电磁悬浮熔炼装置中感应器的研究及设计

论文摘要

电磁悬浮熔炼技术是一种无容器材料处理加工技术,熔炼的金属与器壁无接触,避免了器壁对熔炼材料的污染。可用于材料检测及制备特殊性质的高纯物质。但是该技术存在着效率低、稳定性差、温度难以控制等缺点。本课题对电磁悬浮熔炼技术的核心部件一感应器进行了研究与设计。本文介绍了悬浮熔炼装置中感应器的研究进展。通过理论研究,对感应器进行了仿真实验,设计并确定了实验工艺条件,进行了实验验证。主要内容如下：第一,根据理论研究进行了MATLAB仿真分析。把本研究设定的感应器参数,代入前人推导出的试样的悬浮力、试样温度、叠加和不叠加直流磁场的交变磁场中所受力矩公式,通过MATLAB编程,进行仿真实验。通过分析仿真结果,得出了感应器的几何尺寸、电源条件与球形金属试样悬浮力、温度、稳定性等参数的关系。在悬浮力研究中,提出了悬浮难度系数的概念。以上分析为实验研究提供了一定的理论指导。第二,采用中频感应变压器法对10g铝球和铁球的感应器进行实验工艺条件设计。分别确定了悬浮熔炼10g铝球及铁球的电源频率分别为200kHz/250kHz、最大功率为35kW/25kW,悬浮线圈的有效匝数为7匝/5匝,材料为Φ6/φ8x 1.5mm紫铜管,其水冷方式均为无须分段水冷。第三,进行了悬浮实验研究。对自制的6种感应器,采用450kHz、15kW高频电源驱动,分别对Φ10mm铁球、20×20×20mm3铝块等6种样品进行了悬浮熔炼实验。实验结果表明6匝悬浮线圈与2匝稳定线圈组合的锥形感应器悬浮效果较好。总之,在理论分析基础上得出的仿真结果与实验结果基本相符。今后可通过理论计算及仿真实验初步确定工艺参数。以理论指导并简化实验过程,确定出最佳工艺参数。本研究对悬浮熔炼10g左右金属试样的感应器设计有一定的参考价值。可用于特殊材料的制备、检测等许多领域。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 电磁悬浮熔炼概况
• 1.2.1 悬浮熔炼的种类
• 1.2.2 电磁悬浮熔炼的发展历史
• 1.2.3 电磁悬浮熔炼的种类
• 1.3 本研究的主要内容
• 第2章 电磁悬浮熔炼技术理论基础
• 2.1 恒定电流及其电场
• 2.2 恒定电流的磁场
• 2.3 准静态场、电感和磁场能
• 2.4 电磁流体力学的基本理论
• 第3章 悬浮力、温度及稳定性与感应器参数关系的研究仿真实验
• 3.1 电磁悬浮熔炼的基本电路和基本原理
• 3.2 电磁悬浮熔炼装置悬浮力的研究
• 3.2.1 单线圈对均匀球体产生的悬浮力
• 3.2.2 一对反接线圈对均匀球体产生的悬浮力
• 3.2.3 锥形多匝线圈对均匀金属球体的悬浮力仿真研究
• 3.2.4 小结
• 3.3 电磁悬浮熔炼时试样温度的研究
• 3.3.1 试样吸收的功率
• 3.3.2 散热功率
• 3.3.3 温度特性的仿真研究
• 3.4 电磁悬浮熔炼装置稳定性的研究
• 3.4.1 稳定性概述
• 3.4.2 具体的解决方案
• 3.5 本章小结
• 第4章 感应器的计算与设计
• 4.1 电源频率的计算与选择原则
• 4.2 感应器参数的计算与设计
• 4.2.1 线圈的形状
• 4.2.2 线圈的参数设计
• 4.3 本章小结
• 第5章 电磁悬浮熔炼实验研究
• 5.1 实验目的
• 5.2 实验方法
• 5.3 实验过程
• 5.3.1 实验一
• 5.3.2 实验二
• 5.3.3 实验三
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论
• 6.1 结论
• 6.2 有待进一步研究的问题
• 参考文献
• 致谢
• 研究生期间发表的论文