ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БОНДАРЕНКО ВОЛОДИМИР ІВАНОВИЧ

УДК 621.313.282

Лінійна індукційна магнітогідродинамічна машина

з модульною обмоткою

Спеціальність 05.09.01 - електричні машини і апарати

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ДОНЕЦЬК 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Слов'янському державному педагогічному університеті

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор

Пивоваров Лев Володимирович,

Слов'янський державний педагогічний університет, професор.

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор

Омельяненко Віктор Іванович,

Національний технічний університет

“Харківський політехнічний інститут”,

завідувач кафедри електричного

транспорту та тепловозобудування

- кандидат технічних наук, доцент

Васильєв Леонід Олександрович,

Донецький національний технічний

університет, доцент кафедри

“Електромеханіка і ТОЕ”.

Провідна установа – Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут” кафедра електромеханіки Міністерства освіти і науки України (м.Київ).

Захист дисертації відбудеться “15” травня 2003р. о 1430 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 11.052.02 Донецького національного технічного університету за адресою: 83000, Україна, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 1-й навчальний корпус, ауд. 1.201.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ДонНТУ (83000, Україна, вул.Артема, 58, 2-й навчальний корпус).

Автореферат розісланий “11” квітня 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради К 11.052.02

канд. техн. наук, доцент Ларін А.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТАРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Металургійний комплекс традиційно займає стратегічне положення в економіці України. Однак у даний час галузь має гостру потребу в якнайшвидшому впровадженні сучасних технологій, які у більшості випадків зв'язані з електротехнологіями. Одним з напрямків розвитку електротехнологічних процесів є магнітогідродинамічний (МГД) вплив різного роду.

Актуальним є використання лінійних індукційних МГД-машин у ливарному виробництві для транспортування рідкого металу з промковша в ливарну форму. Особливо актуальним є використання МГД-машин у зв'язку з бурхливим розвитком технології безупинного лиття заготовок. МГД технології, поряд з іншими, широко використовуються для перемішування рідкого металу в піч-ковші, кристалізаторі й у зоні вторинного охолодження, що дозволяє поліпшити якість заготовок, збільшити швидкість лиття і тим самим збільшити економічність металургійного виробництва. У зв'язку з тенденцією збільшення швидкості лиття виникає задача про регулювання швидкості подачі рідкого металу в кристалізатори багатострумових машин безупинного лиття заготовок (МБЛЗ). Існує багато пристроїв для регулювання швидкості подачі рідкого металу в кристалізатор. Найбільш оперативне і точне регулювання рідкометалевого струменю можна здійснити за допомогою МГД технологій. Очевидно, що в зв'язку з обмеженою довжиною заглибного стакану зона МГД впливу також обмежується. Важкі температурні режими обумовлюють підвищені вимоги до виконання МГД-машин. Таким вимогам у даний час відповідають лінійні МГД-машини з модульною обмоткою, що працюють у двигунно-гальмівному режимі і забезпечують рівномірне надходження металу в кристалізатор при зміні рівня металу в промковші.

Специфіка конструктивного виконання лінійної МГД машини з модульною обмоткою, що комплексно включає в себе вторинну обмотку трансформатора й обмотку індуктора, потребує розробки методики розрахунку таких пристроїв з урахуванням геометричних факторів виконання обмотки, поздовжнього і поперечного крайових ефектів.

Зв'язок теми дисертації з планом основних робіт університету.

Розробка теоретичних основ і принципів побудови високоефективних електротехнологічних комплексів для МГД впливу на рідкий метал є одним з напрямків наукових досліджень технологічного факультету Слов'янського державного педагогічного університету. Робота виконана відповідно до плану наукових досліджень по комплексній проблемі 1.9.2.2 “Перетворення, передача і розподіл електромагнітної енергії” (номер держ. реєстрації 01.09.0037249. Шифр “Бриз”) разом з Інститутом електродинаміки НАН України.

Метою роботи є розробка методів аналізу, обґрунтування методики розрахунку параметрів лінійної індукційної магнітогідродинамічної машини з модульною обмоткою й експериментальне дослідження фізичної моделі машини для раціонального керування рідкометалевим струменем і підвищення ефективності роботи МБЛЗ.

Для досягнення поставленої в роботі мети сформульовані наступні задачі дослідження:

- розробити методику розрахунку циліндричної лінійної індукційної машини з модульною обмоткою;

- розробити методику розрахунку лінійної індукційної МГД-машини з об'ємною модульною обмоткою і плоскими каналами;

- провести експериментальні дослідження МГД-машини з об'ємною модульною обмоткою і плоскими каналами і визначити основні шляхи підвищення ефективності її роботи;

- досліджувати роботу МГД-машини нового типу з трифазною модульною обмоткою, що розташована в шестипазовому індукторі.

