聚磁參數對直流電磁泵磁場分布影響的數值模擬

鄭麗麗，盧艷青，李培興

(遼寧科技大學 材料與冶金學院，遼寧 鞍山 114051)

聚磁參數對直流電磁泵磁場分布影響的數值模擬

鄭麗麗，盧艷青，李培興

(遼寧科技大學 材料與冶金學院，遼寧 鞍山 114051)

直流電磁泵是鎂合金鑄造過程的重要設備，而電磁鐵聚頭長度和截面積是影響電磁泵效率的關鍵參數.作者采用ANSYS軟件研究了聚磁頭結構對電磁泵聚磁頭間隙磁場分布的影響.模擬結果表明，由于聚磁效應，聚磁頭結構能有效提高聚磁頭間隙處磁感應強度，且隨聚磁頭長度的增加，磁感應強度分布均勻性有所提高;隨著聚磁頭截面特征長度的增大，聚磁頭間隙處磁感應強度先增大后減小，聚磁頭截面特征長度為20～30 mm時聚磁效果最佳.研究結果對于深入認識直流電磁泵的磁場特性并對其優化具有理論價值和現實意義.

電磁泵;聚磁參數;磁感應強度;數值模擬

隨著工藝技術的不斷進步，電磁技術被廣泛應用于冶煉、鑄造、成型等冶金過程.電磁泵作為電磁技術應用的代表，可實現金屬液體的定量傳輸，其主要工作原理是向處于磁場中的導電液體施加垂直于磁力線方向的電流，使液體在洛倫茲力的作用下，克服自身重力及摩擦力，發生定向運動［1～3］.電磁泵特點主要有［2～4］:輸送過程平穩，液體不易引起湍流;工作環境密閉，可有效減少夾雜物，提高被輸送液體的純凈度;對于易氧化的金屬液體，可利用惰性氣體加以保護;金屬液體經過磁場作用，可有效細化晶粒;系統結構簡單，易實現計算機自動化程序控制.

液態金屬定量傳輸用直流電磁泵的電磁區域是其工作核心.電磁泵電磁區域空間狹小，但其結構對金屬液的定向定量傳輸起著決定性作用［5］.特別針對鎂合金澆注過程，要求電磁泵將低過熱度、高黏度、易氧化的熔融鎂合金連續、穩定、大流量傳輸至澆注模型中，這便對電磁泵技術提出更高要求，合理設計電磁區域結構顯得尤為重要.通電磁鐵是直流電磁泵電磁區域的基本結構單元之一，電磁鐵的結構和勵磁電流的大小將直接影響電磁區域的磁場分布［2］，文獻［6］和文獻［7］指出在勵磁電流一定的情況下，電磁鐵聚磁頭長度和截面積等參數對磁場分布及磁感應強度有重要影響.目前對電磁泵磁場問題的研究，多采用實驗數據分析方法，但實驗過程中，無法直觀地觀察到磁場的分布情況，且實驗數據采集具有一定的局限性，使得研究較為困難.計算機模擬實現磁場分布的可視化，能綜合考慮電磁鐵聚磁頭間隙有效空間內的電磁環境，輔助電磁鐵結構的優化設計.本文設計了聚磁頭長度和截面積尺寸，研究了上述兩個因素對電磁泵聚磁頭間隙磁感應強度分布的影響.

1 電磁鐵聚磁鐵芯結構及其主要參數

圖1為電磁泵內典型的聚磁鐵芯示意圖.電磁鐵工作時，在兩聚磁頭間隙處產生一定強度的磁場，鎂合金熔融液體流經此處時，將受到相互垂直的磁場和外加電場共同影響的電磁力作用，通過控制磁場和電場強度，可實現金屬液的定量傳輸.通電導體所受電磁力大小與聚磁頭間隙處的磁感應強度直接相關，而影響磁感應強度的因素又包括勵磁電流大小、聚磁頭長度、聚磁頭截面積等三個主要參數.在此固定電流大小，探究聚磁頭結構對聚磁頭間隙處磁感應強度的影響.鐵芯模型尺寸見表1.

圖1 聚磁鐵芯結構圖示Fig.1 Schematic illustration of the concentrating magnetism ferrite core

表1 聚磁鐵芯尺寸數據Table 1 Size data of the concentrating magnetism ferrite core mm

2 磁極間隙磁場強度仿真的模型與邊界條件

2.1 電磁場數學模型

電磁場的控制模型主要是由Maxwell方程組來描述，Maxwell方程組由安培環路定律、法拉第電磁感應定律、高斯電通定律(即高斯定律)以及高斯磁通定律四個定律推導而出，其微分形式如下:

式中，H為磁場強度，A/m;J為電流密度，A/m2; B為磁感應強度，T.

Maxwell方程組是電磁場有限元分析的基礎與根本出發點，描述了電場與磁場行為，以及二者間的相互作用與轉化，對電磁場的研究提供了理論依據.

