Электромагнитные муфты

Тема 16

Передачу вращающего момента с ведущего, входного вала на соостный ведомый вал осуществляется с помощью муфт.

Управляющее воздействие ‑ ток возбуждения, управляемый параметр ‑ момент М ₂ w₁ и w₂ ‑ угловые скорости ведущего и ведомого вала.

Классификационными признаками муфт являются:

- управляемость;

- род управляющей энергии;

- характер связи входного и выходного валов;

- принцип управления.

Электромагнитную муфту в сочетании с механической передачей можно рассматривать как усилитель с коэффициентом усиления по мощности

,

или линейноуправляемый трансформатор механической энергии

.

В муфте-усилителе электрический сигнал управляет мощностью, передаваемой от ведущего вала к ведомому, М ₁ – момент ведущего вала.

Управляемые муфты по виду статической характеристики скорость вращения ведомого вала – сигнал управления бывают релейными и аналоговыми. Первые после подачи сигнала управления осуществляют жесткое сцепление валов, а вторые – гибкое сцепление, при котором скорость ведомого вала связана плавной зависимостью с управляющим сигналом.

Приводы с управляемыми муфтами обладают большим быстродействием из-за меньшего момента инерции муфт по сравнению с исполнительными двигателями.

Муфты с электрическим управлением делятся на:

- фрикционные муфты, предназначенные в основном для жесткого сцепления валов, это электромеханическая муфта сухого трения с механической связью;

- ферропорошковые – предназначены для гибкого сцепления валов, хотя могут применятся и для жесткого сцепления;

- муфты скольжения – предназначены в основном для гибкого сцепления валов и регулирования частоты вращения ведомого вала при нерегулируемом приводе двигателя. Их называют также асинхронными, индукционными муфтами со связью через поле с электромагнитным управлением.

- гистерезисные.

В общем случае в любой муфте независимо от принципа действия и конструкции имеются ведущая и ведомая части, исполнительный орган, электромагнитная система с управляющим элементом – обмоткой возбуждения.

Силовая характеристика – зависимость момента, развиваемого муфтой, от сигнала управления М (I _у) – электромеханическая характеристика, от времени М (t) – динамическая характеристика, от скольжения М (S) – механическая характеристика. Различают передаваемый и вращающий момент муфты М ₁, М ₂.

Электромагнитные фрикционные муфты (ЭФМ)

Исполнительным органом являются фрикционные диски, преобразующие нормальную силу в тангенциальную (силу трения).

Основные классификационные признаки:

- количество дисков (одно- и многодисковые);

- положение дисков относительно контура магнитной системы (магнитопроводящие, вынесенные);

- характер трения (в сухую, со смазкой);

- вид токоподвода (контактный, бесконтактный).

Наиболее распространены многодисковые муфты с магнитопроводящими стальными дисками, работающие со смазкой.

Все муфты с магнитопроводящими дисками обладают свойствами самокомпенсации зазора при износе дисков, поскольку изменение толщины последних не влияет непосредственно на остаточный воздушный зазор в системе и, следовательно, не требует его регулирования.

ЭФМ работает в релейном режиме и не пригодна для плавного регулируемого момента.

Быстродействующие муфты однодисковые имеют тонкий промежуточный ведомый диск с малым моментом инерции. Выполняется с малым ходом якоря низковольтными катушками с большими токами и имеют магнитопровод из стали с повышенным электросопротивлением.

Муфта состоит из корпуса с катушкой и токоподводящим кольцом, пакета фрикционных магнитопроводящих дисков, работающих со смазкой, якоря и общей втулки. Внутренние диски расположены на эвольвентных шлицах втулки. Наружные диски имеют пазы для зацепления с подводом – соединительной деталью механизма, в котором используется муфта.

При подаче напряжения на катушку возникает рабочий магнитный поток Ф, якорь и пакет дисков притягиваются к полюсам корпуса и между сжатыми дисками возникает фрикционное сцепление. Момент передается по цепи: втулка – внутренние диски – наружные диски – поводок.

Расцепление фрикционного пакета при отключении муфты обеспечивается упругими наружными дисками с «жесткой» волной. Токоподвод осуществляется с помощью щеткодержателя.

Муфта с бесконтактным токоподводом отличается наличием составного магнитоповода. Такие муфты обладают высокой надежностью при тяжелых режимах работы. При каждом сцеплении муфты происходит нагрев дисков за счет энергии, выделяемой при проскальзывание. Промышленная серия фрикционных муфт – ЭТМ, ЭТМ на номинальные моменты от 16 до 4000 Нм. Допустимое число включений муфты определяется температурой нагрева дисков. Время включения и отключения муфты увеличивается с увеличением габаритов муфт Т _э = 0,07-0,3 с.

Электромагниты муфт выполняются на постоянном токе, что упрощает технологию изготовления и уменьшает габаритные размеры муфты. При питании переменным током выпрямителя могут встраиваться в муфту. Для повышения быстродействия применяется форсировка. Электромагнит муфты изготовляется из сплошного материала и поэтому имеет большую постоянную времени. Для устранения залипания якоря в притянутом состоянии магнитная система должна иметь конечный зазор.

Электромагниты порошковые муфты (ЭПМ)

Исполнительный орган в таких муфтах – ферромагнитный порошок, заполняющий зазор в электромагнитной системе между ведущей и ведомой ее частями.

