ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В УСТРОЙСТВАХ С ПРОИЗВОЛЬНОЙ ПОДВИЖНОЙ ЧАСТЬЮ Специальность 05.09.01. - Электромеханика и электрические аппараты Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Новочеркасск

Авторефераты по всем темам >> Авторефераты по техническим специальностям

На правах рукописи

ВОЛОДИН Григорий Иосифович

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В УСТРОЙСТВАХ

С ПРОИЗВОЛЬНОЙ ПОДВИЖНОЙ ЧАСТЬЮ

Специальность 05.09.01. - Электромеханика и электрические аппараты

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Новочеркасск - 2009

Работа выполнена на кафедре Электромеханика в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)

Научный консультант доктор технических наук, профессор

Бахвалов Юрий Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Гайтов Багаудин Хамидович

доктор технических наук, профессор

Кононенко Константин Евгеньевич

доктор технических наук, профессор

Ковалев Олег Федорович

Ведущее предприятие: кафедра электротехники и электротехноло-

гических систем ГОУ ВПО Уральский го-

сударственный технический университет

Защита диссертации состоится 30 октября 2009 г. в 10 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д.212.304.08 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт) по адресу: 346428, г. Новочеркасск Ростовской области, ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)

Автореферат разослан л______________2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Скубиенко С.В.

Д. 212.304.08

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Разработка средств исследования электромагнитных процессов в устройствах с произвольной подвижной частью представляет собой актуальную задачу в связи с тем, что применение новых технологических устройств является одним из путей повышения эффективности технологических процессов. Рассматриваемые в настоящей работе устройства являются новыми, их применение выводит технологические процессы на новый уровень эффективности. Рассматриваемые устройства являются устройствами непосредственного привода, в которых движение подвижных частей происходит за счет воздействия на них электромагнитных и электрических полей без использования промежуточных механических элементов. Исследования электромагнитных и электрических устройств с произвольными геометрическими и структурными параметрами подвижной части в настоящей работе проводились применительно к использованию их в следующих областях:

1) в металлургическом производстве для транспортирования линейных про- тяженных профилей из цветного металла вдоль технологической линии, а также для транспортирования расплава цветных металлов;

в различных производствах для сепарации из сырьевых масс, направляемых на переработку, предметов из немагнитных металлов;
в различных производствах для осуществления процессов механохимической обработки различных веществ и смесей.
в производстве и транспортировании сыпучих материалов для осуществления блокирования пылевых выбросов в атмосферу.

Рассматриваемые в настоящей работе устройства для областей применения согласно пунктам 1, 2 являются устройствами непосредственного привода с линейным индуктором. Начиная с середины прошлого века, наблюдался бурный рост применения таких устройств. Характерными примерами таких устройств является высокоскоростной наземный транспорт с линейными электродвигателями и МГД-устройства для перемещения расплавов металлов. Одновременно в этот период резко увеличивается количество устройств непосредственного привода, применяемых в различных технологических процессах. Параллельно с этими процессами идут процессы развития теоретических основ электромагнитных процессов в этих устройствах. Наиболее полно разработана теория линейных электродвигателей, которая лежит в основе и других работ по устройствам непосредственного привода. При рассмотрении устройств непосредственного привода, применяемых в технологических процессах, практически всегда создается ситуация, когда подвижная часть имеет произвольные геометрическую форму, размеры, структуру, также произвольным является взаимное расположение неподвижной и подвижной частей. Теория линейных электродвигателей для исследования электромагнитных процессов в этих устройствах либо неприменима, либо может применяться с большим количеством допущений, поэтому становится актуальной разработка теоретических основ анализа электромагнитных процессов в устройствах с произвольной подвижной частью. Цилиндрические индукционные устройства с подвижной частью в виде набора неравноосных ферромагнитных элементов находят применение в системах механохимической обработки различных смесей, например, для предкркинговой обработки нефти, диспергировании различных смесей, обработки промышленных стоков, обработки продуктов жизнедеятельности животных и др. Устройства с мелкодисперсной подвижной частью применяются для блокирования пылевых выбросов в атмосферу и находят применение в производстве и транспортировании сыпучих материалов, а также в металлургии и др. Поэтому вопросы, рассматриваемые в настоящей работе, являются актуальными с точки зрения решения экологических проблем, которым уделяется все большее внимание. В России принята Федеральная целевая программа Экология и природные ресурсы России (2002 - 2010) годы, в которой предусмотрен комплекс мероприятий по внедрению оборудования, обеспечивающего сокращение вредных промышленных выбросов в атмосферу, а также обезвреживание отходов различных видов. ,

Цели и задачи исследования. Целью исследований, проводимых в рамках настоящей работы, является: а) на первом этапе разработка методов расчета электромагнитных процессов на основе анализа физики протекания процессов; б) на втором этапе разработка адекватных математических и компьютерных моделей электромагнитных процессов; в) получение количественных закономерностей протекания электромагнитных процессов с последующим формулированием рекомендаций по построению устройств, выбору эксплуатационных параметров для них, получением новых технических решений, обладающих признаками изобретений.

Поставленная цель достигалась путем решения следующих задач:

анализ физических процессов в устройствах, формулирование особенностей протекания электромагнитных процессов;
формирование систем уравнений, описывающих электромагнитные процессы в них;
разработка математических и компьютерных моделей электромагнитных процессов;
проведение исследований электромагнитных процессов с использованием математических и компьютерных моделей;
получение зависимостей эксплуатационных характеристик устройств от параметров конструкции и электропитания;
формулирование критериев функционирования устройств;
формулирование рекомендаций по построению устройств с заданными параметрами рабочего режима;
разработка конструкций устройств с произвольной подвижной частью для различных областей применения;
проведение экспериментальных и промышленных испытаний устройств и оценка их эксплуатационных параметров, сравнение результатов с результатами моделирования электромагнитных процессов.

Методы исследования и достоверность полученных результатов.

Исследования в настоящей работе проводились с использованием комплекса различных методов в зависимости от характера решаемых на данном этапе задач. Как правило, характеристики протекания электромагнитных процессов, разработка математических моделей производились с применением аналитических методов исследования, разработка алгоритмов и компьютерных программ, разработка конструкций устройств для различных областей использования производились с применением синтетических методов исследования.

При решении задач, поставленных в процессе выполнения настоящей работы, использовались: теория электромагнитного поля; теория электрических цепей; численные методы расчета электромагнитных полей; теория электрических машин; физика и техника высоких напряжений; коллоидная химия; теоретическая механика; алгоритмы решения изобретательских задач; языки программирования; методы и средства технических измерений и др.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

корректным использованием теоретических основ электротехники при разработке систем уравнений, описывающих электромагнитные процессы, и разработке математических моделей;
результатами большого количества лабораторных экспериментальных исследований;
результатами промышленных испытаний макетных и опытно-промышленных образцов устройств;
результатами опытно-промышленной эксплуатации образцов исследуемых устройств;
критическим обсуждением полученных результатов с ведущими специалистами промышленных предприятий, использующих разработанные в ходе выполнения данной работы устройств.

Научные результаты. В качестве научных результатов настоящей работы можно указать следующие:

на основе результатов анализа физических процессов в устройствах с произвольной подвижной частью сформированы системы уравнений для описания электромагнитных процессов и на их основе разработаны математические и компьютерные модели электромагнитных процессов в линейных индукционных устройствах с подвижной частью произвольной формы, размеров, наличии дефектов формы, несимметричном положении подвижной части относительно индуктора;
разработаны математические и компьютерные модели поля индуцированных токов в подвижной части в условиях произвольной геометрической формы, наличия дефектов геометрической формы, несимметричном взаимном положении подвижной части и индуктора;
разработаны алгоритм и компьютерная программа синтеза геометрии зубцового слоя линейного индуктора;
разработаны математическая и компьютерная модели электромагнитных процессов в цилиндрических индукционных устройствах с дискретной ферромагнитной подвижной частью;

разработаны математические и компьютерные средства моделирования электрического поля в устройствах с мелкодисперсной подвижной частью;

Практическая ценность. В качестве результатов работы, имеющих практическую ценность, можно указать следующие:

разработаны компьютерные модели, позволяющие проводить исследования электромагнитных процессов, получать рабочие характеристики устройств с произвольной подвижной частью;
получены зависимости величины тангенциального усилия на подвижной части с дефектами формы от параметров геометрии и относительной величины взаимного перекрытия подвижной части и индуктора;

