Поляризовані, магнітоелектричні, електродинамічні й індукційні системи.

Поляризаційні механізми.

Поляризовані електромагнітні системи відрізняються від розглянутих вище наявністю двох не залежних один від одного магнітних потоків: постійного, що не залежить від стану схеми, у яку включений механізм, і змінного, залежного від стану схеми, у яку включений механізм. Перший, поляризуючий, потік Ф_п створюється або постійним магнітом (мал. 6.7), або електромагнітом з незалежним живленням. Другий, робітник, потік Ф_э створюється електромагнітом. Значення і напрямок робочого потоку залежать від стану схеми, у яку включений механізм.

 

Рис. 6.7. Принцип пристрою поляризованої магнітної системи

 

Принцип дії. Утворений магнітом 3 поляризуючий потік Ф_п, пройшовши через якір 2, розгалужується. Одна його частина Ф_п1 проходить через зазор d₁ і ліву частину сердечника 1. Друга його частина Ф_п2 проходить через зазор d ₂ і праву частину сердечника. Котушками 4 і 4', розміщеними на сердечниках і підключеними, створюється робочий потік. Основна його частина Ф_э замикається через весь повітряний простір d₁+d₂ і сердечник, охоплюючи обидві котушки. Менші частини цього потоку Ф₄ і Ф^¢₄ замикаються через якір, що відповідають повітряному зазору і частині сердечника, охоплюючи тільки одну котушку.

При наявності тільки одного поляризуючого потоку якір відхилиться до одного з полюсів магніту, тому що зі зменшенням зазору (у нашому прикладі d₁₎ частина поляризующего потоку в цьому зазорі збільшиться за рахунок зменшення його частки в іншому зазорі. З появою робочого потоку в одному з зазорів будемо мати різницю потоків, а в іншому - суму. У нашому прикладі в зазорі d₁ - потік Ф_п1 - Ф_э - Ф₄, у зазорі d₂ - потік Ф_п2 + Ф_э + Ф₄. В міру збільшення робочого потоку потік у зазорі d₁ буде усе зменшуватися, а в зазорі d₂ - збільшуватися. При якомусь співвідношенні потоків якір перекинеться на праву сторону, тобто система спрацює.

Для повернення системи у вихідне положення потрібно змінити полярність струму (а отже, і потоку) у робочих котушках. Можна настроїти систему так, що якір повернеться у вихідне положення при зниженні робочого потоку і збереженні його полярності. Для цього необхідно, щоб, перекинувшись вправо, якір не переходив через нейтральне положення (мал. 6.7,6), тобто щоб при будь-якім положенні якоря той самий повітряний зазор залишався менше іншого (наприклад, d₁ < d₂). Таке настроювання називається настроюванням на перевагу. У магнітній системі (мал. 6.7, в) якір у залежності від полярності струму в робочій котушці може відхилятися в ту чи іншу сторону. При знеструмленій котушці якір повернеться в нейтральне положення.

Розрахунок тягових сил. Вважаємо, що індукція розподілена в зазорах рівномірно, і розрахунок будемо вести, використовуючи формулу Максвелла. Сили, що діють на якір у зазорах d₁ і d₂ від усіх потоків, позначимо відповідно P₁ і Р₂.

При наявності тільки поляризующего потоку

; . (6.22)

Сумарна сила, що діє на якір,

. (6.23)

З огляду на, що Ф_п1 + Ф_п2 = Ф_п, можемо написати

(6.24)

Тоді

 

, (6.25)

тобто сумарна сила, що діє на якір, пропорційна зсуву якоря від нейтрального положення [(d ₂ - d _1/2 - зсув] і залежить від потоку постійного магніту.

При наявності робочого потоку

, . (6.26)

Потоками Ф₄ і Ф ^’ ₄ можемо зневажити, тому що постійний магніт має для них великий опір і вони малі в порівнянні з іншими потоками. Тоді

 

, . (6.27)

Нас цікавить значення потоку Ф_э, при якому якір почне переміщуватися. Це буде за умови, коли Р₁ = Р₂, тобто

(6.28)

відкіля

(6.29)

Якщо зневажити втратами в сталі сердечника і потоками розсіювання, то мінімальна МДС F_min, при якій якір прийде в рух, буде

. (6.30)

Підставляючи значення Ф_п1 і Ф_п2 згідно (6.24), одержимо

, (6.31)

тобто мінімальна МДС робочих котушок, необхідна для спрацьовування системи, пропорційна поляризуючому потоку і зсуву якоря від нейтрального положення.

Форми магнітних систем. По джерелу МДС поляризуючого поля чи розрізняють системи з постійним магнітом і системи з електромагнітом, що живлетьсяся від незалежного джерела.

По конструкції розрізняють системи з послідовним магнітним ланцюгом, з рівнобіжної, чи диференціальним, магнітним ланцюгом і з мостовим магнітним ланцюгом. У мостовому магнітному ланцюзі якір залишається в нейтральному положенні при відсутності струму в робочих обмотках.

Область застосування. Поляризовані системи знаходять широке застосування в установках проводовий зв'язку, а також у пристроях електросилової автоматики, релейного захисту, у системах, що стежать, системах телекерування, залізничної сигналізації і блокування. Особливостями цих систем є спрямованість дії, висока чутливість, велика кратність термічної стійкості, швидкодія.

 

 

Магнітоелектричні системи.

Магнітоелектричні системи засновані на використанні сил взаємодії магнітного поля постійного магніту і струму в рухливій котушці чи рамці. Системи можуть виконуватися з обертальним (мал. 6.8,а, б) і з поступальним (мал. 6.8,а) рухом рамки.

