Магнітокеровані контакти (геркони)

Підвищені вимоги до надійності елементів автоматики призвели до появи герметизованих магнітокерованих контактів (герконів). Магнітокеровані контакти (МКК) знаходять широке застосування не тільки в без’якірних реле, але і в якості кінцевих і колійних перемикачів, давачів положень і переміщення, координатних перемикачів і т.п.

Найпростіші МКК (рис. 1.24) являють собою скляну трубочку (колбочку) 1 з впаяними в неї пермалоєвими пластинками – контактами 2, між кінцями яких залишений робочий зазор 3. Тут робочий зазор магнітної системи сполучений із зазором контактів. Зовнішні контакти 4 служать для приєднання до керованого електричного ланцюга. Для зменшення і стабілізації перехідного опору контактів їхні поверхні дотикання покриваються сріблом, золотом, родієм та ін. Таким чином, у МКК електроди виконують функції магнітопроводу, що розмикають пружини і електричні контакти. Для зменшення електричної ерозії контактів порожнина колбочки заповнюється інертним газом: азотом, аргоном, аргоно-гелієвою сумішшю і т.п.

image002

з

Рис. 1.24. Магнітокерованні контакти (геркони)

Під впливом зовнішнього магнітного поля на електродах виникає тягове зусилля. Вони наближуються і замикають електричний ланцюг. Зазвичай зовнішнє магнітне поле створюється обмоткою, що живиться постійним струмом. Можливе керування і полем постійного магніту 3 (рис. 1.24, б, в). В останньому випадку спрацьовування контактів здійснюється в залежності від взаємного переміщення геркона і постійного магніта 3. Зміна магнітного поля, яке впливає на контакти, може здійснюватись і за рахунок зміни параметрів магнітного кола при переміщенні феромагнітного екрана 4 (рис. 1.24, в).

Процес спрацьовування МКК відрізняється від спрацьовування електромагнітів. Рух електродів МКК починається з появою струму в обмотці, що створює магнітне поле. Із збільшенням струму в обмотці електроди, переміщуючись, займають положення d1, d2, d3,…, обумовлені рівністю тягового Fе і протидійного Fnp зусиль на електродах (точки 1, 2, 3 на рис. 1.24, з). При критичному зазорі dкр силова характеристика Fе = (d) наближується до механічної Fnp=f(d); при цьому закінчується попереднє зближення електродів.

При зазорах, менших від критичного (d <dкр), тягове зусилля Fе буде більшим від протидійного Fnp: силова характеристика навіть при незмінному струмі I=Iкр=const у котушці всіма своїми точками лежить вище від механічної, і електроди переміщуються до повного замикання.

Магнітокеровані контакти можуть мати послідовну, рівнобіжну, змішану, диференційну або мостову магнітні системи.

Послідовна магнітна система (рис. 1.24, а–в) відрізняється простотою конструкції і технології, невеликими розмірами і характеризується послідовним розташуванням магнітних опорів магнітного ланцюга; електродів Rm і робочого повітряного зазору Rd.

Рівнобіжна магнітна система МКК (рис. 1.24, г) має рівнобіжне вмикання магнітних ділянок. При наявності зовнішнього поля обидва електроди намагнічуються в одному напрямку і, відштовхуючись один від одного, розмикаються. Така система зручна для контактів, що розмикаються, а розташування виводів з однієї сторони колбочки забезпечує зручність монтажу.

Змішана магнітна система (рис. 1.24, д) застосовується як у контактах, що замикаються, так і в тих, що перемикаються. Вона має як послідовні, так і рівнобіжні ділянки і найменшу МРС спрацьовування, оскільки рухомий електрод 2 відчуває зусилля, що відштовхує його від електрода 3 і притягує до електрода 4.

Диференційна система (рис. 1.24, е) має два робочих зазори, а на середній електрод діє різниця двох зусиль. Перемикання здійснюється у бік дії більшого зусилля. Така система використовується в диференційних і поляризованих реле.

Мостова система (рис. 1.24, ж), як і диференційна, відрізняється двома робочими зазорами, але має два повздовжні постійні магніти. Мостова система застосовується в РП.

Нейтральні МКК (рис. 1.24, а–д) спрацьовують практично при будь-якій орієнтації зовнішнього магнітного поля. У поляризованих МКК чутливість до напрямку струму в обмотці (полярності зовнішнього магнітного поля) забезпечується полем постійних магнітів (див. рис. 1.24, ж).

