CN101953058B - 磁感应泵 - Google Patents

Abstract

一种用于泵送熔融金属的磁感应泵。该泵包括马达以及可操作地连接至马达的轴。该泵还包括至少一个可操作地连接至轴的双极永磁体以及用于熔融金属通过的管道。马达使轴和磁体绕着管道旋转从而在管道中的熔融金属中感应出涡电流，涡电流与运动磁场作用以产生将熔融金属泵送通过管道的力，熔融金属仅与管道的内表面相接触。

Description

磁感应泵

技术领域

本发明总体上涉及一种用于熔融金属的泵并且更具体地涉及一种具有磁感应转子、用于在无需与熔融金属直接接触的情况下泵送熔融金属的磁感应泵。

背景技术

通常，熔融金属由电磁泵泵送入铸造机等。这些泵中的很多泵利用将电能转换为机械能的法拉第-洛伦兹原理。采用强力钕铁硼磁铁的电磁泵的例子在美国专利N0.6,732,890中描述，该专利整体地通过引用结合于此。如将理解到的，这种泵通常在泵送、制动和对熔融金属进行计量方面相当有效。

已知的电磁泵通常依赖于通过电极与熔融金属相接触的直流电流。为了输送电流，电极直接接触熔融金属。就这一点而言，电极通常延伸入熔融金属穿过的泵管道。在一种已知的泵中，电极安装于机加工在熔融金属管道的相对两侧部中的细长孔隙内。电极包括通道以容纳冷却装置，该冷却装置包括液体冷却剂流过其中的管路。尽管有效，但是期望采用其中电极或泵的任何其它部分与熔融金属之间没有接触的泵。还期望让熔融金属仅与泵的管道相接触。

考虑到以上情况，总体目标是提供一种用于泵送熔融金属的泵。尤其，本发明提供了一种具有磁感应转子、用于在无需泵的部件与熔融金属直接机械或电气接触的情况下泵送熔融金属的磁感应泵。

发明内容

本发明的目标是提供一种磁感应泵。

本发明的另一目标是提供一种用于泵送熔融金属的磁感应泵。

本发明的再一目标是提供一种其中电极或其它泵部件不与熔融金属直接机械或电气接触的用于泵送熔融金属的磁感应泵。

本发明的目标是提供一种其中熔融金属仅接触包含熔融金属的管道的用于泵送熔融金属的磁感应泵。

本发明的又一目标是提供一种采用磁感应转子的用于泵送熔融金属的磁感应泵。

本发明的另一目标是提供一种采用包括钕铁硼磁铁的磁感应转子的用于泵送、制动和计量熔融金属的磁感应泵。

本发明的再一目标是提供一种其中熔融金属的流量与磁感应转子的转速成比例的用于泵送熔融金属的磁感应泵。

本发明的目标是提供一种可紧固至包含熔融金属的固定容器以从容器传输熔融金属的磁感应泵。

本发明的另一目标是提供一种用于将熔融金属从容器泵送入金属连铸机中的磁感应泵。

本发明的再一目标是提供一种用于将熔融金属从一固定容器泵送至另一容器的磁感应泵。

本发明的另一目标是提供一种其中熔融金属流动的方向可通过倒转磁感应转子的旋转方向而反向的用于泵送熔融金属的磁感应泵。

本发明的实施例是一种用于泵送熔融金属的磁感应泵。该泵包括马达和可操作地连接至马达的轴。该泵还包括至少一个可操作地连接至轴的双极永磁体以及用于让熔融金属通过的管道。马达使轴和磁体绕着管道旋转，在管道中的熔融金属中感应出电流，这些电流与运动磁场相互作用从而产生力以将金属泵送穿过管道，并且金属仅与管道内部相接触。

本发明的这些和其它目标及其优选实施例通过整体地考虑说明书、权利要求和附图将变得清楚。

附图说明

图1是装备有根据本发明实施例的磁感应泵的带式金属连铸机的简化正视图。

图2是图1所示磁感应泵可操作地附接至熔融炉时的透视图。

图3是图2所示磁感应泵和熔融炉的透视截面图。

图4是图2所示磁感应泵和熔融炉的正面截面图。

图5是图2所示磁感应泵的透视图。

图6是图5所示磁感应泵的端部截面图。

图7是本发明的磁感应泵的可选实施例的简化截面图。

具体实施方式

图1示出了用于已知带型连铸机20的本发明的磁感应泵10的优选实施例。这种连铸机20利用一个或更多个柔性铸带22、24作为移动模腔C的壁。铸带是薄的、柔性的、导热的，并且一般由水进行冷却。在采用两根带的连铸机中，上部铸带22沿着上部托架U绕转，并且下部铸带24绕着下部托架L绕转。这两个带沿着如箭头34所示的椭圆形路径一致地绕转，同时熔融金属在它们之间在形成于这两个绕转铸带之间的移动模腔C中凝固从而形成脱出的铸造产品P。另外，一对侧向间隔的边缘挡板36由自由转动的辊38转动和导向。这些边缘挡板36在侧向上限定移动模腔C的一对间隔开的侧面。

