Автомобиль на магнитной индукции

Автомобиль на магнитной индукции

Тела, способные притягивать сталь, ее сплавы и некоторые другие черные металлы, называются магнитами. Каждый магнит имеет два полюса (рис. 9.1, а): северный N и южный S.

Между полюсами магнитов существует взаимодействие. Одноименные полюсы отталкиваются, а разноименные притягиваются. Происходит это потому, что в магнитах есть магнитные силы. Пространство, в котором проявляется действие магнитных сил, называется магнитным полем. Линии, в направлении которых действуют магнитные силы, называются магнитными силовыми линиями. Направлены они от северного полюса к южному.

Если по проводнику (рис. 9.1, б) пропустить электрический ток, то вокруг проводника возникает магнитное поле, магнитные силовые линии которого распределяются в виде концентрических окружностей. Если проводник с током свернуть в виде спирали (рис. 9.1, в), то магнитные силовые линии витков будут складываться и образуют суммарное магнитное поле. Такой спиральный проводник называют соленоидом.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Если внутрь соленоида поместить сердечник (рис. 9.1, г) из мягкой стали, то магнитное поле значительно усилится. Соленоид, внутри которого помещен сердечник, называется электромагнитом.

Магнитное поле электромагнита зависит от силы тока и числа витков: чем больше ток и число витков в обмотке электромагнита, тем сильнее его магнитное поле. При изменении направления тока в обмотке электромагнита изменяется и направление его магнитного поля, а следовательно, и его полярность.

Рис. 9.1. Магнитное поле:
а — магнита; б — проводника с током; в — катушки с током (соленоида); г — электромагнита

Электромагниты широко применяют в приборах электрооборудования автомобиля: генераторах, стартерах, звуковых сигналах, различных реле и др.

Если в магнитном поле перемещать проводник так, чтобы он пересекал магнитные силовые линии, то в этом проводнике будет наводиться электродвижущая сила, а если замкнуть этот проводник, то в цепи появится электрический ток. Это явление называется электромагнитной индукцией.

Явление электромагнитной индукции положено в основу работы генераторов.

Рис. 9.2. Схема простейшего генератора постоянного тока

Источник

«ИНДУКЦИОННИКИ» В АВТОМОБИЛЕ

Среди многообразия бесконтактных датчиков наиболее привлекательными для разработчиков автомототехники, в том числе и самодельной, оказались индукционные (или генераторные) — по неприхотливости к внешним условиям, простоте изготовления и долговечности. На основе именно «индукционников» были созданы различные приборы: от самых простых, регистрирующих линейные перемещения, до сложных, таких как системы зажигания с цифровым управлением, системы впрыска топлива, антиблокировочные системы управления тормозами и т.п.

В простейшем случае статор индукционного датчика состоит из катушки с обмоткой, сердечника из магнитомягкого железа (стали) и магнита. А вот ротор — в виде зубчатого диска или рейки с количеством зубцов, определяемым условиями применения датчика (рис. 1а).

При вращении ротора в обмотке статора возникает ЭДС индукции. Когда один из зубцов ротора приближается к обмотке, напряжение Uс в ней возрастает до максимума. Затем, при отдалении зуба, оно меняет знак (рис. 16). Причем характерна большая крутизна такого изменения напряжения, что может быть использовано для управления электронными системами.

Напряжение, вырабатываемое датчиком, зависит от скорости вращения ротора, числа витков катушки и величины магнитного потока, создаваемого постоянным магнитом. Из-за двух последних факторов индуцируемое Uс достигает максимума при максимальной частоте вращения. При необходимости (особенно когда частота следования импульсов мала) приходится Uс усиливать с помощью соответствующей электроники (рис. 1в).

Рис. 1. Типовая конструкция индукционного датчика (а), выдаваемый нм сигнал Uc (б), а также простая электронная схема (в), усиливающая и формирующая его для дальнейшего применения в аналоговой или цифровой форме:

1 — площадка с анизотропным магнитом (от герконовых клавиатур); 2 — щека; 3 — обмотка катушки на фторопластовой прокладке); 4 — стержень из магнитомягкого материала; 5 — ротор

Хотя и весьма редко, но случается, что даже «индукционники» не выдерживают испытаний российскими дорогами, суровым климатом и почти полным отсутствием автосервиса в сельской глубинке. Следовательно, могут пригодиться (особенно тем, кто любит собственноручно устранять неполадки) и более подробные сведения о конструкции датчиков. В частности, нелишне знать, что сердечник во многих индукционных датчиках делается из сталей марок Ст1 — Ст3 и при диаметре 3—8 мм должен иметь длину 25—30 мм. На него напрессовываются на расстоянии 10—15 мм друг от друга щеки катушки (рис. 1а), внешний диаметр которых обычно от 12 до 20 мм. На фторопластовую прокладку наматывается обмотка катушки — внавал, до заполнения пространства между щеками. Провод ПЭВ-1 диаметром 0,06—0,1 мм. Количество вмещающихся витков при этом от 2500 до 4000.

