聚磁參數(shù)對(duì)直流電磁泵磁場(chǎng)分布影響的數(shù)值模擬

鄭麗麗，盧艷青，李培興

(遼寧科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，遼寧 鞍山 114051)

聚磁參數(shù)對(duì)直流電磁泵磁場(chǎng)分布影響的數(shù)值模擬

鄭麗麗，盧艷青，李培興

(遼寧科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，遼寧 鞍山 114051)

直流電磁泵是鎂合金鑄造過(guò)程的重要設(shè)備，而電磁鐵聚頭長(zhǎng)度和截面積是影響電磁泵效率的關(guān)鍵參數(shù).作者采用ANSYS軟件研究了聚磁頭結(jié)構(gòu)對(duì)電磁泵聚磁頭間隙磁場(chǎng)分布的影響.模擬結(jié)果表明，由于聚磁效應(yīng)，聚磁頭結(jié)構(gòu)能有效提高聚磁頭間隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度，且隨聚磁頭長(zhǎng)度的增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度分布均勻性有所提高;隨著聚磁頭截面特征長(zhǎng)度的增大，聚磁頭間隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度先增大后減小，聚磁頭截面特征長(zhǎng)度為20～30 mm時(shí)聚磁效果最佳.研究結(jié)果對(duì)于深入認(rèn)識(shí)直流電磁泵的磁場(chǎng)特性并對(duì)其優(yōu)化具有理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義.

電磁泵;聚磁參數(shù);磁感應(yīng)強(qiáng)度;數(shù)值模擬

隨著工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步，電磁技術(shù)被廣泛應(yīng)用于冶煉、鑄造、成型等冶金過(guò)程.電磁泵作為電磁技術(shù)應(yīng)用的代表，可實(shí)現(xiàn)金屬液體的定量傳輸，其主要工作原理是向處于磁場(chǎng)中的導(dǎo)電液體施加垂直于磁力線方向的電流，使液體在洛倫茲力的作用下，克服自身重力及摩擦力，發(fā)生定向運(yùn)動(dòng)［1～3］.電磁泵特點(diǎn)主要有［2～4］:輸送過(guò)程平穩(wěn)，液體不易引起湍流;工作環(huán)境密閉，可有效減少夾雜物，提高被輸送液體的純凈度;對(duì)于易氧化的金屬液體，可利用惰性氣體加以保護(hù);金屬液體經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)作用，可有效細(xì)化晶粒;系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)化程序控制.

液態(tài)金屬定量傳輸用直流電磁泵的電磁區(qū)域是其工作核心.電磁泵電磁區(qū)域空間狹小，但其結(jié)構(gòu)對(duì)金屬液的定向定量傳輸起著決定性作用［5］.特別針對(duì)鎂合金澆注過(guò)程，要求電磁泵將低過(guò)熱度、高黏度、易氧化的熔融鎂合金連續(xù)、穩(wěn)定、大流量傳輸至澆注模型中，這便對(duì)電磁泵技術(shù)提出更高要求，合理設(shè)計(jì)電磁區(qū)域結(jié)構(gòu)顯得尤為重要.通電磁鐵是直流電磁泵電磁區(qū)域的基本結(jié)構(gòu)單元之一，電磁鐵的結(jié)構(gòu)和勵(lì)磁電流的大小將直接影響電磁區(qū)域的磁場(chǎng)分布［2］，文獻(xiàn)［6］和文獻(xiàn)［7］指出在勵(lì)磁電流一定的情況下，電磁鐵聚磁頭長(zhǎng)度和截面積等參數(shù)對(duì)磁場(chǎng)分布及磁感應(yīng)強(qiáng)度有重要影響.目前對(duì)電磁泵磁場(chǎng)問(wèn)題的研究，多采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法，但實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，無(wú)法直觀地觀察到磁場(chǎng)的分布情況，且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集具有一定的局限性，使得研究較為困難.計(jì)算機(jī)模擬實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)分布的可視化，能綜合考慮電磁鐵聚磁頭間隙有效空間內(nèi)的電磁環(huán)境，輔助電磁鐵結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì).本文設(shè)計(jì)了聚磁頭長(zhǎng)度和截面積尺寸，研究了上述兩個(gè)因素對(duì)電磁泵聚磁頭間隙磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的影響.

