книги / Электромеханические аппараты автоматики
..pdfiia основе электромагнитной фрикционной муфты раз работаны электромагнитные тормоза. Ведущая часть тормоза связана с валом исполнительного механизма, а ведомая неподвижна. При обесточенной обмотке возбуждения диски сцеплены под воздействием пружины и вал заторможен. При включении обмотки возбуждения диски расцепляются и вал свободно вращается приводным двигателем механизма.
Недостатком рассмотренных фрикционных муфт является наличие скользящего контакта в виде контактных колец. Разработаны конструкции бесконтактных фрикционных муфт с неподвижными обмотками возбуждения, однако передаваемый ими момент меньше, чем у контактных за счет увеличения паразитных зазоров.
При каждом сцеплении происходит нагрев дисков за счет трения между ними (проскальзывания). Поэтому максимальная частота включения муфты определяется допустимой темпера турой нагрева дисков.
Чтобы не было залипания муфты при отключении валов, в магнитной системе предусматривается немагнитный зазор или специальная размагничивающая обмотка.
При разработке муфты выполняются [58] расчеты повер хностей трения и электромагнита. Расчет электромагнита проводится по обычной методике [5].
6.4. |
М А Г Н И Т Н О - Э М У Л Ь С И О Н Н Ы Е |
И Ф Е Р Р О П О Р О Ш К О В Ы Е М У Ф Т Ы |
|
В |
магнитно-эмульсионной муфте между поверхностями |
ведущей и ведомой частей находится порошок ферромагнитного материала. При воздействии магнитного поля взаимное сцеп ление частиц порошка увеличится, они лишатся относительной подвижности, и за счет этого возникает связь между ведущей и ведомой частями.
Применяются сухие или полужидкие смеси из зерен фер ромагнитного материала (чистое железо, карбонильное железо, смеси железного порошка с графитом, окисью цинка, талька, окисью молибдена и т. д.). Размеры ферромагнитных зерен составляют 4—50 мкм. В качестве жидкостей используются трансформаторное или силиконовое масло, фтористые соедине ния и т. Д. I
Удельное усилие Руа связи поверхностей ведущей и ведомой частей является функцией индукции В, зависящей от тока возбуждения. Поэтому, регулируя ток возбуждения и, сле довательно, вязкость смеси, можно регулировать передаваемый муфтой момент. Зависимость Руа\В) находится эксперимен тально. По конструкции такие муфты могут быть дисковыми
/
Рис. 6.7. Дисковая (а) и барабанная (б) конструкции муфт:
а : 1 — ведомый вал; 2 — уплотнение; 3 — диск; 4 — магнитопровод; 5 — обмотка; б — смесь;
7— ведущий |
вал; б: 1 — ведущий вал; |
2 — электромагнит; 3 — |
уплотнение; 4 — обмотка; |
5 — барабан; |
6 — немагнитные фланцы; |
7 — смесь; 8 — ведомый |
вал |
и барабанными (рис. 6.7). Наиболее распространены бара банные.
Минимальный передаваемый момент определяется вязко стью масла и плотностью ферромагнитных частиц в единице объема. Максимальный передаваемый муфтой момент
для дисковой муфты
|
Мт= Т dMT = Y Rya2nR 2dR = ^ |
Pya( R L - R l ) ; |
(6.18) |
|
для |
барабанной муфты |
|
|
|
|
MT = Pya2 n R U , |
|
(6.19) |
|
где RBm, R„ — внешний и |
внутренний |
радиусы диска; |
R — |
|
текущее |
значение радиуса; |
/ — длина якоря-барабана. |
|
|
Изменяя В, можно регулировать Руа и Мт.
Важной характеристикой муфты является время t ncp переход ного процесса при включении муфты (/пер = 0,02 н-0,035 с для быстродействующих муфт мощностью до 1 кВт).
Потери мощности АР, возникающие при работе муфты, превращаются в тепло. Охлаждающая поверхность муфты должна быть такой, чтобы ее температура не превосходила
Ртах= 80 -И 20° С в |
зависимости от вида наполнителя. |
Для |
|
этого |
необходимо, |
чтобы |
|
! |
АР+Р 2 = ^ oSm„(Tmax—T0), |
(6.20) |
|
где А'то — коэффициент теплоотдачи при данных давлении, температуре окружающего муфту воздуха и скорости вращения; Р2— мощность, передаваемая муфтой; SQX„ = 2п RBU11тр— повер хность охлаждения; тр— коэффициент, учитывающий свойства поверхности охлаждения (наличие ребер, цвет).