С одной стороны сердечника, как правило, предусматривается площадка для прикрепления анизотропного магнита. В качестве последнего ремонтниками, например, используется магнит от герконовых клавиатур. Свободный конец сердечника выводится из корпуса, который выполняется из немагнитного материала. Если требуют условия применения, то датчик заливается компаундом.

Ротор, если это необходимо, изготавливается, из магнитомягкого материала. Количество зубцов определяется условиями эксплуатации. Зазор между статором и ротором должен быть минимально возможным.

Следует упомянуть еще одну особенность индукционных датчиков. Напряжение в обмотке статора у них может возникать при работе не только со специальным ротором, но и с зубьями шестерни, болтами на вращающейся детали или даже при приближении/удалении (колебаниях) специального стержня из магнитомягкого железа. Отсюда и дополнительное разнообразие сфер применения «индукционников».

Датчик качания или удара (рис. 2а). На спиральной пружинке из тонкой проволоки укреплен небольшой кусочек магнитомягкого железа. При качании или толчке он взаимодействует со статором датчика, который вырабатывает серию апериодических импульсов.

Ротометр (тахометр) (рис. 2б). Статор датчика частоты вращения коленчатого вала двигателя укреплен на кожухе маховика или на заглушке смотрового лючка — в непосредственной близости от зубчатого венца маховика. Прибор обеспечивает наиболее точное определение частоты вращения без вторжения в электрические цепи системы зажигания.

Спидометр (рис. 2в). Для измерения скорости движения автомобиля зубчатый ротор укрепляется на выходном валу коробки передач или на блоке коробки передач вместо гибкого вала. Система позволяет отказаться от дорогого таходатчика или механически малонадежного гибкого вала.

Одометр (рис. 2г). Измерение пути автомобиля производится с помощью зубчатого диска, укрепленного на неприводном колесе. Подобные датчики нашли также применении в автоматической системе торможения (ABS — AntiBlockSistem), предотвращающей блокирование колес автомобиля и его занос от «юза».

Рис. 2. Схемы работы в автомобилях индукционного датчика качания или удара (а), ротометра/тахометра (б), спидометра (в), одометра (г) и в системе зажигания с цифровым управлением ИМПУЛЬС-ТЕХНИК доктора Хартига (д):

1 — статор; 2 — «ротор» (в датчике качания и удара— стержень из магнитомягкого железа, в ротометре/тахометре— зубчатый венец маховика, в одометре — зубчатый диск на неприводном колесе); 3— пружина; 4 — статор эталонного датчика; 5 — дополнительный зуб зубчатого венца на маховике двигателя

Стеклоочиститель. Зубчатый сектор укрепляется на редукторе. Считываемые импульсы позволяют плавно регулировать частоту хода щеток в зависимости от погодных условий.

Система зажигания. Генераторный датчик (рис. 1а) является основой системы зажигания фирмы Bosh. В системе зажигания с цифровым управлением ИМПУЛЬС-ТЕХНИК доктора Хартига используется зубчатый венец маховика двигателя с дополнительным зубом для получения эталонного сигнала (рис. 2д). Данная система позволяет весьма точно регулировать момент зажигания.

Если вернуться к конструкции индукционного датчика, то следует заметить, что если на скорость вращения ротора влияют параметры измеряемой среды, то возникает вопрос о тормозящем моменте, оказываемом полем постоянного магнита. В этом случае принимаются меры по увеличению момента трогания (делают крыльчатку большей по площади).

И еще. Если по условиям эксплуатации не требуется контролировать небольшую частоту вращения, то сердечник можно выполнить из магнитотвердого материала без дополнительного магнита и за счет остаточного магнетизма добиться того, чтобы сигнал имел достаточную величину.

И. СЕМЕНОВ, г. Дубна, Московская обл.

1. Бун Б. Электроника на автомобиле. — М.: Транспорт, 1979.

2. Цифровые и аналоговые микросхемы. Справочник. — М.: РиС, 1989.

