（材料加工工程专业论文）电磁铸造复合感应器系统研究.pdf

大连蠼工大学硕士学位论文 擒要 钢的觅模电磁铸造不需翳振动和润滑系统，可减少设备投资，如果钢的电磁铸造能 够实理，耱带亲巨大鳇经游窝挂会效益。钢与键翱毙其蒜密度丈、电导枣小、趋默滚度 大等物理特性，钢的电磁铸造需要强大的磁场支持，悬浮钢液所需的磁通密度是镏液的 豹4 4 倍。在不增加电源功率消耗的情况下，本文选用谯普通感鹿器的基础上增设磁性 材料来制作复台感廒器系统，用鞋增强磁场强度， 复合线圈宜选用软磁材料制作，根据复合感应器的特点，本义选用在电源变压器中 程者广泛瘦用，势藏王艺魄鞍或熬豹冷转取鑫疆镶冀焦逡复合惑纛线罄。臻钢冀懿爨片 方式及片间的绝缘对磁场增强有较大的影响。 利用电磁场豹镜像理论分别对单、双和三复合界面感应器系统增强磁场的原理进行 了理论解析，并鞋此为依据浚计复合感应器系统及参数伉亿。 用小线圈法对复合感应器内的磁场强度和分布进行测量，对不同条件下磁场分布进 符分耨。缝象表魏攀、双朝三复合奏鬻感应器篆统分裂魄簧逶感痰器磁场疆痘增强l 。5 、 1 9 和2 2 倍。 由电磁场理论分析及磁场强度实测褥到复含感应器系统的参数：感应器选用斜边结 构，复合线圈硅钢片的叠片簧使$ l 制方向与磁力线平行，复合线黼与感应线圈的间隙要 尽量最小，复合线豳的高度2 ，鼠复合线圈的截面积尽量大，复合线湖探入感成线 黼静深度大夔5 m m 舞宣。 复合感应器系统基本能适用于钢电磁铸造，且若将复合感应瓣系统应用于铝等轻金 簇的电磁铸造上，可减少能源消耗，带来可观的经济效靛。 荚建词：电雍铸造；复合感应器；镜像理论；擞场 电磁铸造复台感斑器系统研究 s t u d yo nc o m p o u n di n d u c t o rs y s t e mo f 嚣m c a b s t r a c t v i b r a 廿o na n dl u b d c a t i o ns y s t e m sa r eu n n e c e s s a r yf o rl 妁o u l d l e s se i e c t r o m a g n e 廿cc a s t i n g o fs 把e lw h i c hc a n o d 扭c eo q 挺p m e 丑ti 黼弧e n t 1 f 吐l ee m co fs 把e lc a nb e 您a l i z e d ，i t 埘l l b r i n ge n o n n o u so c o n o m i c 越避s o c i a lb 捌把矗括a sc o m p 瓣dw i m 班l u m i m l l n ，s 把e lh 8 ss o m e p h y s i c a lp r o p e m e s ，s u c ha sh i 曲e rd e n s 姆，l o 、e rc 0 枷姐c e e m co fs t e e i 淝e d ss 蛳n 驴r 拍a g n e l i c 磊采d t h em 8 9 n e 珏cd e n s i 每t os u 单e n d 越q 疸d3 惋e ii s 曲。墩4 1 4t i 薹n c s 也a n 如融把 洲唧e r l da l u m i n u ml i q u i d w m l o u ti n c r e a s i n gp o w 钉c o n s u n l p t i o n c o n l p o u n di n 血l c t o rs y s t e m w i l i c ha c l d sm a g n e t i cm a t e r i a l 衄t h oc o 廿1 m o ni n d u c t o rt o 协c r e a s em a 印e t i ci n t e n s i t yi s 辆哩鼙瓤眩， s o tm a 2 阻e t i cm a t e r i 猷sa 托c h 0 8 e nt op r o d u c ec n p o m l dc o i l b a s o do nc o m p o u n d i n d u c t o rc h a r a c t e r i s c s c o l d - r 0 1 l e ds i - o r 【e n t 二c o r eo r i 眦de l e c 砸c a ls t e e ls h e e t s 堍i c 蠹蠡群e 缸o a 垂穗p 露i c a 畦。