CC BY
29
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
УДК 621.313.292
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФЕРРОМАГНИТНОЙ ДРОБИ С КАТУШКОЙ ИНДУКТИВНОСТИ ПРИ РАБОТЕ НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ
Г.А.Шевцов
Рассматривается возможность ускорения ферромагнитной дроби посредством стационарного электромагнитного поля катушек индуктивности для применения в дробеобрабатывающем оборудовании. Проведёно исследование возможности создания потока ускоренной дроби через соленоид, питаемый постоянным током. Представлены результаты анализа моделирования катушек индуктивности цилиндрической формы в сравнении с экспериментальными данными. Проведено математическое моделирование катушек индуктивности различных форм с целью получения несимметричного магнитного поля внутри ствола, сделаны выводы на основании результатов моделирования.
Ключевые слова: соленоид, катушка, ускоритель, дробь, дробемёт.
В современной промышленности широко применяется технология обработки металла дробью для удаления окалины и ржавчины. Ускорение потока дроби до скорости 70-80 м/с происходит за счёт соударения дроби и лопаток турбины вращаемой электромотором. Однако при таком способе ускорения дроби лопатки турбины значительно изнашиваются и требуют периодической замены. В статье рассматривается возможность ускорения потока дроби за счёт воздействия на неё электромагнитным полем, что позволит сократить затраты на эксплуатацию оборудования. Теоретически возможность применения электромагнитов обусловлена тем, что в технологическом процессе дробеобработки применяется дробь из стали или чугуна, то есть из материалов, обладающих ферромагнитными свойствами.
Процесс ускорения потока дроби электромагнитным полем не имеет широкого освящения в научных публикациях, однако к смежной области исследований можно отнести работы по ускорению единичных ферро-
511
магнитных тел [1-9]. В представленных работах рассматриваются в основном импульсные методы ускорения с использованием ёмкостных накопителей энергии, что не предполагает ускорения потока дроби в постоянном режиме.
Исходя из опыта предыдущих исследований [10, 11] сделаны выводы о возможности упрощения конструкции ускорителя. В качестве альтернативы рассматривается возможность использования катушек индуктивности питаемых постоянным током и имеющими магнитопроводсоздающий неравномерное магнитное поле внутри ствола. Предполагается возможность создания стационарного магнитного поля, что позволит без использования сложной систему коммутации катушек индуктивности создать постоянный поток дроби.
Моделирование электромагнитных полей проводится методом конечных элементов в профессиональной версии программы Е1си11, количество узлов сетки моделей не менее 90000, задачи являются осесимметричными. Дробь выполнена из чугуна, имеет диаметр 2,5 мм, массу 6,37 • 10-5 кг. Относительная магнитная проницаемость дроби и магнитопровода катушки равна 1000. Начальная скорость дроби 0,5 м/с.
Рассчёт скорости дроби V производится по формуле
у=Уо+а • Ж,
где Уо - скорость дроби в предыдущий момент времени, м/с; а - ускорение дроби, м/с ; Ж - шаг по времени, с.
Ускорение дроби находится из формулы
а = Е/ш,
где Е - сила, действующая на дробь, Н; т - масса дроби, кг.
Расчёт силы действующей на дробь производится по выражению
Е = 1 [5(Н(п • В) + В(п • Н)-п(Н • В,
где Н - напряженность магнитного поля; В - магнитная индукция поля катушки, интегрирование ведётся по поверхностиокружающей дробь; п - единичный вектор внешней нормали к её поверхности.
Во всех моделях обмотка выполнена из расчёта применения провода сечением ^р = 1,767 мм с током 3,5 А. Количество витков N в катушке меняется вместе с площадью катушки ^кат :
N = ^кат/2^пр .
При моделировании процесса ускорения дроби важное значение имеет выбор шага по времени Ж?:
I = у • ?,
где I - путь, м; у- скорость, м/с; ?- время, с, при шаге 0,0005 с и скорости 4 м/с расстояние, которое пройдёт дробинка, равно 2 мм, а при скорости 20 м/с перемещение составит уже 10 мм.
512
Представленные расчёты наглядно иллюстрирует рис. 1, на котором изображены графики перемещения дроби, полученные из одной модели с неизменными параметрами, но приЛравном0,0005 и 0,0001 с.
Результирующим параметром в данной работе является скорость дроби после её выхода за пределы магнитного поля катушки. Такому положению соответствует правая часть графика скорости, на котором он приобретает линейный характер. На рис. 1,а скорость на выходе из катушки равна 36 м/с, на рис. 1,б - 5,4 м/с. Разница в полученных результатах обусловлена тем, что при большом Л перемещение дроби за один временной шаг может быть сопоставимо с размерами катушки.
