ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ АППАРАТ ВИХРЕВОГО СЛОЯ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
VELOCITY LAYER ELECTROMAGNETIC APPARATUS AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Группа изобретений относится к области машиностроения, а более конкретно к устройствам для перемешивания и/или измельчения жидких и сыпучих сред, и может быть использована в различных отраслях промышленности, сельского и лесного хозяйства, в том числе при реализации нанотехнологий.
Известны различные конструкции устройств, использующих для обработки материалов энергию переменного электромагнитного поля, воздействующего на ферромагнитные частицы, непосредственно взаимодействующие с обрабатываемым материалом (см., например, патенты РФ на полезные модели NN: 45648, 53933, 68355, 69415, на изобретения NN: 48211, 168264, 179283, 192755, 237309, 325988, 355833, 764717, 856533, 1101291, 1329809, 2049562, 2049563, 2072256, 2072257, 2154602, 2170707, 2224586, 2224589, 2239493, 2243459, 2243601, 2248388, 2303021, 2342987, патенты ВОИС NN 2007/114731, WO 2009061236, патент Великобритании N 2092464, а также устройства по книге: Логвиненко Д.Д., Шеляков О.П."Интенсификация технологических процессов в аппаратах с вихревым слоем", Киев, Техника, 1976, и др.).
Все упомянутые устройства, хотя и обеспечивают перемешивание и измельчение жидких и сыпучих сред, однако, они сложны в изготовлении и в эксплуатации, что препятствует их унификации и, соответственно, повышает их себестоимость и снижает удобство работы с ними, что, в свою очередь, существенно ограничивает область использования таких устройств.
Известен, например электромагнитный аппарат вихревого слоя (далее ЭАВС) по книге: Логвиненко Д.Д., Шеляков О.П."Интенсификация технологических процессов в аппаратах с вихревым слоем", Киев, Техника, 1976, стр.67-71, рис.57, 58, который содержит: реакционную камеру из немагнитного материала для размещения обрабатываемых жидких или сыпучих сред, набор ферромагнитных частиц (иголок), размещенных в полости реакционной камеры, и индуктор, выполненный в виде статора асинхронного электродвигателя, имеющего ярмо, собранное из пластин электротехнической стали, и размещенный на нем набор катушек, соединенных с источником электроэнергии и блоком управления работой ЭАВС, а также устройство подачи в реакционную камеру и выгрузки из нее обрабатываемого материала.
Такой аппарат, хотя и позволяет эффективно перемешивать или измельчать самые разнообразные жидкие и сыпучие среды, однако,
во-первых, из-за довольно сложной конструкции он нетехнологичен в изготовлении и имеет высокую себестоимость;
во-вторых, такой аппарат имеет низкую производительность, поскольку для обеспечения необходимых значений магнитной индукции переменного электромагнитного поля индуктора в реактивной зоне ЭАВС в пределах 0,1…0,2 Тесла приходится или увеличивать число витков в катушках индуктора, или увеличивать силу тока в катушках, т.е. между этими двумя параметрами приходится обеспечивать оптимальное соотношение, сводящее к минимуму активные электрические потери в катушках. Тем не менее, как показывает практика, на самых лучших образцах ЭАВС Cos φ не превышает 18%. Катушки индуктора в процессе работы такого ЭАВС перегреваются, поэтому для них требуется дополнительный теплоотвод. Обычного теплоотвода с помощью воздушного вентилятора недостаточно, поэтому приходится вводить жидкостный теплоотвод с помощью трансформаторного масла, что существенно усложняет конструкцию ЭАВС и увеличивает его себестоимость.
