一种用于悬浮10～600g大体积金属材料的双层电磁线圈

摘要

本发明涉及一种用于悬浮10～600g大体积金属材料的双层电磁线圈，是在现有小质量金属的电磁悬浮实验方法基础上，通过在悬浮物距离较近的地方增加多匝外层线圈并对构型进行优化调节，解决现有技术中由于电磁线圈悬浮性能差导致悬浮样品质量小、尺寸小的技术缺陷，以实现大体积金属的稳定悬浮和加热。本发明线圈已成功用于悬浮质量为300～600g，尺寸在40～60mm的各种金属体的电磁悬浮实验。同时，本发明线圈的悬浮性能十分突出，所以该类线圈在小质量物料的电磁悬浮实验中也同样体现出巨大优势。如利用内径30mm的该类构型线圈，针对5～50g Al、Cu、Ti和Ni的系列悬浮实验表明，电流幅值相比同等匝数下单层线圈减少33.8％。

权利要求

1.一种用于悬浮10～600g大体积金属材料的双层电磁线圈，其特征在于包括上端稳定线圈和下端悬浮线圈；下端线圈与上端线圈为反向串联绕制，绕匝间距为0.7～2.5mm；所述上端线圈为3匝，内径为10～85mm；所述下端线圈为5～10匝且呈双层分布，其中内层线圈的内径为10～80mm，且匝数多于或等于外层；所述上端线圈和下端线圈之间的间距为15～

70mm；所述下端悬浮线圈的内层线圈为向下锥形开口状，夹角小于60°；绕制线圈的材料采用直径为4～10mm的空心铜导管；或电磁悬浮线圈采用空心方铜管时，截面面积为10～

100mm2，外侧包裹绝缘层；悬浮对象通过绝缘杆定位在悬浮区域，当电流增加至悬浮力足以抵抗重力时，撤离绝缘杆。

说明书

一种用于悬浮10～600g大体积金属材料的双层电磁线圈

技术领域

[0001] 本发明属于基于电磁感应原理加热金属材料的电磁悬浮线圈，涉及一种用于悬浮10～600g大体积金属材料的双层电磁线圈，利用该类线圈结构，悬浮对象尺寸可达50mm，质量超过600g，该线圈为双层构型，通过内外层线圈构型的合理配置及优化调节，具有悬浮性能强的特点，主要应用于高纯精炼金属及其合金、新材料制备合成等领域。

背景技术

[0002] 对物料的加热，在生活中是一种十分常见的加工方式，也是工业中一个重要的处理环节。相比传统电阻丝加热，电磁感应加热具有速度快、效率高、温度高和杂质污染少等优点。在金属材料的制备过程中，焦耳效应、趋肤效应以及液态金属中电磁力的搅拌作用对凝固的微观组织、相变过程以及成分形态均有着深刻的影响。这些特点使其在高纯金属精炼、高温合金熔炼及工件淬火等加工领域有着极为广阔的应用前景。

[0003] 从涡流与磁场产生力效应的角度来说，电磁线圈产生的高频电磁场可提供很大的电磁力，使样品在加热过程中实现悬浮成为可能。基于此技术原理，人们在20世纪50年代实现了地面条件的电磁悬浮无容器处理，见文献：Rony  P R,The electromagnetic levitation of metals[R]:Lawrence Radiation Laboratory/University of California:Berkeley,CA,USA,1964。这一技术逐渐发展成熟。直到今天，研究对象的熔点从数百度到2000度不等，涉及半导体、金属及其各类合金，从而深入地开展了以金属材料的深过冷、相分离及凝固理论等为代表的基础研究。同时，借助电磁悬浮技术高效的、可控的加热效应，可使处于高真空或者保护气体氛围的物质均匀挥发，由此拓展为一种制备新型纳米材料的方法。目前，人们基于此技术实现Fe、Ti等金属或合金的纳米颗粒制备，见文献：Mohammadi A V,Halali M.Synthesis and characterization of pure metallic titanium nanoparticles by an electromagnetic levitation melting gas condensation method[J].RSC Advances,2014,4(14):7104-7108.；以及Kermanpur A,Rizi B N,Vaghayenegar M,et al.Bulk synthesis of monodisperse Fe nanoparticles by electromagnetic levitational gas condensation method[J].Materials Letters,
2009,63(5):575-577.。利用该方法制备的纳米颗粒具有颗粒污染少、生成速率高等特点。

