Способ электродинамической сепарации и устройство для его осуществления
поле электромагнитный сепарация электродинамическая
Реферат:

Изобретение относится к области сортировки материалов на электропроводящие и неэлектропроводящие. Способ и устройство электродинамической сепарации включает подачу исходного материала в рабочую зону и воздействует на него при селекции бегущими электромагнитными полями одного или нескольких индукторов с переменным числом пар полюсов или полюсным делением Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне) Индукторы с разным относительно друг друга направлением движения электромагнитных полей располагают в рабочей зоне на расстоянии друг от друга в направлении движения конвейерной ленты не менее чем на величину ε, где ε – величина половины амплитуды внешнего поля индуктора. В режиме селекции переключение обмоток индукторов осуществляют таким образом, что полюсное деление изменяют от максимального до минимального или наоборот, c интервалом времени переключения t = 1-4 с. При сигнале датчиков металла, соответствующем определенной стабилизации размеров частиц, полюсное деление устанавливают постоянной величины, соответствующей наиболее эффективной селекции частиц этого размера. Линейные индукторы расположены в шахматном порядке со сдвигом навстречу относительно друг к другу с перекрытием Δ, где Δ – удвоенный размер вылета лобовых частей индукторов. Технический результат: повышение эффективности селекции электропроводящих частиц путем электродинамической сепарации. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.


Изобретение относится к области сортировки материалов на электропроводящие и неэлектропроводящие.

Известен электродинамический сепаратор, создающий встречно бегущие магнитные поля [Применение линейных индукторов со встречно бегущими магнитными полями в электродинамических сепараторах / А. Ю. Коняев, Ж. О. Абдуллаев, Д. Н. Багин, М. Е. Зязев // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. - 2019. - № 32. - С. 22-37.], содержащий двухсторонний линейный индуктор, одна секция которого располагается под конвейером, другая - над ним, разбегающиеся магнитные поля, движущиеся от центра трехфазного четырехполюсного линейного индуктора обеспечивают выход металла из потока отходов по обе стороны от конвейера.

Известен способ электродинамической сепарации и устройство реализующее способ электродинамической сепарации [Авторское свидетельство СССР № 934600, МПК: В03С 1/24, В03С 1/253. Дата опубл. 07.12.1985], заключающийся в том, что исходный материал, содержащий электропроводящие и неэлектропроводящие частицы, поступают в зону, где при помощи бегущих магнитных полей индукторов, по типу линейных двигателей, электропроводящие частицы сбрасываются в приемные бункеры. Устройство содержит транспортирующий орган с конвейерной лентой, приемные бункеры для электропроводящих частиц металлов, линейные электродвигатели, создающие магнитные поля, бегущие в противоположных направлениях.

Недостатком аналогов является невысокая эффективность из-за того, что бегущее электромагнитное поле практически не оказывает силового воздействия на электропроводящие частицы, размеры которых, меньше полюсного деления индукторов, создающих рабочее бегущее поле. Это подтверждается публикациями [Коняев А.Ю. и др. Особенности электродинамической сепарации мелкой фракции твердых бытовых отходов // Экология и промышленность России. - 2017. - Т. 21. - № 6. - С. 4-9.; Коняев А. Ю. Сепараторы для извлечения цветных металлов из ТКО // Твердые бытовые отходы. - 2017. - № 3(129). - С. 36-39], в которых показано, что эффективность силового воздействия электромагнитного поля индуктора снижается и прекращается при уменьшении размера токопроводящих частиц.

К недостатку, снижающему эффективность селекции, относится также следующее: при пространственном совмещении индукторов с разнонаправленными бегущими полями в рабочей зоне происходит гашение одного поля другим и на конвейерной ленте в этом месте образуется пространство, в котором бегущее поле отсутствует, и исходный материал проходит без обработки. Аналогично, при удаленном расположении одного индуктора от другого гашение не происходит, т.к. на конвейерной ленте в промежутке между ними также оказывается пространство, в котором бегущее поле отсутствует.

