Конспект лекций по дисциплине Электрические и электронные аппараты

где Xmk ω .

rдиска

Магнитное сопротивление Xmk зависит от формы диска, его

электрической проводимости и положения в рабочем зазоре. С целью повышения чувствительности такой датчик может быть включен в колебательный контур с частотой 10-15 кГц. Для уменьшения потерь катушки датчика выполняются в виде двух плоских обмоток без магнитопровода, между которыми перемещается диск.

В трансформаторном датчике (ТД) при изменении зазора δ полное сопротивление первичной обмотки (рис. 17.5, а)

Зависимость выходного напряжения Uвых=f(δ) представлена на рис. 17.5, д. В более совершенном дифференциальном ТД (рис. 17.5, б) выходное напряжение можно найти приближенно с помощью уравнений:

134

в

а

б

д

г

Рис. 17.5. Трансформаторные датчики:

а- с одним магнитопроводом; б - дифференциальный;

в- с изменяемой площадью зазоров; г - с поворотной рамкой;

д- зависимость выходного напряжения от зазора

При угловых перемещениях контролируемого элемента используются датчики с поворотной рамкой (рис. 17.5, г). Выходное напряжение в таком датчике пропорционально синусу угла поворота якоря α:

ТД выгодно отличаются от индуктивных датчиков отсутствием гальванической связи между цепью питания и выходной цепью, а также простотой измерительных схем. Относительно большая мощность датчи-

135

ков позволяет использовать их без промежуточных усилителей. Индуктивные и трансформаторные датчики нашли широкое применение для измерения перемещений, деформаций, контроля и размеров и т.п.

Если на ферромагнитный материал воздействует механическое усилие, то меняется его магнитная проницаемость μa . Это явление,

называемое магнитоупругим эффектом, используется в магнитоупругих датчиках. Эти датчики применяются для измерения статических, знакопеременных и быстро изменяющихся механических нагрузок. В магнитоупругих датчиках, представленных на рис. 17.6, а и б, при изменении

силы Р изменяется магнитная проницаемость μа материала магнитопро-

вода и, следовательно, индуктивное сопротивление обмотки.

а б в г Рис. 17.6. Магнитоупругие датчики больших усилий

В датчиках, приведенных на рис. 17.6, в, г, за счёт изменения магнитной проницаемости изменяется взаимная индуктивность обмоток и,

l

l

где - относительное удлинение (сжатие) магнитопровода под воз- l

действием силы Р.

l σ

l Е

где механическое напряжение в ферромагнитном материале; Е - модуль упругости.

136

Изменение проницаемости μа /μа можно выразить через конст-

руктивные параметры:

Для увеличения чувствительности желательно, чтобы материалы имели высокую проницаемость μа и малую индукцию насыщения. По-

этому для таких датчиков широко применяется пермаллой. С целью увеличения чувствительности магнитопровод датчика выполняется без зазоров. В некоторых исполнениях датчика тонкая пластина пермаллоя с обмоткой приклеивается к детали так же, как тензодатчик.

Погрешности датчика вызываются колебаниями питающего напряжения, температуры и магнитоупругим гистерезисом.

Для снижения погрешности от колебаний напряжения устройства с магнитоупругим датчиком должны питаться от стабилизированных источников питания. Для компенсации температурной погрешности в одно плечо моста включается датчик, подвергающийся воздействию контролируемой силы, в другое - компенсационный, имеющий точно такие же параметры, но не подвергающийся воздействию. Поскольку эти датчики включены в схему измерительного моста, то изменение их активного сопротивления не сказывается на работе всего измерительного канала.

Для уменьшения погрешности за счёт магнитоупругого гистерезиса выбирается материал с узкой петлей гистерезиса. Напряженность магнитного поля должна приближаться к напряженности насыщения. Максимальная механическая нагрузка не должна превышать 1/6-1/7 предела упругости.

Если изменяется потокосцепление, связанное с проводником или катушкой, то в них возникает ЭДС. Это происходит при движении проводника в магнитном поле или магнитного поля, пересекающего неподвижный проводник. ЭДС индукции возникает и тогда, когда потокосцепление изменяется в результате изменения магнитной проводимости. Эти явления лежат в основе работы индукционных датчиков.

137

Индукционные датчики (ИД) часто применяются как датчики скорости. Если использовать дифференцирующие и интегрирующие R-C цепочки, то можно получить выходные величины, пропорциональные ускорению и перемещению.

Простейший ИД скорости линейного перемещения показан на рис.

17.7.

