книги / Электромагнитные муфты скольжения
..pdfТ. А. ЩЕТИНИН
ЭЛЕКТРО
МАГНИТНЫЕ
МУФТЫ
СКОЛЬЖЕНИЯ
МОСКВА ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ 1985
ББК 31.261.3 Щ 70
УДК 62-83:621.318.3
Р е ц е н з е н т Г. М. Фридлидер
|
Щетинин Т. А. |
|
|
|||
Щ 70 |
Электромагнитные муфты |
скольжения. — М.: |
||||
|
Энергоатомиздат, 1985. — 272 с., ил. |
|
||||
|
В |
пер.: |
1 |
р. 6800 экз. |
|
|
|
Рассмотрены принцип действия и конструкции электромагнитных |
|||||
муфт |
скольжения, электроприводов и электромеханических |
передач |
||||
с муфтами. Изложены вопросы теории, расчета, проектирования и эк |
||||||
сплуатации муфт, определения их оптимальных параметров и показа |
||||||
телей |
при |
статических и динамических |
режимах работы с |
различи |
||
ными видами нагрузок. Описаны системы управления и охлаждения |
||||||
|
муфт. |
|
|
|
|
|
|
Для инженерно-технических работников в области электрических |
|||||
|
машин |
и электропривода и может быть |
полезна студентам |
электро- |
||
-технических |
вузов. |
|
|
|||
2302030000-028 |
„ |
ББК |
31.261.3 |
|||
Щ 051(01) 85 |
|
79"85 |
6П2.1.081 |
© Энергоатомиздат, 1985
П Р Е Д И С Л О В И Е
Электромагнитные муфты скольжения находят приме
нение в |
регулируемых |
электроприводах |
самых различ |
||||
ных отраслей промышленности. |
|
|
|
||||
Муфты скольжения используются также для пуска и |
|||||||
разгона |
механизмов |
с |
большими |
маховыми массами |
или |
||
с пусковым моментом, |
превышающим |
пусковой момент |
|||||
двигателя. |
Иногда |
муфты применяются для регулирования |
|||||
ускорения |
и ограничения динамических |
нагрузок |
при |
||||
разгоне |
привода, |
предохранения |
двигателя и рабочего |
механизма от перегрузок, безударного соединения меха низма с работающим двигателем.
В связи с расширением областей применения муфт значительно возрос интерес к теоретическим и практиче ским вопросам, связанным с расчетом, конструированием и эксплуатацией муфт скольжения. Однако в настоящее время расчет, проектирование и изготовление муфт скольжения базируются в основном на результатах экс периментальных работ и рекомендаций, полученных при эксплуатации. Причину этого можно усмотреть в отсутст вии простых и удобных для практических инженерных расчетов формул для определения основных параметров муфты, поскольку входящие в них величины не постоян ны, а, в свою очередь, являются сложными функциями многих параметров. Приводимые в литературе уравнения вращающего момента не являются универсальными, не обеспечивают достаточной точности расчета всего мно гообразия конструкций муфт и их типоразмеров и не мо гут использоваться для расчета переходных процессов и решения многих других задач. Для этих целей механиче ские характеристики муфт аппроксимируются различны ми уравнениями, дающими удовлетворительную точность лишь в частных случаях расчета муфт определенных типоразмеров на отдельных участках диапазона скольже ний. Многие вопросы расчета параметров и показателей муфт скольжения вообще не затронуты в изданной лите ратуре.
3
В предлагаемой вниманию читателей книге автор да ет инженерные методы расчета оптимальных параметров магнитных систем муфт, их показателей и характеристик при статических и динамических режимах работы с на грузками различного вида; рассматривает также новые конструкции муфт, автоматизированных электроприводов и электромеханических передач с муфтами, системы уп равления и охлаждения муфт.
Основная часть материалов книги отражает результа ты многолетней работы автора в области теоретических и экспериментальных исследований муфт, создания новых ■конструкций, имеющих улучшенные показатели.
Некоторые материалы книги могут быть использованы для расчета не только муфт, но и других электромагнитных и электромеханических систем и устройств. Приведенные методы определения оптимальных параметров магнитных систем муфт могут быть применены при анализе и расчете магнитных систем различных электромагнитных механиз мов. Уравнения относительных механических характеристик муфт, определяющие зависимость их формы от различных параметров, могут использоваться в применении к электро двигателям с массивным ротором.
Автор надеется, что его книга будет способствовать дальнейшему развитию и распространению в различных отраслях народного хозяйства современных конструкций муфт-, приводов и передач с муфтами, повышению их тех нического уровня.
Автор выражает глубокую благодарность рецензенту канд. техн. наук Г. М. Фридлидеру за ряд ценных замеча ний и советов, а также доктору техн. наук С. Р. Мизюрину, выполнившему большую работу по редактированию ру кописи.
Все пожелания и замечания по содержанию книги просьба направлять по адресу: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10, Энергоатомиздат.
