專利名稱：采用流體驅(qū)動在導(dǎo)電液體中產(chǎn)生時空變化的電磁力的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用流體驅(qū)動在導(dǎo)電液體中產(chǎn)生時空變化的電磁力的方法，屬于電磁冶金、半導(dǎo)體材料制備、化學(xué)工業(yè)和玻璃工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的電磁驅(qū)動技術(shù)由于受到趨膚效應(yīng)的制約，對于較大尺寸的導(dǎo)電液體驅(qū)動效果極為有限。專利(申請?zhí)?01210039850. 3)提出了一種以流體作為驅(qū)動介質(zhì)在導(dǎo)電液體中產(chǎn)生電磁力的方法，用流體驅(qū)動代替已有技術(shù)中的電或機(jī)械驅(qū)動，以簡化電磁驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)，增加設(shè)計的靈活性，并擴(kuò)大電磁驅(qū)動器的應(yīng)用范圍。但傳統(tǒng)的電磁驅(qū)動技術(shù)與上述方法存在如下不足磁場形態(tài)單一，產(chǎn)生的電磁力在空間分布較為固定，因而被驅(qū)動的導(dǎo)電流體的流場一般不隨時間變化，電磁力再導(dǎo)電液體內(nèi)的空間分布可調(diào)性差，具有如下缺 占-
^ \\\ (i)對于合金的凝固問題，由于金屬液體的受迫對流模式固定，溶質(zhì)再分配效果較差，而且研究表明(王曉東等，材料論壇，第508卷，第163-168頁)有時不當(dāng)?shù)碾姶艌鲎饔貌坏荒芟凉舛绕?，而且還會增大濃度偏析，直接破壞材料的使役性能；(ii)在導(dǎo)電流體中形成穩(wěn)定的熱邊界層，在需要充分傳熱的場合下傳熱效果差；(iii)在導(dǎo)電流體中形成穩(wěn)定的流體流動邊界層，導(dǎo)電液體不能被充分地攪拌；(iv)不能根據(jù)需要獲得可設(shè)計的較高的電磁力密度梯度場。本申請人曾經(jīng)發(fā)表了一種基于傳統(tǒng)電磁攪拌技術(shù)的模式電磁力辦法(王曉東等，冶金與材料通訊B，模式電磁場驅(qū)動的周期性反轉(zhuǎn)流I和II，第40卷，2009年，82-90頁，104-113頁)，在凝固前沿模式電磁力場可造成熔體的周期性流動，充分改變?nèi)苜|(zhì)的再分配過程，在優(yōu)化的模式頻率作用范圍內(nèi)可達(dá)到顯著改善凝固過程中濃度偏析的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種采用流體驅(qū)動在導(dǎo)電液體中產(chǎn)生時空變化的電磁力的方法，對已有的在導(dǎo)電流體中產(chǎn)生電磁力的方法做出改進(jìn)，通過驅(qū)動流體流量和方向變化來得到周期性變化的電磁力場，以擴(kuò)展通過流體驅(qū)動產(chǎn)生電磁力的用途。本發(fā)明提出的采用流體驅(qū)動在導(dǎo)電液體中產(chǎn)生時空變化的電磁力的方法，有多種不同的方案，其中第一種方案包括以下步驟(I)在導(dǎo)電液體中形成一個圓柱形腔體，腔體上設(shè)有驅(qū)動流體的第一通道口和第
二通道口 ；(2)將渦輪葉片置于圓柱形腔體中，渦輪葉片安裝在軸承上，軸承與圓柱形腔體同軸安裝；(3)將永磁體與渦輪葉片相對固定；(4)使驅(qū)動流體以周期P從圓柱形腔體上的第一通道口或第二通道口進(jìn)入或流出，驅(qū)動流體驅(qū)動渦輪葉片以周期P作正向或反向轉(zhuǎn)動，并帶動永磁體以周期P作正向或反向轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生方向以周期P變化的旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場在圓柱形腔體外部周圍的導(dǎo)電液體內(nèi)產(chǎn)生渦電流，旋轉(zhuǎn)磁場與渦電流相互作用，產(chǎn)生方向以周期P變化的電磁力，驅(qū)動或攪拌導(dǎo)電液體。