книги из ГПНТБ / Механизмы с магнитной связью

мышленные системы с магнитами из ферритов бария на моменты до 80 кгм и скорость вращения до 3000 об/мин.

Муфты со сплавными магнитами в виде втулки (схемы 1, 2, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 13, 14, 15) имеют магнитопроводы или полюсные си­ стемы из магнитно-мягкой стали, располагающиеся по торцам магнита. Зубцовые зоны из стали позволяют легко выполнить оптимальное число зубцов и сконцентрировать магнитный поток в зазоре. Магнит в таких системах может быть смонтирован во внутренней полумуфте, в наружной полумуфте или неподвижно. При больших скоростях вращающийся магнит бандажнруется по всей длине напрессованным немагнитным кольцом. При этом скорость можно увеличить до 190 м/с на поверхности магнита.

Муфты являются реактивными. При необходимости защиты от коррозии магнит в реактивных СММ можно установить в не­ магнитный корпус наружной полумуфты, являющийся и бандажом для магнита.

Недостатком конструкций с вращающимся магнитом является воздействие на магнит центробежных сил, чего нет в вариантах конструкций с неподвижным магнитом (схемы 5, 6, 7, 14). В этих схемах магнит располагается в немагнитном корпусе, а магнит­ ный поток подводится к полумуфтам кольцами — магнитопрово­ дами. Магнитопроводы необходимо выполнять минимальной длины. Зазоры между ними и вращающейся полумуфтой — 0,2— 0,3 мм.

В СММ с неподвижным магнитом имеются два дополнительных воздушных зазора, что увеличивает длину магнита и утяжеляет механизм. Тем не менее в ряде случаев такая конструкция яв­ ляется оптимальной, так как габариты движущихся частей опре­ деляются лишь допустимой индукцией в стали. Это позволяет уменьшить их размеры.

При частых разборках системы или необходимости отключать ведомый вал от ведущего применяются электромагнитные СММ.

Конструкции электромагнитных муфт с униполярной обмоткой возбуждения повторяют конструкции магнитных муфт с магнитом в виде втулки, разобранные выше. Вместо магнита установлена обмотка возбуждения. Если обмотка возбуждения расположена во вращающихся полумуфтах, то питание обмотки производится через контактные кольца (схемы 19, 20, 21, 22, 23, 27, 28).

Муфта с многокатушечной обмоткой (схема 24) также питается через контактные кольца, однако сложна конструктивно и иетехнологична. Наличие контактных колец снижает надежность си­ стемы. Поэтому более целесообразными являются конструкции

снеподвижной обмоткой возбуждения (схемы 25, 26, 27, 28, 29, 30).

Вэлектромагнитных муфтах (как и других СММ) необходимо предусматривать охлаждение обмоток возбуждения. Но следует учитывать, что муфты с обмотками возбуждения на внутренних полумуфтах, имеют худшие теплорассеивающие способности, чем муфты с обмотками на наружных полумуфтах. По этой же при*

32

чине схема 25 имеет лучшие условия охлаждения обмотки, чем схемы 26 и 27.

. Схема 25 получила наибольшее распространение в муфтах большой мощности (до 240 квт) и скорости вращения (до 20 000 об/мин). Схемы 26 и 28 используются для тихоходных муфт большой мощности. Перепад давлений может достигать 100— 150 ата. В этом случае может быть применено секционирование муфты, т. е. выполнение на одном валу нескольких отдельных муфт, объединенных конструктивно в одно целое (схема 30) или многократное использование магнитного потока при сохранении диаметра полумуфты. По сравнению с муфтой, использующей магнитный поток однократно, в муфтах с /і-кратным использова­ нием потока уменьшается примерно в п раз необходимый магнит­ ный поток и сечение магнитопровода. При этом однако в п раз возрастает необходимая намагничивающая сила возбуждения, так как увеличивается длина воздушных зазоров на пути магнит­ ного потока.