[0004] 以上关于电磁悬浮的应用多为科学研究领域，所悬浮加热的物料质量在0.5～10g居多，属于小质量金属的电磁悬浮试验，见文献：Moghimi Z,Halali M,Nusheh M.An investigation on the temperature and stability behavior in the levitation melting of nickel[J].Metallurgical and Materials Transactions B,2006,37(6):997-1005，以及王晓冬,商凯东,巴德纯等.电磁悬浮熔炼系统的结构及其悬浮力的研究[J].真空,2006,43(6):26-29。在2008年的一篇关于电磁悬浮的综述中提及，见文献：
Bakhtiyarov S I,Siginer D A.Electromagnetic Levitation Part I:Theoretical and Experimental Considerations[J].FDMP:Fluid Dynamics&Materials Processing,2008,
4(2):99-112.。1982年，Etay和Garnier认为，由于技术缺陷，电磁悬浮熔炼难以在商业领域得到应用。截止目前，对于更大质量金属的悬浮实验或者工业应用比较少，更鲜有关于100g甚至超过500g金属电磁悬浮的实验报道，这充分说明大体积电磁悬浮技术还面临一系列未能彻底解决的问题。从操作流程上看，金属的成功悬浮是其他后续处理的必备条件，所以此类技术的关键问题是“如何有效地提高电磁线圈悬浮性能”。

[0005] 常规线圈多为单层结构及其衍生构型，它们具有加工简单，容易绕制的特点，完全满足悬浮小质量金属的要求。在此条件下提高悬浮金属体电磁力的方式大体分为两种：一是提高高频电流，二是增多悬浮线圈组匝数。从金属体所受到的电磁力计算公式可得知，力与电流幅值的平方成正比，所以前者对电磁力的提升效果是十分明显，从理论上说也是最方便、快捷地一种方式。但实际上，最大电流受制于加热设备且较高的电流意味着产生更多热量，此时悬浮力的控制同时也时刻影响着加热功率的控制。后者是利用叠加的更多匝线圈提高悬浮区域的磁场，在输出电流不变的前提下达到增大电磁力的目的。该方案同样存在一些弊端：如增加的线圈与样品的距离会逐渐增加，悬浮区域磁场的叠加效果会逐渐减弱。对此，本文作者针对内径30mm线圈(铜线直径5mm)与直径22mm铜质金属的组合进行了系统的数值仿真实验，发现当增加到第8匝时，金属体受到的悬浮力提升量已经低于5％，在增加到12匝以后，悬浮力的提升效果已经趋近于0，该模拟结果在实验中也已经得到证明，可以推测其他类似线圈组合也存在上述情况。

[0006] 从以上分析可知，线圈的悬浮性能与线圈构型有着密切的关系，同时在第二种提升方法中，悬浮力提升效果减弱是因为增加的线圈距离样品更远导致。本文作者尝试在单层线圈结构基础上合理增加外层线圈来解决该问题，通过分析调整内外层线圈的配置关系，克服双层线圈结构带来的电路匹配问题。相比同等匝数单层线圈，发现线圈悬浮力的提升量超过1倍，实验中显示最小悬浮电流减小33.8％。基于该设计方案实现了高达662g金属体的悬浮加热实验。进一步的，依据仿真实验结果对双层线圈构型进行优化和调整，使悬浮金属体所需的最小悬浮电流下降5～13％。

发明内容

[0007] 要解决的技术问题

[0008] 为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种用于悬浮10～600g大体积金属材料的双层电磁线圈。

