CN113852259A - 一种交流电驱动液态金属电磁泵 - Google Patents

一种交流电驱动液态金属电磁泵 Download PDF

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雷作胜
卢海彪
王异军
张辉琪
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Abstract

本发明公开了一种交流电驱动液态金属电磁泵，包括前侧磁场发生器、后侧磁场发生器、流体通道。流体通道固定安装在前侧磁场发生器和后侧磁场发生器所夹的空间中，两磁场发生器关于流体通道对称分布，通过在线圈中施加交变电流使流体通道内产生交变磁场，同时通道内的液态金属产生感生电流，该交变磁场与感生电流相互作用产生电磁力，从而驱动流体从流体入口向流体出口流动。本发明可有效提高不同温度的导电流体，如液态金属的传输效率，同时结构简单，且泵体中不存在运动机械部件，安全系数高，适用于冶金、铸造和原子核能等工业领域。

Description

一种交流电驱动液态金属电磁泵
技术领域
本发明涉及一种电磁泵，特别涉及一种交流电驱动液态金属电磁泵，主要应用于液态金属驱动设备领域。
背景技术
电磁泵是一种电磁驱动技术，其原理是利用交变磁场在液态金属内部产生的洛伦兹力，从而实现定向输送导电流体的目的。由于其具有与金属无接触，结构简单和维修方便等优点，被广泛应用在铸造、冶金、原子动能等工业领域。
电磁泵按照电流在金属中的供给方式分为传导式和感应式。在传导式电磁泵中，电流由外置电源通过金属通道进出口电极导入金属液体，方向与管道和磁场方向垂直，根据左手定则产生电磁力驱动液态金属流动，但该方式对于电阻率大的导电流体，其传输效率将大大降低，因此不能满足实验研究的需求。感应式电磁泵主要以永磁泵为主，现有的专利文献中，CN202856588U和CN112737275A中国专利文件等均公开了永磁体驱动液态金属电磁泵，永磁泵虽提高了液态金属的传输效率，但由于永磁体在旋转过程中产生焦耳热以及在锌、镁等金属铸造下温度较高，使得永磁体在高温下容易发生退磁；同时，电磁泵在运行过程中，永磁体处于高速离心运动，因此其安全性得不到很好地保证。为此，基于上述问题，通过结合电磁学理论，实现了一种高效、安全的交流电驱动液态金属电磁泵成为亟待解决的技术问题。
发明内容
针对高温金属液驱动需求，本发明的目的在于提供一种交流电驱动液态金属电磁泵，该电磁泵有效地解决了永磁体高温下退磁的问题，保证高效持续地传输高温金属液，同时该电磁泵通过交流电驱动产生磁场，泵体没有运动部件，可以有效避免永磁体高速离心旋转过程中产生的安全隐患。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种交流电驱动液态金属电磁泵，包括磁场发生器和流体通道，磁场发生器包括位于流体通道前后两侧设置的前侧磁场发生器和后侧磁场发生器，前侧磁场发生器由前侧磁轭组和若干个前侧线圈组成，前侧磁轭组由前侧磁轭背板和若干个前侧磁轭端部组成；后侧磁场发生器由后侧磁轭组和若干个后侧线圈组成，后侧磁轭组由后侧磁轭背板和若干个后侧磁轭端部组成；流体通道固定安装在前侧磁场发生器和后侧磁场发生器所夹的空间中，通过在线圈中施加交变电流，使流体通道内产生交变磁场，同时在交变磁场与感生电流相互作用下使流体通道内的液态金属产生感生电流，从而产生电磁力，从而驱动液态金属流体从流体入口向流体出口流动，实现液态金属的输送
作为本发明优选的技术方案，前侧磁场发生器与后侧磁场发生器相对于流体通道对称分布，且前侧磁场发生器与后侧磁场发生器的两磁轭上产生的磁极相反。
作为本发明优选的技术方案，磁场发生器的供电方式采用三相交流电或两相交流电。
作为本发明优选的技术方案，磁场发生器的励磁电流和线包匝数的乘积在100-20000安匝之间。进一步优选磁场发生器分别施加100-20000安匝的交流电。
作为本发明优选的技术方案，磁轭背板的形状采用圆形、半圆形或曲线不规则形。
作为本发明优选的技术方案，所述流体通道由不锈钢、硅酸盐隔热材料或玻璃纤维材料制成。
作为本发明优选的技术方案，流体通道为扁环型通道。
作为本发明优选的技术方案，前侧磁轭背板和后侧磁轭背板为薄壁圆环形，内径不低于500mm，外径不低于1000mm，设置至少4个磁轭端部水平布置在对应的磁轭背板上，以磁轭背板中心为圆心，相邻的磁轭端部设置位置的夹角不高于90°，各线圈以集中绕组缠绕在磁轭端部，线圈材料为铜导线，冷切方式为水冷。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.由于本发明采用交流电驱动液态金属，可有效避免永磁体在高温下的退磁问题，进而极大提高液态金属的传输效率；