2.2 電磁場物理模型及邊界條件

圖2為電磁泵鐵芯有限元模型，模型分為鐵芯、空氣和線圈三部分.模型中定義所有區域為4節點PLANE13四邊形磁場分析單元.建立模型后，采用Map方法對其進行網格劃分，設置最小單元長度為2 mm，網格全部為四邊形網格，對聚磁頭間隙處網格進行加密，如圖2(b)所示，整體網格數量共計12萬.由于聚磁鐵芯內部區域及聚磁頭間隙的存在，故建模時將此處空氣區域加入到模型當中，利用ANSYS軟件自帶建模工具，建立二維鐵芯有限元模型.

圖2(a)所示線圈處通直流電，線圈匝數為1000匝，每匝線圈電流60 A.定義材料屬性時，BH數據按線性處理，設置空氣區和線圈區相對磁導率為1，鐵芯區相對磁導率為6000.計算時，在模型外圍節點施加空氣場磁力線平行邊界條件.

圖2 聚磁頭磁感應強度分析有限元模型Fig.2 The FEM model for magnetic flux density of the concentrating magnetic head(a)—聚磁鐵芯物理模型;(b)—模型網格局部

3 模擬結果與分析

圖3為在聚磁頭長度為50 mm、聚磁頭截面特征長度為50 mm下鐵芯周圍磁感應強度分布矢量圖.如圖3(a)所示，磁感應強度在線圈處，即鐵芯中心位置取得最大值，而無線圈的鐵芯處磁感應強度相對較小，特別是在兩聚磁頭間隙處，磁感應強度進一步衰減，且此處磁感應強度分布不均勻，表明此處磁場強度并非定值，不利于金屬液體的傳輸.從圖3(b)聚磁頭間隙處磁力線分布圖可看出，此處部分磁感應強度矢量方向并不與磁極平行，而是繞開磁隙呈弧狀分布，表明在磁隙處存在漏磁現象，漏磁的發生應為鐵芯和空氣的相對磁導率不同所致，為減少漏磁現象的發生，可適當減小聚磁頭間距.

由于漏磁現象的發生，使得聚磁頭間隙處磁感應強度呈非均勻分布，針對模擬所得結果，將此區域內各節點上的磁感應強度數值求均值處理，以均值數據代表一種聚磁頭結構的模擬結果，來探究不同聚磁頭結構對間隙處磁場分布的影響，求解公式為:

圖3 電磁鐵磁場特性圖Fig.3 The characteristic schema of the electromagnet magnetic field(a)—電磁鐵磁感應強度分布;(b)—聚磁頭磁力線分布

3.1 聚磁頭長度的影響

為增加聚磁頭間隙處的磁感應強度，提高磁隙處磁感應強度分布的均勻性，在鐵芯長度a=780 mm，聚磁頭截面特征長度g=50 mm的情況下分別調整聚磁頭長度s為0(此時g=100 mm)、100、150、200、260 mm，參照圖2分別建立有限元模型并進行計算.圖4為不同聚磁頭長度作用下磁頭間隙處磁感應強度均值分布.磁頭間隙處磁感應強度均值在聚磁頭長度為0時最小，且隨著聚磁頭長度增加，磁感應強度增強，當s=260 mm時取得最大值.從圖中也可看出，較無聚磁頭(s=0 mm)作用情況相比，有聚磁頭(s＞50 mm)作用時磁隙處磁感應強度有較大程度提高，但當聚磁頭長度s大于50 mm后，磁隙處磁感應強度增長幅度不大.

圖5為s=50 mm和s=260 mm兩種情況下磁隙處磁感應強度矢量圖，深灰色區域代表磁感應強度數值較小，淺灰色代表數值較大，比較兩種情況可以看出，當聚磁頭長度增加時，磁隙處磁感應強度分布的均勻性有較大提高.

圖4 磁頭間隙處磁感應強度均值分布Fig.4 Distribution of magnetic flux density mean value on the gap of the concentrating magnetic heads

圖5 磁頭間隙處磁感應強度分布Fig.5 Distribution of magnetic flux density on the gap of the concentrating magnetic heads(a)—s=50 mm;(b)—s=260 mm

由以上分析可以得出，聚磁頭結構的設置，在磁隙處產生明顯的聚磁效應，有效提高了磁隙處磁感應強度.隨著聚磁頭長度增加，磁隙處磁感應強度增長趨勢微弱，但磁隙處磁感應強度分布的均勻性有較大程度提高.

3.2 聚磁頭截面特征長度的影響

在探究聚磁頭截面積對間隙處磁感應強度影響時，假定磁隙處磁感應強度在與圖1所示平面相垂直的z方向上分布均勻，在二維模型中，利用聚磁頭截面特征長度g來等效聚磁頭截面積，建立有限元模型，鐵芯長度a=780 mm，設計聚磁頭長度s=260 mm，聚磁頭截面特征長度g分別調整為10、20、30、40、50、60和80 mm進行磁隙處磁感應強度的計算.

圖6為聚磁頭截面特征長度不同情況下對應的磁隙處磁感應強度.由圖可以看出，磁隙處磁感應強度在聚磁頭截面特征長度為20和30 mm時取得最大值.一般情況下，磁感應強度和鐵芯截面積存在如下關系:

圖6 聚磁頭截面特征長度對磁感應強度的影響Fig.6 Influence of section length of the concentrating magnetic head on the magnetic flux density

式中，φ為穿過鐵芯截面的磁通量，Wb;S為鐵芯截面積，m2.