50 ^ 40
30
i-
и
к 20
о ^
и 10
0
и о
о
а:
и
0 0,002 0,004 0,006 0,008 Время, с
а
1 я 18 •
1 £ 16
14
12 1 п
\
10 о 8 \
а 6 \
4 V
о
-0
-0,002
2е-18
0,002 0,004 Время, с
б
0,006
0,008
Рис. 1. Графики перемещения дроби: а - график скорости при Ж = 0,0005; б - график скорости при Ж = 0,0001 с
Тогда дробь, ускорившись в левой части катушки за один временной шаг, перемещается за её пределы, минуя правую часть катушки, в которой электромагнитное поле втягивает дробь в направлении, обратном её движению. При малом значении Л можно проследить изменение силы, действующей на дробь в разных частях катушки, тем самым приближая моделирование к реальному эксперименту.
Проведено моделирование катушек индуктивности, имеющих цилиндрическую форму постоянного сечения (рис. 2, б), результаты моделирования, представленные на графике (рис. 2, а), характеризуют все варианты цилиндрических моделей, с которыми проводились расчёты.
По причине симметричности магнитного поля внутри цилиндрической катушки относительно её центра, силы, действующие на дробь, находящуюся внутри неё, меняют своё направление после прохождения дробью центра катушки. Таким образом, при движении слева на право, дробь вначале ускоряется полем катушки и втягивается в неё, после того, как дробь проходит центр катушки, её скорость падает, а потом возрастает с обратным знаком и процесс перемещения дроби приобретает колебательный характер.
о о
и
п пп2 п г )4_п, i пр ; п п8 п
Время, с
а
б
Рис. 2. Результаты моделирования катушек индуктивности, имеющих цилиндрическую форму:а - график скорости при моделировании цилиндрической катушки; б - разрез модели цилиндрической катушки с размерами; 1 - обмотка;
2 - магнитопровод; 3 - ствол; 4 - дробь
Изменение модели, в том числе полное отсутствие магнитопровода, частичное отсутствие магнитопровода, когда нет его левой или правой стенки, изменение размеров катушки не приводит к качественному изменению графика скорости, магнитное поле катушки захватывает дробь и она остаётся колебаться внутри катушки в окрестности её центра либо вылетает из катушки в произвольном направлении (рис 3).
В результате получена модель взаимодействия магнитного поля цилиндрической катушки индуктивности и дроби внутри ствола, соответствующая экспериментальным данным [10], полученным в предыдущих работах.
Следующей задачей является проверка возможности создания несимметричного электромагнитного поля внутри катушки индуктивности с целью получения такого эффекта, когда катушка ускоряет дробь в своей левой части и не замедляет её пока дробь пролетает правую часть катушки.
Исходя из предыдущих результатов моделирования сила, действующая на дробь,сонаправлена с градиентом напряженности магнитного поля. Таким образом, необходимо создать внутри катушки такое магнитное поле, когда градиент в левой его части значительно больше градиента магнитного поля правой части.
Добиться получения несимметричного магнитного поля внутри катушки возможно путём изменения её формы и формы магнитопровода. Было проведено исследование ряда моделей различных размеров. В результате получена конфигурация катушки (рис. 4) с магнитным полем, позволяющим стабильно ускорять дробь в необходимом направлении при постоянном токе. Подобная конструкция описана в работах [12, 13].
8
10
Время, с
Рис. 3. График скорости дроби при колебательном движении
внутри катушки
Подробнее этот процесс можно описать так, дробь с ускорением втягивается в катушку до того момента, пока не достигнет точки с наибольшей напряженность магнитного поля, но после прохождения этой точки дробь не успевает замедлиться на столько, чтобы втянуться в катушку, так как градиент напряженности магнитного поля в этой части катушки меньше, чем в левой части катушки, а следовательно, и сила, ско-торой катушка втягивает дробь. Сразу после преодоления точки с максимальным значением напряженности магнитного поля дробь, разогнанная до скорости 20 м/с, теряет значительную часть своей скорости и замедляется до 5 м/с, что можно видеть по графику скорости дроби (рис. 5).
30 ИИ
Рис. 4. Модель катушки с указанием геометрических размеров и картиной линий напряженности электромагнитного поля; 1 - обмотка; 2 - магнитопровод; 3 - ствол; 4 - дробь
515
25 20
и
x 15
.о
i-
u
о
§■ 10
а:
u
5 0
0 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007 0,008 0,009
Время,с
Рис. 5. График скорости дроби
В результате проведённых исследований подтверждено предположение о возможности использования постоянного тока для ускорения дроби, получена модель катушки индуктивности, позволяющая добиться необходимого результата. Несмотря на низкую скорость дроби на выходе из катушки, всего 5 м/с, важно подтверждение возможности использования разработанного принципа ускорения дроби для дальнейших исследований оптимальной формы катушки индуктивности, с целью получения скорости 80 м/с. Также существует возможность использовать несколько последовательно расположенных катушек индуктивности для ускорения дроби.
Список литературы
1. Байда Е.И. Теоретическая оценка возможной скорости разгона макротела ногоступенчатым индукционно-динамическим ускорителем. // Вюник Нащонального техшчного ушверситету ХП1. Серiя: Проблеми удо-сконалення електричних машин i апарапв. Теорiя i практика. 2013. № 15 (988). С. 3-10.
2. Доля С.Н. Об ускорении магнитных диполей последовательностью токовых витков // Журн.техн. физики, 2014.Т. 84.Вып. 11. С. 117-120.
