專利名稱：冷卻電磁攪拌器的制作方法
技術領域：
本發明總體上涉及能夠產生帶有明顯空間梯度的磁場的電磁設備，并且更為具體地說，涉及用于攪拌液態金屬的電磁攪拌器中的冷卻系統。
背景技術：
通常，利用液體，比如油或者水，對具有比較大功率輸入的電磁設備中的繞組進行冷卻，這些液體會去除繞組中由于電阻損耗而產生的熱量。從這種設備中的繞組去除熱量的機理是基于熱對流或者流體受迫流動。后一種途徑已經被用于對廣泛應用在金屬處理工業中的電磁攪拌器(在此簡稱為EMS)進行冷卻。這些攪拌器利用從專用水源供給的高壓水或者用于對鑄造模具進行冷卻的高壓水進行冷卻。
按照最為常用的方式，冷卻水流填充在容納有攪拌線圈的空間中，并且從線圈繞組中每根導線的外側獲取熱量。
圖1和2示出了這樣一種冷卻系統的實施例，這種冷卻系統通常與用于連續鑄造鋼坯和鋼錠的EMS一同使用。該EMS 7被設置在一個連續鑄造模具組件1的內部，該模具組件1由一個豎直模具2構成，熔融的金屬4被傾倒入豎直模具2之內，并且豎直模具2由EMS 7環繞起來。水流3在EMS繞組5的底部處進入該繞組，并且在形成于各根導線9之間的空間8中向上行進，接著，如圖2中所示，水流3從繞組的上部排出。利用這種冷卻裝置，繞組的絕緣材料與水發生直接接觸。由于未經處理的水具有相當高的導電性，所以需要對水進行化學處理，來使得導電性降低至可接受水平和/或對絕緣材料進行加強，以便消除絕緣材料中的任何微孔，避免銅導線與水之間直接接觸，否則會導致銅導線發生腐蝕和設備最終無法工作。此外，需要可靠的導線絕緣材料和電壓限制，以便防止相當嚴密包裹起來的繞組之間發生短路，因為盡管具有較低的導電性，但冷卻水仍舊是一種較差的絕緣介質。在工業實踐中，前述途徑，即比如利用樹脂、清漆或者類似化合物來降低水的導電性或者增強電絕緣性，均無法確保攪拌線圈的可靠性。
另外一種利用水對繞組進行冷卻的途徑是使用一種中空導體來制造繞組。在中空繞組中，冷卻水在導體的內部流動，同時外側的電絕緣材料保持干燥。在這種情況下，冷卻水也經過處理，以便避免在管狀導體的內壁上形成由于電解反應所導致的沉積物。前述用于對繞組進行外部或者內部冷卻的水冷卻系統由一個供水回路組成，該供水回路中配備有泵、過濾器、檢測儀表等等，增加了電磁攪拌系統的投資和工作成本。
在20世紀60年代，一種利用能夠顯現磁性特征的流體來對電磁設備進行冷卻的新穎概念逐步為人們所公知(參見R.E.Rosensweig，Ferrohydrodynamics，劍橋大學出版社，1985)。磁場與磁性流體之間的相互作用會產生一種使得流體發生運動的體力(body force)。這種磁響應性能被用于許多實際應用中，包括對電磁設備進行冷卻。
美國專利No.5898353描述了使用一種磁性流體來對配電變壓器進行對流式冷卻。由變壓器產生的磁場梯度會在磁性流體中產生出一種循環模式，其中所述磁性流體對浸沒在該流體中的變壓器繞組進行冷卻。
美國專利No.5863455描述了利用具有較高絕緣和冷卻性能的磁性膠質流體對電磁設備，包括電力變壓器，進行冷卻的方法。此專利涉及這樣一種電磁設備，其包括用于產生電磁場、熱量以及穩定膠質絕緣流體的裝置，其中膠質絕緣流體與設備發生接觸。前述申請中的磁性流體具有1至20高斯左右的飽和磁化強度(saturation magnetization)。與此專利相關的一種電磁設備為電力變壓器。
