Герконы
Электрические параметры герконов следует измерять при нормальных климатических условиях, в режимах и условиях, установленных в технических условиях на герконы конкретных типов.
При проведении измерений должны быть приняты меры к устранению влияния паразитных внешних магнитных и электрических полей или к их уменьшению, а также не должна возникать вибрация герконов, вызывающая изменение параметров.
При измерении электрических параметров геркон должен управляться измерительной катушкой без ферромагнитных материалов. Требования к измерительной катушке и положение геркона в ней должны соответствовать установленным в ТУ на герконы конкретных типов.
Измерение магнитодвижущей силы срабатывания, отпускания и коэффициента возврата
Погрешность измерения.за счет влияния внешних электрических и магнитных полей не должна превышать 0,5А и не должна быть более 2%.
МДС срабатывания определяют по значению тока, протекающего через измерительную катушку в момент срабатывания геркона. МДС отпускания определяют по значению тока, протекающего через измерительную катушку в момент опускания геркона. Коэффициент возврата определяют как отношение МДС отпускания к МДС срабатывания.
Момент срабатывания и опускания герконов под воздействием управляющего магнитного поля определяют методом контроля состояния цепи геркона. При определении МДС срабатывания и МДС отпускания через контакт-детали геркона должен проходить постоянный ток
МДС срабатывания и МДС отпускания измеряют на установке:

МДС срабатывания и МДС отпускания геркона измеряют при плавном измерении тока в измерительной катушке. Ток в катушке повышают со скоростью не более 5 А-мс -1 до значения, обеспечивающего МДС, равную МДС насыщения; МДС насыщения равно 2,2 значения наибольшего МДС срабатывания для группы герконов. При МДС насыщения геркон выдерживают в течение времени tH, равному не менее 20 мс.

Ток в катушке уменьшают со скоростью не более 5А-мс -1 до значения, обеспечивающего МДС, равную МДС удерживания. Далее со скоростью не более 1 А-мс -1 до отпускания геркона. Момент отпускания фиксируют. Ток в катушке уменьшают со скоростью не более 5 А-мс -1 до нулевого значения. Геркон выдерживают без тока в катушке в течение времени не менее 20 мс.
Ток в катушке повышают со скоростью не более 5 А ; мс -1 от нулевого значения до значения, обеспечивающего МДС несрабатывания. Переходят к скоросте не более 1 А-мс -1 до срабатывания геркона. Момент срабатывания фиксируют. При несрабатывании геркона тока в катушке повышают до максимального значения МДС срабатывания для данной группы герконов. Если последним измеряемым параметром является МДС, то ток в катушке скачком уменьшают до нулевого значения или продолжают измерение следующего параметра.
МДС (А) определяют по формуле: МДС = Iкат · Nкат
где Iкат — ток через катушку в момент фиксации срабатывания/отпускания; N — число витков измерительной катушки (5000).
Коэффициент возврата определяют по формуле:
Кв = МДС отп / МДС сраб
Относительная погрешность измерения МДС срабатывания и МДС отпускания не должна выходить за пределы ±1 А при измерении МДС до 20 А, ±2 А — от 20 до 80 А и ±5% —свыше 80 А с вероятностью не менее 0,95.
Измерение временных параметров
Временные параметры, определяют измерением интервалов времени в соответствии с временными диаграммами срабатывания и отпускания геркона.

Генератор прямоугольных импульсов тока должен обеспечивать на выходе одиночные импульсы или серию импульсов с длительностью фронтов, измеренных между уровнями 0,1 и 0,9 их амплитуды, не более 50 мкс на активной нагрузке и амплитудой, обеспечивающей в измерительной катушке рабочую МДС. Измеряют интервалы времени срабатывания и отпускания. При измерении времени дребезга не учитывают разрывы цепи менее 10 мкс.
Измерение электрического сопротивления
Сопротивление геркона измеряют при замкнутых контакт-деталях с помощью четырехпроводного подключения (токового и потенциального) приборами непосредственного отсчета или методом вольтметра-амперметра на постоянном токе. Измерение сопротивления геркона проводят на установке, электрическая структурная схема которой приведена ниже:

