Способ электромагнитной подвески жидких электропроводных материалов и устройство для электромагнитной подвески жидких электропроводных материалов

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЙ4АЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

«е св

М5В В 22 D 27/02; F 27 D 11/12;

Н 05 В б/32 к..-1 "

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ направлении поля, и периодическим реверсированием волны, бегущей в поперечном направлении, для.предотвращения увеличения жидкого электропроводного материала бегущим полем.

2. Устройство для электромагнитной подвески жидких электропроводных материалов, содержлаее источник возбуждения переменнего магнитного поля, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения КПД, источник возбуждения переменного магнитного поля выполнен в виде вращающегося ротора с жестко закрепленными на нем постоянными магнитами, над поверхностью которых размещена неподвижная решетка из электрапроводного материала, на которую нанесен изолирукщий неэлектоопроводный, .огнеупорный слой, а полюса магнитов каждого последующего ряда ротора установлены с пространственным сдвигом относительно полюсов предыдущего ряда.

3. Устройство по п. 2, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью создания бегущего периодически реверсирующего магнитного поля в поперечном направлении, полюса

;магнитов каждого последующего ряда ротора относительно полюсов предыдущего ряда установлены са сдвигом, равным

Ф (0,2-5) d

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3510584/22-02 (22) 15.11 ° 82 (46 ) 23.01.84. Бюл. Р 3 (72) Ю.И.Самойленко, В. A.Ткаченко и В.Л.Дворянков (71) Ордена Ленина институт киберне« тики им. В.M.Ãëóøêîâà (53) 621.74:621.78(088.8) (56) 1. Патент CIIIA 9 3476170, кл. 164-48, 1967.

2. Патент Великобритании

Р 1226693, кл. Н 05 В 5/08, 1970, 3. Авторское свидетельство СССР

Р 632482, кл. B 22 D 27/02, 1978.

4. Авторское свидетельство СССР

У 630757, кл. H 05 В б/32, 1970.

5. Авторское свидетельство СССР

Р 771911, кл. Н 05 В б/10, 1980. б. Авторское свидетельство СССР

Р 869077, кл. Н 05 В б/32, 1981. (54) СПОСОБ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ПОДВЕС

КИ ЖИДКИХ ЭЛЕКТРОПРОВОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ

ПОДВЕСКИ ЖИДКИХ ЭЛЕКТРОПРОВОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ (54 ) 1. Способ электромагнитной подвески жидких электропроводных материалов путем воздействия на материал переменными .электромагнитными полями, о т л и-ч а ю шийся тем, что, с целью повышения КПД, переменные электромагнитные поля образуют вращением постоянных магиитов с одновременным экранированием одной из составляющих волн, например синусной, бегущего в продольном где d - -ширина погоса магнита.

10б8224

Наиболее близким к изобретению 45 по технической сущности и достигаемому эффекту является способ электромагнитной подвески жидких электропроводных материалов путем воздействия на матеРиал переменными электро.- 50 магнитными полями. В способе на материал воздействуют аксиально симметричным высокочастотным магнитным полем частотой 1-100 кГц, образующим "магнитную бутылку"; и допол.нительно одним или несколькими низкочастотными аксиально симметричными магнитными полями частотой 0,051,0 кГцО имеющими ту же конфигурацию, что и высокочастотное поле, причем оси высокочастотного и ниэкочастот- 60 ного полей смещают друг относительно друга (3).

Недостатками известного способа являются низкий ИПД вследствие потерь в токоподводящих шинах и необходимость

Изобретение относится к металлургии, в частности к рафинированию. металлов и сплавов в электромагнитном тигле в вакууме для получения, . например, полупроводников.

Известен способ бестигельного 5 удержания жидкого металлического проводника путем воздействия на него высокочастотным электромагнитным полем, в котором массу проводника уравновешивают силами магнитного давления (1 3.