藏趣w 嚣r 缸轻s f 。掰l e 嚣a 珏d 鞴鲑e f e 萄a l 翔f a c t h f e 鼍e 泓鹅s 鑫f e 也eb e s tc h o i c e e 好b c t so f m a g n e 廿cf l e l da r eb a s e do nt h ew r a p p i i 唱m e a s i 】r e sa n di n s l l l 魏t i o n s o fe 1 e c 僦c a ls 钯e ls h e e t s t 酶3 浊g l e ，抽曲k 秘d 娩醣ec 。嘲，飒蠡溆。rs y 辩e m s8 r e 越曼 了z o 莲a 琏de v 西h 疵醯 b ym 抽mi m a g et l l e 。r yo nm 雄埘i c 丘o l d t h em a 霉l e 吐c 五d dd i s 投i b 幽si nc o m p o 硼di n d u c t o r so fd i 攫毫坨n to o n d 掘o n s 龇 m e 姗耐托da n a l y z e du s i 端锄a l lc 。i lm e t h o d 髓er e s u l t ss h o w 斑a t 谯em a 铲e 矗c 髓e l d i n t e n s n i e si ns i l l g l o ，d o u b l ea n d 缸屯b l ec o m p o u n di n t e r f 配ei n d u c t o rs y s t e ma 地1 5 ，1 9a n d 2 + 2 斑n e s 穗强出o s e 姬o 一纽a r y 纽曲或o r s p a r a m e t e 糟o fc o m p o l m di n 矗时i o ra 糟b r o u g h to u tb ya n a l y z j l l 鐾m a 皇皿e t i c 菇e l d 纽t o n 8 i t y a n dm e a s u r i n g 也em a g i l e h cn e l d 。h y p o 把眦s ei n d u c t o ri sc h o s c nt op r o d u o ei 1 1 d u c t o r 1 1 1 嘲趣鏊娃栳蕊e 嫩晓弱础l 躔& e 畦s h 喊s ，氇el o 数gd 轻e 商秘凇墩弹鞋l 畦妇秭。巯so f m a 驴e d c1 i n e s t h cg 印b e 似e e i lc o n l p o l 】n dc o i l 矗n di n d u c t o rc o i lm u s tb et 1 1 el e a s tp 0 8 s i b l y t h eh e i 曲to fc o m p o s i t ec o i li s2 0 m m 弧es e c 廿o na r e ao fc o m 静。曲dc o i li s l ek 窭e s t 巍锄魄p 。s 曲l y 。 毂ed 茚氇e o l n p 鞲de 靠s 智缱逸i 哟氇e 遮d 蝴i s 曲。挂5 嘲 c o r n p o u n di l l d u c t o rs y s t e mc 孤b eu s e di i le l e c 仕o m 娜m e t i cc a s t i n go fs t e e ia n dhc a n 矬l s ob el l s e di ne k c m ) m 鼋斟e 虹cc a s 虹n go fl i 曲tm e t a l s ，$ u c ha sa l u 【l i i m m i t 伽lr e d u c e s e 矬e f g y n 瓤h n p 蛀舡矗g 瞄黝t ec o n s i 小嬲靛ee c 蝴。壬西eb e n e 蠡挺 k e yw o 确s ：e l e c 蚴m a 窜蜘c 勰t 堍；c o 盥p 。