Источник тока G должен удовлетворять следующем требованиям: обеспечивать ток в цепи геркона не более 0,1 А с погрешностью в пределах ±2,5%; иметь максимальное напряжение на разомкнутом герконе не более 6В.
Измерение влияния внешних электромагнитных полей
Измерительную катушку с герконом располагают в пространстве в трех взаимно перпендикулярных положениях и измеряют МДС срабатывания в каждом положении в двух направлениях (при втором измерении катушка расположена так, что ее продольное поле повернуто на 180°).
Из полученных значений выбирают большее и меньшее. Разность между ними не должна превышать 0,5 А и быть не более 2%.
Принцип работы геркона
Геркон (сокр. герметизированный контакт) – электромагнитное устройство, управляемое магнитным полем.
Содержание
Свою широкую распространённость герметизированный контакт приобрел благодаря своим защитным свойствам от вредной окружающей среды. Благодаря тому, что контакт герметизирован, его используют во взрывоопасных средах, там, где обычные контакты применять нельзя из-за возникающей искры.
Конструкция геркона
Конструктивно геркон состоит из двух ферромагнитных проводников, заключенных в герметичную стеклянную колбу.

Внутри стеклянной колбы (капсулы) может находиться инертный газ (например, азот). Благодаря азоту повышается предел максимально коммутируемого напряжения, появляется возможность использовать его в электрических цепях 220 В . Вместо инертного газа капсула может быть вакуумизирована. Это позволяет геркону работать при напряжении в тысячи вольт.
Проводящие контакты изготовлены из ферромагнетиков и могут иметь напыление из стойкого к эрозии металла: иридия, рутения или родия. Это напыление позволяет многократно увеличить количество срабатываний (до 5 миллиардов раз).
Существуют герконы со “смачиваемыми ” ртутью контактами. Ртуть обеспечивает надежность срабатывания контактов и уменьшает их дребезг. Но такие герконы требуют установки в правильном положении, так как в противном случае, капли ртути могут соединить контакты даже при отсутствии воздействия магнитного поля.
По типу срабатывания различают замыкающие, размыкающие и переключающие герконы.
Принцип работы
Принцип работы геркона прост, но есть свои нюансы. При воздействии магнитного поля (например, от постоянного магнита), контакты геркона поляризуются и срабатывают (замыкаются, размыкаются или переключаются). Надежность включения зависит от ориентации магнита, каким полюсом он будет повернут, и как он будет приближаться к геркону.
Где используют герконы?
Герконы используются повсюду, например, в вашем ноутбуке. Когда вы опускаете крышку, при касании о корпус, срабатывает геркон и ноутбук переходит в спящий режим.
Во второй половине 20-го столетия широкое применение получили герконовые реле. Они использовались там, где не требовались большие рабочие токи, обеспечивая при этом высокую производительность и долговечность. Чаще они использовались в телефонной связи, в системах подсчета, а также в лифтовой промышленности.

Герконы также используют как бесконтактные датчики в системах сигнализации на окнах и дверях, как датчики положения, концевые выключатели и т.д.
Как датчики положения герконы в настоящий момент используются редко, по тому что на смену пришли датчики Холла.
Основные параметры и характеристики

Коммутируемая мощность, Вт – максимально коммутируемая мощность, не вызывающая повреждение геркона.
Диапазон коммутируемых токов, А – значения постоянного или действительные значения переменного токов, в пределах которых, может работать геркон.
Магнитодвижущая сила (МДС) срабатывания, А – величина характеристики магнитного поля, при которой происходит срабатывание геркона. Единицы измерения в системе СИ – Ампер-витки.
Магнитодвижущая сила (МДС) отпускания, А – МДС при которой происходит отпускание контактов геркона.
Время срабатывания, мс – время которое проходит от момента приложения магнитного поля до замыкания контактов.
Контактное сопротивление, Ом – сопротивление геркона в замкнутом состоянии.
Резонансная частота, Гц – частота колебаний геркона, при которой начинается вибрация контактов, что приводит к снижению напряжения пробоя.
Расчет противодействующей характеристики
Противодействующая характеристика геркона — это зависимость противодействующего усилия от зазора. Согласно [1] эта зависимость имеет линейный характер и определяется жесткостью КС:


где — приведенная жесткость КС,
с1, с2 — жесткости отдельных КС геркона.
Задачей расчета является определение с1 и с2 отдельных КС и приведенной жесткости .
Жесткость отдельного КС как консольной балки, состоящей из n участков различных форм и сечений, может быть посчитана по формуле:

где ci — жесткость i-го отдельно взятого участка КС,

где E — модуль упругости материала КС, для 47Н, Е=1,37*10 11 Н/м 2 ,
Ji — момент инерции поперечного сечения рассматриваемого участка,
lд,i , lбл,i — соответственно расстояния от свободного конца консоли, к которому приложена изгибающая сила Р, до более удаленного и наиболее приближенного к этому месту концов рассматриваемого i-го участка КС. Если КС изготовлен из одного материала, то

В нашем случае КС имеет следующую форму:

Рисунок 6 — К расчету жесткости КС




Подставив полученные результаты в формулу (4.3) получим:

ci=1/с=1,726•10 3 , тогда согласно формуле (4.2) приведенная жесткость c=ci/2=862,8
Для построения противодействующей характеристики достаточно двух точек.
Для зазора дН=0,06 мм получим:

Для зазора дК=0,005 мм:

Противодействующая характеристика будет иметь следующий вид:

Рисунок 7 — Противодействующая характеристика
Расчет МДС срабатывания, возврата и МДС обмотки управления
МДС возврата геркона определяется по уравнению [1]:
Для Pэ чаще всего используется выражение:

имеющее большую точность при малых зазорах. Приравнивая (4.1) и (5.1), при д= дк находим МДС возврата геркона:

где Лд,к — проводимость рабочего зазора при д= дк , определяемая по (3.5):

Подставляя исходные данные в (5.2) получим:

МДС срабатывания геркона находится из условия равенства противодействующей и электромагнитной сил, а также их производных по зазору в точке срабатывания:

совместное решение уравнений (5.3) и (5.4) с учетом (4.1) и тяговой характеристики геркона по формуле:

для случая Лвш ? Лд дает выражение для зазора срабатывания:

Это значение зазора используется как первое приближение.
Применяя для тяговой характеристики выражение:

имеющее большую точность при расчете МДС срабатывания, из системы уравнений (5.3) и (5.4) можно получить следующее соотношение для зазора срабатывания:

где Лд,ср — магнитная проводимость рабочего зазора геркона при д= дср :

Подставляя в (5.6) найденное значение Лд,ср при зазоре д= дср,1,
находим второе приближение зазора срабатывания:



Подставляя выражения (4.1) и (5.5) при д= дср,2 в уравнение (5.3), определяем МДС срабатывания геркона:



Подставив в формулу (5.8) исходные данные получим:

Для многоконтактных реле МДС обмотки управления находится по формуле:

где kз — коэффициент запаса,
n — количество герконов в реле.
В нашем случае для одного геркона получим:

Расчет тяговых характеристик при F=Fном, F=Fср, F=Fв
Формулы для расчета элетромагнитного усилия приведены в [1]:
КОНСТРУКЦИИ ГЕРКОНОВЫХ РЕЛЕ
Контактная система электрических аппаратов в процессе эксплуатации подвергается воздействию большого числа неблагоприятно влияющих факторов, поэтому является наименее надежным узлом. Герметизация электромагнитных реле (ЭМР) исключает воздействие внешней среды, но не устраняет выделение летучих веществ из изоляционных материалов катушек, траверс и других деталей самих реле, вызывающих отказы контактов. К тому же герметизация связана с большими конструктивными и технологическими трудностями [1,2].
Существенным недостатком ЭМР является и наличие трущихся механических деталей, износ которых так же уменьшает их работоспособность. Другим недостатком ЭМР является их инерционность, обусловленная значительной массой подвижных деталей. Для получения требуемого быстродействия применяют специальные схемы форсировки, что приводит к снижению надежности и росту потребляемой мощности.
ЭМР представляют собой достаточно сложную конструкцию, содержащую в ряде случаев более сотни деталей, что затрудняет автоматизацию их производства [3,4].
Перечисленные недостатки ЭМР привели к созданию реле с герконами.
Согласно ГОСТ 17499-72 (Контакты магнитоуправляемые. Термины и определения. Введен 01.07.73г, с.1-12) магнитоуправляемым контактом называется «контакт электрической цепи, изменяющий состояние электрической цепи посредством механического замыкания или размыкания ее при воздействии управляющего магнитного поля на его элементы, совмещающие функции контактов и участков электрических и магнитных цепей» [3].
Герконом или герметизированным магнитоуправляемым контактом называется помещенный в герметизированный баллон магнитоуправляемый контакт.
Так как детали геркона реализуют функции контактов и участков электрических и магнитных цепей, они имеют название контактные сердечники (КС). Контактные сердечники могут быть неподвижными и подвижными. Часто КС выполняются гибкими – в этом случае они выполняют и роль возвратной пружины [3,5]
Герконы бывают замыкающими, размыкающими, переключающими и запоминающими. Существуют сухие (с твердыми контактами) и жидкометаллические (контакты смочены жидким металлом) герконы. Как те, так и другие бывают нейтральными и поляризованными. Большое распространение получили нейтральные замыкающие и переключающие герконы [3].
КОНСТРУКЦИИ ГЕРКОНОВЫХ РЕЛЕ
Простейшее герконовое реле (ГКР) с симметричным замыкающим контактом изображено на рис.1.