3. Мащенко А. И. Частотный линейный индукционный ускоритель с двумя разнополярными импульсами // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2013. Т. 323. № 2. С. 163168.
4. Станкевич С. В. Расчет магнитных полей и токов в аксиально-симметричных системах индуктивно связанных подвижных проводников // Приклад.механика и техн. физика. 2009. Т. 50. № 1 (293). С. 18-24.
5. Сухачёв К.И., Сёмкин Н.Д. Анализ возможностей катушечного электромагнитного ускорителя для разгона ферромагнитных частиц // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2013. № 3-1 (41). С. 235-247.
6. Сухачёв К.И., Сёмкин Н.Д. Катушечный ускоритель твердых тел // Физика волновых процессов и радиотехн. системы. 2014. Т. 17. № 1.С. 83-91.
7. Сёмкин Н.Д., Сухачёв К.И., Дорофеев А.С. Методы и средства ускорения частиц естественного и техногенного происхождения // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2015. Т. 14. № 4. С. 171-191.
8. Сухачев К.И., Семкин Н.Д., Пияков А.В. Повышение эффективности резонансного электромагнитного ускорителя // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2013. Т. 16. № 4. С. 63-68.
9. Сухачёв К.И., Сёмкин Н.Д., Пияков А.В. Ускорители твердых тел // Физика волновых процессов и радиотехн. системы. 2014. Т. 17. № 2. С. 49-58.
10. Шевцов Г. А., Ющенко Л.В. Дробеструйные и дробемётные установки на основе ферромагнитного перемещения тел // Научно-техническому и социально-экономическому развитию Дальнего Востока России - инновации молодых: тез. докл.Межвузов. 73-й студен.науч.-практ. конф. Т 1. Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2015. 215 с.
11. Ющенко Л.В., Степанов Д. А., Чуклинов Е.С. О возможности перемещения ферромагнитных тел в некоторых технологических установках промышленных предприятий // Науч.-техн. и эконом. сотрудничество стран АТР в XXI веке. 2012. Т. 1. С. 115-118.
12. Оганесян А.Т., Григорян А. Х., Хачатрян Ш. Д. Влияние внешнего магнитопровода на магнитное поле обмоток прямоугольного и трапециевидного сечений // Актуал.пробл.гуманитар. и естествен.наук. 2015. № 12-2. С. 169-174.
13. Особенности обмотки трапециевидного сечения в электромагнитной системе/А.Т.Оганесян, А.Х.Григорян, Ш.Д.Хачатрян, Н.В. Апетян// Электротехника: сетевой электрон.науч. журн. 2015. Т. 2. № 2. С. 5052.
Шевцов Георгий Александрович, асп., tertonov@ya.ru, Россия, Владивосток, Дальневосточный федеральный университет
ANALYSIS OF INTERACTION OF FERROMAGNETIC FRACTURE WITH INDUCTIVITY COIL WHILE WORKING ON A CONSTANT CURRENT
G.A. Shevtsov
The article discusses the possibility of accelerating the ferromagnetic fraction through the time constant electromagnetic field of the inductors for use in shotblasting equipment. Investigated the possibility of the creation of acceleratedflow fraction through the solenoid, fed by a constant current. An analysis of the mathematical modeling of the inductance coils of various shapes with the purpose of obtaining an asymmetric magnetic field inside the trunk and conclusions based on simulation results have been made.
Key words: solenoid, coil, accelerator, fraction, shot, shotblasting.
Shevtsov Georgy Alexandrovich, postgraduate, tertonov@ya.ru, Russia, Vladivostok, Far Eastern Federal University
УДК 621.316
ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ КОНДЕНСАТОРНОЙ БАТАРЕИ УСТРОЙСТВА КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ПО ЭКОНОМИЧЕСКИМ КРИТЕРИЯМ
Д.В. Ишутинов, Е.Н. Малышев, Н.С. Сластихин, В.В. Рычков
Рассматриваются вопросы оптимального по капитальным затратам выбора алгоритма работы, количества ступеней и мощности минимальной ступени конденсаторной батареи для устройства компенсации реактивной мощности. Показано, что устройство компенсациис алгоритмом работы 1:2:2и 1:2:4 итремя ступенями регулирования имеет наименьшую стоимость.
Ключевые слова: реактивная мощность, косинусный конденсатор, конденсаторная батарея, устройство компенсации, алгоритм работы, аппроксимация, минимум целевой функции.
Возросший интерес к решению вопросов энергосбережения и повышения энергоэффективности работы оборудования связан, в первую очередь, с экономическими аспектами использования электроэнергии во всех развивающихся отраслях промышленности.
Циркуляция РМ по элементам электрической сети, необходимая для нормальной работы электроустановок, вызывает значительную часть технологических потерь активной электроэнергии, а также просадки напряжения в точках присоединения потребителей электрической энергии к электрической сети. Среди известных способов компенсации реактивной мощности (РМ) достаточно эффективным для потребителей электроэнергии со сравнительно медленно изменяющейся реактивной нагрузкой является емкостная компенсация с помощью автоматических устройств компенсации реактивной мощности (УКРМ) [1, 2].
518