Увеличение производительности такого ЭАВС с типовой конструкцией индуктора, собираемого из набора пластин штампованной листовой электротехнической стали, весьма затруднительно, поскольку:
- если увеличивать пропускную способность аппарата за счет увеличения диаметра реакционной трубы, то при этом неизбежно увеличится зазор между полюсами индуктора, что приведет к резкому возрастанию активных потерь электроэнергии и увеличению потребляемой мощности;
- если уменьшать зазор между полюсами индуктора при одновременном увеличении длины индуктора, например, с помощью применения стандартного статора погружного глубинного насоса, то при этом уменьшается диаметр реакционной трубы и, соответственно, снижается производительность ЭАВС;
- если увеличивать рабочую частоту питающего тока с 50 до 1000 Гц, применять различные "завихрители" потока обрабатываемых материалов, вводить различные активные и пассивные вставки в осевую зону реактора, где магнитное поле наиболее ослаблено и энергия вихря минимальна, то существенно усложняется как конструкция ЭАВС, так и его изготовление и эксплуатация.
Наиболее близким решением по технической сущности и достигаемому результату от его использования к заявляемому решению является известный электромагнитный аппарат вихревого слоя по патенту РФ N 1329809, B01F 13/08, 1987 (предназначенный для перемешивания расплавленного металла в заготовке, выходящей из установки непрерывного литья), содержащий: реакционную камеру из немагнитного материала, набор ферромагнитных частиц, размещенных в полости реакционной камеры, и индуктор с С-образными шихтованными магнитопроводами, собранными из пластин электротехнической стали, и размещенными на нем катушками, соединенными с источником электроэнергии и блоком управления работой ЭАВС.
В указанной конструкции сердечник магнитопровода собирается из набора пластин листовой электротехнической стали, что делает такой аппарат дорогим в изготовлении и в эксплуатации, существенно ограничивая его производительность и возможности ее повышения.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение арсенала уже имеющихся технических средств определенного назначения в данной области путем существенного повышения эффективности функционирования электромагнитного аппарата вихревого слоя (ЭАВС) при одновременном повышении технологичности и снижении себестоимости его изготовления, а также. снижения энергозатрат при его эксплуатации.
Данная задача решается в первую очередь за счет технического результата от использования заявляемого изобретения, заключающегося в упрощении конструкции ЭАВС, повышении надежности его работы и повышении его энергоэффективности.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном электромагнитном аппарате вихревого слоя, содержащем реакционную камеру из немагнитного материала, набор ферромагнитных частиц, размещенных в полости реакционной камеры, и индуктор, имеющий, по меньшей мере, один С-образный магнитопровод с размещенным на нем набором катушек, соединенных с источником электропитания и блоком управления работой ЭАВС,
во-первых, магнитопровод выполнен в виде тороида из ленты рулонной электротехнической стали, намотанной по "спирали Архимеда", при этом витки ленты скреплены между собой с помощью фиксатора, выполненного в виде клеящего вещества, например, эпоксидного клея;
во-вторых, катушки соединены между собой последовательно и подключены к общему источнику электропитания с синусоидальным напряжением частотой 50 Гц;
в-третьих, для повышения производительности АВС катушки могут быть подключены к индивидуальным источникам электропитания типа инверторных преобразователей с током переменной частоты от 1 до 2500 Гц через индивидуальные блоки управления.
Предлагаемая конструкция ЭАВС с оригинальной тороидальной конструкцией магнитопровода позволяет существенно увеличить число витков в индукторе ЭАВС и при этом питать ЭАВС токами небольшой величины. Кроме этого, для охлаждения ЭАВС можно ограничиться воздушным вентилятором.
Известны различные способы изготовления электромагнитных аппаратов, содержащих индукторы с магнитопроводами.
Согласно принятой технологии (см., например, книгу Антонова М.В. и Герасимовой Л.С." Технология производства электрических машин", М., Энергоиздат, 1982, стр. 138…208"), магнитопровод электрической машины собирают из пластин электротехнической стали, электрически изолированных друг от друга, стягивая их между собой с помощью сложной системы шпилек, проточек, запрессованных гаек, перемычек, шпонок и т.д. Пластины предварительно вырубают из листовой или рулонной электротехнической стали на вырубном штампе, после этого на вырубленных пластинах удаляют заусенцы, а в некоторых случаях пластины подвергают термообработке для снятия внутренних напряжений и оксидированию.
