ЭМС

индукции By вдоль оси y, отстоящей на расстоянии радиуса магнита от его торца. Из рисунка видно, что срабатывание геркона можно получить, расположив его симметрично относительно магнита, в точке О на оси x, а отпускание получим, поместив его в точках А или Б. На рис. 6.9, а показано взаимное расположение геркона и постоянного магнита, соответствующее этому способу и направления перемещения для работы полученного командоаппарата.

Рис. 6.8

Рис. 6.10 поясняет сказанное. Картина магнитного поля в системе постоянный магнит – геркон содержит четыре сепаратрисы с особыми точками. На рис. 6.10, а постоянный магнит расположен симметрично. Рабочий магнитный поток проходит между сепаратрисами 2 и 3 (показан серым цветом) и составляет значительную часть от общего потока магнита.

При смещении магнита в сторону от оси симметрии (центр перекрытия геркона в точке Б на рис. 6.8) можно добиться снижения рабочего магнитного потока до нуля. Из рис. 6.10, б видно, что в этом случае две сепаратрисы сливаются в одну сепаратрису 2 с двумя особыми точками Б и Г. Рабочий поток, проходящий одновременно через оба КС отсутствует, поэтому геркон гарантированно отпускает.

Следует иметь в виду, однако, что при смещении магнита еще дальше (геркон правее точки Б на рис. 6.8) рабочий магнитный поток снова появляется, хотя и меняет знак, что может привести к повторному срабаты-

ванию (рис. 6.10, в).

9 2

Снизить рабочий магнитный поток можно путём удаления постоянного магнита от геркона при симметричном их взаимном расположении (рис. 6.9, б). Такая схема командоаппарата реализуется при перемещении постоянного магнита перпендикулярно продольным осям геркона и магнита.

а)

б)

в)

Рис. 6.10

На рис. 6.11 показаны способы управления при взаимно перпендикулярном расположении геркона и постоянного магнита. Для анализа обратимся к рис. 6.8 и распределению индукции By вдоль оси y. Из графика видно, что при симметричном расположении магнита относительно МК индукция By в области перекрытия равна нулю и геркон отпущен. При смещении магнита в сторону индукция нарастает и по достижению уровня

9 3

срабатывания, геркон замкнётся. При этом способе магнит перемещается вдоль геркона, но перпендикулярно своей собственной оси (рис. 6.11, а).

На рис. 6.11, б магнит установлен в зоне срабатывания МК, а отпускание происходит при удалении магнита вдоль своей собственной оси, но перпендикулярно продольной оси МК.

Возможны варианты управления герконом при поворотном перемещении постоянного магнита. Например, на рис. 6.12 магнит установлен параллельно геркону (при α = 0), что обеспечивает его срабатывание. При повороте магнита рабочий магнитный поток снижается. Геркон отпустит, как только рабочий поток станет меньше уровня отпускания. При угле α = 90° поток минимален.

S

α N

Рис. 6.12

В технологических условиях не всегда возможно использование подвижного постоянного магнита. Иногда удобнее применять подвижные магнитомягкие экраны. На рис. 6.13, а показан командоаппарат, в котором постоянный магнит 3 расположен параллельно и симметрично по отношению к геркону 1. При таком расположении и отсутствии ферромагнитного экрана 2 геркон должен сработать. Отпускание происходит, когда магнитомягкий экран 2 (шторка) располагается между магнитом и герконом. При этом магнитный поток не проникает в область расположения геркона, а шунтируется экраном.

Более эффективной является конструкция, показанная на рис. 6.13, б. Сдвинутые вплотную друг к другу две магнитомягкие шторки 2 экранируют геркон от магнитного поля, обеспечивая отпускание. Раздвинутые шторки не только позволяют магнитному потоку проходить через рабочий зазор геркона, но и снижают магнитное сопротивление паразитного зазора между полюсами магнита и КС геркона.

9 4

Кольцевые постоянные магниты могут применяться для управления шариковыми МК, обеспечивая скачкообразное перемещение шарика из одного крайнего положения в другое. Такой характер движения обеспечивает более надёжную коммутацию и более стабильные координаты срабатывания и отпускания, что важно для датчиков и конечных выключателей.

Для начала рассмотрим поведение маленького (в сравнении с постоянным магнитом) магнитомягкого шарика, который можно считать пробным телом в магнитном поле. В этом случае электромагнитная сила, действующая на шарик со стороны поля равна [4]

где: V = (4/3) πR3 – объём шара с радиусом R; N = 1/3 – размагничивающий фактор шара [4]; i, j и k – единичные векторы вдоль декартовых осей соответственно x, y и z; B – модуль вектора магнитной индукции поля, в котором находится шарик.