Об'єкт дослідження – лінійна індукційна МГД-машина з модульною обмоткою.

Предмет дослідження – полягає в обґрунтуванні нової фізичної моделі МГД-машини як єдиної системи, що включає сполучення (об'єднання) одновиткових литих обмоток індуктора з вторинною обмоткою погоджувального трансформатора і канал з металевим розплавом.

Методи дослідження. У роботі використані методи теорії електричних машин, теорії електричних кіл, математичної фізики й обчислювальної математики. Для перевірки впливу допущень, прийнятих у розрахунках, використовувався метод фізичного моделювання.

Основні наукові положення і результати, що виносяться на захист, і їхня новизна.

1. Одержала подальший розвиток математична модель лінійної індукційної МГД-машини для аналізу основних робочих характеристик системи “лінійна індукційна машина – рідкометалевий струмінь”, з урахуванням явищ поздовжнього і поперечного крайових ефектів, розподілом електромагнітних полів у кінцевих зонах у залежності від конструктивного виконання обмотки машини і гідродинамічних процесів руху рідкого металу в заглибному стакані.

2. Розроблено конструкцію МГД-машини з об'ємною шестистрижневою модульною обмоткою, що дозволило поліпшити робочі характеристики системи “лінійна індукційна машина – рідкометалевий струмінь”.

3. Розроблено методику розрахунку електромагнітних полів, електричних параметрів і енергетичних характеристик блоку-модуля циліндричної МГД-машини і МГД-машини з плоским каналом з урахуванням особливостей конструктивного виконання плоских модулів, схем з'єднання і просторового розташування стрижнів індуктора.

Практичне значення роботи полягає:

- у розробці, виготовленні і промисловому іспиті зразка нової МГД-машини і доказі її ефективної працездатності;

- у розробці принципових основ проектування і створення блоків-модулів, що складаються з погоджувального трансформатора і лінійної індукційної МГД-машини з модульним виконанням обмоток.

Апробація роботи. Основні наукові і практичні результати роботи доповідалися на науково-технічних конференціях Слов'янського державного педагогічного університету (Слов'янськ, 1997-2002); на розширеному засіданні кафедри електромеханіки і теоретичних основ електротехніки Донецького національного технічного університету (Донецьк, 2001); на семінарі “Електрофізичні процеси в технологічних системах” в Інституті електродинаміки НАН України (Київ, 2002).

Публікації. Результати роботи опубліковані в 8 наукових статтях, зокрема 3 у наукових журналах і 5 – у наукових збірниках, визнаних ВАК України в якості основних для висвітлення матеріалів кандидатських дисертацій.

Особистий внесок здобувача. Здобувач безпосередньо вивчив процеси силового електромагнітного впливу на потік рідкого металу в стакані кристалізатора, запропонував, розробив та реалізував нові фізичні моделі і схемні рішення блок-модулів лінійних циліндричних та площинних МГД-машин з модульними обмотками, розробив методики експериментів, провів експериментальні дослідження, виконав обробку та аналіз отриманих результатів.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, висновку, списку літератури з 59 найменувань, містить 135 машинописних сторінок основного тексту, 35 рисунків, 19 таблиць, чотирьох додатків на чотирьох сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В вступі обґрунтована актуальність роботи, визначені предмет і сформульовані мета, задачі дослідження, охарактеризовані методи дослідження, визначені наукова новизна і практична значимість отриманих результатів, а також приведена загальна структура роботи.

У першому розділі представлені основні технологічні процеси при безупинному розливанні сталі, зроблен огляд методів, схем і конструкцій пристроїв для регулювання параметрів рідкометалевого струменю при подачі в кристалізатор. Великий перепад рівня металу в кристалізаторі призводить до затягування в метал включень шлаку і розплавлених флюсів, а також до повторного влучення в метал неметалевих включень, що спливають на поверхню металу. При стабільному рівні рідкого металу в кристалізаторі підвищується продуктивність МБЛЗ, збільшується швидкість розливання, виключається можливість влучення шлакових включень, поліпшується якість поверхні заготовок, знижується можливість поривів та ін.

Розглянуто існуючі пристрої механічного типу для регулювання напір-видатковими характеристиками заглибного стакана й електромагнітні пристрої регулювання параметрами струменя - МДН-насоси, лінійні МГД-машини. Відзначено, що для точного регулювання рідкометалевого струменя доцільно використовувати МГД технології.