Такой способ, хотя и позволяет изготовлять электромагнитные аппараты вихревого слоя известных конструкций, однако, он является малоэффективным, поскольку он очень сложен в реализации из-за большого количества операций, требующих больших материальных, трудовых и энергозатрат.
Наиболее близким решением по технической сущности и достигаемому результату от его использования к заявляемому решению является известный способ изготовления электромагнитного аппарата вихревого слоя (ЭАВС) по книге: Логвиненко Д.Д., Шеляков О.П. "Интенсификация технологических процессов в аппаратах с вихревым слоем", Киев, Техника, 1976, стр.71, который включает следующие операции:
- изготовление индуктора (состоящего из ярма и полюсов) из изолированных лаком листов электротехнической (трансформаторной) стали,
- стяжка пластин полюсов изолированными стальными шпильками, а пластин ярма - двумя кольцами из немагнитной стали, скрепленных между собой по наружному диаметру ярма,
- крепление полюсов к ярму специальными болтами,
- размещение (намотка, монтаж и центровка катушек индуктора) в корпусе,
- подключение катушек к источнику электропитания,
- расточка (вырезка части) индуктора,
- размещение в расточке (в вырезе) индуктора рабочей камеры (реакционной трубы) со сменной втулкой из нержавеющей стали марки Х18Н10Т или другого немагнитного материала, например, титана.
Такой способ, хотя и позволяет изготовлять электромагнитные аппараты вихревого слоя известных конструкций, однако, он является малоэффективным, поскольку практика показывает, что коэффициент использования металла при вырубке пластин из листа такой сложной формы, как для индуктора ЭАВС, не превышает 0,5, т.е. почти половина очень дорогой исходной листовой электротехнической стали идет в отходы.
Кроме этого, в процессе сборки пакета индуктора из пластин очень сложно добиться плотного контакта пластин друг с другом, что приводит к вибрации пластин и к нарушению электроизоляции между пластинами, а при нарушении электроиэоляции между пластинами зоны контактов сильно нагреваются.
Очень сложен процесс намотки, монтажа и центровки катушек индуктора в корпусе по традиционной технологии (см., например, книгу Антонова М.В. и Герасимовой Л.С. "Технология производства электрических машин", М., Энергоиздат, 1982, стр 208…265").
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является существенное повышение эффективности функционирования электромагнитного аппарата вихревого слоя (ЭАВС) при одновременном повышении технологичности и снижении себестоимости его изготовления, а также для снижения энергозатрат при его эксплуатации.
Данная задача решается в первую очередь за счет технического результата от использования заявляемого изобретения, заключающегося в упрощении технологии изготовления и сборки ЭАВС, снижении энергопотребления при его изготовлении и эксплуатации, а также в снижении трудозатрат при одновременном обеспечении точности при сборке аппарата.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе изготовления электромагнитного аппарата вихревого слоя, включающем:
- изготовление индуктора из электротехнической стали,
- скрепление элементов индуктора между собой,
- расточку (вырезку части) индуктора,
- размещение в расточке (в вырезе части) индуктора реакционной камеры,
- размещение катушек индуктора,
- подключение катушек к источнику электропитания,
во-первых, изготовление индуктора производят из рулонной электротехнической стали в виде тороидального магнитопровода (тороида) путем намотки ленты по "спирали Архимеда";
во-вторых, скрепление элементов индуктора (отдельных витков тороида) и их электроизоляцию между собой производят путем нанесения на ленту в процессе намотки тороида фиксирующего отвердителя - эпоксидного клея;
в-третьих, расточку (вырезку части) индуктора производят после застывания фиксирующего отвердителя путем вырезания из тороида отдельного сектора (сегмента) с профилем, соответствующим профилю реакционной камеры;
в-четвертых, катушки индуктора наматывают заранее и их размещение на индукторе производят через вырез в тороиде.
