Скачать книгу из которой взят данный материал

Магнитные полюсы на роторе в обычной синхронной машине охвачены ОВ, питаемой постоянным током через щеточный контакт. В БЭМ электрическая связь с ротором отсутствует, а магнитная полярность полюсов ротора обеспечивается одним из трех возможных способов возбуждения:    а) размещением на роторе

постоянных магнитов (ПМ); б) размещением на роторе обмотки возбуждения, которая питается постоянным током через вращающийся выпрямитель от дополнительной обмотки на роторе с переменной ЭДС, наводимой за счет электромагнитной индукции; в) конструктивными приемами, позволяющими использовать для создания основного потока полюсов ротора источник магнитодвижущей силы (МДС) возбуждения, находящийся на статоре.

В соответствии с этими возможностями на рис. 1.1 показаны синхронные БЭМ различных типов: машины с постоянными магнитами на ро-Рис. 1.3. Попереч- торе различной конструкции (звездообразном ное сечение асин- роторе, роторе с когтеобразными полюсами хронной машины _и т. п.), в которых реализуется способ возбуждения «а»; БЭМ с вращающимся выпрямителем, реализующие способ возбуждения «б»; машины с обмотками возбуждения или постоянными магнитами на статоре (с когтеобразными полюсами, индукторные, коммутаторные, с осевым возбуждением), соответствующие способу возбуждения «в».

Существуют синхронные БЭМ с комбинированным возбуждением, у которых поток возбуждения создается одновременно с помощью постоянных магнитов и неподвижной обмотки возбуждения.

Асинхронная БЭМ состоит из неподвижного индуктора с первичной обмоткой, создающей вращающийся или бегущий магнитный поток, и электропроводящего подвижного элемента, который перемещается со скоростью, отличной от скорости магнитного потока.

Статор простейшей асинхронной БЭМ (рис. 1.3) содержит многофазную (обычно трехфазную) распределенную первичную обмотку 01, размещенную в пазах стального шихтованного сердечника, а ротор — короткозамкнутую вторичную обмотку 02 в пазах сердечника, закрепленного на валу машины. При питании обмотки 01 переменным током создается вращающийся магнитный поток. За счет его перемещения относительно проводников обмотки 02 в ней наводится ЭДС, под действием которой в 02 течет ток. Этот ток, взаимодействуя с магнитным полем, создает электромагнитную силу, стремящуюся приблизить скорость ротора к скорости вращающегося поля (так, как если бы вращающийся поток и ротор взаимодействовали через силы вязкости). Пусть П\ — частота вращения потока, а п — частота вращения ротора. Относи-

БЕСКОНТАКТНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ И МАГНИТНЫЕ МУФТЫ

Для бесконтактной передачи механической энергии движения (в основном, вращения) широко применяются электромагнитные и магнитные муфты, обеспечивающие взаимодействие ведущего и ведомого звеньев механизмов посредством магнитного поля. Задачи, решаемые с помощью муфт, многообразны. Муфты позволяют осуществлять плавный пуск механизмов с повышенными пусковыми моментами (в ряде случаев превышающими пусковой момент приводного устройства), стабилизацию частоты вращения ведомого звена при переменных скоростях привода, безударные динамические режимы взаимосвязанных механизмов с резкими ускорениями и торможениями, защиту приводов от механических перегрузок при аварийных режимах нагрузочного устройства (например, заклинивании) и т. п. Особое значение имеют элеюромагнитные и особенно магнитные муфты в системах, где требуется передавать механическую энергию через герметичные экраны, например в вакуумные полости, емкости с высоким давлением, камеры, заполненные агрессивными средами (в химической промышленности, атомной энергетике, космической технике и т. п.). Применение в подобных случаях прямой механической передачи через экран или стенку с помощью уплотнений связано с большими трудностями или вообще невозможно.

Электромагнитные и магнитные муфты по принципу действия и конструкции подобны электрическим машинам, поскольку и в тех и в других протекают процессы взаимного преобразования механической и электрической энергии. Особый интерес для автономной энергетики представляют бесконтактные муфты, в которых создание магнитной полюсной системы на взаимодействующих частях осуществляется бесконтактным путем. При этом, как правило, используются те же конструктивные решения, что и в рассмотренных ранее БЭМ.