[0009] 技术方案

[0010] 一种用于悬浮10～600g大体积金属材料的双层电磁线圈，其特征在于包括上端稳定线圈和下端悬浮线圈；下端线圈与上端线圈为反向串联绕制，绕匝间距为0.7～2.5mm；所述上端线圈为1～3匝，内径为10～85mm；所述下端线圈为5～10匝且呈双层分布，其中内层线圈的内径为10～80mm，且匝数多于或等于外层；所述两个线圈之间的间距为15～70mm；所述绕制线圈的材料采用直径为4～10mm的空心铜导管，外侧包裹绝缘层。

[0011] 所述下端悬浮线圈的内层线圈为向下锥形开口状，夹角小于60°。

[0012] 所述电磁悬浮线圈采用空心方铜管时，截面面积为10～100mm2。

[0013] 有益效果

[0014] 本发明提出的一种用于悬浮10～600g大体积金属材料的双层电磁线圈，是在现有小质量金属的电磁悬浮实验方法基础上，通过在悬浮物距离较近的地方增加多匝外层线圈并对构型进行优化调节，解决现有技术中由于电磁线圈悬浮性能差导致悬浮样品质量小、尺寸小的技术缺陷，以实现大体积金属的稳定悬浮和加热。本发明线圈已成功用于悬浮质量为300～600g，尺寸在40～60mm的各种金属体的电磁悬浮实验。同时，本发明线圈的悬浮性能十分突出，所以该类线圈在小质量物料的电磁悬浮实验中也同样体现出巨大优势。如利用内径30mm的该类构型线圈，针对5～50g Al、Cu、Ti和Ni的系列悬浮实验表明，电流幅值相比同等匝数下单层线圈减少33.8％。

[0015] 在该类线圈结构中，悬浮对象尺寸可达50mm，质量超过600g的金属体，该线圈为双层构型具有悬浮性能强的特点，主要应用于高纯精炼金属及其合金、新材料制备合成等领域。

[0016] 本发明在单层线圈结构基础上合理增加外层线圈并调整、优化内外层线圈配置来解决现有线圈悬浮力弱的缺点，可实现质量远高于现有电磁悬浮系统的物料悬浮加热。具有以下优点：

[0017] (1)本发明在金属体附近的空间增加数匝外层线圈结构，在上端稳定线圈与下端悬浮线圈之间的悬浮区域产生更强的磁场，金属体所受的电磁力将得到显著提升。悬浮重量上，实现质量为10～600g金属的电磁悬浮实验，目前质量最大已达到662g；从各种金属体的悬浮效果来看，与同匝数单层线圈相比，使平均最小悬浮电流下降33.8％。

[0018] (2)本发明的内层线圈下部可呈一定角度的锥形开口构型，此举可进一步改善线圈系统的悬浮性能。实验表明，悬浮300～600g范围内的同一金属体所需最小悬浮电流下降5～13％。

[0019] (3)针对大体积金属的悬浮试验，线圈所用铜管材质为方形铜管。相比传统圆形紫铜管，更大的空心区域可流通更多冷却水，大大改善线圈发热现象，同时避免电路过流造成损坏。

