电磁场分布（精选7篇）
电磁场分布 篇1
1 引言
构成变压器和传感器等磁性器件的环形磁心在电子电路中大量使用[1], 随着激励频率的增大, 其内部电磁场的分布及其损耗受到了越来越多的关注[2,3,4,5,6,7,8]。文献[2]分析了变压器三种常用磁心材料即铁氧体、纳米晶和非晶材料的损耗特性与频率、磁通密度的关系, 并给出了磁性材料损耗密度的三维表征图。文献[3]用有限元法对环形磁心内的磁场分布进行了数值计算, 并计算了涡流损耗。文献[4, 5]研究了螺线管线圈在矩形截面环形磁心中的磁场分布及涡流损耗, 并给出了解析解。文献[6, 7]研究了螺线管线圈在圆形截面环形磁心中的电场磁场分布及其铁耗, 给出了解析解。但文献[4-7]的求解过程都是假设螺线管线圈均匀密绕于磁心表面上, 或磁心的导磁率很大, 即不考虑漏磁通时得到的。
本文研究的磁件结构如图1所示, 线圈缠绕于部分磁心之上。图1中, 环形磁心的截面为圆形, 半径为b, 磁心中心线长l;磁心材料为各向同性的线性媒质, 电导率为σ, 磁导率为μ2;线圈的匝数为N, 截面为矩形, 长h, 宽w。显然, 在分析这种情况下磁心内的电磁场及损耗时, 其漏磁通就不应忽略。
为了研究图1磁件磁心内电磁场的分布, 将其磁心切开, 展成直磁心, 两端为电导率为0、磁导率无穷大的无限大线性媒质, 保证了磁通的连续性。基于镜像法和叠加原理, 得到了图1磁件考虑漏磁通时磁心内电场强度和磁场强度的级数式解析计算公式。
2 单匝细线圈绕于圆形截面无限长直磁心上时磁心内的电场强度
无限长直磁心上绕有单匝细线圈的情况如图2所示。磁心外为空气, 磁导率为μ1;磁心磁导率及半径同图1;线圈通以电流 。
在圆柱坐标系下, 考虑其对称性, 电场只有方向的分量, 且其值与坐标φ无关。对于这种情况文献[8]建立了磁心内外关于电场强度的电磁场方程, 并以ejβz为变换因子, 对变量z进行积分变换, 求得磁心内 (r, z) 处的电场强度E1的象函数为
式中, I1、K1、I0、K0为修正的一阶和零阶Bessel函数;
对式 (1) 进行积分反变换并整理得
令
式中
则式 (2) 可写为
为了书写方便, 将式 (3) 写为
3 单匝细线圈绕于圆形截面环形磁心上时磁心内的电场强度
磁件结构同图1, 线圈为单匝细线圈, 其参数同图2中的线圈。考虑到实际中磁心一般有l/b>25[9], 忽略内外径的差别, 将磁心在A-A'切开, 展开成长度为l的直磁心, 磁心两端为磁导率无穷大而电导率为0 (μ=∞, σ=0) 的无限大线性媒质。由镜像法可知, 位于两无限大平行边界之间的电流在该区域中形成的场, 由该电流形成的场和两个无限大平行平面镜像的无数个电流所形成的场叠加而成。展开的环形磁心及镜像线圈如图3所示。
式 (4) 为实际线圈电流在磁心 (r, z) 处形成的电场强度, 将所有线圈在 (r, z) 处产生的电场强度叠加可得环形磁心内的电场强度
根据冲击函数的傅里叶级数展开公式
所以
式中
则式 (6) 可写为
式中
当k=0时, βk→0, 依据Bessel函数在变量趋于0时的渐近线公式, 得到式 (8) k=0项的值为
式中, μ2r为磁心的相对磁导率, μ2r=μ2/μ1。
因此, 式 (8) 可写为如下形式
式中
4 N匝细线圈绕于圆形截面环形磁心上时磁心内的电磁场
对图1所示磁件结构, 圆形截面环形磁心上绕了N匝线圈, 如果忽略匝间隙, 则单位面积的匝数为 , 面积元ds内的匝数为 , 则磁心中面积元ds内的线圈在磁心 (r, z) 处产生的电场强度为
因此, 图1所示整个线圈在磁心 (r, z) 处产生的电场强度Eφ为
积分得
式中
式中
其中, L0 (x) 、L1 (x) 分别为零阶和一阶修正的Struve函数。
由 得磁心内的磁场强度r方向的分量Hr为
