聚磁参数对直流电磁泵磁场分布影响的数值模拟

郑丽丽，卢艳青，李培兴

(辽宁科技大学 材料与冶金学院，辽宁 鞍山 114051)

聚磁参数对直流电磁泵磁场分布影响的数值模拟

郑丽丽，卢艳青，李培兴

(辽宁科技大学 材料与冶金学院，辽宁 鞍山 114051)

直流电磁泵是镁合金铸造过程的重要设备，而电磁铁聚头长度和截面积是影响电磁泵效率的关键参数.作者采用ANSYS软件研究了聚磁头结构对电磁泵聚磁头间隙磁场分布的影响.模拟结果表明，由于聚磁效应，聚磁头结构能有效提高聚磁头间隙处磁感应强度，且随聚磁头长度的增加，磁感应强度分布均匀性有所提高;随着聚磁头截面特征长度的增大，聚磁头间隙处磁感应强度先增大后减小，聚磁头截面特征长度为20～30 mm时聚磁效果最佳.研究结果对于深入认识直流电磁泵的磁场特性并对其优化具有理论价值和现实意义.

电磁泵;聚磁参数;磁感应强度;数值模拟

随着工艺技术的不断进步，电磁技术被广泛应用于冶炼、铸造、成型等冶金过程.电磁泵作为电磁技术应用的代表，可实现金属液体的定量传输，其主要工作原理是向处于磁场中的导电液体施加垂直于磁力线方向的电流，使液体在洛伦兹力的作用下，克服自身重力及摩擦力，发生定向运动［1～3］.电磁泵特点主要有［2～4］:输送过程平稳，液体不易引起湍流;工作环境密闭，可有效减少夹杂物，提高被输送液体的纯净度;对于易氧化的金属液体，可利用惰性气体加以保护;金属液体经过磁场作用，可有效细化晶粒;系统结构简单，易实现计算机自动化程序控制.

液态金属定量传输用直流电磁泵的电磁区域是其工作核心.电磁泵电磁区域空间狭小，但其结构对金属液的定向定量传输起着决定性作用［5］.特别针对镁合金浇注过程，要求电磁泵将低过热度、高黏度、易氧化的熔融镁合金连续、稳定、大流量传输至浇注模型中，这便对电磁泵技术提出更高要求，合理设计电磁区域结构显得尤为重要.通电磁铁是直流电磁泵电磁区域的基本结构单元之一，电磁铁的结构和励磁电流的大小将直接影响电磁区域的磁场分布［2］，文献［6］和文献［7］指出在励磁电流一定的情况下，电磁铁聚磁头长度和截面积等参数对磁场分布及磁感应强度有重要影响.目前对电磁泵磁场问题的研究，多采用实验数据分析方法，但实验过程中，无法直观地观察到磁场的分布情况，且实验数据采集具有一定的局限性，使得研究较为困难.计算机模拟实现磁场分布的可视化，能综合考虑电磁铁聚磁头间隙有效空间内的电磁环境，辅助电磁铁结构的优化设计.本文设计了聚磁头长度和截面积尺寸，研究了上述两个因素对电磁泵聚磁头间隙磁感应强度分布的影响.

1 电磁铁聚磁铁芯结构及其主要参数

图1为电磁泵内典型的聚磁铁芯示意图.电磁铁工作时，在两聚磁头间隙处产生一定强度的磁场，镁合金熔融液体流经此处时，将受到相互垂直的磁场和外加电场共同影响的电磁力作用，通过控制磁场和电场强度，可实现金属液的定量传输.通电导体所受电磁力大小与聚磁头间隙处的磁感应强度直接相关，而影响磁感应强度的因素又包括励磁电流大小、聚磁头长度、聚磁头截面积等三个主要参数.在此固定电流大小，探究聚磁头结构对聚磁头间隙处磁感应强度的影响.铁芯模型尺寸见表1.

图1 聚磁铁芯结构图示Fig.1 Schematic illustration of the concentrating magnetism ferrite core

表1 聚磁铁芯尺寸数据Table 1 Size data of the concentrating magnetism ferrite core mm

2 磁极间隙磁场强度仿真的模型与边界条件

2.1 电磁场数学模型

电磁场的控制模型主要是由Maxwell方程组来描述，Maxwell方程组由安培环路定律、法拉第电磁感应定律、高斯电通定律(即高斯定律)以及高斯磁通定律四个定律推导而出，其微分形式如下:

式中，H为磁场强度，A/m;J为电流密度，A/m2; B为磁感应强度，T.

Maxwell方程组是电磁场有限元分析的基础与根本出发点，描述了电场与磁场行为，以及二者间的相互作用与转化，对电磁场的研究提供了理论依据.

2.2 电磁场物理模型及边界条件

图2为电磁泵铁芯有限元模型，模型分为铁芯、空气和线圈三部分.模型中定义所有区域为4节点PLANE13四边形磁场分析单元.建立模型后，采用Map方法对其进行网格划分，设置最小单元长度为2 mm，网格全部为四边形网格，对聚磁头间隙处网格进行加密，如图2(b)所示，整体网格数量共计12万.由于聚磁铁芯内部区域及聚磁头间隙的存在，故建模时将此处空气区域加入到模型当中，利用ANSYS软件自带建模工具，建立二维铁芯有限元模型.

图2(a)所示线圈处通直流电，线圈匝数为1000匝，每匝线圈电流60 A.定义材料属性时，BH数据按线性处理，设置空气区和线圈区相对磁导率为1，铁芯区相对磁导率为6000.计算时，在模型外围节点施加空气场磁力线平行边界条件.