将要泵送入连铸机的熔融金属M存储于熔融或保温炉40中。熔融金属M从炉40流入本发明的磁感应泵10。内部绝缘的管52将金属M朝着连铸机20向上输送。在图1中，金属M被向上泵送入中间包54或分配器，用于将流动金属分配入金属连铸机的上游入口端。

如将易于理解到的，本发明的磁感应泵可用于除连铸机之外的其它应用。例如，这种泵可用来简单地将熔融金属从一个容器移动至另一容器，比如从固定保温炉到移动容器。除了液体熔融金属之外，还可以使用本发明的泵移动粉末，只要粉末导电并且不会在存在磁场时成团。

现在转向图2-5，磁感应泵10通常安装至炉40或类似容器的侧表面。泵10具有基部60，其用常规紧固件比如机械螺栓(未示出)可拆卸地紧固至炉40。泵10理想地紧固至炉40靠近通道70的一部分，熔融金属能通过通道70离开炉40。如图3所示，通道70优选地包括一段肘形管路80，其终止于凸缘部分82。凸缘部分82或者延伸入或者接收泵10的入口90的相应配合部分以使得熔融金属可进入泵10(图5)。如将是明显的，肘形管路80和泵入口90之间的安装应当使得能够获得可靠且无泄漏的密封。

通常，通道70定位于炉40靠近炉底的侧部上。这样，磁感应泵10能紧固至炉40的下部以使得泵10相对于熔融金属面处于较低高度。这避免了需要对泵10进行预先填装。

参照图3，泵10还包括出口100。出口100具有配合部分，其与内部绝缘的管54接合。内部绝缘的管54将熔融金属输送至连铸机中间包或分配器，或在其它应用中输送至分离的容器。管54必须与出口100配合以形成可靠的密封。如图所示，管54可终止于与管54的中心纵向部分垂直的弯曲肘形部分。

现在转向图5，磁感应泵10包括数个可拆卸地安装至基部60的部件。这些部件包括马达110，其使主轴或轴120旋转。马达110优选地是本领域公知的电动马达类型。如将理解到的，各种马达类型可用于这个泵，只要它们具有足够的动力并且能达到足以在期望的压头下有效地泵送熔融金属的转速(RPM)。其它优选的马达类型包括气动和液压驱动的马达。

马达驱动延伸穿过转子130的轴120。轴120能使转子130的内部部件绕着轴线a旋转。如图所示，轴120通过一系列夹具140紧固至基部60。如将理解到的，夹具用常规紧固件固定。

泵10还包括熔融金属流过其中的管道150。管道150为大致弓形并且具有熔融金属穿过其中的空心内腔。管道150的一端终止于入口90并且另一端终止于出口100(图6)。如图6所示，入口90和出口100通过螺纹配合部分160可拆卸地紧固至管道150。管道150由非磁性材料构造并且由具有大致凹形内部的铁磁性轭(优选地为硅钢层压体)170罩住。轭170的内部成形为使得其紧密地接收弓形管道150。

继续参照图6，弓形管道150成形为使得其紧密地安装于圆筒形转子130周围。如图所示，管道150、转子130和轭170的表面是大致同心的。转子130具有容纳轴120的内部，一系列永磁体180从轴120以辐条状配置向外延伸。转子130内的轴120优选地由铁磁性材料例如铁制造。

铁磁性轭170优选地由薄的变压器钢层压体或其它适合的铁磁性材料制造。轭170用来将由永磁体形成的磁通聚集于管道150中从而增大本发明的泵10的功效。虽然轭170对于本发明的磁感应泵起作用而言不是必要的，但是已经发现其将磁场的强度增大20-30％。

优选地，永磁体180是强力的钕铁硼磁体。钕铁硼磁体包括“稀土”化学元素，例如钕或钐。“稀土”元素是化学元素序号57至71的镧系元素。这种磁体的显著之处在于它们提供的磁场强度及其驱动其磁场伸过相对宽的气隙、空间间隙或非磁性间隙(即非铁磁性材料)同时仍然提供延伸跨过该间隙的强磁场的独特能量能力。

如图所示，大致矩形磁体180是双极的，具有北极(负极)和南极(正极)。磁体180交替地布置以使得第一磁体的北极邻近相邻磁体的南极。在一个典型配置中，有六个以交替极性布置的磁体。如图所示，磁体180以辐条状布置从轴120延伸并且间隔成使得相邻磁体(即辐条)之间的距离对于所有磁体而言是相同的。另外，极性被定向成使得第一磁体的北极在轴120的另一侧上的磁体的南极的正对面并与之对准。

