کلاچهاى الکترومغناطیسى

[بهداد]

کلاچهاى الکترومغناطیسى
کلاچ ها دارای انواع مختلفى هستند که تاکنون تعدادى از آن ها را مورد بررسى قرار داده ایم. این شماره به کلاچ هاى الکترومغناطیسى اختصاص دارد که دارای ساختمانی متفاوت با دیگر کلاچ ها هستند. در ادامه به توضیح پیرامون این نوع خاص از کلاچ ها خواهیم پرداخت.امیدواریم که بتوانیم با ارایه این صفحه گامی هرچند کوتاه در مسیر آموزش فنی برداریم.

این کلاچ ها به شکل هاى تک صفحه اى و استوانه هاى تو در تو ساخته می شوند که برحسب نیاز و نوع طرح یکى از استوانه ها محرک و دیگرى متحرک است. عامل اصلى عمل قطع و وصل حرکت ، انرژى حاصل از الکترومغناطیسى است. این کلاچ ها سریع قطع و وصل مى شوند و از نظر ابعادى نسبتا کوچک هستند. اگرچه گران قیمت هستند ولى در سیستم هاى کنترل اتوماتیک ، ماشین هاى افزار و مخصوصا در دستگاه هاى CNC و NC مصرف زیادى دارند. در این کلاچ ها براى فشاردادن صفحات به یکدیگر در مدل تک صفحه اى و اتصال دو استوانه در مدل استوانه هاى تو در تو از نیروى الکترومغناطیس استفاده مى شود. این مکانیزم کلاچ دائما به جریان برق احتیاج دارد. همچنین به دلیل جریان برق مداوم احتیاج به یک سیستم خنک کننده نیز است. کلاچ های الکترومغناطیسی، مکانیزمی است برای اتصال دو محور با درگیری غیر دائم به یکدیگر و انتقال حرکت دورانی که با استفاده از عملگرهای الکترومغناطیس درگیر وآزاد می شوند.

کلاچ الکترومغناطیسی ،مناسب ترین روش برای کنترل ارتباط مکانیکی از راه دور است چون بدون احتیاج به درگیری اولیه می توان عملکرد آن را از راه دور کنترل کرد.دراین طرح از کلاچ ها احتمال ایجاد دمای بالا درمحل درگیری افزایش می یابد. درنتیجه ماکزیمم دمای کاری کلاچ به وسیله نرخ دمای پوشش محافظ الکترومگنت محدود می شود که این نیز یک محدودیت بزرگ در به کار گیری این کلاچ ها بوده و می تواند عامل بازدارنده ای دربه کارگیری آن ها باشد. اشکال دوم وارد بر این کلاچ ها هزینه بالای طراحی آن هاست.

کلاچ های الکترومغناطیسی به صورت الکتریکی عمل کرده اما به صورت مکانیکی گشتاور را منتقل می کنند.

این روشی است که سابقا طراحان به ترمزها و کلاچ های الکترومغناطیسی واگذار می کردند.

قریب به 60 سال از زمانى که این کلاچ ها به صورت عمده مورد استفاده قرار گرفت مى گذرد. انواع مختلفی از تجهیزات و کلاچ ها به صورت روز افزون طراحى و ساخته شده اند ولى هنوز سیستم آن به صورت اولیه باقى مانده است.

ساختمان کلاچ
تصور کنید که پوسته سیم پیچ همانند یک آهن رباى نعلى شکل است که داراى قطب Sو N است .اگر تکه اى فلز آهنی به دو سر آن وصل باشد، یک مدار مغناطیسى تولید مى شود .در کلاچ وقتى جریان برقرار مى شود میدان مغناطیسى در سیم پیچ به وجود مى آید .این میدان مغناطیسى بر شکاف هوایى که بین عضو متحرک و محرک کلاچ وجود دارد غلبه مى کند. این جاذبه مغناطیسى شفت آرمیچر را به نقطه تماس آن با صفحه روتور مى رساند. تماس اصطکاکى که توسط نیروى میدان مغناطیسى کنترل مى شود دلیل حرکت یا توقف عضو متحرک است. تقریبا تمام گشتاور حاصل از نیروى مغناطیسی متناسب است با ضریب حساسیت بین فولاد آرمیچر و فولاد روتور. دربسیارى از کلاچ هاى صنعتى در بین قطب ها ازموادى خاص استفاده مى شود.این مواد اساسا براى کمک به کاهش میزان سایش استفاده شده. همچنین می توان مواد مختلف دیگرى نیز براى تغییر گشتاور در کاربردهاى خاص مورد استفاده قرار داد؛ به عنوان مثال اگر کلاچ زمان زیادى را براى رسیدن به سرعت ماکزیمم لازم داشته باشد مى توان از موادی با ضریب اصطکاک پایین استفاده کرد.

