автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Повышение энергетической эффективности преобразования электрической энергии в тепловую при вращении постоянных магнитов вокруг цилиндрической загрузки

На правах рукописи

005004718

Михайлов Константин Александрович

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ТЕПЛОВУЮ ПРИ ВРАЩЕНИИ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ ВОКРУГ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ЗАГРУЗКИ

Специальность 05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты

-1 ДЕК ОТ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск 2011

005004718

Работа выполнена в научно-инновационном центре «Электротехнологии в металлургии» кафедры «Электротехнологии и электротехника» Политехнического института ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет».

Научный руководитель:

кандидат технических наук Головенко Евгений Анатольевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Лукутин Борис Владимирович

кандидат технических наук, профессор Кунгс Ян Александрович

Ведущая организация

Новосибирский государственный технический университет

Защита диссертации состоится «21» декабря 2011 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.099.07 при Сибирском федеральном университете по адресу: г. Красноярск, ул. Ленина, 70, ауд. 204.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского федерального университета.

Автореферат разослан «21» ноября 2011 года

Ученый секретарь диссертационного совета

Т.М. Чупак

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Установленная мощность индукционных сквозных нагревателей цветных металлов достигает десятков и даже сотен мегаватт, при этом энергетическая эффективность преобразования электрической энергии в тепловую в этих установках редко достигает 60 %. Это обусловлено высокой удельной электропроводностью нагреваемого металла (алюминий, медь, латунь), сопоставимой с электропроводностью обмоток индуктора.

Различные научные школы не оставляют попыток создания новой технологии с повышенными энергетическими показателями. Например, в проекте ALUHEAT, Европейского союза, выполняемом с 2005 по 2008 годы силами 6 научных центров Европейского союза (Германия, Италия, Финляндия, Польша, Чехия, Норвегия) предложено устройство, предполагающее вращение алюминиевой загрузки в поле электромагнита со сверхпроводящей обмоткой. Другим примером работ в направлении повышения энергетической эффективности установок индукционного нагрева (УИН) являются работы по созданию многослойных обмоток выполняемые научно-исследовательским центром Британского совета по электричеству, а также А. Е. Слухоцким, B.C. Немковым, Е.А. Головенко, Е.С. Киневым и другими учеными. До сих пор в промышленности для сквозного нагрева цветных металлов используют соленоидальные много-витковые индукторы с продольным магнитным полем из проводника в виде полой медной или алюминиевой трубки, несмотря на их низкую энергетическую эффективность. В результате затраты на компенсацию потерь электроэнергии существенно превышают расходы на амортизацию установки в структуре себестоимости готового продукта, а цены на энергию продолжают расти.

В настоящей работе рассмотрены особенности решения задачи нагрева, основанного на вращении постоянных магнитов вокруг неподвижной загрузки. КПД такой индукционной системы ограничен параметрами электродвигателя и механической передачи, приводящих магниты во вращение.

Главной трудностью предлагаемого замысла является отсутствие строгих теоретических основ для расчета индукционной системы и практических рекомендаций по ее проектированию. Перед автором работы стояла задача разработки методики расчета новой технологической системы на основе численного моделирования и верификации математической моделей на основе натурных исследований на установке малой мощности (5,5 кВт) с целью дальнейшего масштабирования новой технологии.

Объект исследования - индукционная установка сквозного нагрева цилиндрической загрузки во вращающемся магнитном поле постоянных магнитов.

Предмет исследования - процесс преобразования электрической энергии в тепловую в индукционной системе «вращающиеся постоянные магниты -нагреваемая загрузка» в части влияния режимов работы и конструкции установки на энергетическую эффективность.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности преобразования электрической энергии в тепловую энергию при нагреве заготовки, на основе использования поперечного вращающегося магнитного поля постоянных магнитов, исследование влияния физических процессов на пара-

метры предлагаемой электромеханической системы, создание методики проектирования и рекомендаций по конструированию предлагаемых индукционных нагревателей с повышенной энергетической эффективностью.

Для достижения цели необходимо решение следующих задач:

1. Проанализировать физические явления, процессы и модели в предложенной технической системе, и выбрать методы расчета. Обобщить опыт использования, расчетов и проектирования аналогичных предложенной магнитных систем и вспомогательных подсистем (в частности автоматизированного частотного электропривода и механической передачи).

2. Спроектировать опытную установку и исследовать физические процессы в технической системе мощностью до 10 кВт с целью подтверждения технологического эффекта, энергетической эффективности и последующей верификации разрабатываемых расчетных моделей.

3. Разработать параметрическую численную модель для исследования электромагнитных и тепловых процессов в индукционной системе «загрузка -ротор с магнитами» и ее верифицировать путем сопоставления результатов численных и натурных экспериментов.

4. Создать алгоритмы оптимизации промышленных установок УИН на основе вращения постоянных магнитов вокруг нагреваемой загрузки с использованием разработанной численной параметрической модели.

5. Выбрать и обосновать техническое решение опытно-промышленного образца мощностью 100 кВт и выше на основании натурных исследований и математического моделирования.

6. Сформировать рекомендации и методику проектирования установок на различную производительность и габаритные размеры нагреваемой цилиндрической загрузки.

Методы исследования. В работе использован метод конечных элементов (МКЭ) для решения задачи анализа электромагнитного и теплового полей (пакет программ ANSYS), методы параметрической оптимизации, методы сбора и анализа физических параметров в программной среде Lab View. Теоретические исследования проводились с применением законов электротехники и теплотехники, теории установок индукционного нагрева и электрических машин.

Научная новизна результатов диссертации:

1. Впервые предложен способ нагрева цилиндрических слитков из цветных металлов в магнитном поле постоянных магнитов со стационарной цилиндрической загрузкой и многополюсной системой магнитов.

2. Разработана трехмерная параметрическая численная модель связанных электромагнитных и тепловых процессов в системе «загрузка - ротор с магнитами», учитывающая температурную зависимость удельной электропроводности загрузки.

3. В результате численного и физического эксперимента выявлены закономерности эффективного преобразования электрической энергии в энергию электромагнитного поля и затем в тепловую энергию в зависимости от геометрических размеров магнитов, высоты зубцов ротора, немагнитного зазора, магнитной проницаемости используемых материалов, числа пар полюсов, частоты вращения ротора и угла поляризации магнитов. Экспери-

ментально подтверждены основные технические решения, существенно влияющие на физические процессы в технической системе.

Значение для теории электромеханического преобразования энергии состоит в развитии теории индукционного нагрева в части анализа и оптимизации УИН во вращающемся магнитном поле постоянных магнитов, а также в сравнительном сопоставлении с традиционно используемыми техническими системами.

Практическая ценность. Разработаны рекомендации по проектированию и эксплуатации индукционных установок сквозного нагрева алюминиевой загрузки в поле вращающихся постоянных магнитов, а также методика их параметрической оптимизации в зависимости от требований производительности, габаритных размеров нагреваемой загрузки и качества нагрева.

Достоверность подтверждена сопоставлением результатов численного эксперимента, полученных с помощью разработанной математической модели, с результатами натурных исследований выполненных на опытном образце.

Реализация результатов диссертационной работы осуществлялась в ООО "Резонанс" при проектировании и использовании сквозного нагрева алюминиевых загрузок диаметром 60 мм (полезная мощность 5,5 кВт) и диаметром 175 мм (полезная мощность 80 кВт).

На защиту выносится:

1. Новое устройство для нагрева цветных металлов и установка для его реализации.

2. Трехмерная численная модель для анализа электромагнитного и теплового полей в индукционной системе "вращающийся ротор с постоянными магнитами - нагреваемая загрузка".

3. Методика проектирования установки и рекомендации по ее применению в технологических линиях на действующем производстве.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на: всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Молодежь и наука: начало XXI века" (Красноярск, 2007); пятнадцатой международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии" Томского политехнического университета, (г. Томск, 2008г); пятнадцатой ежегодной Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электроника и энергетика" Московского энергетического института (технического университета) (г. Москва, 2009 г.); четвертой научно-технической конференции с международном участием "Электротехника, электромеханика и электротехнологии" Новосибирского государственного технического университета (Новосибирск, 2009).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 13 печатных работах, в том числе 1 в издании по перечню ВАК.

Личный вклад автора состоит в разработке математических моделей, алгоритмов, программ расчета и оптимизации установки индукционного нагрева цилиндрической загрузки в поле постоянных магнитов, в проведении вычислений, организации и проведении физических экспериментов и обработки

результатов, в проведении проектно-конструкторских работ, в участии в проектировании новой технической системы для ОАО «Иркутский кабельный завод».

