Критерии выбора конструктивных решений оптимальных малополюсных линейных индукционных машин

Линейные индукционные машины (ЛИМ) применяют в металлургии для бесконтактного силового воздействия на расплавы металлов с целью их транспортировки, управления скоростью литья металла из миксеров и печей в кристаллизаторы, перемешивания с целью гомогенизации расплавов по химическому составу, температуре и других технических операций. Такое назначение ЛИМ определяет большую величину зазора между индуктором и рабочим телом, что вызвано необходимостью размещения между ними теплоизоляции. Значительные рабочие зазоры приводят к конструктивным особенностям, т. е. большим абсолютным величинам полюсных шагов и, как следствие, малому числу пар полюсов. Пульсирующая составляющая магнитного поля сопоставима с величиной бегущей [1]. Это вызывает проявление ярко выраженных поперечного и продольного краевых эффектов в рабочем теле. Усиливается влияние эффекта переноса мощности между фазами на работу машины. Перечисленные факторы обусловливают особые требования, предъявляемые к разработке ЛИМ металлургического назначения.

Индуктор плоской односторонней ЛИМ (рис. 1) состоит из ферромагнитного сердечника 1 и многофазной обмотки 2 , расположенной в пазах сердечника. Создаваемое плоской ЛИМ бегущее магнитное поле пронизывает рабочее тело 3 , оказывая на него силовое воздействие, принуждая его к движению со скоростью V M [1].

Работа выполнена при финансовой поддержке КГАУ «Красноярский краевой фонд поддержки научной и научно-

технической деятельности».

Рис. 1. Плоский индуктор ЛИМ с жидкометаллическим рабочим телом

Вследствие большого зазора Δ между сердечником и рабочим телом рассеяние велико, магнитный поток в рабочем теле ослаблен. В плоских ЛИМ металлургического назначения, линейная токовая нагрузка намного выше, чем в классических электрических машинах вращения. Вместе с тем величина допустимой плотности тока ограничена вследствие сложных условий охлаждения обмоток. Поэтому необходимы мероприятия по увеличению площади паза, что неизбежно приводит к повышению пазового рассеяния.

Применение инженерных методик расчета плоских односторонних ЛИМ с увеличенным рабочим зазором, основанных на аналитических выражениях, приводит к большим погрешностям расчета. Как следствие, существующие сегодня плоские односторонние ЛИМ с увеличенным рабочим зазором, далеки от оптимального варианта с позиций энергетической эффективности. С появлением современных автоматизированных средств численного моделирования и параметрической оптимизации, а также средств автоматизации натурных исследований, появились возможности многовариантных расчетов плоских ЛИМ. Накопленный опыт и информационная база позволяют определить критерии и разработать рекомендации по созданию специальных машин оптимальной конструкции, для эксплуатации в литейных производствах металлургических предприятий.

В плоских ЛИМ более половины энергии, потребляемой индуктором, расходуется на компенсацию последствий пазового рассеяния. Кроме того, большой рабочий зазор приводит к заданию больших значений полюсного шага и, как следствие, малому числу полюсов. Из-за малого числа полюсов в машинах с разомкнутым магнитопроводом присутствует магнитное перераспределение мощностей между обмотками разных фаз. Эти факторы приводят к существенным особенностям расчета и проектирования плоских ЛИМ по сравнению с машинами вращения, но ограничивают число вариантов их исполнения.

Можно встретить разные конструктивные исполнения ЛИМ. Так, например, уже более полувека шведско-германский концерн АВВ использует индукторы ЛИМ с расщепленной фазой. Эта конструкция имеет двухфазную обмотку с одной полюсной парой на длину машины 2р = 2. Аналогичные индукторы для сталеплавильных печей под названием «Статор электромагнитного перемешивания» (СЕП 2) в СССР поставляла «Электросила» (г. Ленинград). Недостатками таких конструкций были водяное охлаждение токоведущих частей, большая стоимость, относительная сложность и невысокая надежность.

Известен опыт применения конструкции плоской ЛИМ, разработанной СКБ МГД при институте физики Латвийской АН. Эта ЛИМ выполнена с обмоткой барабанного типа вокруг ярма магнитопровода, с водяным охлаждением катушек и электропитанием от сети промышленной частоты. В силу тонкой футеровки в месте установки индуктора ЛИМ, комплекс показал себя малонадежным.

Более перспективной оказалась конструкция индуктора плоской ЛИМ с перекрещенными обмоткам по высоте паза, разработанная под руководством В. Н. Тимофеева (А. с. № 1697577) в Красноярском государственном техническом университете. Очевидным преимуществом этого индуктора ЛИМ стало воздушное охлаждение токоведущих частей, что достаточно высоко оценили металлурги. Такие индукторы ЛИМ получили широкое распространение, как в России, так и за рубежом. Однако эти ЛИМ также имеют существенные недостатки. При единичном обмоточном коэффициенте (kоб = 1) обмотка имеет коэффициент заполнения паза медью не более 0,2 и может быть использована только в двухфазном исполнении, что требует специального источника питания. Далее такая конструкция условно обозначена ЛИМ 1.

