пластины конденсатора относительно другой （рис. 11.9,а）; при изменении диэлектрической проницаемости среды （рис. 11.9,6）; при изменении воздушного зазора между
Рнс. 11.9. Устройство емкостных преобразователейРнс. 11.9. Устройство емкостных преобразователейпластинами конденсатора （рис. 11.9,в）. В первом и во втором случаях изменение емкости в зависимости от перемещения близко к линейному, а в третьем — к гиперболическому.
Рнс. 11.9. Устройство емкостных преобразователей
Рнс. 11.9. Устройство емкостных преобразователей
В емкостных преобразователях измеряется неэлектрическая величина, функционально связанная с параметрами конденсатора. Преобразователи с изменением величины воздушного зазора и пло-
щади перекрытия обычно измеряют линейные и угловые перемещения, размеры деталей, а преобразователи с изменением диэлектрической проницаемости — уровни непроводящих жидкостей.
Емкостный преобразователь конструктивно представляет собой плоскопараллельный или цилиндрический конденсатор переменной емкости. Одна из пластин конденсатора неподвижна и механически соединяется с корпусом контролируемого устройства, а вторая подвижна и соединяется с деталью, перемещение которой измеряется.
Емкостный преобразователь перемещения с изменяющимся воздушным зазором имеет характеристику управления, определяемую выражением
广 eS bS
С г==,
3 По
где б0 — начальный зазор; S — площадь пластины конденсатора.
При этом чувствительность его не постоянна и зависит от измеряемого перемещения:
S^= —£*S/(% -|-Х)2.
Такие преобразователи целесообразно применять в тех случаях^ когда диапазон изменения контролируемой величины соответствует небольшому участку характеристики, поэтому они обычно используются для измерения относительно малых линейных перемещений (1 мм и меньше).
Емкостный преобразователь ^перемещения с переменной площадью перекрытия имеет характеристику управления, описываемую выражением
где а — ширина пластин конденсатора.
На рис. 11.10 показано устройство емкостного преобразователя для измерения уровня жидких или сыпучих неэлектропроводящих тел. Цилиндрический электрод / жестко соединен изоляционным кольцом 2 с полым цилиндром 3, который опускается на различные уровни в жидкость. Преобразователь состоит из двух параллельно соединенных конденсаторов: конденсатор С] образован частью электродов и диэлектриком ——жидкостью, уровень которой измеряется, конденсатор Со — остальной частью электродов и диэлектриком —воздухом.
Емкость преобразователя
С=& +С°=[“厶 +& —厶)£o] 2n/ln ^-,
где ei и ео — диэлектрическая проницаемость соответственно жидкости и воздуха; Zo» h Ri и % показаны на рис. 11.10.
Емкостный преобразователь с переменной площадью пластин изображен на рис. 11.11, а. Такие преобразователи используются
для измерения угла поворота вала. Ротор / поворачивается относительно статора 3 так, что длина зазора между ними сохраняется неизменной. Емкость преобразователя при повороте ротора изме- ияется от максимума (выступ ротора находится против выступа статора) до минимума, как показано на рис. 11.11,6. Достоинством емкостных преобразователей с переменной площадью перекрытия пластин является возможность соответствующим выбором формы
подвижной и неподвижной пластин получить заданную функциональную зависимость между изменением емкости и входным угловым или линейным перемещением.
На работу емкостных преобразователей оказывают влияние колебания температуры и влажности окружающей среды. Для уменьшения температурной погрешности обкладки преобразователя выполняют из сплавов с малым температурным коэффициентом линейного расширения. Для устранения влияния влажности применяют герметизацию емкостных преобразователей.
§ 11,3. Индуктивные преобразователи
Индуктивные преобразователи служат Для измерения перемещений и сил. При создании индуктивных преобразователей используют изменение индуктивности, вызванное перемещением подвижной части. Индуктивные преобразователи име- ют по сравнению с резисторными преобразователями существенные преимущества: большую надежность и значительно больший срок службы, так как в них отсутствуют скользящие контакты. К недостаткам индуктивных преобразователей следует отнести на-
личие остаточного сигнала, чувствительность к изменению напряжения -питания, а также наличие фазовых искажений. Работают индуктивные преобразователи только на переменном токе.
Индуктивность обмотки магнитной системы с немагнитным зазором без учета рассеяния магнитного потока
丄=砚門Zm=w2M(Rmc+Rju)2+(Xmc+Xm&)2,
где 必一число витков обмотки; ZM — полное магнитное сопротивление магнитной цепи; Rmc и Хмс ——активная и реактивная составляющие магнитного сопротивления магнитопровода; RM^ и Хмб — активная и реактивная составляющие магнитного сопротивления немагнитного зазора.
При этом
Rmc=РмкМмЕм ； Км& =屯/世讲^ ； Хмс = РмхМ^м/^М；
X м&=?мк鹏 IS»,
где /м — средняя линия магнитопровода; 5м и Se — площади поперечного сечения магнитопровода и воздушного зазора; р,0 — магнитная проницаемость воздуха; рмлм и рМхм — удельное активное и реактивное сопротивление магнитопровода; рмхэк—эквивалентное удельное реактивное сопротивление немагнитного зазора, частично или полностью занятого электропроводным материалом (экраном) _ Здесь Rmg дано для равномерного магнитного поля.
Приведенные уравнения локазывают, что индуктивность обмотки зависит от изменения активной и реактивной составляющих магнитного сопротивления немагнитного зазора и от изменения активной и реактивной составляющих сопротивления магнитопровода.
Рис. 11.12. Индуктивный преобразовательРис. 11.12. Индуктивный преобразовательРис. ИЛЗ. Характеристика управления индуктивного преобразователяРис. ИЛЗ. Характеристика управления индуктивного преобразователя
Рис. 11.12. Индуктивный преобразователь
Рис. 11.12. Индуктивный преобразователь
Рис. ИЛЗ. Характеристика управления индуктивного преобразователя
Рис. ИЛЗ. Характеристика управления индуктивного преобразователя
Схема нереверсивного индуктивного преобразователя с переменным активным магнитным сопротивлением немагнитного зазора приведена на рис. 11.12. Преобразователь состоит из С-образного магнитопровода /, на который намотана обмотка возбуждения 218
2, и подвижного якоря 3. При перемещении якоря изменяется сопротивление магнитной цепи и, следовательно, индуктивность обмотки, что приводит к изменению ее полного сопротивления. Рассмотрим работу этого преобразователя при горизонтальных перемещениях якоря, изменяющих длину воздушного зазора б. Для малых величин 6 воздушного зазора с большой площадью поперечного сечения магнитопровода Sm = Sq магнитная проводимость
Ав =世 о$м/(2»).
Если пренебречь сопротивлением магнитопровода, которое для ненасыщенных систем мало по сравнению с магнитным сопротивлением воздушного зазора, то индуктивность
£=A抑2=阿叫(2》
Индуктивное сопротивление обмотки
=o)p.05jjW2/(2S),
где со — угловая частота.
Сопротивление электрической цепи преобразователя
Z=p/?2+xZ,
где R=Rq6+Rh； Ro6 — активное электрическое сопротивление обмотки: Rh — сопротивление нагрузки.
Выходное напряжение преобразователя
Ubux=/Rh =。%//不 +(叩。5m/2)2/(26)2.
В большинстве конструкций индуктивных преобразователей Xe》R. В этом случае
Urhx=2。欠同(叫Sm叫•
В полученном выражении переменной величиной является 6. Зависимость, построенная по этой формуле ивь【х=，(6), представляет собой прямую, проходящую через начало координат (рис. 11.13, штриховая линия). Реальная кривая, изображенная на рис. 11.13 сплошной линией, не проходит через начало координат. Это объясняется тем, что при 6 = 0 сопротивление магнитной цепи имеет конечное значение, и поэтому индуктивное сопротивление катушки не равно оо. При значительных воздушных зазорах характеристика управления отклоняется от линейной функции вследствие того, что в этом случае индуктивность обмотки становится соизмеримой с активным сопротивлением цепи. Кроме того, на величину индуктивности оказывают влияние возросшие потоки рассеяния, поэтому при больших зазорах индуктивность меняется мало.
Индуктивные преобразователи такого типа имеют следующие недостатки: фаза выходного напряжения зависит от величины воздушного зазора; на якорь действует значительная электромагнитная сила; характеристика управления расположена только в пер- 219
вом квадранте. В силу указанных недостатков эти преобразователи применяются редко.
Реверсивные индуктивные преобразователи имеют лучшие характеристики по сравнению с нереверсивными, и поэтому получили широкое распространение. Существуют две основные схемы включения реверсивных преобразователей: дифференциальная и мостовая. Дифференциальная схема включения показана на рис. 11.14, а. Преобразователь состоит из двух неподвижных С-образ-
Рис. 11.14. Реверсивный индуктивный преобразователь： а — дифференциальная схема； б — характеристика управления
ных сердечников, на которые намотаны обмотки, имеющие одинаковое число витков. Между неподвижными сердечниками располагается подвижный якорь. Сопротивление нагрузки включается между средней точкой вторичной обмотки трансформатора Тр и средней точкой обоих сердечников. При таком включении ток нагрузки равен разности токов левой и правой половин схемы:
Выходное напряжение Г7ВЫХ=（厶一/2）2Н.
В нейтральном положении якоря зазоры между подвижным и неподвижными сердечниками равны 61 = 62 = 6. Индуктивности обмоток также равны, поэтому токи 厶 и /2 равны по модулю и совпадают по фазе, но имеют противоположное направление при прохождении через сопротивление нагрузки, в результате чего ток нагрузки /н=0 и выходное напряжение Г7вых = 0.
Перемещение якоря вызывает увеличение одного зазора и уменьшение другого. Это приводит к изменению индуктивностей 22n
обмоток, и на сопротивлении нагрузки появляется напряжение, пропорциональное перемещению подвижного сердечника.
На рис. 11.14, б показана характеристика управления дифференциального индуктивного преобразователя. С увеличением перемещения х якоря от нейтрального положения (х=0 при симметричном положении якоря) выходное напряжение растет по закону, близкому к линейному, при значительных перемещениях происходит замедление роста выходного напряжения, так как при больших зазорах одна из индуктивностей меняется мало. Изменение знака Овых при изменении знака х означает изменение фазы выходного напряжения лреобразователя на 180°.
В мостовой схеме индуктивного преобразователя (рис. 11.15) обмотки сердечников 7 и 77 включаются в смежные плечи моста. В два других плеча включаются одинаковые добавочные активные
Рис. 11.15. Мостовая схема индуктивного преобразователяРис. 11.15. Мостовая схема индуктивного преобразователяХарактеристики мосто- индуктивного преобра-Характеристики мосто- индуктивного преобра-Рис. 11.16. вой схемы зователя
Рис. 11.15. Мостовая схема индуктивного преобразователя
Рис. 11.15. Мостовая схема индуктивного преобразователя
Характеристики мосто- индуктивного преобра-
Характеристики мосто- индуктивного преобра-
сопротивления /?д. Напряжение питания подается на одну диагональ моста, а выходное напряжение снимается с другой диагонали.
Выходное напряжение преобразователя
%心=(厶一72)/?д.
В режиме без нагрузки
厶=U/(Q+凡6+/%)；厶=0/(Q++加£儿
Тогда выходное напряжение
овЗх= ти/?д (£2 - &)/(а+ ко6+ /3厶)(ад + коб+ /3e2)，
При перемещении якоря изменяется разность 厶一厶，а знаменатель дроби остается примерно постоянным. Выходное напряжение
221
в мостовой схеме, так же как и в дифференциальной, при изменении направления перемещения якоря изменяет фазу на 180° (рис. 11.16). 〃вых>0 при х>0 для принятых на рис. 11.15 положительных направлений.
В нагрузочном режиме при Rh*oo выходная характеристика идет аналогичным образом, но несколько ниже, так как при этом увеличивается падение напряжения на сопротивлениях обмоток. При этом чем меньше Rh, тем ниже проходит выходная характеристика. В третьем квадранте фаза сигнала изменяется на противоположную.
Реверсивные индуктивные преобразователи по сравнению с нереверсивными имеют следующие преимущества: линейная часть выходной характеристики имеет большую протяженность； электромаг- ьитное усилие, действующее на якорь, значительно меньше, чем усилия в нереверсивном преобразователе. Это объясняется частичной компенсацией электромагнитных усилий, действующих со стороны неподвижных сердечников. Полная компенсация происходит в нейтральном положении.
Индуктивные преобразователи позволяют измерять перемеще- ъие от нескольких микрометров до десятков миллиметров. Основным недостатком индуктивных преобразователей является наличие гальванической связи выходной цепи с цепью питания, что затрудняет включение нескольких преобразователей для выполнения счетно-решающих операций без применения каких-либо промежуточных элементов.
Из-за электрической и магнитной асимметрии нейтральное геометрическое положение не соответствует действительному нейтральному положению. Реверсивные преобразователи имеют остаточное напряжение, которое содержит синфазную и квадратурную составляющие, а также высшие гармоники. Синфазную составляющую можно свести к нулю перемещением якоря в ту или иную сторону. Квадратурная и высшие гармонические составляющие перемещением якоря не компенсируются, поэтому при любом положении якоря выходное напряжение преобразователя не равно нулю. Начало отсчета определяют при минимальном Ubhx.
Зубчатые индуктивные преобразователи. Для точного измерения больших перемещений, например в металлорежущих станках, применяются линейные и круговые индуктивные преобразователи с зубчатыми сердечниками. Такие преобразователи имеют периодическую характеристику и позволяют измерять приращение вход- мой величины, т. е. линейное или угловое перемещение, путем счета периодов изменения выходного сигнала в процессе движения лодвижной части. Кроме того, для получения более точного отсчета можно использовать выходную характеристику в пределах одного периода.
Принципиальная схема такого преобразователя приведена на рис. 11.17. Магнитопровод / имеет зубчатые полюса. На магнитопроводе расположена обмотка 2. Зубчатый якорь 3, связанный с 222
подвижной частью устройства, перемещается в горизонтальном направлении относительно неподвижного магнитопровода 1. При перемещении якоря индуктивность обмотки меняется периодически от Lmax до Lmin и соответственно меняется полное электрическое сопротивление обмотки от Zmax до Zmm (рис. 11.17,6). Максимальная индуктивность соответствует расположению зубцов якоря против зубцов магнитопровода, а минимальная — против впадин. Обмотка
Рис. 11.17. Зубчатый индуктивный преобразовательРис. 11.17. Зубчатый индуктивный преобразовательвключается, например, в одно из плеч мостовой схемы (рис. 11.17, 8), которая уравновешивается при Z]=Zcp.
Рис. 11.17. Зубчатый индуктивный преобразователь
Рис. 11.17. Зубчатый индуктивный преобразователь
На выходе мостовой схемы образуется выходной сигнал, близкий к синусоидальному (рис. 11.17, г). По количеству полных периодов можно грубо вычислить перемещение якоря, определив по геометрическим размерам перемещение, соответствующее одному периоду. Точно перемеще-
ние якоря можно определить, используя дополнительно выходную характеристику преобразователя в пределах последнего периода. Для повышения чувствительности индуктивного преобразователя применяют две одинаковые магнитные системы, сдвинутые на ширину зубца одна относительно другой. Обмотки включают в два плеча Zi и Z? мостовой схемы (рис. 11.17, в). При этом если Zi растет, то Z? падает, и наоборот. Одновременное изменение Zi и Z? приводит к увеличению чувствительности.
Индуктивные преобразователи с подвижными экранами измеряют механические перемещения. При подобном перемещении х экрана в таких преобразователях меняется эквивалентное удельное реактивное сопротивление немагнитного зазора и, следовательно, индуктивное и полное сопротивление обмотки.
Принципиальная схема индуктивного преобразователя с одной обмотко й возбуждения показана на рис. 11.18, а.
На магнитопроводе / расположена обмотка 2, включенная последовательно с сопротивлением нагрузки под напряжение питания. Экран 3, жестко связанный с подвижной частью устройства, охватывает верхнюю часть магнитопровода. В зависимости от положения экрана меняется реактивное сопротивление немагнитного зазора, индуктивность обмотки и соответственно ток /, протекающий через сопротивление нагрузки Rn. Характеристика управления индуктивного преобразователя с одной обмоткой приведена на
рис. 11.18,6. Характеристика'не проходит через начало координат, и на ней можно выделить лишь небольшой линейный участок. Кроме того, на экран действуют значительные электромагнитные силы.
Перечисленные недостатки проявляются значительно меньше в схемах индуктивных преобразователей с двумя Обмотками. Прин-
Рис. 11.18, Индуктивный преобразователь с КЗВ: а — принципиальная схема; б — характеристика управленияРис. 11.18, Индуктивный преобразователь с КЗВ: а — принципиальная схема; б — характеристика управления
Рис. 11.18, Индуктивный преобразователь с КЗВ: а — принципиальная схема; б — характеристика управления
Рис. 11.18, Индуктивный преобразователь с КЗВ: а — принципиальная схема; б — характеристика управления
Рнс. 11.19. Симметричный индуктивный преобразователь с КЗВРнс. 11.19. Симметричный индуктивный преобразователь с КЗВ
Рнс. 11.19. Симметричный индуктивный преобразователь с КЗВ
Рнс. 11.19. Симметричный индуктивный преобразователь с КЗВ
ципиальная схема такого преобразователя показана на рис. 11.19. Преобразователь имеет замкнутый магнитопровод /, на крайних вертикальных стержнях которого расположены две одинаковые катушки—2 и 2‘. Вдоль верхнего горизонтального стержня переме-
щается экран 3. Обмотки преобразователя включены в два соседних плеча моста. В другие два плеча включены одинаковые балластные сопротивления /?б. При симметричном положении экрана индуктивности катушек равны, мост находится в равновесии и выходное напряжение равно нулю. При смещении х экрана от среднего положения индуктивность одной ка-
туптки увеличивается, а другой — уменьшается, в результате чего появляется выходное напряжение t/вых, зависящее от положения экрана. Характеристика управления такого преобразователя изображена на рис. 11.19, б.
Характеристика расположена в первом и третьем квадрантах, имеет больший линейный участок и проходит через начало координат. На экран действует меньшая электромагнитная сила, так как она является разностью сил, создаваемых правой и левой катушками.
Индуктивные магиитоупругие преобразователи предназначены для измерения значительных механических сил. Принцип действия 224
магнитоупругих преобразователей основан на изменении магнитной проницаемости 陵 ферромагнитных тел под воздействием механических сил.
Изменение магнитной проницаемости ферромагнитных материалов при действии механических напряжений называется магнитоупругостью. Хорошими магнитоупругими свойствами обладают железоникелевые и железокобальтовые сплавы. Конструкционные стали имеют несколько худшие магнитоупругие свойства, но они обладают большей стабильностью характеристики.
На рис. 11.20 приведены снятые при механических напряжениях растяжения кривые намагничивания никеля. Из анализа кривых видно, что у никеля под дейст
вием механических напряжений происходит уменьшение магнитной индукции В, а следовательно, и магнитной проницаемости.
Рис. 11,20. Кривые намагничивания ии келяРис. 11,20. Кривые намагничивания ии келяРис. 11.21. Схемы магнитоупругих преобразователейРис. 11.21. Схемы магнитоупругих преобразователейПринципиальная схема магнитоупругого преобразователя приведена на рис. 11.21, а. Преобразователь представляет собой замкнутый магнитопровод, на одном из стержней которого расположена обмотка. При изменении силы Р, действующей на магнитопровод, меняется полное электрическое сопротивление обмотки. Вклю-
Рис. 11,20. Кривые намагничивания ии келя
Рис. 11,20. Кривые намагничивания ии келя
Рис. 11.21. Схемы магнитоупругих преобразователей
Рис. 11.21. Схемы магнитоупругих преобразователей
чая обмотку в потенциометрическую или мостовую схему, можно получить преобразование механической силы в электрическую величину (напряжение или ток).
Магнитоупругий преобразователь для измерения деформаций (рис. 11.21,6) состоит из пермаллоевого провода /, помещенного внутри катушки 2, и жестко связанного с исследуемой деталью 3, на которую действует растягивающее усилие Р. Деформация пермаллоевого провода приводит к изменению индуктивности катушки и соответственно к изменению ее полного сопротивления.
Преобразователи с использованием эффекта Видемана (рис, 11.21,8)применяются для измерения крутящего момента. В ферромагнитном стержне при действии крутящего момента появляется винтовая составляющая повышенной магнитной проницаемости. Если .при этом через стержень проходит переменный ток, то в нем возникает винтовая составляющая магнитного потока, которую можно считать результатом суперпозиции продольного и кругового потоков. Продольный переменный поток создает в обмотке, надетой на стержень, ЭДС, пропорциональную крутящему моменту.
Статические характеристики (характеристики управления) магнитоупругих преобразователей обладают нелинейностью и неоднозначностью. Характеристика преобразователя, соответствующая увеличению его нагрузки, отличается от характеристики при его разгрузке. Неоднозначность характеристики определяется магнитоупругим гистерезисом. Кроме того, для одного и того же материала под действием механического напряжения магнитная проницаемость в слабых полях может возрастать, в то время как в сильных полях — падать.
Относительная чувствительность магнитопругого материала характеризуется коэффициентом
麻=%/%=£%/*
где 6ц = А卩/陵 ——относительное изменение магнитной проницаемости; б/ = А/// — относительная деформация материала; о — механическое напряжение； Е — модуль упругости материала.
Погрешность преобразователя, обусловленная магнитоупругим гистерезисом, зависит от режима его работы. Для уменьшения погрешности необходимо увеличивать напряженность магнитного поля, так как при этом необратимые процессы, связанные с переориентацией областей самопроизвольного намагничивания, ослабевают.
Трансформаторные преобразователи
Трансформаторные преобразователи широко применяются для измерения механических перемещений и сил. Трансформаторные преобразователи представляют собой трансформаторные устройства с переменной магнитной связью между первичной и вторичной обмотками.
Трансформаторные преобразователи имеют две обмотки, включенные в первичную и во вторичную цепн. В отличие от индуктивных трансформаторные преобразователи не имеют гальванической связи между источником питания и цепью нагрузки. В трансформаторных преобразователях отсутствует скользящий контакт между подвижной и неподвижной частями. Их конструкция и технология изготовления просты.
Конструкции трансформаторных преобразователей весьма разнообразны. В зависимости от предъявляемых требований они могут иметь или большую чувствительность, или высокую линейность, или не создавать усилия, действующего на подвижную часть преобразователя со стороны неподвижной. Иногда перечисленные требования необходимо выполнить одновременно.
К недостаткам трансформаторных преобразователей относятся наличие остаточного сигнала (т. е. выходного сигнала, соответствующего входному, равному нулю) и подверженность помехам со стороны электромагнитных полей, если не приняты соответствующие меры.
Трансформаторные преобразователи по конструктивным особенностям в зависимости от вида подвижной части делятся: на преобразователи с перемещающимся якорем, с перемещающимся электромагнитным экраном (короткозамкнутым витком), с перемещающейся обмоткой.
На рис. 11.22 изображена схема трансформаторного преобразователя с перемещающимся якорем. Первичная обмотка надета на средний стержень 3. Вторичная обмотка, состоящая из двух ка-
Рис. 11.22. Трансформаторный преобразователь с перемещающимся якоремРис. 11.22. Трансформаторный преобразователь с перемещающимся якоремРис. 11.23. Трансформаторный преобразователь с перемещающимся экраном (с короткозамкнутым витком)Рис. 11.23. Трансформаторный преобразователь с перемещающимся экраном (с короткозамкнутым витком)
Рис. 11.22. Трансформаторный преобразователь с перемещающимся якорем
Рис. 11.22. Трансформаторный преобразователь с перемещающимся якорем
Рис. 11.23. Трансформаторный преобразователь с перемещающимся экраном (с короткозамкнутым витком)
Рис. 11.23. Трансформаторный преобразователь с перемещающимся экраном (с короткозамкнутым витком)
тушек, включенных последовательно и встречно, расположена на крайних стержнях 1 и 4 магнитопровода. При симметричном положении якоря 2 на клеммах вторичных катушек возникают равные по величине, совпадающие по фазе, но противоположно направленные ЭДС. В этом случае выходное напряжение при идеальной магнитной и электрической симметрии преобразователя равно нулю. При смещении якоря происходит перераспределение магнитных потоков в крайних стержнях, так как меняются проводимости воздушных зазоров и на выходе появляется сигнал, зави-
сящий от смещения якоря; фаза сигнала соответствует направлению смещения.
Трансформаторные преобразователи с перемещающимся якорем не имеют подвижной обмотки, благодаря чему не требуются токоподводы к подвижной части, которые в преобразователях с перемещающейся обмоткой создают вредное усилие или момент.
