专利名称：一种控制和驱散工业生产中有害等离子体的运动磁场发生装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种控制和驱散等离子体的技术，具体涉及对工业生产中的 有害等离子体进行控制和消除的装置，最常见的有害等离子体发生在激光焊接中， 在电力系统的断路器(也称开关)中，有时也发生在激光发生器中。
背景技术：
在用高功率激光进行焊接时，在工件表面上会形成等离子体，这个等离于体 将影响焊接的正常进行。对于激光焊接中的等离子体目前采用的主要方法是川保 护气体吹除等离子体，然而这种方法的缺点是保护气体比较昂贵，且由于保护气 体与工件的相互作用，使焊接的质量难以控制，且只能有效地抑制粉红色的等离 子体而不能完全抑制天蓝色的等离子体。其它方法如激光脉冲和激光摆动以及真 空激光焊接法由于工艺复杂而缺乏实用性。另_ 、种有害的等离子体发生在电力系统的断路器中，当断路器进行开断或关 合动作时，开关触头间将因热击穿和电击穿产生等离子体(也称电弧)，必须迅速 熄灭这种电弧，否则将使开关触头烧毁，使开断或关合无法实现，而造成电力系 统的重大故障和设备损坏。经过多年的技术发展，目前灭弧技术主要采用真空断路器和SF6 (六氟化硫)断路器。但是，真空断路器在使用中由于灭弧室漏气， 真空度不足而故障率较高，且在较高电压(36/40.5KV)等级容量增大有困难，限 制操作过电压难度增大。SF6断路器目前虽得到广泛发展，但其液压机构工作可靠 性差，也使SF6断路器故障率较高。此外，SF6断路器一个致命问题是尽管SF6气体相比起来对温室效应影响 最小，但它已被列为温室效应气体。在环保要求日益严格的形势下，很可能有一 天像在冰箱中禁止使用含氟工质一样SF6被禁止使用，因此寻求一种灭弧效率可 靠而又免除上述问题的灭弧技术成为必要。在气体激光器内，当激光强度超过工作气体的阈值，使工作气体击穿而产生 等离子体而限制气体激光器的运转。目前，除了加强腔体的冷却外，在可得到的 文献中尚未发现有解决此问题的其它方法。以上所述有害等离子体，均需寻求一个更为简便和有效的方式进行控制和消除
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种能够简便并有效控制和驱散这些有害等离子 体的装置，具体为一种运动磁场的发生装置。本实用新型提供的运动磁场发生装置，含有多组排列的磁极、绕组，绕组分 别连接多相位交流电。其中，所述磁极和绕组分别对称按相位顺序循环排列在一固定圆环上，磁极 指向圆环中心区域，每组磁极上的绕组分别依次接入多相电源，每组磁极的磁场 方向均为异相相对。具体地，所述磁极和绕组为三组共六个磁极，每组磁极上的 绕组分别依次接入三相电源。或者，所述磁极分两排，N-S相对,成直线排列并连接在截面为矩形的磁路上，绕组 以直线电动机静子的方式绕在磁极上，最少应有1-5个接A， B， C相电源的绕组 按相位顺序循环排列(A， B， C, A， B, C ， A， B， C, A， B， C， ...1-5个)。以上所述运动磁场发生装置中，所用交流电的电相位数为三相，周率为50Hz， 电压为220 V或380 V。本实用新型中，所称工业生产中的有害等离子体包括发生在激光焊接中 的、电力系统断路器中的、气体激光器中的等离子体以及其它工业生产中的 有害等离子体。本实用新型的技术方案以运动磁场的方式控制和消除工业生产中的有害等 离子体，运动磁场的发生装置使用简便，可有效消除诸如激光焊接中的有害等离 子体，本实用新型较传统保护气体吹除方法可以更有效地控制和驱散激光焊接等 离子体，可以避免保护气体吹除法的缺点，并且有助于激光焊接的进行。
