ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА Российский патент 2008 года по МПК G01R5/02 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в электроизмерительных приборах магнитоэлектрической системы.

Известен измерительный механизм электроизмерительного прибора магнитоэлектрической системы, содержащий укрепленную в обойме подвижную рамку с обмоткой и закрепленным на рамке указателем; магнитную систему, состоящую из постоянных магнитов, цилиндрического кольцевого магнитопровода, полюсных наконечников, один из которых тороидальный, а второй в виде полукольца, охватывающего первый наконечник с кольцевым рабочим воздушным зазором, направляющих магнитный поток постоянных магнитов в рабочий зазор, в котором размещена одна вертикальная сторона рамки, для участка обмотки которой имеет место силовое взаимодействие протекающего по обмотке измеряемого тока с магнитным полем постоянных магнитов, создающее вращающий момент, поворачивающий рамку (авторское свидетельство СССР №1109648 G01R 5/02, 1983).

Такие измерительные механизмы имеют ряд недостатков. Так, полюсные наконечники имеют протяженную геометрическую форму, что создает пути для рассеяния части магнитного потока постоянного магнита, минуя рабочий зазор. Конструкция магнитной системы таких измерительных механизмов с полюсными наконечниками, имеющими развитую поверхность, обуславливает величину магнитной индукции в рабочем зазоре существенно меньшую, чем в конструкциях с расположением постоянного магнита в непосредственной близости от рабочего зазора. Так как чувствительность измерительного механизма прямо пропорциональна величине магнитной индукции в рабочем зазоре магнитной системы, поэтому сниженная из-за явления рассеяния магнитного потока магнитная индукция в рабочем зазоре обуславливает недостаточную чувствительность измерительного механизма.

Кроме того, из-за явления рассеяния магнитного потока величина радиально направленного потока в рабочем зазоре по длине полюсных наконечников является непостоянной. Пространственная неравномерность величины магнитной индукции в пределах угла поворота рамки служит причиной возникновения неравномерности шкалы прибора. Следует отметить, что измерительный механизм имеет ограниченный угол отклонения рамки, который задает предел достижимого углового размера шкалы прибора. Неравномерность и ограниченный угловой размер шкалы прибора ограничивают возможность уменьшения погрешности отсчета для заданного диапазона измерения прибора.

Недостаточная чувствительность измерительного механизма, а также значительная погрешность отсчета являются причинами недостаточной точности показаний электроизмерительного прибора с данным измерительным механизмом. Кроме того, при использовании такой конструкции измерительного механизма невозможно выполнить его компактной формы, малых габаритов.

Известен измерительный механизм электроизмерительного прибора магнитоэлектрической системы, содержащий магнитную систему, включающую в себя магнитопровод в виде полого цилиндра с плоскими основаниями, внутри которого к нижнему основанию прикреплен аксиально намагниченный кольцевой постоянный магнит, образующий с верхним основанием магнитопровода рабочий воздушный зазор; подвижную рамку квадратной формы с измерительной обмоткой, размещенную в рабочем зазоре параллельно торцевой плоскости магнита и закрепленную на оси, которая установлена в его отверстии соосно с цилиндрической поверхностью магнита. Крепление рамки к оси осуществлено с помощью двух надетых на ось крестовин, концы одной из которых закреплены в углах рамки, а концы другой - на серединах сторон рамки (авторское свидетельство СССР №1377747 G01R 5/02, 1986).

Описанный измерительный механизм имеет следующую особенность: витки измерительной обмотки в местах крепления к рамке стержней крестовин электрически закорочены и в этих местах присоединены к токовым выводам; четыре вывода у концов одной крестовины подключены к клемме одной полярности, а четыре вывода у концов другой крестовины - к клемме другой полярности. Таким образом, на каждой стороне рамки от углов рамки к серединам ее сторон по каждому витку обмотки будет протекать ток, меньший измеряемого тока в 8 ω раз (где ω - число витков обмотки). Это уменьшит вращающий момент измерительного механизма. Так как чувствительность измерительного механизма прямо пропорциональна величине вращающего момента, следовательно, чувствительность данного механизма окажется сниженной в сравнении с чувствительностью измерительного механизма, витки обмотки которого соединены последовательно.

Кроме того, конструкция рамки такова, что обмотка имеет заметную протяженность вдоль оси механизма, тем самым рабочий зазор предполагается достаточно значительным, чтобы усиливать рассеяние магнитного потока постоянного магнита, уменьшающее величину магнитной индукции в рабочем зазоре.

Недостаточная чувствительность указанного измерительного механизма вызвана тем, что вращающий момент создается взаимодействием тока, значительно меньшего, чем измеряемый, с магнитным полем в рабочем зазоре, а также низкой магнитной индукцией в рабочем зазоре из-за рассеяния магнитного потока.

