МОДЕЛИРОВАНИЕ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА РОТОРА МАГНИТОРЕЗОНАНСНОГО ПОДВЕСА ДЛЯ ШЛИФОВАЛЬНОГО КРУГА МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Ильин Роман Андреевич

магистрант Арзамасского политехнического института (филиала)

Нижегородского государственного технического университета,

РФ, г. Арзамас

E-mail: il.roman2012@yandex.ru

Шурыгин Алексей Юрьевич

канд. техн. наук, доц. Арзамасского политехнического института (филиал)

Нижегородского государственного технического университета,

РФ, г. Арзамас

E-mail: 

Глебов Владимир Владимирович

канд. техн. наук, доц. Арзамасского политехнического института (филиал)

Нижегородского государственного технического университета,

РФ, г. Арзамас

E-mail: 

MODELLING OF INDUCTION HEATING OF THE ROTOR OF MAGNETIC RESONANCE SUBWEIGHT FOR THE GRINDING WHEEL BY METHOD OF FINAL ELEMENTS

Roman Ilyin

master student of of API (branch of) NSTU,

Russia, Arzamas

Alexey Shurigin

candidate of Technical Sciences,

Associate Professor of API (branch of) NSTU,

Russia, Arzamas

Vladimir Glebov

candidate of Technical Sciences,

Associate Professor of API (branch of) NSTU,

Russia, Arzamas

АННОТАЦИЯ

В работе представлены результаты анализа методом конечных элементов индукционного нагрева ротора магниторезонансного подвеса для шлифовального круга с применением программных модулей ANSYS. Получены распределение плотности вектора тока, поле омических потерь и распределение температурного поля на поверхности ротора.

ABSTRACT

In work results of the analysis by method of final elements of induction heating of a rotor of magnetic resonance sub weight for a grinding wheel with use of program ANSYS modules are presented. Distribution of density of a vector of current, a field of ohmic losses and distribution of a temperature field to rotor surfaces are received.

Ключевые слова: индукционный нагрев, омические потери, скин-слой, температура, магниторезонансный подвес.

Keywords: induction heating, ohmic losses, skin depth, temperature, magnetic-resonance suspension.

Применение шлифовального круга на магниторезонансном подвесе, позволяет уменьшить величину нарушенного слоя и увеличить производительность обработки плоских поверхностей хрупких неметаллических материалов торцом инструмента за счет уменьшения амплитуды вибраций. Магниторезонансный подвес представляет собой электромеханическую систему, принцип действия которой основан на изменении индуктивностей в цепях электромагнитов при смещении центрируемого ферромагнитного ротора [1, с. 541; 3, с. 24]. Поскольку питание электромагнитов осуществляется переменными токами высокой частоты в роторе подвеса наводятся вихревые индукционные токи, возникающие в проводниках при изменении пронизывающего их магнитного поля. Действие вихревых токов способствует нагреву ротора подвеса. Для определения температуры нагрева ротора в работе решена связанная электродинамическая и термомеханическая задача на базе платформы Ansys Workbench с использованием программных модулей электродинамического анализа Maxwell 3D и температурного анализа Mechanical Stady-State Thermal (рисунок 1).

На рисунке 2 представлена трехмерная модель подвеса, построенная в модуле ANSYS Maxwell 3D. Модель состоит из ротора и статора, в котором размещена обмотка электромагнитов, и построена в соответствии с рассчитанными ранее геометрическими параметрами [2, с. 58.]. Для решения выбран тип задачи Eddy Current, т. е. задача гармонических установившихся трехмерных магнитные поля с индуцированными вихревыми токами.

Рисунок 1. Схема проекта термоэлектромагнитной задачи в ANSYS Workbench

Рисунок 2. Разрез трехмерной геометрической модели магниторезонансного подвеса

Каждой обмотке электромагнита задана рассчитанная ранее величина действующего значения переменного тока, которая составила 0,11 А (рисунок 3). Расчетная частота была задана 10 кГц.

Рисунок 3. Задание тока для верхней обмотки

В качестве параметров анализа заданы: максимальное количество проходов – 10; процент ошибки – 2 %; процент сходимости – 30 %, который указывает на сгущение сетки при каждом проходе на 30 %; минимальное количество этих проходов – 2.

Толщина скин-слоя, в котором объемная плотность тока максимальна, т. е. сосредоточен практически весь ток, определяется по формуле [4, с. 57].

,                                                                       (1)

где: ω – угловая частота, рад/с;

σ – удельная электрическая проводимость, См/м;

μ_r – относительная магнитная проницаемость проводника;

μ₀ – магнитная проницаемость среды.

Для частоты питающего напряжения 10 кГц модели глубина скин-слоя приблизительно составила 0,024 мм. При построении расчетной сетки количество подслоев в пределах скин-слоя задавалось равным трем. На рисунке 4а показана плотность построение сетки в ANSYS Maxwell 3D до задания скин-слоя, а на рисунке 4б после его задания.

а)                                                               б)

Рисунок 4. Плотность построения сетки ротора в ANSYS Maxwell 3D

По результатам расчета построены распределение плотности вектора тока на поверхности ротора (рисунок 5) и поле омических потерь на поверхности ротора (рисунок 6). Результаты расчета поля омических потерь послужили входными параметры для теплового расчета связанной задачи в модуле ANSYS Mechanical Stady-State Thermal.

Рисунок 5. Распределение плотности вектора тока на поверхности ротора

Рисунок 6. Поле омических потерь по поверхности ротора

Для проведения теплового расчета ротора, была произведена настройка геометрии, которая заключалась в том, что все элементы подвеса кроме ротора были погашены в дереве построения. Параметры сетки для ротора в Ansys Meshing соответствовали параметрам сетки, построенной в ANSYS Maxwell. Температура окружающей среды принята равной 22°C, а коэффициент теплопередачи – 10 Вт/(м•К).

Рисунок 7. Распределение температурного поля на поверхности ротора

Результаты распределения температурного поля на поверхности ротора, полученные при моделировании связанной задачи, представлены на рисунке 7.

Из анализа рисунка 7 видно, что ротор нагревается незначительно, и относительный нагрев поверхности ротора составляет всего лишь около 1°C. В следствии чего можно сделать вывод, что при работе магниторезонансного подвеса ротор не испытывает существенных тепловых нагрузок и не нуждается в дополнительной системе охлаждения.

Список литературы:

1. Ильин Р.А., Шурыгин А.Ю., Глебов В.В. Магниторезонансный подвес для шлифовального круга при обработке плоских поверхностей оптических материалов торцом инструмента [Текст]: тезисы доклад. Будущее технической науки: сборник материалов XIV Международной молодежной научно-технической конференции. (22 мая 2015 г.); Нижний Новгород: Изд. «НГТУ им. Р.Е. Алексеева», 2015. – 541 с.
2. Ильин Р.А., Шурыгин А.Ю., Глебов В.В. Определение параметров магниторезонансного подвеса шлифовального круга для обработки оптических материалов // журнал Системная инженерия. // Механика. Машиностроение. Машиноведение, 2015. – 58–66 с.
3. Осокин Ю.А., Герди В.Н, Майков К.А., Станкевич Н.Н. Теория и применение электромагнитных подвесов: – М.: Машиностроение, 1980. – 24 с.
4. Семенов Н.А. Техническая электродинамика. Учебное пособие для вузов. – М., «Связь», 1973. – 57 с.