Линейные индукционные машины со встречно бегущими магнитными полями : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.09.01

Актуальность темы исследования. Повышение эффективности произ-
водства требует разработки и создания нового оборудования, позволяющего
повысить функциональные и технико-экономические показатели технологиче-
ских процессов при надлежащем качестве выпускаемой продукции. Основу та-
кого оборудования могут составлять специальные электрические машины, кон-
струкция и характеристики которых максимально соответствуют особенностям
тех или иных рабочих машин. К таким специальным электрическим машинам
относятся, в частности, линейные индукционные машины (ЛИМ) технологиче-
ского назначения, в которых вторичными элементами (ВЭ) являются обрабаты-
ваемые материалы, заготовки и изделия [1-10]. Например, вращающиеся и бе-
гущие магнитные поля, создаваемые ЛИМ, используются в МГД-технологиях
обработки жидких металлов (перемешивание, транспортировка, дозирование,
сепарация, дросселирование и т.п.), при электродинамической сепарации сыпу-
чих смесей (извлечение металлов из отходов, сортировка цветных металлов),
для манипулирования металлическими изделиями и заготовками в процессе их
обработки, для комплексного электромагнитного воздействия на заготовки
(например, их перемещение и индукционный нагрев) и др.
Основные достоинства ЛИМ связаны с бесконтактной передачей усилия
вторичным элементам (обрабатываемым заготовкам, изделиям и материалам).
При этом устраняются механические передачи, упрощаются кинематические
схемы приводов, появляется возможность передачи усилия в замкнутые объе-
мы, снимаются ограничения, связанные с передачей усилий за счет сцепления
поверхностей и т.д. Благодаря таким свойствам устройства на основе ЛИМ ха-
рактеризуются хорошими функциональными и энергетическими показателями,
а в ряде случаев линейные электрические машины не имеют альтернативы. От-
мечается также хорошая встраиваемость линейных индукторов в технологиче-
ские машины и механизмы. Одним из достоинств ЛИМ технологического
назначения является возможность совмещения в одной машине нескольких
функций. Двухцелевые (многоцелевые) ЛИМ могут выполнять функции элек-
тродвигателя, подъемного электромагнита, индукционного нагревателя, пер-
вичного информационного преобразователя датчиков, измеряющих параметры
движения ВЭ и др.
Основная особенность ЛИМ технологического назначения состоит в том,
что размеры и свойства ВЭ не являются предметом выбора при разработке ма-
шин, а задаются технологической задачей. Это заметно сужает возможности
формирования необходимых механических и рабочих характеристик ЛИМ. В
то же время при разработке линейных индукторов таких машин возможно ис-
пользование технических решений, не применяемых в традиционных электри-
ческих машинах. Одним из таких решений является использование индукторов
с обмотками, создающими встречно бегущие магнитные поля (движущиеся от
центра или к центру линейного индуктора) [11-12]. Как показывают уже из-
вестные применения [12], у ЛИМ с такими индукторами появляются новые
функциональные возможности, которые могут быть востребованы при созда-
нии технологических машин, роботизированных комплексов, гибких автомати-
зированных производственных линий. Например, применение ЛИМ с разбега-
ющимися магнитными полями в электродинамических сепараторах позволяет
повысить качество сепарации и снизить потребление энергии. Линейные ин-
дукторы со сбегающимися магнитными полями позволяют решать задачи пози-
ционирования металлических заготовок и изделий и т.д. Широкое применение
рассматриваемых машин сдерживается тем, что электромагнитные процессы в
них недостаточно изучены. Этим обусловлена актуальность данной диссерта-
ционной работы.
Исследования, результаты которых составили основу диссертации, вы-
полнены в рамках основного научного направления кафедры «Электротехника
и электротехнологические системы» Уральского федерального университета
«Разработка научных основ энергосберегающих электротехнологических и
специальных электромеханических систем», а также в рамках сотрудничества с
заинтересованными предприятиями.
Степень разработанности темы исследования. Использование линей-
ных индукторов, создающих встречно бегущие магнитные поля, открывает но-
вые возможности при применении ЛИМ во вспомогательном технологическом
оборудовании. Ранее в УрФУ (УГТУ-УПИ) проводились работы по разработке
и созданию такого оборудования [6-7, 34, 45-46, 53-55]. Разрабатывались ли-
нейные электродвигатели для перемещения стальных труб и листового проката;
загрузочно-подающие устройства для подачи стальных листов к технологиче-
ским машинам; электромагнитные устройства для натяжения металлических
лент; ЛИМ, совмещающие функции двигателя и индукционного нагревателя,
для комплектования линии непрерывного индукционного нагрева стальных ли-
стов. Однако подробные исследования, связанные с особенностями электро-
магнитных процессов в активной зоне ЛИМ со встречно бегущими полями, не
проводились.
Цель исследования: разработка линейных индукционных машин со
встречно бегущими магнитными полями для разных технологических примене-
ний. Для достижения цели решались следующие задачи:
– разработка математических моделей и методик расчета ЛИМ со встреч-
но бегущими магнитными полями и развитие теории таких машин;
– выявление закономерностей, влияющих на характер распределения
электромагнитных усилий в ЛИМ со встречно бегущими полями;
– разработка методики и анализ электромагнитных процессов в рассмат-
риваемых ЛИМ на основе построения диаграмм намагничивающих сил;
– разработка рекомендаций по проектированию ЛИМ, а также апробация
результатов исследований на опытных образцах;
– разработка ЛИМ со встречно бегущими магнитными полями для реше-
ния ряда технологических задач (электродинамическая сепарация, перемеще-
ние и позиционирование обрабатываемых металлических заготовок, индукци-
онный нагрев в бегущем магнитном поле).