получены зависимости степени несимметрии первичных токов индуктора в зависимости от геометрической формы и расположения подвижной части относительно индуктора;

получены параметры движения расплава металла в металлопроводе при неполном заполнении металлопровода как по длине, так и по живому сечению, сформулирован критерий обеспечения удаления расплава из наклонного металлопровода;
предложена новая конструкция и принцип управления двухкоординатным линейным электродвигателем, защищенные патентом РФ;
получены характеристики магнитного поля в рабочей камере цилиндрического индукционного устройства, зависимости их от геометрических параметров индуктора, структурных параметров дискретной среды и др
сформулированы рекомендации по конструированию рабочих камер устройств с дискретной ферромагнитной подвижной частью, выбору концентраций элементов дискретной среды, геометрии зубцовой зоны;
разработаны конструкции цилиндрических устройств с дискретной подвижной частью, защищенные патентами РФ на изобретения;

получены характеристики электрического поля в межэлектродном пространстве, сформулирован критерий торможения и возврата мелкодисперсных частиц к источнику пыления;

определены параметры геометрии межэлектродного пространства электростатического пылевого затвора обеспечивающие надежное блокирование пыли при заданных параметрах пыления;
разработаны несколько вариантов конструкций электростатических затворов, защищенные патентами РФ на изобретения.

Реализация результатов работы. В процессе выполнения настоящей работы разрабатывались, были изготовлены, испытаны в условиях реального производства, переданы в эксплуатацию следующие образцы устройств:

по заказу Белокалитвенского металлургического объединения разработан изготовлен линейный индукционный модуль для подачи алюминиевых труб от пресса к прави′льной машине;
по заказу ЗАО Втормет, Пушкино разработан и изготовлен линейный индукционный насос для перекачивания расплава алюминия в системе втворения шлакообразующих порошков и алюминиевой стружки;
проект электромагнитного индукционного насоса для перекачивания расплава алюминия включен в проект реконструкции плавильной печи №2 на Мценском заводе Вторцветмет;
электромагнитный индукционный активатор с дискретной ферромагнитной подвижной частью передан в эксплуатацию в химической лаборатории МГУ;
по заказу ООО Эколенд разработан, изготовлен и сдан в опытно-промышленную эксплуатацию на Курьяновской аэрационной станции электромагнитный индукционный активатор;
на ОАО Новоросцемент находятся в опытно-промышленной эксплуатации два электростатических пылевых затвора на выхлопных отверстиях клинкерных силосов;
по заказу ОАО ПО НЭВЗ (г. Новочеркасск) разработан и сдан в эксплуатацию электростатический пылевой затвор для подавления пыления из дробеструйной камеры сталеплавильного цеха (цех № 40);
материалы диссертации использованы при чтении курса УИРС в ЮРГТУ по кафедре Электромеханика;
материалы работы используются при выполнении дипломных проектов по специальности 180100.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных семинарах, конференциях:

Всесоюзная конференция по высокоскоростному наземному транспорту (Новочеркасск, 1984 г.);
Научно-технический семинар по перспективным экспериментальным исследованиям на полигоне Мармарик - 1 (Ереван, 1985 г.);
Научно-практическая конференция студентов и молодых ученых РГСУ Проблемы рационального использования электроэнергии в строительстве и на транспорте (Ростов-на-Дону, 1999 г.);
48 - я научно-техническая конференция студентов и аспирантов ЮРГТУ (Новочеркасск, 2000 г.);
Международная научно-практическая конференция Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы ( Новочеркасск, 2000 г.)
Международная научно-практическая конференция Развивающиеся интеллектуальные системы автоматизированного проектирования и управления (Новочеркасск, 2001 г.);
Международная научная конференция Математические методы в технике и технологиях (Тамбов, 2002 г.);
II - я Международная научно-практическая конференция Экология: образование, наука, промышленность и здоровье (2 доклада), Белгород, 2004 г.;
Международный семинар Физико-математическое моделирование систем (2 доклада), Воронеж, 2005 г.
Разработка Электростатический затвор для блокирования пылевых выбросов при загрузке автоцементовозов экспонировалась на Всероссийской выставке-ярмарке научно-исследовательских работ и инновационной деятельности студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Российской федерации, г. Новочеркасск, 2003 г.;

Разработка Индукционный магнитогидродинамический насос для системы циркуляции расплава алюминия экспонировалась на Инновационном форуме в 2005 году, г. Новочеркасск;
Опытный образец устройства Электростатический затвор экспонировалась на международной специализированной выставке ЭлектроПромЭкспо, г. Ростов-на-Дону, В - ВертоЭкспо, 2008 г.

Публикации. Список публикаций по теме диссертации насчитывает 48 научных работ, включая: 1 монографию, 20 статей в изданиях из списка ВАК, 17 статей в сборниках научно-технических конференций, трудах вузов, 1 авторское свидетельство на изобретение, 7 патентов на изобретения, 2 патента на полезные модели.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения 5-ти глав основного текста, заключения, списка литературы из 132 наименований и приложений. Основной текст - 293 страницы, приложения - 14 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Во введении обоснована актуальность тематики диссертационной работы, сформулированы цели и задачи работы, перечислены области применения устройств с произвольной подвижной частью.

Глава 1. Общая характеристика конструкций и областей применения устройств с произвольной подвижной частью. В главе рассмотрены технологические процессы в различных производствах, при осуществлении которых находят применение устройства непосредственного привода с произвольной подвижной частью.

Линейные индукционные устройства применяются:

для транспортирования металлических немагнитных протяженных изделий вдоль технологической линии в условиях металлургического производства;
для перекачивания расплава алюминия в условиях металлургического производства;
для сепарации металлических немагнитных предметов из различных сырьевых масс, направляемых на переработку

Технологический процесс на линии подачи профиля от пресса в пра′вильную машину осуществляется следующим образом (см. рис. 1): пресс производит экструзию (выдавливание) через фильеру профиля, который имеет, как правило, несколько изгибов по длине, особенно значительных в местах отрезания профиля летающей пилой. Наличие изгибов является причиной образования заторов на линии. Применение индукционных линейных модулей, создающих бегущую волну магнитной индукции вдоль направления движения профиля позволяет устранить образование заторов на линии.

Технологическая схема применения линейного индукционного устройство для создания циркуляции расплава вторичного алюминия в системеме между копильником плавильной камеры и буферной емкостью для втворения шихтовочных компонентов показана на рис. 2. Здесь: 1 - плавильная камера; 2 - копильник; 3 - канал; 4 Цлинейное индукционное устройство; 5 - буферная емкость.

1 2 3

4 5 6 7

Рис.1. Технологическая схема применения линейных индукционных устройств для транспортировки алюминиевых профилей: 1 - пресс; 2 - профиль после экструзии; 3 - профиль на транспортере прави'льной машины; 4 - рольганг; 5 - индуктор для удаления профиля из области экструзии; 6 - индуктор для продвижения трубы к захватам прави'льной машины; 7 - прави'льная машина.

Критическими режимами работы технологической схемы перекачивания расплава алюминия из плавильной камеры в буферную емкость являются стартовый и финишный, когда нет заполнения металлопровода расплавом ни по живому сечению, ни по длине. При этом объем расплава внутри металлопровода имеет произвольную форму и размеры.

Устройство индуктора линейного

Рис. 2. 1 2 3 4 5 индукционного устройства, предназ-

наченного для удаления немагнитных металлических предметов из технологических масс, не отличается от линейных индукторов других устройств Главным отличием является то, что качестве подвижной части в этом случае может быть немагнитный металлический предмет произвольной формы, размеров и произвольного соотношения линейных размеров и полюсного деления обмотки индуктора.

Цилиндрические индукционные устройства с динамической дискретной подвижной частью применяются при осуществлении различного рода механохимических процессов, где требуется измельчение, дробление, диспергирование как твердых, так и жидких компонентов.

