Электромагнитные процессы в устройствах с произвольной подвижной частью

Настоящая диссертационная работа посвящена разработке теоретических, математических и программных средств исследования электромагнитных процессов в электромагнитных индукционных и электростатических устройствах с произвольной подвижной частью. На основе результатов применения этих средств сформулированы закономерности протекания процессов, разработаны принципы построения устройств с заданными характеристиками, сформулированы рекомендации по выбору эксплуатационных параметров.

Рассматриваемые в данной работе устройства являются устройствами непосредственного привода, то есть устройствами, в которых движение подвижной части происходит под действием сил электромагнитного и электрического поля без применения механических средств передачи движения. В качестве подвижной части может быть или изделие на каком-то этапе технологии, продукт производства, рабочий орган технологического средства. Устройства непосредственного привода находят широкое применение в различных технологических процессах, но в то же время нет серийного выпуска таких устройств. Поэтому в каждом конкретном случае применения их требуется комплекс работ по исследованию электромагнитных процессов в них.

В настоящей работе рассматриваются два типа устройств: индукционные электромагнитные и электростатические. Линейные электромагнитные устройства, рассматриваемые в настоящей работе, находят применение в металлургической промышленности для перемещения линейных немагнитных профилей, для перемещения расплава цветных металлов (алюминия), кроме того, для перемещения предметов из немагнитного металла произвольной формы и размеров в устройствах сепарации немагнитных металлических предметов из технологических масс. В электростатических устройствах подвижной частью является мелкодисперсный сыпучий материал на этапе его производства и транспортирования, например цементный клинкер на этапе пересыпки его из холодильника в клинкерный силос.

Конструктивно рассматриваемые устройства состоят из двух частей: неподвижной и подвижной. Неподвижная часть является элементом, с помощью которого в устройство подводится электрическая энергия. В индукционных электромагнитных устройствах неподвижная часть представляет собой индуктор, состоящий из магнитного сердечника с обмоткой, создающей вращающееся или бегущее магнитное поле, перемещение подвижной части происходит за счет электромагнитного взаимодействия магнитного поля индуктора и вторичных токов, индуцированных в подвижной части. В электростатических устройствах неподвижная часть представляет собой систему электродов, на которые подается электрическое напряжение такой величины, при которой имеет место коронный разряд в пространстве между электродами. Во внешней области коронного разряда происходит зарядка мелкодисперсных частиц и обеспечивается их движение за счет кулоновских сил со стороны электрического поля системы электродов.

Для исследования и построения рассматриваемых устройств применялись следующие средства, разработанные в рамках выполнения настоящей работы:

1) теоретический анализ электромагнитных процессов в немагнитных металлических предметах произвольной формы и размеров, занимающих произвольное положение относительно обмоток индуктора (произвольная величина перекрытия подвижной частью полюсного деления);

2) математические модели электрических и электромагнитных процессов в устройствах;

3) проблемно-ориентированные программные модули, позволяющие проводить исследования электрических и электромагнитных процессов в устройствах;

4) математические модели и программные средства синтеза устройств;

5) набор принципов конструирования и изготовления устройств, использование которых обеспечивает создание устройств с заданными выходными параметрами;

6) экспериментальные, физические и опытно-промышленные модели устройств;

Устройства, рассматриваемые в настоящей работе, имеют ряд специфических особенностей конструкции, которые не позволяют применять для исследования процессов в них математический аппарат, разработанный для электрических машин как вращающихся, так и линейных. В традиционном индукционном электродвигателе подвижная часть имеет регулярную цилиндрическую или линейную структуру и одну, максимум, две степени свободы. В устройствах, которым посвящена настоящая работа, подвижная часть не имеет регулярной структуры, элементы подвижной части, как правило, имеют все шесть степеней свободы. Кроме того, форма, размеры подвижной части и их пространственное положение относительно индуктора устройства являются в большой степени произвольными.

Электростатические устройства с мелкодисперсной подвижной частью, рассматриваемые в настоящей работе, являются совершенно новыми. Ранее такие устройства не разрабатывались и не применялись. В этих устройствах происходит электромеханическое преобразование энергии за счет кулоновских сил, действующих на заряженные частицы мелкодисперсной минеральной среды со стороны системы электродов устройства и объемного электрического заряда созданного системой коронирующих и формообразующих электродов.