Одним з можливих технічних рішень МГД дроселювання є запропоноване нижче виконання МГД-машини у виді лінійного асинхронного двигуна з модульною обмоткою, що представляє блок-модуль власне машини і знижувального трансформатора, вторинна низьковольтна одновиткова обмотка якого складає єдиний електричний ланцюг зі стрижневою обмоткою лінійної машини з безпосереднім водяним охолодженням.

Загальна теорія лінійних асинхронних машин досить повно освітлена в монографіях О.І.Вольдека, Я.Я.Лієлпетера, М.М.Охременка, Т.К.Калніня, Ф.М.Сарапулова працях Х.І. Яніса, А.П.Ращепкіна, В.Ф.Шинкаренка, М.З.Дудника та інших.

Однак у зв'язку з вище відзначеними особливостями виконання машини виникла необхідність розвитку теорії, методів розрахунку і принципів проектування подібних МГД-машин.

В другому розділі зазначені особливості модельного уявлення лінійних індукційних машин з локальним просторовим розподілом фазних струмів для транспортування рідких металів у каналах, що полягають у неможливості уявлення струмового навантаження машини у вигляді хвилі, що біжить, і нерівномірному розподілі швидкості потоку по перетині каналу. Взаємний вплив профілю швидкості і поля призводить до перерозподілу індукованих струмів і об'ємних електродинамічних зусиль, так що результуючий розподіл як може бути визначено лише в результаті рішення рівнянь магнітної гідродинаміки.

Основні рівняння магнітної гідродинаміки складають систему рівнянь електродинаміки і гідродинаміки.

Електромагнітне поле в ізотропних електропровідних середовищах, що повільно рухаються, описується рівняннями Максвелла:

, , , (1) і матеріальних рівнянь

, . (2)

Тут - вектори напруженості магнітних і електричних полів, магнітної індукції і щільності струму відповідно; - магнітна проникність середовища; - питома електропровідність середовища; - вектор швидкості руху провідного середовища.

Рівняння гідродинаміки представляють собою рівняння Навье-Стокса для нестисливої грузлої рідини, яке доповнене об'ємними електродинамічними силами :

, (3)

і рівняння нерозривності

, (4)

де: і - щільність і кінематична в'язкість середовища, що рухається; - тиск.

Система електроживлення лінійної машини з модульною обмоткою здійснюється через знижувальний трифазний трансформатор порівнянної потужності. Його первинна обмотка підключається до симетричної системи фазних напруг, а вторинна на істотно несиметричне навантаження. Тому при розробці розрахункових методик по визначенню структури електромагнітних полів, енергетичних характеристик і силового впливу на струмінь рідкого металу такі машини необхідно розглядати як єдиний блок-модуль з урахуванням електромагнітних процесів безпосередньо в лінійній машині з модульною обмоткою і несиметрично навантаженому трансформаторі.

У третьому розділі сформульована математична модель блоку-модуля циліндричної лінійної МГД-машини, розроблені методи розрахунку його електричних параметрів і енергетичних показників.

У розрахунковій моделі магнітопровід прийнятий гладким, а фазні струми зосередженими на його поверхні (рис. 1) у виді нескінченно тонких пластин, шириною рівній ширині паза, по кожній з яких тече струм відповідної фази, тобто число пазів на полюс і фазу приймається рівним одиниці. Магнітну проникність магнітопровода приймемо нескінченно великою, а електропровідність, рівною нулю.

Рис.1. Розрахункова модель циліндричної МГД-машини

Дотримуючись необхідному для обмоток асинхронних машин просторовому розміщенню фаз, струмове навантаження індукторів двополюсної машини представимо у вигляді результуючого впливу струмів фаз А, С и В:

;

;

;

, (5)

де: - одинична узагальнена функція; - комплексні значення амплітудних величин фазних струмів у стрижнях обмотки машини, , ; - частота струму мережі. Крок обмотки прийнятий рівним полюсному розподілу машини - .

Розподіл електромагнітних полів у робочій зоні машини в електродинамічному наближенні (швидкість потоку припускається заданою) описується рівняннями електродинаміки (1), (2) вектори яких через лінійність задачі змінюються в часі за гармонійним законом.

Переходячи до циліндричної системи координат і векторному магнітному потенціалу для яких у силу кругової симетрії існує лише один азимутальний компонент і приймаючи в загальному випадку, що стінка стакана є електропровідною приходимо до крайової задачі для підобластей:

повітряного проміжку - ; (6)

електропровідних стінок стакана - ; (7)

струменя рідкого металу - (8) з відповідними умовами на границях розділу середовищ - рівності дотичних складових напруженості електричних і магнітних полів при відсутності токового шару і рівності дотичної складової напруженості магнітного поля чи струмовим навантаженню на границі поділу магнітопровода і повітряного проміжку.

