旋转磁场驱动技术优化

旋转磁场驱动原理与电磁泵驱动类似。不同之处在于，液态金属内的电场由旋转磁场感应产生［18］。旋转磁场的基本定义为：磁感应矢量在空间以固定频率旋转的一种磁场，其是电能和转动机械能之间相互转换的基本条件，广泛用于交流电机、测量仪表等仪器及装置之中。其基本原理如图7-6所示，三相电流为一时变电流，其周期为2π。旋转磁场驱动液态金属流动的工作原理与普通异步电动机一样。产生旋转磁场的机构相当于电机定子，容器中的液态金属相当于转子。多对线圈通电时产生移动磁场。该磁场在液态金属之中感生出感应电流，旋转磁场的分量与感应电流相互作用，使得液态金属在安培力的作用下，沿着旋转磁场的转动方向流动。旋转磁场也可以通过机械方式旋转永磁体（组）而产生。

图7-6　三相对称电流的波形图以及三相（两极）绕组旋转磁场的形成［18］

目前，国内外科研人员对于液态金属在旋转磁场下的旋转流动进行了大量的实验和数值模拟研究，但其应用领域主要限于冶金、铸造、晶体生长等领域，研究的对象也大部分针对高温的金属，如铝硅合金、铅铋合金、钢水等液态金属［18］。针对旋转磁场中液态金属流动状态可做如下理论分析：首先，假定含有液态金属的容器（如图7-7所示）的高度为H，长宽皆为2L。该方形容器内的液态金属受到一个旋转磁场的驱动，其磁场强度为旋转角速度为ω。

对于液态金属这一类不可压缩黏性流体，其N-S流动方程可表示为：

图7-7　旋转磁场驱动液态金属旋转示意［18］

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其中，速度和时间t分别经υ／L和L2／υ无量纲化，压强p和体积力分别经ρυ2／L2和ρυ2／L3无量纲化。

旋转磁场下液态金属受到的体积力可以表示为：

其中，Ta为磁场的泰勒数，泰勒数可以认为是由旋转磁场产生的安培力与液态金属黏性力之比。Φ为无量纲电动势，A为无量纲矢量磁位，j为无量纲电流密度，分别经ωB0L2，B0L，σωB0L无量纲化。ρ、σ、υ分别为液态金属的密度、电导率以及运动粘度系数。

为无量纲磁场强度，经过B0无量纲化，可得：

研究表明：在低Ta数流动情况下，液态金属在旋转磁场下的切向速度正比于Ta；在高Ta数下，液态金属的切向速度正比于Ta2／3。因此，当液态金属材质确定时，液态金属在旋转磁场下的切向速度与初始磁场强度B0以及磁场转速ω呈正相关［19］。