線圈以外的鐵芯存在漏磁現象，尤其是在磁頭間隙處，漏磁現象更為嚴重.此處磁通量應乘以相應的衰減率η，此時磁感應強度B'為:

從式(5)可以看出，當減小聚磁頭截面積時，磁感應強度將進一步增強.但當聚磁頭截面積過小時，磁隙處漏磁現象進一步增加，導致η增大，故磁隙處磁感應強度又會有所降低.根據以上分析，聚磁頭長度為20～30 mm時，聚磁效果最佳.

4 結論

利用ANSYS軟件靜磁場模擬模塊，分析電磁泵磁鐵鐵芯的不同結構對聚磁頭間隙處磁感應強度的影響，得出如下結論:

(1)電磁鐵無線圈鐵芯處存在漏磁現象，聚磁頭間隙處漏磁較為嚴重，導致間隙處磁感應強度較低;

(2)聚磁頭結構的設置，使得聚磁頭間隙處磁感應強度明顯提高，且隨著聚磁頭長度增加，間隙處磁感應強度分布更加均勻;

(3)隨著聚磁頭截面特征長度的增加，聚磁頭間隙處磁感應強度呈先增加后減小趨勢，聚磁頭截面特征長度為20～30 mm時聚磁效果最好.

［1］王勇，王杰.電磁泵定量澆注系統定量控制及電磁泵的結構設計［J］.設計與制造，2011，(6):25－26.

(Wang Yong，Wang Jie.Electromagnetic pump quantitative pouring system control and the structure of the electromagnetic pump design［J］.Design and Manufacture，2011，(6):25－26.)

［2］劉艷明，徐宏，毛紅奎.直流電磁泵電磁鐵磁場ANSYS數值模擬［J］.鍛造技術，2008，29(11):1525－1529.

(Liu Yanming，Xu Hong，Mao Hongkui.ANSYS simulation on magnetic field of electromagnet in direct current pump［J］.Foundry Technology，2008，29(11):1525－1529.)

［3］蒙新明，黨驚知，楊晶.電磁泵定量澆注控制技術的研究［J］.鑄造技術，2004，25(10):763－765.

(Meng Xinming，Dang Jingzhi，Yang Jing.The study of the controlling technology of the quantitative pouring with the electromagnetic pump［J］.Foundry Technology，2004，25 (10):763－765.)

［4］Maon T J.Electromagnetic pump with thin metal walls［J］.American Society of Mechanical Engineers，1992(3):1－4.

［5］蒙新明.鋁合金擠壓鑄造用電磁泵定量澆注技術研究［D］.太原:中北大學，2005.

(Meng Xinming.The study of technology of the aluminum alloy squeeze casting using quantitative pouring with the electromagnetic pump［D］.Taiyuan:North University of China，2005.)

［6］劉云，程軍.聚磁參數對電磁泵磁場強度的影響［J］.應用基礎與工程科學學報，2006，14(2):254－261.

(Liu Yun，Cheng Jun.Influence of assembled magnetic parameters on the directcurrentelectromagnetic pump magnetic strength［J］. JournalofBasic Science and Engineering，2006，14(2):254－261.)

［7］劉云.電磁泵鑄造技術及應用［M］.北京:國防工業出版社，2008:52－54.

(Liu Yun.Electromagnetic pump casting technology and application［M］.Beijing:National Defense Industrial Press，2008:52－54.)

Numerical simulation for influence of magnetic parameters magnetic field distribution of direct current electromagnetic pump

Zheng Lili，Lu Yanqing，Li Peixing

(School of Materials and Metallurgy，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China)

Direct current electromagnetic pump is an important equipment for magnesium alloy casting.Concentrating magnetic head length and its sectional dimension are the key parameters influencing the electromagnetic pump working efficiency.ANSYS was used to study influence of the concentrating magnetic head structure on the magnetic head gap magnetic flux density.The results showed that the magnetic flux density on the gap of the concentrating magnetic heads is enhanced obviously because of the concentrating magnetic effect，distribution uniformity of the magnetic flux density is improved with the increment of the concentrating magnetic head length;with increment of the magnetic head section length，the gap magnetic flux density increases first and then decreases，the best effect occurs when the magnetic head section length is between 20～30 mm.It believed that the findings have theoretical and practical meanings for deeply understanding and optimizing the direct current electromagnetic pump magnetic field characteristics.

electromagnetic pump;concentrating magnetic parameters;magnetic flux density;numerical simulation

TG 233.1

A

1671-6620(2014)01-0074-05

2013-10-12.

鞍山市科技計劃項目 (2010SF01，2012MS33).

鄭麗麗 (1988—)，女，遼寧科技大學碩士研究生，E－mail:zhenglili903@163.com;盧艷青 (1972—)，女，遼寧科技大學教授，E－mail:luyanqing77@163.com.