Исследование характеристик индукционного нагрева

Размещено на http://www.allbest.ru/

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА МУФТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Сологуб Николай Прохорович, кандидат наук, профессор, профессор

Морской Государственный Университет им. адм. Г.И. Невельского

В работе исследуются процессы индукционного нагрева при помощи "гибкого индуктора" муфт электрических машин.

В настоящее время многие детали из ферромагнитных материалов, такие, как подшипники, шестерни, шкивы, втулки, бандажи, подшипниковые щиты и т.п. Перед монтажом подвергаются технологическому нагреву. Для нагрева таких деталей применяют либо внешнее нагревание в воздухе или в жидкой среде, либо внутренний нагрев потерями в стали. Разогрев деталей лучистой энергией применяется редко из-за сложности устройств. Внешнее нагревание, как правило, просто по выполнению, но неэкономично [1]. Внутренний нагрев ведется либо токами повышенной частоты, либо на промышленной частоте. Это так называемый индукционный нагрев. Известно много устройств для нагрева деталей индукционным способом. Одно из них описано в свидетельстве № 1591 Роспатента («Гибкий индуктор», заявка № 94027950 от 25.07.94 г.) применительно к нагреву активной стали электрических машин [2]. Операция выполняется при сушке изоляции обмоток электрических машин, при разогреве активной стали крупных машин перед расклиниванием ее, при различных ремонтах. В настоящей работе сделана попытка использовать «гибкий индуктор» и для других целей, в частности, для нагрева нешихтованных магнитопроводов, которыми, по сути, могут быть названные в начале введения детали.

Постановка эксперимента

Для проведения экспериментального исследования по нагреву нешихтованных магнитопроводов методом индукционного нагрева с помощью гибкого индуктора была выбрана шестерня, изображенная на рисунке 1 и имеющая следующие размеры:

D₁ = 80 мм -- внешний диаметр левой стороны,D₂ = 70 мм -- внешний диаметр правой стороны,D₃ = мм -- максимальный диаметр втулки,D_vn = 36 мм -- внутренний диаметр втулки,h₁ = 22 мм, h₂ = 17 мм, h₃ = 26 мм -- толщина стенок,L =80 мм -- длина шестерни,l₁ = 20 мм -- длина левой стороны шестерни,l₂ = 40 мм -- длина правой стороны шестерни,l₃ = 20 мм -- длина зубчатой части шестерни, h_з = 6 мм -- высота зубцов шестерни.

Рисунок 1. Общий вид шестерни

Для нагрева шестерни в качестве гибкого индуктора был выбран кабель КНР 1ґ1,5 длиной 5,5 метра. Было намотано 18 витков, причем длина одного витка l_v = 240 мм.

Экспериментальное исследование

Эксперимент по нагреву шестерни проводился в два этапа. В первом случае нагрев происходил в открытом пространстве при следующих параметрах: I = 14,0 А; U = 4,5 В; Р = 42 Вт; w = 18.

Для опытного определения магнитной индукции, наводимой в стали, было намотано одиннадцать контрольных витков тонким проводом, чтобы измерить ЭДС, наводимую магнитным потоком, который замыкается в стали исследуемого образца.

Так же, как и в предыдущем эксперименте, обмотка индуктора укладывалась как можно более равномерно для полного нагрева всей детали.

Для более полного и тщательного исследования процесса нагрева детали были сняты промежуточные значения параметров нагрева, которые снесены в таблицу 1.

нагрев индуктор магнитный шестерня

Таблица 1. Экспериментальные данные нагрева шестерни

Полную мощность выделения разделим на две основные составляющие такие, как мощность выделения в стали и мощность выделения в обмотке.

Потери в обмотке определяются по формуле

,

где I -- ток в цепи, -- сопротивление кабеля.

Для этого определим сопротивление кабеля

Ом.

Далее определяем потери в обмотке индуктора для каждого значения тока из таблицы. Результаты заносим в таблицу 6.

Определяем потери, выделяемые в стали. Результаты вычислений заносим в таблицу 2.

Таблица 2. Таблица распределения потерь при нагреве шестерни

По результатам, занесенным в таблицу, построим график распределения потерь в зависимости от тока индуктора (рисунок 2).

Для экспериментального определения магнитной индукции, создаваемой в образце, необходимо найти площадь сечения шестерни. Для этого необходимо мысленно разделить деталь на три участка с различной толщиной стенок. Обозначим эти участки S₁, S₂, S₃ (см. рис. 1). Кроме этого, допустим, что по зубьям шестерни магнитный поток не проходит, следовательно, в наших расчетах мы его не учитываем. Общая площадь сечения будет равняться

.

Рисунок 2.

Находим площадь сечения каждого из трех участков:

м²,

м²,

м².

Находим общую площадь сечения:

м². Определим магнитную индукцию в образце

Тл,

где Е = 0,39 В -- ЭДС, наводимая магнитным потоком в контрольных витках, S = 0,00164 м² -- площадь сечения шестерни, w = 11 -- число витков, намотанных для определения ЭДС.

Сравнивая полученное значение магнитной индукции с той индукцией, которая наводилась при исследовании подшипника № 315 [3], можно заметить, что она в полтора раза меньше. Это объясняется тем, что толщина стенок у шестерни больше, чем у подшипника. Дело в том, что при увеличении толщины стали действия вихревых токов, наводимых в стали усиливается, которые, в свою очередь препятствуют проникновению магнитной индукции. Именно этим объясняется более медленный нагрев шестерни на воздухе. Кроме этого, на замедленный процесс нагрева шестерни влияет площадь поверхности детали и мощность тепловыделения.

Так же как и подшипник № 315, шестерня не нагрелась до необходимой температуры на открытом воздухе.

Второй этап эксперимента заключается в том, чтобы нагреть деталь в изолированной коробке, которая применялась в предыдущем эксперименте.

Нагрев производился при I = 16 А; U = 5,2 В; Р = 52 Вт; w = 18.

Повторный нагрев показал следующие результаты. Шестерня нагрелась до температуры Т = 100 °С за 210 минут.

Результаты нагрева шестерни в различных средах изображены на рисунке 2.

Рисунок 3. Кривые нагрева шестерни: 1 -- прямая температуры окружающего воздуха; 2 -- кривая нагрева шестерни в открытом пространстве; 3 -- кривая нагрева шестерни в теплом ящике.

Анализируя характер нагрева подшипника в [3] и нагрев шестерни, отмечаем, что подшипник нагревается быстрее, чем шестерня, хотя мощность выделения в стали шестерни больше. Это объясняется тем, что МДС, определяемая как

,

где I -- ток нагрузки, w -- число витков индуктора, выше в подшипнике. Действительно, намагничивающая сила в подшипнике

А,

а в шестерне

А.

Так как МДС в подшипнике выше, следовательно, магнитная индукция, наводимая в стали, выше, а значит и вихревые токи, противодействующие проникновению индукции, будут больше. А как мы уже выяснили, основной причиной нагрева образца являются именно вихревые токи.

Список литературы

1. Виноградов Н.В. Ремонт крупных электрических машин: Учеб. пособие для повышения квалификации рабочих на производстве. М.: Высшая школа, 1971. - 176 с.

2. Сологуб Н.П. «Гибкий индуктор». Свидетельство Роспатента полезную модель № 1591 от 16.01.96г.

3. Сологуб Н.П. Исследование характеристик индукционного нагрева подшипников электрических машин // NovaInfo.Ru (Электронный журнал.)

Размещено на Allbest.ru