Электромеханический преобразователь с дискретной вторичной частью

Полезная модель относится к области обработки жидких сред интенсивным смешиванием и воздействием гидродинамической кавитации и может быть использована в различных сферах промышленности, в том числе для выполнения технологических процессов обработки жидких углеводородов.
Известны различные конструкции устройств, использующих движение ферромагнитных элементов под воздействием внешнего электромагнитного поля для обработки жидких материалов (см., например, патенты РФ на полезные модели: RU 116789 U1, B01F13/08, опубл. 10.06.2012; RU 160192 U1, B01J19/12, B01F13/08, опубл. 10.03.2016; RU 182051 U1,B01F13/08, опубл. 01.08.2018; RU 195601 U1, B01F13/08, C02F1/48, опубл. 31.01.2020; RU 197602 U1, B01F13/08, C02F1/48, опубл. 15.05.2020; RU 198283 U1, B01F13/08, опубл. 30.06.2020;  RU 195803 U1, B01F13/08, C02F1/48, опубл. 05.02.2020; на изобретения: RU 2072256 С1, B01F13/08; RU 2342987 C1, B01F13/08, опубл. 10.01.2009; RU 2613517 С1,B01F13/08, опубл. 16.03.2017; RU 2614009 С1, B01F13/08, опубл. 22.03.2017; RU 2618568 C1, B01F13/08, опубл. 04.05.2017; RU 2461416 C2B01F13/08, опубл. 20.09.2012).
Практически все известные устройства с дискретной подвижной частью и их модификации состоят из внешнего кольцевого индуктора, создающего вращающееся электромагнитное поле. Воздействие вращающегося электромагнитного поля на большую совокупность ферромагнитных элементов, представляющих дискретную подвижную часть, вызывает интенсивное и хаотическое движение элементов в обрабатываемой среде, влияя на ее реологические свойства и фракционный состав. Основным недостатком большинства известных устройств, применяющих вращающееся электромагнитное поля для создания интенсивного движения ферромагнитных элементов является наличие «мертвых» зон в области углов зубцов индуктора, где элементы «замирают» из-за высоких значений магнитной индукции, и в центральной области рабочей камеры, а также небольшая длина свободного пробега элементов, снижающая интенсивность гидродинамической кавитации, являющейся в данных устройствах вторичным энергетическим воздействием, после энергии соударений элементов друг с другом и со стенками рабочей камеры. «Мертвые» зоны представляют собой области рабочей камеры, где отсутствует интенсивное движение ферромагнитных элементов, и появляются из-за неравномерности распределения электромагнитного поля по объему рабочей камеры.
Известно, например, индукционное устройство для перемешивания и измельчения жидких и сыпучих сред (патент RU № 53933 U1, В01F 13/08, опубл.), включающее индуктор, цилиндрическую рабочую часть, в которой находятся ферромагнитные частицы, отличающееся тем, что внутри рабочей части располагается втулка с ферромагнитным сердечником, а на ферромагнитном сердечнике располагается многофазная обмотка.
В данном устройстве неравномерность электромагнитного поля устранена размещением дополнительного сердечника с обмоткой, расположенной в центральной области рабочей камеры и создающей дополнительное электромагнитное поле. В результате «мертвая» зона в центральной области рабочей камеры устраняется размещением сердечника в данной области, а «залипание» элементов в области углов зубцов индуктора устранено равномерным распределением электромагнитного поля в оставшейся части рабочей камеры. Недостатками данной конструкции является снижение пропускной способности в связи с сокращением «живого» сечения рабочей камеры. Дополнительным недостатком, обусловленным узкой зоной рабочего пространство, оставшегося после размещения внутреннего сердечника, является снижение длины свободного пробега каждого элемента, ограничивающее возможности устройства к созданию гидродинамической кавитации. Каждый ферромагнитный элемент практически не способен достичь необходимой критической скорости до соударения со стенкой рабочей камеры или с внутренним сердечником, необходимой для образования кавитационных пузырьков.
