СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО МЕХАНИЗМА
METHOD OF DIAGNOSTICS OF THE ELECTROMAGNETIC MECHANISM

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для диагностики электромагнитных механизмов с подвижным якорем, в магнитную цепь которых встроен постоянный магнит таких, как электромагнитные муфты и тормоза, электромагнитные клапаны, поляризованные электромагнитные коммутационные аппараты, блокировочные устройства и т.п.
Известен способ диагностики электромагнитного механизма, в котором в качестве информации о его рабочем состоянии используется наличие или отсутствие электрического контакта между якорем и магнитопроводом [авторское свидетельство СССР №1580075, F16D 27/01, опубл. 23.07.90].
Для реализации данного способа параллельно постоянному магниту гальванически через датчик тока подключается маломощный источник постоянного напряжения. Если между якорем и полюсами есть воздушный зазор, то в цепь датчика тока подключен только постоянный магнит, электрическое сопротивление которого представляет собой существенную величину (несколько килоом). За счет этого ток, протекающий по датчику тока, будет иметь минимальное значение. Если якорь притянут к полюсам магнитопровода и между ними появляется электрический контакт за счет отсутствия воздушного зазора, то якорь электрически шунтирует постоянный магнит и ток, протекающий по датчику тока, скачкообразно увеличится.
Недостатком этого способа является необходимость гальванического подключения напряжения непосредственно к магнитопроводу электромагнитного механизма, что часто технически трудно реализуемо. Кроме того, он может быть использован для устройств, имеющих только высокоомные постоянные магниты, например металлокерамические.
Известен способ диагностики электромагнитного механизма, в котором контроль положения якоря осуществляют по изменению потока рассеяния постоянного магнита при изменении положения якоря относительно магнитопровода [авторское свидетельство СССР №1684823, Н01Н 47/00, Н02К 7/102, опубл. 15.10.91].
Контроль изменения потока рассеяния осуществляется магниточувствительным датчиком, например герконом, расположенным в зоне поля рассеяния постоянного магнита. Если между якорем и магнитопроводом воздушный зазор отсутствует, то поток рассеяния постоянного магнита очень мал и геркон разомкнут. Если между якорем и магнитопроводом есть воздушный зазор, то поток рассеяния постоянного магнита резко возрастает, что приводит к срабатыванию геркона.
Недостатком этого способа диагностики электромагнитного механизма является низкая чувствительность и невысокая надежность, а также необходимость установки магниточувствительного датчика в активной зоне электромагнитного механизма и сложность (а чаще и невозможность) его размещения в уже готовом изделии.
Наиболее близким к заявляемому является способ диагностики электромагнитного механизма, заключающийся в том, что диагностируемый электромагнитный механизм облучают переменным физическим полем, регистрируют с помощью регистрационного датчика диагностический параметр, вызванный воздействием этого поля на электромагнитный механизм, и определяют техническое состояние электромагнитного механизма путем сравнения значения полученного диагностического параметра с его эталонным значением, причем в качестве переменного физического поля применяют электромагнитное поле, в качестве регистрационного датчика используют поверхность механизма, а в качестве диагностического параметра регистрируют отраженные от регистрационного датчика пространственные электромагнитные волны [патент РФ №2112935, G01H 17/00, опубл. 10.06.1998].
Недостатком этого способа диагностики является ограниченные функциональные возможности, поскольку он не может обеспечить полный контроль текущего состояния электромагнитного механизма, включая и определение положением якоря относительно магнитопровода. Это обусловлено тем, что данный способ диагностики электромагнитного механизма фактически является радиоволновым методом неразрушающего контроля «на отражение», ориентированным на определение рабочего состояния внешней поверхности или поверхностного слоя электромагнитного механизма, что, в конечном счете, существенно ограничивает возможности реализуемого контроля состояния. Кроме того, ориентация данного способа диагностики электромагнитного механизма в основном на параметры динамических механических процессов, например механические колебания, вызывающие вибрацию поверхности, не позволяет фиксировать изменения электромагнитных свойств магнитопроводов электромагнитных механизмом, что значительно снижает эффективность диагностики их технического состояния в целом.
Задачей изобретения является расширение эксплуатационных возможностей способа диагностики электромагнитного механизма путем обеспечения контроля текущего состояния электромагнитного механизма.
