СПОСОБ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЙ СЕПАРАЦИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR ELECTRODYNAMIC SEPARATION AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области сортировки материалов на электропроводящие и неэлектропроводящие.
Известен электродинамический сепаратор, создающий встречно бегущие магнитные поля [Применение линейных индукторов со встречно бегущими магнитными полями в электродинамических сепараторах / А. Ю. Коняев, Ж. О. Абдуллаев, Д. Н. Багин, М. Е. Зязев // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. - 2019. - № 32. - С. 22-37.], содержащий двухсторонний линейный индуктор, одна секция которого располагается под конвейером, другая - над ним, разбегающиеся магнитные поля, движущиеся от центра трехфазного четырехполюсного линейного индуктора обеспечивают выход металла из потока отходов по обе стороны от конвейера.
Известен способ электродинамической сепарации и устройство реализующее способ электродинамической сепарации [Авторское свидетельство СССР № 934600, МПК: В03С 1/24, В03С 1/253. Дата опубл. 07.12.1985], заключающийся в том, что исходный материал, содержащий электропроводящие и неэлектропроводящие частицы, поступают в зону, где при помощи бегущих магнитных полей индукторов, по типу линейных двигателей, электропроводящие частицы сбрасываются в приемные бункеры. Устройство содержит транспортирующий орган с конвейерной лентой, приемные бункеры для электропроводящих частиц металлов, линейные электродвигатели, создающие магнитные поля, бегущие в противоположных направлениях.
Недостатком аналогов является невысокая эффективность из-за того, что бегущее электромагнитное поле практически не оказывает силового воздействия на электропроводящие частицы, размеры которых, меньше полюсного деления индукторов, создающих рабочее бегущее поле. Это подтверждается публикациями [Коняев А.Ю. и др. Особенности электродинамической сепарации мелкой фракции твердых бытовых отходов // Экология и промышленность России. - 2017. - Т. 21. - № 6. - С. 4-9.; Коняев А. Ю. Сепараторы для извлечения цветных металлов из ТКО // Твердые бытовые отходы. - 2017. - № 3(129). - С. 36-39], в которых показано, что эффективность силового воздействия электромагнитного поля индуктора снижается и прекращается при уменьшении размера токопроводящих частиц.
К недостатку, снижающему эффективность селекции, относится также следующее: при пространственном совмещении индукторов с разнонаправленными бегущими полями в рабочей зоне происходит гашение одного поля другим и на конвейерной ленте в этом месте образуется пространство, в котором бегущее поле отсутствует, и исходный материал проходит без обработки. Аналогично, при удаленном расположении одного индуктора от другого гашение не происходит, т.к. на конвейерной ленте в промежутке между ними также оказывается пространство, в котором бегущее поле отсутствует.
Наиболее близким к заявляемым способу и устройству является способ электродинамической сепарации и устройство для его осуществления [Авторское свидетельство СССР № 1519776, МПК: B03C 1/253, B03C 1/023, B03C 1/22, B03C 1/24. Дата опубл. 07.11.1989], заключающийся в подаче исходного материала в рабочую зону и воздействие на него бегущим магнитным полем по командам датчика металлоискателя непрерывно и импульсивно.
Также описано устройство для его осуществления, содержащее питатель в виде конвейерной ленты, по которой перемещается исходный материал, первый линейный индуктор, постоянно подключенный к сети, второй линейный индуктор повышенной мощности, работающий в импульсном режиме, металлоискатель, чувствительным элементом которого служит обмотка второго линейного индуктора, анализирующий блок и коммутационное устройство.
Недостатком этого способа и устройства является невысокая производительность сепарации из-за отсутствия силового воздействия бегущего поля на частицы, размеры которых меньше размеров полюсного деления индуктора и наличия в рабочей зоне пространств, где бегущее поле гасится встречно бегущей волной, и в которых исходный материал находится вне действия бегущих полей и не сортируется. Кроме того, в данном устройстве для расширения класса крупности извлекаемых электропроводящих частиц применяется импульсное усиление мощности индукторов (в несколько раз). Это увеличивает расход энергии, но эффект возрастает не пропорционально, т.к. на эффективность селекции и расширение «классов крупности» радикально влияет только «подбор» полюсного деления индуктора.
