книги / Электромагнитные муфты скольжения

При рядном расположении зубцов эта средняя часть долж­ на не менее чем вдвое превышать торцовые лобовые части Ьл, а при шахматном расположении может быть уменьшена, так как контуры вихревых токов над зубцами разной по­ лярности могут объединяться.

В связи с тем, что междузубцовые пазы Ь„ каждой по­ ловины индуктора по переменной составляющей индукции аналогичны полюсам противоположной полярности, по­ люсное деление т вдвое меньше зубцового деления (шага зубцов) tz. В индукторных муфтах активная длина якоря равна удвоенной длине зубцов 21г, при чередующейся по­ лярности полюсов — их длине 1г.

1.2. РАЗНОВИДНОСТИ МАГНИТНЫХ СИСТЕМ

Основное влияние на конструкцию муфты оказывает форма ее магнитной системы. По исполнению полюсов муфты делятся на индукторные, панцирные и явнополюс­ ные, причем индуктор и якорь могут быть по отношению друг к другу внутренними, внешними или торцовыми эле­ ментами.

Индукторные и панцирные муфты бывают с одной или несколькими обмотками возбуждения, явнополюсные муф­ ты имеют обмотки на каждом полюсе. Их полюсная систе­ ма выполняется такой же, как в явнополюсных синхрон­ ных машинах. В индукторных муфтах зубцы-полюсы раз­ ной полярности располагаются или друг против друга, или в шахматном порядке.

По выполнению активной части якорь муфты может быть массивным, с узкими продольными пазами и короткозамыкающими кольцами, с электропроводной гильзой, Тонкостенным из алюминиевого сплава, шихтованным с короткозамкнутой или фазной обмоткой, зубчатым (в син­ хронных реактивных или асинхронно-синхронных муфтах^ Рабочие части якорей по конфигурации бывают цилиндри­ ческими (барабанными) или плоскими (дисковыми) [3, 22, 32].

Магнитные системы со скользящим токоподводом. Они могут быть индукторными, панцирными и явнополюсными. Первые две разновидности наиболее просты по конструк­ ции и получили наибольшее распространение в промыш­ ленности, хотя в последние годы вытесняются бесконтакт­ ными. На рис. 1.1 схематически показаны такие магнитные системы простейшего вида, содержащие одну обмотку-воз­ буждения, внутренний индуктор и внешний якорь.

И

Магнитная система муфты панцирного типа с двумя обмотками возбуждения приведена на рис. 1.3. В этой си­ стеме два одинаковых индуктора с обмотками размещены рядом, что позволяет повысить момент муфты за счет уве­ личения ее длины при сохранении неизменным диаметра. Так как каждый индуктор муфты имеет магнитный поток, не связанный с потоком второго индуктора, то электромаг­ нитная постоянная времени всей системы сохраняется та­ кой же, как при одном индукторе. Такое выполнение маг­ нитной системы позволяет также унифицировать конструк-

1 2 3 4 5 6

Рис. 1.3. Схема магнитной систе­ мы с двумя однотипными индук­ торами:

ции индукторов с обмотками, однотипных для одноиндукторных или сдвоенных систем.

Диаметральные и осевые размеры магнитной системы по-разному влияют на форму механической характеристи­

отличающиеся по форме от характеристик муфты такой же мощности с одним индуктором (см. рис. 1.1).

В магнитной системе с двумя индукторами, расположен­ ными по разные стороны якоря и магнитоизолированными друг от дргуга, увеличены диаметральные размеры при сохранении длины [16, 19, 40, 42, 55]. В отличие от ранее рассмотренных систем магнитный поток не замыкается по якорю, а проходит через него нормально поверхностям, вследствие чего толщина обода якоря не связана с его насыщением и может быть значительно уменьшена. Муфта с такой системой имеет меньшую инерционность якоря и обеспечивает вращающий момент, превышающий сумму моментов от каждого индуктора на 10—15 %. Поскольку магнитный поток системы сцеплен с обеими обмотками, электромагнитная инерционность системы выше инерцион­ ности системы, показанной на рис. 1.3.

Явнополюсная магнитная система [4, 16, 19] имеет по­ люсы чередующейся полярности, на каждом из которых размещена отдельная обмотка возбуждения. Явнополюс­ ные системы сложнее в изготовлении и требуют повышен­ ного расхода меди, вследствие чего не получили большого

12

распространения. В связи с тем что магнитный поток каж­ дой обмотки сцеплен лишь с двумя соседними обмотками, при большом числе полюсов электромагнитная инерцион­ ность явнополюсной системы значительно меньше, чем ин­ дукторных или панцирных, что является ее преимуществом в приводах, требующих быстродействия.

