Сравнительная оценка магнитных систем электродинамических сепараторов

Аннотация

Для разделения электропроводных и неэлектропроводных немагнитных материалов применяются электродинамические сепараторы с постоянными магнитами и электромагнитами. Одним из путей интенсификации процесса разделения является повышение напряженности магнитного поля в зоне сепарации. При разделении мелких классов крупности возникает проблема уменьшения полюсного шага магнитной системы, что снижает воздействие магнитного поля на разделяемые материалы. В связи с этим назрела необходимость в проведении исследований по созданию высокоэффективных магнитных систем.

Ключевые слова: электродинамическая сепарация, магнитная система, постоянный магнит, полюсный шаг, электромагнит.

Основным преимуществом индукторов с постоянными магнитами по сравнению с индукторами электромагнитного возбуждения является отсутствие скользящих контактов. Бесконтактные индукторы с постоянными магнитами отличаются высокой надежностью в работе, имеют простую конструкцию, не потребляют энергию на возбуждение. К недостаткам бесконтактных индукторов следует отнести: низкие регулировочные свойства, связанные с трудностями изменения магнитного потока постоянных магнитов; сравнительно высокую стоимость при использовании редкоземельных элементов; зависимость магнитных свойств от температуры [1−4].

Проведем сравнение индукторов с постоянными магнитами и индукторов с электромагнитным возбуждением. В качестве оценочного критерия примем удельную магнитную энергию, создаваемую индукторами в рабочем зазоре. При стабилизированных магнитах, без учета насыщения стальных участков и потоков рассеяния (В_м = В_д = мН_д), напряженность магнитного поля в воздушном зазоре определяется из совместного решения уравнений линии возврата [5] и МДС [6]:

Удельная энергия в абсолютных единицах измерения, создаваемая магнитом в рабочем зазоре:

Напряженность магнитного поля в воздушном зазоре сепаратора с электромагнитами при аналогичных допущениях:

где: — плотность тока в обмотке возбуждения; - суммарная площадь меди витков обмотки возбуждения на один полюс.

Удельная магнитная энергия, создаваемая электромагнитом в рабочем зазоре:

При одинаковых диаметрах индукторов и замене электромагнитов постоянными магнитами с тем же конструктивным коэффициентом полюсного перекрытия б_р = b_эм/ф = b_м/ф площадь, занимаемая проводниками обмотки возбуждения S_си на один полюс, не превышает половины площади свободного пространства между полюсами магнитов S_св (рис. 1). Принимая, что S_си = S_св и учитывая, что длина средней силовой линии в магните [7,8].

а половина площади межполюсного пространства.

запишем выражения (2) и (4) в виде.

Откуда отношение удельных магнитных энергий в воздушном зазоре сепараторов с электромагнитным индуктором и с постоянными магнитами:

Рис. 1. ? Модель индукторов с постоянными магнитами и электромагнитами

На рис. 2 показаны зависимости W_дэм / W_дм от геометрических размеров индуктора при коэффициенте полюсного перекрытия б_р = 0,65, рабочем зазоре д = 0,3 мм и числе пар полюсов .

Указанные зависимости рассчитаны для индуктора, содержащего либо обмотку возбуждения с плотностью тока J = 5 А/мм², либо постоянный магнит, имеющий прямолинейную кривую размагничивания с остаточной индукцией В_r = B_в = 1,0 Тл и магнитной проницаемостью возврата м_в = м₀. Область предпочтительного применения постоянных магнитов определяется условием W_дэм / W_дм? 1. магнитная система полюсной шаг.

Рис. 2. ? Сравнение эффективности различных способов возбуждения

Так как при сравнении электромагнитного способа возбуждения и постоянных магнитов был принят ряд допущений, а выбранный критерий оценки не является всеобъемлющим, то зависимости на рис. 2 не могут рассматриваться как кривые, устанавливающие границы применимости постоянных магнитов. Однако они позволяют сделать качественный вывод о том, что преимущества способа возбуждения от постоянных магнитов возрастают с уменьшением диаметра индуктора и увеличением числа пар полюсов [9, 10].

На рис. 3 показан алгоритм расчета относительной удельной магнитной энергии с использованием базы данных «Электротехнические материалы». Принятые обобщения б₁, б₂, …, K, x, y — носят обобщенный характер, что делает разработанную систему (при наличии в ней нескольких режимов работы) пригодной для использования в различных предметных областях. Кроме того, предварительное задание «шага» позволяет получать и сравнивать сепараторы, имеющие разные способы возбуждения и геометрические размеры.

