автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Электромеханические устройства с дискретной вторичной частью: алгоритмы анализа и синтеза и усовершенствованные конструкции

□ОЗ163548

На правах рукописи

Бахвалов Алексей Юрьевич

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА С ДИСКРЕТНОЙ ВТОРИЧНОЙ ЧАСТЬЮ: АЛГОРИТМЫ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА И УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЕ КОНСТРУКЦИИ

Специальность 05.09 01 - Электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 Ч МВ Ш8

Новочеркасск - 2008

003163548

Работа выполнена на кафедре «Электромеханика» при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования ЮжноРоссийском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте)

Научный руководитель*

кандидат технических наук, доцент Володин Григорий Иосифович

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Ковалев Олег Федорович, кандидат технических наук Березинец Николай Иванович

Ведущая организация. ФГУПНПО «АВРОРА»-ЗАО "ИРИС"

Защита состоится 29 февраля 2008 г. в 12 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.304 08 при ГОУ ВПО "Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасешй политехнический институт)" в аудитории № 107 главного корпуса по адресу 346428, Ростовская обл, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132

Отзывы на автореферат просим направлять по .адресу: 346428, Ростовская обл, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132, Ученый совет ЮРГТУ (НПИ), ученому секретарю

С текстом автореферата можно ознакомиться на сайте ЮРГТУ (НПИ) www npi-tu TU .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионально го образования "Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)"

Автореферат разослан » января 2008 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д. 212.304 08 кандидат технических наук доцент

СВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В условиях рыночной экономики и ускоренного научно-технического прогресса существенно возрастает роль новых технологий. Особое место среди них занимают электротехнологии, в которых используются разнообразные электромеханические устройства При этом актуальными остаются задачи повышения их эффективности.

В данной работе рассмотрены пути совершенствования конструкций и алгоритмов расчета магнитных и электрических полей электромеханических устройств с дискретной вторичной частью, к которым относятся магнитные шкивные сепараторы (железоотделители), предназначенные для разделения материалов, отличающихся друг от друга магнитными свойствами, активаторы с вихревым слоем, применяемые для интенсификации различных технологических процессов; электростатические затворы пылевых потоков.

Принцип действия названных выше устройств основан на силовом действии магнитного поля на ферромагнитные тела, имеющие относительно небольшие геометрические размеры, ниш силовом воздействии электрического поля на заряженные частицы диэлектриков При этом в устройствах создаются поля определенной конфигурации и интенсивности, обеспечивающие требуемую траекторию движения вторичных элементов

Поскольку магнитные и электрические поля могут быть описаны одними и теми же уравнениями, одной га задач данной работы является разработка общего алгоритма расчета полей этих устройств. Алгоритм должен обеспечить учет особенности устройств (неограниченности областей расчета полей), возможность расчета полей в зонах нахождения обслуживающего персонала и оценки необходимости установки защитных экранов.

Целью работы является разработка алгоритмов анализа и синтеза и усовершенствованных конструкций электромеханических устройств с дискретной вторичной частью, обеспечивающих повышение производительности и безопасности устройств и снижение их энергоемкости

Поставленная цель потребовала решения следующих задач:

1. Разработка методики расчета магнитного поля и оценки силовых воздействий электромагнитных шкивных сепараторов на основе комбинированного метода конечных и граничных элементов Адаптация методики к расчету магнитного поля в активаторе и окружающем его пространстве и к расчету электрического поля затворов пылевых потоков с коронным разрядом.

2. Построение комбинированной математической модели и алгоритма расчета магнитного поля шкивных сепараторов с постоянными магнитами.

3. Разработка методики синтеза индуктора активатора с вихревым слоем

4. Разработка методики математического моделирования взаимосвязанных ионных и электромеханических процессов в затворах

5. Разработка усовершенствованных конструкций электромеханических устройств с дискретной вторичной частью с применением математического моделирования и экспериментальные исследования устройств

Методы исследования. Поставленные задачи решены в диссертационной работе с использованием комбинированного метода конечных и граничных элементов и экспериментальных исследований активаторов и затворов.

Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, а также других полученных результатов обеспечивается обоснованностью принятых допущений и строгостью формальных преобразований, использованием фундаментальных уравнений электрических и магнитных полей, применением для проверки результатов современных программных систем, согласованием результатов расчета с данными экспериментов, а также с данными литературных источников.

Основные научные результаты диссертационной работы:

1 Методики расчета стационарных и статических полей, прямых и косвенных оценок силовых воздействий, основанные на комбинированных математических моделях, численных методах и результатах экспериментальных исследований

2 Комбинированная математическая модель плоскомеридианного магнитного поля, возбуждаемого постоянными магнитами.

3. Методика синтеза индукторов активаторов с вихревым слоем.

4 Результаты экспериментальных исследований активаторов и затворов.

5. Рекомендации по конструированию активаторов и затворов

6 Методика математического моделирования ионных и электромеханических процессов в электростатических затворах с коронным разрядом

7 Усовершенствованные конструкции электротехнологических устройств.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. В отличие от применяемых в настоящее время для расчета полей и сил в рассматриваемых устройствах методов теории цепей используется полевой подход, в основу которого положена комбинированная математическая модель -дифференциальные уравнения с частными производными второго порядка и интегральное уравнение, полученное на основе формулы Грина, а также комбинированный метод конечных и граничных элементов. Предложенный подход позволяет повысить точность расчета полей как в рабочих зонах, так и в зонах возможного нахождения обслуживающего персонала

2 Впервые построена комбинированная математическая модель плоскомеридианного магнитного поля, возбуждаемого постоянными магнитами, а также дискретная модель, являющаяся совокупностью конечно-элементной и гранично-элементной моделей.

3. Предложенная методика синтеза индукторов активаторов отличается от применяемой при проектировании асинхронных машин, основанной на теории цепей, тем, что содержит этап расчета магнитного поля.

4. Методика математического моделирования взаимосвязанных ионных и электромеханических процессов в затворах отличается использованием удобных аппроксимаций процесса зарядки частиц и распределений напряженности во внешней зоне короны

5 Новизна новых конструкций электромеханических устройств подтверждается патентами

Практическая значимость и реализация результатов заключается в следующем:

Предложенные методики расчета и синтеза позволяют усовершенствовать конструкции, повысить производительность и снизить энергоемкость устройств.

Реализация результатов работы.

Разработанные активаторы применяются в научных исследованиях в вузах (МГУ, ЮРГТУ, ЮРГУЭС), один образец находится в опытно-промышленной эксплуатации на Курьяновской аэроционной станции (Московская область), затворы проходят опытную эксплуатацию в условиях ОАО "Новоросцемент" (г. Новороссийск), ООО ПК НЭВЗ (г Новочеркасск)

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- международные научно-практические конференции "Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы". Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ) 2000,2001,2002 гт ,

- П международная научно-практическая конференция "Экология, образование, наука, промышленность и здоровье". Белгород, БГТУ, 2004,

- международные семинары "физико-математическое моделирование систем". Воронеж, ВГТУ, 2004,2005.

Публикации. Основное содержание работы отражено в 15 научных публикациях, в том числе в двух патентах и 4 работах опубликованных в журналах рекомендованных ВАК.

Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 136 страницах, содержит 29 рисунков, 7 таблиц и 55 литературных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определены цель и задачи исследований и обоснована актуальность диссертационной работы.

В первой главе проведен анализ публикаций, который показал следующее

1 В имеющейся литературе расчет магнитных полей шкивных сепараторов с разомкнутыми магнитными системами выполняют методами теории цепей Это не обеспечивает приемлемой точности, не позволяет рассчитать напряженность поля в зонах нахождения обслуживающего персонала и оценить необходимость установки экранов для защиты персонала.

2. В литературе отсутствуют описания методик синтеза индукторов магнитного поля электромагнитных активаторов с вихревым слоем (ЭМАВС).