В многосекционной муфте в отличие от муфты с многократным использованием потока катушка возбуждения рассчитывается на элементарную муфту и, как правило, число катушек соответ­ ствует числу секций.

Механизмы поступательного перемещения могут быть магнит­ ными (на сплавных магнитах или магнитах из феррита бария)

иэлектромагнитными. Как правило, это передачи с небольшой линейной скоростью. Они могут выполняться как с плоским экра­ ном (схемы 36, 37, 38, 39), так и с цилиндрическим (схемы 40, 41, 42, 43). В схемах 36—41 обе части механизма двигаются посту­ пательно. Схемы 42 и 43 аналогичны механической паре винт— гайка.

Наиболее простыми схемами редукторов 12являются схемы 44

и48. Недостатком их является малый передаваемый момент, обусловленный тем, что в магнитном взаимодействии находится малое число (от двух до четырех) зубцов. Этот недостаток устранен

в магнитном редукторе, выполненном по схеме планетарного меха­ нического редуктора типа 2К-Н с внутренним зацеплением (схема 47). В редукторе на эксцентричном ведущем валу (водило) 2 расположен на подшипниках сателлит 1 с двумя зубчатыми вен­ цами 5 и 8. Венец 8 взаимодействует с неподвижным главным зуб-

1 Л. Б. Г а и з б у р г. Механизм для передачи вращательного движения

сизменением скорости вращения. Авт. свид. № 153633, 1963.

A.А. Д я т л е н к о . Зубчатая передача с магнитным бесконтактным взаимо­ действием зубьев. Авт. свид. № 192576, 1965.

Ф.Б е н д а , М. И л и с е к. Магнитная глобоидная червячная передача. Пат. ЧССР, № 125725, 1965.

B.М. Ш е й н ф и н к е л ь . Червячная передача. Авт. свид. № 274591,

1968.

Л.Я- Ц и к е р м а н, Ю. М. П я т и н, М. П. М а к с и м о в . Магнитная зубчатая передача. Авт. свид. № 296928, 1969.

чатым колесом 7, жестко связанным с корпусом редуктора. Ве­ нец 5 взаимодействует с подвижным главным зубчатым колесом 6, закрепленным на ведомом валу 4.

Между окружностями выступов главных колес и венцов са­ теллита имеется радиальный зазор. Для создания магнитного потока, обеспечивающего взаимодействие зубчатых колес, может быть использован кольцевой магнит (в магнитном редукторе) или катушка возбуждения (в электромагнитном редукторе).

Наличие внутренних зацеплений с малой разностью зубцов обеспечивает возможность передачи большого момента в широком диапазоне передаточных отношений.

Прочие схемы редукторов применимы преимущественно в при­ борных кинематических передачах. Для сложных многоступен­ чатых передач применима схема 46. В этой передаче все зубчатые колеса выполнены из магнитно-мягкого материала. Электромагнит создает поле, которое, замыкаясь через зубчатые колеса, передает вращение.

При необходимости выключения передачи может использо­ ваться схема 45. Зубчатые колеса состоят из дисковых постоянных магнитов 3, создающих магнитное поле, и магнитопроводящих прокладок 4, установленных на немагнитных втулках 5; выклю­ чение передачи осуществляется сдвигом колеса 6 по шпонке вдоль вала 7.

Редуктор по схеме 50 с катящимся ротором может иметь весьма большое передаточное отношение. При вращении ведущего вала ротор 6 прижимается к кольцу 7 только с одной стороны, обкаты­ ваясь по нему, что и обеспечивает изменение скорости.

В приборных передачах применяются также шаговые магнит­ ные редукторы \ один из которых показан на схеме 51. Ведомый ротор такого редуктора, установленный на валу 1, выполнен из магнитопроводящего материала и имеет на наружной поверхности два зубчатых венца, взаимодействующих с двумя зубчатыми вен­ цами, выполненными на внутренней поверхности неподвижного статора 2. Число зубцов ведомого ротора и статора 2 неодинаково и отличается друг от друга на малую величину, например на два.

