Глава четырнадцатая. Электромагнитные муфты управления

14.1. общие сведения:

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. 1.1) по принципу действия аналогичны асинхронному двигателю с короткозамкнутым ротором. Приводной двигатель соединяется со сплошным якорем 1, ведомый вал связан с индуктором 2.

Рис. 1.1. Индукционная муфта:

1 — якорь; 2 — индуктор; 3 — магнитная система; 4 — катуш­ка возбуждения; 5 — магнитный поток

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.

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. 1.2 показаны механические характеристики ин­дукционной муфты. На этом рисунке — ток возбуждения в относительных единицах;

— передаваемый момент в относительных единицах, где — номинальный момент муфты; — соответству­ющий ему номинальный ток возбуждения; n — частота вра­щения в процентах частоты вращения при отсутствии на ведомом валу нагрузки.

Рис. 1.2. Механические характеристики индукционной муфты при раз­личном токе возбуждения

При увеличении момента нагрузки угловая скорость ве­домого вала уменьшается. При этом возрастают скольже­ние и токи, наводимые в якоре муфты. Увеличение токов в якоре увеличивает момент, развиваемый муфтой и пере­даваемый на ведомый вал.

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. Ниже рассматриваются фрикционные, ферропорошковые и гисгерезисные электромагнитные муфты.

14.2. Электромагнитные фрикционные муфты:

а) Принцип действия. Простейшая конструкция элект­ромагнитной фрикционной муфты представлена на рис. 1.3. 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.

Рис. 1.3. Электромагнитная фрикционная муфта:

а — разрез муфты; б — поверхность трения

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.

На рис. 1.3,6 изображена поверхность трения. Элемен­тарный момент трения

,

где — давление на поверхности трения, Па; — коэф­фициент трения; R — текущий радиус поверхности трения, м.

Результирующий момент, развиваемый муфтой,

Где , , — внешний и внутренний радиусы трущихся поверхностей дисков 4, обычно .

Коэффициенты трения для дисков из различных мате­риалов приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Коэффициенты трения

Наиболее совершенны диски из металлокерамики. Ме­таллокерамика на медной основе состоит из 68 % меди, 8 % олова, 7 % свинца, 6 % графита, 4 % кремния н 7 % железа. Составляющие в порошкообразном состоянии прессуются при высоком давлении (сотни мегапаскалей) и затем спекаются при температуре 700—800 °С. Аналогично изготовляется металлокерамика на железной основе. Металлокерамические материалы имеют высокое значение и допускают высокую рабочую температуру (до 200 °С).

Давление определяется износом поверхностей трения дисков. Для металлокерамических материалов оно состав­ляет 0,8—1, для сталей 0,4—0,6 МПа.

В процессе пуска момент, который должен быть передан муфтой, возрастает, так как кроме статического момента нагрузки необходимо передать динамический момент . При этом проскальзывание (пробуксовка) поверхно­стей трения должно быть небольшим, иначе они могут вый­ти из строя из-за нагрева до высокой температуры. В режи­ме пуска

где J — момент инерции подвижных частей, кг ; — уг­ловая частота вращения, 1/с; — коэффициент запаса, учитывающий возрастание момента муфты при пуске. Зна­чения для различных видов нагрузок приведены ниже:

При большом передаваемом моменте для уменьшения габаритных размеров муфты применяется многодисковая система (рис. 1.4). Диски 6 связаны с ведущей частью муфты 5 и могут свободно перемещаться вдоль направляю­щих 7. Диски 8, связанные с электромагнитом ведомой ча­сти, также могут перемещаться по направляющей 4. В дан­ной конструкции магнитный поток, создаваемый обмоткой /, не проходит через диски, а замыкается через магнито- провод 2 и якорь 3, что позволяет уменьшить зазор элект­ромагнита. Момент, развиваемый такой муфтой,

Рис. 1.4. Многодисковая фрикционная муфта

где — момент трения одной пары дисков; n — общее число дисков.