Явнополюсные системы выполняются только со сколь­ зящим токоподводом, имеют чаще всего шихтованный якорь с короткозамкнутой обмоткой, и используются для плавного безударного соединения двигателя с рабочим механизмом и предохранения двигателя от перегрузок.

Магнитные бесконтактные системы. Магнитные системы бесконтактных муфт имеют кроме вращающихся индукто­ ра и якоря неподвижную часть магнитопровода с обмот­ кой возбуждения, отделенную от якоря или от якоря и ин­ дуктора муфты концентрическими воздушными зазорами. В большинстве конструкций ближайший к неподвижной части магнитопровода якорь или индуктор выполняется из двух ферромагнитных цилиндров, соединенных кольцом из немагнитного материала, препятствующим замыканию маг­ нитного потока через якорь или индуктор и переводящим поток на другой якорь или индуктор [48].

Разновидности бесконтактных магнитных систем индук­ торного типа схематически показаны на рис. 1.4. Немагнит­ ные соединительные кольца роторов и элементы, не отно­ сящиеся к магнитопроводам, показаны зачерненными. Направления магнитных потоков даны линиями со стрел­ ками.

В схеме рис. 1.4, а якорь размещен между неподвижной частью магнитопровода и полюсной системой (индуктором)

исодержит немагнитное кольцо, соединяющее две. его по­ ловины, а в схеме рис. 1.4, б промежуточным элементом является зубчатый ротор-индуктор. При равных габаритах

имассе система по схеме рис. 1.4, б обеспечивает меньший вращающий момент (из-за снижения активного диаметра), но лучшие условия охлаждения, которые обусловлены оребрением якоря с внутренней стороны и увеличением его обдуваемой поверхности. Схема рис. 1.4, в является про­ межуточной между схемами рис. 1.4, а и б [61]. В этой

схеме одна половина вращающейся части 3 является яко­ рем, а вторая — индуктором, благодаря чему тепловые по­ тери скольжения распределяются между обеими половина­ ми, возрастают нагреваемая масса и теплорассеивающая поверхность. Полюсные зубцы индукторов в некоторой сте­ пени выполняютроль охлаждающих ребер с воздушными

13

каналами между ними для аксиального продува воздуха. Данная система позволяет выполнить в междузубцовых пазах индуктора дополнительные аксиальные ребра охлаж­ дения, тогда как в других системах это нецелесообразно, поскольку полюсная система не нагревается.

Магнитная система по схеме рис. 1.4,г характерна нали­ чием зубцов-полюсов только одной полярности, благодаря чему исключается необходимость магнитной изоляции вра-

Рис. 1.4. Схемы магнитных систем бесконтактных индукторных муфтз

/ — неподвижный магнитопровод; 2 — обмотка; 3 — якорь; 4 — индуктор

щающихся частей друг от друга. Нерабочие воздушные зазоры отделяют неподвижную часть магнитопровода от его вращающихся частей, что увеличивает количество за­ зоров, приходящихся на один ряд зубцов-полюсов, и сни­ жает удельную мощность муфт с такими системами.

Магнитная система по схеме рис. 1.4,6 имеет внешний якорь и внутреннюю неподвижную часть магнитопровода. Она представляет собой обращенный вариант рис. 1.4,6. Такое исполнение обеспечивает уменьшение диаметра об­ мотки, необходимого количества меди и потерь на возбуж­ дение, увеличение активного диаметра и вращающего мо­ мента при равных габаритах, улучшение охлаждения внеш­ него якоря. К недостаткам схемы относится наличие от­ дельного корпуса, тогда как в схеме рис. 1.4,6 его роль выполняет неподвижная часть магнитопровода. Этим же схема 1.4,е отличается от схемы рис. 1.4,г. Кроме того, в схеме рис. 1.4,е увеличена длина якоря и его инерцион-

14

ность из-за наличия нерабочей части, граничащей с непод­ вижной частью магнитопровода.

