книги / Электромагнитные муфты скольжения

Т. 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

© Энергоатомиздат, 1985

П Р Е Д И С Л О В И Е

Электромагнитные муфты скольжения находят приме­

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

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