Исследование электродинамических усилий в устройствах индукционного нагрева и разработка методов защиты от их воздействия

• Автор: Иванов, Александр Николаевич
• Шифр специальности: 05.09.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 169 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЕШАЕМЫХ ЗАДАЧ

1.1 Виды силового воздействия электромагнитного поля и тока и их значение в системах индукционного нагрева
1.2 Характеристика систем индукционного нагрева для исследования силовых эффектов электромагнитного поля и тока

1.3 Анализ методов и программ расчёта электродинамических усилий

1.4 Постановка задачи исследований

1.5 Выводы по разделу

2 МЕТОДЫ И ПРОГРАММЫ РАСЧЁТА ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ УСИЛИЙ В ИНДУКЦИОННЫХ НАГРЕВАТЕЛЯХ

2.1 Метод конечных элементов, программы расчёта ELCUT и FLUX

2.2 Метод и программы электромагнитного расчёта индукторов для нагрева цилиндрических изделий
2.3 Метод электротеплового расчёта индукторов для нагрева цилиндрических изделий
2.4 Алгоритм расчёта электродинамических усилий
2.5 Предметно-ориентированная программа расчёта ELTA
2.6 Сравнительная характеристика результатов расчёта электродинамических усилий, полученных по разным программам
2.7 Выводы по разделу
3 ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ УСИЛИЯ В ИНДУКЦИОННЫХ СИСТЕМАХ
3.1 Проблемные вопросы силового воздействия электромагнитного поля и тока
3.2 Электродинамические усилия, действующие на немагнитные заготовки в цилиндрических индукторах
3.3 Электродинамические усилия, действующие на ферромагнитные заготовки
в цилиндрических индукторах
3.4 Электродинамические усилия в индукторах и магнитопроводах
3.5 Выводы по разделу

4 МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ УСИЛИИ И ИХ РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
4.1 Характеристика методов снижения и использования электродинамических усилий
4.2 Основные задачи по снижению вибрации витков
4.3 Основные задачи по защите от самопроизвольного перемещения загрузки..
4.5 Основные подходы к созданию индукционного электропривода для контролируемого перемещения загрузки
4.5 Выводы по разделу
5 ПРОБЛЕМЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-МЕХАНИЧЕСКОЙ СОВМЕСТИМОСТИ ИНДУКЦИОННЫХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ И ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ
5.1 Описание проблем электромагнитно-механической совместимости
5.2 Пути решения задач, связанных с обеспечением электромагнитномеханической совместимости индукционных нагревателей
5.3 Методика проверки индукционных установок на соответствие требованиям электромагнитно-механической совместимости
5.4 Выводы по разделу
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ А Исследование по выбору модели расчёта внешней
электромагнитной задачи для тел с импедансными граничными условиями
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Характерные черты программы расчёта ELTA
ПРИЛОЖЕНИЕ В Материалы о внедрении результатов работы
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Исходный код макроса на языке Python для получения распределения электродинамических усилий, действующих на витки индуктора..
ПРИЛОЖЕНИЕ Д Результаты расчёта электродинамических усилий

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования.
Диссертационная работа посвящена исследованию проблемных вопросов силового воздействия электромагнитного поля и электрического тока в индукционных нагревателях, методов и средств снижения интенсивности такого воздействия, возможности использования сил в полезных для индукционных электротехнологий целях, а также выработке критериев испытаний индукционных установок на электромагнитно-механическую совместимость (ЭММС) и разработке методологии таких испытаний.
Из практики использования индукционных нагревателей известно, что в некоторых случаях механические силы, создаваемые электромагнитным полем и током, воздействуя на конструкции и элементы системы “индуктор - магнитопровод - элементы крепления - загрузка”, приводят к серьёзным последствиям и препятствуют внедрению прогрессивного индукционного нагрева во многие технологические процессы. В связи с этим детальное исследование вопросов ЭММС, определение методов и путей снижения негативного влияния усилий до допустимых или приемлемых для практики значений, является актуальным.
При разработке индукционного электротехнологического процесса и оборудования для его реализации первостепенное значение имеет не только получение качественного и эффективного нагрева, то есть технологическая надёжность, но и безопасность или безвредность этого процесса для персонала. Наряду с обеспечением технологической надёжности процесса, которая может быть нарушена электродинамическими усилиями (ЭДУ), достаточно большое внимание следует уделять механической опасности, создаваемой в системах индукционного нагрева, поскольку некоторые процессы в них ещё недостаточно хорошо изучены и требуют надлежащего внимания как со стороны разработчиков, так и со стороны заводских специалистов. ЭДУ способны вызвать непосредственное травмирование обслуживающего персонала от самопроизвольно движущихся заготовок, нарушение таких конструктивных элементов индуктирующих катушек как контактные соединения и межвитковая электрическая изоляция с вытекающими отсюда опасными последствиями.

годы XX века было разработано достаточно много программ электромагнитного и элек-тротеплового расчёта вначале на языке РОКТИАМ, а позднее и на других языках программирования [37, 58, 64, 70]. Продолжается разработка и совершенствование специализированных компьютерных программ с использованием этого метода и в настоящее время [70, 73 - 75]. Благодаря достоинствам метода, которые связаны с тем, что при решении внешних задач требуется только знание импедансов (сопротивлений) на поверхности загрузки, можно существенно сократить время расчёта, требуемые объёмы оперативной памяти ЭВМ и запоминаемой информации.
Если говорить о расчёте электродинамических усилий, то они были успешно использованы при проведении исследований [38, 39, 44] и могут в дальнейшем использоваться с некоторыми доработками.
Для исследования усилий, действующих на витки индуктора, в работе [44] приводятся формулы для аксиальной и радиальной составляющих ЭДУ. Постоянная и переменная составляющие ЭДУ определяются путём вычисления взаимодействия их токов с магнитным полем.
Аксиальная составляющая силы при косинусоидальном изменении тока определяется как:
где Рт7_ — амплитуда переменной составляющей аксиальной силы, ф - угол сдвига фаз между плотностью тока У и напряжённостью магнитного поля Н.
Среднее значение плотности аксиальной составляющей силы определяется как:
(2.5)
Рср - Ро В-е(^ • Ня) = Но ЯеУ • КсНя+1шУ • 1тН я,
(2.6)
Ъср = ргт Ф = Но |соэф| ^
(2.7)
а амплитуда переменной составляющей аксиальной силы:
(2.8)