8.3. Индукционные тахометры, принцип работы, особенности конструкции, анализ погрешностей
Индукционные тахогенераторы редко применяются как измерительные приборы вследствие больших погрешностей, но они незаменимы в качестве датчиков угловой скорости в системах автоматики.
Рис. 8.5. Кинематические схемы магнитоиндукционных тахометров:
а – с полым цилиндром; б – с диском; 1 – чувствительный элемент; 2 –магнит; 3 – магнитопровод
К ним относятся магнитоиндукционные тахометры, которые бывают двух типов: с чувствительным элементом в виде тонкостенного электропроводящего полого цилиндра 1 (рис.8.5,а), помещенного в зазоре между вращаемым магнитом 2 и магнитопроводом 3, или с чувствительным элементом в виде диска 1 (рис.8.5,б), помещенного в зазоре между вращаемыми цилиндрическими магнитами 2. Обычно постоянные магниты вращаются с частотой, пропорциональной измеряемой частоте вращения вала двигателя, а чувствительные элементы (цилиндры и диски) закреплены на самостоятельных осях и могут поворачиваться лишь на некоторый угол, ограниченный спиральной противодействующей пружиной П.
При вращении магнитной системы в теле чувствительного элемента (ЧЭ) за счет магнитной индукции наводится ЭДС, прямо пропорциональная скорости вращения магнита:
Е=k1nm, (8.7)
где k1 - коэффициент, зависящий от индукции магнитного потока, пронизывающего ЧЭ; пм — угловая скорость вращения магнита.
ЭДС, индуцированная в ЧЭ, вызывает появление в нем индукционных токов i, величина которых зависит от ЭДС, вызвавшей их, числа пар полюсов магнита, размеров и материалов ЧЭ. Индукционные токи, в свою очередь, создают магнитное поле. В результате взаимодействия магнитных полей ЧЭ и постоянных магнитов возникает вращающий момент, стремящийся повернуть ЧЭ вслед за вращающимся магнитом. Вращающий момент, действующий на элемент, пропорционален величине индуцированного в нем вихревого тока, а следовательно, и скорости вращения магнита:
(8.8)
где к2 — постоянный коэффициент пропорциональности.
Под действием вращающего момента ЧЭ поворачивается и закручивает пружину П, создающую противодействующий момент, пропорциональный углу закручивания пружины:
Мпр=с , (8.9)
где с - жесткость пружины; — угол закручивания пружины.
На одной оси с ЧЭ укреплена стрелка, угол отклонения которой пропорционален угловой скорости вращения постоянного магнита.
Угол поворота стрелки прибора определяется равенством моментов откуда
MВР=МПР к , (8.10)
где к=к2/с — коэффициент, зависящий от жесткости пружины, конструкции и материала магнита и ЧЭ.
На самолетах и вертолетах находят применение магнитоиндукционные тахометры типа ТЭ (ТЭ-15, 2ТЭ-15-1, ТЭ-5-2М и др.) со шкалой, отградуированной в оборотах в минуту, и типа ИТЭ (ИТЭ-1, ИТЭ-2 и др.) со шкалой, отградуированной в процентах. Разница в устройстве их незначительна.
В комплекты тахометров этого типа могут входить один-два датчика и один показывающий прибор, либо один датчик и один-два указателя. В частности, комплект тахометра может состоять из одного датчика ДТЭ-1 и одного показывающего прибора ИТЭ-1. Соответственно датчик ДТЭ-2, Д-ЗМ или Д-3-2 должен работать в системе измерения оборотов совместно с двумя измерителями типа ИТЭ-1 (ИТЭ-1Т) или с показывающим прибором ИТЭ-2 (ИТЭ-2Т), объединяющим в одном корпусе две измерительные системы.
Конструкция датчика Д-3-2 представлена на рисунке 8.6.
Датчик представляет собой трехфазный генератор переменного тока с четырехполюсным постоянным магнитом – ротором 4.
Ротор напрессован на валу, заканчивающемся квадратным хвостовиком 1, которым вал генератора соединяется с приводом вала авиадвигателя. Эта передача обладает достаточной гибкостью.
