CN103532443B - 叠加横向旋转静磁场的电磁悬浮系统 - Google Patents

Abstract

本发明的叠加横向旋转静磁场的电磁悬浮系统，属于电磁悬浮技术领域，由高频电源1、锥形反绕线圈2、U形磁组件3、旋转机构4、物料升降机构托盘5、真空腔体6照明电极7、观察窗口8、惰性气体充气阀门9和真空泵10组成；锥形反绕线圈2与高频电源1相连并伸入真空腔体6，高频电源1向锥形反绕线圈2输入一个高频交变电流，交变电流在其周围产生交变磁场，由电磁感应作用，对放入线圈中的金属物料，在表面产生感应电流，感应电流与原交变磁场相互作用产生一个竖直向上的力，克服重力实现悬浮；旋转机构4带动U形磁组件3旋转，旋转的U形磁组件3对锥形反绕线圈所在空间(即悬浮物体所在空间)叠加了一个旋转的横向静磁场，使熔化后的悬浮物内部对流减弱，外部旋转减小，从而获得稳定的电磁悬浮状态。

Description

叠加横向旋转静磁场的电磁悬浮系统

技术领域：

本发明涉及一种叠加横向旋转静磁场的电磁悬浮系统，属于电磁悬浮技术领域。

背景技术：

在地面环境中，常规的熔炼金属或非金属材料都离不开坩埚，但对于化学活性强的高熔点金属Ti、Zr、Mo等却很难选择合适的坩埚材料。另外，高纯材料的制备、材料在液态下与气体的反应动力学的研究、材料热物性参数的精确测量以及熔融金属的均质成核过程都需要消除坩埚材料的影响，这就需要一种能使物料在固态和液态都能悬浮的技术，电磁悬浮熔炼技术就能满足以上要求。

电磁悬浮熔炼技术的原理是通过一个高频电源向线圈输入一个交变电流，线圈周围产生一个交变磁场，在交变磁场作用下，放入线圈的非磁性材料和温度超过居里点的磁性材料的表面会产生感应电流，感应电流反过来又与原交变磁场相互作用，使材料受到电磁力的作用，调整电源输出和线圈空间配置，可以使电磁力与重力相平衡；同时，感应电流产生的焦耳热使物料熔化，熔化后的金属依然保持一定形状，悬浮在空中，从而实现金属固态和液态的悬浮。

然而，在电磁悬浮中，交变电磁场将导致熔体内部强烈的对流，流速往往达到10-40cm/s左右，流动多为湍流，并且熔体伴随着快速旋转，物料的悬浮状态极不稳定，在利用电磁悬浮技术测量材料热物性参数时，由于对流的影响使得测量结果严重失真。获取稳定的电磁悬浮状态一直是电磁悬浮技术需要攻克的难题，目前世界国许多科研机构通过超导线圈叠加一个竖直方向的静磁场来抑制其内部对流、减弱旋转，但这一做法有以下几个缺陷：

一、超导设备通孔需与悬浮线圈同轴，而悬浮线圈的轴线只能是竖直方向，因此，只能叠加竖直方向的静磁场，只能抑制水平方向的对流。

二、需要叠加的静磁场强度过大，磁场强度往往要达到2特斯拉以上才可获得基本稳定的悬浮状态。

三、设备复杂且价格昂贵，设备费用高达近千万元人民币，国内目前还没有这样的设备。

因此，急需先进可行的技术发明既能抑制悬浮熔体内部对流和减小外部旋转，又能克服现有技术的不足。

发明内容：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种叠加横向旋转静磁场的电磁悬浮系统。

本发明的叠加横向旋转静磁场的真空电磁悬浮系统，用一个旋转的U形磁组件对悬浮熔炼线圈所在空间(即悬浮物体所在空间)叠加了一个横向的旋转静磁场，这一静磁场与悬浮物体中的感应电流相互作用，使熔化后的悬浮物内部对流减弱，外部旋转减小，从而获得稳定的电磁悬浮状态。