Структура и объем работы. Результаты работы изложены на 166 страницах текста, иллюстрированного 71 рисунком и 15 таблицами. Список использованных источников включает 110 наименований. Работа состоит из введения, четырех разделов текста с выводами, заключения, списка использованных источников и приложений.

Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулирована цель и задачи, их научная новизна, практическая ценность и реализация результатов работы, изложены основные положения, выносимые на защиту, отражены вопросы апробации и оценки достоверности полученных результатов.

В первом разделе даны основные термины и определения теории и практики индукционного нагрева и электрических машин, употребляемые по тексту рукописи, представлен обзор публикаций и результаты патентного поиска по тематике диссертации, а так же по ключевым элементам технической системы, в том числе механическим передачам, постоянным магнитам, электрическим машинам и частотно-регулируемому электроприводу.

Предложен способ нагрева и описание его преимуществ по сравнению с традиционной технологией. Проведен анализ методов расчета подобных технических систем и сформулирована постановка задачи.

Предлагаемый технический замысел предполагает, что вокруг нагреваемой цилиндрической загрузки 1 (рис. 1), вращаются постоянные магниты 2, расположенные в пазах 3 ротора 4. Между загрузкой 1 и магнитами 2 располагается теплоизоляция 5 в виде жесткой втулки закрепленной на внутренней поверхности ротора 4. Ротор 4 приводится во вращение электродвигателем 6 с помощью механической передачи 7.

На основе экспертной оценки было построено предположение, что для эффективного нагрева алюминиевой загрузки диаметром 60 мм, целесообразно использовать полый ротор с внутренним диаметром 64 мм и 16 пазами 10x10 мм с диапазоном возможных пар

полюсов от р=1 до р=8. По анало- я 7 4

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

гии с двухфазными обмотками (т-2) ширина фазной зоны была 180°. Число пазов ротора z соответствует числу магнитов. Число пазов (магнитов) на одну фазную зону q = z/2p. Так, например, для ротора с Z = 16 на рис. 1 может быть 4 варианта размещения магнитов по числу полюсов: 2р = 2,q < 8; 2р = 4, q < 4; 2р = 8, q < 2; 2р = 16, q = 1.

Рис. 1

Еще одним параметром, характеризующим размещение магнитов, является угол поляризации е. Если плоскость намагничивания постоянного магнита проходит через центр вращения ротора (рис. 3), то угол намагничивания е = 90°. Если плоскость намагничивания проходит по касательной к траектории вращения (рис. 2 и рис. 4), то е = 0°. При исследованиях угол намагничивания предусмотрено регулировать от е = 0° иг = 90°, что может быть реализовано при изготовлении постоянных магнитов.

Обычно роторы двигателей с постоянными магнитами выполняют из алюминия. Алюминий обладает высокой теплопроводностью, является слабым парамагнетиком и имеет высокие механические характеристики. Для концентрации магнитного потока бывает целесообразно использовать ферромагнитные вставки на часть зубца, как это показано на рис. 4.

При традиционном индукционном нагреве принято выбирать оптимальную частоту питания индуктора выше промышленной.

При нагреве загрузки предлагаемым способом для увеличения частоты вращения магнитного поля кроме увеличения числа полюсов ротора целесообразно увеличивать частоту вращения ротора за счет использования повышающей механической передачи и частотно-ре1улируемого электропривода. Но при этом необходимо так выбирать электродвигатель, источник его питания и механическую передачу, что бы повысить эффективность преобразования электрической энергии в тепловую. Для этого в расчетах необходимо учитывать не только электромагнитные процессы в системе «загрузка - ротор с магнитами», но и процессы в электроприводе. Режимные параметры электропривода связаны между собой через электромагнитный момент и частоту вращения ротора.

Рис. 2 Рис. 3 Рис. 4

Характер электромагнитного поля в предлагаемой установке подобен полю коллекторного электродвигателя на постоянных магнитах, в котором ротор с обмотками вращается внутри статора с постоянными магнитами. Известные в теории электрических машин методики расчета, основанные на аналитических выражениях, малопригодны для расчетов нагревателя на постоянных магнитах. Во-первых, электромагнитные и тепловые магнитные процессы в сплошной загрузке существенно отличаются от процессов в об-

мотке, уложенной в пазах. Во-вторых, между загрузкой 1 и магнитами 2 (см. рис.1) рабочий зазор может достигать 20 мм с целью размещения теплоизоляции 5. Поэтому было принято решение о необходимости создания трехмерной численной модели в программной среде ANS YS. При построении модели необходимо согласовывать электромагнитные параметры вращающейся загрузки (скорость вращения, электромагнитный момент и мощность на валу ротора) с рабочими характеристиками электропривода.

Созданная математическая модель для анализа электромагнитных и тепловых процессов в системе «загрузка - ротор с магнитами» и динамическая модель электрической машины, то есть система интегральных и дифференциальных уравнений, должны описывать изменение состояния электромеханического объекта в процессе нагрева загрузки из-за наличия температурной зависимости физических свойств нагреваемого металла.

Во втором разделе рассмотрена математическая модель для анализа электромагнитного поля в системе «загрузка - ротор с магнитами» и теплового поля в загрузке с учетом параметров электродвигателя.

Математическая модель разработана в программном комплексе ANSYS Multiphysics, для чего использован модуль ANSYS Electromagnetic для решения электромагнитной задачи и модуль ANSYS Thermal для решения тепловой задачи.

На рис. 5 и рис. 6 представлены сечения xz расчетной области в плоскости на линии вращения ротора и ху по нормали к оси вращения. На рис. 7 трехмерная модель системы «загрузка-ротор с магнитами» и система с конечноэле-ментной сеткой в ANSYS на рис. 8.

При моделировании электромагнитного поля в системе «загрузка-ротор с магнитами» были приняты следующие допущения:

1. Применена декартова система координат. Ее начало расположено в точке центра масс ротора. Ротор задан как неподвижный элемент, а вращение загрузки описано полем линейных скоростей в объеме загрузки.

2. Относительная магнитная проницаемость и удельная электропроводность спинки ротора, зубцов, магнитов и загрузки неизменны и не зависят от температуры (в отличие от удельной электропроводности загрузки, которая корректировалась как функция от температуры).

3. Не учитывается влияние некоторых конструктивных деталей (немагнитные элементы крепления заготовки, термопары и отверстия в заготовки для их размещения) на электромагнитное поле в нагреваемой загрузке. Эти компоненты признаны несущественными поскольку изменение их свойств во всем диапазоне возможных параметров не оказывает влияние на интегральные характеристики, например электромагнитный момент и, соответственно, полезную мощность в загрузке).

При решении тепловой задачи проведен анализ температурного поля в загрузке 1, при этом теплообмен с окружающей средой описан граничными условиями третьего рода. Сечение хг расчетной области в плоскости на линии вращения ротора представлено на рис. 9.

Рис. 7 Рис. 8

Степень дискретизации расчетной области определена исходя из погрешности не более 1% при сравнении полезной мощности (Р2) и электромагнитного момента (М) с учетом выражения:

где «2_ частота вращения ротора.

Основные допущения тепловой задачи:

1. Не учитывается влияние "теплового короткого замыкания" элементов крепления загрузки, противодействующего действию вращающего электромагнитного момента на заготовку.

2. Тепловым сопротивлением зазора между ротором и муфелем пренебре-гается. Теплообмен в зазоре учитывается законом Ньютона-Рихмана.

3. Температура окружающей среды неизменная и равна 20 С, а теплоотдача между внешней поверхностью муфеля и окружающей средой определяется граничными условиями третьего рода.

4. На торцевых поверхностях нагреваемой заготовки тепловой поток определяется через граничные условия третьего рода, в которых коэффициент теплоотдачи а задан по справочной литературе для алюминия.

Рис. 9

При анализе системы «асинхронный двигатель-ротор с магнитами» использована механическая характеристика исследуемого двигателя и уравнение динамического равновесия моментов:

с1т1

Mэ=2кJ—^■k + MPí (2)

где Мэ - электромагнитный момент асинхронного двигателя;

МР -электромагнитный момент ротора с магнитами, включающий в себя момент, обусловленный потерями холостого хода двигателя;

п2 - частота вращения ротора асинхронного двигателя (с учетом того, чю(с1п11сН)-к=с1п1 /Ж, здесь и,-частота вращения магнитного поля ротора с магнитами); к - коэффициент механической передачи;

р - число пар полюсов двигателя;

J - момент инерции связанных между собой ротора асинхронного двигателя и ротора с магнитами (определяемый экспериментально методом свободного выбега для разных вариантов расположения магнитов).

