ИНДУКЦИОННАЯ ЯВНОПОЛЮСНАЯ МУФТА СКОЛЬЖЕНИЯ С ТРЕМЯ СТЕПЕНЯМИ СВОБОДЫ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится индукционным муфтам скольжения и может быть использована на транспорте в качестве вариатора частоты вращения и крутящего момента и одновременно в качестве электромагнитного сцепления.
Известна индукционная явнополюсная муфта скольжения [1, с.16, рис.8], содержащая укрепленный на ведущем валу наружный индуктор, возбуждаемый постоянным током, и укрепленный на ведомом валу якорь с короткозамкнутой обмоткой.
Известна индукционная явнополюсная муфта скольжения [2, с.205, рис.V.27] содержащая укрепленный на ведущем валу внутренний индуктор, возбуждаемый постоянным током, и укрепленный на ведомом валу якорь с короткозамкнутой обмоткой.
Указанные муфты регулируется путем изменения тока возбуждения индуктора с помощью реостата. В качестве прототипа возьмем вторую муфту (с внутренним индуктором).
Аналог и прототип имеют следующие недостатки. Часть энергии источника питания при регулировании теряется в реостате. Наличие щеточного контакта снижает надежность конструкции. При использовании в индукторе постоянных магнитов такая муфта вообще не регулируется. Существуют бесконтактные муфты скольжения с неподвижным электромагнитом. Однако они имеют меньший момент из-за увеличения числа воздушных зазоров.
Технический результат полезной модели направлен на увеличение надежности конструкции, увеличение КПД и упрощение конструкции электромеханических передач на транспортных средствах.
Технический результат для первого варианта исполнения достигается тем, что муфта содержит укрепленный на ведущем валу индуктор, расположенный внутри якоря, и укрепленный на ведомом валу якорь, индуктор выполнен с постоянными магнитами, а якорь является массивным и выполнен в виде цилиндрического стального стакана, имеющего на открытом торце кольцо из немагнитного металла, а донная часть его установлена на ведомом валу с возможностью перемещения вдоль него за счет скользящего зубчатого соединения при воздействии на якорь рычагом через подшипник.
Технический результат для второго варианта исполнения достигается тем, что муфта содержит укрепленный на ведущем валу индуктор и укрепленный на ведомом валу якорь, индуктор расположен снаружи якоря и выполнен с постоянными магнитами, а якорь является массивным и выполнен в виде цилиндрического стального стакана, имеющего на открытом торце кольцо из немагнитного металла, а донная часть его установлена на ведомом валу с возможностью перемещения вдоль него за счет скользящего зубчатого соединения при воздействии на якорь рычагом через подшипник.
При такой схеме муфты якорь может выполняться не в виде стакана, а в виде полого цилиндра установленного на ведомом валу обоими торцами с возможностью осевого перемещения. Однако в таком случае нужно один из торцов электрически изолировать от ведомого вала во избежание замыкания токов через вал, т.к. иначе будут бесполезные потери в неактивной части якоря и в самом вале.
Технический результат для третьего варианта исполнения достигается тем, что муфта содержит укрепленный на ведущем валу индуктор и укрепленный на ведомом валу якорь, индуктор охватывает якорь как снаружи, так и с его внутренней стороны и выполнен с постоянными магнитами, а якорь является массивным и выполнен в виде цилиндрического стального стакана, имеющего на открытом торце кольцо из немагнитного металла, а донная часть его установлена на ведомом валу с возможностью перемещения вдоль него за счет скользящего зубчатого соединения при воздействии на якорь рычагом через подшипник.
Ведущий и ведомый валы во всех трех вариантах исполнения можно менять местами (обратимость электрических машин). Кроме того, в принципе, во всех трех вариантах исполнения можно перемещать вместо якоря индуктор, если последний установить на ведущем валу с возможностью осевого перемещения.
На рис.1 показана конструкция индукционной явнополюсной муфты с тремя степенями свободы (с переменной активной длиной) с внутренним индуктором, т.е. по первому варианту исполнения, а на рис.2 - принципиальная схема такой муфты.