Известные конструкции ЭМАВС имеют высокую энергоемкость. Распространено ошибочное мнение, что ферромагнитные частицы не влияют на магнитную проницаемость вихревого слоя ЭМАВС

3. Недостатком электрофильтров, применяемых на электростанциях является необходимость периодического удаления пыли с осадительных электродах. Это препятствует широкому применению элеетрофильтров в заводских условиях, например, в цементной промышленности, для очистки газов, выходящих в атмосферу при загрузке цистерн, бункеров и т.п. Перспективными для заводов могут стать электростатические затворы без осадительных электродов, которые разработаны на кафедре электромеханики Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) (ЮРГТУ (НПИ)) Вместе с тем в литературе не описаны методики математического моделирования процессов в упомянутых выше затворах

Итак, из анализа литературных источников следует актуальность цели и задач, сформулированных выше

Во второй главе рассмотрены устройство и принцип действия магнитных шкивных сепараторов.

Электромагнит шкива должен обеспечить извлечение железных предметов определенного веса, а, следовательно, обеспечить определенную силу, воздействующую на посторонние предметы.

Как известно, плотность пондеромоторных сил, испытываемых ферромагнетиками в магнитном поле, определяется по формуле:

(1)

где ц0 = 4л 10~7 Гк/м- магнитная постоянная; р=Гц,-1)- магнитная восприимчивость вещества; цг -относительная магнитная проницаемость вещества; Я-модуль напряженности магнитного поля электромагнита в окружающем пространстве при отсутствии извлекаемых тел.

В соответствии с формулой (1), ферромагнетики всегда втягиваются в область наибольшей напряженности магнитного поля

Сила, действующая на ферромагнитное тело в магнитном поле электромагнита постоянного тока, определяется следующим образом

Лот =\\\?<1У = Ш\м>Р*НгОУ , (2)

Ут Ъ *

где Ут - область пространства, занятого ферромагнитным телом.

Извлекаемые тела - это шпильки, гвозди, проволока, а также прямоугольные пластаны, болта, гайки и т.п. Таким образом, форма извлекаемых тел может быть различной. Поэтому применение для расчета сил формулы (2) вызывает трудности.

На практике расчет сил производят по приближенной формуле-

^мп (3)

где рт -магнитная восприимчивость извлекаемого тела, зависящая от его

формы, соотношения размеров и магнитной проницаемости вещества, \>т - объем тела.

Величина ^айНг вычисляется в центре тяжести тела. В силу неопределенности значений рт и мт конструкции сепараторов при проектировании оптимизируют по максимуму модуля величины д.

и?1=

Таким образом, на стадии проектирования магнитных шкивов важным этапом являетсч расчет магнитного поля в окружающем пространстве, который позволит определить интересующую величину [Я£*га</Я|, а также величину Я в зонах нахо ждекня обслуживающего персонала.

Учитывая, что магнитное поле шкивного сепаратора является плоскомеридианным в

Рис 1

силу осевой симметрии конструкции, г., будем использовать цилиндрическую систему координат (г,а,г) (рис 1). Считаем известными геометрию шкива, ампервитки катушки, характеристику В(Н) стали

В окружающем шкив пространстве (рис. 1) К-представим напряженность магнитного поля в виде суммы

где Н5 -составляющая, созданная током катушки при отсутствии магнитопровода V* шкива; Н~ - составляющая, созданная намагниченностью магнитопровода.

Равенство нулю ротора вектора Я" -позволяет ввеаи в У'и V* скалярные магнитные потенциалы соотношениями

%гси1<р~ - -Н~; ¡р-айф* - -Н+. С учетом соотношений (4) уравнения Максвелла преобразуются к следующим уравнениям

Рис 2

(4)

в области V ~ в области V *

или йп^гайф' = 0; (¡IV дгай <р+ = 0.

(5)

(6)

Граничные условия с учетом (5) принимают вид 8<Р~ 8<р+ д£_ + д(р+

~дТ~~8т'~ ш -аГ-АЯ- (7)

Величины //8е и определяются с помощью известных формул для осесимметричных катушек, расположешп>1Х в однородной среде

Область К "неограниченна, что усложняет решение. В связи с этим в V"для уравнения Лапласа (5) используем основную интегральную формулу Грина и получим интегральное уравнение

* чФ)=Я

rQP ) дЯр rQp

(8)

где rQP - расстояние между точкой QeSu Pe S, S -поверхность раздела V* и

V, внутренняя для V" нормаль в точке Р

Совокупность уравнения (6), (8) и условий (7) образует комбинированную математическую модель задачи

Учитывая, что искомые величины являются функциями двух координат г и z, перейдем к решению задачи в меридианной полуплоскости, в которой границей раздела сред является контур сечения шкива Г В результате преобразований, подробно изложенных в диссертации, уравнение (8) принимает вид

4-

dT = 0, (9)

где в(0,р)= 1—кк(к2), к1 =7--с, к(к2) - полный эллиптический

1ге (*й-^ГЛъ+ггГ

интеграл первого рода

Для решения системы уравнений (6), (9) с условиями (7) разработан алгоритм на основе комбинированного метода конечных и граничных элементов

Уравнение (6) в сечении 0+ подобласти V* будем решать методом конечных элементов (МКЭ), уравнение (9) - методом граничных элементов (МГЭ) Область £>+ покрывается сеткой треугольных элементов Стороны треугольников, лежащие на границах Г, образуют сетку граничных элементов. Используя метод Бубнова-Галеркина, финитные базисные функции, построенные на треугольной сетке, и представляя интеграл на £>+ как сумму интегралов по подобластям треугольных элементов, а интеграл на Г как сумму интегралов по граничным элементам, получим на основании (6) следующую систему алгебраических уравнений

, 1=1,2, л (ю)

кг к

где N — количество узлов конечно-элементной сетки, в которых неизвестны значения скалярного магнитного потенциала /р*, г'*' =-(г + г„) - средняя г-

координата к-то треугольника, длина ¿-го граничного элемента, /ит-магнитная проницаемость области, занятой к-тьт треугольником, являющаяся

функцией Нт = 1

дг

&

определяется по кривой намагничивания

стали

, № = ¡¡ёга^ёгаск/^йВ, - базисные функции к-

го

треугольника, Я —

8<рНк) дп

на ¿-том граничном элементе (принимаем

постоянной в пределах элемента), <р1 - значения <р+{г,г) в узлах сетки

В левой части системы (10) суммирование по к ведется по всем треугольникам, имеющим общий узел /, суммирование по г - по всем узлам к-го треугольника, в правой части (10) суммирование ведется по граничным элементам, имеющим общий узел I

Интегральное уравнение (9) заменим приближенно системой алгебраических уравнений, используя метод коллокации и квадратурные формулы Узлы коллокации поместим в геометрических центрах граничных элементов. В итоге получена следующая система уравнений:

2Счу> -Vй' -2Х<г°° =о, /«=1,2,- ,лгг,

р=1

Р=1

(п)

стр = | "X (б/п>(1тр = \0(<2т,р)с1Г^ количество граничных

¡Лг1 0Пр /Лр)

элементов, покрывающих границу Г, Ч (р) нар-том граничном элементе

£?„- узел коллокации т-го граничного элемента Коэффициенты стр и (1тр вычисляются следующим образом элемент Г^ отображается на отрезок [-1, +1], затем интегралы заменяем квадратурной формулой Гаусса с тремя узлами.

В результате имеем формулы

где

^тр

¿п,р =

1

дО_ дг

дг

Щфр,

т- р.

/(/>) л 7

ы*х>

<И

О,

т*р,

т = р,

где пгР и nzP ~ направляющие косинусы нормали пР в точке Р; длина граничного элемента тди tq~ координаты и весовые коэффициенты

квадратурной формулы Гаусса. При вычислениях эллиптических интегралов использовалась известная полиноминальная аппроксимация (с погрешностью 2 1(Г8)

Совокупность систем (10), (11) с граничными условиями (7) является дискретной математической моделью задачи Алгоритм расчета стационарного магнитного поля с помощью построенной модели приведен на рис 3. По известным значениям скалярного магнитного потенциала и его нормальной производной на границе Г можно определить с помощью формулы Грина потенциал в любой точке окружающего пространства V", а затем найти Н, \gradH\,B.

