5. Дополнительная катушка в виде двух секций, расположенных на ярмах и на обмотке индуктора

На рисунке 6.12 представлена схема ИЕ, а на рисунке 6.13 – фотография индуктора с дополнительной катушкой в виде двух секций 6, соединенных встречно. Секции находятся на одном стержне магнитопровода и намотаны поверх обмотки индуктора 2.

Рисунок 6.12. Электромагнитный вращатель с дополнительной катушкой в виде двух секций	Рисунок 6.13. Фотография индуктора с дополнительной катушкой в виде двух секций

Магнитный поток, создаваемый токами дополнительной катушки, пронизывает как охваченный, так и неохваченный каналы. В результате образуется вращательное движение металла в обоих каналах одним электромагнитным вращателем.

Эффективность электромагнитных вращателей может быть исследована на физической модели индукционной единицы, фотография которой представлена на рисунке 6.14,а.

Измерение скорости вращения металла в канале осуществляется с помощью специальной системы, представленной на рисунке 6.14,б.

а	б

Рисунок 6.14. Физическая модель индукционной единицы с электромагнитными вращателями: а – общий вид; б – устройство измерения скорости вращения

По оси канала натянута струна 4 и закреплена в нижней части опорным 1 и натяжным 3 болтами, в верхней части – натяжным болтом 10 и стопорной гайкой 11. На струну одета латунная трубка 5, на которой имеется насадка 6, способная перемещаться и фиксироваться на трубке. В насадке имеются четыре штыря с одетыми на них винтами-лопастями 7, способными перемещаться на штырях по радиусу и фиксироваться. Меняя положение винтов-лопастей на штырях можно измерять скорость вращения жидкого металла в разных радиусах канала. Скорость измеряется с помощью диска 8 с отверстиями и фотодатчика 9.

Устройства электромагнитных вращателей в виде дополнительных катушек, расположенных на магнитопроводе. Расположение дополнительных катушек на ярмах магнитопровода представлено на рисунке 9а (две катушки) и 9б (одна катушка), а расположение катушек сверху обмотки индуктора представлено на рисунке 9в (одна катушка) и 9г (две катушки). При расчете электромагнитных моментов во всех устройствах выполнялось условие , то же что и в устройстве в виде седлообразной катушки. Сдвиг фазы тока в дополнительных катушках по отношению к току обмотки индуктора во всех устройствах равен 90⁰.

у

х

0

у

х

0

у

х

0

у

х

0

а) б) в) г)

Рисунок 9 – Дополнительные катушки на магнитопроводе: а,б – две и одна катушки на ярме магнитопровода; в,г – две и одна катушки на основной катушке

6. Сравнение эффективности электромагнитных вращателей

В программной среде была создана двухмерная модель индукционной единицы канала. Размеры расчетной области: высота окна магнитопровода 0,56 м, ширина 0,48 м, ширина обмотки индуктора 0,03 м, высота 0,53 м, радиус канала 0,08 м. На рисунке 3а: 1 – цилиндрические каналы с жидким алюминием, удельная электропроводность алюминия γ=3,33٠10⁶Ом^-1٠м, относительная магнитная проницаемость μ/μ₀=1.256٠10^-6 Гн/м,2 – магнитопровод индуктора, имеет относительную магнитную проницаемость 1000, 3 – обмотка индуктора, выполненная из медной трубки с количеством витков 64; 5 – воздух.Сила тока в главной катушке 60 кА, частота тока 50 Гц. Для анализа решено рассматривать только внутреннюю часть ИЕ, выделенную красной штрихпунктирной линией 4.

Под действием магнитного поля в каждом элементарном элементе жидкого металла создается электромагнитная сила, средняя объемная, за период, плотность которой определяется из выражения:

,Н/м3 (5)

где – комплексный вектор плотности электрического тока, А/м²;

- комплексный вектор плотности магнитной индукция, Тл.

а) б)

Рисунок 3 – Двухмерная модель индукционной единицы: а – расчетная область; б – сетка конечных элементов расчетной области в 2D постановке

Раскладывая на составляющие вектор электромагнитной силы в цилиндрических координатах (рисунок 4), получаем:

(6)

где , – единичные вектора цилиндрической системы координат.

θ

Рисунок 4 – Силы в элементарном конечном элементе канала

Электромагнитный момент, действующий на объемный элемент жидкого металла, определяется из выражения:

, H*m, (7)

где r – расстояние до элемента от центра канала, м.

Интегральный момент действующий на весь объем канала:

, Н*м, (8)

где l – длина канала по оси Z.

В дальнейшем за базисный момент принят максимальный момент в устройстве с седлообразной катушкой, а относительные моменты в других устройствах будут определены в относительном виде:

;

где М – момент в канале для рассматриваемого устройства, Н٠м;

М_б – базисный момент, Н٠м.

Произведем расчет электромагнитного поля и относительных электромагнитных моментов в металле канала ИЕ с другими электромагнитными вращателями, (М_б = 14 Н*м).

Далее рассмотрим устройства с дополнительными катушками на ярмах магнитопровода и сверху обмотки индуктора.

Вращающий момент жидкого металла в канале возникает в результате наложения двух магнитных потоков, сдвинутых относительно друг друга в пространстве и по фазе. Магнитный поток рассеяния создаваемый обмоткой индуктора направлен вдоль оси 0у, а магнитный поток дополнительных катушек направлен вдоль оси 0x.

Результаты значений относительных моментов электромагнитных вращателей разного исполнения сведены в таблицу 1.

Таблица 1 – Относительные вращающие моменты от различных устройств

Устройства электромагнитного вращателя	Момент, о.е.
Седлообразная катушка на канале	1
Перемещение канала	0,02
Электромагнитный экран	0,21
Две дополнительные катушки на ярме	0,92
Одна дополнительная катушка на ярме	0,46
Две катушки сверху основной катушки	0,76
Одна катушка сверху основной катушки	0,35

Седлообразная катушка прижатая к футеровке канала с металлом является наиболее эффективным устройством создания вращающего момента, это происходит за счет расположения источника дополнительного магнитного поля в непосредственной близости к металлу, но техническое исполнение такого типа катушки весьма затруднительно. Устройства реализующие перемещение канала и электромагнитный экран не требуют дополнительного потребления электрической энергии, в отличие от катушек. Устройства с дополнительными катушками в системе ИЕ позволяют управлять величиной и направлением вращающего момента в широком диапазоне.

Заключение.Электромагнитные вращатели жидкого металла могут быть использованы в различных МГД устройствах основанных на принципе индукционной единицы.Такие устройства используются в кондукционных насосах металлургического назначения, в индукционных установках рафинирования, дегазации и гомогенизации. В зависимости от назначения устройства может быть использован любой электромагнитный вращатель рассмотренный выше, с учетом его эффективности и энергопотребления. Как показал опыт эксплуатации индукционной канальной печи с вращателем на заводе КраМЗ, каналы индукционной единицы практически не зарастали окислами, в силу этого отпала необходимость механической чистки каналов. Создание вращательного движения металла делает распределение плотности тока в сечении канала более равномерным, что уменьшает градиент температуры в футеровке и повышает надежность канальной части индукционной единицы.

14