1. Области применения и свойства

Магнитоэлектрические приборы применяются в качестве:

1. амперметров и вольтметров для измерения токов и напряжений в цепях постоянного тока (для этих целей приборы других групп используют в редких случаях);

1. омметров;

3. гальванометров постоянного тока, используемых в качестве нулевых индикаторов, а также для измерения малых токов. и напряжений;

4. баллистических гальванометров, применяемых для измерений малых количеств электричества;

5) приборов для измерений в цепях переменного тока:

а) осциллографических гальванометров, применяемых для наблюдения и записи быстропротекающих процессов;

6) вибрационных гальванометров, используемых в основном в качестве нулевых индикаторов переменного тока в постоянный;

в) выпрямительных, термоэлектрических и электронных приборов, содержащих преобразователь переменного тока в постоянный.

По разнообразию применения, количеству различных типов и высоким метрологическим характеристикам магнитоэлектрические приборы занимают первое место среди всех групп электромеханических приборов. Магнитоэлектрические приборы выпускают до класса точности 0,1 , а по чувствительности с током полного отклонения до 0,1 мкА (при классе точности 1,5).

2. Устройство и принцип действия

В магнитоэлектрических механизмах для перемещения подвижной части используется энергия магнитного поля системы, состоящей из одного или нескольких постоянных магнитов и одного или нескольких контуров с токами.

Основными деталями измерительного механизма являются постоянный магнит, магнитопровод и подвижная катушка (рамка), обтекаемая током.

Существуют следующие конструктивные разновидности I магнитоэлектрических механизмов: а) между полюсами постоянного магнита установлена и может поворачиваться вокруг оси подвижная катушка (рамка), обтекаемая током (приборы с внешним магнитом); б) постоянный магнит, установлен (внутри катушки, которая может поворачиваться вокруг магнита (приборы с внутрирамочным магнитом); в) подвижный постоянный магнит установлен на оси внут­ри неподвижной катушки (приборы с подвижным маг­нитом) .

Наиболее широкое распространение получили механиз­мы первого вида — с внешним магнитом. Устройство тако­го механизма схематически показано на рис. 1 Сильный постоянный магнит 1 из высококоэрцитивной стали скреп­лен с магнитопроводом 2 и полюсными наконечниками 3 из магнитномягкой стали. Между полюсными наконечниками укреплен цилиндрический сердечник 4 тоже из магнитно-мягкой стали. Путем цилиндрической обточки сердечника и полюсных наконечников и их точной центровки в воз­душном зазоре магнитопровода создается практически рав­номерное и радиальное магнитное поле почти для всего угла охвата сердечника полюсными наконечниками.

Рис. 1. Устройство магнитоэлектрического механизма с внешним

магнитом.

Подвижная катушка (рамка) 5 из топкого медного или алюминиевого провода намотана на легкий алюминиевый каркас и установлена на опорах таким образом, что может поворачиваться вокруг сердечника в магнитном поле воз­душного зазора.

При установке подвижной части на опорах к обмотке рамки приклеиваются специальным лаком алюминиевые буксы с кернами. В щитовых приборах ось подвижной ча­сти 'большей частью располагается горизонтально, а в пере­носных приборах вертикально. При вертикальном распо­ложении оси почти вся нагрузка сосредоточена на одной нижней опоре, и трение получается значительно меньше, однако в этом случае необходима более тщательная обра­ботка поверхности кернов и подпятников.

На оси укреплена стрелка 6, конец которой перемещает­ся над шкалой. Для уравновешивания подвижной части служат грузики 7 .

Важной деталью механизма является магнитный шунт - стальная пластинка 8, перекрывающая .полюсные наконечники, через которую проходит часть (5—10%) маг­нитного потока. Перемещая пластинку, можно менять ве­личину ответвляемого в нее потока и тем самым изменять в некоторых пределах индукцию в воздушном зазоре. Та­ким путем можно регулировать номинальный угол отклоне­ния подвижной части и производить подгонку пределов из­мерения.