u n db d c 妇s ；m i m 鑫窑e 强e o 麟m a 蜊i c f i e l d i i 大连壤工大学礤士学位论文 。绪论 1 1 电磁铸造的基本原理 电磁铸造技术( e m c ，瑚e 。盱o m g n c t i cc 8 s 妇g ) 惹在上琶筑6 e 年代襁，由前棼联 学者g e t s e l e v 研制成功的一种无模连续铸造技术【“。电磁铸造技术是当前豳际上铝含金 生产敦三秘最重要戆铸造方法( 郅毫磁铸造、热璎蓠造、采乎铸造) 之一，荬原联秘力 的平衡关系如图1 1 所示1 2 j 。感应器线圈中通过交变电流时( 图1 1 a ) ，在线豳内产生突变 电磁场h ，磁场作用于液体金属形成与方向相反的感应电流j ，磁场与感j 点电流交飘作 糟产生向内的电磁力f ( f 哪b ) ，f 鼠俩面约束金属络体使其僳持柱面。在感应器下 方喷水冷却，液态盘属与感应器无任何物理接触，在保持自由表面状态下水冷凝圊。当 邀磁力与渡葬静毯力僳持平舞( 懿蛋| b ，p 。蛩产引蕈夺对，才能获褥稳定懿辩覆形状+ 庭 模向下移动，从上方不断注入金属液，保持液柱高度h 不变，就可连续铸造出表丽光滑 粒铸锭。 p m 小p ， 。z 区；。蔗：l； 电磁压力静压力 鹜l ，l 嚷磁镶遗瓣簇理蟊力瓣半鬻关系 f i g 1lp 咖c i p l ea n de q u i l i b u mr e l “o n s h i po f t h ep r e s s u r e so f e m c 电磁铸造过程中各个物理量满足m a x w e l l 方程组。假设时变电磁场中备璧均为j e 弦 波，则方程组可以写成口】 4 ： v 莒：一翌 酣 v x 日= ， v ，= o v b = 0 p 、上h 梗f | 砝 西 电磁铸造复台臻瘴鼯暴境耩究 式中：e 为逛场强度；艇为擞臻强震；j 为电流密度；嚣舞磁感旋强度；t 为黠阕。 要褰璐毫疆铸涟过程，必矮疆是力乎袋，鞠魄磁嚣力； 瓣渡嚣焱糕棼疆力之瓣貔大致 警籀，逮爨徐涛睾惹浮滚按稳定懿载跨蘩箨，燕毫磁铸造戆否残臻熬关键。 由m a x l l 方稷组霹| 三 求褥电磁力： f ；厶嚣；一壁一翌! 婴星；一只( i l ， 2 芦 + 蕊中寒螭第一瑗程穗寒餐爨电磁嚣宠翡大，j 、，第二矮霹用来囊爨毫磁瀵簿佟爱的强 弱。器褰兹魄壤满怒下式翻： 毒； ( 1 2 ) 磊氏 、。 r f 式孛：l 为铸镶足寸；瓦= ，；! 一为壤渡趋默深度。 ￥簿 毫磁铸逢器耍弦涯滚疆鹁戏型 遮群知遵魏、队藏麓大黢诗爨岛窀缀铸造掰瓣豹毫滤强度丈套。 霹予镪毫磁镩选，p 呓4 0 0 礤嗣，取删0 4 撤，# “1 0 一强妇，筏入主式 弼计算爨镪电磁铸媾掰爨毫流i q 2 3 s a 。考惑溉磁铸造孛箕德毽素鹣影响，寰骣王豫魄 浚要大鳃在4 0 0 0 6 0 a 发卷。 丈连璎互交学璞士警盥_ 仑文 那么对予镧电磁铸造掰黎豹奄漉，采用粪毖法，僚魏镪_ 靼镄褒耪理爨主麴哥毖瞧避 萼亍捐电磁铸逑舞器彀凝熬褪酶 冀。遮襻霹戳大致整算旗滋，嚣菇述爵运麓锈亳磁铸造 臻燕系统设诗静戒熬经验，较燕蕊蟪攒器霸毫磁铸造魏设谤。 嚣先，零筑敲密度考虑瞧皴铸遣熊羧掩条嵇，盘式犯。9 ) 可褥 每刊等一甓导“， 静钢电磁铸造瑟霉黥漉是褥瓣l 。7 傣，毽这薏不宠垒辩健募，镪壤磁德逢职嚣邀滚必须 综含考虑钢滟密度弱魄导豹影镌。我z | 疆翔道，电磁铸造怒嚣黪应嚣壤流王。和铸键鹃感生 魄漉 l 之麓熬程蔓母挈穗实嚣瓣，这耪樱嚣捧麓纛蕊尧力鹣形袁为： - b l l 毛 翟。l 篡中，l 菇感生亳滚长度；转巍磁瘩寝强发。 擐撬恕磁学霖溪，惑生惫璐势戆大小表示为； 秽= 譬 ( 2 t i l ) 落 、7 劐 五：警：熹s 黑* 熹 戮2 ) 霆蕴震毋震毋震 p 1 式救。l 动 入露1 ) ，燕b 一耘，褥餮 f 。c 矗熹。c 譬 2 ) 。馥蠢冀 7 滋稼3 ) 酶平撵荚系爵褥： ，3 硪；女詈 1 4 ) 嚣姥： 孥；，f 曼卓。，f ；娑“4 1 6 l ，角 霆m ￥2 ，7 l 瘊苏，锻电磁铸造孛薅藏瓣静王缛彀滚大麴怒锾静4 4 镑。一般，韬彀磁篱逵审感 疵瓣毽滚淹橱豹瀚a ，那么锈整滋铸造嚣要懿瞧藏裁燕2 e 0 0 0 a 友右，罄撼瞧醴铸造 电源功率为3 浊w ，鄹么钢魄缀铸造霪要3 0 4 。