Индуктор линейной индукционной машины
INDUCTOR OF LINEAR INDUCTION MACHINE

Изобретение относится к индукционным машинам с разомкнутым магнитопроводом и может использоваться для перекачивания, дозирования и перемешивания жидких металлов и сплавов в металлургическом плавильно-литейном производстве. Для этой цели обычно используют плоские линейные индукционные машины с многофазными обмотками [1]. На практике преимущественно применяются трехфазные (m=3) и двухфазные (m=2) обмотки. Для усиления магнитного поля электрической машины активные стороны катушек обмотки укладывают в пазы ферромагнитного магнитопровода (сердечника).
Использование линейных индукционных машин в плавильно-литейном производстве имеет особенности. В связи с большими зазорами между индукторами машин и жидким металлом, обусловленными наличием теплоизоляционных материалов, приходится допускать большую линейную токовую нагрузку обмоток. Вместе с тем, величины плотностей тока в обмотках ограничены вследствие трудных условий их охлаждения. Поэтому приходится использовать многовитковые обмотки и укладывать их активные стороны в глубокие и широкие пазы. В этих условиях выполнение обычных типов обмоток с многочисленными изгибами лобовых частей в различных плоскостях становится затруднительным. Особенно трудно изготавливать подобные обмотки для низкочастотных установок (например, МГД-перемешиватели алюминиевых расплавов имеют частоту тока в обмотке 0,3≤f<l,2 Гц). Такая обмотка под воздействием электромагнитных сил «дышит», и в процессе работы ее изоляция перетирается, что приводит к выходу обмотки из рабочего состояния.
Указанные трудности стимулировали разработку обмоток, катушки которых имеют простейшую технологию изготовления и повышенную надежность в работе. Сами обмотки изготовляются из концентрических катушек, проводники которых изгибаются на широкую сторону поперечного сечения катушки.
Известны трехфазные и двухфазные обмотки индукторов линейной индукционной машины, выполненные из концентрических катушек плоской прямоугольной формы.
Так в [2] предложена линейная индукционная машина, содержащая разомкнутый магнитопровод с трехфазной обмоткой, фазы которой образованы одинаковыми концентрическими катушками плоской формы, которые подразделены по высоте на несколько секций и расположены на стрежнях магнитопровода. Секционная конструкция катушек обмотки способствует созданию каналов для естественного охлаждения (или воздушного принудительного охлаждения), что позволяет работать устройству для перекачивания или перемешивания высокотемпературных жидких металлов. Такая конструкция линейной индукционной машины позволяет также уменьшить ширину индуктора за счет уменьшения лобовых частей катушек и при необходимости установить его под подину ванны печи или миксера, не нарушая их прочностных характеристик.
Известна также индукционная машина, содержащая разомкнутый магнитопровод и двухфазную обмотку из одинаковых концентрических катушек, расположенных на стержнях магнитопровода, причем секции катушек одной фазы расположены на первом и третьем стержнях магнитопровода, а секции катушки другой фазы расположены на втором и четвертом стержнях магнитопровода [3].
Приведенные трехфазная и двухфазная обмотки из плоских концентрических катушек, расположенных на стержнях магнитопроводов, имеют относительно низкие коэффициенты обмоток [1, 4]. Поэтому индукторы линейных индукционных машин с такими обмотками имеют невысокие энергетические и электромагнитные свойства.
Следует отметить, что индукторы с разомкнутым магнитопроводом создают в активной зоне кроме бегущего и пульсирующие магнитные поля. Эти пульсирующие поля индуктируют во вторичной среде (жидком металле) токи, которые приводят к дополнительным потерям мощности, увеличивают несимметричную нагрузку фаз. Для подавления или компенсации указанного пульсирующего магнитного поля предложено выполнить обмотку линейной индукционной машины с наличием на концах индуктора компенсирующих элементов, которые создают необходимую для компенсации пульсирующего магнитного поля намагничивающую силу [1].
Компенсирующие элементы обмотки должны иметь токи, равные в любой момент времени полусуммам токов катушечных сторон на крайних полюсных делениях магнитопровода, но с обратными знаками. Действие компенсирующих элементов является идеальным, если они расположены на границах активной зоны и имеют бесконечно малую ширину. Длина активной зоны в линейных индукционных машинах равна , (p - число пар полюсов, τ - полюсное деление). В [1] представлена трехфазная обмотка линейной индукционной машины с фазной зоной 60° (электрических) и расположением катушечных групп в двух плоскостях. Особенностью обмотки является наличие за пределами активной зоны компенсирующих элементов, электрические токи которых способны компенсировать вредное влияние пульсирующего магнитного потока. Роль компенсирующих элементов играют свободные стороны катушек, находящиеся за пределами активной зоны.
