6.1.1. Электромагнитные исполнительные элементы

В системах электроавтоматики широко используют электромагнитные исполнительные элементы дискретного действия.

Электромагнитные исполнительные механизмы по виду движения исполнительного органа подразделяются на ходовые электромагниты с прямолинейным движением и электромагнитные муфты с вращательным движением.

При автоматизации технологических процессов ходовые электромагниты используют в системах двухпозиционного регулирования в защитно-блокировочных системах. В последнем случае электромагнит с соответствующей арматурой или приспособлением производит автоматическое прекращение (отсечку) или восстановление потока вещества в технологических коммуникациях. Нередко электромагниты используют как вспомогательный привод, дающий импульс к действию рабочего органа, а также в качестве соленоидных клапанов.

Форма сердечника и якоря могут быть различными в зависимости от конструкции и назначения электромагнита. Основными характеристиками электромагнитов являются: ход якоря l, тяговая характеристика F(l), энергопотребление, время срабатывания. В зависимости от хода якоря различают короткоходовые и длинноходовые электромагниты. На рис. 6.2 представлены формы магнитопроводов, а также тяговые характеристики (т.е. зависимости тягового усилия F от расстояния l «сердечник-якорь» при различных значения тона в обмотке короткоходового и длинноходового электромагнитов).

Серийные электромагниты для систем автоматики имеют ход якоря от 2 до 120 мм, тяговое усилие от 50 до 3000 Н, потребляемая мощность от 100 до 1500 Вт, собственное время втягивания якоря oт 0,15 до 3 с, время отпадания от 0,1 до 0,6 с.

С целью экономии потребляемой электроэнергии выпускаются электромагниты, сохраняющие свое состояние после отключения электропитания от катушки. На рис. 6.3 представлена конструкция электромагнитного клапана с электромагнитной защелкой, который содержит сердечник 1 с расположенными на нем обмотками катушки 2, якорь 3 с возвратной пружиной 4 и опорной шайбой 6, электромагнит 5 защелки, шток 7 с клапаном 8, размешенные на трубопроводе 9 подачи пара, газа, воздуха или жидкости в объект управления.

а б в

г д е

Рис. 6.2. Формы магнитопроводов (а, б, в) и тяговые характеристики (г, д, е) короткоходовых и длинноходовых электромагнитов

При подаче напряжения U в катушку 2 электромагнитного клапана якорь 3 втягивается в сердечник 1, преодолевая сопротивление сжатия пружины 4. Одновременно открывается проходное отверстие клапана 8, а опорная шайба с якорем 3, штоком 7 и клапаном 8 удерживаются в верхнем положении электромагнитной защелкой 5. В результате этого питающее катушку 2 напряжение U можно отключить. При необходимости закрыть приток пара, воздуха, газа или жидкости в объект управления достаточно подать кратковременный импульс напряжения U_з в катушку электромагнитной защелки 5, которая освободит шайбу 6 от удержания. Под воздействием возвратной пружины 4 система «якорь 3, шток 7, клапан 8» вернется в исходное положение, и клапан будет закрыт.

Недостатком такой конструкции электромагнитного клапана является наличие дополнительного электромагнита защелки 5 дополнительной электрической линии управления.

В другом варианте (рис. 6.4) часть сердечника 1 выполнена в виде постоянного магнита 2. В исходном положении якоря 3 магнитный поток, создаваемый постоянным магнитом 2, недостаточен, чтобы обеспечить тяговое усилие, необходимое для преодоления воздушного сопротивления зазора и усилия возвратной пружины. Для включения электромагнитного клапана на его катушку достаточно подать импульс напряжения U такой полярности, чтобы направление магнитный потоков от постоянного магнита 2 и катушки 4 совпали по направлению. Создаваемое при этих условиях суммарное тяговое усилие будет достаточным для преодоления воздушного зазора и усилия сжатия возвратной пружины. С учетом тяговых характеристик (рис. 6.2) при втягивании якоря 3 в сердечник 1 воздушный зазор становится минимальным (или равным нулю), в результате чего для удержания якоря 3 будет достаточно тягового усилия, создаваемого только постоянным магнитом 2.

Рис. 6.3. Конструкция электромаг-нитного клапана с электромагнитной защелкой	Рис. 6.4. Конструкция электромагнита со встроенным постоянным магнитом

При необходимости перевести электромагнитный клапан в закрытое состояние достаточно на катушку 4 подать импульс напряжения обратной полярности, что приведет к уменьшению магнитного потока постоянного магнита 2 за счет обратного направления магнитного потока, создаваемого катушкой 4. При этом усилие возвратной пружины будет достаточным, чтобы переместить систему «якорь, шток, клапан» в исходное состояние.

Электромагнитные муфты (ЭММ) предназначены для передачи вращательного движения от приводного устройства (электродвигателя, рабочего вала и др.) к рабочим механизмам и состоят из ведущей и ведомой частей, связанных между собой за счет сухого или вязкого трения или индукционно. Возможны два режима работы ЭММ: сцепления ведущей и ведомой частей муфты или скольжение одной из частей относительно другой.

На рис. 6.5 изображена однодисковая фрикционная ЭММ, содержащая жестко закрепленную на ведущем валу 1 полумуф-ту 2, в корпусе которой размещены катушки 3. Ведомая полумуфта 4 установлена на ведомом валу 5 на шлицах, что лает возможность перемешаться ей вдоль вала 5. Исходное положение ведомой полумуфты 4 обеспечивается возвратной пружиной 7, а трущаяся поверхность снабжена фрикционной накладной 8, имеющей большой коэффициент трения. Выводы катушек 3 подсоединены к контактным кольцам 9, к которым через щетки (на рисунке не указаны) подводится напряжение управления ЭММ.

