JP2000152600A - Induction-type electromagnetic drive device for conductive fluid - Google Patents

Induction-type electromagnetic drive device for conductive fluid

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JP2000152600A
JP2000152600A JP31901198A JP31901198A JP2000152600A JP 2000152600 A JP2000152600 A JP 2000152600A JP 31901198 A JP31901198 A JP 31901198A JP 31901198 A JP31901198 A JP 31901198A JP 2000152600 A JP2000152600 A JP 2000152600A
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type electromagnetic
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和之 上野
Shinichi Kamiyama
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an induction-type electromagnetic drive device which has high mechanical strength and can be used under high temperature and high pressure while the advantages of the induction-type electromagnetic drive device which can be used in a severe environment as it does not need an electrode and which can use an AC power supply whose current is relatively low are utilized. SOLUTION: The stator 3 of an induction-type electromagnetic drive device is provided on the outer circumference of a cylindrical pipe 2 which is made of insulating material and of which a flow path is composed. The stator 3 provided on the outer circumference of the cylindrical pipe 2 has 3-phase AC windings 32 which are wound spirally in a core 30 with respective shifts of 60 deg. in order to turn the cylindrical pipe 2 with a constant angular frequency ω0 by applying distorted magnetic field (flux density B) to the outer circumference of the pipe 2.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、導電性流体のため
の誘導型電磁駆動装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an inductive electromagnetic drive for a conductive fluid.

【0002】[0002]

【従来の技術】液体金属に代表される導電性流体の流れ
では、作動流体中に電流を流すことが可能であるため、
直接的な電磁力の利用が可能である。この電磁力を利用
した駆動装置(本明細書において、撹拌機能を有する装
置を含む。)は回転する機械部品が無いことなどの多く
の長所があるため、古くから世界各国で研究され、現在
では様々な分野で実用化されている。特に、近年になっ
て製鉄の分野での電磁力利用が盛んになり、より厳しい
環境での安定した作動に対する要請が高まってきてい
る。
2. Description of the Related Art In a flow of a conductive fluid represented by a liquid metal, a current can flow in a working fluid.
Direct use of electromagnetic force is possible. A driving device using this electromagnetic force (including a device having a stirring function in the present specification) has many advantages such as no rotating mechanical parts, and has been studied in various countries around the world for a long time, and has now been developed. It has been put to practical use in various fields. In particular, in recent years, the use of electromagnetic force in the field of steelmaking has become popular, and there has been an increasing demand for stable operation in more severe environments.

【0003】ところで、電磁駆動装置は伝導型と誘導型
に分類することができる。これらの駆動装置の作動原理
は、固体回転子を使った電動機同じであり、それぞれ直
流機と誘導機に対応している。
[0003] Electromagnetic driving devices can be classified into a conduction type and an induction type. The operating principle of these driving devices is the same as that of a motor using a solid rotor, and corresponds to a DC machine and an induction machine, respectively.

【0004】このうち、伝導型電磁駆動装置は、ダクト
壁面に埋め込まれた電極に直流電源を接続して流体中に
電流を流すようにする。この方式は、原理及び装置が簡
単なため、性能予測や実験機での計測なども比較的容易
である。しかしながら、高温の場合や化学活性の高い流
体を使用した場合に、電極が損傷を受けやすいことや、
低電圧大電流の直流電源を必要とすることなどの短所が
ある。
[0004] Among them, the conduction type electromagnetic drive device connects a DC power supply to an electrode embedded in a duct wall surface so that a current flows in a fluid. This method is relatively simple in principle and apparatus, so that performance prediction and measurement with an experimental machine are relatively easy. However, when the temperature is high or a highly active fluid is used, the electrode is easily damaged,
There are disadvantages, such as the need for a low-voltage, large-current DC power supply.

【0005】一方、誘導型電磁駆動装置は、移動磁場に
よる電磁誘導によって電流すようにする。この方式は、
原理的には電極が不要であるため、厳しい環境での利用
に適している。また、比較的低電流の交流電源を利用で
きることも長所の一つである。このため、製鉄などの分
野では、多くの場合、誘導型電磁駆動装置が使われてい
る。
On the other hand, in the induction type electromagnetic drive device, current is generated by electromagnetic induction by a moving magnetic field. This method is
Since no electrodes are required in principle, it is suitable for use in harsh environments. Another advantage is that a relatively low-current AC power supply can be used. For this reason, in fields such as steelmaking, inductive electromagnetic drive devices are often used.