Необходимость учета теплового поля и определение скорости вращения ротора асинхронного двигателя п2 (ротора с магнитами п¡) вызвана тем обстоятельством, что при нагреве слитка с 20°С до 400°С (посередине на образующей цилиндрической загрузки, - точка 1 на рис.21) частота вращения ротора я/ , измеряемая экспериментально, возрастала с 6550 об/мин до 6750 об/мин.

Явление повышения скорости вращения ротора наблюдалось при математическом моделировании. На рис. 10 представлена: механическая характеристика асинхронного двигателя п2=/(Мэ)\ ротора с магнитами с учетом потерь мощности в ременной передаче

и" = /(М"э) = п2-к = f (М'э/к), где М"э-Мэ- ; загрузки при 20°С и удельной электропроводности у20°с=36,9Ю6 Ом-М"Ч = /(м;); загрузки при 400°С и удельной электропроводности у4оо°с= 13 106 Ом-М"1 <= /(м;).

Из рис. 10 видно, что по мере нагрева точка равновесия моментов А в «холодном режиме» переходит в точку В «горячего режима».

С помощью разработанной численной модели определяют дифференциальные параметры в любой момент времени, например для установившегося режима магнитная индукция (рис.11), сила Лоренца (рис.12), плотность тока (рис.13) или удельная активная мощность (рис.14) в поперечном сечении загрузки (а) и с торца (б).

Для принятия технических решений важным является определение интегральных параметров, полезной мощности в загрузке, в зависимости от конструктивных параметров, либо частоты вращения ротора с магнитами. Зависимость активной мощности от частоты вращения ротора с магнитами представлена на рис. 15. Она показывает, что полезная мощность, при увеличении частоты вращения возрастает. Для определения частоты вращения ротора с магнитами надо учитывать необходимую полную мощность, заданную равномерность нагрева по сечению и допустимые термические напряжения.

об'лтн

8000

1 при 400 "С '

7000

5000 1 м %0=п.мт<<)

5000 ! У......| г........!.............1.......-

4000 3000 / / » / 1 1 | 1 1 . / Г \n~mj !........1 ...

2000 1000 7 7 / / ' ¡1 ! Л !- 1 1 | ; -4 1 1 | ,

1 1 ! : " ГГ~ м,н.

О 5 10 15 20 25 30 35 40

Рис. 10

и

Р,,кВт

Рис. 15

Рис. 16

На рис. 17 и рис. 18 представлены результаты расчета различных вариантов исполнения ротора при 2=16, я=1, р=8, п,=8000 об/мин. А именно, на рис. 17 представлена зависимость выделяющейся полезной мощности в загрузке от

б) Рис.14

По первоначальной гипотезе автора, еще одним немаловажным конструктивным параметром при проектировании устройства являлся угол поляризации магнитов. Зависимости влияния угла поляризации магнитов на энергетическую эффективность нагрева цилиндрической загрузки представлены на рис. 16. Из графика видно, что наилучший угол поляризации в системе равен 90 градусов, то есть полюса постоянных магнитов должны быть направлены к оси вращения ротора и загрузки соответственно.

б) Рис.11

б) Рис.12

б) Рис.13

, об/мин ООО)

град.

-90' -60° -30°

Р. Вт/см3 300

изменения высоты магнитной (ц=200) вставки при ферромагнитном и парамагнитном материале спинки ротора, и магнитами для угла поляризации 90°, а на рис. 18 представлена зависимостьР2 = /(Нь) для угла поляризации магнитов 8=0°

Рис. 17 Рис. 18

Исходя из представленных графиков наилучшим вариантом является применение немагнитного (алюминиевого) ротора с поляризацией магнита по касательной к оси вращения (е=0°) и магнитной вставкой до середины высоты магнита в радиальном направлении Ъ (рис. 4).

В третьем разделе рассмотрена экспериментальная установка, разработанная и изготовленная для верификации результатов математического моделирования нагрева алюминиевой загрузки диаметром d2 = 60 мм и длинной 12 = 60 мм в магнитном поле вращающегося ротора с внутренним диаметром d¡ = 64 мм и длинной l¡ = 60 мм (см. рис. 5).

Трехмерная модель, спроектированная в системе автоматизированного проектирования, представлена на рис. 19, а на рис. 20 общий вид готового экспериментального образца.

Число магнитов в роторе z = 16, что позволяет использовать схемы крепления магнитов с числом полюсов от 2 до 16 (см. рис. 1). В качестве источников магнитного поля применены магниты сплава неодим-железо-бор (NdFeB) марки N45 с габаритами (axbxli) 10 х 10 х 60 мм. Электропривод снабжен ременной передачей с КПД црп = 0,91 (подтверждено экспериментально) и передаточным числом 2,35:1. Использован асинхронный электродвигатель марки АДМ 100L2Y2 с паспортными данными: мощность 5,5 кВт; частотой вращения 2850 об/мин; номинальный ток 10,7 А; номинальный КПД 86%. Частотный регулятор - транзисторный источник питания Triol АТ06-132 с паспортными данными: полная мощность 145 кВА; номинальный ток нагрузки 220 А; КПД 95%.

Для контроля температуры в алюминиевой загрузке размещено 4 термопары, в том числе: по центру в середине 1; на поверхности в середине 2; по центру на торце 3, на поверхности на торце 4 (рис. 21). Согласно схеме (рис. 22)

Рис. 19

Рис. 20

с транзисторного регулятора через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) поступают данные о напряжении, токе и мощности (г, и, в обмотках статора АДМ. Двигатель АДМ имеет механическую связь (МС) с ротором с магнитами (РМ). Частота вращения ротора с магнитами (и/) измерялась тахометром-частотомером с индукционным датчиком (ТЧ), показания которого передавались на ПК через АЦП. На ПК так же передавались 4 значения температуры (*/ ¡4) с термопар Т.

4

Рис. 21

Рис. 22

В заключение третьего раздела приведено сравнение температуры в процессе нагрева при численном моделировании и физическом эксперименте. График температуры загрузки, измеряемой в точке 2 (рис. 21) показан на рис. 23. Видно, что для исследуемых на опытной установки параметрах нагрева максимальная эффективность преобразования электрической энергии в тепловую будет при 8 парах полюсов. Но следует отметить, что увеличение числа пар полюсов не всегда ведет к увеличению эффективности нагрева. В зависимости от величины рабочего зазора и материала загрузки должен выбираться оптимальный полюсный шаг и скорость вращения ротора.

Погрешность в пределах 18% между расчетной и экспериментальной температуры в точке 1, показанная на рис. 24, обусловлена тем, что не учитывается тепловое короткое замыкание стальных винтов, удерживающих загрузку в неподвижном состоянии. В остальных точках закладки термопар погрешность лежит в приделах 5%.

Рис.23 Рис.24

В четвертом разделе изложена методика параметрической оптимизации установки сквозного индукционного нагрева загрузки во вращающемся магнитном поле. Она позволяет выполнить оптимизацию индукционной системы исходя из свойств материала загрузки, ее геометрических размеров, требований к производительности и качеству нагрева. В качестве оптимизационного алгоритма выбран генетический алгоритм Голланда. Его достоинство заключается в высокой надежности нахождения глобального оптимума при наличии локальных минимумов.

Необходимость оптимального поиска в части конструктивного исполнения индуктора заключается в том, что при расчете промышленной установки мощностью 110 кВт и использовании технических решений, использованных при разработке лабораторной установки, КПД установки составил около 19%. В ходе оптимизации удалось добиться теоретического КПД около 85%. Таким

образом, параметрическая оптимизация при разработке предлагаемого класса УИН должна стать обязательным мероприятием при проектировании.

В качестве оптимизируемых параметров использованы: число пар полюсов р= 1+25, число магнитов на одну фазу <7=1-25, угол поляризации магнитов £=-90+90, ширина магнитов а=3+50 мм, высота магнитов в радиальном направлении 6=3+50 мм, относительная магнитная проницаемость вставки на пол высоты магнита Н=Ы2 - //¿=1+1000, скорость вращения. Ограничения:

число магнитов г < , где А - высота немагнитного зазора, ат,„+3 - ми-

апйп +3

нимальная длина фазной зоны.

В качестве объекта для оптимизационного поиска выбран аналог индукционного нагревателя марки ОКБ894А для опрессовки кабельной продукции с диаметром загрузки <12=175 мм, длинной 12=438 мм, полезной мощностью 80 кВт.