磁场强度z方向的分量Hz为
式中
由式 (13) ~式 (19) 可以看出电场强度中的Eφ0和磁场强度中的Hz0与z无关, 说明这部分和漏磁无关;而Eφk、Hzk和Hr都是z的函数, 和漏磁有关。
5 结论验证
根据各向同性的线性媒质中平均功率P与电场强度E的关系 , 可得图1环形磁心中的涡流损耗的平均功率为
另外, 绕在磁心上的线圈自阻抗的实部是表征涡流损耗的一个等效参数[10]。所以, 为了在算例中比较验证式 (20) 的正确性, 这里给出另外一个涡流损耗平均功率的计算公式
式中, Zmm是由文献[8]得到的绕有线圈的环形磁心中的磁通引起的线圈自阻抗, 其计算公式为
式中
对图1所示的磁件结构, 采用文献[9]算例中的磁心及载流线圈参数, 磁心参数如下:磁路长度l=250mm, 磁心半径b=10.8mm, 相对磁导率μ2r=75, 磁心电导率σ=100S·m-1;线圈参数如下:NIφ=25A, w=10mm, h=10mm, a1=15mm, a2=25mm。按式 (20) 和式 (21) 对该环形磁心内的涡流损耗进行实际计算, 结果如表1所示, 两个公式的计算结果吻合良好。
6 电磁场的计算分析
6.1 磁导率较低时磁心内电磁场的分布
图1所示磁件, 磁心及线圈参数同第5节, 磁心内电场强度和磁场强度的分布见图4~图9。其中图4~图6为f=100k Hz时电场强度和磁场强度的分布图, 图7~图9为f=1MHz时电场强度和磁场强度的分布图。
从图4~图9可以看出, 电场强度和磁场强度都随r的增大而增大, 呈现集肤效应现象;|Eφ|、|Hz|随z的增大而减小, 这是由漏磁通引起, 说明这种情况漏磁不能忽略;|Hr|远远小于|Hz|;电场强度随频率的增大而迅速增大。
6.2 当磁心磁导率很高或线圈均匀密绕于磁心表面时磁心内电磁场随z的变化
(1) 当磁心磁导率很高时磁心内电磁场随z的变化
图1所示磁件, 磁心和绕组其他参数同第5节, 但磁心相对磁导率μ2r=105。计算了r=10mm, f=1MHz时不同z处电场强度和磁场强度的值, 结果见表2和表3。
(2) 当线圈均匀密绕于磁心表面时磁心内电磁场随z的变化
图1所示磁件, 磁心参数同第5节, 绕组参数NI=25A不变, 因线圈均匀密绕于磁心表面, 因此线圈宽度w=l=250mm, a1=b=10.8mm, 设h=1mm, 则a2=11.8mm。计算r=10mm, f=1MHz时不同z处电场强度和磁场强度的值, 计算结果见表4和表5。
从表2~表5可以看出, 当磁导率很高或线圈均匀密绕于磁心表面时|Eφ|≈|Eφ0|, |Hz|≈|Hz0|, 而|Eφk|、|Hzk|、|Hr|很小, 可以忽略。因此, 磁导率很大或线圈均匀密绕于磁心表面时, 为本文所研究的特殊情况。
7 结论
(1) 推导了绕有线圈的环形磁心, 考虑漏磁时其内部电场强度和磁场强度的级数式解析计算公式, 基于电场强度的计算公式, 得到了涡流损耗的解析解。
(2) 公式中不仅包含了磁心的尺寸、磁导率、电导率及线圈的电流、频率、匝数等参数, 也包含了线圈的尺寸。因此, 给这类磁件的设计提供了依据, 具有一定的实用价值。
(3) 本文所得电场强度、磁场强度及涡流损耗的计算公式不仅适用于线圈缠绕于部分磁心之上, 考虑漏磁的情况;也适用于磁心磁导率很高或线圈均匀密绕于磁心表面, 漏磁通很小可以忽略的情况。
参考文献
[1]王兆安, 张明勋 (Wang Zhao’an, Zhang Mingxun) .电力电子设备设计和应用手册 (Power electronic devices and application manual) [M].北京:机械工业出版社 (Beijing:China Machine Press) , 2002.