【0006】誘導型電磁駆動装置の代表的なものとし
て、平行平板型(平面正弦波進行磁場)、同心円管型
(軸対称正弦波進行磁場)及び螺旋流路型(一様回転磁
場)の3つが挙げられる。これらの方式の標準的な装置
は、いずれも高温・高圧下での利用は難しい。これは、
平行平板型の流路側壁及び螺旋流路型の流路隔壁は一般
に銅で作られるからである。また、高温時の銅壁の損傷
を避けるために、これらを導電率の低い材料で置き換え
ると、非常に大きな損失が生じる。そのような装置であ
っても撹拌には利用できるが、圧力勾配に対抗した軸方
向駆動に利用するのは難しい。一方、同心円管型は、電
磁力が外壁に近い部分にしか作用しないため、一般には
中心部に強磁性体の円柱を設置する。このため、キュリ
ー点を越える高温では損失が大きく、また、高圧の場合
は構造強度に問題がある。
Representative examples of the induction type electromagnetic driving device include a parallel plate type (plane sinusoidal traveling magnetic field), a concentric tube type (axially symmetric sinusoidal traveling magnetic field) and a spiral flow path type (uniform rotating magnetic field). One is. All of these standard systems are difficult to use under high temperature and high pressure. this is,
This is because the parallel-plate type flow path side wall and the spiral flow path type flow path partition wall are generally made of copper. Also, replacing them with materials of low conductivity to avoid damaging the copper walls at high temperatures results in very large losses. Such devices can be used for agitation, but are difficult to use for axial driving against pressure gradients. On the other hand, in the concentric tube type, since the electromagnetic force acts only on the portion near the outer wall, a ferromagnetic column is generally installed at the center. For this reason, loss is large at a high temperature exceeding the Curie point, and there is a problem in structural strength at a high pressure.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の電磁
駆動装置の有する問題点に鑑み、電極が不要であるた
め、厳しい環境での利用に適しており、また、比較的低
電流の交流電源を利用できる誘導型電磁駆動装置の利点
を生かしながら、機械的強度が高く、高温・高圧下での
利用が可能な誘導型電磁駆動装置を提供することを目的
とする。
SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above-mentioned problems of the electromagnetic driving device, the present invention is suitable for use in a severe environment because no electrode is required. An object of the present invention is to provide an induction-type electromagnetic drive device that has high mechanical strength and can be used under high temperature and high pressure while taking advantage of an induction-type electromagnetic drive device that can use a power supply.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の導電性流体のための誘導型電磁駆動装置
は、導電性流体の流路を横切る磁場にねじりを加え、こ
れを管軸周りに回転させるようにしたことを特徴とす
る。
SUMMARY OF THE INVENTION In order to achieve the above-mentioned object, an induction-type electromagnetic drive device for a conductive fluid according to the present invention applies a twist to a magnetic field traversing a flow path of the conductive fluid, and applies a twist to a tube shaft. It is characterized by being rotated around.

【0009】この場合において、鉄心に三相交流固定子
巻線を螺旋状に配設することにより、誘導型電磁駆動装
置を構成することができる。
In this case, an inductive electromagnetic drive device can be formed by arranging the three-phase AC stator winding spirally on the iron core.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】以下、本発明の導電性流体のため
の誘導型電磁駆動装置の実施の形態を図面に基づいて説
明する。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a perspective view of an inductive electromagnetic drive device for a conductive fluid according to an embodiment of the present invention.

【0011】まず、本発明の導電性流体のための誘導型
電磁駆動装置の基本性能を示すために、円管流路内の電
磁場及び流れ場の理論解析を行う。ここで、簡単のため
磁気レイノルズ数は充分に小さいと仮定し、流路内電流
による誘導磁場は無視する。また、流路は充分に長いも
のと仮定し、端効果を無視する。得られた結果を使って
理論上の性能を示す。
First, in order to show the basic performance of the induction type electromagnetic driving device for a conductive fluid of the present invention, a theoretical analysis of an electromagnetic field and a flow field in a circular channel is performed. Here, for simplicity, it is assumed that the magnetic Reynolds number is sufficiently small, and the induced magnetic field due to the current in the flow path is ignored. Also, assume that the flow path is sufficiently long, and ignore the end effect. The theoretical performance is shown using the results obtained.

【0012】本発明の導電性流体のための誘導型電磁駆
動装置の誘導機の流路及び磁場分布の概略を図1に示
す。流路1は半径R0の絶縁体の円管2で構成する。こ
の円管2の外周に誘導型電磁駆動装置の固定子3を設置
し、円管2の外周からねじれ磁場(磁束密度B)を印加
し、それを一定角周波数ω0で回転させる。このような
磁場は、回転磁場であると同時にz方向の進行磁場でも
ある。このため、円管2によって構成される流路1内の
導電性流体は、回転トルクだけでなく軸方向の電磁力を
受ける。
FIG. 1 schematically shows the flow path and magnetic field distribution of the induction machine of the induction type electromagnetic drive for conductive fluid of the present invention. The flow path 1 is composed of an insulating circular tube 2 having a radius R 0 . The stator 3 of the induction type electromagnetic driving device is installed on the outer periphery of the circular tube 2, a torsional magnetic field (magnetic flux density B) is applied from the outer periphery of the circular tube 2, and it is rotated at a constant angular frequency ω 0 . Such a magnetic field is not only a rotating magnetic field but also a traveling magnetic field in the z direction. For this reason, the conductive fluid in the flow path 1 constituted by the circular tube 2 receives not only the rotational torque but also the electromagnetic force in the axial direction.