272
На ферромагнитные зерна действует электромагнитная сила Рэм и центробежная Ри, пропорциональная скорости ведомого вала со2. Для оценки влияния Рп вводится коэффициент
Ки = Ри/Рэм. |
(6.21) |
Коэффициент Кц растет с ростом |
RBUI и (02 и уменьшается |
с увеличением Bs. При Д5= 1,8 Тл |
Ка^ 0,4. При некотором |
со2 коэффициент АГЦ—»■1, значение Рп становится равным кри тическому РЦ|(р и муфта теряет управляемость. Поэтому такие муфты не рекомендуется применять при я2> 3000 об/мин. Их целесообразно применять там, где требуется высокое быстро действие, большая частота включения и плавное регулирование скорости ш2 (электропривод, тормозные устройства, регуляторы
момента и частоты вращения и т. д.). |
условия |
|
Радиальные размеры муфт выбираются из |
||
P J S ^ P U.J S ; |
Рул.и^ Р ул.и.кр, |
(6.22) |
где S — площадь поверхности, |
передающей |
усилие; Руа.а, |
Руд. ц. кр— текущее и критическое значения удельной центробежной силы, при которой возникает осаждение и уплотнение ферромаг нитных частиц смеси. Обычно ^ . „ . ^ = (0,8-7-1)• 105 Н /м 2:
Руд.ц то®1Рвш |
“^1Ръш^ Руд.Ц.ЕР» |
(6.23) |
|
& |
|
где m0 = y/g — относительная |
масса частиц. |
|
6.5. ГИСТЕРЕЗИСНЫЕ МУФТЫ
Гистерезисные муфты могут быть с возбуждением постоян ным магнитом (магнитно-гистерезисные, рис. 6.8) или элект ромагнитом. Недостатком муфты с электромагнитным воз буждением является наличие скользящего контакта в виде
Рис. 6 .8 . Магнитно-гистерезисная муфта:
У— втулка из магннтомнгкого материала; 2- - ведомый вал; 3 — магнитопровод, связанный с ведущим валом; 4 — активный слой из колец материала с широкой петлей гистерезиса
м
Рис. 6.9. Работа под нагрузкой (а) и механические характеристики (б) гисте
резисной муфты
контактных колец, достоинством — возможность управления. Магнитно-гистерезисные муфты более надежны, но нерегу лируемы.
Активный слой 4 якоря ведомой части магнитно-гистерезис ной муфты изготавливается из магнитного материала с ши рокой петлей гистерезиса и намагничивается под воздействием поля возбуждения. При вращении постоянного магнита и со здаваемого им поля возбуждения активный слой не успевает перемагничиваться за счет явления гистерезисного запаздывания (молекулярного трения). В результате создается гистерезисный момент, передаваемый муфтой [61]:
Мг= Р2/(й2 = Рг Vr/2n, |
(6.24) |
где Рг и Уг— потери и объем гистерезисного |
слоя. |
Таким образом, Мтне зависит от скорости ведомого вала со2. Если момент сопротивления нагрузки Ме<М г, то со2 растет до значения cOj. В этом режиме активный слой работает как постоянный магнит, вращающийся синхронно с полем. Состав ляющие активный слой домены отстают на угол 0 от основного
поля |
(рис. 6.9, а). При работе без нагрузки (Мс = 0) угол 0 = 0. |
При |
МС= МГ угол 0 = 0таЛ, причем Qmax зависит от свойств |
материала активного слоя. Если МС> М Г, то возникает асинх
ронный режим |
муфты, |
при котором |
появляется скольжение |
Sa (рис. 6.9, б), |
а 0 = 0твд. |
При литом |
активном слое асинхрон |
ный момент Ма может достигать больших значений. В этом случае результирующий момент M = M r+ MamaxSa становится зависимым от скорости ведомого вала.
Достоинством гистерезисной муфты является постоянство значения Мг. Если Мс резко возрастает, то в любом случае М ^ М г + Матах. Эта особенность гистерезисной муфты позволя ет использовать ее для защиты электродвигателей от перегрузки. Постоянство момента М Тспособствует быстрому разгону вала.
