Устройство, принцип действия магнитоэлектрического и электромагнитного механизмов

 

Магнитоэлектрический механизм работает лишь при постоянном токе, но ввиду высоких качеств его широко применяют в соединении с различными преобразующими устройствами для измерений переменного тока. При соедине­нии магнитоэлектрического механизма и полупроводникового выпрямителя полу­чают выпрямительный (детекторный) прибор; а если этот же механизм соеди­нить с термопарами, образуется термоэлектрический прибор.

 

 

В магнитоэлектрическом механизме вращающий момент создается взаимо­действием поля постоянного магнита и измеряемого тока катушки. Механизмы данной системы могут быть с подвижной катушкой и с подвижным магнитом. Последние обладают весьма низкой точностью и применяются относительно редко.

По своим конструктивным особенностям магнитоэлектрические измеритель­ные механизмы с подвижной катушкой делятся на механизмы с внешним магни­том и механизмы с внутрирамочным магнитом.

Магнитная система механизмов с внешним магнитом (рис. 3.2.) состоит из сильного постоянного магнита 1, магнитопровода 2, полюсных наконечников 3 и сердечника. Три последние части изготовляют из легко обрабатываемой магнитомягкой стали. В результате тщательной обработки полюсных наконечников и сердечника в воздушном зазоре между ними создается практически равномер­ное радиальное магнитное поле.

В механизмах с внутрирамочным магнитом (рис. 3.3.) сердечником служит постоянный магнит 1. Его охватывает кольцевой магнитопровод 3, изготовлен­ный из магнитомягкой стали. Магнитодвижущая сила постоянного магнита неодинакова на различных участках воздушного зазора и при равномерном зазоре создавала бы примерно синусоидальное распределение индукции в зазоре вдоль окружности сердечника. Но посредством накладок 2 из магнитомягкой стали удается сделать магнитное поле в большей части зазора практически равномерным, радиальным.

В обеих конструкциях измерительных механизмов подвижная катушка 4 уста­навливается на растяжках или опорах и может поворачиваться относительно сердечника в пределах примерно 90°. Эта катушка наматывается на алюминие­вый каркас. Такую подвижную часть принято называть рамкой. Алюминиевый каркас служит в этом механизме магнитоиндукционным успокоителем, так как он представляет собой короткозамкнутый виток, помещенный в поле постоян­ного магнита. При перемещении подвижной части изменяется потокосцепление каркаса, вследствие чего в нем индуктируется эдс и возникает ток в каркасе. Ток, взаимодействуя с полем постоянного магнита, создает силу, тормозящую колебания рамки.

Рис 3.2.Магнитоэлектрический механизм с внешним магнитом:

1 — постоянный магнит, 2 — магнитопровод,

3 — полюсные наконечники, 4 — подвижная катушка

 

 

Вращающий момент в приборе определяется на основании закона электромагнитной силы. На каждый из проводников катушки воздействует сила

F = BIl,

здесь l — активная длина проводника, приблизительно равная высоте катушки h. Каждый из ω витков катушки имеет две активные стороны. Плечо приложения силы равно половине ширины d катушки, на основании чего вращающий момент, воздействующий на подвижную часть магнитоэлектрического механизма, будет:

а так как hd = S – площадь катушки, то

Следовательно, в магнитоэлектрическом механизме вращающий момент пропорционален магнитной индукции в воздушном зазоре и измеряемому току. Так как магнитная индукция в воздушном зазоре распределена практически достаточно равномерно, то можно считать, что

Противодействующий момент М_прсоздается кручением растяжек или пружин. Они служат вместе с тем для подвода тока в подвижную часть, т.е. М_пр = k_врI.

При установившемся отклонении ток

Угол отклонения подвижной части прямо пропорционален измеряемому току — магнитоэлектрический прибор имеет равномерную шкалу (поскольку магнитную индукцию можно считать одинаковой в пределах рабочей части воз­душного зазора).

Применив правило левой руки, легко убедиться, что подвижная катушка стремится принять положение, при котором направление ее поля совпадает с направлением основного магнитного поля, создаваемого магнитом. Направление вращающего момента изменяется при изменении направления тока, поэтому при включении в цепь переменного тока промышленной частоты стрелка будет оставаться на нулевом делении, так как на подвижную часть будут воздействовать быстро изменяющиеся вращающие моменты противоположного направления.

