Торцовая электрическая машина со встроенным тормозным устройством (80

Описана конструкция трехфазного торцового асинхронно­ го электродвигателя со встроенным тормозным устройством. Принцип действия тормозного устройства основан не на при­ менении специального электромагнита, а на использовании осевой силы магнитного притяжения статора и ротора элек­ тродвигателя.

Design of the three-phase flange-mounted asynchronous mo­ tor with built-in braking device is described. Functioning principle of this device is based not on the special electromagnet application but on using axial magnetic stator and motor rotor attraction.

В раде случаев требуются электродвигатели [1] для привода исполнительных механизмов, работающих в повторно-кратковременном режиме с частыми пусками под нагрузкой. По условиям эксплуатации для них не­ обходим фиксированный останов за регламентирован­ ное время после отключения двигателя от сети.

С этой целью электродвигатели снабжаются тормоз­ ными устройствами. Они разнообразны по конструк­ ции и принципу действия. Например, в работе [2] опи­ сывается тормозное устройство, основанное на исполь­ зовании сил притяжения за счет потоков рассеяния ротора. В работе [3] приводится конструкция энергоем­ кого стопорного тормоза с электромагнитом с торсион­ ным замыканием.

Общим для этих тормозных устройств является то, что они спроектированы для асинхронных электродви­ гателей цилиндрической формы исполнения. В то же время существуют торцовые — дисковые — асинхрон­ ные электродвигатели (ТАД) [4], которые обладают оп­ ределенными преимуществами по сравнению с цилин­ дрическими электродвигателями. Причем разнообразие предложенных конструкций связано как с особенностя­ ми функционального назначения ТАД, так и с особенно­ стями и методами конструирования, используемым арсе­ налом средств для решения соответствующих конструк­ тивных, технологических и эксплуатационных задач.

В этой связи одним из требований, предъявляемых к конструкциям ТАД по условиям эксплуатации, являет­ ся наличие тормозного устройства, предназначенного для быстрой остановки вращающихся инерционных

масс, связанных с валом ротора, после отключения электродвигателя.

В основе этого требования могут быть причины тех­ нологического характера, например в текстильной или легкой промышленности, а также вопросы техники безопасности в различных отраслях промышленности и на транспорте.

Между тем, на наш взгляд, конструированию ТАД, оснащенных тормозными устройствами, до настоящего времени не уделялось достаточного внимания, о чем можно судить, анализируя известные запатентованные конструкции.

Торцовый силовой асинхронный электродвигатель с одним диском статора и одним диском ротора имеет плоские рабочие поверхности магнитопроводов статора и ротора. Возникающее между ними электромагнитное поле имеет не только тангенциальную составляющую, вызывающую вращение ротора, но и осевую составляю­ щую, приводящую к притяжению магнитопроводов. В большинстве случаев осевое усилие является нежела­ тельным явлением и с ним борются: ставят упорный подшипник, второй диск статора и т. п.

Однако если ТАД снабдить тормозным устройством, то достоинством такого совмещенного устройства: электродвигатель — тормоз является возможность ис­ пользования силы одностороннего магнитного притя­ жения. Это приводит:

к отсутствию необходимости в специальной катушке (обмотке) возбуждения и, как следствие, отсутствию электрических потерь и выделяемого ими тепла;

созданию более благоприятных условий работы тор­ мозного устройства;

высокому усилию торможения, так как осевая сила магнитного притяжения достигает значительной вели­ чины; эта сила не зависит от направления вращения электродвигателя;

применению тормозного устройства в многоскоро­ стных электродвигателях, если регулирование скорости достигается при постоянном моменте;

уменьшению габаритов и массы совмещенного уст­ ройства.

Авторами разработана конструкция торцовой элек­ трической машины с однодисковым ротором, содержа­ щей встроенное тормозное устройство [5], что позволит в определенной мере устранить указанный пробел в во­ просах проектирования ТАД.