Принцип работы данного измерительного механизма предполагает угол поворота рамки, равный 360 град, что позволяет обеспечить угловой размер шкалы прибора, равный 360 град. Кроме этого, постоянство вращающего момента вне зависимости от угла поворота рамки обеспечивает повышенную равномерность шкалы электроизмерительного прибора. Повышенная равномерность шкалы прибора и равный 360 град ее угловой размер позволяют снизить погрешность отсчета прибора, что является достоинством конструкции такого измерительного механизма.

Наиболее близким к заявляемому измерительному механизму является измерительный механизм магнитоэлектрической системы, который содержит подвижный постоянный магнит, выполненный в виде намагниченного в радиальном направлении кольца, размещенного между элементами магнитопровода в виде двух ферромагнитных шайб равного с постоянным магнитом наружного диаметра, установленный с помощью немагнитной рамки на оси, перпендикулярной его торцевой плоскости. Ось с закрепленным на ней стрелочным указателем установлена с возможностью вращения в опорах. Измерительный механизм включает в себя также обойму, выполненную в виде цилиндрического кольца из диэлектрического материала, с двумя немагнитными крышками, между внутренней цилиндрической поверхностью которой и внешней цилиндрической поверхностью постоянного магнита размещена неподвижная измерительная катушка в виде тороидальной обмотки на каркасе, имеющем равную с постоянным магнитом высоту и расположенным в одной с ним плоскости (авторское свидетельство СССР №1325365 G01R 5/02, 1985).

Эта конструкция имеет ряд недостатков. Так, магнитная цепь включает в себя два кольцевых воздушных зазора: внутренний, образованный внутренними цилиндрическими поверхностями постоянного магнита и элементов магнитопровода, и внешний - рабочий зазор, образованный внешними цилиндрическими поверхностями постоянного магнита и элементов магнитопровода. Эффективные размеры воздушных зазоров определяют длина и ориентация изгиба силовых линий магнитного поля между лежащими на общей цилиндрической поверхности сторонами постоянного магнита и элементов магнитопровода. Значительная величина воздушных зазоров обуславливает большое магнитное сопротивление на пути полезного магнитного потока, что оказывает размагничивающий эффект и уменьшает магнитную индукцию в пространстве между постоянным магнитом и ближайшей к нему стороной обмотки - той стороной, протекание измеряемого тока по которой обуславливает силовое взаимодействие с магнитным полем постоянного магнита, поворачивающее постоянный магнит вместе со стрелочным указателем. Сниженная магнитная индукция является причиной недостаточной чувствительности измерительного механизма.

Кроме того, при взаимодействии магнитного поля постоянного магнита с протекающим по обмотке измеряемым током силы, действующие на постоянный магнит со стороны участка обмотки на наружной цилиндрической стороне каркаса катушки, а также со стороны участков обмотки на торцевых сторонах каркаса, создадут вращающий момент, направленный противоположно вращающему моменту, вызванному силовым взаимодействием магнитного поля с измеряемым током, протекающим по участку обмотки на внутренней, приближенной к магниту, цилиндрической стороне каркаса. Вследствие этого суммарный вращающий момент окажется снижен, что обуславливает недостаточную чувствительность измерительного механизма.

Условие исключения взаимодействия тока, протекающего по стороне витков на наружной цилиндрической стороне каркаса, с магнитным полем постоянного магнита будет ограничивать минимальную допустимую ширину каркаса катушки, а следовательно, ограничивать возможность уменьшения габаритов механизма.

Устранение взаимодействия тока, протекающего по сторонам витков на торцевых сторонах каркаса, с магнитным полем постоянного магнита регулировкой положения элементов магнитопровода относительно постоянного магнита посредством осевого смещения элементов магнитопровода является труднодостижимым. Вследствие этого вращающий момент будет неизбежно снижен. Кроме того, приближение элементов магнитопровода к торцевым плоскостям постоянного магнита при регулировке приведет к увеличению магнитного потока рассеяния через торцы постоянного магнита, что дополнительно снизит магнитную индукцию в рабочем зазоре. Сниженная магнитная индукция будет являться причиной ограниченной чувствительности измерительного механизма.

К числу недостатков конструкции следует также отнести увеличенную массу подвижной части измерительного механизма, ограничивающую его коэффициент добротности. Для обеспечения необходимого вращающего момента подвижный постоянный магнит должен обладать достаточной энергией магнитного поля, величина которой прямо пропорциональна объему магнита. В то же время с увеличением массы магнита возрастает момент трения подвижной части в опорах, что приводит к увеличению погрешности показаний электроизмерительного прибора из-за трения в опорах, характеризуемой коэффициентом добротности измерительного механизма.

