4.1.2. Магнитные системы электроизмерительных приборов и устройств. Назначение магнитных систем. Расчет магнитных систем

Основой конструкции электромеханических измерительных приборов являются различного типа магнитные системы. Такие системы представляют собой сложную магнитную цепь, включающую активные элементы – постоянные магниты, создающие магнитный поток и пассивные – арматуру, распределяющую магнитный поток и содержащую магнитопровод, сердечники, полюсные наконечники, шунты, выпрямители поля, магнитные экраны и др. элементы.

Системы с постоянными магнитами предназначены для создания:

1. вращающего момента (в магнитоэлектрических приборах, в гальванометрах);

2. противодействующего момента (в логометрах);

3. тормозного момента (в счетчиках электрической энергии);

4. момента успокоения (в магнитоиндукционных успокоителях);

5. силы тяги (в приборах на магнитной подвеске).

Элементы магнитной арматуры служат для:

1. проведения магнитного потока в необходимом направлении;

2. распределения и регулировки напряженности поля в рабочем воздушном зазоре;

3. изменения степени успокоения с помощью магнитного шунта;

4. компенсации температурной погрешности с помощью термомагнитного шунта;

5. защиты прибора от внешних паразитных магнитных полей, экранирования от полей рассеивания самих магнитных систем.

Метод отношений заключается в представлении магнитной системы в виде эквивалентной электрической цепи. Постоянный магнит рассматривается как источник магнитодвижущей силы с нелинейным внутренним сопротивлением, а магнитопровода и воздушное пространство – как пассивные линейные сопротивления или проводимости утечек и нелинейные сопротивления, сосредоточенные на полюсах магнита.

Расчет основан на законе Ома для магнитной цепи: Ф = F/R_М = FG, где Ф – полный магнитный поток; F – магнитодвижущая сила; R_М и G – магнитное сопротивление и проводимость. Для рассматриваемых систем эта зависимость представляется как:

, (4.5)

или

, (4.6)

где В_М и Н_М – магнитная индукция и напряженность поля рабочей точки магнита; l_М – длина магнита, определяемая по средней линии как расстояние от одного полюсного наконечника через магнитную нейтраль до другого; S_М – площадь поперечного сечения магнита; G_М – проводимость по лине магнита от нейтрали до полюсных наконечников; b – коэффициент, учитывающий (до некоторой степени) принятое допущение; его числовое значение зависит от материала и конфигурации магнита и может быть принято равным 0,33 – 0,5; G_К – проводимость концов магнита (между полюсными наконечниками), включая и полезную проводимость воздушного зазора.

Правая часть уравнения зависит от геометрических размеров магнитной системы и представляет собой величину, обратную коэффициенту размагничивания N. Если конфигурация и размеры магнитной системы заданы, то, определив N, проводят из начала координат до пересечения с кривой размагничивания выбранного материала линию коэффициента размагничивания (при этом необходимо учитывать масштабы графика). Точка пересечения является рабочей и характеризует значения В_М и Н_М в формуле.

Если рабочая точка отстоит далеко от точки, соответствующей W_max, то меняют размеры или конфигурацию системы так, чтобы приблизить её к этой точке.

Индукцию в рабочем зазоре определяют с учетом того, что потоки распределяются пропорционально проводимостям, т.е.

, (4.7)

откуда

. (4.8)

Метод отношений обычно используют для предварительных расчетов, которые можно уточнить, применяя метод последовательного суммирования.

В системах с внешним магнитом магнитное состояние изменяется в основном от магнитной нейтрали к полюсным наконечникам. В системах с внутрирамочным магнитом утечки по длине магнита незначительны, поэтому в первом приближении при расчете ими можно пренебречь. Зато имеет место большая неоднородность магнитного состояния по сечению a – b (см. рис. 4.2). Учесть эту неоднородность можно, применяя метод последовательного суммирования.

Исходными данными являются геометрические размеры магнитной системы и кривая размагничивания материала магнита.

При расчете задаются разностью магнитных потенциалов F_М между полюсными наконечниками. Разбивают магнит по ширине на 2n участков постоянного сечения S_К и для каждого элементарного участка l_К определяют напряженность магнитного поля:

, (4.9)

где l_СР.К – средняя длина элементарного участка.

Рис. 4.2. К расчету внутрирамочного магнита

По кривой размагничивания для найденных значений Н определяют магнитную индукцию В_К (Рис. 4.2) и поток в нейтральном сечении магнита

. (4.10)

Поток

, (4.11)

где G₀ – проводимость концов магнита.

Для приближенного расчета магнитных систем с углом шкалы 90^о можно считать, что

, (4.12)

где G_Р – проводимость рабочего воздушного зазора, которую можно определить по формуле

. (4.13)

Если соблюдается равенство , то м. д. с. F_М выбрана правильно и можно определить магнитную индукцию в рабочем зазоре

. (4.14)

Если указанное равенство не выполняется, то необходимо задаться новым значением F_М и расчет повторить снова.