上述第一種方案中，所述的永磁體與渦輪葉片相對固定的形式為設(shè)置兩個圓盤狀連接板，兩個連接板分別置于渦輪葉片的兩側(cè)，兩個連接板的內(nèi)側(cè)分別與渦輪葉片連接，兩個連接板的外側(cè)分別設(shè)置第一永磁體和第二永磁體，形成第一磁場和第二磁場。上述第一種方案中，所述的永磁體與渦輪葉片相對固定的形式為設(shè)置一個圓筒形連接板，渦輪葉片與圓筒形連接板連接，圓筒形連接板位于渦輪葉片的外端部，永磁體安 裝在圓筒形連接板上，第五通道口和第六通道口置于圓柱形腔體的端面。其中第二種方案包括以下步驟(I)設(shè)置一個內(nèi)筒和一個外筒，內(nèi)筒和外筒同軸安裝，內(nèi)筒和外筒之間形成一個套筒形腔體，套筒形腔體的端面上設(shè)有驅(qū)動流體的第七通道口和第八通道口 ；(2)設(shè)置一個圓筒形連接板，渦輪葉片與圓筒形連接板的一側(cè)連接，圓筒形連接板位于渦輪葉片的內(nèi)端部，永磁體安裝在圓筒形連接板的另一側(cè)，將渦輪葉片置于圓柱形腔體中，渦輪葉片安裝在軸承上，軸承與圓柱形腔體同軸安裝；(3)使驅(qū)動流體以周期P從圓柱形腔體上的第七通道口或第八通道口進(jìn)入或流出，驅(qū)動流體驅(qū)動渦輪葉片以周期P作正向或反向轉(zhuǎn)動，并帶動永磁體以周期P作正向或反向轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生方向以周期P變化的旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場在內(nèi)筒的內(nèi)側(cè)和外筒的外側(cè)的導(dǎo)電液體內(nèi)產(chǎn)生渦電流，旋轉(zhuǎn)磁場與渦電流相互作用，產(chǎn)生方向以周期P變化的電磁力，驅(qū)動或攪拌導(dǎo)電液體。其中第三種方案包括以下步驟(I)設(shè)置一個內(nèi)筒和一個外筒，內(nèi)筒和外筒同軸安裝，內(nèi)筒和外筒之間形成一個套筒形腔體，腔體的端面上設(shè)有驅(qū)動流體的第七通道口和第八通道口 ；(2)設(shè)置一個圓筒形連接板，渦輪葉片與圓筒形連接板的一側(cè)連接，圓筒形連接板位于渦輪葉片的內(nèi)端部，永磁體安裝在圓筒形連接板的另一側(cè)，將渦輪葉片置于圓柱形腔體中，渦輪葉片安裝在軸承上，軸承與圓柱形腔體同軸安裝；(3)使驅(qū)動流體以周期P從圓柱形腔體上的第七通道口或第八通道口進(jìn)入或流出，驅(qū)動流體驅(qū)動渦輪葉片以周期P作正向或反向轉(zhuǎn)動，并帶動永磁體以周期P作正向或反向轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生方向以周期P變化的旋轉(zhuǎn)磁場，在內(nèi)筒的內(nèi)側(cè)和外筒的外側(cè)的導(dǎo)電液體內(nèi)產(chǎn)生渦電流，旋轉(zhuǎn)磁場與渦電流相互作用，產(chǎn)生時空上周期性變化的電磁力，驅(qū)動或攪拌導(dǎo)電液體。其中第四種方案包括以下步驟(I)在導(dǎo)電液體中形成第一圓柱形腔體和第二圓柱形腔體，第一圓柱形腔體上分別設(shè)有驅(qū)動流體的第九通道口和第十通道口，第二圓柱形腔體上分別設(shè)有驅(qū)動流體的第i^一通道口和第十二通道口 ；(2)分別將渦輪葉片置于第一圓柱形腔體和第二圓柱形腔體中，渦輪葉片安裝在軸承上，軸承與圓柱形腔體同軸安裝；(3)將第一永磁體和第二永磁體分別與渦輪葉片相對固定；(4)使驅(qū)動流體以周期P或P’分別從第一圓柱形腔體的第九通道口或第十通道口以及第二圓柱形腔體上的第十一通道口或第十二通道口進(jìn)入或流出，驅(qū)動流體驅(qū)動渦輪葉片以周期P或P’作正向或反向轉(zhuǎn)動，并帶動永磁體產(chǎn)生以周期P或P’變化的旋轉(zhuǎn)磁場，在兩個圓柱形腔體外部周圍的導(dǎo)電液體內(nèi)產(chǎn)生渦電流，旋轉(zhuǎn)磁場與渦電流相互作用，產(chǎn)生時空變化的電磁力場，驅(qū)動或攪拌導(dǎo)電液體。