Также следует отметить, что выполненные из немагнитного материала цилиндрическая обойма и крышки не защитят измерительный механизм от воздействия внешнего магнитного поля, что делает прибор неустойчивым к размагничивающему воздействию этого поля.

Недостаточная величина вращающего момента, обусловленная значительным рассеянием магнитного потока постоянного магнита, снижающим магнитную индукцию в рабочем зазоре, а также наличием уменьшающего вращающий момент силового воздействия на постоянный магнит со стороны внешнего цилиндрического и торцевых участков обмотки, является причиной низкой чувствительности известного измерительного механизма; а увеличенная масса подвижной части измерительного механизма ограничивает величину его коэффициента добротности. Это обуславливает недостаточную точность показаний электроизмерительного прибора.

Заявляемое изобретение решает задачу создания устройства, в котором все вышеперечисленные недостатки либо отсутствуют, либо минимальны.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение чувствительности и коэффициента добротности измерительного механизма.

Этот технический результат достигается тем, что в измерительном механизме магнитоэлектрической системы, содержащем обойму, выполненную в виде цилиндрического кольца с опорами и осью, установленной в опорах обоймы с возможностью вращения, концентрично размещенные в обойме немагнитную рамку, закрепленную на оси, постоянный магнит в виде радиально намагниченного кольца, измерительную катушку в виде тороидальной обмотки на каркасе и магнитопровод, согласно изобретению каркас измерительной катушки выполнен в виде цилиндрического кольца из ферромагнитного материала, а катушка закреплена на немагнитной рамке и размещена в кольце постоянного магнита, постоянный магнит неподвижно установлен в обойме, а между ним и обоймой жестко установлен неподвижный магнитопровод, выполненный в форме цилиндрического кольца скобообразного сечения так, что в полости внешнего цилиндрического кольца расположены два жестко с ним сопряженных общими торцевыми участками внутренних цилиндрических кольца, при этом измерительная катушка размещена между торцами внутренних колец магнитопровода таким образом, что цилиндрическое кольцо каркаса измерительной катушки и внутренние кольца магнитопровода размещены по вертикали друг под другом с образованием зазоров.

При этом каркас измерительной катушки может дополнительно содержать выполненный в виде цилиндрического кольца постоянный магнит, жестко сопряженный своей внутренней цилиндрической поверхностью с внешней цилиндрической поверхностью кольца из ферромагнитного материала каркаса, при этом направление намагничивания постоянных магнитов в механизме выбрано так, что внешняя цилиндрическая поверхность постоянного магнита в каркасе и внутренняя цилиндрическая поверхность неподвижного постоянного магнита являются разноименными полюсами магнитов.

Этот же технический результат достигается вторым вариантом измерительного механизма того же назначения, а именно тем, что в измерительном механизме магнитоэлектрической системы, содержащем обойму, выполненную в виде цилиндрического кольца с опорами и осью, установленной в опорах обоймы с возможностью вращения, концентрично размещенные в обойме немагнитную рамку, закрепленную на оси, постоянный магнит в виде радиально намагниченного кольца, измерительную катушку в виде обмотки на каркасе и магнитопровод, согласно изобретению постоянный магнит неподвижно установлен в обойме, а между ним и обоймой жестко установлен неподвижный магнитопровод, выполненный в виде цилиндрического кольца, при этом измерительная катушка выполнена в виде участков обмотки, намотанных на элементы в форме кольцевых секторов, каждый из которых представляет собой часть каркаса, выполненного из ферромагнитного материала, при этом секторы образованы n радиальными разрезами цилиндрического кольца при n>1, катушка закреплена на немагнитной рамке и размещена в кольце постоянного магнита, причем на каждом из элементов каркаса со стороны торцевых поверхностей выполнены Г-образные лапки, концы которых отогнуты в сторону неподвижного магнитопровода и образуют с ним зазоры.

При этом в механизме каждый из элементов каркаса измерительной катушки может дополнительно содержать постоянный магнит, выполненный в виде сектора цилиндрического кольца, жестко сопряженного своей внутренней цилиндрической поверхностью с внешней цилиндрической поверхностью элемента каркаса, причем направление намагничивания постоянных магнитов в механизме выбрано так, что внешняя цилиндрическая поверхность постоянного магнита в каркасе и внутренняя цилиндрическая поверхность неподвижного постоянного магнита являются разноименными полюсами магнитов.

Благодаря введению в известный измерительный механизм совокупности существенных отличительных признаков заявляемое устройство обладает повышенной чувствительностью и повышенным коэффициентом добротности. При этом в механизме имеется неподвижный магнит, а также может быть установлен и подвижный магнит, которым является магнит, расположенный в каркасе катушки.