磁体180由给转子内部提供结构一体性并且有效地防止磁体在旋转时位移的嵌件190彼此分开。嵌件190优选地由铝或任何其它磁惰性材料制造。

钕铁硼磁体180的构造及其相对靠近管道150是本发明的重要方面，因为已经发现这个构造形成足够强的磁通以有效地移动熔融金属。尤其，由北极和南极的相互作用形成的强磁通最优穿透管道中的熔融金属，在金属中感应出电流。在这个构造中通过使用钕铁硼磁体形成的磁通强度足以有效地将金属移动通过管道并移动离开泵。

在操作中，本发明的磁感应泵基于将电能转换为熔融金属中的机械动能的法拉第-洛伦兹原理操作。更具体地，移动的磁体在熔融金属内感应出电流。机械动能由来自熔融金属内的自由电子的力产生，有效地移动管道内的金属。

熔融金属内的电流感应是本发明的另一重要方面。涡电流通过随时间变化的磁场形成。使用完全包含于转子内的旋转的钕铁硼磁体在管道中的熔融金属中的涡电流感应避免了需要电极与熔融金属相接触。这样，熔融金属仅接触管道的内部，形成耐久无泄漏的通道。

这样，来自磁极的磁通用作泵推进器并且金属压头和流速可以通过改变磁性转子的转速来改变。流量与转子的转速成比例。

现在转向图7，示出了本发明的泵210的替代实施例。在这个实施例中，转子包括八个从轴220延伸的钕铁硼磁体280，而不是六个磁体。八个磁体280由嵌件290分开。这个实施例还包括在轭270内的管道250。如将理解到的，也可采用其它数目的磁体，只要它们产生移动熔融金属的足够磁通。

在图7所示的旋转配置中，存在最优的几何关系。首先，下述几何关系涉及以下部件和变量：

h_m＝磁极的高度

h＝管道通道的高度

τ＝磁极的角度间隔

b_m＝磁极的宽度

R＝转子的整体半径

R₁＝轴的半径

p＝各个磁极

N＝2p＝一对磁极

h_y＝轭的厚度

关系是h_m和h之间、节距间隔tau和b_m之间、tau和转子半径R和磁极数目N之间、h_y和b_m之间以及轴半径R₁和b_m之间。更具体地，优选的关系如下。磁极的高度h_m优选地大于或等于管道通道的高度h的2至3倍。磁极的角度间隔τ应当大于或等于两倍管道高度2h的2至3倍。磁极的角度间隔应当等于2πR/2p或2πR/N。轭的厚度h_y应当大于或等于磁极的宽度b_m的1/2。最后，轴的半径R₁应当大于或等于磁极的宽度b_m。这些关系在本发明泵的强度进行优化时特别重要。

虽然就图7的实施例进行了描述，但是上述关系和几何形状可应用于钕铁硼磁体的其它配置，比如图6所示的配置，以优化泵强度。

而且，能形成利用钕铁硼磁体的线性运动来移动熔融金属的泵。在这种配置中，磁体能沿着邻近管道的连续轨道类型的装置线性地移动。

虽然本发明已经参照优选实施例进行描述，本领域技术人员将理解到在不背离本发明基本范围的情况下能进行各种明显的改变并且可等同地替换其元件。因此，本发明不应限制于所公开的具体实施例，相反，本发明包括所有等同实施例。

Claims (23)

1.一种用于泵送熔融金属的磁感应泵，所述泵包括：

马达；

可操作地连接至所述马达的轴；

至少一个双极永磁体，其可操作地连接至所述轴并且从所述轴以辐条配置延伸；

用于让熔融金属通过的非磁性管道，而且所述管道为大致弓形；

其中所述马达使所述轴和所述磁体沿着所述管道的一个边缘运动，从而在所述管道中的熔融金属中感应出电流以将所述熔融金属泵送通过所述管道，且所述熔融金属仅与所述管道相接触，并且

