双牙嵌式电磁离合器的应用技术
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西安西电高压开关操动机构有限责任公司的研究人员陈旭，在2016年第12期《电气技术》杂志上撰文，介绍了一种新型双牙嵌式电磁离合器安装结构及其控制技术，通过选型设计、有限元分析及万次寿命试验证明：采用双牙嵌式电磁离合器作为分离传动元件可以解决大扭矩、快速分合电动机构的剩余动能带来的冲击。
在回路中设计延时继电器满足了双牙嵌式离合器的同步吸合要求；设计微动开关元件既实现了离合器可靠分离又消除了人为误操作事件的发生。
高压开关电动操动机构（以下简称电动机构）分合闸停止时，动能不能耗尽，因而会产生冲击现象。若冲击能量过大，将产生强烈的震动，造成零部件的损坏，因此需要设计合适的缓冲装置。
电动机构的缓冲装置主要分为：弹簧缓冲，橡胶缓冲，油缓冲器、气体缓冲等，但其处于传动末端，不适用于高速、大扭矩传动场合。在高速、大扭矩传动场合，在传动前端设计分离装置，消除冲击的效果明显。因此本文主要介绍某种新型大扭矩、快速分合电动机构采用两个牙嵌式电磁离合器实现可靠传动的应用技术。
1 电磁离合器的分类与应用特点
电磁离合器是利用线圈产生的电磁力吸引衔铁实现传动接合的元件。电磁离合器的优点是选型标准化，关联设计零件少。缺点是无法彻底消除剩磁，影响主从摩擦片分离及传动系统的精度和寿命。
电磁离合器一般用于环境温度-20～50℃，湿度小于85%的场合，其电压波动不应超过额定电压的±5%。电磁离合器分为干式单片电磁离合器、湿式多盘式电磁离合器、转差式电磁离合器、磁粉式电磁离合器、牙嵌式电磁离合器等五种[1] 。
干式单片电磁离合器适用于结合快速，频率高，外形尺寸没有限制的场合。其反应灵敏、结合迅速，结构紧凑、尺寸小，接合过程中有摩擦发热。当温度超过一定值时，离合器的材料性能有影响，因此需要定期对离合器进行维护，不适用操动机构。
湿式多盘式电磁离合器适用较高转速下接合的场合，操作频度低于干式，有滑环较无滑环式转动惯量大。摩擦片几乎无磨损，接合与脱开动作缓慢。工作时要求有供油系统，增加了传动设计的复杂程度，适用接合频率不易太高的场合。
转差式电磁离合器使用条件特殊，要求传递扭矩恒定，主动部分与被动部分存在较大滑差。启动平稳，主动轴速度不变时，从动轴速度可调，无摩擦，有吸收冲击振动的作用。承载能力不大，外形尺寸大，传递转矩小，动作缓慢，有的场合效率低。由于电动机构操作时不可能处于恒力场合，因此不适用。
磁粉式电磁离合器适用在同步和滑差场合，传递扭矩偏差小，启动与停止稳定，从动部分冲击小，没有结合面磨损情况，但是额定扭矩不高，对间断滑动条件不适应，磁粉需要定期检查更换且成本高。
牙嵌式电磁离合器属于刚性结合类型，无缓冲作用，允许停车结合，负载转矩小。牙嵌式电磁离合器动力的传递方式为齿与齿之间啮合实现的，没有缓冲结构的设计，因此当有转速差时，齿与齿之间会发生冲击，过大的冲击将会造成牙嵌式电磁离合器损伤。牙嵌式电磁离合器的齿形有三角形、梯形，齿均布在圆盘端面上，工作简图如图1所示。
图1 牙嵌式电磁离合器工作简图
工作时，断开牙嵌式电磁离合器电源，依靠内部弹簧的作用，齿面分开一定距离，传动被切断；接通电源，离合器克服内部弹簧弹力，将两齿面吸合在一起，将动力传出。经上述五种电磁离合器的特性对比分析，牙嵌式电磁离合器若能解决低转速结合的问题，其结构简单、尺寸小、适合大扭矩电动操动机构的传动。
2 牙嵌式电磁离合器传动方案的设计
