Электромагнитные механизмы.

Принцип работы электромагнитных механизмов основан на взаимодействии магнитного поля катушки с током и ферромагнитного сердечника. Подвижным элементом является ферромагнитный сердечник, перемещающийся в магнитном поле катушки, по обмотке которой протекает измеряемый ток. Электромагнитные механизмы могут выполняться с плоской (рис. 8, а), круглой катушками или с замкнутым магнитопроводом.

Электромагнитный механизм состоит из катушки 1, ферромагнитного сердечника 2, воздушного успокоителя 3, спиральной пружины 4, создающей противодействующий момент, и корректора 5.

При наличии тока в катушке сердечник стремится расположиться в месте с наибольшей концентрацией поля, т. е. втягивается внутрь катушки. При этом создается вращающий момент, и стрелка механизма отклоняется.

Противодействующий момент возникает в результате закручивания пружины 4. Энергия, сосредоточенная в катушке с индуктивностью L, по которой протекает ток I, определяется выражением .

При перемещении сердечника индуктивность катушки изменяется, и формулу для вращающего момента на основании (1) можно записать в следующем виде:

. (19)

Рис. 8. Структура электромагнитного механизма

с плоской катушкой (а) и логометра (б)

В режиме установившегося отклонения (М_В = М_П):

(20)

откуда

(21)

Из формулы (21) можно сделать выводы:

- шкала электромагнитного механизма неравномерная, но подбором формы сердечника и места его расположения в катушке, т. е. изменяя множитель можно улучшить линейность шкалы (за исключением начального участка);

- отклонение подвижной части не зависит от направления тока в обмотке и механизм пригоден для измерений в цепях постоянного и переменного токов.

При включении таких механизмов в цепь переменного тока они измеряют средний квадратический (действующий) ток.

Электромагнитный механизм может выполняться по схеме логометра (рис. 8, б). В этом случае механизм состоит из двух катушек 1 и 2 и двух сердечников. Сердечники укреплены на общей оси так, что при повороте подвижной части индуктивность одной катушки увеличивается, а другой уменьшается. Вследствие этого вращающий и противодействующий моменты направлены в противоположные стороны. Для статического равновесия будет справедливо соотношение (17). Такие логометры имеют малую стоимость и устойчивы к механическим перегрузкам, но имеют низкую точность. Они применяются главным образом для измерения неэлектрических величин, например уровня топлива, числа оборотов и т. п.

На основе электромагнитных механизмов изготавливаются приборы для измерения токов и напряжений в цепях постоянного и переменного тока промышленной частоты. Они могут быть как щитовыми, так и переносными. Большинство электромагнитных амперметров и вольтметров выпускаются в виде щитовых приборов классов точности 1,5 и 2,5. Некоторые приборы изготавливаются класса точности до 0,2, а в отдельных случаях даже класса 0,1. Щитовые амперметры непосредственного включения (без преобразователей) выпускаются на пределы измерений от 100 мА до 500 А, а вольтметры – от 7,5 до 750 В.

Достоинствами электромагнитных приборов является простота, надежность и сравнительно низкая стоимость. К недостаткам относятся неравномерность шкалы и сравнительно большая погрешность, зависящая от магнитного гистерезиса материала сердечника, температуры и влияния магнитных полей. Наличие магнитного гистерезиса увеличивает вариацию показаний. Под влиянием температуры изменяются сопротивление и геометрические размеры катушки. Внешнее магнитное поле оказывает значительное влияние на показания. Для защиты от внешнего магнитного поля механизмы экранируют или астазируют.

Экранирование магнитомягким железом увеличивает массу приборов. Чаще используется астазирование, основанное на взаимодействии внешних магнитных полей, приводящем к нулевому суммарному эффекту. При астазировании прибор выполняется по астатической схеме подобно логометру (рис. 8, б). Катушки включаются последовательно, а направление намотки катушек выбрано так, что магнитные потоки Ф₁ и Ф₂ катушек, равные по значению, направлены навстречу друг другу. Если такой механизм подвергается воздействию равномерного внешнего магнитного поля, то магнитный поток Ф складывается с потоком Ф₁ и вычитается из потока Ф₂. В результате суммарный момент, а, следовательно, и показания прибора не изменяются.

Вывод: принцип работы электромагнитных механизмов основан на взаимодействии магнитного поля катушки с током и ферромагнитного сердечника. Они применяются главным образом для измерения неэлектрических величин, например уровня топлива, числа оборотов и т. п. Достоинствами электромагнитных приборов является простота, надежность и сравнительно низкая стоимость. К недостаткам относятся неравномерность шкалы и сравнительно большая погрешность, зависящая от магнитного гистерезиса материала сердечника, температуры и влияния магнитных полей.