274
На базе гистерезисной муфты выполняются электромагнит ные тормоза. Для этого ведомую часть выполняют неподвиж ной, а ведущая связывается с валом двигателя. При этом муфта включается в начале торможения и отключается после его окончания. Поскольку Мг = const, происходит быстрая остановка механизма. Гистерезисные муфты часто использу ются при передаче вращающего момента в герметизированный объем (агрессивная среда, высокое или низкое давление и т. д.).
Глава с едь ма я
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ, МАГНИТНЫЕ
И ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ПОДВЕСЫ
7.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ
Увеличение |
частоты вращения |
в современных приборах |
и машинах и |
требования высокой |
точности производимых |
при этом измерений делают актуальной проблему улучшения качества опорных узлов (подвесов). В электрических аппаратах, применяемых для измерений, например преобразователях ма лых (не более 0,5 Н) усилий, сухое трение в опорных узлах и нестабильность упругих элементов существенно ограничивают возможность повышения чувствительности. Решение проблемы осложняется тем, что современные опорные узлы должны длительно и устойчиво работать в различных, часто агрес сивных средах в широком диапазоне измерения частот враще ния. Возникающие в них моменты и потери мощности должны быть пренебрежимо малы, а их конструкция должна быть технологичной и достаточно дешевой. Очевидно, что указанным
требованиям |
могут удовлетворять |
опорные |
узлы, в |
кото |
|
рых отсутствует |
соприкосновение |
поверхностей движущих |
|||
ся элементов. |
Это |
достигается применением |
опорных |
узлов |
|
в виде электромагнитных, магнитных и электростатических подвесов. В таких подвесах сила тяжести подвешиваемого вращающегося тела и действующие на него силы урав новешиваются пондеромоторными силами магнитного или электрического поля.
Таким образом, в электромагнитных, магнитных и элект ростатических подвесах используется явление левитации, т. е. свободного парения тела в нейтральном равновесии, что позволяет разработать принципиально новые аппараты для измерения перемещения, силы, давления, плотности, расхода жидкостей и газов и т. д.
Теоретически устойчивое состояние подвеса возможно лишь
при |!г<1 или |
ег<1 [63], где рг — относительная магнитная |
проницаемость |
подвешиваемого тела, а ег— его относительная |
диэлектрическая проницаемость. Поскольку в настоящее время неизвестны материалы с sr< 1, то устойчиво подвешиваемыми телами могут быть только диамагнетики (рг< 1) и сверхпровод ники (цг = 0). Во всех других случаях необходимо принудитель ное центрирование подвешиваемого тела с использованием управляемых электромагнитов или специальных механических ограничителей перемещения. Теоретически не исключена возмо жность устойчивого подвеса в переменных магнитных полях. Если сила притяжения (отталкивания) электромагнита управля ется в зависимости от положения подвешиваемого тела по оси подвеса, то может быть достигнуто устойчивое положение этого тела. Таким образом, для подвеса тел с рг>1 необходима система автоматического регулирования поля в зависимости от их положения (подвес компенсационного типа).
Электромагнитные, магнитные и электростатические подве сы обладают практически неограниченной долговечностью, в них отсутствуют механический износ деталей, шум и вибра ции, возможно нормальное функционирование в вакууме и аг рессивных средах, при широком диапазоне рабочих температур, незначительной потребляемой энергии. Недостатком их являют ся меньшие нагрузочная способность и жесткость (их пределы 1,5—2 Н/мкм), чем у механических опор тех же габаритов.
Одна из возможных классификаций подвесов приведена на рис. 7.1 [64]. В соответствии с этой классификацией различают
Рис. 7.1. Классификация подвесов
подвесы без авторегулирования (нерегулируемые) и с систе мой авторегулирования (регулируемые), пассивные (без внеш них обратных связей) и активные (с внешними обратными связями).
Электромагнитные подвесы с авторегулированием исполь зуют резонанс напряжений или токов в LC-контуре. В систе мах авторегулирования с обратными связями (активные под весы) используются микроэлектронные схемы, высокое быст родействие которых позволяет улучшить характеристики под весов.