Рис.1. Простейшее герконовое реле с симметричным замыкающим контактом
Контактные сердечники 1 и 2 изготовляются из пермаллоя, имеющего высокую магнитную проницаемость, и ввариваются в герметичный стеклянный баллон 3.
Баллон заполняется инертным газом – чистым азотом или азотом с небольшой (около 3%) добавкой водорода. Давление газа внутри баллона составляет (0.4-0.6)10 5 Па. Инертная среда предотвращает окисление КС. Баллон устанавливается в обмотке управления 4. При подаче тока в обмотку 4 возникает магнитный поток Ф, проходящий по КС 1 и 2 через рабочий зазор d между ними и замыкается вокруг обмотки 4. Упрощенная картина магнитного поля показана на рис. 2. Поток Ф при прохождении через рабочий зазор создает тяговую электромагнитную силу Рэм которая, преодолевая упругость КС, соединяет из между собой. Для улучшения контактирования поверхности касания покрывают тонким слоем (2-50 мкм) золота, рения, серебра и др. При отключении обмотки магнитный поток и электромагнитная сила спадают и под действием сил
упругости КС размыкаются. Таким образом в герконовых реле нет деталей, подверженных трению, а КС одновременно выполняют функции магнитопровода, токопровода, контактной и возвратной пружин. На рисунке приведена механическая характеристика Pмех= f1 (d) и статические тяговые характеристики Pэм= f2 (d). При медленном увеличении магнитодвижущей силы (МДС) обмотки до значения F1 рабочий зазор dр между КС уменьшается от значения dн до d1. При дальнейшем медленном увеличении МДС КС сближаются до зазора срабатывания dср соответствующего МДС статического срабатывания Fср и определяемого точкой касания механической характеристики с тяговой характеристикой при Fср. С достижением dср КС быстро переходят к замкнутому состоянию при конечном рабочем магнитном зазоре dк. Резкий переход КС от зазора dср к dк называют «срывом» [1].
С уменьшением МДС до значения МДС возврата Fв КС разомкнутся и после цикла затухающих колебаний останутся на расстоянии dz между собой.
При дальнейшем снижении МДС до нуля в случае отсутствия магнитного и механического гистерезиса КС вернутся в свое первоначальное положение dн. В замкнутом состоянии при F>Fв КС воздействуют друг на друга с силой контактного нажатия
где Рэм.к и Рмех.к электромагнитная и механическая силы при . Для надежного срабатывания необходимо иметь
График зависимости МДС срабатывания от смещения Z центра обмотки относительно центра перекрытия КС приведен на рис.4. Минимальная МДС срабатывания, реле имеет место при расположении зазора между КС геркона посередине обмотки. Fср.ном – номинальная МДС срабатывания, имеющая место при отсутствий смещения Z центра обмотки относительно центра перекрытия КС, т.е. Z=0. Уменьшение в определенных пределах длины обмотки при неизменности сечения приводит к увеличению магнитного потока в рабочем зазоре геркона и уменьшению МДС срабатывания [3].