2.本发明行波磁场由绕组线圈感应获得，其结构简单，尺寸小，设备中没有运动机械部件，安全系数高。
附图说明
图1为本发明优选实施例的交流电驱动液态金属电磁泵结构示意图。
图2为本发明优选实施例的一对极三相交流电驱动液态金属电磁泵正面示意图。
图3为本发明优选实施例的流体通道中心截面电磁力分布图。
图4为本发明优选实施例的流体通道中心截面速度和温度分布图。
图5为本发明优选实施例的两对级两相交流电驱动液态金属电磁泵正面示意图。
图6为本发明优选实施例的一对极三相交流电驱动行波磁场电磁泵正面示意图。
图中：1前侧磁场发生器，2后侧磁场发生器，3前侧线圈，4前侧磁轭端部，5前侧磁轭背板，6后侧线圈，7后侧磁轭端部，8后侧磁轭背板，9流体入口，10流体出口，11流体通道。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
参见图1和图2，一种交流电驱动液态金属电磁泵，包括磁场发生器和流体通道11，磁场发生器包括位于流体通道11前后两侧设置的前侧磁场发生器1和后侧磁场发生器2，前侧磁场发生器1由前侧磁轭组和若干个前侧线圈3组成，前侧磁轭组由前侧磁轭背板5和若干个前侧磁轭端部4组成；后侧磁场发生器2由后侧磁轭组和若干个后侧线圈6组成，后侧磁轭组由后侧磁轭背板8和若干个后侧磁轭端部7组成；流体通道11固定安装在前侧磁场发生器1和后侧磁场发生器2所夹的空间中，通过在线圈中施加交变电流，使流体通道11内产生交变磁场，同时在交变磁场与感生电流相互作用下使流体通道11内的液态金属产生感生电流，从而产生电磁力，从而驱动液态金属流体从流体入口9向流体出口10流动，实现液态金属的输送。
本实施例电磁泵有效地解决了永磁体高温下退磁的问题，保证高效持续地传输高温金属液，同时该电磁泵通过交流电驱动产生磁场，泵体没有运动部件，可以有效避免永磁体高速离心旋转过程中产生的安全隐患。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
本实施例中，参见图1和图2，前侧磁场发生器1与后侧磁场发生器2相对于流体通道11对称分布，且前侧磁场发生器1与后侧磁场发生器2的两磁轭上产生的磁极相反。
本实施例中，磁场发生器的供电方式采用三相交流电或两相交流电。
本实施例中，磁场发生器的励磁电流和线包匝数的乘积在100-20000安匝之间。
本实施例中，磁轭背板的形状采用圆形、半圆形或曲线不规则形。
本实施例中，所述流体通道11由不锈钢、硅酸盐隔热材料或玻璃纤维材料制成。
本实施例采用交流电驱动液态金属，可有效避免永磁体在高温下的退磁问题，进而极大提高液态金属的传输效率；本实施例行波磁场由绕组线圈感应获得，其结构简单，尺寸小，设备中没有运动机械部件，安全系数高。
实施例三：
本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：
本实施例中，参见图1-2所示，前后两侧磁场发生器均由磁轭组和缠绕在磁轭组上的线圈组成，且两磁场发生器关于流体通道对称分布，两磁轭上产生的磁极相反，磁轭组由导电性好，矫顽力低，磁损耗低的取向硅钢制成，磁轭背板为薄壁圆环形，内径500mm，外径1000mm，6个磁轭端部水平布置在其磁轭背板上，其夹角为60°；线圈以集中绕组缠绕在磁轭端部，材料为铜导线，冷切方式水冷。流体通道固定安装在前侧磁场发生器和后侧磁场发生器所夹的空间中，为不锈钢制成的扁环型通道，其宽度为300mm，厚度为50mm。分别对前侧和后侧磁场发生器施加8000安匝三相交流电，使流体通道内产生交变磁场，同时通道内的液态金属产生感生电流，该交变磁场与感生电流相互作用产生电磁力，从而驱动流体从流体入口向流体出口流动。
本实施例的励磁电流为200A，频率50Hz下，流体通道中心截面电磁力、速度和温度分布分别如图3、图4所示。在中心截面处，电磁力方向由流体入口指向流体出口，由于电磁力的驱动，液态金属也由流体入口向流体出口运动。同时，由于焦耳热的作用，流体出口温度较于初始温度300K升高了1.5K。
本实施例交流电驱动液态金属电磁泵，能有效增强液态金属的传输效率，其结构简单，且泵体运动机械部件，安全系数高。
实施例四：
本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：
