ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МАГНИТНЫХ МУФТ ДЛЯ ГЕРМЕТИЧНЫХ МАШИН

Ферриты по-прежнему остаются самыми дешёвыми магнитами. Особый интерес представляют магнитопласты на основе композиции Nd-Fe-B, они за­ нимают промежуточное положение между ферритами и специальными магни­ тами на основе редкоземельных материалов (рис. 1.10). Эти магниты имеют изотропные магнитные свойства и могут быть намагничены в соответствии с требованиями, предъявляемыми к конкретной магнитной системе и могут рабо­ тать при температурах до 200 °С.

Основная задача проектирования магнитных систем с постоянными маг­ нитами — выбор размера магнита, его формы и материала. При этом должны обеспечиваться оптимальные соотношения магнитных параметров [42, 71], маг­ нитная энергия в рабочем зазоре, магнитный момент, сила тяги магнита, на­ пряжённость магнитного поля в рабочем объёме.

1.4. Классификация магнитных систем муфт с постоянными магнитами

Применение в магнитных муфтах (ММ) постоянных магнитов предо­ пределяет большое разнообразие конструкций магнитных систем, которые свя­ заны с технологическими особенностями работы механизма и типом исполь­ зуемых постоянных магнитов. Существующая в настоящее время классифика­ ция магнитных муфт отражает ряд основных признаков, определяющих их конструктивные особенности и свойства [12, 39, 40]:

по характеру передачи крутящего момента ведомой полумуфте ММ подразделяют на гистерезисные, реактивные и активные; по конструктивному признаку и характеру передаваемого движения ММ подразделяют на аксиаль­ ные, радиальные и линейные; по структуре магнитного поля в рабочем зазоре можно выделить одноимённо-полюсные и переменно-полюсные ММ.

В нашем случае наибольший интерес представляют радиальные актив­ ные муфты, которые наиболее широко применяются для передачи вращения через герметичную перегородку (экран). Радиальные магнитные муфты отли-

31

чаются тем, что не создают дополнительной нагрузки на подшипники, если со­ блюдаются условия тщательной механической и магнитной балансировки.

Классификация радиальных магнитных муфт по форме используемых

магнитных систем представлена на рис. 1.11.

Структура условного обозначения исследуемых магнитных муфт сле­

1 — муфта магнитная синхронная; 2 — номер магнитной системы;

3 — конструктивное выполнение полюсов (явное — О, неявное — U);

4 — тип магнита (альнико — А, ферритовый — F, редкоземельный — R); 5 — число полюсов 2р.

По исполнению полюсов муфты можно разделить на явнополюсные, неявнополюсные и комбинированные. Наиболее хорошо известны явнополюсные магнитные системы, которые изготавливались серийно. Магнитные системы были разработаны на моменты от 2,5 до 250 Н-м и частоты вращения от 750 до 10 000 об/мин [71]. Эти магнитные системы представляют интерес с точки зре­ ния проверки расчётных методик и сравнения технико-экономических показа­ телей магнитных муфт вновь разрабатываемых конструкций.

Радиальные магнитные муфты явнополюсной конструкции представле­ ны на рис. 1.12. Отличительной особенностью этих магнитных систем является форма используемых постоянных магнитов, которая определяет технологию их изготовления и в конечном счёте стоимость ММ. Наиболее сложную форму имеют магниты в конструкции MS-01. В магнитных системах MS-02, MS-03, MS-04, MS-05 использованы магниты более простой формы, при этом магнит­ ные системы муфт MS-03, MS-04 с магнитами одинаковой формы. Преимуще­ ство использования магнитов одинаковой формы очевидно: конструкция ММ становится более технологичной. Недостатком является меньший коэффициент заполнения активного объёма муфты.

32

Самая простая форма магнитов применена в системе MS-04. Именно эта конст­ рукция взята за основу для серии герметичных насосов, выпускаемых ЗАО «Гидрогаз» (г. Воронеж). Магнитная система MS-06 по сути является аналогом конструкции MS-01, но с применением магнитов более простой формы. В ре­ зультате магнитная система MS-06 требует больших воздушных зазоров по сравнению с MS-01 за счёт применения цилиндрических защитных оболочек.

Наибольший коэффициент заполнения активного объёма муфты имеют неявнополюсные магнитные системы (рис. 1.13), которые могут быть выполне­ ны составными из отдельных намагниченных магнитов или сплошными из кольцевых постоянных магнитов. Последние системы на порядок технологич­ нее составных и лучше балансируются, они могут быть изготовлены на основе современных магнитопластов. Сплошные постоянные магниты кольцевой фор­ мы допускают различную форму намагничивания. Поле намагниченности М может быть сформировано в радиальном направлении (MS-11), при этом необ­ ходимо использование двух магнитопроводов, внешнего и внутреннего, для за­ мыкания магнитного поля внутри ММ. В случае использования изотропных по­ стоянных магнитов поле М может быть сформировано по замкнутому контуру, проходящему через внешний и внутренний постоянный магнит (MS-12), кото­ рое можно назвать циркулярным намагничиванием. Такая конструкция не тре­ бует применения магнитопроводов.