Рис. 4. Влияние смещения Z центра обмотки относительно центра перекрытия КС на МДС срабатывания геркона.
Изменение тока управления Iу обмотки и коммутируемого тока Iк при срабатывании геркона показано на рис.5. Обмотка включается в момент времени t0. Начало быстрого движения КС (после прохождения зазора d=dср на рис.3.) обуславливает уменьшение скорости нарастания тока Iу (точка а). Изменение воздушного зазора d и связанное с этим изменение магнитной проводимости приводит к тому, что индуктивность обмотки изменяется на протяжении всего времени срабатывания и особенно резко – после прохождения точки срыва, т.е. после d=dср.В результате резкого увеличения индуктивности после dср скорость нарастания тока и его значение уменьшаются (интервал времени от ta до t1). В момент времени t1 контакты касаются и вибрируют до момента времени t2. В интервале от t2 до t3 контакты не размыкаются, но ток Ik меняется из-за изменения переходного сопротивления, вызванного изменением контактного нажатия. Контактное нажатие герконовых реле увеличивается с ростом МДС обмотки. Коэффициент возврата герконовых реле
Увеличение толщины немагнитного контактного покрытия не влияет на величину МДС срабатывания Fср, т.к. начальный немагнитный зазор dн при этом не изменяется, а МДС Fотп увеличивается, поскольку возрастает dк что приводит к увеличению коэффициента возврата kв [1,3]. По сравнению с обычными ЭМР у герконовых реле kв значительно выше и доходит до 0.9. Из-за технологических погрешностей kв, как и другие характеристики герконовых реле, имеет довольно большой разброс и у одного и того же типа реле может колебаться от 0.3 до 0.9.
К временным параметрам герконового замыкающего реле относятся время срабатывания tср и время возврата tв [3].
В зависимости от предъявляемых к реле требований под tср может пониматься разное время, но как минимум оно принимается равным времени первого замыкания геркона – t3=t1 т.е. tср1=t3, составляющее для герконов обычно от 10 -4 до 10 -3 сек.
Чаще всего во время tср кроме t3 включают также время дребезга при срабатывании tдр.ср – процесса размыканий и замыканий электрической цепи, вызванных чередующимися соударениями и отскоками КС, следующими за их первым замыканием, т.е.
Под временем возврата tв в зависимости от требований, предъявляемых к реле, также может пониматься длительность разных процессов. Например
где tp – время с момента отключения обмотки от источника напряжения до первого размыкания КС,
tраз – время разрядных процессов при отсутствии повторных замыканий КС,
tдр.в – время наблюдаемого в ряде случаев дребезга при возврате.
Конструкция простейшего ГКР имеет разомкнутую магнитную цепь и его магнитопровод составляет только КС (рис.6,а).
Рис. 6. Конструктивные схемы выполнения герконовых реле.
Недостатки такой конструкции:
1) требуется большая МДС, т.к. значительная ее доля затрачивается на проведение магнитного потока по воздуху;
2) подвержена воздействию внешних магнитных полей, создаваемых другими близко расположенными электромагнитными устройствами, а также само устройство может являться источником помех.
Эти недостатки устраняются помещением ГКР в кожух (экран) из магнитомягкого материала (рис.6,б,в). При этом увеличивается магнитная проводимость для рабочего потока Ф и снижается МДС срабатывания. Для увеличения эффективности экрана паразитный зазор е стараются уменьшить или увеличить его площадь.
В условиях серийного производства регулирование значений МДС срабатывания и отпускания может производится либо изменением зазора е, либо изменением положения магнитного шунта (рис. 6,г), либо осевым смещением геркона в обмотке.
Существуют многоцепевые ГКР, имеющие до 12 и более герконов, управляемых одной обмоткой [1].
Особенности условий работы многоцепевых ГКР:
1) большой технологический разброс по МДС срабатывания и отпускания герконов;
2) неодновременность срабатывания герконов из-за неравномерности магнитного поля;
3) магнитное шунтирование сработавшим герконом других, приводящее к увеличению МДС срабатывания еще не сработавших герконов.
В некоторых конструкциях герконы устанавливаются снаружи обмотки управления. Это обеспечивает меньшее взаимное влияние соседних герконов.