【0013】定式化に際し、以下のように仮定する。 (1) 電磁流体力学的(MHD)近似が可能である。 (a) 対流電流は伝導電流に比べて充分小さく無視で
きる。 (b) 変位電流は無視できる。 (c) 静電気力はローレンツ力に比べて充分小さく無
視できる。 (2) 作動流体は非圧縮性ニュートン流体であり、密
度ρ、粘度η、導電率σ、透磁率μは一定値である。 (3) 磁気レイノルズ数Rmは1より充分小さい。こ
の場合、流体中の電流による誘導磁場は無視でき、磁場
は外部印加磁場で近似できる(ただし、大型の装置に関
して精密な解析をする場合には、この仮定をせずに流路
内部電流の影響を考慮する必要がある。しかし、小型装
置で流速があまり大きくない場合にはこの仮定が良い近
似で成り立つ。また、その解析結果は大型装置の場合の
第一近似としても有用である。)。 (4) 流路及び磁場印加領域は充分に長く、端効果は
無視できる(ただし、実際の装置では端効果が無視でき
ない場合が多い。)。
In the formulation, the following is assumed. (1) Magnetohydrodynamic (MHD) approximation is possible. (A) The convection current is sufficiently smaller than the conduction current and can be ignored. (B) Displacement current is negligible. (C) The electrostatic force is sufficiently smaller than the Lorentz force and can be ignored. (2) The working fluid is an incompressible Newtonian fluid, and the density ρ, viscosity η, conductivity σ, and magnetic permeability μ are constant values. (3) magnetic Reynolds number R m is sufficiently smaller than 1. In this case, the magnetic field induced by the current in the fluid can be neglected, and the magnetic field can be approximated by the externally applied magnetic field. However, this assumption holds for a good approximation when the flow velocity is not so large for a small device. The analysis result is also useful as a first approximation for a large device.) (4) The flow path and the magnetic field application region are sufficiently long, and the end effect can be neglected (however, in many cases, the end effect cannot be ignored in an actual apparatus).

【0014】固定子の設計目標として次のような磁束密
度分布を管壁上で与える。
As a design target of the stator, the following magnetic flux density distribution is given on the tube wall.

【0015】[0015]

【式1】 (Equation 1)

【0016】ここで、^は有次元の変数であることを示
し、k0は軸方向の波数を表す。ここでは、理想的な固
定子(後述)によって管壁上の磁束密度分布が式(1)
のように維持されるものとして流路内部の解析を行な
う。
Here, ^ indicates a dimensional variable, and k 0 indicates a wave number in the axial direction. Here, the magnetic flux density distribution on the tube wall is expressed by the following equation (1) using an ideal stator (described later).
The analysis inside the flow path is performed assuming that the above is maintained.

【0017】問題設定から、代表長さR0、代表時間T0
=ω0 -1、代表磁束密度B0が与えられる。また、代表速
度をU0=R0ω0とする。これらを使ってオームの法則
及び運動方程式の各項を評価し、以下のような代表電場
0、代表電流j0及び代表圧力p0を得る。
From the question setting, the representative length R 0 and the representative time T 0
= Ω 0 -1 and the representative magnetic flux density B 0 . Also, the representative speed is set to U 0 = R 0 ω 0 . These are used to evaluate each term of Ohm's law and equation of motion to obtain the following representative electric field E 0 , representative current j 0 and representative pressure p 0 .

【0018】[0018]

【式2】 (Equation 2)

【0019】これらの代表量を使って各変数を規格・無
次元化する。
Each variable is standardized and dimensionless using these representative quantities.

【0020】電磁場及び流れ場を支配する方程式は無次
元形で以下のように表される。
The equations governing the electromagnetic and flow fields are expressed in a dimensionless form as follows:

【0021】[0021]

【式3】 (Equation 3)

【0022】方程式及び境界条件中に現れた無次元パラ
メータは、
The dimensionless parameters that appear in the equations and boundary conditions are:

【0023】[0023]

【式4】 (Equation 4)

【0024】パラメータαは円管2によって構成される
流路1の円周と磁場の軸方向波長との比で、磁場のねじ
れ具合を表す。ここでは「ねじり比」と呼ぶ。ハルトマ
ン数の2乗Ha2は主流でのローレンツ力と粘性力との
比を評価した値であり、境界層の厚さはHa-1で特徴づ
けられる。相互作用パラメータ(スチュワート数)Nは
主流でのローレンツ力と慣性力の比を評価した値で、慣
性の効果を特徴づけるパラメータである。磁気レイノル
ズ数Rmは流路内電流による誘導磁場と外部印加磁場と
の比を評価した値で、誘導磁場の効果を特徴づけるパラ
メータである。ここでは、磁気レイノルズ数がRm<<
1の場合を考えているので、アンペールの法則式(4)
を次のように近似する:
The parameter α is the ratio of the circumference of the flow path 1 formed by the circular tube 2 to the axial wavelength of the magnetic field, and represents the degree of twist of the magnetic field. Here, it is called “torsion ratio”. The square of the Hartmann number, Ha 2, is a value obtained by evaluating the ratio of Lorentz force to viscous force in the mainstream, and the thickness of the boundary layer is characterized by Ha −1 . The interaction parameter (Stewart number) N is a value that evaluates the ratio of the Lorentz force to the inertia force in the mainstream, and is a parameter that characterizes the effect of inertia. Magnetic Reynolds number R m is a value obtained by evaluating the ratio of the induced magnetic field and the external magnetic field due to the flow path within the current, a parameter characterizing the effect of the induced magnetic field. Here, the magnetic Reynolds number is R m <<
Since the case of 1 is considered, Ampere's law equation (4)
Is approximated as:

【0025】[0025]

【式5】 (Equation 5)

【0026】そこで、磁束密度Bに関するスカラー・ポ
テンシャルψを次のように定義する。
Therefore, a scalar potential に 関 す る with respect to the magnetic flux density B is defined as follows.

【0027】[0027]

【式6】 (Equation 6)

【0028】ガウスの法則式(3)に代入すると、Substituting into Gauss's law equation (3),

【0029】[0029]

【式7】 Equation 7

【0030】境界条件は、式(10)の第1式より、From the first equation of equation (10), the boundary condition is

【0031】[0031]

【式8】 (Equation 8)

【0032】電場Eを次のように置く。The electric field E is set as follows.

【0033】[0033]

【式9】 [Equation 9]

【0034】ここで、ezは管軸方向の単位ベクトルを
示す。右辺第1項は静電場を表し、第2項はz方向に進
行する磁場によって発生する誘導起電力を表す。(ここ
で、進行磁場とともに移動する座標系から観測すると、
[0034] Here, e z is a unit vector in the axial direction of the tube. The first term on the right side represents an electrostatic field, and the second term represents an induced electromotive force generated by a magnetic field traveling in the z direction. (Here, when observing from a coordinate system that moves with the traveling magnetic field,

【0035】[0035]

【式10】 (Equation 10)

【0036】となる。その場合の電場はスカラー・ポテ
ンシャルφのみで表すことができる。これをローレンツ
変換によって静止座標系での電場に書き直すと式(1
6)が得られる。) ファラデーの法則(5)に式(13)、式(16)を代
入すると、
## EQU1 ## The electric field in that case can be represented only by the scalar potential φ. When this is rewritten into an electric field in a stationary coordinate system by Lorentz transformation, the equation (1) is obtained.
6) is obtained. ) Substituting equations (13) and (16) into Faraday's law (5),

【0037】[0037]

【式11】 [Equation 11]

【0038】を得る。端効果が無視できる場合、上式は
自動的に満足される。オームの法則(7)に式(1
3)、式(16)を代入すると、
Is obtained. If the end effect is negligible, the above equation is automatically satisfied. Equation (1) is given by Ohm's law (7).
3) Substituting equation (16) gives

【0039】[0039]

【式12】 (Equation 12)

【0040】これを電荷の保存則(6)に代入すると、Substituting this into the law of conservation of charge (6) gives

【0041】[0041]

【式13】 (Equation 13)

【0042】境界条件式(10)の第2式に式(18)
を代入し、流体の粘着条件u=0を考慮すると、
Equation (18) is added to the second equation of boundary condition equation (10).
And considering the fluid adhesion condition u = 0,

【0043】[0043]

【式14】 (Equation 14)

【0044】式(14)、式(15)は独立した微分方
程式の境界値問題であり、他の未知変数に先立ってψを
求めることができる。得られたψを既知関数として取り
扱うと、式(8)、式(9)及び式(19)はu,p,
φに関する閉じた連立微分方程式となり、境界条件は式
(10)の第3式及び式(20)で与えられる。ただ
し、補助的な式として式(13)、式(18)を使って
それぞれB,jを与える。
Equations (14) and (15) are boundary value problems of independent differential equations, and ψ can be obtained prior to other unknown variables. When the obtained ψ is treated as a known function, Equations (8), (9) and (19) can be expressed as u, p,
It becomes a closed simultaneous differential equation with respect to φ, and the boundary condition is given by the third expression of Expression (10) and Expression (20). However, B and j are given by using equations (13) and (18) as auxiliary equations.

【0045】充分に時間が経過した後の解はtに関する
周期解となる。しかし、流れ場及び電場は非線形方程式
に支配されるので複素振幅を使った変数分離は不可能で
ある。磁場がねじれていることを考慮して、独立変数を
次のように置き換える。
The solution after a sufficient time has elapsed is a periodic solution for t. However, since the flow field and the electric field are governed by nonlinear equations, variable separation using complex amplitude is not possible. Considering that the magnetic field is twisted, the independent variables are replaced as follows.

【0046】[0046]

【式15】 (Equation 15)

【0047】変換後の独立変数を使って考えると、流れ
が層流であるなら定常解が存在する。また、端効果が無
視できる場合は圧力pを除いた変数はZに依存しない。
Considering the converted independent variables, if the flow is laminar, there is a steady solution. If the end effect can be ignored, the variables except for the pressure p do not depend on Z.