Успокоение колебаний подвижной части создается, с одной стороны, при помощи токов, индуктированных в короткозамкнутом контуре алюминиевого каркаса рамки, при его перемещении в магнитном поле воздушного зазора, а с другой стороны, при помощи токов от индуктированной в обмотке рамки при том же перемещении э. д. с, если обмотка замкнута на какое-либо сопротивление внешней цепи (электромагнитное успокоение). Кроме того, некоторое успокаивающее действие оказывает трение подвижной части о воздух. Для большинства показывающих приборов основное значение имеет каркасное успокоение, нужную величину которого можно получить, подогнав соответ­ствующим образом электрическое сопротивление каркаса, для чего в нем иногда делают специальные отверстия (пер­форацию) . Обмоточное успокоение у показывающих прибо­ров имеет значение, если только сопротивление цепи, на ко­торое замкнута обмотка рамки, невелико, как, например, у амперметров с шунтами.

В механизмах высокой чувствительности (гальваномет­рах) рамки делают обычно бескаркасными, и поэтому здесь основное значение имеет успокоение от индуктиро­ванных в обмотке токов. Для усиления успокоения иногда на бескаркасные рамки надевают дополнительные короткозамкнутые витки.

При протекании по обмотке рамки постоянного тока в результате взаимодействия тока с магнитным полем в воздушном зазоре возникает вращающий момент, под действием которого рамка поворачивается. Для создания противодействующего момента и одновременно для подвода тока в обмотку рамки служат две спиральные пружины. Одним концом пружины закреплены на оси, .вторым концом одна пружина прикреплена к стойке прибора, а другая к поводку корректора.

Одним из самых ответственных узлов магнитоэлектри­ческого механизма является его магнитная система: постоянный магнит, сердечник, магнитопровод и полюсные

на­конечники. Магнитная индукция в воздушном зазоре не должна меняться с течением времени, на нее не должны оказывать заметное влияние внешние магнитные поля, ко­лебания температуры, механические толчки и т. п. Чем вы­ше индукция в зазоре, тем больше будет вращающий мо­мент прибора и тем больше его чувствительность. Таким требованиям могут удовлетворять магниты, изготовленные из высококачественных сталей с большой остаточной индукцией и коэрцитивной силой.

Рис. 2. Различные конструкции магнитного узла магнитоэлектри­ческого механизма.

До недавнего времени для изготовления постоянных магнитов почти исключи­тельно применялись вольфрамовые и хромистые стали, обеспечивающие индукцию в воздушном зазоре порядка 1 000—1 200 гс. С появлением новых, более качественных никельалюминийкобальтовых сталей (типа альни, альнико, магнико) с большей удельной магнитной энергией, позво­ляющих получить индукцию в зазоре до 2 000—3 000 гс, конструкции и технология изготовления магнитоэлектриче­ских механизмов существенно изменились. Размеры и вес магнитов, а следовательно, и габариты приборов значитель­но уменьшились. Появились новые конструкции механиз­мов с внутрирайонным магнитом, с подвижным магнитом и новые типы малогабаритных приборов. Распространенная раньше подковообразная форма магнита, требующая мно­го места и материала, теперь не применяется. Примеры не­которых современных конструкций показаны на рис. 2.

Магниты типа а изготовляются из хромистой стали; в конструкциях б, в, г, д, е, ж применены магниты из никельалюминийкобальтовых сплавов. Магниты из этих спла­вов ввиду их большой твердости обработке режущим ин­струментом не поддаются. Их изготовляют простой геометрической формы (параллелепипед, цилиндр) путем отливки с последующей шлифовкой рабочих поверхностей. Благодаря значительно большей удельной магнитной энер­гии магниты из таких высококоэрцитивных сплавов при той же индукции в воздушном зазоре можно делать намного короче, чем магниты из хромистой или вольфрамовой ста­ли, как это видно из рис. 2, что позволяет уменьшить габариты всего механизма. Остальная часть магнитопровода делается из магнитномягких материалов.

