Индукционни съединители
Начало > Механични системи > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 7, 2010
Предлагат се в множество конструктивни разновидности, имат съществени предимства пред еластичните съединители
Принципът на работа на индукционните съединители (ИС) се основава на взаимодействие на магнитното поле на индуктора 2 (фиг.1) с магнитното поле на котвата 1, породено от индуцираните в нея вихрови токове. При това взаимодействие се създава въртящ момент и задвижващата част на съединителя увлича задвижваната. Необходимото условие за възникване на въртящ момент е разликата в ъгловите скорости на индуктора и котвата. В ролята на задвижваща част може да се използва както индукторът, така и котвата.
Чрез регулиране на възбуждащия ток в намотката на индуктора, подаван посредством контактните пръстени 3, може да се регулира големината на пренасяния въртящ момент. При изключено възбуждане въртящият момент става равен на нула, което съответства на пълно разделяне на задвижващия от задвижвания вал.
Плюсове и минуси на индукционните съединители
ИС се отличават с редица предимства в сравнение с триещите съединители. Сред тях са:
l възможност за безстъпално регулиране на скоростта на работната машина при постоянна скорост на двигателя;
l по-голяма надеждност и трайност на съединителя поради отсъствието на триещи се елементи, които иначе се износват;
l предпазване на двигателя и работната машина от претоварване, тъй като максималната големина на въртящия момент е ограничена;
l възможност за гасене на трептенията при ударни и знакопроменливи натоварвания, с което се подобряват динамичните качества и се повишава трайността на работните машини.
Разбира се, ИС имат и редица недостатъци, сред които: по-малка стойност на отношението между въртящия момент и обема на съединителя (респективно неговата маса), както и повишена инерционност. Недостатък на ИС са и влошените икономически показатели, тъй като за тях са характерни както загуби от плъзгане по време на преходните режими, така също и при работа на съединителя в установен режим и др.
Видове индукционни съединители
ИС се предлагат в много конструктивни разновидности, отличаващи се по различни признаци. Според БДС 10269-72 индукционните съединители се разделят в две основни групи: асинхронни и синхронни. В зависимост от изпълнението на индуктора, ИС са: с една възбудителна намотка - т. нар. индукторен тип (фиг. 1), и с явно изразени полюси. При тях всеки полюс разполага с отделна възбудителна намотка. В зависимост от разположението на индуктора спрямо котвата, ИС са с вътрешен или външен индуктор.
Друг признак за класификация на този тип съединители е в зависимост от начина на захранване на възбудителната намотка. Според него се различават съединители с контактни пръстени и съединители с безконтактно захранване.
ИС могат да бъдат изпълнени и с постоянни магнити, което позволява да се избегнат трудностите по захранването на възбудителната намотка. По този начин се постига и опростяване на конструкцията. Използват се за пренасяне на малки и средни въртящи моменти. Регулирането на момента може да се осъществи посредством изменение на въздушната хлабина.
ИС без явно изразени полюси са най-разпространени
Индукционните съединители с явно изразени полюси намират ограничено приложение поради по-сложната си конструкция в сравнение с ИС от индукторен тип. Най-разпространеният тип ИС са моделите без явно изразени полюси. Приложение в практиката намират и ИС с контактно захранване на възбудителната намотка. Разпространени са два варианта на магнитопровода на индуктора: с издатъци с едноименна полярност (фиг. 2) и с издатъци с редуваща се полярност (фиг. 3). На фигурите е показан и характерът на магнитните силови линии, характерни за двата типа индуктори при празен ход (без натоварване), когато магнитният поток на реакцията на котвата е малък и магнитното поле се създава главно от възбудителната намотка.
При въртенето на индуктор с възбуждане спрямо котвата, тя се пресича от променлив магнитен поток. Резултатът е появата на променливи електродвижещи сили и вихрови токове, които са с честота, пропорционална на хлъзгането и на броя на индукторните издатъци. Вихровите токове създават магнитен поток на реакцията на котвата. Сумиран с потока на индуктора, този магнитен поток образува резултантния магнитен поток на съединителя. Главната част от вихровите токове протича в тънкия повърхностен слой на котвата, намиращ се непосредствено до работната хлабина на ИС. Обяснява се с намаляване на променливата съставляваща на индукцията в дълбочината на котвата и с повърхностния ефект, т.е. с изтласкването на вихровите токове в повърхностния й слой. Взаимодействието на вихровите токове на котвата с резултантния магнитен поток на ИС предизвиква появата на въртящ момент, насочен в посока намаляване на разликата ws между скоростите на индуктора w1 и на котвата w2. Този момент увлича задвижваната част на ИС в посоката на въртене на задвижващата част.
Характерно за сърцевината, показана на фиг. 2, е че магнитната индукция по периферията на котвата запазва знака си, а се променя само по големина. При сърцевината от фиг. 3 магнитната индукция сменя знака си при преминаване от всеки издатък към съседния му.
Характеристика на индукционен съединител
Характеристика на ИС се нарича зависимостта между въртящия момент Т и скоростта на хлъзгане ws. Когато скоростта на въртене на водещата част на ИС е зададена, характеристиката би могла да се представи като функционална зависимост между въртящия момент и хлъзгането S.
Формата на естествените механични характеристики на ИС зависи от много фактори, като основните сред тях са размерите на съединителя и конструкцията на работната част на котвата. По-малко влияние върху формата на характеристиката оказват броят на полюсите и изпълнението на магнитната система на индуктора, съотношението между активните размери на котвата, намагнитващата сила на възбудителната намотка и др.
Тъй като основно влияние върху формата на характеристиката на ИС оказва изпълнението на работната част на котвата, в следващите редове се разглеждат някои характерни нейни конструкции.
Характеристика на ИС с масивна котва
ИС със средна мощност използват т. нар. масивна котва, представляваща гладък стоманен пръстен, обикновено оребрен от външната страна с цел охлаждане. Характеристиката на този тип котва при различни абсолютни размери има различна форма. При малки мощности (до 1 kW) характеристиката е близка до линейната. При средни мощности (до около 100 kW) характеристиката е близка до квадратична парабола, а при мощности над 100 kW - до парабола от трета или четвърта степен. При мощности над 100 kW, въртящият момент (ws = 20 - 30 s-1) достига практически най-голямата си стойност и след това почти не се изменя. Основна причина за посочените различия в характеристиките е големината на активния диаметър на котвата. С намаляване на диаметъра съпротивлението на котвата нараства и точката на насищане на въртящия момент се измества към по-големите стойности на ws. При ИС с малка и средна мощност тази точка не се наблюдава на практика, тъй като излиза извън границите на практически използваните скорости на хлъзгане.
Широко разпространение намира и т.нар. кафезно изпълнение на котвата, при което броят на нейните полюси е по-голям от броя на полюсите на индуктора. Характеристиката на ИС при това изпълнение е подобна на характеристиката на асинхронните електродвигатели.
Използват се и т. нар. асинхронно-синхронни ИС. Намират приложение в задвижвания, в които не е необходимо да се осъществява регулиране на скоростта. Основният режим на работа на подобни ИС е синхронният. При този режим отсъства хлъзгане и свързаните с него загуби. Устройството на индуктора на асинхронно-синхронните ИС е аналогично на изпълнението с масивна (гладка) котва или на котва от кафезен тип.
Изборът на ИС за конкретно приложение се базира най-вече на изпълнението на котвата, тъй като то влияе силно върху характеристиката на съединителя.
Съединителите с масивна котва
както и съединителите кафезно изпълнение на котвата, работят винаги с определено хлъзгане, което налага отвеждане на получената топлина. Тези съединители се използват предимно в агрегати, в които се изисква регулиране на скоростта. Когато характеристиката на ИС съответства на изискванията на работната машина, включването на регулатор би могло да се избегне. Например съоръжение за навиване на тел, подавана от валците с постоянна скорост, която се навива върху макарата с постоянна сила. Характеристиката, необходима при навиването на телта е Т.w = const. Характеристиката на ИС трябва да се съгласува с желаната характеристика при навиването. С подбиране на механизъм с подходящо постоянно предавателно отношение и големина на възбудителния ток, разликите между желаната и действителната характеристика при навиването на телта могат да бъдат сведени до минимум.
