Полный текст

Введение. Перспективным направлением развития специальных электрических машин является разработка и применение линейных индукционных машин (ЛИМ) технологического назначения, в которых технологическое воздействие на обрабатываемые материалы, заготовки или изделия осуществляется бегущим магнитным полем. Известны случаи применения подобных ЛИМ для электромагнитного воздействия на жидкие металлы в МГД-технологиях [1], для электродинамической сепарации металлосодержащих отходов и индукционной сортировки лома цветных металлов [2-4], для осуществления вспомогательных технологических операций при металлообработке (захват, подача, ориентация, стапелирование заготовок) [5-6] и др. Основные достоинства ЛИМ связаны с бесконтактной передачей усилия обрабатываемым средам и изделиям, которые выполняют функции вторичного элемента индукционной машины. Это особенно важно при электромагнитном воздействии на жидкие металлы и сыпучие среды. При использовании ЛИМ в электроприводах вспомогательного технологического оборудования появляется возможность устранения механических передач, снимаются ограничения, присущие передаче механического усилия перемещаемым металлическим заготовкам или изделиям от роликов за счет сил сцепления. Можно отметить также хорошую встраиваемость ЛИМ в технологические линии и агрегаты. Одним из достоинств ЛИМ технологического назначения является возможность совмещения в одной машине нескольких функций (перемещение, нагрев, получение информации о параметрах движения). Наиболее часто двухцелевые ЛИМ используют для совместного механического и теплового воздействия на обрабатываемые материалы и изделия. Можно привести ряд примеров реализации таких технологических операций: натяжение и нагрев с целью термообработки металлических лент, перемещение и нагрев металлических полос и листов в непрерывных линиях индукционного нагрева, перемещение и подогрев литейных форм и изложниц в литейной карусельной машине, перемещение жидкого металла с одновременным подогревом металлического трубопровода и др. [7-14]. Важно подчеркнуть, что достоинства индукционного нагрева металлических заготовок в бегущих магнитных полях отмечаются многими специалистами в области электротермии [15-20]. Такие достоинства заключающиеся в следующем: 1. Электромагнитная мощность в нагреваемом металле в случае бегущего магнитного поля распределяется более равномерно, чем в случае пульсирующего поля, что обусловливает выравнивание температур. 2. Появляется возможность целенаправленного использования электромагнитных сил для создания поточных технологических линий. 3. Имеется дополнительная возможность регулирования параметров нагрева за счет изменения характера и скорости перемещения нагреваемых изделий. 4. При использовании трехфазных индукторов улучшается работа системы электроснабжения за счет симметрирования фаз и повышения коэффициента мощности установок. 5. Снижаются уровни акустического шума и вибраций. Важно отметить, что при создании технологических установок на основе ЛИМ могут применяться решения, не характерные для традиционных электрических машин. Например, новые возможности в разработке установок индукционного нагрева появляются при использовании ЛИМ со встречно бегущими магнитными полями. Исследования таких электрических машин и установок на их основе проводятся на кафедре «Электротехника и электротехнологические системы» Уральского федерального университета [21]. В данной статье излагаются некоторые результаты таких исследований. Содержание и результаты исследований. Один из возможных вариантов ЛИМ со встречно бегущими магнитными полями схематично представлен на рис. 1. Трехфазная обмотка машины разделена на две секции, располагаемые в пазах левой и правой частей индуктора. При этом порядок чередования фаз в каждой из секций обмотки выбирается таким, что создаваемые ими бегущие магнитные поля движутся к центру индуктора. Электромагнитные усилия Fэм, действующие на левую и правую части вторичного элемента (например, обрабатываемой металлической заготовки), также направлены навстречу друг другу. Рассматриваемая ЛИМ позволяет легко управлять движением заготовок. Включение одной из секций обмотки обеспечивает перемещение заготовки в нужном направлении. Включение обеих секций при условии неравенства сил Fэм,л и Fэм,п приводит к движению заготовки на пониженной скорости, а в случае равенства Fэм,л = Fэм,п реализуется режим позиционирования заготовок (при условии, что длина заготовки меньше длины индуктора). Указанные возможности ЛИМ со встречно бегущими полями позволяют создавать на их основе загрузочно-подающие устройства для