Плоские односторонние линейные индукционные машины с увеличенным рабочим зазором

Актуальность работы. Основной областью применения плоских односторонних линейных индукционных машин (ЛИМ) с увеличенным рабочим зазором является металлургия /1/. В металлургии ЛИМ используют для бесконтактного силового воздействия на расплавы металлов с целью их транспортировки /2, 3, 4/, управления скоростью литья металла из миксеров и печей в кристаллизаторы /5, 6/, перемешивания с целью гомогенизации расплавов по химическому составу, температуре и других технических операций /7−10/.

Металлургическое назначение ЛИМ определяет большую величину зазора между индуктором и рабочим телом, что вызвано необходимостью размещения между ними теплоизоляции. Большие рабочие зазоры приводят к существенным конструктивным особенностям ЛИМ /11 — 17/. В частности плоские ЛИМ металлургического назначения, из-за большого рабочего зазора имеют большие абсолютные величины полюсных шагов и как следствие малое число пар полюсов. Это в свою очередь вызывает значительные проявления поперечного и продольного краевых эффектов в рабочем теле, а также сильное влияние эффекта переноса мощности между фазами на работу машины, при этом величина пульсирующего магнитного поля сопоставима с величиной бегущего магнитного поля. Все перечисленное предъявляет особые требования к разработке и проектированию ЛИМ металлургического назначения.

Проектирование любой электрической машины, и ЛИМ, в частности, включает в себя выбор материалов отдельных частей машины, выбор и расчет конструктивных параметров элементов конструкции машины, объединение их в конструктивные узлы и общую компоновку всех частей таким образом, чтобы машина по возможности наилучшим образом соответствовала своему назначению и была наиболее экономичной в работе и при изготовлении /18, 19/. Проектирование специальных или уникальных электрических 4 машин представляет собой сложную научно-техническую задачу /20/. Для ее разрешения требуются глубокие теоретические знания, большой объем опытных данных и достаточно подробные сведения о назначении машины и условиях, в которых она будет работать. Таким образом, при проектировании электрической машины приходится учитывать большое количество факторов, от которых зависят ее эксплуатационные свойства, заводская себестоимость изготовления и надежность в работе. При создании принципиально новых конструкций электрических машин, например, плоских ЛИМ специального назначения, оптимальный или близкий к нему вариант проекта необходимо создавать путем расчета и сопоставления многих вариантов. Этим они принципиально отличаются от широко распространенных вращающихся электрических машин, при создании которых в короткие сроки и сравнительно небольших затратах труда удается довольно близко подойти к оптимальному варианту, так как их проектирование строится на основе большого опыта построения, длительной эксплуатации, глубоких теоретических и экспериментальных исследований происходящих в них процессов.

Использование классических инженерных методик расчета плоских односторонних ЛИМ с увеличенным рабочим зазором, основанных на аналитических выражениях, приводит к существенным погрешностям расчета (свыше 50%). Как следствие, существующие сегодня плоские односторонние ЛИМ с увеличенным рабочим зазором далеки от оптимального варианта с точки зрения проектирования и энергетической эффективности. Поэтому с появлением современных программных продуктов для численного моделирования и параметрической оптимизации, а также средств автоматизированных натурных исследований физических моделей и промышленных образцов, у исследователей появились новые инструменты, которые позволяют провести достоверные расчеты и сопоставления многих вариантов конструкций плоских ЛИМ, накопить необходимый опыт и разработать рекомендации по созданию специальных машин с наиболее близкой к оптимальной конструкцией", применительно к условиям эксплуатации в литейных производствах металлургических предприятий.

Исследования по диссертации поводились в рамках гранта на. фундаментальную НИР по проекту № 2.1.2/3995 и индивидуального гранта Фонда науки для молодых ученых № 18G081.

Объект исследования — индукционная система «индуктор плоской односторонней ЛИМ — рабочее тело» (с увеличенным рабочим зазором) в применении к индукционным магнитогидродинамическим машинам металлургического назначения.