Во многих странах электромагнитные муфты (в том числе бесконтактные) выпускаются серийно, в СССР освоен выпуск опытных партий. Для многих технических задач муфты разрабатываются в виде единичных образцов, наиболее полно удовлетворяющих конкретным условиям работы и оптимальным режимам механизмов.

Среди многообразия электромагнитных и магнитных муфт выделим два основных класса муфт, применяемых в энергоустановках: а) муфты скольжения одноименнополюсные (индукторные) и переменнополюсные (панцирные); б) синхронные муфты с обмотками возбуждения или постоянными магнитами. Существуют также муфты комбинированные (синхронно-асинхронные, со смешанным возбуждением от постоянных магнитов и обмоток подмагничива-ния), гистерезисные и др.

§ 8.2. Электромагнитные муфты скольжения

Принцип работы муфт скольжения основан на сочетании процессов, протекающих в асинхронных и синхронных бесконтактных машинах. Индуктор, соединяемый, например, с ведущим валом, имеет систему магнитных полюсов (как в синхронной машине), а якорь на ведомом валу содержит ферромагнитный электропроводящий элемент, по которому через рабочий зазор замыкается основной магнитный поток. При вращении индуктора в якоре наводятся ЭДС и текут токи (как в асинхронной машине). Благодаря их взаимодействию с магнитным полем создается электромагнитная сила, увлекающая якорь вслед за индуктором. Развиваемый якорем момент зависит от регулируемой магнитной индукции, скольжения, определяемого разностью частот вращения индуктора и якоря, а также от свойств материалов и конструктивного исполнения муфты. Возможно соединение якоря с ведущим, а индуктора с ведомым валами. В любом случае для создания момента на выходном валу необходимо различие скоростей якоря и индуктора, т. е. скольжение, как и в асинхронном двигателе, должно быть больше нуля, что и определяет название этого класса муфт.

Устройство муфт скольжения. Муфты скольжения бывают одноименнополюсными (индукторными) и переменнополюсными (панцирными).

Схема индукторной муфты с внешним магнитопрово-дом приведена на рис. 8.1, а. Муфта содержит на неподвижном статоре стальной сердечник /, охватывающий кольцевую обмотку возбуждения 2_У обтекаемую постоянным током. Собственно индуктор состоит из двух магнитно изолированных стальных колец с полюсными выступами Зу обращенными к массивному ферромагнитному якорю 4. Статор, индуктор и якорь разделены воздушными зазорами. Создаваемый обмоткой 2 магнитный поток замыкается через индуктор и якорь (рис. 8.1, а), достигая максимального значения в полюсных выступах индуктора и минимального значения в зоне между выступами подобно тому, как это реализуется в машине, изображенной на рис. 3.18. В каждой точке рабочего зазора между индуктором и якорем магнитная индукция направлена в одну сторону, что и определяет принадлежность муфты к индукторным машинам (см. § 3.4) и их название. Распределение магнитной индукции в якоре будет примерно таким же, как на рис. 3.25, б. При вращении ведущего вала с индуктором в якоре за счет изменения индукции от максимального до минимального значений наводятся токи и благодаря электромагнитным силам момент передается на якорь и ведомый вал.

Рис. 8.1. Электромагнитные муфты скольжения индукторные (о, б) и панцирные (в, г)

На рис. 8.1,6 показана индукторная муфта с внутренним маг-нитопроводом, имеющая меньший объем обмотки возбуждения. Достоинство индукторных муфт — относительная конструктивная простота. Их недостатком, как и всех индукторных машин, является неполное использование магнитного потока, поскольку его постоянная составляющая загружает магнитную цепь, но не дает вклада в электромагнитный момент (см. § 3.4). Это приводит к ухудшению массогабаритных показателей индукторных муфт.

