книги / Электромеханические аппараты автоматики

(см. рис. 3.12, я, г), быстроперемещающийся	немагнитный		эле­
ктропроводный экран (см. рис. 3.12, б) или	в редких	случаях
сами МК.	разделены	на	две
Способы управления МК могут быть

группы: управление с помощью подвижных ПМ (взаимное перемещение МК и ПМ) и управление с помощью подвижных ферромагнитных тел.

Наиболее типичными для устройств автоматики на МК, управляемых подвижным ПМ, являются параллельное и пер­ пендикулярное расположения МК и ПМ (рис. 3.32). Стрелками на рисунке показано направление перемещения магнита. Там же даны зоны замкнутого состояние геркона (заштрихованы),

где индексами «сраб» и «отп»		обозначены	положения оси
ПМ относительно середины	перекрытия МК		соответственно
в момент срабатывания и отпускания МК.			зон замкнутого
Количество, расположение	и	величина

состояния МК в каждом конкретном случае определяются интенсивностью и особенностями конфигурации управляющего магнитного поля при выбранном взаимном расположении МК и ПМ. На рис. 3.33 (кривая 1) показано изменение магнитного потока Ф2тах (смРис- 3.14,6) в МК (геркон типа КЭМ-1) при перемещении относительно него ПМ по рис. 3.32, 6. Скачко­ образные изменения потока в МК обусловлены изменением общего магнитного сопротивления магнитной цепи МК — ПМ из-за резкого уменьшения рабочего зазора 8 при срабатывании и увеличении его при отпускании. Разность сил Рэк —Рмхк (см. рис. 3.15) в замкнутом состоянии МК представляет собой контактное нажатие Ркн. Кривая 2 на рис. 3.33 показывает изменение контактного нажатия в МК по мере движения магнита.

Способы управления согласно рис. 3.32, а, г, д, ж использу­ ются в низковольтной коммутационной аппаратуре: кнопочных и клавишных переключателях, тумблерах, а также в концевых выключателях. Способы управления по рис. 3.32, б, е обычно применяются для последовательного переключения нескольких герконов, например, в многоконтактных поворотных переклю­ чателях, коммутаторах и т. п.

Магнитное поле вокруг геркона, управляемого полем об­ мотки с током, резко отличается от поля ПМ. Если в первом

случае	(рис. 3.14, а) потоки рассеяния очень малы	и ими
в большинстве случаев можно пренебречь, то во		втором
случае	(рис. 3.14,6) — наоборот: почти все пространство	запол­

нено потоками рассеяния, а рабочий поток занимает очень малую зону, ограниченную со всех сторон. Здесь потоками рассеяния пренебречь нельзя. Воздействуя на них, можно менять рабочий поток, а следовательно, и условия работы МК [96].

Рис. 3.32. Способы управления МК полем ПМ:

сплошные линии — геометрическое место точек срабатывания; пунктирные — отпускания

162

Рис. 3.33. Изменение магнитного по­ тока (кривая 1) и контактного нажа- тия (кривая 2) при перемещении ПМ

относительно МК:

Фср1б и Ф — потоки срабатывания и 9 т- пускания. Стрелкой показано перемещение магнита

Рис. 3.34. К определению разности хо­ да d при реверсивном перемещении управляющего элемента (а) и зоны замкнутого состояния Ау при неревер­ сивном его перемещении (б):

А , А ' — точки срабатывания МК; Б — точки

отпускания

Щ-

Сраб Отп

		Ь	А'		ту
		Усраб УсраВ
		УоТ1п			^сра5=^сра6
		ДУ~Усраб*Уотп^			В)
Работа устройств на МК, управляемых полем ПМ, харак­
теризуется такими	параметрами,	как (см. рис. 3.32 и 3.34):
а) координаты	срабатывания	хсраб, усраб,	z	аб, асра6— рас­

стояния между управляющим элементом и МК в момент его срабатывания;

б) координаты отпускания хотп, уотп, z0Tn, аотп— расстояния между управляющим элементов и МК в момент отпускания

последнего;	(или дифференциал)	хода (dx= x0Tn- x epa6,
в) разность
^ = Л т п - Л р а б 5	rfz = Z0T n - Zcpa6 > 4 . = «отп ~	«сраб X КОТОраЯ ПреДСТЗВ-

ляет собой разность координат отпускания и срабатывания при реверсивном (рис. 3.34, а) перемещении управляющего элемента;

г) зона	включенного состояния Ах, Ау,					Az, Аа — сумма
координат срабатывания и отпускания при						нереверсивном
(рис. 3.34,6)	перемещении управляющего элемента (А ' — точка
срабатывания МК при движении					ПМ справа	налево):
	Д * = *от„+ *сраб = 2				х сра6 + d x \
	Д У	-^отп ^	З'сраб	2	усра6 -|- d y,
	Д “	ZoTn	“сраб	2 z cpa6 ~Ь d z ,
	Д « = «отп +		«сраб =	2 « сраб + d a .