На якорь преобразователя действует электромагнитная сила, лритягивающая его к магнитопроводу. Электромагнитная сила нагружает подшипники устройства, увеличивая их момент трения. Кроме того, при смещении якоря от симметричного положения составляющая силы притяжения стремится вернуть его в исходное положение, т. е. в положение, соответствующее максимальной проводимости магнитной системы.
Преобразователь с перемещающимся короткозамкнутым витком (КЗВ) изображен на рис. 11.23. Магнитная система имеет зазор между средним стержнем 2 и горизонтальным магнитопроводом 4. КЗВ 3 охватывают магнитопровод 4 и может свободно перемещаться вдоль него. Первичная обмотка, питаемая от источника U, надета на средний стержень, а последовательно и встречно включенные сигнальные катушки расположены на боковых стержнях / и 5. Первичная обмотка создает поток Фь разветвляющийся на потоки &2 и Ф3. При отклонении КЗВ от симметричного положения происходит перер аспределение потоков Фг и Ф3, в результате которого образуется выходной сигнал UbMx, возрастающий по мере удаления КЗВ от нейтрального положения.
Если в преобразователях с перемещающимся якорем действует электромагнитная сила, возникающая между подвижной и неподвижной частями, то в преобразователях с перемещающимся экраном возникает электродинамическая сила при взаимодействии потока первичной обмотки с током экрана, которая достигает существенной величины. Кроме того, преобразователи с подвижным экраном имеют значительные фазовые и температурные погрешности, поэтому такие преобразователи находят ограниченное применение.
Наибольший интерес представляют трансформаторные преобразователи с перемещающейся обмоткой. Преобразователи такого типа имеют сравнительно высокую чувствительность, малые остаточные сигналы, практически не имеют электромагнитной силы, действующей на подвижную обмотку, и не чувствительны к поперечным колебаниям обмотки. Взаимная индуктивность между первичной и вторичной обмотками этих преобразователей изменяется при перемещении вторичной обмотки в магнитном поле, создаваемом первичной обмоткой.
Преобразователь с вторичной обмоткой, перемещающейся вдоль магнитопровода, представлен на рис. 11.24. Магнитная система имеет воздушный зазор между вертикальным сердечником 2 и горизонтальным 1, Последний охватывает вторичная обмотка 4. Пер*- 228
вичная обмотка 3, литаемая от источника U и создающая поток Фь расположена на среднем сердечнике. При симметричном положении вторичной обмотки она пронизывается равными и противоположно направленными магнитными потоками ⑸ и Ф3, и поэтому результирующий сигнал близок к нулю. При смещении (х) обмотки один из потоков возрастает, а другой убывает, в результате чего образуется выходной сигнал Ubmx, зависящий от перемещения.
Рис. 11.25. Преобразователь с перемещающейся обмоткойРис. 11.25. Преобразователь с перемещающейся обмоткойМагнитная система преобразователя с обмоткой, перемещающейся в воздушном зазоре (рис. 11.25), состоит из замкнутого магнитопровода / с одним воздушным зазором и надетой на средний
Рис. 11.25. Преобразователь с перемещающейся обмоткой
Рис. 11.25. Преобразователь с перемещающейся обмоткой
Рис. 11.24. Преобразователь линейных перемещений
стержень 4 первичной обмотки, питаемой от источника U и создающей поток Фь В воздушном зазоре помещается вторичная обмотка, состоящая из двух одинаковых катушек 2 и 3, включенных встречно. При симметричном положении вторичной обмотки в катушках наводятся равные по величине ЭДС и при встречном их включении выходной сигнал равен нулю. При перемещении вторичной обмотки значения ЭДС катушек меняются в зависимости от положения обмотки, в результате чего появляется выходной сигнал UbMX・
На такой преобразователь магнитные поля практически не оказывают влияния, так как воздушный зазор шунтирован по отношению к внешнему магнитному полю магнитопроводом, имеющим малое магнитное сопротивление. Кроме того, такие преобразователи проще конструктивно и особенно удобны при сборке устройства, так как позволяют собирать отдельно подвижную часть устройства с подвижным узлом преобразователя, а затем уже проводить требуемую регулировку. В конструкциях преобразователей, аналогичных приведенной на рис. 11.25, разъем магнитной системы отсутствует.
Выходной сигнал трансформаторного преобразователя в режиме без нагрузки (холостой ход)
U^^mtV2, (11.5) где 4rm—потокосцепление вторичной обмотки, изменяющееся при перемещении подвижной части (амплитудное значение).
При этом
Wm = Jj8(x, y)w(x, 9)dS,
где S — площадь обмотки; В(х, у)—переменное значение индукции; ⑫(х, у)—переменное значение числа витков обмотки, пронизываемых элементарным потоком.
Определим Wm для наиболее простого случая (рис. 11.25) при следующих допущениях: магнитное поле между полюсами принимаем однородным, а вторичные катушки считаем бесконечно тонкими. Тогда
屯m =% + 明1 =叫(&S1一统 Su).
Здесь Wi и 屮“ 一потокосцепление левой и правой катушек; 52 — число витков катушки; Si и S“ ——площади левой и правой кату
шек, находящихся в магнитном поле (рис. 11.26).
На рис. 11.26, а изображено расположение сигнальных катушек относительно полюсов маг
нитной системы при смещении их
а)а)Рис. 11.27. Распределение вторнчРис. 11.27. Распределение вторнчных витков в зазоре магинтопро- воданых витков в зазоре магинтопро- водаРис. 11.26. Расположение обмотки трансформаторного преобразователя в зазоре магии-Рис. 11.26. Расположение обмотки трансформаторного преобразователя в зазоре магии-топровода
а)
а)
Рис. 11.27. Распределение вторнч
Рис. 11.27. Распределение вторнч
ных витков в зазоре магинтопро- вода
ных витков в зазоре магинтопро- вода
Рис. 11.26. Расположение обмотки трансформаторного преобразователя в зазоре магии-
Рис. 11.26. Расположение обмотки трансформаторного преобразователя в зазоре магии-
иа расстояние х. Последовательное и встречное включение сигнальных катушек отражено иа рис. 11.26,6. Учитывая, что Sx — b(a/2+ +х) и Sg— (а/2—х)仇 где х — перемещение вторичной обмотки, а и b — размеры полюса, получаем
(11.6)(11.6)^т=2В^х.
(11.6)
(11.6)
Подставляя (11.6) в (11.5), находим
иаых=У^В^Х-
Выходной сигнал при принятых допущениях линейно зависит от перемещения вторичной обмотки.
Рассмотрим теперь процесс образования выходного сигнала преобразователя при распределенных вторичных катушках (рис. 11.27,а). Будем учитывать только магнитное поле между полюсами, а распределение витков считать равномерным. Число витков вторичной обмотки, пронизываемых элементарным потоком с учетом встречного включения катушек, изображено ломаной сплошной линией на рис. 11.27, в для симметричного положения обмотки. При смещении обмотки распределение витков происходит по линии KFMHL
Элементарное потокосцеплеиие на расстоянии у от начала координат (рис. 11.27,8).
叫=“d%・(11.7)
При этом wy — число витков вторичной катушки, соответствующее координате у, dQ — элементарное значение потока, пронизывающего элементарную площадку dS вторичной катушки;
d%=&dS; dS=bdy.(11.8)
Здесь & — магнитная индукция в воздушном зазоре； b — размер полюса. Из уравнений (11.7), (11.8) лолучаем
^у=В^)уЬАу.(11.9)
Зависимость ⑫(у) имеет изломы (рис. 11.27,8), поэтому разобьем ось у на ряд участков, где эта зависимость выражается прямой линией без изломов. Участки КЕ и MHL ие рассматриваются, так как они ие создают потокосцепления. Выразим зависимость w(y) для каждого из участков.
Для первого участка зависимость w[y) можно определить из уравнения прямой, проходящей через две заданные точки К с координатами (—@+х и 0) и F(—q/2+x,⑫2)：
(11.10)(11.10)―Ll + x)—=& или 叫=2叫 У + а—工.
(11.10)
(11.10)
—а/2 + X — ( — a + x) 缈2а
В соответствии с уравнениями (11.9) и (11.10) потокосцепление на первом участке EF представим
%= J ―—(y-i-a-x)dy.
-д/2
Аналогично для второго участка
»= 2m2»= 2m2x -x -ааИ 厶=J —(x — y)dy.一0/2+4И 厶=J —(x — y)dy.一0/2+4
»= 2m2
»= 2m2
x -
x -
а
а
И 厶=J —(x — y)dy.
一0/2+4
И 厶=J —(x — y)dy.
一0/2+4
Окончательно определяем потокосцепление вторичной обмотки М=М + %1=―^— J (у+л — х)dy+ J (X—y)d"= =2旦w2ftx.
Выходной сигнал .преобразователя
U ^=У2^В^офх.
Полученное выражение выходного сигнала для распределенной вторичной обмотки совпадает с выражением выходного сигнала для сосредоточенной обмотки. Это объясняется тем, что и в том и в другом случае при смещении обмотки в каждом витке создается одинаковое приращение потокосцепления, в результате чего суммарные потокосцепления распределенной и сосредоточенной обмоток имеют одинаковые выражения. Однако в распределенной обмотке можно уложить большее число витков.
Нагрузочный режим трансформаторного преобразователя. Вторичная обмотка преобразователя, работающего в системе автома-
Рис. 11.28. Электрическая цепь двухобмоточиого трансформатораРис. 11.28. Электрическая цепь двухобмоточиого трансформаторатического управления или регулирования, включается обычно на вход усилительного устройства, поэтому нагрузочным сопротивлением преобразователя является входное сопротивление усилителя, имеющее конечное значение. В результате этого напряжение в режиме нагрузки может значительно отличаться от напряжения холостого хода.
Рис. 11.28. Электрическая цепь двухобмоточиого трансформатора
Рис. 11.28. Электрическая цепь двухобмоточиого трансформатора
Трансформаторные измерительные преобразователи в отличие от силовых трансформаторов, предназначенных для передачи энергии, работают в ненасыщенном режиме. Следовательно, индуктивные сопротивления первичной и вторичной обмоток.
а также сопротивление взаимоиндуктивности можно считать независимыми от режима нагрузки. Электрическая цепь двухобмоточного трансформатора представлена на рис. 11.28.
Запишем уравнения по второму закону Кирхгофа для первичного и вторичного контуров:
(Н.П)(Н.П)% = / R + 〃i*i — 〃 2toM;
(Н.П)
(Н.П)
0 = Л(&2 + Кн) + 〃2*2 — //jwAf.
где Ri и /?2——активные сопротивления первичной и вторичной обмоток; Х1=®£1 и Х2 —(oL2—индуктивные сопротивления обмоток; 財一взаимная индуктивность обмоток.
232
Решая уравнения (11.11) относительно тока /% получаем
；.(ЦД2)
2 (Rz + Rn + /322)(Rl + /321) + (3m)2
Выходное напряжение преобразователя при этом
^2=/Л-(1113)
ГЛАВА 12. ПЕМИЧНЫЕ ГЕНЕРАТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
В устройствах автоматики применяются различные первичные генераторные преобразователи (ПГП). Широко используются следующие ПГП: индукционные, пьезоэлектрические, термоэлектрические и преобразователи н а основе эффекта Холла. ПГП осуществляют, как правило, непосредствеииое преобразование входной величины в выходную в отличие от ППП, у которых изменение входной величины приводит к измерению какого-либо параметра, что соответственно отражается на значении выходной величины. При наличии дополнительного источника энергии выходная мощность ПГП может быть больше входной, так как в этом случае происходит преобразование неэлектрической энергии в электрическую.
Термоэлектрические и некоторые преобразователи на основе эффекта Холла не имеют подвижных частей и к ЭМАА могут быть отнесены условно, однако они непосредственно преобразуют неэлектрическую величину в электрическую и поэтому включены в группу ПГП.
Индукционные преобразователи
Индукционные преобразователи предназначены для измерения линейных и угловых скоростей или перемещений. По принципу действия индукционные преобразователи можно разделить на две группы; преобразователи со взаимным перемещением катушки и магнита и преобразователи с изменяющейся величиной поля постоянного магнита.
В преобразователях первой группы сопротивление на пути постоянного магнитного потока остается неизменным, а индуктированная ЭДС наводится в катушке благодаря линейным или угловым перемещениям катушки в зазоре магнитной системы. При этом в некоторых конструкциях катушка выполняется неподвижной, а перемещается магнитная система. В преобразователях второй группы индуктированная ЭДС наводится в результате изменения магнитного сопротивления цепи при перемещениях подвижной части.
Индукционные преобразователи скорости в качестве входной величины имеют механическую скорость, а в качестве выходной ве-
233
личины — электрическое напряжение или ЭДС. Преобразователь с взаимным перемещением катушки и магнита изображен на рис. 12.1.
Магнит 4 цилиндрической формы является источником потока, замыкающегося через магнитопровод / и воздушный зазор. Магнитопровод имеет форму полого цилиндра. В воздушном зазоре вдоль
Рис. 12.1. Преобразователь с взаимным перемещением катушки и магнита:
а — прннцнпнльиая схема;
6 — характеристика управления
осн перемещается сигнальная обмотка 2 в виде кольца. Обмотка залита эпоксидным компаундом 3, что обеспечивает ей прочность и крепление с другими подвижными деталями.
При перемещениях сигнальной обмотки в ией наводится ЭДС
€=—①/df,(12.1)
где w — число витков обмотки; Ф — магнитный поток, пронизывающий обмотку.
Поток Ф разветвляется на два потока:
❿=@“+①六(12.2)
Здесь Фвх — поток воздушного зазора, сцеплеииый с витками обмотки и изменяющийся при ее перемещении; Фт — торцовой поток, не зависящий от перемещения обмотки.
Подставляя выражение (12.2) в уравнение (12.1), находим
е= 一切付①冲/df+d ①〃df)= —⑫(dajdx+d ①〃dx)匕
где y=dx/df — линейная скорость перемещения обмотки. Учитывая, что d①т/(1х = 0, получаем
e=—wV dQJd*.(12.3)
Поток
①“=8 产4：р (。/2 — x),(12.4)
где & — индукция в точках зазора на поверхности цилиндра с ди- 234
аметром d%; dCp — диаметр среднего витка обмотки; а—размер полюса; х — перемещение обмотки.
Из уравнений (12.3) и (12.4)
e—nB^wd^.
Таким образом, наводимая ЭДС прямо пропорциональна линейной скорости.
При синусоидальных колебаниях подвижной части x=Xmsin(of выходной сигнал равен
е = NsBadcpXm cos(*>f ・(12.5)
Из уравнения (12.5) следует, что в этом случае наводимая ЭДС изменяется по косинусоидальному закону и пропорциональна амплитуде и частоте колебаний обмотки.
Преобразователь с изменяющейся величиной поля постоянного магнита изображен на рис. 12.2, а. Магнитная система преобразователя состоит из постоянного магнита 3, магнитопровода 4 и по-
Рис. 12.2. Преобразователь с измеряющейси величиной поля постоянного магнита:
а _ пряяцяпяальная схема; б — характеристика преобраэовлтеля
люсов / и 5. Выходной сигнал снимается с обмотки 2. При прохождении ферромагнитной детали 6 в направлении х (рис. 12.2, а) поток постоянного магнита вначале растет, так как увеличивается проводимость между магнитной системой и деталью 6, а затем поток магнита уменьшается. Далее следует опять нарастание потока и вновь его уменьшение. В сигнальной обмотке наводится ЭДС, пропорциональная скорости изменения потока (рис. 12.2,6):
е= —wd ①/df= —wP йФ/dx. (12.6)
Из уравнения (12.6) следует, что наводимая ЭДС прямо пропорциональна линейной скорости и производной потока, пронизывающего обмотку, по перемещению. Потоки рассеяния при этом не учитываем. Форма кривой ЭДС близка к синусоидальной. Выходной сигнал преобразователя может быть включен через выпрямительный мост на измерительный прибор постоянного тока. Если на выход обмотки подключить счетчик импульсов, то по его показаниям можно определить также количество прошедших деталей.
Схема преобразователя угловой скорости в электрический сигнал приведена на рис. 12.3. По принципу действия этот преобразователь относится ко второй группе. Преобразователь состоит из постоянного магнита /, жестко связанного с магнитопроводом 2, на стержнях которого расположена обмотка. Обмотка состоит из двух катушек 3, соединенных последовательно и согласно. При вращении зубчатого колеса 4 периодически меняются полная прово-
Рис. 12.4. Схема гироскопаРис. 12.4. Схема гироскопа
Рис. 12.4. Схема гироскопа
Рис. 12.4. Схема гироскопа
димость системы и магнитный поток, пронизывающий обмотку, в результате чего в обмотке наводится ЭДС, пропорциональная скорости вращения колеса.
Наибольшее изменение магнитного потока
A6 =户/Z第一户/（2附+А2附），
где 户一МДС магнита, a Zm и （Zm+AZm） — крайние значения магнитного сопротивления.
Амплитуда и действующее значение потока при синусоидальном его изменении соответственно равны
Фт = ДФ/2; Ф=ДФ/（2/2）.
ЭДС, индуктируемая в обмотке,
2^2〈ZmZm+AZ附丿
При расчете обмотки необходимо учитывать реакцию ее поля, т. е. влияние МДС катушки на индукцию в воздушном зазоре. Ток обмотки должен быть достаточно мал, чтобы МДС ее была значительно меньше магнитного напряжения, создаваемого постоянным магнитом. При проектировании индукционного преобразователя скорости большое внимание следует уделить получению линейной зависимости индуктируемой ЭДС от скорости. Погрешность преобразователей первой группы составляет 0,02——0,1 %. У преобразователей второй группы линейность преобразования зависит от магнитных характеристик ферромагнитных материалов, из которых 236
выполнена магнитная цепь. Поскольку эти характеристики обычно нелинейные, преобразователи второй группы имеют большую погрешность.
Индукционные преобразователи перемещений предназначены для измерения малых перемещений вращающихся тел.
В ряде устройств, например в гироскопических приборах, требуется измерять угловые перемещения а вращающегося ротора относительно оси MN, перпендикулярной оси вращения CD (рис. 12.4). Эту задачу можно решить с помощью индукционного преобразователя перемещений, подвижная часть которого вращается вместе с ротором.
Принципиальная схема преобразователя изображена на рис. 12.5. Магнитопровод / жестко связан с вращающимся ротором 3. Катушка 5 крепится к корпусу прибора с помощью пласт-
Рис. 12.5. Индукционный преобразователь угловых перемещений
массового кронштейна 6 и находится в неподвижном состоянии. Такое крепление катушки позволяет устранить гибкие токоподводы, накладывающие вредный момент на подвижную часть устройства. Магнитная система преобразователя состоит из магнитопровода / и постоянных магнитов 2 и 2‘，создающих поток в воздушном зазоре 4. Магнитная система вместе с ротором может поворачиваться на небольшие углы относительно оси MN, перпендикулярной плоскости чертежа. Для уяснения принципа работы преобразователя обратимся к схеме, изображенной на рис. 12.6, а, на которой показано сечение, проходящее через середину воздушного зазора, а катушка представлена в виде среднего витка. При вращении ротора постоянные магниты, имеющие противоположную полярность, наводят в катушке ЭДС, пропорциональную разности магнитных потоков, пересекающих ее. При симметричном положении катушки 5 (см. рис. 12.5) относительно магнитопрово-
да /, т. е. при отсутствии угла отклонения ротора, ЭДС, наводимая в катушке, вследствие равенства потоков равна нулю. При смещении катушки относительно магнитной системы на выходе преобра-да /, т. е. при отсутствии угла отклонения ротора, ЭДС, наводимая в катушке, вследствие равенства потоков равна нулю. При смещении катушки относительно магнитной системы на выходе преобра-ЛЛРис. 12.6. Полюса (а) и характеристики (б) иидукциоииого преобразователяРис. 12.6. Полюса (а) и характеристики (б) иидукциоииого преобразователязователя появляется сигнал, пропорциональный этому смещению (углу отклонения а).При определении зависимост» выходного сигнала от перемещения примем следующие допущения: магнитное поле между полюсами принимаем однородным и сигнальную катушку считаем сосредоточенной в виде среднего витка.Выходное напряжение преобразователя^BHx=-dW- (12.7)Здесь потокосцепление Т для сосредоточенной катушки можно представить так:зователя появляется сигнал, пропорциональный этому смещению (углу отклонения а).При определении зависимост» выходного сигнала от перемещения примем следующие допущения: магнитное поле между полюсами принимаем однородным и сигнальную катушку считаем сосредоточенной в виде среднего витка.Выходное напряжение преобразователя^BHx=-dW- (12.7)Здесь потокосцепление Т для сосредоточенной катушки можно представить так:千=% (①2 —①2) (12.8) где 叫一число витков катушки； Фг и Ф2Л — магнитные потоки, соз千=% (①2 —①2) (12.8) где 叫一число витков катушки； Фг и Ф2Л — магнитные потоки, создаваемые соответственно магнитами 2 H 2’ (см. рис. 12.5) и переседаваемые соответственно магнитами 2 H 2’ (см. рис. 12.5) и пересекающие сигнальную катушку.При смещении х катушки относительно магнитной системы можкающие сигнальную катушку.При смещении х катушки относительно магнитной системы можно записатьно записать
да /, т. е. при отсутствии угла отклонения ротора, ЭДС, наводимая в катушке, вследствие равенства потоков равна нулю. При смещении катушки относительно магнитной системы на выходе преобра-
да /, т. е. при отсутствии угла отклонения ротора, ЭДС, наводимая в катушке, вследствие равенства потоков равна нулю. При смещении катушки относительно магнитной системы на выходе преобра-
Л
Л
Рис. 12.6. Полюса (а) и характеристики (б) иидукциоииого преобразователя
Рис. 12.6. Полюса (а) и характеристики (б) иидукциоииого преобразователя
зователя появляется сигнал, пропорциональный этому смещению (углу отклонения а).
При определении зависимост» выходного сигнала от перемещения примем следующие допущения: магнитное поле между полюсами принимаем однородным и сигнальную катушку считаем сосредоточенной в виде среднего витка.
Выходное напряжение преобразователя
^BHx=-dW- (12.7)
Здесь потокосцепление Т для сосредоточенной катушки можно представить так:
зователя появляется сигнал, пропорциональный этому смещению (углу отклонения а).
При определении зависимост» выходного сигнала от перемещения примем следующие допущения: магнитное поле между полюсами принимаем однородным и сигнальную катушку считаем сосредоточенной в виде среднего витка.
Выходное напряжение преобразователя
^BHx=-dW- (12.7)
Здесь потокосцепление Т для сосредоточенной катушки можно представить так:
千=% (①2 —①2) (12.8) где 叫一число витков катушки； Фг и Ф2Л — магнитные потоки, соз
千=% (①2 —①2) (12.8) где 叫一число витков катушки； Фг и Ф2Л — магнитные потоки, соз
даваемые соответственно магнитами 2 H 2’ (см. рис. 12.5) и пересе
даваемые соответственно магнитами 2 H 2’ (см. рис. 12.5) и пересе
кающие сигнальную катушку.
При смещении х катушки относительно магнитной системы мож
кающие сигнальную катушку.
При смещении х катушки относительно магнитной системы мож
но записать
но записать
Ф2=58(а/2-]-х)у； Ф^=ВЬ(а/2 — х)у,(12.9)
где 凡一индукция в воздушном зазоре; а — размер полюса; х — смещение катушки относительно магнитной системы; у — текущая координата (рис. 12.6, а).
Подставляя (12.8) и (12.9) в (12.7), находим
^вых=2B8wc (х dy/df+у dx/d/).
Учитывая, что ydx/df《xdg/df, получаем
^вых=28 關 с% dy/df=2&喚丿，
где y=dy/df — линейная скорость перемещения катушки относительно магнитной системы по осу у.
Принимая во внимание, что
V=nnr/30 и х=га,
получаем
(12Л0)(12Л0)U.L青当儿也时
(12Л0)
(12Л0)
Здесь п — число оборотов вала в минуту; г и а — средний радиус и угловое смещение катушки относительно ротора.
Из выражения (12.10) следует, что амплитуда выходного сигнала пропорциональна индукции в воздушном зазоре, скорости вращения ротора, числу витков сигнальной катушки, угловому перемещению и зависит от квадрата расстояния от оси вращения ротора до центра катушки.
Зависимости изменения потокосцепления катушки и выходного сигнала от времени при принятых допущениях приведены на рис. 12.6,6. Реально выходной сигнал в пределах периода 7v получается по форме близким к синусоидальному, так как из-за наличия потоков выпучивания изменения потокосцепления не происходит по прямой линии. Период Т соответствует одному обороту ротора.