В качестве целевой функции использована следующая:

д-д' + к2 1 + к3 п, - и,'

1 2 1 1

!

д Р к

г

где Р2 - заданная полезная мощность в загрузке; к/, к2, к3 - весовые коэффициенты; р - число пар полюсов;

п[ - заданная частота вращения ротора с магнитами. В таблице приведены результаты параметрической оптимизации нагревателя для различных вариантов целевой функции.

Таблица

Наименование параметра, ед. изм. Обозначение Диапазон варьирования Вариант исполнения

ДО опшмизации №1 №2 №3

1 2 3 4 5 6 7

Значение весовых коэффициентов к, к2 кз - 1 0 0 0,95 0 0,05 0,8 0,1 од

Высота магнита, мм Ъ Р- -50] 10 25 25 23,7

Ширина магнита, мм а ГЗ- -501 10 25 25 25

Число магнитов Ъ [2" -50] 40 20 20 24

Число парполюсов Р п- -251 20 5 5 6

Угол поляризации, град. 8 [-90+90] 0 -90 -90 -90

Магнитная проницаемость спинки, Гн/м Цеп [1+1000] 200 200 200 200

Окончание таблицы

1 2 3 4 5 6 7

Магнитная проницаемость зубца, Гн/м Из [1-1000] 200 123 300 1

Высота зубца, мм нь [0-501 10 25 25 23,7

Частота вращения ротора, об/мин. п [1000-6000] 6000 6000 3600 2920

Мощность, кВт Р - 20 150 80 114

Из таблицы видно, что проведение оптимизационного поиска позволило увеличить активную мощность, выделяемую в загрузке в 5,5 раза при сохранении требуемого немагнитного зазора и первоначальных параметрах постоянных магнитов. Так же удалось снизить скорость вращения ротора до 2920 об/мин, что позволяет отказаться от повышающего передаточного числа привода и ременной передачи, а, следовательно, повысить КПД системы. Видно, что существенное повышение энергетической эффективности преобразования электрической энергии в тепловую дает использование немагнитных зубцов ротора с магнитной проницаемостью ¡j. =1 и ферромагнитной спинкой ротора с относительной магнитной проницаемостью ц не менее 200 относительных единиц. Данному критерию соответствует практически любая конструкционная сталь.

В заключении параметрического поиска исследована зависимость чувствительности полученного решения от угла поляризации магнита и относительной магнитной проницаемости вставки (рис. 25 и рис. 26), поскольку эти параметры влияют на технологичность изготовления ротора с магнитами. Применение магнита с е=90° и вставки между полюсами с ¡и=1 приводит к увеличению мощности на 24 кВт.

Рис. 25 Рис. 26

Результаты исследований применены при проектировании индукционного нагревателя аналогичного ОКБ894А для ОАО «Иркутский кабельный завод».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. На основе анализа техники индукционного нагрева цветных металлов показано, что традиционный нагрев в продольном магнитном поле соленои-дального индуктора имеет ограничение КПД на уровне 50%. Для того, чтобы увеличить энергетическую эффективность предложен и рассмотрен способ нагрева во вращающемся поле постоянных магнитов, КПД которого ограничен только КПД электропривода и может достигать 90%, а коэффициент мощности определяется параметрами электродвигателя и составляет не менее 0,9.

2. Обобщен опыт использования, расчетов и проектирования аналогичных разработанной магнитных систем и вспомогательных подсистем, автоматизированного частотного электропривода, комплекса механических передач и постоянных магнитов. Обоснован способ расчета мощности тепловыделения через электромагнитный момент, действующий на загрузку.

3. Разработана и испытана экспериментальная установка нагрева алюминиевой загрузки диаметром 60 мм с ротором, состоящим из 16 постоянных магнитов, вращаемых вокруг загрузки двигателем мощностью 5,5 кВт по-средствам клиноременной передачи. На установке удалось добиться КПД 72%. Потери обусловлены относительно невысоким КПД асинхронного двигателя мощностью 5,5 кВт и клиноременной передачи (для установки для нагрева алюминия такого диаметра при использовании традиционной технологии КПД не более 34%).

4. Построена параметрическая численная модель для анализа электромагнитных и тепловых полей в системе «загрузка—ротор с магнитами», связанная с параметрами электропривода через частоту вращения ротора с магнитами и электромагнитным моментом создаваемой загрузкой.

5. Разработан алгоритм параметрической оптимизации конструктивных параметров ротора с магнитами по совокупности критериев: от материала и габарита загрузки, требования к производительности и качеству нагрева загрузки. В качестве целевой функции принята активная мощность, частота вращения ротора и число пар полюсов, в качестве параметров оптимизации являются геометрические размеры магнитов, высота зубца магнитопровода, число магнитов, число пар полюсов, угол поляризации магнита, магнитная проницаемость зубца и спинки магнитопровода.

6. На основании математического моделирования и физического эксперимента разработано техническое решение по реализации замысла по проектированию опытно-промышленного образца с установленной мощностью свыше 100 кВт. В частности осуществлен выбор материла ротора, магнитов, концентраторов магнитного потока, типа электропривода. В результате принятых решений удалось добиться КПД системы 85% (КПД двигателя 91%), что выше существующей энергетической эффективности аналога ОКБ894А равной 28%. На основе полученных результатов выполнен проект с привязкой индуктора на ОАО «Иркутский кабельный завод».

7. Разработаны рекомендаций и методики проектирования установок на производительность установок от 0,1 тонны в час до 3 тонн в час и габаритные размеры нагреваемой цилиндрической загрузки от 50 мм до 500 мм.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Статьи по списку ВАК:

1. Головенко Е.А. Результаты математического моделирования процесса нагрева цилиндрической загрузки в однофазном индукционном нагревателе. / Е.А. Головенко, Е.С. Кинев, М.В. Первухин, Д.В. Хохлов, A.B. Комаров, К.А. Михайлов // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета, №3, ред. А.С.Востриков. Новосибирск-НГТУ,2010г.-С. 19-25.

Прочие публикации:

2. Михайлов Д.А. Исследование распределения температуры в металлическом электроде / ДА. Михайлов, К.А. Михайлов, A.A. Темеров, А.К. Федюкович А. К. // Молодежь и наука - третье тысячелетие: Сборник материалов Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Красноярск - КГТУ, 2006 г. - С. 435-442.

3. Михайлов ДА. Исследование влияния диаметра каналов индукционной единицы на коэффициент мощности ИКП / ДА. Михайлов, К.А. Михайлов // Молодежь и наука: начало XXI века: Сборник материалов Всероссийской научно - технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Красноярск - СФУ, 2007 г. - 4.4. - С. 162-163.

4. Михайлов Д.А. Определение тепловой эффективности карбидокремниевых нагревателей, используемых в электротермических устройствах для приготовления алюминиевых сплавов / Д.А. Михайлов, К.А.Михайлов // Молодежь и наука: начало XXI века: Сборник материалов Всероссийской научно - технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Красноярск - СФУ, 2007 г. - Ч. 1. - С. 247-249.

5. Михайлов Д.А. Исследование влияния диаметра каналов индукционной единицы на коэффициент мощности ИКП / Д.А. Михайлов, К.А. Михайлов // Молодежь и наука: начало XXI века: Сборник материалов Всероссийской научно - технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Красноярск - СФУ, 2007 г. - Ч. 1. - С. 235-236.

6. Михайлов Д.А. Исследование применения высокоогнеупорных материалов в качестве нагревательных элементов / Д.А. Михайлов, К.А. Михайлов, A.A. Темеров // Современные техника и технологии: Материалы XIII международной научно — практической конференции. Томск - ТПУ, 2007 г.-С. 233-235.

7. Михайлов К.А. Исследование возможности повышения эффективности индукционного нагрева цветных металлов /К.А. Михайлов, В.Ю. Неверов, A.A. Авдулов // XV Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов РАДИОЭЛЕКТРОННИКА, РАДИОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА. Москва-МЭИ, 2009 г. -С. 163-164.

8. Ковальский В.В. Оптимизация параметров плоской линейной индукционной машины с жидкометаллическим рабочим телом / В.В.

Ковальский, К.А. Михайлов, В.Ю. Неверов // XV Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов РАДИОЭЛЕКТРОННИКА, РАДИОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА. Москва - МЭИ, 2009 г. - С. 165-166.

9. Михайлов К.А. Математическое и физическое моделирование индукционного нагрева в поле постоянного электромагнита / К.А. Михайлов, В.В. Ковальский, Е.С. Кинев // Четвертая научно-техническая конференция с международным участием «ЭЛЕКТРОТЕХНИКА, ЭЛЕКТРОМЕХАННИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ». Новосибирск -НГТУ, 2009г. - С. 200-203.