Цилиндрические индукционные электромагнитные устройства с ферромагнитной дискретной подвижной частью (рис. 3) находят применение в качестве аппаратов для механохимической обработки различных смесей. В этих устройствах достигается плотность энергии взаимодействия элементов вихревого слоя на порядок выше, чем в мешалках, коллоидных мельницах и роторных диспергаторах. Главным рабочим узлом такого устройства является цилиндрический индуктор (поз. 1 рис. 3), создающий в рабочей камере (поз. 5) вращающееся магнитное поле. В рабочей камере под воздействием вращающегося магнитного поля находится набор неравноосных ферромагнитных элементов (поз. 4). Обрабатываемая смесь, находящаяся в зоне действия дискретной ферромагнитной среды (вихревого слоя) подвергается интенсивному перемешиванию, диспергированию входящих в нее примесей , акустической, электромагнитной, магнитострикционной обработке.

Устройства с мелкодисперсной подвижной частью предназначены для блокирования пылевых потоков, которые сопровождают технологические процессы производства и транспортирования сыпучих минеральных материалов. Устройства, разработанные в рамках выполнения настоящей работы, являются новыми, ранее задачи блокирования пылевых потоков осуществлялось, главным образом, путем аспирации с последующей очисткой воздуха в различных фильтрах. Устройства блокирования

1 2 3 4 5 пылевых потоков, рассматриваемые в настоящей

Рис. 3 работе, названы электростатическими затворами и предназначены для блокирования пылевых потоков, выходящих из различных технологических машин, путем возврата пылевых частиц к источнику пыления. Главным отличием затвора от фильтра является отсутствие элементов улавливания и удержания пылевых частиц. В электростатическом затворе пылевые частицы заряжаются во внешней области коронного разряда, тормозятся и перенаправляются назад к источнику пыления. Осаждение пылевых частиц на формообразующих электродах является второстепенным процессом, пылевые частицы во время работы затвора удаляются с формообразующих электродов с помощью обдува.

На рис. 4: 1- пластина с коронирующей гребенкой; 2 коронирующая гребенка; 3 - направление выхода воздуха; 4, 6 - формообразующие

1 2 3 - (30 - 50) кВ электроды (трубы); 5 - направ-

ление движения пылевых час-

тиц во внешней области корон-

ного разряда; 6 - граница внеш-

ней области коронного разряда.

Установка электростатического

затвора на выхлопном отверс-

тии бункера-накопителя сыпу-

чих материалов обеспечивает

беспрепятственный выход из

бункера воздуха с одновремен-

4 5 6 7 ным блокированием пылевой

Рис. 4. фракции внутри бункера.

Глава 2 . Разработка математических моделей электромагнитных процессов в устройствах с произвольной подвижной частью. В главе на основе анализа физических процессов и обзора литературных данных разработана система уравнений, описывающая электромагнитные процессы с учетом всех особенностей их протекания.

Главными особенностями протекания электромагнитных процессов в рассматриваемых устройствах, обусловленными особенностями геометрической формы подвижной части и взаимного расположения подвижной части относительно обмотки индуктора, являются следующие:

в линейных индукционных устройствах с произвольной подвижной частью поле вектора вторичного тока не совпадает с полем вектора электрической напряженности, индуцированной магнитным полем;
соотношение между количеством магнитных полюсов индуктора и магнитных полюсов индуцированного тока зависит от взаимного положения подвижной части и волны м.д.с. индуктора;
в условиях произвольности геометрии, несимметричного расположения подвижной части, наличия дефектов формы, конечной длины индуктора имеет место несимметрия фазных токов, смещение электрического потенциала нейтральной точки сети;
параметры фазных обмоток цилиндрического индукционного устройства определяются параметрами дискретной ферромагнитной среды, элементы которой находятся в постоянном хаотическом движении;
в электростатическом затворе мелкодисперсная частица в отличие от электрофильтра не осаждается на осадительном электроде а во внешней области коронного разряда приобретает заряд и кулоновскими силами направляется к источнику пыления.

Разработке математических моделей устройств с произвольной подвижной частью предшествует анализ литературных данных по исследованию и построению моделей электромагнитных процессов в них. По тематике линейных индукционных устройств существуют научные школы в Уральском техническом университете под руководством профессора Сарапулова Ф.Н., Новосибирском техническом университете под руководством профессора Веселовского О. Н. Группа исследователей во главе с профессором Коняевым А. Ю. проводит большой объем работ по электродинамическим сепараторам. Эти научные школы проводят большой объем работ также по разработке и исследованию магнитогидродинамических устройств. По линейным магнитогидродинамическим устройствам работы проводятся в Красноярском техническом университете, УРО РАН, Волгоградском университете. Большое количество публикаций по исследованию линейных индукционных двигателей сделано за рубежом. За рубежом активно проводятся работы как по исследованию двигателей так и по разработке новых конструкций, о чем свидетельствует весьма большое количество зарубежных патентов.

Вопросами построения цилиндрических индукционных устройств с дискретной ферромагнитной подвижной частью и исследования физических процессов в них занимался ряд авторов, начиная с 70 - х годов прошлого века. Более всего известны работы Логвиненко Д. Д., Шелякова О. П., Вершинина Н. П. В работах этих авторов подробно рассмотрены проблемы, связанные с взаимодействием элементов дискретной среды во вращающемся магнитном поле, энергией их взаимодействия, связь параметров дискретной среды с рабочими характеристиками.

Электрические устройства с мелкодисперсной подвижной частью, электростатические пылевые затворы, являются новыми устройствами, ранее они не разрабатывались и не исследовались. Благодаря сходству процессов зарядки пылевых частиц в электрофильтрах и электростатических затворах, при разработке физической и математической моделей использовались работы профессора Верещагина И. П., возглавляющего Московскую школу специалистов по электрофильтрам.

Обобщенная математическая модель электромагнитных процессов в линейных индукционных устройствах разрабатывалась применительно к двумерной физической модели линейных индукционных устройств. Система уравнений электромагнитных процессов в общем случае произвольной подвижной части включает в себя следующие уравнения в векторной форме:

, (1) , (2)

, (3) , (4) , (5) , (6) , (7) , (8) , (9)

, (10)

Здесь: , - вектор плотности первичного тока, - вектор относительной скорости движения подвижной части в магнитном поле, - вектор магнитной индукции результирующего магнитного поля устройства, - объемная проводимость материала подвижной части, - векторный магнитный потенциал, -∇φ - градиент скалярного потенциала электрического поля во вторичной части, - магнитная проницаемость среды, - магнитный поток через какой-либо контур, например, виток фазной катушки, индуктора, - контур витка, - напряжение питающей сети на обмотке, - активное сопротивление обмотки, - ток фазной обмотки, F - усилие, действующее на вторичную (подвижную) часть со стороны индуктора,

Суть двумерной модели сводится к тому, что моделирование электромагнитного поля производится в двух сечениях устройства при условии взаимного использования результатов в процессе моделирования. Базовым сечением устройства считается продольное сечение плоскостью OXY, причем электромагнитное поле вдоль координатной оси Z, перпендикулярной базовому сечению является плоскопараллельным. Учет особенностей, обусловленных конечными размерами устройства по оси Z, производится по результатам моделирования электромагнитного поля в других сечениях..

Базовое расчетное сечение приведено на рис. 5 . На рис. 5: 1, 2 - под- вижная часть (расплав, лист, труба, полоса, профиль), 3 - зубцы индуктора, 4 - катушки бмотки индуктора, 5 - подвижная часть - удаляемый предмет произвольной формы, 6 - спинка индуктора. Анализ физических процессов в линей-

ных индукционных устройствах привел к следующему выводу: математическая и компьютерная модели электромагнитных процессов должны строится относительно мгновенных значений физических величин. Применение символического метода расчета неприемлемо из-за несовпадения количества магнитных полюсов м.д.с. обмотки индуктора и количества магнитных полюсов индуциро-

ванных токов в подвижной части, наличия

Y кулоновской составляющей напряженности

электрического поля в подвижной части.