1 電磁鐵聚磁鐵芯結(jié)構(gòu)及其主要參數(shù)

圖1為電磁泵內(nèi)典型的聚磁鐵芯示意圖.電磁鐵工作時(shí)，在兩聚磁頭間隙處產(chǎn)生一定強(qiáng)度的磁場(chǎng)，鎂合金熔融液體流經(jīng)此處時(shí)，將受到相互垂直的磁場(chǎng)和外加電場(chǎng)共同影響的電磁力作用，通過(guò)控制磁場(chǎng)和電場(chǎng)強(qiáng)度，可實(shí)現(xiàn)金屬液的定量傳輸.通電導(dǎo)體所受電磁力大小與聚磁頭間隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度直接相關(guān)，而影響磁感應(yīng)強(qiáng)度的因素又包括勵(lì)磁電流大小、聚磁頭長(zhǎng)度、聚磁頭截面積等三個(gè)主要參數(shù).在此固定電流大小，探究聚磁頭結(jié)構(gòu)對(duì)聚磁頭間隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響.鐵芯模型尺寸見(jiàn)表1.

圖1 聚磁鐵芯結(jié)構(gòu)圖示Fig.1 Schematic illustration of the concentrating magnetism ferrite core

表1 聚磁鐵芯尺寸數(shù)據(jù)Table 1 Size data of the concentrating magnetism ferrite core mm

2 磁極間隙磁場(chǎng)強(qiáng)度仿真的模型與邊界條件

2.1 電磁場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

電磁場(chǎng)的控制模型主要是由Maxwell方程組來(lái)描述，Maxwell方程組由安培環(huán)路定律、法拉第電磁感應(yīng)定律、高斯電通定律(即高斯定律)以及高斯磁通定律四個(gè)定律推導(dǎo)而出，其微分形式如下:

式中，H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m;J為電流密度，A/m2; B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，T.

Maxwell方程組是電磁場(chǎng)有限元分析的基礎(chǔ)與根本出發(fā)點(diǎn)，描述了電場(chǎng)與磁場(chǎng)行為，以及二者間的相互作用與轉(zhuǎn)化，對(duì)電磁場(chǎng)的研究提供了理論依據(jù).

2.2 電磁場(chǎng)物理模型及邊界條件

圖2為電磁泵鐵芯有限元模型，模型分為鐵芯、空氣和線圈三部分.模型中定義所有區(qū)域?yàn)?節(jié)點(diǎn)PLANE13四邊形磁場(chǎng)分析單元.建立模型后，采用Map方法對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置最小單元長(zhǎng)度為2 mm，網(wǎng)格全部為四邊形網(wǎng)格，對(duì)聚磁頭間隙處網(wǎng)格進(jìn)行加密，如圖2(b)所示，整體網(wǎng)格數(shù)量共計(jì)12萬(wàn).由于聚磁鐵芯內(nèi)部區(qū)域及聚磁頭間隙的存在，故建模時(shí)將此處空氣區(qū)域加入到模型當(dāng)中，利用ANSYS軟件自帶建模工具，建立二維鐵芯有限元模型.

圖2(a)所示線圈處通直流電，線圈匝數(shù)為1000匝，每匝線圈電流60 A.定義材料屬性時(shí)，BH數(shù)據(jù)按線性處理，設(shè)置空氣區(qū)和線圈區(qū)相對(duì)磁導(dǎo)率為1，鐵芯區(qū)相對(duì)磁導(dǎo)率為6000.計(jì)算時(shí)，在模型外圍節(jié)點(diǎn)施加空氣場(chǎng)磁力線平行邊界條件.

