Електромагнітні муфти

Передачу обертального моменту з ведучого вхідного валу (найчастіше валу привідного двигуна) на співосьовий, який ведеться, вихідний (вал привідного механізму, механічного завантаження) здійснюють за допомогою муфт. Класифікація муфт подана на рис. 3.2. Першою класифікаційною ознакою служить керованість муфт, потім – вид енергії керування, далі – характер зв’язку вхідного і вихідного валів і, нарешті, – принцип керування.

image001

Рис. 3.2. Класифікація електромагнітних муфт

Для швидкого вмикання, вимикання і реверсу приводних механізмів, а також для регулювання їх швидкості і обмеження моменту, який передається, використовують різні керовані муфти. До них відноситься велика група муфт з електричним керуванням (електромеханічних), в яких для передачі механічного моменту виконавчого механізму, використовують електричний сигнал. Оскільки його потужність менша за ту, що розвивається на валу, який ведеться, то електромеханічну муфту можна розглядати, як підсилювач з коефіцієнтом підсилення за потужністю:

image002,

де:

image003– електромагнітний момент муфти;

W – кутова частота обертання, яка встановилася;

image004– напруга живлення;

image005– значення струму, який встановився в котушці.

В муфті-підсилювачі електричний сигнал керує потужністю, яка передається від ведучого вала веденому.

Керовані муфти за виглядом статичної характеристики швидкість обертання веденого валу – сигнал керування бувають релейними і аналоговими. Перші після подачі сигналу керування здійснюють жорстке з¢єднання валів, а другі — гнучке з¢єднання, при якому швидкість веденого валу, пов’язана плавною залежністю з сигналом керування. Можливість гнучкого з¢єднання дозволяє в деяких системах керування обійтись без керованих виконавчих двигунів.

Приводи з керованими муфтами мають велику швидкодію через менший момент інерції муфт у порівнянні з виконавчими двигунами.

Керовані електромеханічні муфти використовують в регулювальних приводах в діапазоні потужностей від декількох ват до десятків мегават.

Нижче приведено декілька типів електромеханічних муфт з електричним керуванням.

Фрикційні муфти. Фрикційні муфти (ФМ) в основному призначені для жорсткого з¢єднання валів. Гнучке з¢єднання з їх допомогою можливе лише шляхом імпульсного керування, при якому частота обертання являє собою функцію скважності імпульсів напруги, що подаються на затискачі обмотки. Фрикційні муфти, або електромеханічні муфти сухого тертя, з механічним зв’язком (див. рис. 3.3), характеризуються більшою різноманітністю конструкцій і схем керування.

На рис. 3.3, а показана однодискова нереверсивна ФМ, яка складається з двох циліндричних напівмуфт. На ведучому валі 7 жорстко посаджена напівмуфта 4, яка є осердям і ярмом електромагніту. Його якорем служить напівмуфта 2, яка з’єднана з веденим валом, 1 ковзальною посадкою і, відповідно, може пересуватися в осьовому напрямку. За допомогою кілець 6 і щіток на обмотку 5 подають управляючі напруги. Тягове зусилля, що утворюється, викликає притягнення якоря 2 до осердя 4 і щільне притягнення один до одного фрикційних дисків 3 із матеріалів з високим коефіцієнтом тертя (сталь-сталь, чавун-чавун, бронза-бронза, чавун-бронза, сталь-феродо та ін.), дякуючи чому забезпечується з’єднання валів.

Коли по обмотці не протікає струм, якір відтягується від осердя пружиною. Основною перевагою однодискової ФМ є простота, проте з ростом обертального моменту, що передається, значно збільшуються її розміри. При інших рівних умовах вони значно менші у багатодискових ФМ.

Дійсно, муфтовий передавальний момент, який утворюється силами тертя m фрикційних дисків, визначається як

image006

де: dдоп – допустимий питомий тиск; kтр – коефіцієнт тертя (dдоп і kтр для кожної пари матеріалів мають свої значення); dN – сила притягнення дисків в елементарному шарі 2pRdR, kR=RB / RH.