АZ = 0 Математические и компьютерные модели,

разработанные относительно мгновенных

значений величин, требуют бо′льшего объе-

ма вычислений, в то же время отпадает

необходимость в гармоническом анализе

О X величин, учета продольного краевого эффек-

та с помощью стоячих волн магнитной ин-

1 2 3 AZ = 0 4 5 6 дукции. Cистема уравнений электромагнит-

Рис. 5 ных процессов применительно к базовому сечению в алгебраической форме имеет вид:

, (1) , (2)

, (3) , , (4) , (5)

, (6) ,(7),

. (9)

Здесь: - Z - составляющая плотности тока во вторичной части устройства в базовом сечении, S - площадь вторичной части в базовом расчетном сечении. - коэффициент, учитывающий изменение Z - составляющей вектора плотности вторичного тока вдоль оси Z из-за конечных размеров подвижной части вдоль оси X, - ширина подвижной части (по оси ). Выражение для вторичного тока в уравнении (6) записано в форме обобщенного закона Ома. с использованием индуцированной () и кулоновской () составляющих напряженности электрического поля, согласно рекомендациям в работах Поливанова К. М. Следует иметь в виду, что в рассматриваемых устройствах главными режимами являются стартовые, то есть необходимо выяснить будет ли обеспечено движение подвижной части из состояния покоя. Этот вопрос является главным для исследуемых устройств. Тогда третье слагаемое в формуле (6) в большинстве исследуемых режимов равно 0.

Рис. 6

Определение плотности индуцированного тока требует специальных методов и специального программного обеспечения. Это обусловлено необходимостью учета кулоновской составляющей электрического поля во вторичной части, необходимостью моделирования электромагнитных процессов с учетом взаимного влияния процессов в первичной и вторичной частях устройства, особенностями геометрической формы подвижной части и взаимного расположения подвижной части и индуктора. В этих условиях оказываются неприменимыми распространенные пакеты программ, такие как FEMM, MatLab и др. В рамках выполнения настоящей работы были разработаны собственные программные средства (алгоритм моделирования электромагнитных процессов в линейном индукционном устройстве с произвольной подвижной частью можно описать с помощью блок-схемы, приведенной на рис. 6).

Двумерная модель электромагнитных процессов реализовывалась применительно к расчетной области, чертеж которой приведен на рис.7. Здесь совмещены два сечения устройства: сечение плоскостью OXY является базовым сечением, а сечение плоскостью OXZ используется для моделирования поля токов во вторичной части. Расчет электромагнитного поля в сечении OXY производится методом конечных элементов с использованием специальной компьютерной программы для вышеописанных условий электромагнитных процессов в сечении. Расчет поля вторичных токов производится на основе моделирования электромагнитного поля в сечении OXZ

O X

= 0

X Z

Рис. 7

Расчет электромагнитного поля в сечении OXY производится методом конечных элементов с использованием специальной компьютерной программы для вышеописанных условий электромагнитных процессов в сечении. Расчет поля вторичных токов производится на основе моделирования электромагнитного поля в сечении OXZ. Результаты расчета полей в этих сечениях взаимно используются при моделировании электромагнитных процессов. Математическая модель поля вторичных токов строится на основе уравнений (2), (3) и (7) системы уравнений для общего случая. Определение поля скалярного электрического потенциала во вторичной части проводим исходя из принципа непрерывности линий тока:

, тогда для скалярного электрического потенциала получаем уравнение в форме двумерного уравнения Лапласа .

Таким образом, для определения поля вектора градиента скалярного электрического потенциала в подвижной части необходимо решить краевую задачу относительно скалярного электрического потенциала при граничных условиях, показанных на рис. 7 для подвижной части в форме плоского отрезка немагнитного металла, считая, что ось Х является осью геометрической и электрической симметрии. Граничные условия определены исходя из равенства нулю нормальной к границе составляющей вектора плотности тока. Решение краевой задачи проводится методом конечных элементов и входит в компьютерный модуль расчета электромагнитного поля устройства в целом. На рис. 8 приведены графики изменения Z -составляющей плотности вторичного тока вдоль оси Z и градиента скалярного электрического потенциала вдоль оси X на различных расстояниях от оси симметрии в пределах расчетной области по рис 7.

J2 A/м2 В

1 2

Z, см Х, см

Рис. 8.

Характер протекания электромагнитных процессов в первичной части индукционного линейного устройства зависит, главным образом, от геометрической формы подвижной части и ее положения относительно индуктора. Эти параметры являются определяющими для взаимного влияния магнитодвижущих сил индуктора и подвижной части. В математической и компьютерной моделях, разработанных в настоящей работе, мгновенные значения токов фазных обмоток определяются следующим образом: ток фазы А , ток фазы В , ток фазы С , где - мгновенные значения потокосцеплений фазных катушек, определенные по результатам моделирования электромагнитных процессов с расчетом магнитного поля численными методами. В связи с отсутствием необходимости в гармоническом анализе магнитного поля в активной зоне, отпадает необходимость в определении параметров обмоток, связанных с дифференциальным рассеянием. Для строгого определения потокосцепления катушки необходимо просуммировать потокосцепления каждого отдельного витка . В нашем случае моделирования магнитного поля численными методами суммируются частичные потокосцепления витков, находящихся в пределах одного конечного элемента сечения катушки.

По результатам моделирования электромагнитных процессов с помощью вышеприведенной компьютерной модели определяются: интегральное электромагнитное усилие, действующее на подвижную часть; характеристики магнитного поля в каждом конечном элементе базового сечения устройства в каждый заданный момент времени; значения вторичных токов и элементарных тангенциальных усилий в каждом конечном элементе подвижной части в каждый заданный момент времени; значения потокосцеплений фазных катушек в каждый из заданных моментов времени; значения фазных токов в каждый заданный момент времени; значения токов нулевой последовательности в заданный момент времени; значение смещения потенциала нейтрали питающей сети в заданный момент времени.

Синтез линейных электромагнитных устройств проводился на основе формулирования задачи как задачи минимизации некоторой функции цели. Эта функция цели заключает в себе, чаще всего, интегрированный показатель качества устройства. В нашем случае задача синтеза индуктора и обмоток устройства формулируется следующим образом: на основе моделирования магнитного поля индуктора численными методами требуется определить геометрические размеры пазов и зубцов индуктора, при которых размещенная в пазах обмотка с необходимым числом витков, создает магнитное поле с необходимым значением индукции, но при этом плотность тока не выходит за пределы, определенные тепловой нагрузкой зубцового слоя.

Задача синтеза геометрии индуктора и обмоток индукционного устройства ставится как оптимизационная и формулируется следующим образом: варьируемой переменной является сечение паза индуктора

( м2 ), где hп и bп - высота и ширина паза индуктора ( м ).

Величина этого сечения однозначно определяет величину МДС обмотки индуктора при неизменной плотности тока. С величиной сечения паза однозначно связаны размеры зубца индуктора и его спинки. Таким образом, значение варьируемой переменной однозначно задает геометрию индуктора. При указанном токораспределении МДС фазной катушки и сечение паза связаны соотношением где - действующее значение МДС фазной катушки, А; - усредненная плотность тока в пазу индуктора А/м2. В качестве функции цели выбирается В - абсолютная величина разности между значением магнитной индукции, заданным по условиям функционирования модуля, и получаемым в процессе синтеза: В = |Bр.- Вз.| , где Вр. - значение средней магнитной индукции на линии расположения подвижной части., Вз. - требуемое значение магнитной индукции. Таким образом, имеем следующую задачу: . Исходя из физических представлений и учитывая, что МДС обмотки индуктора связаны вторым уравнением Максвелла, приходим к выводу, что функция цели является выпуклой на множестве Rn и имеет один глобальный минимум.

Поиск значений независимой переменной, при которых обеспечивается минимум целевой функции, осуществляется методом деления отрезка пополам. На первом шаге изменения варьируемой переменной определяется направление поиска, затем в направлении уменьшения целевой функции делается изменения варьируемой переменной с некоторым шагом F. При переходе целевой функции через минимум процесс возвращается к присутствующему первоначальному значению, и значение шага уменьшается вдвое. Процесс продолжается до достижения совпадения Вр. и Вз. с необходимой точностью.

Глава 3. Исследование линейных электромагнитных индукционных устройств с произвольной подвижной частью. В процессе исследования электромагнитных процессов решались следующие задачи:

определение условий транспортирования линейным индукционным устройством немагнитных металлических линейных профилей, имеющих дефекты геометрической формы в конкретных условиях технологического процесса;
определение условий удаления металлического немагнитного предмета произвольной геометрической формы из сырьевой массы, находящееся в зоне действия бегущего магнитного поля индуктора;
определение условий удаления расплава алюминия из наклонного металлопровода при неполном заполнении его по длине и по живому сечению.

