Электромагнитные муфты управления

 

Для регулирования частоты вращения, вращающего момента на валу, для соединения и разъединения ведущего и ведомого валов применяются электрические аппараты в виде муфт с электрическим управлением. Эти муфты можно подразделить на индукционные и электромагнитные.

Индукционные муфты (рис. 18.1) по принципу действия аналогичны асинхронному двигателю с короткозамкнутым ротором. Приводной двигатель соединяется со сплошным якорем 1, ведомый вал связан с индуктором 2. Катушка возбуждения 4 создает постоянный магнитный поток 5, замыкающийся по якорю 1. При вращении якоря магнитное поле катушки индуктора пересекает цилиндрическое тело якоря, и в нем наводятся вихревые токи. Взаимодействие этих токов с магнитным полем создает силу, которая увлекает индуктор в направлении вращения якоря. Материал якоря должен обладать малым удельным электрическим сопротивлением, что обеспечивает возникновение достаточно больших вихревых токов, и высокой магнитной проницаемостью для получения возможно больших значений магнитного потока.

Рис. 18.1. Индукционная муфта:

1 - якорь; 2 -индуктор; 3 - магнитная система;

4 - катушка возбуждения; 5 - магнитный поток

 

Регулируя ток возбуждения и тем самым меняя магнитное поле, можно плавно регулировать в широких пределах частоту вращения и передаваемый вращающий момент ведомого вала.

На рис. 18.2 показаны механические характеристики индукционной муфты.

Рис. 18.2. Механические характеристики индукционной

муфты при различном токе возбуждения

 

Механические характеристики индукционной муфты существенно зависят от нагрузки. Поэтому для стабилизации скорости применяются специальные регулирующие устройства.

Более широко применяются электромагнитные муфты, в которых используется электромагнитное усилие притяжения между ферромагнитными телами. Эти муфты удобны в эксплуатации, имеют малые габаритные размеры и небольшое время срабатывания, передают большие мощности на валу при сравнительно малой мощности управления.

Простейшая конструкция электромагнитной фрикционной муфты представлена на рис. 18.3.

б

а

Рис. 18.3. Электромагнитная фрикционная муфта:

а - разрез муфты; б - поверхность трения

 

Постоянное напряжение подводится к щеткам, скользящим по контактным кольцам 1, соединенным с выводами обмотки 2. Обмотка имеет цилиндрическую форму и окружена магнитопроводом ведущей части 3 муфты. Направляющая втулка 7 имеет выступ 6, который входит в паз 8 полумуфты 5, которая может перемещаться вдоль оси, оставаясь соединенной с валом 10.

В обесточенном состоянии пружина 9 упирается в направляющую втулку 7, жестко закрепленную на валу 10, и отодвигает подвижную часть полумуфты 5 вправо. При этом поверхности трения (диски 4) не соприкасаются и ведомый вал 10 разобщен с ведущим валом 11.

При подаче на обмотку управляющего напряжения возникает магнитный поток Ф. На полумуфты 3, 5, выполненные из магнитомягкого материала, начинает действовать электромагнитная сила, притягивающая их друг к другу. Таким образом, полумуфты и обмотка представляют собой электромагнит. Между дисками 4, жестко связанными с деталями 3 и 5, возникает сила нажатия, обеспечивающая необходимую силу трения и их надежное сцепление.

В ферропорошковой муфте барабанного типа (рис. 18.4) ведущий вал 1 через немагнитные фланцы 2 соединен с ферромагнитным цилиндром (барабаном) 3.

Рис. 18.4. Электромагнитная ферропорошковая муфта барабанного типа

 

Внутри цилиндра располагается электромагнит 4, связанный с ведомым валом 6. Обмотка 5 электромагнита питается через контактные кольца. Внутренняя полость 7 заполнена ферромагнитным порошком (чистое или карбонильное железо) с зернами размером от 4-6 до 20-50 мкм, смешанными с сухим (тальк, графит) или жидким (трансформаторное, кремнийорганические масла) наполнителем.

