CN108966473A - 一种用于直流电弧约束控制的小型化磁装置 - Google Patents

一种用于直流电弧约束控制的小型化磁装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于直流电弧约束控制的小型化磁装置，定位环设置在电极的一端，螺纹挡环设置在电极的另一端，磁铁组件套装在电极上，位于定位环和螺纹挡环之间，保护套设置在磁铁组件的外部，直流电弧在电极的内部产生并维持；冷却介质经定位环注入电极的外壁，用于对电极进行冷却。本发明在不影响电极寿命增长效果的同时，使大功率直流电弧等离子体炬的体积和重量显著下降，同时减小了热损耗，提高了电热转换效率；简化了等离子体炬的整体结构，特别是冷却介质通道的结构，提高了冷却效率；小型化磁装置装配完成后形成一独立部件，部件整体结构牢固可靠，对关键组件保护到位，同时非常易于与其他部件连接。

Description

一种用于直流电弧约束控制的小型化磁装置
技术领域
本发明属于等离子体炬(Plasma Torch)技术领域，具体涉及一种用于直流电弧约束控制的小型化磁装置。
背景技术
直流电弧等离子体炬是一种可以快速(1～2s内)产生超高温度(3000～10000℃)的电热转换装置，在点火、助燃、冶金、环保等领域具有广泛的应用前景。但是，大流强的直流电弧会对等离子体炬的电极产生严重的烧蚀，使电极使用寿命急剧缩短，这是限制等离子体炬大规模工程应用的主要因素之一。现有的解决办法是在电极周围布置电磁线圈，利用电磁线圈产生的静磁场促使电弧高速旋转，以减弱电弧对电极局部的长时间烧蚀，从而延长电极寿命。这种方法对电极寿命的增长效果显著，但电磁线圈体积和重量巨大，且电流从线圈上经过时会产生一定热损耗，所需的磁场越强，则热损耗越大，这对等离子体炬的冷却设计、使用维护方便性以及电热转换效率均会带来一定的不利影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种用于直流电弧约束控制的小型化磁装置，用永磁铁代替电磁线圈，并通过电极、磁铁以及相关支撑结构的整体设计形成紧贴电极的冷却介质流道，显著减小了产品体积和重量，降低热损耗，提高等离子体炬的电热转换效率。
本发明采用以下技术方案：
一种用于直流电弧约束控制的小型化磁装置，其特征在于，包括电极、定位环、螺纹挡环、磁铁组件和保护套，定位环设置在电极的一端，螺纹挡环设置在电极的另一端，磁铁组件套装在电极上，位于定位环和螺纹挡环之间，保护套设置在磁铁组件的外部，直流电弧在电极的内部产生并维持；冷却介质经定位环注入电极的外壁，用于对电极进行冷却。
具体的，电极与磁铁组件之间设置有磁铁支架，磁铁支架的一端套装在定位环的外壁面上，另一端与螺纹挡环螺纹连接。
进一步的，定位环为圆环状结构，定位环的内壁和外壁上均设有台阶结构，分别与电极和磁铁支架套接连接，沿定位环的周向均匀布置有数个通孔。
进一步的，磁铁支架为Y形结构，与定位环的后端面及电极的外圆面间隙设置。
更进一步的，磁铁支架与定位环的后端面及电极外圆面的间隙为2～4mm。
进一步的，磁铁支架的一端开有凹槽，凹槽内设置有弹性挡圈。
具体的，磁铁组件由若干内外径相同的永磁铁拼接而成。
进一步的，永磁铁的表面设置有金属镀层，镀层厚度大于等于100μm。
具体的，保护套为直圆管式结构，通过磁铁支架和螺纹挡环上的卡槽定位连接。
进一步的，保护套的壁厚为1～2mm，保护套的内壁与磁铁组件外壁的间隙为1～2mm。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种用于直流电弧约束控制的小型化磁装置，采用磁铁组件套在磁铁支架身部，外层加保护套；螺纹挡环旋入磁铁支架尾部以固定磁铁组件，最后用弹性挡圈卡紧螺纹挡环，将整体结构固定牢靠。利用磁铁组件的静磁场，对电极中产生的直流电弧进行约束控制，将电弧的弧柱部分约束在结构轴线附近，并使电弧弧根沿电极内壁高速旋转，从而减缓电极烧蚀，增长电极寿命。
进一步的，定位环为圆环状结构，分别对电极和磁铁支架进行限位，沿定位环的周向均匀布置有数个通孔，冷却介质流道由各零部件的结构及其相对位置构成，无需单独布置，简化了整体结构，进一步减小了等离子体炬的体积和重量，并且提高了冷却效率。