本文所论述的电动机构技术要求为：输出扭矩大于1000N∙m；分合闸时间小于4s，输出角度为120°，因此确定了由双串励电机、双电磁离合器、双蜗轮蜗杆及单输出轴组成的传动方案，传动简图如图2所示 [2]。
图2 机构传动系统方案图
图2中，电机1与电机2通电旋转，同时电磁离合器3、电磁离合器7带电吸合，带动单头蜗轮蜗杆4，双头蜗轮蜗杆6旋转，共同驱动输出轴5旋转，输出轴5带动外部传动四连杆传动，完成分合闸操作。
本方案的动力源为串励电机1、串励电机2，转速比较高，输出轴传动惯量大，在输出轴部位进行分离，效果不好，因此在转动惯量小的电机部位设计了牙嵌式电磁离合器。当电机停电时，电磁离合器快速切断电机转动，避免将电机的剩余动能传递到末端。
牙嵌式离合器的应用具有精度高的特点。在调整时应参照国家标准间隙δ值的要求，避免δ值为零的情况，否则两个端面直接接触，影响离合器的使用效果。安装离合器时要保持主、从动轴的同心度，一般要求两轴的同轴度小于0.05mm。离合器主、从动部分轴向需固定，不允许有轴向窜动。牙嵌式离合器的传动扭矩必须小于离合器的额定扭矩。
本文根据规则，设计了新型电磁离合器的安装结构，如图3所示 [3]。
图3 电磁离合器安装结构
图3设计了一种新型离合器安装结构，采用一个轴穿过离合器的主从两部分，实现了离合器的高精度同轴设计，确保了传动的可靠性。
该传动结构由轴1、盘 2、键3、离合器4、连接盘5、轴承6、压盖7组成。操动机构工作时，电机得电旋转，驱动轴1转动，离合器4吸合，将动力传到连接盘5，实现了动力输出。轴1与离合器4的一部分通过键3连接，离合器4另一部分与连接盘5连接。
盘2与离合器4通过螺钉进行连接，连接面处于离合器的端面，轴1的两侧均有轴承支承。通过键、螺钉，压板将轴与离合器、传动零件连接为一个整体的传动部件。离合器4吸合时，动力可从轴1端输入，连接盘5端输出；离合器4断开时，即使轴1旋转，连接盘5也不旋转，即切断了动力传送。
据某新型操动机构的设计方案及理论计算，牙嵌式电磁离合器安装在蜗杆的输入端，此处的扭矩值计算为40N·m，因此机构备选的牙嵌式电磁离合器的参数如表1所示[4]。
表1 三种牙嵌式电磁离合器参数
由于离合器传动的可靠性受惯量、频率、转速、时间等多种因素影响，因此还应考虑这些因素所带来的影响，相应的提高传动扭矩，选取修正系数[5]。
经查相关工况修正系数表，本操动机构的工况系数取k=2，此处安装离合器的额定扭矩值应是40N·m的两倍，即大于80N∙m，所以表1中选择DLY0-10A型电磁离合器比较合适。
若选用DLY0-16型离合器，虽然扭矩能够满足，但是离合器的外形尺寸较大，动能较大，不适宜。
3 牙嵌式电磁离合器的控制技术
在双电磁离合器传动方案中，需要考虑两个离合器的同步吸合问题，若在电机得电瞬间同时触发两个电磁离合器带电，将会出现反应时差，动作不同步而导致打滑现象，因此在离合器的控制回路增加了延时功能设计，其控制逻辑如图4所示。
图4 控制逻辑图
图4实现了电机得电之前触发离合器带电吸合的目的。这种静态下吸合工况，既满足了结合转速的要求，又降低了机构启动瞬间的冲击，解决了牙嵌式电磁离合器瞬间快速传动的问题，因而得以应用于大扭矩、快速分合的操动机构中。
4 试验过程中的问题与改进措施
4.1 试验过程中的问题
本论文所述电动机构做试验时，出现了机构内部缓冲拐臂断裂的情况，断裂部位如图5所示，断裂的缓冲拐臂是减速机的机械限位装置，起到限制高压开关触头合闸位置的作用，是电动机构设计的关键结构，因此针对缓冲拐臂的材料、控制回路进行了原因分析。
图5 缓冲罐拐臂断裂照片