图1是本实用新型一种实施方式结构示意图，该例中用旋转磁场来控制和驱 散等离子体。图2是图1的俯视图；图1是图2的X-X剖面示意图。图3是本实用新型另一种实施方式结构示意图，该例中用直线运动磁场来控 制和驱散等离子体。图4是图3的俯视图。图5是图3直线运动磁场中绕组的情况，其中序号1'、 2'、 3'……15'为绕组 所放置的线槽序号，序号所示的直线代表示绕组置于线槽内的有效边。图6是图4中a-a剖面结构示意图。
具体实施方式
本实用新型主要依据电磁场理论而实施。根据电磁场理论，在一般情况下，磁场中的导体在垂直于磁场方向运动时， 就在磁场和导体运动的正交方向产生电场。这就是最古老的法拉第电磁感应定律。 如果联结成回路，则将在电场方向上产生电流。电流和磁场的相互作用产生力。 在一定条件下，这个力能够大到足以显著改变导体的运动状态。不管导体是固体、 液体或气体，上述本质上都是一样的。磁流体发电正是基于这一原理而提出并实 现的。这是本实用新型的理论依据、也是本实用新型的实质和核心和特征所在。本实用新型中运动磁场的含义是指与上述等离子体发生持续相对运动的磁 场。这种相对运动包括旋转运动、直线运动和两种运动的组合。用多种方式均可 以产生运动磁场。实例一旋转磁场发生装置参见图1和图2所示，为本实用新型一种实施结构示意图，是用旋转磁场来 控制和驱散等离子体。图中，l表示激光束，2表示激光焊接中产生的等离子体，3表示被焊接的工件，4表示两磁极，磁极的截面为矩形(如图所示，也可做成其 它形状)，5表示磁极上的绕组，6表示截面为矩形的环形磁路，N、 S表示某一 时刻的磁场方向。再结合图1与图2所示，该用于控制和驱散等离子体的装置，由三组磁极4 环状排列而成，如图2所示，A、 B、 C三组共六个磁极4分别对称按相位顺序循 环连接在一环形磁路6上(磁芯及环形磁路由导磁材料制成)，磁极4指向圆环中 心区域，每组磁极4上的绕组5分别依次接入三相电源A、 B、 C，且A、 B、 C 每组磁极的磁场方向均为异向相对；用不同电相位的电流(三相时例如为50Hz， 220或380 V)联结磁极4，通电后，通以交流电的A、 B、 C组的绕组所产生的 交变磁场在六个磁极围成的区域内就形成一个旋转磁场，旋转磁场的中心线即为 六个磁极所对准的中心线，即为该装置的中心线。使用时，以驱散激光焊接中等 离子体为例，将该装置中心区域对着工件被焊接处，激光束1产生的等离子体2 落入到该装置中心区域范围内，该装置通电后产生的交变磁场即形成相对于该等 离子体2产生一个等效的旋转运动磁场。该装置中，当这些磁极沿圆周排列且磁极指向圆心(如图2所示)，即产生
一个旋转磁场(这个原理和一般感应电动机静子中产生旋转磁场的原理是一样 的)。由f等离子体是一种导体，如果将旋转磁场的中心对准等离子体的圆心，则 等离子体在旋转磁场的作用下将旋转起来(这个原理和实心转子感应电动机的工 作原理是一样的。等离子体在旋转磁场的作用下旋转起来后， 一方面与周围冷空 气发生强烈的热和质量交换，另一方面由于离心力的作用，等离子体向四周扩散， 等离子体的高度降低，且在其中心形成低压而吸入冷空气，使等离子体形成酒杯 状，此时，等离子体成为笼式转子而继续旋转。 一方面其内外表面均与周围冷空 气发生激烈的热和质量交换， 一方面继续向四周扩散，直至等离子大部被周闱冷 空气冷却稀释和猝灭，即被控制驱散到激光束可正常工作的程度。该装置中，在前述基础上，还可以通过以下方式实现对所述等离子体的控制。