Научное общество учащихся «Эврика» Муниципальное бюджетное образовательное учреждение «Школа № 35» Нижегородского района г. Н.Новгорода Разработка индукционного нагревателя на основе постоянных магнитов. Выполнил: Кузнецов Феодор Ученик 10 «б» класса Научный руководитель: Вихорев Н.Н., Доцент каф. «Теоретическая и общая электротехника» Консультант: Стрелкова О.А., Учитель физики Нижний Новгород, 2022 г. Содержание Введение…………………………………………………………………… 3 1 Обзор литературы……………………………………………………….. 4 2 Материалы и методики исследования…………………………………. 7 2.1 Описание принципов работы индукционного нагревателя… 7 2.2 Разработка прототипа устройства и расчёт мощности……… 8 2.3 Подбор компонентов и сборке прототипа прибора………… 9 3 Результаты и их обсуждение……………………………………………. 12 Список литературы………………………………………………………... 14 Приложение А Создание 3d моделей и чертежей………………………. 2 Введение Одним из основных применений того или иного вида энергии – это нагрев чего-либо. Не стала исключением и электроэнергия, с помощью которой мы каждый день что-то разогреваем. Существует множество способов преобразовать электроэнергию в тепло, однако нас интересует один конкретный способ так называемый индукционный нагрев. У этого способа нагрева есть свои плюсы, такие как отсутствие контакта с нагревателем, отсутствие копоти, независимость от среды (может работать в инертной среде), отсутствие необходимости иметь топливо, а также относительная безопасность для человека. Но есть и минусы, такие как сравнительно малый коэффициент полезного действия, малая мобильность (из-за необходимости протягивать провод и иметь электричество), а также не универсальность индукционных нагревателей (ведь ими можно нагревать лишь металлы). С помощью индукции в наше время, например готовят еду, однако хорошим примером необходимости использования именно индукционных нагревателей является поверхностная закалка металлов, особенно химически активных, то есть если нам понадобится закалить или просто нагреть до высоких температур магний, то на воздухе, он загорится, в инертной среде горелки работать не могут, а контактный нагрев либо опять же приведёт к реакции, либо не даст равномерного прогрева заготовки. 3 Глава 1 Обзор литературы Самым распространённым типом индукционных нагревателей является индукционный нагреватель на основе полупроводников, принцип его работы заключается в создании высокочастотного магнитного поля, приводящего к нагреву любого проводника, помещённого в катушку такого прибора, пример такого прибора можно увидеть на рисунке 1.1. Рисунок 1.1 - Пример индукционного нагревателя на основе полупроводников Сложность производства, стоимость изделия, необходимость охлаждать транзисторы и саму катушку, ограниченность размеров нагреваемого тела диаметром катушки, являются неотъемлемыми минусами данной конструкции нагревателя. Из-за описанных проблем транзисторного типа индукционного нагревателя образуется необходимость поиска аналогов и альтернатив такого типа устройства. Для поиска аналогов нужно разобраться с причиной возникновения нагрева, как писалось выше процесс нагрева проводника под воздействием изменяющегося магнитного поля называется индукционным нагревом. В индукционном нагревателе на основе полупроводников источником 4 магнитного поля является электрический ток, который с очень высокой частотой меняет своё направление. Очевидно, что магнитное поле можно получить не только с помощью электричества, но и с помощью постоянных магнитов, остаётся вопрос о механизме изменения магнитного поля. Изучив этот вопрос в интернете, нами был найден прибор, использующий постоянные магниты, как источник магнитного поля, и вращение диска в котором закреплены магниты, как механизм изменения магнитного поля. Прибор, использующий такую схему нагрева, называются магнитным нагревателем. В его основе лежит мотор, диск с посадочными местами под магниты и, собственно, сами магниты. Магниты должны быть вставлены в диск разными полюсами так, как нам необходимо добиться максимального изменения магнитного поля. Таким образом мы получаем тот же эффект, что и от транзисторного аналога, но со значительным упрощением и удешевлением конструкции. Рисунок 1.2 - Пример промышленного магнитного нагревателя 5 У этого типа индукционного нагревателя отсутствуют многие минусы присущие транзисторному «собрату». В отличие от нагревателя на основе полупроводников этот проще дешевле и размер нагреваемого тела не ограничен диаметром катушки, но и столь высоких частот присущих полупроводниковому аналогу достичь почти невозможно. Выводы по первой главе Проведенный обзор литературы показал возможные методы нагрева, были выявлены плюсы и минусы индукционного нагрева, а также преимущества и недостатки схем индукционных нагревателей на основе транзисторов и постоянных магнитов. Так же по итогам главы был найден подходящий тип индукционного нагревателя, основанный на быстром движении комплекта постоянных магнитов рядом с поверхностью нагреваемого материала. 