5.2. Электромеханические муфты

Управляемые муфты служат для передачи движения от одного вала к другому по сигналам управления и являются дистанционными управляемыми выключателями механического движения. С помощью муфт осуществляется быстрое подключение или отключение и торможение элементов управляемого объекта от постоянно работающего электродвигателя. Муфты позволяют плавно регулировать частоту вращения ведомого вала и передаваемый на него момент за счет регулируемого проскальзывания ведущего и ведомого элементов муфты, что важно для предотвращения аварии в момент резкого возрастания нагрузки на привод (например, в момент включения муфты).

По характеру связи между ведущим и ведомым элементами конструкции различают муфты с механической связью, или фрикционные (в которых степень проскальзывания полумуфт друг от­носительно друга регулируется силой сжатия контактирующих поверхностей), и муфты, передающие крутящий момент за счет взаимодействия электромагнитных полей полумуфт без их механического контакта. Это гистерезисные, индукционные (синхронные и асинхронные) и конденсаторные электромагнитные муфты.

Основными критериями работоспособности муфт являются прочность сцепления, или максимальный передаваемый момент, износостойкость поверхностей трения, теплостойкость.

Для дополнительного увеличения коэффициента трения и передаваемого момента в 3 — 4 раза соприкасающиеся поверхности полумуфт изготавливают из специальных материалов. В сухих фрик­ционных муфтах применяют трение стали или чугуна по накладкам из фрикционного материала на асбестовой основе или по металлокерамическим накладкам. Фрикционные тела муфт, работающих в масле, выполняют из закаленной стали, трущейся по фрикционной пластмассе или металлокерамике.

В электромагнитных муфтах полумуфты образуют замкнутую магнитную систему. Муфта выполнена из ферромагнитных материалов и имеет одну или несколько обмоток возбуждения. Посто­янный ток подается на вращающуюся катушку по контактным кольцам и щеткам.

В маломощных фрикционных муфтах сами подвижные полумуфты не имеют обмоток (рис. 40, а), одна из них (обычно ведомая) перемещается под действием магнитного поля неподвижной обмотки возбуждения, сцепляясь со второй полумуфтой. При подаче тока в обмотку 3 возникает магнитное поле, перемещающее вдоль ведомого вала по шлицам или шпонке и прижимающее ведомый элемент муфты 2 к ведущему 1. Для передачи больших моментов применяют многодисковые муфты с подвижной катуш­кой электромагнита (рис. 40, б), в которых площадь соприкосновения ведущей и ведомой полумуфт в несколько раз больше. При отключении тока пружина отжимает ведомую полумуфту от ведущей и прижимает ее к тормозной поверхности, чем обеспечивается быстрое торможение. Работа такой муфты подобна работе электромагнита.

Рис. 40. Электромагнитные муфты

Наряду с дисковыми применяют конусные и цилиндрические обжимные муфты, позволяющие передавать большие моменты, однако они имеют значительные габариты и конструктивно сложнее, что обусловило ограниченность их применения.

Зазор между полумуфтами может быть заполнен ферромагнитным порошком 4 (рис. 40, в). Под действием магнитного поля при включении муфты зерна порошка располагаются вдоль силовых линий и образуют мостики, связывающие полумуфты. Сопротивление сдвигу намагниченного порошка тем больше, чем сильнее он намагничен, что позволяет легко управлять передаваемым моментом. Порошок состоит из зерен диаметром от 4 до 50 мкм и может быть сухим (графит, тальк) или жидким, пропитанным силиконо­выми, трансформаторными маслами, фтористыми соединениями.

Электромагнитные фрикционные муфты с ферромагнитным наполнителем более надежны и менее инерционны (время срабатывания составляет менее 20 мс), имеют больший КПД. К недостаткам следует отнести сложность конструкции, постоянные потери ферромагнитного порошка через уплотнения, необходимость периодической смены порошка (в среднем через 400... 500 ч работы) ввиду постепенного окисления и разрушения зерен порошка.

В асинхронных индукционных муфтах передаваемый момент управляется изменением напряжения на обмотке возбуждения индуктора. Такие муфты способны передавать мощность от нескольких ватт до тысяч киловатт. Одна из полумуфт (рис. 40, г) имеет электромагнитные полюсы 7 с обмоткой возбуждения (индуктором), конструктивно выполненной подобно ротору асинхронного двигателя и питаемой постоянным током. Другая полумуфта имеет корот- козамкнутую обмотку 2, аналогичную роторной обмотке асинхронного двигателя. При вращении индуктора в обмотке якоря возникает ЭДС и идет ток. Взаимодействие этого тока с магнитным потоком возбуждения создает электромагнитный момент, приводящий во вращение якорь. При этом в муфте происходят те же процессы, что и в асинхронном электродвигателе. Разница заключается в том, что вращение магнитного поля в двигателе происходит за счет подачи переменного трехфазного напряжения в обмотку неподвижного статора, а в муфте вращение поля обеспечивается вращением индуктора, питаемого постоянным током. Как и в асинхронном двигателе, момент передается только при разных скоростях вращения индуктора и якоря. Ведомая часть муфты вращается с частотой

где — частота вращения ведущей полумуфты; s - 0,03...0,05 — скольжение.

Частота вращения ведомой полумуфты всегда ниже частоты вращения ведущей полумуфты, поэтому такие муфты называют также электромагнитными муфтами скольжения. Следует заметить, что с ростом скольжения падает КПД муфты.

Если момент нагрузки привода превышает максимальный момент муфты, то происходит опрокидывание — прекращение вращения ведомой полумуфты, что предотвращает перегрузку при­водного двигателя. Максимальный момент муфты определяется магнитным полем возбуждения и током возбуждения. Меняя ток возбуждения, можно управлять критическим моментом муфты.

Муфты широко применяются в регулируемых электроприводах переменного тока, состоящих из нерегулируемого электродвигателя и муфты с системой управления током возбуждения. Эти приводы просты в устройстве и эксплуатации, дешевы и надежны, однако обладают невысокими КПД и мощностью. Электромагнитные муфты в целом обладают высокой надежностью, долговечностью и быстродействием и используются для передачи мощности до тысяч кВт.

Электромеханические муфты широко используются в электромеханических приборах, лентопротяжных механизмах, станках с ЧПУ, автоматических манипуляторах и т.д.