其它現有技術包括美國專利No.4506895、No.4992190以及No.5462685。
盡管這些現有技術公開了前述內容，但是用于金屬處理工業尤其是連續鋼鐵鑄造業中的電磁攪拌器仍舊保留水冷方式，只是帶有非常有限功率輸入的攪拌器可以進行空氣冷卻。水冷系統需要特殊要求以及用于對水進行處理的設備、用于對其性能進行監控和維護的檢測儀表、對電絕緣材料整體性的特殊要求、使得攪拌器的可靠性和性能取決于前述參數和設備的專用設備(比如泵、過濾器、管道等等)。這種依賴性可以是，并且通常受到攪拌器制造中的缺陷、所用材料、設備故障或者人為失誤的影響。
發明概述為了克服與電磁攪拌器一同使用的水冷系統的缺點，已經發現，按照本發明，可以通過使用磁性流體作為冷卻和絕緣介質來改善電磁攪拌器的冷卻效率和工作性能。
按照本發明，提出了一種用于對電磁攪拌器中的繞組進行冷卻的改進方法，其中帶有絕緣性能的膠質磁性流體被用作冷卻劑，這種膠質磁性流體在下文中被稱作鐵磁流體。電磁攪拌器中的繞組通過鐵磁流體的運動得以冷卻，該鐵磁流體發生運動是由于設備所產生的電磁場導致發生磁對流而造成的。隨著電磁設備被通電，由于該設備所產生磁通密度存在梯度，所以會在鐵磁流體中形成不同壓力，導致鐵磁流體沿著較低壓力方向穿過形成于多個獨立繞組之間的空間發生磁對流。在本發明的另外一個方面，在此提供了一種用于實施這種方法的設備。
鐵磁流體的流動會散去繞組內部由于電阻損耗產生的熱量，并且將熱量傳導至外殼的內壁。外壁利用水流進行冷卻。
通過免除專用的冷卻水供給源和與其相關的設備，攪拌器冷卻系統得以簡化，導致與水冷系統相比投資和工作成本降低。
載流繞組與導電性冷卻介質即水之間發生接觸的任何可能性被消除。
通過利用磁性絕緣流體，并且通過減少繞組的電絕緣材料，增強了從繞組向冷卻介質傳導熱量。絕緣材料的減少可以通過減小絕緣材料的厚度和/或采用帶有更好導熱性能的絕緣材料來實現，更好的導熱性能通常與較小的電阻率相關。
此外，在此提供了一種在繞組中采用較高電流密度的能力，可高達15安/平方毫米左右或者更高，因為改善了從繞組去除熱量并且降低了繞組在介電性流體中發生短路的可能性，所以使之成為可能。
使用鐵磁流體增加了電磁設備的使用壽命，因為膠質鐵磁流體的磁性會持續非常長的時間，包括許多年，保持不變。相反，水冷系統中的一次故障就有可能導致電磁設備繞組受損或者無法工作。
在本發明中，電磁攪拌器中的繞組被設置在一個封閉殼體的內部，該封閉殼體安裝在一個鐵軛的突起磁極上。所述殼體由非磁性不銹鋼或者其它帶有相當好導熱性的非磁性材料制成，并且填充有鐵磁流體，鐵磁流體也具有絕緣性能，即介電性能。繞組被完全浸沒在鐵磁流體中。所述殼體的外側利用用于對鑄造模具進行冷卻的水流進行冷卻，或者可以利用來自于其它供給源的水流進行冷卻。
鐵磁流體包括一種帶有介電性能的運載流體，比如合成油或者礦物油，和懸浮在該流體中的納米級磁性顆粒。所述顆粒散布在流體中，并且形成一種膠質懸浮液。一種專用涂層防止了顆粒發生凝聚。這種類型的膠質磁性流體通常被稱作“鐵磁流體”，并且它們的細節內容在許多公開物中進行了描述，比如美國專利No.5462685和No.5863455。