一5 8 0 。s k w 麴毫澡供毫，遮撵走功率戆 毫源本身不投蟪戳嘉l 滤，露鼹糕萋大，不逶会实际生产。 电磁铸造复合感应器系统研究 综上所述，增加感应线圈电流的大小有利于增强磁场，在适当条件下，增加线圈电 流有利钢电磁铸造的实现。但单纯地靠提高感应器电流增强磁感应强度，电源功率消耗 会很大，不适合实际。 对于增强磁场的另一个途径：增加感应线圈匝数。理论上讲，电流都相同的情况下， 线圈匝数每增加一匝，磁场强度就相应提高一倍，但实际上，线圈匝数不能任意增加， 因为线圈匝数的增加会直接导致线圈本身的热功率消耗大幅增加( 平方关系增加) ，不 利于线圈的冷却。而且，多线圈宽度和高度的增加也是有限的，制作困难。 由于希望对于钢电磁铸造，线圈中的工作电流不能比铝电磁铸造成倍数地增加，加 大能源消耗，而感应线圈的匝数也不宜过多，不应超过2 匝或3 匝，那么增加钢电磁铸 造中的磁感应强度还可以采用第三种途径，即通过降低感应线圈周围磁回路的磁阻来实 现。 工程上很多电子器材的电磁结构的设计原理给了我们很好的提示。工程上常利用载 流导体载磁场中受力的现象和电磁感应现象制造许多机电能量变换器件和信号转换器 件，如各种电机、电磁铁、继电器、电磁仪表、变压器、互感器等。为了提高效率，缩 小体积，这些器件都要求以较小的电流获得较大的磁通。这就要求设法把磁场( 即磁路 线) 集中在一定的小区域内。利用特殊的电流分布如螺线环等，特别是利用铁磁物质组 成一定的结构，可以达到上述的目的 4 0 。 图2 2 就是变压器的工作原理图【4 ”。它是利用铁磁性物质制成一定形状的回路，在 其周围绕有通电线圈，这样可以人为地制造磁通的路径，可以使磁通主要集中在这个路 径中。铁磁材料之所以能集中磁力线是因为它们的磁导率比其周围的空气或其他非铁磁 性物质的磁导率高得多的缘故。 查垄堡王盔兰塑主堂垡燮 冒2 2 变压器羰理简图 f 蝴2s c h e m a t i cd i a g r 啪。f 订粕s f o r i i l 盯 而复台感应器答统的提出，正是基于这种思想，它是在感应线酾的周嗣附加磁性材 料，这样降低了整个磁回路的磁阻，也就是使磁通更加集中在感应线圈的周围，如图2 3 舞承。 2 3 复合旗应器的设计 j 墅2 + 3 钢电磁铸造复合感应器模毅 f i 龉3 d e i 。f 卿删i n d c 鲋 2 ，3 ， 复金蔟寝器的缝梅设量 根据复合线圈与感应线圈不同结合方式，将复合感应器分为单簸合，双复合和三藏 合感应器系统f “。 电磁铸造黛合感应嚣羝统研究 圈24 单复合界面麟虚器系统 f i 醴4c o m p o u n di n d u c t o ro f s i n 蝉ei n t e r f 如e 图2 4 为单复合界面成型系统，感应线圈与复合线圈仅有一个结合面，结构简单 自方便进器对比实验，丽磁场强度也比蠢复合界蕊时有较大的提蒜。 感应线圈 圈2 5 双麓合界面磷应嚣系统 f i 9 2 4c o m p o u n di n d u c t o ro f d o u b l ei n l e r f a c e 复合线圈 图2 5 为双复台界面成型系统，它眈单复合结构稍徽复杂，但磁场增强效果也更加 明鼠。 ：_ l 主一复台线圈 图26 三炭合界面燎皮器系统 f 追2 。6c o m p o u 耐l 喇u a t o fo f 抽b l ei 蛾煅c e 大连理工穴学硕士学位论文 雷2 6 为三复合界面成型系统，三复台界面瓣应器系统的设计最大程菠她减少了黼 回路地磁阻，理论上讲，这种方法的磁场增强效果远远优于前两种设计方法，但会产生 壤丈的满漶效应。满漉产生我磁场与毫獭线圈电漉懿磁撬方蠢据爱，太大蟪瓣弱了磁场 强度地增加。不过，这可以用黼电阻章嚣磁材料来减少涡流的影响。另外，三复合界丽 成烈系统缋构复杂，船工难度也较大。 2 。3 。2 复台熊应器中磁性材料的选择 对于弼一种磁性材料而言，它的磁滞回线是确定静，一般用磁滞回线采作为该种材 料的磁特性的代表【4 2 】，图2 7 就是铁磁材料的磁滞回线。其中，风为饱和磁感应强度， 魏淹亵余磁感痤强凌，珏。为矮矮力。 b b ： 盘万。 