Момент ЭПМ возникает от действия тангенциальных сил фрикционного сцепления ферромагнитных частиц рабочего слоя при их взаимном притяжении в магнитном поле. Взаимодействие массы микрочастиц (диаметр которых на 2-7 порядков меньше размеров рабочего зазора) приводит к следующей зависимости среднего удельного тангенциального усилия от индукции в слое

,

где N = 1-5.

Коэффициент k и показатель N зависят от геометрии слоя, состава и линейных скоростей рабочей смеси и ряда других факторов.

Для обеспечения подвижности ферромагнитных частиц в рабочую смесь добавляется наполнитель.

Основными признаками для классификации ЭПМ является:

- вид наполнителя (сухие наполнители – мелкодисперсные нейтральные порошки, жидкостной наполнитель – минеральное масло, например трансформаторное);

- вид токоподвода (контактный, бесконтактный);

- количество форма рабочих зазоров и слоев, пронизываемых потоком последовательно (одно-, двух- и многозонные ЭПМ, цилиндрические, конические, дисковые рабочие зазоры);

- количество катушек возбуждения (одно-, двух-, многокатушечные ЭПМ);

- соотношение моментов инерции ведущей и ведомой частей.

Применение ЭПМ – в качестве сцепных муфт или тормозов в приводах большой мощности при тяжелых пусковых условиях. Развивают моменты до десятков и сотен ньютонометров. Являются перспективными для следящих, регулируемых или адаптивных приводов и позиционных механизмов в станкостроении.

Муфта, работающая в режиме единичных включений, называется сцепной.

В ферромагнитной муфте барабанного типа ведущий вал через немагнитные фланцы соединен с ферромагнитным цилиндром (барабаном). Внутри цилиндра располагаются электромагнит, связанный с ведомым валом. Обмотка электромагнита питается через контактные кольца. Внутренняя полость заполнена ферромагнитным порошком (чистое или карбонильное железо) с зернами от 4-6 до 20-50 мкм смешанными с сухих (тальк, графит) или жидким наполнителем (трансформаторное или кремний органические масла).

При обесточенной катушке и вращении ведущей части (барабана) электромагнит и ведомый вал остаются неподвижными, поскольку ферромагнитные зерна перемещаются относительно друг друга. 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.

По сравнению с 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 _у) определяется законом роста тока. В схемах автоматики такие муфты являются инерционным звеном первого порядка. Большим преимуществом ферромагнитных муфт является отсутствие быстронасыщающихся дисков трения. Их целесообразно применять там, где требуется высокое быстродействие, большая частота включения и плавное регулирование скорости ведомого вала. Недостаток таких муфт – меньшая передаваемая мощность при одинаковых габаритных размерах с муфтой трения.

Ферромагнитные муфты не применяют при скоростях более 3000 об/мин. Это объясняется тем, что на зерна ферромагнитного порошка кроме электромагнитных сил Р _эм действуют центробежные силы Р _ц, пропорциональные квадрату угловой скорости. Для оценки влияния центробежных сил вводится отношение К _ц = Р _ц / Р _эм. Это отношение увеличивается с ростом диаметра муфты, угловой скорости и уменьшается с ростом индукции в зазоре. Даже при В = 1,8 Тл К _ц достигает 40 %, если частота вращения 3000 об / мин. При определенном значение частоты вращения этот коэффициент достигает значение близкого к 100 % и муфта теряет питание.

Зубчатые электромагнитные муфты (ЭЗМ)

ЭЗМ – электромагнитная муфта с механической связью, исполнительным органом которой служит пара венцов с мелкими зубьями, расположенных на торцевых или конических поверхностях.

Магнитная система ЭЗМ отличается от фрикционных увеличенным ходом якоря, необходимым для расцепления венцов. ЭЗМ не допускает проскальзывания, имеет чисто релейные характеристики с запаздыванием. Вероятность включения тем выше, чем меньше скольжение, момент нагрузки и запаздывание.

Основные отличительные свойства ЭЗМ: компактность, высокие удельные моменты и передача движения без скольжения. Поэтому они применяются для включения низкоскоростных передач при больших моментах нагрузки, для точной коммутации кинематических цепей, не допускающих рассогласование по углу.

Индукционные муфты скольжения (ЭМС)

Индукционные муфты по принципу действия аналогичны асинхронному двигателю с к.з. ротором. Приводной двигатель соединяется со сплошным якорем, ведомый вал связан с индуктором. Катушка возбуждения создает на индукторе постоянный магнитный поток, замыкающийся по якорю. При вращении якоря магнитное поле 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 электри-ческим сопротивлением, что обеспе-чивает возникновение достаточно боль-ших токов, и высокой магнитной проницаемости для получения возможно больших значений магнитного потока. Регулируя ток возбуждения I в и тем самым меняя магнитное поле можно плавно регулировать в широких пре-делах частоту вращения и передаваемый момент ведомого вала. При увеличении

момента нагрузки угловая скорость ведомого вала уменьшается. Увеличение тока в якоря увеличивает момент, развиваемый муфтой и передаваемый на ведомый вал.

Механические характеристики индукционной муфты существенно зависят от нагрузке. Поэтому для стабилизации скорости применяют специальные регулирующие устройства.