Кроме шкивных сепараторов с электромагнитами постоянного тока зарубежные фирмы выпускают сепараторы с постоянными магнитами (рис. 2) Эти сепараторы имеют следующие преимущества: отсутствует токоподвод и скользящий контакт, безопасные при использовании во взрывоопасных помещениях

Для расчета магнитного поля сепараторов с постоянными магнитами используем комбинированный метод конечных и граничных элементов. При этом в областях Dm, занятых постоянными магнитами вместо уравнения (6) имеем

divgrady = divM, (12)

где М - намагниченность, являющаяся в общем случае функцией Н Применение метода Бубнова-Галеркина и финитных базисных функций У, приводит к преобразованию (12) к виду

[v.+grady&adtfdD = fь \\\i0grad^,MdD, i =1,2,.. ,N.(11)

d* г дп

Выполняя те же преобразования, что и в случае стационарного магнитного поля, получим дискретную модель в виде системы алгебраических уравнений, которая будет отличиться от системы (10) наличием в правой части дополнительно следующей суммы

где М^ и М^ - проекции на оси координат вектора М в ¿-том треугольнике подобласти Dm.

В диссертации рассмотрен также случай, когда М = const и divM = 0 Полученная система уравнений дополняется системой (И) и граничными условиями вида1

граница ферромагнетик-воздух, постоянный магнит-воздух + дф* _

АЛГОРИТМ РАСЧЕТА МАГНИТНОГО ПОЛЯ

НАЧАЛО

3

'Ввод информации, об области расчета и ампер-витках обмото

Построение сеток конечных и граничных элементов

Расчет коэффициентов и и формирование матриц системы уравнений МГЭ

Расчет составляющих Дб1 и Ьь напряженности поля, созданного токами обмоток

£

Расчет коэффициентов и формирование матриц граничных условий

Задание начальных значений ни потенциалов в нулевых узлах

£

Расчет коэффициентов и формирование матриц системы уравнений МКЭ

1Щ 4щ

а> /¡Ш V а'

где

V, р=1Д~Л

•¿-я*

СП

Формирование матрицы и решение общей системы уравнений_

1=1,2,.., Л

да Вычисление и вы-

вод

С

ОСТАНОВ

3

Для расчета статического магнитного поля был использован описанный выше алгоритм (рис. 3), с указанными выше дополнениями.

Для оценки адекватности компьютерной модели выполнен расчет стационарного магнитного поля физической модели электромагнитного шкива, построенной и исследованной проф., д.т.н. М.В. Загирняк. Отличие экспериментальных и расчетных значений напряженности магнитного поля в точках, расположенных в плоскости г--0 на расстояниях от оси симметрии 70105 мм (радиус шкива 60 мм), не превышает 5 %. Расчеты показали, что оптимальным является зазор 8 = 14 мм, обеспечивающий максимум величины \Щга(Ш\ в точке г = 100 мм, 2=0.

При расчетах использовалась сетка конечных и граничных элементов с числом узлов, равным 588. При расчете поля МКЭ пакетом РЕММ для достижения тех же значений Н потребовалось 10000 узлов. При необходимости расчета поля в зонах нахождения обслуживающего персонала количество узлов сетки конечных и граничных элементов не изменится, а количество узлов конечно-элементной сетки увеличится примерно в 100 раз, что потребует применение компьютеров с большим объемом оперативной памяти. Для оценки адекватности модели для расчета поля шкива с постоянными магнитами использовалась тестовая задача.

Третья глава посвящена исследованию активаторов с вихревым слоем и разработке алгоритма синтеза индукторов активаторов. Активатор представляет собой совокупность рабочей камеры в виде тонкостенного цилиндра

из немагнитного материала, в котором размещается обрабатываемое вещество и ферромагнитные неравноосные частицы, движение которых создает вихревой слой, воздействующий на вещество, и индуктора, создающего вращающееся магнитное поле. Индуктор конструктивно напоминает статор асинхронного двигателя, отличается от статора стандартной машины параметрами зубцового слоя. Рабочая камера с частицами и веществом располагается внутри статора.

Таким образом, известные конструкции активаторов представляют собой асинхронные машины, вторичной частью которых являются ферромагнитные частицы.

Активатор с вихревым слоем предназначен для интенсификации технологических процессов за счет-комплексного воздействия на обрабатываемые вещества перемешивания и диспергирования, акустической и электромагнитной обработки, трения, высоких локальных давлений, электролиза. Обработка химического вещества в вихревом слое приводит к многократному увеличению активных поверхностей фаз, за счет измельчения. В частности

Рис 4

Рис. 5

ускоряются процессы осаждения, процессы скорости химических реакций. В результате чего уменьшается время обработки. Благодаря более рациональному распределению энергии взаимодействия в объеме рабочей камеры электромагнитный активатор успешно конкурирует с диспергаторами других типов.

Как показал опыт, применение активаторов с вихревым слоем в составе оборудования очистных сооружений является: одним из надежных решений проблемы повышения эффективности обработки сточных вод.

Были проведены экспериментальные исследования для выяснения структуры вихревого слоя при различных электромагнитных и геометрических параметрах индуктора.

Установлено, "сто целесообразно применять двухполюсные трехфазные индукторы, обеспечивающие наибольшую однородность поля. Применение стробоскопического устройства позволило установить, что вихревой слой становится однородным (ферромагнитные элементы равномерно распределены по объему рабочей зоны) при концентрации частиц примерно равным 60 кг/м3. Движение частиц начинается при средней магнитной индукции в сечении активатора не менее 0,08 Тл. Вопреки распространенному мнению концентрация элементов оказывает существенное влияние на параметры индуктора: индуктивность, потребляемый ток.

Предложена формула для определения средней магнитной проницаемости вихревого слоя.

,,абс _„

Рсред - Но у '

где Кк - объем рабочей камеры, Уц - суммарный объем ферромагнитных частиц. Появление воздействующего на частицы вращающегося момента объясняется следующим образом. В мй1Гнитном поле на ферромагнетик действует сила, определяемая соотношением (2). Из формулы видно, что ферромагнетики втягиваются в область наибольшей напряженности поля. Во вращающемся поле ферромагнитные частицы следуют за областью наибольшей напряженности поля.

Предложена методика параметрического синтеза индуктора, позволяющая по заданным размерам рабочей зоны (диаметру и длине), средней индукции, напряжению, частоте переменного тока, числе фаз, плотности тока обмоток определить количество и размеры зубцов и пазов, внешний диаметр индуктора, количество витков фазы и сечение провода.

Рис. 7

Методика отличается от применяемых при проектировании асинхронных машин тем, что расчет индукции производится методами теории поля, в частности используется описанный в главе 2 алгоритм, модифицированный для расчета плоскопараллельного поля следующим образом* в интегральном

уравнении вместо ядра используется ядро с соответствующими

изменением формул для определением коэффициентов с»,р и ^. В формулах для расчета коэффициентов уравнений системы (10) следует все величины положить равными единице.

Разработан и передан в эксплуатацию ряд электромагнит ных активаторов с вихревым слоем.

Одно из таких устройств находится в эксплуатации в химической лаборатории МГУ; три электромагнитных активатора с вихревым слоем сданы в эксплуатацию на три кафедры ЮРГТУ (НПИ) в г. Новочеркасске; еще одно устройство передано в ЮРГУЭС в г Шахты (рис. 4)

Получены патенты на активаторы с вихревым слоем. Электромагнитный активатор с вихревым слоем, предложенный в одном из патентов, представлен на рис. 5 (первый патент).

На рисунке показано: 1 - индуктор с обмоткой; 3 - труба, 4 - ферромагнитные неравноосные частицы; 5 - дополнительная обмотка; 6 - прокладка из немагнитного материала.

Дополнительная многофазная обмотка 5 создает бегущее поле в направлении рабочей зоны, возвращающее ферромагнитные частицы в рабочую зону. Это позволяет повысить скорость потока обрабатываемого вещества, а следовательно, производительность активатора

На рис. б представлен активатор с вихревым слоем с двумя многофазными обмотками (второй патент).