Зная поверхность трения S и допустимое давление на поверхности одного диска , можно найти основные пара­метры электромагнита. Поскольку рабочий зазор мал и маг­нитное поле в рабочем зазоре равномерно, определить элек­тромагнитное усилие можно по формуле Максвелла.

Электромагнитное усилие создается двумя полисами с кольцеобразной поверхностью. Соответственно

где —поверхность полюса с меньшим радиусом; — поверхность полюса с большим радиусом. Положим

Поскольку , то при ,

Видоизменением электромагнитной муфты является электромагнитный тормоз. В обесточенном состоянии пру­жина создает необходимое давление на диски трения и вал надежно заторможен. Для освобождения вала необходимо подать напряжение па электромагнит, преодолевающий си­лу пружины. При остановке вращающегося вала вся кинети­ческая энергия превращается в тепло

где J — момент инерции подвижных частей; — началь­ная угловая скорость; — момент трения; — угол по­ворота вала, при котором происходит торможение; с — удельная теплоемкость материала дисков; m — масса дис­ка; n — число дисков; — допустимая температура ма­териала диска; — температура окружающей среды.

Уравнение позволяет рассчитать параметры элек­тромагнитного тормоза с точки зрения нагрева.

Недостатком конструкций, изображенных на рис. 1.3 и 1.4, является наличие скользящего контакта.

Разработаны конструкции муфт, у которых катушка воз­буждения неподвижна, а магнитный поток проходит через притягивающиеся ферромагнитные детали ведущей и ведо­мой частей муфты. Однако передаваемый такими муфтами момент значительно ниже, чем у контактных.

б) Динамический режим электромагнитной муфты. При включении муфты различают три этапа. Первый этап — с момента подачи напряжения до момента соприкосновения дисков. Длительность этого этапа определяется только па­раметрами самой муфты.

Второй этап — с момента соприкосновения дисков до окончания их проскальзывания относительно друг друга. Для определения длительности второго этапа рассмотрим уравнения движения ведущих и ведомых частей

где и — моменты инерции ведущей и ведомой частей; — угловая скорость ведущей части передачи; — угло­вая скорость ведомой части передачи; — момент, раз­виваемый электродвигателем; — момент трения в муф­те; — момент нагрузки на ведомой части муфты.

Введем скорость скольжения ведущей части относи­тельно ведомой:

Тогда получим:

Для решения необходимо знать изменение , в динамике. В общем случае является функци­ей скорости момент зависит от и , а момент нагрузки зависит от скорости и времени t. С целью упрощения решения зависимости , и линеаризу­ются на малых участках изменения скорости. По найденной зависимости из формулы определяется время t, при котором , т. е. время скольжения.

На третьем этапе (разгон) ведущая и ведомая части муфты жестко связаны. Время разгона определяется ре­шением уравнения

,

где J — момент инерции всех движущихся частей; — момент двигателя; — момент сопротивления.

Временем включения муфты называется промежуток времени от момента подачи напряжения на электромагнит до достижения вращающим моментом 0,9 установившегося значения.

Время включения возрастает с увеличением габаритов муфты, постоянной времени электромагнита, хода якоря, числа дисков и обычно находится в пределах от 0,07 до 0,3 с.

Время отключения представляет собой промежуток вре­мени от обесточивания электромагнита до спада вращающе­го момента до 0,05 номинального значения. Это время увеличивается с ростом габаритных размеров муфты, маг­нитного потока и колеблется от 0,1 до 0,4 с.

При каждом сцеплении муфты происходит нагрев дисков за счет энергии, выделяемой при проскальзывании. Допу­стимое число включений муфты определяется температурой нагрева дисков.

Электромагниты муфт выполняются на постоянном токе, что упрощает технологию изготовления и уменьшает габа­ритные размеры муфты. При питании переменным током полупроводниковые выпрямители могут встраиваться в муфту, причем переменный ток подается непосредственно на кольца. Для повышения быстродействия муфт применя­ется форсировка.