i 矾7 ， 少 h 阐27 铁戳性材料韵饱和磁滞阐线 f i 醇7h y s t e r e s i sc u eo f f e “di n a g n 时 铁磁材料按其磁滞回线的宽窄可分为两大类i 州；即软磁材料和硬磁材料。磁滞回线 较窄躲，即露磁率大，矫顽力小抟，是较磁材料；磁滞回线较宽的，即矫顽力大，剩磁 也大的，是硬磁材瓣。软磁聿| 料一般用馓电机，凝压嚣，继电器等的铁心，硬磁材料主 要用来制造永磁铁。与电机和变压器类似，导磁材料处于钢电磁铸造的强电作用下，一 般簧求辩辩瓣瓷窝酸黪应强震鞍大，登耱顽力较夺。这是敷老磁瞧糖精熬王裕过程藏怒 在大交流电作用下反复磁化的过程，矫颟力越大，材料的磁滞回线所包围的面积越大， 两磁滞回线镪围的蕊辍就是磁滞损耗，按耗大就不利于磁场斡进一步增强，鼹且能耗加 大。因而对于钢电磁铸造就应该采用软磁材料采迸行复合线圈的设计，还要浓材料有离 的饱和磁感应强度和商的磁导率。 电磁铸造复台感应器系统研究 拳。o l 毒 重蓐 1 蠢 l ，霉 ，捧 饥靠 o 蟮 巷毒 0 霉 臻辨镯睁辩l 嚼娴i i 8 棼驰? 瓣夸 凿2 8 几种铁磁材料的磁化曲线 f i 醇8m a g n e 6 z a t j o n 州r 咒o f 5 0 m e 惋n 口m 帮口忸 ，难， 图28 所示是几种铁磁材料的磁化曲线，可以看出，无论从磁导率还是饱和磁感应 强发上看，穗钢片都要怃于铸铁靼铸钢h “。 寝2 1 常用磁性材料的最大饱和磁感、相对磁导率、剩磁及矫顽磁力 f i 薛1m 蟾b e 垃ee 黼d u 瓣硝轴矗。删毽勰瞻 硅钢和铁镍合金的磁导率和饱和磁感应强度都很好，硅钢材料具有高的饱和磁感应 值b s ，但其糍效磁导搴值低，特别是在舞频范匿内；面铁镰合金具蠢离初始磁导率、 低矫顽力和损耗，磁性能稳定，但b s 不蟛高，频帛大于2 0 瓣 z 对，损耗和有效磁导率 不理想，价格较贵，加工和热处理复杂。一般来讲，工业上醚钢片适用作中功率电磁设 冬靛缝要求较蹇靛铁心，铡摇务辣电梃，露蒙变基器等。铁绦含金逶詈捧枣功率，要求 体积小，重量轻，性自好，工作频率高的电磁器件的铁心m j 。 由于硅钢片具有较好的磁电性能，又易于大批嶷产，价椽便宜，机械应力影响小等 优点，在电力电子行业中获得檄为广泛的应用，如电力变压器、配电变压器、电流互感 器等铁芯。是软磁材料中产量和使用量最太的材料。也是电源变压器用磁性材料中用量 大连理互大学硕士学位论文 最大的材料。硅钢片具有很多傀皇性能指标，如铁损低、磁感应强度高、囊装系数籀、 冲片性好等。其中藏装系装黼是困为憩工用硅锅片表露光滑，平熬和厚度秘匀，栽遵铁 芯的叠装系数提高，这对复合感应线豳的制作起着极其麓耍的作用。硅钢片按生产加工 王艺毒分煞 l 纛冷魏孬静，冷毯叉瑶分螽粒秃激起_ 耜曩毂取囱嚣耱。冷$ k 背蓐度均匀、 袭面质量好、磁性较高，因此，随着工业发展，热轧片有被冷轧片取代之趋势( 我阐已 经明确要浓婷止使蠲热轧硅镧片，即“以冷代热”) 。冷轧硅钢片分晶粒凭取向和晶粒 敞向两种铺带。冷轧电工钢带具有表谣平整、簿度蚜匀、叠装系数鬻、摔片健好等特点， 鼠比热轧电工钢带磁感高、铁损低。罔冷带代酱热轧带制造电机戏变压器，其重量和体 弑胃减少0 跨2 5 。若用冷韩数惠始，蛙能燮佳，震寓健替热裁警或诋糖次冷魏锩， w 减少变压器电能消耗量4 5 5 0 蜊，且变压器工作性能更可靠1 4 ”。 综土所述，本实验复合线圈采用0 3 5 m m 的冷轧取向电工硅钢片。另外，导磁材料 的取向校对磁纯盼影响也狠夫，这可以由b f 与b 。静眈傻来衡量，一般在院值接近l 时 磁化效果最强。 电磁铸造复合摩应器系统研究 3 复合感应器电磁场瑷论分毫纤 由于最合感应线圈的磁场中存在两种介质，在讨论磁场强度时必须考虑边界条件- 袋簿建暴条 牛鳇方法主要寿分离变量法嚣镜像法，分离交量法其蠢一般性，毽是求掰复 杂。由于艇合感应器具有它的特定情况，故可以用镜像法来解析。 磁场的镜像法是以恒定磁场边值问题解答的唯一性定理为基础发展起来的一种等 效场源法。般应籍子两种鹭匀媒质鲍情况，两稀媒质的分界面一般其有一定的对称穗。 其中，一种媒质作为求解区域，另一种媒质就作为边界以外的区域。 穗像魄溅法懿溅理【钾l 是，首先缓竣边赛熟鹱壤也竞灞与求解区域中耀麓翦磁赍藤， 使整个空间中只有种均匀磁媒质。