На рисунке показано: 1 - дополнительный внутренний сердечник; 2 -дополнительная внутренняя многофазная обмотка, 3 - ферромагнитные неравноосные частицы; 4 - прокладка из немагнитного материала; 5 -цилиндрическая втулка из немагнитного материала; 6 - стакан из немагнитного материала; 7 - индуктор с многофазной обмоткой. Дополнительный внутренний сердечник позволяет уменьшить потребляемый реактивный ток

На рис 7 представлен активатор с вихревым слоем, переданный на ООО "Эколенд" для опытно-промышленной эксплуатации на Курьяновской аэроционной станции (Московская область).

В четвертой главе описана разработанная методика математического моделирования взаимосвязанных ионных и электромеханических процессов в электростатических затворах, позволяющая оценить работоспособность конструкций, предложенных на кафедре «Электромеханиа» ЮРГТУ (НПИ) Электрическое поле в этих затворах направлено в основном навстречу потоку пыли, тогда как в электрофильтрах оно направлено перпендикулярно потоку В связи с этим в затворах отсутствуют осадительные электроды

1

Электростатический затвор состоит (рис. 8) из системы электродов, один из которых внутренний коронирующий представляет собой тонкий стержень (1), подключенный к отрицательному полюсу источника высокого напряжения, второй внешний электрод (3) -это металлический патрубок с конусообразным расширителем, подключенный к

положительному полюсу источника напряжения. В пространстве между электродами (4) благодаря коронному разряду образуется объемный заряд, состоящий из отрицательных ионов; (2) - молекулы воздуха, которые пропускает затвор и (5) - пылевой поток.

Предложенная методика моделирования известных использованием удобных аппроксимаций процессов и полей. Показано, что в интервале времени £0,1 с частицы пыли, попавшие в затвор, возвращаются в бункер, при этом процесс зарядки можно описать следующим образом-

' • ' 1 I вся а -жмав ¡1ь 1

Рис 8

процессов отличается от

9(/)= 2,88л//4яес

Зс е+2

гг„Е,

т.

(14)

где Е- относительная диэлектрическая проницаемость (для цементной пыли е = 2), гв- радиус частиц пыли (принимался равным 0,5 10"4 м), Е-^-результирующаж напряженность электрического поля.

Поле Е<£ является суммой двух полей: поля зарядов на электродах, возникших при подключении затвора к внешнему источнику; поля потока ионов во внешней зоне короны (Еи).

Для расчета поля зарядов электродов использовано два подхода: применение интегрального уравнения первого рода и метода граничных элементов; применение алгоритма, построенного на основе комбинированной математической модели и метода конечных и граничных элементов. Последний алгоритм получен на основе алгоритма, изложенного в главе 2, адаптированного применительно к расчету электрического поля.

В диссертации приведены результаты расчета г-составляющей Ег поля зарядов электродов в точке оси Ог. Далее построен ряд интерполяционных полиномов, описывающих зависимости Е, = /(г) на отдельных интервалах на ОСИ 02.

Для расчета поля Еи удобным является комбинированный алгоритм: во внешней зоне короны применение метода конечных элементов (алгоритм главы 2) Поле потока ионов описывается следующей системой уравнений, которая может бьгть решена методом итераций:

=А 4 = -^гоА^, Лу5 = О, 5 = рЩ,, (15)

ео

где подвижность ионов, р - объемная плотность зарядов потока ионов

В работе получено нулевое приближение к решению системы (15) Предположено, что ионы внешней зоны сосредоточены в области, представляющей собой половину шара радиуса А (расстояние от конуса электрода I до конца патрубка, равное радиусу патрубка (см. рис 8)). Решение системы (15) при указанном допущении имеет вид

2щ/х0е''

где I- ток коронного разряда, обуславливающий поток ионов в половине шара, Г1<Ь - текущий радиус шара (на осет Ог г ¡-И-г) Далее в работе решено уравнение движения частицы вдоль оси Ог под действием четырех сил силы Кулона, при этом заряд частицы определяется выражением (14), силы тяжести, силы, обусловленной неоднородностью поля (направлена по направлению потока)

К = 1]Ея18гаЛЕл; силы сопротивления среды, зависящая от числа Рейнольдса

Решение уравнения движения выполнено численным методом «предиктор-корректор». Получены следующие результаты при потенциалах электродов Ф( = -30000 В, Фз =0, начальной скорости частиц У0 =2,33 м/с, токе короны /=- 0,5-10"3 А; торможение частиц до У=0 происходит та 0,01775 с, при этом путь, пройденный частицей г* =28 мм < й=50 мм, разгон частицы в обратном направлении до скорости 2,4 м/с происходит за 0,025 с. Эксперименты подтвердили эти результаты (в Приложении к диссертации приведен протокол испытаний 4 затвора, установленного на бункере завода ООО 6 10

«Новоросцемент» - степень очистки 97 %). 4 10<

С целью повышения производительности затвора предложено установить металлическую 2 10* сетку перпендикулярно потоку пыли С помощью математического моделирования поля <*" зарядов электродов были выбраны параметры рш 9

сетки и место ее установки (рис. 8) Результаты расчета г-составляющей напряженности Ег на расстоянии 1 мм от сечения 1-1 при наличии сетки и при ее отсутствии приведены на рис 8 Расчеты показали, что максимальные значения Ег имеют место при установке ее в сечении 1-1, размеры ячеек сетки 4,5x4,5 мм Среднее значение Ех при установке сетки увеличивается в 2 раза (рис 9) Следовательно, затвор сможет обеспечить задержку пыли в потоке, движущемся в 2 раза быстрее (~ 5 м/с) Предложенная методика может быть использована для анализа процессов в электрофильтрах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Применяемые в настоящее время для расчета магнитных и электрических полей в электромеханических устройствах с дискретной вторичной частью методы теории цепей и метод конечных элементов не эффективны Это объясняется особенностью конструкций рассматриваемых устройств (ш1сивных сепараторов, активаторов с вихревым слоем, электрических затворов) - области полей этих устройств неограниченны. Поэтому при использовании методов теории цепей имеет место высокая трудоемкость подготовки исходных данных и расчета параметров схем замещения, необходимость применения моделирования на электропроводной бумаге Применение метода конечных элементов для расчета поля в неограниченных областях требует введения искусственной границы, положение которой определяется с помощью серии расчетов. Требуется применение сеток с большим количеством узловых неизвестных. Задача проектировщика осложняется при необходимости оценить напряженности полей на значительных расстояниях от установок в зонах, в которых может находиться обслуживающий персонал, и выяснить необходимость защитных экранов

2 Целесообразно для расчета полей в рассматриваемых устройствах применять комбинированные математические модели и комбинированные численные методы Комбинированная математическая модель задачи представляет собой совокупность дифференциального уравнения с частными производными и интегрального уравнения, полученного на основе интегральной формулы Грина, и граничных условий Комбинированный численный метод - это совокупность метода конечных элементов и метода граничных элементов Применение комбинированных моделей и методов позволяет в десятки раз снизить размерность задач, оценить напряженности полей в зонах нахождения обслуживающего персонала рассматриваемых устройств

3 Впервые построена комбинированная математическая модель для расчета плоскомеридианного магнитного поля, возбуждаемого постоянными магнитами.

4 Предложено две новые конструкции активаторов с вихревым слоем, защищенные патентами, применение которых повышает эффективность работы активаторов и сокращает затраты электроэнергии на обработку веществ и сточных вод.

5. Экспериментальные исследования вихревого слоя показали:

- степень неравномерности распределения ферромагнитных частиц зависит от их количества: при малом количестве частиц распределение их резко неравномерное - в центре рабочей камеры частиц нет, вблизи сердечника наблюдается их концентрация; с увеличением количества частиц в рабочей камере уменьшается степень неравномерности их распределения,

- вопреки распространенному мнению количество ферромагнитных элементов в вихревом слое оказывает существенное влияние на параметры индуктора: увеличивается индуктивность фаз обмотки, снижается потребляемый ток.

6. Предложена формула для оценки средней магнитной проницаемости вихревого слоя.

