CN107425755A - 一种用于悬浮0.1～0.3kg金属材料的电磁线圈 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于悬浮0.1～0.3kg金属材料的电磁线圈，所用材料为空心铜导线，该导线直径4～6mm，线圈两端可外接水冷装置构成水循环系统。电磁感应线圈的上端线圈与下端线圈为同轴螺旋状且绕制方向相反。本发明的有益效果为，可稳定悬浮质量0.1～0.3kg的金属材料。实现了较大体积的金属电磁悬浮。该发明适用于高真空或者特定气体保护下0.1～0.3kg金属材料的无容器超洁加工与热处理设备，从而实现非接触式熔炼、焊接和热处理。

Description

一种用于悬浮0.1～0.3kg金属材料的电磁线圈
技术领域
本发明属于金属材料的无容器超洁制备与加工设备，涉及一种用于悬浮0.1～0.3kg金属材料的电磁线圈，尤其是涉及一种采用交变电磁场实现非接触式悬浮的电磁线圈，发明的电磁线圈在高频交流电作用下产生的洛伦兹力用以平衡金属材料样品所受的重力，从而实现悬浮无容器状态。同时，非接触电磁感应产生的涡流能够为金属材料的热加工提供保障。该发明适用于高真空或者特定气体保护下0.1～0.3kg金属材料的无容器超洁加工与热处理设备，从而实现非接触式熔炼、焊接和热处理。
背景技术
基于材料的制备与成型过程对实验环境特别敏感这一科学事实，科学家将研究开发新材料的注意力投向了空间环境，由于空间实验的成本昂贵且受飞行次数的限制，迄今为止，人们实时实地开展的空间材料科学实验十分有限，因此，在地面条件下，创造相同或相似物理场来模拟空间环境成为了新材料开发的新途径。
无容器状态是空间环境的主要特征之一，它使材料避免与容器壁的接触而消除异质晶核作用，可以冷却至远低于平衡结晶温度以下而不发生晶体形核，从而实现液态合金的深过冷，它在热力学上处于亚稳态，亚稳液态合金一旦发生晶体形核，其生长速度主要取决于过冷度的大小，而不受外部冷却速率控制，能够在慢速冷却条件下实现三维大体积液态合金的快速凝固。如果过冷度足够大，常规晶体形核被抑制，液态合金可以直接凝固为亚稳结构合金。
电磁悬浮技术是获得无容器状态的重要方法，是实现金属材料深过冷与快速凝固的有效方法。电磁悬浮是通过交变的电磁场产生的悬浮力来平衡样品的重力从而实现无容器状态，该方法具有独特的优点：(i)产生的悬浮力强，可以实现大体积金属材料的稳定悬浮；(ii)悬浮与加热同时进行，无需另配热源，可直接实现悬浮样品的高温悬浮熔化；(iii)悬浮条件下可以实施强制冷却，从而实现悬浮无容器快速凝固；(iv)可以测定深过冷条件下液态合金的热物理性质；(v)悬浮过程中有较强的电磁搅拌作用，可以有效消除溶质偏析。基于电磁悬浮无容器处理的上述特点，结合金属材料熔点高、熔炼过程中易与坩埚发生反应、发生氧化等特征，采用电磁悬浮技术在无容器条件下制备金属材料，成为了获得性能优异新材料的理想选择。
在工业制造领域，沉积镀膜方法有着重要的应用。电磁悬浮技术也可作为一种新型的物理气相沉积技术的重要支撑，与磁控溅射技术相比，电磁悬浮技术加热金属、合金，尤其是高饱和蒸汽压的材料，可获得更大的蒸发速率，具有独特的优势。
自1923年电磁悬浮现象被发现以来，电磁悬浮技术得到了长足发展。“高频电磁悬浮熔炼的设计与实践[J].航空学报,1988”探讨了两种不同设计的电磁线圈的悬浮力，分别进行实验验证，所悬浮的Al、Ni质量分别为1.385g、4.567g，其不足之处是悬浮力小。“Electromagnetic-thermal coupled simulation of levitation melting of metals[J].Journal of Materials Processing Technology,2011”通过优化线圈，采用锥形设计，在下端线圈底部盘状绕制多匝线圈，可悬浮质量为4g的Zr，其不足之处是悬浮样品质量小。“Coil optimization for electromagnetic levitation using a genetic likealgorithm[J].Journalof Applied Physics,2013”采用遗传算法优化线圈设计，但是其线圈半径在10mm的量级。“横向静磁场对电磁悬浮液滴稳定性的影响[J].物理学报,2014.”公开了一种电磁线圈装置。采用锥形设计，结构尺寸较小，其不足之处是悬浮力小，悬浮不稳定。实验中，所悬浮的Cu粒为1.91g。
由此可见，电磁悬浮无容器处理技术的核心部件是悬浮线圈，其结构的设计决定了空间电磁场的分布，而电磁场的分布不仅决定金属样品悬浮稳定性，还会决定金属样品中的温度场。在现有研究中，采用的电磁悬浮线圈，所用的空心紫铜管细小，所绕制的螺线管内径小，可承载的电流低。故而样品的体积和质量十分受限，所获得的悬浮力很小。从而所研究金属样品的质量一般在克的量级。不足以满足大体积样品的悬浮实验要求。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种用于悬浮0.1～0.3kg金属材料的电磁线圈，以解决现有技术中电磁线圈悬浮力弱、悬浮样品质量小的技术缺陷。
技术方案
一种用于悬浮0.1～0.3kg金属材料的电磁线圈，其特征在于包括上端线圈和下端线圈；下端线圈与上端线圈为反向串联绕制，绕匝间距为0.5～3mm；所述上端线圈为1.5～3.5匝，内径为40～65mm；所述下端线圈为6～10匝，内径为40～60mm；所述两个线圈之间的间距为10～40mm；所述绕制线圈的材料采用直径为3～9mm的空心铜导管，外侧包裹绝缘层。
所述下端线圈的第一匝线圈的内径大于下端其他匝线圈的内径。
有益效果
本发明提出的一种用于悬浮0.1～0.3kg金属材料的电磁线圈，所用材料为空心铜导线，该导线直径4～6mm，线圈两端可外接水冷装置构成水循环系统。电磁感应线圈的上端线圈与下端线圈为同轴螺旋状且绕制方向相反。本发明的有益效果为，可稳定悬浮质量0.1～0.3kg的金属材料。实现了较大体积的金属电磁悬浮。该发明适用于高真空或者特定气体保护下0.1～0.3kg金属材料的无容器超洁加工与热处理设备，从而实现非接触式熔炼、焊接和热处理。
与现有技术相比，本发明的积极效果为：
(i)得益于线圈结构的变化，极大的提高线圈的悬浮能力。
(ii)借助于电磁线圈装置的悬浮特性，材料可在悬浮状态下通过非物理接触的方式进行加工。工艺的改变避免了常规制备过程中引入的杂质。
(iii)高频电流产生的涡流，在样品中感应产生涡流作为热源，通过热传导的方式促使金属样品升温，实现高效率热处理。
本发明提供的电磁悬浮线圈。实验表明，可稳定悬浮0.1～0.3kg的金属样品。为加以佐证，附图给出了质量0.203kg的金属铜、0.251kg的金属铝悬浮的实物图。
附图说明
图1为悬浮0.1～0.3kg Cu的电磁悬浮线圈的结构。
图中：1为上端线圈，2为下端线圈，3为电流和水冷装置接口端。
图2为悬浮0.1～0.3kg Cu的电磁悬浮线圈的剖面图。
图3为悬浮0.1～0.3kg Al的电磁悬浮线圈的结构。
图中：4为上端线圈，6为下端线圈，5为下端第一匝线圈，7为电流和水冷装置接口端。
图4为悬浮0.1～0.3kg Al的电磁悬浮线圈的剖面图。
图5为实现悬浮0.203kg Cu的实物图。
图6为实现悬浮0.251kg Al的实物图。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明实施例的技术解决方案是，以“样品能够容纳于线圈”为初始条件，增加线圈的内径及包裹绝缘层，避免样品接触线圈，而造成高频交变电流产生的电火花。增加线圈的匝数，合理改变悬浮线圈与稳定线圈之间的位置关系，提高高频交变电流，使通过线圈产生的电磁场达到稳定悬浮大质量金属样品的目的。
参见图1、图2，给出了悬浮0.1～0.3kg Cu的电磁悬浮线圈的具体结构。图5为悬浮0.203公斤Cu的实物图。
选定一种直径5mm的紫铜空心导管绕制悬浮线圈，外侧包裹绝缘层。
下端线圈与上端线圈为反向串联绕制，绕匝间距为3mm；所述上端线圈为2匝，长度为21mm，内径为45mm；所述下端线圈为10匝，长度为77mm，内径为45mm；所述两个线圈之间的间距为30mm；
实验前，本发明线圈固定于高频交流电源的输出端，调节感应圈使其姿态竖直。为避免高频电流引起电磁线圈过热，开启水冷循环设备。金属样品首先由支架定位在上端线圈1与下端线圈2之间。逐渐加大电流，直到线圈产生的电磁场足够抵消金属材料的重力，撤下支架，金属样品即可稳定悬浮。
图3、图4，给出了悬浮0.1～0.3kg Al的电磁悬浮线圈的具体结构。图6为悬浮0.251公斤Al的实物图。
下端线圈与上端线圈为反向串联绕制，绕匝间距为2mm；所述上端线圈为2匝，长度为22mm，内径为54mm；所述下端线圈为10匝，长度为86mm，内径为54mm；所述两个线圈之间的间距为50mm；所述下端线圈的第一匝线圈的内径大于下端其他匝线圈的内径。
实验前，本发明线圈固定于高频交流电源的输出端，调节感应圈使其姿态竖直。为避免高频电流引起电磁线圈过热，开启水冷循环设备。金属样品首先由支架定位在上端线圈4与下端线圈6之间。逐渐加大电流，直到线圈产生的电磁场足够抵消金属材料的重力，撤下支架，金属样品即可稳定悬浮。