В [1] также представлена индукционная машина с двухфазной двухплоскостной обмоткой, особенностью которой является ее намотка в «развалку», то есть катушечные стороны делятся пополам и лобовые части этих половинок отгибаются в разные стороны. Такая обмотка имеет хороший обмоточный коэффициент, а также меньший поперечный размер индуктора за счет меньшего вылета лобовых частей. По эффективности работы и электромагнитным свойствам трех- и двухфазные обмотки мало отличаются друг от друга [5].
Недостатком упомянутых трехфазной и двухфазной двухслойных обмоток линейных индукционных машин является различие индуктивных сопротивлений катушек, раположенных в нижнем и верхнем слоях, что приводит к несимметрии токов в фазах и плохим условиям охлаждения.
Наиболее близким к заявляемому является индуктор линейной индукционной машины [6], содержащий разомкнутый магнитопровод с обмоткой, фазы которой образованы одинаковыми катушками, размещенными в разных параллельных плоскостях. Пазы, в которых размещены проводники катушки одной фазы, чередуются с пазами, в которых размещены проводники катушки другой фазы, при этом каждая катушка подразделена по высоте на несколько секций, и секции катушек разных фаз также чередуются по высоте.
К недостаткам известного индуктора следует отнести большие его поперечные габариты из-за вылета лобовых частей и отсутствие компенсирующих элементов, способных уменьшить вредное влияние пульсирующего магнитного потока, вызванного разомкнутостью магнитопровода.
В основу изобретения положена задача создания индуктора линейной индукционной машины для транспортировки, дозирования и перемешивания жидких металлов с меньшими массогабаритными и улучшенными энергетическими показателями за счет снижения вредного влияния пульсирующего потока.
Поставленная задача решается тем, что в индукторе линейной индукционной машины, содержащем разомкнутый магнитопровод с обмоткой, фазы которой образованы катушками, размещенными в разных параллельных плоскостях, причем пазы, в которых размещены проводники катушки одной фазы, чередуются с пазами, в которых размещены проводники катушки другой фазы, обмотка подразделена по высоте на секции, и секции разных фаз также чередуются по высоте, согласно изобретению, разомкнутый магнитопровод имеет 2pm пазов в активной зоне индуктора и два паза, находящихся вне активной зоны на краях индуктора, а каждая секция обмотки имеет два слоя катушек.
Предпочтительно, в индукторе линейной индукционной машины при m=3 каждая секция обмотки содержит 3p-1 катушек, охватывающих по три зубца магнитопровода и размещенных в 6р пазах активной зоны индуктора, и две крайних катушки, охватывающих по два зубца магнитопровода, причем, если в одном слое секции одна сторона одной крайней катушки расположена в одном пазу магнитопровода вне активной зоны, то в другом слое секции одна сторона второй крайней катушки расположена в другом пазу магнитопровода вне активной зоны индуктора.
Предпочтительно, в индукторе линейной индукционной машины при m=2 каждая секция обмотки содержит 4p соприкасающихся друг с другом катушек, охватывающих по два зубца магнитопровода, при этом соприкасающиеся стороны катушек расположены в пазах, находящихся в активной зоне индуктора, а несоприкасающиеся стороны катушек расположены в пазах, находящихся вне активной зоны индуктора, причем если одна катушка, охватывающая крайний зубец магнитопровода, расположена в одном слое секции, то вторая катушка, охватывающая крайний зубец магнитопровода, расположена в другом слое секции.
Для индуктора линейной индукционной машины, установленного вблизи ванны с жидким металлом, обмотка каждой фазы выполнена в соответствии с условием
-7
2
L/R≤0,2*10γτ, где
L - индуктивность, Гн,
R - активное сопротивление, Ом,
γ - удельная электропроводность расплава, 1/Омм,
τ - полюсное деление индуктора, м,
m - число фаз,
p - число пар полюсов.
