с уменьшением МДС до значения возврата (Рв) КС разомкнутся и после цикла затухающих колебаний останутся на расстоянии 62 между собой (рис. 8.2). При дальнейшем снижения МДС до нуля в случае отсутствия магнитного и механического гистерезиса КС вернутся в свое первоначальное положение, соответствующее зазору бн.

В замкнутом состоянии при Р>Рв КС воздействуют друг на друга с силой контактного нажатия

где Рэм.к и Рм1.к - соответственно электромагнитная и механическая силы при бк.

В рассматриваемом аппарате контактное нажатие, а следовательно, и контактное сопротивление МК зависят от МДС обмотки. Для обеспечения малого и стабильного контактного сопротивления в обмотке реле в установившемся режиме создается рабочая МДС

F -k F

р - з СР

где кз>\ - коэффициент запаса по МДС срабатывания реле.

Значение кз выбирается из соображений обеспечения надежности работы реле с учетом возможного разброса его параметров, изменения напряжения питания обмотки в процессе эксплуатации, изменения температуры окружающей среды, воздействия механических нагрузок.

К временным параметрам герконового замыкающего реле относятся время срабатывания /ср и время возврата /в- В зависимости от требований, предъявляемых к реле, под /ср может пониматься разное время, но как минимум оно принимается равным времени до первого замыкания МК - /з, которое для МК составляет обычно от десятых долей миллисекунды до нескольких миллисекунд. Если зажимы обмотки присоединяются к источнику напряжения, то время /з зависит от следующих факторов: напряжения питания, размеров, числа витков и сопротивления обмотки; материала КС, их размеров и перекрытия; значений бц и бк; приложенного к разомкнутому МК напряжения, создающего электростатическую силу, действующую на подвижную систему; рода и давления газа в баллоне МК. Разрядные процессы между контактирующими поверхностями могут начинаться до первого замыкания контактов.

Чаще всего во время /ср кроме /п включают также время дребезга при срабатывании (/др.ср) - процесса размыканий и замыканий электрической цепи, вызванных чередующимися соударениями и отскоками КС, следующими за их первым замыканием. В течение времеш! /др.с р наблюдаются разрывы мостиков и разрядные явления (исключением является процесс замыкания сухими МК «сухих» цепей).

Время /;ф.(р зависит от вышеперечисленных факторов, влияющих на время /;,, а также от материала и конфигурации контак-

тирующих поверхностей, тока, напряжения и характера нагрузки. Из-за существования расплавленных металлических мостиков время /др.ср в основном (кроме коммутации сухими МК «сухих» цепей) меньше времени чередующихся соударений и отскоков КС - /со. Как было сказано в гл. 7, в некоторых ЖМК /др.ср может быть равно нулю. Время /со для большинства МК находится в диапазоне от сотых долей миллисекунды до нескольких миллисекунд.

Контактные сердечники продолжают совершать затухающие колебания в течение времени динамического шума /д.ш и после прекращения их отскоков друг от друга. Эти колебания КС приводят к появлению динамических лолех -высокочастотному изменению тока в электрической цепи без ее разрыва. Динамические помехи связаны с несколькими физическими процессами. Рассмотрим некоторые из них. Во-первых, взаимное перемещение замкнутых КС или изменение формы жидкометаллического мостика при расходящихся и сближающихся КС в случае отсутствия разрыва электрической цепи вызывают изменения сопротивления МК, что определяется термином динамическое контактное сопротивление. Во-вторых, из-за механических напряжений, возникающих при изгибе КС, изменяется их намагниченность, что определяется обратным магнито-стрикционным эффектом -магнитоу пру гостью. В результате в КС создаются ЭДС помех и соответствующие вихревые токи. В-третьих, колебания КС в магнитном поле обмотки приводят к индуктированию к них ЭДС. Динамические помехи имеют знакопеременный затухающий характер с частотой до нескольких десятков килогерц и наблюдаются до нескольких миллисекунд после прекращения дребезга. В начальной стадии динамический шум из-за обратного маг-нитострикционного и генераторного эффектов может достигать нескольких милливольт.

Таким образом, в зависимости от назначения герконового реле под временем его срабатывания можно иметь в виду:/ср1 = /з; /ср2=

=/з--/др.ср; /орЗ = з +/со; /ср4 -/з+/др.ср+/д.ш-

После прекращения динамического шума остаются статические шумы, имеющие различное происхождение. К ним в первую очередь относится постоянная составляющая, определяемая термо-ЭДС, возникающими в МК и в местах соединения его выводов с подводящими проводами при нагреве обмоткой и протекающим по МК током. Термо-ЭДС тем выше, чем больше несимметричность нагрева двух КС, неоднородность их по составу и микроструктуре, а также чем больше разность температур соединений выводов с проводами. У герконовых реле обычной конструкции в зависимости от температурного режима работы обмотки суммарная термо-ЭДС равна от 50 мкВ до 1,5 мВ. С помощью специальных конструктивных решений, выравнивающих температуру КС и соединений выводов МК с проводами, понижают термо-ЭДС до десятых долей микровольта.

