感应电机原理的物料输送加热技术

冯桂宏,　于建英,　张炳义

(沈阳工业大学 电气工程学院,辽宁 沈阳 110870)



感应电机原理的物料输送加热技术

冯桂宏,于建英,张炳义

(沈阳工业大学 电气工程学院,辽宁 沈阳 110870)

摘要:针对塑化机、挤出机类设备物料输送加热过程中存在径向温差大、物料加热不均匀及设备启动预热时间长等问题,提出基于感应电机原理的物料输送加热方法。将线圈内置于设备机筒内,产生径向高频交变磁场,磁力线经机筒、气隙、转子螺杆构成闭合回路,机筒与转子螺杆同时感应产生涡流并发热,缩短设备预热时间;转子螺杆在旋转输送物料过程中对物料进行搅拌加热,提高加热效率和加热均匀度。仿真计算了机筒与转子螺杆涡流分布情况,分析了气隙长度、槽口宽度、频率等参数对加热性能的影响,给出选取原则。对橡胶塑化机样机进行温升实验,采用感应电机原理的物料输送加热技术后设备径向温差减小至10 ℃以内,预热时间缩短至70 min。

关键词:物料输送; 电磁加热; 感应电机原理; 温升实验

于建英(1987—)，男，博士研究生，研究方向为特种电机及其控制；

张炳义(1954—)，男，博士，教授，博士生导师，研究方向为特种电机及其控制、电子电器机械一体化。

0引言

橡塑机械如橡胶塑化机、挤出机等采用螺杆对物料进行螺旋输送,物料在输送过程中被加热到一定温度。传统的导热油加热、电阻带加热等加热方法,热源在机筒外表面,热量由外向内经机筒传递至物料、转子螺杆。由于转子螺杆热量来自物料的传导热,设备径向上存在较大温度梯度,严重降低加热效率和物料加热的均匀性;设备启动预热时间2～3小时,热量浪费严重[1-2]。此外,高温的物料极易吸附于低温的螺杆部件,设备存在严重的沾粘、堵塞现象,需要定期清理、影响连续化生产。旋转的螺杆部件加热是此类设备加热的瓶颈问题,也是物料输送加热迫切需要解决的问题。

工业电磁加热具有功率密度高、加热速度快、易于自动化等优点,正取代传统电阻加热,广泛应用于橡塑机械、食品、化工、金属热处理等工业领域[3-4]。国内外学者对电磁感应涡流场的研究及新型感应加热技术的开发与应用做了大量研究工作[5-6],并提出了直流感应加热[7]、旋转感应加热[8]和PWM供电的电磁加热技术[9]。目前橡塑机械采用的电磁加热方法是在机筒外侧缠绕若干线圈,由高频电源供电产生轴向交变磁场达到加热目的[10]。由于涡流的趋肤效应和屏蔽作用,涡流热功率集中在机筒外表面,内部螺杆无法被电磁加热,仍未改变此类设备加热现状。

本文提出一种基于感应电机原理的物料输送加热方法,同时在机筒与转子螺杆中感应产生涡流共对输送中的物料进行加热。首先介绍加热系统基本结构及加热机理,建立磁场方程研究系统涡流热功率分布情况并采用有限元方法进行涡流分析与计算。其次,分析系统参数包括气隙长度、槽口宽度、电源频率等对加热性能的影响,得出主要参数的选取原则。最后,对橡胶塑化机样机进行预热实验,验证转子螺杆加热的有效性与理论分析的正确性。

1基本结构及工作原理

基于感应电机原理的物料输送加热系统结构如图1所示:机筒1和转子螺杆2均由金属铁磁材料制成,机筒1沿圆周分布若干绕组槽3,电磁绕组4内置于绕组槽3内,并与绕组槽3之间具有槽绝缘5。其中,机筒1与转子螺杆2为实心结构,增大感应涡流;绕组槽4采用开口槽结构,提高转子螺杆感应加热效果。加热时,由高频电源向电磁绕组供电,产生径向磁场,与感应电机磁路结构相似,磁力线经由机筒、气隙和转子螺杆构成闭合回路。机筒和转子螺杆在高频交变磁场作用下感应产生涡流,将输入的电能全部以热能的形式输出。

图1　基于感应电机原理的加热系统结构

Fig. 1Structure of heating system based on the

principle of induction motor

基于感应电机原理的加热方法可以解决旋转螺杆加热问题。转子螺杆由吸热部件变为发热部件,可明显缩短设备启动预热时间并解决螺杆温度低引起的堵塞问题;高温的螺杆在旋转输送物料的过程中对物料进行搅拌加热,加热效果更均匀、提高加热效率。

对比线圈缠绕式电磁加热和线圈内置式电磁加热条件下设备径向温度如图2所示。传统加热方法热源在机筒外侧或外表面[11-12],螺杆热量来自物料的传导热、径向温度下降明显;基于感应电机原理的物料输送加热技术可同时对机筒和旋转的螺杆进行电磁加热,径向温度差较小。

