Материал: Конспект лекций по курсу Электрические и электронные аппараты. Гуляев А.А., Королев Н.И

91

18 МУФТЫ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ УПРАВЛЕНИЕМ (ЭММ)

ЭММ применяются для автоматического соединения и разъединения ведущего и ведомого валов, регулировки вращающего момента на валу и частоты вращения - все без остановки ведущего вала. ЭММ делятся на три основные группы: индукционные, электростатические и электромагнитные.

Индукционные муфты по принципу работы сходны с асинхронными двигателями с к.з. ротором. Ведущий момент через якорь передается ведомому валу через связанный с ним индуктор. В индукторе катушка возбуждения создает магнитив поток, пересекающий массивное тело якоря, при этом в якоре возникают вихревые токи, взаимодействие этих токов с полем индуктора создает силу, увлекающую индуктор за якорем. При этом для нормальной работы муфты тело якоря должно быть выполнено из стали, удовлетворяющей следующим требованиям:

1)увеличение электропроводности (для создания вихревых токов большой величины );

2)высокая магнитная проницаемость (для уменьшения магнитного сопротивления).

Механическая характеристика индукционной муфты (рисунок18.1) при различном токе возбуждения показывают, что, регулируя ток возбуждения можно плавно и в широких пределах менять частоту вращения ведомого вала и передаваемый момент.

На графике IВ - ток возбуждения ;МС - момент сопротивления, М - момент муфты; n - частота вращения; % - проценты относительно частоты при

МС =0.

При увеличении МС угловая скорость ведомого вала уменьшается. это ведет к увеличению скольжения и возрастанию тока в якоре муфты. Увеличение тока в якоре увеличивает момент, развиваемый муфтой. Однако равновесие наступает при более низкой частоте вращения. Т.о. механические характеристики муфты сильно зависят от МС, поэтому для стабилизации скорости вращения применяются специальные регулирующие устройства.

Электростатические муфты

Основа работы - взаимодействие пластин конденсатора (при подаче напряжения на обкладки между ними возникает сила притяжения

где - диэлектрическая проницаемость среды (абсолютная); S - площадь обкладок;

d - расстояние между ними; U - подаваемое напряжение;

92

Для увеличения передаваемого момента между обкладками конденсатора вставляют диски трения (фиродо). Такие муфты широко применяются в качестве электростатических тормозов.

Наибольшее распространение получили электромагнитные муфты, которые используют силы возникающие между ферромагнитными телами, пронизанными магнитным потоком.

Эти муфты получили широкое распространение вследствие следующих преимуществ:

1)передача больших М вала при небольших затратах Рупр.;

2)малое время срабатывания;

3)малые габариты;

4)удобны в эксплуатации.

Рассмотрим три вида муфт, получивших наиболее широкое распространение: фрикционные, ферропорошковые и гистерезисные.

Фрикционные муфты (рисунок 18.2)

Постоянное напряжение через подвижный щеточный контакт подается на обмотку, выполненную в виде кольца прямоугольного сечения. Подвижная часть муфты (якорь) имеет пазы и может перемещаться по шлицам ведомого вала. В обесточенном состоянии возвратная пружина отодвигает подвижную часть вправо и диски трения не соприкасаются При подаче управляющего напряжения возникает тяговое усилие, подвижная часть муфты перемещаются по ведомому валу и диски трения входят в зацепление. Результирующий момент, развиваемым муфтой:

Как видно, М сильно зависит от Ктр, который определяется материалом дисков изделия. Сталь-сталь-0,15, чугун-чугун-0,15, сталь-чугун-0,3, стальбронза 0,15.

Наибольшее применение находят металлокерамические диски на медной основе кТР=0,3 - 0,4 (со сталью) и железной основе кТР =0,3-0,4. Металлокерамика на медной основе состоит: 68% Сu, 8% олова, 7% Рв, 6% графита, 4% кремния и 7% железа. При производстве дисков порошковые

компоненты прессуются под высоким давлением, а затем спекаются при t=7008000 С.