Конструкция элементов магнитопровода заявляемого измерительного механизма, в сравнении с прототипом, снижает магнитное сопротивление на пути полезного магнитного потока благодаря предельному уменьшению величины воздушных зазоров в магнитной цепи; так, в первом варианте механизма магнитный поток, исходящий с поверхности внешнего полюса неподвижного постоянного магнита, проходит по неподвижному кольцеобразному скобообразного сечения магнитопроводу, с торцов внутренних колец которого через минимальные воздушные зазоры входит в торцы каркаса катушки, являющегося подвижным магнитопроводом. В соответствии с дополнительными признаками, а именно наличием в каркасе постоянного магнита, магнитный поток далее проходит по подвижному магнитопроводу до внутреннего полюса постоянного магнита каркаса катушки. Следовательно, возрастают полезный магнитный поток и магнитная индукция в рабочем зазоре, чувствительность измерительного механизма повышается.

Кроме того, в отличие от прототипа, в котором элементы магнитопровода приближены к торцевым плоскостям постоянного магнита, что увеличивает магнитный поток рассеяния через его торцы, в заявляемом устройстве расстояние от торцевых плоскостей неподвижного и подвижного постоянных магнитов до расположенных над указанными плоскостями элементов магнитопровода задается достаточным, чтобы исключить замыкание через элементы магнитопровода потоков рассеяния от торцов постоянных магнитов. Это увеличивает полезный магнитный поток и чувствительность измерительного механизма.

Каркас подвижной измерительной катушки, выполненный из ферромагнитного материала и представляющий собой подвижный магнитопровод, экранирует от воздействия поля неподвижного постоянного магнита участок обмотки на внутренней цилиндрической стороне каркаса. Это позволяет выполнить каркас измерительной катушки в виде максимально тонкого кольца при соблюдении условия экранирования им магнитного поля. Следовательно, возможно выполнение сторон витков обмотки, лежащих на торцах каркаса, значительно короче стороны витков, расположенной в рабочем зазоре - пространстве между внешней цилиндрической поверхностью каркаса катушки и внутренней цилиндрической поверхностью неподвижного постоянного магнита. Такое конструктивное выполнение измерительной катушки приводит к тому, что силовое взаимодействие измеряемого тока с магнитным полем неподвижного постоянного магнита определяется исключительно стороной обмотки, расположенной в рабочем зазоре. Поэтому вращающий момент увеличивается, что повышает чувствительность измерительного механизма.

Кроме того, возможность выполнения каркаса измерительной катушки в виде тонкого кольца, помимо повышения величины вращающего момента, позволяет уменьшить массу подвижной части измерительного механизма для снижения момента трения подвижной части в опорах. Это увеличивает коэффициент добротности и, соответственно, уменьшает погрешность показаний электроизмерительного прибора, в сравнении с теми же характеристиками для прототипа, в котором увеличенная масса подвижной части необходима для обеспечения достаточной магнитной энергии подвижного постоянного магнита, создающего вращающий момент.

При этом, если каркас измерительной катушки выполнен в виде жестко сопряженных боковыми поверхностями подвижного магнитопровода и радиально намагниченного подвижного постоянного магнита, то подвижный магнитопровод экранирует от воздействия поля постоянных магнитов участок обмотки на внутренней цилиндрической стороне каркаса. Подвижный постоянный магнит направляет силовые линии магнитного поля в магнитной системе таким образом, что его взаимодействие с измеряемым током, протекающим по торцевым сторонам обмотки, создает вращающий момент, сонаправленный с вращающим моментом, вызванным силовым взаимодействием магнитного поля с измеряемым током, протекающим по стороне обмотки, расположенной в рабочем зазоре (пространстве между внешней цилиндрической поверхностью подвижного постоянного магнита и внутренней цилиндрической поверхностью неподвижного постоянного магнита). Таким образом, в заявляемом измерительном механизме, в отличие от известного измерительного механизма, отрицательный эффект воздействия магнитного поля на торцевые участки обмотки превращается в положительный эффект. Вследствие этого суммарный вращающий момент увеличивается, что повышает чувствительность измерительного механизма.

