CC BY
26
Вестник Курганской ГСХА № 2, 2018 Технчческие науки 73
УДК 621.316
А.А. Евдокимов1, А.А. Митюнин2, А.Н. Злыднев2
РАСЧЕТ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО СЕПАРАТОРА МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ ХАНТЫ-МАНСИЙСКОГО АВТОНОМНОГО ОКРУГА - ЮГРЫ «СУРГУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ», СУРГУТ, РОССИЯ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «КУРГАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ Т.С. МАЛЬЦЕВА», КУРГАН, РОССИЯ
A.A. Evdokimov1, A.A. Mityunin2, A.N. Zlydnev2 CALCULATION OF THE MAGNETIC SYSTEM OF ELECTROMAGNETIC SEPARATOR BY
THE FINITE ELEMENTS METHOD 1BUDGETARY INSTITUTION OF HIGHER EDUCATION OF KHANTY-MANSI AUTONOMOUS OKRUG - YUGRA
"SURGUT STATE UNIVERSITY", SURGUT, RUSSIA 2FEDERAL STATE BUDGETARY EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER EDUCATION «KURGAN STATE AGRICULTURAL ACADEMY BY T.S. MALTSEV», KURGAN, RUSSIA
Александр Андреевич Евдокимов
Alexandr Andreevich Evdokimov кандидат технических наук [email protected]
Александр Александрович Митюнин
Alexandr Alexandrovich Mityunin [email protected]
Андрей Николаевич Злыднев
Andrei Nikolaevich Zlydnev [email protected]
Аннотация. В статье рассмотрена методика расчета магнитной системы электромагнитного сепаратора, которая предполагает использование метода конечных элементов. Решение задачи расчета магнитной системы предложено в программном комплексе ANSOFT Maxwell. Расчет магнитной системы сепаратора УМС-4М выполнен в соответствии с данной методикой при напряжении одной катушки намагничивания 49,5 В и плотности тока в обмотках катушек 1,579 А/мм2.
Анализ расчета магнитной системы железоотделителя позволяет увидеть распределение индукции на концентраторе магнитного поля и за пре-
делами магнитных объектов.
Ключевые слова: электромагнитный железоотделитель, модель, метод конечных элементов, магнитная индукция, концентратор.
Abstract. Method of a magnetic system calculation of an electromagnetic separator which involves the use of the finite element method is considered in the article. The problem solution of calculating the magnetic system is proposed in the ANSOFT Maxwell software package. The calculation of the UMC-4M separator magnetic system is made in accordance with this technique with a voltage of one magnetization coil of 49.5 V and current density in the windings of the coils of 1.579 A/mm2.
The calculation analysis of the magnetic system of the iron separator makes it possible to see the distribution of induction at the magnetic field concentrator and beyond the limits of magnetic objects.
Keywords: electromagnetic iron separator, model, finite element method, magnetic induction, concentrator.
Введение. Непрерывно повышающиеся требования к разработке и производству электромагнитных устройств в отношении их конструктивной сложности, эффективности, массо-габаритных показателей и экономичности требуют внедрения в процесс разработки сложных программных комплексов для расчёта и оптимизации их конструкции. В данном случае элемент железоотделителя представляет собой П-образный электромагнит с одной обмоткой. Направление тока во всех катушках одинаковое.
Методика. Эскиз магнитной системы железоотделителя для расчета магнитного поля представлен на рисунке 1. Методика расчета предполагает использование метода конечных элементов. Решение задачи расчета магнитной системы в программном комплексе ANSOFT Maxwell методом конечных элементов сводится к нескольким последовательным шагам:
1 создание геометрии модели (чертежа объекта);
2 задание свойств материала элементов;
3 задание нагрузок (напряжение, ампер-витки, плотность тока и т.д.);
4 задание граничных условий;
5 построение сетки конечных элементов;
6 решение задачи;
7 анализ результатов расчета;
Для расчета магнитного поля методом конечных элементов [1, 2] предполагается использовать трехмерную модель электромагнита с концентратором, представленную на рисунке 2.
В расчетах необходимо использовать зависимость индукции от напряженности поля для стали М32, из которой изготовлен сердечник электромагнита.
Вестник Курганской ГСХА
Рисунок 1 - Магнитная система железоотделителя
а)
б
Рисунок 2 - Трехмерная модель электромагнита с концентратором
На рисунке 3 представлены расчетные линии над магнитной системой с концентратором, вдоль которых вычислялась магнитная индукция.
На рисунке 4 (а, б, в, г, д) представлена конечно-элементная сетка в двухмерном разрезе для вычисления вдоль расчетных линий (325 тыс. элементов). На рисунке 4,е представлена конечно-элементная сетка в двумерном разрезе для визуализации распределения поля по всему сечению (574 тыс. элементов) [3, 4].
в)
г
Рисунок 3 - Линии расчета магнитной системы
Результаты. Анализ расчета магнитной системы железоотделителя позволяет увидеть распределение индукции на концентраторе магнитного поля и за пределами магнитных объектов [3].
Рисунок 4 - Конечно-элементная сетка в двумерном разрезе для вычисления распределения вдоль: а) линия 1; б) линия 2;
в) линия 3; г) линия 4; е) линия 5; е) для визуализации распределения поля по всему сечению
Расчет магнитной системы сепаратора УМС-4М выполнен в соответствии с данной методикой при напряжении одной катушки намагничивания 49,5 В и плотности тока в обмотках катушек 1,579 А/мм2. Элемент сепаратора представляет собой П-образный электромагнит с одной обмоткой, и расположенными в верхней части полюсными наконечниками в виде зигзага. Замыкание магнитного потока осуществляется через концентратор магнитного поля выполненного в виде сеток, располагающихся над полюсными наконечниками.