Рис. 17.7. Индукционный датчик скорости линейного перемещения

Выходной сигнал снимается с обмотки, в которой наводится ЭДС: (17.9)

где В - индукция, создаваемая в рабочем зазоре кольцевым постоянным магнитом, Тл;

l длина витка перемещающейся измерительной обмотки, м; w - число витков;

V - скорость перемещения измерительной обмотки, м/ с. Чувствительность датчика может быть увеличена за

счёт увеличения индукции и числа витков. Для получения сигнала, пропорционального перемещению, сигнал с обмотки интегрируется с помощью цепочки R-C . При интегрировании с малой погрешностью постоянная времени T=RC берется достаточно большой и сигнал уменьшается в сотни раз.

Для контроля частоты вращения используются датчики в виде тахогенераторов и импульсных индукционных датчиков. Тахогенератор постоянного тока может представлять собой генератор малой мощности с возбуждением от постоянных магнитов. ЭДС на выходе такого генератора пропорциональна частоте его вращения ω:

Для повышения линейности выходной характеристики сопротивление нагрузки тахогенератора должно быть возможно больше (умень-

138

шается реакция якоря). Переходное сопротивление щеток также вносит существенную погрешность.

Более надежными являются асинхронные тахогенераторы (рис.

17.8.)

Рис. 17.8. Асинхронный тахогенератор

Обмотка статора 1 питается от источника переменного тока частотой 400-500 Гц. Обмотка 2 неподвижна и сдвинута относительно обмотки 1 на угол 90°. Полый алюминиевый ротор 3 связан с валом, скорость которого контролируется.

При неподвижном роторе пульсирующий поток от обмотки 1 не вызывает ЭДС в выходной обмотке, т.к. оси обмоток сдвинуты на 90°. При вращении ротора 3 в нем возникают ЭДС и токи резания, пропорциональные частоте вращения. Эти токи создают поперечное магнитное поле, изменяющееся с частотой питания. Возникающая в обмотке 2 под действием магнитного поля ротора ЭДС имеет амплитуду, пропорциональную угловой скорости ротора:

Достоинством такого датчика является отсутствие щеток и неизменность частоты выходного сигнала от частоты вращения.

Если обмотку 1 питать от сети постоянного тока, то обмотка 2 выдает ЭДС, пропорциональную угловому ускорению вала.

На рис. 17.9 показан импульсный индукционный датчик. На вращающемся валу укреплен выступ 1 из магнитомягкой стали. При прохо-

ждении выступа мимо рабочего зазора магнитное сопротивление Rм для

потока постоянного магнита резко уменьшается.

При нарастании потока появляется первый импульс ЭДС в выходной обмотке 3. При спадании потока - второй. За один оборот появляются два импульса ЭДС. Число импульсов в единицу времени считывается измерительным устройством.

139

создает силу, которая увлекает индуктор в направлении вращения якоря. Материал якоря должен обладать малым удельным электрическим сопротивлением, что обеспечивает возникновение достаточно больших вихревых токов, и высокой магнитной проницаемостью для получения возможно больших значений магнитного потока.

Рис. 18.1. Индукционная муфта:

1 - якорь; 2 -индуктор; 3 - магнитная система; 4 - катушка возбуждения; 5 - магнитный поток

Регулируя ток возбуждения Iв и тем самым меняя магнитное по-

ле, можно плавно регулировать в широких пределах частоту вращения и передаваемый вращающий момент ведомого вала.

На рис. 18.2 показаны механические характеристики индукционной муфты.

Рис. 18.2. Механические характеристики индукционной муфты при различном токе возбуждения

Механические характеристики индукционной муфты существенно зависят от нагрузки. Поэтому для стабилизации скорости применяются специальные регулирующие устройства.

141

Более широко применяются электромагнитные муфты, в которых используется электромагнитное усилие притяжения между ферромагнитными телами. Эти муфты удобны в эксплуатации, имеют малые габаритные размеры и небольшое время срабатывания, передают большие мощности на валу при сравнительно малой мощности управления.

Простейшая конструкция электромагнитной фрикционной муфты представлена на рис. 18.3.

а

б

Рис. 18.3. Электромагнитная фрикционная муфта: а - разрез муфты; б - поверхность трения

Постоянное напряжение подводится к щеткам, скользящим по контактным кольцам 1, соединенным с выводами обмотки 2. Обмотка имеет цилиндрическую форму и окружена магнитопроводом ведущей части 3 муфты. Направляющая втулка 7 имеет выступ 6, который входит в паз 8 полумуфты 5, которая может перемещаться вдоль оси, оставаясь соединенной с валом 10.

142