Наиболее перспективным решением снижения негативного влияния «мертвых» зон является изменение электромагнитного поля. Конструктивно в данном случае изменение магнитной системы устройства будет включать переход от многофазной обмотки к сосредоточенной, управляемой импульсами блока системы управления, формирующего алгоритмы включения необходимых фаз катушечной обмотки для достижения необходимой траектории движения ферромагнитных элементов. В данной конструкции особое значение будет играть как количество полюсов и фаз обмотки, так и форма зубцового слоя индуктора.
Наиболее близким к заявленному устройству, является (патент RU 169608 U1, B01F 13/08, опубл. 24.03.2017) электромеханический преобразователь с дискретной вторичной частью. Аппарат содержит индуктор, состоящий из двенадцати полюсов, рабочую камеру, набор ферромагнитных элементов, на внутренней стороне индуктора равномерно по окружности располагаются двенадцать полюсов с катушечной обмоткой, а каждая фаза катушечной обмотки состоит из двух полуобмоток, расположенных на диаметрально противоположных полюсах индуктора и встречно соединенных.
В устройстве применяется сосредоточенная катушечная обмотка, управляемая блоком управления по заданным алгоритмам включения полюсов. Эффективность работы устройства определяется количеством рабочих ферромагнитных элементов, вовлекаемых в общее движение. При этом выбранная конфигурация индуктора должна обеспечить такое распределение электромагнитного поля в рабочей зоне, при котором возможно создание движения с максимальной длиной свободного пробега каждого элемента.
Недостатками устройства является большое число полюсов, снижающее величину магнитной индукции, создаваемой одним полюсом. Так как элементы в соответствии с алгоритмом управления должны преимущественно передвигаться от одного полюса к другому, малое межзубцовое расстояние сокращается длину свободного пробега элементов, а соответствующие небольшие размеры полюсов снижают величину создаваемой магнитной индукции, снижая интенсивность движения в области зубцов статора и в центре рабочей камеры.
Задача полезной модели - снижение неравномерности распределения ферромагнитных элементов по всему объему рабочей камеры и повышения длины свободного пробега каждого ферромагнитного элемента.
Сущность полезной модели заключается в том, что электромеханический преобразователь с дискретной вторичной частью, включающий индуктор, рабочую камеру из немагнитного материала, набор ферромагнитных элементов, при этом на внутренней стороне индуктора равномерно по окружности располагаются десять полюсов с сосредоточенной катушечной обмоткой, причем каждый полюс индуктора состоит из тела полюса и коронки зубца, явно выступающей за пределы обмотки, а каждая фаза катушечной обмотки электрически не соединена с другими фазами, ферромагнитные элементы выполнены в виде обмотки обоюдоострых стержней.
Техническим результатом является повышение в среднем по объему рабочей камеры величины электромагнитного усилия, действующего на единичный ферромагнитный элемент. Изменение зубцовой зоны индуктора позволяет при сохранении значений фазного тока и параметров обмотки, на 29% увеличить значение магнитной индукции в среднем по объему рабочей камеры, в сравнении с конструкцией с отсутствующими коронками зубцов. Достижение такого показателя в большей степени важно для случаев работы с элементами, максимально удаленными от активного полюса, то есть находящимися в центре рабочей камеры.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на
фиг. 1 приведено поперечное сечение зубцовой зоны индуктора устройства;
фиг. 2 приведено поперечное сечение устройства.
Электромеханический преобразователь с дискретной вторичной частью содержит 1 - индуктор, 2 - полюс индуктора с коронкой, 3 - катушечная обмотка, 4 – коронка зубца,  5 -рабочая камера, 6 - ферромагнитный элемент, 7 - блок управления.