1 - индуктор; 2 - якорь; 3 - рычаг; 4 - ведомый вал; 5 - подшипник, соединяющий рычаг и якорь; 6 - подшипник, соединяющий ведущий и ведомый валы; 7 - кольцо из немагнитного металла; 8 - ведущий вал; 9 - шихтованный корпус.
Индуктор 1 представляет собой блок постоянных магнитов (или электромагнитов, или даже сверхпроводящих магнитов), который жестко связан с ведущим валом 8. Якорь 2, выполненный в виде цилиндрического стального стакана, вращается заодно с ведомым валом 4 и может одновременно скользить вдоль него благодаря скользящему зубчатому соединению при воздействии на якорь рычага 3 через подшипник 5. На торце якоря 2 укреплено кольцо 7 из немагнитного металла для уменьшения плотности тока в этой части якоря. С целью увеличения жесткости конструкции и уменьшения воздушного зазора между якорем 2 и индуктором 1 муфта имеет подшипник 6, соединяющий ведущий и ведомый валы. Для защиты от переменного магнитного поля, возникающего в окружающем муфту пространстве при смещении якоря 2 относительно индуктора 1, муфта помещается в шихтованный корпус 9.
На рис.3 показана индукционная явнополюсная муфта с тремя степенями свободы (с переменной активной длиной) с наружным индуктором, т.е. по второму варианту исполнения. Ее принципиальная схема показана на рис.4. Конструкция такой муфты отличается от первого варианта исполнения (фиг.1) только формой и расположением индуктора и отсутствием шихтованного корпуса. Кроме того, якорь может быть выполнен в виде полого цилиндра, установленного обоими торцами на ведомом валу с возможностью осевого перемещения (но один из торцов должен быть электрически изолирован от вала).
На рис.5 показана индукционная явнополюсная муфта с тремя степенями свободы (с переменной активной длиной) с индуктором, охватывающим якорь как снаружи, так с внутренней стороны, т.е. по третьему варианту исполнения. Ее принципиальная схема показана на рис.6. Конструкция такой муфты отличается от первого варианта исполнения (рис.1) только формой и расположением индуктора и отсутствием шихтованного корпуса.
Если индуктор внутренний (фиг.1) и у него много полюсов, то внутри него будет пустое пространство, как у прототипа [2, с.205, рис.V.27]. Для простоты понимания схемы и конструкции муфты якоря муфт на рис.1, 2, 5, 6 (первый и третий варианты исполнения) взяты с малым количеством полюсов (два или шесть).
Принцип работы индукционной муфты с тремя степенями свободы для всех трех вариантов исполнения аналогичен принципу действия обычных индукционных муфт. Регулирование индукционной муфты с тремя степенями свободы во всех трех вариантах исполнения осуществляется изменением активной длины l якоря, при этом меняется момент на ведомом валу. При полном выдвижении якоря из магнитного поля индуктора момент на ведомом валу равен нулю. При увеличении активной длины якоря пропорционально ей увеличиваются э.д.с. индукции в якоре и его сопротивление за счет увеличения длины контуров вихревых токов. Поэтому сила тока будет мало меняться. Сила Ампера, создающая момент, пропорциональна активной длине якоря и силе тока. Значит, для момента должна быть почти линейная зависимость от активной длины.
Уравнение вращающего момента муфты [3, с.56]:
где
m0
B - амплитуда первой гармоники переменной составляющей индукции магнитного
поля в зазоре при s=0, т.е. без учета влияния реакции якоря на Вm,
D - активный диаметр якоря;
2
l - активная длина якоря, для явнополюсной муфты активная длина равна длине зубцов (полюсов) l=l;
0
n - частота вращения (об/мин) ведущей части муфты;
0
0
s=(n-n)/n - скольжение муфты, n - частота вращения (об/мин) ведомой части муфты,
0
0
n-n=ns - относительная частота вращения ведущего и ведомого валов;
z - количество зубцов (полюсов);
z
l - длина зубцов (полюсов) индуктора;
ρ - удельное электрическое сопротивление материала якоря;
ая
µ - абсолютная магнитная проницаемость материала якоря на его поверхности при s=0.
