Магнитоэлектрические приборы
Основой магнитоэлектрических приборов являются ИМ, в которых вращающий момент создается в результате взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля проводника с током, конструктивно выполняемого в виде катушки (рамки). В практических конструкциях ИМ неподвижной частью, как правило, является магнит, а подвижной — катушка (хотя есть приборы с подвижным магнитом и неподвижной катушкой). На рис. 3.2 схематично показан наиболее распространенный вариант конструкции ИМ — с внешним подковообразным магнитом.
Рис.3.2. Магнитоэлектрический измерительный механизм.
Как видно из рис. 3.2, магнитная система ИМ образуется постоянным магнитом /, полюсными наконечниками 2 с цилиндрической расточкой и неподвижным сердечником 3 цилиндрической формы из магнитомягкого материала. В воздушном зазоре между полюсными наконечниками и сердечником благодаря такой конструкции создается практически равномерное радиальное магнитное поле, в котором свободно поворачивается катушка 4. Она образуется тонким медным проводом, намотанным на бумажный или алюминиевый каркас прямоугольной формы. К катушке приклеивают алюминиевые буксы, в которых закрепляются полуоси (или растяжки) подвижной части ИМ. Противодействующий момент создается спиральными пружинами 5 (или растяжками), через которые в обмотку катушки подается измеряемый ток. Для создания MУ используется короткозамкнутый виток, размещаемый на катушке. Эксцентрический винт 6 образует корректор (для начальной установки стрелки на нуль), а грузики — противовесы 7 служат для балансирования подвижной части ИМ.
При протекании по катушке измеряемого тока IX энергия поля W, обусловленная взаимодействием сцепляющегося с катушкой потока Ф постоянного магнита и тока IX, будет равна W= IXФ, т. е. в соответствии с (3.6)
, (3.10)
Значение Ф может быть определено как (Ф = Bsωα, где β — магнитная индукция в воздушном зазоре; s — площадь катушки, а ω — число витков обмотки катушки.
Тогда из (3.10) при B=const (за счет равномерности магнитного поля) следует:
, (3.11)
В установившемся режиме, как мы уже знаем, MВ=MП. С учетом формул (3.11) и (3.7) это условие теперь конкретизируется:
,
, (3.12)
где по определению (2.6) величина
, (3.13)
является чувствительностью прибора при измерении тока.
Формулы (3.12) и (3.13) позволяют сделать важные выводы в отношении свойств ИМ магнитоэлектрических приборов. Поскольку мы условились при анализе схемы рис. 3.1, что для рассматриваемого класса электромеханических приборов Y=X, распространим эти выводы на магнитоэлектрические приборы в целом.
1. Магнитоэлектрические приборы по принципу работы ИМ являются амперметрами. При изменении направления IX изменяется и направление отклонения подвижной части ИМ. Из-за инерционности подвижной части отклонение стрелки прибора при включении его в цепь переменного тока будет равно нулю. Поэтому область применения магнитоэлектрических приборов без преобразователей рода тока ограничивается измерением постоянного тока и напряжения.
2. Чувствительность по току магнитоэлектрических приборов постоянна, а, следовательно, шкала приборов является равномерной. Это большое достоинство магнитоэлектрических приборов, обеспечивающее не только удобство при работе с ними, но и высокую точность. Другими факторами, позволяющими изготовлять магнитоэлектрические приборы самых высоких классов точности, являются сильное собственное магнитное поле (исключающее влияние на показания прибора посторонних полей), высокая стабильность элементов ИМ, возможность компенсации температурной погрешности и др.
3. Наличие сильного собственного магнитного поля определяет еще одно важное достоинство магнитоэлектрических приборов — высокую чувствительность по току. В этом отношении они не имеют себе равных.
Хотя магнитоэлектрические приборы в принципе являются амперметрами, с помощью простой измерительной цепи они легко трансформируются в вольтметры. Рассмотрим более подробно магнитоэлектрические амперметры и вольтметры.