Металлокерамические диски имеют довольно высокую рабочую температуру (до 2000 С) работают плавно, без заеданий, толщина их невелика,

93

необходимо только обеспечить min перенос (доп.0,02-0,03 мм). Коэффициент практически выполняется 0,3-0,8.

Удельное давление определяется износом поверхностей трения и для металлокерамики 0,8-0,9 Мпа, сталей 0,6-0,4 МПа. Магнитопровод обычно выполняется из магнитомягкого материала (армко), а для быстродействующих - из материала с высокой начальной магнитной проницаемостью. Для

неответственных муфт с большим часто применяют сталь и чугун (дешево).

В процессе пуска момент, передаваемый муфтой возрастает, т.к. необходимо кроме статического момента нагрузки передать механический момент. При этом пробуксовка должна быть минимальной, т.к. диски могут нагреться и выйти из строя. Момент, передаваемый в режиме пуска,

учитывается коэффициентом запаса: Мпуск=Мк.з., где кз зависит от характера нагрузки: металлорежущие станки кз=1,25-2,5;

краны кз=3-5; центробежные насосы кз=2-3; мельницы, дробилки кз=4,0; воздуходувки кз=1,2-2,0.

Для передачи большого Мпуск нецелесообразно увеличение Dн ,т.к. при этом сильно возрастают габариты муфты, а применяют многодисковые муфты

(рисунок 18.3).

Момент, передаваемый такой муфтой

где n - общее число дисков, Мп -момент пары дисков.

Основные параметры муфт рассчитываются из условия небольшого зазора между магнитом и якорем и возможности применения формулы Максвелла. Тогда

где В– индукция в зазоре;

Sэм - удвоенная площадь полюса.

Откуда

Далее расчет магнитной цепи и катушки ведется по ранее приведенной методике.

На базе электромагнитной муфты находят широкое применение электромагнитные тормоза. У них пружина создает давление на диски в обесточенном состоянии, обеспечивая надежное торможение. При подаче напряжения тяговое усилие электромагнита преодолевает силу пружины и торможение прекращается.

Обобщенное уравнение превращения кинетической энергии (для торможения) в тепло позволяет рассчитать параметры электромагнитного

94

тормоза с точки зрения нагрева. Температура нагрева определяет максимальное число включений допускаемых муфтой.

где I-момент инерции движущихся частей; w0 –начальная угловая скорость;

Мтр - момент трения; тр - угол торможения;

n - число дисков;

с - удельная теплоемкость дисков; m-масса дисков;

доп - допустимая температура материала дисков;

0 - температура окружающей среды.

Недостаток муфт – скользящие контакты. Сейчас разработана муфта с неподвижной катушкой, у которой магнитный поток проходит через ферромагнитные вращающиеся части ведущего и ведомого валов, но момент, передаваемый муфтой, намного ниже, чем у контактной. Находят применение и реверсивные (через паразитную шестерню) муфты.

Динамика муфты.

Различают три этапа включения муфты:

1 - с момента подачи напряжения до момента соприкосновения дисков. Длительность этого этапа, время трогания и время движения определяется только параметрами самой муфты и находится аналогично динамике электромагнитов;

2 – с момента соприкосновения до момента проскальзывания. Для определения времени этого этапа решается уравнение движения ведущих и ведомых частей

где I1 ,I2 - моменты инерции ведущей и ведомой частей передачи; w1 ,w2 - угловые скорости ведущей и ведомой частей;

Мд - момент развиваемый электродвигателем; Мтр - момент трения в муфте; Мн - момент нагрузки на ведомой части.

Введя скорость скольжения wс=w1–w2, из системы уравнений получим:

Решение уравнения возможно только при известных в динамике Мд,

Мтр, Мн. Вообще, Мд=f(w1) является функцией скорости w1, Мтр=f(Fуд,kтр); M\н=f(w2 ,t), но для упрощения решения зависимости Мд, Мтр, Мн