Наиболее близким к заявляемым способу и устройству является способ электродинамической сепарации и устройство для его осуществления [Авторское свидетельство СССР № 1519776, МПК: B03C 1/253, B03C 1/023, B03C 1/22, B03C 1/24. Дата опубл. 07.11.1989], заключающийся в подаче исходного материала в рабочую зону и воздействие на него бегущим магнитным полем по командам датчика металлоискателя непрерывно и импульсивно.

Также описано устройство для его осуществления, содержащее питатель в виде конвейерной ленты, по которой перемещается исходный материал, первый линейный индуктор, постоянно подключенный к сети, второй линейный индуктор повышенной мощности, работающий в импульсном режиме, металлоискатель, чувствительным элементом которого служит обмотка второго линейного индуктора, анализирующий блок и коммутационное устройство.

Недостатком этого способа и устройства является невысокая производительность сепарации из-за отсутствия силового воздействия бегущего поля на частицы, размеры которых меньше размеров полюсного деления индуктора и наличия в рабочей зоне пространств, где бегущее поле гасится встречно бегущей волной, и в которых исходный материал находится вне действия бегущих полей и не сортируется. Кроме того, в данном устройстве для расширения класса крупности извлекаемых электропроводящих частиц применяется импульсное усиление мощности индукторов (в несколько раз). Это увеличивает расход энергии, но эффект возрастает не пропорционально, т.к. на эффективность селекции и расширение «классов крупности» радикально влияет только «подбор» полюсного деления индуктора.

Предлагаемый способ электродинамической сепарации включает подачу исходного материала в рабочую зону и воздействие на него бегущими магнитными полями с переменной конфигурацией с изменяющимся полюсным делением индукторов.

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение производительности сепарации.

Технический результат - повышение эффективности селекции электропроводящих частиц путем электродинамической сепарации.

Поставленная задача решается, и технический результат достигается использованием способа электродинамической сепарации, включающего подачу исходного материала в рабочую зону и воздействие на него бегущими электромагнитными полями одного или нескольких индукторов, в отличие от прототипа, при селекции бегущие электромагнитные поля создают индукторами, имеющими переменное число пар полюсов или полюсное деление Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне).

Кроме того, индукторы с разным относительно друг друга направлением движения электромагнитных полей могут располагать в рабочей зоне на расстоянии друг от друга в направлении движения конвейерной ленты не менее, чем на величину Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне), где Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне) - величина половины амплитуды внешнего поля индуктора.

Кроме того, в режиме селекции могут переключать обмотки индукторов таким образом, что τi изменяют дискретно от максимального до минимального или наоборот, c интервалом времени переключения t=1-4 с, определяемым максимальным значением инерции частиц с размером близким к τi.

Кроме того, при сигнале датчиков металла соответствующем определенной стабилизации размеров частиц, τi могут устанавливать постоянной величиной, соответствующей наиболее эффективной селекции частиц этого размера.

Поставленная задача решается, и технический результат достигается также устройством, содержащим питатель в виде конвейерной ленты, с возможностью перемещения по ней, первый линейный индуктор, постоянно подключенный к сети, второй линейный индуктор повышенной мощности, обеспечивающий импульсный режим, металлоискатель, чувствительным элементом которого служит обмотка второго линейного индуктора, анализирующий блок и коммутационное устройство, в отличие от прототипа, первый и второй линейные индукторы расположены в шахматном порядке со сдвигом навстречу относительно друг к другу с перекрытием на ширину Δ в направлении перпендикулярном движению ленты, где Δ - удвоенный размер вылета лобовых частей индукторов.

Сущность изобретения поясняются чертежами.

На фиг. 1а - изображен общий вид устройства, реализующего способ, на фиг. 1б - схема управления, на фиг. 2 - представлено воздействие бегущих электромагнитных полей, при размере частицы больше полюсного деления, на фиг. 3 - представлено воздействие бегущих электромагнитных полей, при размере частицы меньше полюсного деления.

Устройство, реализующее способ электродинамической сепарации содержит: питатель в виде конвейерной ленты 1 (фиг. 1а), которая перемещает исходный материал, подлежащий сепарации, два индуктора: левосторонний по ходу движения конвейерной ленты линейный индуктор 2 (ИЛ) и правосторонний линейный индуктор 3 (ИП), создающие бегущие в противоположных друг к другу направлениях электромагнитные поля, каждое в направлении ближайшего края конвейерной ленты, с рабочими обмотками 4 и 5, постоянно подключенными к двухканальному блоку питания 6 с коммутирующими устройствами 7, 8, и датчики металла 9, 10, чувствительными элементами которых являются измерительные обмотки 11 и 12, уложенные в пазы ИЛ 3, ИП 2 и подключенные к двухканальному анализирующему блоку 13, преобразующему сигналы датчиков в команды (фиг. 1б).

