Лекция №7 Электромагнитные преобразователи

Они делятся на четыре типа: индуктивные, трансформаторные (взаимоиндуктивные), индукционные и магнитоупругие.

Индуктивные преобразователи имеют естественной входной величиной перемещение, а выходной – изменение индуктивности.

Трансформаторные преобразовывают перемещение в изменение взаимоиндуктивности.

Индукционные преобразователи входной величиной имеют скорость линейных или угловых перемещений, а выходной – индуктированная ЭДС.

Магнитоупругие преобразователи имеют входную величину деформации феррамагнитного сердечника, а выходную – изменения его магнитной проводимости.

Индуктивные преобразователи бывают простыми (рис. 38 а-г) и дифференциальными (рис. 38 д-в), каждый из которых имеет несколько конструктивных разновидностей.

Преобразователь с переменным воздушным зазором (рис. 38 а) содержит

шихтованный магнитопровод, состоящий из П-образного сердечника, на котором размещена катушка, и плоского поперечного движущегося якоря, перемещение которого вызывает изменение воздушного зазора, магнитной проводимости цепи и индуктивного сопротивления преобразователя. В преобразователе с продольно движущимся якорем (рис. 38 б) перемещение последнего вызывает изменение площади воздушного зазора, что также меняет проводимость магнитной цепи и индуктивное сопротивление преобразователя.

Рис. 38. Разновидности индуктивных преобразователей.

Полное сопротивление преобразователя равно

, (7.1)

где R - активное сопротивление преобразователя;

X - его индуктивное сопротивление.

Индуктивное сопротивление определяется выражением

, (7.2)

где ω - круговая частота питающего напряжения;

W - число витков катушки;

δ - воздушный зазор;

- магнитная проницаемость вакуума и стали, соответственно;

- площадь воздушного зазора;

- длина стального участка магнитопровода по средней линии;

- площадь сечения стального участка магнитопровода.

Из приведенных выражений следует, что зависимость индуктивного сопротивления от величины воздушного зазора близка к гиперболической, а от его площади — к линейной. Отклонение зависимостей от указанных обусловлено непостоянством магнитной проницаемости стали, зависящей от напряженности магнитного поля в магнитопроводе и поверхностного эффекта, влияние которого возрастает с увеличением частоты питающего напряжения.

Полное электрическое сопротивление индуктивного преобразователя с переменным зазором или переменной площадью зазора, являющееся выходной величиной, еще более отклоняется от гиперболической или линейной зависимости из-за влияния активного сопротивления катушки, также являющегося переменной величиной, зависящей от степени проявления поверхностного эффекта.

В индуктивных преобразователях с гиперболической характеристикой перемещение подвижного элемента ограничивают так, чтобы использовался участок характеристики, близкий к линейному. Этот участок ограничен перемещением, равным 0.1 — 0.15 начального зазора, являющегося максимальным.

На рис.38 «в» показана схема преобразователя, в котором перемещающимся элементом является короткозамкнутный виток, вводимый в воздушный зазор магнитопровода. Магнитная проводимость последнего изменяется за счет размагничевающего действия вторичных токов, индуктируемых в этом витке и зависящих от места его расположения на магнитопроводе.

На рис.38 «г» приведена схема индуктивного преобразователя с разомкнутой магнитной цепью. Он выполнен в виде соленоида и представляет собой катушку, внутри которой размещен ферромагнитный сердечник. Перемещение сердечника вызывает изменение индуктивности катушки.

Преобразователи с переменным зазором (рис 38 а) применяются для измерения малых перемещений (0.01 + 10 мм), преобразователи с переменной площадью зазора (рис38б) — для средних перемещений (5 + 20 мм), соленоидные преобразователи (рис.38 г) — для больших помещений (10 + 100 мм).

Дифференциальные преобразователи (рис.38 д-з) позволяют уменьшить погрешности и увеличить линейный участок характеристики, поэтому на практике индуктивные преобразователи в большинстве случаев выполняются дифференциальными.

Дифференциальный преобразователь содержит два магнитопровода (сердечника) с катушками и один общий для них подвижный элемент (якорь). При симметричном расположении якоря относительно сердеч-ников магнитные проводимости для потоков, создаваемых обеими катушками, равны. Перемещение якоря вызывает увеличение магнитной проводимости одного сердечника и уменьшение другого . Катушки преобразователя включаются в плечи измерительного моста таким образом, что характеристика измерительной цепи является алгебраической суммой характеристик двух простых индуктивных преобразователей. Если при симметричном расположении якоря начальные зазоры равны (рис.38 д), то линейный участок характеристики обеспечивается при перемещении якоря в каждую сторону, равном (0.3 – 0.4) .

Наиболее существенным достоинством индуктивных преобразователей является их большая мощность, обеспечивающая возможность измерений без использования усилительной аппаратуры.

Трансформаторные преобразователи имеют такие же магнитные цепи, как индуктивные, и отличаются от последних наличием на сердечнике магнитопровода двух катушек, одна из которых подключается к источнику питания, а вторая - к измерительному выходному прибору.