本發(fā)明提出的采用流體驅(qū)動在導(dǎo)電液體中產(chǎn)生時空變化的電磁力的方法，其優(yōu)點(diǎn)在于根據(jù)本發(fā)明提出的采用流體驅(qū)動在導(dǎo)電液體中產(chǎn)生電磁力的方法制造的電磁驅(qū)動器，實施手段簡便、可靠；通過驅(qū)動流體流量和方向變化來實現(xiàn)具有周期性變化的電磁力場，電磁力的周期變化頻率可根據(jù)實際需要作大范圍調(diào)節(jié)，電磁力的大小也可通過驅(qū)動流體的流量變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，因而大大地擴(kuò)大了應(yīng)用領(lǐng)域范圍。旋轉(zhuǎn)磁場結(jié)構(gòu)的設(shè)計靈活多樣，例如，采用弧形或條形永磁體單元的盤狀磁場結(jié)構(gòu)，螺旋結(jié)構(gòu)的磁場、磁魔環(huán)結(jié)構(gòu)的筒形磁場等；電磁力場空間變化的可設(shè)計性和可控性很高，如可在導(dǎo)電液體中實現(xiàn)較高的電磁力密度梯度場。
根據(jù)本發(fā)明提出的采用流體驅(qū)動在導(dǎo)電液體中產(chǎn)生電磁力的方法制造的電磁驅(qū)動器，可用于金屬凝固過程中來改善宏觀偏析，尤其是當(dāng)金屬熔體體積較大時情形；可用于金屬合金化過程分散添加的合金元素；可用于制備梯度材料、復(fù)合材料的工藝過程中在導(dǎo)電液體內(nèi)產(chǎn)生較大的電磁力密度場；可用于金屬輸運(yùn)、模鑄(包括緊密鑄造)過程中金屬液體溫度場的均勻化；可用于加速除氣、脫硫等冶金工藝過程。


圖I是本發(fā)明提出的采用流體驅(qū)動在導(dǎo)電液體中產(chǎn)生時空變化的電磁力的方法的原理示意圖，也是根據(jù)本發(fā)明方法設(shè)計的第一種磁驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是驅(qū)動流體流量及方向在一個周期內(nèi)隨時間變化的波形圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明方法設(shè)計的第二種磁驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明方法設(shè)計的第三種磁驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明方法設(shè)計的第四種磁驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6和圖7分別是圖4和圖5中所示的磁驅(qū)動器中永磁體的兩種不同結(jié)構(gòu)的示意圖。圖8是根據(jù)本發(fā)明方法設(shè)計的第五種磁驅(qū)動器的一種工作狀態(tài)圖。圖9是圖8所示的磁驅(qū)動器的另一種工作狀態(tài)圖。圖I 圖9中，I是導(dǎo)電液體；2是圓柱形腔體；3是第一通道口 ；4是第二通道口 ；5是渦輪葉片；6是軸承；7是永磁體；8是渦輪葉片的旋轉(zhuǎn)方向；9是導(dǎo)電液體的流動方向；10是第三通道口 ；11是第四通道口 ； 12是盤狀第一連接板；13是盤狀第二連接板；14是第一永磁體(由弧形永磁體單元組成)；15是第二永磁體(由條形永磁體單元組成)；16是圓筒狀連接板；17是第五通道口 ；18是第六通道口 ；19是套筒形腔體；20是第七通道口 ；21是第八通道口 ；22是螺旋形永磁體；23是永磁體磁化方向；24是螺旋形永磁體支撐構(gòu)架；25是磁場的旋轉(zhuǎn)方向；26是磁魔環(huán)結(jié)構(gòu)的永磁體；27是第一圓柱形腔體；28是第二圓柱形腔體；29是第九通道口 ；30是第十通道口 ；31是第i^一通道口 ；32是第十二通道口。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明提出的采用流體驅(qū)動在導(dǎo)電液體中產(chǎn)生時空變化的電磁力的方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。