6 Глава 2 Материалы и методики исследования (Организация исследования) 2.1 Описание принципов работы индукционного напргревателя Так называемый магнитный нагреватель основывает свою работу понятии электромагнитной индукции. Электромагни́тная инду́кция — явление возникновения электрического тока, электрического поля или электрической поляризации при изменении магнитного поля во времени или при движении материальной среды в магнитном поле. Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем 29 августа 1831 года. Он обнаружил, что электродвижущая сила (ЭДС), возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Величина электродвижущей силы не зависит от того, что является причиной изменения потока — изменение самого магнитного поля или движение контура (или его части) в магнитном поле. Электрический ток, вызванный этой ЭДС, называется индукционным током. Электромагнитная индукция в однородных проводниках пораждает так называемые Токи Фуко или вихривые токи. Токи Фуко (в честь Фуко, Жан Бернар Леон) — это вихревые замкнутые электрические токи в массивном проводнике, которые возникают при изменении пронизывающего его магнитного потока. Вихревые токи являются индукционными токами и образуются в проводящем теле либо вследствие изменения во времени магнитного поля, в котором находится тело, либо вследствие движения тела в магнитном поле, приводящего к изменению магнитного потока через тело или какую-либо его часть. Величина токов Фуко тем больше, чем быстрее меняется магнитный поток. Эти вихревые токи, как и любой ток вызывают сопротивление, а уже оно в свою очередь преобразовывает часть тепла в нагрев и с этим побочным эффектом токов Фуко обычно борются ведь они уменьшают КПД трансформаторов, а нам в свою очередь надо будет наоборот добиться как можно более сильных токов, как становится понятно из определения токи Фуко 7 прямо пропорционально зависят от магнитного потока и частоты его изменения, если на первое мы можем повлиять заменив одни магниты на другие, то на второе мы можем повлиять как количеством магнитов в диске так и скоростью вращения мотора, который вращает сам диск. 2.2 Разработка собственного прототипа устройства и расчёт мощности Ещё одной задачей исследования являелась создание собственного прототипа магнитного нагревателя, для этого были проведенны расчёты предпологаймой мощьности устройства. Как уже писалось выше сопративление рассеивает часть мощьности прибора привращая его в тепло. Поэтому для расчёта мощности понадобится форула рассевуемой мощьности, она выглядит так: 𝜋 2 𝐵𝑝2 𝑑 2 𝑓 2 𝑃= 6𝑘𝑝𝐷 (1) где P потеря мощности на единицу массы (Вт/кг), Bp максимальное магнитное поле (T), d толщина листа или диаметр проволоки (м), f частота (Гц), k константа, равная 1 для тонкого листа и 2 для тонкой проволоки, ρ удельное сопротивление материала (Ом×м), D плотность материала (кг/м3). Как можно увидеть для расчёта необходимо знать магнитное поле магнита или другими словами его остаточную намагниченность, для исследования били куплены неодимовые магниты цилиндрической длинной 20мм диаметром 10мм марки N35 найдя госты для этой марки магнитов было получено, что остаточная намагниченность таких магнитов от 1.17 Тл до1.22 Тл в формулу мы подставили среднее значение 1.195 Тл, но в формулу мы вставим не 1.195, а 1.195×2 так, как 8 магниты вставлены в диск разноимённо, то мощность магнитного поля будет изменятся от -1.195Тл и до 1.195Тл, как нагреваемый объект был выбран стальной цилиндр диаметром 20мм и длинной 30мм и массой 75грамм, плотность стали 10−7 Ом равна 7700кг/м3 , а его удельное сопротивление равно 2× м , остаётся разобраться с частотой, из-за того, что при проходе одного магнита изменения магнитного поля не происходит получается так, что частота ровна частоте вращения мотора умноженное на количество пар магнитов. Для построения прототипа планировалось использовать заточной станок с частотой вращения 3000 оборотов в минуту. Переведя все значения величин в систему СИ и подставив их в формулу и получаем: 𝜋 2 × 1.1952 × 0.022 × (50 × 5)2 𝑃= 6 × 2 × 10−7 × 7700 (2) Провидя расчёты получим теоретическую мощность нашего прототипа нагревателя, а конкретно 38.1Кв мощности, значение получается настолько большим из за того, что расчёт мощности идёт на 1 кг нагреваемого объекта, так же ещё раз хочется подчеркнуть. 