Відповідно, більший передавальний момент пов’язаний з необхідністю збільшувати зовнішній діаметр DH. Якщо ж в ФМ передбачити декілька фрикційних дисків (m>2), то при інших рівних умовах значення DH суттєво зменшиться зі зростанням m:

image007.

Одна з конструкцій багатодискових ФМ приведена на рис. 3.3, б. Фрикційні диски 12 з’єднані шліцами внутрішнього кола з ведучим валом 8, а диски 13 за допомогою шліців на зовнішньому колі – з веденим валом 15. При відключеній обмотці 11 диски 12 і 13, які чергуються, ковзають один відносно одного. Подача напруги керування забезпечує притискання дисків один до одного, внаслідок притягання до осердя 10 натискної шайби 14, яка є якорем електромагніту. Виникає з¢єднання між дисками, необхідне для передачі заданого моменту M. З виразу можна визначити число фрикційних дисків m для передачі потрібного обертального моменту M валу, який ведеться, при заданому зовнішньому діаметрі ДH ФМ. Їх невелике число (m = 6÷10), а значить надійне і швидке ввімкнення ФМ досягається при достатньо високих значеннях питомого тиску на фрикційних поверхнях порядку 7,8 — 9,8 Па.

З рис. 3.3, б, на якому штрихами показана умовна штрихова лінія верхньої половини ФМ, видно, що по відношенню до натискної шайби 14 фрикційні диски являють собою магнітні шунти, по яким замикаються потоки розсіювання, що послаблюють силу притягування. Щоб магнітний опір в радіальному напрямку став значно більшим, ніж в осьовому, в  дисках зроблені вирізи, які приводять до утворення вузьких перемичок, що легко насичуються. Таким чином вдається обмежити потік розсіювання через кожний диск в середньому до 2 — 4%.

image008

Рис. 3.3. Фрикційні муфти

Обмотку ФМ звичайно підключають до постійної напруги (або змінної напруги через вмонтований випрямляч), щоб використовувати переваги електромагнітів постійного струму. При відносно низьких напругах необхідність в другому струмопровідному кільці відпадає, оскільки один із полюсів джерела живлення подають на корпус ФМ.

Тягове зусилля, яке повинен розвивати електромагніт, можна знайти з виразу:

image009.

Для його створення в робочому зазорі необхідна магнітна індукція Bd, значення якої можна визначити з формули Максвела

image010,

де ss – площа поперечного перерізу робочого зазору.

Щоб провести робочий потік через робочий зазор, у відповідності з 2-м законом Кірхгофа для магнітних ланцюгів необхідна МРС

image011,

де ls=2sp; sp – довжина робочого зазору.

Для врахування магнітного опору магнітопроводу і неробочих зазорів знайдене значення МРС збільшують на 20-30 %:

image012.

Площу вікна sвік для розміщення обмотки електромагніту знаходять із співвідношення:

image013,

де kз – коефіцієнт заповнення вікна міддю;

j – допустима щільність потоку в обмотці.

Вікно виконують прямокутної форми зі співвідношенням розмірів h в осьовому і b в радіальному напрямках  h / b = 2,5.

Після такого приблизного розрахунку уточнюють розміри магнітопроводу, параметри електромагніту і дані обмотки.

Режим, який встановився в приводах з електромагнітними муфтами, наступає після закінчення перехідних процесів не тільки в муфті, але й у двигуні і приводному механізмі. Тому перехідні процеси розглядають, власне, не в муфті, а в системі “двигун-муфта-приводний механізм”.

При аналізі перехідних процесів під час пуску приводу з ФМ можна виділити три основних інтервали.

Час tв.л. вибірки люфту, dD=d0dк, де d0 – довжина повітряного зазору у відтягнутому стані якоря при І=0; dк – те ж саме в притягнутому стані, коли якір перемістився до початку зіткнення фрикційних поверхонь. Іншими словами, цей період охоплює час t+tдв1, де t – час зрушення якоря при подачі напруги U на затискачі котушки до початку осьового руху якоря; tр1 – час осьового руху якоря до зіткнення фрикційних поверхонь. Час tв.л. визначається тільки параметрами ФМ. В цей період ведений вал, нерухомий, оскільки з¢єднання напівмуфт ще немає.