Актуальность темы

диссертационной работы обусловлена тем, что в настоящее время одной из насущных потребностей производства является повышение эффективности технологических процессов за счет внедрения новых технических решений и устройств. Разработка и внедрение электромагнитных и электрических усройств с произвольной подвижной частью является одним из перспективных направлений совершенствования технологических процессов в самых различных отраслях производства.

Электромагнитные и электростатические устройства с произвольной подвижной частью, рассматриваемые в настоящей работе, находят применение в следующих областях производства:

1. Транспортирование изделий в производстве профилей из цветного металла, в частности, подача линейного профиля от пресса после экс-трудирования в правильную машину;

2. Транспортирование расплавов цветных металлов на металлургических предприятиях;

3. Сепарация из технологических масс предметов из немагнитных металлов;

4. Интенсификация процессов механохимической обработки смесей (диспергация, получение эмульсий, суспензий, коллоидных растворов);

5. Очистка промышленных стоков, утилизация и переработка продуктов жизнедеятельности сельскохозяйственных животных;

6. Блокирование пылевых выбросов в производстве и транспортировании сыпучих материалов;

7. Блокирование пылевых потоков при заборе воздуха в технологические устройства, например, компрессоры.

Разработка теоретических, математических и компьютерных средств исследования электромагнитных и электрических процессов в этих устройствах, формулирование принципов построения устройств, рекомендации по конструированию устройств и выбору параметров рабочего режима является предметом настоящей работы.

В качестве целей исследования можно указать следующие:

— 91. Получение теоретических, математических и программных средств исследования электромагнитных и электрических процессов в устройствах с произвольной подвижной частью:

2. Получение характеристик и параметров протекания электромагнитных и электрических процессов в устройствах с произвольной подвижной частью.

3. Формулировка принципов построения электромагнитных индукционных и электрических устройств с произвольной подвижной частью;

4. Получение средств синтеза устройств с заданными характеристиками;

5. Получение новых технических решений устройств, обладающих признаками изобретений;

Для достижения поставленных целей в настоящей работе решались следующие задачи:

1. Анализ физических процессов в устройствах, формулирование особенностей протекания электромагнитных процессов;

3. Разработка теоретических средств исследования электромагнитных процессов;

4. Разработка математических моделей электромагнитных и электрических процессов в устройствах с произвольной подвижной частью;

5. Разработка компьютерных моделей электромагнитных и электрических процессов;

6 Проведение исследований электромагнитных и электрических процессов в устройствах с произвольной подвижной частью на основе использования математических и компьютерных моделей;

7. Определение на основе этих данных зависимостей характеристик магнитного поля, параметров обмоток, параметров взаимодействия сети и устройства от конструктивных параметров;

— 108. Формулирование рекомендаций по конструированию устройств с произвольной подвижной частью с заданными параметрами рабочего режима;

9. Разработка конструкций экспериментальных и опытно-промышленных образцов устройств с произвольной подвижной частью для различных областей применения;

10. Проведение экспериментальных и промышленных испытаний устройств с произвольной подвижной частью и оценка их эксплуатационных параметров, сравнение результатов с результатами моделирования электромагнитных процессов.

Исследования в настоящей работе проводились с использованием комплекса различных методов в зависимости от характера решаемых на данном этапе задач. В ряде случаев применялось сочетание аналитических и синтетических методов исследования. 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 следующие разделы и области знаний: теория электромагнитного полятеория электрических цепейчисленные методы расчета электромагнитных полейтеория электрических машинколлоидная химиятеоретическая механикаалгоритмы решения изобретательских задачязыки программированияметоды и средства технических измерений и др.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

1. Корректным использованием теоретических основ электротехники при разработке математических моделей;

2. Результатами лабораторных экспериментальных исследований;

3. Результатами промышленных испытаний экспериментальных и опытно-промышленных образцов устройств;

4. Результатами опытно-промышленной эксплуатации образцов исследуемых устройств.

5. Критическим обсуждением полученных результатов с ведущими специалистами промышленных предприятий, использующих разработанные в ходе выполнения данной работы устройств.