圖2 聚磁頭磁感應(yīng)強(qiáng)度分析有限元模型Fig.2 The FEM model for magnetic flux density of the concentrating magnetic head(a)—聚磁鐵芯物理模型;(b)—模型網(wǎng)格局部

3 模擬結(jié)果與分析

圖3為在聚磁頭長(zhǎng)度為50 mm、聚磁頭截面特征長(zhǎng)度為50 mm下鐵芯周圍磁感應(yīng)強(qiáng)度分布矢量圖.如圖3(a)所示，磁感應(yīng)強(qiáng)度在線圈處，即鐵芯中心位置取得最大值，而無(wú)線圈的鐵芯處磁感應(yīng)強(qiáng)度相對(duì)較小，特別是在兩聚磁頭間隙處，磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)一步衰減，且此處磁感應(yīng)強(qiáng)度分布不均勻，表明此處磁場(chǎng)強(qiáng)度并非定值，不利于金屬液體的傳輸.從圖3(b)聚磁頭間隙處磁力線分布圖可看出，此處部分磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量方向并不與磁極平行，而是繞開(kāi)磁隙呈弧狀分布，表明在磁隙處存在漏磁現(xiàn)象，漏磁的發(fā)生應(yīng)為鐵芯和空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率不同所致，為減少漏磁現(xiàn)象的發(fā)生，可適當(dāng)減小聚磁頭間距.

由于漏磁現(xiàn)象的發(fā)生，使得聚磁頭間隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度呈非均勻分布，針對(duì)模擬所得結(jié)果，將此區(qū)域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)上的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)值求均值處理，以均值數(shù)據(jù)代表一種聚磁頭結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果，來(lái)探究不同聚磁頭結(jié)構(gòu)對(duì)間隙處磁場(chǎng)分布的影響，求解公式為:

圖3 電磁鐵磁場(chǎng)特性圖Fig.3 The characteristic schema of the electromagnet magnetic field(a)—電磁鐵磁感應(yīng)強(qiáng)度分布;(b)—聚磁頭磁力線分布

3.1 聚磁頭長(zhǎng)度的影響

為增加聚磁頭間隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度，提高磁隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的均勻性，在鐵芯長(zhǎng)度a=780 mm，聚磁頭截面特征長(zhǎng)度g=50 mm的情況下分別調(diào)整聚磁頭長(zhǎng)度s為0(此時(shí)g=100 mm)、100、150、200、260 mm，參照?qǐng)D2分別建立有限元模型并進(jìn)行計(jì)算.圖4為不同聚磁頭長(zhǎng)度作用下磁頭間隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度均值分布.磁頭間隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度均值在聚磁頭長(zhǎng)度為0時(shí)最小，且隨著聚磁頭長(zhǎng)度增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度增強(qiáng)，當(dāng)s=260 mm時(shí)取得最大值.從圖中也可看出，較無(wú)聚磁頭(s=0 mm)作用情況相比，有聚磁頭(s＞50 mm)作用時(shí)磁隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度有較大程度提高，但當(dāng)聚磁頭長(zhǎng)度s大于50 mm后，磁隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度不大.

圖5為s=50 mm和s=260 mm兩種情況下磁隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量圖，深灰色區(qū)域代表磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)值較小，淺灰色代表數(shù)值較大，比較兩種情況可以看出，當(dāng)聚磁頭長(zhǎng)度增加時(shí)，磁隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的均勻性有較大提高.

圖4 磁頭間隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度均值分布Fig.4 Distribution of magnetic flux density mean value on the gap of the concentrating magnetic heads

圖5 磁頭間隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度分布Fig.5 Distribution of magnetic flux density on the gap of the concentrating magnetic heads(a)—s=50 mm;(b)—s=260 mm

由以上分析可以得出，聚磁頭結(jié)構(gòu)的設(shè)置，在磁隙處產(chǎn)生明顯的聚磁效應(yīng)，有效提高了磁隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度.隨著聚磁頭長(zhǎng)度增加，磁隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)微弱，但磁隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的均勻性有較大程度提高.