Помимо постоянной составляющей в спектре статического шума имеется и переменная составляющая, определяемая пульсацией

напряжения в обмотке, которая в результате индукционного эффекта наводит в цепн МК ЭДС при наклонном его расположении в обмотке.

Проблема снижения динамического н статического шумов имеет большое значение прн коммутации МК «су.хнх» цепей.

Под временем возврата /в в зависимости от требований, предъявляемым к реле, также может пониматься длительность разных процессов.

Например, это время может определяться следующими выражениями:

bI - pi в2 = р--раз1 вЗ = р~ЬдР.в в4 = р + др.в + раз; в5 = р + виб.

где tp - время с момента отключения обмотки от источника напряжения до первого размыкания контактных сердечников МК; раз - время разрядных процессов прн отсутствии повторных замыканий КС; др.в -время наблюдаемого в ряде случаев дребезга при возврате; виб -время вибрации КС до нх полного успокоения.

На характер процесса вибрации КС влияют не только электромагнитные н механические силы, действующие на КС, но и электростатические силы, возникающие между ними прн разрыве электрической цепн, электродинамические и другие усилия.

Краткий анализ магнитной системы. Магнитная система рассматриваемого реле является системой с распределенными параметрами и содержит нелинейные элементы - КС. Строгому аналитическому анализу такие системы не поддаются, поэтому для нахождения нх параметров применяются приближенные методы: численные методы или методы теории цепей.

При расчете методами теории цепей сначала создаются «мысленные» модели (представление о конфигурации поля), которые часто сопровождают наглядным моделированием в виде изображения на бумаге топографических моделей - картин поля. Затем создаются схемы замещения, составляются дифференциальные и интегральные уравнения, описывающие «мысленные» модели, алгоритмы и программы расчета, т. е. проводится математическое моделирование. Этот путь расчета требует, однако, для получения достоверных результатов часто большого опыта и научной интуиции исследователя. Дело в том, что прн использовании методов теории цепей для расчета магнитных систем, особенно «разомкнутых», к которым относятся, в частности, магнитные системы многих электрических аппаратов с МК, может возникнуть ряд проблем. Так, анализируемой магнитной системе в рассматриваемых диапазонах соотношения ее размеров и МДС источника поля могут соответствовать несколько качественно отличающихся друг от друга картин поля. Тогда надо иметь представление обо всех этих картинах н в процессе расчетов знать, прн каких соотношениях параметров происходит переход от одной картины к другой. Если картина поля

определена, то неизвестными все же остаются граничные линии магнитной индукции (так называемые сепаратрисы) между ее характерными областями, магнитные проводимости которых должны быть выражены математически. В этих случаях, применяя методы теории цепей, необходимо использовать метод вариации возможных картин поля, координат его особых точек и формы сепаратрис [37, 38]. Пример применения этого метода дан в § 8.4.

В случаях, когда аналитические или численные методы анализа магнитных систем по тем или-иным причинам являются малоэффективными, применяют различные виды аналогового моделирования или физическое моделирование. Подготовку н реализацию процесса моделирования целесообразно проводить на основе методов планирования эксперимента с применением автоматизированных систем научных исследований (АСНИ).

Магнитное поле изображенного на рнс. 8.1 реле трехмерно, несимметрично относительно продольной и поперечной осей, однако оно обладает центральной симметрией (относительно центра рабочего зазора) и симметрично относительно плоскости рис. 8.1 (в продольной проекции). Для качественного анализа поля в этой плоскости * можно использовать методы исследования .

плоских полей, одним нз которых является метод аналогового (в данном случае электрического) моделирования поля на электропроводящей бумаге.

На рис. 8.3 представлена картина магнитного поля в продольной проекции анализируемого реле, полученная этим методом прн допущении, что магнитная проницаемость КС 1 н 2 равна бесконечности. Сплошными кривыми изображены линии магнитной индукции, прнчем более толстыми кривыми

(/-IV) отмечены сепаратрисы. Буквами О н О" обозначены точки схода градиентных линий поля (даны пунктиром), называемых также линиями нулевой работы. Точки О и О" являются особыми точками, так как в них векторный магнитный потенциал А достигает максимума, а напряженность поля Н, определяемая как

Рис. 8.3. Картина магнитного поля в плоскости рис. 8.1:

/, г - контактные сердечннкн; 3 -обмотка

* В трехмерном рассмотрении количественные значения параметров поля отличаются от значений этих параметров при плоской интерпретации.

grad, и, следовательно, магнитная индукция равны нулю. В том, что точки схода градиентных линий являются особыми, легко убедиться, рассматривая рис. 8.3. Пересекая эти точки плоскостями, перпендикулярными плоскости чертежа, и строя кривые изменения нормальной к этим плоскостям составляющей магнитной индукции, убеждаемся, что в анализируемых точках эти кривые будут менять знак, значит индукция в них равна нулю. В особом характере точек О и О" можно убедиться и другим способом: при «стягивании» контура магнитной индукции вокруг любой из этих точек в пределах площади окна обмотки 3 суммарный ток, охватываемый контуром, уменьшается быстрее, чем длина контура; поэтому из закона полного тока в пределе следует, что в точках схода градиентных линий напряженность поля равна нулю.