Электромагниты муфты изготавливаются из сплошного материала и поэтому имеют большую постоянную времени. При отключении муфты на контактах коммутирующего ап­парата возникает дуга, которая замедляет процесс отклю­чения и вызывает сильную эрозию контактов. При быстром обрыве дуги возможны возникновение перенапряжения и пробой обмотки. Для облегчения процесса отключения обмотка шунтируется разрядным резистором. Для устранения залипания якоря в притянутом состоянии магнитная система должна иметь конечный зазор.

14.3. Электромагнитные ферропорошковые муфты:

В ферропорошковой муфте барабанного типа (рис. 1.5) ведущий вал 1 через немагнитные фланцы 2 соединен с фер- фомагнитным цилиндром (барабаном) 3. Внутри цилиндра располагается электромагнит 4, связанный с ведомым ва­лом 6. Обмотка 5 электромагнита питается через контакт­ные кольца (на рисунке не показаны). 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, поскольку ферромагнитные зерна наполнителя сво­бодно перемещаются относительно друг друга. Определенное трение между барабаном и электромагнитом существует, но оно относительно невелико.

Рис. 1 5. Электромагнитная ферропорошковая муфта барабанного типа

При подаче напряжения на электромагнит зерна ферро­магнитного порошка теряют свободу перемещения под воз­действием магнитного поля обмотки. Вязкость среды, нахо­дящейся 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. Можно рассматривать передаваемый момент как момент от силы трения, действующей между порошком и внутренней цилиндрической поверхностью барабана.

Сила трения, возникающая на единице внутренней по­верхности барабана,

где — эквивалентный коэффициент трения; — удельное усилие, нормальное к ведущей поверхности, оно создается магнитным потоком и равно ); В — индукция в зазоре; — относительная магнитная прони­цаемость смеси.

Момент, передаваемый муфтой,

,

где R — радиус барабана; L — его длина.

Благодаря тому что зазор между барабаном и электро­магнитом заполнен ферромагнитной смесью, его магнит­ная проводимость очень велика, что позволяет уменьшить необходимую МДС обмотки и увеличить коэффициент уп­равления муфты, равный отношению передаваемой мощ­ности к мощности управления (мощности электромагнита).

Если положить, что магнитные сопротивления бараба­на и электромагнита равны нулю и (, то момент, передаваемый муфтой, пропорционален квадрату тока;

где — зазор между электромагнитом и барабаном; F — МДС электромагнита.

В действительности из-за насыщения магнитной цепи при большой МДС зависимость близка к линей­ной.

Рассмотрим характеристики муфты в статическом ре­жиме. Во втором квадранте рис. 1.6 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 (точка а') при скорости двигателя (точка а").

Рис. 1.6. Характеристики муфты и приводного двигателя

Мощность, отдаваемая двигателем, а мощ­ность, передаваемая в нагрузку, потери в муф­те за счет скольжения

Эта мощность пропорциональна заштрихованной площа­ди прямоугольника. Потери расходуются на нагрев муф­ты и наряду с потерями мощности в обмотке электромаг­нита определяют ее температуру.

При токе возбуждения ведомый и ведущий валы сое­динены жестко и вращаются с угловой скоростью . Пе­редаваемый момент , а потери . Для расче­та температуры муфты необходимо определить .

Пусть моменты и линейно зависят от углов скорости:

двигателя при холостом ходе.

Выразим потери через М:

При тогда максимальный момент

муфты

Для определения необходимо производную приравнять нулю. Передаваемый момент

Охлаждающая поверхность муфты выбирается из условия

Где — мощность потерь в обмотке; — коэффициент теплоотдачи с внешней поверхности барабана; — пло­щадь внешней поверхности барабана; = 80-н 120°— 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. Даже при В=1,8Тл отношение достигает 40%, если частота вращения равна 3000 об/мин. При оп­ределенном значении частоты вращения отношение приближается к 100 % и муфта теряет управление. Поэто­му ферропорошковые муфты не применяют при скоростях более 3000 об/мин.