При прохождении магнитного потока ротор занимает положе­ ние, обеспечивающее минимальное магнитное сопротивление. Поэтому оси зубцов ротора и статора, находящиеся на оси сим­ метрии коммутатора, совмещены. При повороте коммутатора ось магнитного потока смещается к соседнему зубцу статора, проходя угол 3607zc статора (zc — число зубцов). Между зубцами'теперь

1Р. Ю. Б а н а с е в и ч ю с. Магнитная передача. Авт. свид. №280142, 1968;

Л.А. Борисов, Л. М. Периков, В. В. Яропольский. Бесконтактная магнитная

34

При этом оси зубцов ротора и статора вновь совпадут. Таким образом, угол поворота ротора равен

т = 3 6 0 ° і£ ^ ^ ,

ZCZp

где Zp — число зубцов ротора.

Передаточное отношение шагового магнитного редуктора (ШМР) определяется выражением

^ — ---------- .

Zp — Zc

Скорость вращения п2 выходного вала, соединенного с ротором

Из-за малого числа взаимодействующих зубцов ШМР трудно выполнить на большой рабочий момент, вследствие чего область их применения ограничивается приборными кинематическими механизмами.

Аналогично работает электромагнитный шаговый редуктор. Если СММ, имеющие явно выраженные зубцовые зоны, не имеют пускового момента, то гистерезисные муфты имеют пуско­ вой момент, являющийся их большим достоинством. Гистерезис­ ная муфта состоит из двух полумуфт. Ведомая полумуфта, как правило, содержит гистерезисные слои из материала с большими потерями на гистерезис; ведущая является индуктором — двухили многополюсной магнитной системой, создающей магнитный

поток.

Муфты могут иметь электромагнитное или магнитное возбужде­ ние. Последние получили преимущественное применение вслед­ ствие простоты конструкции, высокой надежности. Наиболее

3) индуктор с магнитом в виде втулки и когтеобразными полю­ сами.

Устройство магнитно-гистерезисных муфт показано на схемах 31—35 (табл. 1.1). Момент, передаваемый гистерезисными муф­ тами, создается за счет потерь на перемагничиванію гистерезис­ ного слоя. Эти СМР применяются, как правило, в приборных передачах.

Выбор формы и материала герметической оболочки существенно влияет на работу механизма, так как оболочка воспринимает пере­ пад давлений и при работе ее постоянно пересекает вращающееся поле. Материал должен быть механически прочным и коррозионностойким к рабочей среде. В металлических токопроводящих обо­ лочках—экранах—при работе наводятся вихревые токи, тормозя­ щие полумуфты и уменьшающие передаваемый момент. Поэтому желательно, чтобы материал экрана имел большое электрическое

сопротивление и минимальную магнитную проницаемость. В нетокопроводяіцих оболочках потерь нет. Однако известные пласт­ массы и керамики, пригодные для изготовления оболочек, меха­ нически менее прочны, чем сталь, и толщина оболочки получается большой. При этом растут и размеры муфты. Опыт применения пластмасс еще недостаточен и разделяющие оболочки из них не нашли широкого применения. В настоящее время разделяющие оболочки повсеместно изготовляются из немагнитных механически прочных сталей и сплавов.

Толщина экрана определяется также его формой. Плоские и конические экраны имеют большую толщину, чем цилиндриче­ ские. Поэтому цилиндрические муфты применяются чаще торцовых. Толщину экрана можно уменьшить, создав в корпусе противо­ давление, компенсирующее давление под экраном. Чаще для этого уменьшают диаметр по рабочему зазору. Конструктивно экраны могут выполняться как сварными, так и цельноточеными. Последние более надежны, но сложны в изготовлении.

