книги / Электрические аппараты

Введем скорость скольжения <ис ведущей части относи­ тельно ведомой:

®С = “ 1— ®2- Тогда из системы (14.6), (14.7) получим

Для решения (14.8) необходимо знать изменение Мд, Мтр, Мн в динамике. В общем случае Мд является функци­ ей скорости юь момент Л4тр зависит от руд и kTp, а момент нагрузки Мн зависит от скорости сог и времени t. С целью упрощения решения зависимости Мд, Мтр и Мн линеаризу­ ются на малых участках изменения скорости. По найденной зависимости мc = f(t) из (14.8) определяется время t, при котором (ос= 0 , т. е. время скольжения.

На третьем этапе (разгон) ведущая и ведомая части муфты жестко связаны. Время разгона определяется ре­ шением уравнения

времени от момента подачи напряжения на электромагнит до достижения вращающим моментом 0,9 установившегося значения.

Время включения возрастает с увеличением габаритов муфты, постоянной времени электромагнита, хода якоря, числа дисков и обычно находится в пределах от 0,07 до 0,3 с.

Время отключения представляет собой промежуток вре­ мени от обесточивания электромагнита до спада вращающе­ го момента до 0,05 номинального значения. Это время увеличивается с ростом габаритных размеров муфты, маг­ нитного потока и колеблется от 0,1 до 0,4 с.

При каждом сцеплении муфты происходит нагрев дисков за счет энергии, выделяемой при проскальзывании. Допу­ стимое число включений муфты определяется температурой нагрева дисков [14.1].

Электромагниты муфт выполняются на постоянном токе, что упрощает технологию изготовления и уменьшает габа­ ритные размеры муфты (§ 5.6). При питании переменным

током полупроводниковые выпрямители могут встраиваться в муфту, причем переменный ток подается непосредственно на кольца. Для повышения быстродействия муфт применя­ ется форсировка, описанная в § 5.7.

Электромагниты муфты изготавливаются из сплошного материала и поэтому имеют большую постоянную времени. При отключении муфты на контактах коммутирующего ап­ парата возникает дуга, которая замедляет процесс отклю­ чения и вызывает сильную эрозию контактов. При быстром

Для устранения залипания якоря в притянутом состоянии магнитная система должна иметь конечный зазор.

14.3.ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ФЕРРОПОРОШКОВЫЕ МУФТЫ

Вферропорошковой муфте барабанного типа (рис. 14.5) ведущий вал 1 через немагнитные фланцы 2 соединен с ферфомагнитным цилиндром (барабаном) 3. Внутри цилиндра располагается электромагнит 4, связанный с ведомым ва­ лом 6. Обмотка 5 электромагнита питается через контакт­ ные кольца (на рисунке не показаны). Внутренняя полость 7 заполнена ферромагнитным порошком (чистое или карбо­ нильное железо) с зернами размером от 4—б до 20—50 мкм, смешанными с сухим (тальк, графит) или жидким (транс­ форматорное, кремнийорганические масла) наполнителем. При обесточенной обмотке и вращении ведущей части (ба­ рабана) электромагнит и ведомый вал остаются неподвиж­ ными, поскольку ферромагнитные зерна наполнителя сво­ бодно перемещаются относительно друг друга. Определенное трение между барабаном и электромагнитом существует, но оно относительно невелико.

3 Ï 7

При подаче напряжения на электромагнит зерна ферро­ магнитного порошка теряют свободу перемещения под воз­ действием магнитного поля обмотки. Вязкость среды, нахо­ дящейся в барабане, резко возрастает. Увеличивается сила трения между барабаном и электромагнитом. На ведомом валу появляется вращающий момент.

При определенном значении тока возбуждения ферро­ магнитный порошок и наполнитель полностью затвердевают. Барабан и электромагнит становятся жестко связанными. Можно рассматривать передаваемый момент как момент от силы трения, действующей между порошком и внутренней цилиндрической поверхностью барабана.

Сила трения, возникающая на единице внутренней по­

удельное усилие, нормальное к ведущей поверхности, оно

где R — радиус барабана; L — его длина.