Сборный корпус ТАД (рисунок) состоит из несущих щитов 1 и 2, образующих центральную кольцевую по­ лость, внутри которой на щите 1 через посредство груп­ пы опор J установлен магнитопровод 4 статора с /л-фаз- ной обмоткой возбуждения. Ротор ТАД состоит из цен­ трального диска 5 со ступицей 6 и вала 7 ротора, которые сопряжены между собой посредством шлицевого соединения 8, допускающего осевое смещение диска ротора относительно вала. Магнитопровод 9 ро­ тора с короткозамкнутой обмоткой отделен в обесто­ ченном состоянии машины от магнитопровода 4 стато­ ра воздушным зазором А\. Для установки зазора Aj слу­ жат винты 10 с контргайками 11 и цилиндрические выступы 12 опор 3, снабженные резьбовыми участками и входящие в отверстия щита 1. Резьбовые участки этих выступов снабжены гайками 13 и элементами их стопорения. На диске 5 ротора закреплена пластина 14, плот­ но прилегающая в обесточенном состоянии ТАД к тор­ мозной накладке 15, имеющей стальную подложку 16 и жестко связанной со ступенчатыми валиками 17 регули­ ровочных упоров. Каждый из упоров помимо валика 17 содержит гайку 18, контргайку 19, шайбу 20 и стопор­ ное кольцо 21. Причем гайка 18, ввернутая в щит 2, под-

5 27 28 6 29 26 "Т

1ЙГ

вижно сопряжена с валиком 17vs. не имеет осевого сме­ щения относительно валика. Цилиндрический выступ 22 каждого валика 17 входит в соответствующую кольце­ вую расточку щита 2, обеспечивая тем самым непод­ вижность тормозной накладки 15. Базирование вала 7, связанного шлицевым соединением 8 со ступицей 6 диска 5 ротора, в несущих щитах 1 и 2 осуществляется через посредство радиального подшипника 23, установ­ ленного в стенке щита 1 с помощью стакана 24 и крыш­ ки 25, и радиально-упорного подшипника 26, охваты­ вающего ступицу 6 диска ротора и размещенного в на­ ружной цилиндрической полости щита 2. Внутри этой полости установлен упорный подшипник 27 и разме­ щена пружина 28 тормозного устройства. Один торец пружины поджат к подвижному кольцу упорного под­ шипника 27, а другой — через установочное кольцо 29 — к внутреннему кольцу подшипника 26. Вовнутрь наруж­ ной цилиндрической полости щита 2 запрессовано не­ подвижное кольцо 30, охватывающее пружину 28, а на наружном кольце подшипника ^размещена втулка 31, имеющая возможность осевого смещения вместе с под­ шипником 26. В обесточенном состоянии ТАД между торцами кольца 30 и втулки 31 установлен зазор ДгДля фиксации этого зазора служат гайка 32и контргайка 33, а для его контроля выполнено резьбовое отверстие, за­ крываемое пробкой 34. С целью охлаждения нагреваю­ щихся элементов в конструкции ТАД предусмотрена самовентиляционная система, которая включает сеть вентиляционных каналов и полостей, соединенных ме­ жду собой и с окружающей атмосферой. Для перемеще­ ния охлаждающих воздушных потоков диск ротора снабжен вентиляционными лопатками 35, 36, а для вы­ броса нагретого воздуха из центральной кольцевой по­ лости машины предусмотрены окна 37, 38, выполнен­ ные на периферийных стенках несущих щитов. Пустоте­ лый вал 7ротора имеет два внутренних шлицевых участка 39, 40VL один наружный участок 41, предназначенные для соединения с исполнительными механизмами.

ТАД работает следующим образом. При подключе­ нии к сети в обмотках статора возникает пусковой ток, превышающий ток рабочего режима машины, в резуль­ тате чего возникает сильное магнитное поле, под дей­ ствием которого диск ротора совершает осевое переме­ щение по шлицам вала ротора в сторону магнитопро­ вода статора и отходит от тормозной накладки 15. При этом происходит дополнительное сжатие пружины 28. Втулка 31, связанная с наружным кольцом подшипника 26, перемещается и своим торцом упирается в торец кольца 30. Зазор Дг исчезает, а между поверхностями магнитопроводов 4 и 9 устанавливается рабочий зазор Д, равный разности зазоров А.\ и Дг, который сохраня­ ется в процессе вращения ротора под действием вра­ щающегося магнитного поля, так как при малой вели­ чине зазора Д сила притяжения магнитопроводов 9 и 4 при номинальном токе в обмотках статора достаточна для удержания ротора в рабочем положении. Этому со­ ответствует зазор между пластиной 14 диска ротора и тормозной накладкой 15, равный Дг-

При отключении электропитания обмотки статора от сети магнитный поток, удерживающий ротор в рабо-

чем положении, исчезает. Вследствие этого пружина 28 вызывает осевое смещение диска ротора 5 со ступицей 6 в сторону тормозной накладки 15 на величину Д2. В результате трения поверхностей сопряжения пласти­ ны 14диска ротора и тормозной накладки 15, прижатых усилием пружины 28, происходит остановка ротора. Этому соответствует осевой между торцами кольца 30 и втулки 31.