Умовно продовжимо феромагнітні шунтуючі ділянки магнітопроводів до нескінченності, зберігаючи при цьому активну довжину індуктора незмінною і виконаємо інтегральне перетворення Фур'є по координаті рівнянь (6)-(8) і відповідних граничних умов, а також уводячи поняття середньої швидкості струменя приходимо до відомих рівнянь Бесселя, рішення яких даються лінійною комбінацією модифікованих функцій Бесселя першого і другого роду.

Зокрема для Фур'є-перетворення векторного магнітного потенціалу в рідкому металі описується функцією:

, (9)

де: ; ;

;

;

;

;

;

- пряме перетворення Фур'є струмового навантаження; - параметр перетворення Фур'є.

Не прибігаючи до зворотного перетворення Фур'є обчислимо струмінь електромагнітної потужності з поверхні циліндричного індуктора, що з урахуванням незалежності напруженості електричного і магнітного полів від азимутальної координати записується, як

, (10) де напруженість магнітного поля представляється фазними струмами за (5), а напруженість електричного поля визначається зворотним перетворенням Фур'є.

Після підстановки в (10) виразу для зворотного перетворення Фур'є-образа напруженості електричного поля і змінюючи порядок інтегрування приходимо до рівняння:

. (11)

Вводячи поняття комплексного опору фази рівнянням з урахуванням рівняння (11) визначаємо параметри послідовної схеми заміщення циліндричної індукційної машини (рис.2).

Рис.2. Схема заміщення циліндричної індукційної машини

У схемі заміщення активний опір враховує опір масивної обмотки машини, яка розміщена в пазу, з урахуванням витиснення струму для глубокопазового виконання й опір шин, що підводять, із вторинної обмотки трансформатора, а індуктивний опір - індуктивність розсіювання обмотки в пазу з урахуванням глубокопазового виконання, індуктивність шин, що підводять, і вторинної обмотки трансформатора.

Знайдені електричні параметри індукційної машини використовуються в розрахунку фазних струмів погоджувального трансформатора блок-модуля визначаються за загальноприйнятими методиками з урахуванням асиметрії його навантажувальних опорів.

Механічні характеристики циліндричної МГД-машини визначаються з рішення рівняння Нав’є-Стокса (3), у якому інтегральні електродинамічні зусилля знаходимо з рішення рівнянь електродинаміки в електродинамічному наближенні:

. (12)

Виконане методом ітерацій рішення усередненого по довжині машини рівняння Нав’є-Стокса дає розподіл швидкості рідкого металу в каналі:

. (13)

Оскільки середня швидкість потоку рідкого металу в стакані за технологічними умовами повинна бути постійною, то гідравлічний опір усього тракту транспортування металу в процесі лиття заготівлі залишається незмінним і, отже, під впливом виникнених електродинамічних зусиль градієнт тиску може компенсувати перепад рівня рідкого металу в промковше.

Якщо магнітне біжуче поле машини спрямовано у бік вільного витікання металу (режим двигуна), то визначається нижній рівень металу в промковші, при якому за допомогою МГД-машини може забезпечуватися підтримка сталості витрати металу:

. (14)

Верхній рівень металу у промковші при роботі МГД-машини в режимі гальмування, коли біжуче поле спрямоване проти руху металу в стакані дорівнює:

. (15)

На рис.3 приведене розрахункове компенсуюче електродинамічними силами циліндричної МГД-машини з плоскою модульною обмоткою зміна рівня металу в промковші при роботі машини в режимі двигуна (пунктирна крива) і - у режимі гальма (суцільна крива) в залежності від величини лінійної напруги погоджувального трансформатора живлення.

Конструктивні розміри машини і характеристики погоджувального трансформатора визначені для одного з типових розмірів заглибного стакана. Представлені розрахункові параметри вказують на те, що електродинамічним впливом МГД-машини на струмінь алюмінію в циліндричному каналі можна нехтувати.

Рис.3. Припустима зміна рівня металу в промковші

У четвертому розділі розроблений метод розрахунку і визначені основні енергетичні характеристики і параметри МГД-машини з плоским каналом з урахуванням особливості конструктивного виконання модульної обмотки машини і її роботи разом із погоджувальним трансформатором. При формуванні математичної моделі плоскої лінійної машини для аналізу явищ поперечного крайового ефекту використовується модель індукторів, що чергуються, по поперечній координаті з непарною симетрією. Для урахування реального характеру розподілу електромагнітних полів у кінцевих зонах лінійної машини кінцевої довжини стрижні припускаються продовженими до нескінченності з магнітною проникністю , відмінної від магнітної проникності магнітопроводів машини (рис. 4).