材料分析：检查是否符合图纸，是否存在缺陷。经查图纸，该零件的材料为45#钢，调质要求220～250HB，符合图纸要求。对断裂后的缓冲拐臂进行金相分析，断口源区未见原始缺陷，未发现零件材料不良现象，缓冲器金相组织形貌见图6。
图6 缓冲器金相组织形貌
控制回路分析：重新修复电动机构后，进行了控制回路测试，排查控制回路是否存在问题。测试后发现：离合器的接地线拆除后，离合器仍带电吸合（正常情况下，接地线拆除后，离合器应分离），无法切断离合器电源。
无法切断离合器电源的原因是：由于控制回路的故障，MQ延时继电器出现问题，电动操作时，MQ延时继电器的常开点处于常闭状态，无法切断离合器，控制回路如图7所示。
原因分析结论：因控制回路故障造成离合器无法断电分离，电动机构剩余动能直接传递到输出轴上，造成缓冲拐臂撞击机械限位，超过其承载能力，出现断裂。
4.2 改进措施
1）增加微动开关切换冗余，提高控制回路可靠性。
改进后的控制回路如图8所示，增加了SP1、SP2两个微动开关，两微动开关接入常闭节点，分别串入DT1、DT2电磁离合器回路。当操动机构分合到位后，机构的缓冲拐臂强制切断SP1与SP2微动开关，使离合器的电源立即断开，离合器分离，动力中断传出。
图8与图7所示的控制原理相比，图8方案实现了既可靠断电又安全的模式。当人为强压接触器时，电机得电只会空转，避免了人为操作接触器出现误动作事件。
图7 原控制回路
图8 改进后的控制回路
2） 优化缓冲拐臂的设计，增加设计裕度。
优化措施为：将缓冲拐臂的厚度由14mm增加到20mm，拐臂的过渡圆弧由R10增大到R15。经有限元分析，承载力得到提高，受力色谱图如图9、图10所示。
图9 原拐臂有限元受力分析图
图10 改进后拐臂有限元受力分析图
从图9可以看出，原拐臂易发生失效的位置为圆角R10处，是受力最薄弱处，零件承受的最大力是17900N。图10中，拐臂的最薄弱处为拐臂与碟簧的接触面，零件承受的最大力是22800N。通过以上分析可知，缓冲拐臂的受力大小及受力位置均得以优化改善。
5 试验结果
为了验证双电磁离合器的设计方案是否满足技术要求，进行了配开关本体M2级10000寿命试验，取得了国家高压电器质量监督检验中心型式试验报告，试验结果为合格。
本论文选取了额定电机电压下的电流波形进行说明，如图11、图12所示。波形图中黄、绿、紫分别为断口线，红色线为电机电源曲线。断口线在右侧为合闸波形，断口线在左侧为分闸波形。
图11是电机在额定电压试验条件下进行机构合闸的测试结果。可以看出，电机启动电流26.5A，电机工作电流4.2A，电机带电时间1.6s，电动机构合闸时间满足技术要求。
图11 电机在额定电压试验条件下进行机构合闸的测试结果
图12试验条件为额定电机电压下的分闸电流波形，电机电流的测试结果为：电机启动电流26.7A，电机工作电流4.3A，电机带电时间1.5s，电动机构分闸时间满足技术要求。
图12 电机在额定电压试验条件下进行机构分闸的测试结果
针对额定电压、低电压、高电压测试结果统计得出：电机的启动电流分布在25A~27A之间，启动电流是额定电流的4倍左右；电机工作电流分布在3.5A~4.4A之间，小于额定电流6A，占额定电流的67%；机构的分合闸时间小于4s；以上数据均处于合格范围内，且有一定设计裕度。电动机构万次机械性能试验的试验统计结果如表2所示：
表2 性能试验结果
6 结论
采用双牙嵌式电磁离合器作为分离传动元件可以解决大扭矩、快速分合电动机构剩余动能带来的冲击问题；在控制回路中设计延时继电器实现了双牙嵌式离合器的同步吸合，避免了吸合不同步造成离合器打滑现象的发生；在回路中设计微动开关既实现了离合器可靠分离又消除了人为误操作事件的发生，提高了传动的可靠性。