3. 750 электронных практических схем. Сборник, М.: РиС, 1987.

Источник

Автомобильный справочник

для настоящих любителей техники

Магнитное поле в автомобиле

Магнитное поле образуется движущимися элек­трическими зарядами, токонесущими проводни­ками, намагниченными телами или переменным электрическим полем. Магнитное поле проявля­ется в его действии на движущийся электрический заряд (сила Лоренца) или в образовании магнит­ных диполей (одноименные полюса отталкива­ются, разноименные полюса притягиваются). Вот о том, как работает магнитное поле в автомобиле, мы и поговорим в этой статье.

Магнитное поле

Магнитное поле характеризуется вектором магнитной индукции В. Проводник, находя­щийся под силой тока I₁ создает на расстоя­нии а магнитную индукцию, величина которой определяется по формуле:

Эта магнитная индукция притягивает второй параллельно расположенный проводник дли­ной l, по которому проходит электрический ток I₂, с силой

Магнитная индукция может быть определена путем измерения напряжения, возникающего при изменении магнитного поля в петлевом проводнике:

U = dФ/dt

dФ — изменение магнитной индукции в пет­левом проводнике;

Магнитная индукция В находится в следующей зависимости с магнитным потоком Ф (q — площадь поперечного сечения):

Ф = Вq

Зависимость магнитной индукции в вакууме от напряженности магнитного потока Н опреде­ляется уравнением:

Магнитное поле и вещество

В материальной среде магнитная индукция B тео­ретически состоит из двух компонентов. Один воз­никает от приложенного поля (μ·H), другой — от материальной среды (J) (см. также взаимосвязь между плотностью электрического смещения и напряженностью электрического поля).

где J — магнитная поляризованность, харак­теризующая вклад материальной среды в магнитную индукцию. Физически J обозна­чает магнитный дипольный момент каждой единицы объема и в целом является функцией напряженности магнитного поля Н. Для мно­гих материалов J>>μН и пропорциональна Н. Тогда:

где μ_r — относительная магнитная проницае­мость; в вакууме μ_r =1

w_m = 1/2 BH

называется плотностью энергии магнитного поля. При ее умножении на объем получается энергия магнитного поля W_m.

В соответствии со значением относительной магнитной проницаемости материалы делятся натри группы:

Петля гистерезиса

Петля гистерезиса (рис. «Петля гистерезиса для твердого феррита» ), показывающая зависимость между В и H, также как и между J и H, объясняется следующим образом: если материал находится в немагнитном состоянии (В = J = 0, H = 0), под действием магнитного поля H он намагничивается в соответствии с кривой (1). Когда при некоторой напряжен­ности магнитного поля все магнитные диполи переориентируются, J достигает состояния по­ляризованности насыщения J_s (в зависимости от материала), которая не может больше повы­шаться. Если H уменьшается, J уменьшается в соответствии с кривой (2), которая уже не проходит через нулевую точку при Н = 0, а пересекает ось В или J в точке остаточного магнетизма В_r или J_r (в этом случае B_r = J_r). Индукция и поляризованность падают до нуля при обратном направлении поля только при достижении напряженности магнитного поля значения H_сВ или H_cj. Эта напряженность поля называется коэрцитивной силой. При дальнейшем повышении напряженно­сти поля достигается насыщение поляризации в противоположном направлении. Если напря­женность поля снова снижается и поле меняет направление, то симметрично отрезку кривой (2) проходит отрезок кривой (3).

Важнейшими параметрами петли гистере­зиса являются:

Ферромагнитные материалы

Ферромагнитные материалы подразделяются на магнитомягкие и магнитотвердые. Необхо­димо подчеркнуть, что воздействию коэрци­тивной силы подвергаются каждые восемь из десяти таких материалов.

Магнитотвердые материалы

Магнитотвердые материалы имеют высокую коэрцитивную силу. Ее значения находятся в области:

H_cj > 1 кA/м

Вместе с этим может возникнуть большое раз­магничивающее поле H, из-за которого мате­риал теряет свою магнитную поляризацию. Маг­нитное состояние и рабочая область постоянного магнита лежат во втором квадранте петли гисте­резиса на кривой размагничивания. На практике рабочая точка постоянного магнита никогда не лежит в точке остаточного магнетизма, так как из-за саморазмагничивания магнит всегда ис­пользуется в размагничивающем поле, которое сдвигает рабочую точку во второй квадрант.