Предмет исследования — процессы, протекающие в индукционной системе «индуктор плоской односторонней ЛИМ — рабочее тело» (с увеличенным рабочим зазором) и влияние конструктивных параметров ЛИМ и параметров электрического питания на эффективность преобразования электрической энергии в механическую.

Цель диссертации: развитие методов и средств численного анализа электромагнитного поля (ЭМП) в индукционной системе «индуктор плоской односторонней ЛИМ — рабочее тело» (с увеличенным рабочим зазором) для различных вариантов исполнения токоведущих частей индуктора, как теоретической методологической основы проектирования ЛИМ металлургического назначения.

Для достижения цели в работе решаются следующие задачи:

1. Анализ опыта разработки и эксплуатации плоских односторонних ЛИМ, формализация и обоснование критериев оптимизации конструктивных параметров ЛИМ, обеспечивающих высокие эксплуатационные свойства и надежность при ограничениях на стоимость ее изготовления и эксплуатации.

2. Разработка универсальной математической модели плоской односторонней ЛИМ и алгоритмов расчета, параметрической оптимизации и сопоставление различных вариантов конструктивного исполнения ЛИМ с учетом принятых критериев оптимизации.

3. Подтверждение адекватности математических моделей путем сравнения результатов численного моделирования с данными натурного эксперимента на физических моделях и промышленных образцах.

4. Проведение численного математического моделирования для определения характеристик различных конструктивных исполнений ЛИМ и параметрическая оптимизация наиболее эффективных машин.

5. Разработка рекомендаций по совершенствованию используемых в промышленности ЛИМ металлургического назначения.

Методы исследования. Для решения задачи анализа электромагнитного поля в индукционной системе «индуктор плоской односторонней ЛИМрабочее тело» (с увеличенным рабочим зазором) в работе использован численный метод конечных элементов (МКЭ) (с использованием имеющегося в наличии лицензионного пакета программ ANSYS, академическая лицензия СФУ 144 095). Исследование процессов в плоских односторонних ЛИМ проводилось на базе методов теоретических основ электротехники, электрических машин, теории электромагнитного поля и математического анализа. При обработке результатов экспериментальных исследований использовались методы статистики и автоматизированных исследований физических величин с помощью набора инструментов фирмы National Instruments.

Научная новизна результатов диссертации заключается в следующем: разработана универсальная математическая модель для анализа, сопоставления и оптимизации параметров различных конструктивных исполнений ЛИМ, которая позволяет по основным конструктивным размерам индуктора в автоматизированном формате создать расчетную модель, задать свойства элементов и источников ЭМП в расчетной области, построить конечно-элементную сетку, провести расчеты и получить результаты в максимально удобном для исследователя виде с целью последующего использования при проектировании ЛИМвыявлены ключевые конструктивные параметры индукционной системы, определяющие физические процессы в индукционной системе «индук7 тор плоской односторонней ЛИМ» — рабочее тело" (с увеличенным рабочим зазором), а также критерии сопоставления ЛИМ различных исполнений в зависимости от назначения и условий эксплуатации плоской ЛИМ с увеличенным рабочим, зазоромопределены зависимости электромагнитного напора, действующего на рабочее тело, от главных геометрических характеристик ЛИМ для различных конструкций, позволяющие разработать рекомендации по совершенствованию ЛИМ металлургического назначения.

Практическая ценность работы заключается в следующем: создана программа и разработаны алгоритмы, которые могут быть использованы для анализа аналогичных индукционных систем более широкого назначения и условий эксплуатацииданы рекомендации по разработке новых и совершенствованию известных индукционных устройств металлургического и общего назначения, позволяющие повысить энергетическую эффективность, технологичность и эксплуатационную безопасность рассматриваемых устройств за счет применения при различных рабочих зазорах определенных вариантов исполнения токоведущих частей и геометрических размеров индуктора ЛИМразработаны проекты оптимизированных по конструктивному исполнению плоских ЛИМ, обеспечивающих их эффективную работу при зазорах 300, 500 и 700 мм.

Достоверность полученных результатов подтверждена приемлемым совпадением результатов вычислительного эксперимента (с использованием разработанных математических моделей) с результатами натурного эксперимента на физических моделях и опытно-промышленных образцах.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы реализованы в рамках х/д тем №№ 20 090, 468у, 1653/09 и в учебном процессе кафедры «Электротехнологии и электротехника» Политехнического института Сибирского федерального университета, дипломном проектировании студентов.