Устройство для электродинамической сепарации работает следующим образом.

Исходный материал, подлежащий сепарации, подается по конвейерной ленте 1 в рабочую зону. Включенные на постоянную работу индукторы 2 и 3 могут работать в двух режимах: режим цикличного изменения пар полюсов или режим с постоянным числом пар полюсов. Индукторы 2 и 3 с периодически изменяющимися τi, где τi - полюсное деление, i - индекс, указывающий на число пар полюсов, непрерывно воздействуют на электропроводящие частицы бегущими магнитными полями. Находящиеся в зоне действия частицы меньшего размера получают мощный импульс силы при меньшем τi (большем числе пар полюсов), частицы крупнее - при большем τi (меньшем числе пар полюсов), тем самым, эффективность индукторов увеличивается. При этом силовое воздействие магнитных полей имеет место только при превышении размеров частицы больше τi.

Индукторы, создающие рабочие поля, бегущие в разных направлениях, устанавливаются в рабочей зоне в положениях, исключающих взаимное гашение бегущих полей.

Индукторы управляются автономно, каждый своим каналом. Управление дифференцировано следующим образом: 1) при появлении электропроводящих частиц в рабочей зоне ИП 2 и ИЛ 3 по сигналу датчиков коммутирующие устройства 7, 8 запускают индукторы в рабочие режимы: первый режим заключается в сканировании рабочей зоны переменнополюсными бегущими полями с последовательно изменяющимися числами пар полюсов; второй режим включается при поступлении информации от датчиков о постоянстве размеров электропроводящих частиц; сканирование чисел пар полюсов прекращается и фиксируется на оптимальном полюсном делении, пока датчик не покажет изменения размеров частиц, при получении такого сигнала соответствующий (или оба) индуктор возвращается коммутирующими устройствами 7, 8 блока 6 в режим изменения числа пар полюсов (или τi).

ИП 2 и ИЛ 3 располагаются на расстоянии друг от друга, исключающем взаимное гашение поля и образование областей, свободных от бегущих полей. Для этого индукторы ИП 2 и ИЛ 3 должны устанавливаться со сдвигом ε навстречу относительно друг к другу, равной удвоенной величине амплитуды внешнего поля [Пашали Д.Ю. Исследование внешнего магнитного поля электротехнических комплексов // Датчики и системы - № 6-2013. С. 56-59] или с перекрытием ширины в направлении, перпендикулярном движению конвейерной ленты. При установке с перекрытием индукторы располагаются на расстоянии друг от друга на величину Δ. Это расстояние, как правило, задает удвоенный размер вылета лобовых частей индукторов [Гольдберг О.Д. Проектирование электрических машин: учебник / О.Д. Гольдберг, И.С. Свириденко; Под ред. О.Д. Гольдберга. 3-е изд., перераб. - М.: Высш.шк., 2006. - с.134]. При этом, это расстояние должно быть менее величины выпучивания магнитного поля при действующей частоте питающего напряжения и среднем значении магнитной проницаемости обрабатываемого материала, в направлении движения конвейерной ленты.

Воздействие бегущих магнитных полей на электропроводящие частицы и обоснование достижения технического результата от заявляемого способа и устройства поясняются на фиг. 2 и фиг. 3. Бегущее магнитное поле представлено в виде мгновенно «застывших волн», переменнополюсной картины силового электромагнитного поля в рабочей зоне, а проводящие частицы в виде проводящих тел, размеры которых в направлении, перпендикулярном движению ленты, превышают τi. Если размер частицы Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне) больше полюсного деления Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне) (фиг. 2), то сумма сил, создаваемых поперечными к направлению движения конвейерной ленты составляющими тока I, будут определять силу F:

Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне)

Под действием силы Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне)частица движется в сторону края конвейерной ленты. Направление силы, действующей на частицу, определяется правилом левой руки, а направление наведенного тока в ней правилом правой руки. Ввиду весьма малой скорости движения конвейерной ленты при данных рассуждениях она не учитывается.