Точка на кривой размагничивания, в которой произведение В·Н достигает максимального значения (В·Н)_maх, характеризует максимально достижимую энергию в воздушном зазоре. Эта величина, в дополнение к остаточной магнитной индукции и коэрцитивной силе, имеет важное зна­чение для характеристики постоянных магнитов. Важнейшими магнитотвердыми материалами для промышленного применения являются магниты, состоящие из AINiCo, феррита, FeNdB (REFe) и SeCo; их кривые размагничивания (рис. «Кривые размагничивания для различных магнитотвердых материалов» ) демонстрируют типичные характери­стики для отдельных типов магнитов.

Магнитомягкие материалы

Магнитомягкие материалы имеют низкую ко­эрцитивную силу:

и узкую петлю гистерезиса. Магнитная индук­ция принимает высокие значения (большие значения μ_r) уже при небольших величинах напряженности поля, так что обычно J >>μ_r·Н, то есть практически нет необходимости делать различие между кривыми В(Н) и J(H).

Магнитомягкие материалы, из-за высокой индукции при низкой напряженности магнит­ного поля, применяются в качестве магнито- проводов. Так как эти материалы показывают низкие потери при перемагничивании (потери на гистерезис), они, имея низкую коэрцитив­ную силу, отлично подходят для применения в переменных магнитных полях.

Характеристики мягкомагнитных материа­лов существенно зависят от их предваритель­ной обработки. Механическая обработка повы­шает коэрцитивную силу, а петля гистерезиса становится шире. Во избежание этого при­меняется специальный отжиг материала при высоких температурах (магнитный финальный отжиг). На рис. «Кривые намагничивания для магнитомягких материалов» представлены кривые на­магничивания, выражающие зависимость В-Н, для нескольких важных магнитомягких материалов.

Потери на перемагничивание

В таблице «Потери на перемагничивание» даны потери на перемагничива­ние Р1 и Р1,5 для индукции в 1 и 1,5 Тл при частоте 50 Гц и температуре 20 °С.

Эти потери состоят из потерь на гистерезис и потерь от вихревых токов. Потери от вихревых токов вы­зываются напряжением, которое индуцируется в сердечнике при изменении магнитного по­тока. Уменьшение потерь от вихревых токов и снижение электрической проводимости могут быть выполнены за счет применения:

Магнитное поле и электрический ток

Магнитное поле создается движущимся элек­трическим зарядом, то есть оно образуется вокруг проводника с электрическим током. Направление электрического тока (⊗ — ток течет в страницу, О — ток течет от страницы) и направление магнитной силовой линии под­чиняются правилу буравчика правого винта. В таблице «Напряженность магнитного поля для различного расположения проводников» приведены данные напряженности магнитного поля при различном расположении проводников.

В магнитном поле с индукцией В на провод длиной l с проходящим по нему электрическим током I действует сила F. Если провод и поле находятся под углом а друг к другу, сила равна:

Направление этой силы можно определить с помощью правила правой руки (рис. «Правило правой руки» ): если большой палец расположить по направлению силы тока, указательный палец — по направ­лению магнитного поля, то средний палец по­кажет направление силы.

Закон электромагнитной индукции

Любое изменение магнитного потока Ф, пере­секающего петлевой проводник, например, при движении петли или при изменении силы поля, индуцирует в петлевом проводнике на­пряжение U_I. Также напряжение U_I, индуцируется в проводнике, движущемся в магнитном поле в направлении v (рис. «Индукция, вызываемая движением» ):

В — магнитная индукция;

l — длина проводника;

Для двигателя постоянного тока:

U_I — индуцируемое напряжение, В;

Ф — магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, Вб;

z — число проводников на поверхности якоря;

а — половинное число параллельных ветвей обмотки;

Для двигателя переменного тока:

UI — эффективное значение индуцируемого напряжения, В;

Ф — магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, Вб;

z — число проводников на поверхности якоря.

Для трансформатора:

Ф — эффективное значение магнитного по­тока Ф(t), Вб;

w₁, w₂ — число витков соответственных об­моток, пересекаемых магнитным потоком Ф.

В зависимости от времени поток Ф(t) пред­ставляет собой результат наложения значений силы тока i₁(t) и i₂(t):

A_L называют AL-параметром — он зависит от конструкции трансформатора.

Выходное напряжение U на зажимах меньше (для генератора) и больше (для двигателя), чем U_I, — за счет омических потерь напряжения в обмотках (примерно 5 %).