鐵磁流體的磁性能取決于磁性顆粒的濃度，并且在數量上取決于單位高斯中的飽和磁化率M，該飽和磁化率被定義為每單位流體體積中可獲得的最大磁矩。由于鐵磁流體的磁性能還取決于溫度，所以鐵磁流體的磁化強度飽和量會隨著溫度升高而降低。由此，有益的是采用一種居里溫度非常接近特定繞組的最高工作溫度(一般為150至250℃)的鐵磁流體對EMS進行冷卻，在所述居里溫度處磁性強度接近為零。
帶有這種特性的鐵磁流體提供了最強的對流作用，因為繞組底部處的較冷鐵磁流體會在引力作用下被吸引至磁極附近的區域，在這里顯現出最強的磁場。隨著鐵磁流體逐步向上穿過繞組，其溫度會升高并且磁化強度減小，這樣有利于使得流體從繞組的頂部排出。熱的流體流從繞組的頂部排出，并且在繞組的外層與殼體的內壁之間向下流動，其中殼體的內壁被從外側進行水冷。由此，冷卻后的鐵磁流體流會返回到殼體的底部，并且重復這種冷卻循環。
由于流體密度會隨著溫度升高而下降，所以會發生熱致對流，即自然對流。但是，其在整個冷卻過程中起相對小的作用。自然對流僅在磁場微弱時開始勝過流體中的磁性引力，而磁場微弱通常出現在向線圈供給較低電流時，或者在流體從繞組中排出之前流體溫度在繞組上部中接近居里點時。
鐵磁流體最好具有對應于至少109歐姆·米左右的電阻率的介電性能。這種電阻率容許減少導線的電絕緣材料，并且在原理上可以完全去除這些電絕緣材料，這樣有利于使得從繞組向鐵磁流體傳導熱量。
鐵磁流體最好具有處于50至200高斯左右范圍內的磁化強度飽和量，更為優選的是偏向該范圍的上端點。鐵磁流體最好具有處于500至300℃左右范圍內的居里溫度，更為優選的是偏向該范圍的下端點。
在本發明中，水與載流繞組之間不存在直接接觸，避免了使用經過專門處理帶有非常低的導電性的水和使用用于繞組的厚重電絕緣材料。鐵磁流體能夠自推進，來確保足夠快速地從繞組吸取熱量并且通過水冷式不銹鋼外殼進行熱傳導。
附圖簡述圖1是一個按照利用外部供給水流對繞組進行冷卻的現有方法設計而成的連續鑄造模具組件中EMS裝置的示意圖；圖2是一個EMS的剖視圖，示出了一個按照圖1中所示裝置位于鐵軛上的繞組組件；圖3是一個按照本發明一實施例的連續鑄造模具組件中EMS裝置的示意圖；圖4是一個如圖3中所示帶有利用鐵磁流體進行冷卻的繞組的EMS組件剖視圖；圖5示出了在圖3所示EMS組件中繞組的豎直部分內磁通密度分布的計算機模擬示意圖；圖6是一個圖表，代表了在不同的電流輸入條件下鐵磁流體中的平均磁性和重力壓力(gravitational pressure)；圖7是一個圖表，代表性地示出了在不同的電流條件下鐵磁流體的居里點對繞組溫度的影響；圖8是一個位于繞組內的熱偶排列方式的示意圖，用于對圖3中所示的EMS組件進行測試；圖9是一個圖表，代表性地示出了如下所述在第一實施例中的工況下試驗獲得的繞組溫度；圖10是一個圖表，代表性地示出了如下所述在第三實施例中的工況下測定出的繞組溫度曲線；而圖11是一個圖表，代表性地示出了在第三實施例中的工況下繞組中的最高溫度與電流輸入之間的關系。