Час зчеплення tзч = tр2 – від зіткнення до повного зчеплення поверхонь тертя. У цей час диски проковзують один відносно одного, поки ще не закінчився осьовий рух якоря, магнітний потік і електромагнітний момент продовжують рости. Після початку обертання веденого вала, при М > Мс, де Мс – момент опору, утворюваний навантаженням, частота обертання двигуна зменшується, а приведеного механізму — збільшується. Вони стають однаковими, коли настає повне зчеплення. Час tзч визначається параметрами не тільки ФМ, але й двигуна та приведеного механізму.

Час жорсткого розгону tж.р. від моменту встановлення повного зчеплення напівмуфт до досягнення сталого значення частоти обертання. На цьому етапі процес протікає так само, як і при жорсткому з¢єднанні валів, і час tж.р визначається тільки параметрами двигуна і приводного механізму.

При аналізі перехідних процесів після зняття напруги з обмотки ФМ зручно розрізняти два тимчасових інтервали:

· період розчеплення tрозч, що відповідає часу спадання магнітного потоку після зняття U і зменшення передавального моменту, до порушення рівності М= Мс,

· час гальмування tгал від початку проковзування фрикційних поверхонь до повної зупинки веденого валу, під дією моменту навантаження.

Точне дослідження другого періоду перехідних процесів при пуску значно складніше, тому часто вводять спрощення. Вважають, наприклад, що вже на початку зчеплення М > Мс. Це, можна вважати, відбувається при форсуванні струму в обмотці ФМ тим або іншим схемним способом (наприклад, включенням послідовно з обмоткою додаткового активного опору, шунтованого контактами або ємністю, або нелінійного активного опору при U > Uном – див. розд. 2) і т.ін. Тоді більшість рівнянь, що описують перехідні процеси, суттєво спрощуються.

Передаточну функцію ФМ можна подати у вигляді

image014,

де image015 – коефіцієнт передачі ФМ, при чому image016 – крутизна статичної характеристики муфти в точці сталого режиму, при заданому значенні М, W – кутова частота обертання на виході ФМ; tспр – час спрацьовування з урахуванням часу усіх трьох етапів аналогічно передаточної функції елемента затримки, ланки, що запізнюється.

Наявність ковзальних контактів «струмопровідні кільця – щітки» ускладнює конструкції ФМ, знижує надійність їхньої роботи, ускладнює експлуатацію. Тому широко застосовують ФМ із нерухомими обмотками, проте їм притаманні великі розміри (зокрема , аксиальні).

Феропорошкові муфти. Феропорошкові муфти (ФПМ) призначені в основному для гнучкого з’єднання валів, хоча можуть застосовуватися і для більш жорсткого.

Конструктивна відміна феропорошкових муфт із сухим або рідким наповнювачем і електромагнітним керуванням від розглянутих вище фрикційних муфт (ФМ) із таким самим керуванням полягає в тому, що, по-перше, напівмуфта на веденому валі посаджена жорстко і, по-друге, незмінний через це повітряний робочий зазор заповнений магнітодіелектриком. Останній являє собою або суміш феромагнітного порошку (сталь, легована хромом або нікелем, карбонільне залізо, пермалой та ін.) із сухим діелектриком (колоїдний графіт, тальк, тонкодисперсне скло і т.д.), який називається роздільником і служить для запобігання утворенню грудок і суттєвого зменшення зносу при високих температурах, або завись феромагнітного порошку (найчастіше карбонільне залізо) у рідкому діелектрику (звичайно кремнійорганічному або мінеральній олії), що захищає порошок від окислення і утворення грудок. Такі наповнювачі-магнітодіелектрики мають властивість тиксотропії, тобто здатність ставати драглистими, густішати аж до затвердіння з підсиленням магнітного поля, а при знятті його повертатися у вихідний стан. Орієнтуючись за силовими лініями поля, феромагнітні частинки утворюють ланцюги — зв’язки, що зчіплюють ведучу і ведену поверхні. Під дією ведучої поверхні починає рухатись ведена.