подачи заготовок в рабочую зону в металлообрабатывающем производстве, для подачи деталей под схват робота на сборочных операциях в машиностроении и приборостроении и др. Отметим, что для таких вспомогательных технологических операций режим позиционирования заготовок при использовании рассматриваемых ЛИМ может оказаться наиболее востребованным, поскольку за счет эффекта самоцентрирования можно добиться высокой точности позиционирования. Рис. 1. Схема ЛИМ со встречно бегущими магнитными полями Например, в установках индукционного нагрева важно располагать нагреваемую заготовку в зоне нагрева симметрично относительно центра индуктора. Смещение ее от симметричного положения приводит к нежелательному увеличению неравномерности распределения температур по длине заготовки. Для оценки такого явления авторами выполнены исследования ряда опытных установок на основе ЛИМ, созданных в лаборатории УрФУ. Например, на рис. 2 приведены зависимости относительного размаха колебаний температуры по длине алюминиевой заготовки δQ, нагреваемой в двухстороннем линейном индукторе, от ошибки позиционирования Δх (отклонения оси заготовки от оси индуктора). Исследованный четырехполюсный линейный индуктор имеет полюсное деление τ = 102 мм и ширину активной зоны (по железу) Ви = 105 мм. При питании от стандартной трехфазной сети (380 В, 50 Гц) достигалась линейная токовая нагрузка А1 = 750 А/см (на одну сторону), обеспечивающая за 3 мин нагрев заготовки до температуры 250-300 оС. Рис. 2. Относительный размах колебаний температуры по длине заготовки при ее несимметричном расположении в индукторе Результаты, приведенные на рис. 2, соответствуют размерам алюминиевой заготовки 380×100×10 мм. Удельная электрическая проводимость материала заготовки γ = 32 МСм/м. Относительный размах колебаний температуры δӨ определялся по выражению: где Qmax, Qmin и Qср - соответственно максимальное минимальное и среднее значения температуры по длине заготовки. Зависимости, приведенные на рис. 2, получены для разных значений времени нагрева: 30 и 180 с (цифры на графиках). Сплошные линии соответствуют режиму нагрева в бегущем магнитном поле одного направления. Нетрудно видеть, что неравномерность нагрева заготовок существенно возрастает при смещении ее относительно центра индуктора (Δх), что подтверждает необходимость позиционирования заготовок по оси индуктора. В существующих установках индукционного нагрева подача заготовок в индуктор осуществляется чаще всего с помощью механических толкателей, а позиционирование в зоне нагрева - с помощью упоров, которые предотвращают также эффект саморазгрузки заготовок под действием электромагнитных сил. Применение для загрузки заготовок и удержания в зоне нагрева ЛИМ со встречно бегущими магнитными полями может существенно упростить конструкцию установок индукционного нагрева. Для описанной выше ЛИМ выполнена экспериментальная оценка эффекта самоцентрирования заготовки при вводе ее в рабочую зону. Для удобства измерений в экспериментах использовался односторонний вариант индуктора. Размеры алюминиевой заготовки: длина в направлении движения магнитного поля b = 100 мм, в поперечном направлении - а = 70 мм, толщина d = 10 мм. Эксперименты в режиме позиционирования проводились при токах, существенно меньших, чем в режиме нагрева. Движение заготовки под действием электромагнитных сил начиналось при токе в катушках обмотки 0,7 А (в режиме нагрева на две стороны индуктора в 10 раз больше). В исходном положении поперечная ось заготовки совпадала с краем магнитопровода индуктора. После включения ЛИМ заготовка начинала движение и, совершив несколько колебаний (от 1 до 3), останавливалась в центральной части индуктора. Для достоверности оценок опыты повторялись несколько раз для каждого из значений тока. Зависимость погрешности позиционирования Δх от тока ЛИМ приведена на рис. 3. С увеличением тока число колебаний заготовки увеличивалось, а ошибка позиционирования уменьшалась. При токе, превышающем 1,25 А, ошибка позиционирования отсутствовала: поперечная ось пластины совпадала с осью линейного индуктора. На практике при совмещении в двухцелевых ЛИМ функций перемещения и индукционного нагрева заготовок полученная закономерность уменьшения погрешности позиционирования с ростом тока индуктора может быть эффективно использована. Для перемещения заготовок в зоне нагрева требуются небольшие мощности и небольшие токи индуктора, которые могут обеспечить подачу заготовок и первый этап позиционирования. На втором этапе после входа заготовки в центральную зону индуктора установка (ЛИМ - индукционный нагреватель) включается на полную