2.3 Подбор компонентов и сборке прототипа прибора От расчётов перейдём к практике, как уже было ранее показано нами были разработаны чертежи и 3d модели будущего прототипа магнитного нагревателя, оставалось на их основе изготовить диск и подобрать подходящие магниты. Главный вопрос по поводу изготовления диска был о материале из которого он будет сделан и методе изготовления, для изготовления подобного диска главным критерием является димагнетичность материала из которого изготавливается диск и достаточная прочность, для того, чтобы его не «разорвало» на больших оборотах, а так же небольшая сложность и стоимость изготовления, к рассмотрению были представлены пластик и 3D принтер, фанерный диск изготовленный на токарном станке и алюминиевый диск изготовленный на 9 фрезерном станке. Проведя анализ всех представленных вариантов, были отброшены диски из алюминия и из пластика так, как на изготовление первого требуется слишком много ресурсов, второй же в свою очередь был отброшен изза своей низкой прочности. Диск же, изготовленный из фанеры, полностью удовлетворил поставленные перед ним требованиям. Для окончательной версии прибора был изготовлен диск с 10 посадочными местами под магниты, которые удовлетворяли размерным характеристикам магнитов, а также центральным посадочным отверстием по диаметру совпадающее с валом двигателя. Для будущего прототипа были куплены магниты марки N35 c диаметром 20мм и толщиной 5мм, но примерно оценив их мощность было принято решение заменить их на другие более мощные, так были куплены другие магниты марки N35 с диаметром 10мм и длинной 20мм. Ещё одной необходимой для окончательной сборки прибора вещью является мотор. Как мотор был взят заточной станок, с частотой вращения 3000 оборотов в минуту. 10 Рисунок 2.1 - Фото созданного прототипа После сборки всех составных частей были проведены тесты. За две минуты стальной цилиндр диаметром 20мм, длинной 30мм и массой 75грамм нагрелся на 21 градус цельсия, не очень большое значение роста температуры, обуславливается тем, что у прибора небольшая частота вращения диска. С целью улучшения прибора в первую очередь можно увеличить частоту вращения диска, ведь её изменить в приборе легче всего, а со временем можно поменять и магниты на более мощные. На данном этапе работы можно подвести предварительные выводы создания прототипа, у нас удалось создать рабочий прибор пригодный для демонстрации понятия индукции, но недостаточный для практического использования в промышленности. 11 Выводы по Главе 2 Во второй главе были выполнены все задачи, связанные с созданием прототипа объекта исследования, то есть: были получены теоретические расчёты, а также был выполнен подбор и сборка прибора. Ещё было выполнено тестирование собранного прибора и был проведён анализ полученных данных, а также были представлены пути и способы усовершенствования прибора, для повышения качественных свойств устройства. Подытожив всё вышесказанное можно сказать, что во второй главе была выполнена ключевая цель исследования – «составить представление о работе магнитного нагревателя и систематизировать полученные знания». 