Теоретически возможно реализовать составные магнитные системы с оптимальной ориентацией намагниченности [28], так называемой мозаичной конструкции MS-09 и MS-10.

Составные магнитные системы могут быть выполнены по типу магнит­ ных систем MS-07 и MS-08 только из отдельных параллельно или радиально намагниченных магнитов, образующих сплошной активный слой полумуфт с высоким коэффициентом заполнения активного объёма ММ. Магнитные сис­ темы MS-07 — MS-11 требуют применения магнитопровода в отличие от маг­ нитной системы MS-12.

35

Варианты комбинированных муфт представлены на рис. 1.14. Эти маг­ нитные системы позволяют получить новые технико-экономические показатели как при комбинации явнополюсных и неявнополюсных конструкций полумуфт, так и при комбинации марок постоянных магнитов.

Например, при высокой температуре перекачиваемой среды (бо­ лее 150 °С) для внутренней полумуфты подходят магниты с соответствующей рабочей температурой, однако чем выше рабочая температура постоянного маг­ нита, тем ниже его энергетические параметры (подраздел 1.3). Поэтому целесо­ образно для внешней полумуфты, находящейся за герметичной перегородкой, применять магниты, имеющие более низкую рабочую температуру.

Магнитные системы с тангенциальным возбуждением представлены на рис. 1.14 (MS-17, MS-18) и рис. 1.15 (MS-19, MS-20). Эти магнитные системы позволяют концентрировать магнитный поток в воздушном зазоре. В результа­ те индукция в воздушном зазоре может быть выше значения Вг выбранного по­ стоянного магнита. Момент, развиваемый муфтой, пропорционален квадрату индукции и может быть значительно увеличен.

Кроме этого, в рассматриваемых конструкциях магнит надёжно защи­ щен магнитомягкой арматурой от внешних воздействий. В связи с этим эти магнитные системы представляют определённый интерес при использовании в магнитных муфтах герметичных насосов.

Магнитные муфты реактивного типа с радиальным возбуждением пред­ ставлены на рис. 1.16. Эти магнитные системы имеют на рабочей поверхности зубцы, равные по размерам и шагу у ведущей и ведомой полумуфт. Магнитные муфты реактивного типа могут иметь в межзубцовых пазах электропроводящие стержни, полностью заполняющие пазы и соединённые на торцах короткозамыкающими кольцами. Таким образом, формируется короткозамкнутая обмот­ ка, создающая момент муфты при работе со скольжением.

В реактивных полумуфтах при синхронной работе на холостом ходу оси зубцов — полюсов полумуфт совпадают.

37

С ростом момента нагрузки возрастают угол между осями зубцов и тан­ генциальная составляющая силы магнитного притяжения зубцов друг к другу. Синхронный момент достигает наибольшего значения при критическом угле сдвига зубцов, близким к значению, соответствующему половине ширины зубца. Эти магнитные муфты существенно уступают ММ, рассмотренным выше (рис. 1.12 - 1.15), по удельным силовым показателям [12]. Их применение оправдано лишь простой и надёжной конструкцией внутренней полумуфты, которая мо­ жет работать при высоких температурах окружающей среды (до 250 °С). Воз­ можно создание синхронной магнитной муфты, обеспечивающей асинхронный режим работы без короткозамкнутой обмотки. Муфта имеет зубцы различной ширины, чередующиеся друг с другом. Широкие зубцы создают дополнитель­ ный асинхронный момент, по аналогии с массивными полюсами, при выпаде­ нии муфты из синхронизма. Магнитные системы с чередующимися полюсами могут быть получены на основе известных конструкций магнитных систем с когтеобразными и клювообразными полюсами [4]. Эти конструкции имеют большие поля рассеяния и менее эффективны, чем рассмотренные выше маг­ нитные системы. Теми же недостатками обладают магнитные системы реактив­ ного типа с аксиальным возбуждением [12]. В этих системах может быть ис­ пользовано два или большее число индукторов, размещённых рядом, что по­ зволяет повысить момент муфты за счёт увеличения её длины при неизменном сохранении диаметра. Такое выполнение магнитных систем делает возможным унификацию конструкций индукторов. Несмотря на простую и надёжную кон­ струкцию, реактивные магнитные муфты, так же, как и гистерезисные, не полу­ чили применения в герметичных машинах в основном из-за малых значений передаваемых крутящих моментов. Для сравнения рассмотренных магнитных муфт и выявления наиболее эффективных конструкций требуется детальный анализ магнитного поля, на основе которого можно получить не только угловые характеристики ММ, но и степень использования материалов, из которых они построены.

40