Актуальность темы исследования. Линейные индукционные машины (ЛИМ) находят применение в целом ряде технологических процессов (МГД- технологии, электродинамическая сепарация, загрузочно-подающие операции при обработке прокатных изделий, индукционный нагрев в бегущем магнитном поле и т.д.). Основные достоинства ЛИМ связаны с бесконтактной передачей усилия вторичным элементам (ВЭ). При этом устраняются механические передачи, упрощаются кинематические схемы приводов, появляется возможность передачи усилия в замкнутые объемы, снимаются ограничения, связанные с передачей усилий за счет сцепления поверхностей и т.д. Благодаря таким свойствам устройства на основе ЛИМ характеризуются хорошими функциональными и энергетическими показателями, а в ряде случаев линейные электрические машины не имеют альтернативы. Основная особенность ЛИМ технологического назначения состоит в том, что размеры и свойства ВЭ (обрабатываемых заготовок и материалов) не являются предметом выбора при разработке машин, а задаются технологической задачей, что сужает возможности формирования механических и рабочих характеристик ЛИМ. В то же время при разработке линейных индукторов таких машин возможно использование технических решений, не применяемых в традиционной электромеханике. Одним из таких решений является использование индукторов с обмотками, создающими встречно бегущие магнитные поля (движущиеся от центра или к центру линейного индуктора). ЛИМ со встречно бегущими магнитными полями (ВБМП) позволяют улучшить энергетические и функциональные возможности электроприводов и технологических установок. Однако физические процессы в таких машинах изучены недостаточно. Это делает проведение их исследований актуальным.
Исследования, результаты которых составили основу диссертации, выполнены в рамках основного научного направления кафедры «Электротехника и электротехнологические системы» Уральского федерального университета «Разработка научных основ энергосберегающих электротехнологических и специальных электромеханических систем», а также в рамках сотрудничества с заинтересованными предприятиями.
Цель исследования: разработка линейных индукционных машин со встречно бегущими магнитными полями для разных технологических применений. Для достижения цели решались следующие задачи:
• разработка математических моделей и методик расчета ЛИМ со встречно бегущими магнитными полями и развитие теории таких машин;
• выявление закономерностей, влияющих на характер распределения электромагнитных усилий в ЛИМ со встречно бегущими полями;
• разработка методики и анализ электромагнитных процессов в рассматриваемых ЛИМ на основе построения диаграмм намагничивающих сил;
• разработка рекомендаций по проектированию ЛИМ, а также апробация результатов исследований на опытных образцах;
- разработка ЛИМ со встречно бегущими магнитными полями для решения ряда технологических задач (электродинамическая сепарация, перемещение и позиционирование обрабатываемых металлических заготовок, индукционный нагрев в бегущем магнитном поле).
Объект исследования - линейные индукционные машины со встречно бегущими магнитными полями.
Предметом исследования являются электромагнитные процессы в ЛИМ со встречно бегущими магнитными полями и характеристики технологических устройств на основе таких машин.
Научная новизна результатов исследований состоит в следующем:
1. Разработаны алгоритмы и методики расчета ЛИМ со встречно бегущими магнитными полями с учетом основных особенностей машин (неравномерность распределения магнитных полей в активной зоне ЛИМ, ограниченность размеров массивного вторичного элемента).
2. Разработана методика оценки электромагнитных процессов в ЛИМ со встречно бегущими магнитными полями на основе построения диаграмм намагничивающих сил.
3. Выявлены закономерности распределения электромагнитных усилий в активной зоне ЛИМ со встречно бегущими полями, зависящие от схемы соединения обмоток индуктора и определяемые появлением пульсирующих составляющих магнитных полей.
4. Разработаны рекомендации по выбору параметров ЛИМ со встречно бегущими магнитными полями с учетом специфики электромагнитных процессов для решения различных технологических задач.
Теоретическая и практическая значимость работы:
1. Разработана методика расчета ЛИМ со встречно бегущими магнитными полями в рамках «квазитрехмерного» подхода на основе сочетания аналитической и численной моделей ЛИМ в двухмерной постановке.
2. Предложена методика оценки характера электромагнитных процессов в ЛИМ со встречно бегущими магнитными полями на основе построения и анализа диаграмм н.с. обмоток.
3. Выявлены особенности электромагнитных процессов в ЛИМ со встречно бегущими магнитными полями при различных схемах обмоток линейных индукторов и показана физическая сущность таких особенностей.
4. Показаны преимущества применения рассматриваемых ЛИМ в электродинамических сепараторах, применяемых для извлечения цветных металлов из твердых отходов и для индукционной сортировки металлов.
5. Экспериментально подтверждены возможности самоцентрирования металлических заготовок в активной зоне ЛИМ со сбегающимися магнитными полями, показана целесообразность их применения во вспомогательном технологическом оборудовании металлообрабатывающих производств, а также в установках индукционного нагрева мерных заготовок;
6. Созданы опытные устройства на основе ЛИМ со встречно бегущими магнитными полями для решения ряда технологических задач. Новые технические решения защищены патентами РФ на полезные модели.
Методология и методы исследований. В теоретической части работы использованы методы теоретической электротехники и теории электрических машин. Математические модели для расчета электромагнитных усилий построены на основе решения полевых задач в двухмерной и трехмерной постановке. Методики расчетов реализованы с помощью математических пакетов МаШсай, Е1сн1 и СОМЗОЬ МиШрйузхсз. Теоретические результаты дополнены данными исследований экспериментальных образцов ЛИМ.
Достоверность полученных результатов подтверждается сравнением результатов расчетов, полученных по разным методикам; сопоставлением с данными экспериментов; соответствием результатов расчетов физическому смыслу процессов в ЛИМ.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель и алгоритм расчета электромагнитных усилий ЛИМ со встречно бегущими магнитными полями.