Конструктивные схемы бесконтактных магнитных систем панцирного типа приведены на рис. 1.5. В схеме рис, 1.5,а полюсная система имеет немагнитное кольцо, соединяющее ее разноименнополюсные части, а якорь выполнен внутрен­ ним. В схемах рис. 1.5,6 и в неподвижная часть магнито­ провода с обмоткой размещена внутри полюсной системы,

Рис. 1.5. Схемы маг­ нитных систем бес­ контактных панцир­ ных муфт. Обозначе­ ния те же, что и на рис. 1.4

а якорь — снаружи, благодаря чему улучшается его охлаждение и увеличивается активный диаметр. В схеме рис. 1.5,2, получившей в последние годы значительное рас­

на торцовой поверхности полюсов. Такое выполнение маг­ нитной системы позволяет при ограниченных диаметраль­ ных размерах обеспечить необходимый момент муфты пу­ тем увеличения ее длины. Упрощается также технология изготовления полюсной системы, в которой одна половина выполняется по типу индукторных муфт, а вторая пред­ ставляет собой ферромагнитное кольцо с зубцами на тор­ цевой части.

На рис. 1.6 показано устройство агрегата, объединяю­ щего муфту и двигатель в один общий узел [80]. Корпус 5 с двумя пакетами шихтованной стали 6 и 9, кольцевой обмоткой возбуждения 7 и трехфазной обмоткой 4 обра­ зует статор двигателя, выполняющего Также роль непод­ вижной части магнитопровода бесконтактной муфты сколь­

15

жения.^ Внешний индуктор 3 с немагнитной средней частью 8 и зубцами на внешней и внутренней поверхностях является одновременно ротором синхронного двигателя и ведущей частью муфты. На валу 1 агрегата закреплен массивный ведомый якорь 2 муфты. Вентилятор 10 обеспе­ чивает охлаждение агрегата.

При включении трехфазной обмотки индуктор 3 разго­ няется вхолостую за счет вихревых токов в средней час­ ти 8 и втягивается в синхронизм из-за наличия зубцов на

тель. При включении обмотки возбуждения 7 образуется магнитный поток. Это обеспечивает взаимодействие ведо­ мого якоря 2 с индуктором 3, как в обычной бесконтакт­

ной муфте скольжения.

Одновременно этот поток является потоком возбужде­ ния синхронного двигателя. При росте нагрузки система автоматического регулирования муфты увеличивает ток возбуждения, что одновременно повышает синхронный мо­ мент двигателя и устойчивость его работы при колебаниях нагрузки.

Магнитные системы синхронных муфт. Синхронные муфты приме­ няются в приводах, работающих длительное время с наибольшей ско­ ростью. При этом ведущий и ведомый валы муфты имеют одинаковую угловую скорость, а потери скольжения отсутствуют. При работе со скольжением синхронная муфта создает асинхронный момент, который обычно используется лишь в пусковых процессах, так как механическая характеристика имеет форму, не обеспечивающую устойчивых статиче­ ских режимов работы со скольжением без автоматического регулирова­ ния возбуждения. Кроме того, синхронные муфты при работе со сколь­ жением развивают меньший вращающий момент, чем муфты с массив* ным якорем.

На рис. 1.7 показаны с торцовой стороны магнитные системы син­ хронных муфт индукторного и панцирного типов. Полюсные системы выполняются аналогично ране.е рассмотренным (см. рис. 1.1), а якорь имеет на рабочей поверхности зубцы, равные по размерам и шагу зуб­

16

цам индуктора. В индукторной муфте количество зубцов якоря равна числу зубцов одной полярности, в панцирной — полному числу зубцов.

В междузубцовых пазах якоря размещены электропроводящие стержни, полностью заполняющие пазы и соединенные на торцах короткозамыкающими кольцами. В индукторной муфте с рядным расположе­ нием зубцов (см. рис. 1.2,а) короткозамыкающее кольцо должно бытьтакже в средней части якоря. Зубцы панцирной муфты имеют прямо­ угольную форму обращенных к якорю поверхностей, совпадающую с формой зубцов якоря.

Электропроводящие стержни и торцовые кольца якоря образуют короткозамкнутую обмотку, создающую момент муфты при работе со

Рис. 1.7. Магнитные системы асинхронно-синхронных муфт индуктор­ ного (а) и панцирного (б) типов:

J — якорь; 2 — стержень короткозамкнутой обмотки; 3 — индуктор

скольжением. При зубчатом якоре этот момент снижается по сравнению с моментом при массивном якоре из-за пульсации магнитного потока,, вызываемой изменением магнитной проводимости Системы, зависящей от положения зубцов индуктора относительно зубцов якоря.