Магнитоэлектрические механизмы весьма чувствительны, так как их основное магнитное поле возбуждается постоянным магнитом, а не измеряемым током. По этой причине для высокочувствительных нулевых приборов (гальванометров) обычно применяют магнитоэлектрические измерительные механизмы.

Из-за большой чувствительности магнитоэлектрический механизм отличается малым собственным потреблением энергии.

Внешние магнитные поля мало влияют на показания этих приборов в результате собственного сильного магнитного поля и экранирующего действия магнитопровода из магнитомягкой стали. Недостатком системы можно считать относительно высокую стоимость механизмов.

 

 

Рис.3.3.Магнитоэлектрический механизм с

внутрирамочным магнитом:

1 — постоянный магнит,

2 — накладки, 3 — магнитопровод

 

Электромагнитный механизм показан на рисунках 3.4, 3.5,3.6.

В приборах этой системы перемещение подвижной части вызывается воздействием магнитного поля неподвижной катушки на сердечник из магнитомягкого ферромагнитного материала, укрепленный на одной оси со стрелкой.

Э лектромагнитные силы стремятся переместить сердечник так, чтобы магнитный поток в механизме был наибольшим. В настоящее время широко применяют три основные конструкции электромагнитных механизмов.

В механизмах с плоской катушкой (рис. 3.4) сердечник 1 из магнитомягкого материала втягивается в относительно узкую щель катушки 2 при наличии в ней измеряемого тока. Для усиления магнитного поля и регулирования вращающего момента служит второй неподвижный сердечник 3.

В механизмах с круглой катушкой (рис. 3.5.) внутри катушки 1 находятся два ферромагнитных сердечника 2 и 3. Один из них 2 неподвижен, а второй 3 (подвижный) укреплен на оси. При наличии в катушке измеряемого тока сер­дечники намагничиваются и стремятся оттолкнуться друг от друга, что и создает вращающий момент.

В механизмах с магнитопроводом (рис. 3.6.) подвижный сердечник 1 поме­щен в зазоре магнитопровода между когтеобразными полюсными наконечни­ками 2 и 3. Магнитный поток возбуждается измеряемым током катушки 4. Подвижный сердечник, имеющий форму сектора, стремится занять положение, соответствующее максимуму энергии магнитной системы.

Подвижная часть электромагнитных приборов устанавливается на растяжках или на опорах. Для создания противодействующего момента используют круче­ние растяжек или спиральной пружины.

Электромагнитные механизмы с круглой или плоской катушкой, имеющие слабое магнитное поле, снабжа­ются экранами 4 (см. рис.3.5) для защиты от внешних магнитных влияний.

 

Для успокоения в электромагнитных приборах применяются воздушные (см. рис.3.4.), магнитоиндукционные (см. рис.3.5.) и жидкостные успокоители. Вращающий момент этих приборов пропорционален квадрату тока I² и измене­нию индуктивности системы при повороте подвижной части

Следовательно, изменение направления измеряемого тока не изменяет направления вращающего момента: при изменении направления тока происходит одновременное изменение полярности сердечников и направления магнитного поля. В принципе приборы пригодны для измерения постоянного и переменного токов. Но при постоянном токе влияние гистерезиса может вызывать разницу в показаниях прибора при возрастании и убывании тока (доходящую примерно до 2%). При переменном токе потери в сердечнике на гистерезис и вихревые токи несколько уменьшают отклонения подвижной части. В лабораторных и переносных приборах при применении сердечников из пермаллоя разница в показаниях при постоянном и переменном токах становится незначительной. Но большинство щитовых приборов этой системы предназначается для измерений только переменного тока.

Приборы электромагнитной системы по конструкции просты, дешевы, весьма устойчивы к перегрузкам, благодаря этим эксплуатационным качествам щитовые электромагнитные амперметры и вольтметры переменного тока широко применяются на практике.

 

 

Рис. 3.4. Электромагнитный механизм с плоской катушкой:

1 — подвижный сердечник, 2 — катушка,

3 — неподвижный сердечник, 4 — экран

 

 

 

Рис.3.5.Электромагнитный механизм с круглой катушкой:

1 — катушка, 2 и 3 — сердечники, 4 — экран

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.6.Электромагнитный механизм с магнитопроводом:

1 – подвижный сердечник; 2, 3 – наконечники, 4 – обмотка

 

Недостатками механизмов электромагнитной системы являются относительно большое собственное потребление энергии, зависимость показаний от внешних магнитных полей и некоторая неравномерность шкалы, особенно в ее начальной части.