При наличии одной магнитной системы одному обороту ротора соответствует только один импульс сигнала. Для получения непрерывного сигнала следует располагать на роторе ряд магнитных систем.
Пьезовлектрические преобразователи
Пьезоэлектрические преобразователи основаны на использовании пьезоэлектрического эффекта, которым обладают некоторые кристаллы. Пьезоэлектрический эффект используется для преобразования переменных механических усилий в электрический сигнал.
Пьезоэлектрические преобразователи широко применяются для измерения вибраций, переменных усилий и в ультразвуковых генераторах.
Рис. 12.7. Пьезочувствительный преобразователь: а — кристалл кварца; б — эквивалентная схемаРис. 12.7. Пьезочувствительный преобразователь: а — кристалл кварца; б — эквивалентная схемаРазличают прямой и обратный пьезоэффекты. Прямой пьезоэффект заключается в том, что под действием механических напряжений на гранях кристалла возникают электрические заряды. Обратный пьезоэффект состоит в том, что под действием электрического поля происходит изменение геометрических размеров кристалла.
Рис. 12.7. Пьезочувствительный преобразователь: а — кристалл кварца; б — эквивалентная схема
Рис. 12.7. Пьезочувствительный преобразователь: а — кристалл кварца; б — эквивалентная схема
Пьезоэффект наи
более сильно выражен“
у кварца, турмалина и у сегнетоэлектриков: сегнетовой соли, титаната бария и др.
На рис. 12.7, а показан пьезочувствительный элемент из кристалла кварца, который имеет форму параллелепипеда, при этом грани его ориентированы относительно кристаллографических осей
x, у, z (х — главная, или оптическая, ось; у — электрическая ось; z ——механическая, или нейтральная, ось).
При действии силы сжатия P# вдоль электрической оси на гранях ABCD и EKGH, перпендикулярных оси х, возникают разнополярные электрические заряды. Величина этих зарядов g# не зависит от геометрических размеров пьезочувствительного элемента и определяется выражением
%=亀%,(12.11)
где 左口 一 пьезомодуль материала.
Пьезомодуль характеризует чувствительность пьезоэлектрического материала и определяет величину электрического заряда, возникающего при приложении определенной силы (при Р— 1 Н). Изменение знака приложенной силы P# приводит к изменению знака зарядов. Такой эффект называется продольным пьезоэффектом.
При действии силы сжатия Ру, направленной вдоль оси у, на тех же гранях возникают также разнополярные заряды, величина которых зависит от приложенной силы и геометрических размеров граней:
%=— 々п*匕， by
где Sx и Sy — площади граней перпендикулярных осям х, у.
Это явление называется поперечным пьезоэффектом. При поперечном пьезоэффекте знак зарядов противоположен знаку зарядов, возникающих при продольном пьезоэффекте под воздействием сил того же направления (в формуле учитывается знаком минус).
Эквивалентная схема пьезоэлектрического преобразователя приведена на рис. 12.7, 6, иа котором Сп — емкость между гранями преобразователя; /?п — сопротивление преобразователя.
При синусоидальной силе Px—^mxSinco^ ток с учетом (12.11)
i=dgjdf=<о 左 11Pge 8s
где Pmx — амплитуда силы, действующей вдоль оси х.
В соответствии с эквивалентной схемой выходное напряжение преобразователя
^.ых= j9h*P mxRJ八 + /КцЗСп).
Из этого выражения следует, что амплитуда выходного напряжения и сдвиг фаз между напряжением и измеряемой силой зависят от частоты.
Пьезоэлектрические преобразователи для статических измерений не используются, так как заряд, возникающий л<а гранях пьезоэлемента, имеет малую величину. Кроме того, происходит его утечка через изоляцию. При динамических процессах под действием переменных сил количество электричества все время восполняется, 240
поэтому пьезоэлектрические преобразователи применяются для измерения динамических величин.
Наиболее широко в пьезоэлектрических преобразователях применяется кварц. Пьезомодуль кварца Ап —2,3-10-2 Кл/Н, диэлектрическая проницаемость е = 40- 10-2 Ф/м, модуль упругости £ = = (7+10)101。Па. При изменении температуры до 400°С значение пьезомодуля практически не меняется. Свыше 400℃ наблюдается сильное уменьшение пьезомодуля, и при температуре 573℃ пьезомодуль равен нулю. Кварцевые преобразователи с точки зрения точности и стабильности характеристик являются наиболее подходящими для работы в расширенном диапазоне температур при больших значениях преобразуемых усилий. Недостатком кварца является малое значение пьезомодуля, низкая диэлектрическая проницаемость и малая собственная емкость кварцевых пластин, в результате чего емкость кабеля и нагрузки значительно уменьшает чувствительность преобразователя.
Сегнетова соль имеет пьезомодуль fen = 300- 1Q-2 Кл/Н, рабочий температурный диапазон от —15 до 22,5℃. Сильная зависимость пьезомодуля от температуры, малая прочность и гигроскопичность ограничивают применение сегнетовой соли.
В настоящее время разработаны новые пьезоэлектрические материалы с рабочим температурным диапазоном до 200℃ и высоким значением пьезомодуля. Малое значение выходного напряжения и большое внутреннее сопротивление пьезоэлектрических преобразователей требуют применения усилителей с большим входным сопротивлением.
Термоэлектрические преобразователи (термопары)
Явление термоэлектричества было открыто в 1823 г. Зеебеком [46] и заключается в следующем. Если составить цепь из двух различных проводников (или полупроводников) Л и В, соединив их между собой концами (рис. 12.8, а), причем температуру 01 одного места соединения сделать отличной от температуры 0о другого, то в цепи появится ЭДС, называемая термо- ЭДС：
^ав (8i8q)=/ (81)- / (练).
Подобная цепь называется термопарой; проводники, составляющие термопару, — термоэлектродами, а места их соединения — спаями.
При небольшом перепаде температур между спаями термо-ЭДС можно считать пропорциональной разности температур: Едв— ^S^b-AO, где Sab — коэффициент пропорциональности; Д0= =®1—0о. У любой пары проводников величина термо-ЭДС зависит только от материала проводников и от температуры спаев и не зависит от распределения температуры между спаями.
В измерительной технике* термопары получили широкое распространение для измерения температур. Термопара с подключенным к ней милливольтметром, применяемая для измерения температуры, показана на рис. 12.8, б. Если один спай, называемый рабочим, поместить в среду с температурой 0Ь подлежащей измерению, а температуру 0О других, холодных спаев поддерживать постоянной, то
马 в ® 练)=/(«)— С=力(”)
независимо от того, каким образом произведено соединение термоэлектродов (пайкой, сваркой и т. д.). Таким образом, входной величиной термопары является температура 01 ее рабочего спая, а выходной величиной ——термо-ЭДС, которую термопара развивает при постоянной температуре 0О холодного спая.
Измерительные приборы можно включать в цепь термопары в разрыв одного из электродов (рис. 12.8, в). В этом случае преобразователь имеет четыре спая: один горячий, один холодный и два
Рис. 12.8. Термопары:Рис. 12.8. Термопары:а — принципиальная схема； б — включение измерительного прибора между электродами; в — включение измерительного прибора в разрыв электродаа — принципиальная схема； б — включение измерительного прибора между электродами; в — включение измерительного прибора в разрыв электродатермопары от температурытермопары от температуры
Рис. 12.8. Термопары:
Рис. 12.8. Термопары:
а — принципиальная схема； б — включение измерительного прибора между электродами; в — включение измерительного прибора в разрыв электрода
а — принципиальная схема； б — включение измерительного прибора между электродами; в — включение измерительного прибора в разрыв электрода
термопары от температуры
термопары от температуры
нейтральных. При постоянстве температуры холодного спая и равенстве температур нейтральных спаев термо-ЭДС будет зависеть только от температуры горячего спая. Таким образом, введение третьего проводника в цепь термоэлектрического преобразователя не изменяет результирующей термо-ЭДС при условии равенства температур в местах подключения третьего проводника.
В табл. 12.1 приведены термо-ЭДС, которые развиваются различными термоэлектродами в паре с платиной при температуре рабочего спая 0j= 100℃ и температуре холодных спаев 0о=О℃ (46]. Положительные термо-ЭДС имеют материалы, у которых в паре с платиной ток в горячем спае течет от платины, а отрицательные—материалы, у которых ток течет к платине. Зависимость 242
МатериалМатериалКремний Сурьма Хромель Нихром ЖелезоСплав (90%Pt+10%1г) Молибден Кадмий Вольфрам Манганин Медь Золото Цинк Серебро Иридий Родий Сплав (90%Pt+*0%Rh)Кремний Сурьма Хромель Нихром ЖелезоСплав (90%Pt+10%1г) Молибден Кадмий Вольфрам Манганин Медь Золото Цинк Серебро Иридий Родий Сплав (90%Pt+*0%Rh)Термо-ЭДС, мВМатериалТермо-ЭДС, мВ44,8Свинец 0,444,7Олово 0,422,4Магний0,422,2Алюминий0,401,8Графит0,321,3Уголь0,301,2Ртуть 0,000,9Палладий—0,570,8Никель-1,50,76Алюмель—1,70,76Сплав(60 % Ап 4-0,75+30%Pd+10%Pt)...—2,310,75Константан 一3,40,72Копель —4,50,65Пирит—12,10,64Молибденит—69н—1040,64Термо-ЭДС, мВМатериалТермо-ЭДС, мВ44,8Свинец 0,444,7Олово 0,422,4Магний0,422,2Алюминий0,401,8Графит0,321,3Уголь0,301,2Ртуть 0,000,9Палладий—0,570,8Никель-1,50,76Алюмель—1,70,76Сплав(60 % Ап 4-0,75+30%Pd+10%Pt)...—2,310,75Константан 一3,40,72Копель —4,50,65Пирит—12,10,64Молибденит—69н—1040,64
Материал
Материал
Кремний Сурьма Хромель Нихром Железо
Сплав (90%Pt+10%1г) Молибден Кадмий Вольфрам Манганин Медь Золото Цинк Серебро Иридий Родий Сплав (90%Pt+
*0%Rh)
Кремний Сурьма Хромель Нихром Железо
Сплав (90%Pt+10%1г) Молибден Кадмий Вольфрам Манганин Медь Золото Цинк Серебро Иридий Родий Сплав (90%Pt+
*0%Rh)
Термо-ЭДС, мВ
Материал
Термо-ЭДС, мВ
44,8
Свинец
0,44
4,7
Олово
0,42
2,4
Магний
0,42
2,2
Алюминий
0,40
1,8
Графит
0,32
1,3
Уголь
0,30
1,2
Ртуть
0,00
0,9
Палладий
—0,57
0,8
Никель
-1,5
0,76
Алюмель
—1,7
0,76
Сплав(60 % Ап 4-
0,75
+30%Pd+10%Pt)...
—2,31
0,75
Константан
一3,4
0,72
Копель
—4,5
0,65
Пирит
—12,1
0,64
Молибденит
—69н—104
0,64
Термо-ЭДС, мВ
Материал
Термо-ЭДС, мВ
44,8
Свинец
0,44
4,7
Олово
0,42
2,4
Магний
0,42
2,2
Алюминий
0,40
1,8
Графит
0,32
1,3
Уголь
0,30
1,2
Ртуть
0,00
0,9
Палладий
—0,57
0,8
Никель
-1,5
0,76
Алюмель
—1,7
0,76
Сплав(60 % Ап 4-
0,75
+30%Pd+10%Pt)...
—2,31
0,75
Константан
一3,4
0,72
Копель
—4,5
0,65
Пирит
—12,1
0,64
Молибденит
—69н—104
0,64
термо-ЭДС от температуры обычно нелинейная, поэтому данные таблицы нельзя распространить на высокие температуры.
К материалам термоэлектродов предъявляются следующие требования: линейность зависимости термо-ЭДС от температуры, неизменность физических свойств при эксплуатации в пределах измеряемых температур, высокая электропроводность, малый температурный коэффициент сопротивления, технологическая возможность серийного производства.
В качестве примера на рис. 12.9 приведена зависимость Е= =/(0) для одной из наиболее распространенных термопар плати- нородий ——платина.
При пользовании данными табл. 12.1 следует иметь в виду, что развиваемые термо-ЭДС в значительной степени зависят от малейших примесей, механической и термической обработки. При конструировании термопар стремятся сочетать термоэлектроды, один из которых развивает с платиной положительную, а другой ——отрицательную термо-ЭДС.
Кроме промышленного измерения температур, специальные термопары используются при измерениях тепловой радиации, для измерения температуры нагревателей в термоанемометрах и вакуумметрах. Термопары этого типа работают при сравнительно небольших температурах, но для повышения точности измерения они должны поглощать минимальное количество теплоты, поэтому такие термопары изготовляются из тонкой проволоки диаметром d^5+10 мкм. Для повышения выходной ЭДС используется несколько термопар, образующих термобатарею. Свободные концы
термопары должны находиться при постоянной температуре, лучше всего при 0℃. Однако не -всегда возможно сделать термоэлектроды настолько гибкими и длинными, чтобы свободные концы ее можно было разместить в достаточном удалении от рабочего слоя.
Конструктивно термопара представляет собой две проволоки из разнородных материалов, горячий спай которых скручивается, а затем сваривается. Горячий спай изолируется фарфоровым наконечником. Сама термопара заключается в кожух, который защищает ее от воздействия горячих, химически агрессивных газов. Термопары из благородных материалов отличаются стабильностью характеристик и устойчивостью к влиянию внешней среды. Недостатком их является небольшое значение термо-ЭДС, гораздо меньшее, чем у термопар из неблагородных материалов (хромель —— алюмель, хромель ——копель).
Принципиальная схема устройства, предназначенного для измерения температуры вращающихся деталей (рис. 12.10) состоит из двух П-образных магнитопроводов 1, обмоток возбуждения 2 H 2’ и сигнальных обмоток 4 и 4‘. Обмотки возбуждения располагаются на двух стержнях подвижного магнитопровода, а сигнальные обмотки —на двух стержнях неподвижного магнитопровода. Подвижный магнитопровод закреплен на вращающемся валу 3. Катушки возбуждения и сигнальные катушки включены последовательно и согласно по отношению к рабочему потоку. Однако по отношению к внешнему магнитному полю сигнальные катушки включены последовательно и встречно, в результате чего внешнее пере
4
〃 0力ми〃八
ТП
>
Рис. 12.10. Устройство для измерения температуры вращающихся деталей
менное магнитное поле не оказывает влияния на величину сигнала. Общее число систем возбуждения может составлять 15—20. Питание каждой системы возбуждения осуществляется от соответствующей термопары ТП.
В сигнальной обмотке при прохождении мимо нее системы возбуждения наводится ЭДС, амплитуда которой определяется по формуле, аналогичной (12.10):
=В即 ja,
где п ——скорость вращения вала, об/мин; Вб — индукция в воздушном зазоре; г — радиус вращения; а ——ширина стержня; wc — число витков сигнальной обмотки.
Для взаимосвязи между ЭДС термопары и сигналом, наведенным в сигнальной обмотке, на вращающемся валу вместо одной
системы возбуждения установлен постоянный магнит, сигнал от которого значительно превышает сигналы, полученные от термопар. Сигнал от постоянного магнита служит началом отсчета, который устанавливает связь между номером термопары и соответствующим сигналом, полученным на выходе преобразователя.
Преобразователи на основе эффекта Холла
Эффектом Холла называется явление, связанное с возникновением поперечной разности потенциалов в пластине, изготовленной из полупроводникового материала и помещенной в магнитном поле, если в продольном направлении этой пластины протекает электрический ток (рис. 12.11).
Значение выходного напряжения для прямоугольной полупроводниковой пластины, расположенной в однородном магнитном поле,
%=小3八10 6),
где 々х — коэффициент Холла; 5 ——нормальная составляющая вектора магнитной индукции; /, 6, d — соответственно длина, ширина и толщина пластины; f(l/b. В)—функция, учитывающая зависимость выходного напряжения от соотношения геометрических размеров пластины и свойств полупроводника.
Рнс. 12.11. Преобразователь Рис. 12.12. Характеристики управления преоб- Холларазователей Холла:
а — германиевого типа; 6 — из антимонида индия
Полупроводниковую пластину, конструктивно объединенную с выводами, будем называть элементом Холла.
Чувствительностью элемента Холла у называется отношение выходного напряжения Ubhx к произведению входного тока /вх на нормальную составляющую вектора магнитной индукции:
Y = Ubhx/(/b0)・
Чувствительность элемента Холла зависит от его температуры, и с увеличением температуры чувствительность падает.
Характеристика элемента Холла Ubhx=，(/bx) для постоянного значения магнитной индукции называется статической характеристикой или характеристикой управления.
Материалами для изготовления элементов Холла являются германий, кремний, антимонид индия, арсенид галлия и др. Характеристики управления для преобразователей Холла германиевого типа и из антимонида индия приведены на рис. 12.12, а, б. Если характеристики преобразователей Холла германиевого типа близки к линейным, то у преобразователей из антимонида индия характеристики управления нелинейные, что обусловливается повышением температуры элемента Холла при протекании через него значительных токов.
Характеристики управления, приводимые в каталогах элементов Холла, соответствуют обычно случаю естественного охлаждения пластины вследствие конвекции воздуха. Принудительное охлаждение потоком воздуха или путем непосредственного контакта, например, с полюсами магнита существенно увеличивает коэффициент теплоотдачи, в результате чего ток /вх может принимать большие значения, чем при естественном охлаждении.
В нагрузочном режиме выходное напряжение элементов Холла в значительной степени зависит от тока /Вых нагрузки. На рис. 12.13, а, б приведены нагрузочные характеристики элементов Хол
ла, изготовленных из германия и антимонида индия [47]. Уменьшение выходного напряжения элементов Холла объясняется увеличением падения напряжения на его внутреннем сопротивлении при возрастании тока нагрузки.
Элементы Холла обладают рядом достоинств: позволяют измерять распределение магнитных полей в пространстве; малые размеры элемента Холла (толщина — доли миллиметра, два другие размера ——единицы миллиметров) позволяют проводить измерения 246
Рис. 12.14. Преобразователь с элементом ХоллаРис. 12.14. Преобразователь с элементом Холлав глубоких отверстиях и в малых зазорах; имеют линейную зависимость выходного напряжения от управляющих величин (поля или тока); широкий частотный диапазон для переменных величин тока или индукции; практически неограниченный срок службы. Недостатками являются: относительно сложная технология; большой разброс параметров в пределах одной партии； зависимость коэффициента Холла от температуры. Недостатки эти можно в достаточной для практики степени устранить соответствующим выбором электрической схемы, систем компенсации и т. п.
Рис. 12.14. Преобразователь с элементом Холла
Рис. 12.14. Преобразователь с элементом Холла
Элементы Холла, изготовляемые из кристаллических материалов, помещаются в корпусе из эпоксидной смолы или в керамическом корпусе. Элементы, служащие для измерения топографии магнитного поля в узких зазорах, отличаются очень тонким корпусом.
При отсутствии входного сигнала (тока /вх) в элементе Холла существуют остаточные напряжения — резистивное, термоэлектрическое и термомагнитное. Резистивное остаточное напряжение определяется неточностью размещения электродов, а термоэлектрическое и термомагнитное остаточные напряжения обусловливаются влиянием температуры на электрические и магнитные параметры элемента Холла.
Элементы Холла могут измерять магнитные, электрические и неэлектрические величины.
Принципиальная схема преобразователя с элементом Холла, предназначенного для бесконтактного съема сигнала с вращающейся части машины, приведена на рис. 12.14. Преобразователь состоит из передающей части, жестко связанной с вращающимся валом 3, и неподвижной приемной части. Передающая часть состоит из термопары
ТП, цилиндрической катушки / и магнитопровода 2, установленного на валу 3. Приемная часть состоит из элемента Холла 4, расположенного в зазоре магнитопровода 2, опорного генератора и регистрирующего прибора. Устройство работает следующим образом. Прн наличии ЭДС, развиваемой термопарой, в цепи ее и катушки / течет ток, который создает магнитный поток в зазоре магнитопровода 2. Индукция магнитного поля в зазоре зависит от ЭДС термопары. Элемент Холла 4, запитанный от опорного генератора и помещенный в зазор, развивает на сигнальных выводах напряжение, частота которого равна частоте опорного генератора, а амплитуда зависит от индукции магнитного поля в этом зазоре. Таким образом, напряжение, снимаемое с преобразователя Холла, является функцией ЭДС, развиваемой термопарой.
Раздел пятый
Исполнительные устройства и опоры
Исполнительные устройства и опоры являются неотъемлемой частью систем автоматики. Исполнительные устройства преобразуют какую-либо электрическую величину, на- пример ток, в механическую (усилие, момент, перемещение и др.).
11о принципу действия исполнительные устройства можно разделить на магнитоэлектрические, ферродинамические, электромагнитные поляризованные, электромагнитные и др.
Опоры могут быть механическими, пневматическими, гидравлическими, электрическими и магнитными. В настоящем разделе рассматриваются только магнитные опоры как наиболее распространенные. Магнитные опоры преобразуют внешнее возмущающее воздействие в электромагнитное и обратно.
ГЛАВА 13. МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ, ФЕРРОДИНАМИЧЕСКИЕ, ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯРИЗОВАННЫЕ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
В различных системах и устройствах ав- тематики возникает необходимость в преобразовании электриче- ских сигналов в механические. Для этой цели разработаны и при- метаются многочисленные исполнительные устройства.
Исполнительным устройством называется устройство, осущестг- уютее перемещение регулирующего органа в соответствии с управляющими сигналами, поступающими от измерительного преоб- разователя или управляющего элемента.
Широкое распространение получили магнитоэлектрические, ферродинамические, электромагнитные поляризованные и электромагнитные исполнительные устройства. В зависимости от требова- ний, предъявляемых к исполнительному устройству, применяется та или иная его схема. Например, для получения высокой линейности характеристики управления целесообразно использовать магнитоэлектрические исполнительные устройства, однако они не работают на переменном токе. В данной главе дается краткое описа- ние принципа действия и характеристик исполнительных устройств.
§ 13,1. Магнитоэлектрические исполнительные устройства
Магнитоэлектрические исполнительные устройства нашли широкое применение в различных системах автоматики. Ои имеют лучшие характеристики, чем ферродинамиче- ские исполнительные устройства, при одинаковых габаритных размерах. Магнитоэлектрические исполнительные устройства имеют высокую линейность характеристики управления при фиксирован' иом положении подвижной части и обладают хорошей стабильностью характеристик. Недостатками магнитоэлектрических испол* нительных устройств является подверженность их влиянию магнит' ных полей и работа только на постоянном токе.
На рис. 13.1, а приведена принципиальная схема магнитоэлектрического исполнительного устройства, предназначенного для
Рис. 13.1. Магнитоэлектрические исполнительные устройства： а — принципиальная схема устройства, преобразующего ток в усилие; 6 — схема устройства, работающего при больших угловых перемещениях *
создания усилий, действующих на подвижную часть механизма при небольших ее перемещениях. Устройство состоит из двух ПО' стоянных магнитов 2, включенных встречно, магнитопровода /, катушки 4, установленной внутри пластмассовой детали 5, и ферромагнитного кольца 3.
Постоянные магниты создают индукцию в воздушном зазоре, в котором расположена катушка. Катушка связана с подвижной частью устройства и может перемещаться в воздушном зазоре, не касаясь магнитной системы. При прохождении через катушку постоянного тока на нее действует сила
Р—В^Н^.
Здесь 5с — индукция в воздушном зазоре; / — ток, протекающий через катушку; /ср — длина среднего витка катушки; w ——число витков катушки.
Значение индукции 5& в воздушном зазоре определяется из расчета магнитной цепи. Максимальное значение тока ограничивается нагревом катушки. Направление силы, действующей на катушку, определяется по правилу левой руки. При постоянном значении индукции характеристика управления линейная.
На рис. 13.1, б изображена схема магнитоэлектрического исполнительного устройства, работающего при больших угловых перемещениях катушки относительно магнитопровода. Оно имеет магнитопровод, состоящий из кольца 2 и цилиндра 4. Между кольцом и цилиндром закреплен постоянный магнит 1 таким образом, чтобы воздушный зазор был равномерным. Кольцо 2 охватывает подвижная катушка 3, которая может совершать угловые перемещения, не касаясь при этом магнитопровода.
