4. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРЕОБРАЗУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

В технике автоматического управления преобразование электрических сигналов в механические осуществляется с помощью специальных устройств — электромеханических преобразователей. Наиболее часто применяются так называемые электромагнитные преобразующие элементы, в которых преобразование электрических сигналов в механические осуществляется при взаимодействии ферромагнитных тел с магнитным полем [10].

Применяемые электромагнитные преобразующие элементы могут работать от источников постоянного и переменного тока. Электромагнитные преобразующие элементы постоянного тока можно разделить на две группы: нейтральные и поляризованные. В нейтральных электромагнитных элементах магнитный поток создается при помощи обмоток, питаемых постоянным током, и действие устройства зависит лишь от величины магнитного потока, а не от его направления. В поляризованных электромагнитных элементах имеются два независимых магнитных потока (поляризующий и рабочий), и действие устройства зависит как от величины, так и от направления постоянного тока, протекающего в обмотке катушки управления и создающего рабочий магнитный поток. При этом поляризующий магнитный поток может быть создан за счет протекания постоянного тока по обмотке катушки возбуждения или постоянным магнитом.

Электромагнитные преобразующие элементы обычного типа представляют собой устройства релейного действия. В настоящей главе рассматриваются электромагнитные преобразующие элементы пропорционального управления, предназначенные для

использования в системах автоматического управления. Последнее обстоятельство обусловило специфические особенности этих элементов, а также часто применяемое несколько иное их название — электромагнитные пропорциональные управляющие элементы [4].

Электромагнитные преобразующие элементы пропорционального действия относятся к устройствам непрерывного типа, у которых выходная величина изменяется пропорционально входной. Статические свойства электромагнитных преобразующих элементов пропорционального действия оцениваются двумя характеристиками. Одна из них представляет собой зависимость перемещения подвижной части элемента от входного сигнала при постоянной (обычно нулевой) внешней нагрузке и называется внешней характеристикой. Другая статическая характеристика представляет собой зависимость электромагнитного усилия или момента, возникающих на подвижной части элемента, от ее перемещения при постоянном входном сигнале и называется тяговой характеристикой. Из указанных характеристик может быть получена также обобщенная характеристика — зависимость полезного усилия или момента, развиваемых элементом, от перемещения его подвижной части и входного сигнала. Динамические свойства электромагнитных преобразующих элементов пропорционального действия оцениваются, как и для других элементов автоматики, относящихся к линейным звеньям, постоянными времени и амплитудно-фазовыми частотными характеристиками.

Рис. XIV.53. Принципиальная схема нейтрального электромагнитного преобразующего элемента

Наиболее ярким примером использования электромагнитных преобразующих элементов пропорционального действия является широкое применение их в электрогидравлических и электропнев-матических сервомеханизмах. В этих агрегатах электромагнитные преобразующие элементы управляют перемещением особых органов, дросселирующих поток жидкости или газа в гидравлических и пневматических усилителях различных классов [7].

В дальнейшем электромагнитные преобразующие элементы пропорционального действия будем называть более кратко: электромагнитные преобразующие элементы.

Устройство и принцип действия электромагнитных преобразующих элементов.

На рис. XIV.53 показана принципиальная схема нейтрального электромагнитного преобразующего элемента постоянного тока. Две катушки управления 1 и 2, имеющие одинаковые числа витков, включены по дифференциальной схеме и расположены во внутреннем пространстве цилиндрического фигурного

магнитопровода 3. Якорь 4 (подвижная часть электромагнитного преобразующего элемента) имеет малые вес и размеры и при помощи двустороннего штока крепится к плоским пружинам 5 и 6. Пружины изолированы от магнитопровода кольцами из текстолита. Зазоры между коническими срезами якоря и коническими полюсными наконечниками магнитопровода являются рабочими, а зазор между цилиндрической поверхностью якоря и цилиндрической поверхностью полюса магнитопровода — паразитным. Входным сигналом электромагнитного преобразующего элемента является разность токов в его катушках, а выходным — линейное перемещение якоря.