Картина полей и токов при размере частицы, меньше полюсного деленияУвеличенное изображение (открывается в отдельном окне), поясняется на фиг. 3. На поперечные составляющие контуров тока, образованных переменным магнитным полем, в пределах, ограниченных размерами частиц Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне), действуют силы, которые направлены противоположно, и поэтому компенсируют друг друга,

Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне)

Так как Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне), результирующая сила F равна нулю, и частица не движется. То же самое следует из [И.Е.Иродов. Основные законы электромагнетизма. Учеб. пособие для студентов вузов. - 2-е, стереотип. - М.: Высш. шк., 1991, с. 148] результирующая сила, которая действует на контур с током в магнитном поле, определяется в соответствии с уравнением:

Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне),

где Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне) - вектор, совпадающий по направлению с током, B - вектор, характеризующий силовое действие магнитного поля на движущийся заряд, как

Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне)

(фиг. 2 и фиг. 3), где интегрирование проводится по данному контуру с током I. Если поле в пределах размеров частицы образуется двумя разноименными полюсами (фиг. 2), то поле неоднородно. Если в пределах размеров частицы находится только один полюс, то магнитное поле можно считать однородным, тогда вектор B можно вынести из под интеграла (3), и задача сводится к вычислению векторного интеграла:

Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне)

Этот интеграл представляет собой сумму замкнутых в цепочку элементарных векторов Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне) (продольные и поперечные составляющие тока I (фиг. 3), поэтому он равен нулю. Значит, и F = 0, т.е. результирующая сила Ампера равна нулю.

Таким образом, воздействие на исходный материал бегущим электромагнитным полем с разным числом пар полюсов приводит в движение электропроводящие частицы широкого спектра размеров и существенно повышает эффективность их сепарации.

На фиг. 1б на измерительную обмотку 11 действуют вторичные поля токов, наведенных в проводящих частицах, и реакция на параметры измерительных обмоток преобразуется анализирующим блоком 13, синтезирующим соответствующие команды на силовые элементы системы управления индукторами.

Производится включение питания индукторов посредством коммутирующих устройств 7 или 8 блока 6 или отключения их при отсутствии электропроводящих частиц. Каждый канал коммутирующего устройства 7 или 8 блока 6 предназначен для включения «своего» индуктора в заданный режим работы. Блок питания 6 обеспечивает независимые режимы включения обмоток индукторов 2 и 3 в режим сканирования числа пар полюсов p = var или режим постоянного числа пар полюсов p = const. Число пар полюсов при этом изменяется последовательно от меньшего к большему или наоборот. Интервалы времени переключения t = 1-4 с того или иного числа пар полюсов устанавливаются в программу управления блока 6, исходя из инерции частиц с размерами близкими к τi, т.е. геометрическому размеру частицы в направлении перпендикулярном движению поля к размеру полюсного деления оптимальному для отбора этой частицы. Согласно второму закону Ньютона:

Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне)

где Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне) - сила, действующая на частицу; Δt - время действующей силы; m - масса частицы; Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне) - скорость движения частицы. Для приведения частицы в движение от Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне) до Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне) время действия силы будет определяться, как:

Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне)

т.е. время воздействия на материал полем конкретного числа пар полюсов пропорционально импульсу тела Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне) и обратно пропорционально силе действия поля на частицу. При малом числе пар полюсов наиболее эффективно перемещаются (отбираются) крупные частицы, размеры которых превышают размер полюсного деления. С увеличением числа пар полюсов происходит эффективное силовое воздействие на проводящие частицы меньшего размера. Благодаря изменению числа пар полюсов и таким образом эффективному воздействию на электропроводящие частицы исходного материала в широком диапазоне их размеров повышается производительность процесса селекции.

Сигналы с датчиков металла 9, 10 анализируются блоком 13, и на управляющее устройство выдается команда на включение элементов обмотки с тем или иным полюсным делением, согласно выражению Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне) [Электрические машины. Асинхронные машины: Конспект лекций для студентов направления подготовки: “Электротехника и электротехнологии”. Донецк: ДонНТУ, 2011., с.189], где τi - полюсное деление, Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне) - скорость бегущего поля в линейном двигателе, Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне) - частота тока в обмотке индуктора. По сигналу датчика металла изменяется величина τi в соответствии с размером частиц.