Однако вследствие наличия

"особой точки", в которой индуцированный в проводнике ток равен нулю (нижняя часть подвешенной капли"), предельная масса удерживаемого полем количества металла оказывается весьма небольшой (.порядка 0,1 кг).

Это происходит из-за того, что в

"особой точКе" металл удерживается только силами поверхностного натяжения, т.е. "особая точка" представляет собой открытое горлышко "магнитной бутылки".

Известен также способ бестигель ного удержания жидного металла путем воздействия электромагнитным полем, в котором "особую точку" устраняют применением центрального провода, связанного с индуктором. Наличие этого провода приводит к тому, что жидкий проводник приобретает в индукторе тороидальную форму. При этом в нижней части проводника исключаютсн точки с нулевым значением индуцированного тока, что позволяет 35 удерживать в таком индукторе значительно большее количества металла (2).

Недостатком способа является то, что ввиду наличия в индукторе центрального провода и боковых токопроводящих стержней, манипулирование с ним в условиях производства оказывается сложным. в двух и более источниках переменного тока.

Целью изобретения является повышение КПД способа.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу электромагнитной подвески жидких электропроводных материалов путем воздействия на материал переменными электромагнитными полями, переменные электромагнитные поля образуют вращением постоянных магнитов с одновременным экранированием одной из составляющих волн, например синусной, бегущего в продольном направлении поля, и периодическим реверсированием волны, бегущей в поцеречном направлении, для предотвращения увлечения жидкого электропроводного мате- риала бегущим полем.

Сущность способа заключается в следующем.

При вращении постоянных магнитов в пространстве между проводником и магнитами возбуждается переменное электромагнитное поле, которое индуцирует вихревые токи в проводнике.

Индукционные токи вызывают разогрев и расплавление проводника и в то же время возбуждают свое собственное вторичное электромагнитное поле, которое взаимодействуя с первичным полем, создает магнитное давление .

Жидкий проводник находится во взвешенном состоянии при условии, что подъемная сила, создаваемая магнитным давлением в зазоре между проводником и магнитами, уравновешивает силу тяжести проводника. Это условие при достаточно большой частоте переменного электромагнитного поля выражается в математической форме следующим образом г

=/ah

О (1), где p — усредненное по времени значение квадрата индукции магнитного поля на нижней границе проводника, ао - магнитная проницаемость вакуума; плотность жидкого проводника, ф - постоянная земного тяготения — высота столба жидкого проводника.

Величину магнитной индукции в зазоре между проводником и магнитами определяют из уравнения Лапласа для напряженности магнитного поля аР= 0 (2); где д — оператор Лапласа;

Д вЂ” вектор напряженности магнитного полл (g л о

1068224

Длч предотвращения увеличения жидкого проводника бегущим магнитным полем одна из волн этого поля, напРимер синусная, экранируется, например, с помощью неподвижной решетки, изготовленной из материала с хорошей проводимостью. Для предотвраще ния образования стоячих волн, узлы которых являются особыми точками с равным нулю магнитным давлением, создается периодически реверсируемое бегущее в поперечном направлении Y магнитное поле, причем частота реверса велика по сравнению с собственной частотой колебаний жидкого проводника, что позволяет избежать неустойчивостей, связанных с увеличением жидкого проводника полем, бегущим в поперечном направлении, перпендикулярном направлению вращения ротора.

Тогда решение уравнения Лапласа (2) для напряженности магнитного поля имеет следующий вид и = i7> Il cos(mt+ KV) (3}, -KZ где 2 — направление большого радиуса ротора, перпендикулярное поверхности магнитов;

К вЂ” волновое число бегущей в поперечном направлении

Y волны магнитного поля;

M0 — значение вектора напряженности магнитного поля на поверхности магнитов (2= З); круговая частота переменного электромагнитного поля; время.

Знаки плюс и минус, стоящие в выражении (3) перед волновым числом, относится соответственно к волне, бегущей либо в положительном, либо в отрицательном направлении оси Y ..