7. Разработана методика синтеза индуктора активатора, отличающаяся от известных методик, используемых при проектировании асинхронных машин и основанных на теории цепей, тем, что одним из этапов синтеза является расчет магнитного поля

$. Предложено усовершенствование конструкции затвора путем установки металлической сетки перпендикулярно пылевому потоку. Применение сетки позволяет примерно в 2 раза увеличить составляющую напряженности поля, направленную по потоку, а, следовательно, повысить производительность затвора в 2 раза. Параметры сетки (размеры ячейки, диаметр проволоки) и место ее установки определены с помощью математического моделирования.

i Предложена методика математического моделирования взаимосвязанных ионных и электромеханических процессов в электростатических затворах, которая может быть использована при проектировании электрофильтров.

4 В Расхождение результатов численного моделирования и экспериментов на физической модели не превышает 5 %.

Экспериментальные лабораторные исследования различных конструкций электростатических затворов, разработанных на кафедре "Электромеханика" ЮРГТУ (НИИ), подтвердили работоспособность и высокую эффективность новых устройств, основанных на новом принципе очистки газов от пыли путем сообщения частицам пыли электрического заряда и направления в электрическом поле навстречу пылевому потоку. Этим затворы отличаются от электрофильтров, в которых под действием электрического поля заряженные частицы движутся перпендикулярно потоку пыли и осаждаются на специальных осадительных электродах. Поэтому при использовании затворов не требуется удаления пыли с электродов.

Промышленные испытания затворов на заводе ОАО "Новоросцемент" г. Новороссийск, показало их высокую эффективность: при скорости пылевого потока 2,3 м/с, количестве пыли ~ 400 мг/м3, количестве воздуха на выбросе 630 м3/ч степень очистки составляет 97,1%.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Бахвалов А.Ю, Володин Г И, Быкадоров В Ф., Климов Е А, Ние ЯЛ Формирование эффективных конструкций электростатического затвора// Известия вузов Электромеханика -2005 - №2 -С 64-66

2 Бахвалов АЮ Расчет стационарных и статических магнитных полей шкивных сепараторов//Известия вузов Электромеханика.-2006 - №2 - С 19-24

3. Бахвалов А Ю, Гречихин В В, Юфанова Ю В Усовершенствование электростатического затвора с помощью компьютерного моделирования// Вестник ВоронежскогоГТУ -Т.2 -№8 - 2006 - С 71-72

4 Бахвалов А.Ю, Володин Г И Расчет стационарных плоскомеридианных магнитных полей шкивных сепараторов комбинированным методом конечных и граничных элементов// Материалы междунар семинара «Физико-математическое моделирование систем» 1-2 декабря2005г -Ч 2 -г Воронеж,2005 - С 13-16

5 Бахвалов А Ю, Володин Г И, Гречихии В В Математическое моделирование иоцпо-элекгронных и электромеханических процессов в электростатических затворах// Ученые ЮРГТУ (НПИ) к юбилею университета материалы 56-й науч -техн конф Профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и студентов/Федеральное агентство по образованию РФ Юж -Рос roc техн. ун-т (НПИ) - Новочеркасск ЮРГТУ (НПИ),2007 -С 207-215

6 Бахвалов А Ю, Гречихин В В, Юфанова Ю В, Янов В П Расчет магнитостатических полей электрических машин с постоянными магнитами методом граничных элемеэтов//Сборних докладов Международной конференции в 2 ч 42 Компьютерные технологии в технике и экономике - Воронеж Междунэрод нн-т гсомпьют технологий, 2007 - С 16-23

7 Володин ГИ, Бахвалов А.Ю Вращающий момент в линейном асинхронном электроде итателе//Г1нтеллектуалъиые электромеханические устройства, системы и комплексы Материалы междунар науч -практ конф в 4-х чЛОж-Рос roc техн ун-т Новочеркасск УПЦНАБЛА,2000 -41 -С 44

8 Володин Г И., Бахвалов АЮ Синтез индуктора линейного электродинамического модуля//Известия вузов Электромеханика. - 2003 -№ 3 -С 21-24

9 Володин Г И, Бахвалов А.Ю Математическая модель для исследования электродинамических усилий в технологических } стройствах с бегущим электромагнитным полем// Развивающиеся интеллектуальные системы автоматизированного проектирования и управления Материалы междунар науч-пракг конф 2001 г - Новочеркасск УПЦ «НАБЛА» ЮРГТУ (НПИ), 2001 -41 -С 43-48

10 Володин Г И, Бахвалов А.Ю Синтез индукторов вращающегося магнитного поля активаторов с вихревым слоем// Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы Материалы III науч -пракг конф, г Новочеркасск ООО НПО «ТЕМП», 2002 - С 4-5

11 Володин ГИ, Бахвалов А.Ю Синтез индуктора вращающегося магнитного поля активатора с вихревым споем для обработки сточных вод// «Экология образование, наука, промышленность и здоровье» Материалы II Международной науч -практ конф, Вестник Белгородского ГТУ 8 -2004 -Ч VI - С 40-42

12 Володин Г И, Бахвалов А Ю Моделирование магнитных потей в цилиндрических индукционных устройствах с подвижной частью в виде системы многих неравноосных ферромагнитных частиц// Материалы междунар семинара «Физико-математическое моделирование систем» 5-6 октября 2004 г - Воронеж, 2004 - С 239-241

13 Володин Г11, Бахвалов АЮ Моделирование электрических полей в затворах пылевых потоков с коронным разрядом// Материалы междунар семинара «Физико-математическое моделирование систем» 5-6 октября 2004 г - Воронеж, 2004 - С 242-244

14 Индукционное устройство для перемешивания и измельчения жидких и сыпучих сред/ Володин Г И, Рожков В И Бахвалов А.Ю, Попов Е А, Костюков В П.// Патент 45648 РФ, БИ№ 15,2005 г

15 Индукционное устройство для перемешивания и измельчения жидких и сыпучих сред/ Попов Е А, Рожков В И., Бахвалов А.Ю, Володин Г И, Коспоков В П Л Патент 53933 РФ, БИ № 16,2006 г

Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах [1] -

экспериментальные исследования, [23,4] - экспериментальные исследования, алгоритм синтеза и его аппрабацил, [5] - разработка этапа «Расчета магнитного поля комбинированным методом конечных и граничных элементов», [6] - вывод формулы для расчета средней магнитной проницаемости вихревого слоя, [7] - математическая модель дои расчета электрического поля, [8] - экспериментальные испытания, [9] - расчеты электрического поля, [10] - эксперимешалыше исследования по результатам компьютерного моделирования, [11,12] - идея применения внутреннего сердечника с обмоткой в акговаторе и проверка концепций патентов с помощью математических моделей.

Бахвалоп Алексей Юрьевич

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА С ДИСКРЕТНОЙ ВТОРИЧНОЙ ЧАСТЬЮ: АЛГОРИТМЫ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА И УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЕ КОНСТРУКЦИИ

Автореферат

Подписано в печать 23 01 2008 Формат 60x841/и Бумага офсетная Ризография Уел печ л 1,5 Уч-изд л 1,4 Тираж 100 экз Заказ 30

Типография ЮРГТУ(НГМ) 346428, г Новочеркасск, ул Просвещения, 132 Тел, факс (863-52) 5-53-03

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКИ

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Выводы.

2. МАГНИТНЫЕ ШКИВНЫЕ

СЕПАРАТОРЫ (ЖЕЛЕЗООТДЕЛИТЕЛЕЙ).

2.1. Устройство и принцип действия магнитных шкивных сепараторов.

2.2. Оценка силовых воздействий на извлекаемые тела.

2.3. Математические модели стационарного плоскомеридианного магнитного поля шкивных сепараторов.

2.4. Алгоритм расчета стационарных магнитных полей на основе комбинированного метода конечных и граничных элементов.

2.5. Математические модели и алгоритм расчета статических плоскомеридианных магнитных полей шкивных сепараторов с постоянными магнитами.

2.6. Пример расчета стационарного магнитного поля физической модели шкивного сепаратора.

Выводы.

3. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ АКТИВАТОРЫ С ВИХРЕВЫМ

СЛОЕМ.

3.1. Устройства и принцип действия активаторов с вихревым слоем.

3.2. Синтез индуктора активатора.

3.3. Расчет стационарного магнитного поля активатора.

Выводы.

4. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ЗАТВОРЫ ДЛЯ БЛОКИРОВАНИЯ ПЫЛЕВЫХ

ПОТОКОВ.

