[发明专利]一种基于海尔贝克环的液态金属流动电磁泵

说明书

本发明公开了一种基于海尔贝克环的液态金属流动电磁泵，包括利用多个梯形结构磁块按磁化规律排列组合成单极海尔贝克环形永磁阵列，于永磁阵列环形内部形成单极强磁场；将液态金属流体管道布置于所述永磁阵列圆环内部，按照电阻率相同原理将流体管道设置为非均匀壁厚形式，于流体管道内部液态金属区域获得均匀电流密度；单极海尔贝克环形永磁阵列开有多个定位孔，利用带定位销的内外固定支架将海尔贝克环形永磁阵列与流体管道固定支撑。本发明的海尔贝克环形电磁泵具有聚磁效应，可在液态金属流体区域形成强磁场，为电磁流动提供高驱动力；流体管道内截面为圆形，可消除传统电磁泵管道变截面所引发的局部压力损失。

技术领域

本发明涉及电磁泵，尤其涉及一种基于海尔贝克环的液态金属流动电磁泵。

背景技术

液态金属自身优越的热传导性能使其广泛应用于核电、航空、航天、微电子等散热领 域。液态金属具有熔点低、沸点高、流动性好、导电性强、腐蚀性强等特点，针对其物性特点可利用电磁感应产生洛伦兹力的原理驱动流体于回路中循环流动(电磁泵原理)，具体参见《液态金属电磁泵[M].科学出版社,1978》。同时，电磁驱动流体回路中无机械运转部件，有效防止了传统机械泵叶片被流体腐蚀的发生，系统整体的可靠性及寿命均可增强。

电磁泵简单原理示意如图1所示，导电流体处于方向垂直的电场与磁场中，利用磁场 (强度)和导电流体中电流(电流密度)的相互作用，使流体受电磁力(洛伦兹力)作用而产生压力梯度，从而推动流体定向运动。

其中施加在流体上的洛伦兹力为:

流动方向的总驱动力为：

若假定施加在图1中左右电极上的电流密度均匀忽略摩擦损失，式(2)积 分有：

则电磁泵产生的压头为：

上述公式中，为洛伦兹力，为电流密度，为磁通密度，l、w、s分别为电磁泵流动方向长度、电极方向宽度以及磁场方向高度，I为电流大小。公式(4)表明，电磁泵的压头p与磁场强度B成正比，与线电流密度I/s成正比。

电磁泵依据电源的供给形式不同，可分为交流式电磁泵和直流式电磁泵；而按照液态金 属中电流的馈给方式不同，可分为传导式电磁泵和感应式电磁泵，图2为传统直流传导式电 磁泵示意图，其由永磁铁1-1、上下磁轭1-2、液态金属区域1-3、流体管道1-4四部分构成 了简单磁场回路，上下磁轭为相对磁导率较高的固态金属，其起到引导永磁铁磁力线沿指定 方向闭合的作用。现有研究表明，该传统结构电磁泵，管内流体区域最大磁感应强度不足永 磁铁剩余磁通量的50％，存在严重的漏磁现象，而由公式(4)可知，流体区域磁感应强度 减弱则电磁泵压头将减小，在满足相同运行工况情况下对电磁泵尺寸及功耗均造成不利影 响。

传统直流传导式电磁泵磁场区域为矩形截面通道，而实际工程应用中流体循环管路一般 均为圆形截面，将该电磁泵运行于系统循环中需将其与前后连接管路之间进行“圆管—矩形 管”以及“矩形管—圆管”的通道转换，截面转换如图3所示，由流体力学知识可知，流体流 动过程中截面形状或截面积的转变均会产生较大的局部阻力损失，此将减弱电磁泵的实际出 力能力。而倘若在图2结构基础上直接将矩形截面管道替换为圆形截面管道，如图4所示， 则截面积相同情况下，圆形截面直径必将大于矩形截面高度(此前为降低漏磁及获得较高的 线电流密度，特意将矩形截面宽高比加大，做成较扁通道)，此时上下磁轭间距加大，漏磁 现象将会更加严重，由式(4)可知此将会大幅减小电磁泵压头，在满足相同运行工况情况下 对电磁泵尺寸及功耗均造成不利影响。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种可提高液态金属区域磁场强度，无管 道变截面所产生的局部阻力损失的新型电磁泵结构。