附图说明

[0020] 图1为悬浮300～600g金属的电磁悬浮线圈的结构剖面图；

[0021] 图2为悬浮300～600g金属的电磁悬浮线圈的结构示意图；

[0022] 图3为悬浮300～600g金属的电磁悬浮线圈优化后的结构剖面图；

[0023] 图4为悬浮300～600g金属的电磁悬浮线圈优化后的结构示意图；

[0024] 图5为利用双层线圈设计实现悬浮300～600g各种金属的实物图；

[0025] 图6为利用双层线圈的优化结构实现悬浮300～600g各种金属的实物图；

[0026] 图中：1为上端线圈，2为电流和水冷装置接口端，3为下端内层线圈，4为下端外层线圈，5为上下线圈连接铜线，6为金属球。

具体实施方式

[0027] 现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

[0028] 本发明提供一种电磁悬浮线圈构型设计方案，在现有小质量金属的电磁悬浮实验方法基础上，通过在悬浮物距离较近的地方增加多匝外层线圈并对构型进行优化调节，解决现有技术中由于电磁线圈悬浮性能差导致悬浮样品质量小、尺寸小的技术缺陷，以实现大体积金属的稳定悬浮和加热。此类线圈已成功用于悬浮质量为300～600g，尺寸在40～60mm各种金属体的电磁悬浮实验。同时，本发明线圈的悬浮性能十分突出，所以该类线圈在小质量物料的电磁悬浮实验中也同样显示出巨大优势。如利用内径30mm的该类构型线圈，针对5～50g Al、Cu、Ti和Ni的系列悬浮实验表明，电流幅值相比同等匝数下单层线圈减少
33.8％。

[0029] 一种大体积金属的电磁悬浮线圈设计，悬浮线圈为空心铜管绕制的双层结构。其特殊之处是所述的线圈结构存在内外层，内外层总匝数及各层匝数的配置视具体情况而定，相等或者相近；所述的线圈内层线圈下部可呈一定角度的锥形开口，以进一步提高线圈悬浮性能。该发明的特征在于所用材料截面为空心铜导线，该导线规格、截面为空心圆形或者方形，线圈两端可外接水冷装置构成水循环系统。

[0030] 基于上述方法制作的一种用于悬浮300～600g金属材料的电磁悬浮线圈，该线圈由上端稳定线圈和下端悬浮线圈串联而成。其特征在于：下端悬浮线圈匝数为8～10匝呈双层分布，其中内层线圈半径较小且匝数较多，外层线圈紧密贴合内层线圈串联绕制，匝数较少。上端线圈匝数为1～2匝，上端线圈与下端线圈的间距为40～60mm，下端线圈、上端线圈的内径为40～60mm，铜线外侧包裹绝缘层。在此基础上，其优化结构的特殊之处在于下端数匝线圈呈向下锥形开口状，夹角30～60°，可进一步提高悬浮能力。

[0031] 具体实施例参见图1～4，给出了悬浮300～600g金属的一种双层电磁悬浮线圈的具体结构，图5、6为利用上述方法实现各类金属电磁悬浮的实物图。线圈设计过程：

[0032] (1)根据已知悬浮对象的尺寸，设定合理的双层线圈内径、匝数、铜线规格等参数。

[0033] (2)绕制上述设计规格的双层电磁悬浮线圈，并检查空心铜管的通水性能。

[0034] 实施例1见图1和图2：

[0035] 下端线圈与上端线圈为反向串联绕制，绕匝间距为0.7～2.5mm；所述上端线圈为1匝，内径为25mm；所述下端线圈为内圈为6匝且呈双层分布，其中内层线圈的内径为25mm，且匝数多于或等于外层，外层为3匝；所述两个线圈之间的间距为50mm；所述绕制线圈的材料采用直径为4～10mm的空心铜导管，外侧包裹绝缘层。

[0036] 实施例2见图3和图4：

[0037] 下端线圈与上端线圈为反向串联绕制，绕匝间距为0.7～2.5mm；所述上端线圈为1匝，内径为25mm；所述下端线圈为内圈为6匝且呈双层分布，其中内层线圈的内径为25mm，且匝数多于或等于外层，外层为3匝；所述两个线圈之间的间距为50mm；所述绕制线圈的材料采用直径为4～10mm的空心铜导管，外侧包裹绝缘层。

[0038] 与实施例1的区别在于下端悬浮线圈的内层线圈自第4匝开始为向下锥形开口状，夹角小于60°。

[0039] 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，开启水冷循环系统以避免高频电流引起线圈过热。

[0040] 悬浮对象首先由绝缘杆定位在悬浮区域(上下线圈之间)，当电流增加至悬浮力足以抵抗重力时，撤离支杆，物料实现在悬浮区域的稳定加热。