Предлагаемый способ электродинамической сепарации включает подачу исходного материала в рабочую зону и воздействие на него бегущими магнитными полями с переменной конфигурацией с изменяющимся полюсным делением индукторов.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение производительности сепарации.
Технический результат - повышение эффективности селекции электропроводящих частиц путем электродинамической сепарации.
Поставленная задача решается, и технический результат достигается использованием способа электродинамической сепарации, включающего подачу исходного материала в рабочую зону и воздействие на него бегущими электромагнитными полями одного или нескольких индукторов, в отличие от прототипа, при селекции бегущие электромагнитные поля создают индукторами, имеющими переменное число пар полюсов или полюсное деление .
Кроме того, индукторы с разным относительно друг друга направлением движения электромагнитных полей могут располагать в рабочей зоне на расстоянии друг от друга в направлении движения конвейерной ленты не менее, чем на величину , где  - величина половины амплитуды внешнего поля индуктора.
τ
τ
i
i
Кроме того, в режиме селекции могут переключать обмотки индукторов таким образом, что   изменяют дискретно от максимального до минимального или наоборот, c интервалом времени переключения t=1-4 с, определяемым максимальным значением инерции частиц с размером близким к .
τ
i
Кроме того, при сигнале датчиков металла соответствующем определенной стабилизации размеров частиц,  могут устанавливать постоянной величиной, соответствующей наиболее эффективной селекции частиц этого размера.
Поставленная задача решается, и технический результат достигается также устройством, содержащим питатель в виде конвейерной ленты, с возможностью перемещения по ней, первый линейный индуктор, постоянно подключенный к сети, второй линейный индуктор повышенной мощности, обеспечивающий импульсный режим, металлоискатель, чувствительным элементом которого служит обмотка второго линейного индуктора, анализирующий блок и коммутационное устройство, в отличие от прототипа, первый и второй линейные индукторы расположены в шахматном порядке со сдвигом навстречу относительно друг к другу с перекрытием на ширину Δ в направлении перпендикулярном движению ленты, где Δ - удвоенный размер вылета лобовых частей индукторов.
Сущность изобретения поясняются чертежами.
На фиг. 1а - изображен общий вид устройства, реализующего способ, на фиг. 1б - схема управления, на фиг. 2 - представлено воздействие бегущих электромагнитных полей, при размере частицы больше полюсного деления, на фиг. 3 - представлено воздействие бегущих электромагнитных полей, при размере частицы меньше полюсного деления.
Устройство, реализующее способ электродинамической сепарации содержит: питатель в виде конвейерной ленты 1 (фиг. 1а), которая перемещает исходный материал, подлежащий сепарации, два индуктора: левосторонний по ходу движения конвейерной ленты линейный индуктор 2 (ИЛ) и правосторонний линейный индуктор 3 (ИП), создающие бегущие в противоположных друг к другу направлениях электромагнитные поля, каждое в направлении ближайшего края конвейерной ленты, с рабочими обмотками 4 и 5, постоянно подключенными к двухканальному блоку питания 6 с коммутирующими устройствами 7, 8, и датчики металла 9, 10, чувствительными элементами которых являются измерительные обмотки 11 и 12, уложенные в пазы ИЛ 3, ИП 2 и подключенные к двухканальному анализирующему блоку 13, преобразующему сигналы датчиков в команды (фиг. 1б).
Устройство для электродинамической сепарации работает следующим образом.
τ
τ
i
τ
τ
τ
i
i
i
i
i
Исходный материал, подлежащий сепарации, подается по конвейерной ленте 1 в рабочую зону. Включенные на постоянную работу индукторы 2 и 3 могут работать в двух режимах: режим цикличного изменения пар полюсов или режим с постоянным числом пар полюсов. Индукторы 2 и 3 с периодически изменяющимися , где  - полюсное деление,  - индекс, указывающий на число пар полюсов, непрерывно воздействуют на электропроводящие частицы бегущими магнитными полями. Находящиеся в зоне действия частицы меньшего размера получают мощный импульс силы при меньшем  (большем числе пар полюсов), частицы крупнее - при большем  (меньшем числе пар полюсов), тем самым, эффективность индукторов увеличивается. При этом силовое воздействие магнитных полей имеет место только при превышении размеров частицы больше .