[2]韩帅, 张黎, 谭兴国 (Han Shuai, Zhang Li, Tan Xingguo) .基于损耗分析的大容量高频变压器铁芯材料选型方法 (Material selection based on loss characterization for high-power high-frequency transformer cores) [J].高电压技术 (High Voltage Engineering) , 2012, 38 (6) :1486-1491.
[3]应柏青 (Ying Baiqing) .高频电子电路用圆环形磁芯中涡流损耗的有限元计算 (FEM solutions of eddy-current power loss in toroidal cores with arhitray cross section) [J].微电子学与计算机 (Microelectronics&Computer) , 2002, (4) :51-53.
[4]K V Namjoshi, J D Lavers, P P Biringer.Eddy current power loss in toroidal cores with rectangular cross section[J].IEEE Transactions on Magnetics, 1988, 34 (3) :636-641.
[5]马西奎, 赵彦珍, 戴东 (Ma Xikui, Zhao Yanzhen, Dai Dong) .高频电子电路用矩形截面圆环磁芯中涡流损耗的解析解 (Analytical solution of eddy-current power loss in toroidal cores with rectangular cross section for high-frequency electronic circuits) [J].中国电机工程学报 (Proceedings of the CSEE) , 2005, 25 (6) :124-128.
[6]Saotome H, Sakaki Y.Iron loss analysis of Mn-Zn ferrite cores[J].IEEE Transactions on Magnetics, 1997, 33 (1) :728-734.
[7]Daming Zhang, Chek Fok Foo.Theoretical analysis of the electrical and magnetic field distributions in a toroidal core with circular cross section[J].IEEE Transactions on Magnetics, 1999, 35 (3) :1924-1931.
[8]Wilcox D J, Conlon M, Hurley W G.Calculation of self and mutual impedances for coils on ferromagnetic cores[J].IEE Proceedings, 1988, 135 (7) :470-476.
[9]William G Hurley, David J Wilcox.Calculation of leakage inductance in transformer windings[J].IEEE Transactions on Power Electronics, 1994, 9 (1) :121-126.
[10]W M Gerard Hurley, David J Wilcox.Calculation of short circuit impedance and leakage impedance in transformer windings[A].Power Electronics Specialists Conference, PESC’91 Record, 22nd Annual IEEE[C].1991.651-658.
磁系分布与磁场强度的关系研究 篇2
【关键词】磁系；磁场强度
1、前言
近年来，随着矿产资源的不断开发和利用，高品位矿产资源的逐渐枯竭，资源的开发利用逐渐转向低品位贫矿，铁矿石的开采品位也逐渐降低。由于技术水平的制约和铁矿资源条件的劣势，开发利用贫铁矿资源成本相对较高，充分利用本国丰富的贫矿资源，已成为不少国家摆脱对外矿严重依赖的重要战略措施。磁铁矿选矿是铁矿选矿的主体，多年来磁铁矿选矿技术的不断发展和进步，使选矿厂的生产指标有了较大的改善，新型磁选设备的应用和工艺的推广是主要的发展方向，提高精矿品位和回收率也是磁铁矿选矿技术的主要研究方向[1]。这对于磁选矿技术的要求也越来越高。由于磁选设备具有运行稳定可靠、费用低、适合现场生产等优点，因此，在磁选中占据着不可替代的地位。磁系是磁选产品的主要部件，其磁场强度的大小、分布直接影响磁选产品的选别效果，因此对磁场的了解对选矿至关重要。
2、试验
实验磁系圆周方向磁极组采用N、S极交替形式排列。磁路一的描述：磁系直径1034mm，共5个极，磁极组宽170mm，高144mm，极隙宽72mm，包角约为128°，磁极组中磁块采用粘结方式连接；在两个磁极组之间加入两组辅助磁极。磁路二的描述：磁系直径1034mm，共5个极，磁极组宽170mm，高144mm，极隙宽72mm，包角约为128°，磁极组中磁块采用粘结方式连接。磁路三的描述：磁系直径1034mm，共6个极，磁极组宽100mm，高144mm，极隙宽72mm，包角约为128°，磁极组中磁块采用粘结方式连接。
3、测量结果
测量点为1～9点，在轴向方向取三个面[2]，所区截面尽量避免取在磁块交接处；在径向方向每个测试点间隔5mm，，以下测量结果为3次测量平均值。
4、数据分析
第一种磁系比第二种磁系平均磁场强度增加120Gs，在距离磁系表面15～20mm处平均磁场强度增加175Gs；第一种磁系比第三种磁系平均磁场强度增加320Gs；辅助磁极对磁路高点磁场强度改善显著，对低点磁场强度改善不明显，通过以上三种磁路的比较，磁场强度较高，梯度较大的为第一种添加辅助磁极的磁系。
5、结论
研究表明：磁路不同的作用深度差别很大，普通磁路中当磁极组极宽为170mm时，磁场作用深度约60-70mm；在磁极组间加入辅助磁极时，不仅磁场强度增加，作用深度也增加很明显，将磁路一与磁路二对比后，得出磁路二作用深度比方案一作用深度增加了5mm～10mm。
通过对不同磁路的研究，了解到极宽越宽作用深度越深，极宽越窄作用深度越浅磁场强度衰减越快，辅助磁极不仅能增加磁场强度，同时也有利于作用深度的增加。
参考文献
[1]高伟.单一弱磁选工艺金属回收率指标与产品质量的关系[J].金属矿山，2001，3：27-30.