Момент вращения, действующий на катушку,
M = BlIl^r,
где Вб ——индукция в воздушном зазоре, создаваемая постоянным магнитом; / — ток, протекающий по катушке; /а ——длина активной
Рис. 13.2. Зависимости момента от тока в маг-Рис. 13.2. Зависимости момента от тока в маг-части витка катушки (т. е. части витка, находящейся в магнитном поле); w ——число витков; г ——радиус вращения катушки.
Рис. 13.2. Зависимости момента от тока в маг-
Рис. 13.2. Зависимости момента от тока в маг-
При симметричном положении катушки относительно вертикальной оси (а=0) магнитоэлектрическое исполнительное устройство имеет линейную зависимость момента от тока (рис. 13.2), если же катушка находится в несимметричном положении, то зависимость момента от тока несколько отклоняется от прямой линии. Это происходит из-за влияния МДС катушки на значение индукции в воздушном зазоре. Если при
иитоэлектрическом ис- отклонениях катушки по часовой стрелке полиительиом устройстве момент растет, то при отклонениях против часовой стрелки момент уменьшается.
В первом случае поток, создаваемый МДС катушки, складывается
с потоком постоянного магнита, а во втором он вычитается, так
как при этом потоки направлены встречно.
Для повышения линейности характеристики управления следует использовать ее начальный участок, т. е. пропускать через обмотку
небольшие токи, а для увеличения момента следует повышать индукцию в воздушном зазоре, уменьшая воздушный зазор или применяя постоянные магниты с большой энергией.
На характеристику управления оказывает влияние изменение температуры окружающей среды. Изменение температуры на 10℃ вызывает погрешность 0,2—0,3%. Кроме того, на характеристику управления влияют внешние магнитные поля, вибрация и удары.
§ 132 Ферродинамические исполнительные устройства
Ферродинамические испол ни тель ные устройства предназначены для преобразования электрического тока в механическое усилие или в момент вращения. Для них характерны простота конструкции и технологии изготовления. Работают ферродинамические исполнительные устройства как на постоянном, так и на переменном токе. Ферродинамические исполнительные устройства отличаются от магнитоэлектрических тем, что подвижная
Рис. 13.3. Ферродииамическое исполнительное устройство:а — принципиальная схема； б — схема устройства с подвижным магнитопроводомРис. 13.3. Ферродииамическое исполнительное устройство:а — принципиальная схема； б — схема устройства с подвижным магнитопроводомобмотка с током расположена в магнитном поле, создаваемом другой обмоткой с током.
Рис. 13.3. Ферродииамическое исполнительное устройство:
а — принципиальная схема； б — схема устройства с подвижным магнитопроводом
Рис. 13.3. Ферродииамическое исполнительное устройство:
а — принципиальная схема； б — схема устройства с подвижным магнитопроводом
Принципиальная схе- м а ферродинами ческого исполнительного устройства приведена на рис. 13.3, а. На магнитопроводе / расположена неподвижная обмотка возбуждения 2, питаемая током 厶.Вдоль верхней части магнитопровода перемещается обмотка управления 3, жестко связанная
с подвижной частью ме
ханизма и питаемая током /2. От взаимодействия тока 厶 с магнитным полем, создаваемым током /ь образуется сила Р, действующая
на подвижную обмотку:
где Вб — индукция в воздушном зазоре, определяемая из расчета магнитной цепи; /а — активная длина витка (часть витка, находящаяся в магнитном поле); w ——число витков подвижной обмотки.
В некоторых устройствах требуется, чтобы к подвижной части не присоединялись провода от источника питания. В этих случаях используются ферродинамические испол ните ль ные устройства с подвижным магнитопроводом. Схема такого устройства приведена
251
на рис. 13.3, б. Обмотка возбуждения / жестко связана с обмоткой управления 3 и вместе с ней крепится на неподвижной части механизма. Подвижным является магнитопровод 2, который может перемещаться под действием силы от взаимодействия тока с магнитным полем системы относительно неподвижных обмоток в заданном диапазоне. Принцип действия этого устройства аналогичен вышеописанной схеме ферродинамического исполнительного устройства, однако в конструкции его предусмотрена возможность перемещения магнитопровода относительно неподвижных обмоток.
Если питать обмотки ферродинамического исполнительного устройства переменными токами одинаковой частоты
l\ = l\m sin wZ h »2 = /2m5也（成 + 中），
где 屮——фазовый угол сдвига между токами L и 力,то среднее значение силы, действующей на подвижную часть, будет
0021c
0
0
6/1"2m sin з人 sin（0）2 + cp） d9t = kl 1OT/2m COS R
Сила, созданная ферродинамическим исполнительным устройством, зависит в этом случае не только от значений токов, но и от угла сдвига фаз между токами. Ферродинамические исполнительные устройства используются в системах автоматического регулирования, в электрических реле и в измерительных приборах,
Электромагнитные поляризованные исполнительные устройства
Электромагнитные поляризованные исполнительные устройства наибольшее применение получили в системах автоматического управления, преимущественно в системах управления скоростью перемещения и в системах управления положением различных объектов.
Обычные электромагниты в подавляющем большинстве имеют релейную характеристику. В отличие от них электромагнитные поляризованные исполнительные элементы обладают непрерывной характеристикой （выходная величина изменяется пропорционально входной）. Линейное перемещение якоря или его угол поворота в таких устройствах пропорциональны электрическому сигналу, поступающему на вход.
Схема электромагнитного поляризованного исполнительного устройства приведена на рис. 13.4, а. Оно состоит из магнитопровода 1, якоря 2, обмотки управления 3 и обмотки возбуждения, состоящей из двух катушек 4, соединенных последовательно. Обмотка возбуждения неподвижно закреплена на стержнях магнитопровода. Обмотка управления также неподвижна, ее внутренний 252
размер несколько больше ширины якоря. Благодаря этому якорь может поворачиваться на некоторый угол внутри обмотки управления. Между верхней частью якоря и магнитопроводом имеется небольшой технологи чески й зазор 6Т, а между полюсными наконечниками магнитопровода и якорем имеются рабочие зазоры б.
Обмотка возбуждения создает потоки ФвЛ и ❿》", проходящие по магнитопроводу, через рабочие воздушные зазоры и якорь. Обмотка управления образует поток Фу, разветвляющийся на два по-
Рис. 13.4. Электромагнитное поляризованное исполнительное устройство： а — принципиальная схема; б — статические характеристики устройства
тока —❿у' и ❿у", замыкающиеся через рабочие зазоры магнитопровода и технологический зазор. При питании обмотки возбуждения и отсутствии тока в обмотке управления якорь занимает устойчивое среднее положение. При подаче тока в обмотку управления создаются потоки ❿у' и ❿у". В левом рабочем зазоре поток Фу, складывается с потоком Фв/, а в правом зазоре потоки ❿у" и ❿в" направлены в разные стороны. Сила, действующая на якорь со стороны левого полюса, становится больше силы, действующей со стороны правого полюса, в результате чего якорь повернется по часовой стрелке. Если изменить полярность обмотки управления, то в левом рабочем зазоре будет разность потоков ❿/ и Фв‘，а в правом ——сумма потоков ❿у" и ❿в", и якорь повернется против часовой стрелки.
Статической характеристикой электромагнитного поляризованного исполнительного устройства является зависимость перемещения подвижной части (хода якоря) от тока управления (рис. 13.4, 6). С увеличением тока управления растет перемещение яко-
ря, а с изменением направления тока меняется и направление хода якоря. Другой статической характеристикой электромагнитного поляризованного исполнительного устройства является зависимость момента или усилия от тока управления при постоянном угле поворота якоря, приведенная на рис. 13.4, 8. Потребляемая мощность электромагнитных поляризованных исполнительных устройств представляет собой сумму мощности, идущей на управление, и мощности, создающей поток возбуждения.
Электромагнитные исполнительные устройства
Электромагнитные исполнительные устройства предназначены для преобразования электрического тока в пропорциональное ему перемещение частей различных механизмов. Эти устройства позволяют получить при сравнительно больших ходах значительные усилия на якоре.
полненного из магнитомягкогополненного из магнитомягкогоРяс. 13.5. Электромагнитное исполнительное устройство:а — принципиальная схема; б—схема включения катушекРяс. 13.5. Электромагнитное исполнительное устройство:а — принципиальная схема; б—схема включения катушекПринципиальная схема электромагнитного исполнительного устройства приведена на рис. 13.5, а. Оно состоит из корпуса /, вы- материала, обмотки управления 2, двух крышек с полюсными наконечниками 3 и якоря 4. Якорь центрируется относительно корпуса с помощью специальных пружин (на рисунке не показаны). Обмотка устройства состоит из двух катушек, включенных параллельно в соответствии со схемой рис. 13.5, б. При протекании по катушкам одинаковых токов /| = /2 = /о на якорь действуют равные по величине, но противоположно направленные силы РЭМ1 и РЭм2. Результирующая сила в этом случае Рэм=Рэм1—Рзм2=0. Управляют да иным устройством, увеличивая ток /1 или /2 и соответственно снижая ток /2 или 厶. При этом на якорь действует си
полненного из магнитомягкого
полненного из магнитомягкого
Ряс. 13.5. Электромагнитное исполнительное устройство:
а — принципиальная схема; б—схема включения катушек
Ряс. 13.5. Электромагнитное исполнительное устройство:
а — принципиальная схема; б—схема включения катушек
ла, зависящая от разности токов А/=/】——/2. Максимальное значение эта разность достигает в случае, когда ток в одной из катушек спадает до нуля, а в другой ——возрастает до максимального значения Д/т = 2/0.
Характеристикой управления электромагнитного исполнительного устройства называется зависимость электромагнитной силы, действующей на якорь, от разности токов в обмотках управления. Рзм = / (А/).
При симметричном положении якоря на него действует сила
РЭМ = ^1 — kl\ = k(11-j- /2)(/1 — /2)»
где k ——коэффициент пропорциональности (^=const, если магнитопровод ненасыщен).
Управление электромагнитным устройством осуществляется таким образом, что сумма токов 厶 и /2 остается постоянной:
Л + /2 = 2/о.
Тогда Рэм=2й/0Д/, где Д/=/|—/2.
Характеристика управления линейная при симметричном положении якоря. При отклонениях якоря от симметричного положения характеристика управления Рэм=/(Д/) становится нелинейной. Для получения линейной характеристики управления следует ограничивать диапазон перемещений якоря.
ГЛАВА 14. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ МУФТЫ С МЕХАНИЧЕСКОЙ СВЯЗЬЮ
Муфта в технике — деталь (или узел) для соединения, обычно по длине, двух (редко трех) частей машины или сооружения призматической или цилиндрической формы валов, тяг, труб, зубчатых колес, кабелей и т. д. (рис. 14.1). При- водная муфта работает в приводе — устройстве, приводящем в движение рабочую машину (механизм). Приводная муфта предназначена для соединения двух деталей, связанных общим вращатель- ным движением (вала с валом; вала с зубчатым колесом, шкивом, звездочкой; зубчатого колеса с зубчатым колесом и т. п.).
Приводная нерасцепляемая (глухая) муфта постоянно соединяет две детали привода. Приводная сцепная (расцепляемая) муфта——муфта, которая может соединять и разъединять эти детали. Обычное назначение такой муфты — соединять и разъединять двигатель с рабочей машиной при вращении (рис. 14.2). С ведущим валом / двигателя связана ведущая часть 2 приводной сцепной муфты, с ведомым валом 4 рабочей машины связана ведомая часть 3 муфты. Эта муфта устроена так, что по команде человека или какого-либо автоматического устройства ведомая часть 3 муфты соединяется с ведущей 2, по другой команде — разъединяется с ней. Соединение ведущей и ведомой частей муфты позволяет передать механическую энергию двигателя рабочей машине (при вращении).
Приводная сцепная самодействующая муфта не требует участия человека в ее управлении. Она действует автоматически по команде устройства, заключенного внутри конструкции самой муфты. К самодействующим муфтам относятся обгонные (передают момент только в одну сторону), предохранительные перегрузочные (применяются для предохранения от поломок деталей машин) и др.
Приводная сцепная управляемая муфта соединяет или разъединяет двигатель и рабочую машину по команде человека или автоматически по команде какого-либо внешнего по отношению к муфте устройства. Необходимость в приводных, сцепных управляемых муфтах возникает, например, тогда, когда пуск и останов ра-
Рис. 14.1. Классификация муфт
бочей машины непосредственно двигателем может оказаться невыгодным или невозможным (из-за перегрева электродвигателя или по другим причинам).
Приводная сцепная управляемая муфта, которая позволяет изменять направление вращения ведомого вала, называется реверсивной.
Рис. 14.2. Структурная схема привода с муфтойРис. 14.2. Структурная схема привода с муфтойВ зависимости от физической природы управляющего сигнала приводные сцепные управляемые муфты подразделяются на муфты. с механическим, гидравлическим, пневматическим и электрическим (электромагнитным и электростатическим) управлением. Наиболее широкое применение в настоящее время почти во всех отраслях промышленности нашли приводные сцепные муфты с электромагнитным управлением. В зависимости от характера связи ведущей и ведомой частей их можно разбить на муфты с механической связью и муфты с магнитной связью. В учебнике рассматриваются только первые.
Рис. 14.2. Структурная схема привода с муфтой
Рис. 14.2. Структурная схема привода с муфтой
Приводная сцепная управляемая электромагнитная муфта с механической связью (далее кратко электромагнитная муф
та) ——это приводная сцепная муфта, в которой вращательное движение передается от ведущей части муфты к ведомой механическим трением или зацеплением, а управление этим процессом осуществляется с помощью магнитного поля, создаваемого электромагнитом, который органически входит в конструкцию муфты.
В зависимости от вида механической связи электромагнитные муфты делятся на фрикционные, зубчатые и порошковые. Электромагнитная фрикционная муфта (ЭФМ). осуществляет связь ведущей и ведомой частей с помощью сил трения между твердыми поверхностями в виде дисков, цилиндров и конусов. Наибольшее распространение получили дисковые ЭФМ, в которых поверхности трения и сами трущиеся элементы имеют некоторое сходство с дисками, расположенными в плоскости, перпендикулярной оси вращения (диск — круглая пластина). Такие ЭФМ называются однодисковыми, если они имеют одну или две пары поверхностей трения; многодисковыми — если больше двух пар.
Почти все известные в настоящее время электромагнитные муфты с механической связью рассчитаны на питание обмоток от цепи постоянного тока. Для увеличения быстродействия используются различные схемы форсировки.
Однодисковые электромагнитные фрикционные муфты
Рассмотрим только однодисковые ЭФМ с одной парой поверхностей трения и вращающейся катушкой.
ЭФМ с поверхностями трения, через которые проходит рабочий поток, изображена на рис. 14.3. Она осуществляет передачу вращения от ведущего вала 9 к ведомому 5. На валу 9 с помощью шпонки 8 жестко закреплена ведущая часть муфты, состоящая из корпуса /2, катушки //, контактных колец 10 и щеток, через которые на катушку подается напряжение (провода, связывающие контак-
тные кольца и катушку, и щеточный узел не показаны). Ведущая часть муфты не может перемещаться относительно вала 9 в осевом направлении (механизм фиксации от осевого перемещения вправо на рис. 14.3 не показан). На ведомом валу 5 с помощью шпонки 7 (или шлицевого соединения) закреплен якорь 3 муфты. Якорь может перемещаться вдоль оси вала в пределах зазора 6】между полюсом / и якорем. Правым ограничителем осевого хода ведомой
Рис. 14.3. Однодисковая электромагнитная фрикционная муфта с поверхностями трения, через которые проходит рабочий потокРис. 14.3. Однодисковая электромагнитная фрикционная муфта с поверхностями трения, через которые проходит рабочий потокчасти муфты является пружинное кольцо 6. Выполненные из ферромагнитного материала корпус /2 и якорь 3 муфты образуют магнитопровод, по которому замыкается магнитный поток Ф, создаваемый катушкой //. Под действием электромагнитных сил якорь муфты притягивается к полюсам / и 2. Сила сжатия фрикционных поверхностей 13 полюса / и якоря 3 создает силу трения, достаточную для передачи некоторого момента. При обесточивании катушки возврат муфты в исходное положение, по
Рис. 14.3. Однодисковая электромагнитная фрикционная муфта с поверхностями трения, через которые проходит рабочий поток
Рис. 14.3. Однодисковая электромагнитная фрикционная муфта с поверхностями трения, через которые проходит рабочий поток
казанное на рис. 14.3, осуществляется возвратной пружиной 4, которая была сжата при срабатывании. Пружина своим левым концом упирается в уступ ведомого вала, а правым — в якорь 3. Зазор б2 сделан несколько больше 61 для уменьшения остаточного магнитного потока.
Фрикционные материалы, имеющие большой коэффициент трения, обычно немагнитны. Так как в конструкции рис. 14.3 магнитный поток проходит через поверхности трения /3, то такие фрикционные материалы в ней использовать можно только небольшой толщины, чтобы не увеличивать существенно конечный немагнитный зазор на пути рабочего потока Ф. Увеличение этого зазора приведет к росту габаритов, массы, потребляемой мощности, поэтому в большинстве однодисковых муфт фрикционные элементы выносятся за пределы пути рабочего магнитного потока.
ЭФМ с поверхностями трения, через которые не проходит рабочий поток, показана на рис. 14.4. Ведущая часть муфты состоит из корпуса 3 со шпоночной канавкой 1, контактных колец 2, катушки 4 и стального фрикционного кольца 5, жестко закрепленного на корпусе 3 муфты. Ведомая часть муфты состоит из фрикционного диска 6, жестко закрепленного на якоре 7; якоря, мембраны 8 и
полого цилиндра 10 со шпоночной канавкой 12. Магнитный поток Ф в этой муфте замыкается по корпусу 3 и якорю 7, а трение осуществляется между кольцом 5 и диском 6 (рабочий поток не проходит через поверхности трения). Фрикционный диск обычно делается съемным.
В процессе эксплуатации муфта требует регулировки: по мере износа диска 6 необходимо переставлять кольцо 5 таким образом, чтобы зазор бв между поверхностями трения всегда был меньше зазора di max между якорем и корпусом муфты, в противном случае сжиматься будут якорь и корпус, а так как коэффициент трения между стальными якорем и корпусом меньше, чем между стальным кольцом 5 и фрикционным диском 6, то муфта не сможет передать момент, на который она рассчитана.
Возврат якоря муфты в исходное положение (рис. 14,4, а) из положения после срабатывания (рис. 14.4, б) происходит под действием мембраны 8 ——плоской пружины в форме диска с разрезами. Через внешние отверстия 9 мембрана жестко прикреплена к
Рис. 14.4. Одиодисковая электромагнитная фрикционная муфта с поверхностями трения, через которые не проходит рабочий поток, при обесточенной катушке (а) и во включенном состоянии (6)
якорю, через внутренние отверстия 11 — к полому цилиндру 10. При включении муфты мембрана изгибается таким образом, что зазор между мембраной и правой (поверхностью якоря (бв на рис. 14.4,6) становится практически равным зазору 6В между фрикционными поверхностями в начальном положении (рис. 14.4,а). Использование мембраны в качестве возвратной пружины позволяет отказаться от скользящего соединения ведомого вала с ведомой частью муфты, необходимого в конструкции муфты рис. 14.3.
Многодисковые электромагнитные фрикционные муфты
Такие муфты получили большее распространение, чем однодисковые.
ЭФМ с фрикционными дисками, через которые проходит рабочий поток, показана на рис. 14.5 в отключенном состоянии в варианте с вр ащающейся катушкой. Ведущая часть муфты состоит из корпуса 2, жестко закрепленного на немагнитной шлицевой втулке /; обмотки 3; контактного кольца 4 (подвод тока к другому выводу
Рис. 14.5. Многодисковая электромагнитная фрикционная муфта с вращающейся катушкой и фрикционными дисками, через которые ра- бочнй поток проходит два разаРис. 14.5. Многодисковая электромагнитная фрикционная муфта с вращающейся катушкой и фрикционными дисками, через которые ра- бочнй поток проходит два раза
Рис. 14.5. Многодисковая электромагнитная фрикционная муфта с вращающейся катушкой и фрикционными дисками, через которые ра- бочнй поток проходит два раза
Рис. 14.5. Многодисковая электромагнитная фрикционная муфта с вращающейся катушкой и фрикционными дисками, через которые ра- бочнй поток проходит два раза
обмотки осуществляется через массу) и ведущих фрикционных дисков 6, связанных со шлицевой втулкой / таким образом, что они могут перемещаться вдоль шлицев в небольших пределах, ограниченных корпусом 2 и пружинным кольцом 9. На правой проекции рис. 14.5 видны зубья 15 ведущего фрикционного диска 6, расположенные во впадинах между зубьями-шлицами 12 втулки 工 С крайним правым ведущим диском 8 жестко связан якорь 7. Ведомая часть диска состоит из поводка 10 и ведомых фрикционных дисков £ Диски 5 и поводок 10 соединены между собой так, что диски могут свободно перемещаться вдоль оси поводка, но не могут проворачиваться относительно поводка (выступы-зубья 16 поводка 10 расположены между зубьями 13 ведомых дисков 5).
Для удобства обозначения расстояния между фрикционными дисками (зазоры) и толщина дисков на рис. 14.5 сильно увеличены по сравнению с действительными. На самом деле за счет остаточного потока, перекосов, люфтов, отсутствия фиксации каждого диска ведомые и ведущие диски касаются друг друга и при разомкну- 260
-той обмотке. Так как при такой конструкции практически невозможно обеспечить гарантированные зазоры между ведущими и ведомыми дисками, то при вращении ведущей части муфты и при обесточенной обмотке рассматриваемая муфта передает ведомой части некоторый остаточный момент (остаточный момент ——момент, передаваемый муфтой после снятия сигнала управления и уменьшения потока в муфте до установившегося остаточного).
Сила, сжимающая все диски (фрикционный пакет), создается магнитным потоком, который замыкается между ферромагнитными корпусом 2 и якорем 7, пронизывая все диски. Последние делаются поэтому стальными, без специальных фрикционных покрытий, так как эти покрытия, обычно немагнитные, существенно увеличили бы магнитное сопротивление рабочему потоку при притянутом якоре. Такие диски называются поэтому «магнитопроводящимиу>. 《Широкими》они называются потому, что рабочий магнитный поток пронизывает каждый диск дважды (^узкие^ диски пронизываются рабочим потоком один раз).
У ЭФМ с фрикционными дисками, через которые проходит рабочий магнитный поток, в конструкции не предусматрена специальная пружина, возвращающая якорь в исходное положение при размыкании цепи обмотки. Функцию этой пружины в таких муфтах выполняют обычно сами диски ——ведущие или ведомые. Один из комплектов этих дисков изготавливается таким образом, что каждый диск из этого комплекта в свободном состоянии представляет собой круглую, волнообразно изогнутую стальную пластину (на рис. 14.5 изгибы не показаны). При срабатывании электромагнита муфты под действием сжимающей эти диски силы они распрямляются. Вслед за размыканием цепи обмотки сжатые диски, сделанные из упругой стали, стремятся принять свою естественную волнообразную форму. При этом фрикционный пакет начинает увеличиваться по толщине. Волнообразно изогнутые диски облегчают первоначальный сдвиг фрикционного пакета, упрощая тем самым дальнейшее расхождение дисков. Первоначальный сдвиг имеет особое значение, так как в сжатом состоянии суммарный зазор МЦ рассматриваемой муфты весьма мал и остаточный магнитный поток, а значит, и создаваемая им сила сжатия дисков могут быть значительными.
К особенностям муфты рис. 14.5 следует отнести наличие потоков утечки Фу, замыкающихся по всем ведущим и ведомым дискам. На основной проекции рис. 14.5 условно показана только одна линия индукции этих потоков. Из-за потоков утечки значение рабочего потока в этой муфте уменьшается от потока в корпусе Фк до потока в якоре Фя (рабочий поток — это поток, создающий силу, сжимающую фрикционные диски). Так как фрикционные диски делаются из ферромагнитного материала, то потоки Фу могут быть значительными. Таким образом, фрикционные диски шунтируют якорь 7. Для уменьшения потоков утечки во всех фрикционных дисках поперек пути этих потоков делаются вырезы, увели-
чивающие магнитное сопротивление этого пути. На рис. 14.5 на разрезе ведомого диска 5 показан путь потоков Фу через одну из перемычек 14 между вырезами // этого диска.