При трехмерном рассмотрении поля анализируемого реле мы имеем расположенные в обмотке особые кривые (в данном случае кривые схода градиентных поверхностей). Точки О и О" являются следами пересечения этих особых кривых плоскостью рис. 8.3, а градиентные линии -следами градиентных поверхностей. На рис. 8.3 приведены только градиентные линии, соответствующие вне обмотки магнитным потенциалам фм1 и фм2 КС / и 2.

Каждое ферромагнитное тело, находящееся в поле одной обмотки с током, имеет на своей поверхности S замкнутую кривую, которая разделяет поверхность на две части. В одну из этих частей линии магнитной индукции «входят», а из другой «выходят», что

следует из принципа их непрерывности

V5 /

Таким обра-

зом, в точках указанной разделяющей кривой на поверхности S напряженность поля равна нулю, а векторный магнитный потенциал достигает максимума. Это означает, что данная кривая также является особой. При пересечении такой кривой плоскостью она дает следы в виде двух особых точек. В магнитной системе, изображенной на рис. 8.3, таких точек четыре (по две на поверхности каждого КС): точки л и л -на КС 7, m и т -на КС 2. Экспериментальные кривые распределения нормальной к поверхности ненасыщенных КС составляющей вектора индукции вдоль граней А м Б, полученные физическим моделированием, иллюстрируют изменение знака индукции при переходе через точки лил (рис. 8.4). В особые точки л, л, m и т «входят» градиентные линии, соответствующие потенциалам фм1 и фм2 КС (см. рис. 8.3). В них же происходит преломление сепаратрис, которые в этих точках касаются поверхности КС, подходя к ним не под прямым углом, несмотря на то, что поверхность каждого КС в нашем рассмотрении (i=oo) эквипотенциальна. Здесь нет никакого противоречия, так как в особых точках напряженность поля равна нулю, а следовательно, не соблюдается условие сопряженности функции потока и потенциальной функции (условия Коши -Римана). Вне особых точек линии магнитной индукции всюду перпендикулярны градиентным линиям.

Сепаратрисы I-IV разделяют характерные области магнитных потоков. Так внутри сепаратрис I м IV находятся соответственно области потоков рассеяния OdBi и Фйвг, проходящие по пространству, занятому только воздухом и обмоткой *. Между сепаратрисами/и находится об-

ласть потока рассеяния ша ч»

Odd, проходящего по воз-духу и КС 7. Аналогичная область потока рассеяния Odc2, проходящего по воздуху и КС 2, расположена между сепаратрисами / и IV. Область рабочего магнитного потока Ф» (проходит по обоим КС) расположена в оставшемся пространстве - между сепаратрисами и /. Линии магнитной индукции этого потока на рис. 8.3 входят в КС 7 с его левой стороны в пределах зон Л-С и А-п\ проходят по КС 7, далее через рабочий зазор входят в КС 2, из которого выходят с правой его стороны в зонах т-А и С-А, замыкаясь затем через внешнее пространство опять на КС 7.

Для рассматриваемой нами симметричной системы Ф&ъ\ -

= Фйв2 = Фйв и Фйс1 = Фйс2 = Ф1с-

По картине поля можно судить о характере распределения магнитного потока вдоль КС в его сечениях, перпендикулярных оси х. В нижней части рис. 8.3 дана качественная кривая такого распределения. По мере удаления от наружного конца КС 7 в направлении оси X поток в нем сначала растет за счет потока Фе, а начиная с точки С -и за счет потока Фас\, достигает максимума Фщах в некотором сечении Хщах, расположенном на участке п-п, а затем уменьшается за счет того, что сначала поток Фб, а затем и поток Фасл выходят из него. Из рис. 8.3 следует, что максимальный магнитный поток в КС выражается как

Фша.=Фб + *.сФ</с-*бФб. (8-2)

где fedc<l и /гв<1-безразмерные коэффициенты, учитывающие доли входа и выхода на участках С-дгтах и л-Хтах соответственно потоков Фdc и Фб.

Рис. 8.4. Кривые распределения магнитной индукции вдоль граней А а Б ненасыщенных контактных сердечников

* В дальнейшем пространство, занятое обмоткой, упоминать ие будем и отнесем его к воздушному пространству.