感應電機原理的物料輸送加熱技術

馮桂宏,　于建英,　張炳義

(沈陽工業大學 電氣工程學院,遼寧 沈陽 110870)

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感應電機原理的物料輸送加熱技術

馮桂宏,于建英,張炳義

(沈陽工業大學 電氣工程學院,遼寧 沈陽 110870)

摘要:針對塑化機、擠出機類設備物料輸送加熱過程中存在徑向溫差大、物料加熱不均勻及設備啟動預熱時間長等問題,提出基于感應電機原理的物料輸送加熱方法。將線圈內置于設備機筒內,產生徑向高頻交變磁場,磁力線經機筒、氣隙、轉子螺桿構成閉合回路,機筒與轉子螺桿同時感應產生渦流并發熱,縮短設備預熱時間;轉子螺桿在旋轉輸送物料過程中對物料進行攪拌加熱,提高加熱效率和加熱均勻度。仿真計算了機筒與轉子螺桿渦流分布情況,分析了氣隙長度、槽口寬度、頻率等參數對加熱性能的影響,給出選取原則。對橡膠塑化機樣機進行溫升實驗,采用感應電機原理的物料輸送加熱技術后設備徑向溫差減小至10 ℃以內,預熱時間縮短至70 min。

關鍵詞:物料輸送; 電磁加熱; 感應電機原理; 溫升實驗

于建英(1987—)，男，博士研究生，研究方向為特種電機及其控制；

張炳義(1954—)，男，博士，教授，博士生導師，研究方向為特種電機及其控制、電子電器機械一體化。

0引言

橡塑機械如橡膠塑化機、擠出機等采用螺桿對物料進行螺旋輸送,物料在輸送過程中被加熱到一定溫度。傳統的導熱油加熱、電阻帶加熱等加熱方法,熱源在機筒外表面,熱量由外向內經機筒傳遞至物料、轉子螺桿。由于轉子螺桿熱量來自物料的傳導熱,設備徑向上存在較大溫度梯度,嚴重降低加熱效率和物料加熱的均勻性;設備啟動預熱時間2～3小時,熱量浪費嚴重[1-2]。此外,高溫的物料極易吸附于低溫的螺桿部件,設備存在嚴重的沾粘、堵塞現象,需要定期清理、影響連續化生產。旋轉的螺桿部件加熱是此類設備加熱的瓶頸問題,也是物料輸送加熱迫切需要解決的問題。

工業電磁加熱具有功率密度高、加熱速度快、易于自動化等優點,正取代傳統電阻加熱,廣泛應用于橡塑機械、食品、化工、金屬熱處理等工業領域[3-4]。國內外學者對電磁感應渦流場的研究及新型感應加熱技術的開發與應用做了大量研究工作[5-6],并提出了直流感應加熱[7]、旋轉感應加熱[8]和PWM供電的電磁加熱技術[9]。目前橡塑機械采用的電磁加熱方法是在機筒外側纏繞若干線圈,由高頻電源供電產生軸向交變磁場達到加熱目的[10]。由于渦流的趨膚效應和屏蔽作用,渦流熱功率集中在機筒外表面,內部螺桿無法被電磁加熱,仍未改變此類設備加熱現狀。

本文提出一種基于感應電機原理的物料輸送加熱方法,同時在機筒與轉子螺桿中感應產生渦流共對輸送中的物料進行加熱。首先介紹加熱系統基本結構及加熱機理,建立磁場方程研究系統渦流熱功率分布情況并采用有限元方法進行渦流分析與計算。其次,分析系統參數包括氣隙長度、槽口寬度、電源頻率等對加熱性能的影響,得出主要參數的選取原則。最后,對橡膠塑化機樣機進行預熱實驗,驗證轉子螺桿加熱的有效性與理論分析的正確性。

1基本結構及工作原理

基于感應電機原理的物料輸送加熱系統結構如圖1所示:機筒1和轉子螺桿2均由金屬鐵磁材料制成,機筒1沿圓周分布若干繞組槽3,電磁繞組4內置于繞組槽3內,并與繞組槽3之間具有槽絕緣5。其中,機筒1與轉子螺桿2為實心結構,增大感應渦流;繞組槽4采用開口槽結構,提高轉子螺桿感應加熱效果。加熱時,由高頻電源向電磁繞組供電,產生徑向磁場,與感應電機磁路結構相似,磁力線經由機筒、氣隙和轉子螺桿構成閉合回路。機筒和轉子螺桿在高頻交變磁場作用下感應產生渦流,將輸入的電能全部以熱能的形式輸出。

圖1　基于感應電機原理的加熱系統結構

Fig. 1Structure of heating system based on the

principle of induction motor

基于感應電機原理的加熱方法可以解決旋轉螺桿加熱問題。轉子螺桿由吸熱部件變為發熱部件,可明顯縮短設備啟動預熱時間并解決螺桿溫度低引起的堵塞問題;高溫的螺桿在旋轉輸送物料的過程中對物料進行攪拌加熱,加熱效果更均勻、提高加熱效率。

對比線圈纏繞式電磁加熱和線圈內置式電磁加熱條件下設備徑向溫度如圖2所示。傳統加熱方法熱源在機筒外側或外表面[11-12],螺桿熱量來自物料的傳導熱、徑向溫度下降明顯;基于感應電機原理的物料輸送加熱技術可同時對機筒和旋轉的螺桿進行電磁加熱,徑向溫度差較小。

圖2　兩種加熱方式徑向溫度分布

Fig. 2Radial temperature distribution of two

kinds of heating methods

2三維渦流場分析

2.1　電磁場方程與求解

同時考慮各種因素下渦流分布規律是非常復雜的,對于工程計算也是不必要的[13-14]。為了便于分析,做如下假設:(1)螺桿轉速較低,n=2 r/min,視其為靜止部件;(2)忽略機筒、螺桿磁滯效應,磁導率μ和電導率σ均為常值;(3)僅考慮基波場量,將其作為似穩交變場處理;(4)忽略端部效應;(5)渦流僅沿軸向分布,不考慮切向分量。

將加熱模型沿徑向切開后展開為平板,選用直角坐標系[15]。坐標原點位于機筒內表面,使坐標系的X軸為圓周方向,Y軸沿徑向,Z軸沿軸向。令τ為線圈占機筒平均弧長,J0為線圈在τ上的等效面電流密度,電源角速度為ω,L為機筒軸向長度,g為氣隙長度。用矢量磁位A列出機筒與轉子區域的泊松方程:

(1)

腳標i=s,r表示機筒與轉子區域,腳標k=x,y,z表示周向、徑向和軸向分量。

將定子面電流密度Js以2l為周期沿Z軸方向進行傅里葉級數展開,則有:

(2)

考慮到在鐵心有效長度內,機筒與轉子電流只有軸向分量,可設磁位的徑向分量Ay及其對坐標的偏導數為零。相應的邊界條件為:

1) 定子內表面磁場強度切向分量等于面電流密度

(3)

2) 定子內表面矢量磁位連續

(4)

3) 定子內表面磁場強度切向分量相等

(5)

4) 轉子表面處矢量磁位連續

(6)

5) 轉子表面處磁場強度切向分量相等

(7)

6) 磁通在徑向最遠處應為0

(8)

式中μ0為真空磁導率。

利用邊界條件求解方程(1),并最后得到機筒與轉子渦流各向分量:

(9)

(10)

式中:

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

基于感應電機原理的物料輸送加熱技術將機筒與轉子螺桿做成實心結構以增大渦流熱功率。由歐姆定律的積分形式,得到系統總渦流熱功率為[16]:

(16)

式中Vs、Vr為機筒與轉子螺桿有渦流的區域。

2.2　加熱系統渦流場分析

橡膠塑化機為“8”型雙螺桿結構,由6個加熱單元組成,各加熱單元規格、尺寸相同,機筒與轉子螺桿均為HT200鑄鐵材料。單元結構參數如表1。

表1　加熱單元結構參數

采用基于感應電機原理加熱技術,電磁繞組采用跨距y=1的集中繞組,設計加熱功率50kW,電磁加熱參數如表2。

表2　電磁加熱參數

建立系統模型,進行有限元分析,其中繞組槽周圍區域、氣隙及螺桿區域劃分相對較細的有限單元[17-19]。對結果進行后處理得到系統渦流分布云圖如圖3、圖4所示。

圖3為加熱系統渦流分布云圖,機筒感應渦流集中在其內表面。機筒內表面溫度較高,直接與物料接觸對其進行加熱。熱源的分布及加熱效果優于電阻帶加熱、纏繞式電磁加熱等加熱方法。

圖3　系統渦流分布云圖

圖4為轉子螺桿渦流分布云圖,基于感應電機原理的物料輸送加熱技術通過徑向磁場能夠在螺桿中感應產生渦流。機筒對物料加熱的同時,高溫的螺桿對物料進行攪拌加熱,提高加熱效率,使物料加熱更加均勻。

圖4　螺桿渦流分布云圖

由前述渦流電磁場分析可知,機筒渦流較強,本文采用繞組槽開口結構,增大轉子螺桿磁場強度,加大轉子螺桿渦流熱功率。圖5為螺桿四分之一圓周上渦流強度曲線,渦流沿圓周方向呈周期性變化,周期為繞組槽數。圖中可以看出槽口處渦流幅值較大,說明開口槽結構能夠有效釋放繞組磁場,使磁力線穿過氣隙到達螺桿,加強螺桿的渦流效應,增大螺桿電磁加熱功率。

圖5　螺桿圓周渦流分布曲線

3溫度特性分析

分析系統參數包括氣隙長度、槽口寬度、電源頻率等對加熱性能的影響。選取恰當參數,使轉子螺桿獲得較大加熱功率,減小徑向溫度差,在此基礎上分析樣機加熱性能。

3.1　參數分析

3.1.1氣隙長度對溫度分布影響

磁力線經機筒、氣隙、螺桿夠成閉合回路,較小氣隙尺寸可以減小磁路磁阻,增大機筒與螺桿磁密,提升機筒與螺桿感應加熱效果。圖6為氣隙長度g=2 mm、1.5 mm、1 mm情況下系統溫度分布云圖。從溫度分布看出,隨著氣隙尺寸的減小,螺桿高溫區域明顯增大,且徑向溫差由2 mm時12.52 ℃降低至1 mm時6.96 ℃,說明較小氣隙可以使螺桿獲得較大加熱功率,增大螺桿功率占總加熱功率的比例,這對物料加熱的均勻性是有利的。考慮轉子螺桿裝配工藝問題,樣機氣隙長度設計為1.5 mm。

圖6　不同氣隙下溫度分布

3.1.2槽口寬度對功率分配影響

由前述螺桿圓周渦流分布可知,開口槽結構可加強轉子螺桿感應效果。計算不同槽口寬度下螺桿功率占總功率的比例,圖7為氣隙g=2 mm、1.5 mm、1 mm時螺桿加熱功率比例隨槽口尺寸變化曲線。閉口槽時螺桿發熱功率較小,約占總加熱功率5%,其主要是由于大部分磁力線在機筒中閉合、螺桿磁場較弱引起;隨著槽口尺寸增加,螺桿加熱功率占總加熱功率的比例呈上升趨勢。從圖中看出,槽口寬度設計應大于3～5倍氣隙長度,此時螺桿加熱功率占總加熱功率的比例增加明顯。

圖7　槽口寬度對螺桿加熱功率影響

3.1.3頻率對徑向溫度分布影響

頻率直接關系到電磁加熱功率和熱源透入深度,是系統設計必須考慮的參數之一。在設計較高頻率增大電磁加熱功率的同時,渦流熱源越趨近機筒內表面及螺紋頂部,導致系統徑向溫度梯度增大。分析電源頻率f=8 kHz、20 kHz、56 kHz情況下系統徑向溫度分布,如圖8所示。可以看出電源頻率越高,機筒內表面附近溫度變化率越大,系統徑向溫差越大,這顯然對物料加熱的均勻性是不利的。加熱系統頻率選取時,除考慮加熱功率滿足設計要求外,還應考慮趨膚效應對熱源深度的影響。本文樣機頻率設計為20 kHz,機筒內表面與螺桿最大溫差約8.7 ℃。

圖8　不同頻率下徑向溫度曲線

3.2　加熱性能分析

HT200鑄鐵物性參數:密度ρ=7 150 kg/m3,比熱容c=460 J/(kg·℃),熱導率λ=39.2 W/(m2·℃)。依據參數分析結果,確定樣機氣隙長度1.5 mm,槽口寬度10 mm,電源頻率20 kHz,計算獲得轉子螺桿加熱功率9.14 kW,占系統總加熱功率的18.3%。對加熱單元預熱情況下溫度場進行仿真計算[20],獲得系統預熱10 min、30 min、50 min、70 min時刻溫度分布云圖,如圖9所示。

圖9　預熱溫度分布云圖

模擬結果看出:(1)整個預熱過程,機筒與螺桿溫升明顯,預熱70 min后,機筒溫度約340 ℃,螺桿溫度約336 ℃,達到設備預熱溫度要求;(2)機筒內表面及螺紋頂部溫度高于其他位置溫度,熱源分布具有一定區域性;(3)預熱70 min后,螺紋頂部、中部、軸的溫度分別為339 ℃、336 ℃、332 ℃,轉子螺桿加熱效果明顯,徑向溫差較小。

4樣機實驗研究

圖10為加熱單元內部結構實物圖,電磁繞組采用GN500云母編織耐高溫線,絕緣為陶瓷管。對新型電磁加熱橡膠塑化機進行預熱實驗,采用埋置檢溫計法(ETD)測量機筒與螺桿溫度。

圖10　加熱單元內部結構

實驗在-3 ℃環境下進行,橡膠塑化機外部包裹30 mm厚保溫棉。實驗分別記錄頻率、加熱功率、機筒溫度和螺桿溫度,數據見表3,實驗過程中電源頻率基本保持在20 kHz,加熱功率50 kW。溫升數據表明系統預熱速度較快,螺桿溫升速度與機筒溫升速度十分接近;預熱70 min后,機筒溫度達337 ℃,螺桿溫度升至323 ℃,溫差較小。樣機預熱實驗溫升與仿真值基本吻合,驗證基于感應電機原理物料輸送加熱技術的有效性與模擬分析的正確性。

圖11為螺桿溫升對比曲線。以螺桿預熱至320 ℃為準,纏繞式電磁加熱塑化機預熱時間約3 h,而基于感應電機原理物料輸送加熱技術能夠對轉子螺桿進行加熱,系統預熱時間縮短至70 min,加熱速度顯著提高,預熱時間明顯縮短。

表3　預熱實驗數據

圖11　預熱溫升對比

5結論

本文提出一種基于感應電機原理的物料輸送加熱方法,給出新型物料輸送加熱技術基本結構和工作機理,分析渦流熱功率分布并研究系統參數包括氣隙長度、槽口寬度、電源頻率等對加熱性能的影響。獲得以下結論:

1) 基于感應電機原理的物料輸送加熱技術通過線圈內置產生徑向磁場,同時對于機筒與旋轉的螺桿進行電磁加熱;機筒側渦流熱源集中在其內表面,螺桿側渦流熱源集中在螺紋頂部。

2) 較小氣隙長度和開口槽結構能夠使螺桿獲得較大加熱功率、降低徑向溫度差,槽口寬度大于3-5倍氣隙長度為宜;電源頻率設計應綜合考慮加熱功率及趨膚效應對熱源深度的影響。

3) 橡膠塑化機預熱實驗表明,轉子螺桿溫升速度較快,預熱時間明顯縮短;實驗溫升與仿真結果基本吻合,驗證基于感應電機原理的物料輸送加熱技術的有效性與有限元分析的正確性,可用于指導此類電磁感應加熱技術的開發與設計。

參 考 文 獻:

[1]林江嬌,趙春芳,朱立學.雙螺桿擠壓膨化機溫升特性的仿真分析與試驗[J].農業工程學報,2012,28(16):47-53.

LIN Jiangjiao, ZHAO Chunfang, ZHU Lixue. Simulation analysis and experiment of temperature rising characteristics in twin-screw extruder[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2012,28(16):47-53.

[2]朱向哲,苗一,袁惠群.三螺桿擠出機聚合物溫度和功耗特性的數值模擬[J].高分子材料科學與工程,2009,25(10):16-170.

ZHU Xiangzhe, MIAO Yi, YUAN Huiqun. Numerical simulation of temperature distributions and power consumptions in conveying element of tri-screw extruders [J]. Polymer materials science and engineering, 2009, 25(10): 166-170.

[3]李時峰,呂默影,陳輝明.一種新型超高頻感應加熱混合全橋逆變器[J]. 電工技術學報,2013,28(3):215-221.

LI Shifeng, Lü Moying, CHEN Huiming. A novel hybrid full-bridge inverter for ultra-high frequency induction heating applications [J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2013, 28(3):215-221.

[4]董燕卓,王克儉.加熱方式對注射塑化能力和比能耗的影響[J].塑料,2012,41(4):52-54.

DONG Yanzhuo, WANG Kejian. Effects of different heating methods on plasticizing capacity and specific energy consumption in injection [J]. Plastics, 2012, 40(4):52-54.

[5]唐任遠,吳東陽,謝德鑫.單元級別并行有限元法求解工程渦流場的關鍵問題研究[J].電工技術學報,2014,29(5):1-8.

TANG Renyuan, WU Dongyang, XIE Dexin. Research on the key problem of element by element parallel FEM applied to engineering eddy current analysis [J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(5):1-8.

[6]孫于,汪友華,楊曉光,等.新型橫向磁通感應加熱線圈[J]. 電工技術學報,2014,29(4):85-90.

SUN Yu, WANG Youhua, YANG Xiaoguang, et al. A novel coil shape for transverse flux induction heating [J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(4):85-90.

[7]FABBRI M, FORZAN M, LUPI S, et al. Experimental and numerical analysis of DC induction heating of aluminum billets[J]. IEEE Transactions on Magnetics,2009, 45(1): 192-200.

[8]陳磊,裴宇龍,柴鳳,等.旋轉電磁致熱器熱功率與結構參數關系的研究[J].電機與控制學報, 2013,17(5):57-62.

CHEN Lei, PEI Yulong, CHAI Feng, et al. Research on the relationship between thermal powers and structure parameters of the rotational electromagnetic heater [J]. Electric Machines and Control, 2013, 17(5): 57-62.

[9]KANEDA M, HISHIKAWA S, TAMAKA T, et al. Innovative electromagnetic induction eddy current-based dual packs heater using voltage-fed high-frequency PWM resonant inverter for continuous fluid processing in pipeline [C]//The 25th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, 1999: 797-802.

[10]趙宗彬,朱斌祥,楊大力,等.電磁加熱節能技術在擠塑機加熱系統中的應用研究[J].塑料工業,2014,42(2):72-74.

ZHAO Zongbin, ZHU Binxiang, YANG Dali, et al. Application Research of Electromagnetic Heating technology in the Heating System of Extruder [J]. China Plastics Industry, 2014, 42(2):72-74.

[11]陳昊,周月明,華學明.感應加熱過程中工件表層溫度分布及機理分析[J].金屬熱處理,2011,36(2):66-69.

CHEN Hao, ZHOU Yueming, HUA Xueming. Temperature distribution in surface layer of work piece during induction heating process and its mechanism analysis [J]. Heat Treatment of Metals, 2011, 36(2):66-69.

[12]梁艷萍,張建濤,索文旭,等.雙屏蔽復合轉子電機渦流損耗分析[J]. 中國電機工程學報,2009,29(24):78-83.

LIANG Yanping, ZHANG Jiantao, SUO Wenxu, et al. Eddy current losses analysis of double-cans composite-rotor motor [J]. Proceedings of the CSEE, 2009, 29(24):78-83.

[13]馮爾健.鐵磁體實心轉子異步電機理論與計算[M].北京:科學出版社,1980.

[14]AKBABA M, FAKHRO S Q. Field distribution and iron loss computation in reluctance augmented shaded-pole motors using finite element method [J]. IEEE Electron. Comput, 2011, 7 (2):302-307.

[15]WOOD A J, CONCORDIA C. An analysis of solid rotor machines part Ⅱ. the effects of curvature[J]. IEEE Trans, 1959, 78(4):1666-1672.

[16]SUN Yanhna, YU Tie. Analytical method for eddy current loss in laminated rotors with magnetic bearings [J]. IEEE Transactions on Magnetics. 2002, 38(2): 1341-1347.

[17]杜海,張鵬,曲延濱.一種雙轉子電磁熱機及其磁場和渦流分析[J].電機與控制學報, 2013,17(5):51-56.

DU Hai, ZHANG Peng, QU Yanbin. Dual-rotor electromagnetic heat engine and its magnetic field and eddy current analysis [J]. Electric Machines and Control, 2013, 17(5):51-56.

[18]李偉力,管春偉,鄭萍.大型汽輪發電機空實心股線渦流損耗分布與溫度場的計算方法[J].中國電機工程學報,2012,32(S1): 264-271.

LI Weili, GUAN Chunwei, ZHENG Ping. Calculation method of eddy current loss distribution and temperature field for mixed hollow and solid strands in large turbo-generator [J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32 (S1):264-271.

[19]李立毅,郭楊洋,曹繼偉,等.高速高功率密度風洞電機磁——熱特性的研究[J].電機與控制學報,2013, 17(10): 46-51.

LI Liyi, GUO Yangyang, CAO Jiwei, et al. Research on the characteristic of electromagnetic-thermal of high speed and power density wind tunnel motor [J]. Electric Machines and Control, 2013, 17(10):46-51.

[20]張炳義,王森,馮桂宏.基于流固耦合的無人機主推進電機溫度場研究[J].電機與控制學報,2014, 18(6): 116-120.

ZHANG Bingyi, WANG Sen, FENG Guihong. Temperature field research for main propulsion motor of unmanned aerial vehicle based on fluid-solid coupled theory [J]. Electric Machines and Control, 2014, 18(6): 116-120.

(編輯：張詩閣)

Material conveying heating technology on principle of induction motor

FENG Gui-hong，YU Jian-ying，ZHANG Bing-yi

(School of Electrical and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang, 110870, China)

Abstract:Aiming at the problem of large temperature difference, material heating nonuniformly and long preheating time of plasticizing machine and extruding machine, a new material was proposed conveying heating technology based on principle of induction motor. Electromagnetic coils were placed inside cylinder, so high frequency alternating radial magnetic field was produced, flux line constitute a closed loop by cylinder, air gap and rotor screw, so cylinder and rotating screw were induced as heat sources. The material was mixing heated when screw rotating conveying, heating efficiency and heating uniformity were improved. Eddy current distribution of barrel and screw rotor were simulated, influence of air gap, slot width, frequency on heating power and heating performance were analyzed, and selection principle of relevant parameters was given. Heating experiment for rubber plasticizing machine was carried out,and the experiment results show that the material conveying heating technology on the principle of induction motor reduces the radial temperature difference to 10 ℃, the equipment preheating time is shortened to 70 min.

Keywords:material conveying; electromagnetic induction heating; induction motor principle;heating experiment

通訊作者:于建英

作者簡介:馮桂宏(1963—)，女，教授，研究方向為特種電機及其控制、電力系統負荷預測；

基金項目：國家自然科學基金(51177106)；國家"863"項目(SS2012AA061303)；國家重大科學儀器設備開發專項(2012YQ05024207)

收稿日期:2014-10-08

中圖分類號:TM 924.5+

文獻標志碼:A

文章編號:1007-449X(2015)07-0045-07

DOI:10.15938/j.emc.2015.07.007