Рис. 8.6. Датчик магнитоиндукционного тахометра Д - 3 - 2:
1 – хвостовик; 2, 6 –крышки; 3, 7 – шарикоподшипники; 4 – ротор; 5 – статор; 8 – болт
Она компенсирует скручивающие колебания и перекосы, которые могут возникнуть при монтаже датчика. Ротор вращается в шарикоподшипниках 3 и 7, которые установлены в крышках 2 и 6.
Статор 5 датчика набран из пластин электротехнической стали. В целях уменьшения потерь в статоре от вихревых токов пластины изолированы одна от другой клеем. Обмотка статора - трехфазная, выполнена из медного провода. Фазовые обмотки соединены звездой.
Магнитоиндукционный тахометр является дистанционным прибором. Синхронная дистанционная передача состоит из трехфазного генератора переменного тока (датчика), расположенного на авиадвигателе, трехпроводной линии и синхронного двигателя, размещенного в указателе. Электрокинематическая схема тахометра показана на рисунке 8.7.
Совместное рассмотрение рисунков 8.6-8.8 позволяет изучить конструкцию показывающего прибора и работу комплекта магнитоиндукционного тахометра типа ИТЭ в целом.
Показывающий прибор включает в себя два узла, смонтированные в одном корпусе, синхронный двигатель и измерительную систему (тахометр).
Рис. 8.7. Электрокинематическая схема тахометра:
1 – плата с магнитами; 2 – диск демпфера; 3 – пружина; 4 – диск; 5 термомагнитный шунт; 6 – постоянные магниты; 7 – пружина; 8 – крестообразный магнит; 9 – гистерезисные диски; 10 – обмотка двигателя; 11 – дисковая плата; 12 – ось; 13 – шала; 14 – стрелка; 15 – якорь; 16 – обмотка статора
Рис. 8.8. Показывающий прибор тахометра ИТЭ – 1:
1 – плата с магнитами; 2 – диск демпфера; 3 – пружина; 4 – диск; 5 – термомагнитный шунт; 6 – постоянные магниты; 7 – пружина; 8 – крестообразный магнит; 9 – гистерезисные диски; 10 – обмотка двигателя; 11 – дисковая плата;12 – ось; 13 – шкала; 14 –стрелка
Синхронный двигатель состоит из статора с трехфазной обмоткой 10 и ротора, собранного из двух крестообразных магнитов 8 и трех гистерезисных дисков 9. Постоянные крестообразные магниты насажены на вал свободно и могут поворачиваться относительно вала на некоторый угол, так как соединяются с ним пружиной 7, через которую передают крутящий момент на вал синхронного двигателя.
Это обеспечивает вхождение двигателя в синхронизм до того момента, когда он разовьет полную мощность.
Гистерезисные диски 9 изготовляются из магнитотвердого материала. В синхронном режиме работы диски взаимодействуют с вращающимся полем так же, как и постоянные магниты, но с меньшей силой взаимодействия.
Измерительная часть прибора состоит из магнитного узла с двумя дисковыми платами 11 с впрессованными в них шестью парами постоянных магнитов 6. На магниты надет термомагнитный шунт 5, предназначенный для компенсации температурной погрешности. Шунт выполнен из сплава, магнитная проницаемость которого с возрастанием температуры уменьшается.
В воздушном зазоре между торцами противоположных полюсов магнитов расположен чувствительный элемент - диск 4, изготовленный из медно-марганцевого сплава с малым температурным коэффициентом.
Таким образом, магнитный узел укреплен на конце вала синхронного двигателя и вращается с синхронной скоростью, а чувствительный элемент - диск связан, через ось 12 со стрелкой 14, перемещающейся по шкале 13.
Для уменьшения колебаний стрелки около установившегося положения в конструкции прибора предусмотрен демпфер, по устройству аналогичный измерительному узлу 11.
Платы 1 магнитного демпфера закреплены неподвижно. Между торцами шести пар неподвижных магнитов находится алюминиевый диск 2 демпфера, связанный с осью измерительного узла.
Взаимодействие наводимых в алюминиевом диске вихревых токов с магнитным потоком магнитов приводит к превращению энергии колебаний в тепловую и к повышению устойчивости стрелки прибора.
