专利名称：一种采用流体驱动在导电液体中产生电磁力的方法
技术领域：
本发明涉及一种采用流体驱动在导电液体中产生电磁力的方法，属于电磁冶金、 半导体材料制备、化学工业和玻璃工业技术领域。
背景技术：
电磁场作用于导电液体特别是金属液体具有很多显著且可资利用的效应，相应的技术如电磁搅拌、电磁熔炼、电磁悬浮、电磁成形、电磁制动、电磁溅射等，而且还可开发出材料制备的新工艺，如制备颗粒或纤维增强的金属基复合材料、利用电磁搅拌实现半固态铸造、模铸包括精密铸造等。适当施加电磁场在金属液体中产生适宜的电磁力可以改善工艺过程如防止铸造水口的早凝所造成的堵塞，这对精密铸造工艺的实施是非常关键的； 提高冶金水平，如温度场和合金成分的均勻化，增加等轴晶率，达到细化晶粒的目的，改善宏、微观偏析。
在导电液体中产生电磁力主要有两种形式一种是采用通电的单相或多相电磁线圈，一种是通过电机驱动永磁体产生旋转磁场，即所谓电磁泵技术。前者电磁场可调节性较强，交流电的频率、幅值甚至相位都可通过电工学的办法作大范围的设置和调整；后者永磁体单元的布置和设计上较为灵活，这里将这两种形式统称为电磁场技术。图1是典型的电磁场驱动导电液体的应用原理示意图，电磁驱动器(1)位于导电液体(2)的外部，其工作原理是运动的或感应的磁场在导电液体中产生感应电流(也称涡电流)，涡电流与磁场相互作用产生电磁力，驱动或搅拌导电液体。由于趋肤效应，电磁力在导电液体里形成趋肤层[3]，趋肤层厚度可表示为:δ= 72/(σμω)，其中σ为导电液体的电导率，μ为磁导率，ω = 2nf,f为频率。传统的电磁驱动或搅拌技术有如下缺点⑴当导电液体的特征尺度d >> δ时，导电液体心部(宽度为d-2 δ )(4)几乎不受电磁力的作用，往往只能靠趋肤层内导电液体的流动实现其心部的运动，驱动效果极为有限。( ) 一般来说，利用通电线圈产生磁场的电磁设备体积和重量较大，这是因为设备中常含有较长的铜导线、用以提高磁路性能的铁芯和磁轭部分等；(iii)随着稀土永磁材料开发和制备技术的发展，利用永磁体可获得较高的磁场强度，例如钕铁硼类、钐钴类的永磁体材料。但永磁体的使用受到其居里温度的限制。(iv)在模铸或某些精密铸造过程中，由于铸型的存在和铸件的复杂形状，传统的电磁驱动器由于没有足够的工作空间很难运用上。发明内容
本发明的目的是提出一种采用流体驱动在导电液体中产生电磁力的方法，改变已有的在导电液体中产生电磁力的方法，用流体驱动代替已有技术中的电或机械驱动，以简化电磁驱动器的结构，增加设计的灵活性，并扩大电磁驱动器的应用范围。
本发明提出的采用流体驱动在导电液体中产生电磁力的方法，包括以下步骤
(i)在导电液体中形成一个密封的圆柱形腔体，腔体上设有驱动流体流入口和驱动流体流出口 ；
(ii)将涡轮叶片置于圆柱形腔体中，涡轮叶片安装在轴承上，轴承与圆柱形腔体同轴安装，涡轮叶片可在腔体内自由转动；
(iii)将永磁体与涡轮叶片相对固定；
(iv)使流体从驱动流体流入口进入圆柱形腔体，从驱动流体流出口流出，在此过程中流体驱动涡轮叶片转动，并带动永磁体转动，产生旋转磁场，在圆柱形腔体外部周围的导电液体内产生涡电流，旋转磁场与涡电流相互作用产生电磁力，对导电液体进行驱动或搅拌。
本发明提出的采用流体驱动在导电液体中产生电磁力的方法，其优点是
(i)根据本发明提出的采用流体驱动在导电液体中产生电磁力的方法制造的电磁驱动器，由于采用了流体驱动，没有电路、电机驱动等部分，尤其是无交流电或带动永磁体转动的电机所需的电源，因此大大简化了电磁驱动器的结构，节约了生产成本。