Конструкции г, д, е и ж благодаря магнитопроводу М, охватывающему измерительный механизм со всех сторон, меньше других подвержены внешним магнитным влияни­ям. В последнее время находят широкое применение, осо­бенно в щитовых приборах, конструкции е и ж с внутри-рамочным магнитом. Как видно из рис. 2,е и ж, в этих механизмах сердечником является магнит, охваченный снаружи кольцевым магнитопроводом из магнитномягкой стали.

Недостатком конструкций с внутрирамочным магнитом является то, что индукция в воздушном зазоре вследствие неодинаковой длины пути магнитных силовых линий на различных участках магнита распределяется по закону синуса, и шкала прибора получается неравномерной. Для выравнивания индукции применяют различные способы: например, придают магниту специальную форму или снаб­жают его полюсными накладками из магнитномягкой стали (рис. 2,ж).

В механизмах с внутрирамочным магнитом расходует­ся значительно меньшее количество магнитных материалов по сравнению с механизмами других типов и несравненно лучше используется энергия магнита, что является их преи­муществом. Такие механизмы можно выполнять очень не­большого размера, благодаря чему оказалось возможным выпускать новые типы миниатюрных приборов с диамет­ром корпуса 40 мм и меньше.

Кроме рассмотренных выше, существуют механизмы, позволяющие получать углы отклонения подвижной части до 240° и более. Такие механизмы, называемые униполяр­ными или односторонними, имеют рамку, расположенную по одну сторону оси, как это видно на рис. 10, так что рабочей стороной в рамке является только одна, переме­щающаяся в воздушном зазоре. Вторая сторона рамки в отличие от обычных механизмов в создании вращающего момента не участвует. Магнит 1 (рис. 3) такого прибо­ра, установленный на плате 2 из магнигномягкого мате­риала, имеет форму незамкнутого кольца и намагничен в вертикальном направлении. Сердечник с дуговой наклад­кой 3 установлен на той же плате 2. Рамка 4 перемещается в воздушном зазоре 5. Корректор 6 расположен внизу.

Рис. 3 Односторонний механизм с углом шкалы 240^о

В односторонних ме­ханизмах при той же дли­не шкалы, что и у меха­низмов с углом отклоне­ния 90°, можно получить меньшие габариты при­бора, а при одинаковых механизмах — большую точность отсчета.

Магнитоэлектрический механизм с подвижным магнитом схематически показан на рис. 4. Внутри неподвижной ка­тушки 1, обтекаемой из­меряемым током, помещается укрепленный на оси подвиж­ный магнит 2, имеющий обычно форму диска, срезанного по краям и намагниченного по диаметру.

В магнитном поле катушки подвижный магнит стремит­ся занять такое положение, при котором его ось намагни­чивания будет совпадать с направлением поля, в результа­те чего и возникает вращающий момент. Для получения противодействующего момента применяют или спиральную пружину, или, что чаще встречается, непо­движный постоянный магнит 3, поле которого действует на подвижный магнит. Подвижный и неподвижный магниты изготовляются из высококоэрцитивных сплавов альни, альнико и др. или отливкой, или путем прессования из порош­кообразных материалов.

Для успокоения колебаний подвижной части применяют медный или алюминиевый стакан 4; при движении магни­та в стенках стакана индуктируются токи, создающие тормозные силы. В ряде конструкций такие успокоители вы­полняются в виде камеры, служащей одновременно осно­вой для крепления прочих деталей механизма: катушки, неподвижного магнита, подпятников и др.

Для защиты механизма от влияния внешних магнитных полей применяют экран 5 из сплавов с высокой магнитной проницаемостью (типа пермаллоя).

.

Рис. 4 Механизм с подвижным магнитом

К недостаткам описанных механизмов относятся срав­нительно большой вес, а следовательно, и 'большая инерция подвижной части, кроме того, они заметно уступают меха­низмам с подвижной рамкой по чувствительности, но зато выгодно отличаются простотой конструкции, устойчивостью к перегрузкам (ток к подвижной части не подводится), малыми габаритами и весом. Широкое применение такие механизмы находят в авиационном и автотракторном электрооборудовании.