4.1. Ионные и электромеханические процессы в затворах.

4.2. Усовершенствование конструкции электростатического затвора с помощью компьютерного моделирования.

4.3. Комбинированная математическая модель электростатического поля затвора.

Выводы.

В условиях рыночной экономики и ускоренного научно-технического прогресса существенно возрастает роль новых технологий. Особое место среди них занимают электротехнологии, в которых используются разнообразные технологические устройства. При этом актуальными остаются задачи повышения их эффективности.

В данной работе рассмотрены пути совершенствования конструкций и алгоритмов расчета магнитных и электрических полей электромеханических устройств с дискретной вторичной частью, к которым относятся:

- магнитные шкивные сепараторы (железоотделители), предназначенные для разделения материалов, отличающихся друг от друга магнитными свойствами;

- активаторы с вихревым слоем, применяемые для интенсификации различных технологических процессов;

- электростатические затворы пылевых потоков.

Принцип действия названных выше устройств одинаков и основан на силовом действии магнитного поля на ферромагнитные тела, имеющие относительно небольшие геометрические размеры, или силовом воздействии электрического поля на заряженные частицы материалов. В рабочем пространстве устройств находятся ферромагнитные тела произвольной формы и размеров (железоотделители), дискретная ферромагнитная среда в виде набора неравноосных ферромагнитных стержней (активаторы вихревого слоя), дискретная минеральная среда в виде мелкодисперсной пылевоздушной смести (электростатические затворы).

Поскольку магнитные и электрические поля могут быть описаны одними и теми же уравнениями, одной из задач данной работы является разработка общего алгоритма расчета полей и силовых взаимодействий названных устройств. Алгоритм должен обеспечивать учет особенности устройств -область расчета полей неограниченна, а также обеспечить возможность ответа на следующий вопрос: необходима ли установка экранов для защиты обслуживающего персонала, а также быть удобным инструментом для усовершенствования конструкций, что позволит сократить сроки разработок и средства на изготовление и исследование макетных образцов.

Целью диссертационной работы является разработка алгоритмов анализа и синтеза и усовершенствование конструкций электромеханических устройств с дискретной вторичной частью, обеспечивающих повышение производительности и безопасности устройств и снижение энергоемкости.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка методики расчета магнитного поля и оценки силовых воздействий электромагнитных шкивных сепараторов на основе комбинированного метода конечных и граничных элементов.

2. Построение комбинированной математической модели и алгоритма расчета магнитного поля шкивных сепараторов с постоянными магнитами.

3. Разработка методики синтеза индуктора активатора с вихревым слоем.

4. Адаптация методики п. 1 к расчету магнитного поля в активаторе и окружающем его пространстве.

5. Экспериментальные исследования вихревого слоя.

6. Адаптация методики п. 1 к расчету электрического поля затворов пылевых потоков с коронным разрядом.

7. Разработка методики математического моделирования взаимосвязанных ионных и электромеханических процессов в затворах.

8. Разработка усовершенствованных конструкций электромеханических устройств с дискретной вторичной частью с применением математического моделирования и их исследования.

Методы исследования. Поставленные задачи решены в диссертационной работе с использованием комбинированного метода конечных и граничных элементов и экспериментальных исследований активаторов и затворов.

Достоверность результатов, полученных в диссертации, обеспечивается:

- обоснованностью принятых допущений и строгостью формальных преобразований;

- использованием фундаментальных уравнений электрических и магнитных полей;

- применением для проверки результатов современных программных систем FEMM и Maxwell;

- согласованием результатов расчета с данными экспериментов, а также с данными литературных источников.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Методики расчета стационарных и статических полей, прямые и косвенные оценки силовых воздействий, основанные на комбинированных математических моделях, современных численных методах и результатах экспериментальных исследований.

2. Комбинированная математическая модель плоскомеридианного магнитного поля, возбуждаемого постоянными магнитами.

3. Методика синтеза индукторов активаторов с вихревым слоем.

4. Результаты экспериментальных исследований активаторов и затворов.

5. Рекомендации по конструированию активаторов и затворов.

6. Методика математического моделирования ионно-электронных и электромеханических процессов в электростатических затворах с коронным разрядом.

7. Усовершенствованные конструкции электротехнологических устройств.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:

1. В отличие от применяемых в настоящее время для расчета полей и сил в рассматриваемых устройствах методов теории цепей используется полевой подход, в основу которого положена комбинированная математическая модель

- дифференциальные уравнения с частными производными второго порядка и интегральное уравнение, полученное на основе формулы Грина, а также комбинированный метод конечных и граничных элементов. Предложенный подход позволяет повысить точность расчета полей как в рабочих зонах, так и в зонах возможного нахождения обслуживающего персонала.

2. Впервые построена комбинированная математическая модель плоскомеридианного магнитного поля, возбуждаемого постоянными магнитами, а также дискретная модель, являющаяся совокупностью конечно-элементной и гранично-элементной моделей.

3. Предложенная методика синтеза индукторов активаторов отличается от применяемой при проектировании асинхронных машин, основанной на теории цепей, тем, что содержит этап расчета магнитного поля.

4. Методика математического моделирования взаимосвязанных ионных и электромеханических процессов в затворах отличается использованием удобных аппроксимаций процесса, зарядки частиц и распределений напряженностей во внешней зоне короны.

5. Новизна новых конструкций электромеханических устройств подтверждается патентами.

Практическая значимость и реализация результатов заключается в следующем:

Предложенные методики расчета и синтеза позволяют усовершенствовать конструкции, повысить производительность и снизить энергоемкость устройств.

Разработанные активаторы применяются в научных исследованиях в вузах (МГУ, ЮРГТУ, ЮРГУЭС), затворы проходят опытную в условиях ОАО «Новороссцемент» (г. Новороссийск), ООО «ПК НЭВЗ» (г. Новочеркасск).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и семинарах: 7

- международные научно-практические конференции "Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы". Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ) 2000, 2001, 2002 гг.;

- II международная научно-практическая конференция "Экология: образование, наука, промышленность и здоровье". Белгород, БГТУ, 2004;

- международные семинары "Физико-математическое моделирование систем". Воронеж, ВГТУ, 2004, 2005.

Работа в полном объеме докладывалась на заседании кафедры "Электромеханика" ЮРГТУ (НПИ) (Новочеркасск).

Публикации. Основное содержание работы отражено в 15 научных публикациях, в том числе в двух патентах.

Выводы

1. Предложено две новые конструкции активаторов с вихревым слоем, защищенные патентами, применение которых повышает эффективность работы активаторов и сокращает затраты электроэнергии на обработку веществ и сточных вод.

2. Экспериментальные исследования вихревого слоя показали:

- степень неравномерности распределения ферромагнитных частиц зависит от их количества: при малом количестве частиц распределение их резко неравномерное - в центре рабочей камеры частиц нет, вблизи сердечника наблюдается их концентрация; с увеличением количества частиц в рабочей камере уменьшается степень неравномерности их распределения;

- вопреки распространенному мнению количество ферромагнитных элементов в вихревом слое оказывает существенное влияние на параметры индуктора: увеличивается индуктивность фаз обмотки, снижается потребляемый ток.

3. Предложена формула для оценки средней магнитной проницаемости вихревого слоя.

4. Разработана методика синтеза индуктора активатора, отличающаяся от известных методик, используемых при проектировании асинхронных машин и основанных на теории цепей, тем, что одним из этапов синтеза является расчет магнитного поля.

5. Предложено использовать для расчета магнитного поля в активаторе и окружающем пространстве комбинированную математическую модель: в активаторе - дифференциальное уравнение с частными производными относительно z - составляющей векторного магнитного потенциала

92

А(х,у'); в окружающем пространстве - интегральное уравнение, связывающее z - составляющую А(х,у) и ее производную по нормали дА/дп на внешней поверхности сердечника индуктора. На внешней границе учитываются соответствующие условия непрерывности А и скачка дА/дп.

6. Для сокращения размерности задачи расчета поля рекомендуется применять комбинированный численный метод: в активаторе - метод конечных элементов; на внешней поверхности сердечника индуктора -метод граничных элементов.

4. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ЗАТВОРЫ ПЫЛЕВЫХ ПОТОКОВ

4.1. Ионные и электромеханические процессы в затворах

Если частицам мелкодробленого (диспергированного) материала сообщен некоторый заряд, то в электрическом поле на них действует сила F=Eq, которая заставляет частицы двигаться. Различные формы этого движения можно использовать для выполнения разнообразных технологических операций. Широкое распространение технологий, основанных на управлении движением заряженных частиц полем, связано с рядом преимуществ этих технологий перед традиционными методами воздействия на обрабатываемый материал [22].

Прежде всего, следует указать на непосредственное воздействие электрической энергии, сосредоточенной в электрическом поле, на обрабатываемый материал без промежуточных трансформаций энергии.

В природе нет веществ как проводящих или полупроводящих, так и диэлектрических, которые тем или иным способом не могли бы быть заряжены и подвергнуты силовому воздействию электрического поля. Отсюда следует свойство универсальности методов рассматриваемой технологии.

Наиболее эффективное воздействие электрических полей на сырье может проявляться в случае, когда последнее находится в диспергированном состоянии, так как взаимодействие поля с веществом происходит главным образом на границе раздела сред. Следует иметь в виду, что огромная масса сырья по своей природе либо уже находится в диспергированном состоянии, либо легко может быть приведена в такое состояние при добыче и последующей обработке. Степень раздробленности может быть различной: от частиц субмикронных размеров до частиц в несколько десятков миллиметров.

Данные методы позволяют обеспечить эффективное управление процессами за счет возможности плавного регулирования в широких пределах величины напряженности электрического поля [22].

Работа современных устройств для очистки газовых потоков от пыли (электрических фильтров и затворов) основана на следующих двух процессах: зарядке частиц пыли в потоке ионов, находящихся во внешней зоне коронного разряда, и ориентации этих частиц по требуемой траектории с помощью сильного электрического поля. В электрофильтрах частицы, имеющие электрический заряд, направляются к осадительным электродам; в затворах силы, действующие на заряженные частицы, должны обеспечит их торможение, а затем движение в обратном направлении. Исследование ионно-электронных и электромеханических процессов необходимо на стадии проектирования электрических фильтров и затворов.

Рассмотрим процессы, происходящие в электростатическом затворе, разработанном на кафедре электромеханики ЮРГТУ (НПИ) (рис. 4. 1) [5, 9, 16]. Электрод 1 является коронирующим. Электрод 2 заземлен.

Потенциал электрода 1 был выбран следующим образом. Учитывая, что затвор представляет собой коаксиальные цилиндры, начальное напряжение короны определялось по известной формуле [55] где

5 =

U0 -30,35

3,8 6р „л 1 ч

0,298

1 R ro

273 +1' р - давление в см ртутного столба; t - температура, С0; R - радиус внешнего цилиндра, см; г0 - радиус внутреннего цилиндра (в нашем случае провода), см;

В рассматриваемом устройстве R=5 см, г0=0,1 см, t°=43 С°,/?=:76 см;

8 = ^^ = 0,934

273 + 43 г

Uп =30,3-0,934

1 +

0,298 V

• 0Д1пу = 21,8 кв. д/ОД • 0,934

Экспериментальные исследования показали, что формула для расчета U0 имеет приемлемую точность. Для повышения эффективности работы затвора между электродами 1 и 2 было установлено напряжение - 30 кВ. При расчете 6

1 г < 2г<1 Ъ

2R i h 1 к 0 \ г

Рис. 4.1.

На рис. 4.1 обозначено: 5 - газовый поток с пылью; 6 - очищенный газовый поток.

В дальнейшем будем считать, что частицы пыли имеют форму шара. Установлено, что отклонение формы частиц от шара мало влияет на величину приобретаемого заряда и на силу сопротивления среды движению частиц [55].

В табл. 4 [5] приведены результаты теоретических расчетов количества элементарных зарядов, приобретаемых частицами пыли различных радиусов и за различное время ударной ионизации (ионизации под действием электрического поля) при напряженности поля £ = 2 • 105В и относительной диэлектрической проницаемости вещества частиц е = 3.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Применяемые в настоящее время для расчета магнитных и электрических полей в электромеханических устройствах с дискретной вторичной частью методы теории цепей и метод конечных элементов не эффективны. Это объясняется особенностью конструкций рассматриваемых устройств (шкивных сепараторов, активаторов с вихревым слоем, электрических затворов) - области полей этих устройств неограниченны. Поэтому при использовании методов теории цепей имеет место высокая трудоемкость подготовки исходных данных и расчета параметров схем замещения, необходимость применения моделирования на электропроводной бумаге. Применение метода конечных элементов для расчета поля в неограниченных областях требует введения искусственной границы, положение которой определяется с помощью серии расчетов. Требуется применение сеток с большим количеством узловых неизвестных. Задача проектировщика осложняется при необходимости оценить напряженности полей на значительных расстояниях от установок в зонах, в которых может находиться обслуживающий персонал, и выяснить необходимость защитных экранов.

2. Целесообразно для расчета полей в рассматриваемых устройствах применять комбинированные математические модели и комбинированные численные методы. Комбинированная математическая модель задачи представляет собой совокупность дифференциального уравнения с частными производными интегрального уравнения, полученного на основе интегральной формулы Грина и граничных условий. Комбинированный численный метод - это совокупность метода конечных элементов и метода граничных элементов. Применение комбинированных моделей и методов позволяет в десятки раз снизить размерность задач, оценить напряженности полей в зонах нахождения обслуживающего персонала рассматриваемых устройств.

3. Впервые построена комбинированная математическая модель для расчета плоскомеридианного магнитного поля, возбуждаемого постоянными магнитами.

4. Предложено две новые конструкции активаторов с вихревым слоем, защищенные патентами, применение которых повышает эффективность работы активаторов и сокращает затраты электроэнергии на обработку веществ и сточных вод.

5. Экспериментальные исследования вихревого слоя показали:

- степень неравномерности распределения ферромагнитных частиц зависит от их количества: при малом количестве частиц распределение их резко неравномерное - в центре рабочей камеры частиц нет, вблизи сердечника наблюдается их концентрация; с увеличением количества частиц в рабочей камере уменьшается степень неравномерности их распределения;

- вопреки распространенному мнению количество ферромагнитных элементов в вихревом слое оказывает существенное влияние на параметры индуктора: увеличивается индуктивность фаз обмотки, снижается потребляемый ток.

6. Предложена формула для оценки средней магнитной проницаемости вихревого слоя.

7. Разработана методика синтеза индуктора активатора, отличающаяся от известных методик, используемых при проектировании асинхронных машин и основанных на теории цепей, тем, что одним из этапов синтеза является расчет магнитного поля.

8. Предложено усовершенствование конструкции затвора путем установки металлической сетки перпендикулярно пылевому потоку. Применение сетки позволяет существенно увеличить составляющую напряженности поля, направленную по потоку, а, следовательно, повысить эффективность затвора. Параметры сетки (размеры ячейки, диаметр проволоки) и место ее установки определены с помощью математического моделирования.

9. Предложена методика математического моделирования взаимосвязанных ионных и электромеханических процессов в электростатических затворах.

10. Расхождение результатов численного моделирования и экспериментов на физической модели не превышает 5 %.

11. Экспериментальные лабораторные исследования различных конструкций электростатических затворов, разработанных на кафедре "Электромеханика" ЮРГТУ (НПИ), подтвердили работоспособность и высокую эффективность новых устройств, основанных на новом принципе очистки газов от пыли путем сообщения частицам пыли электрического заряда и направления в электрическом поле пылевому потоку. Этим затворы отличаются от электрофильтров, в которых под действием электрического поля заряженные частицы движутся перпендикулярно потоку пыли и осаждаются на специальных осадительных электродах. Поэтому при использовании затворов не требуется удаления пыли с электродов.

Промышленные испытания затворов на заводе ОАО "Новоросцемент" г. Новороссийск, показало их высокую эффективность: при скорости пылевого потока 2,3 м/с, количестве пыли ~ 400 мг/м3, количестве о воздуха на выбросе 630 м /ч степень очистки составляет 97,1%.