Простейшие нерегулируемые магнитные подвесы выполня ются на постоянных магнитах. Такие подвесы могут быть построены по системам «магнит — магнит» и «магнит — фер ромагнетик». Для обеспечения устойчивости их совмещают с регулируемыми подвесами. Нерегулируемые электромагнит ные подвесы (ЭП) имеют большую нагрузочную способность, чем магнитные. Это преимущество отсутствует при исполь зовании постоянных магнитов на основе платино-кобальтовых материалов, имеющих большое произведение ВГНС, где Вг— остаточная индукция, а Нс— коэрцитивная сила.
В диамагнитном подвесе магнитным полем намагничивается диамагнитное вещество в направлении, противоположном по лю. Поэтому возникают электромагнитные силы, выталкива ющие диамагнетик из магнитного поля. Это явление исполь зуется в подвесах акселерометров, гироскопов и т. д. Диамаг нитные подвесы имеют меньшую нагрузочную способность, чем ЭП, даже при использовании лучшего диамагнетика — пиролитического графита.
Сверхпроводящие подвесы могут быть применены на прак тике в зависимости от уровня развития криогенной техники. Они могут применяться в навигационных, измерительных приборах, подшипниках криогенных и обычных двигателей.
Индукционные подвесы характеризуются малой нагрузочной способностью и значительным возмущающим моментом, воз никающим при работе.
В кондукционных подвесах используется электродинамичес кое взаимодействие магнитного поля с током. Сложность их применения обусловлена необходимостью возбуждения токов непосредственно в подвешиваемом геле.
Комбинированные ЭП выполняются как на пассивных (без внешних обратных связей), так и на активных схемах регу лирования. Один из параметров источника питания (напряже ние, частота, фаза и др.) автоматически регулируется на основании информации, получаемой от датчиков, установлен ных на подвешиваемом теле. К этой категории подвесов
относятся многоосные системы, |
в которых по одним осям |
ЭП является пассивным, а по |
другим — активным. |
Подвесы могут быть совмещенными, когда в одной кон струкции нерегулируемый магнитный подвес совмещен с одной* из разновидностей регулируемых.
Основными характеристиками подвеса являются жесткость и нагрузочная способность. Под жесткостью подразумевается пондеромоторное усилие, развиваемое подвесом, приходящееся на единицу длины перемещения центрируемого тела. Нагрузоч ная способность определяется наибольшим усилием, которое развивает подвес, т. е. его подъемной силой.
7.2. ПОДВЕШИВАНИЕ В ПОСТОЯННЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ
У диамагнитного материала pr < 1 на незначительную величину. Поэтому эффект вытеснения тока из магнитного поля проявляется слабо и нагрузочная способность диа магнитных подвесов низка. Элементарная работа, совершаемая электромагнитной силой в диамагнитном подвесе на пути dl [67]:
dA = P^dl = —dW = —(grad W) di, |
(7.1) |
|
№=-'-110%VH2, |
(7.2) |
|
где W, V— потенциальная энергия в магнитном поле и объем |
||
подвешиваемого диамагнитного |
тела соответственно; |
Н — на |
пряженность магнитного поля; |
х = (Пг—0 — магнитная |
воспри |
имчивость материала. |
|
|
Электромагнитное усилие Рэм, действующее на диамагнетик, |
||
с учетом (7.2) |
|
|
Рэм= - 1-Ш У ёгайН 2. |
(7.3) |
|
В однородном магнитном поле grad# 2= 0, поэтому Рэм = 0, и диамагнетик подвешен быть не может. Если конфигурация магнитного поля такова, что создается усилие Рэмт*0, направ ленное против силы тяжести, то должно соблюдаться равенство
|
P,u = P* = pVg, |
(7.4) |
где Рд— сила |
тяжести диамагнитного |
тела; р — плотность |
диамагнитного |
материала; g — ускорение |
свободного падения |
тела. |
|
|
В качестве диамагнитного материала целесообразно ис пользовать висмут и графит. Эффективность диамагнитного подвеса может быть повышена в результате разработки новых материалов с высокой диамагнитной восприимчивостью (на пример, на углеродистой основе).