優選實施例參照附圖，按照本發明的一個實施例，圖3和4示出了一個位于模具殼體組件10內部的EMS裝置的示意圖，其中模具殼體組件10被安裝在一個連續鑄造機(在此未示出)上。如圖3和4中所示，一個EMS定子12環繞鑄造模具14的周圍設置，其中鑄造模具14中包含著一種正在固化的熔融物16，該熔融物16被連續地傾倒入模具14之內并且從模具14中取走。繞組18被封閉在一個不銹鋼殼體20中，該不銹鋼殼體20被安裝在圖4中示出的突起(凸起)磁極22上。突起磁極22是EMS鐵軛24的一部分，并且這兩個組成部分一同組成了EMS定子12。鑄造模具14和攪拌器，包括不銹鋼殼體20和EMS定子12，均利用用于對模具14進行冷卻的水流26進行冷卻。
所有前述組成部分，即鐵軛、繞組、突起磁極以及不銹鋼殼體，組成了EMS組件。繞組殼體20將繞組18與模具冷卻水26分隔開。由于這些殼體同時位于由EMS產生的磁場和從繞組獲取的熱流的路徑中，所以它們均由一種帶有比較高電阻率的非磁性導熱材料制成。非磁性不銹鋼就是這樣一種可以采用的材料。繞組殼體20在它們前壁和后壁的內側面上具有溝槽28。這些溝槽28有利于使得填充在殼體20中的鐵磁流體30的流完全浸沒繞組18。
在由于磁場強度的梯度所產生的壓力作用下，鐵磁流體30受迫通過專門設置的開口31進入繞組18的下部。在繞組18的內部，鐵磁流體30在形成于繞組中各根導線34之間的通道32內部向上行進，正如在剖面A-A(圖4)的放大視圖中示出的那樣。鐵磁流體流通過設置在繞組18上部的專用開口33從繞組18中排出。在從繞組中排出之后，鐵磁流體30在溝槽28內部向下行進。在繞組18的內部，鐵磁流體30吸收繞組中由于電阻損耗而產生的熱量。這些熱量被從流過殼體20的壁的下沉鐵磁流體中去除，其中殼體20的壁利用水流26從外側進行冷卻。
按照本發明，利用鐵磁流體對EMS繞組進行冷卻的方法特別適用于高功率設備，因為大部分的功率輸入會由于繞組的電阻而產生熱量。從線圈繞組中去除電阻熱量是使得任何電氣設備，包括EMS，持續工作的主要先決條件。本發明最為重要的特征是，在不會使得帶電繞組與水之間發生任何直接接觸的條件下完成熱傳導。
當懸浮在鐵磁流體中的超微磁性顆粒被磁場磁化時，鐵磁流體基本上變成一種液態磁體，同時鐵磁流體中的介電基體提供了強大的絕緣性能。給定鐵磁流體的磁化強度取決于磁性顆粒的濃度、尺寸以及磁場強度。磁化強度在特定的磁場強度水平處達到飽和。
與此同時，鐵磁流體的磁化強度還取決于溫度。隨著流體溫度的升高，磁化強度下降，并且在居里溫度處變為零。磁化強度對磁場強度和溫度的雙重依賴性是鐵磁流體能夠有利于從EMS繞組進行對流熱傳導的根本原因。由于在繞組外側和內部的不同位置處磁通密度的梯度會形成壓力梯度，所以冷的鐵磁流體被吸入繞組的內部。磁壓梯度利用下述表達式表示ΔPM＝ΔB·M其中，ΔPM是磁壓梯度ΔB是磁通密度梯度M是鐵磁流體的場平均磁化強度(field-averaged magnetization)
鐵磁流體在形成于繞組導線之間的通道內部從較低的磁壓區域向較高的磁壓區域行進，從而其形成一種引力。