本發(fā)明方法有多種不同的方案，其中采用第一種方案設(shè)計的磁驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)如圖I所示，包括以下步驟(1)在導(dǎo)電液體I中形成一個圓柱形腔體2，腔體上設(shè)有驅(qū)動流體的第一通道口 3和第二通道口 4 ；(2)將渦輪葉片5置于圓柱形腔體I中，渦輪葉片5安裝在軸承6上，軸承6與圓柱形腔體2同軸安裝；(3)將永磁體7與渦輪葉片5相對固定；(4)使驅(qū)動流體以周期P從圓柱形腔體上的第一通道口 3或第二通道口 4進(jìn)入或流出，驅(qū)動流體驅(qū)動渦輪葉片5以周期P作正向或反向轉(zhuǎn)動，并帶動永磁體7以周期P作正向或反向轉(zhuǎn)動，圖I中示出了渦輪葉片的旋轉(zhuǎn)方向8和導(dǎo)電流體的流動方向9，永磁體7在渦輪葉片5的帶動下產(chǎn)生方向作周期性變化(周期P)的旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場在圓柱形腔體2外部周圍的導(dǎo)電液體I內(nèi)產(chǎn)生渦電流，旋轉(zhuǎn)磁場與渦電流相互作用，產(chǎn)生方向作周期性變化(周期P)的電磁力，驅(qū)動或攪拌導(dǎo)電液體I。圖I示出了本發(fā)明方法的基本原理，通過驅(qū)動流體流動方向的周期性變化，實現(xiàn)渦輪葉片5轉(zhuǎn)動方向的周期性變化，從而使與之一同運(yùn)動的永磁體7也實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)方向的周期性變化。如圖I (a)和圖I (b)所示，變化的周期為P，頻率為f = 1/P，在時間段T內(nèi)(0 < T < P)內(nèi)渦輪葉片作逆時針(或順時針)旋轉(zhuǎn)，在(P-T)時間段內(nèi)作順時針(或逆時針)旋轉(zhuǎn)。這種變化是通過第一通道口 3作為流體流入口，第二通道口 4作為流體流出口，或者第二通道口 4作為流體流入口，第一通道口 3作為流體流出口，周期性交替變化來實現(xiàn)的。圖2所示為驅(qū)動流體流量及方向在一個周期內(nèi)隨時間變化的波形圖，設(shè)驅(qū)動流體流量為Q，將驅(qū)動流體從第一通道口 3流入的方向記為正，從第一通道口 3流出的方向記為負(fù)，驅(qū)動流體流量隨時間的周期性變化則可用圖2 (c)中的方波(i)來表示，也可以是方波，也可以是正(余)弦波，或類似正(余)弦波的其它波形，如圖2 (c)中的曲線(ii)所示。另夕卜，由于驅(qū)動流體的慣性作用與考慮機(jī)械安全的原因，驅(qū)動流體換向需要一定時間，換向所需時間為2TP，一般要求P >> Tp，如圖2 (c)中曲線(iii)所示，以保證導(dǎo)電液體I不但被充分驅(qū)動(驅(qū)動強(qiáng)度的幅值趨于飽和)，而且實現(xiàn)周期性特征明顯的模式流動。這種驅(qū)動流體的周期性變化也可以有另外一種間歇式的形式，如圖2 (d)所示，驅(qū)動流體在一個周期內(nèi)作用一定長的時間(0 < T < P)，其余時間內(nèi)驅(qū)動流體流量為零。被驅(qū)動的導(dǎo)電液體I流動的周期性具有如下特征驅(qū)動流體流動的周期性與被驅(qū)動的導(dǎo)電液體受到的電磁力的周期性相同；導(dǎo)電液體I所受電磁力的幅值變化與驅(qū)動流體的流量具有一定關(guān)系，導(dǎo)電流體I要獲得具有明顯周期特征的流動，驅(qū)動流體的流量需大于一定的閥值；驅(qū)動流體方向變化的周期與其流量(即流體的動能)要有一定的配合關(guān)系，要實現(xiàn)導(dǎo)電液體I的周期性流動，周期P也需大于一定的閥值?？紤]到磁驅(qū)動器的尺寸特征與應(yīng)用領(lǐng)域，導(dǎo)電液體I受到的電磁力場的頻率f 一般要小于0. 2赫茲(周期P大于5秒)。根據(jù)本發(fā)明方法第二種方案設(shè)計的磁驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)如圖3 Ce)所示，在圓柱形腔體2的側(cè)壁上設(shè)置驅(qū)動流體的兩個通道口，分別記為驅(qū)動流體的第三通道口 10和驅(qū)動流體的第四通道口 11，其中的永磁體7與渦輪葉片8相對固定的形式為設(shè)置兩個連接板12和13，兩個連接板12、13分別置于渦輪葉片8的兩側(cè)，兩個連接板12、13的內(nèi)側(cè)分別與渦輪葉片8連接，兩個連接板12、13的外側(cè)分別設(shè)置第一永磁體14和第二永磁體15，形成第一磁場和第二磁場。