【0048】[0048]

【式16】 (Equation 16)

【0049】と置くことができる。この変換により、
(r,θ,z;t)に関する非定常三次元問題が(R,
Θ)に関する定常二次元問題に帰着する。(端効果を考
慮する場合は(R,Θ,Z)に関する定常三次元問題と
なる。) 独立変数(R,Θ)の関数として得られた結果は、任意
の時刻t・任意の断面zでのr−θ平面内の分布に等し
い。ただし、式(21)の第3式を使ってΘをθに変換
する必要がある。
Can be placed. With this conversion,
The unsteady three-dimensional problem for (r, θ, z; t) is (R,
The result is a stationary two-dimensional problem concerning (i). (If the end effect is considered, it becomes a stationary three-dimensional problem with respect to (R, Θ, Z).) The result obtained as a function of the independent variable (R, Θ) is obtained at any time t and any cross section z. In the r-θ plane. However, it is necessary to convert Θ into θ by using the third expression of Expression (21).

【0050】式(14)、式(15)を(R,Θ)で表
すと、
When Expressions (14) and (15) are represented by (R, Θ),

【0051】[0051]

【式17】 (Equation 17)

【0052】式(19)、式(20)を(R,Θ)で表
すと、
When Expressions (19) and (20) are represented by (R, Θ),

【0053】[0053]

【式18】 (Equation 18)

【0054】また、式(8)、式(9)及び式(10)
の第3式を(R,Θ)で表すと、
The expressions (8), (9) and (10)
Is represented by (R, Θ),

【0055】[0055]

【式19】 (Equation 19)

【0056】もし、定常状態になるまでの過渡的な振る
舞いに興味があるなら、Tに関する微分項を運動方程式
(29)〜(31)の慣性項に付け加えればよい。
If one is interested in the transient behavior until the steady state is reached, the derivative term relating to T may be added to the inertia terms of the equations of motion (29) to (31).

【0057】式(24)〜式(33)は閉じた方程式系
である。したがって、陽に磁束密度及び電場を求めるこ
となく、解が得られる。もし、磁束密度及び電場の分布
が必要なら、以下の式で計算できる。
Equations (24) to (33) are closed equations. Therefore, a solution can be obtained without explicitly seeking the magnetic flux density and electric field. If the distribution of magnetic flux density and electric field is required, it can be calculated by the following equation.

【0058】[0058]

【式20】 (Equation 20)

【0059】ところで、磁束密度は流速に依存せず、式
(24)、式(25)の解によって与えられる。スカラ
ーポテンシャルψを次のように置く。
Incidentally, the magnetic flux density does not depend on the flow velocity, but is given by the solutions of the equations (24) and (25). The scalar potential ψ is set as follows.

【0060】[0060]

【式21】 (Equation 21)

【0061】式(24)、式(25)に代入すると、By substituting into equations (24) and (25),

【0062】[0062]

【式22】 (Equation 22)

【0063】解は一次の第一種変形ベッセル関数I
1(x)を使って次のように表される。
The solution is a first-order modified Bessel function of the first kind I
It is expressed as follows using 1 (x).

【0064】[0064]

【式23】 (Equation 23)

【0065】また、電位φは流速に依存するが、始動時
はu=0なので容易に解析解を求めることができる。こ
の場合のφを次のように置く。
Although the potential φ depends on the flow velocity, an analytical solution can be easily obtained since u = 0 at the start. In this case, φ is set as follows.

【0066】[0066]

【式24】 (Equation 24)

【0067】式(26)、式(27)に代入し、u=0
とすると、
Substituting into equations (26) and (27), u = 0
Then

【0068】[0068]

【式25】 (Equation 25)

【0069】解は第一種変形ベッセル関数I1(x)及
びその微分I1’(x)=dI1/dx=I0(x)−I1
(x)/xを使って次のように表される。
The solution is a modified Bessel function of the first kind I 1 (x) and its derivative I 1 ′ (x) = dI 1 / dx = I 0 (x) −I 1
It is expressed as follows using (x) / x.

【0070】[0070]

【式26】 (Equation 26)

【0071】始動時の駆動力のΘ方向平均(実時間平均
と同じ)は、
The average of the driving force at the start in the 始 動 direction (the same as the average in real time) is

【0072】[0072]

【式27】 [Equation 27]

【0073】また、駆動力の断面内平均は、The average in the cross section of the driving force is

【0074】[0074]

【式28】 (Equation 28)

【0075】[0075]

【式29】 (Equation 29)

【0076】一般に、誘導機はある速度に達すると同期
状態になりj=0となる。ここでは、同期速度として次
のような剛体運動を仮定する。
In general, when the induction machine reaches a certain speed, it is synchronized and j = 0. Here, the following rigid body motion is assumed as the synchronization speed.

【0077】[0077]

【式30】 [Equation 30]

【0078】この場合、オームの法則式(33)から直
ちに次の同期条件
In this case, the following synchronization condition is immediately obtained from Ohm's law equation (33).

