ГЛАВА V. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ МУФТАМИ

Развитие современных систем автоматического управления в направлении оптимизации тех или иных характеристик процесса и увеличения эффективности требует применения исполнительных устройств, обладающих определенными свойствами. Основными из них являются высокое быстродействие, большая скорость нарастания выходной мощности, значительный коэффициент усиления и др. Важными свойствами также являются малый вес, простота конструкции, низкая стоимость и надежность работы. Этими качествами обладают исполнительные устройства с электромагнитными муфтами. В настоящее время область применения исполнительных устройств с муфтами весьма широка — от прецизионных приборных следящих систем до мощных регуляторов судового привода.

Принцип действия исполнительного устройства с муфтой заключается в передаче вращающего момента от неуправляемого источника механической энергии электродвигателя к нагрузке посредством связи ведомой и ведущей частей муфты. Управление механической связью электродвигателя с нагрузкой осуществляется электромагнитным способом.

Дальнейшее изложение относится к исполнительным устройствам, состоящим из электродвигателя и двух электромагнитных муфт, которые обеспечивают реверсивное управление нагрузкой в системах автоматического регулирования.

Электромагнитным муфтам посвящена обширная литература, например работы [1], [5] и [8], чего нельзя сказать о приводе или исполнительных устройствах систем автоматического управления, использующих электромагнитные муфты. Поэтому в данной главе освещаются вопросы, относящиеся к указанной проблеме.

1. КОНСТРУКЦИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ МУФТАМИ

В большинстве случаев исполнительные устройства с муфтами разрабатывают для каждой конкретной системы автоматического регулирования, поэтому их конструкции чрезвычайно разнообразны.

Ниже дан ряд примеров типичных конструкций электромагнитных муфт с учетом того, что проектирование исполнительного устройства (с одним или двумя электродвигателями) велось на основе кинематических схем объединения муфт, показанных на рис. V.1 и V.2.

Наибольшее распространение получили муфты следующих типов: электромагнитные фрикционные, электромагнитные порошковые, индукционные.

Рис. V.I. Кинематическая схема исполнительного устройства с одним электродвигателем: 1 — электродвигатель; 2 — зубчатые колеса, соединяющие электродвигатель с ведущими частями муфт; 3 — выходной вал; 4 — зубчатые колеса, соединяющие ведомые части муфт с выходным валом; 5 — ведомая часть; 6 — ведущая часть

Рис. V.2. Кинематическая схема исполнительного устройства с двумя электродвигателями: 1,5 — электродвигатели; 2,6 — ведущие части муфт; 4 — зубчатые колеса, соединяющие ведомые части с выходным валом 3

На рис. V.3 показаны конструкции фрикционных электромагнитных муфт [11]. В этих муфтах поверхности трения, как правило, представляющие собой один или несколько дисков, прижимаются друг к другу силой, создаваемой управляющим электромагнитом. Тем самым осуществляется передача вращающего момента от электродвигателя на выходной вал.

Конструкции фрикционных муфт подразделяются по направлению вращения выходного вала (реверсивные и нереверсивные), по признаку подвижности обмотки возбуждения электромагнита (с подвижной и неподвижной обмотками) и по виду поверхности трения (однодисковые и многодисковые). В исполнительных устройствах применяются главным образом наиболее простые конструкции фрикционных муфт, рассчитанные на передачу сравнительно небольшого вращающего момента. Это объясняется особенностью их характеристик.

Порошковые муфты по принципу работы относятся к электромагнитным муфтам трения, однако выгодно отличаются от последних характеристиками.

Действие порошковой муфты основано на следующем. Если очень мелкий порошок, изготовленный из ферромагнитного материала (например, железа), поместить в магнитное поле, то происходит сцепление частиц порошка и они лишаются относительной подвижности. Таким образом, порошок, находящийся между поверхностями ведущей и ведомой частей муфты при создании направленного соответствующим образом магнитного поля, может осуществлять между ними механическую связь. Магнитное поле создается током, проходящим через управляющую обмотку электромагнита.

Рис. V.3. Многодисковые фрикционные муфты: а — диски трения отделены от магнитопровода: 1 — якорь магнитопровода; 2 — магнитопровод; 3 — диски трения; 4 — контактное кольцо; 5 — обмотка; б — диски трения являются частью магнитопровода: 1 — якорь магнитопровода; 2 — магнитопровод; 3 — контактное кольцо; 4 — обмотка; 5 — диски трения (штриховыми линиями показаны силовые линии магнитного поля)

Для равномерного распределения порошка между поверхностями его смешивают с маслом в определенной пропорции. Существуют также конструкции муфт, в которых применяются твердые смеси железного порошка, например с графитом, окисью цинка, тальком и т. п. Смесь порошка под воздействием магнитного поля как бы затвердевает, образуя сцепляющий слой, обладающий сопротивлением сдвигу; величина этого сопротивления зависит от величины магнитного потока, а следовательно, от тока в обмотках управления. Указанное свойство позволяет изменять «вязкость» смеси и, следовательно, величину момента, передаваемого муфтой.

Минимальная величина момента на выходном валу определяется вязкостью масла и количеством частиц в единице его объема. В отличие от фрикционных муфт (в которых передаваемый момент практически не может регулироваться путем изменения тока в обмотке электромагнита) в порошковых муфтах передаваемый момент

увеличивается с увеличением тока, что позволяет регулировать его величину в широких пределах.

Другое преимущество порошковых муфт по сравнению с фрикционными состоит в том, что в них значительно меньше износа рабочих деталей от трения.

