книги из ГПНТБ / Миловзоров, В. П. Электромагнитные устройства автоматики учебник

В. П. МИЛОВЗОРОВ

Э Л Е К Т Р О ­ М А Г Н И Т Н Ы Е

У С Т Р О Й С Т В А А В Т О М А Т И К И

МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1974

6Ф6

М60 УДК 621.318.3 + 681.31

Миловзоров В. П.

М60 Электромагнитные устройства автоматики. Учебник для студентов специальности «Автоматика и телемеха­ ника» вузов. М., «Высш. школа», 1974.

416 с. с ил.

В книге изложены вопросы теории и расчета элементов аналоговых и цифровых устройств, в которых использованы нелинейный и гистерезисный характер кривой намагничивания ферромагнитных материалов и их доменная структура: магнитных усилителей различных типов, логических магнитных элементов, магнитодиодных и магнитотранзисторных элементов, элементов магнитной памяти, элементов на тонких магнитных пленках, монокристаллических домФшых элементов и др. Рассмотрены также вопросы теории и вы­ бора электромагнитных реле, магнитоуправляемых контактов, муфт и стабили­

заторов.

W - Л Ь / О о

© Издательство «Высшая школа» 1974

Светлой памяти учителя —■ Бориса Степановича Сотскова посвящай)

П Р Е Д И С Л О В И Е

Настоящий учебник является по существу третьим изданием книги «Электромагнитная техника». Новое название дано в связи с измене­ нием названия курса. По сравнению с предыдущим изданием в книге сокращены отдельные разделы, в которых рассматривались элементы, не нашедшие в дальнейшем широкого применения, добавлен материал по новым магнитным элементам и устройствам, расширен раздел, по­ священный физическим основам магнетизма.

Учебник предназначен для студентов специальности «Автоматика и телемеханика» (0606), может быть использован студентами специаль­ ностей «Электронные вычислительные машины» (0608), «Гироскопи­ ческие приборы и устройства» (0609), «Промышленная электроника» (0612), «Информационно-измерительная техника» (0642), «Автоматизи­ рованные системы управления» (0646) и др., а также инженерами, ра­ ботающими в области автоматики, телемеханики, вычислительной и информационно-измерительной техники.

Материал книги разделен на три части.

В первой части рассмотрены общие вопросы перемагничивания ферромагнетиков и магнитные усилители различных типов, приме­ няемые в качестве аналоговых элементов автоматики. Наряду с ана­ лизом процессов перемагничивания по квазистатической кривой на­ магничивания показано влияние на эти процессы магнитной вязкости в тех усилителях, для которых оно существенно.

Вторая часть посвящена магнитным элементам цифровых устройств, для которых определяющим является процесс импульсного перемагни­ чивания с учетом магнитной вязкости и домённой структуры ферро­ магнетиков.

В третьей части рассмотрены электромеханические релейные эле­ менты, основанные на использовании электромагнитного усилия, а также стабилизаторы и преобразователи частоты, в которых исполь­ зован нелинейный характер кривой намагничивания. В этой же части изложены возможные пути повышения надежности релейных схем — применение бесконтактных логических магнитных элементов и реле.

Методы расчета, числовые примеры и отдельные вопросы, которые не входят в программу лекционного курса, но могут быть использова­ ны при курсовом и дипломном проектировании, даны петитом.

Автор благодарит всех читателей, принявших участие в обсужде­ нии первого и второго изданий учебника.

Отзывы и замечания просьба посылать по адресу: Москва, К-51, Неглинная, 29/14, издательство «Высшая школа».

Автор

ВВЕДЕНИЕ

Создание материально-технической базы коммунизма предусма­ тривает автоматизацию производства во всех отраслях народного хо­ зяйства с целью повышения производительности труда. В. И. Ленин указывал: «Производительность труда — это, в последнем счете, са­ мое важное, самое главное для победы нового общественного строя».

В Директивах XXIV съезда КПСС по пятилетнему плану разви­ тия народного хозяйства СССР на 1971—1976 гг. говорится об осуще­ ствлении комплексной автоматизации производственных процессов на базе унифицированных устройств и внедрении в различные отрас­ ли народного хозяйства автоматизированных систем управления.