1. Аввакумов Е. Г. Механические методы активации химических процессов. - Новосибирск: Наука, 1987. С. 205.

2. Алиев Г.М. А. Техника пылеулавливания и очистки промышленных газов. Справочник. - М.: Металлургия, 1980.

3. Алиевский Б.Л., Орлов В.А. Расчет параметров магнитных полей осесимметричных катушек. Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1983. С. 112.

4. Бахвалов А.Ю., Володин Г.И., Быкадоров В.Ф., Климов Е.А., Нис ЯЗ. Формирование эффективных конструкций электростатического затвора// Известия вузов. Электромеханика. 2005. № 2. С. 64-66.

5. Бахвалов А.Ю. Расчет стационарных и статических магнитных полей шкивных сепараторов//Известия вузов. Электромеханика. 2006. № 2. С. 19-34.

6. Бахвалов А.Ю., Гречихин В.В., Юфанова Ю.В. Усовершенствование электростатического затвора с помощью компьютерного моделирования// Вестник Воронежск гос. техн. ун-та. 2006. - Том 2. - № 8. - С. 71-72.

7. Володин Г.И., Бахвалов А.Ю. Синтез индуктора линейного электродинамического модуля// Известия вузов. Электромеханика. 2003. №3,-С. 21-24.

8. Володин Г.И., Бахвалов А.Ю. Моделирование электрических полей в затворах пылевых потоков с коронным разряда// Материалы Международного семинара «Физико-математичского моделирования систем» (г. Воронеж, 5-6 октября 2004). С.242-244.

9. Верещагин И.П., В.И. Левитов, Г.З., Мирзабекян, М.М. Пашин. Основы электрогазодинамики дисперсных систем. М.: «Энергия», 1974. С. 480.

10. Верещагин И.П. Коронный разряд в аппаратах электронно-ионной технологии. М.: Энергоатомиздат, 1985. С. 218.

11. Веселов B.C., Зегжда П.Д., Смолко Л.В. Автоматизация процедуры поиска оптимального проектного решения. Алгоритмы и программы поискового конструирования. Йошкар-Ола.: Издание МарГУ, 1984. С. 210.

12. Вершинин Н. П. Вопросы теории и практики использования вращающегося электромагнитного поля. Подольск, 1997. С. 289 .

13. Воскресенский А.П. Некоторые вопросы проектирования индукционных вращателей.- Сб. «Труды Всесоюзного научно-исследовательского института электромеханики». Т. 36. М, 1971. С 6774.

14. Высоковольтные электротехнологии / О. А. Аношин, А. А. Белогловский, И. П. Верещагин и др.; Под ред. И. П. Верещагина М.: Издательство МЭИ, 2000. - С. 204.

15. Гречихин В.В. Моделирование электростатических плоскомеридианных полей емкостных датчиков//Изв. вузов. Электромеханика. 2006. №1. С. 35.

16. Демирчян К.С., В.П. Чечурин. Машинные расчеты электромагнитных полей. М.: «Высшая школа». 1986. С. 240.

17. Загирняк М.В., Бранспиз Ю.А. Шкивные магнитные сепараторы. К.: Техшка. 2000. С. 303 .

18. Загирняк М.В. Зарубежные конструкции магнитных железоотделителей: Обзор. М.: ЦНИИТЭИтяжмаш, 1988. С. 36. - (Горн, оборуд. сер. 2, вып.4).

19. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация: Пер. с английского. М.: Мир, 1986г. С. 316.

20. Иванов-Смоленский А.В. Определение электромагнитных сил в нелинейной магнитной системе по их объёмной плотности. -Электричество, 1985, №9. С. 18-28.

21. Кортовенко Л.П., Кирбятьева Т. В., Анохин А. Л. и др. Обработка лакокрасочных материалов в аппарате вихревого слоя. // Газовая промышленность. М. 30.07.03. - С 68-69.

22. Колечицкий Е.С., Белоедова И.П., Шульгин В.Н. Об оценках погрешности численных методов расчета потенциальных полей. -Электромеханика, 1987, №11. С.27-32.

23. Логвиненко Д.Д., О.П. Шеляков., Интенсификация технологических процессов в аппаратах с вихревым слоем. Киев: Издательство «Техшка», 1976.-С. 144.

24. Логвиненко Д. Д., О. П. Шеляков, В. Л. Кирейкова. Исследование характера движения ферромагнитных частиц в вихревом слое, создаваемом электромагнитным полем//Труды НИИэмальхиммаш. -Полтава . -1971.- Выпуск 1. С. 202-211.

25. Логвиненко Д. Д., Шеляков О. П., Полыциков Г. А. Определение основных параметров аппаратов с вихревым слоем . Химическое и нефтяное машиностроение, 1974, № 1. - С. 200-206.

26. Логвиненко Д. Д. Особенности взвешенного во вращающемся электромагнитном поле слоя ферромагнитных частиц//Труды НИИэмальхиммаш. Выпуск 1. Полтава-1971. С. 212-218.

27. Калиткин Н.Н. Численные методы. М.: Наука. 1978. С. 512.

28. Оберемок В. М., Д.Д. Логвиненко, О. П. Шеляков и др. Размол целлюлозы в аппарате с вихревым слоем ферромагнитных частиц. "Бумажная промышленность". 1974. - № 6.- С321-131.

29. Патент ЕР97201670.3 Eddy current separator. Class B03C 1/24. Langerak Edwin. 17.12.1997 Bulletin 1997/51.

30. Патент РФ № 53933 Индукционное устройство для перемешивания и измельчения жидких и сыпучих сред./ Попов Е.А., Рожков В.И., Бахвалов А.Ю., Володин Г. И. Заявлено 13. 07. 2004, опубл. 10. 06. 2006. Бюл. № 16.

31. Патент РФ № 45648 Индукционное устройство для перемешивания и измельчения жидких и сыпучих сред./ Володин Г.И., Рожков В.И., Бахвалов А.Ю. и др. Заявлено 05.12.2003, опубл.27.05.2005, Бюл. № .15.

32. Подольцев А.Д., Эркенов Н.Х. Комбинированный метод граничных элементов конечных разностей для расчета вихревых токов в осесимметричных телах // Изв. вузов. Электромеханика, №4, 1991. - С. 12.

33. Постоянные магниты. Справочник. / А.Б. Альтман, А.Н. Герберг, П.А. Гладышев и др. Под. ред. Ю.А. Пятина. 2-е издание, перераб. и доп. -М.: Энергия, 1980. - С. 488.

34. Проектирование электрических машин / И.П. Копылов, Ф.А, Горяинов, Б.К. Клопов и др.: Под. ред. И.П. Копылова. -М.: Энергия, 1980. С. 496.

35. Размыслов В. А. Особенности реализации метода конечных элементов для расчета электромагнитных полей// Изв. вузов «Электромеханика».-1985. -№ 5. -С. 27-31.

36. Сахарнов А. В. Очистка сточных вод и газовых выбросов в лакокрасочной промышленности. М.: "Химия", 1971.-С. 144.

37. Сегерлинд JI. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979.-С. 392.

38. Справочник по специальным функциям с формулами, графиками и математическими таблицами/Под. ред. М. Абрамович, И. Стиган, М.: Наука, 1979.-С. 832.

39. Сухоруков В.В. Математическое моделирование электромагнитных полей в проводящих средах. М.: "Энергия", 1975г. С. 168.

40. Chari M.V.K. Nonlinear finite element solution of electrical mashines under full-lood conductions/ЯЕЕЕ Trans/ Magn/ 1974 Vol 10/ P 686-689.

41. Тамм И.Е. Основы теории электричества. -M.: Наука. 1966. С. 624.

42. FEMM (Finite Element Method Magnetics). 1998. Dr. David C. Meeker

43. Фролов С.И. Определение объёмных и поверхностных плотностей электромагнитных сил в нелинейных анизотропных магнитных системах. М.: Энергоатомиздат, 1989, №8. С.62-66

44. Шимони К. Теоретическая электротехника. М.: Мир, 1964. - С. 760.

45. Электротехнический справочник. М.: Энергия, 1971. Т. 1. Кн. 2. - С. 880.121