Рис.4. Математична модель лінійної МГД-машини з модульною обмоткою

Магнітні потоки шунтування з бічних граней і спинок магнітопроводів враховуються введенням струму , зосередженого на бічних ребрах осердя:

. (16)

де: - ширина машини; - струм дорівнює магніторушійній силі потоків шунтування; - дельта-функція Дірака.

Струми стрижнів модульної обмотки представляються зосередженими на поверхні гладкого магнітопровода у виді дельта-функцій Дірака, просторове положення яких визначається конструктивним виконанням модульної обмотки (рис.5).

Рис.5. Конструкція секції модульної об'ємної трифазної обмотки:

1 – вторинна обмотка трансформатора живлення; 2 – сполучні шини;

3 – обмотка індуктора; 4 – індуктор; К – канал з металевим розплавом.

Розподіл усередненої по висоті зазору складової індукції магнітного поля після інтегрального перетворення за змінною описується рівнянням:

, (17)

рішення якого при описується функцією:

(18)

де: ;

;

;

; ; ; , ;

;

;

Індукція в кінцевих зонах описується залежностями:

, ; , , (19)

,

.

Зворотне перетворення по знайденим відновлюються рядом:

. (20)

Функцією позначене інтегральне перетворення струмового навантаження індуктора, що визначається конструктивним виконанням модульної обмотки. Зокрема, для розробленої автором трифазної односекційної шестистрижневої модульної обмотки (рис.6):

Рис.6. Загальний вид МГД-машини з трифазною односекційною шестистрижневою модульною обмоткою:

1 – вторинна обмотка трансформатора (витки); 2 – сполучні шини;

3 – обмотка індуктора; 4 – індуктор; 0 – нульові крапки модуля

(21)

На підставі отриманих рішень із залученням вектора Умова-Пойнтінга визначаються комплексні опори індукційної машини і відповідно до послідовної схеми заміщення (рис.2) визначаються струми первинної обмотки узгоджувального трансформатора із системи рівнянь

,

, (22)

:

де: - коефіцієнт трансформації узгоджувального трансформатора; - опір первинної обмотки трансформатора; , - зведений опір вторинної обмотки трансформатора і власний опір машини.

Електродинамічні зусилля в межах активної зони машини визначаються за формулами:

(23)

де: - середня швидкість руху рідкого металу в плоскому каналі.

Звідси максимальна висота регулювання рівня металу в промковші дорівнює:

, (24)

де: - щільність рідкого металу; - прискорення вільного падіння.

У п'ятому розділі експериментально вивчені енергетичні показники МГД-машини з модульним виконанням обмоток і плоским каналом у режимах не робочого ходу і короткого замикання для наступних конструктивних виконань модульної обмотки:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

Проведено їхнє зіставлення з результатами чисельного аналізу за розробленими у попередніх розділах розрахунковими методиками. У процесі експериментальних досліджень було встановлено, що кожен тристрижневий трифазний модуль в індукторі представляє самостійно працюючу двополюсну машину. Збільшення числа модулів шляхом набору їхнього рівнобіжного включення на осередді узгоджувального трансформатора призводило лише до зростання потужності узгоджувального трансформатора і пропорційному збільшенню потужності індуктора. Кожен трифазний тристрижневий модуль збуджує біжуче і пульсуюче поля в межах своєї довжини, що приймає практично нульові значення за його межами. Провали індукції між модулями спостерігаються при будь-якій їхній кількості. Відносно низькі стискальні зусилля (F=15Н) при досягнутому досить високому струмовому навантаженні, 80000 А/м, порозуміваються з однієї сторони тим, що полюсний розподіл при такому виконанні модуля виявився малим . З іншої сторони саме виконання обмотки трифазної асинхронної машини з фазною зоною й одним зубцем на полюс і фазу, що забезпечується конструктивним виконанням тристрижневого модуля, є малоефективним. Для підвищення амплітуди по основній гармоніці біжучого магнітного поля і зменшення величини пульсуючого поля обмотку лінійної асинхронної машини необхідно виконувати з фазною зоною з традиційним для асинхронних машин розташуванням фазних зон A, z, B, x, C, y.

На перший погляд представлялося, що для забезпечення необхідного розташування фазних зон досить виконати тристрижневий модуль у транспонованому виконанні, тобто зі зворотним включенням напруги середнього стрижня.