Тахометр ИТЭ-1 работает следующим образом. Напряжение статорной обмотки 16 генератора датчика с частотой, пропорциональной частоте вращения ротора авиадвигателя, возбуждает в статорной обмотке 10 синхронного двигателя показывающего прибора вращающееся магнитное поле, которое приводит к намагничиванию гистерезисных дисков двигателя. Гистерезисные диски выполнены из ферромагнитного материала с большой коэрцитивной силой, поэтому создаваемое ими магнитное поле из-за большого гистерезиса отстает на некоторый угол от намагничивающего поля статора.
В результате возникает вращающий момент дисков ротора двигателя, направление которого совпадает с направлением вращающегося поля статорных обмоток.
При частоте вращения ротора, близкой к синхронной, когда обороты ротора и поля статора становятся одинаковыми, постоянные магниты 8 успевают взаимодействовать с полем статора, входят в синхронизм и, постепенно закручивая пружину 7, начинают воспринимать полную нагрузку. В синхронном режиме работы двигателя основной вращающий момент создается в результате взаимодействия поля постоянных магнитов с вращающимся полем статора, а гистерезисные диски создают лишь незначительный дополнительный момент.
При резких увеличениях частоты вращения авиадвигателя, следовательно, и скорости вращения магнитного поля статора возможен переход двигателя в асинхронный режим работы. В этом случае полюсы постоянных магнитов вращаются с некоторым отставанием от полюсов поля статора. Гистерезисные диски помогают ротору следовать за магнитным полем статора и вводят постоянные магниты ротора в синхронную работу.
Ротор двигателя вращает магнитную систему 11 измерительного узла. В результате взаимодействия полей магнитов 6 и диска 4 чувствительный элемент (диск) с закрепленной на его оси стрелкой 14 поворачивается и закручивает противодействующую пружину 3. Таким образом, угол поворота диска пропорционален значению измеряемой частоты вращения. Демпфер, укрепленный на оси чувствительного элемента, успокаивает подвижную систему и облегчает снятие показаний стрелки указателя.
Указатели ИТЭ-2 предназначены для измерения частоты вращения валов двух двигателей или двух ступеней компрессора одного двигателя. В корпусе указателя ИТЭ-2 размещены два измерительных узла, аналогичные рассмотренным, движение которых передается на две соосные стрелки. Магнитоиндукционный демпфер в них отсутствует. Демпфирование колебаний осуществляется за счет моментов трения зубчатых передач.
Шкала показывающего прибора ИТЭ отградуирована в процентах, измерительный предел – (0-110) %, цена деления – 1 %, погрешность измерения не превышает ±0,5 % в рабочем диапазоне шкалы от 60 до 100 % и 1 % - в остальном диапазоне.
Основная погрешность инструментальная погрешность указателя тахометра определяется трением в подшипниках и ошибками градуировки шкалы.
Дополнительные погрешности обусловлены влиянием температуры и вызываются изменением электрического сопротивления чувствительного элемента, магнитной проводимости магнитопроводов и упругих свойств противодействующей пружины. Конструктивная погрешность из-за изменения температуры окружающей среды частично компенсируется подбором материалов деталей. В частности, чувствительный элемент - диск изготовляется из марганцовистой меди (96,1 % Сu, 3,9 % Мn) с положительным температурным коэффициентом. Противодействующая пружина из фосфористой бронзы и магниты из соответствующих сплавов имеют отрицательные температурные коэффициенты. Для компенсации остаточной температурной погрешности применяется температурный шунт 5, надетый на магниты 6. Шунт выполнен из сплава, магнитная проницаемость которого с возрастанием температуры уменьшается. Действие шунта заключается в следующем. С увеличением температуры окружающей среды увеличивается сопротивление токопроводящего диска 4 и уменьшается сила наведенного тока. Одновременно с этим уменьшается магнитная проницаемость шунта, который меньшую часть магнитного потока пропускает через себя, вследствие чего увеличивается магнитная индукция в зазоре измерительного магнитного узла. При этом сила взаимодействия постоянных магнитов 6 и токов в диске 4, а следовательно, и движущий момент практически остаются неизменными.