Износ фрикционных дисков рассмотренной ЭФМ приводит к некоторому уменьшению их толщины, что практически не влияет на сопротивление магнитопровода. Другая составляющая суммарного сопротивления МЦ муфты, которая ощутима и при притянутом якоре,——сопротивление немагнитных междисковых зазоров. Оно существенно даже при высокой чистоте обработки поверхностей стальных фрикционных дисков, потому что в многодисковой ЭФМ таких зазоров много и они включены в МЦ последовательно. Большим достоинством муфт с фрикционными дисками, через которые проходит рабочий поток, является то, что износ дисков практически не влияет также и на это магнитное сопротивление. Таким образом, сила сжатия таких фрикционных дисков почти не изменяется в процессе эксплуатации ЭФМ, и муфта с такими дисками не требует регулировки рабочего зазора, которая необходима у ЭФМ рис. 14.4 с дисками, через которые не проходит рабочий поток.
Примерное представление об устройстве однодисковой ЭФМ с двумя парами поверхностей трения можно получить из 14,5, если у изображенной на этом рисунке многодисковой ЭФМ оставить только один диск (ведомый), который при включении муфты будет зажиматься между корпусом 2 и якорем. 7. Многодисковые муфты, а также однодисковые с двумя парами ловерхностей трения в большей степени, чем однодисковые с одной парой поверхностей трения, соответствуют термину «дисковые», так как в них действительно имеются диски — круглые пластины, толщина которых значительно меньше наружного диаметра.
Различают сухие 〃 масляные дисковые фрикционные муфты. В первых поверхности трения защищены от попадания масла； в масляных ——фрикционные поверхности работают при постоянной смазке. Это хотя и уменьшает коэффициент трения, но зато повышает надежность работы муфты, так как сводит к минимуму вероятность заедания дисков в режимах, при которых частоты вращения ведомых и ведущих фрикционных дисков различны. Смазка уменьшает также износ дисков и улучшает их охлаждение.
Однодисковые ЭФМ почти всегда работают без смазки. Многодисковые бывают как масляные, так и сухие. Среди ЭФМ наибольшее распространение получили многодисковые масляные муфты с фрикционными дисками, через которые проходит рабочий магнитный поток. В конструкции рис. 14,5 масло к фрикционным дискам подается по каналу /7.
(14-1)(14-1)Подробнее остановимся на основном преимуществе многодисковых муфт по сравнению с однодисковыми. Момент, который могут передать силы трения многодисковой ЭФМ, приближенно можно выразить уравнением
(14-1)
(14-1)
М=(т— 1)Атр (Rm — ^Мх)2р/2,
где 加一число фрикционных дисков (т—1 — число пар трения, равное числу междисковых промежутков);左旧一коэффициент трения; Рэм — электромагнитная сила притяжения якоря муфты； Рмх — сила, возвращающая якорь в исходное положение; Dcp ——средний диаметр поверхностей трения.
Крайние диски имеют по одной поверхности трения, промежуточные—по две. Уравнение (14.1) показывает, что при увеличении числа дисков т можно уменьшить средний диаметр поверхностей трения jDCp. Фрикционные диски многодисковых ЭФМ имеют толщину 0,6—4 мм, отношение наружного диаметра к толщине около ■80—120 и отношение наружного диаметра к среднему 1,1—1,2 [28], поэтому увеличение числа дисков (до некоторого предела) практически не приведет к увеличению габаритов и массы муфты, а уменьшение среднего диаметра дисков позволит существенно снизить эти параметры. У современных многодисковых ЭФМ малого размера—до 4 пар поверхностей трения, у средних — от 8 до 12 и у больших — до 20 [28]. Многодисковые ЭФМ получили наибольшее распространение среди всех типов электромагнитных муфт.
Уравнение (14.1) показывает, что при увеличении числа дисков увеличивается момент М который может передать муфта силами трения. Однако для муфт с дисками, через которые могут замыкаться «потоки утечки, при увеличении числа дисков, во-первых, уве- личивается суммарный немагнитный зазор, а во-вторых, возрастают потоки утечки Фу. В результате при числе дисков, больших некоторого значения, происходит уменьшение момента.
Многодисковая ЭФМ с вращающейся катушкой и фрикционными дисками, через которые рабочий поток проходит один раз, показана на рис. 14.6 (при притянутом якоре). Ведущая часть муф- ты состоит из якоря 2; корпуса 9 с жестко закрепленными на нем контактным кольцом 7, катушкой 10, немагнитной шлицевой втулкой 8; ведущих фрикционных дисков 6; возвратной пружины 3, обеспечивающей расцепление дисков при обесточенной катушке, и пружинного кольца /, которое является левым ограничителем хода якоря. Фрикционные диски 6 могут перемещаться по шлицам втулки 3 вдоль оси вращения муфты. Ведомая часть муфты состоит из по- водка 4 и ведомых фрикционных дисков 5, которые соединяются с поводком так же, как у муфты рис. 14.5. В отличие от муфты рис. 14.5 у муфты рис. 14.6 фрикционные диски 5 н 6 пронизываются потоком Ф только один раз. Такая конструкция не только уменьшает примерно в два раза суммарный немагнитный зазор при притянутом якоре, но и свободна от недостатка муфты рис. 14.5 (у муф- тн рис. 14.6 нет потоков утечки, шунтирующих якорь).
Многодисковая ЭФМ с неподвижной катушкой и фрикционными дисками, через которые проходит рабочий поток (рис. 14.7), отличается от муфты с вращающейся катушкой отсутствием контактного кольца, а также наличием двух зазоров 6，и 6", кото- рые отделяют вращающуюся на подшипнике 10 ведущую часть муф- ты (детали 1, 2, 3, 6, 7, //) от неподвижной (детали S и 9). Су-
ществуют конструкции муфт с неподвижной катушкой, в которой зазоры, отделяющие вращающуюся часть муфты от неподвижной> одновременно совмещают в себе функции рабочих зазоров («совмещенные зазоры»). Муфта рис. 14.7, в которой неподвижная часть от вращающейся отделяется с помощью одних (нерабочих) зазо-
Рис. 14.7. Многодисковая электромагнитная муфта с неподвижной катушкой н фрикционными дисками, через которые проходит рабочий потокРис. 14.7. Многодисковая электромагнитная муфта с неподвижной катушкой н фрикционными дисками, через которые проходит рабочий потокРис. 14.6. Многодисковая электромагнит- наи фрикционная муфта с вращающейся катушкой и фрикционными дисками, через которые рабочий поток проходит один раз
Рис. 14.7. Многодисковая электромагнитная муфта с неподвижной катушкой н фрикционными дисками, через которые проходит рабочий поток
Рис. 14.7. Многодисковая электромагнитная муфта с неподвижной катушкой н фрикционными дисками, через которые проходит рабочий поток
ров, а электромагнитная сила притяжения якоря создается в других (рабочих) зазорах, называется муфтой с «несовмещенными зазорами».
У муфты рис. 14.7 кроме потоков утечки, замыкающихся по фрикционным дискам и аналогичных Фу (см. рис. 14.5), имеются еще потоки рассеяния Фа (рис. 14.7), замыкающиеся по корпусу 7 ана~ логично тому, как замыкаются потоки утечки по фрикционным дискам. Для уменьшения потоков рассеяния ①(/ в корпусе 7 муфты делаются окна, выполняющие те же функции, что и вырезы во фрикционных дисках.
Деление потоков муфты рис. 14.7, шунтирующих якорь, на потоки рассеяния и потоки утечки вызвано тем, что первые не принимают участия в сжатии дисков, а вторые частично в этом участие принимают (за счет части потоков утечки сила, сжимающая ближайшие к корпусу муфты фрикционные диски, больше силы, сжимающей диски, ближайшие к якорю).
На рис. 14.7 фрикционные диски условно показаны сгруппированными у якоря. На самом деле при обесточенной обмотке они занимают безразличное положение на участке от якоря до корпуса.
ЭФМ с фрикционными дисками, через которые не проходит рабочий поток, в варианте с вращающейся катушкой показана на рис. 14.8 при притянутом якоре. По конструкции эта муфта имеет некоторое внешнее сходство с муфтой рис. 14.6. Отличие состоит в том, что у муфты рис. 14.8 рабочий поток Ф не проходит через диски, тогда как у муфты рис. 14.6 проходит. У муфты рис. 14.8 поток Ф встречает на своем пути только два рабочих зазора； у муфты рис. 14.6 — много промежутков между фрикционными дисками и один немагнитный зазор в месте скользящего соединения якоря 2 с корпусом 9 (рис. 14.6). Фрикционные диски муфты рис. 14.8 могут быть изготовлены из немагнитного материала, а муфты рис. 14.6 — только из ферромагнитного. Втулка 8 муфты рис. 14.6 изготовлена из немагнитного материала, аналогичная часть муфты рис. 14.8 ——из ферромагнитного (является частью магнитопровода). Так как фрикционные диски, через которые не про-
Рис. 14.8. Многодисковая электромагнитная муфта с вращающейся катушкой и фрикционными дисками, через которые не проходит рабочий поток: 7 — возвратная пружина; 2 — ограничитель обратного хода якоря； 3 — якорь; 4 — поводок； 5 — ведущий фрикционный диск; 6 — ведомый фрикционный диск; 7 — регулировочное кольцо; 8 — контактное кольцо; 9 — катушка； 10 — ферромагнитный корпусРис. 14.8. Многодисковая электромагнитная муфта с вращающейся катушкой и фрикционными дисками, через которые не проходит рабочий поток: 7 — возвратная пружина; 2 — ограничитель обратного хода якоря； 3 — якорь; 4 — поводок； 5 — ведущий фрикционный диск; 6 — ведомый фрикционный диск; 7 — регулировочное кольцо; 8 — контактное кольцо; 9 — катушка； 10 — ферромагнитный корпусРис. 14.9. Электромагнитный тормоз (при отключенной обмотке)Рис. 14.9. Электромагнитный тормоз (при отключенной обмотке)
Рис. 14.8. Многодисковая электромагнитная муфта с вращающейся катушкой и фрикционными дисками, через которые не проходит рабочий поток: 7 — возвратная пружина; 2 — ограничитель обратного хода якоря； 3 — якорь; 4 — поводок； 5 — ведущий фрикционный диск; 6 — ведомый фрикционный диск; 7 — регулировочное кольцо; 8 — контактное кольцо; 9 — катушка； 10 — ферромагнитный корпус
Рис. 14.8. Многодисковая электромагнитная муфта с вращающейся катушкой и фрикционными дисками, через которые не проходит рабочий поток: 7 — возвратная пружина; 2 — ограничитель обратного хода якоря； 3 — якорь; 4 — поводок； 5 — ведущий фрикционный диск; 6 — ведомый фрикционный диск; 7 — регулировочное кольцо; 8 — контактное кольцо; 9 — катушка； 10 — ферромагнитный корпус
Рис. 14.9. Электромагнитный тормоз (при отключенной обмотке)
Рис. 14.9. Электромагнитный тормоз (при отключенной обмотке)
ходит рабочий поток, вынесены за пределы контура этого потока, то они получили название ^вынесенных» дисков. Обычно такие ведомые диски делаются стальными, ведущие — стальными с металлокерамическим покрытием. Для компенсации изменения конечного немагнитного зазора бтт, которое является следствием износа Дисков и их покрытий, в муфте рис. 14.8 предусмотрена перестановка кольца 7. При работе муфты оно жестко связано с корпусом
10. Кольцо 7 является правым ограничителем хода фрикционных дисков при срабатывании муфты.
Если кольцо 7 и фрикционные диски 5 н 6 сделаны из магнитного материала, то некоторая электромагнитная сила создается и за счет потока, проходящего через них.
Электромагнитный тормоз н а базе ЭФМ может быть получен из любой ЭФМ, предназначенной для передачи вращения, если одну из ее частей (ведущую или ведомую) установить неподвижно, а с вращающимся валом, который необходимо затормозить, соединить другую часть этой муфты. У муфты с вращающейся катушкой последняя располагается обычно на ведущей части, поэтому, если неподвижно закрепить ведущую часть, у такой муфты отпадает необходимость в контактных кольцах и щетках.
Электромагнитный тормоз на базе многодисковой ЭФМ с фрикционными дисками, через которые не проходит рабочий поток, показан на рис. 14.9. Он предназначен для затормаживания двигателя при отключении катушки 4. При этом якорь 6 под действием пружин 2 прижимает весь набор вращающихся 9 и невращающих- ся 7 фрикционных дисков к ограничителю 8, неподвижно закрепленному на корпусе 5. Втулка Л жестко связанная с валом двигателя, останавливается. Корпус 5 тормоза может быть установлен непосредственно на корпусе двигателя с помощью болтов 3. Тормоз рассмотренной конструкции действует на конец вала двигателя, который закрывается крышкой 10 муфты (привод рабочей машины осуществляется от противоположного конца вала двигателе).
Характеристики, динамика работы, выбор, материалы электромагнитных фрикционных муфт
Характеристики и параметры. Имеются в виду характеристики и параметры, включенные в ГОСТ [27]. Эти характеристики указываются в промышленных каталогах, руководящих материалах и технических условиях на ЭФМ, по ним выбирается муфта на заданную нагрузку из выпускаемых промышленностью.
Статические характеристики. ЭФМ, как правило, работают в релейном режиме и не предназначены для плавного регулирования момента, однако при включении и отключении муфты происходит проскальзывание ведущих дисков относительно ведомых. Скольжение s=(几1—几2)/九1； скорость скольжения vs = =(®—&2)Dcp/2, где ni и 几2 — частота вращения, a ® = 2ji© и 6)2 = 2лП2 ——угловые скорости вращения соответственно ведущей и ведомой частей муфты. Так как трение покоя (т. е. без скольжения, при и§=0) отличается от трения движения (т. е. со скольжением, при us>0), то и моменты, передаваемые муфтой в этих двух режимах при одной и той же силе сжатия фрикционных дисков, не одинаковы. По [27]——[29] момент, передаваемый муфтой без сколь- 266
жения, называется передаваемым моментом, а момент, передаваемый муфтой со скольжением, — вращающим моментом. Так как в литературе по электрическим аппаратам и машинам эти слова обычно используются в другом смысле, в гл. 14 вместо них употребляются соответственно термины момент без скольжения и момент со скольжением.
Различают статическую характеристику Мб.с(/вх) муфты по моменту без скольжения (зависимость установившегося значения момента без скольжения от установившегося значения тока управления) и статическую характеристику Мс.с(/вх) по моменту со скольжением. У муфт сухого трения для фрикционных пар металлокерамика ——сталь в рабочем диапазоне скольжений Мб.с= (1,154-1,1)MC C [29]; у масляных муфт это соотношение зависит от температуры, скорости скольжения и продолжительности скольжения, конфигурации фрикционных поверхностей и материалов фрикционной пары. При холодном и вязком масле при низких и средних скоростях скольжения Мб.с= (2,5+3)Мс.с； в самых благоприятных условиях М^,С1МС^ не бывает меньше 1,4—1,5 [28].
Основными характеристиками муфты являются максимальный и номинальный моменты, передаваемые без скольжения, Максималь^ ный момент Мщахб.с ——момент, передаваемый муфтой без скольжения при номинальном сигнале управления (номинальном напряжении или номинальном токе и активном сопротивлении обмотки при 20℃); номинальный момент Мн.б.с —Afmax б.с/^з.н.б.с ——установленное нормативным документом (техническими условиями) значение момента, передаваемого без скольжения. Коэффициент запаса 々з.н.б.с учитывает увеличение сопротивления обмотки при нагреве ее до установившейся температуры, возможное при работе муфты уменьшение напряжения питающей сети и другие факторы (й3.н.б.с> 1)-
Аналогичным образом можно ввести понятия максимального Мщахс.с и номинального Мн.с.с моментов, передаваемых со скольжением.
В зависимости от наличия или отсутствия скольжения разными являются также и остаточные моменты: остаточный момент Мобе без скольжения — наибольший момент электромагнитной муфты, которым можно нагрузить муфту после снятия сигнала управления и окончания электромагнитного переходного процесса без скольжения ведущих дисков относительно ведомых; остаточный момент Мо.&с со скольжением — момент, передаваемый муфтой при заданной скорости скольжения после окончания переходного процесса, который следует за размыканием обмотки управления. Чаще всего экспериментально остаточный момент Мосс со скольжением измеряется при неподвижной ведомой части муфты и пониженной по сравнению с номинальной частоте вращения ведущей части.
:Динамические характеристики. Зависимости от времени моментов, передаваемых муфтой без скольжения и со скольжением, называются динамическими характеристиками муфты.
На рис. 14.10 показан процесс включения и отключения масляной многодисковой муфты с фрикционными дисками, через которые проходит рабочий поток (например, муфты рис. 14.5), при сле
дующих условиях:
Муфта работает в приводе с двигателем неограниченной мощности, развивающим на ведущем валу муфты такой вращающий
а)а)Рис. 14.10. Динамика работы многодисковой ЭФМ с фрикционными дисками, через которые проходит рабочий поток:а — изменение тока i вх в обмотке муфты： б — изменение потока ① f в магнитопроводе муфты： в — изменение моментов： сплошная кривая — момент М , передаваемый муфтой； момент, который после отключения могла бы передать муфта без скольжения Мб.с.отк f — штрихпуиктнрная линия； со скольжением 府 с.с.отк f 一 штриховая линия； г — изменение частот вращения м и 做 соответственно ведущей и ведомой частей муфтыРис. 14.10. Динамика работы многодисковой ЭФМ с фрикционными дисками, через которые проходит рабочий поток:а — изменение тока i вх в обмотке муфты： б — изменение потока ① f в магнитопроводе муфты： в — изменение моментов： сплошная кривая — момент М , передаваемый муфтой； момент, который после отключения могла бы передать муфта без скольжения Мб.с.отк f — штрихпуиктнрная линия； со скольжением 府 с.с.отк f 一 штриховая линия； г — изменение частот вращения м и 做 соответственно ведущей и ведомой частей муфтымомент, который требует от него рабочая машина. Частота вращения вала такого двигателя, а значит, и ведущей части муфты rti=const.
а)
а)
Рис. 14.10. Динамика работы многодисковой ЭФМ с фрикционными дисками, через которые проходит рабочий поток:
а — изменение тока i вх в обмотке муфты： б — изменение потока ① f в магнитопроводе муфты： в — изменение моментов： сплошная кривая — момент М , передаваемый муфтой； момент, который после отключения могла бы передать муфта без скольжения Мб.с.отк f — штрихпуиктнрная линия； со скольжением 府 с.с.отк f 一 штриховая линия； г — изменение частот вращения м и 做 соответственно ведущей и ведомой частей муфты
Рис. 14.10. Динамика работы многодисковой ЭФМ с фрикционными дисками, через которые проходит рабочий поток:
а — изменение тока i вх в обмотке муфты： б — изменение потока ① f в магнитопроводе муфты： в — изменение моментов： сплошная кривая — момент М , передаваемый муфтой； момент, который после отключения могла бы передать муфта без скольжения Мб.с.отк f — штрихпуиктнрная линия； со скольжением 府 с.с.отк f 一 штриховая линия； г — изменение частот вращения м и 做 соответственно ведущей и ведомой частей муфты
Рабочая машина создает постоянный во времени статический противодействующий момент Мпр и имеет приведенный к ведомому валу муфты момент инерции вращающихся частей 」2, в который входит и момент инерции ведомой части муфты.
Напряжение источника питания обмотки не изменяется во времени и находится иа уровне минимально допустимого. Обмотка муфты разогрета до установившейся допустимой температуры, поэтому при включении муфта может без скольжения передать ие максимальный, а номинальный момент Мн.бс
Номинальный момент муфты со скольжением ЛТн.С.С>Мпр. Под моментом Мисс, который в общем случае зависит от скорости скольжения, для определенности далее будем понимать момент силг
передаваемый муфтой со скольжением в момент времени, соответствующий концу переходного процесса иарастаиия потока в магиитопроводе муфты при
включении.
Между ведомой частью муфты и рабочей машиной имеется устройство, позволяющее передавать момент только по направлению от двигателя к рабочей машине. Поэтому, если противодействующий статический момент больше передаваемого муфтой момента, то ведомая часть муфты неподвижна или вращается с замедлением (за счет кинетической энергии, приобретенной при предшествующем рабочем цикле) вплоть до полной остановки. Если передаваемый муфтой момент больше статического противо- действующего момента, то ведомая часть муфты вращается с ускорением, при этом частота вращения ведомой части растет вплоть до «ь При равенстве этих моментов частота вращения ведомой части муфты постоянна и равна ль
В момент включения обмотки (точка 0 на рис. 14.10) частота вращения ведомой части муфты Л2 = 0. При этом муфта передает момент М, равный остаточному моменту ЛТо.с.с (при скольжении S— 1 ).
На участке от точки 0 до точки Г происходит увеличение тока /вх в обмотке муфты до тока трогания при срабатывании Jp.cp (рис. 14.10, а; см. также рис. 3.6, а), при котором рабочий поток муфты равен потоку трогания при срабатывании Фтр.Ср (рис. 14.10, б), достаточному для начала движения якоря. Почти одновременно с началом движения якоря или чуть позже (в точке / на рис. 14.10, 8) начинает увеличиваться сила сжатия дисков, а значит, начинает нарастать момент, который передает муфта. В промежутке времени от точки / до точки 2 момент М, передаваемый муфтой, меньше противодействующего момента Мир, поэтому ведомая часть муфты начинает вращаться только в точке 2, в которой fпр*
В точке У входной ток и рабочий поток практически достигают своих установившихся значений (в магнитопроводе муфты заканчивается переходный электромагнитный процесс). От точки / до точки 3’ рост момента Mt происходит главным образом за счет сжатия фрикционных дисков, которое увеличивается из-за увеличения в течении этого времени тока в обмотке (рис. 14.10, а), а значит, рабочего потока (рис. 14.10, б) и создаваемой этим потоком электромагнитной силы. С прекращением роста рабочего потока процесс роста момента Mt, передаваемого муфтой, не заканчивается. Это происходит лишь в точке 4, как только скорость Лг ведомой части муфты становится равной скорости пх ведущей. На участке 3’——4 момент растет за счет уменьшения скорости скольжения, Скорость изменения момента и частоты вращения ведомой части муфты резко возрастают вблизи точки 4 при переходе от трения скольжения к треиию покоя.
Для промежутка времени, при котором момент М% создаваемый двигателем и передаваемый муфтой, больше или равен противо- действующему, справедливо уравнение Mt=Мпр+J2d(d2/dt. Разность М—Mip==J2d(02/df идет иа разгон рабочей машины и ведомой части муфты. В точке 4 момент М, создаваемый двигателем
и передаваемый муфтой, падает до противодействующего момента Afnp потому, что, начиная с этой точки, отпадает необходимость в разгоне рабочей машины и ведомой части муфты: частота вращения ведомой части 几2 становится равной неизменной во времени частоте вращения ведущей части ni. Это означает, что do)2/d/=0. Поэтому Mt — Mn^
В точке 5 происходит размыкание цепи обмотки муфты. При этом ток，вх практически мгновенно падает до нуля (рис. 14.10, а). Поток, уменьшающийся в муфте, по закону электромагнитной индукции наводит ЭДС, которая создает в магнитопроводе вихревые токи. По закону Ленца, выхревые токи направлены так, чтобы создаваемый ими поток противодействовал изменению, в данном случае уменьшению потока, вызвавшего вихревые токи. Таким образом, вихревые токи поддерживают рабочий поток Ф/. Он уменьшается существенно медленнее (рис. 14.10, б), чем ток в обмотке муфты после размыкания обмотки.
Начиная с точки 5, вместе с уменьшением рабочего потока уменьшается и сила сжатия дисков, создаваемая этим потоком, а значит, уменьшается и момент, который может передать муфта без <кольжения (кривая тИб.с.отк / на рис. 14.10, в) и со скольжением (кривая M&c.oTKf). Начиная с точки 6, противодействующий момент становится больше момента, который муфта может передать без скольжения (напомним, что на участке 4——6 скольжение отсутствует), поэтому в точке 6 происходит «срыв» — проскальзывание дисков. После проскальзывания момент, передаваемый муфтой, резко падает, так как происходит переход от трения покоя к трению скольжения и соответствующее этому переходу резкое уменьшение коэффициента трения. Начиная с точки 6 передаваемый муфтой момент Mt уменьшается по кривой, совпадающей с кривой Жс.с.отк f； частота вращения 几2 ведомой части муфты уменьшается, ■скольжение увеличивается.
В точке 8 поток Ф( уменьшается до остаточного Фо. При этом передаваемый муфтой момент становится равным остаточному со скольжением Mfo.c.c- В общем случае М'осс六Мо.&с в точке 0, так как в точке 8 и точке 0 отличаются скольжения.
Основными характеристиками динамического процесса включения и отключения муфты, важными с точки зрения ее работы в электроприводе, являются обозначенные на рис. 14.10, в промежутки времени /о, /о,э и /0,05. Время запаздывания при включении электромагнитной муфты 力一интервал времени между моментом включения обмотки и началом нарастания передаваемого муфтой момента.
