[发明专利]一种采用流体驱动在导电液体中产生电磁力的方法

说明书

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匀化，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：其中σ为导电液体的电导率，μ为磁导率，ω＝2πf，f为频率。传统的电磁驱动或搅拌技术有如下缺点：(i)当导电液体的特征尺度d＞＞δ时，导电液体心部(宽度为d-2δ)(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。(ii)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。