Разность хода (dx9 d y и т. п.) и зоны включенного состояния (Ах, Ау и т. п.) чаще всего должны быть минимальными,

163

4

Рис. 3.35. Управление герконом при помощи подвижного управляющего элеме­ нта:

а — шунтированием;			б — изменением		магнитного сопротивления; в	экранированием; 1
геркон; 2,	3 -	постоянные		магниты;	4 — ферромагнитная пластина;	Ф ,— поток в герконс;
Ф, — поток	в	экране	или	шунте

так как возрастание разности хода влечет увеличение зоны нечувствительности устройств, требует увеличения размеров многогерконового аппарата в направлении перемещения управляющего элемента. В некоторых же устройствах, напри­ мер в сигнализаторах положения (рис. 3.12, в), должно обес­ печиваться срабатывание МК при больших расстояниях хсра6.

Указанные		параметры	сильно		зависят	от геометрических
и	магнитных характеристик			и	параметров	используемых МК
и	ПМ [23,	84].	на	рис. 3.32 способов управления
	Кроме	приведенных

МК полем ПМ существуют и иные. Например, МК и ПМ устанавливаются неподвижно на некотором расстоянии друг от друга, а управление осуществляется подвижным фер­

ромагнитным телом			(см. рис. 3.12, а, г). Различают следующие
способы:		шунтированием			потока		ПМ (см. рис. 3.12, а,
управление
3.35, а);
управление изменением магнитного сопротивления в по­
следовательной		цепи		М К— ферромагнитное				тело — ПМ
(рис. 3.35, б)\		экранированием			магнитного			потока	ПМ
управление
(рис. 3.12, а, 3.35, в).				управляться		не	только	герконы,	но
Полем	ПМ	могут
и реле с	памятью		(рис. 3.36, а, б)			и	ферриды	(рис. 3.36, в).

Наличие ЭМП обусловливает следующие особенности работы феррида и герконового РП [42].

	г	. . . -----------4			/ .
-	4	1
(S)
ч у .		|
-	2 ^
л Г		« Р	Т	-	т ,
(Nj *	__,	N			1
-.\		7Т			1
	У г	=		Л	и
/	\	■		__ 1---—
		1		У
1'					а)
		1	V	-	1

A ~\

4 1 /

в)

Рис. 3.36. Способы управления ре­ ле с памятью на герконах (а, 6 ) и ферридами (в) полем постоян­

ного магнита:

/, Г — ЭМП; 2, 2'			постоянные маг­
ниты;	3	потоконодводы. В скобках
указана		полярность	намагниченности
ЭМП	под воздействием ПМ

1.Для управления ими необходимо наличие включающего

иотключающего ПМ или при использовании одного ПМ —

соответствующее изменение его положения при включении и отключении. Для надежного отпускания феррида или РП отключающий ПМ одним из своих полюсов должен рас­ полагаться под перекрытием КС так, чтобы поток от него в зазоре был равен нулю.

2. В отличие от герконов координата отпускания ферридов или РП на герконе принципиально всегда (при любом расположении отключающего ПМ относительно феррида или РП) имеет тот же знак, что и координата срабатывания. Последнее приводит к уменьшению зоны замкнутого состояния, что позволяет более плотно компоновать ферриды и РП

вмногоконтактных переключателях.

3.В момент размыкания феррида перекрывающиеся концы его КС, одновременно выполняющие роль ЭМП, под действием разветвляющегося по ним в противоположные стороны маг­ нитного потока с торца отключающего ПМ намагничиваются одноименно. Под действием сил отталкивания, возникающих

вследствие этого между ними, они расходятся на расстояние, которое значительно превышает номинальный рабочий зазор. Чем больше поток с торца отключающего ПМ, тем на большее расстояние расходятся концы КС феррида. При удалении отключающего ПМ зазор между перекрывающимися концами КС уменьшается, но все же его «остаточный» размер превосходит начальный номинальный зазор. Это способствует повышению виброустойчивости и пробивного напряжения ап­ парата в отключенном состоянии.

3.4. Герконы переменного тока

В силу высокого быстродействия обычные герконы не могут управляться знакопеременным магнитным полем, ибо при стремлении поля к нулю их КС размыкаются.

Для уменьшения пульсаций электромагнитной силы при­ тяжения КС приходится прибегать к специальным мерам. Известным способом уменьшения таких пульсаций является применение магнитных систем с распределенными путями сдвинутых во времени магнитных потоков [1—7]. Задача состоит в том, чтобы добиться максимального сдвига фаз между потоками.