Однак специфіка виконання тристрижневого модуля полягає в тому, що модуль з'єднаний у “зірку”. Тому за умови симетрії електричних параметрів стрижнів напруга між нульовими шинами узгоджувального трансформатора і обмотки машини постійно підтримується рівним і відповідно, і, отже, струм центрального стрижня кожної секції дорівнює нулю. Така система струмів не буде збуджувати біжуче магнітне поле у зазорі машини, що підтверджує виконаний експеримент.

З огляду на відзначені фактори, для транспортування рідкого металу в кристалізатор була розроблена схема одного об'ємного трифазного шестистрижневого модуля з транспонованою середньою фазою (рис. 7а,б).

Деякі результати експериментальних досліджень цього виконання машини з боку первинної обмотки трансформатора приведені в табл. 1-2. В другому рядку приведені розрахункові величини.

Таблиця 1

Режим короткого замикання V=0, схема з'єднання зірка-зірка

Таблиця 2

Режим короткого замикання V=0, схема з'єднання трикутник-зірка

а)

б)

Рис.7. Модуль МГД-машини із шестистрижневою обмоткою:

а) експериментальний зразок МГД-машини; б) модульна обмотка машини

Схема розташування провідників у пазах шестипазового індуктора і їхнє з'єднання між собою і модулем, що забезпечує поворот середньої фази, показана на рис.8.

Рис.8. Схема з'єднання провідників у пазах шестипазового індуктора і розподіл магнітного поля уздовж статора

Експериментальні дослідження показали, що індукція біжучого магнітного поля в МГД-машині з об'ємною транспонованою модульною обмоткою розподілена більш рівномірно по довжині індуктора (відсутність провалів). За рахунок виконання електричної машини з фазною зоною 600 електродинамічні зусилля машини збільшилася в 3 рази в порівнянні з МГД-машиною і двома модулями. Дані експериментів підтверджуються задовільною збіжністю з розрахунковими результатами (неузгодженість не більш 10%).

ВИСНОВОК

У дисертації дане рішення актуальної наукової задачі, що полягає в розробці математичної моделі і конструктивного виконання лінійної індукційної магнітогідродинамічної машини з модульною обмоткою для регулювання напору рідкометалевого струменя в заглибному стакані МБЛЗ.

1. Розроблено фізичну модель МГД-машини для визначення основних робочих характеристик системи “лінійна індукційна машина – рідкометалевий струмінь”. У моделі здійснене об'єднання обмотки індуктора з вторинною обмоткою трансформатора живлення в єдиний блок-модуль.

2. Розроблені методи аналізу електромагнітних процесів і розрахунку основних енергетичних показників і параметрів схеми заміщення блоку-модуля з циліндричним каналом з урахуванням дискретного розподілу стрижнів модульної обмотки. Показано, що застосування циліндричної МГД-машини без внутрішнього феромагнітного осердя для керування тиском рідкометалевого струменя в стакані кристалізатора неефективно.

3. Розроблені методи аналізу електромагнітних процесів і енергетичних характеристик плоскої МГД-машини з урахуванням обмеженої довжини магнітопроводів і конструктивного виконання тристрижневої модульної обмотки. Представлено схему заміщення і методика розрахунку її параметрів.

4. Розроблені методи розрахунку енергетичних характеристик плоскої МГД-машини із шестистрижневою модульною обмоткою із урахуванням дискретного розподілу стрижнів і кінцевої довжини магнітопроводів.

5. Експериментально встановлене підвищення індукції магнітного поля в повітряному зазорі МГД-машини при транспонуванні середньої фази модульної обмотки індуктора. При цьому спостерігається не тільки підвищення індукції, але і виключаються її провали, що в підсумку дає можливість поліпшити ефективність роботи двигуна.

6. Експериментально обґрунтована можливість збільшення в 2-3 рази щільності струму в обмотках індуктора МГД-машини за рахунок застосування в них голих литих провідників за рахунок більш інтенсивної тепловіддачі з поверхні модуля.

7. Модулі, як плоскі елементи циліндричної обмотки, так і об'ємні елементи трифазної обмотки, мають спрощену технологію виготовлення. Виготовляються вони спеціальним видом лиття, а також зварюванням елементів чи модуля механічною обробкою, що підвищує твердість конструкції.

8. Дослідні іспити промислового зразка лінійної індукційної МГД-машини з модульною обмоткою, призначеної для керування потоком металу в технологічній системі безупинного розливання сплаву алюмінію, і перевірка його працездатності в лабораторіях Слов'янського державного педагогічного університету, Донецького національного технічного університету й в Інституті кольорових металів (м.Донецьк), підтверджують, що лінійна МГД-машина з модульною обмоткою задовольняє технологічним вимогам для систем безупинного розливання металів.