На рис. 3.4, а приведена схема циліндричної ФПМ з двома концентричними поверхнями 10 і 9. Кільцевий простір між ними заповнений порошковою сумішшю 8. На внутрішній, ведучій напівмуфті розташована обмотка збудження 7, що виведена на контактні кільця 2, до яких притискаються щітки 4. Кришки 5 і 14 виготовлені з немагнітного

матеріалу для того, щоб направити велику частину магнітного потоку через порошковий шар, зменшивши потік розсіювання, і знизити масу веденої напівмуфти. Виносними лініями 6 позначені деталі з феромагнітного матеріалу, 13 – підшипники, 11 – ущільнення підшипників. Штриховими лініями 1 показані шляхи основного магнітного потоку.

Лінійність залежності М(І) при малих і великих значеннях струму порушується (рис. 3.4, б) через зміну щільності шару, що зчіплює, і через насичення магнітопроводу. При відсутності струму в обмотці з ведучого вала 3 на ведений 12 передається невеликий момент обертання М0, обумовлений силами тертя в робочому шарі й ущільненнях муфти та залишковим магнітним потоком. Характеристика М(І) має магнітний і механічний гістерезис (спадна гілка показана штриховою лінією). Відношення DМ / Мmax коливається в межах 7‑15%, а М0 / Мmax – в межах 3‑10%.

На рис. 3.4, в приведено ескіз магнітної системи ФПМ з нерухомою обмоткою. Такі муфти називають також безконтактними через відсутність необхідності в ковзальних контактах «кільця-щітки». Тут 16 – обмотка, 17 – нерухома частина магнітопроводу, 18 – неробочий повітряний зазор, 19 – провідна частина, 20 – робочий зазор, 21 – ведена частина, 15 – магнітна силова лінія.

ФПМ мають важливу перевагу перед ФМ, тому що в них здійснюється гнучке зчеплення валів: магнітні зв’язки, що утворилися при даному струмі, витримують визначений граничний момент опору Мс, при М < Мс ці зв’язки руйнуються, муфта починає просковзувати, зв’язки знову відновляються і рвуться і т.д. Через такий імпульсний вплив частоти обертання n1 і n2 ведучого і веденого валів нерівні, і останій обертається з ковзанням

image017,

відмінним від нуля. Таким чином, при гнучкому зчепленні валів n2<n1. Просковзування обмежує передавальний момент М, що передається, аж до зупинки веденого вала (s=1) при значному перевищенні Мс над М.

Рис. 3.4, г ілюструє одне з найважливіших властивостей ФПМ – незалежність передавального моменту М на веденому валі від його частоти обертання при незмінному струмі збудження (керування), обмотки.

На рис. 3.4, д показана залежність n2(М) для однієї з ФПМ при І=100мA=const і n1=500 oб/хв=const. При М = Мск починається ковзання, а при М = Мт, воно стає рівним одиниці. Для цієї ж муфти на рис. 3.4, е приведена крива n2(i) при постійному моменті навантаження Мн=393·103Hм=const і n1=500 об/хв=const. Криву n2(i) можна побудувати за залежностями М(i) і n2(М). З цієї кривої очевидно, що при достатньо великому струмі вали зчеплені жорстко (n2=n1, s=0). Зменшення струму до значення Іск викликає просковзування, внаслідок чого n2 стає менше n1. Чим менше I, тим більше s. Коли I досягне значення I0, ведений вал зупиняється (n2=0, s=l). Отже, ФПМ дає можливість регулювати частоту обертання. Тепло, яке при цьому виділяється, розсіюється або за допомогою спеціальної системи охолодження, або за рахунок збільшення розмірів муфти і пов’язаного з цим недовикористанням її по М. Крім того, на майже вертикальній ділянці характеристики n2(i) підтримувати необхідну частоту обертання можна тільки за допомогою достатньо складної системи автоматичного регулювання. Отже, ФПМ дають обмежені можливості для регулювання частоти обертання в широкому діапазоні.