Кроме того, в отличие от известного измерительного механизма, возможность уменьшения в заявляемом механизме толщины кольца подвижного постоянного магнита с целью уменьшить его массу для снижения момента трения подвижной части в опорах не отразится заметно на величине вращающего момента, потому что основной вклад в создание вращающего момента в заявляемом устройстве вносит магнитная энергия неподвижного постоянного магнита. В отличие от известного измерительного механизма, у которого высота постоянного магнита должна быть равной высоте каркаса измерительной катушки, для обеспечения возможности минимизировать угол пересечения силовыми линиями магнитного поля торцевых сторон катушки, в заявляемом устройстве при выполнении каркаса катушки с постоянным магнитом неподвижный постоянный магнит с целью обеспечения повышенной магнитной энергии может иметь увеличенные размеры: высоту, большую, чем высота каркаса катушки, и соотношение высоты и толщины кольца магнита, соответствующее максимуму магнитной энергии. Увеличенная энергия магнитного поля неподвижного постоянного магнита обуславливает повышенную чувствительность измерительного механизма.

Выполнение измерительной катушки в виде разделенных радиальными зазорами участков обмотки, намотанных на элементы каркаса в форме отдельных кольцевых секторов, установленных концентрично оси измерительного механизма на немагнитной рамке с радиальными зазорами между ними, позволяет уменьшить массу подвижной части измерительного механизма для снижения момента трения подвижной части в опорах. На элементы каркаса в виде отдельных кольцевых секторов может быть суммарно намотано такое же количество витков обмотки посредством увеличения плотности намотки, как и при непрерывной намотке на кольцевой каркас без разрезов, что сохраняет неизменным вращающий момент. Это увеличивает коэффициент добротности измерительного механизма и, следовательно, уменьшает погрешность показаний электроизмерительного прибора.

Кроме того, в заявляемом измерительном механизме рабочий зазор может быть выполнен минимальной радиальной длины: для данной конструкции не требуется выполнять его настолько протяженным, чтобы между образующими его поверхностями магнитной системы помещался каркас измерительной катушки с обмоткой, так как сторона витков обмотки, участвующая в создании вращающего момента, лежит на поверхности самой магнитной системы, то есть на внешней цилиндрической поверхности подвижного магнитопровода (а при выполнении каркаса катушки с магнитом - на соответствующей поверхности подвижного постоянного магнита), образующей вместе с внутренней цилиндрической поверхностью неподвижного постоянного магнита рабочий зазор. Конфигурация магнитной системы, в которой возможно расположение постоянных магнитов максимально близко к рабочему зазору, образованному поверхностями их полюсов, соответствует наименьшему рассеянию полезного магнитного потока. Выполнение рабочего зазора в виде воздушного промежутка между поверхностями полюсов постоянных магнитов и возможность задания его оптимальной радиальной длины увеличивают магнитную индукцию в рабочем зазоре и, следовательно, повышают чувствительность измерительного механизма.

На фиг.1 изображен первый вариант заявляемого измерительного механизма, вид спереди с центральным разрезом; на фиг.2 - то же, разрез в горизонтальной плоскости (вид сверху); на фиг.3 изображен первый вариант механизма с каркасом катушки, содержащим постоянный магнит; на фиг.4 - то же, разрез в горизонтальной плоскости; на фиг.5 - фрагмент измерительного механизма, вид спереди с центральным разрезом; на фиг.6-10 представлен другой вариант выполнения заявляемого измерительного механизма.

Измерительный механизм (фиг.1-5) содержит обойму 1 в виде цилиндрического кольца с опорами 2, установленный в обойме неподвижный постоянный магнит 3, также выполненный в виде цилиндрического кольца и установленный соосно с обоймой. Неподвижный магнитопровод, жестко установленный между обоймой и неподвижным постоянным магнитом, выполнен в форме цилиндрического кольца скобообразного сечения с внешним кольцом 4 с торцевыми участками 5, и двумя внутренними кольцами 6. При этом магнитопровод установлен концентрично относительно постоянного магнита 3. Ось 7 установлена в опорах 2 с возможностью вращения, на ней закреплены стрелочный указатель 8 и немагнитная рамка 9, на которой в кольце неподвижного постоянного магнита концентрично с ним установлена подвижная измерительная катушка. Подвижная измерительная катушка выполнена в виде тороидальной обмотки 10, намотанной на каркас в виде цилиндрического кольца 11 из ферромагнитного материала, на цилиндрических сторонах которого направление витков обмотки параллельно образующим этих цилиндрических поверхностей. При этом каркас катушки может дополнительно содержать охватывающий кольцо 11 постоянный магнит 14, также выполненный в форме цилиндрического кольца, жестко сопряженный с кольцом 11.