进一步的，设置的凹槽用于卡入弹性挡圈，与螺纹挡环配合对磁铁组件进行双重限位，确保其不会松脱。
进一步的，磁铁组件由若干相同规格的永磁铁拼接而成，用永磁铁代替电磁线圈，避免了输入功率在电磁线圈上的损耗，该损耗通常占到总输入功率的2％左右，提高了等离子体炬的电热转换效率。
进一步的，永磁铁包括2～5个，使等离子体炬的体积和重量显著减小，例如：在弧电流140A，轴线上最大磁场强度同为800Gs时，永磁铁的体积和重量分别是电磁线圈的65.3％和14.0％；当磁场强度升高至1600Gs时，永磁铁的体积和重量分别是电磁线圈的49.8％和12.7％，可以看出，需要的磁场强度越大，永磁铁的体积和重量优势就越明显。
进一步的，保护套为直圆管式结构，由铝合金或钛合金制成，壁厚为1～2mm，在减轻重量的同时保证良好的结构强度，内壁与磁铁组件外壁的间隙为1～2mm，用于防止产品安装使用过程中因磁力导致的意外撞击导致磁铁组件损坏。
综上所述，本发明在不影响电极寿命增长效果的同时，使大功率直流电弧等离子体炬的体积和重量显著下降，同时减小了热损耗，提高了电热转换效率；简化了等离子体炬的整体结构，特别是冷却介质通道的结构，提高了冷却效率；小型化磁装置装配完成后形成一独立部件，部件整体结构牢固可靠，对关键组件保护到位，同时非常易于与其他部件连接。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
其中：1.电极；2.定位环；3.磁铁支架；4.螺纹挡环；5.弹性挡圈；6.磁铁组件；7.保护套。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1，本发明一种用于直流电弧约束控制的小型化磁装置，包括电极1，定位环2、磁铁支架3、螺纹挡环4、弹性挡圈5、磁铁组件6以及保护套7。
定位环2为一个带有台阶孔的圆环，安装在电极1的一端；磁铁支架3套装在电极1上，磁铁支架3的头部套装在定位环2的外壁面上，磁铁组件6套在磁铁支架3上，磁铁支架3的身部用于磁铁组件6的支撑和径向限位；螺纹挡环4通过螺纹连接与磁铁支架3的尾部相连，以限制磁铁组件6的轴向位置；弹性挡圈5卡在磁铁支架3尾部的凹槽内，以防止螺纹松脱；保护套7安装在磁铁组件6的外部，用于防止因磁性产生的物体撞击导致磁铁组件6损坏，直流电弧在电极1的内部产生并维持；冷却介质从定位环2上沿周向均匀布置的一组通孔注入，流经电极1的外壁，以对电极1进行冷却。
电极1为中空的金属棒，用于和另一个与其具有一定电位差的电极1配合使用，以在两个电极1之间产生并维持直流电弧，电弧的一端弧根和一部分弧柱落在电极1中。
定位环2的内壁和外壁均设有台阶结构，分别与电极1和磁铁支架3相套接，用于电极1和磁铁支架3的安装和定位，以限定电极1和磁铁组件6的相对位置；沿周向均匀布置数个通孔，作为冷却介质流道。
优选的，定位环2的材质为Al2O3含量不低于95％的氧化铝陶瓷。
磁铁支架3为Y形结构，与定位环2的后端面及电极1的外圆面之间均留有2～4mm的间隙，确保冷却介质顺利通过；磁铁支架3的尾部采用螺纹加凹槽的结构形式，将磁铁组件6套入身部后，螺纹挡环4旋入磁铁支架3的尾部，在螺纹挡环4后装设弹性挡圈5，并将弹性挡圈5卡入凹槽，以防止螺纹挡环4松动导致磁铁组件6脱出，对磁铁组件6进行双重限位，确保其不会松脱。
磁铁组件6是本发明的核心组件，组件依长度不同可由数个内外径相同的永磁铁拼接而成，单个永磁铁的材质为钐钴，具体牌号为Sm2Co17，居里温度不低于800℃，工作温度不低于350℃；永磁铁表面设置有金属镀层，镀层厚度不小于100μm。
优选的，金属镀层为镍层，磁铁组件6根据轴向长度及永磁体的壁厚不同，由2～5个内外径相同的永磁体吸合而成。
保护套7为直圆管式结构，通过磁铁支架3和螺纹挡环4上的卡槽定位；材质为铝合金或钛合金，壁厚1～2mm，在减轻重量的同时保证良好的结构强度；保护套7的内壁与磁铁组件6外壁之间预留1～2mm的间隙，防止外力通过保护套7直接传导至磁铁组件6。
本发明的工作原理如下：