Индукторы, создающие рабочие поля, бегущие в разных направлениях, устанавливаются в рабочей зоне в положениях, исключающих взаимное гашение бегущих полей.
τ
i
Индукторы управляются автономно, каждый своим каналом. Управление дифференцировано следующим образом: 1) при появлении электропроводящих частиц в рабочей зоне ИП 2 и ИЛ 3 по сигналу датчиков коммутирующие устройства 7, 8 запускают индукторы в рабочие режимы: первый режим заключается в сканировании рабочей зоны переменнополюсными бегущими полями с последовательно изменяющимися числами пар полюсов; второй режим включается при поступлении информации от датчиков о постоянстве размеров электропроводящих частиц; сканирование чисел пар полюсов прекращается и фиксируется на оптимальном полюсном делении, пока датчик не покажет изменения размеров частиц, при получении такого сигнала соответствующий (или оба) индуктор возвращается коммутирующими устройствами 7, 8 блока 6 в режим изменения числа пар полюсов (или ).
ИП 2 и ИЛ 3 располагаются на расстоянии друг от друга, исключающем взаимное гашение поля и образование областей, свободных от бегущих полей. Для этого индукторы ИП 2 и ИЛ 3 должны устанавливаться со сдвигом ε навстречу относительно друг к другу, равной удвоенной величине амплитуды внешнего поля [Пашали Д.Ю. Исследование внешнего магнитного поля электротехнических комплексов // Датчики и системы - № 6-2013. С. 56-59] или с перекрытием ширины в направлении, перпендикулярном движению конвейерной ленты. При установке с перекрытием индукторы располагаются на расстоянии друг от друга на величину Δ. Это расстояние, как правило, задает удвоенный размер вылета лобовых частей индукторов [Гольдберг О.Д. Проектирование электрических машин: учебник / О.Д. Гольдберг, И.С. Свириденко; Под ред. О.Д. Гольдберга. 3-е изд., перераб. - М.: Высш.шк., 2006. - с.134]. При этом, это расстояние должно быть менее величины выпучивания магнитного поля при действующей частоте питающего напряжения и среднем значении магнитной проницаемости обрабатываемого материала, в направлении движения конвейерной ленты.
τ
I
F
i
Воздействие бегущих магнитных полей на электропроводящие частицы и обоснование достижения технического результата от заявляемого способа и устройства поясняются на фиг. 2 и фиг. 3. Бегущее магнитное поле представлено в виде мгновенно «застывших волн», переменнополюсной картины силового электромагнитного поля в рабочей зоне, а проводящие частицы в виде проводящих тел, размеры которых в направлении, перпендикулярном движению ленты, превышают . Если размер частицы  больше полюсного деления  (фиг. 2), то сумма сил, создаваемых поперечными к направлению движения конвейерной ленты составляющими тока , будут определять силу :
Под действием силы частица движется в сторону края конвейерной ленты. Направление силы, действующей на частицу, определяется правилом левой руки, а направление наведенного тока в ней правилом правой руки. Ввиду весьма малой скорости движения конвейерной ленты при данных рассуждениях она не учитывается.