Использование линейных индукционных устройств для перемещения алюминиевых профилей в условиях металлургического предприятия требует обеспечения необходимого тангенциального усилия на перемещаемом изделии. На рис. 9 представлены результаты исследования тангенциального усилия в линейных индукционных устройствах. Зависимость тангенциального усилия Fотн от отношения величины полюсного деления к ширине подвижной части (/a) представлена на рис. 9 а, эпюры индуцированных токов в подвижной части и магнитной индукции на поверхности индуктора при длине подвижной части, равной двойному и одному полюсному делению на рис. 9 б, Зависимости коэффициента ослабления тангенциального усилия от относительной величины прогиба подвижной части на рис. 9 в, Lпрогиба - максимальная величина прогиба подвижной части, кривая 1 - подвижная часть расположена прогибом вверх, 2 - прогибом вниз, 3 - пргиб расположен асимметрично относительно индуктора. Зависимость усилия втягивания подвижной части в бегущее магнитное поле при изменении относительного перекрытия полюсного деления индуктора подвижной частью показана на рис 9 г. Величина усилия, получающегося при перекрытии двойного полюсного деления, для всех зависимостей принята за 1. Все полученные зависимости проверялись на экспериментальных макетах в лаборатории и в условиях производства. Погрешность моделирования 10 - 18%. Результаты моделирования использовались при разработке индукторов: выборе величины полюсного деления, магнитной индукции, геометрии зубцовой зоны, типа обмотки индуктора и т. д.

Целью исследований линейных индукционных устройств с жидкометаллической подвижной частью при помощи моделирования электромагнитных процессов было решение следующих задач: 1) получение информации о параметрах электромагнитных процессов, необходимой для конструирования устройства с заданными характеристиками; 2) определение параметров рабочего режима устройства в различных условиях работы; 3) определение условий работоспособности устройства при неполном заполнении канала жидким металлом по живому сечению; 4) определение характеристик электрического взаимодействия индуктора и питающей сети в различных режимах работы; 5) разработка рекомендаций по конструированию индукторов и режимам электрического питания обмоток индукторов в различных режимах. Анализ результатов моделирования электромагнитных процессов позволил сформулировать рекомендации по обеспечению соответствующих режимов эксплуатации жидкометаллического насоса при недостаточном подпоре жидкого металла из копильника печи:

Fотн j2 , B

а) б)

Fотн Fотн

1 2 3

Lпрогиба/2τ Lперекрытия/τ

в) г)

Рис. 9

Моделирование электромагнитных процессов в индукционном устройстве с жидкометаллической подвижной частью позволило установить величину минимального уровня жидкого металла в канале, при котором происходит преодоление подъема выходной части канала. На основе полученных результатов проведен анализ процессов и сформулированы рекомендации по конструированию линейных индукционных устройств. В процессе исследования решался также вопрос определения критерия выдавливания жидкого металла из горизонтального участка в наклонный при неполном заполнении канала по живому сечению из-за недостаточного количества металла в копильнике.

На основе результатов, полученных моделированием электромагнитных процессов и эксперимента был получен критерий выдавливания жидкого металла из наклонного участка канала: Если угол наклона выходного участка канала к горизонту равен , то условие выдавливания металла из канала запишется:, где - масса металла, находящегося выше уровня металла в горизонтальной части канала, в объеме которого не действуют электромагнитные силы; - высота центра тяжести объема металла в наклонной части канала. Анализ результатов моделирования позволил сформулировать рекомендации по обеспечению соответствующих режимов эксплуатации жидкометаллического насоса при недостаточном подпоре жидкого металла из копильника печи.

При исследовании электромагнитных процессов в металлоуловителях на основании анализа результатов исследования сформулированы рекомендации по конструированию и заданию режимов работы металлоуловителей: частоте питающего напряжения, магнитной индукции в зоне расположения удаляемого предмета, величине полюсного деления в зависимости от характеристического размера предмета, величине воздушного зазора в двустороннем металлоуловителе.

Глава 4. Цилиндрические индукционные устройства с динамической дискретной подвижной частью. В процессе работы над этой главой разработаны средства моделирования электромагнитных процессов в цилиндрических индукционных устройствах с дискретной ферромагнитной подвижной частью, проведены исследования электромагнитных процессов, разработаны рекомендации по конструированию и выбору режимов работы. Последовательность решаемых задач была следующей: 1) разработка математической и компьютерной моделей магнитного поля в рабочей камере; 2) анализ магнитного поля и распределения элементов дискретной среды в рабочей камере; 3) разработка принципов построения цилиндрических индукционных устройств.

Для вывода формулы определения магнитных характеристик дискретной ферромагнитной среды были проведены экспериментальные исследования поведения дискретной ферромагнитной среды в рабочей камере путем фотографирования дискретной среды при освещении рабочей камеры стробоскопической лампой. На основе результатов подсчета распределения количества элементов по объему рабочей камеры и сравнения с распределением магнитной индукции в объеме рабочей камеры получено выражение для расчета величины в элементе объема рабочей камеры в присутствии дискретной ферромагнитной среды. Фото распределения элементов дискретной ферромагнитной среды в объеме рабочей камеры для различных средних концентраций элементов дискретной среды в объеме рабочей камеры приведены на рис. 10.

Рис. 10

Y Для исследования магнитного поля в рабочей

камере была разработана компьютерная мо-

дель магнитного поля, соответствующая при-

А=0 веденной выше математической модели. Цен-

A B тральным элементом модели является алго-

ритм и программа расчета магнитного поля

А=0 методом конечных элементов. Расчет магнит-

ного поля производится в квазистационар-

O C X ном режиме для фиксированных моментов

времени в соответствии с временными диа-

Рис. 11. граммами напряжений, приложенных к фазным обмоткам. Расчетная область цилиндрического индукционного устройства представлена на рис. 11 и представляет собой поперечное сечение сердечника индуктора. Фото дискретной ферромагнитной среды в рабочей камере, показанные на рис 10, сделаны при увеличении средней концентрации элементов дискретной среды от 32 до 76 кг/м3. При средней концентрации элементов ферромагнитной среды 50 кг/м3 и выше распределение плотности элементов дискретной среды в рабочей камере становится практически равномерным и для определения магнитной характеристики дискретного ферромагнетика предлагается формула: , где: - полный объем рассматриваемого элемента и часть объема, занятая дискретной средой, - величина, обратная магнитной проницаемости массивного ферромагнетика. Некоторые результаты моделирования магнитного поля в рассматриваемом сечении индуктора приведены на рис.12.

На рис. 12а показано изменение величины магнитной индукции в направлении от центра сердечника к внешней поверхности индуктора, при этом выявлен провал в значении индукции в центре паза. На рис. 12б показаны зависимости максимального и минимального значений магнитной индукции в рабочей камере от глубины паза индуктора. На рис. 12в показан характер изменения магнитной индукции по окружности расточки статора и на различных расстояниях от расточки статора. На рис. 12г показана зависимость коэффициента неравномерности индукции в рабочей камере от величины диаметра расточки индуктора.

В, Тл В, Тл

L, м hп/tz, о.е.

a) б)

В, Тл К1

1 2 3

, град D, м

в) г)

Рис 12

Моделирование магнитного поля в рабочей камере позволяет решить следующие задачи разработки цилиндрических индукционных устройств: 1) обеспечить необходимые характеристики магнитного поля в рабочей камере, 2) обеспечить приемлемые электроэнергетические и массогабаритные характеристики устройства.

Анализ полученных результатов моделирования магнитного поля в рабочей камере цилиндрического индукционного устройства позволил сформулировать следующие выводы:

1) магнитное поле в рабочей зоне индуктора является неоднородным. Степень неоднородности достигает трехкратных значений в отношении максимальной магнитной индукции в рабочей камере к магнитной индукции в центре. В рабочей камере образуются сгущения магнитных силовых линий и, соответственно, зоны максимальной индукции в пространствах, прилегающих к углам коронок зубцов. В этих областях происходит взаимное стопорение ферромагнитных элементов из-за повышения их средней плотности до критических значений. Таким образом можно говорить о мертвых зонах в рабочей камере двух типов: зона, в которой индукция недостаточно велика (центр индуктора, пространство над пазом, зона, в которой индукция повышена и происходит стопорение движения элементов дискретной среды. Поэтому оба этих явления необходимо сводить к минимуму;
2) увеличение диаметра рабочей камеры, при сохранении глубины паза и плотности тока, не приводит к увеличению магнитной индукции в центре индуктора. В то же время, сильно увеличивает степень неоднородности магнитного поля за счет увеличения магнитной индукции в области коронок зубцов. Вот почему эксплуатационные характеристики (качество диспергации) индукционных устройств с большими диаметрами рабочей камеры несколько хуже, чем такие устройства с малыми диаметрами;
3) глубина паза сердечника при неизменной плотности тока в обмотке оказывает сильное влияние на величину магнитной индукции в центре расточки до значений глубины, равным от 1,0 до 3,0 пазового деления. Если значение глубины паза выше 4,0 пазового деления дальнейшее увеличение глубины не приводит к существенному увеличению магнитной индукции в центре расточки;
4) Одним из эффективных способов уменьшения степени влияния мертвых зон 2-го рода является скругление коронок зубцов индуктора;
5) Концентрация элементов дискретной среды внутри индуктора оказывает существенное влияние на характер магнитного поля внутри индуктора, что подтверждается экспериментальными результатами.