9. Впровадження у виробництво лінійної МГД-машини з модульною обмоткою для спеціальних видів лиття при штампуванні алюмінієвих виробів за проектом Донецького інституту кольорових металів поліпшить якість зливків і підвищить продуктивність машини безупинного лиття заготовок.

Список опублікованих робіт по темі дисертації:

1. Ращепкин А.П., Бондаренко В.И. Цилиндрическая линейная асинхронная машина с модульной обмоткой // Зб. Наукових праць Інституту електродинаміки НАН України.№1(4). – 2003. – С .34-51.

2. Кондратенко И.П., Бондаренко В.И. Магнитное поле плоской МГД-машины с модульной обмоткой // Зб. наукових праць ДонНТУ: серія “Електротехніка і енергетика”. Вип.№50.-ДонНТУ.- 2002.-С.19-26.

3. Бондаренко В.И. Экспериментальные исследования линейного АД с плоской модульной обмоткой // Сб. научных трудов ДонГТУ: серия “Электротехника и энергетика”. Вып.№2.-ДонГТУ.- 1998.-С.222-228.

4. Бондаренко В.И. Расчет преобразователя управления расходом в кристаллизаторе // Електричний журнал. – Запоріжжя.-№2 (10).- 1999.- С 34-40.

5. Бондаренко В.И. Охлаждение модульной обмотки электрической машины большой мощности // Електричний журнал. - Запоріжжя.-№1 (11).-2000.- С.40-44.

6. Бондаренко В.И. Принципы построения математической модели линейного асинхронного двигателя с модульной обмоткой (ЛАД-М) // Придніпровський науковий вісник.-№ 105.-1998.-С.56-60.

7. Нечволод Н.К., Пивоваров Л.В., Бондаренко В.И., Панченко В.А. Оценка качества вторичного элемента ЛАД // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. Сб. научных трудов: серия “Технологии в машиностроении”. Вып. № 95.- Харьков: ХДПУ, 2000.-С.97-112.

8. Пивоваров Л.В., Бондаренко В.И., Ломко Н.А. Компенсация потока теплопроводности термоэлектрического элемента с жидкостной ветвью // Техническая электродинамика.- 1997.- №4. -С. 10-15.

Особистий внесок здобувача:

У статтях [1,2] - здобувачу належить розробка конструктивних виконань машин, розрахункових моделей і розрахункових методик на ПК у пакеті Mathcad, аналіз отриманих результатів. У статті [7] - розроблена методика експериментальних досліджень. У статті [8] - запропонований один з варіантів термоелемента з рідкометалевою гілкою для охолодження модульної обмотки МГД-машини.

Анотація

Бондаренко В.І. Лінійна індукційна магнітогідродинамічна машина з модульною обмоткою.-Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01 - електричні машини і апарати. - Донецький національний технічний університет. - Донецьк, 2003.

У дисертації дане рішення актуальної наукової задачі, що полягає в розробці математичної моделі і конструктивного виконання лінійної індукційної магнітогідродинамічної машини з модульною обмоткою для регулювання напору рідкометалевого струменя в заглибному стакані МБЛЗ.

Конструктивною особливістю МГД-машини є виконання обмотки з масивних стрижнів безпосередньо з'єднаних із вторинною обмоткою узгоджувального трансформатора в єдиному блок-модулі.

Позитивний ефект досягається усуненням усіх контактних з'єднань, між вторинною обмоткою трансформатора і обмоткою індуктора, відсутністю ізоляційних матеріалів, що сприяє ефективній тепловіддачі через усю поверхню модуля і дозволяє експлуатувати обмотку індуктора зі щільністю струму, що перевищує припустиму у два-три рази, високим коефіцієнтом заповнення паза, компактністю і високою технологічністю всього пристрою.

Отримано основні розрахункові співвідношення для визначення електромагнітних навантажень двигуна і загальної потужності пристрою для регулювання рідкометалевого розплаву в заглибленому стакані кристалізатора.

Ключові слова: лінійна МГД-машина, модульна обмотка, електричні параметри , методи розрахунку, безперервне лиття.

Аннотация

Бондаренко В.И. Линейная индукционная магнитогидродинамическая машина с модульной обмоткой. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.09. 01 - электрические машины и аппараты. - Донецкий национальный технический университет. - Донецк, 2003.