Самоиндукция

Магнитное поле проводника или обмотки ме­няется при изменении протекающего по ним электрического тока. За счет этого в прово­днике индуцируется напряжение, пропорцио­нальное изменению электрического тока:

Индуктивность L зависит от магнитной про­ницаемости μ_r, которая для большинства ма­териалов практически равна 1 и постоянна. Исключение составляют ферромагнетики. Поэтому для обмоток с ферромагнитным сер­дечником L в значительной степени зависит от условий работы. В таблице «Индуктивность для различного расположения проводников» приведены значения индуктивности L для проводников различного расположения.

При низких частотах индуктивность прово­дников увеличивается за счет внутренней ин­дуктивности L_I проводов. Для круглых кабелей:

Двухжильные кабели, состоящие из двух кру­глых проводов, имеют двойное значение вну­тренней индуктивности (2 L_I) на единицу длины l.

Индуктивность катушек, соединенных после­довательно и параллельно, равна:

L_total = L₁ + L₂(последовательное соединение, рис. а, «Соединение катушек индуктивности» );

1/L_total = 1/L₁ + 1/L₂ (параллельное соединение, рис. Ь, «Соединение катушек индуктивности» ).

Энергия магнитного поля для катушки с ин­дуктивностью L, по которой проходит элек­трический ток I, равна:

(L постоянна во времени):

ω=2πf- угловая частота;

î — амплитуда силы тока;

Часто также используются эффективные зна­чения u_eff = û/√2 и i_eff = î/√2.

При протекании через катушку индуктивности переменного (гармонического) электрического тока векторы напряжения и электрического тока сдвинуты на угол ω = +π/2. Это свойство иллюстрирует векторная диаграмма (рис. «Векторная диаграмма катушки индуктивности» ).

Особый случай возникает, когда катушка ин­дуктивности подключается к сопротивлению, установленному со стороны источника напря­жения постоянного тока U, или отключается от сопротивления. Решающим фактором на­растания или падения электрического тока в цепи является постоянная времени τ = L/R.

При подключении катушки (рис. «Подключение катушки индуктивности» ):

При отключении катушки:

I- сила тока, протекающего по катушке;

_{I 0} — сила тока, протекающего по катушке, при отключении;

R — сопротивление резистора, последова­тельно соединенного с катушкой;

Электрический ток при подключении и отклю­чении катушки протекает по ней в противопо­ложных направлениях.

Магнитная цепь

В дополнение к уравнениям существуют за­коны расчета магнитных цепей:

для магнитной цепи действует следующее равенство:

Iw = Θ — магнитодвижущая сила (алгебраическая сумма ампер-витков);

H_I·L_I = V_I — разность магнитных потенциалов (H_I·L_I служит для расчета компонентов цепи, при котором H_I, является постоянной).

Магнитный поток Ф = В·А состоит из потоков на отдельных участках магнитной цепи.

Ф = const, для всех участков цепи, А — пло­щадь поперечного сечения соответствующего участка.

Магнитный поток, проходящий через участок цепи, можно разбить на частные потоки Ф₁,Ф₂…, сумма которых в любом случае будет равна постоянному значению общего потока Ф.

Качество магнитных цепей определяется замыканием магнитного потока при его про­хождении через рабочий воздушный зазор, имеющийся в цепи. Этот поток называется рабочим. Поток рассеяния, замыкаемый вне того места, где используется рабочий поток, представляет собой разность между общим и рабочим потоками. Отношение потока рас­сеяния к суммарному потоку (для постоянного магнита или электромагнита) называется ко­эффициентом рассеяния σ (практическая ве­личина σ находится в диапазоне от 0,2 до 0,9).

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ:

Добавить комментарий Отменить ответ

Главы

О справочнике

За последние время автомобилестроение превратилось в чрезвычайно сложную отрасль. Все труднее и труднее становится представить всю отрасль в целом, и еще сложнее постоянно следить за направлениями, которые важны для автомобилестроения. Многие из этих направлений подробно описаны в специальной литературе. Тем не менее, для тех, кто впервые сталкивается с данными темами, имеющаяся специальная литература не представляется легкой и тяжело усваивается в ограниченные сроки. В этой связи этот «Автомобильный справочник» будет очень кстати. Он структурирован таким образом, чтобы быть понятным даже для тех читателей, которые впервые встречаются с каким-либо разделом. Наиболее важные темы, относящиеся к автомобилестроению, собраны в компактном, простом для понимания и удобном с практической точки зрения виде.

Источник