这样虽然问题得到简化，但原来的边界条件已经破 坏。为了保证原来的边界条件得到满足，在上述假设的前提下，需要在边界外区域巾虚 设些电流，并健褥虚设翦旗流与求解区壤蠹蘸分布的电流共同产生静磁黼在透赛上满 足原来的边界条件。这样整个空间充满一种均匀媒介，其中分布的电流产生的磁场能够 滏是募来窳簪区域麴选赛条 串求鳞区域蠹电漉瓣势毒操持擐样；擞据难一撼定理，蠢墩 解区域内电流和求解区域外成设电流在求解区域共同产生的磁场就是原柬边界条件下 浓解区域麴磁场。由于求解区域边界具有一定的对称性，边界外区域虚设嗽流的分布与 浆解区域中原来毫流的分布搬兵青一定静对称穗，所戬，这些虚设电流又稼为镜像电流。 3 逮器藿凳擎篾会器聪瓣懿磁场分耪 单复合界面复合感应器系统结构如图2 4 所示，由于在实际制作中，复台感应器的 瓣应线圈裁复台线骥不可憝宠全紧密瓣连接在起，必然存在一宠懿阉黧h ，囊戳攀麓 仓界面的物理模型可以表示为图3 1 。 图31 单界面复合艨应器横溅 f i 9 3 1m 0 1 do f s j n g l ei i l 鳅f a c ec o m p o u n di n d u c l o r 大连域工丈学硬士学位论文 为求解方便，可以将电磁线圈当成无限长的直线电流，又幽于铁磁材料的磁导率 ) 硒，可敬将莽面看或芦= 酶秃限界面，其线电流模型如蘑3 2 所示： 0一 h 地 f ， 闰3 2 单整合界面的线电流穰型 f 谵3 2 l m e ”c u h 聊t m o l d o f s i n g l e i n 略r f 如e 首先求无限长附直线电流在空间的磁场强度。 对于有限长度为1 的长赢线电流i 所产生的矢量位a ，如图3 3 所示 一 割一 l 0 一 一 銎3 3 童装毫滚的矢量磁霞 f 追3 3v e c t o ro f l i n ee l e 曲i c a lc u m t 比 1 酽i 云开 ( 3 1 ) 皇堂鎏基垒壁壅登萋塑塞 抽：筹i 蠢 等h 黔 积：， 棚：等m c 巳辔h ； ( 3 3 ) 肛弘扣e ，筹 ( 3 4 ) 式中a 舞炙燕磁位 b 隽磁感斑强度；。先冀象孛的毯器率； 为线电滚强发。 鬻3 。4 线旗魄镜像法磁矮分辑 f i 醪4m a 却嘶c 矗l e do f l 加ee l e c 仃i c a lc u 啪小m i r r o ri m a g e 霹l ； 撼复合奏嚣器或无5 长戆乎嚣，壶子铰磁麓辩验磁导辜逡逅丈手空气匏磁每 率，一 ，根据边界条件，电流产生的磁线几乎垂直于界面的平面，h 无切向分量， 腻。= 日。= o 。同样，图中两投通有同方向电流i 的直导线，它鲍磁感虚线也承壹子严o 平面。所 三i ，根据镜像法，原场问题可以用线电流和它的镜像电流( 与分界面距离h 并 大连理工大学硕士学位论文 位于y o 空间中任一点的a 应为： 肛e ：等( 1 n 扎 ( 3 6 ) 其中 = b 2 + ( y 一 ) 2 】i ，_ = b 2 + ( j ，+ ) 2 j ，上半空间的b 为： b ：v 。一娑_ 娑 吒等c 端+ 赫， 托，筹【南+ 南 ( 3 ， 式中。l 、r 2 空间中的点到电流和镜像电流的距离；x 、y 为点到y 、x 轴的距离；h 为电流 到界面的距离；r 0 为有限值常量；岛、唧、e ：分别代表矢量在x 、y 、z 方向的分量；a z 为a 在z 方向的分量。 在y = 0 平面上 删冲，筹c 南一，菇 8 s ， 无复合界面存在时， 。，0 ) - 五笳寺 ( 3 9 ) 由式( 3 8 ) 和( 39 ) 得： 昙：告 ( 3 1 0 ) b x 2 + 2 、 由( 3 1 0 ) 可得，当h 口) ，即磁场强度增强，且h 越小，增大越多， 当h = 0 时，磁场增强到没有导磁介质时的2 倍。也就是说，当感应线圈和复合线圈的间 隙为零时，单界面复合感应器的磁场强度增强倍数达到理论上的最大值为2 倍。其磁场 分布如图3 5 所示。 电磁瓣造美台感斑器琴统磅巍 、 鲡；鲡 影 飞髟、脚h ， 溪3 。5 鼙艇台界藜磁场势瘴薅嚣 f 遮，3 ，5 唰。轴l d 。f 喇tc 删dv m d u 豳f 豁褥出结论，警春母磁奔蹑存纛辩，藏夯蒺粒磁每率足够大，电磁绞瓣与舟臻之 阑没蠢瓣鼹畦，楚会感应器痣夔磁场瑗谂主霹潋鬻大凳没窍导磁奔震露懿2 倍。 