При перемещении якоря меняется взаимоиндуктивностъ обмоток и величина выходного сигнала. Трансформаторные преобразователи могут быть простыми и дифференциальными и иметь магнитопроводы, аналогичные показанным на схемах рис38а,б,в,д,е,ж. В некоторых случаях вместо П-образного магнитопровода используется Ш-образный с размещением катушек на среднем стержне.

Дифференциальные трансформаторные преобразователи имеют по две вторичных обмотки, включаемых встречно.

Основные погрешности трансформаторных преобразователей (как и индуктивных) вызываются нестабильностъю напряжения и частоты источника питания, а также влиянием изменения температуры.

При перемещении якоря трансформаторного преобразователя меняется индуктивное сопротивление его первичной обмотки. Чтобы свести к минимуму изменение первичного тока в простом преобразователе, первичная обмотка подключается к источнику питания через большое добавочное сопротивление, а в дифференциальном – две первичных обмотки соединяются последовательно. Так как их индуктивные сопротивления изменяются в противоположных направлениях, то полное сопротивление первичной цепи близко к постоянному значению.

В индукционных преобразователях входной величиной является скорость перемещения, а входной – индукцированная ЭДС.

Основные конструктивные схемы индукционных преобразователей показаны на рис 39. Их можно разделить на две группы.

Рис. 39. Разновидности индукционных преобразователей:

1 – постоянный магнит; 2, 3 – полюсные наконечники; 4 – магнитопровод; 5 – катушка.

В первой группе магнитное сопротивление на пути постоянного магнитного потока остается неизменным, а индуктированная ЭДС наводится на катушке благодаря линейным ( рис.39 а) или угловым (рис.39 б) перемещениям катушки относительно магнита. При этом подвижной частью может бить или магнит, или катушка.

Катушка выполняется подвижной в тех случаях, когда нужно снизить инерционные массы движущихся частей для повышения частотного диапазона преобразователя. При этом токоподвод выполняется гибким проводом.

В преобразователях второй группы и постоянный магнит, и катушка неподвижны, а индуктированная ЭДС наводится за счет изменения магнитного потока, сцепленного с катушкой (рис ,39 в).

Линейный индукционный преобразователь (рис.39 а) содержит постоянный магнит I в виде полого цилиндра, намагниченного в осевом направлении, полюсные наконечники 2 и 3 в виде ферромагнитных торцевых крышек цилиндра.

Полюсный наконечник 2 снабжен центральным стержнем 4, выполняющим роль магнитопровода и обеспечивающим направление перемещения тонкостенного изоляционного каркаса с катушкой 5 в воздушном зазоре между наконечником 3 и стержнем 4. Направление магнитного потока в системе показано штриховыми линиями.

При перемещении катушки в ней наводится ЭДС, пропорциональная скорости перемещения и определяемая выражением.

, (7.3)

где В- индукция в воздушном зазоре;

- длина провода в катушке;

- скорость перемещения

Аналогичный принцип работы имеет преобразователь угловой скорости (рис.39 б),содержащий подковообразный постоянный магнит I с полюсными наконечниками 2 и 3,между которыми размещен ферромагнитный цилиндр 4 с катушкой 5 в виде рамки ,которая может поворачиваться в зазор либо совместно с цилиндром, либо без него.

Индукционный преобразователь угловой скорости второй группы (рис.39 в) содержит Ш-образный магнитопровод, один стержень которого является постоянным магнитом I, а два других - полюсными наконечниками 2 и 3 с катушками 5. Магнитопровод отделен воздушным зазором от зубчатого ферромагнитного колеса 4, являющегося подвижным поворотном ют вращающимся элементом.

Магнитный поток магнита разветвляется на два потока, проходящих через один и второй полюсные наконечники, При вращении зубчатого колеса его зубцы поочередно совпадают с полюсными наконечниками, потоки в которых изменяются от минимального до максимального значения при сохранении суммарного потока магнита. Пульсирующие потоки в ветвях магнитопровода индуцируют в катушках переменные ЭДС, амплитуда и частота которых определяются угловой скоростью колеса и количеством зубцов на нем. Последовательное соединение катушек обеспечивает суммирование наводимых в них ЭДС.

В индукционных преобразователях ЭДС зависит от длины провода, то есть от числа витков катушки. Дня повышения чувствительности преобразователя необходимо увеличить число витков. Однако это увеличение ограничивается следующими обстоятельствами:

а) При заданных размерах катушки увеличение числа витков приводит к уменьшени диаметра обмоточного провода и быстрому росту электрического сопротивления катушки, пропорционального квадрату числа витков; выходная мощность преобразователя возрастает только до тех пор, пока сопротивление катушки не превысит сопротивления нагрузки, после чего она падает.

б) Увеличение числа витков при неизменном диаметре провода

вызывает увеличение толщины катушки и требует соответствующего увеличения воздушного зазора, в котором находится катушка. Это приводит к падению величины индукции в зазоре и индуцированной в катушке ЭДС.

в) С увеличением числа витков возрастает реакция магнитного поля катушки, искажающая основное поле постоянного магнита и линейность характеристики преобразователя, что требует ограничения магнитодвижущей силы (МДС) катушки.