從圖3 Ce)和圖3 (f)可以看出在這種結(jié)構(gòu)中，連接板12和13為盤狀且平行于圓柱形腔體2的端面,并采用雙永磁體磁場結(jié)構(gòu)，即第一永磁體14和第二永磁體15來實現(xiàn)空間變化的電磁力場。軸承6位于圓柱形腔體腔體2的中心，軸承6的內(nèi)圈與圓柱形腔體2連接，軸承6的外圈與渦輪葉片5連接，保證渦輪葉片5在驅(qū)動流體作用下可自由轉(zhuǎn)動，軸承6的外圈同時還與分列渦輪葉片5兩側(cè)的兩個盤狀連接板12、13連接，兩個連接板12、13的內(nèi)側(cè)分別與渦輪葉片5連接，兩個連接板12、13的外側(cè)分別設(shè)置第一永磁體14和第二永磁體15,通過設(shè)計使兩個永磁體14、1 5具有不同的結(jié)構(gòu),如圖3 (g)和圖3 (h)所示,第一永磁體14和第二永磁體15的磁體單元形狀分別為圓弧形和長條形的永磁體。永磁體單元也可以根據(jù)需要設(shè)計成其它形狀。永磁體旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生空間分布不同的渦電流，在導(dǎo)電液體內(nèi)形成空間分布不同的電磁力場。根據(jù)需要在導(dǎo)電液體I內(nèi)可獲得較大的電磁力密度梯度的區(qū)域，這樣的空間變化的大梯度電磁力場可用于某些材料的特殊制備工藝中。根據(jù)本發(fā)明方法第三種方案設(shè)計的磁驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中圖4(i)是圓柱形腔體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，圖4 (j)是其側(cè)視圖。永磁體7與渦輪葉片5相對固定的形式為設(shè)置一個圓筒形連接板16，圓筒狀連接板16與圓柱形腔體2同軸。渦輪葉片5與圓筒形連接板16連接(相連或鑲嵌其中)，圓筒形連接板16位于渦輪葉片5的外端部，永磁體14、15安裝在圓筒形連接板16上。如圖4 (j)所示，驅(qū)動流體的兩個通道口位于圓柱形腔體2的兩個端面上，記為驅(qū)動流體的第五通道口 17和第六通道口 18，此時渦輪葉片8可設(shè)計成三維的異型結(jié)構(gòu)，保證渦輪葉片8在驅(qū)動流體驅(qū)動下自由、平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)。根據(jù)本發(fā)明方法第四種方案設(shè)計的磁驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)如圖5所示，設(shè)置一個內(nèi)筒和一個外筒，內(nèi)筒和外筒同軸安裝，并且具有兩個端面，組成一個套筒形腔體19，其中圖5 (k)是套筒形腔體19的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，圖5 (I)是其側(cè)視圖，套筒形腔體19的端面上設(shè)有驅(qū)動流體的第七通道口 20和第八通道口 21 ;軸承6的外圈同軸安裝在套筒形腔體19的外筒的內(nèi)壁上，軸承6的內(nèi)圈與渦輪葉片5連接，設(shè)置一個圓筒形連接板16，圓筒形連接板16的外側(cè)與渦輪葉片5的內(nèi)端部連接，永磁體14或15安裝在圓筒形連接板的內(nèi)側(cè)(相連或鑲嵌其中)。工作時使驅(qū)動流體以周期P從圓柱形腔體上的第七通道口 20或第八通道口 21進(jìn)入或流出，驅(qū)動流體驅(qū)動渦輪葉片5以周期P作正向或反向轉(zhuǎn)動，并帶動永磁體以周期P作正向或反向轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生以周期P作正向或反向轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)磁場，在套筒形腔體19的中心部分的導(dǎo)電液體I內(nèi)產(chǎn)生渦電流，旋轉(zhuǎn)磁場與渦電流相互作用產(chǎn)生以周期P作變化的電磁力，驅(qū)動或攪拌導(dǎo)電液體I。圖6是上述圖4和圖5中所示的磁驅(qū)動器中永磁體的一種結(jié)構(gòu)示意圖。