一种用于高温超导直流感应加热器的可调铁芯磁体结构的制作方法

本实用新型涉及一种用于高温超导直流感应加热器的可调铁芯磁体结构，属高温超导技术领域。

背景技术：

传统的电磁感应加热技术，因其结构简单，环保等优势在钢铁加工工业领域得到了广泛的应用。但是在加热非铁磁材料如铝或铜等材料时，加热器电能利用率就会大大降低。超导直流感应加热是超导电力应用技术和感应加热技术的有机结合，充分利用了超导在直流环境中的低损耗特性，同时结合电磁感应技术，实现铝加工行业中铝挤压环节前的预热工作。相对于传统交流感应加热技术，则在电能利用率和工件加热的效果方面有巨大优势。

在高温超导直流感应加热器的启动过程中，根据计算表明对于直径446mm铝锭，当工作磁场大于0.5t，在铝锭起动低转速约20rpm时出现负载电磁转矩峰值点，该峰值点约3.6倍于额定负载电磁转矩。负载电磁转矩的峰值点对于设备驱动系统设计是很大的挑战。用于驱动铝锭的异步电机的最大输出转矩通常是电机额定转矩的两倍，不能满足兆瓦级超导直流感应加热装置的电磁转矩的设计需求。采用通常的电机选型的方法和原则，这将会要求驱动电机的额定功率是负载功率的3.6倍以上，对于工业级的超导感应加热装置(其加热功率一般在300kw以上)，驱动电机和变频器的功率都需大于1mw，会增加驱动电机、变频器和驱动系统机械部件的成本，降低经济性。所以装置的负载电磁转矩的峰值大于驱动电机的输出转矩的过载能力，因此导致铝锭驱动困难，这是在高温超导感应加热装置研究中的新挑战，当前对此进行分析研究的文章和报导较小。

铝铸锭在挤压前的加热是一道十分重要的工序，合理的加热工艺对铝合金挤压过程的能耗、环保、生产效率与成本，以及产品质量、成品率和效益等均有很大影响。铝锭变形区的温度要求与铝挤压塑性的温度最佳值相匹配。铝锭表面与挤压接触面的摩擦产生的热量，也将导致出口温度升高。在铝棒挤压过程中，需要可实现铝锭挤压预加热对不同加热温度分布的加热要求。如图6所示为铝锭挤压温度梯度变化情况，图6（a）为铝锭挤压出口温度变化，图6（b）为铝锭温度梯度变化。

技术实现要素：

本实用新型的目的是，为了解决超导磁体的磁场调节问题，实现调节气隙磁体的轴向分布，降低高温超导直流感应加热器的启动负载电磁转矩，同时实现对被加热工件轴向温度分布的调节和优化，公开一种用于高温超导直流感应加热器的可调铁芯磁体结构。

本实用新型的技术方案如下，一种用于高温超导直流感应加热器的可调铁芯磁体结构，包括左立柱、右立柱、中间圆立柱、底座和顶部立柱和可调铁芯模块。

所述左立柱和右立柱分别垂直安装在底座上的两侧；底座中部垂直安装中间圆立柱；中间圆立柱上面安装顶部立柱；左立柱和右立柱的上面分别安装铁芯模块，与顶部立柱两端相对应；两个铁芯中有一个为可调铁芯；在顶部立柱与两个铁芯之间的位置提供两个空间气隙，用来放置待加热的旋转铝棒。

所述可调铁芯模块包括由10块可调节子铁芯构成的可调铁芯、顶板、固定螺栓、支撑挡板和两侧固定加强板组成；顶板安装在可调铁芯的上部，顶板用于安装固定螺栓，固定螺栓用来固定可调铁芯模块，避免滑动；铁芯两侧的支撑挡板用于调节铁芯块的支撑。

所述可调节铁芯的移动范围0-20cm，移动方向是可调子铁芯与顶部立柱之间的水平方向；每块可调子铁芯的移动范围为0-2cm；所述可调节子铁芯的移动由千斤顶完成。

所述可调节子铁芯用叠片制成，材料是dt4c电工铁。

所述中间圆立柱采用中心普通铁芯轴、中间是0.5mm厚硅钢片卷制层、最外层是2mm厚纯铁包裹层。

本实用新型的有益效果是，本实用新型提出的可调铁芯磁体结构，通过调整铁芯改变气隙的距离，实现调节气隙磁体的轴向分布，可以降低高温超导直流感应加热器的启动负载电磁转矩，并可实现温度的梯度控制；本实用新型方案简单，可靠。