На рис. 6.14 показан шариковый геркон, управляемый кольцевым постоянным магнитом, причём шарик расположен на оси вращения магнита. В силу осевой симметрии магнитной системы в точке расположения шарика существует только осевая составляющая индукции Bz. Тогда сила, действующая на шарик в герконе, направлена вдоль оси z и равна

F MZ = 4π R3 B dB . μ0 dz

Из последнего выражения следует, что сила равна нулю в точках, где либо модуль индукции, либо её градиент равны нулю. Причём, в точках с максимальным значением модуля магнитной индукции имеется устойчивое равновесие (только в направлении оси z, в радиальном направлении равновесие неустойчивое), а в точках с минимальным значением модуля магнитной индукции (в том числе и с нулевым значением) имеется неустойчивое равновесие. То есть шарик стремится в сторону увеличения модуля магнитной индукции.

Применим полученные закономерности для анализа работы командоаппарата по рис. 6.14. В исходном положении постоянного магнита (сплошная линия) на шарик действует сила, направленная влево, что обеспечивает замыкание левой пары неподвижных КС геркона. Сила направлена в сторону роста модуля магнитной индукции, т.е. в точку О.

9 5

При перемещении магнита влево, как показано пунктиром, особая точка А перемещается вместе с магнитом. Как только эта особая точка окажется левее центра шарика (например, в точке A′), электромагнитная сила изменит своё направление, и шарик скачком переместится в крайнее правое положение. Сила в этом случае будет направлена в максимальную точку Б ′.

Обратите внимание на то, что в этом случае получается парадоксальный, на первый взгляд, эффект: магнитомягкий шарик отталкивается от постоянного магнита. Это противоречит обычным физическим представлениям о том, что отталкиваться от постоянного магнита может только другой магнит одноимённым полюсом, а магнитомягкое тело притягивается к постоянному магниту в любом случае. Как видим, не в любом [15].

Таким образом, реализуется двухстабильный командоаппарат, т.е. не имеющий самовозврата. Для получения одностабильного командоаппарата (с самовозвратом) необходимо использовать два кольцевых постоянных магнита (рис. 6.15), один из которых 1 неподвижный, а другой 2 подвижный. Постоянные магниты установлены одноимёнными полюсами навстречу друг другу и поэтому отталкиваются.

Исходное положение магнитов и распределение осевой составляющей магнитной индукции Bz вдоль оси z показано сплошными линиями. Особая точка О расположена правее центра шарика, поэтому электромагнитная сила направлена влево, в точку А.

При воздействии внешней силой (например, рукой) и перемещении подвижного магнита 2 влево (показано пунктиром), особая точка O также перемещается влево (точка O′). Как только эта особая точка сместится левее центра шарика, сила изменит своё направление на противоположное, в сторону увеличения модуля магнитной индукции, т.е. в точку Б. Шарик

9 6

при этом скачком переместится в крайнее правое положение, осуществив коммутацию.

После окончания действия внешней силы на подвижный постоянный магнит 2, он вернётся в исходное положение за счёт отталкивания от неподвижного магнита 2. Шарик при этом также вернётся в крайнее левое положение.

С помощью синтеза магнитных систем с управляемыми особыми точками можно осуществить командоаппараты с требуемыми характеристиками. Для этого можно использовать как кольцевые постоянные магниты, намагниченные аксиально (см. рис. 4.11), так и другие типы магнитов.

6.4. Ферриды

Слово феррид образовано из двух терминов: феррит и рид свич (от английского термина reed switch – язычковый переключатель). Ферритовые материалы использовались как элемент магнитной памяти (ЭМП) в ферриде. Для этой цели подходят магнитные материалы, имеющие среднюю магнитную твёрдость (реманентные). В настоящее время для производства ЭМП чаще используют металлические ферромагнитные материалы, имеющие более высокие, чем у ферритов, значения остаточной индукции (Br = 1,6 … 1,8 Тл) при средних значениях коэрцитивной силы (HC = 2 … 6 кА/м) и высокой прямоугольности петли гистерезиса. Если реманентный элемент находится вне баллона, то феррид называют с внешней памятью. Если контактные сердечники геркона изготавливают из реманентного материала, то они выполняют также и функцию ЭМП, и феррид называют с внутренней памятью или гезаконом (герметизированным запоминающим контактом).