При обесточенной обмотке и вращении ведущей части (барабана) электромагнит и ведомый вал остаются неподвижными, т.к. ферромагнитные зерна наполнителя свободно перемещаются относительно друг друга.

При подаче напряжения на электромагнит зерна ферромагнитного порошка теряют свободу перемещения под воздействием магнитного поля обмотки. Вязкость среды в барабане резко возрастает. Увеличивается сила трения между барабаном и электромагнитом. На ведомом валу появляется вращающий момент.

При определенном значении тока возбуждения ферромагнитный порошок и наполнитель полностью затвердевают. Барабан и электромагнит становятся жестко связанными.

Сила трения, возникающая на единице внутренней поверхности барабана:

. (18.1)

где - эквивалентный коэффициент трения;

- удельное усилие, нормальное к ведущей поверхности,

оно создаётся магнитным потоком;

- индукция в зазоре;

- относительная магнитная проницаемость смеси.

Момент, передаваемый муфтой, равен:

, (18.2)

где R – радиус барабана;

L – его длина.

Если положить, что магнитное сопротивление барабана и электромагнита равны нулю и , то момент, передаваемый муфтой, пропорционален квадрату тока:

, (18. 3)

где - зазор между электромагнитом и барабаном;

- МДС электромагнита.

Рассмотрим характеристики муфты в статическом режиме. Во втором квадранте на рис. 18.5 изображена зависимость момента, передаваемого муфтой, от тока возбуждения .

В первом квадранте представлены механическая характеристика двигателя и характеристика нагрузки Пока момент, передаваемый муфтой, меньше момента нагрузки при и ведомый вал неподвижен. При муфта развивает момент и ведомый вал имеет скорость при скорости двигателя

Рис. 18.5. Характеристики муфты и приводного двигателя

 

Мощность, отдаваемая двигателем, а мощность, передаваемая в нагрузку, Потери в муфте за счёт скольжения:

. (18.4)

Потери расходуются на нагрев муфты и наряду с потерями мощности в обмотке электромагнита определяют её температуру.

При токе возбуждения ведомый и ведущий валы соединены жестко и вращаются с угловой скоростью , передаваемый момент равен , а потери

Пусть моменты линейно зависят от угловой скорости:

(18.5)

(18.6)

где - начальный момент нагрузки;

- коэффициенты пропорциональности;

- угловая скорость холостого хода двигателя.

Выразим потери через момент (18.5) и (18.6):

. (18.7)

При тогда максимальный момент муфты:

(18.8)

Для определения необходимо производную приравнять к нулю, тогда:

.

Охлаждающая поверхность муфты выбирается из условия:

(18.9)

где - мощность потерь в обмотке;

- коэффициент теплоотдачи с внешней поверхностью барабана;

- площадь внешней поверхности барабана;

- предельно допустимая температура поверхности барабана;

На зерна ферромагнитного порошка кроме электромагнитных сил действуют центробежные силы , пропорциональные квадрату угловой скорости. Для оценки влияния центробежных сил вводится отношение .

Это отношение увеличивается с ростом диаметра муфты, угловой скорости и уменьшается с ростом индукции в зазоре.

Ферропорошковые муфты имеют большое быстродействие благодаря отсутствию якоря. В схемах автоматики порошковая муфта является инерционным звеном первого порядка. Большим преимуществом ферропорошковой муфты является отсутствие быстроизнашивающихся дисков трения.

Ферропорошковые муфты целесообразно применять там, где требуются высокое быстродействие, большая частота включения и плавное регулирование скорости ведомого вала.

Возможны два варианта исполнения гистерезисных муфт: в первом магнитное поле индуктора создается обмоткой, во втором - постоянными магнитами. Недостатком первого варианта является наличие контактной системы для передачи тока в индуктор, достоинством - возможность электрического управления муфтой. Муфты с постоянными магнитами (магнитогистерезисные) обладают высокой надежностью. Однако регулирование передаваемого момента в них затруднено.