Осуществление заявляемого изобретения рассмотрим на примере индуктора линейной индукционной машины с трехфазной обмоткой и с двухфазной обмоткой.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично изображен индуктор линейной индукционной машины с трехфазной обмоткой (m=3, р=1, числом пазов на полюс и фазу q=1); на фиг. 2 - разрез А-А фиг. 1; на фиг. 3 - разрез В-В фиг. 1; на фиг. 4 представлена векторная диаграмма токов в трехфазной обмотке индуктора. На фиг. 5 схематично представлен индуктор линейной индукционной машины с двухфазной обмоткой (m=2, р=1, число пазов на полюс и фазу q=1); на фиг. 6 - разрез А-А фиг. 5; на фиг. 7 - разрез В-В фиг. 5; на фиг. 8 представлена векторная диаграмма токов в двухфазной обмотке индуктора.
1
2
7
1
2
6
1
2
1
1
2
1
4
5
6
2
6
7
2
3
4
1
1
2
2
1
2
Индуктор линейной индукционной машины (фиг. 1) имеет разомкнутый магнитопровод, содержащий семь зубцов 1, 1, …, 1 и ярмо 2. Между зубцами находятся 2pm=6 (р=1) пазов 3, 3, …, 3 в активной зоне индуктора и два паза 4 и 4, расположенных за пределами активной зоны (открытых). В пазах размещены секции трехфазной обмотки, каждая секция состоит из двух слоев (разрез А-А на фиг. 2 и разрез В-В на фиг. 3). В одном слое находятся катушка 5, охватывающая 2 зубца 1 и 1, магнитопровода и катушка 6, охватывающая три зубца 1, 1 и 1 магнитопровода. В другом слое также находится другая катушка 5, охватывающая два зубца 1 и 1, и катушка 62, охватывающая три зубца 1, 1 и 1. Одна сторона одной катушки 5, охватывающей 2 зубца магнитопровода, расположена в левом открытом пазу 4 нижнего слоя, а одна сторона другой катушки 5, охватывающей 2 зубца, расположена в правом открытом пазу 4 верхнего слоя, находящихся за пределами активной зоны индуктора. Катушки каждого слоя расклиниваются клиньями 7, а между слоями обмотки, как правило, установлены изоляционные вставки с отверстиями, которые образуют воздушные каналы 8. Меньшие катушки 5 и 5, соединенные последовательно (или параллельно), подключены к одной фазе (например, С) трехфазного напряжения, две другие катушки 61 и 62 подключены к другим фазам (например, В и А) соответственно.
1
2
1
2
1
2
7
:
-1
При подключении обмотки индуктора (катушки 5, 5, 6 и 6) к источнику переменного трехфазного напряжения (со сдвигом фаз 120°) в проводниках обмотки индуктора (фиг.2, 3) появляются переменные электрические токи, векторная диаграмма которых представлена на фиг.4. В проводниках, находящихся в активных пазах ****З^Зб электрические токи сдвинуты относительно друг друга по фазе на 60° и изменяются во времени с угловой частотой со,с. В области активной зоны индуктора (1=2рт=2 г) образуется бегущая волна магнитной индукции (бегущее магнитное поле). В проводниках, расположенных в открытых пазах 4 и 4 (вне активной зоны индуктора), электрические токи сдвинуты относительно друг друга по фазе на 180° (фиг.4). Эти токи создают пульсирующее магнитное поле, направление которого противоположно пульсирующему магнитному полю, вызванному разомкнутостью магнитопровода индуктора [1]. В результате наложения всех полей вблизи индуктора возникает магнитное поле, близкое к бегущему, то есть амплитуда нормальной составляющей к поверхности индуктора магнитной индукции (Bz) будет перемещаться в направлении оси х со скоростью V1=2tf, м/с, где /=со/2ж -частота тока, с.
Секционная обмотка с воздушными каналами и чередованием слоев по высоте паза позволяет хорошо охлаждать ее и выравнивать индуктивное сопротивление фаз. Симметричности токов в фазах способствует также наличие на краях индуктора компенсирующих элементов, подавляющих в активной зоне пульсирующее магнитное поле.