Реле з МКК відрізняються різноманітністю конструктивних виконань. Проте, найбільше поширення отримали реле з МКК, розташованими всередині котушки електромагніту постійного струму (рис. 1.25) із зовнішнім магнітопроводом або без нього. Внутрішнє розташування МКК доцільне при їх кількості до 7 шт. При більшій їх кількості збільшення розмірів котушки викликає підвищену витрату міді.

На рис. 1.25 показане проміжне реле на МКК типу РПГ. У ньому чотири МКК 2 розташовані всередині обмотки 1, що виконана на пластмасовому каркасі. Позиціонування МКК всередині котушки здійснено за допомогою гумових чопів 3 і пластмасових копилів 4. Останні закріплені в прорізах скоб 7, які виконані із конструкційної сталі. Ці скоби є частинами зовнішнього магнітопроводу. Основною частиною магнітопроводу є зовнішній, відносно обмотки, магнітний екран 6. За допомогою скоб 7 всі елементи реле кріпляться до пластмасової підставки 8, обладнані пластинчастими виводами. Елементи реле захищені пластмасовим кожухом 5.

У багатоконтактних реле МКК спрацьовують неодночасно не тільки через різницю їх механічних характеристик, але і тому, що перший МКК, що замкнувся, шунтує магнітні системи інших МКК, спрацьовування яких буде відбуватись при великих МРС.

image004

Рис. 1.25. Проміжне реле на МКК типу РПГ

Визначимо МРС спрацьовування для нейтрального реле з МКК. Електромагнітна сила на електродах МКК визначається

image006 (1.40)

де I, w — струм в обмотці і її число витків; Gм — сумарна магнітна провідність ланцюга; d — довжина робочого зазору. Сумарна провідність магнітного ланцюга реле з МКК:

image008 (1.41)

де Gd — магнітна провідність робочого зазору; Gст — сумарна провідність магнітопроводу з врахуванням неробочих зазорів. У багатоконтактних реле магнітна провідність робочих зазорів з припущенням рівномірності магнітного поля в них і відсутності потоків випучування:

image010 (1.42)

де n — кількість МКК у реле; m0 = 4p • 10-7 Гн/м — магнітна проникність повітря; Sd=bld — площа робочого зазору, м2; d — довжина робочого зазору, м. Вважаючи Gст=const, з врахуванням (1.41) знаходимо:

image012 (1.43)

а з врахуванням (1.42) отримуємо:

image014 (1.44)

Формула (1.40) для одного контакту багатоконтактного реле з МКК має вигляд:

image016 (1.45)

або з врахуванням (1.43) і (1.44):

image018 (1.46)

Протидійна сила деформації електрода, закріпленого одним кінцем,

Fпp = C(d0d)/Kc, (1.47)

де С = 3Ej/L3 = 2Ebh3/(2lld)3 — жорсткість однорідного електрода з рівномірним перетином (b ´ h = const) вздовж довжини l; ld — довжина перекриття електродів; L = lld/2 — плече прикладання сили; Е — модуль пружності матеріалу електродів, Па; j=bh3/12 — момент інерції перерізу електродів; (d0d) — переміщення кінця електрода; Кс — коефіцієнт симетрії, що дорівнює 0,5 для симетричних МКК (див. рис. 1.24, а) і 1 для несиметричних МКК (див. рис. 1.24, б).

З огляду на те, що спрацьовування контактів відбувається при Fе.к = Fnp, прирівнюючи (1.46) і (1.47), знайдемо:

image020 (1.48)

де dкр — критична довжина робочого зазору, м; Gкр — його магнітна провідність, Гн.

З (рис. 1.48) випливає, що для зменшення МРС спрацьовування в реле з МКК необхідно збільшувати магнітну провідність зовнішнього магнітопроводу (Gст).

Реле з МКК мають такі переваги: високу надійність і тривалий термін служби (до 109 спрацьовувань), високу швидкодію (час спрацьовування – 0,5¸1мс, час відпускання – 0,3¸0,5 мс); добру вібростійкість (до 35 g при частоті до 200 Гц). Автоматизація виробництва МКК забезпечує їх низьку вартість.