В диссертации дано решение актуальной научной задачи, заключающейся в разработке математической модели и конструктивного исполнения линейной индукционной магнитогидродинамической машины с модульной обмоткой для регулирования напора жидкометаллического потока в погружном стакане МНЛЗ.

Такие индукционные МГД- машины с цилиндрическим или плоским каналом получили наибольшее распространение в качестве электромагнитных насосов, дросселей, дозаторов для управления потоками жидких металлов таких как алюминий, цинк, свинец, ртуть, чугун, сталь и др., позволяя механизировать и автоматизировать многие тяжелые производственные операции. Они не требуют специальных источников питания или преобразователей и могут подключаться непосредственно к цеховой силовой электросети промышленной частоты.

Малые габаритные размеры трубопроводов для транспортирования жидкого металла и тяжелые температурные режимы работы при питании машины от промышленной сети 0,4 кВ не позволяют с помощью традиционных методов непосредственного водяного охлаждения обеспечить надежную работу МГД-машины и выдвигают новые требования к их конструктивному исполнению.

Одним из возможных технических решений является предложенное исполнение МГД-машины в виде линейного асинхронного двигателя с модульной обмоткой, представляющего блок-модуль собственно машины и понижающего трансформатора, вторичная низковольтная одновитковая обмотка которого составляет единую электрическую цепь со стержневой обмоткой линейной машины с непосредственным водяным охлаждением.

Положительный эффект достигается устранением всех контактных соединений, между вторичной обмоткой согласующего трансформатора и обмоткой индуктора, отсутствием изоляционных материалов, что способствует хорошей теплоотдаче через всю поверхность модуля и позволяет эксплуатировать обмотку индуктора при плотностях тока превышающих допустимую плотность в два-три раза, высоким коэффициентом заполнения паза, компактностью и высокой технологичностью всего устройства.

При разработке расчетных методик по определению структуры электромагнитных полей, энергетических характеристик и силового воздействия на поток жидкого металла линейные асинхронные двигатели с модульной обмоткой необходимо рассматривать как единый блок-модуль с учетом электромагнитных процессов непосредственно в линейной машине с модульной обмоткой и несимметрично нагруженном трансформаторе. Особенности конструктивного исполнения модульной обмотки машины и ее работа совместно с согласующим трансформатором выдвигают задачу более детального анализа явлений продольного краевого эффекта, распределения электромагнитных полей в концевых зонах с учетом конструктивного исполнения обмотки и гидродинамических процессов движения жидкого металла в канале.

Разработаны новая конструкция МГД-машины с одним трёхфазным модулем, при шестипазовом индукторе с поворотом средней фазы модуля и методы анализа электромагнитных процессов и расчета основных энергетических показателей и параметров схемы замещения блок-модуля с цилиндрическим каналом с учетом дискретного распределения стержней модульной обмотки. Показано, что применение цилиндрической МГД-машины без внутреннего ферромагнитного сердечника для управления давлением жидкометаллического потока в стакане кристаллизатора неэффективно. Получены основные расчетные соотношения для определения электромагнитных нагрузок двигателя и общей мощности устройства для регулирования жидкометаллического расплава в погружном стакане кристаллизатора. Сопоставление экспериментальных и расчетных параметров линейной индукционной магнитогидродинамической машины с модульной обмоткой дает удовлетворительное совпадение результатов.

Различные типы электродвигателей на основе разработанной индукционной машины с модульной обмоткой могут найти широкое применение в электромагнитных устройствах и для других отраслей промышленности.

Ключевые слова: линейная МГД-машина, модульная обмотка, электрические параметры, методы расчета, непрерывное литье.

The summary

Bondarenko V. I. The linear inductive magnetogidrodinamics machine a modular winding . - Manuscript.

The thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a specialty 05. 09. 01 - electrical machines and devices. Donetsk National Technical University. Donetsk 2003.

In the thesis are given theoretical and experimental researches of linear asynchronous engines with cylindrical and flat-parallel inductors intended mainly for management of parameters of fluid and metallic of a flow.

The carried out experimental researches MGD-machine have shown, that the circuits of three-element modules stimulating three of six-slotted inductors without the transposition of one three-phase module is unacceptable owiny ty arsine asymmetry of phases.

The developed new design MGD-machine one three-phase module working on the six-stated inductor with turn of an average phase of the module, has advantage before inductive machine with three-element modules in improvement of quality of a running magnetic field. The geometrical sizes and parameters of inductor MGD-machine, working in a mode electromagnetic brake, should be defined proceeding from the maximal pressure of a pole fluid and metallic in crystallizations and forces of viscous friction.

Key words: linear MGD-machine, modular windings, electrical parameters, methods of account, continuous moulding.