3.2 Магнитоэлектрические механизмы

Принцип действия магнитоэлек­трических механизмов основан на взаимодействии магнитного потока постоянного магнита и тока, проходящего по катушке (измерительной рам­ке). Возникающий при этом вращающий момент отклоняет подвижную часть механизма относительно неподвижной части.

Рис 3.2.1 Магнитоэлектрическая система

Магнитная цепь измерительного механизма (рис. 3.2.1) состоит из сильного постоянного магни­та, полюсных наконечников N, S с цилиндрической поверхностью и стального цилиндра 2 обеспечивают в зазоре 1 равномерное радиальное магнитное поле с индукцией В.

Подвижная часть механизма представляет собой ка­тушку 3 (рамку) прямоугольной формы из тонкого медного провода, намотанного на алюминиевый каркас, которая может поворачиваться вокруг стального цилиндра 2 в магнитном поле. Катушка 3 жестко соединена с двумя полуосями О и О′, которые своими концами опираются на подшипники. На полуоси О закреплены указательная стрелка 4 и две спиральные пружинки 5 и 5′, через которые к катушке подводится измеряемый ток I. Уравновешивание подвижной части осуществляется противовесами 6.

В результате взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и тока, проходящего по обмотке катушки 3, создается вращающий момент. Рамка с обмоткой при этом поворачивается, и стрелка 4 отклоняется на угол α. Стрелка 4 и циферблат со шкалой образуют отсчетное устройство.

Измеряемый ток I подводится к обмотке рамки через спиральные пружины, которые создают противодействующий момент. Противодействующий момент пропорционален углу поворота подвижной части , т.е.

М_{пр =} W,

где: W - удельный проти­водействующий момент, постоянный для данного устройства.

При протекании по обмотке рамки постоянного тока I возникает вращающий момент, который отклоняет подвижную часть механизма относительно неподвижной. Вращающий момент можно рассчитать по формуле:

M_ВР = B*S*N*I = ₀ I,

Где: В – магнитная индукция в воздушном зазоре;

S – активная площадь рамки, которая находится в магнитном потоке постоянного магнита;

N – количество витков измерительной рамки;

₀=B*S*N-потокосцепление обмотки рамки.

Установившееся отклонение подвижной части определя­ется равенством:

М_ВР = -Мпр (3.1.)

Подставив в формулу (1) выражение, М_ВР и М пр получим:

I₀ = W,

откуда угол поворота подвижной части измерительного механизма определится по формуле:

 = ₀ I / W = С* I (3.2.)

где: С = ₀ /W — чувствительность механизма к току.

Таким образом, угол отклонения подвижной части измерительного механизма прямо пропорционален току, проходящему через обмотку рамки магнито­электрического прибора. Следовательно, магнито­электрические приборы имеют равномерную шкалу.

В приборах магнитоэлектрической системы успокоение (демпфирование) стрелки происходит благодаря тому, что при перемещении алюминиевой рамки в магнитном поле постоянного магнита в ней индуктируются вихревые токи. В результате взаимодействия этих токов с магнитным полем возникает момент, действующий на рамку в направлении, противоположном ее перемещению, что и приводит к быстрому успокоению колебаний рамки.

Измерительные приборы магнитоэлектрической системы находят применение также при измерениях в цепях переменного тока. При этом в цепь подвижной катушки включают преобразователи переменного тока в постоянный или пульсирующий ток. Наибольшее распространение получили выпрямительная система.

Вольтметры и амперметры выпрямительной и термоэлектрической системы применяются для измерений в цепях переменного тока как промышленного тока, так и тока повышенных частот.

Достоинства приборов магнитоэлектрической системы – точность показаний, малая чувствительность к посторонним магнитным полям, незначительное потребление мощности, равномерность шкалы.

К недостаткам следует отнести необходимость применения специальных преобразователей при измерениях в цепях переменного тока и чувствительность к перегрузкам (тонкие токопроводящие пружинки 5 и 5′ из фосфористой бронзы при перегрузках нагреваются и изменяют свои упругие свойства).

В зависимости от класса точности и конструкции прибора применяются различные конструкции магнитной цепи. От магнитной цепи требуется постоянство индукции во вре­мени, при изменении температуры, при наличии внешнего магнитного поля и т.п.

Рис, 3.2.2. Конст­рукции магнитных цепей

Магнитоэлектрические механизмы, применяемые в ам­перметрах и вольтметрах, обладают сравнительно большим моментом инерции подвижной части и могут применяться только на постоянном токе. При пропускании по обмотке рамки переменного тока:

i = I_m sin t

где i – мгновенное значение силы переменного тока;

I_m - амплитуда переменного тока в данный момент.

Тогда, мгновенное значение вращающего момента:

M(t) = ₀i = ₀ I_m sin t,

а его сред­нее значение за период равно: (3.3.)

Так как среднее за период значение вращающего момента равно нулю поворота подвижной части не произойдет.

Достоинствами магнитоэлектрического механизма по сравнению с механизмами других измерительных систем, являются большая чув­ствительность, малое собственное потребление мощности, малое влияние внешних магнитных полей благодаря силь­ному собственному магнитному полю, прямая пропорцио­нальность между током в обмотке рамки и углом отклоне­ния т.е. равномерная шкала.

Недостатками магнитоэлектрических механизмов явля­ются сложность конструкции, высокая стоимость, а также чувствительность к перегрузкам. Последнее обстоятельство связано с тем, что измеряемый ток подводится к рамке че­рез весьма тонкие проволоки—токоподводы.

Благодаря отмеченным достоинствам магнитоэлектриче­ские приборы с внешним и внутренним магнитами являют­ся наиболее точными на постоянном токе и характеризуют­ся классами точности вплоть до 0,1. Температурные погреш­ности компенсируются с помощью специальных схем.

Магнитоэлектрические приборы находят широкое приме­нение в качестве амперметров и вольтметров постоянного тока с пределами измерений от "наноампер до килоампер и от долей милливольта до киловольт; в гальванометрах по­стоянного, переменного тока и в осциллографических галь­ванометрах. В сочетании с различного рода пре­образователями переменного тока в постоянный они исполь­зуются для измерений в цепях переменного тока.

Широкое применение находят также логометрические магнитоэлектрические механизмы. В магнитоэлектрических логометрических механизмах (Рис.3.4.) в поле постоянного магнита 1 находится подвижная часть из двух жестко ук­репленных на оси рамок 2.

Пружины, создающие противо­действующий момент, здесь не нужны. Токи I₁ и I₂ подво­дятся к рамкам с помощью «безмоментных» токоподводов. Противодействующие моменты, обусловленные ими, малы, и их можно не учитывать. При этом на рамки действуют моменты, направленные в противоположные стороны (один можно считать вращающим, а другой — противодействую­щим). Форма сердечника 3 и полюсных наконечников 4, выполненных из магнитомягкого материала, выбирается так, чтобы индукция в воздушном зазоре была неравномер­ной и направленной нерадиально. Индукция в местах расположения активных сторон рамок соответственно равна:

B₁ = f₁ () и B₂ = f₂ ().

Рис. 3.2.3. Магнитоэлектри­ческий логометрический ме­ханизм

Тогда моменты, действующие на подвижную часть, можно выразить следующим образом:

М₁ =I₁ F₁(); -М₂ =I₂ F₂(); (5)

Подвижная часть занимает поло­жение установившегося отклонения при условии

или

или

• = F (I ₁ / I ₂) (6)

Таким образом, логометр магнитоэлектрической систе­мы дает возможность измерить отношение токов, протека­ющих в обмотках рамок.