10. Михайлов К.А. Разработка индукционного нагрева в поле постоянного магнита / К.А. Михайлов, В.А. Горемыкин // XVII Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» СТТ-2011. Томск-НИТПУ, 2011 г. -Т.З. -С. 233-234.

11. Михайлов Д.А. К вопросу повышения надежности и энергетической эффективности нагревателей электрических миксеров для приготовления сплавов на основе алюминия / Д.А. Михайлов, К.А. Михайлов // XVII Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» СТТ-2011. Томск - НИТТТУ, 2011 г. - Т.З. -С. 231-232.

12. Михайлов К.А. Анализ изменения энергетической эффективности системы нагрева установки для обработки алюминия / Д.А. Михайлов, К.А. Михайлов // Всероссийский конкурс научно-исследовательских работ студентов и аспирантов в области информатики и информационных технологий в рамках Всероссийского фестиваля науки. Белгород - БГНИУ, 2011 г. - Т.2. - С. 34-40.

13. Головенко Е.А. Энергоэффективная технология индукционного нагрева цветных металлов / Е.А. Головенко, В.А. Горемыкин, И.С. Гудков, Е.С. Кинев, К.А. Михайлов // Третий международный конгресс «Цветные металлы-2011». Красноярск, 2011 г. - С. 627-630.

Михайлов Константин Александрович ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ТЕПЛОВУЮ ПРИ ВРАЩЕНИИ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ ВОКРУГ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ЗАГРУЗКИ

Подписано в печать 11.11.2011 Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,0 Тираж 110 экз. Заказ 5386

Отпечатано полиграфическим центром Библиотечно-издательского комплекса Сибирского федерального университета 660041 Красноярск, пр. Свободный, 82а Тел/факс (391)249-74-81, 249-73-55 E-mail: print_sfu@mail.ru; http://lib.sfu-kras.ru

Введение

1 Обзор теории и практики индукционного нагрева цветных металлов, постановка задачи повышения энергетической эффективности нагрева.

1.1 Требования к нагреву, способы нагрева цветных металлов и их сравнительный анализ.

1.2 Способы нагрева алюминиевых заготовок.

1.2.1 Нагрев в пламенных печах.

1.2.2 Нагрев в печах сопротивления.

1.2.3 Установки кондукционного нагрева.

1.2.4 Установки индукционного нагрева.

1.3 Сравнительный анализ энергетической эффективности способов нагрева алюминиевых заготовок.

1.4 Сквозной нагрев алюминиевых заготовок в соленоидальных индукторах с продольным магнитным полем.

1.5 Способы нагрева алюминиевых заготовок в поперченном магнитном поле.

1.5.1 Обзор технических решений с применением технологии нагрева в магнитном поле постоянных магнитов.

1.5.2 Нагрев алюминиевых заготовок в магнитном поле постоянного электромагнита со сверхпроводящей обмоткой.

1.6 Предлагаемая технология нагрева цветных металлов в поперченном магнитном поле вращающихся постоянных магнитов.

1.6.1 Элементы конструкции установки нагрева заготовки в поперечном магнитном поле.

1.7 Методы расчета электромагнитных систем с поперечным магнитным полем.

1.7.1 Аналитический метод расчета.

1.7.2 Численный метод расчета.

1.7.3 Выбор метода расчета установки нагрева заготовок в магнитном поле постоянных вращающихся магнитов.

1.8 Методы и средства оптимального проектирования.

1.8.1 Опыт применения средств оптимального проектирования установок индукционного нагрева.

1.9 Выводы по разделу.

2 Математическая модель установки нагрева алюминиевых заготовок в магнитном поле вращающихся постоянных магнитов.

2.1 Постановка задачи и основные допущения.

2.2 Математическая модель для анализа электромагнитного поля.

2.3 Математическая модель для анализа теплового поля в цилиндрической загрузке.

2.4 Модуль для расчета интегральных параметров и алгоритм расчета математической модели.

2.5 Анализ интегральных и дифференциальных характеристик электромагнитного и теплового полей в системе «загрузка - ротор с магнитами».

2.6 Выводы по разделу.

3 Экспериментальные исследования на лабораторной установке нагрева слитков во вращающемся поле постоянных магнитов.

3.1 Предпосылки для разработки лабораторной установки.

3.2 Лабораторная установка нагрева цилиндрических слитков в магнитном поле вращающихся постоянных магнитов.

3.3 Система измерений.

3.4 Результаты экспериментальных исследований на лабораторной установке.

3.5 Выводы по разделу.

4 Модернизация индукционного нагревателя периодического действия

ОКБ-894а с использованием методов оптимизации.

4.1 Описание действующей установки.

4.2 Описание опытно-промышленного образца установки нагрева слитков во вращающемся магнитном поле.

4.3 Оптимизация индукционного нагревателя с использованием оптимизационного алгоритма Холланда.

4.4 Выводы по разделу.

Установленная мощность индукционных сквозных нагревателей цветных металлов достигает десятков и даже сотен мегаватт, при этом энергетическая эффективность преобразования электрической энергии в тепловую в этих установках редко достигает 60 %. Это обусловлено высокой удельной электропроводностью нагреваемого металла (алюминий, медь, латунь), сопоставимой с электропроводностью обмоток индуктора.

Различные научные школы не оставляют попыток создания новой технологии с повышенными энергетическими показателями. Например, в проекте ALUHEAT, Европейского союза, выполняемом с 2005 по 2008 годы силами 6 научных центров Европейского союза (Германия, Италия, Финляндия, Польша, Чехия, Норвегия) предложено устройство, предполагающее вращение алюминиевой загрузки в поле электромагнита со сверхпроводящей обмоткой. Другим примером работ в направлении повышения энергетической эффективности установок индукционного нагрева (УИН) являются работы по созданию многослойных обмоток выполняемые научно-исследовательским центром Британского совета по электричеству, а также А. Е. Слухоцким, B.C. Немковым, Е.А. Головенко, Е.С. Киневым и другими учеными. До сих пор в промышленности для сквозного нагрева цветных металлов используют соленоидальные много-витковые индукторы с продольным магнитным полем из проводника в виде полой медной или алюминиевой трубки, несмотря на их низкую энергетическую эффективность. В результате затраты на компенсацию потерь электроэнергии существенно превышают расходы на амортизацию установки в структуре себестоимости готового продукта, а цены на энергию продолжают расти.

В настоящей работе рассмотрены особенности решения задачи нагрева, основанного на вращении постоянных магнитов вокруг неподвижной загрузки. КПД такой индукционной системы ограничен параметрами электродвигателя и механической передачи, приводящих магниты во вращение.

Главной трудностью предлагаемого замысла является отсутствие строгих теоретических основ для расчета индукционной системы и практических рекомендаций по ее проектированию. Перед автором работы стояла задача разработки методики расчета новой технологической системы на основе численного моделирования и верификации математической моделей на основе натурных исследований на установке малой мощности (5,5 кВт) с целью дальнейшего масштабирования новой технологии.

Объект исследования - индукционная установка сквозного нагрева цилиндрической загрузки во вращающемся магнитном поле постоянных магнитов.

Предмет исследования — процесс преобразования электрической энергии в тепловую в индукционной системе «вращающиеся постоянные магниты - нагреваемая загрузка» в части влияния режимов работы и конструкции установки на энергетическую эффективность.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности преобразования электрической энергии в тепловую энергию при нагреве заготовки, на основе использования поперечного вращающегося магнитного поля постоянных магнитов, исследование физических явлений и процессов в предлагаемой электромеханической системе, создание методики проектирования и рекомендаций по конструированию предлагаемых индукционных нагревателей с повышенной энергетической эффективностью.

Для достижения цели необходимо решение следующих задач:

1. Проанализировать физические явления, процессы и модели в предложенной технической системе, и выбрать методы расчета. Обобщить опыт использования, расчетов и проектирования аналогичных предложенной магнитных систем и вспомогательных подсистем (в частности автоматизированного частотного электропривода и механической передачи).

2. Спроектировать опытную установку и исследовать физические процессы в технической системе мощностью до 10 кВт с целью подтверждения технологического эффекта, энергетической эффективности и последующей верификации разрабатываемых расчетных моделей.

3. Разработать параметрическую численную модель для исследования электромагнитных и тепловых процессов в индукционной системе "ротор -загрузка" и ее верифицировать путем сопоставления результатов численных и натурных экспериментов.