До недоліків МКК можна віднести: невисоку комутаційну спроможність і чутливість (МРС спрацьовування порядку 20 — 80 А); незначну кількість контактів в одному МКК; наявність брязкоту контактів при спрацьовуванні (призводить до нечіткості моменту замикання ланцюга); наводку перешкод у слабкострумових ланцюгах, що комутуються.

image023

Фериди. У ряді пристроїв автоматики, зв’язку і вимірювання необхідні комутаційні елементи з пам’яттю. У зв’язку з цим були розроблені МКК з елементами магнітної пам’яті (ЕМП) – фериди. Якщо МКК обладнаний зовнішнім осердям із ППГ або його електроди містять ділянки, виконані з матеріалу з ППГ, то при подачі на його обмотку

імпульсу струму (рис. 1.26, а) МКК спрацює і під дією потоку залишкового магнетизму залишиться в замкненому стані до подачі імпульсу зворотної полярності (рис. 1.26, б). ЕМП можуть розташовуватись поза колбочкою МКК. Такі фериди відносяться до групи з зовнішньою пам’яттю. Якщо окремі ділянки електродів МКК виконати з матеріалів із ППГ і високим значенням Нс, то вони будуть відігравати роль ЕМП. Такі фериди відносяться до групи з внутрішньою пам’яттю і називаються герконами (герметизовані контакти, що запам’ятовують).

Використовуючи статичну петлю гістерезису Ф=f(F) ЕМП, побудовану з врахуванням магнітних опорів осердь, електродів МКК і немагнітних зазорів, можна показати роботу найпростішого ферида (рис. 1.26, в). При цьому припустимо, що тривалість процесу повного перемагнічування ЕМП менша від часу переміщення контактів при вмиканні і вимиканні.

Процес повного намагнічування ЕМП протікає при початковому робочому зазорі dр.н. Цьому зазору відповідають прямі, проведені під кутом aн (tgaн º Gн). При кінцевому зазорі прямі проходять під кутом aдо (tgaк º Gк). При дії МРС керування Fн ЕМП намагнічується по окремій петлі гістерезису (ділянки 1-2-3 на рис. 1.26, в) і відбувається замикання контактів МКК. Після закінчення дії імпульсу Fн стан ферида визначається точкою 5.

Процес розмагнічування під дією Fp відбувається при замкнутих контактах і характеризується переходом із точки 5 у точку 6, а після розмикання контактів – у точку 7. При знятті поля Fp стан ЕМП визначається точкою 8. Ця точка визначає вихідний стан ЕМП при наступному спрацьовуванні ферида.

МРС спрацьовування Fcпp і відпускання Fвідп ферида можна визначити по сполучених силових і механічних характеристиках. Для визначення силової характеристики Fе.к = f(d) при деякій МРС (Fн) обмотки треба з точки Fн (див. рис. 1.26, в) провести ряд прямих під кутами:

image025 (1.49)

де image027 — магнітна провідність i-го робочого зазору; тF, тФ — масштаби по відповідних вісях. Точки перетину прямих із вихідною гілкою окремого циклу петлі гістерезису визначають значення потоку для кожного робочого зазору. Після цього за (1.37) знаходять електромагнітні сили Fе.к МКК і будують силові характеристики Fе.к = f(d). Потім за (1.47) будують сполучену з силовими механічну характеристику Fnp = f(d). Силова характеристика, дотична до механічної, дозволяє визначити значення критичного зазору dкр (див. рис. 1.24, з). Після цього за (1.48) визначають МРС спрацьовування.

МРС відпускання контактів ферида знаходять виходячи із наступного. Відпускання контактів відбувається при рівності тягового Fе.к і протидійного Fnp зусиль, що діють на контактах МКК, при мінімальному значенні їх робочого зазору dк, тобто

Fе.к = 39,8 • 104Ф2відп / Sd = С (d0dк) Kс, (1.50)

звідки потік відпускання:

image029. (1.51)

За значенням Фвідп на ділянці розмагнічування петлі гистерезису (див. рис. 1.26, в) знаходять точку 6, через яку під кутом aк проводять пряму 6 — 9. Точка 9 перетину прямої із віссю абсцис визначає значення МРС відпускання, тобто Fp=Fвідп.

Найпростіший ферид (див. рис. 1.26, а), що управляється різнополярними імпульсами, потребує точно визначеного значення МРС відпускання. У випадку його перевищення ЕМП перемагнітиться в протилежному напрямку і контакти залишаться замкненими. Для запобігання цього фериди виконуються з послідовною або рівнобіжною системою ЕМП або застосовується диференційне керування. Для керування феридом із послідовною системою ЕМП (рис. 1.27, а,б) останній забезпечується двома обмотками w1 і w2, по яких протікають відповідно робочий Iр і поляризувальний Iп струми. Умови спрацьовування такого ферида визначаються Iр.нw1 + Iпw2 ³ Fспрац (див. рис. 1.27, б), а умова відпускання – | -Ip.pw1 + Iпw2 | £ Fвідп (див. рис. 1.27, а). Зазвичай w1 = w2 і Iр.н = Iр.р = Iр; тоді умови спрацьовування і відпускання приймуть вигляд: 2Iрw ³ Fспрац и 0 £ Fвідп, тобто такий ферид може працювати на “напівструмах” імпульсів управління. Цей спосіб керування називається адитивним або сумувальним.