мощность, соответствующую режиму нагрева. При такой мощности (при больших токах индуктора) обеспечиваются необходимая точность позиционирования и высокая скорость нагрева. Рис. 3. Зависимость погрешности позиционирования от тока ЛИМ Исследования режимов индукционного нагрева заготовок при использовании ЛИМ со встречно бегущими магнитными полями показали, что рассматриваемые двухцелевые машины позволяют не только повысить точность позиционирования заготовок, но и улучшить характеристики самого процесса индукционного нагрева. В частности, на рис. 2 пунктирными линиями показаны зависимости относительного размаха колебаний температуры по длине алюминиевой заготовки δQ от погрешности позиционирования Δх для случая индукционного нагрева заготовки в двухстороннем линейном индукторе, создающем встречно бегущие магнитные поля, перемещающиеся к центру ЛИМ. Нетрудно видеть, что индукционный нагрев во встречно бегущих магнитных полях обеспечивает значительное уменьшение неравномерности распределения температуры по длине заготовки. Отметим, что последующие исследования режима индукционного нагрева заготовок при использовании ЛИМ со встречно бегущими полями показали возможность достижения еще большего выравнивания температур. В ряде вариантов относительный размах колебаний температуры по длине заготовок не превышал 3-5 %. Такой результат обеспечивает возможность устранить промежуточный этап термостатирования заготовок и сразу направлять их к машинам для обработки давлением. Выполненные исследования позволили также выявить существенную особенность рассматриваемых ЛИМ, связанную с тем, что характер распределения по длине индуктора бегущих магнитных полей, электромагнитных усилий и мощности тепловыделения в обрабатываемых металлических заготовках зависит от схемы укладки катушек разных фаз в правой и левой секциях обмотки линейного индуктора. Для создания встречно бегущих магнитных полей можно использовать различные варианты схем укладки обмоток. Например, для рассмотренной ранее четырехполюсной ЛИМ, имеющей однослойную обмотку, такие варианты приведены в таблице. Варианты схем укладки обмоток линейного индуктора Характер поля Вариант Схема укладки обмотки Бегущее магнитное поле AAZZBBXXCCYYAAZZBBXXCCYY Встречно бегущие (сбегающиеся) магнитные поля 1 AAZZBBXXCCYYYYCCXXBBZZAA 2 AAZZBBXXCCYYCCXXBBZZAAYY 3 AAZZBBXXCCYYXXBBZZAAYYCC 4 AAZZBBXXCCYYBBZZAAYYCCXX 5 AAZZBBXXCCYYZZAAYYCCXXBB 6 AAZZBBXXCCYYAAYYCCXXBBZZ Положительные результаты, показанные на рис. 2 и 3, получены для схемы обмотки ЛИМ по варианту 1, отличающейся тем, что трехфазная обмотка индуктора, состоящая из двух секций, занимающих левую и правую половины индуктора и создающих встречно направленные бегущие магнитные поля, характеризуется зеркальным расположением катушек отдельных фаз относительно поперечной оси индуктора. В ходе исследований выявлено, что при использовании в ЛИМ со встречно бегущими магнитными полями других схем обмоток возможно появление ряда нежелательных эффектов: позиционирование вторичного элемента (обрабатываемой заготовки) со смещением от центра индуктора, появление в центральной части индуктора зоны, в которой отсутствует электромагнитное усилие («мертвой» зоны), увеличение неравномерности тепловыделения по длине нагреваемой заготовки и др. Указанные эффекты недостаточно изучены, что обусловливает необходимость дополнительного исследования рассматриваемых двухцелевых линейных индукционных машин. Выводы. Таким образом, результаты выполненных исследований ЛИМ со встречно бегущими магнитными полями подтверждают перспективность использования их в качестве двухцелевых индукционных машин, предназначенных для выполнения разных технологических операций при обработке металлических заготовок и изделий. В частности, на основе таких машин могут создаваться установки индукционного нагрева в бегущих магнитных полях, отличающиеся простотой конструкции и хорошими характеристиками процессов нагрева заготовок. В то же время исследования показали, что электромагнитные процессы в рассматриваемых специальных электрических машинах имеют ряд особенностей, отличающих их от традиционных линейных электрических машин с магнитным полем, бегущим в одном направлении, что требует дополнительного исследования таких электрических машин.

Об авторах

А. Ю Коняев

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина

Ж. О Абдуллаев

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина

М. Е Зязев

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина

И. А Коняев

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 21

PDF (Russian) - 16

Ссылки

• Ссылки не определены.