0
m0
ая
-1
-6
-3
На рис.7 показана зависимость М(l) вращающего момента муфты от активной длины якоря в соответствие с (1) при различных скольжениях s для n=3000 мин; D=0,32 м; ρ=0,16·10 Ом·м (нагретая конструкционная сталь); В=0,623 Тл; µ=0,458·10 Гн/м; z=16 (все эти параметры взяты как в [3, с.56]). Как видно из графика момент муфты практически пропорционален активной длине, что очень удобно с точки зрения регулирования. Если бы зависимость была бы квадратичной или кубической, это было бы неудобно. При использовании в муфте с тремя степенями свободы якоря с обмоткой (такую муфту можно назвать электрической машиной с тремя степенями свободы) получается квадратичная зависимость M(l). Это легко объясняется постоянным сопротивлением витков: сила Ампера, создающая момент муфты, растет не только вследствие увеличения активной длины, но и вследствие увеличения силы индукционного тока (сила тока в данном случае пропорциональна активной длине).
Механические характеристики M(s) при различной активной длине якоря l приводятся в [3] на с.59, рис.4.4 б. Из этого графика видно, что при неизменном скольжении момент возрастает при увеличении активной длины якоря.
В обычных электрических машинах нерационально использовать принцип их регулирования, заключающийся в изменении механического момента при изменении активной длины ротора путем его выдвижения из статора (электрическая машина с двумя или с тремя степенями свободы). Дело в том, что на единице длины неактивной части ротора будет выделяться совершенно бесполезно столько же тепла, сколько и на единице длины активной части. Таким образом, при выдвижении ротора из статора КПД такой электрической машины будет уменьшаться даже при оптимальном скольжении. Это же касается и индукционных муфт скольжения, имеющих обмотку в якоре. Но, правда, ток через провода обмотки ротора или якоря по мере выдвижения ротора из статора или якоря из индуктора будет уменьшаться вследствие уменьшения э.д.с. индукции в обмотке ротора или якоря. Тем не менее, бесполезные потери в неактивной части ротора или якоря все равно будут. Поэтому принцип регулирования изменением активной длины рационально использовать только в индукционных явнополюсных муфтах скольжения с якорем, не содержащим обмотки, т.е. с массивным якорем. Может быть, есть смысл использовать этот принцип в асинхронных двигателях с массивным ротором (без обмотки). В этом случае при выдвижении ротора из статора будет использоваться не все магнитное поле, но потери в обмотке статора много меньше потерь в роторе, т.к. сила тока в статоре порядка 1 А, а в роторе десятки ампер.
Если индуктор муфты внутренний (первый вариант исполнения, рис.1), то перемещение якоря вдоль ведомого вала приведет к тому, что откроются магниты индуктора и в пространстве вокруг работающей муфты возникнет опасное переменное магнитное поле. При такой схеме от него можно избавиться, поместив муфту в шихтованный ферромагнитный корпус 9, длиной равным длине индуктора и диаметром немного большим внешнего диаметра якоря. В этом случае при смещении якоря магнитный поток будет замыкаться через большой воздушный зазор по корпусу. Картина магнитного поля при этом будет примерно как у системы индуктор - якорь [2, с.205, рис.V.27], но только корпус 9 неподвижен и воздушный зазор большой. Паразитные токи в шихтованном корпусе будут малы, тем более при большом воздушном зазоре. Масса муфты несколько увеличится, но внутренний индуктор более прочен, компактен и имеет меньший момент инерции по сравнению с наружным индуктором (рис.3) или по сравнению с индуктором, охватывающим якорь изнутри и снаружи (рис.5).
Избавиться от переменного магнитного поля можно также, если вместе с передвижением якоря вдоль ведомого вала перемещать магнитопровод в виде стакана, вращающийся вместе с индуктором как единое целое с возможностью перемещения вдоль ведущего вала. Однако, длина пространства, занимаемого такой муфтой в 3 раза больше длины индуктора. Поэтому такое решение мало приемлемо.
В схемах с наружным индуктором (второй вариант исполнения, рис.3) и с индуктором, охватывающим якорь (третий вариант исполнения, рис.5), все магнитное поле сосредоточено внутри индуктора и опасного переменного внешнего магнитного поля не возникает.Поэтому шихтованный корпус таким муфтам не нужен.