در واقع باید درون کلاچ خطوط شار مغناطیسى داخل روتور بوده و در حین حرکت آرمیچر را جذب و فشرده سازد. در بیشتر تجهیزات صنعتى براى درگیری کامل ازکلاچ هایی با دومیدان مغناطیسی استفاده مى کنند که single- flux-twe pole-clutch نامیده مى شود. کلاچ هاى مغناطیسى مخصوص مى توانند از روتورهایى با دو یا سه جزء تولید میدان مغناطیسی استفاده کنند.

به واسطه داشتن قطب هاى بیشتر میزان گشتاور انتقالی کلاچ نیز افزایش مى یابد.در تئورى، کلاچ مى تواند دو مجموعه آهن ربا در یک قطر داشته باشد ولی درعمل این امر ممکن نیست .بنابراین نقاط تماس باید در قطرهاى کوچک باشند . پل ارتباطی بین شارهاى سرگردان سبب تلف شدن فلوی مغناطیسى موجود می شود ولى با استفاده از طرح های بهینه حدود 30 تا 50 درصد براى فلوى دوگانه و 40 تا 90 درصد براى سه گانه افزایش شار مغناطیسی ایجاد مى شود.این نکته مى تواند در کاربردهایى که اندازه و وزن فاکتور مهمى هستند قابل توجه باشد، چون مهندس single flux طراح مى تواند از کلاچ کوچک تر به جاى استفاده کند.

ساختمان و ساختار سیم پیچ براى کلاچ ها خیلى شبیه هم هستند.سیم پیچ از فولاد پرکربن که داراى خواص مغناطیسى قوى است ساخته مى شود. مس و برخى اوقات آلومینیوم براى تولید سیم پیچی استفاده شده که با قرقره یا چسب اپوکسی روی پوسته نگه داشته می شود. مواد اصطکاکی روی قطب های داخلی،خارجی و سیم پیچ قرار گرفته است. ساختار اولیه کلاچ ها شبیه هم هستند صرف نظر ازاین که مواد اصطکاکی بین قطب ها در سیم پیچ وجود ندارد.این نوع کلاچ در بسیارى تجهیزات متحرک از قبیل خودروها و ادوات کشاورزى استفاده شده اندو فاقد صفحات اصطکاکی هستند که به علت امکان جایگزینی با کلاچ های دیگر و همچنین هزینه بالاى تولید نسبت به دیگر کلاچ ها با کاهش تقاضا روبه رو شده اند. همچنین بیشتر کلاچ هاى متحرک بدون حفاظ روى دستگاه قرار گرفته اند که ممکن است باعث جذب رطوبت شده و دفرمه شوند.

اصول عملکرد
یک کلاچ از چهار قسمت اصلی تشکیل شده است:

1-سیم پیچ تولید میدان مغناطیسى

2-روتور

3-آرمیچر

4-توپى Electromagnetic clutch (HUB)

وقتى که جریان برقرار می شود یک فلوی مغناطیسی ساکن ایجاد شده و به داخل روتور انتقال مى یابد (روتور به قسمتى وصل شده که همیشه در حال حرکت است)این فلوآرمیچر را جذب کرده و باعث اتصال آن به روتور مى شود.لغزش بین صفحه روتور و آرمیچر تا جایى ادامه پیدا مى کندکه سرعت خروجى و ورودى یکسان شود. کل زمان تلف شده برای این فرایند بین یک تا دو دهم ثانیه است.این کلاچ ها از یک سطح حساس براى ایجاد ارتباط بین اجزای داخلى و خارجى استفاده مى کنند. کاربرد این نوع کلاچ ها در ماشین کپى و نوار نقاله بیشتر از نوع کلاچ هاى الکترو مکانیک هستند.از دیگر کاربردهاى آن مى توان به ماشین هاى بسته بندى، ماشین هاى چاپ، ماشین هاى فراورده هاى غذایى،کمپرسور کولر خودروها و کارخانه هاى دارای خط اتوماتیک اشاره کرد. وقتى نیاز است کلاچ عمل کند ولتاژ براى سیم پیچ ارسال شده و باعث ایجاد میدان الکترو مغناطیس مى شود. خطوط قوای مغناطیسى ایجاد شده به شکاف هوایى که بین روتور و میدان وجود دارد انتقال داده مى شود. در این حالت روتور خاصیت مغناطیسى پیدا کرده آرمیچر را مى کشد.آرمیچر کشیده شده بر خلاف جهت روتور است و نیروى اصطکاک براى وصل شدن استفاده شده است.در زمان نسبتا کوتاهى بار الکتریکى براى افزایش قدرت جذب و انتقال گشتاور افزایش پیدا کرده، در نتیجه آرمیچر و هاب خروجى کلاچ فعال مى شود.