Вследствие меньших потерь магнитодвижущей силы на рассея­ ние потока одноименнополюсные СММ имеют меньшие габариты, чем переменнополюсные того же момента. В магнитных СММ не­ обходимо проектировать магнитную цепь так, чтобы потоки рас­ сеивания имели минимальную величину, а рабочая точка магнита на кривой размагничивания или линии возврата была как можно ближе к точке максимальной энергии.

Следует.отметить, что определенные трудности в эксплуатации СММ на литых магнитах вносит необходимость размагничивания системы при разборках или использования специальных шунтов, препятствующих размагничиванию магнитов. В связи с этим необходимо иметь установку для намагничивания и специальные приспособления.

В связи со сказанным корпуса СММ конструируются с учетом намагничивания механизма после сборки импульсным способом. Для этого на корпус наматывается обмотка в 20—30 витков из провода сечением 10—16 мм2. Намагничивание производится про­ пусканием по катушке импульса постоянного тока примерно 10 000 А от конденсаторной установки емкостью до 27 000 мкФ, напряжением 200—400 В.

В ряде случаев электромагнитное возбуждение эксплуатационно удобнее использования постоянных магнитов.

Для улучшения динамических свойств СММ — демпфирования колебаний привода под действием изменяющейся нагрузки, при пусках или торможении — могут быть использованы ■короткозамкнутые обмотки или витки, расположенные на пути магнитного потока. При возникновении колебательного процесса изменя­ ющееся магнитное поле создает в них токи, а следовательно, и магнитные потоки, препятствующие изменению поля. Эти обмотки могут быть выполнены весьма-разнообразно. Их можно исполнять в виде беличьей клетки, заполняющей пазы между зубцами, в-виде

36

медных накладок непосредственно на полюса в ферритных муфтах или витков, охватывающих магннтопроводы \ Впервые подобный метод был использован авторами в 1958 г.

Характеристиками СММ кроме технических данных (мощности или момента, скорости вращения, перепада давлений, передаточ­ ного отношения, конструктивных схем и т. д.) являются следующие параметры и зависимости.

1. Угловая или статическая характеристика — зависимость момента М от угла рассогласования а при данном установившемся токе возбуждения или намагниченности магнита

М = М (а, 1) или М = М (а, F).

Момент М является синхронизирующим.

2. Добротность статической характеристики, т. е. крутизна кривой момента при а = О,

определяется как тангенс угла наклона касательной кривой ста­ тической характеристики в точке а = 0 .

3. Зона устойчивости — угол рассогласования полумуфт, при котором после снятия момента происходит возврат в исходное положение, минуя неустойчивые

180° kbz

г

Статическая и динамическая ошибки лежат в пределах зоны устойчивости.

4. Статическая добротность определяет степень использова­ ния механизма по моменту

где М эм — электромагнитный момент (максимальный передавае­ мый момент без учета механических потерь); G — вес механизма.

Величина kc характеризует момент, приходящийся на единицу веса.

5. Динамическая добротность

где — суммарный момент инерции полумуфт.

Чем больше величина /гд, тем лучше динамические свойства муфты.

-1 Патент США № 3.573.517, кл.; HG2k '49/06,- 197ly - ■ - ■' '

37

3.ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В ПЕРЕМЕННОПОЛЮСНЫХ МАГНИТНЫХ МЕХАНИЗМАХ

Целью исследования является рассмотрение процессов, про­ исходящих в механизме при его работе, определение сил, дей­ ствующих между зубцовыми зонами ведущей и ведомой частей механизма, а также геометрических соотношений размеров полю­ сов, обеспечивающих передачу максимальных механических сил.

Разработанные в работе [9] основы теории переменнополюсных магнитных и электромагнитных экранированных муфт были пер­ вым приближением к решению задачи, так как она не учитывала

Рис. 1.1. Схема механизма с магнитной связью

наличия на полумуфтах явно выраженных полюсов и зависимость механических сил, действующих в системе, от соотношения между шириной зубца и полюсным шагом.