其中所述管道具有带有高度的内部通道，所述至少一个双极永磁体的高度大于或等于所述管道的内部通道的高度的2至3倍。

2.根据权利要求1的磁感应泵，其中所述泵还包括轭，所述轭紧邻所述管道，并且与所述至少一个双极永磁体相对，并且

其中所述轭是铁磁性的并且强化由所述至少一个双极永磁体产生的磁场。

3.根据权利要求1的磁感应泵，其中所述至少一个双极永磁体是钕铁硼磁体。

4.根据权利要求1的磁感应泵，其中所述至少一个双极永磁体包括多个成对的双极钕铁硼磁体，并且

其中每个所述双极钕铁硼磁体具有与相邻磁体相反的极性配置。

5.根据权利要求4的磁感应泵，其中每个所述双极永磁体与相邻磁体由磁惰性间隔件分开。

6.根据权利要求1的磁感应泵，其中所述马达、轴和管道可拆卸地紧固至一基部，所述基部能选择性地附接至熔融金属容器。

7.根据权利要求1的磁感应泵，其中所述轴是铁磁性的。

8.根据权利要求1的磁感应泵，其中所述轴和至少一个双极永磁体容纳于一转子内。

9.根据权利要求1的磁感应泵，其中所述熔融金属的流动方向能够通过倒转所述马达的旋转方向而停止和反向。

10.一种旋转泵，所述泵包括：

马达；

可操作地连接至所述马达的铁磁性轴；

多个双极钕铁硼磁体，它们可操作地连接至所述轴并且从所述轴以辐条配置向外延伸，所述磁体产生强磁通；

用于让熔融金属通过的磁惰性管道，所述管道为大致弓形并具有入口和出口；

其中所述马达使所述轴和所述磁体沿着所述管道的一个边缘旋转，从而在所述管道中的熔融金属中感应出涡电流，所述电流与运动磁场相互作用以产生力从而将所述熔融金属从所述入口泵送至所述出口，且所述熔融金属仅与所述管道相接触；

其中每个所述双极钕铁硼磁体具有高度，并且所述管道具有带有高度的内部通道；并且

其中每个所述双极钕铁硼磁体的所述高度大于或等于所述管道的内部通道的高度的2至3倍。

11.根据权利要求10的旋转泵，其中所述泵还包括容纳所述双极钕铁硼磁体和所述轴的圆筒形转子。

12.根据权利要求10的旋转泵，其中所述泵还包括轭，所述轭与磁体磁极相对地紧邻所述管道，并且

其中所述轭是铁磁性的并且强化所述磁通。

13.根据权利要求10的旋转泵，其中每个双极钕铁硼磁体具有与相邻钕铁硼磁体相反的极性配置。

14.根据权利要求13的旋转泵，其中每个所述双极钕铁硼磁体通过间隔件与相邻磁体分开，所述间隔件由磁惰性材料制造。

15.根据权利要求13的旋转泵，其中所述双极钕铁硼磁体绕着所述轴在角度上间隔开并且所述内部通道具有高度h；并且

其中所述双极钕铁硼磁体的角度间隔大于或等于两倍内部通道高度（2h）的2至3倍，其中所述角度间隔为沿着一个连接各双极钕铁硼磁体的远端的圈的弧线所测量到的相邻双极钕铁硼磁体之间的距离。

16.根据权利要求13的旋转泵，其中每个所述双极钕铁硼磁体具有一对磁极，并且所述双极钕铁硼磁体绕着所述轴在角度上间隔开并且所述泵还包括容纳所述双极钕铁硼磁体的圆筒形转子，所述转子具有半径R，N代表磁极的数量；并且

其中磁极的所述角度间隔大约等于2πR/N。

17.根据权利要求12的旋转泵，其中每个所述双极钕铁硼磁体具有宽度b_m并且所述轭具有高度h_y；并且

其中所述轭的高度大于或等于（1/2）b_m。

18.根据权利要求13的旋转泵，其中每个所述双极钕铁硼磁体具有宽度b_m并且所述轴具有半径R1；并且

其中R1大于或等于b_m。

19.根据权利要求10的旋转泵，其中所述马达、轴和管道可拆卸地紧固至一基部，所述基部能选择性地附接至一容器。

20.一种泵送熔融金属的方法，所述方法包括步骤：

将熔融金属引入磁感应泵的大致弓形管道的入口；

沿着所述管道的一个边缘将多个双极永磁体从所述入口移动至管道出口，所述磁体产生变化的磁通，这在所述熔融金属中感应出涡电流，所述涡电流与运动磁场相互作用从而产生足以将所述金属泵送通过所述管道的力；

其中所述熔融金属仅接触所述管道的表面并且不接触所述磁感应泵的其它部件；并且

其中所述多个双极永磁体是八个以辐条配置可操作地紧固至铁磁性轴并且从所述铁磁性轴延伸的双极钕铁硼磁体，

其中所述管道具有带有高度的内部通道，所述多个双极永磁体的高度大于或等于所述管道的内部通道的高度的2至3倍。

21.根据权利要求20的方法，其中所述管道用铁磁性轭罩住以强化所述磁通。

22.根据权利要求20的方法，其中每个所述双极钕铁硼磁体通过磁惰性间隔件与相邻双极钕铁硼磁体分开，所述双极钕铁硼磁体、所述间隔件和所述铁磁性轴包含于圆筒形转子内。

23.根据权利要求20的方法，还包括将所述磁感应泵紧固至要泵送的熔融金属的容器的步骤。

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