2. Методика оценки характера электромагнитных процессов в ЛИМ со встречно бегущими магнитными полями на основе построения и анализа диаграмм н.с. обмоток
3. Рекомендации по выбору схем соединения обмоток ЛИМ со встречно бегущими магнитными полями, полученные на основе исследования электромагнитных процессов в ЛИМ.
4. Рекомендации по применению ЛИМ со встречно бегущими магнитными полями в ряде технологических устройств (электродинамические сепараторы, установки индукционного нагрева и др.).
5. Результаты экспериментальных исследований опытных ЛИМ со встречно бегущими полями и технологических установок на их основе.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и семинарах: Международная конференция «Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий» (Екатеринбург, 2014, 2017); Международная НПК «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2014, 2017-2019); Международная НПК «Эффективное и качественное снабжение и использование электроэнергии» (Екатеринбург, 2015-2017); Международная НТК «Автоматизация в электроэнергетике и электротехнике» (Пермь, 2016); Международная НПК «Федоровские чтения» (Москва, 2016); Конгресс с международным участием «Фундаментальные исследования и прикладные разработки процессов переработки и утилизации техногенных образований» (Екатеринбург, УрО РАН, 2017); Научно-техническая конференция молодых ученых Уральского энергетического института УрФУ (Екатеринбург, 2017-2018); Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Алушта, 2018); IEEE Russia Section Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference (St. Petersburg, Russia, 2018-2019).
Публикации. Основные положения и результаты исследования опубликованы в 28 научных работах, включая 7 статей опубликованных в научных изданиях, определенных ВАК, из них 2 статьи - в изданиях, индексируемых в базе данных Scopus; 2 патента РФ на полезные модели; 18 тезисов докладов на всероссийских и международных конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения. Содержит 132 страниц основного текста (с приложением 157), 98 рисунков и 16 таблиц, список литературы, включающий 101 наименование и приложения.
Важной составляющей экспериментальных исследований являлись апробации реальных технологий на основе ЛИМ, которые выполнялись в интересах заинтересованных предприятий. В частности, испытывались опытные установки электродинамической сепарации для обработки электронного и кабельного лома, для извлечения металлов из различных твердых отходов, установки индукционного нагрева в бегущем магнитном поле, в том числе с использованием режимов перемещения и позиционирования заготовок. Результаты исследований переданы заказчикам.
В заключении приведены основные выводы по результатам работы.
1. На основе анализа литературы выявлены примеры эффективного применения ЛИМ в технологических процессах. Показаны возможности улучшения характеристик устройств на основе ЛИМ за счет использования встречно бегущих магнитных полей.
2. Выявлено, что электромагнитные процессы в ЛИМ со встречно бегущими магнитными полями характеризуются, прежде всего, искажениями поля в центре активной зоны индуктора. В зависимости от варианта чередования фаз обмоток распределения поля и электромагнитных усилий в таких ЛИМ могут существенно отличаться.
3. Разработана методика расчета ЛИМ в рамках «квазитрехмерного» подхода на основе развития аналитической и численной моделей машины в двухмерной постановке. Предлагаемая методика, сочетая достоинства каждой из названных моделей, позволяет учесть основные особенности рассматриваемых ЛИМ (неравномерность распределения магнитных полей в активной зоне, ограниченность размеров массивного вторичного элемента). Выполнение тестовых расчетов электромагнитных усилий опытных ЛИМ показало соответствие результатов, полученных по предлагаемой методике, данным экспериментов и результатам расчетов в трехмерной постановке.
4. Разработана методика анализа рассматриваемых ЛИМ на основе построения диаграмм намагничивающих сил, реализованная в программной среде Excel, которая позволяет выявлять благоприятные и неблагоприятные варианты обмоток ЛИМ, не прибегая к электромагнитным расчетам машин численными методами.
5. На основе выполненных исследований показано, что в ЛИМ со встречно бегущими магнитными полями существуют варианты обмоток, при которых искажения поля приводят к появлению зон с электромагнитными усилиями, близкими к нулю («мертвых» зон). Худшие результаты получаются при использовании обмоток, характеризующихся зеркальным расположением катушек отдельных фаз и токов в них относительно оси индуктора. В то же время выявлены схемы обмоток ЛИМ, в которых волны бегущих магнитных полей начинаются непосредственно от оси индуктора и «мертвая» зона отсутствует.
6. Обосновано применение ЛИМ с разбегающимися магнитными полями в электродинамических сепараторах. Такое решение позволяет существенно снизить требуемое для сепарации электромагнитное усилие. При этом можно расширить диапазон размеров извлекаемых частиц металла при неизменной мощности ЛИМ, либо уменьшить мощность сепаратора при неизменном качестве сепарации. При индукционной сортировке металлов применение встречно бегущих полей позволяет увеличить производительность процессов без потери качества сепарации.
7. Обоснована целесообразность применения ЛИМ с обмотками, создающими сбегающиеся магнитные поля во вспомогательном технологическом оборудовании металлообрабатывающего производства и в установках индукционного нагрева мерных заготовок. Подтверждены возможность бездатчикового позиционирования заготовок и возможность снижения неравномерности нагрева заготовок.
8. Разработаны и созданы установки на основе ЛИМ, на которых выполнены основные экспериментальные исследования, а также апробированы реальные технологии в интересах предприятий - заказчиков. Новые технические решения защищены патентами РФ на полезные модели. Разработанные методики расчетов ЛИМ и опытные установки используются в учебном процессе.
Рекомендации по продолжению исследований по теме диссертации: продолжить моделирование и исследование ЛИМ со встречно бегущими магнитными полями с учетом особенностей технологических установок, созданных на их основе.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