直流电弧在电极1和另一电极间产生并维持，其中落在电极1中的为电弧的一部分弧柱和一端弧根，电弧在磁铁组件6产生的静磁场作用下绕磁铁组件6的结构轴线高速旋转，从而将电极1被烧蚀部位从一个点变成了绕电极1内壁一周的圆，并且减弱了热效应的聚集，大大降低了电极1被烧蚀的速率，增长了电极1的寿命；另外，冷却介质从磁铁支架3与电极1外壁间预留的间隙流过，对电极1起到良好的冷却效果。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明一种用于直流电弧约束控制的小型化磁装置按照以下步骤进行设计：
(1)按照电极尺寸设计定位环，使电极可以牢固的卡入定位环内壁，同时根据冷却介质流量在定位环上设计一组轴向通孔，以作为冷却介质流道；
(2)设计磁铁支架，支架头部应能与定位环外圆紧密相扣，身部长度应比需替换的电磁线圈略长，以留出足够空间用于磁铁组件的固定；
(3)以磁铁支架身部的外径为磁铁组件的内径设计磁铁组件，根据所选磁钢的剩磁和矫顽力等参数，用数值计算软件(如Comsol、Ansys等)求解磁铁组件的磁场分布，使其磁场强度与所需替换的电磁线圈近似；
(4)根据磁铁支架和磁铁组件的结构设计螺纹挡环、弹性挡圈(可按照GB/T 894.1选取)和保护套。
在弧电流140A，轴线上最大磁场强度同为800Gs时，永磁铁的体积和重量分别是电磁线圈的65.3％和14.0％；当磁场强度升高至1600Gs时，永磁铁的体积和重量分别是电磁线圈的49.8％和12.7％。
本发明用永磁铁替代了常用的电磁线圈，极大的降低了等离子体炬中磁装置的体积和重量，使装置体积和重量分别减小40％和80％以上；同时消除了磁装置的热损耗，降低了冷却难度，并提高了等离子体炬的电热转换效率。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于直流电弧约束控制的小型化磁装置，其特征在于，包括电极(1)、定位环(2)、螺纹挡环(4)、磁铁组件(6)和保护套(7)，定位环(2)设置在电极(1)的一端，螺纹挡环(4)设置在电极(1)的另一端，磁铁组件(6)套装在电极(1)上，位于定位环(2)和螺纹挡环(4)之间，保护套(7)设置在磁铁组件(6)的外部，直流电弧在电极(1)的内部产生并维持；冷却介质经定位环(2)注入电极(1)的外壁，用于对电极(1)进行冷却。
2.根据权利要求1所述的一种用于直流电弧约束控制的小型化磁装置，其特征在于，电极(1)与磁铁组件(6)之间设置有磁铁支架(3)，磁铁支架(3)的一端套装在定位环(2)的外壁面上，另一端与螺纹挡环(4)螺纹连接。
3.根据权利要求2所述的一种用于直流电弧约束控制的小型化磁装置，其特征在于，定位环(2)为圆环状结构，定位环(2)的内壁和外壁上均设有台阶结构，分别与电极(1)和磁铁支架(3)套接连接，沿定位环(2)的周向均匀布置有数个通孔。
4.根据权利要求2所述的一种用于直流电弧约束控制的小型化磁装置，其特征在于，磁铁支架(3)为Y形结构，与定位环(2)的后端面及电极(1)的外圆面间隙设置。
5.根据权利要求4所述的一种用于直流电弧约束控制的小型化磁装置，其特征在于，磁铁支架(3)与定位环(2)的后端面及电极(1)外圆面的间隙为2～4mm。
6.根据权利要求2所述的一种用于直流电弧约束控制的小型化磁装置，其特征在于，磁铁支架(3)的一端开有凹槽，凹槽内设置有弹性挡圈(5)。
7.根据权利要求1所述的一种用于直流电弧约束控制的小型化磁装置，其特征在于，磁铁组件(6)由若干内外径相同的永磁铁拼接而成。
8.根据权利要求7所述的一种用于直流电弧约束控制的小型化磁装置，其特征在于，永磁铁的表面设置有金属镀层，镀层厚度大于等于100μm。
9.根据权利要求1所述的一种用于直流电弧约束控制的小型化磁装置，其特征在于，保护套(7)为直圆管式结构，通过磁铁支架(3)和螺纹挡环(4)上的卡槽定位连接。
10.根据权利要求9所述的一种用于直流电弧约束控制的小型化磁装置，其特征在于，保护套(7)的壁厚为1～2mm，保护套(7)的内壁与磁铁组件(6)外壁的间隙为1～2mm。
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