图2　两种加热方式径向温度分布

Fig. 2Radial temperature distribution of two

kinds of heating methods

2三维涡流场分析

2.1　电磁场方程与求解

同时考虑各种因素下涡流分布规律是非常复杂的,对于工程计算也是不必要的[13-14]。为了便于分析,做如下假设:(1)螺杆转速较低,n=2 r/min,视其为静止部件;(2)忽略机筒、螺杆磁滞效应,磁导率μ和电导率σ均为常值;(3)仅考虑基波场量,将其作为似稳交变场处理;(4)忽略端部效应;(5)涡流仅沿轴向分布,不考虑切向分量。

将加热模型沿径向切开后展开为平板,选用直角坐标系[15]。坐标原点位于机筒内表面,使坐标系的X轴为圆周方向,Y轴沿径向,Z轴沿轴向。令τ为线圈占机筒平均弧长,J0为线圈在τ上的等效面电流密度,电源角速度为ω,L为机筒轴向长度,g为气隙长度。用矢量磁位A列出机筒与转子区域的泊松方程:

(1)

脚标i=s,r表示机筒与转子区域,脚标k=x,y,z表示周向、径向和轴向分量。

将定子面电流密度Js以2l为周期沿Z轴方向进行傅里叶级数展开,则有:

(2)

考虑到在铁心有效长度内,机筒与转子电流只有轴向分量,可设磁位的径向分量Ay及其对坐标的偏导数为零。相应的边界条件为:

1) 定子内表面磁场强度切向分量等于面电流密度

(3)

2) 定子内表面矢量磁位连续

(4)

3) 定子内表面磁场强度切向分量相等

(5)

4) 转子表面处矢量磁位连续

(6)

5) 转子表面处磁场强度切向分量相等

(7)

6) 磁通在径向最远处应为0

(8)

式中μ0为真空磁导率。

利用边界条件求解方程(1),并最后得到机筒与转子涡流各向分量:

(9)

(10)

式中:

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

基于感应电机原理的物料输送加热技术将机筒与转子螺杆做成实心结构以增大涡流热功率。由欧姆定律的积分形式,得到系统总涡流热功率为[16]:

(16)

式中Vs、Vr为机筒与转子螺杆有涡流的区域。

2.2　加热系统涡流场分析

橡胶塑化机为“8”型双螺杆结构,由6个加热单元组成,各加热单元规格、尺寸相同,机筒与转子螺杆均为HT200铸铁材料。单元结构参数如表1。

表1　加热单元结构参数

采用基于感应电机原理加热技术,电磁绕组采用跨距y=1的集中绕组,设计加热功率50kW,电磁加热参数如表2。

表2　电磁加热参数

建立系统模型,进行有限元分析,其中绕组槽周围区域、气隙及螺杆区域划分相对较细的有限单元[17-19]。对结果进行后处理得到系统涡流分布云图如图3、图4所示。

图3为加热系统涡流分布云图,机筒感应涡流集中在其内表面。机筒内表面温度较高,直接与物料接触对其进行加热。热源的分布及加热效果优于电阻带加热、缠绕式电磁加热等加热方法。

图3　系统涡流分布云图

图4为转子螺杆涡流分布云图,基于感应电机原理的物料输送加热技术通过径向磁场能够在螺杆中感应产生涡流。机筒对物料加热的同时,高温的螺杆对物料进行搅拌加热,提高加热效率,使物料加热更加均匀。

图4　螺杆涡流分布云图

由前述涡流电磁场分析可知,机筒涡流较强,本文采用绕组槽开口结构,增大转子螺杆磁场强度,加大转子螺杆涡流热功率。图5为螺杆四分之一圆周上涡流强度曲线,涡流沿圆周方向呈周期性变化,周期为绕组槽数。图中可以看出槽口处涡流幅值较大,说明开口槽结构能够有效释放绕组磁场,使磁力线穿过气隙到达螺杆,加强螺杆的涡流效应,增大螺杆电磁加热功率。

图5　螺杆圆周涡流分布曲线

3温度特性分析

分析系统参数包括气隙长度、槽口宽度、电源频率等对加热性能的影响。选取恰当参数,使转子螺杆获得较大加热功率,减小径向温度差,在此基础上分析样机加热性能。

3.1　参数分析

3.1.1气隙长度对温度分布影响

磁力线经机筒、气隙、螺杆够成闭合回路,较小气隙尺寸可以减小磁路磁阻,增大机筒与螺杆磁密,提升机筒与螺杆感应加热效果。图6为气隙长度g=2 mm、1.5 mm、1 mm情况下系统温度分布云图。从温度分布看出,随着气隙尺寸的减小,螺杆高温区域明显增大,且径向温差由2 mm时12.52 ℃降低至1 mm时6.96 ℃,说明较小气隙可以使螺杆获得较大加热功率,增大螺杆功率占总加热功率的比例,这对物料加热的均匀性是有利的。考虑转子螺杆装配工艺问题,样机气隙长度设计为1.5 mm。