电磁场分布 篇3
随着管道运输业的快速发展, 管道内部缺陷检测以及管道清理等工作对管道检测技术的要求越来越高。管道机器人被广泛地应用于石油管道检测、清理以及金属管道内部检测等领域。由于管道多埋于地下或海底, 当管道出现问题时, 及时通过机器人检测到出现问题的位置并解决问题具有重大意义。管道机器人定位技术已成为实际应用中的重要课题之一。极低频信号由于对海水、土层、金属等介质具有良好的穿透性, 已广泛应用于机器人管道定位, 近年来作者对机器人定位进行了相关研究[1,2]。但在实际应用中, 由于磁场强度太低, 信噪比过低, 检测的效果大打折扣。
提出并设计了一种多级线圈并行结构, 如图1所示。运用ANSYS有限元仿真软件, 对线圈激发的磁场进行了验证, 在工程应用中, 可以成倍提高线圈激发出磁场的强度。
1 信号发射装置的磁场分布
由于极低频电磁波的频率较低, 其范围在3~30Hz之间, 故电磁波的辐射过程是通过发射线圈的磁场变化来完成的。因此发射线圈周围的磁场分布是发射线圈发射信号强度变化的理论基础之一, 是进行提高发射线圈信号强度的理论依据, 同时也是采用极低频电磁波进行管道机器人管道外定位的理论基础。
普通的极低频电磁波的发射装置可以等效成一个致密螺线管线圈, 以线圈的中心为坐标原点, 建立如图2左方所示的空间柱坐标系, 其中线圈长为L, 半径为R, 匝数为N, 在坐标系中任取一点, 设其坐标为P (x, θ, y) , 只要求出此点处的磁场强度即可。在极低频的信号情况下, 线圈周围的磁场分布与静态磁场分布十分相似, 故可采用比奥———萨法尔定律进行求解, 可以求得P点的磁场强度的表达式:
在实际工程应用中, 由于发射线圈的半径R远小于发射线圈的长度L, 即L>>R, 发射装置到接收装置的距离远远大于发射装置的尺寸大小, 即对于P点, 有x, y>>L, 故可以运用磁偶极子模型对线圈模型进行合理的简化。将半径为R, 长为L的线圈等效为一对相距为L的磁偶极子±qm, 如图2所示。磁荷的大小为:
磁荷+qm与-qm在P点处所产生的磁感应强度在x, y方向上的分量分别为:
场点P处的实际磁感应强度是由磁荷+qm与-qm所产生的磁矢量叠加而成的, 故可得磁偶极子模型下的空间磁感应强度分布关系:
实际工程应用中, 一般情况下均采用电压幅值恒定的电源为发射线圈供电。故设线圈供电电压为U, 由于线圈不仅存在阻抗R, 还存在相应的电抗X, 故发射线圈中的电流I值为:
而线圈的纯电阻R和电抗X表达式分别为:
式中, ρ为线圈的电阻率;s为绕线的横截面积;l为发射线圈的电感值;ω为所加极低频激励电压的频率。由于在实际情况中, 线圈所绕匝数N的值相当大, 且线圈有一定的厚度, 故设线圈的内径为d1, 线圈的外径为d2, 线圈的电感值l[7]为:
其中T (u, v) 为线圈形状参数, 可查等值曲线得到T值[11], 其中:
将式 (11) 代入式 (10) , 再将代入的结果连同式 (9) 代入式 (8) , 便得到电流I的表达式:
将式 (15) 代入式 (8) 和式 (9) , 得到磁感应强度最终的表达式:
其中,
在工程实际中, 由于线圈上加载的是极低频时谐电压, 所以对于线圈, 阻抗远大于电抗, 即R>>X, 系数K可以简化为:
综合式 (15) 、 (16) 、 (17) , 可以看出单线圈在所加时谐电压一定的情况下, 线圈所产生的磁场与线圈的匝数无关。
假设并行线圈的数量为n, 利用磁矢量的线性叠加原理, 可得n级并行线圈所产生的磁场分布为:
2 仿真验证
2.1 电磁场有限元理论
电磁场有限元分析的具体任务就是要求解一个与特定问题有关联的偏微分方程, 即实际模型控制方程的定解问题。根据数学物理方程, 定解问题指的是在某一确定区域内成立的微分方程上加与实际情况相符合的定解条件。对于时变电磁场问题, 定解条件除了边界条件以外, 还包括整个区域未知函数的初始条件。Maxwell方程组是解决各种电磁场问题的出发点, 其微分形式为:
式中, H为磁场强度, E为电场强度, B为磁感应强度, D为电位移矢量, J为电流密度。
引入矢量磁位, 令并代入Maxwell方程组的第2个方程, 可得:
因为电场为无旋场, 故定义标量位函数, 令:
再将该方程及式 (21) 代入Maxwell方程组的第1个方程, 可得:
对于时谐电磁场, 由矢量恒等式, 并考虑到∇·A=0, 式 (22) 可简化为:
据此, 再利用泛函数的方法推导可得电磁场的变分方程, 进一步利用有限元分解的方法, 就可以对电磁场进行近似模拟。
2.2 ANSYS单线圈仿真与数值仿真
单线圈模型的几何形状可以简化为一个圆柱体, 其产生的磁场在任一经过中心轴的平面上都是相同的, 并且关于平面所截得的矩形上下左右对称, 所以此处对线圈的分析采用二维模型即可:
(1) 创建物理环境:建立工程, 选择电磁节点分析方式。
(2) 建立模型、划分网格, 赋予特性。首先利用ANSYS软件, 采取自下而上的建模方法, 构建基本的几何图形, 利用叠分等布尔操作划分好区域, 得到物理模型的平面基础, 如图3所示。其中最外围的半圆环区域作为整个模型的边际远场区域, 选用IN-IFIN110类型单元, 按如图4所示的样式均匀划分网格。其内侧不规则区域和矩形采用相同的材料和单元类型PLANE53, 而在划分网格时采取不同的方式。外侧不规则的形状采取自由划分的方式, 而矩形采取规则的四边形划分, 这样在其分界面上的节点便可以均匀分布, 方便在求解过后得出交界面上磁感应强度随位置均匀变化的规律。在模型的最左边建有线圈截面图 (相对于整体模型太小, 图中无法显示) , 以更加细密的网格划分此区域, 可以使得结果更加精确。在完成对模型的特性赋值以及网格划分之后, 再设置线圈的实常数, 其各项参数见表1。
(3) 加边界条件和载荷。在完成模型建立和网格划分等任务之后, 再根据实际的需求, 加上适当的边界条件。首先在模型半圆弧的最外围施加磁标志;接着在最左边的半圆直径上施加磁力线平行标志;最后选择谐波分析模式并且在线圈上加上相应频率和幅值电压激励。
(4) 求解。利用ANSYS软件内部求解器进行求解。
(5) 后处理。利用软件三维拓展功能, 将模型从二维模型扩展到三维空间, 并显示磁力线分布, 如图5所示。选择矩形右侧界面上的所有的点, 导出此处磁感应强度的值。
对照表1中所示的数据, 利用MATLAB软件对式 (14) 进行数值计算, 用软件绘制出磁感应强度相对于空间的曲线图, 并将ANSYS仿真的结果绘制于同一张图上, 如图6所示, 可见ANSYS仿真结果与公式的数值计算结果十分吻合。
按照表1中的数据, 将其中的线圈匝数N由原来的10000改为20000, 其他数据保持不变, 利用ANSYS进行仿真, 导出其计算结果, 绘制出磁感应强度随空间的变化曲线, 并与N=10000时的数据进行比较, 如图7所示, 可以发现两种情况下所产生的磁场的磁感应强度基本吻合。
3 ANSYS多级线圈仿真比较
利用ANSYS有限元软件, 采用与上述类似的分析方法对多级线圈进行仿真分析, 令n=2, 各参数如表2所示。
导出二级线圈仿真结果, 将其磁场分布规律与单线圈进行比较, 如图8所示, 可见二级线圈所产生的磁场的磁感应强度约为单线圈所产生磁场的2倍。
当n=3, 即为三级线圈时, 其磁感应强度分布如图9所示, 可见三级线圈所产生磁场的强度约为一级单独线圈产生磁场的3倍。由仿真结果可知, 随着并联线圈的级数n的增加, 线圈所产生的磁场的强度也相应地按比例增加。仿真结果与式 (18) 相符。由于技术限制, 线圈级数的最大取值有一定的范围, 具体取值由管道机器人信号发射功率以及线圈规格的要求所确定。
4 结语
利用ANSYS对不同匝数的单级线圈进行仿真证明了线圈产生的场强大小与线圈的级数成正比关系, 利用多级线圈可以大大地提高线圈发射磁场的强度大小。
参考文献