В качестве новых научных результатов настоящей работы можно указать следующие:

1. Математические модели электромагнитных процессов в линейных индукционных устройствах с подвижной частью произвольной формы, размеров, наличии дефектов формы, несимметричном положении подвижной части относительно индуктора;

2. Математические модели определения поля индуцированных токов в подвижной части, взаимного влияния токов в первичной и вторичных частях;

3. Компьютерные средства исследования электромагнитных процессов в устройствах с произвольной подвижной частью;

4. Компьютерные средства синтеза геометрии зубцового слоя линейного индуктора;

5. Зависимости распределения индуцированных токов от геометрических параметров подвижной части;

6. Зависимости тягового усилия на подвижной части от величины дефектов формы, от величины взаимного перекрытия подвижной части и индуктора;

7. Зависимости степени несимметрии первичных токов индуктора от формы и расположения подвижной части относительно индуктора;

— 128. Математическая модель электромагнитных процессов в цилиндрических индукционных устройствах с дискретной ферромагнитной подвижной частью;

9. Метод определения магнитных свойств дискретной ферромагнитной подвижной части;

10. Характеристики магнитного поля в рабочей камере устройства в зависимости от геометрических параметров индуктора, концентрации элементов дискретной среды и др.;

11. Математическая и компьютерная модели электрического поля в межэлектродном пространстве электростатического затвора;

12. Критерии эффективного удаления мелкодисперсных частиц из межэлектродного пространства электростатического затвора.

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

1. Полученные компьютерные средства, которые позволяют проводить исследования электромагнитных процессов, получать характеристики работы устройств;

2. Получены зависимости параметров электромагнитных процессов от геометрических параметров и параметров рабочего режима устройств;

3. Предложены критерии надежной работы линейных индукционных устройств при транспортировании линейных профилей с дефектами формы и при несимметричном положении подвижной части относительно индуктора;

4. Предложены критерии надежного продвижения расплава металла в металлопроводе при неполном заполнении металлопровода как по длине, так и по живому сечению;

5. Предложены критерии надежного удаления посторонних немагнитных металлических предметов из технологических масс;

6. Предложен способ устранения несимметрии фазных токов индуктора линейного индукционного устройства и устранения пульсирующего магнитного поля индуктора;

7. Предложена новая конструкция и принцип управления двухко-ординатным линейным электродвигателем, защищенные патентом РФ;

8. Сформулированы рекомендации по конструированию рабочих камер устройств с дискретной ферромагнитной подвижной частью, выбору концентраций элементов дискретной среды, геометрии зубцовой зоны и др.;

9. Разработаны конструкции высокоэффективных цилиндрических устройств с дискретной подвижной частью, защищенные патентами РФ;

10.Сформулированы критерии надежного торможения пылевых частиц в межэлектродном пространстве электростатического затвора;

11. разработаны несколько вариантов конструкций электрических затворов, защищенные патентами РФ.

Результаты работы реализованы в следующих устройствах:

1. Линейный индукционный модуль для транспортировки алюминиевых труб, изготовленный по заказу Белокалитвенского металлургического объединения;

2. По заказу ЗАО «Втормет, Пушкино» разработан и изготовлен линейный индукционный насос для перекачивания расплава алюминия для системы втворения шлакообразующих порошков и алюминиевой стружки;

3. Проект линейного индукционного насоса для системы втворения шлакообразующих порошков включен в проект реконструкции плавильных печей на Мценском заводе «Вторцветмет»;

— 144. Электромагнитный индукционный активатор с дискретной ферромагнитной подвижной частью передан в химическую лабораторию МГУ;

5. Электромагнитный индукционный активатор, разработанный и изготовленный по заказу ООО «Эколенд» сдан в опытно-промышленную эксплуатацию на Курьяновской аэрационной станции;

6. В условиях ОАО «Новоросцемент» находятся в опытно-промышленной эксплуатации два электростатических затвора на выхлопных отверстиях клинкерных силосов;

7. по заказу ОАО «Новоросцемент» разрабатывается электрический затвор для пункта погрузки автоцементовозов;

8. по заказу ООО «ПК «НЭВЗ» разрабатывается и пущен в опытно-промышленную эксплуатацию электростатический затвор для подавления пыления из дробеструйной камеры сталелитейного цеха;

9. По заказу ОАО «ВЭлНИИ» разработан и проходит опытно-промышленные испытания электростатический затвор для блокирования пылевых потоков при заборе воздуха в компрессор электровоза;

10. материалы диссертации использованы при чтении курса УИРС в ЮРГТУ по кафедре «Электромеханика»;

11. материалы работы используются при выполнении дипломных проектов по специальности 180 100.