Расширение промышленного производства средств и комплексных систем автоматизации связано с развитием магнитной техники — с излучением и использованием новых магнитных материалов, элемен­ тов и устройств, обладающих высокой надежностью и практически неограниченным сроком службы, обеспечивающих необходимое бы­ стродействие и отвечающих требованиям микроминиатюризации.

В разработку электромагнитных устройств автоматики значитель­ ный вклад внесли отечественные ученые.

Первые электромагнитные реле создал в 1830 г. наш соотечест­ венник П. Л. Шиллинг, применивший их в телеграфных аппаратах.

Развитию магнитных элементов во многом способствовал акад. АН СССР В. К. Аркадьев, первые работы которого относятся к 1908 г.

Первыми магнитными усилителями были дроссели насыщения, примененные в 1914 г. акад. Н. Д. Папалекси для регулирования на­ пряжения. Работы чл.-корр. АН СССР В. П. Вологдина, относящиеся к 20-м годам нашего столетия, позволили создать класс магнитных усилителей, работающих в режиме удвоителей частоты.

Выделению элементов автоматики и в частности электромагнитных элементов в самостоятельную область техники во многом способство­ вали работы чл.-корр. АН СССР Б. С. Сотскова (Институт проблем управления АН СССР), создавшего в стране школу специалистов по элементам автоматики.

Электромагнитные устройства разрабатываются в Советском Союзе в ряде организаций. В Институте точной механики и вычислительной техники АН СССР, в Институте электронных управляющих машин и в других организациях созданы универсальные вычислительные и спе­ циальные управляющие машины, в которых применены разнообраз­ ные электромагнитные элементы.

Советские ученые и конструкторы систематически совершенствуют

4

имеющиеся и создают новые приборы и устройства для систем автома­ тики и телемеханики, вычислительной и измерительной техники.

Оподлинном триумфе советской науки и техники в области авто

матики свидетельствуют полеты автоматических космических станций к Луне, Венере и Марсу.

В СССР и странах Совета экономической взаимопомощи (СЭВ) с целью экономически и технически целесообразного решения пробле­ мы обеспечения устройствами автоматики систем контроля, регулиро­ вания и управления технологическими процессами создана Государ-

система промышленных приборов и средств автоматизации ( (Л1), в которую входят электрическая, пневматическая и гидравли­ ческая ветви. В электрической ветви в качестве датчиков информации, з также преобразовательных, усилительных и исполнительных ус­ тройств широко применяют электромагнитные элементы и устройства.

Устройства автоматики, вычислительной и информационно-измери­

ус т р о й с т в а (дискретного действия).

Ваналоговых устройствах информация, подлежащая обработке, представляется непрерывными значениями физических величин (углов, напряжений, токов и т. п.); результаты обработки информации выда­ ются также в виде физических величин.

Вцифровых устройствах информация выражается последователь­ ностью импульсов или цифр; результаты обработки информации также

представляются цифрами.В отличие от аналоговых цифровые устрой­ ства обладают высокой точностью, которая определяется количеством разрядов. Однако увеличение количества разрядов обусловливает увеличение габаритов устройства, так как каждый разряд изображает­

ся с помощью отдельной ячейки, состоящей из транзисторов, сердеч­ ников или других элементов.

Надежность устройств, потребляемая ими мощность, их стоимость и габариты зависят от конструкции и технологии изготовления как отдельных элементов, так и устройства в целом.

Наиболее надежными являются элементы, в которых использован нелинейный и гистерезисный (неоднозначный) характер кривой на­ магничивания ферромагнетиков: магнитные усилители различных ти­

пов, магнитодиодные и магнитотранзисторные элементы, различные запоминающие устройства и т. п.

Наряду с относительно новыми элементами в автоматике по-преж­ нему широко применяют электромагнитные реле, контакторы, муфты

и стабилизаторы, в которых также использованы свойства ферромаг­ нитных материалов.

Перечисленные элементы основаны на использовании магнитных свойств ферромагнитных материалов; следовательно, можно говорить об особом направлении в технике, называемом м а г н е т и к о й .

Рассматриваемые в книге элементы подчиняются единым законам, связывающим магнитные и электрические величины, однако специфика их применения в качестве элементов аналоговых или цифровых ус­ тройств имеет свои особенности.

5

Э л е м е н т ы а н а л о г о в ы х у с т р о й с т в

В статическом режиме работы элементы аналоговых устройств характеризуются коэффициентом передачи и стабильностью работы.