وقتى ارسال ولتاژ متوقف می شود،اتصال آرمیچر و روتور قطع می گردد. در بیشتر طراحى ها فنرها آرمیچر را از سطح روتور جدا مى کنند و وقتى که نیرو افزایش پیدا مى کند یک شکاف هوایى کوچک به وجود مى آید.سیکل کاری توسط وارد شدن ولتاژ به داخل سیم پیچ و خارج شدن ازآن کامل می شود. در این مکانیزم ها مقدار لغزش صفر بوده و درنتیجه راندمان انتقال گشتاور صددرصد است.

قانون دست راست
هر گاه ذره بارداری در یک میدان مغناطیسی حرکت کند طوری که خطوط میدان توسط بار قطع شود بر ذره های باردار نیرو وارد می شود و بارالکتریکی از مسیر خود منحرف می شود به طوری که راستای نیرو و راستای میدان و راستای حرکت هر سه بر هم عمودند که برای تعیین جهت نیرو از قاعده دست راست برای بار مثبت به این صورت انجام می دهیم، قانون دست راست، اگر چهارانگشت دست راست دو جهت حرکت و بسته شدن آن ها در جهت میدان باشد انگشت شست جهت نیرو را نشان می دهد. میدان مغناطیسى کلاچ معمولا متناسب با ولتاژ جاری شده بوده و گشتاور منتقل شده توسط کلاچ نیز به اندازه ولتاژ و شدت جریان به کار رفته است.اگر ولتاژ ارسالی به سیم پیچ کلاچ 90،48 یا 24 ولت باشد، به ترتیب گشتاورهاى متناسب با خود را ایجاد مى کنند. به هر حال اگر 90 ولت اختلاف پتانسیل بین دوسر سیم پیچ کلاچ وجود داشته باشد و کلاچ 50 درصدآن را به کار ببرد گشتاور خروجى آن نصف گشتاور نامی خواهد بود. این به خاطر رابطه خطى است که بین گشتاور و ولتاژ الکتریکى وجود دارد. جریان ایده آل براى بیشترین گشتاور جریان مستقیم است. اگر جریان به صورت متناوب باشد میدان مغناطیسى ضعیف شده و مقاومت سیم پیچ بالا مى رود. به طور کلی دما نیز گشتاور را تحت تاثیر قرار می دهد. به طوری که به ازای هر 20 درجه تغییر دمایی حدودا هشت درصد گشتاور تغییر می کند. اگر دما درمحدوده نرمال باشد مى توان از نوسانات جلوگیرى کرد. مثلا وقتى درجه حرارت کاهش مى یابد با بزرگ تر کردن سایز کلاچ مى توان این تنزل درجه را جبران کردو این نکته نیز مهم است که این امر از تامین جریان مستقیم ارزان تر است. در حقیقت دو وضعیت براى بررسی در کلاچ الکترو مغناطیسى وجود دارد. اول مدت زمانی است که طول مى کشد نیروى مغناطیسى سیم پیچ به اندازه کافى افزایش یافته تا آرمیچر را جذب کند.

برای انجام این مهم دوعامل موثر است:
1- مقدار جریانى که در سیم پیچ جریان پیدا کرده تا قدرت میدان مغناطیسى را تولید کند.2-اختلاف فاصله هوایى است که بین روتور و آرمیچر در یک کلاچ نو و کهنه وجود دارد. در سرعت های بالا فلوى مغناطیسى در هوا نقصان پیدا مى کند. براى حل این نقصان درکاربردهایی با سرعت دورانی بالا، متحرک یا آزاد بودن ارمیچر مى تواند راه حل مناسبی باشد. چیزى که مهم است این نکته است که زمان واکنش نسبت به زما نى که هیج شکاف هوایى وجود ندارد پایین تراست. شکاف هوایى از این جهت حائز اهمیت است که رابطه خاصى با طراحى آرمیچر دارد چون مى توان با تغییر ضخامت فاصله هوایى زمان درگیرى را تغییر داد. در کاربردهاى با سرعت دورانی بالا که دقت عمل مهم است حتى اختلاف 10 تا 15 میلى ثانیه در زمان درگیری مى تواند باعث تغییردر نوع ماده به کار رفته در مکانیزم کلاچ باشد. در کاربردهاى معمولى هم این نکته حائز اهمیت است چون هر ماشین جدیدى که زمان عکس العمل دقیقى براى خود دارد در صورتى که این زمان دچار اختلال شود نشان دهنده این نکته است که دستگاه رفته رفته فرسوده مى شود.

2- عامل دیگر زمان واکنش بیرونى کلاچ بوده که از سیم پیچ مغناطیسى و یا شکاف هوایى با اهمیت تر است. این خاصیت دراصل عکس العمل لازم کلاچ در زمان توقف و شتاب گیری است.در واقع این همان چیزى است که مشترى به آن علاقه مند است.

