МОРЕВ А. Э., ПРОМЗЕЛЕВ В. А. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ И ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИНДУКЦИОННЫХ СИСТЕМ НА БАЗЕ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ

1 УДК : МОРЕВ А. Э., ПРОМЗЕЛЕВ В. А. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ И ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИНДУКЦИОННЫХ СИСТЕМ НА БАЗЕ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ Аннотация. В настоящее время нагреву изделий из немагнитных металлов в переменном магнитном поле, создаваемом вращающимися системами с постоянными магнитами, уделяется особое внимание. Это связано с тем, что в промышленности такие изделия нагреваются в установках индукционного нагрева в продольном переменном магнитном поле, имеющих электрический КПД 0,5. Привлекательностью нагрева таких изделий в поперечном вращающемся магнитном поле постоянных магнитов является его потенциальная возможность в достижении электрического КПД до 0,75-0,85. Ключевые слова: индукционный нагрев с постоянными магнитами; температурное поле; температурный перепад; скорость вращения магнитного поля; число пар полюсов; переменное магнитное поле; теплообмен. A. E. MOREV, V. A. PROMZELEV STUDY OF ELECTROMAGNETIC AND THERMAL CHARACTERISTICS OF INDUCTION SYSTEMS BASED ON PERMANENT MAGNETS Abstract. At present, the heating of products from non-magnetic metals in an alternating magnetic field produced by a rotating system with permanent magnets, special attention. This is due to the fact that the industry in such products are heated in the induction heating alternating longitudinal magnetic field having electrical efficiency 0,5. Attractiveness heating of such products in the transverse rotating magnetic field of the permanent magnets is its potential to achieve electrical efficiency reaching Keywords: induction heating by a permanent magnet, temperature field, temperature difference, the magnetic field rotational speed, the number of pole pairs, the alternating magnetic field, heat exchange. ВВЕДЕНИЕ. Индукционные системы широко применяется в промышленности для нагрева металлов перед горячей обработкой давлением (штамповкой, формовкой, прессованием и т.п.). В этих процессах обрабатываемая область заготовок должна быть нагрета до температур, которые соответствуют диапазону пластической деформации металла, обеспечивая требуемое по технологии распределение температуры в объеме заготовок. Реализуется такой нагрев в индукционных системах с продольным переменным магнитным полем. Для ферромагнитных заготовок процесс нагрева в данных установках является достаточно энергетически эффективным с электрическим КПД до %. [3] Однако, при нагреве немагнитных металлов с низким удельным сопротивлением (алюминий, медь и латунь) эффективность индукционного нагрева в продольном переменном магнитном поле становится низкой. Современные индукционные системы реализуют нагрев таких материалов в продольном переменном магнитном поле с электрическим КПД до 0,5 % [1]. В последние годы получило развитие новое направление технической реализации индукционного нагрева цилиндрических немагнитных материалов нагрев во вращающемся поперечном магнитном поле постоянных магнитов. Такой интерес к данному решению обусловлен достаточно простой конструкцией установки и относительно небольшой ее стоимостью. При этом электрический КПД установки с постоянными магнитами может достигать 90% [2]. В данной статье представлены результаты численного моделирования. 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. Для исследования энергетических и тепловых параметров индукционной системы с постоянными магнитами, была разработана модель, позволяющая решать сопряженные

2 электромагнитную и тепловую задачи. Модель позволила рассчитать распределение параметров электромагнитного и теплового полей (векторов напряженности электрического и магнитного полей, плотности тока) в «системе постоянных магнитов - нагреваемая цилиндрическая заготовка» и температурного поля в заготовке. На рисунке 1 показана схема, реализованная при моделировании индукционной системы для расчета электромагнитной задачи. Нагреваемая заготовка представляла собой цилиндр диаметром 100 мм и длиной 1000 мм. Технологический зазор z между поверхностью заготовки и магнитами, в процессе моделирования изменялся в пределах от 5 до 30 мм. Высота магнитов h=50 мм, остаточная индукция 1 Тл, коэрцитивная сила 1050 ка/а. Скорость вращения постоянных магнитов вокруг заготовки изменялась от 600 до 3000 об/мин. Расчеты выполнялись путем численного моделирования в программном пакете конечно-элементного анализа ANSYS v14. Рис. 1. Схема установки индукционного нагрева цилиндрического поперечного сечения во вращающемся поле постоянных магнитов: h высота магнитов; S, N южный и северный полюса магнита, соответственно; Aм угловой размер магнита; Aз угловой размер зазора между магнитами, z зазор между нагреваемой заготовкой и поверхностью магнитов; V скорость вращения магнитной системы вокруг нагреваемой заготовки. 2. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА Результаты расчета параметров электромагнитного поля. При исследовании электромагнитных процессов, протекающих при индукционном нагреве, были проведены численные расчеты при следующих варьируемых параметрах: Скорости вращения магнитной системы V; числа пар полюсов в магнитной системе - npp; отношения углового размера зазора к угловому размеру магнита - А з /А м ; технологического зазора между постоянными магнитами и заготовкой z. На рисунке 2 представлены зависимости активной мощности, выделяющейся в загрузке, от скорости вращения магнитной системы при технологическом зазоре z = 10 мм и отношении углового размера зазора к угловому размеру магнита Аз/Ам=1 для различного количества пар полюсов. С увеличением скорости вращения магнитной системы вокруг заготовки, а также с увеличением количества пар полюсов в магнитов происходит значительное возрастание интегральной активной мощности, выделяющейся в заготовке.

