Электромагнитные муфты

    Лекция №17.

Тема лекции:

17. Электромагнитные муфты. Фрикционные, индукционные. Принцип действия, конструкция.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ МУФТЫ УПРАВЛЕНИЯ

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. 17.1) 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.

Рекомендуемые материалы

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

-

Рис. 17.1. Индукционная муфта:

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

На рис. 14.2 показаны механические характеристики ин­дукционной муфты. На этом рисунке I_в*= I_в/I_в.ном — ток возбуждения в относительных единицах; М_* =М/М_ном — передаваемый момент в относительных единицах, где М_ном — номинальный момент муфты; I_в.ном — соответству­ющий ему номинальный ток возбуждения; п — частота вра­щения в процентах частоты вращения при отсутствии на ведомом валу нагрузки.

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 гистерезисные электромагнитные муфты.

Рис. 17.2. Механические характеристики индукционной муфты при раз­личном токе возбуждения

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ФРИКЦИОННЫЕ МУФТЫ

а) Принцип действия. Простейшая конструкция элект­ромагнитной фрикционной муфты представлена на рис. 14.3. 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.

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 П.

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. 14.3,6 изображена поверхность трения. Элемен­тарный момент трения

            dM_тр = k_трp_yд2nR²dR,                                         (17.1)

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

Рис.17.3.Электромагнитная фрикционная муфта:

а–разрез муфты; б–поверхность трения
Коэффициенты трения для дисков из различных мате­риалов приведены

 в табл. 17.1.

     Коэффициенты трения                      Таблица 17.1.

_                          

Наиболее совершенны  диски из металлокерамики.   Металлокерамика на медной основе состоит из 68% меди, 8% олова, 7% свинца, 6% графита, 4% кремния и 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 k_тр и допускают высокую рабочую температуру (до 200 °С).

Давление р_уд 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 М_н необходимо передать динамический момент М_дин.  При этом проскальзывание (пробуксовка) поверхно­стей трения должно быть небольшим, иначе они могут вый­ти из строя из-за нагрева до высокой температуры. В режи­ме пуска

М_тр = М_н + М_дин = M_a + J= М_н k_з   (I7.2)

где J — момент инерции подвижных частей, кг-м²;  — уг­ловая частота вращения, 1/с; k₃ — коэффициент запаса, учитывающий возрастание момента муфты при пуске. Зна­чения k₃ для различных видов нагрузок приведены ниже:

Вид нагрузки      к₃

Металлорежущие    станки   .   .  1,25—2,5
Краны,    подъемники    ....         3—5

Центробежные насосы    .    .   .   2— 3

Воздуходувки                       1,25—2

Мельницы, дробилки    ....  4,0

При большом передаваемом моменте для уменьшения габаритных размеров муфты применяется многодисковая система (рис. 17.4). 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 1, не проходит через диски, а замыкается через магнитопровод 2 и якорь 3, что позволяет уменьшить зазор элект­ромагнита. Момент, развиваемый такой муфтой,

М_тр = М_д(n-1),                       (17.3)

где М_д — момент трения одной пары дисков; п — общее число дисков.

Рис. 17.4. Многодисковая фрикционная муфта

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

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.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ФЕРРОПОРОШКОВЫЕ МУФТЫ

В ферропорошковой муфте барабанного типа (рис. 17.5) ведущий вал 1 через немагнитные фланцы 2 соединен с ферромагнитным 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.

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.

Рис. 17.5. Электромагнитная ферропорошковая муфта барабанного  типа

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).

На зерна ферромагнитного порошка кроме электромаг­нитных сил Рэм действуют центробежные силы Р_ц, пропор­циональные квадрату угловой скорости. Для оценки влия­ния центробежных сил вводится отношение £_ц = Р_ц/Р_Эм. Это отношение увеличивается с ростом диаметра муфты, уг­ловой скорости и уменьшается с ростом индукции в зазо­ре. Даже при В=1,8Тл отношение PJP_3K достигает 40%, если частота вращения равна 3000 об/мин [14.1]. При оп­ределенном значении частоты вращения отношение Р_п/Р_Эм 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{1) определяется законом роста тока.

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.

ГИСТЕРЕЗИСНЫЕ МУФТЫ

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. 17.6) 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 колец 4 активного слоя. Кольца активного слоя изготовлены из материала с довольно широкой петлей гистерезиса, имею щей высокие значения остаточной индукции и коэрцитив­ной силы. Шихтованная структура активного слоя позволя­ет уменьшить вихревые токи и асинхронный вращающий момент.

Рекомендация для Вас - Ноябрьская революция 1918-1919 гг. в Германии.

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.

Преимущество гистерезисной муфты заключается в по­стоянстве передаваемого момента. Если нагрузочный мо­мент М_н резко возрастает (неполадки, поломки механиз­ма), то максимальный момент, передаваемый на приводной двигатель, ограничен М_г 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.

 Рис. 17.6. Магнитогистерезисная муфта с радиальным рабочим зазором