Пример конкретной реализации способа.

Полюсное деление может изменяться в четырех пределах, τi =0,01 [м] за t=1-2 [c]; τi = 0,02 [м] за t=1-2 [c]; τi = 0,03[м] за t=3-4c; τi = 0,04 [м] за t=3-4 [c].

При Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне) =1 м/с, Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне)=50 Гц:

Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне)

Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне)

Минимальный размер частицы 0,01 м, а максимальный размер частицы 0,04-0,05 м. Таким образом, осуществляется селекция по размеру частиц.

Итак, заявляемое изобретение позволяет расширить функциональные возможности индукторов, улучшить селекцию электропроводящих частиц.

Формула изобретения

1. Способ электродинамической сепарации, включающий подачу исходного материала в рабочую зону и воздействие на него бегущими электромагнитными полями одного или нескольких индукторов, отличающийся тем, что при селекции бегущие электромагнитные поля создают индукторами, имеющими переменное число пар полюсов или полюсное деление

Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне), м,

где Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне) – полюсное деление, м;

Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне) – скорость бегущего поля в линейном двигателе, м/с;

Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне) – частота тока в обмотке индуктора, Гц.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что индукторы с разным относительно друг друга направлением движения электромагнитных полей располагают в рабочей зоне на расстоянии друг от друга в направлении движения конвейерной ленты не менее чем на величину ε, где ε – величина половины амплитуды внешнего поля индуктора.

3. Способ по любому из пп. 1, 2 отличающийся тем, что в режиме селекции переключают обмотки индукторов таким образом, что Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне) изменяют дискретно от максимального до минимального или наоборот, c интервалом времени переключения t = 1-4 с, определяемым максимальным значением инерции частиц с размером, близким к Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне).

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что при сигнале датчиков металла, соответствующем определенной стабилизации размеров частиц, Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне) устанавливают постоянной величины, соответствующей наиболее эффективной селекции частиц этого размера.

5. Устройство для электродинамической сепарации, содержащее питатель в виде конвейерной ленты с возможностью перемещения по ней, первый линейный индуктор, постоянно подключенный к сети, второй линейный индуктор повышенной мощности, обеспечивающий импульсный режим, металлоискатель, чувствительным элементом которого служит обмотка второго линейного индуктора, анализирующий блок и коммутационное устройство, отличающееся тем, что первый и второй линейные индукторы расположены в шахматном порядке со сдвигом навстречу относительно друг к другу с перекрытием на ширину Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне) в направлении, перпендикулярном движению ленты, где Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне) – удвоенный размер вылета лобовых частей индукторов.
Изобретение относится к области сортировки материалов на электропроводящие и неэлектропроводящие.
Флюр
Исмагилов
Рашитович
Заведующий кафедрой электромеханики, профессор
Доктор технических наук
Профессор
56462457100
56462457100
332890
0000-0002-2525-9815
РОССИЯ
Светлана
Мустафина
Анатольевна
Проректор по научной работе
РОССИЯ
45.09.01
Общие вопросы
02.02.IQ
ENGINEERING, ELECTRICAL & ELECTRONIC
Флюр
Исмагилов
Рашитович
РОССИЯ
Айдар
Шайхлисламов
Ильдарович
РОССИЯ
Юрий
Афанасьев
Викторович
РОССИЯ
Диана
Пашали
Юрьевна
РОССИЯ
Анна
Пашали
Максимовна
РОССИЯ
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
1187746579690
Петр
Мордовской
Григорьевич
Организация
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральные государственные казенные учреждения
ФГБОУ ВО "УФИМСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ НАУКИ И ТЕХНОЛОГИЙ"; УФИМСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ; УФИМСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ НАУКИ И ТЕХНОЛОГИЙ; УУНИТ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "УФИМСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ НАУКИ И ТЕХНОЛОГИЙ"
1220200037474
ВАДИМ
ЗАХАРОВ
ПЕТРОВИЧ
Организация
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральные государственные бюджетные учреждения