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技术与支持

直流电磁泵磁感应强度数值模拟

发布时间:2020-1-27 10:57:11  浏览:

随着电磁理论与电磁流体力学的不断发展,电磁技术已广泛应用于材料加工领域。液态金属的传输方式正在向节能低耗、无污染、易操作等方向发展,电磁泵的出现正满足了这一发展要求,在有色金属的传输过程中被广泛应用。利用电磁泵传输液态金属,其主要原理是向金属液体同时施加电场与磁场,在洛伦兹力的驱动作用下,液态金属将发生定向运动。电磁泵传输液态金属,克服了液态金属传输过程中高温、易氧化、危险系数高等问题,同时可细化晶粒,减少金属内部夹杂,有效地提高纯净度。

针对粘度高、过热度低且极易氧化的铝、镁等有色金属,在压力铸造过程中,传统的手工方法很难稳定、连续地浇注,并难以满足精度要求,且生产效率低、铸件废品率高、生产过程不稳定。利用电磁泵传输液态金属,自动化程度较高,可有效地控制金属流速与流量,以满足铸造需求。电磁泵驱动作用的大小与其内部电磁区域磁场的分布相关,而磁场分布要受到电磁铁的结构、励磁电流的大小及通电导线线圈匝数的影响。由于电磁场并非真实存在的物理场,且极易受到外界环境干扰,使得实验研究和数据采集具有一定的局限性。基于以上问题,利用ANSYS静磁场分析模块,对电磁泵磁铁区域进行了三维模拟,直观地显示磁场的分布特点,并探究了聚磁头截面尺寸、励磁电流大小及线圈匝数对磁场强度的影响。

1、电磁铁模型建立与网格划分

实验采用的电磁泵,其内部铁芯结构如图1,铁芯采用聚磁结构,铁芯截面为正方形。参照示意图建立电磁区域三维计算模型,模型分为铁芯、线圈和空气3个部分,为使模拟结果更贴近实际,将空气分为近场与远场两部分,其中铁芯内部及铁芯表层空气(距铁芯表面100mm)为近场空气,近场空气外层200mm范围为远场空气,铁芯其他工况条件见表1。

 

 

铁芯及近场空气区域定义为8节点SOLID96六面体磁场分析单元,远场空气区域定义为4节点INFIN47分析单元,此单元可以较好地描述远场衰减,计算结果更为准确。几何模型建立完成后,采用Sweep方法分别对各个部分进行网格划分,设置最小单元长度为5mm,对于铁芯聚磁头间隙处,将空气区域单独建立模型,并对网格加密处理,远场空气网格控制为一层,整体模型网格数约为26万,局部网格剖分情况如图2。

 

设置空气相对磁导率为1,铁芯材料为DT4电工磁铁,相对磁导率以B-H曲线形式设置。考虑到计算过程中有可能出现病态矩阵,故设置线圈几何中心处节点的磁位为0。在磁标量位方法中,可使用RSP(简化标势法)、DSP(差分标势法)和GSP(通用标势法)3种分析方法,铁芯结构为带有开口的单连通铁区,DSP分析方法更适合于单连通计算,故本文采用DSP计算磁场结果。

2、模拟结果与分析

2.1一种工况条件下的模拟结果

图3为线圈匝数为20匝、每匝线圈电流1500A、聚磁头截面尺寸为40mm×40mm工况条件时铁芯周围磁感应强度分布的模拟结果。从图3看出,磁感应强度在线圈处取得最大值,沿铁芯向聚磁头方向磁感应强度急剧衰减,在聚磁头间隙处衰减至最小值。由图3细节磁感线矢量分布可看出,聚磁头间隙处磁感应强度矢量有外扩现象,表明在磁隙处存在漏磁现象,漏磁现象的存在为铁芯和空气的相对磁导率相差较多所致,为减少漏磁现象的发生,可适当减小聚磁头间距。


 