На картине магнитного поля (рисунок 5) показано распределение магнитной индукции в магнитной системе сепаратора. Электромагнитная индукция передается на активные элементы сепаратора - концентраторы магнитного поля (рисунок 6).
Вестник Курганской ГСХА № 2, 2018 Технические науки 75
Рисунок 5 - Картина магнитного поля электромагнита
зоо
250 200 ISO 100 so
-100 -150 -300 -250 -300
300 250 200 150 100 50
исунок 6 - Картина рассеивания магнитной индукции за пределами магнитных объектов
r\
\ - -a
' \J j r\
L | ii |i 0 l 4 1 6 1 : 0 2 2
L
L
i ,
-100 -150 -200 -250 -300
\ <\
U
A
A 'Л
\
'V: J' 1_■< J I 0 l l i l 6 l 2 2 % 2
IV L. 51
I -
| 1 1
1
б
Рисунок 7- Графики составляющих магнитной индукции на концентраторе магнитного поля вдоль 2 (а) и 4 (б) линии
Список литературы
Максимальное распределение в концентраторе магнитной индукции (рисунок 7 б) возникает над полюсным наконечником с катушкой намагничивания и при этом изменяется от 35 мТл до 220 мТл. Также в сечении сетки магнитная индукция превышает 300 мТл. На графике (рисунок 7 а) интенсивность распределения изменяется от 35 мТл до 145 мТл, в сечении сетки индукция превышает 300 мТл.
В результате экспериментальных исследований установлено, что величина магнитной индукции в рабочем канале зависит от конструкции концентратора магнитного поля [5].
Экспериментальное и расчетное значения индукции магнитного поля в рабочем канале сепаратора представлены в таблице.
Выводы. Теоретические расчеты подтверждены экспериментальными данными (таблица).
Таблица - Результаты измерений и расчета магнитной индукции при и = 220 В
С концентратором магнитного поля
d, мм i' 0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20
В , эксп мТл 130 119 112 106 102 98 96 95 94
В , расч мТл 130 116,68 108,292 103,0 99,688 97,564 96,232 95,404 94,9
Без концентратора магнитного поля
d, мм ■ 0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20
В , эксп' мТл 130 79 67 60 56 52 48 45 42
В , расч' мТл 130 96,824 76,232 63,296 55,288 50,272 47,192 45,256 44,024
Анализ теоретических расчетов величины магнитной индукции в рабочей зоне электромагнитного сепаратора показал, что при наличии концентраторов величина магнитной индукции больше в среднем на 57%.
List of references
1 Чарыков В.И., Газиев А.Х. Яковлев А.И. Теоретические предпосылки анализа работы электромагнитного же-лезоотделителя как энергоинформационной модели // Достижения науки - агропромышленному производству: материалы LI междунар. научн.-техн. конф. Челябинск: Изд-во ЮУрГАУ, 2016. С. 211-215.
2 Чарыков В.И., Копытин И.И., Яковлев А.И. Эффективность очистки сельскохозяйственных продуктов модернизированным сепаратором УСС-5М2 // Международный научно-исследовательский журнал, 2016. № 9-2 (51). С. 99-103.
3 Чарыков В.И., Евдокимов А.А., Митюнин А.А. Исследование теплового режима катушки намагничивания электромагнитного сепаратора // Вестник Алтайского ГАУ 2013. № 4. С. 118-122.
4 Чарыков В.И., Евдокимов А.А., Соколов С.А. Теоретический анализ работы электромагнитного сепаратора УМС-4М // Вестник Ульяновской ГСХА, 2014. № 1 (25). С. 146-152.
5 Чарыков В.И., Копытин И.И., Яковлев А.И. Grad B в рабочей зоне сепаратора серии УСС // Достижения науки - агропромышленному производству: материалы LI междунар. научн.-техн. конф. Челябинск: Изд-во ЮУрГАУ, 2016. С. 221-225.
1 Charykov V.I., Gaziev A.Kh., Yakovlev A.I. Theoretical background for the analysis of the electromagnetic iron separator as an energy-information model // Scientific achievements - agro-industrial production: materials LI intern. scientific-techn. conf. Chelyabinsk: Publishing House South Ural State Agricultural University (SUSAU), 2016. Pp. 211-215.
2 Charykov V.I., Kopytin I.I., Yakovlev A.I. Efficiency of cleaning agricultural products with the modernized separator USS-5M2 // International Scientific and Research Journal, 2016. № 9-2 (51). Pp. 99-103.
3 Charykov V.I., Evdokimov A.A., Mityunin A.A. Research of the thermal conditions of the magnetization coil of an electromagnetic separator // Vestnik Altai SAU, 2013. № 4. Pp. 118-122.
4 Charykov V.I., Evdokimov A.A., Sokolov S.A. Theoretical analysis of the electromagnetic separator UMC-4M // Vestnik Ulyanovsk SAA, 2014.-№ 1 (25). Pp. 146-152.
5 Charykov V.I., Kopytin I.I., Yakovlev A.I. Grad B in the working area of the separator of the series USS // Achievements of science - agro-industrial production: materials LI intern. sci-entific-techn. conf. Chelyabinsk: Publishing house South Ural State Agricultural University (SUSAU), 2016. Pp. 221-225.
а