Автор
В В Е Д Е Н И Е
Электромагнитные муфты скольжения (называемые также индук ционными, асинхронными, муфтами на вихревых токах или с массив ным якорем) получили наибольшее распространение в промышленности в качестве элемента регулируемого автоматизированного электропри вода переменного тока, включающего помимо муфты нерегулируемый электродвигатель и систему автоматического регулирования тока воз буждения муфты.
К достоинствам привода с муфтой скольжения относятся простота устройства и эксплуатации, низкая стоимость, высокая надежность и долговечность, малая мощность управления, облегчающая автоматиза цию различных процессов и режимов работы.
Бесконтактные муфты скольжения по своей надежности и низким требованиям к обслуживанию не уступают асинхронным короткозамкну тым двигателям и даже превосходят их, имея массивный магнитопровод вместо шихтованного и простейшую кольцевую обмотку воз буждения.
По сравнению с тиристорными электроприводами постоянного и пе ременного тока приводы с муфтами обеспечивают более высокий коэф фициент мощности на всех режимах работы и не искажают форму кривой напряжения питающей сети. Работа тиристорных электроприво дов сопровождается появлением в кривой напряжения питающей сети высших гармоник, что ухудшает работу электрических машин и аппа ратов, повышает потери, вызывает помехи и нарушения работы элек тронной аппаратуры, приборов, устройств автоматики.
Недостатками муфт скольжения являются большие потери мощно сти при работе на нйзких частотах вращения и низкий КПД, приблизи тельно равный отношению частот вращения ведомого и ведущего валов муфты.
Электромагнитные тормоза скольжения, являющиеся конструктив ной разновидностью муфт, применяются для плавного торможения ме ханизмов и в качестве динамометров для испытательных стендов. От тормозных устройств фрикционного типа их выгодно отличает отсут ствие быстроизнашивающихся элементов, возможность плавного регу-
5
лирования тормозного момента и работы с высокими частотами вра щения.
Электромагнитные муфты и тормоза скольжения на мощности от десятков ватт до сотен киловатт серийно выпускаются многими фир мами и предприятиями США, Англии, ФРГ, Франции, Японии, Австра лии, Бельгии, ГДР, ЧССР как в отдельном исполнении, так и в ком плекте с приводным электродвигателем и системой управления. В Со ветском Союзе выпускаются комплектные приводы с муфтами мощно стью до 4,5 кВт и отдельные муфты для приводов до 200 кВт. Опытные образцы и отдельные серии муфт различных конструкций разрабаты ваются и изготавливаются многими организациями с целью исследова ний и для комплектации выпускаемого оборудования, а в ряде слу чаев— для собственных нужд в эксплуатации.
Приводы с муфтами скольжения находят применение в установках систем кондиционирования, дутьевых вентиляторах мартеновских печей, насосах, полиграфических, машинах, экскаваторах, земснарядах, кон тейнерах, буровых установках, металлорежущих станках, подъемных кранах, прокатных-станах, экструдерах, волочильных станках, намоточ ных устройствах бумажной и текстильной промышленности, трубово лочильных станках, прессах и кузнечно-прессовых автоматах, шаровых мельницах, каландрах, центробежных разливочных машинах, шлифо вальных и других станках и механизмах.
Конструктивные разновидности муфт скольжения весьма разно образны и отличаются многими признаками, основным из которых является исполнение магнитной системы, включающей индуктор и якорь. Наибольшее распространение получили муфты с массивным якорем как наиболее простые в изготовлении и эксплуатации.
Приводы с муфтами иногда включают также встроенный в общий корпус тормоз скольжения, обеспечивающий возможность быстрого перехода с высшей частоты вращения на низшую, торможение механиз ма и получение устойчивых режимов работы с малыми нагрузками при низких частотах вращения.
Электромагнитные муфты скольжения с разветвленными магнит ными системами обеспечивают возможность их использования в режи мах муфты и тормоза или асинхронной и синхронной муфт.
Электромеханические передачи, включающие муфту с тормозом скольжения и механический дифференциал, позволяют в нижней части диапазона регулирования увеличить вращающий момент, полезную мощность и КПД привода, а в верхней части диапазона обеспе чивают торможение механизма с рекуперацией энергии в питающую сеть.
Существенную роль в конструкции муфты скольжения имеет си стема охлаждения, эффективность которой определяет допустимый диа пазон регулирования, зависящий также от характера нагрузки. Наибо лее эффективными являются системы водяного охлаждения, хотя они
6
заметно усложняют .конструкцию муфты и требуют присоединения тру бопроводов для подвода и слива воды.
По условиям нагрева муфт скольжения наиболее легким режимом является их работа с вентиляторной нагрузкой, более тяжелым — при постоянном моменте нагрузки. Работа муфты на нагрузку постоянной мощности сопровождается наибольшими потерями мощности> особенно в нижней части диапазона регулирования.