2.2聚磁头截面尺寸的影响

由于聚磁效应的存在,聚磁头截面积尺寸对间隙处磁感应强度有重要影响,为研究磁感应强度分布的变化规律,在铁芯其他尺寸不变,励磁电流为1100、1300、1500A,线圈匝数为20情况下,调整聚磁头截面尺寸(见表1),分别建立有限元模型并计算。图4为铁芯截面积为100mm×100mm时不同聚磁头截面尺寸作用下磁头间隙处磁感应强度均值分布,在3种励磁电流情况下,间隙处磁感应强度均值均在聚磁头截面尺寸为50mm×50mm(2500mm2)时取得最大值,当截面尺寸小于50mm×50mm时,磁隙处磁感应强度急剧下降,而当截面尺寸大于50mm×50mm时,磁感应强度亦呈下降趋势,但变化较为平缓。

 

为探究铁芯截面积与聚磁头截面积最优关系,分别选取铁芯截面积分别为80mm×80mm和120mm×120mm两种情况进行计算,其中励磁电流为1300A,线圈匝数取20匝,计算结果如图5所示。由图5看出,当铁芯截面积为80mm×80mm时,磁感应强度在聚磁头截面积为50mm×50mm时取得最大值,当铁芯截面积为120mm×120mm时,磁感应强度在聚磁头截面积为60mm×60mm左右取得最大值,结合图4结果可推断,当聚磁头截面积为铁芯截面积的50%~60%时,磁隙处磁感应强度达到最大值。一般情况下,磁感应强度和铁芯截面积存在如下关系:


B= Ø/S       (1)

式中,Ø穿过铁芯截面的磁通量;S铁芯截面积。在线圈外的铁芯存在漏磁现象,尤其是在磁头间隙处,漏磁现象更为严重,此处磁通量应乘以相应衰减率η,此时磁感应强度为B′:

B′=(1-η) Ø/S     (2)

从式(2)看出,当减小聚磁头截面积时,磁感应强度将进一步增强。但当聚磁头截面积过小时,磁隙处漏磁现象进一步增加,导致η增大,故磁隙处磁感应强度又会有所降低。

2.3励磁电流的影响

励磁电流是影响磁场强度的重要因素,为探究励磁电流大小对间隙处磁感应强度的影响,在铁芯尺寸保持不变情况下,分别取聚磁头截面为40×40、50×50、60×60mm2,线圈匝数为20匝,建立有限元模型并计算。图6为不同励磁电流情况下对应的磁隙处磁感应强度,随励磁电流增加,磁隙处磁感应强度整体呈上升趋势。但当励磁电流大于1300A时,磁感应强度上升幅度很小,结合电工纯铁特性可知,在励磁电流为1300A时铁芯基本达到磁感应强度饱和状态,即继续增大电流,铁芯的磁化程度也不会有明显提高,综合考虑生产中能耗问题,电磁泵励磁电流为1300A左右是较为理想的。

2.4线圈匝数的影响

上已叙及,在线圈匝数一定的情况下励磁电流对间隙处磁感应强度的影响。现固定聚磁头截面积为50mm×50mm、励磁电流分别为1100、1300和1500A情况下进行间隙处磁感应强度计算,结果如图7。由图7看出,3种励磁电流作用下,间隙处磁感应强度均随线圈匝数的增加而增大,但当线圈匝数超过20匝时,磁感应强度基本保持不变,即磁感应强度达到饱和状态。由上述分析看出,当线圈匝数达到某一定值时,继续增加匝数,间隙处磁感应强度将不再随之改变,故本实验室电磁铁饱和线圈匝数约为20匝。


3结论

(1)电磁铁铁芯聚磁头间隙处存在漏磁现象,与其他位置相比,磁感应强度较低。

(2)随聚磁头截面尺寸的增大,间隙处磁感应强度先增大后减小,当聚磁头截面积为铁芯截面积的50%~60%时,磁感应强度达到最大值。

(3)在其他参量一定的情况下,随电磁铁励磁电流的增加,间隙处磁感应强度整体呈增大趋势,电流大于1300A,磁感应强度增大幅度变小,即励磁电流为1300A时磁感应强度达到饱和。

(4)随线圈匝数的增加,间隙处磁感应强度不断增大,匝数多于20匝,磁感应强度已基本不变,间隙处磁感应强度达到饱和。

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