Особенности нагрева немагнитных изделий прямоугольного сечения во вращающемся поле постоянных магнитов

Abstract

Актуальность работы обусловлена тем, что в настоящее время в области создания новых энергосберегающих электротехнологий для задач нагрева изделий из цветных металлов особое внимание уделяется установкам индукционного нагрева в поперечном магнитном поле, при этом не охваченной методом нагрева в поперечном магнитном поле оказалась большая номенклатура изделий, имеющих прямоугольное поперечное сечение, выполненных из цветных металлов. В настоящее время такие изделия нагреваются в установках индукционного нагрева в продольном переменном магнитном поле, имеющих электрический КПД, не превышающий 0,5. Привлекательностью нагрева таких изделий в поперечном вращающемся магнитном поле постоянных магнитов является его потенциальная возможность в достижении электрического КПД, равного 0,75-0,85. В представленной статье рассматриваются проведенные исследования нагрева алюминиевых изделий прямоугольного поперечного сечения до температуры 550 °С. Цель исследования: разработка численной модели на базе программного комплекса ANSYS для расчета электромагнитных параметров системы "индуктор-загрузка" и температурного поля в нагреваемой заготовке; выполнение расчетов распределения параметров электромагнитного и температурного поля в нагреваемой заготовке. Методы исследования: Основным инструментом научного исследования является программный комплекс ANSYS, позволяющий моделировать различные пространственные физические системы, поведение которых может быть описано дифференциальными уравнениями. За основу принят метод конечных элементов, позволяющий непрерывную область задачи, имеющую бесконечное число степеней свободы, разбить на конечное, хотя и достаточно большое, число областей, в которых параметры постоянны. В узлах системы сосредотачиваются физические свойства и внешние воздействия. Результаты: Созданная модель позволила рассчитать связанную электромагнитную и тепловую задачу нагрева немагнитного изделия прямоугольного поперечного сечения во вращающемся магнитном поле постоянных магнитов. В статье представлены полученные зависимости максимальных температурных перепадов, получаемых в поперечном сечении прямоугольных изделий, выполненных из алюминия. Зависимости представлены, как функции скорости вращения системы постоянных магнитов, создающих поперечное магнитное поле, числа пар полюсов магнитов и зазора между нагреваемым изделием и магнитами.

Relevance of the work is caused by the fact that at the present time in the field of new energy-saving electrotechnologies for heating non-ferrous metals products the focus is on induction heating in a transverse magnetic field. A large range of products with rectangular cross-section made of non-ferrous metals turned out not to be covered by the heating method in a transverse magnetic field. Currently such products are heated in the induction heating installations in alternating longitudinal magnetic field while electrical efficiency is not greater than 0,5. The attractiveness of such products heating in the transverse rotating magnetic field of permanent magnets is its potential to achieve electrical efficiency equal to 0,75-0,85. The paper considers the carried out studies of heating aluminum products with rectangular cross-section to a temperature of 550 °C. The main aim of the study is to develop a numerical model on the basis of the program package ANSYS for calculating electromagnetic parameters of system "inductor-product" and the temperature field in the heated product; to calculate distributions of electromagnetic and temperature fields parameters in the heated product. The methods used in the study: The main instrument of the study is the software package ANSYS, which allows modeling different spatial physical systems which behavior can be described by the differential equations. The finite element method was taken as the basic one. It allows dividing a continuous problem domain having an infinite number of freedom degrees into a finite, but sufficiently large, number of areas where parameters are constant. Physical properties and external influences are concentrated in the nodes of the system. The results: The developed model allows calculating the coupled electromagnetic and thermal problems of heating non-magnetic product with rectangular cross-section in rotating magnetic field of permanent magnets. The paper introduces the dependencies of the maximum temperature differences obtained in the cross-sections of rectangular products made of aluminum. The dependencies are given as functions of rotational speed of permanent magnets, producing a transverse magnetic field, the number of pole pairs of the magnets and the gap between the heated product and magnets.