На защиту выносятся:

1. Универсальная математическая модель и алгоритм расчета электромагнитных процессов в плоской односторонней ЛИМ с увеличенным рабочим зазором.

2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований плоских ЛИМ с увеличенным рабочим зазором, сопоставления машин различных конструктивных исполнений.

3. Рекомендации по проектированию и эксплуатации плоских ЛИМ металлургического назначения.

Апробация работы. Основные научные и технические результаты были представлены на: всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука: начало XXI века» КГТУ (Красноярск, 2006 — 2007) — XIV Международной научно-практической конференций студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» ТПУ (Томск, 2008) — XV ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» МЭИ (технического университета) (Москва, 2009), IV научно-технической конференции с международным участием «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» НГТУ (Новосибирск, 2009).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 11 печатных работах, в том числе 2 в изданиях из перечня ВАК.

Личный вклад автора. Разработка математических моделей, алгоритмов и программ, проведение вычислительных процессов, организация и проведение экспериментальных исследований выполнены автором самостоятельно.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы из 110 наименований и 2 приложений. Основная часть работы изложена на 135 страницах, содержит 11 таблиц и 64 рисунков.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

Основные достижения, и результаты диссертационнойработы заключаются в следующем:

1. Определены возможности повышения эффективности преобразования электрической энергии в механическую в плоской односторонней ЛИМ с увеличенным рабочим зазором. В частности, предложены наиболее перспективные конструкции плоских односторонних ЛИМ с укороченным шагом обмотки, имеющие три явно выраженных выступа на длину машины с питанием от стандартного трехфазного источника напряжения.

2. Разработаны универсальная математическая модель и алгоритм расчета, которые на базе коммерческого пакета программ ANSYS позволяют исследовать плоские ЛИМ различных конструктивных исполнений с учетом сложных электромагнитных процессов в индукционной системе машины и электрических процессов в системе ее электропитания. Модель позволяет выполнять автоматизированное задание конструкции ЛИМ, параметров электрического питания и условий ее использования, а также осуществлять параметрическую оптимизацию ЛИМ с помощью внешних оптимизационных алгоритмов.

3. Подтверждена адекватность универсальной математической модели путем сравнения с данными натурных экспериментов в лаборатории «Магнитной гидродинамики» ПИ СФУ и на промышленных образцах. Погрешности при определении электромагнитного усилия, создаваемого плоской ЛИМ, и энергетических параметров индуктора сокращены примерно в пять раз и для рассмотренных вариантах и не превысили 10%. Сопоставление данных по магнитным потокам в характерных сечениях магнитопровода индуктора ЛИМ дало погрешность в пределах 3%.

4. Определены параметры электрического питания различных конструкций плоских ЛИМ. В частности, с применением оптимизационных.

122 алгоритмов выявлено, что трехфазную конструкцию ЛИМ целесообразно питать от симметричного источника напряжения, так как варьирование величин токов по фазам и симметрирование магнитной цепи машины приводит к значительному увеличению электромагнитного усилия в отличие от любых двухфазных конструкций. Кроме того, использование серийно выпускаемых трехфазных источников питания для трехфазной ЛИМ делает ее более удобной и дешевой в эксплуатации. Электропитание двухфазной конструкции плоской ЛИМ необходимо осуществлять исходя из учета симметрирования магнитной цепи машины, что позволяет достичь повышения электромагнитного усилия, развиваемого ЛИМ, до 40%.

5. Сформулированы рекомендации по выбору типоразмера ЛИМ в зависимости от величины рабочего зазора, а также их применению при различных ограничениях технической системы и технологического процесса. Разработаны МГД перемешиватели алюминия в миксерах и печах на рабочие зазоры 300, 500 и 700 мм.

6. Предложена система автоматизации симметрирования магнитной цепи индуктора за счет оптимального соотношения питающих напряжений фаз с использованием обратной связи через датчики магнитного потока на коронках зубцов.