Сила, що діє на кожну зі сторін рамки в обох випадках, визначається за законом

. (6.32)

Рис. 6.8. Принцип пристрою магнітоелектричних систем реле з обертальним (а, б) і поступальним (в) рухом рамки.

1 - постійний магніт; 2 - рамка з обмоткою; 3 - магнитопровод,

4 - рухливий контакт; 5 - нерухомі контакти; 6 - поворотні пружини.

 

Загальна сила, що діє на рамку при поступальному її русі,

. (6.33)

Обертаючий момент

, (6.34)

де В_d - індукція, створювана постійним магнітом у повітряному зазорі; I_р - струм у котушці (рамці); w - число витків котушки; l_p - робоча довжина котушки (та частина, що знаходиться в магнітному полі); r - радіус котушки; K₁ і k₂ - коефіцієнти, обумовлені постійними параметрами системи.

Особливостями магнітоелектричних систем є спрямованість дії (при зміні напрямку струму в котушці міняється напрямок сили і моменту) і висока чутливість (магнітоелектричні системи реле можуть бути побудовані на потужність 10^-8 – 10^-10 Вт).

Недоліком є те, що магнітоелектричні системи придатні тільки для постійного струму.

 

Електродинамічні системи.

Переміщення якоря (рамки) 2 тут здійснюється за рахунок сил взаємодії струму в одному контурі I_р (мал. 6.9) з магнітним полем, створюваним струмами в інших контурах I₁ (3). Системи за принципом роботи аналогічні магнітоелектричним. Вони можуть виконуватися з обертальним чи поступальним рухом рамки (якоря). На відміну від магнітоелектричних електродинамічні системи придатні для роботи, як на постійному, так і на змінному струмі.

Рис. 6.9. Принцип пристрою електродинамічних систем:

а - система з обертальним рухом рамки; б - система з поступальним рухом; в - система без сталі.

 

Вони можуть виконуватися зі сталлю 1 і без сталі, що дозволяє застосовувати їх при підвищеній частоті. Конструктивні форми електродинамічних систем дуже різноманітні.

Сила, що діє на кожну зі сторін рамки, визначиться тут тим же законом (6.32):

,

де В_d1 -індукція в повітряному зазорі, створювана струмом I₁, рівна

, (6.35)

тут R_m - опір магнітного ланцюга.

Якщо знехтувати магнітним опором сталі, то

. (6.36)

Таким чином,

. (6.37)

Сила, що діє на рамку при поступальному її русі,

, (6.38)

a обертаючий момент

, (6.39)

де k₁ і k₂ - коефіцієнти, обумовлені постійними параметрами системи.

При змінному струмі

, ,

середній обертаючий момент

, (6.40)

де j - кут зрушення між струмами I₁ і I_p.

Індукційні системи.

Якщо в змінне магнітне поле, створюване електромагнітною системою 1 (мал. 6.10), помістити струмопровідний контур 2 (диск, барабан), то в контурі буде наведенаі ЕРС трансформації Е и в контурі з'явиться струм I_тр.

Рис. 6.10. Принцип роботи індукційної системи

 

Взаємодія цього струму з потоком, що його збудив, приведе до появи сили (розташованої в площині диска й обумовленої за правилом лівої руки), перпендикулярної потоку і струму і, що приводить у рух контур (диск). На цьому принципі і засновані індукційні механізми, тобто рушійна сила (момент) в індукційному механізмі виходить у результаті взаємодії змінного струму, індукованого в якомусь провіднику, з змінним потоком, що індукував цей струм.

Якщо потік міняється синусоидально:

, (6.41)

те і миттєва сила

, (6.42)

де с - коефіцієнт пропорційності, що залежить від довжини l провідника зі струмом, площі потоку й обраної системи одиниць, а y - кут зрушення між струмом I і потоком Ф.

Тому що струм і потік міняються в часі, то і напрямок і значення сили будуть мінятися в часі. Нас цікавить середнє значення сили за один період, під дією якої система, що володіє значним моментом інерції, прийде в рух:

. (6.43)

Рис 6.11. Струми трансформації (а) і струми різання (б)

 

Якщо індуктивність провідника (диска) мала, то струм у провіднику дуже мало зсунутий стосовно ЕРС, а отже, кут y близький до 90°. Середня сила при цьому дуже мала і прагне до нуля. Тому в електродинамічних системах створюють кілька змінних потоків зсунутих в часі і просторі відносно один одного. Виходить що поле як би біжить на зразок поля в короткозамкнутих асинхронних двигунах. При цьому кут y істотно відрізняється від 90⁰ і рушійна сила Р_cр виходить потрібного значення.

Як тільки почнеться рух рухливої системи (диска), у ній індукується новий струм I_рез, названий струмом різання, обумовлений рухом провідника в магнітному полі. Схема струмів трансформації I_тр і струмів різання I_рез під полюсом показана на мал. 6.11. Струми різання, взаємодіючи з магнітним полем, будуть створювати гальмове зусилля, обумовлене за правилом правої руки. Значення гальмового зусилля

, (6.44)

де Вт, - амплітудне значення індукції; l - розмір полюса в напрямку, перпендикулярному руху рухливої системи (тобто довжина лінії струму під полюсом); R - опір струму в рухливій системі; v - швидкість руху рухливої системи, її можна вважати практично постійною.

Таким чином, в індукційній системі рух рухливої частини відбувається під дією різниці двох сил - сили рушійної і сили гальмуючої.

За принципом роботи індукційні системи придатні тільки для змінного струму.