Управление герконом с помощью ЭМП аналогично управлению от постоянного магнита, с той лишь разницей, что для отпускания геркона постоянный магнит удаляется, а ЭМП размагничивается.

На рис. 6.16 показана схема феррида с внешней памятью, содержащего геркон 1, ЭМП 2 и обмотку управления 3. Если в обмотку подать ток большого уровня, то индукция в ЭМП достигнет насыщения, а после отключения тока снизится до остаточного значения. То есть ЭМП превращается в постоянный магнит, в результате чего геркон срабатывает. Длительность импульса тока управления может быть весьма короткой (единицы или десятки микросекунд) не смотря на то, что геркон срабатывает за время, большее на несколько порядков. Дело в том, что такого короткого импульса достаточно для намагничивания реманентного сердечника 2, а геркон срабатывает уже не от обмотки, а от остаточного поля ЭМП.

9 7

На рис. 6.18 показана последовательная схема управления гезаконом 3, в баллон которого запаяны КС, изготовленные из реманентного материала и выполняющие роль ЭМП. Для управления используются две обмотки 1 и 2, расположенные на баллоне симметрично.

Для срабатывания гезакона надо подать в обмотки импульсы тока, как показано на рис. 6.18, а. При таком включении магнитные потоки Ф1 и Ф2 от обмоток складываются в рабочем зазоре. Если изменить полярность тока в одной из обмоток, например, в обмотке 2 (рис. 6.18, б), то потоки в рабочем зазоре будут вычитаться, и гезакон отпустит.

Рис. 6.18

Такие достоинства ферридов, как малое потребление энергии (из-за коротких импульсов) и возможность запоминания команды на практически неограниченное время, позволяет применять их в координатных соединителях автоматических телефонных станций (АТС), в автоматических системах контроля, обработки и передачи информации.

9 9

7. МАГНИТНЫЕ МУФТЫ, ОПОРЫ, РЕДУКТОРЫ

7.1. Магнитные муфты

Муфта – устройство для соединения валов, тяг, труб, канатов, кабелей и т.п. Муфта приводная передаёт вращательное движение и вращающий момент с одного вала на другой или с вала на зубчатое колесо, шкив, звёздочку.

Приводные муфты бывают сцепные (расцепляемые) и глухие (не расцепляемые). Сцепные муфты в свою очередь делятся на управляемые (вручную) и автоматические (действующие в зависимости от режима работы). Кроме того, сцепные муфты подразделяются в зависимости от физической природы управляющего сигнала на механические, гидравлические, пневматические и электрические (электромагнитные и электростатические). В зависимости от вида механической связи электромагнитные муфты делятся на фрикционные, зубчатые и порошковые.

Фрикционная муфта соединяет ведущую и ведомую части за счёт сил трения между поверхностями дисков или цилиндров. На рис. 7.1 показана однодисковая фрикционная муфта. На ведомом валу 9 установлен ферромагнитный якорь 6 с помощью шпонки 8. Якорь 6 имеет возможность осевого перемещения, ограниченного справа шайбой 10, в которую он упирается в исходном положении за счёт пружины 7. На ведущем валу 1 жёстко закреплён ферромагнитный корпус 4 муфты. Он выполняет функцию ярма электромагнита с обмоткой 3. Поскольку обмотка с корпусом и валом 1 вращаются, то питание обмотки постоянным напряжением U осуществляется посредством подвижного контакта (подвижные кольца 2 и неподвижные щётки). На торцах корпуса 4 и якоря 6 закреплены фрикционные диски 5, обеспечивающие механическое сцепление двух частей муфты (ведущей и ведомой).

В исходном состоянии фрикционные диски не сцеплены, поскольку разделены зазором за счёт пружины 7. При включении обмотки 3 возникает магнитный поток Ф, проходящий через корпус 4, воздушный зазор и якорь 6. Он создаёт электромагнитную силу, которая сжимает фрикционные диски 5 между собой, обеспечивая сцепление муфты. После отключения обмотки пружина 7 возвращает муфту в исходное (расцепленное) состояние.

Фрикционные материалы, из которых изготавливают диски 5, обычно неферромагнитны. Поскольку в рассмотренной конструкции магнитный поток проходит через поверхности трения, то толщина дисков 5 может быть небольшой. Из-за износа дисков их часто приходится менять. Для решения этой проблемы существуют конструкции муфт, у которых магнитный поток не проходит через поверхности трения [4, 16].

1 0 0