При обесточенных катушках управления якорь удерживается в нейтральном (по отношению к коническим полюсам магнитопровода) положении двумя плоскими уравновешивающими пружинами, имеющими линейную зависимость прогиба от приложенного усилия. При равных токах в катушках управления, т. е. при нулевом входном сигнале, возникают два магнитных потока, направленные противоположно. Проходя по магнитопроводу, якорю, паразитному и рабочим зазорам, эти магнитные потоки образуют два отдельных замкнутых контура. Под действием магнитных потоков в рабочих зазорах на конических поверхностях магнитопровода и якоря появляются силы взаимного притяжения. Силы, возникающие в паразитном зазоре на цилиндрических поверхностях магнитопровода и якоря, осевого воздействия не создают. При одинаковых токах в катушках управления, числах витков в них и рабочих зазорах (якорь находится в нейтральном положении) усилия на концах якоря будут одинаковы и направлены в противоположные стороны. Результирующее усилие при этом будет равно нулю. Входной сигнал в виде разности токов в катушках управления вызывает появление двух различных по величине магнитных потоков и, следовательно, различных усилий на концах якоря. В этом случае создается неуравновешенное результирующее усилие, под действием которого якорь смещается в сторону контура, обтекаемого большим током. Перемещению якоря противодействуют плоские пружины, их деформация создает силу, пропорциональную перемещению якоря. Движение ненагруженного якоря происходит до тех пор, пока электромагнитные силы не будут уравновешены усилием плоских пружин. При этом наступает состояние механического равновесия и якорь занимает новое положение, отличающееся от нейтрального. Направление движения якоря зависит, таким образом, от того, в какой катушке управления возникает больший магнитный поток, а величина перемещения пропорциональна амплитуде входного сигнала.

На рис. XIV.54 приведена принципиальная схема поляризованного электромагнитного преобразующего элемента постоянного тока. Он состоит из магнитопровода 1, якоря 2, двух катушек возбуждения 4 (катушек поляризации), имеющих одинаковые числа витков, и катушки управления 3. Катушки возбуждения неподвижно

закреплены на стержнях плоского магнитопровода. Катушка управления также неподвижна, но имеет внутренний размер несколько больший, чем ширина плоского якоря. Благодаря этому якорь может свободно поворачиваться на небольшой угол (1 — 3°) внутри катушки управления. Ось вращения якоря закреплена в подшипниках качения, жидкая смазка которых сводит к минимуму момент сил трения. Между пятой якоря и телом магнитопровода имеется небольшой паразитный воздушный зазор, а между полюсными наконечниками магнитопровода и якорем — рабочие воздушные зазоры.

При отсутствии токов как в катушках возбуждения, так и в катушке управления якорь может занимать любое крайнее положение, так как в этом случае среднее (нейтральное) положение якоря ничем не фиксируется и является неустойчивым. Если же в катушки возбуждения подано напряжение, то под действием возникающих магнитных потоков якорь занимает устойчивое нейтральное положение и обладает восстанавливающим моментом электромагнитной упругости, пропорциональным углу отклонения якоря. Таким образом, катушки возбуждения эквивалентны пружине, удерживающей якорь в нейтральном положении при отсутствии входного сигнала.

Рис. XIV.54. Принципиальная схема поляризованного электромагнитного преобразующего элемента с катушками возбуждения

При подаче входного сигнала (тока) в катушку управления возникает управляющий магнитный поток, проходящий по якорю и разветвляющийся по стержням магнитопровода. В одном из стержней магнитопровода магнитные потоки, созданные катушкой управления и катушками возбуждения, направлены в одну и ту же сторону (суммируются), а в другом — направлены в разные стороны (вычитаются). Кроме того, части потоков обеих катушек возбуждения пронизывают управляющую катушку, создавая тем самым дополнительное взаимодействие магнитных потоков. В результате взаимодействия в рабочих зазорах всех магнитных потоков катушек возбуждения и катушки управления с якорем на нем возникает усилие, создающее вращающий момент, величина и направление которого зависят от величины и полярности входного сигнала. Поворот ненагруженного якоря под воздействием вращающего момента происходит до тех пор, пока этот момент не будет уравновешен моментом электромагнитной упругости. Каждому входному сигналу соответствует определенный угол поворота якоря. В последние годы большое применение получили поляризованные электромагнитные преобразующие элементы, в которых

поляризующий магнитный поток создается при помощи постоянных магнитов.