【0079】[0079]

【式31】 (Equation 31)

【0080】が導出される。上式は同期速度が一意的に
定まらないことを示している。このことは回転ねじれ磁
場を使う場合の特筆すべき事実であり、駆動装置の性能
を議論する上で重要である。実際の円管2によって構成
される流路1内流れでは、管壁上で粘着条件式(32)
が満足されなければならないので、式(46)のような
剛体運動はありえない。(回転ねじれ磁場を金属塊のレ
ビテーションに利用する場合は上述のような一意でない
同期条件を考慮しなければならない。同期速度に達する
と浮上力が働かなくなるので、何らかの方法でこれを避
けなければならない。) したがって、同期条件は境界層の影響によって修正さ
れ、一意性を得るものと予想される。
Is derived. The above equation indicates that the synchronization speed is not uniquely determined. This is a remarkable fact when a rotating torsional magnetic field is used, and is important in discussing the performance of a driving device. In the actual flow in the flow path 1 constituted by the circular pipe 2, the adhesive condition expression (32)
Must be satisfied, there is no rigid body motion as in equation (46). (When using a rotating torsional magnetic field for the levitation of a metal lump, the above-mentioned non-unique synchronization conditions must be considered. If the synchronization speed is reached, the levitation force will not work. Therefore, it is expected that the synchronization condition will be modified by the influence of the boundary layer to obtain uniqueness.

【0081】流体の慣性がある程度大きいと、流体は磁
場のねじれに追従できず直進しようとする。この場合で
も、流速の旋回成分は無視できないが、近似的に軸対称
流れu=(0,uθ(R),uz(R))として取り扱
える条件範囲が存在すると予想される。
When the inertia of the fluid is large to some extent, the fluid cannot follow the torsion of the magnetic field and tends to go straight. Even in this case, the swirling component of the flow velocity cannot be ignored, but it is expected that there is a condition range that can be approximately handled as an axisymmetric flow u = (0, uθ (R), u z (R)).

【0082】[0082]

【式32】 (Equation 32)

【0083】ここで、φを次のように置く。Here, φ is set as follows.

【0084】[0084]

【式33】 (Equation 33)

【0085】[0085]

【式34】 (Equation 34)

【0086】また、式(48)を運動方程式(30)及
び(31)に代入してから周方向平均(実時間平均と同
じ)をとると、
Further, by substituting equation (48) into equations of motion (30) and (31) and taking the circumferential average (same as the real-time average),

【0087】[0087]

【式35】 (Equation 35)

【0088】境界条件は式(27)、式(32)よりThe boundary conditions are obtained from the equations (27) and (32).

【0089】[0089]

【式36】 (Equation 36)

【0090】中心領域では粘性項はHa-2程度の微小項
であり、無視できる。その場合の解は、
In the central region, the viscous term is a minute term of about Ha- 2 and can be ignored. The solution in that case is

【0091】[0091]

【式37】 [Equation 37]

【0092】ここでaは未知定数。Here, a is an unknown constant.

【0093】[0093]

【式38】 (Equation 38)

【0094】ここでf’は管壁R=1でのdf/dRを
示す。境界条件式(52)の第2、第3式を満足する解
は、
Here, f 'indicates df / dR when the tube wall R = 1. The solution satisfying the second and third expressions of the boundary condition expression (52) is

【0095】[0095]

【式39】 (Equation 39)

【0096】中心領域の解式(53)と境界層の解式
(56)の接続条件から、
From the connection conditions of the central area solution (53) and the boundary layer solution (56),

【0097】[0097]

【式40】 (Equation 40)

【0098】解をComposite Expansi
on(初項のみ)の形で表すと以下のようになる。
[0098] The solution is
Expressed in the form of on (first term only),

【0099】[0099]

【式41】 (Equation 41)

【0100】ところで、実際の誘導型電磁駆動装置にお
いて、固定子は、鉄心に細い巻線が幾重にも巻かれて構
成される。ここでは簡単のため、巻線をカレントシート
で置き換える。この場合、円管2によって構成される流
路1の管壁、カレントシート、鉄心内壁はすべて同心の
円筒であり、流路1の管壁とカレントシートは流路内径
2R0に比べて充分に薄いものとする。また、カレント
シートの外側に配置される鉄心の材質は理想的で、透磁
率が極めて大きく導電率が極めて小さいもとのする。カ
レントシートを挟んでアンペールの法則を適用すると、
Incidentally, in an actual induction type electromagnetic drive device, the stator is formed by winding a thin winding around an iron core multiple times. Here, the winding is replaced with a current sheet for simplicity. In this case, the tube wall composed channel 1 by circular pipe 2, a current sheet, all core inner wall concentric cylinder, the tube wall and the current sheet in the flow channel 1 is sufficiently than the flow path inner diameter 2R 0 Shall be thin. The material of the iron core disposed outside the current sheet is ideal, and has a very high magnetic permeability and a very low conductivity. Applying Ampere's law across the current sheet,

【0101】[0101]

【式42】 (Equation 42)