Опыт проектирования показал, что многообразие конструктивных исполнений ЛИМ не ограничено представленными вариантами. Индукторы ЛИМ могут выполнять с укороченным шагом обмотки. Такие устройства вполне конкурентоспособны вследствие их достоинств. Примеры исполнения ЛИМ с укороченным шагом представлены на рис. 2, б–г .

Вариант ЛИМ с укороченным шагом обмотки, показанный на рис. 2, б , есть частный случай машины Шербиуса [1] с четырьмя явно выраженными выступами на длину машины, с двухфазной обмоткой с фазной зоной α = 90 электрических градусов, с относительным шагом β = 1/2, двумя парами полюсов 2 р = 2, числом пазов Z = 4 и обмоточным коэффициентом k _об = 0,707. Однако также как и ЛИМ 1, машине (далее ЛИМ 2) свойственны специальные требования к источнику питания.

Значительные перспективы применения имеют индукторы ЛИМ с трехфазной укороченной обмоткой, и с тремя (рис. 2, в ) или с шестью явно выраженными полюсными выступами (рис. 2, г ) на длину машины. Эти варианты обозначены соответственно ЛИМ 3 и ЛИМ 4. Для электропитания таких конструкций можно применить стандартные транзисторные IGBT-преобразователи частоты. Особенностью трехфазных ЛИМ является возможность их работы в разных схемах включения. Например, катушки ЛИМ 3 можно включать по двум схемам – ABC и AYC (обозначения векторно-топографической диаграммы [1]). При схеме включения ABC индуктор ЛИМ будет иметь параметры: α = 120 электрических градусов, β = 2/3, 2 р = 2, k об = 0,985. А по схеме AYC: α = 60 электрических градусов, β = 1/3, 2 р = 1 и k об = 0,342 . Вторая схема характеризует инверсное включение средней катушки. При этом будет изменен полюсный шаг, что способствует медленному ослаблению бегущего магнитного поля в рабочем зазоре. Поэтому схема AYC имеет преимущества.

В отличие от ЛИМ 3, устройство ЛИМ 4 представляет собой машину Шербиуса с шестью явно выраженными выступами и имеет уже четыре схемы включения:

AZBXCY (α = 60º, β = 1/3, 2 р = 2, k об = 0,342);

AABBCC^* (α = 120º, β = 1/3, 2 р = 2, k об = 0,557);

AAYYCC^* (α = 60º, β = 1/6, 2 р = 1, k об = 0,168);

ABCABC (α = 120º, β = 2/3, 2 р = 4, k об = 0,985).

Примечание. ^* Схемы AABBCC и AAYYCC являются аналогами ABC и AYC, но при этом отличаются наличием двух полюсов на соответствующую фазу.

Такое разнообразие схем соединения позволяет плавно регулировать технологические параметры металлургического оборудования и получать полезные закономерности распределения поля скоростей в рабочем теле.

Таким образом, определение критериев выбора перспективной и эффективной конструкции ЛИМ из рассмотренных выше, является непростой научно-технической задачей и требует проведения исследований до принятия решения. Инструментальным средством поддержки алгоритма принятия решения служат результаты физического и вычислительного эксперимента. С развитием мощных средств численного имитационного моделирования натурные уступают приоритет машинному моделированию. Их применяют с целью верификации численно-математических моделей.

В фундаменте профессиональных инструментов разработчика лежат численные методы [3]. За ними безусловный приоритет при формировании информационной базы для проектного решения. Но для полноценной реализации численных моделей требуются значительные временные и вычислительные ресурсы, что можно отнести к недостаткам.

В определенном смысле численным методам можно противопоставить аналитические методы и модели. Однако эксперименты с ЛИМ показали, что применение инженерных методик расчета линейных машин, вбирающих результаты исследований А. И. Вольдека, Х. И. Янеса [1; 2] и других выдающихся ученых, особенно при учете специфики электромагнитных процессов малополюсных ЛИМ, для различных схем их включения, дают погрешность от 20 до 50 %. Это обусловлено тем, что плоские односторонние ЛИМ с увеличенным рабочим зазором отличаются от вращающихся электрических машин, а методики сгенерированы на базе теории асинхронных двигателей и адаптированы с помощью коэффициентов, получен- ных из аналитических выражений, с существенными допущениями.

Поэтому для оптимального выбора лучшего конструктивного исполнения ЛИМ была решена задача построения комбинированной математической модели, достоверно отражающей электромагнитные процессы в ЛИМ с учетом описанных особенностей плоских односторонних ЛИМ с увеличенным рабочим зазором. С применением модели в совокупности подсистем среды моделирования ANSYS проведены комплексные исследования и получены результаты, позволяющие сделать обобщающие выводы по принятию решения.