(ii)根据本发明提出的采用流体驱动在导电液体中产生电磁力的方法制造的电磁驱动器，产生的电磁力可以作用于导电液体的局域部位，电磁驱动器可浸没到导电液体内部工作，到达传统的电磁驱动器所作用不到的区域，因此突破的应用限制，扩大了应用范围，尤其适用于大尺寸(例如特征尺寸大于1米)导电液体的驱动或搅拌。
(iii)根据本发明提出的采用流体驱动在导电液体中产生电磁力的方法制造的电磁驱动器，在导电液体内部可获得较高的磁场强度，增加了电磁力的渗透深度，因而所产生的电磁力密度也相应较高，提高了驱动或搅拌导电液体的效率。
(iv)根据本发明提出的采用流体驱动在导电液体中产生电磁力的方法制造的电磁驱动器，在工作状态下可根据要求灵活移动到需要的部位，提高了材料电磁过程的可设计性和可控性。
(ν)根据本发明提出的采用流体驱动在导电液体中产生电磁力的方法制造的电磁驱动器，驱动流体通道可做柔性设计，可以工作在导电液体形状复杂和工作空间较为狭窄的地方，这是传统电磁驱动器所做不到的。
(vi)根据本发明提出的采用流体驱动在导电液体中产生电磁力的方法制造的电磁驱动器运行环保，无环境污染。
图1是传统的电磁驱动器(或称为电磁搅拌器)基本原理示意图。
图2是本发明方法中采用流体驱动的电磁驱动器的原理示意图。
图3是本发明方法中带强制隔热层的采用流体驱动的电磁驱动器的原理示意图。
图4是涡流叶片固定在中心部的轴承上磁场和涡轮叶片相对固定的配置方式，可应用于大尺寸导电液体的结构示意图。
图5是涡流叶片固定在外缘的轴承上，磁场和涡轮叶片相对固定的配置方式的结构示意图，该电磁驱动器可应用于复杂形状导电液体。其中图fe是电磁驱动器的结构示意图；图恥是应用于复杂形状的导电液体的结构示意图。
图6是涡轮叶片通过连接板与磁场相连接的配置方式的结构示意图，该配置方式可提供灵活多样的永磁体布置方式。其中图6a是总体结构示意图；图6b是涡轮叶片部分的结构示意图；图6c是采用条块状永磁体单元组成的阵列，磁体磁化方向平行于腔体轴线；图6d是采用弧形永磁体单元布置在圆周上组成的阵列，磁体磁化方向平行于腔体轴线。
图1-图6中，1是传统的电磁驱动器(或称电磁搅拌器)；2是导电液体；3是电磁趋肤层；4是导电液体中电磁力达不到的区域；5是驱动流体流入口 ；6是驱动流体流出口 ； 7是圆柱形腔体；8是涡轮叶片；9是轴承；10是永磁体；11是绝热层；12是隔热流体流入口 ；13是隔热流体流出口 ；14是隔热流体通道；15是本发明的电磁驱动器；16是在金属液体凝固过程中可能出现凝固偏析或补缩缺陷的区域；17是在金属液体凝固过程中可能出现中心凝固缺陷的区域；18是连接板。
具体实施方式
本发明提出了一种采用流体驱动在导电液体中产生电磁力的方法，利用本方法制造的电磁驱动器，其结构原理如图2所示，该方法包括以下步骤
(i)在导电液体中形成一个圆柱形腔体(7)，腔体上设有驱动流体流入口( 和驱动流体流出口(6)；
(ii)将涡轮叶片(8)置于圆柱形腔体(7)中，涡轮叶片(8)安装在轴承(9)上，轴承(9)与圆柱形腔体(7)同轴安装，涡轮叶片⑶可自由转动，涡轮叶片⑶可根据气动原理设计成合理的形状以获得较佳的驱动效率；
(iii)将永磁体(10)与涡轮叶片⑶相对固定；
(iv)使流体从驱动流体流入口( 进入圆柱形腔体(7)，从驱动流体流出口(6) 流出，流体驱动涡轮叶片(8)转动，并带动永磁体转动，产生旋转磁场，在圆柱形腔体(7)外部周围的导电液体O)中产生涡电流，旋转磁场与涡电流相互作用产生电磁力，实现驱动或搅拌导电液体的功能。
