Техніка та енергетика

ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ ШНЕКОВОГО ТИПУ ЯК ДЖЕРЕЛО МУЛЬТИФІЗИЧНОГО ВПЛИВУ НА ТЕХНОЛОГІЧНЕ СЕРЕДОВИЩЕ

Стефан Юнге, Микола Заблодський, Наталія Анатоліївна Заєць, Роман Миколайович Чуєнко, Станіслав Ігорович Ковальчук
Завантажити статтю
Анотація

При забезпечення надійності роботи електромеханічних перетворювачів у важких умовах, виникає проблема підвищення енергоефективності їх застосування шляхом структурної, функціональної і теплової інтеграції з технологічним середовищем. Тому метою дослідження було визначення умов безпосереднього мультифізичного впливу електромеханічного перетворювача шнекового типу на технологічне середовище. Застосовано метод, який заснований на чисельному визначенні в програмному середовищі Comsol Multiphysics характеристик шнекових електромеханічних перетворювачів з використанням комбінації тривимірних і двовимірних моделей кінцевих елементів, обмежених ротором з внесенням лопатей до розрахункової області. Досліджувались два варіанта формування алгоритму мультифізичного впливу на технологічне середовище: локальна концентрація впливу на певних ділянках ротора і рівномірний розподіл вздовж поверхні ротора температури, тиску, магнітної індукції, напруженості електричного поля. Встановлені закономірності розподілу магнітної індукції на зовнішній поверхні феромагнітного ротора при різному азимутальному розташуванні лобових частин суміжних статорів. Визначено розподіл нормальної складової  щільністі магнітного потоку при наявності контакта з технологічним середовищем у вигляді  рутілового продукту  або ільменітового концентрату. Споживана електрична енергія розподілена в зубцевій зоні статора та зоні проникнення електромагнітного поля в ротор. Вихрові струми сконцентровані на  глибині  проникнення  від внутрішньої поверхні ротора, при цьому глибина  проникнення залежить від теплового стану та режиму ковзання. Напруженість електричного поля на зовішній поверхні ротора досягає 0,8 V/m на відповідних до розташування  коронок зубців статора ділянках і залежить від струмової активності фаз  в даний момент. Регулювання температурного та швидкісного режиму ротора дає можливість на його поверхні в місцях контакту з середовищем створювати умови біоенергетичної стимуляції або підтримувати процес низькоамперного електролізу імпульсами невисокої напруги в тонкому шарі. Підтверджена адекватність математичних моделей, які були запропоновані для чисельного моделювання,  експериментальним даним макетного зразка шнекового електромеханічного перетворювача,  відхилення не перевищують 9,5%. Отримані результати дозволяють прогнозувати оптимальні показники електромагнітних та теплообмінних процесів у шнекових електромеханічних перетворювачах, пов'язаних з технологічним середовищем

Ключові слова

магнітна індукція, вихрові струми, температурне поле, електромагнітне поле, термограма, магнітна проникність

ЦИТУВАТИ
Junge, S., Zablodskiy, M., Zaiets, N., Chuenko, R., & Kovalchuk, S. (2023). The screw-type electrothermomechanical converter as a source of multiphysical influence on the technological environment. Machinery & Energetics, 14(3), 34-46. https://doi.org/10.31548/machinery/3.2023.34
Використані джерела

[1] AC/DC module user’s guide, COMSOL Inc. (2018). Retrieved from https://doc.comsol.com/5.4/doc/com.comsol.help.acdc/ACDCModuleUsersGuide.pdf.

[2] Bulgakov, V., Sevostianov, I., Kaletnik, G., Babyn, I., Ivanovs, S., Holovach, I., & Ihnatiev, Y. (2020). Theoretical studies of the vibration process of the dryer for waste of food. Rural Sustainability Research, 44(339), 32-45. doi: 10.2478/plua-2020-0015.

[3] Campuzano, F., Brown, C.R., & Martínez, J.D. (2019). Auger reactors for pyrolysis of biomass and wastes. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 102, 372-409. doi: 10.1016/j.rser.2018.12.014.

[4] Chen, T.Y., Wang, B., Wu, Y.Y., Wen, J.L., Liu, C.F., Yuan, T.Q., & Sun, R.C. (2017). Structural variations of lignin macromolecule from different growth years of Triploid of Populus tomentosa Carr. International Journal of Biological Macromolecules, 101, 747-757. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2017.03.146.

[5] Cistelecan, M.V., Ferreira, F.J., & Popescu, M. (2010). Three phase tooth-concentrated multiple-layer fractional windings with low space harmonic content. In 2010 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (pp. 1399-1405). Atlanta: IEEE. doi: 10.1109/ECCE.2010.5618267.

[6] Feng, C., Li, Z., Wang, Z., Wang, B., & Wang, Z. (2019). Optimizing torque rheometry parameters for assessing the rheological characteristics and extrusion processability of wood plastic composites. Journal of Thermoplastic Composite Materials, 32(1), 123-140. doi: 10.1177/0892705717744828.