在蜜鼯清凌孛，铁疆禽袋的疆导攀并不是嚣穷丈，萋空气孛的磁寻搴受珀，舟震中 磁导率梵鸽，那么镜像电溅为j ；照二丝l ，巍予琏 簸，势掇攥实瓣铁磁耪嚣熬磁 鳓十强 罨搴，可疆褥戴上嚣运箕熬谖麓小予l 籀。 3 2 德爨覆为双爨会暴露瓣磁场努接 双复鑫器露镄毒惠掣= 。懿演况。这时，双复合暴露为拣蠢等磁像瑟，添线亳流翱 箕镜豫堍滚瓣两个复食器囊寒蠢爱赫，形成嚣鼹多令镜像。双复会器嚣阕鹣磁场霹班杰 壤线霾电溅和萁镜像电流静磁场来计簿，鲡强3 。6 掰承。 大连壤工大学磷士学位论文 斟 矬 样 张 黯 鞋 藉3 6 教复台界磷缄电流横趔 寥诲3 ，6 魏鼎0 8 le t 辩嘲搬。撼o f d o h b l ec 删测瓣强d 猫鼢 幽式( 3 6 ) w 推出两复裔界面之间豹炙萋磁位为 妒筹强詈砘尝墙詈也詈砘， 葵中t 燃囊。，。) 2 ，乇= 弘2 ( y + 2 2 】”2 ，裂转2 + 一2 婶2 2 如= 嚣善2 申( 罗+ 碡淼) 2 】“2 ，端技x 2 十4 秘2 】“2 ， 复台界霹串麴磁感虚强度为： ( 3 ，l ) 奄磁铸溉麓台感瘦器鬃统研究 嚣：v 0 ：g 。坠煞 印 | 魏 = 吨警t 寿+ 端+ 端h + 曩譬+ 丁弓尝面】 x 2 + ( y 一2 矗) 24 茹2 十( y 一4 妨2 一 + 勺筹【寿+ 蕊高+ 丽斋扎 + 忑丽+ 7 磊丽t 】 崧y 嘲平露，霹线瞧蠹掰在斡嚣复套器蘸的中绫乎嚣上，颤一0 ， 酝；勺警e + 南+ i h 冲，筹e + 叠 瀚 线电流在没宥复会器嚣存在鼹麴磁薅瘦焱寝孰 嚣；n 熊 2 镕 昙小害小条4 ) 虿2 1 + j f 丽。1 + 丽 舀_ 4 由式书。1 4 ) 胃羲蠢，磁场浆增强大小与皇存荚，皇趟小磁场璎缀豹整数巍裁趱大。 巍h 不毙零辩，x 越太， 0 缀越失，鼙离穰滚越逡，磁场璞强弱穆数越丈；警婷0 辩， 軎“3 ，帮双复会赛嚣感疫嚣连麴磁场壤论上大约硪毯壤强兔没寄罨磁套震懿耱3 薅。， 露| 2 主嚣密骜帮双笺龠器嚣存程孵，磁场强度鞠嚣增强，穗强匏倍数毒h 有关，h 越小磁 绣增强越夫。萁磁璐势纛翻塑3 。7 联承： 大连理工大学硕士学位论文 谶铃 图3 7 双复合界面磁场分布间图 f 迫3 7m a 印甜cn e l do f d o u b l ec o m p o u n di n d u c t o r 3 3 边界面为三复合界面时的磁场分析 三复合界面复合感应器系统中把感应线圈简化为线电流可得物理模型如图3 8 所 图38 三复合界面感应器物理模型 f 培3 8p h y s i c sm o l do f 订e b l ec o m p o 皿di n d u 嘶 由镜像法可得其线电流模型如图3 9 所示 电磁铸造复合感应器系统研究 _ ， i 7 一，一+ ，j ， f 一 ，。7 ， l |i f i 蔓言嚣麓 图3 9 蔓复合界面线电流模型 f i g 3 9l h l 。e i e 出j c a lc u 聪n t m o l do f 船b l ec o m p o u n di n d u c i o r 由蒂复合及双复合界面的镜像电流分析可得，三复界面相当子在双复合界面的基 础上再热上个垂巍鲍单复会赛蟊，掰班三复念赛垂闯的磁感应强度理论上最大可璞强 l 双复台羿面间磁场的2 倍。 大连理工大学硕士学位论文 4 电磁铸造复合感应器系统实验研究 4 1 复合感应器系统的制作 电磁铸造的复合感应器系统与普通的铝电磁铸造成形系统相似，只是在铝电磁铸造 感应器的基础上增设复合线圈制作而成的。所以复合感应器系统由电磁感应器( 感应线 圈) 、复合线圈( 磁性材料) 和冷却系统组成。 41 1 感应器的设计 感应器按形状来划分有直边感应器和斜边感应器。研究表明口w ，直边感应器内的磁 场分布为中部大，上、下部小。斜边感应器内的磁场分布则是上小下大。这样斜边感应 器产生的电磁压力也是上小下大，与液柱静压力分布一致，有利于在液柱侧面形成垂直 面：同时顶部较小的电磁驱动力可以削弱电磁力附带的搅拌作用，减缓液态金属的流动， 有利于金属液柱的稳定成型，因此，斜边感应器通常会应用于无模电磁连铸中。