其中圖6Cm)是螺旋磁場的結(jié)構(gòu)示意圖,螺旋形磁場由螺旋形永磁體22產(chǎn)生,磁體上的每一點(diǎn)磁化方向23均沿徑向，螺旋形永磁體22與支撐構(gòu)架24組成一個套筒形結(jié)構(gòu)與套筒形連接板16連接。圖6 (m)所示的螺旋形永磁體22可以作為圖4和圖5所示的磁驅(qū)動器中的永磁體。圖6 (m)也示出了磁場的旋轉(zhuǎn)方向25。其工作原理如圖6 (n)和圖6 (o)所示，這里可有兩種工作方式一種是單獨(dú)采用圖6 (n)或圖6 (O)所示的工作狀態(tài)，流速場周向和軸向的速度分量可分別表示為(VpVz), (-Vp-Vz),流場不隨時間變化；第二種為在時間T內(nèi)螺旋形磁場作逆時針旋轉(zhuǎn)(圖6 (n))或順時針旋轉(zhuǎn)(圖6 (O)),相應(yīng)地,在時間(P-T)內(nèi)螺旋磁場作順時針旋轉(zhuǎn)(圖6 Co))或逆時針旋轉(zhuǎn)(圖6 (n)),螺旋形永磁體22在驅(qū)動流體的驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)，在導(dǎo)電液體I中產(chǎn)生相應(yīng)的三維螺旋結(jié)構(gòu)的流動，流動方向9分別在圖6 (n)和圖6 Co)中示出，可見這種結(jié)構(gòu)的磁驅(qū)動器將在導(dǎo)電液體I中產(chǎn)生時間和空間上周期性變化的電磁力場。圖7是上述圖4和圖5中所示的磁驅(qū)動器中永磁體的另一種結(jié)構(gòu)示意圖。其中圖7 (P)是一種傳統(tǒng)的八單元組成的磁魔環(huán)結(jié)構(gòu)的磁場26的示意圖，永磁體上的箭頭表示該磁體單元的磁化方向23，在垂直軸線的中心截面上磁場分布均勻，在軸線上磁場呈高斯分布，即在軸向上隨著離開磁體的距離增加，磁場迅速衰減。軸向上電磁場強(qiáng)度的分布可通過磁魔環(huán)的高度來調(diào)節(jié)，這樣的設(shè)計對在導(dǎo)電液體中產(chǎn)生較高的電磁力密度梯度場是很有利的。圖7 (p)所示的磁魔環(huán)結(jié)構(gòu)的永磁體25可以作為圖4和圖5所示的磁驅(qū)動器中的永磁體。圖7 (q)和圖7 (r)是磁魔環(huán)結(jié)構(gòu)的永磁體在本發(fā)明中的工作原理圖。圖7 (p)也示出了磁場的旋轉(zhuǎn)方向25。其工作原理如圖7 (q)和圖7 (r)所示，也有兩種工作方式一種是單獨(dú)采用圖7 (q)或圖7 Cr);第二種是在時間T內(nèi)螺旋形磁場作逆時針旋轉(zhuǎn)(圖7(q))或順時針旋轉(zhuǎn)(圖7 (r))，相應(yīng)地，在時間(P-T)內(nèi)螺旋磁場作順時針旋轉(zhuǎn)(圖7 Cr))或逆時針旋轉(zhuǎn)(圖7 (q)),磁魔環(huán)結(jié)構(gòu)的永磁體25在驅(qū)動流體的驅(qū)動下旋轉(zhuǎn),在導(dǎo)電液體I中產(chǎn)生相應(yīng)的三維紡錘形結(jié)構(gòu)的流動，流動方向9分別在圖7 (q)和圖7 (r)中示出。需要指出的是，以上是通過舉例來說明通過特定的磁場設(shè)計在本發(fā)明的磁驅(qū)動器作用下在導(dǎo)電液體I中產(chǎn)生空間變化的電磁力場，因此不限于采用其它可產(chǎn)生空間變化電磁力場的磁場結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明方法第五種方案設(shè)計的磁驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)如圖8所示，該方法包括以下步驟(I)在導(dǎo)電液體I中形成第一圓柱形腔體27和第二圓柱形腔體28，第一圓柱形腔體27上分別設(shè)有驅(qū)動流體的第九通道口 29和第十通道口 30，第二圓柱形腔體28上分別設(shè)有驅(qū)動流體的第i^一通道口 31和第十二通道口 32 ；(2)分別將渦輪葉片5置于第一圓柱形腔體27和第二圓柱形腔體28中，渦輪葉片5安裝在軸承6上，軸承6與圓柱形腔體27，28同軸安裝；(3)將永磁體7分別與渦輪葉片5相對固定；(4)使驅(qū)動流體以周期P或P’分別從第一圓柱形腔體27的第九通道口 29或第十通道口 30以及第二圓柱形腔體28上的第十一通道口 31或第十二通道口 32進(jìn)入或流出，驅(qū)動流體驅(qū)動渦輪葉片5以周期P或P’作正向或反向轉(zhuǎn)動，并帶動永磁體產(chǎn)生方向作周期性變化(周期為P或P’)的旋轉(zhuǎn)磁場，在兩個圓柱形腔體27，28外部周圍的導(dǎo)電液體I內(nèi)產(chǎn)生渦電流，旋轉(zhuǎn)磁場與渦電流相互作用產(chǎn)生時空變化(周期為P或P’)的電磁力場，驅(qū)動或攪拌導(dǎo)電液體I。