На рис. 3.4, ж подана залежність Р/Рmax=f(Iw/(Iw)max) потужності,

image018

Рис. 3.4 Феропорошкові муфти, основні залежності

що передається, від МРС обмотки муфти.

Наповнювач практично безінерційний. Отже, кожному миттєвому значенню струму відповідають визначені потік Ф і передавальний момент М.

Вважаючи індуктивність обмотки ФПМ незмінною у часі перехідного процесу і лінеаризуючи залежності М(І) і Mc(W), приходимо до рівнянь передаточних функцій за збуренням

image019

і керувальним впливом

image020,

де DW і DU – приріст відповідно кутової частоти обертання веденого вала і напруги на затискачах обмотки; k=kmi/R, kmi=1/(DMc/Dі); km=1/(МС /W)у – коефіцієнти передачі муфти; Т – стала часу кола обмотки; Тм=J/(Mc/W)y– стала часу муфти; J – момент інерції електропривода з ФПМ, приведений до веденого вала; p º d/dt.

Оскільки наповнювач збільшує магнітну проникність робочого зазору в чотири-вісім разів, потужність керування знижується приблизно вдвічі в порівнянні з ФМ. Другою перевагою ФПМ перед ФМ є на порядок -півтора більша швидкодія, обумовлена нерухомістю обох напівмуфт в осьовому напрямку і практичною безінерційністю наповнювача. Основний недолік ФПМ – більш великі розміри і маса, ніж у ФМ.

ФПМ із рідким наповнювачем принципово не відрізняються від муфт із сухим магнітодіелектриком та мають більш складну конструкцію, тому що необхідно ущільнювати підшипники і вживати заходів, щоб олія не витікала з робочої порожнини. Вони мають значно менший ресурс роботи через старіння суспензії, малої теплостійкості, хоча і характеризуються плавністю дії, кращими умовами охолодження, великим коефіцієнтом підсилення, високою рухливістю наповнювача, здатністю захищати феромагнітні частинки від впливу кисню. У них не злежується порошок, коли частинки, ущільнюючись, втрачають здатність переорієнтування у шарі.

Часто ФПМ застосовують в якості зчіпних, запобіжних, динамометричних, гальмівних муфт і, завдяки лінійній залежності М(І)– підсилювачів потужності для сервоприводів і систем, що стежать.

Феропорошкові муфти крім електромагнітного можуть мати магнітне керування (див. рис. 3.2), здійснене за допомогою постійних магнітів. Для розчеплення напівмуфт постійний магніт або обладнують обмоткою, яка розмагнічується, або механічно пересувають його чи використовують магнітні шунти. Таке керування використовують у муфтах, що служать запобіжниками від перевантаження, при якому починається просковзування, у тих випадках, коли неприпустиме розчеплення при зникненні струму збудження як, наприклад, у муфтах піднімальних механізмів та ін.

Муфти ковзання. Муфти ковзання (МК) в основному призначені для гнучкого зчеплення валів і регулювання частоти обертання веденого вала при приводному двигуні, який не регулюється. Їх називають також асинхронними, індукційними, муфтами зі зв’язком через поле з електромагнітним керуванням.

З усієї конструктивної і функціональної різноманітності МС роздивимося призначені для вказаних вище цілей широко поширені муфти індукторного типу з масивним якорем як найбільш прості у виготовленні й експлуатації.

Принцип дії таких МС розглянемо на прикладах конкретних виконань, приведених на рис. 3.5.

На рис. 3.5, а показана схема муфти індукторного типу з ковзальними контактами, що є струмопідвідними; основними частинами якої є якір 4 і індуктор 6. Між двома рядами зубців 3 розміщена кільцева обмотка 5, живлення до якої підводиться за допомогою кілець 2. Таку конструкцію називають одноіменнополюсною, тому що зубці кожного ряду мають однакову полярність. Індуктор за допомогою шліців з’єднується з провідним валом 1, а якір також посаджений на веденому валі 7. При обертанні індуктора, внаслідок механічного переміщення електромагнітів, виникає обертове магнітне поле. Взаємодія наведених  при цьому в якорі вихрових струмів з обертовим магнітним полем захоплює якір убік обертання індуктора.

