Разработка структурной схемы автоматического управления с сервоприводом и электромагнитной муфтой

Электромагнитная муфта предназначена для передачи вращающего момента двигателя к рабочему механизму. Принцип их действия основан на электромагнитных свойствах связываемых элементов. Муфта состоит из двух частей: ведущей и ведомой, которые образуют замкнутую магнитную систему.

Ниже рассматриваются три вида электромагнитных муфт, получивших наибольшее применение в САУ: фрикционная (контактная и бесконтактная), порошковая и асинхронная (муфта скольжения).

1.1 Контактная электромагнитная фрикционная муфта

В контактной электромагнитной фрикционной муфте передача вращающего момента с ведущей полумуфты на ведомую происходит за счет сил трения между контактирующими поверхностями фрикционных дисков, из которых один расположен на ведущей полумуфте, а другой - на ведомой. Эти диски изготовлены из материала с высоким коэффициентом трения.

Рисунок 1 - Электромагнитная фрикционная муфта

Устройство электромагнитной фрикционной муфты показано на рисунке 1 через контактные кольца 2 и щетки 4 напряжение управления муфтой Uу подводится к катушке 5. Возникший при этом ток в катушке наводит в магнитной системе муфты поток Ф. Замыкаясь через якорь, роль которого выполняет ведущая полумуфта 9, этот поток создаст на нем тяговое усилие. Крепление якоря (ведущая полумуфта) на валу таково, что оно допускает небольшое осевое перемещение. В результате якорь 9, преодолев сопротивление возвратной пружины 7, упирающейся в кольцо 6, окажется притянутым к сердечнику 1 (ведущая полумуфта) и поверхности фрикционных дисков 10 сомкнутся. При этом вращение с ведущего вала 8 передается на ведомый вал 3 за счет сил трения между фрикционными дисками. При необходимости отключить муфту следует снять напряжение с контактных щеток. При этом под действием пружины 7 якорь сместиться в право, а поверхности фрикционных дисков разомкнутся и вращение ведомого вала прекратиться. Для увеличения передаваемого вращающего момента в некоторых конструкциях используют несколько пар фрикционных дисков, количество которых тем больше, чем больше передаваемый момент.

Основной недостаток рассмотренной муфты - наличие скользящего контакта "щетки - контактные кольца", что снижает надежность муфты.

1.2 Бесконтактная электромагнитная фрикционная муфта

Бесконтактная электромагнитная фрикционная муфта состоит из трех основных элементов, рисунок 2. Неподвижный элемент 2 с катушкой 3 посажен на ведомый вал через шарикоподшипник 1. Благодаря такой конструкции при передаче вращения на ведомый вал эта часть муфты остается неподвижной, что позволяет катушку 3 непосредственно включать в сеть, не применяя скользящих контактов, как это сделано в контактной фрикционной муфте. Элемент 5 представляет собой ведущую полумуфту, посаженную на ведущий вал посредством шпонки 6. Конструкция этого элемента аналогична ведущей полумуфте контактной фрикционной муфты, т.е. он имеет возможность небольшого осевого перемещения, преодолевая сопротивление возвратной пружины. Элемент 4 рассматриваемой муфты является промежуточным способным благодаря шпонке 7 передать вращение на ведомый вал, т.е. этот элемент представляет собой ведомую полумуфту. При включении катушки 3 в сеть в магнитной системе муфты, составленной из трех элементов, возбуждается магнитный поток Ф, замыкающийся по контуру Ф и создающий на ведущей полумуфте 5, являющейся якорем электромагнита, тяговое усилие, которое смещает эту полумуфту влево вдоль ведущего вала. При этом фрикционные диски смыкаются, и вращающийся момент с ведущего вала передается на ведомый вал. Чтобы магнитный поток не замыкался в промежуточном элементе 4, что нарушило бы работу муфты, этот элемент имеет "окна" по периметру цилиндрической катушки 3. При снятии напряжения питания катушки 3 тяговое усилие исчезает и под действием возвратной пружины (не показана на рисунке) элемент 5 смещается вправо, при этом фрикционные диски размыкаются.

Рисунок 2 - Бесконтактная электромагнитная фрикционная муфта

Для уменьшения магнитных потерь во вращающихся частях бесконтактной муфты эти части иногда делают шихтованными. Бесконтактная электромагнитная муфта сложнее и дороже контактной, но отсутствие в ней скользящего контакта делает ее более надежной.

Промышленность выпускает электромагнитные фрикционные муфты серии Э1ТМ. Муфты рассчитаны на включение в сеть постоянного тока напряжением 24 В и имеет степень защиты IP00.

Основные характеристики электромагнитных муфт: Мном - передаваемый вращающий момент; nном - номинальная частота вращения; nmax - предельно допустимая частота вращения; Р20 - мощность, потребляемая катушкой электромагнита в холодном состоянии (при температуре 20°С). Мощность потребляемая бесконтактными муфтами больше, чем у контактных, что объясняется наличием двух воздушных зазоров в бесконтактных муфтах.