По сравнению с электромагнитными муфтами трения ферропорошковые муфты имеют значительно большее бы­стродействие (примерно в 10 раз) благодаря отсутствию якоря. Изменение момента во времени для линейной части характеристики М(I) определяется законом роста тока I,

поэтому 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 быстродействе, большая частота включения и плавное регулирование скорости ведомого ва­ла. Недостатком ферропорошковых муфт является меньшая передаваемая мощность при одинаковых габаритных раз­мерах с муфтой трения.

14.4. Гистерезискые муфты:

Возможны два варианта исполнения гистерезисных муфт: в первом — магнитное поле индуктора создается об­моткой, во втором — постоянными магнитами.

Рис. 1.7. Магнитогистерезисиая муфта с радиальным рабочим зазором

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. 1.7) постоянные магниты 1 с полюсными наконечниками 2 укреплены в магнитопроводе 3 индуктора, связанного с ведущим валом. На ось ведомого вала насажен ротор, состоящий из втулки 5 из немагнитного или магнитомягкого материала и колеи 4 активного слоя. Кольца активного слоя изготовлены из материала с довольно широкой петлей 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 . Под действием вращающегося магнитного поля индуктора в активном слое появляются потери на гистерезис от перемагничивания. Потери за один цикл перемагничивания определяются макси­мальным значением индукции в активном слое ротора. Ча­стота перемагничивания активного слоя

где p — число пар полюсов индуктора.

Мощность, передаваемая активному слою через рабочий зазор, ,

где — удельные потери на гистерезис за один цикл пере­магничивания; — объем активного слоя.

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

.

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

Скольжение будет меняться от 1 до 0 при . В про­цессе разгона ротора частота перемагничивания меняется и становится равной

При этом потери на гистерезис уменьшаются:

Полезная мощность, передаваемая на ведомый вал,

Момент, передаваемый муфтой на ведомый вал,

Таким образом, момент на ведомом валу не зависит от частоты его вращения. Если момент нагрузки , то скорость ведомого вала увеличивается, пока не станет равной . Муфта достигает синхронной частоты вращения. В этом режиме активный слой ротора можно рассматри­вать как постоянный магнит, вращающийся синхронно спо­лем (рис. 1.8), а сама муфта становится аналогичной син­хронному двигателю. По мере увеличения нагрузки возрас­тает угол 0 между векторами вращающегося поля индуктора

Рис. 1.8. Синхронный режим гистерезисной муфты

Рис. 1.9. Механические характеристики гистерезисной муфты

и активного слоя, и при этот угол достигает максимального значения дтах- Значение 6тах зависит от свойств материала активного гистерезисного слоя. В общем случае момент, развиваемый гистерезисной муфтой, выра­жается как

где с — конструктивный фактор; F — МДС индуктора; — магнитный поток в гистерезисном слое. Угол 9 при передаче момента нагрузки .

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

На рис. 1.9 изображены механические характеристики муфты, представляющие собой зависимости момента на­грузки и момента муфты от скольжения. Пока , ведомый вал вращается с синхронной скоростью (s = 0) (кривая 1). Если , то ведомый вал враща­ется со скольжением (кривая 2). Однако момент, переда­ваемый муфтой, остается постоянным, равным .

При угол остается неизменным, т.е. ось полюсов, наведенных в активном слое, продолжает вра­щаться синхронно с полем индуктора, отставая при этом на постоянный угол В то же время ротор движется со скольжением s. Если активный слой выполнен в виде лито­го цилиндра, то за счет вихревых токов кроме гистерезисного момента , появляется асинхронный момент (прямая 3), пропорциональный скольжению:

.

В этом режиме скольжение угловая скорость ,

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 и гистерезисная муфта защищает двигатель от перегрузки. Постоянство момента муфты обе­спечивает быстрый разгон нагрузки.

В ряде схем автоматики необходима быстрая остановка привода. В этих случаях применяются тормоза на базе гис­терезисной муфты. Ведомая часть муфты делается непо­движной, а ведущая соединяется с приводным двигателем. При торможении двигатель отключается и включается муфта. Постоянный тормозной момент муфты обеспечивает быструю остановку привода.

Гистерезисные муфты широко 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.