Индуктор устройства 1, набранный из листов электротехнической стали, имеет на внутренней стороне десять полюсов 2, равномерно расположенных по окружности. Десяти полюсный индуктор, выбранный на основе математического моделирования электромагнитного поля и оптимизационного расчета зубцовой зоны, обеспечивает выполнение одновременно двух задач: повышение длины свободного пробега ферромагнитного элемента при движении по окружности рабочей зоны от полюса к полюсу при переключении соответствующих фаз катушечной обмотки 3, и обеспечения необходимых конструкционных параметров катушечной обмотки 3, диаметра обмотки и числа витков, определяющих характеристики электромагнитного поля в рабочей зоне. Каждый полюс индуктора 2 состоит из тела полюса и коронки зубца 4, явно выступающей за пределы обмотки. Максимальный выступ коронки зубца 4 над остальным полюсом находится в диапазоне 2,0-3,0 мм и ограничивается величиной магнитной индукции и внутренним диаметром индуктора 1. Ширина коронки зубца 4 зависит от ширины тела полюса 2. Размер ширины коронки зубца 4 определяется соотношением ширины зубца к коронке зубца (b2/b3) находящимся в диапазоне от 1,7-2,0. На полюсах 2 располагается многофазная сосредоточенная катушечная обмотка 3, создающая в рабочей зоне электромагнитное поле, характер которого зависит от вектора МДС обмотки, принимающего в процессе работы строго определенные дискретные положения, в зависимости от алгоритма включения фаз катушечной обмотки 3. Каждая фаза катушечной обмотки 3 электрически не связана с другими фазами, позволяя осуществлять более сложные комбинации включения для достижения оптимального управления движением вторичной дискретной части в процессе работы установки. Рабочая камера 5 устройства располагается во внутренней части индуктора 1 и выполняется в форме цилиндра из немагнитного материала. В полости рабочей камеры 5 располагаются элементы, выполненные из ферромагнитного материала 6 в виде обоюдоострых стержней. Коммутация фаз катушечной обмотки 3 осуществляется блоком управления 7.
Работает устройство следующим образом.
Сосредоточенная катушечная обмотка 3 расположена на полюсах индуктора 2 и подключена к блоку управления 7, осуществляющему возбуждение соответствующих фаз катушечной обмотки 3. Включение фаз катушечной обмотки 3, реализуемых с пониженной частотой, динамически изменяемой в зависимости, как от выбранного алгоритма переключения, так и от характеристик обрабатываемого сырья, заставляет большую совокупность ферромагнитных элементов 6 поочередно притягиваться к активным полюсам 2 с включенной фазой катушечной обмотки 3. Чередование коммутирующих фаз катушечной обмотки 3 обеспечивает интенсивное движение ферромагинитных элементов 6 по объему рабочей камеры 5, тем самым осуществляя обработку жидкого материала в рабочей камере 5.
Снижение количества полюсов индуктора позволяет как увеличить количество витков каждой фазы, тем самым повышая значение магнитной индукции по объему рабочей камеры, так и увеличить межзубцовое расстояние. Так как в соответствии с принципом работы устройства ферромагнитные элементы 6 перемещаются последовательно от одного полюса к другому в соответствии с алгоритмом переключения фаз, повышение величины межзубцового расстояния позволяет ферромагнитным элементам  набрать большую скорость до достижения, следующего по порядку активного полюса, повышая тем самым интенсивность создаваемой гидродинамической кавитации. При этом количество полюсов обеспечивают большую гибкость при формировании алгоритмов коммутации фаз индуктора.
Ввиду отсутствия внутреннего монолитного магнитного сердечника, важное значение при проектировании устройств с подвижной дискретной вторичной частью имеет равномерное распределение электромагнитного поля по объему рабочей камеры. Снижение количества с двенадцати до десяти полюсов повышает среднее значение магнитной индукции по объему рабочей камеры. Для снижения вероятности «замирания» ферромагнитных элементов  в области углов зубцов индуктора были изменены геометрические размеры зубцовой зоны индуктора (фиг. 1): высота коронки зубца индуктора b1; ширина зубца индуктора b2; ширина коронки зубца b3. Конструкция зубца с соотношением ширины зубца к коронке зубца (b2/b3) находящимся в диапазоне от 1,7-2,0 и высотой коронки зубца от 2,0 до 3,0 мм при внутреннем диаметре индуктора 800 мм повышает величину электромагнитного усилия, действующего на единичный ферромагнитный элемент в центре рабочей камеры на 14%.