Как показали проведенные исследования, разработка сердечников индукторов требует решения двух проблем, предполагающих противоположные направления конструирования. Эти проблемы заключаются в следующем: необходимо обеспечить невысокие значения коэффициента неоднородности магнитного поля, что легче достигается при малых диаметрах расточки с одной стороны, необходимо обеспечивать высокую пропускную способность устройства, что требует больших диаметров рабочей камеры. Кроме того, при малых диаметрах становится труднее размещать обмотку по окружности расточки из-за уменьшения пространства для размещения обмотки. Существенной проблемой является существование мертвых зон внутри расточки индуктора. Области малых значений магнитной индукции находятся: а) вблизи центра индуктора, б) вблизи открытия пазов. Области больших значений индукции находятся вблизи углов коронок зубцов. Уменьшение влияния мертвых зон первого и второго рода можно достигнуть за счет создания условий для более равномерного распределения магнитной индукции в рабочей зоне. На основе полученных результатов сформулированы рекомендации по конструированию индукционных устройств с дискретной ферромагнитной подвижной частью.

Глава 5. Электростатические устройства с мелкодисперсной подвижной частью. В этой главе приведены результаты исследования устройств с мелкодисперсной подвижной частью. В устройствах с мелкодисперсной подвижной частью областью, в которой происходят главные физические процессы, является межэлектродное пространство. В межэлектродном пространстве происходят следующие процессы: в области пространства, прилегающей к остриям или поверхности коронирующего электрода, образуется чехол короны, электроны и отрицательно заряженные ионы, исходящие из чехла короны, движутся в направлении положительно заряженного формообразующего электрода и образуют в межэлектродном пространстве объемный отрицательный заряд. При попадании в межэлектродное пространство мелкодисперсных частиц вещества на поверхности частиц адсорбируются отрицательно заряженные ионы и частицы приобретают отрицательный заряд. Электрическое поле в межэлектродном пространстве сформировано таким образом, чтобы обеспечить адсорбцию пылевыми частицами заряда, погасить скорость движения заряженных частиц пернаправить движение пылевых частиц к источнику пыления. Инструментом исследования электрических процессов в электростатическом затворе является математическая модель. Математическая модель электрических процессов в устройстве с мелкодисперсной подвижной частью для плоскопараллельного поля (в плоскости XOY) запишется следующим образом:

, (1) , (2) , (3)

, (4) , (5) , (6)

где - вектор напряженности электрического поля; - объемная плотность зарядов; - плотность тока ионов; - коэффициент подвижности ионов; - скалярный потенциал электрического поля; - сила тяжести пылевой частицы; - кулоновская сила, действующая на заряженную частицу; - предельный заряд, получаемый пылевой частицей в области диффузии ионов. Основу математической модели электростатического затвора составляет численный расчет электрического поля методом конечных элементов, подобный тому, что приведен выше, с учетом особенностей, характерных для электростатического затвора..

Следует иметь в виду, что распространенные пакеты программ численного расчета электрических полей (FEMM, MATLAB и др.) в нашем случае использовать не представляется возможным из-за достаточно сложных вычислительных процессов по определению объемной плотности заряда в межэлектродном пространстве, неопределенности границ объемного заряда, а также неопределенности величины тока короны. Определение границ объемного заряда внешней области короны и тока короны требует разработки специальных программных средств, которые отсутствуют в FEMM и MATLAB. В связи с этим в рамках выполнения настоящей работы были разработаны собственные программные средства для расчета электрического поля в электростатическом затворе.

После попадания мелкодисперсной частицы в область диффузии ионов частица адсорбирует на себе заряд. Величина этого заряда увеличивается по мере продвижения частицы во внешней области короны. Динамика приобретения заряда частицей в процессе осаждения ионов описывается, широко известной в литературе по высоковольтным технологиям формулой Потенье. Пользуясь информацией о распределении напряженности электрического поля во внешней области коронного разряда (по результатам моделирования электрического поля), и характере механического воздействия на частицу со стороны сил, движущих частицу, можно определить время, за которое частица приобретает предельный заряд и путь, который проходит частица за это время.

В электростатических затворах, предназначенных для блокирования пылевых выбросов в атмосферу, мелкодисперсная частица движется в межэлектродном пространстве за счет избыточного давления воздуха, имеющего место внутри бункера с сыпучим материалом. Этому усилию противодействует комплекс сил, которые воздействуют на нее со стороны электрического поля в межэлектродном пространстве. Причем, по мере перемещения частицы к выходному отверстию ее заряд увеличивается и увеличивается тормозящее усилие, в то время как усилие со стороны воздушного потока можно считать неизменным. Момент уравновешивания этих двух усилий и будет моментом остановки частицы. Затвор будет считаться выполнившим свои функции, если путь, пройденный частицей до остановки, будет меньшим расстояния от точки входа частицы во внешнюю область коронного разряда выходного отверстия бункера. Тогда критерий функционирования затвора можно сформулировать следующим образом: путь, пройденный мелкодисперсной частицей от точки пересечения ею границы внешней области коронного разряда до ее полной остановки должен быть меньше расстояния между сеточным электродом и выхлопным отверстием бункера или емкости с сыпучим материалом.

Моделирование электрического поля электростатического затвора производилось с использованием методики Дейча-Попкова, согласно которой электрическое поле в межэлектродном пространстве в присутствии поля внешней области коронного разряда отличается от поля электродов только масштабом величин напряженности электрического поля при сохранении конфигурации силовых линий. Поэтому в настоящей работе моделирование электростатического поля проводилось только при задании потенциалов электродов. При этом определение усилий, действующих на мелкодисперсную частицу, производится без учета поля объемного электрического заряда, что обеспечивает характеристикам электростатического затвора определенный запас прочности так как затвор в этих условиях разрабатывается для заниженных значений тормозящего усилия. Как показали проведенные исследования запас прочности может доходить до 15%.

В рамках выполнения настоящей работы было проведено моделирование электрического поля для нескольких конструкций электростатических затворов, результаты исследований использовались при разработке затворов для конкретных условий работы. Ниже приводятся результаты моделирования электрического поля в затворе типа гребенкаЦтрубы при изменении положения коронирующей гребенки при формообразующем электроде в форме труб.

Еср, кВ/cм На рис. 13 представлены

результаты моделирования

электрического поля затвора,

z изображенного на рис. 2. Здесь:

Еср - среднее значение ак-

сиальной составляющей на-

пряженности электрического

поля на осевой линии межэлек-

тродного пространства; z - рас-

стояние от острия коронирую-

щего до точки наблюдения

вдоль осевой линии межэлек-

тродного пространства; d - зазор

Рис. 13 между трубами; D - диаметр

труб. На рисунке показаны кривые изменения продольной составляющей напряженности электрического поля при движении вдоль оси симметрии межэлектродного пространства. Кривые соответствуют различным диаметрам формообразующих электродов. Кривая 1 - диаметр 140 мм, кривая 2 - 110 мм, кривая 3 диаметр - 80 мм.

К настоящему времени исследованы достаточно полно три варианта конструкции электростатического затвора: гребенка-трубы, труба_спица, гребенка-сетка. Частицы мелкодисперсной среды, попав во внешнюю область коронного разряда, приобретают отрицательный электрический заряд и движутся вдоль силовых линий, т. е. удаляются при определенных условиях из межэлектродного пространства. Качество затвора тем выше, чем больше продольная составляющая электрического поля на входе в межэлектродное пространство. Требуемая конфигурация силовых линий электрического поля на входе в межэлектродное пространство достигается рациональным выбором геометрии формообразующих электродов. Результаты моделирования электрического поля в затворе типа гребенка - трубы позволил сформулировать рекомендации по конструированию затворов этой конструкции: наилучшие результаты по величине и характеру изменения продольной составляющей напряженности электрического поля получаются в случае, когда точки острия коронирующего электрода и точки пересечения перпендикуляров из острия к поверхности формообразующего электрода лежат в вершинах равностороннего треугольника; наличие металлической пластины, подключенной к коронирующим электродам и располагающейся перпендикулярно направлению газопылевого потока, как минимум, максимум в полтора раза увеличивает величину аксиальной составляющей напряженности электрического поля в активной зоне затвора, что приводит к повышению эффективности затвора; наличие дополнительного формообразующего электрода на входе в межэлектродное пространство приводит к увеличению времени прохождения пылевыми частицами внешней области короны, что увеличивает заряд, приобретаемый частицей; на входе устройство должно обязательно иметь раструб или щиток, благодаря которому увеличивается область, в которой имеет место продольная составляющая электрического поля;

В процессе выполнения настоящей работы разработаны, изготовлены и испытаны в производственных и лабораторных условиях более двадцати вариантов конструкций затворов. Апробация затворов в производственных условиях производилась на АО Братский алюминиевый завод, ОАО Новоросцемент, ООО ПК НЭВЗ. В условиях ОАО Новоросцемент два затвора сданы в эксплуатацию на выхлопных отверстиях клинкерных силосов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Электромагнитные процессы в устройствах, изучению которых посвящена настоящая работа отличаются от процессов в классических электромагнитных устройствах, как по параметрам протекания процессов, так и по характеристикам взаимодействия элементов устройства и характеристикам взаимодействия устройства и питающей сети;
Проведен анализ влияния особенностей геометрической формы подвижной части, наличия дефектов формы ее, особенностей взаимного положения подвижной и неподвижной частей на электромагнитные процессы: 1) в линейных индукционных устройствах; рассматриваемых устройствах; 2) влияние структуры и геометрических параметров дискретной ферромагнитной среды на процессы в цилиндрических индукционных устройствах;
Наиболее характерными особенностями протекания электромагнитных процессов в линейных индукционных устройствах являются следующие: необходимость учета кулоновской составляющей совместно с индуцированной составляющей электрического поля в подвижной части, неравенство чисел полюсов МДС индуктора и МДС подвижной части, несимметрия фазных токов индукторов, в цилиндрических индукционных устройствах неопределенность магнитных свойств дискретной ферромагнитной среды;
На основе анализа физики протекания электромагнитных процессов определен состав и форма уравнений электродинамики для математической модели;
Разработаны математические модели, алгоритмы и компьютерные средства моделирования электромагнитных процессов в устройствах с произвольными геометрическими и структурными параметрами подвижной части;
Для линейных индукционных устройств получены характеристики распределения индуцированных токов в подвижных частях произвольной формы, размеров, несимметричном положении относительно индуктора, наличии дефектов геометрической формы, а также характеристики их силового взаимодействия и характеристики взаимодействия питающей сети и индуктора разработаны рекомендации по выбору режимов работы индукционного насоса для обеспечения движения расплава при неполном заполнении металлопровода как по длине так и по сечению.
Разработаны, изготовлены и прошли опытно-промышленную эксплуатацию линейные индукционные устройства для прессового цеха Белокалитвенского металлургического завода.
Разработан, изготовлен и испытан в промышленных условиях макетный образец жидкометаллического индукционного насоса в условиях ЗАО Втормет, Пушкино.
Проект жидкометаллического индукционного насоса включен в проект реконструкции плавильной печи на Мценском заводе Вторцветмет;
Для цилиндрических индукционных устройств с дискретной ферромагнитной подвижной частью выполнены следующие исследования: получены характеристики магнитного поля в рабочей камере устройства с ферромагнитной дискретной подвижной частью, выявлены причины появления мертвых зон 1-го и 2-го рода, определены факторы, влияющие на характер распределения элементов дискретной среды в рабочей камере, разработаны рекомендации по конструированию устройств;
Разработаны, изготовлены и сданы в опытно-промышленную эксплуатацию диспергаторы для химической лаборатории МГУ, Курьяновской аэрационной станции, лабраторий обработки сточных вод;
Разработаны математическая модель и средства компьютерного моделирования электрического поля в электростатических затворах.
Получены зависимости величины аксиальной составляющей напряженности электрического поля на входе в межэлектродное пространство.
Разработаны, изготовлены и запущены в опытно-промышленную эксплуатацию электростатические затворы на ОАО Новоросцемент и в условиях Новочеркасского электровозостроительного завода.