Рис. 3. ? Алгоритм расчета относительной удельной магнитной энергии в зависимости от геометрии сепаратора

• 1. Плетнёв С. В. Магнитное поле: свойства, применение // Питер: Гуманистика, 2004. — 624 с.
• 2. Буль О. Б. Магнитные цепи, поля и программа. Методы расчета магнитных систем электрических аппаратов // М.: Академия, 2005. -336 с.
• 3. Дударев К. Г., Бондарь И. М., Демченко О. А. Инновационные технологии профилактики пожаров в электрических сетях // Инженерный вестник Дона, 2012, Номер 4 (часть 2)
• 4. Игнатьев В. К., Станкевич Д. А. Дефектоскопия стальной проволоки методом тензорной магнитной топологии // Инженерный вестник Дона, 2012.
• 5. David K. Cheng. «Field and Wave Electromagnetics». — Addison-Wesley Educational Publishers, 2008. — 272 p.
• 6. Пятин Ю. М. Постоянные магниты // М.: Энергия, 1980. — 488 с.
• 7. David K. Cheng. «Fundamentals of Engineering Electromagnetics». — Prentice Hall, 1992. — 495 p.
• 8. Бондарь И. М. Электротехника и электроника // М.: ИКЦ «МарТ»; Ростов н/Д: «Феникс», 2010. — 340 с.
• 9. Бондарь И. М., Дударев К. Г. Влияние формы электропроводных частиц на процесс извлечения цветных металлов из твердых бытовых отходов. В сб.: Тезисы докладов международной научно-практической конф.: Строительство-2011. Институт экономики и управления Изд-во РГСУ, Ростов-на-Дону, 2011.? С. 46−47.
• 10. Бондарь И. М., Дударев К. Г., Слюсаренко К. А. Исследование комбинированных процессов и схем извлечения ценных компонентов из исходного сырья в магнитных полях. В сб.: Тезисы докладов международной научно-практической конф.: Строительство-2013. Изд-во РГСУ, Ростов-на-Дону, 2013.? С. 114−116.

References.

• 1. Pletnev S. V. Magnitnoe pole: svoystva, primenenie [Magnetik field: properties and applications]. Piter: Gumanistika, 2004. 624 р.
• 2. Bul' O.B. Magnitnye tsepi, polya i programma. Metody rascheta magnitnykh sistem elektricheskikh apparatov [Magnetic circuits, fields, and program. Methods of calculation of magnetic systems of electrical apparatus]. M.: Akademiya, 2005. 336 р.
• 3. Dudarev K.G., Bondar I.M., Demchenko O.A. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, № 4 (chast' 2)
• 4. Ignat’ev V.K., Stankevich D.A. Defektoskopiya stal’noy provoloki metodom tenzornoy magnitnoy topologii. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, № 2 URL:
• 5. David K. Cheng. «Field And Wave Electromagnetics». Addison-Wesley Educational Publishers, 2008. 272 p.
• 6. Pyatin Yu. M. Postoyannye magnity [Permanent magnets]. M.: Energiya, 1980. 488 p.
• 7. David K. Cheng. «Fundamentals of Engineering Electromagnetics». Prentice Hall, 1992. 495 p.
• 8. Bondar' I.M. Elektrotekhnika i elektronika [Electrical and electronics]. M.: IKTs «MarT»; Rostov n/D: «Feniks», 2010. 340 p.
• 9. Bondar' I.M., Dudarev K.G. Vliyanie formy elektroprovodnykh chastits na protsess izvlecheniya tsvetnykh metallov iz tverdykh bytovykh otkhodov. V sb.: Tezisy dokladov mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konf.: Stroitel’stvo-2011. Institut ekonomiki i upravleniya Izd-vo RGSU, Rostov-na-Donu, 2011, рр. 46−47.
• 10. Bondar' I.M., Dudarev K.G., Slyusarenko K.A. Issledovanie kombinirovannykh protsessov i skhem izvlecheniya tsennykh komponentov iz iskhodnogo syr’ya v magnitnykh polyakh. V sb.: Tezisy dokladov mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konf.: Stroitel’stvo-2013. Izd-vo RGSU, Rostov-na-Donu, 2013, рр. 114−116.