3.3.Электромагнитные механизмы
3.3.1.Устройство и принцип действия электромагнитных механизмов
Принцип работы электромагнитных измерительных механизмов основана на взаимодействии электромагнитного поля, созданного неподвижной катушкой, по обмотке которой протекает измеряемый ток, с ферромагнитным сердечником, укрепленными на оси.
Поэтому подвижный сердечник вместе с осью и другими деталями, укрепленными на ней, поворачивается на некоторый угол.
Наибольшее распространение в настоящее время получили измерительные механизмы с плоской и круглой катушками, а также с замкнутым магнитопроводом.
Принцип действия и устройство наиболее распространенным типов электромагнитных измерительных механизмов показаны на рис. 3.3.1. (с плоской катушкой) и рис. 3.3.2 (с круглой катушкой)|
Рис. 3.3.1.1. Электромагнитный Рис. 3.3.1.2. Электромагнитный
измерительный механизм измерительный механизм
с плоской катушкой : с круглой катушкой: 1 — неподвижная катушка: 1 — неподвижная катушка;
2 — ферромагнитный сердечник: 2 — неподвижный сердечник ;
3 — ось; 3 — подвижный сердечник
4 — противодействующая пружина; 4 — противодействующая
пружина
5 — ось
Измерительный механизм с плоской катушкой (рис. 3.3.1.) состоит из катушки 1 с обмоткой из медного провода, имеющей воздушный зазор, и сердечника 2 из высококачественного ферромагнитного материала, пермаллоя; сердечник укрепляется на оси 3 с опорами или на растяжках. Противодействующий момент создается спиральной пружиной 4 или растяжками. Успокоение магнитоиндукционное или жидкостное.
В механизме с круглой катушкой (рис. 3.12) в электромагнитном поле, создаваемом измеряемым током, протекающим по неподвижной катушке 1 помещаются два ферромагнитных сердечника. Сердечник 2 укреплен неподвижно внутри катушки, а подвижный сердечник 3 закреплен на оси 5. Оба сердечника под воздействием поля катушки намагничиваются одноименно, в результате подвижный сердечник 3 отталкивается от неподвижного сердечника 2, поворачивая, таким образом, ось 5 со стрелкой и крылом успокоителя. Противодействующий момент создается пружиной 4.
Рис. 3.3.1.3. Электромагнитный механизм с замкнутым магнитопроводом.
Механизмы с замкнутым магнитопроводом (рис. 3.3.3.) отличаются рядом преимуществ по сравнению с механизмами без магнитопровода.
Катушка 1 расположена на неподвижном магнитопроводе 3 с двумя парами полюсных наконечников 4 и 5. Магнитопровод и полюсные наконечники выполнены из магнитомягкого материала. Подвижный сердечник 2 из магнитомягкой стали или пермаллоя, укрепленный на растяжках, может перемещаться в зазоре между полюсными наконечниками. Успокоитель жидкостный, состоящий из двух дисков: один укреплен на подвижной части, а другой — на неподвижной. В маленький зазор между хорошо, отполированными поверхностями дисков заливается маловысыхающая жидкость определенной вязкости. При движении подвижной части из-за трения между слоями жидкости возникает момент успокоения.
При протекании постоянного тока I через катушку возникает электромагнитное поле, которое, воздействуя на подвижный сердечник 2, стремится расположить его так, чтобы энергия магнитного поля была наибольшей.
Энергия магнитного поля электромагнитного механизма, имеющего катушку с током I, равна:
где: L — индуктивность катушки; I — ток в обмотке катушки.
При перемещении подвижной части изменяется индуктивность системы.
Вращающий момент определяется:
При протекании в обмотке катушки переменного тока:
i = Im sin t
где i – мгновенное значение силы переменного тока;
Im - амплитуда переменного тока в данный момент подвижная часть вследствие инерционности реагирует на среднее значение вращающего момента, равное:
где I — действующее значение переменного тока в обмотке катушки.
Противодействующий момент, создаваемый пружиной,
где W — удельный противодействующий момент.
Установившееся отклонение подвижной части наступает при равенстве вращающего и противодействующего моментов. Условие статического равновесия:
МВР = -Мпр
можно получить выражение для угла отклонения
Шкала у электромагнитного измерительного прибора неравномерная (квадратичная), т. е. между измеряемой величиной (током) и углом отклонения нет пропорциональной зависимости (зависимость квадратичная).
Выбором формы сердечника удается приблизить шкалу к равномерной, начиная с 15—20 % ее конечного значения, но в начале шкалы деления обычно сильно сжаты
При работе электромагнитного механизма на переменном токе в окружающих металлических частях и сердечнике возникают вихревые токи, размагничивающие сердечник. Вследствие этого его показания на переменном токе немного меньше, чем на постоянном.
Указанное различие в показаниях прибора увеличивается с ростом частоты, но на частоте f = 50 Гц оно невелико.
Магнитное поле в электромагнитных механизмах без магнитопроводов, замыкающееся в основном по воздуху, невелико, поэтому внешние магнитные поля существенно влияют на показания приборов с такими механизмами.
Для уменьшения влияния внешних магнитных полей применяют экранированные конструкции.
При магнитном экранировании измерительный механизм помещается внутрь замкнутого ферромагнитного кожуха с достаточно большой магнитной проницаемостью. Такой кожух имеет экранирующее действие и в некоторой степени служит магнитопроводом, через который замыкается магнитный поток катушки. Для улучшения экранирующего действия применяют два или несколько экранов.
В механизмах с магнитопроводом собственное магнитное поле сильное, поэтому экранировать приборы с такими механизмами нет необходимости.
Недостатки электромагнитных механизмов:
неравномерная квадратичная шкала,
влияние внешних магнитных полей на механизмы без магнитопровода
большое собственное потребление мощности.
Достоинства электромагнитных механизмов:
пригодность для работы на постоянном и переменном токе,
устойчивость к токовым перегрузкам,
простота конструкции,
повышенная чувствительность у измерительного механизма с замкнутым магнитопроводом.
Благодаря отмеченным достоинствам электромагнитные механизмы используются в щитовых амперметрах и вольтметрах класса 1,0 и более низких классов для измерений в цепях переменного тока. Кроме того, они применяются в переносных многопредельных приборах класса 0,5.