На рис. 3.37 приведена одна из первых схем герконового реле на переменном токе [43]. Магнитный поток Фх обмотки управления 1 замыкается по цепи: магнитопровод 2 — подви­ жный КС 3 — неподвижный КС 4 — магнитопровод 2, что приводит к появлению электромагнитной силы притяжения между КС 3 и 4. В то же время основной поток, проходя

по магнитопроводу 2, возле короткозамкнутого				витка 5		раз­
ветвляется на два	потока	Ф3	и Ф4. Поток	Ф4	наводит
в короткозамкнутом	витке	5	ЭДС. Под действием		ее	по

витку J начинает протекать ток, создающий свой магнитный поток, замыкающийся по цепи: дополнительный магнитопровод

3

2

1

_____

^ ---- =>—’

Рис. 3.38. Реле п ер ем ен н о го т о к а на геркон е

6—якорь 7, укрепленный, как и КС 3, на консольной пружине 8 внутри баллона 9,— дополнительный магнитопровод 6. Поток Ф2, создаваемый витком 5, отстает от основного потока на некоторый угол. Этот поток создает электромагнитную силу между деталями б и 7, удерживающую КС 3 и 4 в замкнутом положении при прохождении основного потока через нуль, чем устраняется вибрация КС. Электромагнитная сила может регулироваться в зависимости от требуемого коэффициента возврата путем изменения немагнитного зазора между до­ полнительным магнитопроводом 6 и якорем 7. Однако МДС витка 5 сравнительно мала и поэтому даже при весьма малом немагнитном зазоре между 6 и 7 поток в магнитопроводе 6 будет тоже мал, что не обеспечивает достаточного значения электромагнитной силы между б и 7. К недостаткам конст­ рукции следует отнести ее сложность и нетехнологичность.

Роль геркона переменного тока могут выполнять некоторые ферриды и реле на их основе [45]. Особенность реле (рис. 3.38)

состоит		в том,	что	один из		неподвижных		КС 1 выполнен
из	реманентного		материала.			Другой	неподвижный		КС	2,
как	и	подвижный		КС	3,	выполнен	из	пермаллоя	[45].
КС	1— 3 заварены			в	баллон. Перемычка			4 выполнена		из

пермаллоя и служит для лучшей организации потока, а также как вывод геркона. На нижней проекции обмотка не показана. Герконовое реле переменного тока удобно представить как совокупность обычного геркона и феррида. Совокупность неподвижного КС 7, выполняющего роль ЭМП, с подвижным КС 3 представляет собой феррид, а сочетание неподвижного магнитомягкого КС 2 с подвижным КС 3 является герконом.

Рассматриваемая конструкция обладает	рядом особенностей.
В зависимости от величины, длительности и характера из­
менения во времени сигнала управления	реле может работать

как геркон постоянного тока, как			феррид		или же		как
геркон переменного тока. При управлении				небольшими од­
нополярными	полями	устройство работает		как геркон; при
повышенном	уровне	однополярных	сигналов		(в	том	числе
и кратковременных импульсов) — как			феррид;		при	достаточно

Рис. 3.39.	Д и а гр а м м ы		с р а б а т ы ­
вани я и	о тп у скан и я		реле	п ере­
м ен н о го	то ка:
а при работе; 6 — при отпускании
интенсивном		знакопере­
менном	магнитном			по­
ле— как геркон			перемен­
ного тока.
При	знакопеременном
магнитном		поле	(напри­
мер, при приложении				пе­
ременного		напряжения

к обмотке) в рабочих за­ зорах между КС 7 и 3, 2 и 3, а также в промежут­ ке между КС 7 и 2 проте­ кают переменные магнит­ ные потоки. При этом появляются соответству­

ющие электромагнитные силы. Поскольку КС 7 и 2 неподвижны, то в результате воздействия результирующей электромагнитной силы КС 3 изменяет свое состояние. КС 3 при малом сигнале управления может совершать колебательное движение с удвоен­ ной частотой приложенного напряжения или же оставаться в замкнутом состоянии при значительном сигнале управления.

Замыкание и размыкание КС 2 и 3 происходит в пределах одной и той же полуволны управляющего поля.