Claims (2)

1.一种用于悬浮0.1～0.3kg金属材料的电磁线圈，其特征在于包括上端线圈和下端线圈；下端线圈与上端线圈为反向串联绕制，绕匝间距为0.5～3mm；所述上端线圈为1.5～3.5匝，内径为40～65mm；所述下端线圈为6～10匝，内径为40～60mm；所述两个线圈之间的间距为10～40mm；所述绕制线圈的材料采用直径为3～9mm的空心铜导管，外侧包裹绝缘层。
2.根据权利要求1所述用于悬浮0.1～0.3kg金属材料的电磁线圈，其特征在于：所述下端线圈的第一匝线圈的内径大于下端其他匝线圈的内径。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01185180A (ja) * 1988-01-13 1989-07-24 Hitachi Cable Ltd 内部に接続部のないリニアモータ用コイルのコイル部形成方法
CN106026779A (zh) * 2016-07-18 2016-10-12 西南交通大学 一种基于超导块材与超导线圈组合构建混合型磁悬浮状态的方法

Patent Citations (2)

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Non-Patent Citations (1)

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Title
JONGHYUN LEE ET AL.: "Magnetohydrodynamic Modeling and Experimental Validation of Convection Inside Electromagnetically Levitated Co-Cu Droplets", 《METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS B》 *

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