【0102】固定子の設計目標式(1)及び電荷の保存
Stator design target equation (1) and charge conservation law

【0103】[0103]

【式43】 (Equation 43)

【0104】を満足するにはIn order to satisfy

【0105】[0105]

【式44】 (Equation 44)

【0106】式(62)は、カレントシートの電流が場
所に依らず、
Equation (62) indicates that the current of the current sheet is independent of the location,

【0107】[0107]

【式45】 (Equation 45)

【0108】三相交流の固定子巻線を、60゜ずつずら
して螺旋状に巻くことで、上述のような磁場を発生させ
ることができる。鉄心の溝や巻線が螺旋状になること以
外は、三相二極誘導電動機の固定子と同様である。
The above-described magnetic field can be generated by spirally winding the three-phase AC stator windings at an angle of 60 °. It is the same as the stator of the three-phase two-pole induction motor, except that the core groove and the winding are spiral.

【0109】[0109]

【実施例】本発明の導電性流体のための誘導型電磁駆動
装置の一実施例を図3に示す。この誘導型電磁駆動装置
は、流路1を構成する絶縁体の円管2の外周に固定子3
を設置し、円管2の外周からねじれ磁場(磁束密度B)
を印加し、それを一定角周波数ω0で回転させることが
できるように、円管2の外周に設置する固定子3を、三
相交流の巻線32を、鉄心30に60゜ずつずらして螺
旋状に巻いて構成するようにしたものである。この場合
において、鉄心30は、プレス加工等により60゜おき
に凹部31aを形成した所要の板厚(薄板)のドーナツ
状の電磁鋼板31を、所定角度ずつずらしながら積層す
ることにより、巻線32を挿通するための螺旋状の凹溝
30aを簡易、かつ正確に形成するようにしたもので、
この凹溝30a内に巻線32を挿通することにより、三
相交流の巻線32を、60゜ずつずらして螺旋状に配設
することができるようにしたものである。そして、巻線
32は、図3(b)に示すように、例えば、第一相32
a、第二相32b及び第三相32cを順に配列するよう
にする。(なお、図中の○印は、電流の方向を示す。) これにより、流路1を横切る磁場にねじりを加え、これ
を管軸周りに回転させるようにすることが可能となり、
流路1全体に電磁力が作用させることができ、また、流
路1を構成する円管2の管壁が絶縁体であっても損失は
小さいことから、管壁の材質に制約を受けることがな
く、機械的強度が高く、高温・高圧下での利用が可能と
なる。
FIG. 3 shows an embodiment of an induction type electromagnetic driving device for a conductive fluid according to the present invention. This induction type electromagnetic drive device comprises a stator 3
And twisted magnetic field (magnetic flux density B) from the outer circumference of the circular tube 2
So that the stator 3 installed on the outer periphery of the circular tube 2 is shifted by 60 ° from the three-phase AC winding 32 to the iron core 30 so that it can be rotated at a constant angular frequency ω 0. It is configured to be wound spirally. In this case, the iron core 30 is formed by laminating a donut-shaped electromagnetic steel plate 31 having a required thickness (thin plate) in which recesses 31a are formed at intervals of 60 ° by pressing or the like while being shifted by a predetermined angle. A simple and accurate spiral groove 30a for inserting
By inserting the windings 32 into the concave grooves 30a, the three-phase alternating-current windings 32 can be spirally arranged by being shifted by 60 °. Then, as shown in FIG. 3B, the winding 32 is, for example, a first phase 32.
a, the second phase 32b and the third phase 32c are arranged in order. (Note that the circles in the figure indicate the direction of the current.) This makes it possible to apply a twist to the magnetic field crossing the flow path 1 and rotate it around the tube axis.
Electromagnetic force can be applied to the entire flow path 1, and the loss is small even if the pipe wall of the circular pipe 2 constituting the flow path 1 is an insulator, so that the material of the pipe wall is restricted. It has high mechanical strength and can be used under high temperature and high pressure.

【0110】そして、本発明の導電性流体のための誘導
型電磁駆動装置は、具体的には、以下の用途に適用する
ことが可能である。この誘導型電磁駆動装置を連続鋳造
機の浸漬ノズルに取り付けると、非接触で流量制御が可
能になり、原理的には、流入を完全停止させることや逆
流させることが可能で、また、流量制御と同時に、浸漬
ノズル内で旋回流を与えることができる。この旋回流に
よる鋳型内の流れの安定化が期待される。この誘導型電
磁駆動装置は、耐久性や機械強度の点で優れている。ま
た、この誘導型電磁駆動装置を溝型誘導炉に取り付ける
と、誘導加熱された流体が溝から高速で排出される。こ
れにより、介在物の溝内壁への付着が防止され、メイン
テナンスの労力が著しく軽減されると期待される。ま
た、炉内の温度が均一化される。また、この誘導型電磁
駆動装置は、レビテーション装置に適用することも可能
である。この場合、溶融金属の塊が空中に浮上・保持さ
れる。
The inductive electromagnetic drive device for a conductive fluid according to the present invention can be specifically applied to the following uses. When this induction-type electromagnetic drive device is attached to the immersion nozzle of a continuous casting machine, it is possible to control the flow rate in a non-contact manner, and in principle, it is possible to completely stop the inflow or reverse the flow. At the same time, a swirling flow can be provided in the immersion nozzle. It is expected that the flow in the mold is stabilized by the swirling flow. This induction type electromagnetic drive device is excellent in durability and mechanical strength. Further, when this induction type electromagnetic drive device is attached to a groove type induction furnace, the fluid heated by induction heating is discharged from the groove at a high speed. Thereby, it is expected that the inclusions are prevented from adhering to the inner wall of the groove, and the maintenance labor is remarkably reduced. Further, the temperature in the furnace is made uniform. Further, the induction type electromagnetic drive device can be applied to a levitation device. In this case, the lump of the molten metal floats and is held in the air.