Принцип действия электромагнитной порошковой муфты основан на свойстве жидкого или порошкообразного ферромагнитного вещества (наполнителя муфты) под действием магнитного поля увеличивать свою вязкость и прочно прилипать к стенкам намагниченных элементов. В принципе порошковая муфта является фрикционной. Однако, в отличие от последней, передача вращающего момента от ведущей части муфты к ведомой в порошковой муфте происходит не за счет сил трения сжимаемых поверхностей, а за счет повышения вязкости ферромагнитного наполнителя муфты.

Рисунок 3 - Электромагнитная порошковая муфта

На рисунке 3 показано устройство контактной порошковой муфты. Ведущая часть муфты состоит из зубчатого колеса 1, полого ферромагнитного стального цилиндра 3 и крышки 7. Ведомая часть муфты состоит из ведомого вала 9, на котором жестко закреплен ферромагнитный сердечник 2 с катушкой 4. Питание в катушку подается через контактные кольца 8 и щетки. Провода, соединяющие кольца 8 с катушкой 4, прокладывают по поверхности вала 9. При подаче напряжения на катушку магнитный поток Ф, замыкаясь в магнитопроводе, проходит через воздушный зазор, разделяющий ведущую и ведомую части муфты. Этот зазор заполнен смесью, содержащей порошкообразный ферромагнитный материал 5 (на рисунке показан точками). При отключенной катушке 4 указанная смесь практически не создает связи между ведущей и ведомой частями муфты. Когда же в катушке появляется ток и в магнитопроводе возникает магнитный поток Ф, ферромагнитные частицы 5, заполняющие зазор, намагничиваются и создают жесткую связь между частями муфты. В итоге вращение с ведущей части муфты передается на ведомый вал 9. Уплотнители 6 необходимы для удержания наполнителя в рабочем объеме.

Отечественная промышленность изготовляет электромагнитные порошковые муфты серии БПМ.

Обладая высоким быстродействием (ферромагнитная смесь практически безынерционная), что является достоинством порошковой муфты, эти муфты имеют недостаток, обусловленный сложностью конструкции: необходимость защиты подшипников от попадания в них порошка и периодической замены ферромагнитного наполнителя из-за постепенного его "старения" и утраты ферромагнитных свойств.

1.3 Электромагнитная асинхронная муфта

Электромагнитная асинхронная муфта состоит из индуктора 6 с катушкой возбуждения 3 на ведомом валу 5 и якоря 2 на ведущем валу 1, рисунок 5.10, а. Катушка питается от источника постоянного тока через контактные кольца (изолированные от вала и друг от друга) и щетки 4. якорь 2 вращается вместе с ведущим валом 1 в магнитном поле индуктора. При этом магнитное поле индуцирует в массивном якоре 2 вихревые токи. В результате взаимодействия этих токов с полем индуктора на индукторе возникает вращающий момент, направленный в сторону вращения якоря. Под действием этого момента индуктор приходит во вращение, т.е. вращение якоря передается на индуктор. Вращающий момент, переданный таким образом с якоря на индуктор, является асинхронным, т.е. в рассматриваемой муфте имеет место скольжения, а следовательно, частота вращения ведомого вала n2 всегда меньше частоты вращения ведущего вала n1, так как только при этом условии в якоре индуцируются вихревые токи.

Рисунок 4 - Электромагнитная асинхронная муфта

Свойства рассмотренной электромагнитной муфты во многом схожи со свойствами асинхронного двигателя и определяются ее механической характеристикой рисунок 4, б. С увеличением статического нагрузочного момента Мс на ведомом валу частота вращения снижается. Механическая характеристика муфты мягкая и зависимость частоты вращения от нагрузки в асинхронной муфте более значительна, чем в асинхронном двигателе. Изменяя ток в индукторе Iв можно менять частоту вращения ведомого вала. Если момент нагрузки приводного механизма оказывается больше максимального момента муфты, то происходит опрокидывание - вращение ведомой части прекращается. Благодаря способности к опрокидыванию муфта может защищать приводной двигатель от больших перегрузок. К достоинствам такого привода с муфтой относятся простота устройства и эксплуатации, низкая стоимость, высокая надежность. Но с увеличением скольжения растут потери мощности и КПД привода снижается.

В целях повышения КПД в некоторых конструкциях на якоре асинхронной муфты располагаю короткозамкнутую обмотку 2, аналогичную обмотке ротора асинхронного двигателя, а сердечники индуктора 1 и якоря делают шихтованными, рисунок 5.

Рисунок 5 - Асинхронная муфта с короткозамкнутой обмоткой

Достоинства муфты: плавность передачи вращающего момента на ведомый вал; простота конструкции, возможность регулирования частоты вращения ведомого вала, отсутствие изнашиваемых элементов.

Недостатки муфты: низкий КПД из-за значительных потерь на вихревые токи, низкие габаритно-массовые показатели.

2. Сервопривод

2.1 Определение сервопривода