Электрические аппараты конспект лекций (11 - 22 лекции )

ЛЕКЦИЯ № 17

11 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ МУФТЫ УПРАВЛЕНИЯ. УСТРОЙСТВО ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ

Рисунок 11.1 - Индукционная муфта:

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

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 (рисунок 11.1) по принципу действия аналогичны асинхронному двигателю с коротко замкнутым 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.

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

На рисунке 11.2 показаны механические характеристики индукционной муфты.

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

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.

Рисунки 11.2 - Механические характеристики индукционной муфты при различном токе возбуждения

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Простейшая конструкция электромагнитной фрикционной муфты представлена на рисунке 11.3.

Рисунок 11.3 - Электромагнитная фрикционная муфта: а - разрез муфты; 6 - 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.

ФЕРРОПОРОШКОВЫЕ МУФТЫ

В ферропорошковой муфте барабанного типа (рисунок 11.4) ведущий вал 1 через немагнитные фланцы 2 соединен с ферромагнитным цилиндром (барабаном) 3.

Рисунок 11.4 - 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) наполнители.

При обесточенной обмотке и вращении ведущей части (барабан) 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 вращающийся 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:

,

(17.1)

Где - эквивалентный коэффициент трения;

- удельное усилие, нормальное к ведущей поверхности, оно создаётся магнитным потоком и равно ;

- индукция в зазоре; - относительная магнитная проницаемость смеси.

Момент передаваемый муфтой:

,

(17.2)

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:

(17.3)

Где - зазор между электромагнитом и барабаном;

- МДС электромагнита.

Рассмотрим характеристики муфты в статическом режиме. Во втором квадранте на рисунке 11.5 изображена зависимость момента, передаваемого муфтой, от тока возбуждения .

Рисунок 11.5 - Характеристики муфты и приводного двигателя

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

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

(17.4)

Потери расходуются на нагрев муфты и определяют её температуру.

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

Пусть момент линейно зависят от угловой скорости:

	(17.5)
	(17.6)

Где - начальный момент нагрузки

- коэффициенты пропорциональности;

- угловая скорость двигателя при хх.

Выразим потери, через из (17.5) и (17.6):

(17.7)

При тогда

(17.8)

Для определения Необходимо производную приравнять к нулю.

Охлаждающая поверхность муфты Выбирается из условия:

(17.9)

Где - мощность потерь в обмотке;

- коэффицент 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 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

I-гo порядка. Большим преимуществом ферропорошковой муфты является отсутствие быстро изнашивающихся дисков трения.

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

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. Муфта с постоянными магнитами (магнитогистерезисные) обладают высокой надежностью.

В магнитогистерезисной муфте (рисунок 11.6) постоянные магниты 1 с полюсными наконечниками 2 укреплены в магнитопроводе 3 индуктора, связанного с ведущим валом.

Рисунок 11.6 - 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 остаточном 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 за один цикл перемагничивания определяются максимальным значением индукции в активном слое ротора. Частота перемагничивания активного слоя:

;

Где - число пар полюсов индуктора.

Мощность, передаваемая активному слою через рабочий зазор:

Где Удельные потери на гистерезис за один цикл перемагничивания;

Объем активного слоя.

Гистерезисный момент:

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

S будет меняться от 1 до 0 при

При разгоне ротора частота перемагничивания меняется:

Потери на гистерезисе уменьшаются:

Полезная мощность:

Момент, передаваемый муфтой на ведомый вал:

Таким образом, момент на ведомом валу не зависит от частоты его вращения. Если момент нагрузки , то ведомого вала увеличивается, пока не станет равной

Муфта достигает синхронной частоты вращения. По мере увеличения нагрузки возрастает угол между векторами вращающегося поля индуктора и активного слоя, и при этот угол достигает . Это значение зависит от свойств материала активного гистерезисного слоя. Момент развиваемый гистерезисной муфтой:

Где Конструктивный фактор;

МДС индуктора;

Магнитный поток в гистерезисном слое.

Угол при подаче

При муфта переходит в асинхронный режим, когда частота вращения муфты меньше частоты вращения индуктора.

На рисунке 11.7 механические характеристики муфты, зависимости момента нагрузки и момента муфты от скольжения.

Рисунок 11.7 - Механические характеристики гистерезисной муфты

, ведомый вал вращается с синхронной скоростью (S=0),(кривая 1).

- ведомый вал вращается со скольжением (кривая 2).

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.

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 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 кольца.

«В началоНазад123456789ВперёдВ конец»

• < Назад
• Вперёд >