При синхронной работе муфты на холостом ходу оси зубцов-полю­ сов индуктора и якоря совпадают, как показано на рис. 1.7. В данном положении зубцов магнитная проводимость системы максимальна. С ро­ стом момента нагрузки возрастают угол между осями зубцов индук­ тора и якоря и тангенциальная составляющая силы магнитного притя­ жения зубцов друг к другу. Синхронный момент достигает наибольше­ го значения при критическом угле сдвига зубцов, близком к значению,, соответствующему половине ширины зубца. Превышение этого момента приводит к выпадению муфты из синхронизма и разгрузке двигателя и. механизма, вследствие чего синхронная муфта является эффективным, средством защиты привода от перегрузок.

На рис. 1.8 показана бесконтактная магнитная система синхронной муфты, обеспечивающая асинхронный режим работы без короткоза­ мкнутой обмотки '[70]. В отушчие от рассмотренных систем вращающие­ ся части муфты имеют зубцы различной ширины, чередующиеся друг

17

с другом. При расположении одинаковых зубцов вращающихся частей друг против друга муфта работает в синхронном режиме. Во время работы со скольжением зубцы вращающихся частей перемещаются относительно друг друга, и в периоды времени, когда узкие зубцы одной вращающейся части проходят под широкими зубцами другой, последняя выполняет роль массивных якорей, создавая асинхронный момент. В эти периоды времени пульсация магнитного потока отсутст­ вует, а муфта имеет удвоенное количество рабочих участков вращаю­ щихся частей, в которых создаются вихревые токи. Лишь при совпа-

дениях узких зубцов вращающихся частей с пазами имеют место периодические провалы магнитного потока. Эти провалы могут быть сглажены размещением на некоторых зубцах короткозамкнутых витков или поворотом на некоторый угол одной половины вращающейся части относительно другой, хотя во втором случае снизится момент в синхрон­ ном режиме. Система имеет хорошие условия охлаждения, так как по­ тери скольжения выделяются в двух половинах каждой вращающейся части, пазы которых являются вентиляционными каналами.

Разветвленные магнитные системы. Разветвленные магнитные си­ стемы позволяют получить режимы работы, свойства и характеристики различных систем. Такие системы содержат две обмотки возбуждения, направление токов в которых определяет пути замыкания потока в раз­ ветвленном магнитопроводе. Прохождение потока через различные по­ люсные участки системы оказывает влияние на ее характеристики.

На рис. 1.9 показаны схемы бесконтактных разветвленных магнит­ ных систем, работающих в режимах муфты и тормоза [57, 64]. По «равнению с муфтой или тормозом, имеющими отдельные магнитные системы, разветвленная система обеспечивает уменьшение габаритов и массы узла из-за снижения расхода меди и магнитопроводящих мате­ риалов.

в режимах муфты и магнитные потоки направлены, как показано на рис. 1.9 сплошными линиями со стрелками. Встречное включение обмо­ ток создает режимы торможения, при которых направления потоков со­ ответствуют штриховым линиям.

В каждой системе неподвижная часть магнитопровода (статор) с двумя обмотками имеет в средней части зубцы, являющиеся полюса­ ми тормоза, через которые замыкаются магнитные потоки при встреч­

18

ных включениях обмоток. Направления магнитных потоков в режимах муфты аналогичны ранее рассмотренным вариантам систем индуктор­ ного типа (см. рис. 1.4).

На рис. 1.9,а, б и д показаны системы с симметричным магнитопроводом, а на рис. 1.9,в, г, е — с несимметричным. В симметричных системах режимы муфты и тормоза имеют место при равных токах

Рис. 1.9. Схемы бесконтактных симметричных и несимметричных маг­ нитных систем муфт-тормозов:

/ — неподвижный магнитопровод; 2 — обмотка; 3 — якорь; 4 — индуктор муфты.

В схеме рис. 1.9,а якорь муфты является одновременно якорем тор­ моза, а в схеме рис. 1.9,6 его функции выполняет индуктор (полюсная система) муфты, что облегчает условия охлаждения конструкции, по­ скольку тепловые потери в режимах муфты и тормоза выделяются в разных вращающихся частях.

Несимметричная система рис. 1.9,в имеет на якоре немагнитную прослойку конической формы, а магнитный поток в режиме торможе- "ния создается практически одной обмоткой, тогда как встречно направ­ ленная МДС второй обмотки препятствует ответвлению потока по пути, показанному сплошной линией. В режиме муфты отношение согласно направленных МДС обмоток пропорционально отношению магнитных сопротивлений участков системы, приходящихся на каждую обмотку.

Несимметричная система по схеме рис. 1.9,г имеет в режиме муфты зубцы-полюсы только одной полярности, что исключает необходимость применения в одной из вращающихся частей немагнитных вставок [64].

1»