图6　不同气隙下温度分布

3.1.2槽口宽度对功率分配影响

由前述螺杆圆周涡流分布可知,开口槽结构可加强转子螺杆感应效果。计算不同槽口宽度下螺杆功率占总功率的比例,图7为气隙g=2 mm、1.5 mm、1 mm时螺杆加热功率比例随槽口尺寸变化曲线。闭口槽时螺杆发热功率较小,约占总加热功率5%,其主要是由于大部分磁力线在机筒中闭合、螺杆磁场较弱引起;随着槽口尺寸增加,螺杆加热功率占总加热功率的比例呈上升趋势。从图中看出,槽口宽度设计应大于3～5倍气隙长度,此时螺杆加热功率占总加热功率的比例增加明显。

图7　槽口宽度对螺杆加热功率影响

3.1.3频率对径向温度分布影响

频率直接关系到电磁加热功率和热源透入深度,是系统设计必须考虑的参数之一。在设计较高频率增大电磁加热功率的同时,涡流热源越趋近机筒内表面及螺纹顶部,导致系统径向温度梯度增大。分析电源频率f=8 kHz、20 kHz、56 kHz情况下系统径向温度分布,如图8所示。可以看出电源频率越高,机筒内表面附近温度变化率越大,系统径向温差越大,这显然对物料加热的均匀性是不利的。加热系统频率选取时,除考虑加热功率满足设计要求外,还应考虑趋肤效应对热源深度的影响。本文样机频率设计为20 kHz,机筒内表面与螺杆最大温差约8.7 ℃。

图8　不同频率下径向温度曲线

3.2　加热性能分析

HT200铸铁物性参数:密度ρ=7 150 kg/m3,比热容c=460 J/(kg·℃),热导率λ=39.2 W/(m2·℃)。依据参数分析结果,确定样机气隙长度1.5 mm,槽口宽度10 mm,电源频率20 kHz,计算获得转子螺杆加热功率9.14 kW,占系统总加热功率的18.3%。对加热单元预热情况下温度场进行仿真计算[20],获得系统预热10 min、30 min、50 min、70 min时刻温度分布云图,如图9所示。

图9　预热温度分布云图

模拟结果看出:(1)整个预热过程,机筒与螺杆温升明显,预热70 min后,机筒温度约340 ℃,螺杆温度约336 ℃,达到设备预热温度要求;(2)机筒内表面及螺纹顶部温度高于其他位置温度,热源分布具有一定区域性;(3)预热70 min后,螺纹顶部、中部、轴的温度分别为339 ℃、336 ℃、332 ℃,转子螺杆加热效果明显,径向温差较小。

4样机实验研究

图10为加热单元内部结构实物图,电磁绕组采用GN500云母编织耐高温线,绝缘为陶瓷管。对新型电磁加热橡胶塑化机进行预热实验,采用埋置检温计法(ETD)测量机筒与螺杆温度。

图10　加热单元内部结构

实验在-3 ℃环境下进行,橡胶塑化机外部包裹30 mm厚保温棉。实验分别记录频率、加热功率、机筒温度和螺杆温度,数据见表3,实验过程中电源频率基本保持在20 kHz,加热功率50 kW。温升数据表明系统预热速度较快,螺杆温升速度与机筒温升速度十分接近;预热70 min后,机筒温度达337 ℃,螺杆温度升至323 ℃,温差较小。样机预热实验温升与仿真值基本吻合,验证基于感应电机原理物料输送加热技术的有效性与模拟分析的正确性。

图11为螺杆温升对比曲线。以螺杆预热至320 ℃为准,缠绕式电磁加热塑化机预热时间约3 h,而基于感应电机原理物料输送加热技术能够对转子螺杆进行加热,系统预热时间缩短至70 min,加热速度显著提高,预热时间明显缩短。

表3　预热实验数据

图11　预热温升对比

5结论

本文提出一种基于感应电机原理的物料输送加热方法,给出新型物料输送加热技术基本结构和工作机理,分析涡流热功率分布并研究系统参数包括气隙长度、槽口宽度、电源频率等对加热性能的影响。获得以下结论:

1) 基于感应电机原理的物料输送加热技术通过线圈内置产生径向磁场,同时对于机筒与旋转的螺杆进行电磁加热;机筒侧涡流热源集中在其内表面,螺杆侧涡流热源集中在螺纹顶部。

2) 较小气隙长度和开口槽结构能够使螺杆获得较大加热功率、降低径向温度差,槽口宽度大于3-5倍气隙长度为宜;电源频率设计应综合考虑加热功率及趋肤效应对热源深度的影响。

3) 橡胶塑化机预热实验表明,转子螺杆温升速度较快,预热时间明显缩短;实验温升与仿真结果基本吻合,验证基于感应电机原理的物料输送加热技术的有效性与有限元分析的正确性,可用于指导此类电磁感应加热技术的开发与设计。

参 考 文 献:

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(编辑：张诗阁)

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

通讯作者:于建英

作者简介:冯桂宏(1963—)，女，教授，研究方向为特种电机及其控制、电力系统负荷预测；

基金项目：国家自然科学基金(51177106)；国家"863"项目(SS2012AA061303)；国家重大科学仪器设备开发专项(2012YQ05024207)

收稿日期:2014-10-08

中图分类号:TM 924.5+

文献标志码:A

文章编号:1007-449X(2015)07-0045-07

DOI:10.15938/j.emc.2015.07.007