【0111】[0111]

【発明の効果】本発明の導電性流体のための誘導型電磁
駆動装置は、導電性流体の流路を横切る磁場にねじりを
加え、これを管軸周りに回転させるようにすることによ
り、流路全体に電磁力が作用させることができ、また、
流路管壁が絶縁体であっても損失は小さいことから、流
路管壁の材質に制約を受けることがなく、機械的強度が
高く、高温・高圧下での利用が可能である。
The inductive electromagnetic drive device for a conductive fluid according to the present invention applies a twist to a magnetic field traversing the flow path of the conductive fluid and rotates the magnetic field around the pipe axis. Electromagnetic force can act on the whole road,
Since the loss is small even when the flow path pipe wall is an insulator, the material of the flow path pipe wall is not restricted, the mechanical strength is high, and it can be used under high temperature and high pressure.

【0112】また、鉄心に三相交流固定子巻線を螺旋状
に配設して誘導型電磁駆動装置を構成することにより、
固定子の三相交流は正確に120°の位相差を保つの
で、電力損失を小さくすることができる。
Further, by forming a three-phase AC stator winding spirally on an iron core to constitute an induction type electromagnetic drive device,
Since the three-phase alternating current of the stator maintains a phase difference of exactly 120 °, power loss can be reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の導電性流体のための誘導型電磁駆動装
置の概略を示す説明図である。
FIG. 1 is an explanatory view schematically showing an induction type electromagnetic driving device for a conductive fluid according to the present invention.

【図2】始動時駆動力のねじり比依存特性を示すグラフ
図である。
FIG. 2 is a graph showing a torsional ratio dependence of a starting driving force.

【図3】本発明の導電性流体のための誘導型電磁駆動装
置の一実施例を示す説明図で、(a)は縦断面斜視図、
(b)は平面図ある。
3A and 3B are explanatory views showing an embodiment of an induction type electromagnetic driving device for a conductive fluid of the present invention, wherein FIG.
(B) is a plan view.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 流路 2 円管 3 固定子 30 鉄心 31 電磁鋼板 32 巻線 B ねじれ磁場の磁束密度 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Flow path 2 Circular tube 3 Stator 30 Iron core 31 Magnetic steel sheet 32 Winding B Magnetic flux density of a torsion magnetic field

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) F27D 11/06 F27D 11/06 B (71)出願人 591026274 富士電波エンジニアリング株式会社 大阪府大阪市西淀川区柏里1丁目10番3号 (72)発明者 上野 和之 宮城県仙台市青葉区片平二丁目1−1 東 北大学流体科学研究所内 (72)発明者 神山 新一 宮城県仙台市青葉区落合三丁目10−18 Fターム(参考) 4E004 MB11 4E014 LA17 4K063 AA00 AA12 AA19 BA02 BA03 CA06 FA35 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI theme coat ゛ (Reference) F27D 11/06 F27D 11/06 B (71) Applicant 591026274 Fuji Electric Engineering Co., Ltd. Kashiwa, Nishiyodogawa-ku, Osaka-shi, Osaka 1-10-3 Sato (72) Inventor Kazuyuki Ueno 2-1-1 Katahira Research Institute, Tohoku University, Aoba-ku, Sendai, Miyagi Prefecture (72) Inventor Shinichi Kamiyama Ochiai-san, Aoba-ku, Sendai, Miyagi Prefecture 10-18 F term (reference) 4E004 MB11 4E014 LA17 4K063 AA00 AA12 AA19 BA02 BA03 CA06 FA35

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 導電性流体の流路を横切る磁場にねじり
を加え、これを管軸周りに回転させるようにしたことを
特徴とする導電性流体のための誘導型電磁駆動装置。
1. An inductive electromagnetic drive device for a conductive fluid, wherein a torsion is applied to a magnetic field traversing a flow path of the conductive fluid, and the magnetic field is rotated about a tube axis.
【請求項2】 鉄心に三相交流固定子巻線を螺旋状に配
設したことを特徴とする請求項1記載の導電性流体のた
めの誘導型電磁駆動装置。
2. The induction type electromagnetic drive device for a conductive fluid according to claim 1, wherein a three-phase AC stator winding is spirally disposed on the iron core.
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