В настоящей работе дана теория переменнополюсных меха­ низмов с магнитной связью, более полно учитывающая конструк­ цию реальных механизмов. Переменнополюсной является система, в которой следующие друг за другом полюсы имеют чередую­ щуюся полярность. В переменнополюсном СММ между двумя полюсами разной полярности всегда действует намагничивающая сила, созданная обмоткой, питаемой постоянным током, или по­ стоянным магнитом-. Для упрощения задачи примем в качестве исходной схему, представленную на рис. 1.1. В схеме принято, что магнитная проницаемость стали, из которой выполнены ма­ гнитопроводы механизма, равна бесконечности; а электропровод­ ность равна нулю. Такое допущение упрощает рассмотрение яв­ лений, хотя и вносит некоторые неточности в теорию.

Обмотка, создающая поле и питаемая постоянным током, мо­ жет быть расположена различным способом. Она может окружать полюс или, будучи расположена во впадине между полюсами, охватывать спинку зубцовой системы. При исполнении муфты на постоянных магнитах магниты могут заполнять всю магнитную цепь, кроме воздушного зазора, или часть ее. При рассмотрении магнитного поля примем, что источником н. с. являются витки, расположенные между полюсами в бесконечно тонком слое щи-

38

рйной b. По длине отрезка b токи распределены равномерно. При этом нужно помнить, что н. с. этой обмотки рассчитана на проведение потока лишь в рабочем зазоре между полюсами.

В связи со сложностью рассматриваемых вопросов исследуется лишь поле между поверхностями полюсов и не рассматриваются поля между полюсами одной и той же части механизма, так как они'могут, иметь разнообразную конфигурацию, и магнитные по­ токи между ними не участвуют в передаче механического момента.

Рассматривая магнитное поле в воздухе, можно воспользо­ ваться скалярным магнитным потенциалом 0 т, который удовле­ творяет уравнению Лапласа для двухмерной задачи

(1. 1)

Решение трехмерной задачи нами не рассматривается, так как полюсной шаг в реальных конструкциях соизмерим или меньше длины зубцов в направлении, перпендикулярном плоскости чер­ тежа (рис. 1.1). Кроме того, рассмотрение трехмерной задачи вносит большие сложности математического характера.

Рассмотрим магнитное поле в системе без экрана и при отсут­ ствии сдвига между полюсами неподвижных ведущей и ведомой систем.

При принятых допущениях пограничные условия могут быть заданы в следующем виде. Если длина воздушного промежутка между вершинами зубцов двух зубцовых (полюсных) систем бу­ дет б, то при у — —6/2 на участке от х = 0 до х = аа / 2 магнитный потенциал будет равен

Um = +Uml = Const;

на участке от х — ап /2 до х = ап / 2 + b

на участке от х = апі2 + b до х = т

Um = —£/„ц = const.

При у = +6/2 и при тех же значениях координаты х скаляр­ ный магнитный потенциал будет иметь значения те же, что и при у = —6/2 , но с противоположным знаком. Учитывая погра­ ничные условия, решение уравнения Лапласа (1.1) может быть дано в таком виде:

39

Составляющие индукции могут быть найдены из соотношений

При у = —6/2 уравнения приобретают вид:

/ і= с о

Постоянные Qk можно определить, разложив в ряд составля­ ющую индукции Вх, определенную при у = —6/2. Пограничные условия для Вх при у .= —6/2 на участке от х = 0 до х = a j 2

40

или

4Цо£/ңц

bkn

где / — сила тока в проводнике обмотки; ш — число проводни­ ков, расположенных на длине Ь. Заменив 2ІІт1 величиной Iw, формулу для Qk можно записать и в ином виде:

Таким образом, формулы, описывающие магнитное поле в воз­ душном промежутке, после замены величин Qk, принимают вид:

Л= СО

ft= 2 n + l

4=О

41