本发明方法中，所述的驱动流体可以是气体，也可以是液体。气体具有可压缩性， 当流速高到一定程度时，它的动量和压力变化规律不同于液体，设计时应考虑这一因素，具体理论在此不作阐述；液体一般选为牛顿流体，可操作性好，液体作为驱动介质时磁场的旋转速度可控性比较好，即驱动流体的流速和磁场的旋转速度有很好的线性关系，但当工作环境的温度高过液体的沸点时会气化，因而液体驱动一般不适用于温度较高的场合。因此驱动介质选择的原则当驱动对象为电解质溶液或熔点较低的金属液体时，可采用液体或气体作为驱动介质；当导电液体的温度较高时一般采用气体驱动，以避免液体沸腾所带来的问题。另外，从控制精度来说，气体由于其可压缩性控制精度稍差。由于气体的普适性， 以下以气体作为驱动介质为例进行阐述。
当使用气体驱动时，气流量可调控的气源一般由气体发生器或储气罐提供，进气管道和出气管道由陶瓷管或金属管组成，一般做并列、紧凑布置，管外根据驱动导电液体温度的高低或设有绝热层，且气体管道与导电液体隔开，气体经流量控制装置进入驱动流体流入口(5)，经过电磁驱动器后由驱动流体流出口(6)流出。
驱动流体的速度与涡轮叶片⑶的转速相关，流体流速越大，涡轮叶片⑶的转速越大，在导电液体里所产生的电磁力在一定范围内也越大。这里驱动流体的流速属于低马赫数范围内。
本发明中的磁场由若干永磁体(10)组成的阵列提供。所采用的永磁材料可根据永磁体磁场的强度和居里温度的综合要求来选取。就目前的工艺水平来说，钕铁硼类永磁体的磁场强度较高，但其居里温度相对较低；钐钴类永磁体的磁场强度相对较低，但其居里温度较高；而铝镍钴类铁氧体永磁体的磁场强度较弱，很难达到要求，因此一般选取前两类永磁体。永磁体(10)单元可根据电磁学原理设计成圆形阵列，使其在导电液体中构成合理的磁回路，以期在导电液体O)内获得足够强的静磁场。磁体单元形状和布置方式可根据电磁学理论进行优化设计。
本发明方法中的导电液体( 可以为金属及其合金的熔体或半固态熔体、半导体材料的熔体或半固态熔体、玻璃熔体或电解质溶液中的任何一种，所述的导电液体是指电导率大于lS/m的液体，例如工作温度较低的如电解质、盐溶液、血液等；工作温度较高的如金属和合金熔液、熔融玻璃等均适用于本发明。所述的金属导电液体为锡、铅、铜、铝、 镁、锌或铁等及其合金的熔体或半固态熔体。
本发明提出的采用流体驱动在导电液体中产生电磁力的方法，还可以在圆柱形腔体的外壁上设置一个由固体绝热材料构成的绝热层(11)和流体隔热通道(14)，其结构如图3所示。绝热层(11)由绝热材料构成，其热导率要足够小，例如可供选择的绝热材料有陶瓷、多孔陶瓷、气凝胶或相变无机盐等。绝热层(11)包裹在流体隔热层外，流体隔热层包括有隔热流体流入口(12)、隔热流体通道(14)和隔热流体流出口(1 。是否采用流体隔热层，可根据如下情形选取
⑴被驱动的导电液体的温度较低时的情形。例如，电解质溶液或金属液体的温度低于永磁体的居里温度，此时只设驱动流体通道，取消流体隔热层，设计尽量薄且能满足压力要求的腔体的壳体即可；
(ii)被驱动的导电液体的温度中等时的情形。驱动流体通道既能满足驱动需要， 又能满足隔热需要，这种情形下也只设置一个驱动流体通道，绝热层(11)根据实际热工状况或有或无；
(iii)被驱动导电液体的温度较高时的情形。设置驱动流体通道和流体隔热层。 并要求流体隔热层内流体的流速足够高。
此外，为整个装置运行安全起见，也可以在腔体(7)内设置热电偶以监测温度变化，防止绝热层材料和隔热层失效或意外事件引发的失灵。