Поставленная задача решается тем, что в способе диагностики электромагнитного механизма, заключающемся в том, что диагностируемый электромагнитный механизм облучают переменным физическим полем, регистрируют с помощью регистрационного датчика диагностический параметр, вызванный воздействием этого поля на электромагнитный механизм, и определяют техническое состояние электромагнитного механизма путем сравнения значения полученного диагностического параметра с его эталонным значением, в отличие от прототипа, в качестве переменного физического поля применяют высокочастотное электрическое поле блока вибраторных антенн, посредством которого возбуждают внутри электромагнитного механизма зондирующее электромагнитное поле, в качестве регистрационного датчика используют обмотку электромагнитного механизма, а в качестве диагностического параметра регистрируют суммарную электродвижущую силу, наводимую в регистрационном датчике зондирующим электромагнитным полем. При этом зондирующее электромагнитное поле возбуждают на частоте, равной резонансной частоте контура, образованного сосредоточенной индуктивностью электромагнитного механизма и конструктивной емкостью вибраторных антенн.
Предложенный способ диагностики электромагнитного механизма (ЭМ) основан на дополнительном воздействии на ЭМ высокочастотным электрическим полем, которое возбуждает в ферромагнитном магнитопроводе ЭМ соответствующие высокочастотные электродинамические процессы, не связанные с рабочими режимами ЭМ. Таким образом, в магнитопроводе ЭМ одновременно будут существовать два независимых друг от друга электродинамических процесса: низкочастотный, определяемый рабочим током ЭМ, и высокочастотный, возбуждаемый внешним источником низковольтного ВЧ-напряжения. В этом случае обмотка ЭМ выступает в качестве электромагнитного регистрационного датчика, регистрирующего диагностический параметр высокочастотных электродинамических процессов, значение которого определяются текущим состоянием самого ЭМ, в частности, положением подвижного якоря относительно магнитопровода.
На фиг. 1 показана структурная блок-схема устройства, реализующего предложенный способ диагностики ЭМ; на фиг. 2 - конструкция и схема питания блока вибраторных Антенн; на фиг. 3 - распределение составляющих электромагнитной волны в магнитопроводе ЭМ.
На фиг. 1 обозначено: 1 - фидерное устройство, запитывающее основные элементы устройства; 2 - блок контроля работы ЭМ; 3 - ЭМ; 4 - источник высокочастотного электрического поля; 5 - генератор высокочастотного (ВЧ) синусоидального низковольтного напряжения; 6 - электронный блок выделения и обработки диагностического параметра ВЧ-сигнала.
Источник высокочастотного электрического поля выполнен в виде блока вибраторных антенн (фиг. 2), который представляет собой разъемный пространственный цилиндрический конденсатор, на внешней поверхности несущего разъемного кольцеобразного диэлектрического основания 7 которого находятся профильные многосекционные и определенным образом пространственно распределенные электропроводные секции 8. Количество таких секций кратно двум. Каждая пара соседних секций 8 образует своеобразный электрический диполь (вибратор), который и является элементарным антенным излучателем переменного электрического поля. Блок вибраторных антенн охватывает наружную поверхность магнитопровода ЭМ.
Общая пространственная компоновка элементарных вибраторных антенн позволяет формировать во внутреннем пространстве цилиндрического диэлектрического основания 7 переменное электромагнитное поле определенной конфигурации и соответствующей направленности.
z
z
Для обеспечения необходимого рабочего режима блока вибраторных антенн электрически последовательно соединяются между собой условно «четные» секции 8 каждой из соседних пар и аналогичным образом электрически соединятся условно «нечетные» секции каждой из этих же пар (см. фиг. 2). При подаче на секции 8 переменного ВЧ-напряжения от генератора 5 они возбуждают в окружающем пространстве переменное ВЧ электрическое поле, которое, в свою очередь, воздействует на внутреннюю структуру магнитопровода ЭМ. Один из результатов такого воздействия будет проявляться в возбуждении в магнитопроводе ЭМ зондирующего электромагнитного поля - поперечно-электрических ТЕ волн (или волны магнитного типа Н). Это волны, электрическое поле которых перпендикулярно к направлению распространения (E=0), а магнитное поле имеет продольную составляющую (H≠0) (фиг. 3). Для повышения эффективности зондирующего электромагнитного поля его возбуждают на частоте, равной резонансной частоте контура, образованного сосредоточенной индуктивностью электромагнитного механизма и конструктивной емкостью вибраторных антенн.
При указанной настройке блока вибраторных антенн в указанный резонансный режим в промежутке между его токопроводящими элементами 8 возникают электрические напряжения большой амплитуды, которые создают переменное электрическое поле Е значительной напряженности, вызывающее между ними ток смещения, который, в свою очередь, создает переменное магнитное поле Н в магнитопроводе ЭМ в фазе с питающим напряжением, а значит и с переменным электрическим полем Е. В этом случае непосредственно в магнитопроводе ЭМ создаются электромагнитные волны, которые в обмотке ЭМ наводят трансформаторную электродвижущую силу (ЭДС), а в случае наличия постоянного магнитного поля от постоянного магнита, встроенного в магнитную цепь ЭМ, формируют дополнительно модуляционную ЭДС.