Принцип роботи ферида з рівнобіжною системою ЕМП зрозумілий із рис. 1.27, в,г. Тут при роботі струм Iп не змінює свого напрямку, тому ця частина може бути замінена постійним магнітом.

Найбільше поширення отримали фериди з диференційним керуванням (рис. 1.27, д, е). Тут на кожній половині магнітопроводу ЕМП розташовані дві обмотки з різною кількістю витків: основна – із Kw витками (K > 1) і додаткова – із w витками. Обмотки Kw і w різних половин включені попарно-зустрічно і обтікаються струмом Iр і Iп. Для зменшення опору потоку при відпусканні ферида посередині встановлений магнітний шунт. Кожний із струмів створює МРС

Fр = IрKw — Iрw = Iрw(K-1); Fп = IпKw — Iпw = Iпw(K-1). (1.52)

Сумарна МРС, що діє в ЕМП:

FS = Fп±Fp = w (K — 1)(Iп±Iр). (1.53)

Якщо струми Iп і Iр рівні, то при цьому сумарна МДС:

image031 (1.54)

Таким чином, спрацьовування ферида з диференційним управлінням відбувається під дією струму в робочій обмотці, що створює магнітний потік, який збігається з потоком Фп у робочому зазорі (див. рис. 1.27, е). При зміні напрямку струму Iр, змінює напрямок і Фр. Останній, діючи назустріч потокові Фп, послаблює сумарний потік і контакти ферида розмикаються.

image033

Рис. 1.27. Способи керування феридом

Диференційне управління не потребує стабілізації струмів Iр і Iп, якщо їх зміна відбувається в одному напрямку.

Застосування магнітокерованих контактів. На основі магнітокерованих контактів випускаються високонадійні проміжні електромагнітні реле з кількістю контактних груп до десяти. В таких реле всередині спільної котушки управління міститься декілька пар контактів (рис. 1.28). Як вже відзначалось, в порівнянні зі звичайними електромагнітними реле, герконові мають більшу швидкодію та більшу надійність. Однак їм властиві і деякі недоліки. Вони мають в 2-3 рази менші значення питомих струмових навантажень на контакти, більш критичні до перехідних процесів у комутованому колі. Наприклад, при 3-5-кратному збільшенні струму в порівнянні з номінальним можливе зварювання контактів.

image035

Рис. 1.28. Герконові реле

В колах з ємностями можливі значні стрибки струму, тому застосування герконових реле для комутації таких кіл не рекомендується.

Необхідно зазначити і характерний для герконових реле недолік — вібрація контактів при спрацьовуванні. Це явище називається “бряжчання” контактів. Після подачі сигналу керування контакти спочатку замикаються, але відразу ж розмикаються під дією сил пружності. Таких циклів замикання-розмикання може бути декілька. Після цього відбувається декілька коливань контактів без розмикання; при цьому відбувається зміна контактного опору. Час вібрації контактів може складати половину повного часу спрацьовування. Для боротьби з “бряжчанням” контактів застосовують спеціальні конструктивні і схемні рішення.

На основі магнітокерованих контактів можуть бути побудовані різноманітні шляхові і кінцеві вимикачі, реле різноманітних неелектричних величин. В якості прикладу на рис. 1.29 показані термоелектричні реле (а) з біметалевою пластиною і реле тиску (б) з пружним елементом у вигляді сильфона (гофрованої пружньої склянки з фосфористої бронзи). При зміні температури або тиску постійний магніт наближується до геркону і його контакти спрацьовують.

image037

Рис. 1.29. Герконові реле температури і тиску

Магнітокеровані контакти спеціальної конструкції починають застосовуватись і для перемикання в силових колах з потужністю до декількох сотень Ват. В таких приладах використовується більш масивне жорстке рухоме контактне осердя, закріплене на зворотній пружині. При цьому за рахунок зниження електричного опору контактної системи і поліпшення тепловіддачі вдається підвищити струм через контакти. Для цієї ж мети можливе застосування рідинно металевих контактів всередині балону, що герметизується, струмопровідні деталі яких частково або повністю змочені ртуттю.

Васюра А.С. – книга “Електромагнітні механізми та виконавчі пристрої автоматики”

Оставьте комментарий к статье