На рис. V.4 и V.5 показаны конструкции порошковых муфт с подвижной и неподвижной обмотками электромагнита [5], [6]. Обе конструкции представляют собой цилиндрический корпус с крышками, внутри которого при помощи шариковых подшипников установлены ведущая и ведомая части муфты. Ведущая часть состоит из магнитопровода и управляющей обмотки, электрический ток к которой подводится через контактные кольца.

Рис. V.4. Порошковая быстродействующая муфта с контактными кольцами: 1,3 — магнитопровод; 2 — обмотка; 4, 12 — крышки корпуса; 5 — щетки; 6 — щеткодержатель; 7 — контактные кольца, 8 — вал ведущей части, соединенный с электродвигателем, 9 — крышка; 10 — зубчатое колесо ведомой части; 11 — подшипники; 13 — уплотнения; 14 — цилиндр ведомой части

Магнитопровод выполнен из двух цилиндрических деталей, имеющих кольцевой зазор. В этом зазоре размещается тонкостенный стальной стакан ведомой части, а также смесь масла и ферромагнитного порошка. Для предотвращения вытекания смеси имеется специальное уплотнение. Соединение электродвигателя и нагрузки с ведущей и ведомой частями муфты осуществляется с помощью зубчатых колес. Конструкция, показанная на рис. V.5, отличается от первой отсутствием контактных колец и неподвижностью обмотки. Это достигается тем, что часть магнитопровода делается неподвижной. Замыкание магнитного потока происходит через воздушный зазор между подвижной и неподвижной частями магнитопровода.

Конструкции порошковых муфт достаточно сложны. Это является основным недостатком. Кроме того, при проектировании

(кликните для просмотра скана)

исполнительного устройства с порошковыми муфтами необходимо обратить внимание на следующие:

а) предотвращение создания частиц из смеси, а также их уплотнения под действием ускорения;

б) подбор сорта жидкости или состава твердой смеси;

в) охлаждение муфты;

г) создание надежных уплотнений, предохраняющих от попадания металлических частиц в подшипники и предотвращающих вытекание масла.

Рис. V.7. Конструкция индукционной быстродействующей муфты с неподвижной обмоткой, объединенной с электродвигателем переменного тока: 1 — корпус; 2 — статор электродвигателя; 3 — ротор электродвигателя; 4 — обмотка муфты; 5 — неподвижная часть магнитопровода; 6 — подвижная часть магнитопровода; 7 — алюминиевый цилиндр ведомой части

Только правильное решение этих вопросов, требующее в ряде случаев специальных исследований [1], позволяет создать надежные исполнительные устройства.

На рис. V.6-V.8 показаны конструкции индукционных муфт. Первая из них (рис. V.6) относится к типу муфт с массивным ротором [8], остальные к быстродействующим индукционным муфтам [3], [4]. Принцип действия этих муфт основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого электрическим током, проходящим через обмотку управления в элементах ведущей части, с токами, индуктированными в элементах ведомой части муфты. Конструкция индукционных муфт является наиболее простой, что видно из приведенных примеров. Ведущая часть индукционной муфты с массивным ротором (рис. V.6) выполнена в виде толстостенного стального цилиндра, являющегося частью магнитопровода. Внутри цилиндра с небольшим воздушным зазором расположена ведомая часть, представляющая собой другую часть магнитопровода, на котором помещается управляющая обмотка. Ведомая часть имеет по всей окружности вырезы, образующие

чередующиеся, одноименные полосы электромагнита. Замыкание магнитного потока происходит через воздушный зазор и ведущую часть муфты. Таким образом, обмотка индукционной муфты с массивным ротором должна быть подвижна, а подвод тока осуществляется через контактные кольца.

Индукционные муфты с массивным ротором используются главным образом в качестве управляемого привода в металлорежущих станках, электрических генераторах, центрифугах, компрессорах и других машинах. Основным недостатком муфт этого типа является большой момент инерции ведомых частей. Последнее исключает возможность получения больших ускорений нагрузки и приводит к длительным переходным процессам.

Рис. V.8. Конструкция исполнительного устройства с быстродействующими индукционными муфтами: 1 — контактные кольца; 2 — цилиндр ведомых частей (ротор); 3 — корпус; 4 — ведущая часть; 5 — электродвигатель переменного тока

Поэтому индукционные муфты с массивным ротором в исполнительных устройствах рассматриваемого типа применяются редко. Исключение составляют так называемые гистерезисные муфты, которые также можно отнести к муфтам указанного типа.

Быстродействующие индукционные муфты отличаются от индукционных муфт других типов тем, что передаваемый ими вращающий момент образуется за счет взаимодействия магнитного поля ведущей части с токами, индуктированными в ведомой части, выполненной из диамагнитного материала с высокой проводимостью.

Конструкция быстродействующей индукционной муфты с неподвижной обмоткой управления показана на рис. V.7. Ведущая часть муфты сделана в виде звездочки, образующей полюса электромагнита. Неподвижная часть магнитопровода, в котором укреплена обмотка, имеет форму цилиндра и установлена в общем для электродвигателя и муфты алюминиевом корпусе. Ведомая часть представляет собой тонкостенный алюминиевый стакан, помещенный в воздушном зазоре между звездочкой и неподвижной частью магнитопровода. Для устранения потерь от вихревых токов край магнитопровода и звездочка сделаны из тонких стальных листов.

На рис. V.8 показана конструкция привода с быстродействующими индукционными муфтами, у которых обмотки управления вращаются. Особенность конструкции состоит в том, что муфты имеют общую ведомую часть, представляющую собой цилиндр, размещенный в воздушных зазорах электромагнитов, вращающихся в противоположных направлениях. Такая конструкция позволяет получить малую массу и габаритные размеры привода при весьма высоком быстродействии.