Время нарастания момента электромагнитной муфты %,9 ——интервал времени от окончания времени запаздывания до точки динамической характеристики, соответствующей значению 0,9 от номинального момента Мнбс или момента Мс.с, установленного техническими условиями (например, номинального момента Мн.с.с, как на рис. 14.10, в). Правой границей времени нарастания момента 270
/о,э для определенности выбрана точка 3, в которой Mf=0,9MHec「 а не точка 3‘，в которой Mt=MR,c.^ Это сделано потому, что в области точки 3’ момент почти не изменяется: зафиксировать точку 3’ экспериментально можно лишь с большой погрешностью.
Время спадания момента электромагнитной муфты при отключении——это время от момента размыкания цепи управления до точки динамической характеристики М6.с.отк t или Mc.c.qtk± при отключении электромагнитной муфты, соответствующей значению 0,05 от номинального момента ЛТн.б.с или момента Мс.с，установленного нормативным документом (на рис. 14.10, в этот последний взят равным М&с.с). Правой границей времени %曾5 берется точка 7 при Л1/=0,05Л1н.с.с, а не точка 8, при которой Mt=Mfo,c,Ct потому что положение точки & как и точки 3‘，трудно точно определить экспериментально.
Условия снятия динамических характеристик конкретной муфты обычно отличаются от действительных условий ее работы, поэтому н времена в действительности несколько отличаются от получаемых экспериментально. Это следует учитывать при проектировании приводов с ЭФМ.
Энергетические характеристики. При отсутствии скольжения ЭФМ нагревается за счет джоулевых потерь в обмотке управления. При скольжении источником дополнительного тепловыделения является трение в дисках. Для правильного выбора муфты необходимо учитывать режим ее работы, так как частые включения и отключения могут привести к недопустимому перегреву отдельных ее частей. Способности ЭФМ рассеивать теплоту характеризуют два параметра: средняя теплорассеивающая способность ——значение мощности, рассеиваемой муфтой при предельно допустимой температуре обмотки, измеренной методом сопротивления, в стационарном тепловом режиме, и единичная энергия—значение предельно допустимой энергии, преобразованной в тепловую энергию в дисках муфты за один цикл работы.
ЭФМ, выпускаемые отечественной промышленностью. Электротехнической промышленностью выпускаются муфты электромагнитные фрикционные многодисковые единой серии ЭТМ с вынесенными дисками на номинальные моменты Мн.б.с от 25 до 4000 Н-м. Их коэффициент запаса й3.н.б.с= 1,6. В настоящее время внедряются в промышленность электромагнитные фрикционные муфты се- Рин Э1М [29]. Специально для встройки в высокомоментные электродвигатели постоянного тока, применяемые в приводах автоматизированных станков с числовым программным управлением и ЭВМ всех групп, а также в приводах других станков и механизмов, в том числе автоматических манипуляторов (роботов), выпускаются электромагнитные фрикционные безлюфтовые тормоза серии НЗТБ (на базе ЭФМ). Они предотвращают аварии в случае исчезновения напряжения в сети или схеме управления, служат для позиционирования перемещения роботов, а также удерживают подвижные части станков и механизмов.
Выбор ЭФМ. При выборе муфт необходимо произвести их оценку по моментам, передаваемым без скольжения и со скольжением, ло времени переходного процесса в приводе, по средним потерям, по единичной энергии, по остаточному моменту без скольжения. ЭФМ для передачи вращения следует выбирать с таким номинальным моментом Мн.б.с, который был бы больше максимального значения приведенного к валу муфты статического противодействующего момента Mnpmax рабочей машины, который может быть приложен после включения муфты, т. е. после выхода ее на режим передачи момента без скольжения: AfH.6.c>-MnP тах=й3.дЛ1пр. Коэффициент запаса й3.д здесь учитывает возможные при работе рабочей машины динамические перегрузки. По [29] й3.д= 1,14-1,6 (для металлорежущих станков). Меньшие значения берутся при более плавном изменении нагрузки. Для других видов нагрузки й3.д приведены в [25, 26]. В самом неблагоприятном случае (нагретая ъатушка, пониженное напряжение сети и пр.) для надежного включения муфты, минимальный момент Afc.cmin, передаваемый муфтой со скольжением, должен превосходить противодействующий момент, максимально возможный в процессе включения, в том числе приведенный к валу муфты момент трогания рабочей машины. Условие отсутствия самопроизвольного перемещения (самохода) рабочей машины： Л1прт1п> (1,5-=-2)М0.б.с, где Afnpmin — минимальное значение противодействующего статического момента, создаваемого рабочей машиной при движении на холостом ходу, приведенное к валу муфты. Подробные рекомендации по выбору и областям применения ЭФМ различного типа с учетом их характерных особенностей даны в [29].
Материалы для ЭФМ. Магнитопроводы ЭФМ изготозля- ются из тех же материалов, которые применяются для магнитопроводов электрических аппаратов и машин: сталь сортовая электротехническая нелегированная по ГОСТ 11036——75; сталь, легированная кремнием (для быстродействующих муфт); железоникелевые и ^келезокобальтовые сплавы по ГОСТ 10160—75 (для высокочувствительных муфт небольших размеров); сталь углеродистая качественная конструкционная по ГОСТ 1050——75 (обычно марок 10, 15, 20); стальное литье по ГОСТ 977—75 (обычно марок 15Л и 20Л) и другие магнитомягкие материалы.
Фрикционные материалы для ЭФМ можно разбить на две группы： для работы со смазкой и для работы без смазки. Для работы со смазкой в многодисковых ЭФМ с магнитопроводящими дисками наибольшее распространение получили пары трения «закаленная сталь по закаленной стали», допускающие удельные давления (0,4—0,6) МПа [25, 26]. В последнее время разработаны высокопроизводительные автоматические станки, обеспечивающие точную шлифовку поверхностей этих фрикционных дисков. Такая шлифовка совершенно необходима для муфт, работающих на высоких скоростях. Для работа без смазки фрикционные материалы условно можно разбить на две подгруппы： материалы на асбесто- 272
вой или подобной основе, имеющие толщину около нескольких миллиметров, и материалы на основе металлокерамики, имеющие толщину 0,2——0,5 мм. Первые используются, главным образом, в однодисковых ЭФМ, вторые — в многодисковых сухих муфтах с дисками, через которые не проходит рабочий поток. Фрикционные материалы, предназначенные для работы без смазки, обеспечивают более высокие коэффициенты трения, чем фрикционные материалы, работающие со смазкой.
Фрикционные материалы на асбестовой или подобной основе состоят из асбестопроволочной ткани, пропитанной бакелитом, асфальтом или резиной и спрессованной при высокой температуре. Ленточные асбестовые накладки изготовляются по ГОСТ 1198—78. Используются и нетканые накладки, спрессованные из коротких асбестовых волокон и мелких металлических стружек. Фрикционные накладки присоединяются к металлу с помощью клея или заклепок, Для тяжелых режимов работы используется ретинакс ФК-24А и ФК 16Л по ГОСТ 10851—73. В последний для повышения прочности и износостойкости вводится латунная проволока. Ретинакс работает при температуре поверхностей до 1000℃ [25]. Коэффициент трения ретинакса — около 0,3.
Фрикционные материалы из металлокерамики изготовляются в виде покрытий. Спекаются под давлением со стальной подложкой следующие компоненты： медь или железо, составляющие основу и улучшающие отвод теплоты; графит, свинец, повышающие прира- батываемость и препятствующие заеданию; асбест и другие материалы, увеличивающие трение. В настоящее время пара трения «сталь ——металлокерамика» является одной из наиболее распространенных. Применяемые в ЭФМ фрикционные материалы и их коэффициенты трения приведены в [25, 26].
Расчет однодисковой электромагнитной фрикционной муфты
В некоторых конструкциях электромагнитных муфт потоки выпучивания и рассеяния могут составлять существенную часть суммарного магнитного потока. В этом случае необходимо их учитывать как при расчете требуемой МДС обмотки, так и при расчете электромагнитных сил. На примере однодисковой электромагнитной муфты (см. рис. 14.3) покажем, как при ее расчете учесть потоки выпучивания.
Магнитные проводимости зазоров. Разобьем пространство, окружающее магнитопровод муфты на части, каждую из которых можно считать объемной фигурой, полученной вращением про- ст?й плоской фигуры вокруг оси муфты (поле муфты обладает осе- вой симметрией). Простые фигуры в сечении муфты плоскостью, проходящей через ось симметрии, показаны на рис. 14.11, а. Пол- ны访 поток Фб1 зазора 6】разбит на потоки фигур: &?【половины коль- иа с внешним радиусом。+，/2 и внутренним 6)/2 (на рис. 14.11, а
принято。1 =。2 =。）； Фрт1 половины круга диаметром 61； ФТ1 прямоугольника со сторонами Ai= （Di一di）/2 и 6i；❿今门 четверти круга радиусом 61； ©7 четверти кольца с внешним радиусом & + " и внутренним 6ь Полный поток Фв2 зазора б2 разбит на потоки фигур: ❿22 четверти кольца с внешним радиусом Z2 + 62 и внутренним 62； Фрт2 и ❿'рт2 четвертей круга радиусом 62； Фт2 прямоугольника со сторонами 62 и 厶2=（。2—^2）/2 и ❿‘22 четверти кольца с внешним радиусом 62 + z% и внутренним б2. Если обозначить магнитные проводимости, соответствующие всем этим потокам, буквами А с теми же индексами, с которыми обозначены потоки, то для проводимостей зазоров 仇 и 62 получим выражения
Aai = Azi + Ape + At1 + Ap.ti+Azi； ]04 2）
А^2 = Az2 + Ар〕2 + 人丁2 + Ар」2 + Az2. J
Определим составляющие этих уравнений. Проводимость
А#】 ==*о 冗。1 入 zi・（14.3）
В самом общем случае, когда а2#=^ь по [3] удельная проводимость
〈1 =心11口（1 +2a2 隔）+ & 1口（1 +2a1/瓦）]/[冗（的+a2）]（14.4）
При 内=&2 = & эта проводимость
% =[e（1+2联1）]/m（14.5）
Магнитные проводимости между торцами полых цилиндрических полюсов / и 2 и торцом якоря 5 муфты
А” = H-o5i/8i = Уо冗（。；一『）/（%）；（14 6）
Ат2=М2/% = УоП （注一М）/（%） J
где Di, d】,О2, &2 — диаметры цилиндрических поверхностей, образующих полюса / и 2 с площадями торцов Si и S2.
Магнитные проводимости между:
внешним《ребром》полюса / и «ребром» якоря 3;
внутренним《ребром》полюса / и торцовой поверхностью якоря; внешним «ребром» полюса 2 и торцовой поверхностью якоря; торцовой поверхностью полюса 2 и внутренним «ребром» якоря
соответственно
Ар.т1 = 2产Qi入pi； Ар.г1 = p*onrfiXp.Ti;（14 7）
Ар.т2 3=7 卩0冗。2入р.т2； -Лр,^^1 И*о^^2^Р«т2«
Здесь удельные магнитные проводимости Xp.Ti=0,26; Vp.Ti = =Хр.т2 = Vp.t2 = 0,52 [3]. Индекс《р.т》означает «ребро торца». Для определения магнитных проводимостей путей потоков ❿Ji и Фг2 выпучивания зазоров 61 и б2 в окне магнитопровода найдем 力 и Z2
из уравнений c/2=6i+«/; "2=62 + 22. Учитывая, что 〃2=(山一 —02)/4, найдем координаты поля выпучивания:
Z\ = (d\ -。2)/4 - "1； 22 = ®i -4)/4 - "2.(14.8)
Тогда магнитные проводимости путей потоков ®^i и Фг2 выпучивания на длине координат zj и Z2 будут
А%1 =步0冗&入zi； Az2= Р*о冗。2&2・(14.9)
Здесь удельные проводимости при условии &V3zJ и 62<3之2 найдем по (3] из уравнений:
Хг1 = [21п(14-2：1/81)]/л； Xz2=[21n(14-Z2/82)]M.(14.10)
В случае, если 6〉3zJ и б2>3г2, расчет проводим по уравнениям
心=4?；/[叫(2十2；/瓦)];Xz2=4z2/[л82(24-z2/S2)].(14.11)
Проводимость пути потока Фхг2 на длине координаты z2z между внутренней цилиндрической поверхностью диаметром d2 якоря 3 и торцом полюса 2 определяем по уравнению
Azz=? 0血2 入吗(14.12)
где при 62>322?удельная пPоводимость 九‘22 = 422‘/[冗62(2+Z2'/62)L а при 62=之2，та же проводимость ^z2—[2 In (1 + г27б2)]/л.
При других соотношениях размеров и другой конфигурации магнитопровода поле между полюсами и якорем муфты может быть заменено другой совокупностью простых фигур, отличной от изображенной на рис. 14.11, а.
Расчетные размеры полюсов. Магнитное поле (рис. 14.11,。) в зоне зазоров & и 62 для удобства расчета электромагнитной силы можно заменить однородными полями между некоторыми расчетными полюсами /z и 2х и якорем 3’ (рис. 14.11, б). Расчетные полюса имеют большую ширину, чем исходные. Так, для расчетного полюса Г ширина A'i = Ai+A5 + Adi (рис. 14.11, б), где А — ширина исходного полюса; AOi—добавочная ширина, обусловленная наличием потоков выпучивания % и ФР.Т1 (рис. 14.11, а); А% — добавочная ширина, обусловленная наличием потоков выпучивания Ф^р.т! и Ф^1 (рис. 14.11, а). При замене полюса / предполагается, что длина зазора 6i и индукция BTi участка однородного поля зазора 6i исходной системы (рис. 14.11, а) равны этим же величинам расчетной системы (рис. 14.11, б). Кроме того, предполагается, что суммарный поток ❿‘灯 расчетного полюса, который весь состоит из торцового потока, равен полному потоку Фв1 заменяемого полюса. При соблюдении аналогичных условий заменим расчетным и полюс 2. Тогда магнитные проводимости зазоров можно выразить через расчетные площади Sip и S2P и их длины 6i и 62：
Agj = P'gSip/Bj； Ag2 = P()S2P/&2・(14.13)
275
Учитывая (14.1) — (14.12), можно написать
5" =叫[01(入P.T1 + %)+(。:一片)/(4"1)+%(%小 +入zi)] ； кm IQ
S2p=n"2 [。2(%.T2 + %2)+ (°2 -荔)/(4*2)+ d2 (入P」2+ 入z2)] . j
Электромагнитная сила. Описанные выше условия замены реальной системы, изображенной на рис. 14.11, а, на расчетную систему (рис. 14.11, б) дают основания предположить, что в обеих
Рис. 14.11. Картина магнитного поля электромагнитной фрикционной муфты рис. 14.3, принимаемая при расчете ее магнитных проводимостей (а), и расчетные размеры полюсов Г, 2’ и якоря 3', принимаемые при определении электромагнитной силы (6)
системах создаются одинаковые электромагнитные силы. Иными словами, электромагнитную силу реальной МС (рис. 14.11, а) с потоками выпучивания можно определить по расчетной МС без потоков выпучивания (рис. 14.11, б). Последнее легко сделать по формуле Максвелла (4.1) и (4.2). Справедливость этого предположения была проверена при сравнении значений,сил, полученных по формуле Максвелла для полюсов, расчетные размеры которых определялись с учетом выпучивания (аналогично тому, как это сделано при выводе (14.14)), — с экспериментальными силами. 276
Электромагнитные силы МС рис. 14.11, б по (4.1) при ФТ=Ф,Т1= =Фв1； S=Sip и Фт=Фхт2=Фб2, S=S2P таковы:
РЭм1 = ^61/(2^051₽)；Rm2=02/(2卩052〃).
Так как через зазоры проходит один и тот же суммарный поток (Фб1=Фб2=Фв), то результирующая электромагнитная сила, действующая на якорь 3,
戶^=忆”1+戶^2 =武(59+52p)/(2阿8P52»(14.15)
Выразим магнитный поток Фе через магнитное напряжение Um6 на двух последовательно соединенных зазорах 61 и б2 и их суммарную магнитную проводимость Лд=Лб1Лб2/(Лб1 +Лб2), в которую Adi и Лб2 подставим из (14.13). Получим
ф§ = "м 8Л8 = 67м а 卩 oSipS2p/(&S2P + "zSip).(14.16)
Подставляя в (14.15) значение потока из (14.16), получим в общем виде значение электромагнитной силы при неравных зазорах
(14.17)(14.17)р — U^t^oSipS2P (Sip + S^p) 9L -2(瓦5冲+62slp)2~
(14.17)
(14.17)
Uja^oSipSgp
При 61 = 62 = 6 эта сила 戶产 1c - м 2M(Sip + S2p)
передать благодаря силампередать благодаря силамКрутящий момент, который может передать муфта. Элементар-
передать благодаря силам
передать благодаря силам
ный крутящий момент, который могут
Рис. 14.12. Поверхность трения муфты рис. 143Рис. 14.12. Поверхность трения муфты рис. 143(14.18)(14.18)трения два одинаковых соосных, прижимаемых друг к другу диска-кольца, имеющих бесконечно малую ширину dr и радиус г (рис. 14.12): dM=kTPpX X2nr2dr. Здесь йтр — коэффициент трения между рабочими поверхностями дисков; р ——сила сжатия колец трения на единицу площади поверхности трения. Полный момент, который может передать ЭФМ в результате трения пары колец (дисков), имеющих внутренний радиус dJ2 и внешний 01/2 (рис. 14.11, а):
Рис. 14.12. Поверхность трения муфты рис. 143
Рис. 14.12. Поверхность трения муфты рис. 143
(14.18)
(14.18)
а/2
м= [ dM = nk^p{lA-^\2.
』/2
Давление
P=(Rm-Pmx)/S,(14.19)
где Рэм ——электромагнитная сила, притягивающая якорь 3 к полю-
сам / и 2; Р„х — усилие возвратной пружины 4 (см. рис. 14.3); S — площадь поверхности трения, равная
S=n/(Dl-dl)/4.(14.20)
С учетом (14.18) — (14.20) полный момент, который может пройти через муфту,
М=&тр(2м - Рмх)(冴 + D& + 片)/[3 (А + %)].(14.21)
МДС обмотки через подведенное напряжение, число витков обмот- ки ⑫ и ее сопротивление R равна F~Uw/Rt магнитное напряжение на двух последовательно соединенных зазорах & и 62 равно
"№6=尸/& ="砌庆&)，(14.22)
где й„ — коэффициент, учитывающий магнитное напряжение на магнитопроводе и нерабочих зазорах. С учетом (14.21), (14.17) и (14.22) окончательно получим полный момент
Д4_ 々тр (。； +。1当 十若) и2azZfAoSipS2P (Sip 十 Sap)—门 4 94、
=3(5十山)[片2*(BiS2p+b2slp)2MXJ *(.)
Напомним здесь, что если под йтр иметь в виду Атр.с.с, то этот момент называется моментом со скольжением; если 々тр.б.с, то по (14.23) получим момент без скольжения.
Электромагнитные зубчатые и порошковые муфты
Электромагнитная зубчатая муфта (ЭЗМ) передает момент и вращение от ведущей части муфты к ведомой с помощью пары деталей, имеющих мелкие зубья, расположенные на торцовых поверхностях дисков или конических поверхностях [27]. ЭЗМ с зубьями на торцовых поверхностях в варианте с неподвижной катушкой показана на рис. 14.13 в замкнутом (а) и разомкнутом (б) положениях. Шлицевая втулка 4 вращается относительно неподвижной части 6 магнитопровода муфты и катушки 7 на подшипнике 5. Для соединения с ведущим валом в шлицевой втулке 4 предусмотрена шпоночная канавка /. Со втулкой 4 муфты скользящим шлицевым соединением 3 связан якорь 8, который может перемещаться в осевом направлении ——направо под действием электромагнитных сил притяжения к ведомой части 9 муфты, налево — под действием силы возвратной пружины 2, правый конец которой ограничен упором 10, являющимся частью шлицевой втулки 4. В отключенном положении между концами зубьев 12 ведомой части муфты 9 и якоря 8 должен быть зазор Ав (рис. 14.13, б), зависящий от геометрических размеров и точности изготовления муфты. Магнитные системы ЭЗМ отличаются от ЭФМ увеличенным ходом якоря, так как этот ход складывается из зазора Ав, который имеется н в ЭФМ, и хода, на длине которого
зубья, расположенные на торцовой поверхности якоря 8, входят между зубьями на торцовой поверхности ведомой части 9 муфты. Для уменьшения потоков рассеяния Ф^ в якоре предусмотрены окна 11.
Зубчатые муфты по сравнению с однодисковыми фрикционными муфтами позволяют передавать значительно большие моменты, а
Рис. 14.13. Электромагнитная зубчатая муфтаРис. 14.13. Электромагнитная зубчатая муфта
Рис. 14.13. Электромагнитная зубчатая муфта
Рис. 14.13. Электромагнитная зубчатая муфта
частей. Увеличение этой разницычастей. Увеличение этой разницыРис. 14.14. Простейшая электромагнитная порошковая муфта с вращающейся катушкойРис. 14.14. Простейшая электромагнитная порошковая муфта с вращающейся катушкой
частей. Увеличение этой разницы
частей. Увеличение этой разницы
Рис. 14.14. Простейшая электромагнитная порошковая муфта с вращающейся катушкой
Рис. 14.14. Простейшая электромагнитная порошковая муфта с вращающейся катушкой
при передаче одинаковых моментов имеют меньшие габариты. Недостатком ЭЗМ является то, что сцепление и расцепление их возможно только при относительно малой разнице в линейных скоростях зубьев ведущей и ведомой усиливает деформацию и износ зубьев.
Электромагнитная порошковая муфта (ЭПМ) осуществляет связь между ведомой и ведущей частями с помощью ферромагнитного порошка. Эта связь увеличивается при увеличении индукции магнитного поля. Ферромагнитный порошок является основной частью наполнителя, расположенного в зазоре между ведущей и ведомой частями муфты. Через этот зазор проходит рабочий магнитный поток.
Схематично устройство про-。
стейшей ЭПМ с вращающейся катушкой показано на рис. 14.14. Ведущая часть муфты состоит из ферромагнитного полого цилиндра 3 и немагнитных зубчатого колеса / и крышки 7. При обесточенной катушке 4 ведущая часть может свободно проворачи- 279
ваться относительно ведомого вала 9, на котором жестко закреплена ферромагнитная ведомая часть 2 муфты с катушкой 4 и контактными кольцами 8. Элементы 2 н 3 образуют магнитопровод. При подаче сигнала управления создается рабочий поток Ф, который, замыкаясь по частям 2 н 3 магнитопровода, проходит через цилиндрический зазор 5 с наполнителем (показан точками). Механическая связь между ведущей и ведомой частями муфты усиливается. Так как зазор 5 рабочий поток проходит дважды, такая муфта называется «двухзазорной», а так как зазор имеет форму цилиндра—«цилиндрической». Уплотнители 6 необходимы для того, чтобы частицы наполнителя не проникали к местам трения ведущей части муфты о ведомый вал (уплотнение рабочей области ЭПМ на рис. 14.14 показано условно).
Наполнители ЭПМ представляют собой смесь ферромагнитного порошка с разделительной средой. В ЭПМ с жидким наполнителем разделительная среда — минеральное, кремнийорганическое и другие жидкие масла; в ЭПМ. с сухим наполнителем разделительная среда — мелкодисперсные порошки окиси цинка, окиси магния, талька, слюды и др. Разделительная среда уменьшает износ частиц ферромагнитного порошка, предотвращает их слипание и комкование. В качестве ферромагнитного порошка используется обычно карбонильное железо с размерами частиц порядка нескольких микрометров. Большинство ЭПМ имеет цилиндрический рабочий зазор. Длина рабочего зазора зависит от размеров муфты, размеров частиц ферромагнитного порошка и бывает обычно в диапазоне 0,4—3 мм.
ЭПМ можно классифицировать по разным признакам: по виду наполнителя (с сухим и жидким); по виду токосъема (с вращающейся катушкой и контактными кольцами, с неподвижной катушкой без контактных колец); по количеству рабочих зазоров, пронизываемых потоком последовательно (двухзазорные, многозазорные); по форме рабочих зазоров (цилиндрические, конические, дисковые); по инерционности ведомой части (инерционная, средней инерционности и малоинерционная).