圖8 (S)和圖8 (t)示出了兩個磁驅(qū)動器作并列布置的情形，通過第九通道口 29、 第十通道口 30、第十一通道口 31、第十二通道口 32驅(qū)動流體流動方向的設(shè)置，可實現(xiàn)兩個磁驅(qū)動器的旋轉(zhuǎn)方向相反，即其中一個為逆(順)時針方向旋轉(zhuǎn)，另一個則為順(逆)時針方向旋轉(zhuǎn)，且按照一定的周期P作周期性變化。在這種結(jié)構(gòu)中，根據(jù)磁極同性相斥，異性相吸的原理，在并列布置的兩個磁驅(qū)動器之間建立起關(guān)聯(lián)的磁場，在此關(guān)聯(lián)磁場的作用下，導(dǎo)電液體的流動方向9如圖中所示，在導(dǎo)電液體I中形成周期性流動。圖9 (U)和圖9 (V)所示,通過第九通道口 29、第十通道口 30、第^^一通道口 31、第十二通道口 32驅(qū)動流體流動方向的設(shè)置，可實現(xiàn)兩個磁驅(qū)動器的旋轉(zhuǎn)方向相同，即其中一個為逆(順)時針方向旋轉(zhuǎn)，相應(yīng)地，另一個則為逆(順)時針方向旋轉(zhuǎn)，且按照一定的周期P作周期性變化。為了在導(dǎo)電液體中產(chǎn)生較高的電磁力密度梯度場，兩個磁驅(qū)動器的旋轉(zhuǎn)方向設(shè)為相同，在兩個磁驅(qū)動器之間的導(dǎo)電液體中形成具有周期性且具有較高的電磁力密度梯度場，進(jìn)而在導(dǎo)電液體內(nèi)產(chǎn)生具有較大梯度的流速場。 此外，本發(fā)明方法中，由于驅(qū)動流體的流量與所驅(qū)動的導(dǎo)電液體受到的電磁力有一定的函數(shù)關(guān)系，一般地，驅(qū)動流體的流量越大，所獲得的電磁力也越大(電磁力未達(dá)到飽和狀態(tài))。因此，還可以通過調(diào)節(jié)驅(qū)動流體的流量，在導(dǎo)電液體中獲得實際應(yīng)用需要的電磁力場。
權(quán)利要求
1.一種采用流體驅(qū)動在導(dǎo)電液體中產(chǎn)生時空變化的電磁力的方法，其特征在于該方法包括以下步驟 (1)在導(dǎo)電液體中形成一個圓柱形腔體，腔體上設(shè)有驅(qū)動流體的第一通道口和第二通道口 ； (2)將渦輪葉片置于圓柱形腔體中，渦輪葉片安裝在軸承上，軸承與圓柱形腔體同軸安裝; (3)將永磁體與渦輪葉片相對固定； (4)使驅(qū)動流體以周期P從圓柱形腔體上的第一通道口或第二通道口進(jìn)入或流出，驅(qū)動流體驅(qū)動渦輪葉片以周期P作正向或反向轉(zhuǎn)動，并帶動永磁體以周期P作正向或反向轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生方向以周期P變化的旋轉(zhuǎn)磁場，在圓柱形腔體外部周圍的導(dǎo)電液體內(nèi)產(chǎn)生渦電流， 旋轉(zhuǎn)磁場與渦電流相互作用，產(chǎn)生方向以周期P變化的電磁力，驅(qū)動或攪拌導(dǎo)電液體。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于其中所述的永磁體與渦輪葉片相對固定的形式為設(shè)置兩個圓盤狀連接板，兩個連接板分別置于渦輪葉片的兩側(cè)，兩個連接板的內(nèi)側(cè)分別與渦輪葉片連接，兩個連接板的外側(cè)分別設(shè)置第一永磁體和第二永磁體，形成第一磁場和第二磁場。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于其中所述的永磁體與渦輪葉片相對固定的形式為設(shè)置一個圓筒形連接板，渦輪葉片與圓筒形連接板連接，圓筒形連接板位于渦輪葉片的外端部，永磁體安裝在圓筒形連接板上，第五通道口和第六通道口置于圓柱形腔體的端面。