Благодаря тому что зазор между барабаном и электро­ магнитом заполнен ферромагнитной смесью, его магнит­ ная проводимость очень велика, что позволяет уменьшить необходимую МДС обмотки и увеличить коэффициент уп­ равления муфты, равный отношению передаваемой мощ­ ности к мощности управления (мощности электромагнита).

Если положить, что магнитные сопротивления бараба­

где б — зазор между электромагнитом и барабаном; F — МДС электромагнита.

В действительности из-за насыщения магнитной цепи

жиме. Во втором квадранте рис. 14.6 изображена зависи­ мость момента, передаваемого муфтой, от тока возбужде­

Рис. 14.6. Характеристики муфты и приводного двигателя

Мощность, отдаваемая двигателем, Р дв= М а(оь a мощ­ ность, передаваемая в нагрузку, Ра— Маю2. Потери в муф­ те за счет скольжения

Эта мощность пропорциональна заштрихованной площа­ ди прямоугольника. Потери Рп расходуются на нагрев муф­ ты и наряду с потерями мощности в обмотке электромаг­ нита определяют ее температуру.

При' токе возбуждения / 2 ведомый и ведущий валы сое­ динены жестко и вращаются с угловой скоростью а тах. Пе­ редаваемый момент М = Мтах, а потери Рп= 0. Для расче­ та температуры муфты необходимо определить Ритах.

Воспользовавшись (14.13) — (14.15), выразим потери Ра

предельно допустимая температура поверхности барабана. На зерна ферромагнитного порошка кроме электромаг­ нитных сил Рэм действуют центробежные силы Р ц, пропор­ циональные квадрату угловой скорости. Для оценки влия­ ния центробежных сил вводится отношение &ц = Рц/Р Эм. Это отношение увеличивается с ростом диаметра муфты, уг­ ловой скорости и уменьшается с ростом индукции в зазо­ ре. Даже при В = 1,8Т л отношение Р ц/Р эм достигает 40% , если частота вращения равна 3000 об/мин [14.1]. При оп­ ределенном значении частоты вращения отношение Рц/Рзм приближается к 100 % и муфта теряет управление. Поэто­ му ферропорошковые муфты не применяют при скоростях

более 3000 об/мин.

По сравнению с электромагнитными муфтами трения ферропорошковые муфты имеют значительно большее бы­ стродействие (примерно в 10 раз) благодаря отсутствию якоря. Изменение момента во времени для линейной части характеристики М(1) определяется законом роста тока I,

щей высокие значения остаточной индукции и коэрцитив­ ной силы. Шихтованная структура активного слоя позволя­ ет уменьшить вихревые токи и асинхронный вращающий момент.

Пусть ротор заторможен, а индуктор вращается привод­ ным двигателем с угловой скоростью «и. Под действием вращающегося магнитного поля индуктора в активном слое появляются потери на гистерезис от перемагничивания. По­ тери за один цикл перемагничивания определяются макси­ мальным значением индукции в активном слое ротора. Ч а­ стота перемагничивания активного слоя

где р — число пар полюсов индуктора.

Мощность, передаваемая активному слою через рабочий

где рг — удельные потери на гистерезис за один цикл пере­ магничивания; Vr — объем активного слоя.

Взаимодействие поля постоянных магнитов индуктора с полем, созданным активным слоем, создает на роторе ги­

Если ведомый вал не заторможен, то под действием мо­ мента Мг ротор начнет вращаться в направлении вращения индуктора со скоростью югСкольжение ротора относитель­

Таким образом, момент на ведомом валу не зависит от частоты его вращения. Если момент нагрузки МН^ М Р то скорость ©2 ведомого вала увеличивается, пока не станет равной о)ь Муфта достигает синхронной частоты вращения. В этом режиме активный слой ротора можно рассматри­ вать как постоянный магнит, вращающийся синхронно спо­ лем (рис. 14.8), а сама муфта становится аналогичной син­ хронному двигателю. По мере увеличения нагрузки возрас­ тает угол 0 между векторами вращающегося поля индуктора

и активного слоя, и при МВ= М Г этот угол достигает максимального значения вшахЗначение втах зависит от спойств м'атериала активного гистерезисного слоя. В общем случае момент, развиваемый гистерезисной муфтой, выра­ жается [14.3] как

При дальнейшем возрастании момента нагрузки (Мн> > .И Г) муфта переходит в асинхронный режим, когда час­ тота вращения муфты меньше частоты вращения индук­ тора.