На рис. 3.39 обозначено: СГ и ОГ— срабатывание и от­ пускание «герконовых» КС 2 и 3, выполненных из пермаллоя; СФ и ОФ — срабатывание и отпускание «ферридовых» КС 7 и 3; индекс возле каждого обозначения соответствует номеру полуволны питающего напряжения. КС 7 и 3 могут вести себя подобно КС 2 и 3; замыкаться и размыкаться в пределах

одной полуволны поля.		Это происходит до		тех	пор,	пока
в пределах	воздействия полуволны		управляющего поля			ЭМП
7 работает	по частным	петлям	гистерезиса	[12],	не	обес­

печивающим необходимого и достаточного остаточного поля для удержания КС 7 и 3 в замкнутом состоянии при отсутствии сигнала управления. Как только сигнал управления превысит некоторое значение, обеспечивающее более глубокое намаг­ ничивание ЭМП и остаточную индукцию, достаточную для удержания КС 7 и 3 в замкнутом состоянии после спадания сигнала управления до нуля, КС 7 и 3 будут периодически замыкаться и размыкаться с удвоенной частотой изменения поля. В отличие от КС 2 и 3 это будет происходить в другие моменты времени: замыкание будет происходить при одной полярности поля, а отпускание— при противоположной. Если

168

подобрать такой режим, чтобы замыкание КС 2, 3 происходило до размыкания КС У, 3 (рис. 3.39, а), то будет обеспечено основное условие работы геркона на переменном токе: цепь нагрузки не будет разрываться.

Для отключения цепи нагрузки необходимо перевести устройство в режим без запоминания, т. е. уменьшить амп­ литуду управляющего поля до такого уровня, что срабатывание

и отпускание КС	У, 3 феррида и КС 2, 3 геркона происходят
в один и тот же	полупериод (см. рис. 3.39, б). После этого

полное размыкание всех КС происходит вблизи перехода питающего напряжения через нуль. При дальнейшем снижении питающего напряжения происходит полное отключение геркона.

Заканчивая описание МК и устройств на их основе, подытожим выявленные достоинства и недостатки магнитоуп­ равляемых контактов.

3.5. Достоинства, недостатки и область применения магнитоуправляемых контактов

Существенными достоинствами герконов являются: полностью герметизированный контакт; возможность ра­

боты в условиях повышенной влажности, запыленности, в среде активных жидкостей и газов;

простота конструкции, малая масса и сравнительно неболь­ шие габариты; минимальное число элементов конструкции и отсутствие сложных узлов позволяет почти полностью автоматизировать производство;

высокое быстродействие позволяет производить до 1000 за­ мыканий и размыканий в секунду и в некоторой степени приблизиться к полупроводниковым приборам;

большой срок службы, обусловленный простотой конст­ рукции и отсутствием сложных кинематических пар; надежная работа в течение 106— 108 циклов;

высокая электрическая прочность (до нескольких кВ), до­ стигаемая подбором необходимого зазора между внутренними концами КС и состава и давления газовой смеси внутри герметизирующего баллона;

расширенные функциональные возможности; гальваническая развязка цепей нагрузки и управления; малое падение напряжения на контактных переходах; пе­

реходное сопротивление замкнутых КС может достигать долей миллиом; сопротивление разомкнутых КС может доходить до нескольких тераом;

высокая стойкость к кратковременным перегрузкам по цепям управления и нагрузки;

защищенность от воздействий окружающей среды, слабая восприимчивость к воздействию радиации;

высокая температурная стабильность: неизменность пара­ метров и характеристик при изменении температуры от —60 до +120° С;

простота и удобство эксплуатации и обслуживания; простота согласования с источником питания и изделиями

микроэлектроники; простота монтажа и компоновки с другими элементами

автоматики.

Перечисленные достоинства распространяются и на ферриды. К присущим лишь ферридам достоинствам следует отнести высокую избирательность, восприимчивость к корот­ ким одиночным импульсам управления микросекундной дли­ тельности, экономичность и многофункциональность.

Основные недостатки герконов: сравнительно низкая чувствительность;

чувствительность к внешним магнитным полям, для защиты от которых герконы заключаются в ферромагнитные кожухи; чувствительность к механическим ударам и вибрации; вибрация и удары могут привести к разрушению геркона или к нарушению его нормальной работы; замкнутые КС могут

разомкнуться, а разомкнутые — замкнуться; возможность работы, как правило, лишь в знакопостоянных

магнитных полях; в знакопеременных полях за счет высокого быстродействия возможно замыкание и размыкание КС;

ограниченное число контактных групп внутри баллона; малая коммутируемая мощность; чувствительность к току нагрузки, протекающему по КС;

значительное время вибрации (дребезга) КС при срабатыва­ нии и отпускании; время вибрации при срабатывании нередко превосходит 250 мкс и составляет примерно половину полного времени срабатывания;

невозможность регулировки; невозможность управления кратковременными одиночными

импульсами; минимальная длительность управляющего им­ пульса при номинальной МДС лежит в пределах 125—300 мкс [32].

К недостаткам ферридов можно отнести еще: необходимость применения специальных реманентных ма­

териалов; потребность в некоторых случаях в устройствах нормирова­

ния импульсов управления по значению, длительности и форме; повышенную чувствительность к посторонним магнитным

полям; некоторую сложность схем управления.

Отмеченные выше достоинства и недостатки МК обусловили возможность их применения в качестве контактных пар всевозможных реле, триггеров и распределителей сигналов,

170