Разработка и исследование концентраторов магнитного поля железоотделителей на основе комбинированных магнитных систем Семина Ирина Александровна

Введение к работе

Актуальность темы.

В настоящее время развитие новых технологий и технологических систем требует разработки экономически эффективных электротехнических комплексов (ЭТК). В состав современных электротехнических комплексов и систем входят электротехнические устройства с различными конструкциями магнитных систем, и в частности, комбинированные магнитные системы.

Исследуемые в диссертации комбинированный магнитные системы

представляют собой совокупность железоотделителя и концентрирующих насадок переменного поперечного сечения.

Концентраторы магнитного поля широко используются в устройствах для повышения магнитной индукции магнитного поля в заданной области пространства – в медицинских приборах, в железоотделителях для защиты технологического оборудования от ферромагнитных тел, в магнитных уловителях, в устройствах для повышения октанового числа нефтепродуктов. Концентраторы магнитного поля состоят из источника магнитного поля (например, цилиндрического магнитопровода с обмоткой) и ферромагнитных насадок переменного сечения.

Конструкции сердечников железоотделителей могут быть овальными, круглыми, прямоугольными или квадратными. В качестве источника питания исследуемых в диссертации железоотделителей с концентрирующими насадками используются источники постоянного тока.

При исследовании железоотделителей в диссертации решается задача усиления и локализации магнитного поля в заданной области пространства путем применения концентрирующих насадок переменного поперечного сечения.

Предложенные в работе методики расчета двумерных (осесимметричных и плоскопараллельных) и трехмерных магнитных полей позволяют исследовать магнитные поля железоотделителей с концентрирующими насадками сложной геометрии, построить графики результирующей магнитной индукции поля.

Работа по исследованию и расчетам электромагнитного поля

электротехнических устройств интенсивно велась такими учеными как Бессонов Л.А. Демирчян К.С., Сарапулов Ф.Н., Коняев А.Ю., Нейман В.Ю., Лауренсон Л., Назаров С.Л., Исмагилов Ф.Р., Никитенко А.Г., Попов А.П., Пеккер И.И., Норри Д., Шимони К.В., учеными научной школы Ковалёва Ю.З.: Андреева Е.Г., Татевосян А.С. Среди зарубежных ученых, работающих в этом направлении следует отметить E. Lemke, J. Harley, A. Vilson, E. Stein, R. De Borst, T.J.R. Hughes, F. Assous, C. (Jr.) Ciarlet, and S. Labrunie.

Непрерывно повышающиеся требования к точности проводимых расчетов магнитных полей магнитных систем, делает рациональным использование современных программных продуктов таких как пакеты прикладных программ ANSYS (профессиональная версия), программный пакет Elcut 5.6 и другие.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование концентраторов магнитного поля железоотделителей на основе комбинированных магнитных систем для усиления магнитной индукции в заданной области пространства.

Задачи исследования. Для достижения цели исследования в диссертации решаются следующие задачи:

1. Обзор известных математических моделей и численных методов расчета магнитных полей железоотделителей на основе комбинированных магнитных систем.

2. Разработка методик расчета двумерных магнитных полей железоотделителей с концентрирующими насадками переменного поперечного сечения. Реализация этих методик в комплексах программ ANSYS и Elcut 5.6.

3. Разработка методик расчета трехмерных магнитных полей железоотделителей с концентрирующими насадками переменного поперечного сечения. Реализация этих методик в комплексах программ ANSYS и Elcut 5.6.

4. Определение формы концентрирующих насадок железоотделителей для получения требуемого значения магнитной индукции от 20 мТл до 1,2 Тл в заданных областях пространства.

5. Проверка достоверности численных расчетов путем сопоставления с результатами натурного эксперимента.

Объект исследования – железоотделители с концентрирующими насадками переменного поперечного сечения на основе комбинированных магнитных систем.

Предмет исследования – параметры магнитного поля железоотделителей с концентрирующими насадками переменного поперечного сечения.

Методы решения поставленных в диссертации задач базируются на максвелловской теории электромагнитного поля, численных методах решения дифференциальных уравнений, алгоритмизация задач и их программировании.

Основные положения, выносимые на защиту.

6. Методика и программа расчета двумерных магнитных полей железоотделителей с концентрирующими насадками переменного поперечного сечения.

7. Методика расчета трехмерных магнитных полей железоотделителей с концентрирующими насадками переменного поперечного сечения.

8. Конструкции железоотделителей с концентрирующими насадками в виде усеченного конуса, седловидной и ножевидной формы.

