книги / Справочное пособие по магнитным явлениям
..pdfРис. 13.4. Катушка с переменным магнитным сопротивлением. Если магнитная и электрическая цепи связаны между собой, то суще ствует определенное соотноше ние между импедансом катушки и магнитным сопротивлением магнитной цепи
нитных силовых линий. Один способ заключается в том, что в магнитное поле катушки вводят или из него выводят участок пути магнитных силовых линий с постоянным магнитным сопро тивлением. Другой способ состоит в том, что каким-то образом изменяют само магнитное сопротивление пути магнитных сило вых линий.
Например, когда замкнутый ферромагнитный сердечник имеет воздушный зазор, магнитное сопротивление пути магнитных си ловых линий будет сильно зависеть от размеров этого зазора (рис. 13.4). Если один из элементов магнитной цепи можно двигать, открывая или закрывая такой зазор, то индуктивность катушки с ферромагнитным сердечником является функцией от ширины зазора. Следовательно, о ширине зазора, или положении подвижного магнитного элемента, можно судить по измеренным значениям индуктивности катушки, тока в катушке или же фазо вого угла между приложенным напряжением и током в катушке. Аналогично предыдущему случаю ширину зазора можно опре делять, прокалибровав соответствующим образом траекторию конца вектора тока, показанную на рис. 13.3.
13.4. СЦЕПЛЕНИЕ ДВУХ КАТУШЕК
На рис. 13.5 иллюстрируется одно из обобщений основного принципа взаимодействия между проводящими проволоками, ко торый представлен схематически на рис. 11.1. Две катушки, изолированные электрически, но связанные через посредство маг нитного поля, вступают во взаимодействие, которое называется взаимной индукцией. При таком взаимодействии напряжение, генерируемое во вторичной катушке под влиянием изменения тока в первичной катушке, определяется как
Е < = -М {с11р/й1), |
(13.2) |
211
Рис. 13.5. Сцепление двух кату шек. При изменении тока в пер
вичной катушке генерируется на пряжение во вторичной катушке
где 41р/<1( — скорость изменения во времени тока в первичной катушке; 1Р— ток в первичной катушке; / — время и М — коэффициент взаимной индукции.
13.5. ТРАНСФОРМАТОР
На основе обобщения принципа, проиллюстрированного на рис. 1 1 .2 , можно использовать напряжение, генерируемое во вторичной катушке, для получения вторичного тока в системе, показанной на рис. 13.5. Такую структуру с двумя катушками обычно называют трансформатором. В трансформаторе осущест вляется передача энергии от первичной катушки к вторичной посредством взаимодействия между двумя магнитными полями. Чем больше магнитный поток, сцепленный с двумя катушками, тем эффективнее передача энергии. Если две катушки связаны ферромагнитной цепью, в которой сосредоточен практически весь магнитный поток, то эффективность передачи энергии достигает максимального уровня.
На рис. 13.6 дано схематическое изображение конструкции трансформатора с ферромагнитным сердечником. Отношение ко личества энергии, потребляемой во вторичной катушке трансфор матора, к количеству энергии, затрачиваемой в первичной катуш ке для поддержания этого потребления энергии во вторичной, называется коэффициентом эффективности, или коэффициентом полезного действия трансформатора, и выражается как
Те= Р1/Р р, |
(13.3) |
где Рр — энергия (или мощность), затрачиваемая в первичной катушке, и Р, — энергия, потребляемая во вторичной катушке.
В процессе использования трансформатора для передачи
Рис. 13.6. Трансформатор. Если две катушки связаны между со бой через посредство общего ферромагнитного сердечника, то энергия, подаваемая в первич ную катушку на одном уровне напряжения, воспроизводится во вторичной катушке на некото ром другом уровне напряжения в зависимости от коэффициента полезного действия системы
энергии вторичное напряжение можно сделать большим, равным или меньшим, чем первичное напряжение. Иными словами, энер гия и передается, и преобразуется. Если коэффициент полез ного действия трансформатора близок к 100%, то первичное и вторичное напряжения связаны следующим уравнением:
|
Е '= Е Р(ЫЯ/ЫР), |
|
(13.4) |
где Ев — вторичное |
(преобразованное) |
напряжение; |
Ер — пер |
вичное напряжение; |
— число витков |
вторичной катушки и |
|
Nр — число витков первичной катушки. |
|
|
|
Если коэффициент полезного действия трансформатора мень |
|||
ше 100%, то напряжение Ев будет иметь меньшее |
значение, |
||
чем рассчитанное по уравнению (13.4). |
|
|
|
13.6. ТРАНСФОРМАТОР ТОКА
Уравнение (13.2) указывает на прямую пропорциональность между вторичным напряжением и переменным первичным током, подаваемым на трансформатор. Таким образом, амплитуду этого тока можно определять по измеренному вторичному на пряжению.