图2 聚磁头磁感应强度分析有限元模型Fig.2 The FEM model for magnetic flux density of the concentrating magnetic head(a)—聚磁铁芯物理模型;(b)—模型网格局部

3 模拟结果与分析

图3为在聚磁头长度为50 mm、聚磁头截面特征长度为50 mm下铁芯周围磁感应强度分布矢量图.如图3(a)所示，磁感应强度在线圈处，即铁芯中心位置取得最大值，而无线圈的铁芯处磁感应强度相对较小，特别是在两聚磁头间隙处，磁感应强度进一步衰减，且此处磁感应强度分布不均匀，表明此处磁场强度并非定值，不利于金属液体的传输.从图3(b)聚磁头间隙处磁力线分布图可看出，此处部分磁感应强度矢量方向并不与磁极平行，而是绕开磁隙呈弧状分布，表明在磁隙处存在漏磁现象，漏磁的发生应为铁芯和空气的相对磁导率不同所致，为减少漏磁现象的发生，可适当减小聚磁头间距.

由于漏磁现象的发生，使得聚磁头间隙处磁感应强度呈非均匀分布，针对模拟所得结果，将此区域内各节点上的磁感应强度数值求均值处理，以均值数据代表一种聚磁头结构的模拟结果，来探究不同聚磁头结构对间隙处磁场分布的影响，求解公式为:

图3 电磁铁磁场特性图Fig.3 The characteristic schema of the electromagnet magnetic field(a)—电磁铁磁感应强度分布;(b)—聚磁头磁力线分布

3.1 聚磁头长度的影响

为增加聚磁头间隙处的磁感应强度，提高磁隙处磁感应强度分布的均匀性，在铁芯长度a=780 mm，聚磁头截面特征长度g=50 mm的情况下分别调整聚磁头长度s为0(此时g=100 mm)、100、150、200、260 mm，参照图2分别建立有限元模型并进行计算.图4为不同聚磁头长度作用下磁头间隙处磁感应强度均值分布.磁头间隙处磁感应强度均值在聚磁头长度为0时最小，且随着聚磁头长度增加，磁感应强度增强，当s=260 mm时取得最大值.从图中也可看出，较无聚磁头(s=0 mm)作用情况相比，有聚磁头(s＞50 mm)作用时磁隙处磁感应强度有较大程度提高，但当聚磁头长度s大于50 mm后，磁隙处磁感应强度增长幅度不大.

图5为s=50 mm和s=260 mm两种情况下磁隙处磁感应强度矢量图，深灰色区域代表磁感应强度数值较小，浅灰色代表数值较大，比较两种情况可以看出，当聚磁头长度增加时，磁隙处磁感应强度分布的均匀性有较大提高.

图4 磁头间隙处磁感应强度均值分布Fig.4 Distribution of magnetic flux density mean value on the gap of the concentrating magnetic heads

图5 磁头间隙处磁感应强度分布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，聚磁头结构的设置，在磁隙处产生明显的聚磁效应，有效提高了磁隙处磁感应强度.随着聚磁头长度增加，磁隙处磁感应强度增长趋势微弱，但磁隙处磁感应强度分布的均匀性有较大程度提高.

3.2 聚磁头截面特征长度的影响

在探究聚磁头截面积对间隙处磁感应强度影响时，假定磁隙处磁感应强度在与图1所示平面相垂直的z方向上分布均匀，在二维模型中，利用聚磁头截面特征长度g来等效聚磁头截面积，建立有限元模型，铁芯长度a=780 mm，设计聚磁头长度s=260 mm，聚磁头截面特征长度g分别调整为10、20、30、40、50、60和80 mm进行磁隙处磁感应强度的计算.

图6为聚磁头截面特征长度不同情况下对应的磁隙处磁感应强度.由图可以看出，磁隙处磁感应强度在聚磁头截面特征长度为20和30 mm时取得最大值.一般情况下，磁感应强度和铁芯截面积存在如下关系:

图6 聚磁头截面特征长度对磁感应强度的影响Fig.6 Influence of section length of the concentrating magnetic head on the magnetic flux density

式中，φ为穿过铁芯截面的磁通量，Wb;S为铁芯截面积，m2.

线圈以外的铁芯存在漏磁现象，尤其是在磁头间隙处，漏磁现象更为严重.此处磁通量应乘以相应的衰减率η，此时磁感应强度B'为:

从式(5)可以看出，当减小聚磁头截面积时，磁感应强度将进一步增强.但当聚磁头截面积过小时，磁隙处漏磁现象进一步增加，导致η增大，故磁隙处磁感应强度又会有所降低.根据以上分析，聚磁头长度为20～30 mm时，聚磁效果最佳.

4 结论

利用ANSYS软件静磁场模拟模块，分析电磁泵磁铁铁芯的不同结构对聚磁头间隙处磁感应强度的影响，得出如下结论:

(1)电磁铁无线圈铁芯处存在漏磁现象，聚磁头间隙处漏磁较为严重，导致间隙处磁感应强度较低;

(2)聚磁头结构的设置，使得聚磁头间隙处磁感应强度明显提高，且随着聚磁头长度增加，间隙处磁感应强度分布更加均匀;

(3)随着聚磁头截面特征长度的增加，聚磁头间隙处磁感应强度呈先增加后减小趋势，聚磁头截面特征长度为20～30 mm时聚磁效果最好.

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(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.)

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(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.

鞍山市科技计划项目 (2010SF01，2012MS33).

郑丽丽 (1988—)，女，辽宁科技大学硕士研究生，E－mail:zhenglili903@163.com;卢艳青 (1972—)，女，辽宁科技大学教授，E－mail:luyanqing77@163.com.