圖5表示了一種在接近磁極的繞組豎直橫剖面(僅示出了半個橫剖面)中的磁通密度分布示例。如圖所示，磁通密度在區域100至102中朝向繞組豎直部分的中間平面增大。與此同時，磁通密度在豎直部分底部和頂部處的區域104中比較低，這樣有利于形成磁壓梯度，并且因此使得鐵磁流體在繞組中流動。由于鐵磁流體的溫度會隨著朝向繞組頂端行進而增高，所以磁化強度會減小，并且流體不再仍舊強有力地吸引在繞組上，這樣有利于流體排出。鐵磁流體引力強度隨著溫度升高的變化會導致自然對流，其與磁致對流沿相同方向進行。這兩種壓力梯度有利于流體流過繞組，并且在圖6中示出了各個壓力梯度的比例。如圖6中所示，隨著電流增大，壓力梯度的磁性和重力分量增大，但是磁壓非常快速地增大，并且甚至在一個比較低的電流水平下就會成為鐵磁流體運動中的主要力量。在圖6中還示出了磁性和自然對流對于流體中的總體壓力梯度的組合影響。
由于繞組通道中的流體壓力取決于鐵磁流體與磁場之間的磁性相互作用，所以鐵磁流體的磁化強度隨著溫度的降低將在提供適宜于流體運動的條件和繞組冷卻的總體效率方面起關鍵作用。
因此，有益的是利用一種居里溫度接近繞組的最高工作溫度的鐵磁流體。在這種情況下，鐵磁流體的磁性能隨著溫度升高大幅度降低，這樣有利于流體排出。這種鐵磁流體會導致更快地流過繞組、更快地去除熱量，并且因此，降低了繞組的溫度，正如在圖7中例證的那樣。
如圖7中所示，居里溫度為327℃的鐵磁流體(標記為Tc2)可以在300安培的電流輸入條件下保持繞組溫度接近125℃，比利用居里溫度為590℃的鐵磁流體(標記為Tc1)可以獲得的溫度低60℃。通過利用本發明的下述實施例進行測試，已經驗證了前述基本考慮。
第一實施例為了確定出在不同的電流輸入和鐵磁流體磁化強度條件下繞組內部的溫度，如圖8中所示在一個繞組內部埋入15個熱偶。這些熱偶被分為三組，每組包括5個熱偶，并且每組具有一個位于橫剖面中心的熱偶和四個處于其側邊中點的熱偶。繞組的橫剖面如下所述進行選定一個位于豎直部分的中間高度處，即剖面A-A，并且一個位于繞組水平部分的底部而另外一個位于繞組水平部分的頂部，分別如圖8中剖面C-C和B-B所示。
圖9示出了在不同的電流輸入和鐵磁流體磁化強度條件下在繞組豎直部分中獲得的溫度，即在剖面A-A中獲得的溫度。如圖9中所示，利用150和200高斯的磁化強度，繞組溫度在200安培下達到200℃。在本實施例中，類似于利用水對繞組進行冷卻，導線具有多層絕緣材料。如圖4中所示，溝槽28在所述試驗中相當小。本實施例示出了將鐵磁流體的飽和磁化強度M進一步升高到150高斯以上，不會對繞組冷卻產生實質影響。
第二實施例通過將按照第一實施例的試驗結果與分析估測的磁壓下降進行比較，推斷出沒有采用磁對流的全部作用。
通過增大溝槽28的橫剖面來對第一實施例進行修改，以便增強鐵磁流體流動。作為這種改進的結果，實現了最高溫度的明顯下降，這樣容許電流增大至250安培。為了進一步改善繞組冷卻效果，減小了導線絕緣材料的厚度。
第三實施例本實施例包括第二實施例中的較大溝槽28和厚度較小的導線絕緣材料。在圖10和11中示出了在本實施例中的工況下繞組溫度的測試結果。圖10示出了在電流輸入為300安培并且鐵磁流體飽和磁化強度M＝200高斯的條件下，在繞組的不同剖面中測定的溫度。