本发明的叠加横向旋转静磁场的电磁悬浮系统与现有技术相比具有以下优点；

1、本发明在悬浮物所在的空间叠加了一个横向的旋转静磁场，由于磁场方向在水平面内不断变化，对熔融悬浮物内部各方向的对流都具有抑制作用，从而大大减小了熔融悬浮物的内部对流和外部旋转，悬浮更加稳定。

2、本发明中的静磁场使用磁组件提供，相比复杂昂贵的超导设备，具有结构简单、便于加工制造、价格合理的优势，具有很强的市场推广潜力。

3、本发明只需要提供相对很小的静磁场，磁场强度达到0.5特斯拉就能使悬浮状态达到稳定。

附图说明：

如图附图(1)：本发明由高频电源1、锥形反绕线圈2、U型磁组件3、旋转机构4、物料升降机构托盘5、真空腔体6、照明电极7、观察窗口8、惰性气体充气阀门9和真空泵10组成。其特征在于：U型磁组件3在底部旋转机构4的带动下实现旋转；U型磁组件3底部开有一个中心圆孔，锥形反绕线圈2与此圆孔同轴，物料升降机构托盘5可以通过此圆孔将悬浮物放入锥形反绕线圈2中的合适位置；旋转的U型磁组件3对其U型空间提供一个旋转的静磁场。电磁悬浮由高频电源1向悬浮线圈通以高频交变电流实现，悬浮线圈放置在这个加有旋转静磁场的U型空间中。真空泵10对真空腔体6内部抽真空，以防止悬浮物在高温下与空气接触氧化。同时通过惰性充气阀门9向真空腔体6内通入氦气，以调节悬浮物料的温度。

具体实施方式

1、打开真空腔体上盖，将物料升降机构托盘5升至合适位置，将悬浮物料放入升降机构托盘中。

2、关闭真空腔体上盖，启动抽真空泵，将真空腔体中的气压抽至5Pa，关闭真空泵。

3、打开惰性气体充气阀门9，充气至大气压，打开出气阀，之后充气以1L/min的流量冲入并由出气阀排除，维持真空腔体6内气压为大气压。

4、启动循环水泵，确保各回水正常。

5、启动高频电源1，调节功率输出旋钮至悬浮物料脱离升降机构托盘5，撤出升降机构托盘。

6、启动旋转机构4，使U型磁组件3实现旋转。

至此，稳定的电磁悬浮状态就获得了。

Claims (2)

1.本发明涉及一种叠加横向旋转静磁场的电磁悬浮系统，它由高频电源1、锥形反绕线圈2、U形磁组件3、旋转机构4、物料升降托盘5、真空腔体6、照明电极7、观察窗口8、惰性气体充气阀门9和真空泵10组成；其特征在于：锥形反绕线圈2与高频电源1相连并伸入圆柱形真空腔体6中，顶部设有一个观察窗口8，U形磁组件3固定在穿过真空腔体6底部的导杆上，U形磁组件3在底部旋转机构4的带动下实现旋转；U形磁组件3底部开有一个中心圆孔，锥形反绕线圈2与此圆孔同轴，物料升降托盘5可以通过此圆孔将悬浮物放入锥形反绕线圈2中的合适位置；旋转的U形磁组件3对锥形反绕线圈2所在空间提供一个旋转的静磁场；电磁悬浮由高频电源1向锥形反绕线圈2通以高频交变电流实现；锥形反绕线圈2放置在加有旋转静磁场的U形空间中；真空泵对真空腔体6内抽真空，以防止悬浮物在高温下与空气接触而氧化，同时通过惰性充气阀门9向真空腔体6内通入氦气，以调节悬浮物的温度。

2.如权利要求1所述的叠加横向旋转静磁场的电磁悬浮系统，其特征在于：在锥形反绕线圈所在空间，叠加了一个横向旋转静磁场，使熔化后的悬浮物内部对流减弱，外部旋转减小，从而获得稳定的电磁悬浮状态。