Рис. 8. Реле тока на герконе.
В реле контроля большого тока используется следующая компоновка (рис.8). Контролируемый ток I проходит по шине и создает вокруг шины магнитный поток Ф, который и используется для управления герконом. Ток срабатывания ГК может регулироваться путем:
1) изменением угла a;
2) изменением расстояния х между герконом и шиной.
Наименьший ток срабатывания имеет место при a=90 о , а при a=0 о геркон не срабатывает при любом токе I.
Часто для усиления магнитного потока шины между ГК и шиной устанавливают магнитный шунт, имеющий участок уменьшенного сечения как показана на рис. 9. При определенном токе этот участок насыщается и увеличивается поток выпучивания, замыкающийся через КС геркона, и замыкает его. Такие реле выпускаются для постоянного и выпрямленного тока.
Управлять состоянием герконов можно с помощью не только магнитного поля, создаваемого катушкой управления, но и поля постоянного магнита (рис. 10). Это широко применяется современных слаботочных аппаратах управления (тумблеры, переключатели, кнопки, командоаппараты) и контрольно-измерительной аппаратуре (сигнализаторы положения, конечные выключатели, датчики).
Рис. 10. Управление герконом с помощью ферромагнитного экрана.
При приближении постоянного магнита к геркону увеличивается магнитный поток, замыкающийся между контактными сердечниками, и при определенном расстоянии срабатывания Хср создается тяговое усилие между КС, достаточное для их замыкания, т.е. срабатывания. Для создания требуемого контактного нажатия делают рабочее расстояние Хр<Хср. Отпускание геркона, т.е. размыкание контактов, происходит при увеличении расстояния до Хотп. При наличии постоянного магнита управление герконом может производиться и за счет перемещения ферромагнитного шунта.
Простейшее ГКР с магнитной памятью феррид имеет два элемента магнитной памяти (ЭМП), примыкающие к КС (рис.11). ЭМП выполняют из так называемых реманентных материалов, характеризующихся прямоугольностью петли гистерезиса, имеющих достаточно высокую остаточную индукцию и большую магнитную энергию. Реманентные материалы обладают очень малым временем перемагничивания (10-50 мкс). Остаточный магнитный поток, создаваемый ЭМП, используется для удержания герконов в замкнутом состоянии после обесточивания обмотки управления.
При появлении управляющего импульса и согласном включении обмоток создаваемый ими магнитный поток, проходя через КС и ЭМП намагничивает их. После прохождения импульса КС остаются в замкнутом состоянии благодаря остаточному потоку намагниченных ЭМП, т.е. как бы запоминают и сохраняют предыдущее свое замкнутое состояние.
Реле отключается подачей импульса той же амплитуды и той же полярности на одну обмотку, но обратной полярности — на другую обмотку. За счет разности МДС обмоток ЭМП размагничиваются, поток между КС уменьшается и они размыкаются.
Гезакон (герметизированный запоминающий контакт) — это ГКР с магнитной памятью, в которых ЭМП полностью или частично расположены внутри баллона (рис.12). Здесь КС выполнены из реманентных материалов и выполняют функции ЭМП. На баллоны гезаконов устанавливают две обмотки управления. При согласном включении обмоток КС замыкаются. Для размыкания при помоток подают ючении в одну из обмоток подают импульс обратной полярности. Это размагничивает ЭМП и гезакон размыкается.
В настоящее, время выпускаются герсиконы (герметизированные силовые контакты), имеющие относительно большую коммутационную способность. На основе герсикона типа КМГ-12 созданы контакторы. Герсиконы типа КМГ-1 имеют: номинальный ток 6,ЗА, включаемый ток до 180А, отключаемый ток 63А. Максимальная мощность двигателя, который может запускаться в режиме АС-3 при напряжении 380В, равна 3 кВт при частоте включения до 1200 в час. Механическая и коммутационная износостойкость при мощности двигателя 1.8 кВт составляет 10 7 циклов. При постоянном токе 1А и напряжении 220В коммутационная износостойкость достигает 3*10 6 циклов. Время срабатывания не более 20 мс.
Максимальный ток герсиконов может быть доведен до 100А при напряжении 380В. Высокая надежность и простота конструкции делают герсиконы весьма перспективными для применения в коммутационных аппаратах [1].
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