本发明提出的采用流体驱动在导电液体中产生电磁力的方法，其中的永磁体(10) 与涡轮叶片(8)相对固定的形式为永磁体(10)固定在涡轮叶片(8)的外端部，涡轮叶片 (8)安装在轴承(9)上，轴承(9)位于圆柱形腔体(7)的中心，轴承(9)与圆柱形腔体(7)同轴安装。永磁体(10)单元的磁化方向沿着圆柱形腔体(7)的径向，其结构如图3所示。根据图3所示的结构制造的电磁驱动器，可被应用于对大尺寸的导电液体进行驱动或搅拌。 例如在金属液体的模铸过程中，将本发明的电磁驱动器(15)用于驱动大尺寸的导电液体 0)，如图4中所示，本发明的电磁驱动器(1 可灵活地施加在一些容易出现金属凝固缺陷 (17，18)的部位附近，这里要求电磁驱动器在凝固过程中与凝固前沿保持一定距离，以使电磁驱动器安全工作。由于本发明的电磁驱动器的特点，在导电液体内部所实施的驱动位置部位可灵活移动。所述的电磁驱动器(1 还可应用于半固态铸造工艺，电磁驱动器产生的电磁力场提供了对半固态熔体的高切应力；还有诸如金属基复合材料制备工艺，所述的电磁驱动器(1 可用于分散金属液体中的第二相。
图5所示是本发明提出的采用流体驱动在导电液体中产生电磁力的方法中，永磁体(10)与涡轮叶片⑶相对固定的另一种形式，其中如图5(a)所示，永磁体(10)与涡轮叶片(8)相对固定的形式为永磁体(10)固定在涡轮叶片(8)的内端部，涡轮叶片(8)安装在轴承(9)上，轴承(9)位于圆柱形腔体(7)的外缘，轴承(9)与圆柱形腔体(7)同轴安装，所述装置可被应用于模铸，包括某些精密铸造工艺。图5(b)所示为图5(a)所示的电磁驱动器(15)应用于复杂形状的导电液体O)时的结构示意图。
图6(a)所示也是本发明提出的采用流体驱动在导电液体中产生电磁力的方法中，永磁体(10)与涡轮叶片⑶相对固定的另外一种形式，永磁体(10)与涡轮叶片⑶相对固定的形式为涡轮叶片(8)置于连接板(18)的一侧，永磁体(10)固定在连接板(18) 的另一侧，涡轮叶片(8)和连接板(18)安装在轴承(9)上，轴承(9)位于圆柱形腔体(7) 的中心，轴承(9)与圆柱形腔体(7)同轴安装。导电液体(2)位于圆柱形腔体(7)外的另一侧。涡轮叶片(8)和连接板(18)都与轴承(9)的转动部分固定连接。从图6(b)中可以看出驱动流体驱动涡轮叶片⑶的情形及涡轮叶片⑶与连接板(18)的位置关系。
图6(a)所示的结构中，永磁体(10)及其阵列的设计可较为灵活，例如永磁体可以选取为条块状，如图6(c)所示，其阵列呈辐射状布置；永磁体也可选取为圆弧形体。也可以如图6(d)所示，永磁体布置成圆形阵列。在此类结构中，永磁体(10)的磁化方向与圆柱形腔体(7)的轴同向。所述的这种结构的电磁驱动器可对特定的区域或部位的导电液体 (2)进行驱动或搅拌。
综上所述，本发明中两类工作流体主要用于实现如下两方面的功能一是通过控制流体速度驱动涡轮叶片(8)及其相连的永磁体(10)产生速度可调节的运动磁场，二是在高温场合工作时，在永磁体(10)与导电液体( 之间建立隔热流体通道，利用高速流体实现强制隔热，保证永磁体(10)在其居里温度以下工作，且尽量避免对导电液体O)的过度冷却。并使永磁体(10)和被驱动的导电液体O)间的距离尽量靠近，以保证在导电液体 (2)内保留足够高的磁场强度。
驱动流体入口(5)、驱动流体流出口(6)与涡轮叶片(8)应设有一定角度，保证驱动流体能顺利驱动涡轮叶片(8)并按照所设计的方向旋转。驱动流体入口(5)、与驱动流体流出口(6)之间要有一定距离，防止流体不驱动叶片(8)而直接流出或部分流出，影响驱动效率。