В магнитогистерезисной муфте (рис. 18.6) постоянные магниты 1 с полюсными наконечниками 2 укреплены в магнитопроводе 3 индуктора, связанного с ведущим валом.

Рис. 18.6. Магнитогистерезисная муфта с радиальным рабочим зазором

 

На ось ведомого вала насажен ротор, состоящий из втулки 5 из немагнитного или магнитомягкого материала и колец 4 активного слоя. Кольца активного слоя изготовлены из материала с широкой петлёй гистерезиса, имеющей высокие значения остаточной индукции и коэрцитивной силы. Шихтованная структура активного слоя позволяет уменьшить вихревые токи и асинхронный вращающий момент.

Пусть ротор заторможен, а индуктор вращается приводным двигателем с угловой скоростью . Потери на гистерезис за один цикл перемагничивания определяются максимальным значением индукции в активном слое ротора. Частота перемагничивания активного слоя равна

, (18.10)

где - число пар полюсов индуктора.

Мощность, передаваемая активному слою через рабочий зазор, определяется:

, (18.11)

где удельные потери на гистерезис за один цикл перемагничивания;

объем активного слоя.

Взаимодействие поля постоянных магнитов индуктора с полем, образованным активным слоем, создает на роторе гистерезисный момент:

. (18.12)

Если ведомый вал не заторможен, то под действием момента ротор начнет вращаться в направлении вращения индуктора со скоростью Скольжение ротора относительно индуктора равно:

(18.13)

Скольжение изменяется от 1 до 0.

При разгоне ротора частота перемагничивания меняется:

. (18.14)

и потери на гистерезис уменьшаются:

(18.15)

Полезная мощность, передаваемая на ведомый вал, определится:

(18.16)

Момент, передаваемый муфтой на ведомый вал, равен:

(18.17)

Таким образом, момент на ведомом валу не зависит от частоты его вращения. Если момент нагрузки то скорость ведомого вала увеличивается, пока не станет равной скорости Муфта достигает синхронной скорости вращения. По мере увеличения нагрузки возрастает угол между векторами вращающегося поля индуктора и активного слоя, и при этот угол достигает максимального значения , которое зависит от свойств материала активного гистерезисного слоя. Момент, развиваемый гистерезисной муфтой, равен:

(18.18)

где конструктивный фактор;

МДС индуктора;

магнитный поток в гистерезисном слое.

Угол при передаче момента нагрузки равен:

. (18.19)

При дальнейшем возрастании момента нагрузки (М_Н>M_Г) муфта переходит в асинхронный режим, когда частота вращения муфты меньше частоты вращения индуктора.

На рис. 18.7 приведены механические характеристики муфты, представляющие собой зависимости момента нагрузки и момента муфты от скольжения.

Рис. 18.7. Механические характеристики гистерезисной муфты

 

Пока , ведомый вал вращается с синхронной скоростью при S=0 (кривая 1 на рис. 18.7). Если , то ведомый вал вращается со скольжением (кривая 2). Однако момент, передаваемый муфтой, остается постоянным и равным .

При угол остаётся неизменным. Если активный слой выполнен в виде литого цилиндра, то за счёт вихревых токов, кроме гистерезисного момента , появляется асинхронный момент (прямая 3), пропорциональный скольжению .

В этом режиме скольжение отлично от нуля, ротор отстает от вращающегося индуктора и в нем создается дополнительный момент, как в асинхронном двигателе.

Преимущество гистерезисной муфты заключается в постоянстве передаваемого момента. Если нагрузочный момент резко возрастает (неполадки, поломки механизма), то максимальный момент, передаваемый на приводной двигатель, ограничен величиной и гистерезисная муфта защищает двигатель от перегрузок. Постоянство момента муфты обеспечивает быструю остановку привода.

Гистерезисные муфты применяются для передачи момента в агрессивную среду, отделенную от окружающей среды металлической немагнитной оболочкой и находящуюся под высоким давлением. В этом случае применяются муфты с аксиальным рабочим зазором. Ведущая часть с индуктором отделена немагнитной стенкой от ведомой части с активным слоем в виде колец.

Лекция № 19