一种方式改变交变电流的周率，既可为50HZ也可大于或小于50HZ， iU 压也可以通过调压装置使其不同于220V或380V，通过改变周率和电压数值，使 产生的磁场强度和运动速度发生变化从而控制等离子体被驱散的程度；另一种方式通过选择电流的相位数，使其既可多于三相也可少于三相，并 对应改变磁极组的数量，以形成多相交替的运动磁场，也可以改变磁场运动速度 从而改变等离子体旋转的速度和扩散速度从而控制等离子体被驱散的程度；再一种方式使旋转磁场的圆心与等离子体的中心重合，等离子体可以均匀旋转而被驱散；使等离子体的中心偏离旋转磁场的圆心(但需在其运动磁场区 域中)，等离子体将同时产生"公转"和'自转"的旋转，同样也能达到控制和 驱散激光束等离子体的效果；还一种方式改变不同绕组的匝数(线圈圈数)，从而使每组产生的磁场强度不同，进而使其中的等离子体产生旋转速度的变化，同样能达到控制和驱散激 光束等离子体的效果。在本实用新型中，设计一对N.S磁极之间距离至少为25mm，磁极沿激光束方 向厚度小于50mm，磁场强度可以控制在2000G范围内。如果用恒稳磁场对激光 焊接等离子体作用，实验表明磁场强度在0-500G有作用但不明显，这是因为在 激光焊接等离子体中，只有微弱的电子流动，电子与磁场的相对运动小所致。lfU 本实用新型的运动磁场将产生与等离子体中电子较大的相对运动，电子所受电动 力大大加大，因而采用同样数量级的磁场强度已足够驱散和控制激光焊接中的等 离子体。本实用新型在用旋转磁场来驱散等离子体时，由于部分磁力线将通过工件 表面层，因此在进行激光深熔焊接时，这个旋转磁场不但可以驱散孔中的等离f体，也可使孔中的液态金属也旋转起来，由于离心力的作用使液态金属挤向四周， 而加大激光束的工作深度。这个功能是任何现有的其它控制和驱散等离子体的技 术所不具备的。实例二直线运动磁场发生装置参见图3至图6所示，是用直线运动磁场来控制和驱散等离子体的示意阁， 图中，1为激光束，2为等离子体，3为工件，4为磁极，5为绕组(和一般感应 电动机静子的绕组一样)，6为截面为矩形的磁路，N、 S为某一时刻的磁场方向； 图5中l'、 2'……15，为绕组所放置的线槽序号，序号所示的直线代表示绕组置 于线槽内的有效边，U、 W、 V分别代表联结三相电源的绕组。参见图3和图4所示，该例用于控制和驱散等离子体的装贾，所述磁极4 分两排,N-S相对，成直线排列并连接在截面为矩形的磁路6上，绕组以直线电动 机静子的方式绕在磁极上，最少应有1-5个接A， B， C相电源的绕组按相位顺序 循环排列(A, B, C， A, B， C ， A， B， C， A， B， C,…本例中有5组)，这些磁极4连接在一 截面为矩形的磁路6上，绕组5绕磁极4的形式和排列顺序和一般直线电动机静 f (初级)相同，磁极数可根据实际数增减。绕组也可为其它形式。该装置中，当这些磁极沿直线排列连，两排磁极相向排列(如图4所示,必 要时可只使用一排磁极)，因直线是圆周的展开，沿圆周循坏排列的不同磁极与不 同相位的交流电可形成沿圆周运动的磁场(旋转磁场)把磁极所排列的圆周展开 成直线，则形成一个以一定速度沿直线运动的磁场。以控制和驱散激光焊接等离 于体为例，激光束以及其产生的等离子体置于该磁场内(参见图4)，由于等离子 体是一种导体，如果将直线运动的磁场的中心对准等离子体的中心，则和直线感 应电动机工作原理一样，这些磁极组成直线感应电动机的初级，而等离子体成为 次级。当磁场沿激光束行走方向或其他方向运动时，与等离子体发生与磁场垂宵. 的相对运动，根据上述法拉第电磁感应定律，等离子体沿激光束方向将产生电流， 此电流'j磁场相互作用又产生电运力，丛而把等离子体向磁场运动方向驱动，离 开激光束，并在与周围冷空气进行热和质量交换，受到冷却稀释和猝灭，即被驱 散到激光束可正常工作的程度。以上所说的工作原理和运动磁场来搅拌液态金属，以及在浮法玻璃生产中用 交变磁场来驱散玻璃面上的溶化的锡层的原理是一样的。由于直线运动磁场发生装置即为旋转磁场发生装置的展开，所以上述用于旋转 磁场的控制方式均可用于直线运动磁场的发生装置。以上两例中，将运动磁场发生装置与激光束发生装置的支架连在一起，这样^激光束行走时即可保持运动磁场发生装置与激光束同步行走，从而达到随时跟踪 激光等离子体而控制与驱散的目的。