Регулировочные устройства, предусмотренные в конструкции ТАД, позволяют устанавливать оптималь­ ные значения зазоров At и Д2, а по мере износа тормоз­ ной накладки — выполнять их корректировку.

Важно заметить, что в отличие от известных конст­ рукций ТАД с однодисковыми ротором и статором опорные подшипники вала ротора практически полно­ стью разгружены от действия осевых сил, что способ­ ствует повышению ресурса машины. Предложенная конструкция ТАД отличается малыми осевыми габари­ тами и удобством в обслуживании. Она достаточно про­ ста и технологична для промышленного освоения.

На стадии проектирования ТАД с встроенным тор­ мозным устройством должны быть выполнены расчеты ожидаемых значений времени торможения и соответст­ вующего угла поворота ротора до его полной остановки.

Дифференциальное уравнение вращательного дви­ жения имеет вид [6]:

где Jz — момент инерции вращающихся масс ротора с учетом движущихся элементов машины, связанных с валом ротора; q> — угол поворота ротора вокруг оси вращения Z; Mz — момент внешних сил относительно оси Z.

тельно к заданному типу исполнительного механизма, присоединяемого к валу ротора.

Рассмотрим наиболее простой случай, когда тормо­ жение вала ротора после отключения электропитания машины осуществляется только тормозным устройст­ вом. В этом случае, как нетрудно убедиться, момент сил трения есть величина постоянная:

где q — интенсивность поверхностных сил давления, создаваемых пружиной тормозного устройства на кон­ тактных поверхностях тормозной накладки и диска ро­ тора;/— коэффициент трения; R2 и i?j — соответственно наружный и внутренний радиусы тормозной накладки.

ны тормозного устройства.

При Мту = const, как следует из уравнения (1), в ре­ жиме торможения движение ротора является равнозамедленным.

Интегрируя уравнение (1), с учетом того, что конеч­ ная угловая скорость ротора cot = 0, и приняв во вни­ мание формулу (2), находим время торможения:

2*qf{R\-R\)

где щ — номинальная угловая скорость ротора перед началом процесса торможения.

Угол ф поворота ротора до его полной остановки легко определить по теореме об изменении кинетиче­ ской энергии [6]:

Фо

Отсюда, при учете равенства (2), находим:

2* qf(Rl-R\)

Сопоставив формулы (3) и (4), получаем: Ч>1 = Щ{1 А

что соответствует равнозамедленному движению.

Заметим, что время торможения t\, и соответствую­ щий угол ф1 выбега обратно пропорциональны контакт­ ному давлению q, а следовательно, силе пружины тор­ мозного устройства.

Усилие же Р пружины должно быть определено в за­ висимости от осевой силы ^притяжения между магнитопроводами статора в рабочем режиме ТАД, т. е. при значении воздушного зазора между поверхностями магнитопроводов, равном А\ — А2.

Сила притяжения F = KFB2S, где KF — коэффици­ ент пропорциональности; В — индукция в воздушном зазоре; S — площадь торцовой поверхности магнитопроводов статора и ротора.

Решение этой задачи может быть найдено на основе результатов специально организованных эксперимен­ тальных исследований.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Справочник по электрическим машинам / Под ред.

И.П. Копылова, Б. К. Клокова. М.: Энергоиздат, 1988 688 с.

2.Пат. 2041548 РФ: МПК6 CI 6Y 02К 7/102//F 16D 55/02. Тормоз электрической машины.

3.Федосеев В. Н., Носко А. Л. Энергоемкие автоматиче­ ские стопорные тормоза с торсионным замыканием // Привод­ ная техника. 1997. № 4. С. 23—24.

4.Загрядцкий В. И., Кобяков Е. Т., Степанов Ю. С. Торцо­ вые асинхронные электродвигатели и совмещенные электроме­ ханические агрегаты. М.: Машиностроение 2003, 287 с.

5.Заявка 2004109766 РФ: Торцовая электрическая машина со встроенным тормозным устройством / Загрядцкий В. И., Кобяков Е. Т.: Заявка 30.03.04.

6.Старжинский В. М. Теоретическая механика. М.: Наука, 1980. 464 с.