В малоинерционных ЭПМ ведомая часть муфты изготовляется в виде тонкостенного цилиндра с малым моментом инерции. Конструкция такой муфты в варианте с неподвижной катушкой показана на рис. 14.15. Ведущая часть муфты состоит из жестко соединенных между собой деталей: ведущего зубчатого колеса 10, шпонки //, крышки 12, немагнитной части 13, пружинного кольца 14, двух кольцевых постоянных магнитов 23, ферромагнитного кольца 4, немагнитного кольца 3, вращающейся части магнитопровода 24, пробки 25 (закрывающей отверстие для заполнения муфты порошком), внутренних обойм подшипников 7 H 26 и наружных обойм подшипников 17 и 19. Ведомая часть муфты состоит из жестко соединенных между собой ведомого зубчатого колеса 15, гайки и шайбы 16, распорной втулки /& ведомого вала 20, защитной шайбы 21, немагнитного козырька 6, ферромагнитного кольца 5 280
и внутренних обойм подшипников 17 и 19. Неподвижная часть муфты состоит из жестко соединенных между собой корпуса /» катушки 2, пружинных колец 8 и 28, крышек 9 и 27, кожуха 29. Крепление крышек /2 н 27 K элементам /3 н / конструкции, а также узлы для крепления корпуса / муфты не показаны.
Рабочий поток Ф проходит через нерабочие зазоры & и 6г, отделяющие неподвижную часть муфты от вращающейся ведущей части, и рабочие зазоры 6з и 64, заполненные наполнителем (пока-
Рис. 14.15. Малоинерционная электромагнитная порошковая муфта с неподвижной катушкой
зан точками). Конструкция муфты рис. 14.15 предусматривает использование сухого наполнителя. Уплотнение пространства, занятого наполнителем, осуществляется здесь комбинированно: с помощью козырька 6, постоянных магнитов 23, лабиринта 22 и защитной шайбы 21. Постоянные магниты образуют поток, замыкающийся по каждому из постоянных магнитов и дважды проходящий через зазор между ними. Частицы, проникшие в этот зазор, располагаются в нем по направлению линий индукции между противоположными полюсами постоянных магнитов. При этом возникают два сплошных слоя из нитей, образованных притянувшимися друг к другу ферромагнитными частицами. Эти два слоя препятствуют дальнейшему продвижению частиц ферромагнитного порошка по направлению к подшипнику 19. Дальнейшее продвижение частиц, прошедших козырек и постоянные магниты, к подшипнику 19 затрудняет лабиринт 22 и защитное кольцо 21. Оба постоянных магнита укреплены в немагнитных элементах 13 ведущей и 6 ведомой частей муфты.
Преимущества и недостатки. ЭПМ при одинаковых передаваемых мощностях и моментах по габаритам и массе обычно несколько больше, чем ЭФМ и ЭЗМ. Однако по сравнению с последними ЭПМ обладают более высоким быстродействием (до единиц миллисекунд), большей частотой переключения, в них отсутствуют изнашивающиеся поверхности. ЭПМ используются не только в релейном режиме (включено ——отключено), для которого,
в основном, предназначена ЭФМ и ЭЗМ, но и для ограничения вращающего момента и управления процессами ускорения и замедления механизмов. ЭПМ может работать в режиме постоянного скольжения. Момент, передаваемый ЭПМ, почти не завнснт от скольжения и практически линейно связан с током в обмотке муфты, поэтому на базе ЭПМ создаются тормозные устройства, работающие в режиме постоянного торможения. С помощью таких тормозов, снабженных измерителями момента, можно поддерживать постоянной или изменять по заданной программе статическую нагрузку (при отводе выделяющейся в муфтах теплоты). ЭПМ позволяют решать специальные задачи привода, которые с ЭФМ и ЭЗМ решаются хуже или вообще не решаются. ЭПМ применяются, в частности, в приводах большой мощности в качестве сцепных муфт и тормозов при тяжелых условиях пуска (в электроприводах буровых лебедок); в системах регулирования натяжения в текстильных машинах, арматурно-навивочных машинах; в приводах антенн, рулевых устройств, лентопротяжных механизмов и т. д.
Недостатком ЭПМ является невозможность их работы при относительно больших линейных скоростях наполнителя: электромагнитные силы сцепления ферромагнитных частиц становятся соизмеримыми с действующими на эти частицы центробежными силами. При этом теряется управляемость муфтой. Наполнитель ЭПМ имеет ограниченный срок службы (обычно несколько сотен часов), по истечении которого требуется его замена.
ГЛАВА 15. МАГНИТНЫЕ ОПОРЫ
Механические опоры подвижных объектов, выполняемые в виде различных подшипников, подпятников и др., широко используются в технике. Однако возрастающие скорости подвижных объектов, требования по повышению ресурса, чувствительности и точности различных устройств, требования надеж- н°й работы в условиях сверхвысоких и сверхнизких температур и в глубоком вакууме, а также необходимость получения высокочистых материалов с применением бестигельной плавки привели к созданию других видов опор. Магнитные опоры, принцип действия которых основан на законах магнитостатики или магнитодинами- км, получили наибольшее применение. К ним относятся следую- хцие виды: электромагнитные опоры, опоры на постоянных магни- тах, индукционные, диамагнитные, кондукционные, магнитогидродинамические, магнитоферрожидкостные и комбинированные опоры.
Объект может находиться относительно своей опоры в следующих четырех состояниях.
L Объект перемещается. Это означает, что результирующая си- ла, действующая на него, не равна нулю. Под результирующей си-
лой понимается векторная сумма всех сил, в том числе гравитации онной силы Р「(силы веса) и реакции опоры.
Объект находится в неустойчивом равновесии (HP). В положении, соответствующем этому состоянию, результирующая сила отсутствует, однако при смещении объекта она появляется и стремится увеличить смещение.
Объект находится в устойчивом равновесии (УР). При смещении объекта из положения, соответствующего этому состоянию, также появляется результирующая сила, но в отличие от предыдущего случая она стремится уменьшить смещение. Такое состояние объекта характеризуется минимумом потенциальной энергии системы — ^потенциальной ямой»,
Объект находится в нейтральном равновесии, что характеризуется отсутствием результирующей силы в любом положении объекта на данном участке линии или поверхности.
Идеальная опора обеспечивает левитацию (свободное парение) объекта, состоящую в том, что при отсутствии механической связи с опорой равновесие объекта вдоль любой оси координат устойчиво или нейтрально.
Проблема устойчивости объекта имеет первостепенное значение при разработке магнитных опор.
Еще в 1839 г. английский ученый Ирншоу доказал, что статическая система тел, притягивающих или отталкивающих друг друга с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними, не может находиться в состоянии устойчивого равновесия. Эта теория была в 1939 г. развита Браунбеком. Ученый доказал, что система, в которой действуют статические гравитационное, магнитное и электрическое поля, левитация возможна лишь при наличии тел, изготовленных из материалов с относительной диэлектрической проницаемостью er< 1 или относительной магнитной проницаемостью цг<1.
Так как не известны материалы с er< 1, то в электростатическом поле левитация невозможна,
В статическом магнитном поле, г. е. при использовании постоянных магнитов или электромагнитов, обмотки которых питаются постоянным током неизменной величины, левитацию можно осуществить в том случае, если хотя бы часть системы выполнена из диамагнитного материала. Диамагнетиками при нормальных температурах являются, например, висмут и графит. Идеальным диамагнитным качеством (卩「=0) обладают сверхпроводники первого рода , находящиеся в сверхпроводящем состоянии. К таким сверхпроводникам относятся некоторые чистые металлы, например свинец, олово и ртуть. Во внутрь сверхпроводника с идеальными диамагнитными свойствами поле не проникает (эффект Мейсснера).
В остальных случаях лёвитацию можно осуществить только в динамических системах, например в индукционных опорах, в которых переменное магнитное поле воздействует на токи, индуктируемые в объекте левитации. Чаще всего, однако, не требуется обеспечивать левитацию объекта, поэтому во многих случаях магнитные опоры используются для восприятия нагрузки только в одном направлении или в одной плоскости.
Опоры на постоянных магнитах
Поясним смысл исследований Ирншоу и Браунбека на примере взаимодействия двух постоянных магнитов (ПМ) / и 2 (рис. 15.1, ал б). Пусть ПМ расположены относительно друг друга разноименными полюсами и один из них (ПМ 1) закреплен (рис. 15.1,а). При р=0 и 2=0 на ПМ 2 в противоположных направлениях будут действовать гравитационная сила Рг и электромагнитная сила Рзмк притяжения к ПМ 1. Предположим,
Рис. 15.1. Иллюстрация иевозможиости осуществить левитацию иа основе взаимодействия постоянных магнитовРис. 15.1. Иллюстрация иевозможиости осуществить левитацию иа основе взаимодействия постоянных магнитов
Рис. 15.1. Иллюстрация иевозможиости осуществить левитацию иа основе взаимодействия постоянных магнитов
Рис. 15.1. Иллюстрация иевозможиости осуществить левитацию иа основе взаимодействия постоянных магнитов
что при некотором расстоянии %н.р эти силы компенсируют друг друга. Однако малейшее смещение ПМ 2 вверх приводит к его дальнейшему движению в этом направлении без приложения внешней силы, а смещение вниз ——к его падению. Таким образом, равновесие рассмотренной системы в вертикальном направлении неустойчиво. При горизонтальном смещении ПМ2, например по оси У при 2=0 и x=const, как показано на рис. 15.1, а, возникает электромагнитная сила (в данном случае сила Рзму), возвращающая
Г1М2 в центральное положение. Следовательно, в горизонтальной плоскости равновесие системы устойчиво. Так как в одном из направлений устойчивое равновесие не реализуется, то левитацию ПМ 2 обеспечить невозможно.
К последнему выводу мы также придем, если рассмотрим два ПМ при расположении их друг к другу одноименными полюсами
Рис. 15.2. Комбинированная опора с использованием постоянных магнитов и механических подшипниковРис. 15.2. Комбинированная опора с использованием постоянных магнитов и механических подшипникови закрепленном нижнем ПМ (рис. 15.1, б). Отличие заключается только в том, что в этом случае в вертикальном направлении можно обеспечить устойчивое равновесие, а в горизонтальном нельзя.
Рис. 15.2. Комбинированная опора с использованием постоянных магнитов и механических подшипников
Рис. 15.2. Комбинированная опора с использованием постоянных магнитов и механических подшипников
фиксированными кольцевымификсированными кольцевымиНесмотря на то что левитацию на ПМ обеспечить нельзя, опоры с ПМ широко используются совместно с другими видами опор (механическими, диамагнитными и др.) Примером может служить комбинированная опора (рис. 15.2), в которой роль упорного подшипника выполняет один укрепленный на валу 4 кольцевой ПМ 2 совместно с двумя
фиксированными кольцевыми
фиксированными кольцевыми
ПМ / и 5. Постоянные магниты обеспечивают стабилизацию вала
в горизонтальной плоскости. Стабилизацию в радиальной плоско сти осуществляют механические подшипники 5 и 6.
Индукционные и диамагнитные опоры
Индукционные опоры. Принцип их действия основан на стремлении неферромагнитного электропроводящего тела, помещенного в неоднородное переменное магнитное поле, перемещаться в направлении уменьшения напряженности 〃о・ ля, что приводит к снижению вихревых токов в теле и соответственно—к снижению потерь в системе. Чем больше напряженность (или индукция) поля и их градиент, тем больше «выталкивающая» электродинамическая сила РЭд. При нулевых значениях напряженности (индукции) или их градиента сила отсутствует.
Рассмотрим систему (рис. 15.3, а) из двух (/ и 2) коаксиальных, но не копланарных витков, по которым протекают равные по амплитуде, но противоположные по фазе синусоидальные токи. На рис. 15.3, а показаны линии магнитной индукции поля, в том числе (более толстыми линиями) сепаратрисы. На рис. 15.3, б, в приведены графики распределения составляющих магнитной индукции и электродинамической силы соответственно по осям у и х системы (рис. 15.3, а).
Представим себе сначала, что мы имеем невесомое неферромагнитное электропроводящее тело 3, которое поместим в нашу сис-
тему между точками Б и Bf по оси х или между точками Г и ГЛ по оси у (рис. 15.3,а). Тогда на это тело будет действовать соответственно либо сила Рздн, либо сила Р^у, стремящиеся переместить его в особую точку А, в которой магнитная индукция равна нулю. Таким образом для невесомого тела точка А является точкой устой
чивого равновесия. Из рис. 15.3 следует, что в точках Б, 6‘, Г,尸' электродинамическая сила равна нулю, но эти точки являются точками неустойчивого равновесия.
Теперь рассмотрим реальный случай — на тело 3 действует сила веса. Поместим это тело в точку Л (рис. 15.3, а). Так как в этой точке сила Рэду равна нулю, то тело опустится. При этом могут быть два варианта: либо на участке Л—Д (рис. 15.3,6) возрастающая сила Рзду уравновесит силу веса (тогда наступит левитация тела), либо тело «проскочит» точку 7V и будет падать дальше.
На рис. 15.4 показана еще одна индукционная опора. Она состоит из замкнутого трехстержневого магнитопровода 1, обмотки переменного тока 3 и электропроводящего неферромагнитного диска 2* При протекании тока по обмотке 3 на диск 2 действует электродинамическая сила, направленная в сторону снижения потокосцепления обмотки с диском, т. е. вверх. Такая система более экономична, так как в ней улучшена электромагнитная связь источ-
ника поля и электропроводящего тела благодаря применению магнитопровода. Однако левитация в такой системе не реализуется, так как устойчивое равновесие диска возможно только на вертикальной оси. Смещение диска по горизонтальной оси ограничива
ется центральным стержнем магнитопровода.
Рис. 15.4. Индукционная опора с замкнутым магнитопроводомРис. 15.4. Индукционная опора с замкнутым магнитопроводомДиамагнитные опоры. Так как у диамагнетиков цг<1, го они выталкиваются из магнитного поля. Сила, действующая на единицу объема «пробного тела》(см. § 9.2) из диамагнетика, равна/
Рис. 15.4. Индукционная опора с замкнутым магнитопроводом
Рис. 15.4. Индукционная опора с замкнутым магнитопроводом
/v = №o(%-l)grad〃2]/2,(15.1)
где 〃 ——напряженность магнитного поля.
При полной компенсации веса тела силой выталкивания из поля имеем равенство
1М%—l)(d〃2/d9)mm/2=P“g,(15.2)丿
где рд — плотность материала диамагнетика;
g ——ускорение свободного падения; у — верти
кальная ось системы координат.
Отсюда определяется градиент квадрата напряженности магнитного поля, необходимый для подвешивания диамагнитного тела.
У тел, которые ведут себя как диамагнетики при нормальных
температурах, цг мало отличается от единицы, поэтому значения (дН2/ду)т1П для них велики: для висмута— (—9,5-1014 А2/м3), для пиролитического графита— (—0,62-1014 А2/м3). Создать такую неоднородность поля непросто, особенно для первого материала, поэтому такого вида опоры используют в технике в основном совместно с другими опорами (чаще всего на постоянных магнитах).
Предпочтительны в этом отношении идеальные диамагнетики (цг = 0)—сверхпроводники, находящиеся в состоянии сверх(прово- димости.
Рассмотрим систему из двух разных по диаметру коаксиальных, но не копланарных обмоток с разнонаправленными постоянными токами рис. 15.5, а, причем МДС верхней обмотки меньше, чем МДС нижней обмотки. Картина магнитного поля такой системы отличается от картины поля системы, изображенной на рис. 15.3, а: особая точка Л смещена по оси у вверх от оси х; под осью х на оси у имеется вторая особая точка ——точка Б. Если поместить сверхпроводящую сферу 3 с ц = 0, как показано на рис. 15.5,6, то линии магнитной индукции будут ее огибать. На сферу по оси будет действовать сила в направлении точки Л. Проведя анализ, аналогичный анализу системы, изображенной на рис. 15.3, а, можно показать, что и в данном случае обеспечивается левитация.
Удельная сила, действующая со стороны магнитного поля на единицу плоской поверхности идеального диамагнетика,
f s=B2R甘 s (15.3)
где В — магнитная индукция у поверхности диамагнетика.
При 5 = 0,1 Тл имеем fs^ 4 ■ 103 Н/м2 (или 弋 40 гс/см2), т. е. сила мала. Для ее увеличения необходимо повышать индукцию, а соответственйо и напряженность магнитного поля. Однако, как известно, сверхпроводники теряют свои сверхпроводящие свойства при критической напряженности магнитного поля ——HKPt значение которой зависит от материала и температуры. При абсолютном ну-
Рис. 15.5. Иллюстрация возможности осуществления левитации диамагнитного тела
ле 〃кр, например для массивного свинцового образца (сверхпроводник первого рода), составляет 6,4- Ю4 А/м, что для воздуха соответствует магнитной индукции всего 0,08 Тл.
При 〃кр сверхпроводники первого рода теряют и свойства идеального диэлектрика.
Ограничением использования сверхпроводников первого рода для опор являются также очень низкие температуры, при которых эти материалы приобретают сверхпроводимость (обычно несколько кельвинов при нулевой напряженности магнитного поля; если же материал находится в магнитном поле, то критическая температура снижается). Это требует громоздких и дорогих криогенных установок на основе жидкого гелия.
В последнее время достигнуты большие успехи в получении ряда новых металлокерамических сверхпроводников с относительно «теплой» сверхпроводимостью (при температуре выше температуры сжижения азота). Критическая напряженность магнитного поля, при которой эти материалы переходят в нормальное состояние.
достигает 7,97-104 кА/м (соответствующая магнитная индукция в воздухе 100 Тл). Следует, однако, отметить, что эти материалы относятся к сверхпроводникам второго рода (иногда из последних выделяют сверхпроводники третьего рода, обладающие магнитным гистерезисом), которые в отличие от сверхпроводников первого рода имеют не два, а три состояния ——нормальное, смешанное и сверхпроводящее. В смешанном состоянии их электрическое сопротивление несоизмеримо меньше, чем в нормальном состоянии, но в отличие от сверхпроводящего состояния магнитный поток проникает в материал. Эффект Мейсснера в этих материалах проявляется в ограниченном интервале напряженности поля, далеко не достигающем напряженности &р.
Кондукционные, магнитогидродинамические и магнитоферрожидкостные опоры
Кондукционные опоры. Функционирование этих опор основано на магнитоэлектрическом принципе действия: используется сила, действующая на проводник с током, расположенный в магнитном поле. Эти опоры позволяют развить высокую подъемную силу. Проводник с током может быть твердым или жидким. В последнем случае опоры называются магнитогидродинамическими (МГД) кондукционного типа. Существуют также МГД*опоры индукционного типа, в которых ток к жидкости не подводится извне, а наводится от магнитной системы. Магнитогидро- динамическйе опоры индукционного типа по сравнению с МГД- опорами кондукционного типа не требуют токоподводов к жидкости. Это имеет большое значение, так как во многих случаях в МГД-опорах кондукционного типа необходимо создавать скользящие контакты, что представляет серьезную трудность, особенно при подводе к проводнику больших токов. Однако МГД-опоры индукционного типа менее эффективны по затрате энергии на единицу развиваемой ими силы.
Рис. 15.6 иллюстрирует принцип действия МГД-опоры кондукционного типа. Между перемещающейся со скоростью V пластиной 5 и неподвижной опорой 2, выполненных из неэлектропроводящего материала, находится электропроводящая жидкость 4, через которую пропускается ток i, подводимый к ней через электроды / и 5. Поперечно к направлению тока создается магнитное поле с индукцией В. В результате возникает электродинамическая сила Рз” стремящаяся совместно с силой гидродинамического подпора, обусловленного относительным движением поверхностей, поднять пластину 5. В отличие от гидродинамических опор в МГД-опоре обеспечивается возможность подъема тела при отсутствии относительного перемещения.
Магнитоферрожидкостные опоры. В последние годы в различных областях техники и в медицине получили распространение феррожидкости —коллоидные растворы ферромагнетиков. Наибольшее применение в настоящее время они нашли для магнитных уп-
Рис. 15.6. Принцип действия коидукциоииой магиитогидро- динамической опорыРис. 15.6. Принцип действия коидукциоииой магиитогидро- динамической опорыРис. 15.7. Магнитоферрожидкостная опораРис. 15.7. Магнитоферрожидкостная опора
Рис. 15.6. Принцип действия коидукциоииой магиитогидро- динамической опоры
Рис. 15.6. Принцип действия коидукциоииой магиитогидро- динамической опоры
Рис. 15.7. Магнитоферрожидкостная опора
Рис. 15.7. Магнитоферрожидкостная опора
лотнений вращающихся валовлотнений вращающихся валовРис. 15.8. Пример феррожидкостного уплотнения валаРис. 15.8. Пример феррожидкостного уплотнения валарируется рис. 15.8. Феррожидкость 5 зубчатыми поверхностями кольцевыхрируется рис. 15.8. Феррожидкость 5 зубчатыми поверхностями кольцевых
лотнений вращающихся валов
лотнений вращающихся валов
Рис. 15.8. Пример феррожидкостного уплотнения вала
Рис. 15.8. Пример феррожидкостного уплотнения вала
рируется рис. 15.8. Феррожидкость 5 зубчатыми поверхностями кольцевых
рируется рис. 15.8. Феррожидкость 5 зубчатыми поверхностями кольцевых
ссЦелью предотвращения проникно-
с
с
вения вдоль вала среды изнутри устройств наружу или наоборот. Но феррожидкости могут применяться и в магнитных опорах. Опора (рис. 15.7) имеет магнитную систему, состоящую из твердых ферромагнитных деталей 3 н 5, обмот-
ки 4 и феррожидкости 2, заполняющей кольцевой конусообразный зазор в детали 3. При протекании тока по обмотке в феррожидкости создается неоднородное магнитное поле, напряженность которого увеличивается к вершине конусообразного зазора. Феррожидкость, стремясь переместиться в область поля с большой напряженностью (вниз), выталкивает из себя немагнитный фигурный диск 1, который перемещается при Этом вверх вместе со штоком 6.
Применение феррожидкости для магнитного уплотнения вала иллюст-
находится в зазорах между『广
ферромагнитных полюсов 3 и ферромагнитным валом 4 и удерживается в этих зазорах магнитным полем, создаваемым кольцевым постоянным магнитом 2. Полюса 3 и постоянный магнит закреплены на неподвижном немагнитном основании /•
Электромагнитные опоры
Электромагнитные опоры нашли применение в устройствах автоматики и в приборостроении. Электромагнитные опоры лроизводят центрирование подвижной части устройства.
Схема двухкомпонентной электромагнитной феррорезонансной опоры приведена на рис. 15.9, а. Опора состоит из магнитопровода /, четырех обмоток 2, надетых на полюса магнитолровода. Каждая обмотка с последовательно включенной емкостью С запитывается от источника переменного тока. Якорь 3 жестко связан с подвижной частью устройства и может в пределах воздушного зазора пе-
Рис. 15.9. Электромагиитнаи феррорезонансиаи опора
ремещаться, приближаясь к полюсу магнитопровода или удаляясь от него. При смещении якоря от центрального положения на него действует электромагнитная сила, стремящаяся вернуть якорь в исходное состояние. Такая электромагнитная сила называется центрирующей.
Рассмотрим процесс возникновения центрирующей силы при горизонтальном смещении якоря.
При перемещении якоря изменяется проводимость воздушного зазора и соответственно меняется значение тока на резонансной кривой (рис. 15.9,6). Емкости С выбираются такими, чтобы при центральном положении якоря (Л=Ло) значение тока /о в обмотках опоры находилось на зарезонансной части кривой /=f(Л).
При (Приближении якоря к правому полюсу проводимость между полюсом и якорем увеличивается до Ль ток в обмотке этого лол юс а в соответствии с кривой /=『(А) уменьшается до 厶 и, следовательно, уменьшается сила притяжения Р】якоря к полюсу. Вместе с тем удаление якоря от левого полюса приводит к умень-
291
шению проводимости между этим полюсом и якорем до Аз и резкому увеличению тока до /3, в результате чего сила притяжения Рз якоря к левому полюсу возрастает.
Центрирующая сила
0我=03 一夕1・(15.4)
Воздушный зазор в феррорезонансных опорах невелик. Он составляет 0,1——0,5 мм, поэтому для определения сил Рх и Рз можно использовать приближенную формулу Максвелла
Р1 = Ф；/2р()5; Рэ=ф1/2^08,(15.5)
где Ф1 и Ф3 ——потоки правого и левого полюсов; S ——площадь сечения полюса.
Подставляя (15.5) в (15.4), получаем
a=(斌一喲/2氏s.