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

1. Всесоюзная конференция по высокоскоростному наземному транспорту (Новочеркасск, 1984 г.);

— 152. Научно-технический семинар по перспективным экспериментальным исследованиям на полигоне «Мармарик — 1» (Ереван, 1985 г.);

3. Научно-практическая конференция студентов и молодых ученых РГСУ «Проблемы рационального использования электроэнергии в строительстве и на транспорте» (Ростов-на-Дону, 1999 г.);

4. 48 — я научно-техническая конференция студентов и аспирантов ЮРГТУ (Новочеркасск, 2000 г.);

5. Международная научно-практическая конференция «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы» (Новочеркасск, 2000 г.).

6. Международная научно-практическая конференция «Развивающиеся интеллектуальные системы автоматизированного проектирования и управления» (Новочеркасск, 2001 г.);

7. Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях» (Тамбов, 2002 г.);

8.11 — я Международная научно-практическая конференция «Экология: образование, наука, промышленность и здоровье» (2 доклада), Белгород, 2004 г.;

9. Международный семинар «Физико-математическое моделирование систем» (2 доклада), Воронеж, 2005 г.

10. Международная научно-практическая конференция «Студенческая весна 2007», Новочеркасск, 2007 г.

11. Разработка «Электростатический затвор для блокирования пылевых выбросов при загрузке автоцементовозов» экспонировались на Всероссийской выставке-ярмарке научно-исследовательских работ и инновационной деятельности студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Российской федерации в 2003 году;

— 1612. Разработка «Индукционный магнитогидродинамический насос для системы циркуляции расплава алюминия» экспонировалась на Инновационном форуме в 2005 году, г. Новочеркасск.

13. Опытный образец устройства «Электростатический затвор» экспонировался на международной специализированной выставке «ЭлектроПромЭкспо», г. Ростов-на-Дону, ВЦ «ВертолЭкспо», 2008 г.

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

Диссертационная работа состоит из введения 5-ти глав основного текста, заключения, списка литературы из 132 наименований и приложений. Основной текст-271 страницы, приложения -14 страниц.

Выводы по главе 5.

1) Разработана математическая модель электрических процессов в межэлектродном пространстве электростатического затвора;

2) Разработана компьютерная модель электрического поля в межэлектродном пространстве электростатического затвора;

3) На основе анализа физических процессов в межэлектродном пространстве сформулирован критерий эффективной зарядки и торможения мелкодисперсных частиц в межэлектродном пространстве затвора;

4) На основе результатов моделирования электрического поля затвора типа «гребенка-трубы» сформулированы рекомендации по конструированию затвора с наилучшим распределением продольной составляющей напряженности электрического поля:

5) В результате проводимых работ разработаны, изготовлены запущены в экслуатацию электростатические затворы на ОАО «Новоросцемент».

— 275 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1) Электромагнитные и электрические устройства, рассматриваемые в настоящей работе, находят применение в технологических процессах различных отраслей промышленности: в металлургии, для перемещения протяженных изделий из цветного металла, перемещения расплавов цветного металлав пищевой промышленности, для удаления металлических предметов из цветного металла из технологических массв технологиях обработки сточных вод и дегельментизации продуктов жизнедеятельности сельскохозяйственных животныхв производстве и транспортировке различных сыпучих и порошкообразных продуктов для блокирования пылевых выбросов в атмосферу;

Электромагнитные процессы в рассматриваемых устройствах имеют ряд особенностей, наличие которых не позволяет применить для их исследования методики, опубликованные в работах, посвященных линейным асинхронным двигателям и МГД насосам.

Анализ электромагнитных и электрических процессов в рассматриваемых устройствах требует разработки специальных математических и компьютерных моделей, так как в наших условиях неприменимы те допущения, которые обычно принимаются авторами работ при анализе линейных индукционных устройств, имеющих схожие конструкции и области применения.