Трансформатор тока простейшей возможной конструкции представляет собой проволочную катушку, намотанную вокруг
Рис. 13.7. Трансформатор тока. Поле Био — Савара, окружающее изменяю щийся ток в проводнике прямолиней ной формы, можно использовать для создания напряжения в измерительной катушке, которая связана с этим полем через посредство общей магнитной цепи
проводника, по которому течет первичный ток. Напряжение, генерируемое в катушке, калибруют в значениях первичного тока. Для того чтобы увеличить коэффициент полезного действия такого прибора, проводник с током окружают ферромагнитной цепью, или концентратором потока, и вторичную катушку нама тывают вокруг этой магнитной цепи (сердечника), а не непо средственно вокруг первичного проводника.
На рис. 13.7 иллюстрируется трансформатор тока струбцинного типа, в котором сердечник, образующий магнитную цепь, состоит из двух разнимающихся частей. В рабочем состоянии эти части соединяются в единый сердечник, охватывающий исследуемый первичный проводник.
13.7. ИНДИКАЦИЯ НАПРАВЛЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ИССЛЕДУЕМОЙ ВЕЛИЧИНЫ
В результате явлений преобразования в системах, изобра женных на рис. 13.2 и 13.4, генерируются сигналы, линейность которых существенно уменьшается при возрастании их амплиту ды. На самом деле эта нелинейность проявляется настолько сильно, что полезный сигнал удается получить лишь в очень узком диапазоне возможных значений измеряемой величины. Ре зультирующий сигнальный ток настолько мал, что его трудно интерпретировать при наличии больших опорных токов и токов нулевого уровня измерения.
Свести влияние этого «эффекта нулевого уровня» к минимуму позволяет сочетание в системе двух более или менее идентичных элементов, как показано на рис. 13.8. Когда исходное напряже ние приложено к точкам 1 и 3, напряжения между точками 1 и 2 и между точками 2 и 3 будут равны при условии, что зазор В имеет такие же магнитные характеристики, как и зазор А.
Изменение размеров зазора А можно здесь определять по разности напряжений между точками / и 2 и между точками 2 и 3. Зазор В можно отрегулировать так, чтобы его характерис тики совпадали с характеристиками зазора А при заданном сред нем значении его размера. Тогда сигнальное напряжение будет отражать положительное или отрицательное отклонение относи тельно заданного нулевого значения размера зазора А.
Рис. 13.8. Уравновешивание магнит ного сопротивления. Мостовая схема, содержащая элементы с магнитным со противлением, может быть более или менее точно уравновешена путем изме нения известного размера В при не известном размере А
13.8.КОМПЕНСАЦИЯ НЕЛИНЕЙНОСТИ
Всистеме, изображенной на рис. 13.8, зазор В остается постоянным, тогда как зазор А изменяется под действием неко торой переменной величины, исследуемой при помощи данного прибора. Если заставить зазор В уменьшаться настолько же, насколько увеличивается зазор А (и наоборот, увеличиваться в
такой же степени при уменьшении зазора А), то выходной сигнал можно использовать не только для определения того, в каком направлении происходит изменение исследуемого парамет ра. Полезный диапазон измерения расширяется, поскольку значительно повышается степень линейности передаточной функ ции прибора. Отклонения от линейности для зазора А компен сируются отклонениями от линейности для зазора В.
На рис. 13.9 показана конструкция дифференциального дат чика давления. Положение мембраны, воспринимающей давле ние, определяет одновременно размеры зазоров Л и В, а также обеспечивает уменьшение размеров зазора В, соответствующее увеличению размеров зазора А, и наоборот.
Рис. 13.9. Изменение магнитного сопро тивления в дифференциальном датчи ке давления. При смещении мембраны, воспринимающей давление, в одну или другую сторону происходит одновре менное увеличение магнитного сопро тивления в одном плече моста и умень шение магнитного сопротивления в другом плече
13.9. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР
Переменный ток, текущий в одной первичной катушке, можно использовать для наведения переменного напряжения в двух вто ричных катушках. Если две вторичные катушки идентичны по своим характеристикам, причем два пути магнитных силовых линий, проходящих через эти катушки, также идентичны, то два генерируемых вторичных напряжения будут равны. Прибор с такой структурой называется дифференциальным трансформато ром. Дифференциальный трансформатор может иметь либо воздушный сердечник (рис. 13.10), либо магнитный сердечник (рис. 13.11).
Как показано на рис. 13.11, две вторичные катушки можно соединить либо синфазно, либо противофазно, причем в первом случае их напряжения складываются одно с другим, а во втором случае вычитаются одно из другого. Если две катушки соеди нены по схеме вычитания, то при одинаковых значениях их напряжений общее вторичное напряжение будет равно нулю. Если же характеристики магнитной цепи одной из этих катушек
13.10. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР С ИЗМЕНЯЮЩИМСЯ
МАГНИТНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ
Магнитное сопротивление ферромагнитной цепи с воздушным зазором является функцией ширины зазора с сильно выраженной нелинейностью. Вследствие этого индуктивность катушки, намо танной вокруг такой цепи (см. рис. 13.4),— также нелинейная функция ширины зазора. В то же время, если имеются два более или менее идентичных пути магнитных силовых линий, каждый с воздушным зазором, и если ширина одного зазора увеличи вается при уменьшении ширины другого, то разность магнитных сопротивлений этих путей может изменяться в достаточной сте пени линейно.