4. Создать алгоритмы оптимизации промышленных установок УИН на основе вращения постоянных магнитов вокруг нагреваемой загрузки с использованием разработанной численной параметрической модели.

5. Выбрать и обосновать техническое решение опытно-промышленного образца мощностью 100 кВт и выше на основании натурных исследований и математического моделирования.

6. Сформировать рекомендации и методику проектирования установок на различную производительность и габаритные размеры нагреваемой цилиндрической загрузки.

Методы исследования. В работе использован метод конечных элементов (МКЭ) для решения задачи анализа электромагнитного и теплового полей (пакет программ АЫ8У8), методы параметрической оптимизации, методы сбора и анализа физических параметров в программной среде ЬаЬУ1е\¥. Теоретические исследования проводились с применением законов электротехники и теплотехники, теории установок индукционного нагрева и электрических машин.

Научная новизна результатов диссертации:

1. Исследован принцип действия установки сквозного нагрева алюминиевой загрузки во вращающемся поле постоянных магнитов. Выявлены закономерности эффективного преобразования электрической энергии в энергию электромагнитного поля и затем в тепловую энергию в зависимости от геометрических размеров магнитов, высоты зубцов, магнитной прони6 цаемости используемых материалов, числа пар полюсов, частоты вращения ротора и угла поляризации магнитов.

2. Разработана трехмерная численная модель для анализа электромагнитного и теплового полей в индукционной системе с учетом ее влияния на работу регулируемого электропривода ротора индукционной установки.

3. Построен алгоритм параметрической оптимизации конструктивных параметров и режимов работы разработанной технической системы. Экспериментально подтверждены основные технические решения, существенно влияющие на физические процессы в технической системе.

Значение для теории электромеханического преобразования энергии состоит в развитии теории индукционного нагрева в части анализа и оптимизации УИН во вращающемся магнитном поле постоянных магнитов, а также в сравнительном сопоставлении с традиционно используемыми техническими системами.

Практическая ценность. Разработаны рекомендации по проектированию и эксплуатации индукционных установок сквозного нагрева алюминиевой загрузки в поле вращающихся постоянных магнитов, а также методика их параметрической оптимизации в зависимости от требований производительности, габаритных размеров нагреваемой загрузки и качества нагрева.

Достоверность подтверждена сопоставлением результатов численного эксперимента, полученных с помощью разработанной математической модели, с результатами натурных исследований выполненных на опытном образце.

Реализация результатов диссертационной работы осуществлялась в ООО "Резонанс" при проектировании и использовании сквозного нагрева алюминиевых загрузок диаметром 60 мм (полезная мощность 5,5 кВт) и диаметром 175 мм (полезная мощность 80 кВт).

На защиту выносится:

1. Новое устройство для нагрева цветных металлов и установка для его реализации.

2. Трехмерная численная модель для анализа электромагнитного и теплового полей в индукционной системе "вращающийся ротор с постоянными магнитами - нагреваемая загрузка".

3. Методика проектирования установки и рекомендации по ее применению в технологических линиях на действующем производстве.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на: всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Молодежь и наука: начало XXI века" (Красноярск, 2007); пятнадцатой международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии" Томского политехнического университета, (г. Томск, 2008г); пятнадцатой ежегодной Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электроника и энергетика" Московского энергетического института (технического университета) (г. Москва, 2009 г.); четвертой научно-технической конференции с международном участием "Электротехника, электромеханика и электротехнологии" Новосибирского государственного технического университета (Новосибирск, 2009).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 13 печатных работах, в том числе 1 в издании по перечню ВАК.

Личный вклад автора состоит в разработке математических моделей, алгоритмов, программ расчета и оптимизации установки индукционного нагрева цилиндрической загрузки в поле постоянных магнитов, в проведении вычислений, организации и проведении физических экспериментов и обработки результатов, в проведении проектно-конструкторских работ, в участии в проектировании новой технической системы для ОАО «Иркутский кабельный завод».

Структура и объем работы. Результаты работы изложены на 166 страницах текста, иллюстрированного 71 рисунком и 15 таблицами. Список использованных источников включает 110 наименований. Работа состоит из введения, четырех разделов текста с выводами, заключения, списка использованных источников и приложений.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. На основе анализа техники индукционного нагрева цветных металлов показано, что традиционный нагрев в продольном магнитном поле соле-ноидального индуктора имеет ограничение КПД на уровне 50%. Для того, чтобы увеличить энергетическую эффективность предложен и рассмотрен способ нагрева во вращающемся поле постоянных магнитов, КПД которого ограничен только КПД электропривода и может достигать 90%, а коэффициент мощности определяется параметрами электродвигателя и составляет не менее 0,9.

2. Обобщен опыт использования, расчетов и проектирования аналогичных разработанной магнитных систем и вспомогательных подсистем, автоматизированного частотного электропривода, комплекса механических передач и постоянных магнитов. Обоснован способ расчета мощности тепловыделения через электромагнитный момент, действующий на загрузку.

3. Разработана и испытана экспериментальная установка нагрева алюминиевой загрузки диаметром 60 мм с ротором, состоящим из 16 постоянных магнитов, вращаемых вокруг загрузки двигателем мощностью 5,5 кВт посредствам клиноременной передачи. На установке удалось добиться КПД 72%. Потери обусловлены относительно невысоким КПД асинхронного двигателя мощностью 5,5 кВт и клиноременной передачи (для установки для нагрева алюминия такого диаметра при использовании традиционной технологии КПД не более 34%).

4. Построена параметрическая численная модель для анализа электромагнитных и тепловых полей в системе «загрузка-ротор с магнитами», связанная с параметрами электропривода через частоту вращения ротора с магнитами и электромагнитным моментом создаваемой загрузкой.

5. Разработан алгоритм параметрической оптимизации конструктивных параметров ротора с магнитами по совокупности критериев: от материала и габарита загрузки, требования к производительности и качеству нагрева загрузки. В качестве целевой функции принята активная мощность, частота вращения ротора и число пар полюсов, в качестве параметров оптимизации являются геометрические размеры магнитов, высота зубца магнитопровода, число магнитов, число пар полюсов, угол поляризации магнита, магнитная проницаемость зубца и спинки магнитопровода.

6. На основании математического моделирования и физического эксперимента разработано техническое решение по реализации замысла по проектированию опытно-промышленного образца с установленной мощностью свыше 100 кВт. В частности осуществлен выбор материла ротора, магнитов, концентраторов магнитного потока, типа электропривода. В результате принятых решений удалось добиться КПД системы 85% (КПД двигателя 91%), что выше существующей энергетической эффективности аналога ОКБ894А равной 28%. На основе полученных результатов выполнен проект с привязкой индуктора на ОАО «Иркутский кабельный завод».

7. Разработаны рекомендаций и методики проектирования установок на производительность установок от 0,1 тонны в час до 3 тонн в час и габаритные размеры нагреваемой цилиндрической загрузки от 50 мм до 500 мм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Арсентьев, П. П. Общая металлургия / П. П. Арсентьев, В. В. Яковлев, М. Г. Крашенинников. М.: Металлургия, 1986.

2. Баринов, Н. А. Технология металлов / Н. А. Баринов, А. Ф. Ланда, П. С. Паутынский. М.: Наука, 1983.

3. Воскобойников, В. Г. Общая металлургия / В. Г. Воскобойников, В. А. Кудрин, А. М. Якушев. М.: Металлургия, 1979.

4. Кривандин, В.А. Металлургические печи / В. А. Кривандин, Г. С. Молчанов, С. Л. Соломенцев. М.: Металлургия, 1969. 618 с.

5. Тебеньков, Б.П. Металлургические печи / Б.П. Тебеньков. М.: Металлургия, 1980.

6. Гутман, М. Электрические печи сопротивления и дуговые печи / М. Гутман. М.: Энергоатомиздат, 1983.

7. Свенчанский, А. Д. Пути рациональной эксплуатации электрических печей соротивления / А. Д. Свенчанский. М.: Гоэнергоиздат, 1961. 80 с.

8. Свенчанский, А. Д. Электрические промышленные печи. Ч. 1. Электрические печи сопротивления / А. Д. Свенчанский. М.: Энергия, 1975. -384 с.

9. Альтгаузен, А. П. Электротермическое оборудование: Справочник / А. П. Альтгаузен. М.: Энергия, 1980. - 416 с.

10. Галевский, Г. В. Металлургия вторичного алюминия: Учебн. пособие для вузов / Г. В. Галевский, Н. М. Кулагин, М. Я. Минцис. Новосибирск: Наука. Сибирское предприятие РАН, 1998. - 289 с.