Результаты сравнения плоских ЛИМ различных конструктивных исполнений для типоразмера с активной длиной индуктора ЛИМ l 1 = 280 мм (рис. 3), приведены в [3; 4]. Характер процессов учитываемых во всех четырех конструктивных исполнениях, аналогичен ЛИМ-3.

Зависимости тангенциальной составляющей силы F τ от разности фаз Δφ на рабочих зазорах 0,01 м и 0,07 м представлены соответственно на рис. 3, а , б .

При малых рабочих зазорах высокие характеристики имеет ЛИМ-1 (рис. 3, а ), что определяется единичным обмоточным коэффициентом, но с увеличением зазора эта конструкция начинает проигрывать ЛИМ-3 (см. рис. 3, б ).

Преимущество ЛИМ-3 перед двухфазной ЛИМ-1 наблюдается почти во всем диапазоне рабочих зазоров (рис. 4). При этом ЛИМ-3 не требуется специального источника питания. Она имеет меньшие массогабаритные показатели из-за более компактных лобовых частей и меньшую мощность. При равном электромагнитном напоре достигается экономия электроэнергии в пределах 25–40 % в зависимости от типоразмера индуктора. В результате исследований в качестве прототипа для построения серии предложено использование машины Шербиуса с тремя явно выраженными выступами и схемой включения AYC для всех рабочих зазоров 0,05τ ≥ Δ ≥ 0,5τ.

а

б

в

г

Рис. 2. Конструктивные исполнения плоских ЛИМ

Рис. 4. Зависимости тангенциальной составляющей усилия от рабочего зазора

а

Рис. 3. Интегральные характеристики ЛИМ различных конструктивных исполнений

б

На основе полученных результатов разработаны рекомендации по применению конкретного конструктивного исполнения ЛИМ при разных величинах рабочего зазора. Сведения, полученные в ходе оптимизационных исследований, положены в основу прикладной задачи проектирования серии линейных машин. Проанализировав полученные зависимости можно сделать общий вывод, что эффективной работы любой из конструкций ЛИМ необходимо проводить анализ, выявления оптимальных размеров и параметров питания.

Примером практического применения полученных результатов может быть выбор оптимальной конструкции и типоразмера ЛИМ для конкретных заданных условий производства. Для примера были заданы следующие условия:

• 1.    Величина рабочего зазора для ЛИМ 40 мм.

• 2.    Заданный уровень тангенциального усилия 2,5 Н.

• 3.    Ограничение по активной длине индуктора не более 220 мм, то есть типоразмер 1 или меньше.

Зависимости тангенциального усилия от величины рабочего зазора представлены на рис. 5. На плоскости с усилиями ЛИМ отмечена точка 3, которая удовлетворяет всем условиям по зазору и усилию. Заданным параметрам ЛИМ удовлетворяют ЛИМ-1 и ЛИМ-3 AYC. Эти варианты ЛИМ даже превышают требуемые условия. Так, например, ЛИМ-1 позволяет разви- вать на рабочем зазоре 40 мм усилие 2,85 Н (точка 2), а ЛИМ-3 со схемой AYC – 3,7 Н (точка 1). Таким образом, напряжение, а следовательно, и мощность ЛИМ могут быть снижены. Эти же машины при необходимости могут использоваться и на больших рабочих зазорах, например, ЛИМ-1 на зазоре 44 мм, а ЛИМ-3 со схемой AYC – 55 мм.

Рис. 5. Пример оптимального выбора конструктивного исполнения ЛИМ по заданным критериям

При массовом выпуске машин для указанных условий целесообразно разработать такую ЛИМ, которая бы удовлетворяла требованиям и имела меньшие массогабаритные размеры и потребляемую мощность. Кривая зависимости усилия от рабочего зазора проходит через точку 3. Эта задача может быть решена путем оптимизационного поиска перебором или с помощью современных стохастических алгоритмов.

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

• 1.    В большинстве конструкций ЛИМ, предназначенных для бесконтактного силового воздействия на расплавы металлов, есть запас для повышения их энергоэффективности. Исследованием выявлены пути улучшения ЛИМ, основные достоинства и недостатки в процессе проектирования и эксплуатации.

• 2.    Результаты исследования по численным параметрическим моделям среде ANSYS существующих конструкций, а также альтернатив, позволили выде-

• лить варианты ЛИМ с низкими показателями эффективности при одинаковых исходных условиях и обосновать бесперспективность модификации подобных технических решений.

• 3.    Для одного их перспективных решений на основании расчетов проведен выбор конструкции и схемы включения индуктора и получены положительные результаты для конкретных условий эксплуатации.

• 4.    Показано, что при равной линейной токовой нагрузке выгоднее использовать конструкцию ЛИМ-3 с включением по схеме AYC. При этом есть возможность существенно снизить плотность тока в проводнике и тем самым повысить надежность.

• 5.    В результате исследования получен комплекс качественных и количественных критериев для построения алгоритма оптимального выбора конструктивного исполнения ЛИМ и параметров питания.