3.2 聚磁頭截面特征長(zhǎng)度的影響

在探究聚磁頭截面積對(duì)間隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度影響時(shí)，假定磁隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度在與圖1所示平面相垂直的z方向上分布均勻，在二維模型中，利用聚磁頭截面特征長(zhǎng)度g來(lái)等效聚磁頭截面積，建立有限元模型，鐵芯長(zhǎng)度a=780 mm，設(shè)計(jì)聚磁頭長(zhǎng)度s=260 mm，聚磁頭截面特征長(zhǎng)度g分別調(diào)整為10、20、30、40、50、60和80 mm進(jìn)行磁隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度的計(jì)算.

圖6為聚磁頭截面特征長(zhǎng)度不同情況下對(duì)應(yīng)的磁隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度.由圖可以看出，磁隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度在聚磁頭截面特征長(zhǎng)度為20和30 mm時(shí)取得最大值.一般情況下，磁感應(yīng)強(qiáng)度和鐵芯截面積存在如下關(guān)系:

圖6 聚磁頭截面特征長(zhǎng)度對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響Fig.6 Influence of section length of the concentrating magnetic head on the magnetic flux density

式中，φ為穿過(guò)鐵芯截面的磁通量，Wb;S為鐵芯截面積，m2.

線圈以外的鐵芯存在漏磁現(xiàn)象，尤其是在磁頭間隙處，漏磁現(xiàn)象更為嚴(yán)重.此處磁通量應(yīng)乘以相應(yīng)的衰減率η，此時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度B'為:

從式(5)可以看出，當(dāng)減小聚磁頭截面積時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度將進(jìn)一步增強(qiáng).但當(dāng)聚磁頭截面積過(guò)小時(shí)，磁隙處漏磁現(xiàn)象進(jìn)一步增加，導(dǎo)致η增大，故磁隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度又會(huì)有所降低.根據(jù)以上分析，聚磁頭長(zhǎng)度為20～30 mm時(shí)，聚磁效果最佳.

4 結(jié)論

利用ANSYS軟件靜磁場(chǎng)模擬模塊，分析電磁泵磁鐵鐵芯的不同結(jié)構(gòu)對(duì)聚磁頭間隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響，得出如下結(jié)論:

(1)電磁鐵無(wú)線圈鐵芯處存在漏磁現(xiàn)象，聚磁頭間隙處漏磁較為嚴(yán)重，導(dǎo)致間隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度較低;

(2)聚磁頭結(jié)構(gòu)的設(shè)置，使得聚磁頭間隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度明顯提高，且隨著聚磁頭長(zhǎng)度增加，間隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度分布更加均勻;

(3)隨著聚磁頭截面特征長(zhǎng)度的增加，聚磁頭間隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度呈先增加后減小趨勢(shì)，聚磁頭截面特征長(zhǎng)度為20～30 mm時(shí)聚磁效果最好.

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Numerical simulation for influence of magnetic parameters magnetic field distribution of direct current electromagnetic pump

Zheng Lili，Lu Yanqing，Li Peixing

(School of Materials and Metallurgy，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China)

Direct current electromagnetic pump is an important equipment for magnesium alloy casting.Concentrating magnetic head length and its sectional dimension are the key parameters influencing the electromagnetic pump working efficiency.ANSYS was used to study influence of the concentrating magnetic head structure on the magnetic head gap magnetic flux density.The results showed that the magnetic flux density on the gap of the concentrating magnetic heads is enhanced obviously because of the concentrating magnetic effect，distribution uniformity of the magnetic flux density is improved with the increment of the concentrating magnetic head length;with increment of the magnetic head section length，the gap magnetic flux density increases first and then decreases，the best effect occurs when the magnetic head section length is between 20～30 mm.It believed that the findings have theoretical and practical meanings for deeply understanding and optimizing the direct current electromagnetic pump magnetic field characteristics.

electromagnetic pump;concentrating magnetic parameters;magnetic flux density;numerical simulation

TG 233.1

A

1671-6620(2014)01-0074-05

2013-10-12.

鞍山市科技計(jì)劃項(xiàng)目 (2010SF01，2012MS33).

鄭麗麗 (1988—)，女，遼寧科技大學(xué)碩士研究生，E－mail:zhenglili903@163.com;盧艷青 (1972—)，女，遼寧科技大學(xué)教授，E－mail:luyanqing77@163.com.