Электромагнитные процессы б устройствах с произвольной подвижной частью благодаря конструкции и режимам работы имеют ряд специфических особенностей:

• для линейных устройств с произвольной подвижной частью неприменимы методики и уравнения электромагнитных процессов, разработанные для аналогичных устройств с регулярной подвижной частью, например, линейных электродвигателей;

• картина поля индуцированного тока в подвижной части устройства с произвольной подвижной частью не совпадает с картиной напряженности индуцированного электрического поля;

• количество магнитных полюсов индуцированного тока не совпадает с количеством магнитных полюсов магнитодвижущей силы индуктора, причем по мере движения магнитного поля соотношение между количеством полюсов индуцированного тока и магнитного поля меняется;

• характер поля индуцированного тока в подвижной части зависит геометрических соотношений между линейными размерами подвижной части и полюсным делением индуктора;

• наличие подвижной части произвольных размеров, геометрической формы, с наличием дефектов геометрической формы оказывает влияние на характер магнитного поля в целом и на токораспределение в обмотке индуктора;

В процессе выполнения работы были проведены исследования рабочих и эксплуатационных характеристик линейных индукционных устройств в следующих условиях:

• подвижная часть является линейным метллическим немагнитным профилем, имеющим дефекты геометрической формы (изгибы линейного профиля), сформулированы критерии выбора полюсного деления для надежного транспортирования изделия, магнитной индукции и др.;

• подвижная часть является расплавом немагнитного металла, причем металлопровод имеет наклон к горизонтальной плоскости, сформулированы условия надежной работы устройства при неполном заполнении металлопровода;

• подвижная часть имеет произвольную геометрическую форму (металлоуловитель), сформулированы рекомендации по выбору конструкции металлоуловителя и выбору параметров его рабочего режима.

Полученные в процессе выполнения работы результаты позволяют определить параметры индукторов, в частности, величину полюсного деления и количество индукторов, необходимых для обеспечения транспортирования профиля в конкретных производственных условиях. Определены параметры несимметрии фазных токов при нахождении в магнитном поле индуктора подвижной части произвольной формы, определены величины токов нулевой последовательности. Сформулированы критерии надежного удаления расплава металла из металлопровода при неполном заполнении его как по живому сечению, так и по длине.

Проведено моделирование вторичных токов в удаляемом немагнитном металлическом предмете металлоуловителя. Определены условия и сочетания электромагнитных параметров индукторов, при которых обеспечивается надежное удаление немагнитных металлических предметов произвольной геометрической формы из активной зоны металлоуловителя;

Проверка полученных результатов проводилась с помощью лабораторных экспериментальных исследований линейных индукционных устройств различных конструкций и назначения, а также с помощью испыта-ниий опытно-промышленных образцов в условиях производства;

Исследование цилиндрических индукционных устройств невозможно без получения информации о характере магнитного поля в рабочей камере. Это, в свою очередь, требует специальной математической и компьютерной моделей, позволяющих моделировать магнитное поле с учетом магнитных свойств ферромагнитной дискретной среды. Неравномерное распределение магнитной индукции в рабочей камере приводит к образованию «мертвых зон» 1 -го и 2-го рода.

На основании анализа результатов моделирования и экспериментального исследования характеристик цилиндрического индукционного устройства с дискретной ферромагнитной подвижной частью сформулированы рекомендации по конструированию устройств, выбору параметров рабочего режима, разработано несколько устройств, сданных в опытно-промышленную эксплуатацию.

В процессе выполнения работ по исследованиям электростатических устройств с мелкодисперсной подвижной частью разработана математическая модель электрических процессов в межэлектродном пространстве электростатического затвора, разработана компьютерная модель электрического поля в межэлектродном пространстве электростатического затвора.

На основе анализа физических процессов в межэлектродном пространстве сформулирован критерий эффективной зарядки и торможения мелкодисперсных частиц в межэлектродном пространстве затвора. На основе результатов моделирования электрического поля затвора типа «гребенка-трубы» сформулированы рекомендации по конструированию затвора с наилучшим распределением продольной составляющей напряженности электрического поля.

В результате проводимых работ разработаны, изготовлены запущены в экслуатацию электростатические затворы на ОАО «Новоросцемент».