Научная новизна. К основным научным результатам, представленным к защите, относятся следующие положения:

9. Разработаны методика и программа расчета двумерного магнитного поля железоотделителя с концентрирующей насадкой в виде усеченного конуса.

10. Разработана методика расчета трехмерного магнитного поля железоотделителя с концентрирующей насадкой седловидной формы.

11. Предложены конструкции железоотделителей с концентрирующими насадками в виде усеченного конуса, ножевидной и седловидной формы, позволяющие обеспечить заданный диапазон изменения магнитной индукции.

Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертационной работе, обеспечивается корректным применением необходимого математического аппарата, совпадением результатов расчетов одних и тех же процессов в различных программах (ANSYS и Elcut) с результатами натурного эксперимента.

Практическая значимость.

12. Предложены концентраторы магнитного поля с насадкой в виде усеченного конуса и седловидной формы (патент № 153850 от 21.10.2014г., патент № 153930 от 23.12.2014г.).

13. Программные комплексы расчета двумерных и трехмерных магнитных полей железоотделителей с концентрирующими насадками в виде усеченного конуса и седловидной формы в программах ELCUT и ANSYS внедрены в производство в компании ООО «Инновационные технологии в электроснабжении» г. Омск (программный комплекс «Алгоритм расчета магнитной системы открытого типа в комплексе программ ELCUT» – свидетельство о регистрации электронного ресурса № 120553 от 27.11.2014г., программный комплекс «Алгоритм расчета трехмерной модели магнитной системы открытого типа в комплексе программ ANSYS Maxwell» – свидетельство о регистрации электронного ресурса № 120554 от 27.11.2014г., акт внедрения научно-технической продукции).

14. Программа расчета магнитного поля концентратора железоотделителя с насадкой в виде усеченного конуса внедрена в учебный процесс в ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет» («Программа расчета магнитного поля системы открытого типа» - свидетельство о регистрации электронного ресурса № 19723 от 3 декабря 2013г., акт внедрения в учебный процесс).

Реализация результатов работы Результаты исследования и имитационного моделирования железоотделителей с концентрирующими насадками переменного поперечного сечения используются при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Электроэнергетика и электротехника» (выполнение научно – исследовательской работы и выпускных квалификационных работ)

Разработанные в ходе выполнения диссертационной работы алгоритмы расчета
железоотделителей с концентрирующими насадками переменного сечения

использованы на предприятии ООО «Инновационные технологии в электроснабжении» г. Омск при разработке программного обеспечения для расчета и моделирования технических устройств, что позволило сократить время их проектирования и упростить практическую реализацию разрабатываемых устройств.

Апробация работы. Материалы работы докладывались на конференциях:

15. Динамика систем, механизмов и машин: материалы V Междунар. науч.-техн. конф. / ОмГТУ. – Омск, 2009.

16. Динамика систем, механизмов и машин : материалы 8 Междунар. науч.-техн. конф. / ОмГТУ. – Омск, 2012.

17. Физико-математическое моделирование систем : материалы V Междунар. семинар. – Воронеж, 2011.

18. Актуальные проблемы энергетики АПК : материалы IV Междунар. науч.-практ. конф. / под ред. А. В. Павлова. – Саратов, 2013.

19. Молодежь. Техника. Космос : труды V Общерос. молод. науч.-техн. конф. / Балт. гос. тех. ун-т. – СПб., 2013.

20. Россия молодая: передовые технологии – в промышленность! : материалы V Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием, 12-14 нояб. : в 3 кн. / отв. ред. А. В. Косых ; ОмГТУ. – Омск, 2013.

7. Динамика систем, механизмов и машин : материалы 9 междунар. науч.-техн. конф.Омск: изд-во ОмГТУ, 2014.

8. Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов материалы III Всерос. науч.-техн. конф.-Тольятти, 2014.

9. INTERNATIONAL SIBIRIAN CONFERENCE ON CONTROL AND COMMUNICATIONS (SIBCON): Материалы междунар. конф. – Омск, 2015.

Результаты диссертационной работы докладывались на научных семинарах кафедры «Электрическая техника» ОмГТУ в 2010-2015 годах.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 18 печатных работ, из них 3 в журналах списка ВАК, получено 2 патента на полезные модели, 3 свидетельства о регистрации алгоритмов в фонде алгоритмов и программ, выпущено 2 учебных пособия, одно из которых рекомендовано к изданию УМО.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 131 страницах, содержит 41 рисунков, 8 таблиц и 154 литературных источника.