Для установок, требующих регулирования скорости вращения с помощью максимально простых машин и устройств, могут применяться электроприводы с электромагнитными муфтами различных видов.
Наиболее широкое распространение получили электромагнитные муфты скольжения, с помощью которых относительно легко предохранять элементы рабочей машины от поломок при резком увеличении нагрузок, регулировать скорость вращения, получать специальные характеристики и улучшать пусковые свойства электропривода при использовании двигателей с небольшим по величине пусковым моментом (асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором и синхронные двигатели).
Электромагнитная муфта скольжения представляет собой электрическую машину, состоящую из двух частей индуктора и якоря, которые расположены концентрически и разделены воздушным зазором. Часть муфты, жестко связанная с валом электродвигателя, является ведущей, а вторая, соединенная с приводным валом рабочей машины, — ведомой.
На индукторе располагаются полюса с обмоткой возбуждения, которая через контактные кольца получает питание от источника постоянного тока. Якорь представляет собой магнитопровод, выполненный из листовой электротехнической стали, с размещенной на нем короткозамкнутой обмоткой в виде беличьей клетки.
Принцип работы муфты аналогичен принципу работы многофазного асинхронного двигателя. Но в асинхронном двигателе вращающееся магнитное поле создается с помощью многофазной обмотки, питающейся от источника переменного тока с соответствующим сдвигом фаз, а в муфте скольжения осуществляется вращение полюсов с постоянным магнитным потоком относительно короткозамкнутой обмотки.
В этой обмотке под действием магнитного потока индуктируется э.д.с. переменного тока, амплитуда и частота которой зависят от разности скоростей ведомой и ведущей частей муфты, появляется ток и возникает вращающий момент.
Изменяя ток в обмотке возбуждения, можно получить различные механические характеристики, представляющие зависимость передаваемого момента от скольжения муфты, которые аналогичны механическим характеристикам многофазного асинхронного двигателя при регулировании подводимого к нему напряжения.
Наиболее простую конструкцию имеет электромагнитная муфта якорем из массивного стального сердечника. Вращающий момент этой муфты создается вихревыми токами, наводимыми в сердечнике.
Такая конструкция муфты значительно повышает ее надежность, поскольку массивный сердечник, нагреваемый протекающими в нем вихревыми токами, имеет непосредственный контакт с внешней средой и тепло лучше отводится от муфты.
Обычно индуктором является внутренняя часть муфты, снабженная выступающими полюсами с обмоткой возбуждения, питающейся через контактные кольца постоянным током.
Механические характеристики электромагнитной муфты с массивным магнитопроводом из-за значительного его сопротивления имеют вид реостатных характеристик асинхронного двигателя.
Если необходимо, чтобы момент муфты оставался приблизительно постоянным независимо от величины скольжения, то полюса индуктора выполняют специальной формы — клювообразной или когтеобразной.
Для возбуждения муфты расходуется сравнительно небольшая мощность, которая не пропорциональна передаваемой муфтой мощности и составляет от 0,1 до 2,0%. Меньшие цифры относятся к муфтам большой мощности, а большие — к муфтам малой мощности. Так, в муфте, передающей мощность 450 кВт потери на возбуждение составляют 600 Вт, а в муфте на мощность 5 кВт — около 100 Вт.
Система с электромагнитной муфтой обеспечивает необходимый диапазон регулирования скорости обычно путем изменения тока в обмотке возбуждения индуктора. Но к. п. д. привода в этом случае будет меньше, чем при реостатном регулировании. Это объясняется тем, что общий к. п. д. привода равен произведению к. п. д. самой муфты и к. п. д. двигателя.
Потери в муфте определяются в основном потерями скольжения, выделяющимися в якоре муфты. В мощных муфтах необходимо иметь специальное устройство для отвода значительного количества тепла.
Электромагнитные муфты обладают ценным свойством в сочетании с надежным в эксплуатации асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором.
Двигатель с короткозамкнутым ротором имеет сравнительно небольшой пусковой момент, значительный пусковой ток и достаточно высокий критический момент. Поэтому, используя электромагнитную муфту, пуск двигателя можно осуществлять при отсутствии тока в обмотке возбуждения муфты, т. е. когда передаваемый муфтой момент равен нулю. В этом случае двигатель быстро разгоняется вхолостую и нагрев его незначительный.
После перехода двигателя на рабочую часть характеристики в обмотку возбуждения муфты подается ток, что вызывает появление в ней электромагнитного момента. Ведомая часть муфты будет оставаться неподвижной до тех пор, пока передаваемый муфтой момент не превысит статический момент нагрузки.
Одновременно ведущая часть муфты будет нагружать двигатель моментом такой же величины, как и приложенный к ведомой части муфты. При этом двигатель может развивать момент, близкий к критическому и значительно превышающий его пусковой момент, а ток двигателя будет меньше, чем при пуске.
Следовательно, применение электромагнитной муфты улучшает пусковые свойства электродвигателя. Аналогичным способом могут быть улучшены пусковые свойства синхронного двигателя, у которого они гораздо хуже, чем у асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
Одной из разновидностей электромагнитных муфт являются муфты с магнитным порошковым заполнением. Основное отличие порошковой муфты от описанных выше муфт скольжения состоит в том, что между двумя вращающимися частями муфты, заключенными в герметизированный корпус, помещен железный порошок (чаще в смеси с маслом).
Если обмотка возбуждения не питается током, то железный порошок находится в беспорядочном, состоянии. Когда в обмотку возбуждения подается ток, то под действием ее магнитного поля порошок расположится вдоль магнитных силовых линий, образуя своеобразные цепочки, перекрывающие воздушный зазор и обеспечивающие передачу усилия от ведущей части муфты к ведомой. Чем больше ток возбуждения, тем больший момент может передать муфта.
Порошковая электромагнитная муфта обеспечивает не только пуск, но и регулирование скорости, а также может быть использована в качестве предохранительной муфты, ограничивающей предельную величину вращающего момента, передаваемого на вал рабочей машины.
Благодаря большой магнитной проницаемости железного порошка по сравнению с воздухом муфта требует значительно меньшую мощность для возбуждения по сравнению с индукционной муфтой.
По способу подвода тока к обмоткам возбуждения различают контактные и бесконтактные порошковые муфты. У контактных муфт обмотка возбуждения располагается на вращающейся части, и питание катушки осуществляется через контактные кольца.
Обмотка возбуждения бесконтактных муфт размещается на неподвижной части магнитопровода, отделенной от вращающихся элементов небольшим воздушным зазором.
Как порошковые, так и индукционные электромагнитные муфты в некоторых случаях встраиваются в органы рабочей машины, подобно электродвигателям индивидуального исполнения, или объединяются в общей конструкции с их приводным электродвигателем. При таком решении размеры и вес электропривода существенно уменьшаются.
В некоторых случаях вместо электромагнитных муфт применяют гидравлические муфты или гидротрансформаторы. Тогда привод называют гидравлическим.
В последнее время, при модернизации электрооборудования станков, машин и других различных производственных механизмов электропривод с индукционными и порошковыми муфтами заменяют на частотно-регулируемый электропривод с использованием асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротом, питающимся через частотные преобразователи.