В предложенном варианте блока вибраторных антенн поля Е и Н фактически заключены в пределах физического объема магнитопровода ЭМ, а высокая эффективность их взаимодействия в пределах этого физического объема, где они сформированы одновременно, наилучшим образом удовлетворяет необходимым условиям возбуждения электромагнитных волн непосредственно в самом магнитопроводе ЭМ. Таким образом, процесс функционирования устройства диагностики, показанного на фиг. 1, заключается в том, что посредством блока 4, запитываемого ВЧ-напряжением от генератора 5, в магнитопроводе ЭМ возбуждается переменное высокочастотное электрическое поле, инициирующее появление в магнитопроводе ЭМ зондирующего электромагнитного поля, которое воздействует на ЭМ, обмотка которого выступает в данном случае в качестве электромагнитного регистрационного датчика. Наведенная в обмотке ЭМ зондирующим электромагнитным полем переменная ЭДС частотой ω регистрируется электронным блоком 6, который определяет значения диагностического параметра, сравнивает их с эталонным и формирует соответствующее управляющее воздействие на блок 2. Входные фильтры (адаптеры) электронного блока 6 позволяют выделить высокочастотный диагностический параметр, обеспечив тем самым соответствующую развязку от низкочастотного напряжения, питающего ЭМ.
Научные основы предлагаемого способа диагностики ЭМ заключаются в нижеследующем. Представим кривую намагниченности магнитопровода ЭМ в виде зависимости, учитывающей наличие в магнитной цепи ЭМ постоянного магнита:
Σ
0
где Н - суперпозиция напряженностей постоянного магнитного поля Н постоянного магнита (подмагничивающее поле) и переменного магнитного поля H(t) (поле возбуждения), создаваемого блоком вибраторных антенн.
Конструктивные особенности блока вибраторных антенн позволяют реализовать режим заданного напряжения возбуждения, т.е. режим заданной индукции поля возбуждения. При этих условиях для электрического напряжения на элементарных вибраторных антеннах можем записать
A
где s - эквивалентная площадь условного поперечного сечения магнитопровода ЭМ; В - индукция в магнитопроводе ЭМ; ƒ(C) - конструктивная функция, характеризующая зависимость амплитуды возбуждаемого магнитного поля в магнитопроводе ЭМ от конструктивных особенностей блока 2 вибраторных антенн.
Интегрируя выражение (2), получим
m
При питании блока вибраторных антенн заданным напряжением вида u(t)=U×cosωt в соответствии с (3) получим
где ; ω - круговая частота возбуждающего электрического напряжения, подаваемого на элементарные вибраторные антенны.
В связи с тем, что ЭМ реализует функции электромагнитного регистрационного датчика, то для ЭДС, наводимой в обмотке ЭМ, можем записать:
где w - число витков обмотки ЭМ.
Исходя из параметрической теории ферромагнитных устройств, аппроксимируем зависимость В(Н) укороченным полиномом третьей степени
а
3
В(Н)=Н-bН,
а
где  и b - положительные коэффициенты аппроксимации, характеризующие соответственно конструктивные особенности и магнитные свойства магнитопровода ЭМ.
Тогда с учетом (1)получим:
Σ
m
0
m
0
m
a
a
3
3
2
2
B(H)=×H×sinωt+×H-b[H×sinωt+3×H×H×sinωt+
2
3
0
m
0
+3×Н×H×sinωt+Н].
m
0
Исходя из того, что в общем случае Н<Н, имеем
Тогда, в соответствии с выражением (5), для ЭДС можем записать:
m
0
Следует заметить, что в случае Н<<Н, выражение (6) трансформируется к виду:
m
Если предположить, что Н>>Но, что технически вполне реализуемо, то справедливо записать:
Σ
n
В связи с тем, что для возбуждения электромагнитных волн в магнитопроводе ЭМ используется нетрадиционный способ возбуждения (посредством вибраторных, а не рамочных антенн), рассмотрим более подробно особенности работы ЭМ, обмотка которого является регистрационным датчиком. Очевидно, что процесс возбуждения электромагнитных волн в магнитопроводе ЭМ при внешних постоянных условиях в общем случае одновременно зависит и от состояния параметров среды, в которой они распространяются, и от параметров вибраторных антенн. Полная мощность в антенне определяется суммой мощности излучения P и мощностью потерь Р:
Из выражения (10) следует, что мощность электромагнитного поля, излучаемая вибраторной антенной, характеризуется сопротивлением излучения, которое является одной из компонент полной мощности в вибраторной антенне и определяется следующим выражением:
в
где Z - волновое сопротивление среды; dz - длина диполя (элементарного электрического вибратора).