На рис. 14.9 изображены механические характеристики муфты, представляющие собой зависимости момента на­ грузки Мн и момента муфты Мт от скольжения. Пока Мн<ЛГг, ведомый вал вращается с синхронной скоростью

При Л4н>Мг угол в = втах остается неизменным, т. е. ось полюсов, наведенных в активном слое, продолжает вра­ щаться синхронно с полем индуктора, отставая при этом на постоянный угол Qmav. В то же время ротор движется со скольжением s. Если активный слой выполнен в виде лито­ го цилиндра, то за счет вихревых токов кроме гистерезис­ ного момента МТ появляется асинхронный момент (прямая 3), пропорциональный скольжению:

М= Л4Г Ч- Mümaxs.

Вэтом режиме скольжение s^= 0, угловая скорость« 2-<«)i, ротор отстает от вращающегося индуктора и в нем созда­ ется дополнительный момент, как в асинхронном двигателе.

Преимущество гистерезисной муфты заключается в по­ стоянстве передаваемого момента. Если нагрузочный мо­ мент Мя резко возрастает (неполадки, поломки механиз­ ма), то максимальный момент, передаваемый на приводной двигатель, ограничен Мг и гистерезисная муфта защищает двигатель от перегрузки. Постоянство момента муфты обе­ спечивает быстрый разгон нагрузки.

Вряде схем автоматики необходима быстрая остановка привода. В этих случаях применяются тормоза на базе гис­ терезисной муфты. Ведомая часть муфты делается непо­ движной, а ведущая соединяется с приводным двигателем. При торможении двигатель отключается и включается муфта. Постоянный тормозной момент муфты обеспечивает быструю остановку привода.

Гистерезисные муфты широко применяются для переда­ чи момента в агрессивную среду, отделенную от окружаю­ щей среды металлической немагнитной оболочкой и нахо­ дящуюся под высоким давлением. В этом случае применя­ ются муфты с аксиальным рабочим зазором. Ведущая часть с индуктором отделена немагнитной стенкой от ведомой ча­ сти с активным слоем в виде колец.

Вопросы теории, конструкции и проектирования магни­ то-гистерезисных муфт подробно рассмотрены в [14.3].

М асть т р е т ь я

АППАРАТЫ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫ Х УСТРОЙСТВ

Н И ЗК О Г О И ВЫ СО КО ГО НАПРЯЖ ЕНИЯ

Глава п ятн ад ц атая

РУБИЛЬНИКИ И ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ

15.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Рубильник предназначен для ручного включения и от­ ключения электрических цепей с постоянным напряжением до 440 и переменным до 500 В.

Переключатель в отличие от рубильника имеет две си­ стемы неподвижных контактов и три коммутационных по­ ложения. В среднем положении ножей цепи разомкнуты. Специальное устройство фиксирует ножи в этом поло­ жении.

Пакетные выключатели и переключатели являются ма­ логабаритными коммутационными аппаратами с ручным приводом, которые служат для одновременного управления большим числом цепей. Пакетные выключатели и переклю­ чатели используются для нечастых коммутаций в цепях с небольшой мощностью (токи до 400 А, постоянное напряже­ ние 220 и переменное 380В). Пакетные переключатели и вы­ ключатели применяются как аппараты распредустройства

ив цепях автоматики. Они используются также для пуска

иреверса двигателей, а также для переключения схемы сое­ динения обмоток двигателя со звезды на треугольник.

Втрехфазном рубильнике с центральной рукояткой (рис. 15.1) подвижный контакт — нож 1 вращается в шар­

нирной стойке 2. При размыкании цепи между ножом и не­ подвижным контактом стойки 3 загорается дуга. Гашение дуги постоянного тока при токе до 75 А происходит за счет механического удлинения дуги двигающимся ножом. Чем больше скорость движения контакта, тем больше скорость растяжения дуги и меньше время ее горения. При отключе­ нии больших токов решающим фактором является электро­ динамическая сила. Эта сила, действующая на единицу длины дуги, примерно обратно пропорциональна длине но­ жа. Для безопасности ремонта расстояние между контакт­ ными стойками 3 делается не менее 0,05 м.