صیقل کارى
صیقل کارى فضایی را در دستگاه اشغال نمى کند ولی اهمیت آن در دستگاه ها بسیار زیاد است و در واقع صافی سطحی است که براى بهتر چسبیدن و جفت شدن سطوح به هم استفاده مى شود. این مرحله بخشی از فرآیند ساخت کلاچ است که براى از بین بردن برجستگى هاى اولیه که در بیشتر سطوح تماس بین دو جزء وجود دارد، انجام می شود. برای این که یک کلاچ بتواند بیشترین گشتاور انتقالی را داشته باشد باید صیقل کارى شود. این الزام در تمام کاربردهاى کلاچ لزومی ندارد. به صورت ساده اگر در کاربردهایی گشتاور پایین لازم باشد-گشتاور ابتدایى ترمز و کلاچ- نیازى به صیقل کارى نیست.وقتى آرمیچر ، روتور و صفحات ترمزی تولید می شوند، سطوح آن ها تا حد ممکن صیقل داه می شوند. به طوری که وقتى آن ها را زیر میکروسکوپ مشاهده کنیم مشخص می شود که سطوح آن ها داراى پستى و بلندى هاى بسیارى است. در یک کلاچ نو که هنوز مورد استفاده قرار نگرفته مقدار زیادى برجستگى در روى دو سطح وجود دارد که این بدین معناست که سطح تماس مى تواند به صورت قابل ملاحظه اى کاسته شود.

در کلاچ یک یاتاقان تعبیه شده که در محل اتصال آرمیچر به روتور قرار دارد. دو قسمت از کلاچ یا ترمز که جدا کننده آرمیچر از روتور هستند باید تحت صیقل کارى دقیق قرارگیرند تا دو قطعه بتوانند دقیقا بر روی یکدیگر قرار گرفته و بالانس شوند تا کلاچ بتواند بار دیگر بالاترین گشتاور را منتقل کند.

گشتاور
در پاراگراف قبل درباره تاثیر صافی سطح بر گشتاورانتقالی توضیح داده شد ولى عوامل دیگرى نیز وجود دارند که در این مهم تاثیر گذارند. مهم ترین این عوامل ولتاژ است. قبلا توضیح داده شد که چرا پایدارى ولتاژ و شدت جریان در انتقال گشتاور کامل کلاچ مهم است.وقتى گشتاور مورد بررسى قرار مى گیرد این سوال مطرح شده که آیا استفاده دینامیکى کلاچ بیشتر مورد نظراست یا استاتیکی؟

براى مثال اگر کارکرد ماشین در دورهای نسبتا rpm50-5 باشد حداقل وابستگى را با گشتاور پایین در دینامیکى دارد و زمانى که ماشین بادور rpm3000 حرکت است گشتاور استاتیکى کلاچ به کمترین حد ممکن خود مى رسد. بیشتر سازنده ها منحنى گشتاور را منتشر مى کنند تا رابطه بین گشتاور دینامیکى و استاتیکى را در کلاچ مشخص کنند. معمولا همه تولید کننده ها میزان گشتاور استاتیکى را براى کلاچ و ترمزدر این فهرست قرار مى دهند. بنابراین زمانى که سعى بر تعیین میزان واکنش مخصوص کلاچ است نرخ گشتاور دینامیکى نیاز است.در بسیارى موارد این امر کمتر مورد توجه قرار مى گیرد که مقدار آن مى تواند کمتر از نصف گشتاور استاتیکى باشد.

Backlash (پس زدن)
دربرخی از کاربرد ها نیاز است که لقی بین اجزای تشکیل دهنده با دقت بالا انتخاب شود و اتصالات جذب کامل باشند. در این کاربردها حتی یک درجه چرخش نسبی بین اجزاء درهنگام درگیری کلاچ می تواند مشکل ساز باشد. این حقیقتی است که در تعداد زیادی از اتصالات رباتی وجود دارد. در بعضی مواقع مهندسان طراح کلاچ هایی با مقدار "پس زنی" صفر طراحی می کنند اما بازهم امکان بروز یک چرخش نسبی کم بین توپی یا روتور در شفت وجود دارد.

اگرچه دراغلب کاربردها نیازی به پس زنی صفر نیست ولی برای رفع این نقیصه می توان از آلیاژهای منیزیم دار درساخت سطوح تماس استفاده کرد.تعدادی از این اتصالات به صورت استاندارد در بین آرمیچر و توپی دارای یک نوار باریک به صورت زبانه هستند که تاثیر زیادی درجلوگیری از پس زدن دارد و یا درطرح دیگر توپی به فرم مربعی شکل طراحی می شود. نوار زبانه شکل بهترین حالت را برای جلوگیری از پس زدن اولیه ایجاد می کند.