Измерительная катушка размещена между торцами внутренних колец 6 магнитопровода так, что цилиндрическое кольцо каркаса измерительной катушки и внутренние кольца 6 магнитопровода размещены по вертикали друг под другом с образованием зазоров 12. В случае выполнения каркаса катушки с постоянным магнитом постоянные магниты 3 и 14 в механизме намагничены радиально. Направление их намагничивания выбрано так, что внешняя цилиндрическая поверхность подвижного постоянного магнита 14 и внутренняя цилиндрическая поверхность неподвижного постоянного магнита 3 являются разноименными магнитными полюсами, как показано на фиг.3-5, а пространство между внешней цилиндрической поверхностью подвижного постоянного магнита 14 и внутренней цилиндрической поверхностью неподвижного постоянного магнита 3 образует кольцевой рабочий зазор 13.

Измерительный механизм работает следующим образом.

При выбранном направлении намагничивания неподвижного постоянного магнита 3 (фиг.1, 2) в рабочем зазоре 13 магнитной системы измерительного механизма равномерно распределяется радиально направленный полезный магнитный поток, который проходит по следующим участкам магнитной цепи: неподвижному постоянному магниту 3, неподвижному магнитопроводу от его цилиндрической части 4 через торцевые участки 5, далее по внутренним кольцам 6, зазорам 12 между торцевыми поверхностями подвижного магнитопровода 11 и колец 6 неподвижного магнитопровода, подвижному магнитопроводу 11, рабочему зазору 13. Торцевые стороны 5 и внутренние кольца 6 неподвижного магнитопровода способствуют тому, чтобы полезный магнитный поток проходил преимущественно через них, а не через воздушное пространство над торцевыми плоскостями подвижного и неподвижного магнитопроводов. Тем самым уменьшается магнитное сопротивление на пути полезного магнитного потока и не допускается снижение магнитной индукции в рабочем зазоре 13.

При выполнении каркаса катушки с постоянным магнитом радиально направленный полезный магнитный поток последовательно проходит по следующим участкам магнитной цепи: постоянному магниту 14, рабочему зазору 13, неподвижному постоянному магниту 3, неподвижному магнитопроводу - от его цилиндрической части 4 через торцевые стороны 5, далее по кольцам 6, зазорам 12, подвижному магнитопроводу 11. На фиг.5 изображено направление силовых линий магнитного поля.

При протекании измеряемого тока по обмотке 10 возникает силовое взаимодействие тока с магнитным полем в рабочем зазоре 13, создающее вращающий момент, поворачивающий подвижную измерительную катушку со стрелочным указателем 8 в опорах 2. Вращающий момент уравновешивается противодействующим моментом, создаваемым известным способом.

Второй вариант измерительного механизма (фиг.6-10) в основном содержит те же элементы, что и первый, за исключением того, что магнитопровод 15, неподвижно установленный между обоймой 1 и постоянным магнитом 3, выполнен в форме цилиндрического кольца. Измерительная катушка выполнена в виде разделенных радиальными зазорами 17 участков обмотки 18, намотанных на элементы в виде кольцевых секторов, каждый из которых представляет собой часть каркаса 19 (фиг.7), выполненную из ферромагнитного материала. Секторы образованы n радиальными разрезами в цилиндрическом кольце (при n>1) и установлены на немагнитной рамке 16. На каждом из элементов каркаса со стороны торцевых поверхностей выполнены Г-образные лапки 21, концы которых отогнуты в сторону неподвижного магнитопровода и образуют с ним зазоры 22. Пространство между внешними цилиндрическими поверхностями элементов каркаса 19, являющихся элементами подвижного магнитопровода, и внутренней цилиндрической поверхностью неподвижного постоянного магнита 3 образует кольцевые рабочие зазоры 20.

При этом элемент каркаса катушки может дополнительно содержать постоянный магнит 23 (фиг.8-9), который имеет такое же функциональное назначение, как и в первом варианте.

В каждом из рабочих зазоров 20 магнитной системы измерительного механизма равномерно распределяется радиально направленный полезный магнитный поток, который последовательно проходит по следующим участкам магнитной цепи: неподвижному постоянному магниту 3, неподвижному магнитопроводу 15, зазорам 22 между внутренней цилиндрической поверхностью магнитопровода 15 и лапками 21 элементов каркаса 19, лапкам 21, элементам каркаса 19, рабочим зазорам 20. Лапки 21 способствуют тому, чтобы полезный магнитный поток проходил преимущественно через них, а не через воздушное пространство над торцевыми плоскостями подвижного и неподвижного магнитопроводов. Тем самым уменьшается магнитное сопротивление на пути полезного магнитного потока и не допускается снижение магнитной индукции в рабочих зазорах 20.

При протекании измеряемого тока по участкам обмотки 18 возникает силовое взаимодействие тока с магнитным полем в рабочих зазорах 20, создающее вращающий момент, поворачивающий подвижную измерительную катушку со стрелочным указателем 8 в опорах 2. Вращающий момент уравновешивается противодействующим моментом, создаваемым известным способом.