本实施例中，参见图5所示，前后两侧磁场发生器均由磁轭组和缠绕在磁轭组上的线圈组成，且两磁场发生器关于流体通道对称分布，两磁轭上产生的磁极相反，磁轭组由导电性好，矫顽力低，磁损耗低的取向硅钢制成，磁轭背板为薄壁圆环形，内径500mm，外径1000mm，8个磁轭端部水平布置在其磁轭背板上，其夹角为45°，线圈以集中绕组缠绕在磁轭端部，材料为铜导线，冷切方式为水冷。流体通道流体通道固定安装在前侧磁场发生器和后侧磁场发生器所夹的空间中，为由不锈钢制成的扁环型通道，其宽度为300mm，厚度为50mm。分别对前侧和后侧磁场发生器施加10000安匝两相交流电，使流体通道内产生交变磁场，同时通道内的液态金属产生感生电流，该交变磁场与感生电流相互作用产生电磁力，从而驱动流体从流体入口向流体出口流动。
本实施例交流电驱动液态金属电磁泵，能有效增强液态金属的传输效率，其结构简单，且泵体中没有运动机械部件，安全系数高。
实施例五：
本实施例中，参见图6所示，前后两侧磁场发生器均由磁轭组和缠绕在磁轭组上的线圈组成，且两磁场发生器关于流体通道对称分布，两磁轭上产生的磁极相反，磁轭组由导电性好，矫顽力低，磁损耗低的取向硅钢制成，磁轭背板为沿流体通道曲线形，6个磁轭端部水平布置在其磁轭背板上，线圈以集中绕组缠绕在磁轭端部，材料为铜导线，冷切方式为水冷。流体通道流体通道固定安装在前侧磁场发生器和后侧磁场发生器所夹的空间中，为由玻璃纤维材料制成的扁环型通道，其宽度为300mm，厚度为50mm。分别对前侧和后侧磁场发生器施加12000安匝两相交流电，使流体通道内产生交变磁场，同时通道内的液态金属产生感生电流，该交变磁场与感生电流相互作用产生电磁力，从而驱动流体从流体入口向流体出口流动。
本实施例交流电驱动液态金属电磁泵，能有效增强液态金属的传输效率，其结构简单，且泵体没有运动机械部件，安全系数高。
综上所述，上述实施例交流电驱动液态金属电磁泵，包括前侧磁场发生器、后侧磁场发生器、流体通道。流体通道固定安装在前侧磁场发生器和后侧磁场发生器所夹的空间中，两磁场发生器关于流体通道对称分布，通过在线圈中施加交变电流使流体通道内产生交变磁场，同时通道内的液态金属产生感生电流，该交变磁场与感生电流相互作用产生电磁力，从而驱动流体从流体入口向流体出口流动。上述实施例能有效提高不同温度的导电流体，如液态金属的传输效率，同时结构简单，且泵体中不存在运动机械部件，安全系数高，适用于冶金、铸造和原子核能等工业领域。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明交流电驱动液态金属电磁的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种交流电驱动液态金属电磁泵，包括磁场发生器和流体通道(11)，磁场发生器包括位于流体通道(11)前后两侧设置的前侧磁场发生器(1)和后侧磁场发生器(2)，其特征在于：前侧磁场发生器(1)由前侧磁轭组和若干个前侧线圈(3)组成，前侧磁轭组由前侧磁轭背板(5)和若干个前侧磁轭端部(4)组成；后侧磁场发生器(2)由后侧磁轭组和若干个后侧线圈(6)组成，后侧磁轭组由后侧磁轭背板(8)和若干个后侧磁轭端部(7)组成；流体通道(11)固定安装在前侧磁场发生器(1)和后侧磁场发生器(2)所夹的空间中，通过在线圈中施加交变电流，使流体通道(11)内产生交变磁场，同时在交变磁场与感生电流相互作用下使流体通道(11)内的液态金属产生感生电流，从而产生电磁力，进而驱动液态金属流体从流体入口(9)向流体出口(10)流动，实现液态金属的输送。
2.根据权利要求1所述的交流电驱动液态金属电磁泵，其特征在于：前侧磁场发生器(1)与后侧磁场发生器(2)相对于流体通道(11)对称分布，且前侧磁场发生器(1)与后侧磁场发生器(2)的两磁轭上产生的磁极相反。
3.根据权利要求1所述的交流电驱动液态金属电磁泵，其特征在于：磁场发生器的供电方式采用三相交流电或两相交流电。
4.根据权利要求1所述的交流电驱动液态金属电磁泵，其特征在于：磁场发生器的励磁电流和线包匝数的乘积在100-20000安匝之间。
5.根据权利要求1所述的交流电驱动液态金属电磁泵，其特征在于：磁轭背板的形状采用圆形、半圆形或曲线不规则形。
6.根据权利要求1所述的交流电驱动液态金属电磁泵，其特征在于：所述流体通道(11)由不锈钢、硅酸盐隔热材料或玻璃纤维材料制成。
7.根据权利要求1所述的交流电驱动液态金属电磁泵，其特征在于：所述流体通道(11)为扁环型通道。
8.根据权利要求1所述的交流电驱动液态金属电磁泵，其特征在于：前侧磁轭背板(5)和后侧磁轭背板(8)为薄壁圆环形，内径不低于500mm，外径不低于1000mm，设置至少4个磁轭端部水平布置在对应的磁轭背板上，以磁轭背板中心为圆心，相邻的磁轭端部设置位置的夹角不高于90°，各线圈以集中绕组缠绕在磁轭端部，线圈材料为铜导线，冷切方式为水冷。
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