1
2
1
3
1
2
1
3
1
2
2
4
1
2
2
1
2
Индуктор линейной индукционной машины (фиг.5) имеет разомкнутый магнитопровод, состоящий из пяти зубцов магнитопровода 1115 и ярма 2. Между зубцами образованы пазы 3134, находящиеся в активной зоне индуктора, и два крайних паза 4 и 4, находящихся за пределами активной зоны. В пазах 3, 3, 4 и 4 расположены три катушки каждого слоя обмотки фазы А, при этом соприкасающиеся стороны катушек расположены в пазах 3 и 3, находящихся в активной зоне индуктора, а свободные стороны катушек расположены в пазах 4 и 4, находящихся за пределами активной зоны индуктора. В пазах 3, 3, 4 и 4 расположены три катушки каждого слоя обмотки фазы В, при этом соприкасающиеся стороны катушек расположены в пазах 3 и З4, находящихся в активной зоне индуктора, а свободные стороны катушек расположены в пазах 4 и 4, находящихся за пределами активной зоны индуктора. Обмотка каждой фазы имеет п слоев, при этом слои разных фаз чередуются на высоте, катушки каждого слоя расклиниваются клиньями 7, между слоями обмотки одной фазы установлены вставки, которые образуют воздушные каналы 8 для охлаждения.
1
2
1
1
При подключении обмотки (катушек 5, 5, 61^-64) индуктора (фиг.6, 7) к двухфазному напряжению со сдвигом фаз 90° в проводниках обмотки индуктора появятся переменные электрические токи, векторная диаграмма которых представлена на фиг.8. В проводниках, находящихся в пазах З1-КЗ4 (активная зона) индуктора электрические токи сдвинуты относительно друг друга на 90° и изменяются во времени с угловой частотой ш,с~. В проводниках, расположенных в открытых пазах 4 и 4 г (вне активной зоны)
электрические токи сдвинуты относительно друг друга по фазе на 180° (фиг.8). Все токи обмоток создают магнитное поле, близкое к бегущему, амплитуда магнитной индукции которого перемещается по оси х со скоростью Vl=2xf м/с.
При проектировании трехфазных или двухфазных индукторов так, чтобы выполнялось условие 1Ж<0,2*10-7ут2, и подключении этих индукторов к многофазному напряжению прямоугольной формы, возможно повысить эффективность линейной индукционной машины [7]. Здесь L - индуктивность фазы обмотки, Гн; R- активное сопротивление фазы обмотки, Ом; у - удельная электропроводность расплава 1/Омм; т- полюсное деление, м.
Если трехфазный или двухфазный индукторы расположить вблизи ванны с жидким металлом и подключить их обмотки к соответствующей системе напряжений, то бегущие магнитные поля индукторов будут способствовать приведению жидкого металла в движение. Линейная индукционная машина с одним индуктором может использоваться в качестве МГД-перемешивателя расплава металла в плавильных печах и миксерах, в этом случае, как правило, число пар полюсов р=1. Линейная индукционная машина с двумя индукторами может использоваться для транспортировки жидких металлов в плоских каналах, в этом случае, как правило, число пар полюсов р>1.
Таким образом, за счет уменьшения вылета лобовых частей уменьшается поперечный размер индуктора, а это, в свою очередь, позволит повысить и надежность металлургического оборудования (например, плавильной печи, миксера).
Источники информации
1. Вольдек А.И. Индукционные магнитогидродинамические машины с жидкометаллическим рабочим телом, Л.: «Энергия», 1970. - 272 с.
2. Патент РФ №118485 Кл. H02K41/025. Индуктор линейной индукционной машины. Заявка №2012107917/07, опубл. 20.07.2012 г. БИ №20.
3. Патент РФ №109615 Кл. H02K41/025. Индуктор линейной индукционной машины. Заявка №20111214781/07, опубл. 20.10 2011 г. БИ №29.
4. Вольдек А.И. Электрические машины, Учебник для студентов высших технических заведений. Изд. 2-е перераб. и доп.Л. «Энергия» 1974 г. 840 с.
5. Тимофеев В.Н., Хацаюк М.Ю. Анализ электромагнитных процессов магнитогидродинамического перемешивания жидких металлов. Электричество, 2017 №1, с. 35-44.
6. Патент РФ №1899507 Кл. Н02К41/025. Индуктор линейной индукционной машины. Заявка №4765258/07, опубл. 15.04.1993, БИ№14.
7. Патент РФ №2524463 Кл. F27D 27/00, В01F 13/08. Индукционная установка для перемешивания жидких металлов. Заявка №2012116779/02, опубл. 27.07.2014, БИ№21.