В магнитоупругих преобразователях может быть использован как генераторный, так и параметрический принцип преобразования. На практике нашел распространение лишь параметрический принцип, поэтому ниже рассматриваются только параметрические преобразователи.

Принцип действия параметрических магнитоупругих преобразователей основан на изменении магнитной проницаемости ферромагнитных тел в функции возникающих в них механических напряжений (магнитоупругий эффект), обусловленных воздействием механических сил.

В магнитоупругом преобразователе имеет место следующая цепь преобразований: сила - механическое напряжение - магнитная проницаемость - магнитное сопротивление - полное электрическое сопротивление. Существует и обратный эффект (магнитострикционный), когда внешнее магнитное поле вызывает механическую деформацию ферромагнитного тела.

На рис. 40 а, б представлены схематично магнитоупругие преобразователи дроссельного (индуктивного) типа, основанные на изменении индуктивности катушки при деформации сердечника, а на рис.40 в,е - преобразователи трансформаторного типа, в которых меняется взаимоиндуктивность между двумя катушками.

Рис. 40. Разновидности магнитоупругих преобразователей.

В качестве материалов для магнитоупругих преобразователей используются железоникелевые (пермаллои) и железокремниевые сплавы.

Сердечники плоских магнитоупругих преобразователей (рис.40) целесообразно выполнять без разрезов, хотя этом затрудняется намотка катушек через окно, выполняется вручную.

Наличие разрезов приводит к появлению в местах стыков зазоров, снижающих чувствительность и точность преобразователя. Характеристики последнего ухудшаются также из-за влияния вихревых токов, индуцируемых в сердечнике переменным магнитным полем.

Наиболее эффективной мерой по снижению вихревых токов является выполнение сердечника шихтованным, хотя это усложняет технологию и снижает механическую прочность преобразователя.

На рис.41 показана магнитная цепь дифференциального магнито-упругого преобразователя, чувствительными элементами которого являются внешние полые цилиндры 4 и 5 магнитопровода.

Центральный стержень 6 передает на элемент 5 растягивающее усилие, тогда как элемент 4 работает на сжатие. Ферромагнитные детали 7 и 2 образуют участки магнитопроводов и одновременно являются каркасами катушек I и 3, магнитные потоки которых показаны штриховыми линиями. Для получения одинаковых магнитных сопротивлений магнитопроводов целесообразно стержень 6 выполнять из немагнитной стали.

В описанных магнитоупругих преобразователях используется изменение магнитной проницаемости чувствительного элемента (магнитопровода) в одном направлении. Магнитоупругие преобразователи, в которых используется изменение магнитной проницаемости одновременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, называются магнитоанизотропными.

Такой преобразователь трансформаторного типа (рис.42) имеет первичную и вторичную обмотки, расположенные в сплошном магнитопроводе под прямым углом друг к другу.

Первичная обмотка питается от источника переменного тока. После приложения усилия изменение магнитной проницаемости вызывает перемещение силовых линий магнитного поля, которые сцепляются с вторичной обмоткой и индуцируют в ней ЭДС, пропорциональную усилию.

Рис. 41.Дифференциальный магнитоупругий преобразователь.

Рис.42. Магнитоанизотропный трансформаторный преобразователь.

Изменение знака нагрузки меняет фазу выходной ЭДС. Магнитоанизотропные преобразователи имеют более высокую чувствительность, чем однонаправленные.

Погрешности магнитоупругих преобразователей определяются следующими факторами:

а) Невоспроизводимость магнитного состояния магнитопровода при нагрузке и разгрузке (гистерезис), возрастающая при статических нагрузках и снижающаяся при динамических нагрузках и при увеличении напряженности магнитного поля в сердечнике. Снижение этой погрешности достигается выполнением сердечника из ферромагнитных материалов с узкой петлей гистерезиса и высоким пределом упругости, превышающим максимальную нагрузку преобразователя в 6-7 раз, а также механической тренировкой преобразователя (многократными нагружениями и разгрузками).

б) Старение материала сердечника, вызывающее изменение его магнитной проницаемости и внутренних напряжений в нем и приводящее к нестабильности его чувствительности. Снижение этой погрешности достигается искусственным старением (термообработка и многократное нагружение), после которого она не превышает 0,5℅ при сплошном сердечнике и 2℅ - при шихтованном.

в) Колебания температуры, вызывающие изменения активного сопротивления катушек, начальной магнитной проницаемости и чувствительности преобразователя.

У преобразователей с сердечниками из электротехнических сталей, содержащих 3-4,5℅ кремния, при сильно выраженном поверхностном эффекте в интервале температур °С температурная погрешность составляет 0,5-1%, а при слабо выраженном поверхностном эффекте может «достигать 2-3%.

При использовании дифференциальных магнитоупругих преобразователей перечисленные погрешности значительно уменьшаются.

Вопросы для самоподготовки:

1. На какие типы делят электромагнитные преобразователи?

2. Что такое индуктивные преобразователи?

3. Что такое трансформаторные преобразователи?

4. Что такое индукционные преобразователи?

5. Что такое магнитоупругий преобразователь?