12 Глава 3 Результаты и их обсуждение Результатом или продуктом работы можно назвать экспериментальный образец устройства и полное описание его создания в виде этого исследования. В рамках 1 и 2 глав были решены все поставленные задачи, а конкретно в 1 главе были найдены аналоги магнитного нагревателя, был проведён анализ принципов их работы, были выявлены недостатки и достоинства тех или иных решений, были выдвинуты обстоятельства и условия при которых эксплуатация аналогов менее эффективна или же в принципе не возможна, а так же были обоснованы эти ограничения в сфере применения аналогов. Как основной пример ситуации в которой существует необходимость применения магнитного нагревателя была выдвинута поверхностная закалка металлов, в частности химически активных. Так же одними из задач поставленными перед проектом были задачи по разработке технической документации, то есть в нашем случае 3d модель и чертежи, подбор комплектующих для прибора, то есть подходящие по характеристикам и размерам магниты, изготовление диска с посадочными местами под магниты и подбор материала изготовления диска. Ещё было необходимо было собрать сам прибор, а также было необходимо провести анализ теоретической части вопроса создания нашего прототипа, то есть провести анализ научных и учебных работ, подобрать формулу и вычислить интересующее нас значения в нашем случае мощность нагревателя, после чего нужно провести анализ полученных данных. Процесс решения всех вышеописанных задач связанных с проектировкой, сборкой, а так же с теоретическим обоснованием работы и расчётами был подробно описан во второй главе, все эти задачи были успешно выполнены. Помимо задач проекта, так же была достигнута и цель исследования, которой можно считать всю эту работу. Так же из исследования можно вынести тот факт, что схема создания магнитного нагревателя рассматриваемая в этой работе с набольшими конструктивными усовершенствованиями, а конкретно для промышленного использования необходимо значительное увеличение частоты, за счёт 13 увеличения частоты вращения или же за счёт увеличения количества магнитов и увеличение мощности самих магнитов, вполне жизнеспособна и может быть использована для целого ряда прикладных задач. А прототип собранный для этого проекта без вышеописанных улучшений возможно использовать как стенд для демонстрации принципа работы такого понятия, как вихревые токи или же как прототип, для усовершенствуйся и экспериментов над предложенной конструкцией прибор, этому способствует, предусмотренная на этапе разработки лёгкость сборки и возможность заменять использующееся в данный момент в приборе комплектующие на любые другие. В дальнейшем прибор будет выполнять именно функцию демонстрационного стенда для учеников 11 классов, для более наглядной демонстрации и как следствие лучшего понимания такого прибора, как магнитный нагреватель и таких понятий, как индукция и токи Фуко в частности. Подытожив всё вышенаписанное, можно сказать, что в ходе выполнения проекта были выполнены все задачи, а так же достигнута цель исследования. 14 Список литературы 1)Мякишев Г. Я. 199 Физика. 11 класс : учеб. для общеобразоват. учреж дений : базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, В. М. Чарутин; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. свещение, 2010. 19-е изд. М. : Про 399 с., [4] л. ил. (Классический курс). ISBN 978-5-09-022777-3. 2) Мякишев Г. Я. M99 Физика. 10 класс : учеб. для общеобразоват. учреж Дений: базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский; под ред. В. И. Николае ва, Н. А. Парфентьевой. 19-е изд. - М. : Просве щение, 2010. 366 с. : ил. ISBN 978-5-09-022776-6. (Классический курс). 3) Сивухин Д. В.: Общий курс физики, том 3. Электричество. 1977 4) Савельев И. В.: Курс общей физики, том 2. Электричество. 1970 5) Нейман Л. Р., Калантаров П. Л., Теоретические основы электротехники, 5 изд., М., 1959 6) Общий курс физики. Т.3 Электричество.- М.: «Физматлит», 2015 - 656 стр. http://ens. tpu. ru/POSOBIE_FIS_KUSN/электромагнетизм/03-5.htm (электронный ресурс) Метод последовательных приближений для расчета вихревых токов в протяженных проводниках, движущихся вблизи частично насыщенных ферро - магнетиков. Электротехника: сетевой электронный научный журнал. – 2015. – Т.2, №3. – С. 34-40 1)Петр Сотников, Вихревые токи (токи фуко) УДК 53.537.8. Ссылка на ресурс: https://pandiaonline.ru/text/82/292/27665.php 2) Дмитрий Макаров, Вихревые токи https://www.asutpp.ru/vixrevyetoki.html Справочники: 1)Неразрушающий контроль: справочник: В 7т. Под общ. ред. В. В. Клюева. Т. 2: В 2 кн.-М.:Машиностроение, 2003.-688 с.: ил. 15 Приложение A Разработка 3d моделей и чертежей Одной из задач исследования была разработка чертежей магнитного нагревателя в программе «Sharp3d». Примеры чертежей приведены на рисунке 1.3. Рисунок 1 Примеры 2 чертежей На ряду с разработкой чертежей бала поставлена задача разработки 3d модели, задача была выполнена в программе «Blender». Расунок 2 Разработанная для проекта 3d модель 16