附图说明

图1为用于高温超导直流感应加热器的可调铁芯的超导磁体结构；

图2为可调铁芯的超导磁体结构的主视图；

图3为可调铁芯的超导磁体结构的俯视图；

图4为可调铁芯模块的尺寸示意图；

图5为调节成梯度气隙的铁芯形状示意图；

图6为铝锭挤压温度梯度示意图；

图6（a）为铝锭挤压出口温度变化；

图6（b）为温度梯度示意图；

图中，1是可调铁芯模块；2是顶板；3是固定螺栓；4是支撑挡板；5是两侧固定加强板；6是左立柱；7是底座；8是中间圆立柱；9是右立柱；10是顶部立柱；11为铝棒。

具体实施方式

本实用新型的具体实施方式如图1~图3所示。

本实施例一种用于高温超导直流感应加热器的可调铁芯磁体结构，包括左立柱6、右立柱9、中间圆立柱8、底座7和顶部立柱10和可调铁芯模块1。

本实施例的左立柱6和右立柱9分别垂直安装在底座7上的两侧；底座中部垂直安装中间圆立柱8；中间圆立柱8上面安装顶部立柱10；左立柱6和右立柱9的上面分别安装铁芯模块，与顶部立柱两端相对应；两个铁芯中有一个为可调铁芯1，另一个为不可调铁芯；在顶部立柱10与两个铁芯之间的位置提供两个空间气隙，用来放置待加热的旋转铝棒11。

含铁芯超导磁体是用于在磁体气隙中建立工作所需的磁场，当被加热铝棒在气隙磁场中旋转时，铝棒切割磁力线，产生感应涡流，实现感应加热。超导线圈将安装在中间圆立柱部件的外围，即顶部立柱与铁芯模块之间。

由底座、中心圆立柱、左右2个立柱、顶部立柱、可调铁芯等主要部件组成的可调铁芯磁体结构，在顶部立柱10与可调铁芯1之间的位置提供两个空间气隙，用来放置待加热的旋转铝棒11。

整个铁芯模块将被拆分成相应的铁芯子模块，每块铁芯子模块用叠片制成，材料是dt4c电工铁。

可调铁芯磁体结构各部件在现场组装后通过焊接连接到一起。铁芯净重约102吨。整个铁芯将被分成七大模块加工并在现场组装，中间圆立柱采用中心普通铁芯轴、中间是0.5mm厚硅钢片卷制层、最外层是2mm厚纯铁包裹层。

所述可调铁芯模块1包括由10块可调节子铁芯构成的可调铁芯、顶板2、固定螺栓3、支撑挡板4和两侧固定加强板5组成；顶板安装在可调铁芯的上部，顶板用于安装固定螺栓，固定螺栓用来固定可调铁芯模块，避免滑动；铁芯两侧的支撑挡板用于调节铁芯块的支撑。

在兆瓦级超导直流感应加热装置的磁体设计时，为实现可调气隙的磁体设计，每侧可调边设计了十块可调节铁芯，所设计的可调节铁芯的移动范围0-20cm，可调铁芯模块的尺寸如图4所示。磁体支持两根铝锭同时加热，设计了两个磁体气隙，每个磁体的单侧铁芯可调节，另外一侧是固定铁芯。铁芯两侧的支撑挡板4用于调节铁芯块的支撑。每次调节前，松开需要调节铁芯上方的固定螺栓3，通过千斤顶移动铁芯，从而实现磁体气隙的调节。当调节完成后，固定铁芯上方的固定螺栓3，避免在励磁后，因为电磁力的作用，出现铁芯的意外滑动。

当需要调节铁芯间隙距离∆d=20cm，是指从第1块至第10块铁芯气隙总差值为20cm，每相邻两块可调铁芯的间距是一致的，都是2cm。每个铁芯移动的范围都在0-20cm，如图5所示。