本实用新型上述实例一和实例二的装置，除可以用于驱散和控制激光焊接中 的等离亍体，还可用于驱散开关触头间的电弧，此时触头中心线位置取代实例-和实例二中激光束的位置。此外，所用交流电的周率应大大高于断路器的工作频率(几十倍，成百倍或更高于其工作频率)。另一方面，对实例一的装置稍做变化，可应用于对激光发生器中的等离子体 的控制与驱散。在该应用中，磁极的高度应大致与激光发生器腔体长度相等。使 用时，由于磁极沿腔体外周环形布置，使激光发生器产生的激光束穿过该装赏的 旋转磁场的区域，这样当激光在腔内击穿气体而发生离子体时及时将其驱散到腔 体内壁四周，而得以及时冷却和消除。以上具体描述了本实用新型控制和驱散等离子体的具体装置与实施方式，综 合而言，在激光焊接中使用上述的运动磁场发生部件控制和驱散等离子体只需消 耗较小的电能，且不会对焊接的热工况产生影响，从而能避免保护气体吹除的缺 点；同样，使用电方法产生的运动磁场也可用来控制和驱散其它情况的等离子体， 如电力断路器开断和关合时的等离子体和激光发生器中的等离子体。因此本实用 新型应用领域很宽。用于本实用新型中的运动磁场的产生有很多种，除了以上描述的旋转磁场和 直线运动磁场外，从理论上说，使具有恒稳磁场的磁极作机械运动所形成的运动 磁场同样可以与等离子体发生相对运动而起到上述控制和驱散等离子体的作用， 但是一般情况下，产生机械运动的较简便的方法是由电动机驱动，而电动机本身 又是由交变磁场产生的运动磁场驱动的，所以这种作法可能使装置结构更为复杂。 本实用新型使运动磁场和等离子体的相互作用实现对等离子体的控制'.J驱 散，运动磁场的产生装置和感应电动机静子原理一样，其还可以有更多实施方式， 在此不---一赘述，本领域技术人员采用与本实用新型相同原理做出的等效变化， 均应包含在本实用新型之中。
权利要求1、一种控制和驱散工业生产中的有害等离子体的运动磁场发生装置，具特征在于，含有多组排列的磁极和绕组，绕组分别连接多相位交流电。
2、 根据权利要求1所述运动磁场发生装置，其特征在于，所述磁极和绕 组分别对称按相位顺序循环排列在一固定圆环上，磁极指向圆环中心区域，每 组磁极上的绕组分别依次接入多相电源，每组磁极的磁场方向均为异相相对。
3、 根据权利要求2所述运动磁场发生装置，其特征在于，所述磁极和绕 组为三组共六个磁极，每组磁极上的绕组分别依次接入三相电源。
4、 根据权利要求1所述运动磁场发生装置，其特征在于，所述磁极分两 排，N-S相对，成直线排列并连接在截面为矩形的磁路上，绕组以直线电动机 静子的方式绕在磁极上，最少应有1-5个接A， B， C相电源的绕组按相位顺序 循环排列。
5、 根据权利要求1至4任一所述运动磁场发生装置，其特征在于，所川 交流电的电相位数为三相，周率为50Hz，电压为220 V或380 V。
专利摘要本实用新型公开了一种控制和驱散工业生产中的有害等离子体的运动磁场发生装置。该装置含有多组排列的磁极和绕组，绕组分别连接多相位交流电，通过多相位交流电的变化产生与等离子体发生持续相对运动的磁场，这种相对运动包括旋转运动、直线运动和两种运动的组合，等离子体在运动磁场作用下旋转起来或直线运动达到控制和驱散等离子体的目的。本实用新型应用于激光焊接领域时可避免保护气体吹除的缺点，在进行激光深溶焊接时，旋转磁场可使溶池中的液态金属旋转起来，挤向四周而加大激光束的工作深度，本实用新型还可用于驱散电力系统断路器中的等离子体(电弧)和气体激光器中的等离子体。
文档编号B23K26/16GK201025588SQ20062017541
公开日2008年2月20日 申请日期2006年12月29日 优先权日2006年1月13日
发明者熊成锐 申请人:熊成锐