В обычных индукционных явнополюсных муфтах для обеспечения необходимого сечения якоря как электропроводящего элемента его торцевые части делаются выступающими в осевом направлении за пределы полюсов. На рис.8 показано расположение полюсов и контуров вихревых токов на развертке якоря явнополюсной муфты [3, с.10]. У муфты с тремя степенями свободы при перемещении якоря относительно индуктора на торце якоря, находящемся в магнитном поле, будет резкий поворот тока и с учетом поверхностного эффекта будет большая плотность тока (рис.9).
По закону Джоуля-Ленда в дифференциальной форме это приведет к сильному нагреву торцевой части якоря и потерям энергии. Поэтому на торце якоря нужно обеспечить условия для обычного (без э.д.с. индукции) поворота токов. Во всех трех вариантах исполнения эти условия создаются тем, что к торцу якоря приваривается кольцо 7 из немагнитного металла, чем ослабляется поле в этой части якоря (рис.10).
Немагнитопроводные материалы используют, например, в бесконтактных индукторных муфтах скольжения для предотвращения замыкания магнитного потока на якоре [1, с.17-18], [2, с.205-207]. Магнитная система муфты с тремя степенями свободы по первому и второму вариантам исполнения полностью аналогична магнитным системам соответственно прототипа и аналога, за исключением поля в торцевой части якоря. Магнитная система муфты по третьему варианту исполнения отличается от первых двух вариантов тем, что только часть магнитного потока замыкается через якорь таким же образом как в первом и втором вариантах (линии индукции параллельны поверхности якоря), а большая часть потока замыкается через якорь в радиальном направлении.
Пусть индуктор явнополюсной муфты с тремя степенями свободы по первому или второму вариантам исполнения выполнен с электромагнитами. Запишем закон полного тока (пренебрегая рассеянием магнитного потока) для контура, совпадающего с магнитной линией, проходящей через кольцо 7 из немагнитного металла, два воздушных зазора и через ферромагнетик индуктора (рисунок будет аналогичен рисункам прототипа [2, с.205, рис.V.27] или аналога [1, с.16, рис.8]):
где
I - ток в обмотке электромагнита индуктора;
N- число витков в обмотке электромагнита индуктора;
1
В - индукция вдоль магнитной линии, проходящей через кольцо 7 из немагнитного
металла, два воздушных зазора и через ферромагнетик индуктора;
µ - относительная магнитная проницаемость сердечника индуктора;
м
l - полная длина магнитной линии за вычетом воздушных зазоров;
н.м.
l - часть длины магнитной линии, расположенной в кольце из немагнитного металла;
0
l - ширина воздушного зазора между полюсом индуктора и кольцом 7 из немагнитного
металла;
н.м.
µ - относительная магнитная проницаемость материала кольца 7 из немагнитного металла.
В то же время закон полного тока для контура, совпадающего с магнитной линией, проходящей через стальной стакан якоря, два воздушных зазора и через ферромагнетик индуктора (см. рисунки прототипа [2, с.205, рис.V.27] или аналога [1, с.16, рис.8]) запишется:
где
2
B - индукция вдоль рассматриваемой магнитной линии;
µ - относительная магнитная проницаемость ферромагнетика якоря и сердечника
индуктора (предполагаем, что они сделаны из одного материала). Приравнивая (2) и (3) получим
н.м.
Для пара- и диамагнетиков µ≈1, для ферромагнетиков µ>>1. Поэтому
н.м.
Тогда выражения в скобках в левой и в правой частях (4) отличаются друг от друга на величину l Причем.
0
1
2
т.к. µ - большое число, а ширина зазора l мала. Поэтому выражение в скобках в левой части равенства много больше выражения в скобках в правой части, значит, индукция В в немагнитной части якоря много меньше индукции B в ферромагнитной (основной) части якоря:
1
Значит в кольце из немагнитного металла много меньше и э.д.с. индукции, т.к. именно вектор магнитной индукции (а не вектор напряженности магнитного поля) характеризует результирующее магнитное поле, создаваемое всеми макро- и микротоками. Этим и создаются условия для обычного (без э.д.с.) поворота тока, и плотность тока на торце уменьшается. Рассеяние магнитного потока может только еще больше ослабить индукцию В.