Преимущество заявляемого измерительного механизма, в сравнении с известным механизмом, определяется следующими особенностями его конструкции.

Конструкция магнитной системы такова, что основной путь полезного магнитного потока проходит по магнитопроводу с малым магнитным сопротивлением, и только незначительный его участок составляют воздушные зазоры минимальной длины, благодаря этому возрастают полезный магнитный поток и магнитная индукция в рабочем зазоре.

Кроме того, расстояние от торцевых плоскостей неподвижного постоянного магнита и постоянного магнита в каркасе катушки (при выполнении каркаса с постоянным магнитом) до расположенных над указанными плоскостями торцевых сторон магнитопровода задается достаточным, чтобы исключить замыкание через указанные элементы магнитопровода потоков рассеяния от торцов постоянных магнитов; в результате увеличивается полезный магнитный поток.

При этом каркас измерительной катушки, выполненный из ферромагнитного материала и представляющий собой подвижный магнитопровод, экранирует от воздействия поля неподвижного постоянного магнита участок обмотки на внутренней цилиндрической стороне каркаса, что позволяет выполнить каркас измерительной катушки в виде максимально тонкого кольца. Такое конструктивное выполнение измерительной катушки приводит к тому, что силовое взаимодействие измеряемого тока с магнитным полем неподвижного постоянного магнита определяется исключительно стороной обмотки, расположенной в рабочем зазоре; поэтому вращающий момент увеличивается, что повышает чувствительность измерительного механизма.

Кроме того, минимальная толщина кольца каркаса измерительной катушки позволяет уменьшить массу подвижной части измерительного механизма, что увеличивает его коэффициент добротности.

При выполнении каркаса измерительной катушки в виде жестко сопряженных боковыми поверхностями подвижного магнитопровода и радиально намагниченного подвижного постоянного магнита подвижный магнитопровод экранирует от воздействия поля постоянных магнитов участок обмотки на внутренней цилиндрической стороне каркаса, а постоянный магнит каркаса направляет силовые линии магнитного поля у торцов измерительной катушки вблизи рабочего зазора 13 (показаны эпюрой на фиг.5) таким образом, что взаимодействие магнитного поля постоянных магнитов с измеряемым током, протекающим по торцевым сторонам обмотки, создает вращающий момент, сонаправленный вращающему моменту, вызванному силовым взаимодействием магнитного поля с измеряемым током, протекающим по стороне обмотки, расположенной в рабочем зазоре 13 (направление тока и вращающего момента показано стрелками на фиг.5, вращающий момент перпендикулярен плоскости чертежа). Вследствие этого вращающий момент увеличивается.

Причем толщина кольца подвижного постоянного магнита выбрана минимальной с целью снижения массы подвижной части измерительного механизма, что увеличивает его коэффициент добротности; и уменьшение толщины кольца подвижного постоянного магнита не отразится заметно на величине вращающего момента, потому что основной вклад в создание вращающего момента вносит магнитная энергия неподвижного постоянного магнита.

В отличие от известного измерительного механизма, у которого высота постоянного магнита должна быть равной высоте каркаса измерительной катушки, для обеспечения возможности минимизировать угол пересечения силовыми линиями магнитного поля торцевых сторон катушки, в заявляемом устройстве при выполнении каркаса катушки с постоянным магнитом, неподвижному постоянному магниту с целью обеспечения повышенной магнитной энергии задается высота, большая, чем высота каркаса катушки, и соотношение высоты и толщины кольца магнита - соответствующее максимуму магнитной энергии.

Кроме того, конфигурация магнитной системы, при которой рабочий зазор 13 (в первом варианте) или 20 (во втором варианте) образован поверхностями полюсов постоянных магнитов, соответствует наименьшему рассеянию полезного магнитного потока, а расположение витков обмотки на одной из поверхностей, образующих рабочий зазор, обеспечивает возможность задания радиальной длины рабочего зазора, оптимальной с точки зрения достижения максимальной магнитной индукции в нем.

Вариант заявляемого измерительного механизма, содержащий измерительную катушку, выполненную в виде разделенных радиальными зазорами участков обмотки 18, намотанных на элементы каркаса в форме кольцевых секторов, представленный на фиг.6-10, имеет те же преимущества перед известным механизмом, что и первый вариант заявляемого измерительного механизма, представленный на фиг.1-5, но позволяет еще больше снизить массу подвижной части измерительного механизма для дополнительного увеличения его коэффициента добротности.