Виділимо на внутрішній поверхні якоря контури, що відповідають обрисам зубців N i S. При обертанні індуктора потокозчеплення з виділеними контурами зменшуються, і відповідно до закону електромагнітної індукції, в якорі наводяться вихрові струми. Відповідно до принципу Ленца їхні напрямки повинні бути такими, щоб підтримувати значення потокозчеплення, тобто щоб утворюваний ними магнітний потік був спрямований згідно з потоком обмотки, а механічні сили від взаємодії останнього з вихровими струмами викликали рух якоря слідом за індуктором. Можна сказати, що на внутрішній поверхні якоря проти кожного полюса N-індуктора виникає полюс S, а проти полюса S-індуктора – полюс N на якорі. Взаємне притягання цих полюсів протилежних полярностей змушує ведений вал обертатися в сторону ведучого.

На рис. 3.5, б подана схема магнітної системи безконтактної МС індукторного типу. У нерухомій частині 12 магнітопроводу розміщена кільцева обмотка 13. Якір 14 складається з двох феромагнітних половин циліндричної форми, які сполучені немагнітним кільцем 10, яке

image021

Рис. 3.5. Муфти ковзання, основні залежності

перешкоджає замиканню магнітного потоку 11 по якорю. Проходячи по індуктору 8, цей потік намагнічує зубці 9. Якщо на внутрішній поверхні якоря при обертанні індуктора магнітна індукція по колу змінюється, наводячи вихрові струми в якорі, то на зовнішній його поверхні поле близьке до однорідного, завдяки чому якір 14 практично не взаємодіє з нерухомою частиною 12. Безконтактне виконання МК збільшує її експлуатаційну надійність, проте пов’язане з підвищеною витратою міді в обмотці і великими розмірами магнітної системи. Все це пояснюється необхідністю створення великої МРС для подолання додаткового, неробочого зазору між нерухомою частиною магнітопроводу і зовнішньою поверхнею якоря.

Для однієї з МК великої потужності, виконаних часто з якорями у вигляді білячої клітки, на рис. 3.5, в приведені механічні характеристики M(s) при незмінному струмі збудження (Ів=const) і частоті обертання приводного двигуна (n1=const). Кожному значенню струму збудження відповідає своя механічна характеристика. З ростом Ів зменшується s внаслідок більшого зв’язку якоря з індуктором через більш сильне магнітне поле. Точніше це можна пояснити тим, що вихрові струми залежать від значення магнітного потоку обмотки і швидкості перетину ним якоря (порівняно з виразом Е=сnФ для ЕРС електромагнітної індукції); при незмінному моменті опору Мс електромагнітний момент обертання М повинен також залишатися постійним; оскільки М виникає від взаємодії поля і вихрових струмів, то останні автоматично зменшуються за рахунок зростання частоти обертання якоря, тобто зменшення s при підсиленні поля зі збільшенням Ів.

Найважливіші переваги МК – простота конструкції і керування, низька вартість, відсутність деталей, які зношуються, що обумовлює підвищений експлуатаційний ресурс і т.п. Крім відзначених вище гнучкого зчеплення і плавного регулювання частоти обертання МК їх різноманітні конструктивні виконання забезпечують обмеження моменту обертання, регулювання гальмівного зусилля за будь-яким законом, попередження поломок електропривода, пуск приводного двигуна вхолосту і з моментом опору, що перевищує пусковий момент, відсутність суттєвих труднощів при автоматизації привода та ін. Основними недоліками МС є значні розміри, маса і втрати енергії при тривалій роботі з великими ковзаннями (потужність втрат пропорційна s).

Васюра А.С. – книга “Електромагнітні механізми та виконавчі пристрої автоматики”

Оставьте комментарий к статье