Аналогичное выражение может быть записано для индукции магнитного поля в зазоре между проводником и магнитами

4 у KZ

8=8,Е coS(<+ KV } (e), где p0 — значение вектора магнитной индукции на поверхности магнитов

Используя (4), из выражения (1) получают соотношение, связывающее значения индукции магнитов, высоту подвески и массу подвешиваемого жидкого проводника, характеризуемого высотой столба Ь . Это соотношение может быть записано в виде

-2 KZ

2 О, где ZQ — высота подвески проводника (расстояние между поверхность)о магнитов и

/ нижней, границей проводника).

В качестве примера для иллюстрации воэможности электромагнитной подвески жидкого проводника предла5 гаемым способом выбирают проводник алюминий, плотность которого р=

2, 7 -10 кг/м 3, берут постоянные

;магниты с индукцией р =1,5 Тл и константы д- = 9,8 м/сек, р»„

10 =4.и.10 Гн/м. Зависимость высоты подвески жидкого алюминия (Z =zо) над поверхностью магнитов от вйсоты столба. Расплава, определяющей массу подвешиваемого металла, при фиксированном значении волнового числа к=

Л = 10 мм приведена на фиг. 6.

Известно устройство для электромагнитной подвески жидких электропроводных материалов, содержащее вертикально и соосно установленные левитирующую и стабилизирующую спиральные катушки, в котором стабилизирующая катУшка выполнена короткозамкнутой и расположена над левитирующей, а левитирующая катуш.ка выполнена в виде двух концентрирующих ветвей, диаметр намотки внутренней из которых увеличивается от стабилизирующей катушки к противоположному концу, а наружной умееньшается в том же направлении с образованием при этом между ветвями незамкнутой кольцевой полости.

35 предназначенной для расплавляемого металла 4 3.

К недостаткам устройства относится невысокий КПД вследствие потерь в токоподводящих шинах.

4() Известно также устройство для плавки металла во взвешенном состоянии, содержащее магнитопровод из по меньшей мере трех соединенных общей перекладиной вертикальных

45 стеРжней, образующих прямоугольные пазы, расположенные на равном расстоянии друг от друга, и индукци онные обмотки, расположенные в указанных пазах (5 3.

К недостатку устройства также относится невысокий КПД вследствие существования потерь в токоподводящих шинах и в магнитопроводе.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достига55 емому эффекту является устройство для электромагнитной подвески жидких электропроводных материалов, содержащее источник возбуждения переменного магнитного поля. УстЯ) Ройство содержит по меньшей мере две индукционные обмотки, выполненных в виде полых охлаждаемых трубок иэ токопроводящего материала и соединенных с системой охлаждения, четыре из которых преднаэ10б8224 начены для присоединения к генератору одной частоты, а нечетные к генератору другой частоты, размещенных на элементе, вытесняющем магнитное поле (б .

Недостатком. устройства является 5 низкий КПД вследствие существования потерь в токоподводящих проводах и в элементе, вытесняющем магнитное поле, выполненном из токопро-. водящего материала, например .из 10 меди.

Целью изобретения является повышение КПД устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для электро- 15 магнитной подвески жидких электропроводных материалов, содержащем источник возбуждения переменного магнитного пола, источник возбуждения переменного магнитного поля 2-О выполнен в виде вращающегося ротора с жестко закрепленными иа нем постоянными магнитами, над поверхностью которых размещена неподвижная решетка из электропроводного материала, на которую нанесен изолирующий, неэлектропроводный, огнеупорный слой, а полюса магнитов каждого последующего ряда ротора установлены с пространственным сдвигом относительно полюсов предыдущего ряда.

В устройстве с целью создания бегущего периодически реверсирующего магнитного поля в поперечном направлении полюса магнитов каждого последующего ряда рото1 s относительно полюсов предыдущего ряда установлены со сдвигом, равным 8 =(0,2-5)d, где d - ширина полюса магнита.