11. Фомин, Н. И. Электрические печи и установки индукционного нагрева / Н. И. Фомин, Л. М. Затуловский. М.: Металлургия, 1979. - 247 с.

12. Слухоцкий, А. Е. Установки индукционного нагрева / А. Е. Слухоцкий, В. С. Немков, Н. А. Павлов, А. В. Бамунер. Л.: Энергоиздат, 1981.-328с.

13. Matsubara, Y. Induction hardening of gears by dual frequency induction heating / Y, Matsubara, M. Kumagawa, Y. Watanabe. J. Jpn. Soc. Heat Treatment, 29(2): 92-98 (1989).

14. Storm, J. M. Dual frequency induction gear hardening / J. M. Storm, M. R. Chaplin. Gear Technol. 10(2): 22-25 (1993).

15. Лякишев H. П. Энергетические аспекты металлургии стали/ Н. П. Лякишев, А.В. Николаев // Сталь. 2002. -№3. - С.66-73.

16. Binns, К. J. The Analytical and Numerical Solution of Electric and Magnetic Fields / K. J. Binns, P. J. Lawrenson, C. W. Trowbridge. Wiley, New York, 1992.-p. 451.

17. Вологдин, В. П. Поверхностная индукционная закалка. М.: Оборонгиз, 1947. - 291 с.

18. Тамм, И. Е. Основы теории электричества. М. Наука, 1976. - 616 с.

19. Простяков, А. А. Индукционные печи и миксеры для плавки чугуна / А. А. Простяков. М.: Энергия, 1977. - 218 с.

20. Пат. 7339145 США, МПК7 Н05В 6/10. Apparatus and method for induction heating of pieces of electrically conducting and non-magnetic material/ N. Magnusson (США). №2004/066681, Заявлено 05.08.2004; Опубл. 21.01.2005.

21. Пат. 2009126850 США, МПК7 Н05В6/02. Inductive heating using permanent magnets for hardening of gear teeth and components alike / J. Stephen (США). Заявлено 14.02.2009; Опубл. 15.10.2009.

22. Демидович, В. Б. Применение индукционного нагрева в металлургической промышленности / В. Б. Демидович. М.: 2003.

23. Magnusson, N. Prospects for rotating billet superconducting induction heating / Proceedings of the International Symposium on Heating by Electromagn // Sources-Padua, 2007. P. 479-486.

24. Ulferts, A., Nacke, B. ALUHE AT-Asuperconducting approach of an aluminium billet heater / A. Ulferts, B. Nacke // International Scientific Colloquium Modelling for Electromagnetic Processing. Hannover, Oct. 27-29 2008. P. 71-76.

25. Рапопорт, Э. JI. Оптимизация процессов индукционного нагрева металла / Э. JI. Рапопорт М.: Металлургия, 1993. 279 с.

26. Nacke, В. Numerical simulation of induction heating of aluminum billets by rotation in DC magnetic field / B. Nacke, M. Zlobina, A. Nikanorov // Proceedings of the International Symposium on Heating by Electromagnetic Sources. Padua, 2007. P. 497-504.

27. Тимошенко, С. П. Теория упругости / С. П. Тимошенко, Дж. Гудьер -М.: Наука, 1975. 576 с.

28. Рапопорт, Э. Я. Оптимальное управление системами с распределенными параметрами / Э. Я. Рапопорт М.: Высш. шк. 2009. 677 с.

29. Pleshivtseva, Yu. Timeoptimal control of energy-efficient heating of aluminum billets rotating in DC magnetic field / Yu. Leshivtseva, N. Zaikina, B. Nacke // Przeglad Electro-techniczny (Electrical Review). 2008. R. 84 № U/2008. P. 120-123.

30. Куневич, А. В. Ферриты: Энциклопедический справочник. Магниты и магнитные системы. Том 1 / А. В. Куневич, А. В. Подольский, И. Н. Сидоров. -М.: 2004 г.

31. Вольдек, А. И. Электрические машины: Учебн. для вузов / А.И. Вольдек. Д.: Энергия, 1974. - 840 с.

32. Немков, В. С. Теория и расчет устройств индукционного нагрева / В. С. Немков, В. Б. Демидович. JI. : Энергоиздат, 1988. - 280 с.

33. Копылов, И. П. Электрические машины / И. П. Копылов. М.: Энергия, 2000. 608 с.

34. Иванов-Смоленский, А. В. Электромагнитные поля и процессы в электрических машинах и их физическое моделирование / A.B. Иванов-Смоленский. М.: Энергия, 1969. - 304 с.

35. Домбровский, В. В. Справочное пособие по расчету электромагнитного поля в электрических машинах / В. В. Домбровский. Л.: Энергоатомиздат, 1983. - 256 с.

36. Сливинская, А. Г. Постоянные магниты / А. Г. Сливинская, А. В. Гордон. -М.: Энергия, 1965. 129 с.

37. Коген-Далин, В. В. Расчет и испытание систем с постоянными магнитами / В. В. Коген-Далин, Е. В. Комаров. М.: Энергия, 1977.

38. Дедовский, А. Н. Электрические машины с высококоэрцитивными магнитами / А. Н. Дедовский. М.: Энергоиздат, 1985. - 169 с.

39. Фейнман, Р. Фейнмановские лекции по физике. Вып. 7 «Физика сплошных сред» / Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс. М., Мир, 1966.

40. Пятин, Ю. М. Постоянные магниты справочник / Ю. М. Пятин. М.: Энергия, 1980.

41. Wei-nong, Fu. Direct modeling of induction motors with skewed rotor slots using 2-D multi-slice model and time stepping FEM / Fu. Wei-nong, Jiang Jian-zhong//Shanghai Univ. -2000. -4, № 2. P. 133-139.

42. Heinemann, G. Selbsteinstellende, feldorientierte Regelung fur einen asynchronen Drehstromantrieb / Dissertation Braunschweig Technische Universität Carolo-Wilhelmina, 1992. - 114 S.

43. Takahashi, T. New quick-response and high-efficiency control strategy of an induction motor / Т. Takahashi, A. Noguchi // IEEE Trans, on Industry Applications, Vol.IA-22, No. 5, September/October 1986, pp. 820-827.

44. Schofield. J. Variable speed drives using induction motors and direct torque control / J. Schofield // ABB Industrial Systems Ltd., IEE, Savoy Place, London 1998, pp. 5/1-5/7.

45. Fabbri, M. DC induction heating of aluminum billets by means of superconducting magnets / M. Fabbri, A. Morandi, P. Ribani // Proceedings of the International Symposium on Heating by Electromagnetic Sources Padua. - 2007. -Pp. 505-512.

46. Коршиков, С.Е. Моделирование полей температур итермонапряжений в процессе нагрева алюминиевых заготовок, вращающихсяв магнитном поле постоянного тока / С. Е. Коршиков, Н. В. Заикина, Г. С.

47. Рыбалко // Труды конф. молодых ученых. Вып. 4: Математическое156моделирование и программное обеспечение. Санкт-Петербург: СПбГУ ИТМО, 2009. - С. 127-132.

48. Марков, Б. Л. Физическое моделирование в металлургии / Б.Л. Марков, А.А. Кирсанов. -М.: Металлургия, 1984. 304с.

49. Банди, Б. Методы оптимизации. Вводный курс.: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1988. - 128 с.

50. Батищев, Д. И., Исаев, С. А. Решение задач математического программирования с помощью эволюционных вычислений. / Тезисы доклада на Всеросс. конференции «Математическое программирование и приложения». Екатеринбург, УрО РАН 1997 г. Стр. 29.

51. Dughiero, F. An optimization procedure for Electromagnetic Confinement and Levitation Systems / F. Dughiero, M. Guarnieri, S. Lupi // IEEE Trans, on Magnetics, Vol. 29 no. 2, March 1993, pp. 1758-1761.

52. Battistetti, M. Optimization Techniques Applied to the Design of Continuous Induction Hardening and Tempering Lines / M. Battistetti, F. Dughiero, S. Lupi // 1st International Induction Heat Treating Symposium, Indianapolis, USA, 15-18 September 1997.

53. Goldberg, D.E. Genetic algorithms in search, optimization and machine learning. Library of Congress Cataloging-in-Publication Data. 1989.

54. Блинов, Ю. И. Современные энергосберегающие электротехнологи: Учеб. пособие для вузов / Ю. И. Блинов, А. С. Васильев, А. Н. Никаноров. -СПб: Издательство СПб ГТУ «ЛЭТИ», 2000. 564 с.