Предложенное изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в электроизмерительных приборах магнитоэлектрической системы. Техническим результатом от реализации данного изобретения является повышение чувствительности и коэффициента добротности измерительного механизма. Измерительный механизм электроизмерительного прибора содержит обойму, выполненную в виде цилиндрического кольца с опорами и осью, установленной в опорах обоймы с возможностью вращения, концентрично размещенные в обойме немагнитную рамку, закрепленную на оси, постоянный магнит в виде радиально намагниченного кольца, измерительную катушку в виде тороидальной обмотки на каркасе и магнитопровод. При этом каркас измерительной катушки выполнен в виде цилиндрического кольца из ферромагнитного материала, а катушка закреплена на немагнитной рамке и размещена в кольце постоянного магнита, постоянный магнит неподвижно установлен в обойме, а между ним и обоймой жестко установлен неподвижный магнитопровод, выполненный в форме цилиндрического кольца скобообразного сечения так, что в полости внешнего цилиндрического кольца расположены два жестко с ним сопряженных общими торцевыми участками внутренних цилиндрических кольца, при этом измерительная катушка размещена между торцами внутренних колец магнитопровода так, что цилиндрическое кольцо каркаса измерительной катушки и внутренние кольца магнитопровода размещены по вертикали друг под другом с образованием зазоров. Во втором варианте предложенного изобретения измерительная катушка может быть выполнена в виде участков обмотки, намотанных на элементы в форме кольцевых секторов. 2 н. и 2 з.п.ф-лы, 10 ил.

1. Измерительный механизм электроизмерительного прибора, содержащий обойму, выполненную в виде цилиндрического кольца с опорами и осью, установленной в опорах обоймы с возможностью вращения, концентрично размещенные в обойме немагнитную рамку, закрепленную на оси, постоянный магнит в виде радиально намагниченного кольца, измерительную катушку в виде тороидальной обмотки на каркасе и магнитопровод, отличающийся тем, что каркас измерительной катушки выполнен в виде цилиндрического кольца из ферромагнитного материала, а катушка закреплена на немагнитной рамке и размещена в кольце постоянного магнита, постоянный магнит неподвижно установлен в обойме, а между ним и обоймой жестко установлен неподвижный магнитопровод, выполненный в форме цилиндрического кольца скобообразного сечения так, что в полости внешнего цилиндрического кольца расположены два жестко с ним сопряженных общими торцевыми участками внутренних цилиндрических кольца, при этом измерительная катушка размещена между торцами внутренних колец магнитопровода так, что цилиндрическое кольцо каркаса измерительной катушки и внутренние кольца магнитопровода размещены по вертикали друг под другом с образованием зазоров.2. Измерительный механизм по п.1, отличающийся тем, что каркас измерительной катушки дополнительно содержит выполненный в виде цилиндрического кольца постоянный магнит, жестко сопряженный своей внутренней цилиндрической поверхностью с внешней цилиндрической поверхностью кольца из ферромагнитного материала каркаса, при этом направление намагничивания постоянных магнитов в механизме выбрано так, что внешняя цилиндрическая поверхность постоянного магнита в каркасе и внутренняя цилиндрическая поверхность неподвижного постоянного магнита являются разноименными полюсами магнитов.3. Измерительный механизм электроизмерительного прибора, содержащий обойму, выполненную в виде цилиндрического кольца с опорами и осью, установленной в опорах обоймы с возможностью вращения, концентрично размещенные в обойме немагнитную рамку, закрепленную на оси, постоянный магнит в виде радиально намагниченного кольца, измерительную катушку в виде обмотки на каркасе и магнитопровод, отличающийся тем, что постоянный магнит неподвижно установлен в обойме, а между ним и обоймой жестко установлен неподвижный магнитопровод, выполненный в виде цилиндрического кольца, при этом измерительная катушка выполнена в виде участков обмотки, намотанных на элементы в форме кольцевых секторов, каждый из которых представляет собой часть каркаса, выполненного из ферромагнитного материала, при этом секторы образованы п радиальными разрезами цилиндрического кольца при п>1, катушка закреплена на немагнитной рамке и размещена в кольце постоянного магнита, причем на каждом из элементов каркаса со стороны торцевых поверхностей выполнены Г-образные лапки, концы которых отогнуты в сторону неподвижного магнитопровода и образуют с ним зазоры.4. Измерительный механизм по п.3, отличающийся тем, что каждый из элементов каркаса измерительной катушки дополнительно содержит постоянный магнит, выполненный в виде сектора цилиндрического кольца, жестко сопряженного своей внутренней цилиндрической поверхностью с внешней цилиндрической поверхностью элемента каркаса, причем направление намагничивания постоянных магнитов в механизме выбрано так, что внешняя цилиндрическая поверхность постоянного магнита в каркасе и внутренняя цилиндрическая поверхность неподвижного постоянного магнита являются разноименными полюсами магнитов.