Если кольцо из немагнитного металла изготовлено из алюминия или из меди, то сопротивление в кольце будет меньше соответственно в 4 или в 6 раз чем в стальном стакане, но неравенство (6) сильнее.
При использовании индуктора с постоянными магнитами поле и э.д.с. индукции в кольце из немагнитного металла будет так же ослабляться.
1
Возможен второй способ уменьшения индукции В в торцевой части якоря без использования кольца из немагнитного металла - изгиб краев торца стального якоря в сторону от полюсов магнитов для увеличения воздушного зазора. В электрических машинах зазор стараются сделать как можно более малым. Но этот способ менее эффективен из-за малой длины магнитной линии в добавочной ширине воздушного зазора.
Преимущества. Предлагаемый принцип регулирования муфты позволяет использовать в индукторе сильные постоянные магниты вместо электромагнитов и полностью избавиться от потерь возбуждения (но, правда, они небольшие по сравнению с потерями скольжения) и обойтись без щеточного контакта. То есть такая муфта может быть бесконтактной. В отличие от обычных бесконтактных муфт скольжения у муфты с тремя степенями свободы число воздушных зазоров на пути магнитного потока остается равным двум, а не возрастает до трех-четырех, поэтому момент не снижается. Если же в муфте с тремя степенями свободы в индукторе используются электромагниты, то нет необходимости регулировать в них ток (но можно использовать и двойную регуляцию).
При использовании муфты с тремя степенями свободы в электромеханической трансмиссии в качестве вариатора частоты вращения и крутящего момента отпадает необходимость в многоступенчатой коробке передач и фрикционном сцеплении. Для управления вращающим моментом водителю нужен рычаг, регулирующий муфту, и педаль (рычаг), регулирующая мощность двигателя.
Поскольку двигатель внутреннего сгорания сам может регулироваться, то данная муфта расширяет возможности регулирования двигателя. Электромеханическая передача с использованием данной муфты в режиме оптимального скольжения может иметь больший КПД чем у обычной электромеханической (электрической) трансмиссии, состоящей из генератора и электродвигателя(-ей), за счет уменьшения количества электрических машин с двух (или нескольких) до одной (муфты). Поэтому электромеханическую передачу с такой муфтой можно использовать на автомобилях меньшей грузоподъемности. Кроме того, массивный стальной якорь муфты дешевле якоря с обмоткой в генераторе и двигателе.
Однако использование данной муфты на городском транспорте, который работает в условиях частых разгонов и торможений не эффективно из-за низкого КПД муфты при большом скольжении. Поэтому может быть целесообразным использование в электромеханической передаче наряду с описываемой муфтой обычной коробки передач с небольшим числом ступеней (например, двухступенчатой), расположенной между муфтой и колесами. Фрикционная муфта сцепления, соединяющая двигатель и трансмиссию при такой схеме не нужна, т.к. ее роль играет предлагаемая муфта.
Индукционную муфту с тремя степенями свободы совместно с многоступенчатой коробкой передач можно использовать в приводе жиробусов, микрожиробусов, гиромобилей, гирокаров и т.п.В данном случае момент с индуктора, жестко связанным с маховиком, на якорь можно передавать через вакуумный чехол, и, не смотря на большой зазор между ними, за счет очень большой скорости вращения маховика момент на ведомом валу может быть достаточно большим: при увеличении частоты вращения по ведущего вала угол наклона к оси / всех линий на рис.7 увеличивается.
Недостатки. Увеличение продольного размера муфты из-за необходимости перемещения якоря. Как и у обычной индукционной муфты скольжения при увеличении скольжения КПД уменьшается, что особенно сильно скажется при разгоне транспортного средства.
Литература
1. Щетинин Т.А. Индукционные муфты и тормоза в приводах с ударной нагрузкой. М.-Л., издательство «Энергия», 1965.
2. B.C. Поляков, И.Д. Барбаш, О.А. Ряховский. Справочник по муфтам/ Под ред. B.C. Полякова. 2-е изд., испр. и доп. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1979.
3. Щетинин Т.А. Электромагнитные муфты скольжения. - М.: Энергоатомиздат, 1985.