圆柱形腔体(7)的壳体外表面因与导电液体( 接触而可能产生粘附、凝固、冲刷和腐蚀等问题，除选用耐蚀、坚固的材料作壳体外，还可对装置施加一定频率的振动，确保壳体不粘附导电液体O)，保证仪器正常工作。
权利要求
1.一种采用流体驱动在导电液体中产生电磁力的方法，其特征在于该方法包括以下步骤(1)在导电液体中形成一个圆柱形腔体，腔体上设有驱动流体流入口和驱动流体流出π ；(2)将涡轮叶片置于圆柱形腔体中，涡轮叶片安装在轴承上，轴承与圆柱形腔体同轴安装；(3)将永磁体与涡轮叶片相对固定；(4)使流体从驱动流体流入口进入圆柱形腔体，从驱动流体流出口流出，流体驱动涡轮叶片转动，并带动永磁体转动，产生旋转磁场，在圆柱形腔体外部周围的导电液体内产生涡电流，旋转磁场与涡电流相互作用产生电磁力，驱动或搅拌导电液体。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的驱动流体为气体或液体。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的导电液体为金属及其合金的熔体或半固态熔体、半导体材料的熔体或半固态熔体、玻璃熔体以及电解质溶液中的任何一种，导电液体的电导率为(1 108)S/m。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于其中所述的导电液体为锡、铅、铜、铝、镁、锌或铁及其合金的熔体或半固态熔体。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于在所述的圆柱形腔体的外壁上设置绝热层和流体隔热层，绝热层包裹在流体隔热层外，流体隔热层上设有隔热流体流入口和隔热流体流出口。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的永磁体与涡轮叶片相对固定的形式为永磁体固定在涡轮叶片的外端部，涡轮叶片安装在轴承上，轴承位于圆柱形腔体的中心，轴承与圆柱形腔体同轴安装。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的永磁体与涡轮叶片相对固定的形式为永磁体固定在涡轮叶片的内端部，涡轮叶片安装在轴承上，轴承位于圆柱形腔体的外缘，轴承与圆柱形腔体同轴安装。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的永磁体与涡轮叶片相对固定的形式为涡轮叶片置于连接板的一侧，永磁体固定在连接板的另一侧，涡轮叶片和连接板安装在轴承上，轴承位于圆柱形腔体的中心，轴承与圆柱形腔体同轴安装。
全文摘要
本发明涉及一种采用流体驱动在导电液体中产生电磁力的方法，属于电磁冶金、半导体材料制备、化学工业和玻璃工业技术领域。在导电液体中形成密封的圆柱形腔体，腔体上设有驱动流体流入口和驱动流体流出口；将涡轮叶片置于其中，涡轮叶片在腔体内自由转动；将永磁体与涡轮叶片相对固定；使流体从驱动流体流入口进入圆柱形腔体，流体驱动涡轮叶片转动，并带动永磁体转动，产生旋转磁场，在圆柱形腔体外部周围的导电液体内产生涡电流，旋转磁场与涡电流相互作用产生电磁力，对导电液体进行驱动或搅拌。根据本发明制造的电磁驱动器，大大简化了电磁驱动器的结构，扩大电磁驱动器的应用范围，提高了驱动或搅拌导电液体的效率。
文档编号H02K44/00GK102570773SQ201210039850
公开日2012年7月11日 申请日期2012年2月20日 优先权日2012年2月20日
发明者王晓东 申请人:中国科学院研究生院