При симметричном положении якоря Ф1 —Ф3 и Рц=0. Если якорь сместится вправо, Ф3 возрастает, а Ф1 уменьшается, в результате чего образуется Рц*0. Изменение потоков Ф] и Ф3 обусловлено резким изменением токов 厶 н 厶 в соответствии с резонансной кривой /=/(Л).
При вертикальных смещениях якоря аналогично создается центрирующая сила опоры.
Отношение центрирующей силы к перемещению якоря называется жесткостью опоры:
К=/%/*•
Здесь х — перемещение якоря.
Чем больше жесткость опоры, тем с меньшими перемещениями подвижной части работает устройство и тем точнее осуществляется центрирование его подвижной части.
Принципиальная схема электромагнитной опоры,, выполненной на базе соленоидного электромагнита, приведена на рис. 15.10. Опора состоит из соленоида 1, внутри которого расположен цилиндрический якорь 2, связанный с подвижной частью устройства. Электромагнитная сила соленоида уравновешивает силу тяжести якоря и внешнюю силу, если последняя действует в том же направлении, что и сила тяжести якоря.
Зависимость силы втягивания якоря Р^м от его перемещения х приведена на рис. 15.11. Суммарная сила 户乂工 от постоянной внешней нагрузки и силы тяжести якоря изображена прямой, параллельной оси абсцисс. Точка пересечения этих линий определяет координату зависания х^ав или х"зав・ В положении, соответствующем координате х^зав (точка /), якорь находится в неустойчивом равновесии, так как небольшое смещение якоря (при уменьшении х) вызывает дальнейшее его перемещение, вследствие того, что электромагнитная сила Р^м становится меньше механической Рмт 292
Рис. 15.10. Соленоидиаи опораРис. 15.10. Соленоидиаи опораПри смещении якоря вверх (при увеличении %) электромагнитная сила Рам становится больше механической Рмх, и якорь поднимается до перехода в положение, соответствующее координате л/'зав (точка 2). В этом положении якорь находится в состоянии устойчивого равновесия. Если якорь сместится вниз от точки 2, что соот-
Рис. 15.10. Соленоидиаи опора
Рис. 15.10. Соленоидиаи опора
Рис. 15.11. Характеристика соленоидной опоры
ветствует уменьшению координаты х, то будет Рзм>Рмл и якорь возвращается в первоначальное положение. Если якорь сместится вверх от точки 2, т. е. при увеличении х, то будет P3m<^mz, что приводит к возвращению якоря в точку 2 При уменьшении внеш
ней силы якорь втягивается внутрь соленоида, а при увеличении опускается вниз.
Если на якорь действует переменная внешняя сила, то он будет перемещаться вдоль оси соленоида.
Электромагнитные опоры с внешней системой стабилизации нашли применение в ряде областей техники, например для подвески роторов центрифуг и моделей в аэродинамических трубах.
Принципиальная схема электромаг
нитной опоры с внешней системой ста- рис 15.12. Электромагнитные билизации приведена на рис. 15.12. опоры с внешней системой Ферромагнитная деталь 4, связанная стабилизации с подвижной частью устройства, удер
живается вблизи соленоида / магнитным полем, симметричным от
носительно вертикальной оси и расходящимся книзу. Благодаря такой топографии поля достигается устойчивость этой детали в горизонтальной плоскости. Стабилизация вертикального положения детали обеспечивается внешней следящей системой. При сме
щении детали 4 в вертикальном направлении появляется на выхо-
29де датчика 3 сигнал, который подается на усилитель 2. Усилитель преобразует сигнал и изменяет соответствующим образом ток / соленоида. Если деталь 4 сместится вниз, то ток соленоида увеличивается, а при смещении детали вверх ток соленоида уменьшается. Изменение тока соленоида приводит к возвращению детали в исходное положение. Для гашения автоколебаний применяется жидкостной демпфер 5, который устраняет автоколебания за счет трения подвижной детали о неподвижную жидкость.
Электромагнитные опоры с внешней системой стабилизации работают при малых перемещениях подвижной части устройства. В случае необходимости устанавливают системы стабилизации по трем осям координат.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Уважаемые читатели! Вы ознакомились с вопросами теории и особенностями конструкций многих электромеханических аппаратов автоматики. Однако из-за большого разнообразия ЭМАА авторы не смогли в объеме данного учебника изложить все, что хотели. Так, в нем не описаны реле времени, элек- тротепловые реле, шаговые искатели, грузоподъемные электромагнитные механизмы. Весьма кратко изложен материал по поляризованным электромагнитным реле, командной аппаратуре с герконами, исполнительным устройствам контроля и управления. Если поставить себе цель дать подробные сведения, то по каждому классу этих аппаратов, а также по аппаратам, описанным в учебнике, нужно было бы опубликовать отдельную книгу.
Как вы убедились, большинство ЭМАА содержит магнитную систему, поэтому мы постарались подробнее рассмотреть в теоретическом отношении именно эту их составную часть, дали представление о расчете магнитных систем постоянного и переменного токов методами теории цепей, в том числе методом вариации картин магнитного поля, формы его граничных линий индукции (сепаратрис) и координат особых точек, который еще не излагался в учебной литературе. Впервые дан материал по использованию особых точек магнитного поля для создания ЭМАА — релейных аппаратов и магнитных опор. Многие вопросы по магнитным системам переменного тока мы рассмотрели с применением понятия условно-положительных направлений величин. Более подробно, чем в имеющейся учебной литературе по электрическим аппаратам, представлен материал по электромагнитным муфтам. Однако и в теоретической части из-за ограничений по объему учебника нам не удалось изложить все желаемое. Так, мы считаем, что будущим инженерам необходимо иметь сведения по тепловым расчетам ЭМАА, по критериальной (обобщенной) оценке их характеристик, влиянию внешних воздействующих факторов (температуры окружающей среды, механических воздействий, радиации и др.), системам автоматизированного проектирования (САПР) и автоматизированным системам научных исследований (АСНИ) ЭМАА, численным методам анализа и методам аналогового и физического моделирования ЭМАА, планированию эксперимента при многофакторном исследовании и ряду других вопросов. Желающим углубить свои знания, полученные после изучения настоящего учебника, необходимо обратиться к специальной литературе.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Основы теории электрических аппаратов/ПоД ред. И. С. Таева. М., 1987,
Таев Я. С. Электрические аппараты. Общая теория. М., 1977. 272 с.
Буль Б. К. Основы теории и расчета магнитных цепей. М.-Л., 1964. 464 &
Сливинская А. Г. Электромагниты и постоянные магниты. М., 1972. 248 с.
Теория электрических аппаратов/Александров Г. Н., Борисов В. В., Иванов В. Л. и др.; Под ред. Г. Н. Александрова. М., 1985. 312 с.
Сотсков 6. С. Основы расчета и проектирования электромеханических элементов автоматических и телемеханических устройств. М. — Л., 1965. 576 с.
Витенберг М. И. Расчет электромагнитных реле. М., 1975. 414 с.
Чунихин А. А. Электрические аппараты. Общий курс. М., 1975. 648 с.
Атабеков Г. Я. Основы теории цепей Учеб, для втузов. М„ 1969. 424 с.
Софронов Ю. 8. Электромеханические аппараты автоматики. Чебоксары^ 1982. 103 с.
ГОСТ 16022—83. (Ст. СЭВ 3563―82). Реле электрические. Термины и определения. Введен 01.01.85.
ГОСТ 11621—79. Реле слаботочные электромагнитные. Общие технические условия. Введен 01.07.80.
Стандарт МЭК (IEC). Публикация 255—0—20. Изд. 1-е. 1974. Реле электрические. Рабочие характеристики контактов электрических реле. 1981. 24 с,
ГОСТ 14312—79. Контакты электрические. Термины и определения. Введен 01.01.81.
Ступелъ Ф. А. Электромеханические реле. Харьков, 1956. 355 с.
ГОСТ 17523—85. Реле электромагнитные. Общие технические условия. Введен 01.01.87.
ГОСТ 12434—83Е. Аппараты коммутационные низковольтные. Общие технические условия. Введен 01.01.85.
ГОСТ 2933—83. Аппараты электрические низковольтные. Методы испытаний. Введен 01.01.85.
Игловский И. Г., Владимиров Г. В. Справочник по электромагнитным реле. Л., 1984. 584 с.
Таев И. С. Электрические аппараты автоматики и управления. М., 1975. 224 с.
Реле з а щиты/Алексеев В. С.( Варганов Г. П., Панфилов Б. И., Розен- блюм Р. 3.., М., 1976. 464 с.
Ройзен В. 3. Малогабаритные поляризованные реле и дистанционные переключатели. Л., 1969. 128 с.
Федосеев А. М. Релейная защита электроэнергетических систем: Релейная защита сетей. М., 1984. 560 с.
Элементы автоматических устройств/Фабрикант В. Л., Глухов В. П., Па- перио Л. Б., Путииньш В. Я- М., 1981. 400 с.
Поляков В. С., Бараги Я. Д., Ряховский О. А. Справочник по муфтам. Л., 1979. 343 с.
Воробьева Г. М. Электромагнитные муфты. М., 1960. 207 с.
ГОСТ 18306——72. Муфты электромагнитные с механической связью. Термины и определения. Введен 01.01.74.
Татур О. Н. Электромагнитные фрикционные муфты//Эициклопедия измерений, контроля и автоматизации (ЭИКА), 1968, № 10, с. 33——36.
Флидлидер Г. М. Муфты с электромагнитным управлеиием//Справочиик по автоматизированному электроприводу//Под ред. В. А. Елисеева и А. В. Ши- иявского. М., 1983.
Тозони О. В. Метод вторичных источников в электротехнике. М” 1975. 295 с.
Бинс К・，Лауренсон П. Анализ и расчет электрических и магнитных полей. М., 1970. 376 с.
Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М., 1979. 329 с.
3. ГОСТ 17499—72. Контакты магнитоуправляемые. Термины и определения. Введен 01.07.73, с. 1—12.
Рабкин Л. 〃.，Евгенова И. Н. Магиитоуправляемые герметизированные контакты. М., 1976. 104 с.
Зарецкас В.-C., Рагульскене В. Л. Ртутиые коммутирующие элементы для устройств автоматики. М., 1971. 105 с.
Диковский Я. М., Капралов И. И. Магиитоуправляемые контакты. М., 1970. 152 с.
Шоффа В. Н. К расчету разомкнутых магнитных систем методами теории цепей//Электричество, 1982, № 1, с. 14——19.
Шоффа В. Н. Расчет разомкнутых мостовых магнитных систем//Элек- тричество, 1983, № 11, с. 70—74.
Шоффа В. Н. Расчет электромагнитной силы притяжеиня контактных сердечников при проектировании герконового реле//Тр. Моск, эиерг. ин-та, 1983, вып. 599, с. 50—56.
Шмитц Н., Новотный Д. Введение в электромеханику: Пер. с. аигл./Ред. В. Я- Беспалова. М., 1969. 336 с.
Шоффа В. Н. Определение оптимального соотношения размеров контактных сердечников герконов для обеспечения максимального контактного нажа- тия//Электричество, 1977, № 10, с. 75—78.
Харазов К. Я. Переключатели с магнитоуправляемыми контактами. М” 1978. 80 с.
Ферриды (основы теории, устройство, применение)/Шоффа В. Н., Короб- ков Ю. С., Лобода В. Г., Рассадин 6 М. М., 1981. 88 с.
Бабиков М. 4., Косинский А. В. Элементы и устройства автоматики. М., 1975. 464 с.
Хайкин А. Б., Жадобин Н. Е. Элементы судовой автоматики. Л., 1982. 376 с.
Туричин А. М., Новицкий П. В. и др. Электрические измерения неэлектрических величин//Под ред. П. В. Новицкого, Л., 1975. 576 с.
Кобус %., Тушинский Я. Датчики Холла и магниторезисторы. М., 1971. 352 с.
3apiЯЮ8 М. Ф. Преобразователи с- распределенными параметрами. М., 1969. 177 с.
Левшина Е. С., Новицкий П. В. Электрические измерения физических величин. 〃.，1983. 320 с.
Брайко В., Гринберг В. П. и др. Гальваномагнитные преобразователи в измерительной технике. М., 1984. 360 с.
ГОСТ 16263—70. Государственная система обеспечения единства измерений, метрология. Термины н определения. Введен 01.01.71. Переиздание дек. 1981 г. с изменениями.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Автоматика 6
Аппарат автоматики 9
гидравлический 9
пневматический 9
статический 9
электрический 9
электромеханический 9
релейного действия 70
Виток короткозамкнутый 34
Гезакон 147, 191
Геометрическая постоянная индукционной системы 136
Геркои 142
Градиентная ляния 167
Граничная линия магнитной индукции 167
Диамагнетик идеальный 283
Жесткость опоры 292
—приведенная КС 172
—пружины 112
Зазор
—воздушный 15
—критический 91
—немагнитный 15
—рабочий 15
Закон Ома для МЦ 18, 54
—электромагнитной индукции 36
Законы Кирхгофа для МЦ 54
Индуктивность 28
Катушка 16
Кибернетика 8
Ковар 145
Контакт 71
—магнитоуправляемый см. Магиито- управляемый контакт
—,разрывная мощность 82
Коэффициент
—возврата 78
—запаса по входной воздействующей величине реле 78
—приведения по потокосцеплению 25
по потоку 24
—рассеяния по потокосцеплению 28
по потоку 27
——успокоения рамки магнитоэлектрического реле 127
Кривая особая см. Особая кривая
—схода градиентных поверхностей 168
Кюри точка 145
298
Левитация 283
Линия нулевой работы 167
—градиентная 167
—граничная магнитной индукции 167
Магнитная система (МС) 11
броневая 29
,коэнергия 171
,магнитная энергия 172
реле 77
Магнитная цепь (МЦ) 12
,классификация 18
,расчет 13
,—,обратная задача 13
,—,прямая задача 13
,схемы замещения 25
с МДС распределенной 21
с МДС сосредоточенной 21
Магиитопровод 11
Магнитоуправляемый контакт (МК) 142
безъякориый 143
высоковольтный 160
герметизированный (геркон} 142
,динамические помехи 165
жидкометаллический 143, 153
безрезервуарный 155
композиционный 155
перекидной 154
переходный 154
резервуарный 155
замыкающий 143
мембранный 156
переключающий 143
плунжерный 162
повышенной коммутируемой мощности 158
с жестким подвижным КС и возвратной пружиной 157
,сопротивление 147
,—динамическое 165
,一 изоляции 148
сухой 143
шариковый 162
——,шум статический 165
,—динамический 165
,электрическая прочность 148
язычковый 143
Магнитоупругость 165
Метод вариации картин поля, координат особых точек и формы сепаратрис 167
Момент вращающий 267
一 без скольжения 267
——механический противодействующий 126
—передаваемый 267
—со скольжением 267
—тормозной 138
—успокаивающий 127
Муфты приводные сцепиые управляемые со связью магнитной и механической 257
—электромагнитные 257
зубчатые 278
порошковые 279
фрикционные 257
масляные 262
многодисковые 257
одиодисковые 257
сухие 262
Нагрузка сухая 148
Направление величины действительное 17, 35
——истинное 17, 35
положительное (условио-поло- жительиое) 17, 35
расчетное 17, 35
Напряженность критическая магнитного поля 288
Обмотка 16
Опора
一 диамагнитная 287
—идеальная 283
—иидукциоииая 285
— комбинированная 282
—кондукционная 289
— магнитная 282
—магнитогидро динамическая 289
— магнитоферрожидкостиая 290
—иа постоянных магнитах 284
一 электромагнитная 291
Особая кривая 168
—точка 167
Петля релейная 71
Погрешность
—абсолютная 205
—дополнительная 204
—инструментальная 203
— методическая 203
一 основная 204
一 относительная 205
—приведенная 205
—прогрессирующая 204
一 систематическая 204
一 случайная 204
Порог чувствительности 200
Потерь угол 50
Поток рабочий 15
一 рассеяния 16
—средний магнитной системы 45
—суммарный 26
,приведенный по потокосцеплению 27
—трогания при срабатывании 269
Правила знаков 38
Преобразователь первичный генераторный 197
измерительный 197
параметрический 197
Пробное тело 187
Проводимость магнитная рассеяния, приведенная по потокосцеплению 25
по потоку 24
суммарная, приведенная по потокосцеплению 27
по потоку 26
Проницаемость комплексная магнитная 55
Пружина
—возвратная 108
一 витая цилиидрическаи 109
—контактная 71, 109
— плоская коисольнаи 110
—противодействующая 108
Пьезоэффект обратный 239
—прямой 239
Равновесие нейтральное 283
— неустойчивое 283
—устойчивое 283
Реле 72
—,величина влияющая 78
—,—возврата 78
—,—воздействующая 78
—,вспомогательная 78
—,входная 73, 78
——，влияющий фактор 79
—,возврат 73
—времени 75
一，время вибрации якоря при возврате 81
—,при срабатывании 80
—,—возврата 81, 164
—,— движения при возврате 81
—,при срабатывании 80
—,—динамического шума 165
—,—дребезга контакта при возврате 81, 166
—,при срабатывании 80, 164
一，一замыкания контакта 80
—,—отпускания 81
—,—размыкания контакта 81
—,— срабатывания 80, 164
—,—трогания при возврате 81
—,при срабатывании 80
—вторичное 77
—герконовое 77, 163
—двустабильное 76, 178
—защиты 72
299
.—измерительное 73
,характеристическая величина 73
— индукционное 129
косинусное 140
мощности
активной 138, 140
двустороннее 141
•реактивной 139, 140
направления мощности 141
напряжения 138
синусное 140
——смешанного типа 140
сопротивления 139
тока 138
—,категории применения 84
—,контактная система 78
—логическое 73
—магнитогндродинамическое 128
—магнитоэлектрическое 125
—максимальное 73
一，механизм 77
—механическое 73
—минимальное 75
—одиостабильиое 76, 178
—первичное 77
—переменного тока 77
—,положение конечное 86, 116
—,—начальное 70, 85, 114
—поляризованное 77, 176
—постоянного тока 77
—,приставки 98
—промежуточное 75
——промышленной автоматики 72
— с временем нормируемым 75
неиормируемым 75
—,срабатывание 73
— статическое электрическое 76
—тепловое 73
—,тяговая характеристика 87
—указательное 75
—универсальное 77
—управления 72
—,уставка выдержки времени 75
—,—по характеристической величине 75
— ферродинамическое 128
―частоты 138
—шунтовое 77
— электрическое 73
—электродинамическое 128
—электромагнитное 84
поляризованное 85
—электромеханическое 76
—электротепловое 73
Сепаратриса 167
Сердечники контактные 143
Сила
—механическая 114
— центрирующая 291
—электродинамическая 125
—электромагнитная 87
Система магнитная см. Магнитная система
Скольжение 266
Скорость скольжения 266
Сопротивление комплексное магнитное 54
удельное 55
Схема дифференциальная 220
— мостовая 220
Тело пробное 187
Тензорезистор 209
Термистор 212
Термопара 241
Терморезистор 211
Термо-ЭДС 241
Ток трогания при срабатывании 269
Токи резания 137
—трансформации 129, 130
Точка схода градиентных линий 167
—особая 167
Узел контактный 71
Устройства исполнительные 248
Ферриды 191
—,аддитивное управление 193
—,безгистерезисное намагничивание элемента магнитной памяти 195
—,дифференциальное управление 194
—параллельные 192
——последовательные 192
Феррожидкость 290
Характеристика электромагнитного реле
механическая 88
противодействующая 88
тяговая 87
—первичного преобразователя
амплитудно-частотная 202
фазочастотная 203
Холла эффект 245
Цепь магнитная, см. Магнитная цепь
Чувствительность 199
Эквивалентные синусоиды 48
—сопротивления обмотки с активным сопротивлением и потерями в магнитопроводе 53
Экран электромагнитный 34
Эффект Мейсснера 283
Якорь 14
DJVUed by A.Lushnikov
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 3
Список сокращений 5
Введение 6
РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ. МАГНИТНЫЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ АППАРАТОВ АВТОМАТИКИ II
Глава 1. Магнитные цепи постоянного тока 13
Терминологии, направлении величин,законы,классификация 14
Магнитные цепи с сопротивлением зазоров, значительно большим сопротивления магиитопровода 20
Глава 2. Магнитные и электрические цепи переменного тока 33
Особениостн, направления величии, классификация 34
Магнитные системы без вторичных обмоток н электромагнитных экранов 43
Магнитные системы со вторичными обмотками или с электромагнитными экранами 57
РАЗДЕЛ ВТОРОЙ. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ РЕЛЕ70
Глава 3. Классификация, параметры, характеристики, категории применения реле 70
Классификация, составныечастиреле 73
Основные параметры 78
Коммутационные характеристики н категории применении . . . .81
Глава 4. Электромагнитные н поляризованные электромагнитные реле 84
Устройство н характеристики электромагнитных реле 85
Электромагнитные реле, выпускаемые отечественной промышленностью 98
Полирнзованиые электромагнитные реле 104
Глава 5. Механизмы электромагнитных реле 108
Характеристики пружин и формулы для нх расчета 109*
Механизмы реле с плоскими контактными пружинами, консольно закрепленными иа корпусе 114
Механизм реле с плоской контактной пружиной, «консольно закрепленной иа якоре 121
Глава 6. Магнитоэлектрические, электродинамические, ферродннамиче- скне и индукционные реле 124
Магинтоэлектрическне, электродинамнческве и ферродянамнче- скне реле 125
Индукционные реле 129
РАЗДЕЛ Т Р Е Т И И. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ С ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫМИ МАГНИТОУП РАВ Л Я ЕМЫМИ КОНТАКТАМИ — ГЕР
КОНАМИ ....-142
Глава 7. Принцип действия, разновидности и основные параметры герметизированных магннтоуправляемых контактов 143
Сухне язычковые магиитоуправлиемые контакты 143
Жидкометаллические язычковые магиитоуправляемые контакты 153
Мембранные магиитоуправляемые контакты 156
Магнитоуправляемые контакты с жестким подвижным контактным сердечником н возвратной пружиной 157
Магнитоуправляемые контакты с жестким подвижным контактным сердечником и без возвратной пружины 161
Глава 8. Герконовые реле 163
Простейшее герконовое реле- . . • .163
Применение дополнительных магннтопроводов в герконовых реле. Многоконтактные герконовыереле 173
Поляризация герконовых реле 176
Расчет магнитной системы н функциональных параметров герконовых реле 178
Глава 9. Командоаппараты на магнитоуправляемых контактах. Фер- риды 183
Управление язычковыми магннтоуправляемымн контактами пе- ремещеняем постоянных магнитов 184
Управление плунжерными н шариковыми магннтоуправлиемыми контактами перемещениемпостоинных магнитов 187
Ферриды 191
РАЗДЕЛ ЧЕТВЕРТЫЙ. ПЕРВИЧНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 197
Глава 10. Основные определения, характеристики и параметры первичных ореобразователей 198
Статические характеристики и параметры первичных преобразователей 198
Динамические характеристики первичныхпреобразователей . .200
Погрешности первичных преобразователей 203
Глава 1L Первичные параметрические преобразоаатели 205
Резисторные преобразователи 206
Емкостные преобразователи 215
Индуктивные преобразователи 217
Трансформаторные преобразователи 226
Гл а в а 12. Первичные генераторные преобразователи 233
Индукционные преобразователи 233
Пьезоэлектрические преобразователи 239
Термоэлектрические преобразователи (термопары) 241
Преобразователи на основе эффекта Холла 245
РАЗДЕЛ ПЯТЫЙ. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА И ОПОРЫ 248
Глава 13. Магнитоэлектрические, ферродинамическне, электромагнитные поляризованные и электромагиитиые исполнительные устройства248
Магнитоэлектрические исполнительные устройства 249
Ферродннамнческне исполнительные устройства 251
Электромагнитные поляризованные исполнительные устройства 252
Электромагнитные нсполиительвые устройства 254
Глава 14. Электромагнитные муфты с механической связью 255
Одиоднсковые электромагнитные фрикционные муфты257
Многодисковые электромагнитные фрикционные муфты . . . .260
Характеристики, динамика работы, выбор, материалы электромагнитных фрикционных муфт 266
Расчет однодцсковой электромагвитной фрикционной муфты . .273
Электромагнитные зубчатые нпорошковые муфты 278
Глава 15. Магнитные опоры 282
Опоры на постоянных магнитах 284
Индукционные н диамагнитныеопоры 285
Кондукцнонные, магнитогидродинамнческне и магннтоферро- жидкостиые опоры 289
Электромагнитные опоры 291
Заключение 295
Список литературы 295
Предметный указатель 298
DJVUed by A.Lushnikov
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 3
Список сокращений 5
Введение 6