278
Рис. 7.2. Простейший диамагнитный подвес:
/, 2 — постоянные магниты; 3 — пластмассовое кольцо (на грузка); 4 — диамагнитное кольцо из графита
i N /
Рис. 7.3. Диамагнитный подвес акселерометра:
/, 2 — постоянные магниты; 3 — графитовый стержень; 4 —
устройство управления, работающее по сигналам оптической системы; 5 — переключатель; 6, 7— источники питания; <S\ 9 — электрическая компенсационная система уравновешивания
Несмотря на малую нагрузочную способность, диамагнит ные подвесы имеют ряд достоинств. Главное из них — это возможность нерегулируемого подвеса в постоянном магнит ном поле. Диамагнитный подвес без затрат энергии может быть осуществлен в поле постоянного магнита (рис. 7.2), простота конструкции позволяет использовать его в качестве упорных подшипников, шарниров, опор в измерительных устройствах таких электрических аппаратов, как акселерометры и датчики перемещений, усилий, давлений, вызываемых элек тростатическими, магнитными, фотонными или другими ис точниками.
Смещение подвешенного тела измеряется с помощью мо стовой системы. Пример использования диамагнитного подвеса в акселерометре приведен на рис. 7.3. Усилие, создаваемое полем постоянных магнитов 1, 2, поддерживает диамагнитный графитовый стержень 3 в подвешенном состоянии. При смеще нии стержня вправо или влево от этого состояния равновесия подаются сигналы от оптических датчиков (на рисунке не показаны) в устройство управления 4. Устройство 4 с помощью переключателя 5 подключает источник 6 или 7 к обкладкам конденсаторов 8 или 9, создающим электростатические усилия, возвращающие стержень 3 в состояние равновесия.
Подвешиваемое диамагнитное тело (стержень, кольцо) может покрываться тонкой медной оболочкой, в которой создаются вихревые токи, демпфирующие его колебания
в магнитном поле. При электропроводящем диамагнетике (например, бериллий) покрытие медью не обязательно.
В сверхпроводящих подвесах сверхпроводящий материал взаимодействует с внешним магнитным полем как идеальный диамагнетик (цг = 0), не пропуская внутрь себя линии магнит ного поля (эффект Мейснера). В результате на сверхпроводящее тело действует выталкивающая сила, обеспечивающая устой чивую левитацию в магнитном поле. Поэтому в отличие от диамагнитных подвесов здесь не требуется управление полем для повышения жесткости или нагрузочной способности.
Проводник переходит в сверхпроводящее состояние при некоторой критической температуре 7^ <23 К. При наличии внешнего магнитного поля Ткр еще меньше. При Н > Н кр материал теряет сверхпроводящие свойства и переходит в обыч ное состояние. Сверхпроводимость не обнаруживается у фер
ромагнетиков, меди и |
серебра. |
|
В сверхпроводнике наведенные токи не затухают. Глубина |
||
проникновения в него |
магнитного поля составляет |
примерно |
10 ~п м, а плотность |
тока в таком тонком слое |
составляет |
10 й —1012 А/м2. От взаимодействия тока с магнитным полем возникают используемые в сверхпроводящих подвесах силы.
Сверхпроводящие подвесы не требуют систем автоматичес
кого |
регулирования тока, что |
является их |
достоинством. |
В |
настоящее время одним |
из лучших |
материалов для |
криогенного подвеса является ниобий (7кр = 8 К) и его соединения с оловом и германием. Перспективно применение керамики на основе иттрия, разработанной в Физическом институте АН СССР,
эффект сверхпроводимости в которой начинается при Т= 102 К.
7.3. ПОДВЕСЫ НА ПОСТОЯННЫХ МАГНИТАХ И ЭЛЕКТРОМАГНИТАХ ПОСТОЯННОГО ТОКА
7.3.1. Подвесы на постоянных магнитах
Магнитные подвесы, применяемые в качестве подшипников, называют магнитными опорами. Магнитные опоры могут применяться для так называемой магнитной разгрузки обычных механических подшипников. В простейшем устройстве с маг нитной разгрузкой (рис. 7.4) устойчивое равновесие подвешен ного ферромагнитного тела 2 невозможно и сила тяжести1 лишь частично компенсируется, уменьшая износ упорного подшипника 3.
Радиальные и упорные магнитные опоры выполняются по системе «магнит — магнит» при концентрическом или соосном
расположении |
ПМ. Магниты могут быть намагничены как |
в радиальном, |
гак и в осевом направлении (рис. 7.5). |
280