Моделите с масивна котва се използват и като пускови съединители, тъй като при хлъзгане S = 100%, т. е. при w2 = 0, въртящият им момент е голям. При работа в установен режим съединителят работи с малко хлъзгане, което трябва да се има предвид при подбиране на големината на ИС, тъй като е съпроводено с отделянето на топлина. За да се осигури коректна работа на съединителя, изчислената мощност на загубите трябва да бъде равна или по-малка от допустимата мощност в режим на хлъзгане.
Изборът на подходящ ИС обикновено се извършва по номограма от каталог на фирмата-производител. На абсцисната ос се нанася ъгловата честота на въртене на котвата, която е свързана с двигателя, а на ординатната - допустимата мощност при хлъзгане Рs. Обикновено като параметър се нанасят и условните означения на отделните типоразмери ИС.
Загубите на мощност Рv
се определят от големината и характера на пренасяния въртящ момент, продължителността на процеса на пускане, честотата на пускане, ъгловата скорост, до която трябва да се ускори агрегатът, и закона на изменение на тази скорост.
На първо приближение се приема равноускорителен закон и постоянен момент на съпротивленията върху задвижвания вал. В този случай за Рv се получава:
Рv=0,139.10-6.Т.w1.z.ta.
Във формулата: Т е въртящият момент; w1 - ъгловата скорост на задвижващия вал, до която се ускорява агрегатът; z - броят на пусканията на агрегата за един час; ta - времето за ускоряване на агрегата в s.
ИС с масивна котва се използват и в задвижвания на вентилатори, с цел регулиране на дебита посредством изменение на честотата на въртене, с което се избягват загубите от дроселиране. Съединителите с масивна котва, както и съединителите с кафезно изпълнение на котвата, се прилагат още и в задвижването на екскаватори, ковашко-пресови машини, сондажни машини и съоръжения, конвейри, гребни винтове и др.
Асинхронно-синхронните ИС
се използват като пускови съединители, особено при дълго време на приплъзване, както и когато честотата на пуск също е голяма. Чрез регулиране на възбуждащия ток, моментът на съединителя се съгласува през време на работа със съответния товар. По този начин се постига желаната продължителност на процеса на ускоряване на агрегата. Наред с това, индукционните съединители действат и като предпазни, тъй като при превишаване на момента, съответстващ на дадена големина на възбуждащия ток, се стига до приплъзване. Необходимо е да се има предвид, че при ударно действие на натоварването, асинхронно-синхронните съединители не трябва да се използват като предпазни. Това е допустимо само при бавно възникващи претоварвания. В областта от 0 до максимално допустимата стойност на момента, асинхронно-синхронните ИС действат еластично и демпфериращо, т. е. притежават редица свойства на еластичните съединители. Големината им се избира аналогично на вече споменатите номограми.
Експлоатация и изпитване на индукционните съединители
При монтажа на ИС е необходимо да се следи за съосността на задвижващия и задвижвания вал. На практика от нея зависи трайността на лагерите. В някои приложения е възможно да се използва комбинация между ИС и еластичен съединител. Важно условие за коректна работа на ИС е лагерите да не бъдат предварително натоварени по време на монтажа. Недопустимо е силата за набиване на лагерните гривни да въздейства върху тялото и индукторната намотка. Повърхнините на контактните пръстени, захранващи възбудителната намотка, също трябва да се пазят от нараняване. Четките следва да се монтират радиално спрямо пръстените. Новите четки следва да се напаснат към контактните пръстени, като за целта върху пръстена се поставя фина шкурка (с абразивния слой към четката). При нормално притискане на четката, чрез пружината на четкодържателя се осъществява напасването й към контактния пръстен.
Тъй като въртящият момент се пренася без механичен допир между котвата и индуктора, основните елементи на ИС практически не се износват. Затова индукционните съединители се отличават със сравнително лесно обслужване по време на експлоатационния им период. На износване са подложени единствено четките и лагерите.
Използваните лагери се мажат с топлоустойчива литиева грес. След 9000 часа работа или едногодишна експлоатация, лагерите на малките съединители следва да се разглобят, промият, проверят и ако не са повредени да се монтират отново, като се заредят с прясна грес. При по-големите съединители се извършва периодично допълване на лагерите с грес, като срокът се намалява с увеличаване на размера на съединителя и експлоатационната му честота на въртене.
Вижте още от Механични системи
Новият брой 8/2024