На фиг. 1 показано устройство для электромагнитной подвески жидких 4Q электропроводных материалов, общий вид, на фиг. 2 — сечение А-A на фиг. 1, на фиг. 3 — условно развертка ротора и решетки; на фиг. 4 условно прямое смещение магнитного потока полюсов постоянных магнитов при вращении ротора на угол, соответствующий магнитному периодуу на фкг. 5 — условно обратное смещение магнитного потока полюсов постоянных магнитов при врацении ротора на угол, соответствуюций магнитному периоду, на фиг. б — зависимость высоты подвески жидкого алюминия от высоты столба.

Устройство содержит вращающийся ротор 1, выполненный, например, в виде усеченной сферы (Фиг. 1), на внутренней поверхности которой жест.— ко закреплены постоянные магниты 2.

Неподвижная решетка 3 с пазами 4, 60 параллельными оси ротора (фиг. 2), выполненная из электропроводного материала, например меди, с внутренней стороны защищена слоем из огне.упорного материала 5, а проводник 6 перемещается внутрь ротора 1. Прямой

7 и обратный 8 магнитные периоды определяются количеством рядов 9 с постоянными магнитами 2, причем магниты в соседних рядах 9 смещены в прямом направлении (фиг. 2). Обратный магнитный период 8 определяется количеством рядов 9 с обратным смещением магнитов между соседними рядами. Количество рядов 9 с постоянными магнитами для прямого и обратного магнитных периодов одинаково.

В пределах одного магнитного периода ротора 1 северные (южные) полюса магнитов 2 смещены в соседнем ряду 9 в одном направлении относительно предыдущего ряда 9 на величину 10 (Фиг. 3) 8 = (0,2-5)d где d — ширина полюса магнита.

Направление смещения полюсов магнитов 2 соседними рядами условно показано стрелками (фиг. 3). Постоянные магниты 2 расположены симметричными рядами 9 относительно пазов 4 решетки 3. В каждом ряду 9 ротора 1 южные и северные полюса магнитов 2 чередуются через один (фиг. 3).

Расстояние между северными и южными полюсами магнитов в ряду одинаково и равно ширине паза 4 решетки 3.

Ширина паза решетки равна ширине полюса магнита 2. Смещение магнитного потока 11 условно показано стрелками на фиг. 4 и 5 ° При врацении ротора 1 с закрепленными на нем постоянными магнитами 2 магнитный поток

11 полюсов магнитов соседних рядов замыкается через пазы 4 неподвижной решетки 3 между северными и южными полюсами. При проворачивании ротора на угол, соответствующий перемещению ротора на один ряд, происходит прямое смецение магнитного потока 11, возбуждаемого постоянными магнитами

2, на величину 3, равную смещению магнитов в соседнем ряду 9. При проворачивании ротора еце на один ряд 9 происходит очередное смецение магнитного потока 11 (фиг. 4 и 5) в том же направлении. Магнитный поток 11 смецается в прямом направлении при прохождении над пазом 4 рядов 9 .с магнитами 2 магнитного периода 7. При прохождении над зазором решетки рядов следующего магнитного периода происходит перемена направления смещения магнитного потока 11, т.е. происходит реверсирование (фиг. 4 и 5).

По сравнению с известными устройствами предлагаемое устройство запитывается непосредственно от сети переменного тока частотой

50 Гц и имеет более простую схему питания. Для электромагнитной подвески жидких ме "аллов известные устройства запитываются or двух высокочастотных генераторов часто10б8224 той 20-100 кГц с присущими для высокочастотных генераторов и подводящих высокочастотных поводов потерь на нагрев, а предлагаемое устройство эапитывается от сети переменного тока частотой 50 Гц и, следовательно, потери, характерные высокочастотным устройствам, отсутствуют, а КПД предлагаемого устройства выше, чем у известных, эа счет исключения потерь в подводящих .5 проводах.

1068224

fthm

Фиг. б

ВНИИПИ Заказ 11367/9 Тираж 779 Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4