Учитывая что , для сопротивления излучения вибраторной антенны получаем следующее соотношение:
0
где λ - длина волны в вакууме.
Из выражения (12) следует, что сопротивление излучения вибраторной антенны находится в квадратичной зависимости от отношения длины диполя к длине волны, а также и от параметров среды, в которой излучатель находится. Тогда, исходя из результатов феноменологического анализа, можем записать:
Следует отметить, что рассматриваемая антенно-фидерная система должна быть согласована определенным образом с генератором ВЧ-напряжения и ЭМ. Согласование передающей вибраторной антенны с фидером обеспечивает бегущую волну в фидере, а согласование фидера с генератором обеспечивает нормальную работу самого генератора.
Эффективность приемной антенны определяется соотношением между напряженностью поля и ЭДС, наводимой этим полем в антенне. Таким основным параметром является действующая высота приемной антенны. Для рассматриваемого случая обмотку ЭМ, являющуюся регистрационным датчиком, можно считать рамочной антенной с ферромагнитным сердечником (магнитная антенна), действующую высоту которой можно представить выражением:
где m=2π/λ - коэффициент фазы (волновое число); λ - длина рабочей электромагнитной волны; μ - эквивалентная проницаемость магнитопровода ЭМ.
В связи с тем что обмотка ЭМ фактически является элементом магнитной антенны, то ее индуктивность можно принять в качестве основного компонента входного контура приемного устройства. Учитывая существующую однозначную связь между векторами поля Е и Н, параметры магнитной антенны удобно выражать через параметры эквивалентной электрической антенны. В этом случае ЭДС, наводимая в антенной обмотке-датчике ЭМ, будет равна
где Е - напряженность электрической составляющей поля электромагнитной волны, воздействующей на магнитную антенну в режиме приема. Полное сопротивление обмотки ЭМ равно
к
к
к
к
M
M
δ
где R - активное сопротивлений обмотки (считаем, что R<<ωL); L - индуктивность антенной обмотки-датчика ЭМ; Z - магнитное сопротивление магнитной цепи ЭМ; R - магнитное сопротивление ферромагнитной части магнитной цепи; R - магнитное сопротивление воздушного зазора магнитной цепи.
M
δ
δ
Исходя из того что S≈S и μ≈1 получаем
M
δ
М
δ
где ;  и  - длины соответственно ферромагнитной части и воздушного зазора магнитопровода; S и S - эквивалентные площади условных поперечных сечений соответственно ферромагнитной части и воздушного зазора магнитопровода; μ и μ - магнитные проницаемости соответственно ферромагнитной части и воздушного зазора магнитопровода.
m
0
В качестве примера рассмотрим режим функционирования, при котором Н<<Н. В этом случае в выражении (9) в соответствии с (16) параметр b является информативным и представляется в виде:
М
0
Из соотношения (17) следует, что, измеряя величину e(t) в соответствии с (9) и сравнивая ее с эталонными значениями при известных различных информативных параметров (, μ, ε, Н), можно контролировать текущее состояние ЭМ, в частности величину воздушного зазора  между якорем и магнитопроводом, и, таким образом, контролировать, в каком рабочем положении находится фрикционный узел электромагнитной муфты или тормоза.
В предлагаемом способе диагностики электромагнитного механизма высокочастное электромагнитное поле фактически представляет собой зондирующий электромагнитный сигнал, который в силу особенностей своих электрических параметров не оказывает никого влияния на рабочие режимы функционирования ЭМ. В свою очередь, ЭДС, наводимая в обмотке ЭМ высокочастотным электромагнитным полем, является реакцией этой обмотки-датчика на энергетическое воздействие этого поля. Изменение физических свойств среды распространения высокочастотного электромагнитного поля, которые описываются определенным набором информативных параметров, вызывает соответствующие изменения фазы и амплитуды ЭДС, посредством которых и определяется состояние ЭМ.
m
0
M
0
Варьируя соотношение между Н и Н, можно задавать для обмотки-датчика ЭМ различные режимы его функционирования, которые в зависимости от поставленных задач контроля позволяют регистрировать различные информативные параметры (, μ, ε, Н), непосредственно связанные с текущим состоянием ЭМ.
Предложенный новый способ диагностики ЭМ является универсальным, фактически не имеющим ограничения в применении к различным типам ЭМ. Простота его схемотехнической реализации, легкая адаптируемость к изменяющемуся классу решаемых задач и высокая надежность контроля обеспечивают высокую эффективность использования данного способа диагностики ЭМ и гарантированную востребованность в соответствующих отраслях промышленности для контроля параметров различных типов ЭМ.