3 Рис. 2. Зависимость интегральной активной мощности в нагреваемом цилиндре от скорости вращения магнитной системы На рисунке 3 показана зависимость активной мощности, выделяющейся в заготовке, от скорости вращения магнитной системы при технологическом зазоре z = 10 мм и трех парах полюсов для различных отношений углового размера зазора к угловому размеру магнита Аз/Ам. Как видно, увеличение соотношения Аз/Ам приводит к значительному уменьшению интегральной активной мощности, выделяющейся в нагреваемой цилиндрической заготовке. Увеличение скорости вращения магнитной системы также приводит к существенному возрастанию активной мощности в заготовке V, обр/сек Аз/Ам=0.1 Аз/Ам=0.25 Аз/Ам=0.5 Аз/Ам=1 Аз/Ам=3 Аз/Ам=6 Аз/Ам=9 Рис. 3. Зависимость активной мощности, выделяющейся в заготовке, от скорости вращения магнитной системы при различных отношениях А з /А м На рисунке 4 приведена зависимость активной мощности, выделяющейся в заготовке, от величины технологического зазора между заготовкой и магнитной системой при скорости вращения магнитной системы V=50 об/сек, трех парах полюсов. С увеличением технологического зазора наблюдается уменьшение вводимой в заготовку активной

4 мощности, что определяется уменьшающейся величиной напряженности магнитного поля на поверхности заготовки. Рис. 4. Зависимость активной мощности, выделяющейся в загрузке, от величины технологического зазора между заготовкой и магнитной системой Таким образом, проведенные исследования показали, что интегральная активная мощность, выделяемая в нагреваемой заготовке, может быть изменена посредством нескольких способов, оптимизирующих энергетические показатели индукционной установки. В рассмотренном диапазоне увеличения скорости вращения магнитной системы, числа пар полюсов, технологического зазора, соотношения угловых размеров магнитной системы активная мощность повышалась для скорости и числа пар полюсов до двух раз, для технологического зазора уменьшалась до 6 раз, для соотношения угловых размеров понизилась до 3 раз. 2.2 Результаты расчета параметров температурного поля. На рисунках 5-6 представлены зависимости распределения температурного поля в заготовке цилиндрического сечения от числа пар полюсов n и частоты вращения системы постоянных магнитов. Рис. 5. Зависимость температуры в цилиндрическом изделии от скорости вращения магнитов установки с 3 парами полюсов: зазор z = 10 мм; об/мин, об/мин, об/мин

5 Рисунок 6. Зависимость температуры в цилиндрическом изделии от количества пар полюсов магнитной системы при частоте вращения 1200 об/мин: зазора z = 10 мм (1 2 пары полюсов, 2 3 пары полюсов, 3 4 пары полюсов) Из рисунка 5 видно, что с повышением скорости вращения и числа пар полюсов магнитной системы происходит увеличение скорости нагрева и максимального температурного перепада в заготовке. Это связано с возрастанием активной мощности, выделяющейся в ней. Величина максимального температурного перепада растет с увеличением скорости вращения и числа пар полюсов, что связано с увеличивающейся частотой магнитного поля, проникающего в изделие и, как следствие, уменьшением глубины проникновения переменного электромагнитного поля, наведенного в изделии. Следует отметить, что в выбранном диапазоне изменения геометрических и скоростных характеристик системы нагрева параметров в цилиндрической заготовке температурные перепады не превышают 5-10º С, в связи с равномерным по поверхности распределением мощности внутренних источников теплоты и высокой теплопроводностью нагреваемой заготовки. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Модель, разработанная в программном комплексе ANSYS, позволила рассчитать связанную электромагнитную и тепловую задачу нагрева немагнитного изделия цилиндрического поперечного сечения во вращающемся магнитном поле постоянных магнитов. Получены зависимости распределения температуры по сечению нагреваемого изделия. При нагреве заготовок цилиндрического сечения в принятом диапазоне выбранных параметров температурные перепады не превышают максимально допустимых перепадов, требуемых по технологии прессования 50-60º С. Скорость нагрева и максимальный температурный перепад по сечению изделия увеличиваются с ростом числа пар полюсов и скорости вращения магнитной системы. Список литературы 1. Dughiero F., Forzan M., Lupi S. Induction heating of aluminum billets rotating in a DC magnetic field // Проблемы управления и моделирования в сложных системах: Труды 8 Междунар. конф. Самара, С Magnusson N. Prospects for rotating billet superconducting induction heating // Heating by electromagnetic sources HES-07. Padua, 2007 pp

6 3. Araneo R., Dughiero F., Fabbri M., Forzan M., Geri A., Lupi S., Morandi A., Ribani P., Vega G. Electromagnetic and thermal analysis of the induction heating of aluminum rotating in a DC magnetic field // Heating by electromagnetic sources HES-07. Padua, 2007 pp ДАННЫЕ ОБ АВТОРАХ Морев Андрей Эдуардович, магистрант первого года обучения, Новосибирский государственный технический университет, , пр-т К.Маркса, 20, г. Новосибирск, Россия. Электронная почта: Промзелев Владислав Алексеевич, аспирант третьего года обучения, Новосибирский государственный технический университет, , пр-т К.Маркса, 20, г. Новосибирск, Россия. Электронная почта: