Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 143 страницах машинописного текста; содержит 63 рисунка и 7 таблиц, список использованных источников, включающий 101 наименование и 1 приложение.

На защиту выносятся следующие положения:

– Математические модели взаимосвязанных электромагнитных и тепловых процессов при нагреве ферромагнитной цилиндрической заготовки в поперечном магнитном поле трехфазного индуктора.

– Алгоритм и вычислительная технология реализации метода последовательного расчета электромагнитных и тепловых полей в сложной цилиндрической индукционной системе с замкнутым магнитопроводом, использующая обмен информацией между тепловой и задачами в виде аппроксимирующих выражений для распределений электромагнитной температуры и магнитной проницаемости, отличающаяся учетом магнитных масс индуктора и температурной зависимости магнитных свойств загрузки.

– Результаты теоретических и экспериментальных исследований электромагнитных и тепловых полей.

– Методика оптимального проектирования конструктивных и режимных параметров новой конструкции индукционной системы, отличающаяся тем, что она частично содержит элементы методики расчета электрических машин, позволяющие повысить точность расчета и снизить объем вычислений.

– Рекомендации по проектированию новой конструкции трехфазного индуктора для нагрева ферромагнитной цилиндрической заготовки в поперечном магнитном поле.

Краткое содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируется цель и основные задачи работы, характеризуется новизна и практическая значимость полученных результатов, приводятся основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе приводится обзор научных работ в области разработки математических моделей процессов индукционного нагрева изделий, ориентированных на задачи проектирования конструктивных и режимных параметров индукционных установок в линиях горячей обработки металла. Выполнен анализ существующих конструкций индукционных установок для сквозного нагрева металла. Показано, что все известные конструктивные решения трехфазных индукционных установок для сквозного нагрева на промышленной частоте имеют один общий недостаток – наличие несимметричной составляющей напряжения вследствие переноса мощности из одной фазы в другую.

Предлагаемая в работе новая конструкция индукционного нагревателя обеспечивает полную симметрию нагрузки, однако, требует разработки новой методики проектирования, основанной на численных методах, что обусловлено наличием сложной конфигурации элементов индукционной системы и нелинейными зависимостями электрофизических и теплофизических свойств металла от температуры.

Во втором разделе рассматриваются электротепловые модели, ориентированные на исследование электромагнитных и тепловых процессов в системе «индуктор – металл» и проектирование на этой основе конструкции индукционного нагревателя нового типа, содержащего, в отличие от существующих аналогов, замкнутый цилиндрический магнитопровод и трехфазную обмотку, расположенную в пазах магнитопровода. Показано, что в исследуемом объекте использование аналитических методов расчета индукционной системы, имеющей сложную конфигурацию элементов индуктора и содержащей магнитные цепи, не представляется возможным. Для рассматриваемого комплекса задач, решение которых необходимо для исследования и разработки трехфазного индуктора, численные методы наиболее плодотворны и позволяют решать задачи, охватывающие расчет параметров электромагнитных и тепловых полей в ферромагнитной загрузке, расчет электрических и энергетических характеристик системы «индуктор – загрузка и дают возможность достаточно точно учитывать все нелинейности путем изменения всех нелинейных величин с каждым шагом по времени, а также задать сложную геометрию нагреваемого изделия. Предложенная в работе численная математическая модель взаимосвязанных электромагнитных и тепловых процессов нагрева цилиндрической заготовки в поперечном магнитном поле трехфазного цилиндрического индуктора ориентирована на решение задачи проектирования энергоэффективной конструкции индукционного нагревателя нового типа.

В третьем разделе приведены результаты исследования электромагнитных и тепловых полей в заготовке и элементах индукционной системы. На основе предложенной в разделе 2 математической модели разработан алгоритм расчета электромагнитных и тепловых полей с использованием программного комплекса ELCUT 5.6 Professional.

Основными результатами расчета электромагнитной задачи для системы индукционного нагрева являются распределение магнитной индукции в элементах системы, напряженности поля, картины плотности тока, плотности мощности. Приведены результаты расчета электромагнитной задачи. Полученные результаты распределения объемной мощности тепловыделения используются далее для расчета температурных распределений в элементах индукционной системы. Приведены результаты расчета температурного поля в заготовке и элементах индукционной системы.

В четвертом разделе предлагается методика расчета параметров индуктора на основании заданных технологических и энергетических требований, и рекомендации по оптимальному проектированию конструктивных и режимных параметров индукционной системы, обеспечивающей максимальный КПД при наличии энергетических и технологических ограничений при достижении требуемого по технологии температурного распределения по объему изделия. Приводятся результаты экспериментальных исследований установившихся режимов нагрева заготовок в индукционном нагревателе.