личению коэффициента усиления, что позволяет уменьшить вес и га­ бариты аппаратуры при заданной точности работы.

С т а б и л ь н о с т ь р а б о т ы элементов — это наименьший дрейф нуля, заключающийся в самопроизвольном отклонении выход­ ной величины элементов, которое возможно при отсутствии изменения сигнала на входе. Такое отклонение может быть вызвано изменением параметров элементов во времени при изменении температуры, на­ пряжения питающей сети и др. Часто стабильность работы оценивают в процентах, показывающих относительное изменение того или иного параметра при изменении условий работы.

ляющей собой отношение изображения по Лапласу или Карсону выход­ ной величины к изображению входной при нулевых начальных усло­ виях. Если переходный процесс в элементе описывается кривой, близ­ кой к экспоненте, то элемент характеризуется п о с т о я н н о й в р е ­ м е н и .

Когда характеристика, связывающая входную и выходную вели­ чины элемента, может быть линеаризована, т. е. с большей или мень­ шей точностью заменена прямой, режим работы называют пропорцио­ нальным. Если наблюдается скачкообразное изменение выходной ве­ личины при достижении входной величиной некоторого значения, режим работы называют релейным (по аналогии с электромагнитным реле, размыкающим или замыкающим контакты).

Э л е м е н т ы ц и ф р о в ы х у с т р о й с т в

Элементы цифровых устройств представляют собой быстродейст­ вующие бесконтактные элементы релейного действия, т. е. работающие по принципу «включено — выключено». Включенное состояние, при котором на выходе элемента имеется сигнал (импульс тока или напря­ жения), соответствует наличию цифры в данном разряде числа. Выклю­ ченное состояние, при котором на выходе элемента сигнал отсутствует, соответствует нулю в данном разряде числа.

У бесконтактных элементов в выключенном состоянии на выходе

ное значение выходной величины (тока, напряжения или мощности),

6

ч а с т ь п е р в а я МАГНИТНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ АНАЛОГОВЫХ (НЕПРЕРЫВНЫХ) УСТРОЙСТВ

Г л а в а I

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕОРИИ МАГНЕТИЗМА

ИМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛАХ

§1.1. ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНЫХ ВЕЛИЧИН

ИМАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ

Вэлектромагнитных устройствах автоматики, вычислительной и измерительной техники воздействие на магнитный элемент производит­ ся либо магнитным полем тока, протекающего по проводнику или об­ мотке, либо непосредственно магнитным полем (например, в ферро­ зондах). Это магнитное поле является внешним по отношению к маг­ нитному сердечнику — основе электромагнитных элементов.

Прежде чем перейти к природе магнитных свойств вещества, на­ помним единицы измерения магнитных величин в Международной системе единиц (СИ).

Внешнее магнитное поле линейного проводника стоком / характе­

где г — расстояние от проводника до точки, в которой определяется напряженность.

Если ток протекает по обмотке с числом витков w, то он создает

н а м а г н и ч и в а ю щ у ю с и л у (н. с.), или магнитодвижущую силу (м. д. с.)

F,а — Iw.

Под действием н. с. в сердечниках магнитных элементов создается м а г н и т н ый п о т о к Ф. Если магнитный поток Ф проходит по сер­ дечнику с обмоткой, имеющей w витков, т о п о т о к о с ц е п л е н и е обмотки

4J , вб = Ф w.

8

Наряду с напряженностью магнитное поле характеризуется м а г ­

н и т н о й и н д у к ц и е й В, определяемой для равномерного поля выражением

В, тл = Ф/s,

где s — площадь, через которую проходит магнитный поток. И н д у к т и в н о с т ь

L, гн — W/I.

В Связи с тем, что в физике магнетизма часто используют систему

СГСМ, в табл. 1.1 приведены соотношения между единицами систем СИ и СГСМ

Таблица 1.1

Единицы измерения магнитных величин

М а г н и т н а я п о с т о я н н а я ц0 (магнитная проницаемость вакуума) представляет собой отношение магнитной индукции к напря­ женности магнитного поля в вакууме:

р0 = В/Н

и является физической константой, численно равной

Напряженность внешнего магнитного поля не зависит от свойств среды (от свойств вещества), где создается магнитный поток. Магнит­ ная же индукция определяется как напряженностью, так и свойства­

9