4.一種采用流體驅(qū)動在導(dǎo)電液體中產(chǎn)生時空變化的電磁力的方法，其特征在于該方法包括以下步驟 (1)設(shè)置一個內(nèi)筒和一個外筒，內(nèi)筒和外筒同軸安裝，內(nèi)筒和外筒之間形成一個套筒形腔體，腔體的端面上設(shè)有驅(qū)動流體的第七通道口和第八通道口 ； (2)設(shè)置一個圓筒形連接板，渦輪葉片與圓筒形連接板的一側(cè)連接，圓筒形連接板位于渦輪葉片的內(nèi)端部，永磁體安裝在圓筒形連接板的另一側(cè)，將渦輪葉片置于圓柱形腔體中，渦輪葉片安裝在軸承上，軸承與圓柱形腔體同軸安裝； (3)使驅(qū)動流體以周期P從圓柱形腔體上的第七通道口或第八通道口進(jìn)入或流出，驅(qū)動流體驅(qū)動渦輪葉片以周期P作正向或反向轉(zhuǎn)動，并帶動永磁體以周期P作正向或反向轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生方向以周期P變化的旋轉(zhuǎn)磁場，在內(nèi)筒的內(nèi)側(cè)和外筒的外側(cè)的導(dǎo)電液體內(nèi)產(chǎn)生渦電流，旋轉(zhuǎn)磁場與渦電流相互作用，產(chǎn)生時空上周期性變化的電磁力，驅(qū)動或攪拌導(dǎo)電液體。
5.一種采用流體驅(qū)動在導(dǎo)電液體中產(chǎn)生時空變化的電磁力的方法，其特征在于該方法包括以下步驟 (1)在導(dǎo)電液體中形成第一圓柱形腔體和第二圓柱形腔體，第一圓柱形腔體上分別設(shè)有驅(qū)動流體的第九通道口和第十通道口，第二圓柱形腔體上分別設(shè)有驅(qū)動流體的第十一通道口和第十二通道口； (2)分別將渦輪葉片置于第一圓柱形腔體和第二圓柱形腔體中，渦輪葉片安裝在軸承上，軸承與圓柱形腔體同軸安裝； (3)將第一永磁體和第二永磁體分別與渦輪葉片相對固定；( 4)使驅(qū)動流體以周期P或P’分別從第一圓柱形腔體的第九通道口或第十通道口以及第二圓柱形腔體上的第十一通道口或第十二通道口進(jìn)入或流出，驅(qū)動流體驅(qū)動渦輪葉片以周期P或P’作正向或反向轉(zhuǎn)動，并帶動永磁體產(chǎn)生以周期P或P’變化的旋轉(zhuǎn)磁場，在兩個圓柱形腔體外部周圍的導(dǎo)電液體內(nèi)產(chǎn)生渦電流，旋轉(zhuǎn)磁場與渦電流相互作用，產(chǎn)生時空變化的電磁力場，驅(qū)動或攪拌導(dǎo)電液體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用流體驅(qū)動在導(dǎo)電液體中產(chǎn)生時空變化的電磁力的方法，屬于電磁冶金、半導(dǎo)體材料制備、化學(xué)工業(yè)和玻璃工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域。首先在導(dǎo)電液體中形成一個圓柱形腔體，腔體上設(shè)有驅(qū)動流體通道口，將渦輪葉片置于圓柱形腔體中，將永磁體與渦輪葉片相對固定；使驅(qū)動流體以周期P從腔體的通道口進(jìn)入或流出，驅(qū)動流體驅(qū)動渦輪葉片以周期P作正向或反向轉(zhuǎn)動，并帶動永磁體轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生方向周期變化的的旋轉(zhuǎn)磁場，在腔體外部周圍的導(dǎo)電液體內(nèi)產(chǎn)生渦電流，旋轉(zhuǎn)磁場與渦電流相互作用，產(chǎn)生電磁力，驅(qū)動或攪拌導(dǎo)電液體。采用本發(fā)明方法構(gòu)成的電磁驅(qū)動器，可用于金屬凝固過程中來改善宏觀偏析、金屬合金化過程以及制備梯度材料、復(fù)合材料等領(lǐng)域。
文檔編號H02K44/00GK102664511SQ201210135049
公開日2012年9月12日 申請日期2012年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月28日
發(fā)明者倪明玖, 李驥, 王曉東, 王松偉, 那賢昭, 郝帥 申請人:中國科學(xué)院研究生院, 鋼鐵研究總院