При подаче напряжения в катушки 3 под действием электромагнитных сил ведомая полумуфта 4 притягивается к ведущей полумуфте 3 и трущиеся поверхности с фрикционной накладкой 8 соприкасаются. Сила сжатия полумуфт 3 и 4 создает силу трения, достаточную для передачи определенного крутящего момента с ведущего вала 1 на ведомый вал 5.

Момент трения М_тр, развиваемый ЭММ, равен

,

где М – расчетный момент, который должен быть передан на ведомый вал;

= 1,5….2,0 – коэффициент запаса;

и – соответственно максимальный и минимальный радиусы соприкасающихся поверхностей;

,

где – коэффициент трения;

F_эм – усилие, создаваемое электромагнитным потоком муфты;

F_{пр –} усилие, создаваемое возвратной пружиной;

S_тр – площадь трения.

Усилие F_эм, создаваемое катушками электромагнита муфты, определяется величиной магнитодвижущей силы и магнитным сопротивлением магнитопровода.

При заданных габаритах ЭММ последняя должна быть рассчитана так, чтобы теплота, выделяемая в ней от трения и нагрева катушек, не превышала предельного значения теплоты, которое может быть отдано в окружающую среду. В связи с этим преимущественное большинство ЭММ имеют на поверхности своего корпуса ребра охлаждения.

В электромагнитной порошковой муфте (ЭПМ) связь между ведомой и ведущей полумуфтами осуществляется с помощью ферромагнитного порошка (рис. 6.6).

Рис. 6.5. Конструкция однодисковой фрикционной ЭММ	Рис. 6.6. Конструкция электромаг-нитной порошковой муфты

Ha ведущем валу 1 жестко закреплена ведущая полумуфта 2, выполненная в виде полого цилиндра с размещенными в его основании катушками 3 внутренняя полость полумуфты 2 имеет ряд дисковых перегородок 4, образующих магнитопровод. На ведомом валу 5 также размещена ведомая полумуфта 6, жестко связанная с ним и содержащая ряд дисков 7. Зазоры между дисковыми перегородками 4 и дисками 7 ведущей 2 и ведомой 6 полумуфтами заполнены ферромагнитным порошком 8 из карбонильного железа с размерами частиц порядка нескольких микрон. Для уменьшения износа частиц ферромагнитного порошка в него добавляется разделительная среда – мелкодисперсный порошок окиси цинка, окиси магния, слюды, талька и др. В ЭПМ с жидким наполнителем разделительной средой является минеральное или кремнийорганическое масло и т.п. Величина рабочего зазора между перегородками 4 и дисками 7 составляет 0,5 – 3 мм. Для удержания ферромагнитного порошка 8 или жидкого наполнителя от высыпания или утечки крайние диски и перегородки снабжены уплотнителями 9.

При подключении напряжения к катушкам 3 магнитный поток проходит по корпусу ЭПМ, перегородкам 4, зазорам с ферромагнитным порошком 8 и дискам 7. Это приводит и намагничиванию частиц ферромагнитного порошка и «слипанию» их, а также образованию сцепляющего слоя ведущей и ведомой полумуфт. Характерной особенностью таких ЭПМ является то, что с увеличением магнитного потока линейно возрастает величина передаваемого крутящего момента.

ЭПМ обладают более высоким быстродействием (миллисекунды), большой частотой переключения, отсутствием изнашиваемых поверхностей.

Электромагнитные муфты сухого и вязкого трения используются также в качестве тормозных устройств, например для поддержания заданного значения натяжения нитей основы пои сматывании их со сновальных валиков. Отличительной особенностью таких ЭММ и ЭПМ является то, что в них отсутствует ведущий вал, а ведущая полумуфта закрепляется неподвижно. Ведомый вал кинематически связан с объектом торможения.

Рассмотрим динамические свойства порошковой муфты. При подаче на обмотку управления постоянного напряжения ток управления возрастает по экспоненте с постоянной времени , где L_y и R_y – индуктивность и сопротивление обмотки управления. Эта же постоянная времени определяет экспоненту нарастания момента М, так как момент пропорционален току. Поэтому,

;

,

где U_y и I_y – напряжение и ток обмотки управления, a k' – коэффициент. Если J – момент инерции движущихся частей, связанных с ведомым валом, то, пренебрегая статическими сопротивлениями, получаем

Jp(р) = М.

В этом случае, если входной величиной для муфты является напряжение, а выходной – скорость ведомого вала, передаточная функция муфты равна

, (6.1)

где k – коэффициент пропорциональности между установившимися значениями ускорения ведомого вала и управляющего напряжения.

Описание работы муфты с такой передаточной функцией возможно только при скорости ведомого вала, меньшей скорости ведущего вала. При равенстве скоростей этих валов муфта приобретает свойства обычной муфты сцепления.

Если в качестве выходной величины муфты вместо скорости ведомого вала брать его угол поворота, получим вместо формулы (6.1) передаточную функцию

.

Основные достоинства порошковых муфт – возможность получения больших ускорений и малая мощность управления.

Основным недостатком является нестабильность характеристик, связанная, в частности, с оседанием ферромагнитных частиц. Кроме того, порошковые муфты имеют большой вес, приходящийся на единицу мощности.