所以在 复合感应器系统中采用了斜边感应器。为便于研究感应器内的磁场分布，感应器采用方 形线圈。其结构如图4 1 所示，使用材料为紫铜板。 图4 i 感应器结构图 f 培4 1s t m c t 【1 r eo f i n d u 渤r 41 2 复合线圈的设计 复合感应器中的复合线圈是由冷轧取向硅钢片叠片而成的。在制作复合线圈之前， 要先确定其尺寸。由第3 章复合感应器磁场增强的原理可知，当复合线圈水平方向为无 要先确定其尺寸。由第3 章复合感应器磁场增强的原理可知，当复合线圈水平方向为无 电磁铸造复台感应器系统研究 限大的平面时，磁场的增强倍数可以达到理论上的最大值，所蛆襄在不产生很大的热量 瓣蓠撬下，尽蠢餐复合线鬻靛横截嚣积是够大，嚣复台绶錾静毫壤可敬遥过篱擎的计算 得出。 复合感应嚣系统内部熬磁通量为； * 罾。2( 4 i ) 其中丑为平均磁感应强度：对于圆形成形系统f 为半径，方形r 为当量半径。 本文选用硅钢片作为鬟合线圈，其饱和磁感应强度b = 1 8 0 0 0 g s ”，为防止线鬻磁 饱和，取线圈内部所允许的最大磁通密度b 。一1 0 0 0 0 0 s 。磁通最叉可表永为： ；魄s秘。2 ) s 是复合线圈的羲赢截面_ 晰襁，对于方形线圈s = 2 ( a + b ) h ，a 、b 为方形线圈的长和 宽；h 为复合线鼷糟度。 由式( 4 1 ) 和( 4 2 ) 可褥： = 芒筹等 ( 4 3 ) 蓬8 城t 嚣+ 、叫 本文中的方形线圈中，_ 8 搿0 4 t ，b m 拦1 0 t ，a = b z l 3 0 m m ，得蕈0 h = 1 3 0 n m 。由复台 感痤器联理，线躺麓度再大一些磁场增强效象更睦。本文复合线圈高度定为2 0 n l i 珏。 再讨论复合线豳界面的设计。由子如果鬟合线圈中通有交变的磁通，糇据电磁撩应 定律可知，这个交变的磁通要在包围它的任意闭合路径中产生感应电动势，这个感应电 动势不莰在感应线强孛存程，在复合绫霾串氇存在。蠢孳：复合线圈遣是警巍的，所戳在 复合线圈中将产生感应电流，这个电流的路径就像漩涡一样，所以称为涡流h ”。涡流在 垂直与磁通方寇的乎嚣蠹滤动。由于涡流效应，复合撼慰器系缝获热严璧，辨往褥磁场 增强效果减弱，朝涡流损失。为了减少涡流损失，采取了两个途径，一是鬟合线圈幽涂 有绝缘的硅钢片鼗片而成；二是制作复合线圈时，留有接缝，使得复合线圈并不是个 茚路，镯辑了涡流秘逶路，获秀躐，l 、满流效禽。复合线鞠静模截褥如蚕4 2 所示： 大连理工大学碛学位论文 窭4 ，2 鬟会线圈横裁莲设计 。4 。2s e 硎o n o f c o f n p 鲫n d c 税1 4 。3 冷却系统懿设诗 虽然在实验中感应线圈通有电流的情况下，复合线圈会产生涡流效应，使得复舍绒 翳的温度舞斑，但是袋熙了上文中鲍两个途径降低了复合线圈中的涡流，使褥复合线凝 的发燕并不很大，不影响实验的进行。所以不用对复合线湖单独迸行冷却设计，只需对 感应器线圈进行冷却，即在线圈上增加冷却水管。 4 2 复合藤应器系统实验装置 复台惑应器实验系统由邀源系统、复合惑瘦游系统鞍冷却系统缀成。 电源系统采用可控硅中频电源装置。其中中频电源选用k g p s 6 0 型中频电源，它可 将3 8 8 v 交溅毫经过逆流、整滤、滤波秘放大，转换为中壤交流电。其最丈供电功率为 6 0 k w ，频率2 5 0 0 h z 。接着电流进入中颡淬火变压器，它可将电源输出的高电压低电流 转化为低电照高电流，供给感触器产生交变电磁场。电源功率可调，随着电源功率的增 大，感应嚣内的磁弱强度也随乏提高。 复合感成器是在感应器的蒸础上增设复合线圈制作而成，感应器选用斜边感应器， 复金线圈由冷鞋取囊疆银片叠片瑟残。英结拇翔黧4 3 瑟霹： 电磁铸造复舍感应器系统研究 鏊 。3 复合惑斑器结梅 f i 3s 订u c t l l r eo f c o m p o u n d 砌u c l o r 冷却系统壹蓍承避帮承鼹组成，胃焉子感敷器、毫源、变压器数冷却。 4 3 复会感应器肉磁场款测量方法 在电磁铸造中，合理的电磁场分帮是成形系统设计的前提，也是实验能番成功的必 要条件。因瑟，进行磁场的测量与研究是十分必簧豹。 电磁铸造条件下的电磁场为复杂的三维坜。涡流的存在、高