Вопрос № 3. Магнитоэлектрические механизмы.

Принцип действия магнитоэлектрических механизмов основан на взаимодействии токов, протекающих в одном или нескольких контурах с полями одного или нескольких постоянных магнитов. Подвижными могут быть как контуры с током, так и постоянные магниты (первые получили большее распространение).

В простейшем случае магнитоэлектрический механизм (рис. 6, а) состоит из неподвижного магнита 1 и подвижной катушки (рамки) 2, по которой протекает ток. Магнитная система механизма образуется постоянным магнитом, имеющим полюсные наконечники с цилиндрической расточкой, и неподвижным ферромагнитным цилиндром 3.

Такая конструкция обеспечивает постоянство магнитной индукции в воздушном зазоре, где перемещается подвижная катушка, а магнитные силовые линии будут ориентированы по радиусу цилиндра (рис. 6, б). Форма магнита может быть кольцевой, подковообразной, прямоугольной и т. п.

Рис. 6. Структура магнитоэлектрического механизма (а)

и принцип его действия (б)

Спиральные пружины 4 служат для создания противодействующего момента и подведения тока к катушке. Одна из пружин крепится к корпусу, а вторая – к эксцентрическому винту (корректору) 6. С помощью корректора стрелка механизма устанавливается на нулевую отметку шкалы перед измерением, когда отсутствует ток в цепи катушки 2. Грузики 5 предназначены для уравновешивания подвижной части. Наличие постоянного магнита позволяет использовать его для создания момента успокоения. Обычно подвижная катушка наматывается на алюминиевый каркас, который представляет собой короткозамкнутый контур. Следовательно, при перемещении его в поле постоянного магнита создается момент успокоения (используется магнитоиндукционный успокоитель).

Энергия магнитоэлектрической системы, сосредоточенная в механизме и вызывающая вращающий момент, равна:

(6)

где W_U – энергия поля магнита;

W_K = LP/2 – энергия катушки с током, L – индуктивность катушки;

– энергия взаимодействия поля магнита и катушки с током;

– потокосцепление.

Подставляя (6) в формулу (1), получим выражение для вращающего момента:

(7)

В формуле (6) первые два слагаемых не зависят от угла поворота подвижной системы. Потокосцепление для системы с равномерным радиальным магнитным полем определяется по формуле:

, (8)

где В_о – магнитная индукция в зазоре;

S – площадь катушки;

ω – число витков катушки.

Тогда вращающий момент будет определяться по формуле:

. (9)

Так как противодействующий момент создается спиральными пружинами, то с учетом формулы (2) для установившегося режима можно записать уравнение:

(10)

откуда

(11)

где S_I = B₀Sω/K_п – чувствительность измерительного механизма к току.

Уравнение (11) называется уравнением измерения (уравнением шкалы) и устанавливает зависимость угла поворота подвижной части от измеряемой величины. Из уравнения (11) следует:

- угол отклонения подвижной части (стрелки) магнитоэлектрического механизма прямо пропорционален току;

- чувствительность механизма постоянна, следовательно, шкала равномерная;

- магнитоэлектрический механизм реагирует на постоянный ток, а при включении в цепь переменного тока вследствие инерционности подвижной части стрелка будет совершать колебательные движения только на низких частотах.

Достоинствами магнитоэлектрических механизмов являются высокая чувствительность (пределы измерений до 10 мкА), малое потребление мощности от измеряемой цепи (10^-2 – 10^-6 Вт), равномерная шкала и небольшие погрешности измерений. Приборы, выполненные на основе магнитоэлектрических механизмов, изготавливаются вплоть до класса точности 0,05. Из внешних факторов наибольшее влияние оказывает температура, при изменении которой изменяются магнитная индукция и сопротивление катушки.

Недостатками являются: малая перегрузочная способность и сравнительная сложность (особенно ремонта). Однако с учетом достоинств магнитоэлектрические механизмы широко используются в щитовых и переносных приборах.

Магнитоэлектрические логометры (рис. 7, а) имеют подвижную часть, состоящую из двух катушек 2 и 3, укрепленных на общей оси. Токи к катушкам подводятся через мягкие серебряные или золотые ленточки, которые не создают противодействующего момента. Отличительной особенностью магнитной системы является нецилиндрическая расточка полюсных наконечников 1 и сердечника 4, за счет чего магнитная индукция в зазоре зависит от угла поворота α.

Рис. 7. Структура магнитоэлектрического логометра (а) и схема его включения для измерения сопротивлений (б)

С учетом формулы (9) можно найти вращающий момент:

. (12)

Аналогично противодействующий момент определяется по формуле:

. (13)

Направление токов в катушках выбирается так, чтобы моменты имели встречное направление. В момент равновесия М_В = М_П, т. е.

, (14)

откуда

(15)

Обозначив

и ,

получим

(16)

Решив уравнение относительно α, можно получить выражение для угла поворота (уравнение измерения):

(17)

Из выражения (17) можно сделать вывод, что отклонение подвижной части пропорционально отношению токов, протекающих через катушки. Подбором профилей расточки полюсных наконечников и сердечника можно улучшить линейность шкалы.

Магнитоэлектрические логометры используются в приборах для измерения сопротивлений: омметрах и мегомметрах. Схема включения логометра для измерения сопротивлений изображена на рис. 7, б. Сопротивления катушек 1 и 2 логометра соответственно R₁ и R₂, R_x – измеряемое сопротивление, a R₃ и R₄ – сопротивления добавочных резисторов, постоянно включенных в схему. Токи в цепях можно определить по формулам: и . Тогда с учетом соотношения (17) угол отклонения стрелки логометра определяется по формуле:

(18)

Из формулы (18) можно сделать вывод, что угол отклонения стрелки омметра при постоянных R₁, R₂, R₃ и R₄ зависит от значения измеряемого сопротивления и не зависит от напряжения и стабильности источника питания.

В приборах для измерения больших сопротивлений (мегомметрах) применяются высоковольтные (до нескольких тысяч вольт) генераторы постоянного тока. Такие приборы с пределом измерений до 200 МОм и погрешностью ± 1 % используются, например, для измерения сопротивления изоляции кабелей.

Вывод: в данном вопросе были рассмотрены принцип действия, уравнение измерения (уравнение шкалы), устанавливающее зависимость угла поворота подвижной части от измеряемой величины, конструкция, достоинства и недостатки магнитоэлектрических приборов, в том числе и логометров. Принцип действия магнитоэлектрических механизмов основан на взаимодействии токов, протекающих в одном или нескольких контурах с полями одного или нескольких постоянных магнитов. Подвижными могут быть как контуры с током, так и постоянные магниты (первые получили большее распространение).