圖11示出了繞組中的最高記錄溫度(剖面B-B)和電流輸入之間的關系。如圖10和11中所示，在300安培下，最高溫度接近達到200℃。與利用第一實施例和第二實施例獲得的結果相比，以及與利用水對繞組進行冷卻的工作實踐相比，這是明顯改進。在后一種情形下，電流被限制在200安培。如圖7中所示，通過優化與最高工作溫度相關的居里溫度，可以進一步改進利用鐵磁流體對繞組進行冷卻。因此，從第三實施例獲得的測試數據顯然支持本發明的主要前提，即鐵磁流體的磁性受迫對流提供了對商用電磁攪拌器中的電磁線圈的高效冷卻，同時避免了線圈繞組與冷卻水之間發生直接接觸。利用鐵磁流體對EMS中的繞組進行冷卻簡化了冷卻系統，減少了投資和工作成本，并且提高了系統的可靠性。
總結總而言之，本發明通過消除載流繞組與冷卻水之間的任何直接相互作用，提供了一種用于對電磁線圈進行冷卻的改進方法。通過利用一種具有磁活性的介電膠質流體即鐵磁流體取代水，由于與由電磁攪拌器產生的磁場發生相互作用，會在繞組內部產生一種強大的磁對流流動。在本發明的保護范圍之內，可以進行修改。
權利要求
1.一種對用于攪拌液態金屬的電磁攪拌器進行冷卻的方法，包括提供一個組件，該組件具有帶有突起磁極的鐵軛和安裝在該磁極上的電繞組，并且被設置在填充有介電性鐵磁流體的非磁性導熱殼體中，和使得電磁攪拌器進行工作以在所述繞組中產生出具有相當大的磁通密度梯度的磁場，該磁場會在鐵磁流體中產生磁壓，該磁壓至少足以形成從繞組的外周向其內部流動的鐵磁流體流。
2.如權利要求1中所述的方法，其中，所述鐵磁流體的介電性能對應于至少109歐姆·米左右的電阻率。
3.如權利要求1中所述的方法，其中，所述鐵磁流體的磁化強度飽和量范圍為50至200高斯左右，并且居里溫度為500至300℃左右。
4.如權利要求1中所述的方法，其中，所述殼體由非磁性不銹鋼構成。
5.如權利要求1中所述的方法，其中，在所述繞組外殼的內壁和外壁上均設置有溝槽，以有利于鐵磁流體在所述外殼的內側流動而冷卻水在其外側流動。
6.如權利要求1中所述的方法，其中，所述液態金屬是鋼。
7.在一種對用于攪拌液態金屬的電磁攪拌器進行冷卻的方法中，改進之處在于包括利用一種介電性鐵磁流體對電繞組進行冷卻。
8.一種電磁攪拌器，包括一圓柱形殼體，具有用于接收熔融金屬的軸向模具管，與模具管間隔開并且限定出冷卻水流動通道的內壁，環繞在所述內壁的周圍并且與所述內壁和一個外壁間隔開的電磁攪拌組件，該攪拌組件包括一磁軛、多個磁極以及安裝在各個磁極上的電繞組，所述多個磁極和安裝在磁極上的電繞組被置于一個填充有介電性鐵磁流體的封閉非磁性導熱殼體中，將所述圓柱形殼體分為一較大下腔和一較小上腔的圓環壁，其中所述封閉的非磁性導熱殼體被置于較大的下腔中，所述內壁限定有與所述下腔的下端部流體連通的通往所述冷卻水流動通道的入口，和與所述上腔的上端部流體連通的來自于所述冷卻水通道的出口，一個與所述下腔的上端部流體連通的冷卻水入口和一個與所述上腔流體連通的冷卻水出口。
9.如權利要求8中所述的電磁攪拌器，其中，在所述殼體中，在其前壁和后壁的內側面上設置有溝槽，以有利于使得鐵磁流體在所述殼體中流動。
全文摘要
利用一種鐵磁流體對電磁攪拌器中的電線圈進行冷卻。
文檔編號F27D27/00GK1688401SQ03824433
公開日2005年10月26日 申請日期2003年8月19日 優先權日2002年8月20日
發明者利奧尼德·比特爾曼, 弗拉基米爾·塞加爾, C·P·庫蘭 申請人:Abb 公司