55. Каплун, А. Б. ANSYS в руках инженера: Практическое руководство / А. Б. Каплун, Е. М. Морозов, М. А. Олферьева. М.: Едиториал УРСС, 2003.- 272 с.

56. Грюнер, А. И. Анализ магнитного поля ротора, представляемого магнитной цепью с распределенными параметрами / А. И. Грюнер, Е. С. Кинев, В. А. Павлов // Электричество, 1991. -№ 5. С. 68-75.

57. Кинев, Е. С. Вопросы количественной оценки состояния короткозамкнутой обмотки роторов асинхронных двигателей / Е. С. Кинев // Оптимизация режимов работы систем электроприводов: межвуз. сб. науч. тр.- Красноярск: КрПИ, 1990. С. 35-38.

58. Nemkov, V. S. Role of Computer Simulation in Induction Heating Techniques. Proceedings of the International Induction Heating Seminar, Padua, Italy, May 1998, pp. 301 309.

59. Moaveni, S. Finite Element Analysy. Theory and Application with Ansys / S. Moaveni. // New Jersey:Prentice-Hall. 272 p.

60. Zienkiewicz, О. C. The finite element method. Volume 1: The basis / O. C. Zienkiewicz, R. L. Taylor. Woburn: Butterwort-Heinemann, 2000. 712 p.

61. Слухоцкий, A. E. Индукторы для индукционного нагрева / А. Е. Слухоцкий, С. Е. Рыскин. Л.: Энергия, 1974. - 264 с.

62. Михеев, М. А. Основы теплопередачи / М. А. Михеев, И. М. Михеева. -М.: Энергия, 1977. 344 с.

63. Кутателадзе, С.С. Справочник по теплопередаче / С.С. Кутателадзе,

64. B.М. Боришанский. М.: Госэнергоидат, 1958. - 418 с.

65. Брынский, Е.А. Электромагнитные поля в электрических машинах / Е.А. Брынский, Я.Б. Данилевич, В.И. Яковлев. М.: Энергия, 1979. - 176 с.

66. Чечурин, В.А. Расчет магнитного поля в зазоре электрических машин / В.А. Чечурин, A.A. Иванов. Л., 1990.

67. Ивоботенко, Б.А. Планирование эксперимента в электромеханике / Б.А. Ивоботенко, Н.Ф. Ильинский, И.П. Копылов. М.: Энергия, 1975. - 184 с.

68. Веников, В.А Теория подобия и моделирования (применительно к задачам электроэнергетики) / В. А. Веников, Г. В. Веников. М.: Высш. шк., 1984.

69. Седов, Л. И. Методы подобия и размерности в механике, 10 изд. /Л. И. Седов.-М., 1987;

70. Кутателадзе, С. С. Анализ подобия и физическое моделирование / С.

71. C. Кутателадзе. -М.: Энергия, 1987.

72. Ильинский, Н.Ф. О применении методов планирования эксперимента к задачам анализа и синтеза электрических машин / Н. Ф. Ильинский, И. П. Копылов, Н.Л. Кузнецов. Электричество, 1970, № 2.

73. Токарев, Б.Ф. Разработка методики ускоренных ресурсных испытаний погружных двигателей постоянного тока / Б. Ф. Токарев, Н. Л. Кузнецов, В. П. Морозкин, B.C. Волков. Труды МЭИ, 1977, вып. 314.

74. Кузнецов, Н.Л. Индивидуальное прогнозирование надежности электромеханических преобразователей энергии / Н. Л. Кузнецов, А. Н. Данилов-Нитусов Труды МЭИ, 1980, вып. 501.

75. Котеленец, Н.Ф. Испытания и надежность электрических машин / Н. Ф. Котеленец, Н. Л. Кузнецов // Учеб. пос. для вузов. М.: Высшая школа, 1988.

76. Кузнецов, Н.Л. Надежность электрических машин. Учеб. пос. для вузов. М.: Изд. дом МЭИ, 2006.

77. Зенкевич, О. Метод конечных элементов в технике / О. Зенкевич. -М.: Мир, 1975.-454 с.

78. Шайдуров, В. В. Многосеточные методы конечных элементов / В. В. Шайдуров. М.: Наука, 1989. - 288 с.

79. Норри, Д. Введение в метод конечных элементов: Пер. с англ./ Д. Норри, Ж. Фриз. М.: Мир, 1981. - 304 с.

80. Бахвалов, Н. С. Численные методы / Н. С. Бахвалов, Н. П. Жидков, Г. М. Кобельков. М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2003. - 632 с.

81. Кинев, Е. С. Индукционные установки сквозного нагрева цилиндрической загрузки в продольном магнитном полем: дис. канд. техн. наук: 05.09.03: защищена 22.12.2006. / Кинев Евгений Сергеевич Красноярск, 2006.- 161 с.

82. Гитгарц, Д. А. Симметрирующие устройства для однофазных электротермических установок / Д. А. Гитгарц, JI. А. Мнухин. М.: Энергия, 1974.-120 с.

83. Шидловский, А. К. Симметрирующие устройства с трансформаторными фазосдвигающими элементами / А. К. Шидловский, Г. А. Москаленко. Киев: Наукова думка, 1981. - 204 с.

84. Михайлов, К.А. Исследование возможности повышения эффективности индукционного нагрева цветных металлов /К.А. Михайлов, В.Ю. Неверов, A.A. Авдулов // XV Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов РАДИОЭЛЕКТРОННИКА,

85. РАДИОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА. Москва МЭИ, 2009 г. - С. 163-164.161

86. Головенко, Е.А. Энергоэффективная технология индукционного нагрева цветных металлов / Е.А. Головенко, В.А. Горемыкин, И.С. Гудков, Е.С. Кинев, К.А. Михайлов // Третий международный конгресс «Цветные металлы-2011». Красноярск, 2011 г. С. 627-630.

87. ГОСТ 16382 87. Электротермическое оборудование.

88. Шамов, А. Н. Проектирование и эксплуатация высокочастотных установок / А. Н. Шамов, В. А. Бодажков. Л.: Машиностроение, 1974. - 280 с.

89. Безручко, И. И. Индукционный нагрев для объёмной штамповки / И. И. Безручко. Л.: Машиностроение, 1987. - 126 с.

90. Демирчян, К. С. Численные расчеты электромагнитных полей: Учеб. пособие для электротехн. и энерг. спец. вузов / К. С. Демирчян, В. Л. Чечурин. М.: Высшая школа, 1986. - 240 с.

91. Бессонов, Л. А. Линейные электрические цепи / Л. А. Бессонов. М.: Высш. шк., 1983.-336 с.

92. Зевеке, Г. В. Основы теории цепей: Учеб. для вузов / Г. В. Зевеке, П. А. Ионкин, А. В. Нетушил, С. В. Страхов. 5-е изд. - М.: Энергоиздат, 1989. -528 с.

93. Беляев, Н. М. Методы нестационарной теплопроводности / Н. М. Беляев, А. А. Рядно. М.: Высш. шк, 1978. - 328 с.

94. Крейт, Ф. Основы теплопередачи / Ф. Крейт, У. Блэк. М.: Мир, 1983.-512 с.

95. Беляев, Н. М. Методы теории теплопроводности: В 2т / Н. М. Беляев, А. А. Рядно, Т 1. М.: Высш. шк, 1982. - 398 с.

96. Руководитель проектов ООО «Резонанс» канд. техц^нэук, профессорг '1. Ю.П. Саломатовоб использовании результатов диссертационной работы К.А. Михайлова

97. Повышение энергетической эффективности преобразования электрической энергии в тепловую при вращении постоянных магнитов вокруг цилиндрической загрузки» в производственной деятельности

98. Технический директор о<- А.С. Хроник1. УТВЕРЖДАЮ

99. Директор ООО «Научно-производственный лцентр магнитной гидродинамики»Г1. В. Н. Тимофеев1. АКТоб использовании результатов диссертационной работы К А. Михайлова

100. Повышение энергетической эффективности преобразования электрической энергии в тепловую при вращении постоянных магнитов вокруг цилиндрической загрузки» в производственной деятельности ООО «Научно-производственный центр магнитной гидродинамики»

101. Использование указанных результатов позволит за счет увеличения равномерности нагрева загрузки, повысить качество прессования профиля, увеличить ресурс прессового оборудования и производительность установки индукционного нагрева.

102. Коммерческий директор, к.т.н. С.А. Бояков1. АКТоб использовании результатов диссертационной работы К.А. Михайлова

103. Повышение энергетической эффективности преобразования электрической энергии в тепловую при вращении постоянных магнитов вокруг цилиндрической загрузки» в учебном процессе Политехнического