Введение новых операций и особое выполнение уже имеющихся и новых операций позволяют существенно снизить как трудозатраты, так и себестоимость изготовления, а также повысить качество и надежность работы ЭАВС.
Предлагаемые изобретения пояснены чертежами, на которых изображено следующее:
- на Фиг.1 показан вариант конструкции электромагнитного аппарата вихревого слоя с одним тороидальным магнитопроводом с вырезом под цилиндрическую реакционную камеру;
- на Фиг.2 показан вариант конструкции электромагнитного аппарата вихревого слоя с одним тороидальным магнитопроводом с вырезом под прямоугольную в сечении реакционную камеру;
- на Фиг.3 представлено в изометрии изображение варианта конструкции электромагнитного аппарата вихревого слоя с одним тороидальным магнитопроводом с вырезом под реакционную камеру с сечением произвольной формы;
- на Фиг.4 показан на виде сверху вариант конструкции предлагаемого электромагнитного аппарата вихревого слоя с одним тороидальным магнитопроводом с вырезом под реакционную камеру с сечением произвольной формы;
- на Фиг.5 показана схема сборки индуктора с перемещением катушек через вырез тороида с последующим размещением этих катушек на тороиде;
- на Фиг.6 показан вид спереди на вариант конструкции электромагнитного аппарата вихревого слоя с двумя тороидальными магнитопроводами;
- на Фиг.7 показан вид сверху на вариант конструкции электромагнитного аппарата вихревого слоя с двумя тороидальными магнитопроводами;
- на Фиг.8 показано в изометрии изображение варианта конструкции электромагнитного аппарата вихревого слоя с двумя тороидальными магнитопроводами;
- на Фиг.9 показано в изометрии изображение варианта конструкции электромагнитного аппарата вихревого слоя с тремя тороидальными магнитопроводами;
- на Фиг.10 показан вид спереди на вариант конструкции электромагнитного аппарата вихревого слоя с тремя тороидальными магнитопроводами;
- на Фиг.11 показан вид сверху на вариант конструкции электромагнитного аппарата вихревого слоя с тремя тороидальными магнитопроводами;
(Чтобы не перегружать чертежи, катушки на некоторых магнитопроводах условно не показаны);
- на Фиг.12 показана схема электрического соединения катушек ЭАВС с общим источником электропитания;
- на Фиг.13 показана схема электрического соединения катушек ЭАВС с индивидуальными источниками электропитания;
- на Фиг.14 показан в изометрии магнитопровод в виде "спирали Архимеда";
- на Фиг.15 показан вид сверху на магнитопровод в виде "спирали Архимеда".
Предлагаемый электромагнитный аппарат вихревого слоя (ЭАВС) (см. Фиг.1) содержит реакционную камеру (трубу) 1 из немагнитного материала (например, из титана), набор ферромагнитных частиц 2 (выполненных, например, в виде иголок из инструментальной стали марки У7 (или У8, или У10, или 9ХС, или 5ХН) по ГОСТ 1435-99, 5950…2000, размещенных в полости реакционной камеры 1 (например, насыпанных на сетке (на чертеже не показана) в рабочей зоне реакционной камеры, и индуктор, имеющий, по меньшей мере, один С-образный магнитопровод 3 с размещенным на нем набором заранее намотанных катушек 4, соединенных в базовом варианте (см. Фиг.12) с общим источником 5 электропитания и блоком 6 управления работой ЭАВС.
Магнитопровод 3 выполнен в виде тороида из ленты электротехнической стали, например, марки 20880 по ГОСТ 3836-83, намотанной по "спирали Архимеда" (см. Фиг.14, 15), причем витки ленты скреплены между собой с помощью фиксатора (на чертеже не показан), выполненного в виде клеящего вещества - эпоксидного клея марки ЭДП по ТУ 2385-090-07510508-2008. При этом размеры тороида 3 (наружный и внутренний диаметр, а также его высота) при необходимости могут быть на несколько порядков больше диаметра реакционной камеры (трубы) 1.