На рис. 13.12 показан дифференциальный трансформатор с воздушным зазором в каждом плече. Подвижный якорь откры вает один зазор, одновременно закрывая другой. Абсолютная разность напряжений двух вторичных катушек служит мерой расстояния, на которое перемещается якорь относительно цент рального, или нулевого, положения, а фаза этого разностного напряжения указывает направление движения.
Рис. 13.12. Дифференциальный транс форматор с изменяющимся магнитным сопротивлением. Степень связи между одной первичной катушкой и двумя сим метричными вторичными катушками можно изменять за счет изменения маг нитных сопротивлений двух магнитных цепей, связывающих первичную катуш ку с вторичными
13.11. ТОРСИОННЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР
Основные принципы устройства дифференциального транс форматора на практике воплощаются в различные конкретные конструктивные конфигурации, предназначенные для множества различных целей. Количество вариантов столь велико, что они не могут быть перечислены здесь полностью. Рисунок 13.13 приведен просто для того, чтобы проиллюстрировать одну из многих воз можностей. Здесь показана конфигурация трансформатора, при помощи которого можно измерять крутящий момент на привод ном валу.
Трансформатор состоит из трех цилиндров, изготовленных
Рис. 13.13. Торсионный дифференциальный трансформатор. Крутящий момент, приложенный к валу, уравновешивается при помощи пружины, в результате чего изменяются воздушные зазоры двух магнитных цепей, связывающих первичную катушку с двумя симметричными вторичными катушками
из магнитного материала и установленных на одном немагнитном валу. Один из цилиндров расположен в средней части вала, а два других навинчены на его концы. Один концевой цилиндр имеет левую резьбу, другой концевой цилиндр — правую. Каж дый из цилиндров с резьбой поджимается пружиной, причем при нулевой нагрузке на валу устанавливается такое положение цилиндров, что воздушные зазоры / и 2 эквивалентны в отно шении магнитных характеристик.
Если на вал действуют крутящие напряжения, то один кон цевой цилиндр развинчивается, растягивая свою пружину и рас ширяя соответствующий воздушный зазор, тогда как другой цилиндр завинчивается, сжимая свою пружину и сужая соответ ствующий воздушный зазор. Изменения размеров воздушных зазоров определяются при помощи катушек дифференциального трансформатора, намотанных вокруг каждого из трех описанных цилиндров.
13.12. ЭКРАНИРОВАНИЕ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ
Если магнитная цепь разделена на два параллельных плеча, с одинаковыми длинами и площадями поперечного сечения, причем вокруг одного из этих плеч намотана катушка с очень» малым импедансом, то как амплитуда, так и фаза магнитного потока в одном плече будут отличаться от соответствующих значений в другом плече. Это объясняется влиянием большого тока, наводимого в указанной короткозамкнутой катушке.
Обращаясь к рис. 13.14, предположим, что короткозамкну тая одновитковая катушка расположена на магнитном сердеч нике напротив центра воздушного зазора. Тогда в двух плечах дифференциального трансформатора будут одинаковые магнит-
218
Рис. 13.15. Линейный дифферен циальный трансформатор. По ложение симметричного ферро магнитного сердечника, преду смотренного в конструкции диф ференциального трансформато ра, можно определить по фазе и амплитуде вторичного напря жения
одинаковые расстояния внутрь двух вторичных катушек. При осевом движении стержня он вдвигается глубже в одну из этих катушек и выдвигается из другой. Абсолютная разность двух вторичных напряжений указывает абсолютную величину смеще ния стержня относительно центрального, или нулевого, поло жения, а фаза этого разностного напряжения указывает направ ление смещения.
13.14. ДИНАМИЧЕСКОЕ ИЗМЕНЕНИЕ МАГНИТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
Для питания ферромагнитной цепи с воздушным зазором можно использовать постоянный магнит. Если изменяется шири на воздушного зазора, то изменения магнитного сопротивления цепи вызывают соответствующие изменения магнитного потока в цепи. Такие изменения размеров зазора двояким образом влияют на нагрузку, испытываемую постоянным магнитом: во-первых, непосредственно изменяется плотность потока в магнитной цепи, во-вторых, смещается рабочая точка магнита, что в свою очередь сказывается на плотности потока.
Если с ферромагнитным сердечником связана катушка, то при изменении магнитного потока в этой катушке генерируется на пряжение, пропорциональное скорости изменения потока во времени.
Скорость изменения потока — это его первая производная по времени. В данном случае она отражает скорость изменения
Рис. 13.16. Динамическое изменение магнитного сопротивления. Скорость вращения вала можно определить по частоте импульсов, генерируемых в из мерительной катушке, когда изменяет ся магнитное сопротивление магнит ной цепи, связанной с катушкой