Основные публикации по теме диссертации

Володин Г. И. Электромагнитные индукционные и электрические устройства с произвольной подвижной частью. Монография, Новочеркасск, Известия СКНЦ ВШ. - 2006, - 120с.
Володин Г. И. Математическое моделирование линейного асинхронного электродвигателя с вторичной частью произвольной длины// Изв. вузов Электромеханика. - 2001. - № 4-5. - С54-57.
Володин Г. И. Металлоуловитель цветных металлов на основе двустороннего линейного асинхронного электродвигателя// Изв. вузов Электромеханика.- 1999. - № 4. - С 16Ц18.
Володин Г. И. Моделирование электромагнитных процессов в линейных индукционных устройствах с нерегулярной подвижной частью// Компьютерное моделирование электромагнитных процессов в физических, химических и технических системах: Материалы IV международного семинара, Воронеж. - 2005. - С83-86.
Володин Г. И., Бахвалов А. Ю. Синтез индуктора линейного электродинамического модуля// Изв. вузов Электромеханика. -.2003. - № 4 . - С21-24.
Володин Г.И., Климов Е. А. Моделирование электромагнитных процессов в линейной асинхронной машине с малым числом полюсов// Изв. вузов Электромеханика. - 2005. - № 1 . - С5-7.
Боляев. И. П., Золотарев П. А., Володин Г. И. Влияние формы коронок зубцов на дополнительные потери в стали// Изв. вузов Электромеханика. - 1974. - № 11. - С 1214-1217.
Коломейцев Л. Ф., Володин Г. И., Душенко Н.Г. Расчет магнитного рассеяния путевого элемента одностороннего линейного индукторного двигателя// Изв. Сев.-Кав. Науч. центра высш. Шк. Техн. науки. - 1984. - № 2. - С88-90.
Бахвалов Ю. А., Коломейцев Л. Ф. Бондаренко А.И., Володин Г. И. Моделирование на ЭВМ электрических и магнитных полей в устройствах бесконтактного движения// Изв. вузов Электромехпаника. - 1985. - № 1 . - С 5 -14.
Коломейцев Л. Ф. Володин Г. И., Грибанов П.Ф. Тяговое усилие одностороннего линейного индукторного электродвигателя// Изв. вузов Электромеханика. - 1988. - № 7. - С56-59.
Володин Г. И., Подгорный Э. В., Радченко В. Н. Характеристика рынка электродвигателей//Изв. вузов Электромеханика. - 1996. - № 3 - 4. - С 88-91.
Бахвалов А. Ю., Быкадоров В. Ф., Володин Г. И., Климов Е. А., Нис. Я. З. Формирование эффективной конструкции электростатического затвора// Изв. вузов Электромеханика. - 2005 - № 2. - С64-66.
Володин Г.И. Кужеков С.Л., Кужеков С. С. Устройство для диагностирования короткозамкнутых роторов асинхронных электродвигателей// Изв. вузов Электромеханика. - 1997. - № 1 - 2. - С106-108.
Коломейцев Л. Ф., Володин Г. И., Лозицкий О. Е. Анализ пульсаций нормального усилия одностороннего линейного индукторного двигателя//Ред. журн. Изв. вузов Электромеханика. - Новочеркасск , 1983. - 9с. - Деп. В Информэлектро. 08.09.83. № 297 эт Д83.
Володин Г. И., Бахвалов А. Ю. Моделирование магнитных полей в цилиндрических индукционных устройствах с подвижной частью в виде системы многих неравноосных ферромагнитных частиц// Физико-математическое моделирование систем: Материалы международного семинара./ Воронеж.- 2004. - С 239-242.
Володин Г. И., Бахвалов А. Ю. Моделирование электрических полей в затворах пылевых потоков с коронным разрядом// Физико-математическое моделирование систем: Материалы международного семинара./ Воронеж. - 2004. - 242-245.
Бахвалов А.Ю., Володин Г.И., Гречихин В.В. Математическое моделирование ионно-электронных и электромеханических процессов в электростатических затворах//Материалы 56-ой научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и студентов. - Ученые ЮРГТУ (НПИ) к юбилею университета. - Новочеркасск; ОНИКС+.- 2007. - 207-215.
Климов Е. А., Володин Г. И. Моделирование процессов в индукционных машинах специальной конструкции для систем циркуляции расплава вторичного алюминия// Физико-математическое моделирование систем: Материалы международного семинара./ Воронеж. - 2004. - С 249-254.
Володин Г. И. Ротыч Р. В. Расчет нормальных усилий в металлоуловителе цветных металлов на базе линейного асинхронного электродвигателя// Электротехника и автоматика в строительстве и на транспорте: Межвуз. сб. науч. тр./ РГСУ . - Ростов н/Д, 1999. - С6-11.
Володин Г. И. Бахвалов А. Ю. Вращающий момент в линейном асинхронном электродвигателе// Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы: Материалы медународной науч. практ. Конф: Новочеркасск: ЮРГТУ, 2000. - Ч.4. - С5-10.
Володин Г. И., Бахвалов А. Ю. Математическая модель для исследования электродинамических усилий в технологических устройствах с бегущим магнитным полем// Развивающиеся интеллектуальные системы автоматизированного проектирования и управления: Материалы международной науч.-практ. конф.- Новочеркасск: ЮРГТУ, 2001. - Ч. 1. - С 43-48.
Володин Г. И. Ротыч Р. В. Постановка задачи расчета электродинамических процессов в линейном электродинамическом модуле с бегущим магнитным полем// Электрооборудование в строительстве и на транспорте: Межвуз. сб. науч. тр./РГСУ. - Ростов н/Д, 2002. - С47-52.
Володин Г. И., Золотарев П.А. Влияние скругления углов магнитных сердечников на потери мощности// Электровозостроение:сб.ст. - Новочеркасск, 1979.- Т. 20. - С130-145.
Володин Г. И., Ротыч Р. В. Ускорительная система с асинхронными линейными электродвигателями для транспортирования алюминиевых труб// Электротехника и автоматика в строительстве и комм. хоз-ве: Сб науч. тр./РГСА. - Ростов н/Д, 1993. - С77-79.
Володин Г. И., Ротыч Р. В. Математическая модель для исследования электродинамических усилий металлоуловителя на базе ЛАД// Проблемы рационального использования электроэнергии в строительстве и на транспорте: Тез. докл. регион. науч.-практ. конф.. - Ростов н/Д: РГСУ, 1999. - С19-22.
Володин Г. И., Бахвалов А. Ю. Синтез индуктора вращающегося магнитного поля активатора с вихревым слоем для обработки сточных вод// II - я Международная научно-практическая конференция Экология: образование, наука, промышленность и здоровье./ Вестник БГТУ им Шухова, 2004. - № 8. - С40-43.
Быкадоров В. Ф., Володин Г. И., Нис. Я. З. Электростатический затвор в технологии защиты окружающей среды// II - я Международная научно-практическая конференция Экология: образование, наука, промышленность и здоровье./ Вестник БГТУ им. Шухова, 2004. - № 8. - С 167-169.
Володин Г. И., Тарасов А. Н., Дуков В. Г. Экспериментальное исследование эффективности металлоуловителей различной конструкции//Интеллектуальный резерв университета: Материалы 48 науч.- техн. конф. Студентов и аспирантов ЮРГТУ. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2000. - С 56-58.
Володин Г. И., Михайлов А. В. Постановка задачи диагностирования воздушного зазора в системе управления электролизом алюминия// Математические методы в технике и технологиях: Сб. трудов ХV междунар. Науч. конф./Тамбов. гос. техн. ун-т. - Тамбов, 2002. - Т8. - С 174-178.
Коломейцев Л.Ф., Володин Г.И., Бочаров В.И.Пульсации подвесного и тягового усилий одностороннего линейного двигателя// Сб. докл. 3-ей Всесоюзн. Конф. По ВСНТ. - Новочеркасск, 1984. - № 2. - С88-90.
Боляев И. П., Володн Г. И. Золотарев П. А., Феоктистова Т. И. Влияние формы коронок зубцов на коммутацию электрических машин// Электротехническая пр-сть. Тяговое и подъемно-транспортное Эл. Оборудование. - 1974. - № 2. - С 216-218.
Коломейцев Л. Ф., Бочаров В.И., Володин Г.И. Односторонний ли-

нейный индукторный двигатель//Электрические машины и полупро

водниковые преобразователи на железнодорожном транспорте: Сб.

ст. /МИИТ. - М.,1983.-Вып. 732. - С14-17.

Бочаров В.И., Коломейцев Л.Ф., Павлюков В.М., Володин Г. И. Линейный индукторный двигатель ля привода и электромагнитного подвеса экипажей ВСНТ// Тез. докл. научн. - техн. Семинара по перспективным экспериментальным исследованиям на полигоне Мармарик - 1, Ереван, 1985. - С. 14-16.
А.С.1350779 СССР МКИ Н02к 41/03. Линейный синхронный электродвигатель/ Бочаров В. И., Коломейцев Л. Ф., Володин Г. И., Грибанов П. Ф.- Заявл. 03.04.85; Опубл. 07.11.87, Бюл. №41.
Пат. № 2201030 РФ МКИ Н02k 41/03. Двухкоординатный линейный электродвигатель/Бахвалов Ю. А., Володин Г.И., Нис Я. З.. - Заявл. 14.09.2000; Опубл. 20.03.2003, Бюл. №8.
Пат. № 2212279 РФ, МКИ 7В03С3/08. Устройство блокирования пылевых потоков/ Быкадоров В.Ф., Борзаковский А.Б., Бахвалов. Ю.А., Володин Г.И., Нис. Я. З. Заявл. 13.06.02; Опубл. 20.09.03., Бюл. № 26.
Пат. № 33332 РФ, МКИ 7В03С3/06. Электростатический затвор/ Быкадоров В.Ф, Борзаковский А.Б., Бахвалов Ю.А., Володин Г.И., Нис Я. З..- Заявл. 19.08.02; Опубл. 20.10.03., Бюл. №29.
Пат. № 2238902 РФ, МКИ 7В03С3/08. Устройство беспылевой загрузки транспортных средств/ Володин Г.И., Володин Д.Г., Нис. Я.З. - Заявл. 15.01.03; Опубл. 27.10.04. Бюл. № 30.
Пат. № 45648 РФ МКИ В01F 13/08. Индукционное устройство для перемешивания и измельчения жидких и сыпучих сред/ Володин Г. И., Костюков В. П., Попов Е. А., Рожков В.И, Бахвалов А.Ю.- Заявл. 05.12.03; Опубл. 27.05.05. Бюл. № 15.
Пат. № 53933 РФ МПКВ01F13/08. Индукционное устройство для перемешивания и измельчения жидких и сыпучих сред/ Попов Е.А., Костюков В.П., Рожков В.И., Бахвалов А.Ю., Володин Г.И. - Заявл. 13.07.2004; Опубл. 10.06.2006. Бюл. №16.
Пат. № 2283184 РФ МПК В03/С 3/06 Электростатический затвор/ Быкадоров В.Ф., Володин Г.И., Нис Я.З., Климов Е.А. - Заявл. 10.03.2005; Опубл. 10.09.2006 Бюл. № 25.
Пат. № 2342987 РФ МПКВ01F13/08. Аппарат вихревого слоя/Володин Г.И., Новохацкий И.В., Бахвалов А.Ю. - Заявл. 07.03.2007; Опубл. 10.01.2009 Бюл. № 1.
Пат. № 2343985 РФ МПК В03/С 3/08 Электростатический затвор/ Володин Г.И., Новохацкий И.В., Климов Е.А. - Заявл. 09.07.2007; Опубл. 20.01.2009 Бюл. № 2.

Авторефераты по всем темам >> Авторефераты по техническим специальностям

Blog