[7] Holik, P.J., Dorrell, D.G., & Popescu, M. (2007). Performance improvement of an external-rotor split-phase induction motor for low-cost drive applications using external rotor can. IEEE Transactions on Magnetics, 43(6), 2549-2551. doi: 10.1109/TMAG.2007.893304.

[8] Jagiela, M., & Garbiec, T. (2012). Determination of best rotor length in solid-rotor induction motor with axial slitting. Archives of Electrical Engineering, 61(2), 267-276. doi: 10.2478/v10171-012-0022-2.

[9] Kaplun, V., Makarevych, S., & Chuenko, R. (2022). Modelling of asynchronous motor with split stator windings on the principle of a rotary autotransformer. Przeglad Elektrotechniczny, 98(3). doi: 10.15199/48.2022.03.10.

[10] Laidoudi, A., Duchesne, S., Morganti, F., & Velu, G. (2020). High-power density induction machines with increased windings temperature. Open Physics, 18(1), 642-651. doi: 10.1515/phys-2020-0131.

[11] Mazlan, M.M., Talib, R.A., Mail, N.F., Taip, F.S., Chin. N.L., Sulaiman, R., Shukri, R., & Mohd Nor, M.Z. (2019). Effects of extrusion variables on corn-mango peel extrudates properties, torque and moisture loss. International Journal of Food Properties, 22, 54-70. doi: 10.1080/10942912.2019.1568458.

[12] Mellak, C., Deuringer, J., & Muetze, A. (2022). Impact of aspect ratios of solid rotor, large air gap induction motors on run-up time and energy input. IEEE Transactions on Industry Applications, 58(5), 6045-6056. doi: 10.1109/TIA.2022.3180030.

[13] Mushtruk, M., Gudzenko, M., Palamarchuk, I., Vasyliv, V., Slobodyanyuk, N., Kuts, A., Nychyk, O., Salavor, O., & Bober, A. (2020). Mathematical modeling of the oil extrusion process with pre-grinding of raw materials in a twin-screw extruder. Potravinarstvo Slovak Journal of Food Sciences, 14, 937-944. doi: 10.5219/1436.

[14] Rashchepkin, A.P., Karlov, О.M., & Kryshchuk, R.S. (2017). Structure of magnetic field of the axial arc-stator induction motor with solid bimetallic disc rotor. Proceedings of the Institute of Electrodynamics of the National Academy of Sciences of Ukraine, (47), 28-36.

[15] Singha, P., & Muthukumarappan, K. (2016). Effects of processing conditions on the system parameters during single screw extrusion of blend containing apple pomace. Journal of Food Process Engineering, 40(4), 1-11. doi: 10.1111/jfpe.12513.

[16] Smith, C.W. (2015). Electromagnetic and magnetic vector potential bio-information and water. Homeopathy, 104(4), 301-304. doi: 10.1016/j.homp.2015.08.006.

[17] Sundaram, V.M., & Toliyat, H.A. (2015). A fractional slot concentrated winding (FSCW) configuration for outer rotor squirrel cage induction motors. In 2015 IEEE International Electric Machines & Drives Conference (pp. 20-26). USA: IEEE. doi: 10.1109/IEMDC.2015.7409031.

[18] Virlan, B., Benelghali, S., Simion, A., Livadaru, L., Outbib, R., & Munteanu, A. (2013). Induction motor with outer rotor and ring stator winding for multispeed applications. IEEE Transactions on Energy Conversion, 28(4), 999-1007. doi: 10.1109/tec.2013.2279841.

[19] Wasak, A., Drozd, R., Jankowiak, D., & Rakoczy, R. (2019). Rotating magnetic field as tool for enhancing enzymes properties-laccase case study. Scientific Reports, 9(1), 1-9. doi: 10.1038/s41598-019-39198-y.

[20] Wengerkievicz, C.A., Batistela, N.J., Sadowski, N., Huguet, T., & Lefèvre, Y. (2022). Experimental loss segregation in a solid rotor induction motor. Journal of Microwaves, Optoelectronics and Electromagnetic Applications, 21, 584-597. doi: 10.1590/2179-10742022v21i4268098.

[21] Wolnik, T., & Jarek, T. (2022). Solid rotor core vs. lamination rotor core in fractional-slot pmsm motor with high power density. Energies, 15(15), article number 5729. doi: 10.3390/en15155729.

[22] Zablodskiy, N., Chuenko, R., Gritsyuk, V., Kovalchuk, S., & Romanenko, O. (2021). The numerical analysis of electromechanical characteristics of twin-screw electromechanical hydrolyzer. In 2021 11th International Conference on Advanced Computer Information Technologies (ACIT) (pp. 130-135). Deggendorf: IEEE. doi: 10.1109/ACIT52158.2021.9548392.

[23] Zablodskiy, N., Pliugin, V., & Gritsyuk, V. (2014). Submersible electromechanical transformers for energy efficient technologies of oil extraction. Progressive Technologies of Coal, Coaled Methane, and Ores Mining, 223-227.