При вентиляторной нагрузке приводы с муфтами скольжения часто оказываются более экономичными в сравнении с другими системами регулируемого привода. Применение их для «агрузок с постоянным моментом или мощностью чаще всего обусловлено высокой надежно стью и долговечностью, простотой эксплуатации, не требующей высокой квалификации обслуживающего персонала, легкостью автоматизации и низкой стоимостью.
Г Л А В А П Е Р В А Я
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ МУФТАХ СКОЛЬЖЕНИЯ
1.Г. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Простейшая электромагнитная муфта скольжения со стоит из двух вращающихся частей, разделенных воздуш ным зазором, из которых одна присоединена к приводному двигателю, вторая — к рабочему механизму. Передача вра щающего момента с ведущей части на ведомую осуществля ется вследствие их электромагнитного взаимодей ствия. Ведущая и ведомая части муфты образуют замкну тую магнитную систему, наибольшая часть магнитопровода которой выполняется из ферромагнитных материалов и содержит одну или несколько обмоток возбуждения, питае мых постоянным током.
Одна часть магнитной системы имеет в воздушном за зоре зубцы, выполняющие роль полюсов, и является индук тором, вторая часть, не имеющая зубцов, служит якорем. При относительном вращении возбужденного индуктора и якоря последний пересекается переменным магнитным по током, индуцирующим переменные ЭДС и вихревые токи, взаимодействие которых с потоком полюсов создает вра щающий момент, увлекающий ведомую часть за ведущей. В данном случае массивный якорь муфты выполняет одно временно роль магнитопровода и электропроводящего эле мента.
На рис. 1.1 показаны схемы магнитных систем муфт ин дукторного и панцирного типов со скользящим токоподводом. Линиями со стрелками обозначены направления сред них линий магнитной индукции для каждой пары зубцрвполюсов.
В индукторной муфте (рис. 1.1,а) зубцы расположены двумя рядами, между которыми размещена кольцевая об мотка возбуждения. Зубцы каждого ряда имеют одинако вую полярность, поэтому такую конструкцию называют также одноименнополюсной. Магнитный поток, создавае-
8
мый обмоткой возбуждения, проходит через зубцы одной полярности и воздушный зазор в якорь. Магнитные линии направлены по оси якоря. Магнитный поток через зазор и зубцы другой полярности замыкается по индуктору. В воз душном зазоре и поверхностном слое якоря на участках зубцов нормальная составляющая индукции имеет наиболь шее значение, а на участках пазов — наименьшее, поэтому
Рис. 1.1.. Схемы магнитных систем индукторной (а) и панцирной (б) муфт со скользящим токоподводом:
1 — якорь; 2 — обмотка; 3 — индуктор; 4 — контактное кольцо
по переменной составляющей индукции пазы выполняют роль полюсов противоположной полярности. Переменная составляющая индукции имеет максимальное значение на активной поверхности якоря, обращенной к индуктору. На определенной глубине массива якоря она равна нулю, так как линии магнитной индукции распределяются равномер но то окружности якоря. Межзубцовые пазы индуктора бывают прямоугольной формы, трапециевидными или по лукруглыми.
Панцирная муфта (р.ис. 1.1,6) имеет клювообразные (называемые также «когтеобразные») зубцы на одной по ловине индуктора, которые входят в пазы второй полови ны, образуя полюса чередующейся полярности. В отличие от индукторной муфты в панцирной муфте поток каждой пары зубцов направлен по окружности якоря, а нормаль ная составляющая индукции в зазоре и поверхностном слое якоря при переходе от одного зубца к другому меняет знак. Как и в индукторной муфте, переменная составляю-
9
щая индукции, нормальная к активной поверхности якоря, с удалением от этой поверхности снижается.
Вихревые токи, индуктируемые в якоре переменным магнитным потоком, имеют частоту, пропорциональную чис лу зубцов индуктора и относительной частоте вращения индуктора и якоря. Явление поверхностного эффекта приво дит к вытеснению токов в поверхностный слой якоря, на-
Рис. 1.2. |
Расположение |
полюсов и контуров |
вихревых токов |
на раз |
|
вертках |
якорей |
муфт: |
|
|
|
а — индукторной с |
рядным |
размещением полюсов; |
б — индукторной с |
шахмат |
|
ным размещением |
полюсов; |
в — панцирной; г — явнополюсной |
|
зываемый активным слоем. С повышением частоты вихре вых токов глубина активного слоя якоря, в котором проис ходят электромагнитные процессы, уменьшается.
Вихревые токи создают поток реакции якоря, который, взаимодействуя с магнитным потоком индуктора, образу ет результирующий поток.
На рис. 1.2 показаны различные формы зубцов-полюсов со стороны их рабочей поверхности, обращенной к якорю, и контуры вихревых токов. Под полюсами линии вихре вых токов направлены аксиально, а в торцовых частях яко рей — перпендикулярно к ним. Для обеспечения необходи мого сечения якоря как электропроводящего элемента его торцовые части делаются выступающими в аксиальном на правлении за пределы полюсов. В индукторных муфтах роль торцовой части для токов выполняет также средняя часть якоря &о, размещенная над обмоткой возбуждения.
ю