Объект исследования – линейные индукционные машины со встречно
бегущими магнитными полями.
Предметом исследования являются электромагнитные процессы в ЛИМ
со встречно бегущими магнитными полями и характеристики технологических
устройств на основе таких машин.
Научная новизна результатов исследования состоит в следующем:
1. Разработаны алгоритмы и методики расчета ЛИМ со встречно бегущи-
ми магнитными полями с учетом основных особенностей машин (неравномер-
ность распределения магнитных полей в активной зоне ЛИМ, ограниченность
размеров массивного вторичного элемента).
2. Разработана методика оценки электромагнитных процессов в ЛИМ со
встречно бегущими магнитными полями на основе построения диаграмм
намагничивающих сил.
3. Выявлены закономерности распределения электромагнитных усилий в
активной зоне ЛИМ со встречно бегущими полями, зависящие от схемы соеди-
нения обмоток индуктора и определяемые появлением пульсирующих состав-
ляющих магнитных полей.
4. Разработаны рекомендации по выбору параметров ЛИМ со встречно
бегущими магнитными полями с учетом специфики электромагнитных процес-
сов для решения различных технологических задач.
Теоретическая и практическая значимость работы:
1. Разработана методика расчета ЛИМ со встречно бегущими магнитны-
ми полями в рамках «квазитрехмерного» подхода на основе сочетания аналити-
ческой и численной моделей ЛИМ в двухмерной постановке.
2. Предложена методика оценки характера электромагнитных процессов в
ЛИМ со встречно бегущими магнитными полями на основе построения и ана-
лиза диаграмм н.с. обмоток.
3. Выявлены особенности электромагнитных процессов в ЛИМ со
встречно бегущими магнитными полями при различных схемах обмоток ли-
нейных индукторов и показана физическая сущность таких особенностей.
4. Показаны преимущества применения рассматриваемых ЛИМ в элек-
тродинамических сепараторах, применяемых для извлечения цветных металлов
из твердых отходов и для индукционной сортировки металлов.
5. Экспериментально подтверждены возможности самоцентрирования
металлических заготовок в активной зоне ЛИМ со сбегающимися магнитными
полями, показана целесообразность их применения во вспомогательном техно-
логическом оборудовании металлообрабатывающих производств, а также в
установках индукционного нагрева мерных заготовок;
6. Созданы опытные устройства на основе ЛИМ со встречно бегущими
магнитными полями для решения ряда технологических задач. Новые техниче-
ские решения защищены патентами РФ на полезные модели.
Методология и методы исследований. В теоретической части работы
использованы методы теоретической электротехники и теории электрических
машин. Математические модели для расчета электромагнитных усилий постро-
ены на основе решения полевых задач в двухмерной и трехмерной постановке.
Методики расчетов реализованы с помощью математических пакетов Mathcad,
Elcut и COMSOL Multiphysics. Теоретические результаты дополнены данными
исследований экспериментальных образцов ЛИМ.
Достоверность полученных результатов подтверждается сравнением
результатов расчетов, полученных по разным методикам; сопоставлением с
данными экспериментов; соответствием результатов расчетов физическому
смыслу процессов в ЛИМ.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель и алгоритм расчета электромагнитных усилий
ЛИМ со встречно бегущими магнитными полями.
2. Методика оценки характера электромагнитных процессов в ЛИМ со
встречно бегущими магнитными полями на основе построения и анализа диа-
грамм н.с. обмоток.
3. Рекомендации по выбору схем соединения обмоток ЛИМ со встречно
бегущими магнитными полями, полученные на основе исследования электро-
магнитных процессов в ЛИМ.
4. Рекомендации по применению ЛИМ со встречно бегущими магнитны-
ми полями в ряде технологических устройств (электродинамические сепарато-
ры, установки индукционного нагрева и др.).
5. Результаты экспериментальных исследований опытных ЛИМ со
встречно бегущими полями и технологических установок на их основе.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы до-
кладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и семинарах:
Международная конференция «Актуальные проблемы энергосберегающих
электротехнологий» (Екатеринбург, 2014, 2017); Международная НПК «Энер-
го- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляе-
мые источники энергии» (Екатеринбург, 2014, 2017-2019); Международная
НПК «Эффективное и качественное снабжение и использование электроэнер-
гии» (Екатеринбург, 2015-2017); Международная НТК «Автоматизация в
электроэнергетике и электротехнике» (Пермь, 2016); Международная НПК
«Федоровские чтения» (Москва, 2016); Конгресс с международным участием
«Фундаментальные исследования и прикладные разработки процессов перера-
ботки и утилизации техногенных образований» (Екатеринбург, УрО РАН,
2017); Научно-техническая конференция молодых ученых Уральского энерге-
тического института УрФУ (Екатеринбург, 2017-2018); Международная конфе-
ренция «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы
и компоненты» (Алушта, 2018); IEEE Russia Section Young Researchers in Elec-
trical and Electronic Engineering Conference (St. Petersburg, Russia, 2018-2019).
Публикации. Основное содержание работы представлено в 9 статьях,
опубликованных в научных изданиях, рекомендованных ВАК, 2 патентах на
полезные модели, 18 тезисах докладов на всероссийских и международных
конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав,
заключения. Содержит 131 страниц основного текста (с приложением 156), 98
рисунков и 16 таблиц, список литературы, включающий 101 наименование и
приложения.
1. СОСТОЯНИЕ РАЗРАБОТОК ЛИНЕЙНЫХ МАШИН СО ВСТРЕЧНО