Схемы панцирных муфт приведены на рис. 8.1, в, г. Их индуктор идентичен роторам БЭМ с когтеобразными полюсами противоположной магнитной полярности (см. § 3.3). В отличие от индукторов на рис. 8.1, а, б, имеющих простые радиальные выступы, индуктор (рис. 8.1, в) содержит когтеобразные осевые выступы, соединенные немагнитной сварной вставкой, которые идентичны выступам ротора на рис. 3.13. Линии индукции основного потока замыкаются, как показано на рис. 8.1, в, создавая в якоре 4 знакопеременное магнитное поле. При вращении индуктора от ведущего вала якорь будет вращаться в ту же сторону благодаря электромагнитному взаимодействию, как в асинхронных машинах. На рис. 8.1, г приведена схема панцирной муфты, магнитная цепь которой подобна цепи БЭМ с внутризамкнутым магнитным потоком (см. рис. 3.14). В данной конструкции обмотка вынесена за пределы полюсной системы и ее размеры не ограничиваются размерами полюсов, что обеспечивает реализацию оптимальных конструкций. Магнитный поток замыкается через систему радиальных и аксиальных выступов на индукторе 3 и через якорь 4. Путь замыкания основного потока определяется теми же соображениями, которые изложены в § 3.3 (см. рис. 3.14). Переменнополюсные панцир* ые муфты, обладая усложненной конструкцией индуктора, обеспечивают высокое использование магнитного потока и улучшенные массогабаритные показатели.

Торцовые конструкции муфт рациональны для передачи момента вращения через плоскую стенку. Отличие одной из конструкцией торцовой муфты от генератора, изображенного на рис. 3.16, а, сводится к тому, что вместо обмотки 1 и пакета 2 используется ферромагнитное кольцо с плоским торцом, обращенным к рабочему зазору, которое сопрягается с ведомым валом, в то время как втулка 7 насаживается на ведущий вал.

Во всех случаях бесконтактные муфты, как и многие бесконтактные машины, помимо рабочих зазоров между индуктором и якорем имеют дополнительные зазоры между статором с обмоткой возбуждения и вращающимся индуктором. Это требует соответствующего увеличения МДС обмотки возбуждения.

Улучшенные динамические характеристики имеют муфты с разветвленными магнитными системами, содержащие несколько катушек в составе обмотки возбуждения (обычно две). При согласном включении катушек система работает как муфта и передает момент вращения, при встречном включении потоки перераспределяются так, что за счет вихревых токов в индукторе создается тормозной момент для ведущего вала. Принципиально можно реализовать магнитоэлектрические муфты скольжения, в которых рабочий магнитный поток создается постоянными магнитами, закрепляемыми непосредственно на индукторе. Однако регулировать такие муфты сложно. Существуют муфты с комбинированным возбуждением от постоянных магнитов и подмагничивающих обмоток по типу генераторов с комбинированным возбуждением (см. § 4.2, 4.3).

Основные расчетные соотношения и характеристики муфт скольжения. Теория электромагнитных муфт скольжения наиболее полно развита в трудах Т. А. Щетинина.

люсами, с радиально и тангенциально намагниченными призматическими магнитами и т. п.).

Конструкция магнитной муфты с аксиальным зазором показана на рис. 8.7, где постоянные магниты звеньев муфты противостоят друг другу вдоль оси. Полярности противолежащих магнитов про-

Рис. 8.6. Магнитная синхронная муфта с радиальным рабочим зазором

тивоположные. Недостаток таких муфт — значительные осевые силы магнитного тяжения, передаваемые на ведущий и ведомый валы, что предполагает использование радиально-упорных подшипников. Достоинство муфт с осевым зазором — возможность передавать вращающий момент через плоскую стенку, отделяющую полость с нормальными условиями от полости с особыми условиями, куда необходимо передавать механическое вращение.