С помощью тороидальных магнитопроводов 3 легко собрать ЭАВС с одной парой полюсов (см. Фиг.1), с двумя парами полюсов (см.Фиг.6, 7, 8), тремя парами полюсов (см. Фиг.9, 10, 11) и т.д.
При этом количество катушек 4 на тороидальном магнитопроводе (тороиде) 3, их размеры, сечение и марка провода лимитируется как необходимой производительностью ЭАВС, спецификой обрабатываемого материала, так и габаритами конкретного тороида 3.
В первом (базовом) варианте исполнения ЭАВС (см. Фиг.12) все катушки 4 для сложения возникающих в каждой катушке магнитных полей последовательно соединены между собой и соединены с общим источником 5 электропитания (например, с трехфазной промышленной сетью с синусоидальным напряжением 380 В, частотой 50 Гц) и с блоком 6 управления работой ЭАВС.
Для повышения производительности ЭАВС катушки 4 могут быть подключены (см. Фиг.13) к индивидуальным источникам питания 7 типа инверторных преобразователей с током переменной частоты от 1 до 2500 Гц через индивидуальные блоки управления 8.
Предлагаемый электромагнитный аппарат вихревого слоя (ЭАВС) эксплуатируется следующим образом.
Сначала в блок 6 управления работой ЭАВС (или в индивидуальные блоки управления 8) вводят программу обработки конкретного материала до нужной кондиции. Затем с помощью блока 6 (или блоков 8) включают ЭАВС и в реакционную камеру (трубу) 1 подают обрабатываемый материал (на чертеже не показан). После включения ЭАВС в зависимости от выбранной программы обработки материала рабочие тела - ферромагнитные частицы (иголки) 2 в реакционной зоне ЭАВС в зависимости от заданной программы в блоке 6 (или в блоках 8) управления работой ЭАВС могут находиться под действием трех и более магнитных полей, различных по величине, направлению и частоте, и совершать сложные движения в трехмерном пространстве реакционной зоны ЭАВС, что позволяет исключить в реакционной зоне ЭАВС так называемые "мертвые зоны", в которых обрабатываемый материал не подвергается воздействию иголок 2, что, в свою очередь, гарантирует выполнение заданной программы обработки и обеспечивает требуемое качество обработанного материала при заданной производительности АЭВС.
Использование предлагаемой группы изобретений позволяет:
1. Существенно повысить эффективность функционирования электромагнитного аппарата вихревого слоя (ЭАВС) путем расширения диапазона его использования, например, за счет обеспечения возможности получения сверхчистых и мелкодисперсных веществ, необходимых для реализации все более развивающихся нанотехнологий.
2. Повысить технологичность и снизить себестоимость изготовления ЭАВС за счет упрощения его конструкции, а также за счет снижения энергопотребления при его изготовлении и за счет повышения коэффициента использования исходного металла при изготовлении магнитопровода(ов). (При изготовлении ЭАВС предлагаемой конструкции коэффициент использования исходного металла при изготовлении тороидального магнитопровода существенно повышается (до 0,9 и более) по сравнению с изготовлением магнитопровода традиционной конструкции из отштампованных заготовок в виде пластин сложной формы из листовой электротехнической стали).
3. Существенно снизить энергозатраты при эксплуатации ЭАВС за счет обеспечения возможности выбора и применения более эффективной схемы электропитания катушек индуктора, обеспечения возможности питания ЭАВС токами небольшой величины и обеспечения возможности охлаждения ЭАВС воздушным вентилятором.
4. Повысить надежность работы ЭАВС путем исключения "дребезга" элементов (пластин) индуктора и их перегрева путем обеспечения точности сборки и надежной фиксации частей аппарата.
5. Повысить удобство работы персонала при изготовлении частей и сборке аппарата.