Картина полей и токов при размере частицы, меньше полюсного деления, поясняется на фиг. 3. На поперечные составляющие контуров тока, образованных переменным магнитным полем, в пределах, ограниченных размерами частиц , действуют силы, которые направлены противоположно, и поэтому компенсируют друг друга,
F
Так как , результирующая сила  равна нулю, и частица не движется. То же самое следует из [И.Е.Иродов. Основные законы электромагнетизма. Учеб. пособие для студентов вузов. - 2-е, стереотип. - М.: Высш. шк., 1991, с. 148] результирующая сила, которая действует на контур с током в магнитном поле, определяется в соответствии с уравнением:
,
B
где  - вектор, совпадающий по направлению с током,  - вектор, характеризующий силовое действие магнитного поля на движущийся заряд, как
I
B
(фиг. 2 и фиг. 3), где интегрирование проводится по данному контуру с током . Если поле в пределах размеров частицы образуется двумя разноименными полюсами (фиг. 2), то поле неоднородно. Если в пределах размеров частицы находится только один полюс, то магнитное поле можно считать однородным, тогда вектор  можно вынести из под интеграла (3), и задача сводится к вычислению векторного интеграла:
I
F
Этот интеграл представляет собой сумму замкнутых в цепочку элементарных векторов  (продольные и поперечные составляющие тока  (фиг. 3), поэтому он равен нулю. Значит, и  = 0, т.е. результирующая сила Ампера равна нулю.
Таким образом, воздействие на исходный материал бегущим электромагнитным полем с разным числом пар полюсов приводит в движение электропроводящие частицы широкого спектра размеров и существенно повышает эффективность их сепарации.
На фиг. 1б на измерительную обмотку 11 действуют вторичные поля токов, наведенных в проводящих частицах, и реакция на параметры измерительных обмоток преобразуется анализирующим блоком 13, синтезирующим соответствующие команды на силовые элементы системы управления индукторами.
p
var
p
const
t
τ
i
Производится включение питания индукторов посредством коммутирующих устройств 7 или 8 блока 6 или отключения их при отсутствии электропроводящих частиц. Каждый канал коммутирующего устройства 7 или 8 блока 6 предназначен для включения «своего» индуктора в заданный режим работы. Блок питания 6 обеспечивает независимые режимы включения обмоток индукторов 2 и 3 в режим сканирования числа пар полюсов  =  или режим постоянного числа пар полюсов  = . Число пар полюсов при этом изменяется последовательно от меньшего к большему или наоборот. Интервалы времени переключения  = 1-4 с того или иного числа пар полюсов устанавливаются в программу управления блока 6, исходя из инерции частиц с размерами близкими к , т.е. геометрическому размеру частицы в направлении перпендикулярном движению поля к размеру полюсного деления оптимальному для отбора этой частицы. Согласно второму закону Ньютона:
t
m
где  - сила, действующая на частицу; Δ - время действующей силы; - масса частицы;  - скорость движения частицы. Для приведения частицы в движение от  до  время действия силы будет определяться, как:
т.е. время воздействия на материал полем конкретного числа пар полюсов пропорционально импульсу тела  и обратно пропорционально силе действия поля на частицу. При малом числе пар полюсов наиболее эффективно перемещаются (отбираются) крупные частицы, размеры которых превышают размер полюсного деления. С увеличением числа пар полюсов происходит эффективное силовое воздействие на проводящие частицы меньшего размера. Благодаря изменению числа пар полюсов и таким образом эффективному воздействию на электропроводящие частицы исходного материала в широком диапазоне их размеров повышается производительность процесса селекции.
τ
τ
i
i
Сигналы с датчиков металла 9, 10 анализируются блоком 13, и на управляющее устройство выдается команда на включение элементов обмотки с тем или иным полюсным делением, согласно выражению  [Электрические машины. Асинхронные машины: Конспект лекций для студентов направления подготовки: “Электротехника и электротехнологии”. Донецк: ДонНТУ, 2011., с.189], где  - полюсное деление,  - скорость бегущего поля в линейном двигателе,  - частота тока в обмотке индуктора. По сигналу датчика металла изменяется величина  в соответствии с размером частиц.
Пример конкретной реализации способа.
τ
τ
τ
τ
i
i
i
i
Полюсное деление может изменяться в четырех пределах,  =0,01 [м] за t=1-2 [c];  = 0,02 [м] за t=1-2 [c];  = 0,03[м] за t=3-4c;  = 0,04 [м] за t=3-4 [c].
При  =1 м/с, =50 Гц:
Минимальный размер частицы 0,01 м, а максимальный размер частицы 0,04-0,05 м. Таким образом, осуществляется селекция по размеру частиц.
Итак, заявляемое изобретение позволяет расширить функциональные возможности индукторов, улучшить селекцию электропроводящих частиц.