Рис. 8.7. Магнитная синхронная муфта с аксиальным рабочим зазором

Анализ магнитных муфт строится на основе теории преобразователей с постоянными магнитами (см. гл. 2). Согласно исследованиям, проведенным проф. С. Р. Мизюриным, главное соотношение, определяющее развиваемый муфтой момент М_м, выводится из частей муфты заполнено токопроводящими стержнями, закорачиваемыми торцовыми кольцами и образующими обмотку, аналогичную «беличьей клетке» обычного асинхронного двигателя. При пуске (s= 1) эта обмотка создает пусковой момент, ускоряющий ведомое звено, которое, достигнув определенной частоты вращения, втягивается в синхронизм и вращается с той же скоростью, что и ведущее звено. Асинхронный режим реализуется и при переходных механических процессах в системе с муфтами. Благодаря коротко-замкнутой обмотке повышается также устойчивости работы муфты в синхронном режиме (демпфирование колебаний ведомого вала и т. п.). Следует, однако, иметь в виду, что эффективность асинхронного режима в синхронно-асинхронной муфте ниже, чем в чисто асинхронной муфте со стальным цилиндром (см. § 8.2), из-за прерывности зон с короткозамкнутыми обмотками.

При малых моментах широко используются магнитогистерезисные муфты, у которых одна часть (индуктор) подобна индуктору магнитной муфты, а вторая часть содержит гистерезисный слой, выполненный из магнитотвердого материала (см. § 2.3). Типичная конструкция торцовой магнитогистерезисной муфты (например, для передачи момента через плоскую стенку) показана на рис. 8.8. При вращении индуктора с постоянными магнитами 1 в гистерезисном слое 2, набранном из колец для снижения вихревых токов, возникает переменное магнитное поле и материал слоя перемагничива-ется, потребляя соответствующую мощность, пропорциональную площади петли гистерезиса и частоте перемагничивания. За счет инерционности процессов перемагничивания (см. гл. 2) магнитная полярность слоя будет образовываться с некоторым запаздыванием по отношению к положению полюсов индуктора, т. е. между потоком индуктора и потоком, созданным гистерезисным слоем, возникает сдвиг, аналогичный углу нагрузки 0. За счет смещения полюсов на индукторе и на гистерезисном слое образуется тангенциальная сила притяжения между ними и на часть муфты с гистерезисным слоем передается рабочий момент:

M_r^pp_TQ_r!2n,    (8.29)

где р_г — удельные потери на гистерезис, Q_r — объем гистерезисного слоя.

Таким образом, в идеальной гистерезисной муфте момент постоянный и во всем диапазоне скольжения O^s^l не зависит от скорости, что является особенностью гистерезисной муфты, важной для некоторых практических приложений.

дела для материала диска, поэтому вследствие эффекта Мейссне-ра поле не проникает через выступы 5 диска, но свободно проникает через прорези 4.

При вращении диска от внешнего привода напротив каждой катушки 2 находится попеременно то выступ, то прорезь диска, благодаря чему потокосдепление катушек 2 изменяется и в них наводится рабочая ЭДС. Магнитное поле в таком индукторном сверх-проводниковом генераторе мало, так как оно определяется критической индукцией для сверхпроводника первого рода и не превышает 0,2 Тл. Однако за счет конструктивной простоты ротора и отсутствия стальных магнитопроводов такой генератор конкурентоспособен по отношению к обычным бесконтактным генераторам по массогабаритным показателям. Так, согласно расчетам генератор мощностью 30 кВт при частоте вращения 1200 об/мин имеет удельную массу т*ж0,5 кг/кВт.

Рис. 9.11. Индукторный (а) и топологический (б) сверхпроводниковые генераторы

Топологический генератор также можно отнести к классу параметрических машин, поскольку его действие основано на периодическом изменении активного сопротивления участков якорной цепи. Этот генератор не имеет аналогов среди БЭМ традиционного исполнения. В простейшем виде он состоит из замкнутого контура, часть которого изготовлена из сверхпроводника второго рода С2, а часть — из сверхпроводника первого рода С1 в виде тонкой пластины (рис. 9.11, б). Ротор генератора содержит магниты М, перемещающиеся сначала над пластиной сверхпроводника С/, а затем — над сверхпроводником С2.

Известно, что у С2 критические магнитные поля, нарушающие сверхпроводящее состояние, велики (6 ...8 Тл), а у С1 эти поля малы (0,1 ...0,2 Тл). На этом различии и основан принцип действия генератора. Когда магнит М находится над С/, его магнитное поле выше соответствующего критического предела. Область С1 непосредственно под магнитом теряет сверхпроводящее состояние и поток магнита свободно проникает в образовавшееся нормальное «пятно». Благодаря этому при движении магнита на участке аб его

381