[1]WEI M S, TONG M M, ZI B, eta1.Pipeline robot localization system based on PSO-BFGS hybrid algorithm[J].Chinese Journal of Scientific Instrument, 2012, 33 (11) :2594-2600
[2]魏明生, 童敏明, 訾斌, 等.管道机器人无线电磁自适应定位技术[J].光学精密工程, 2012, 20 (4) :772-781
[3]ROWE H E.Extremly low frequency communication to submarines[J].IEEE Transa ctions on Communications, 1974, 22 (4) :371-385
[4]CHIALKA S V, FAIRCHOTH D L, RIGGS L S.En-hanced discrimination among UXO-Like targets using extremely low frequency magnetic fields[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2006, 44 (1) :10-21
[5]QI H M, ZHANG X H, CHEN H J, eta1.Tracing and localization system for pipeline robot[J].ELSEVIER Mechatronics, 2009, 19:76-84
[6]QI H M, Ye J R, ZHANG X H, eta1.Wireless tracking and locating system for in-pipe robot[J].Sensors and Actuators A:Physical, 2010, 159:117-125
[7]赵志衡, 李春峰, 李建辉, 等.电磁成形用螺线管线圈电感的研究[J].哈尔滨工业大学学报, 2000, 32 (5) :64~66
[8]李军远, 李盛凤, 陈宏钧, 等.基于磁偶极子模型的管道机器人定位技术研究[J].电波科学学报, 2006, 21 (4) :553~557
[9]李军远.基于超低频电磁波的管道机器人示踪定位技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2006
[10]唐兴伦, 范群波, 张朝辉, 等.ANSYS工程应用教程热与电磁学篇[M].北京:中国铁道出版社, 2003
电磁场分布 篇4
1 环境中移动通信基站的工作原理
移动通信公司的GSM网在与移动通信设备两者之间进行连接时需要一个媒介、中转站, 即移动通信基站。主要是由室外和室内组成, 室外是指在基站运行过程中, 以天线发射和接收电磁波的形式接收并传递信号, 从而增大了环境周围的电磁辐射磁场分布;室内通过信号接收发射机、合路器、控制器、耦合器、部分馈线、放大器等具有一定屏蔽措施的设备时, 不会对室内环境造成电磁辐射分布或者是污染, 而室外包含天线和馈线两种形式, 一般基站采用天线发射和接收电磁波。这就增加了室外环境污染, 造成周围环境电磁场辐射分布的增强。
2 环境移动通信基站的电磁波辐射危害
目前电磁污染的传播途径主要是空间辐射, 导线传播和复合污染。最常见的传播方式为直射波和地面反射波, 还包括对流层反射波以及山体绕射波等。而移动基站电磁波辐射来自三个方面, (1) 发射机的电磁泄漏; (2) 高频电缆及其接口处; (3) 发射的信号辐射。
2.1 移动基站的电磁辐射略小于手机通话时的辐射强度
目前城市楼宇密集, 室外建设基站以不能满足覆盖需求, 所以运营商又在重点楼宇搁置了一些室内无线, 又因为室内天线只需要覆盖一层楼的几个房间, 要求不能干扰到几十米外的信号, 因此天线发射功率很小。众所周知, 手机的基站通信往往几百米或者几公里。
2.2 移动基站的电磁辐射在电场强度造成电磁污染
基于无线通信系统下, 移动电话发射的高频电信号使得基站天线接收, 在传播的同时, 以移动交换设备传输到公话网系统中, 形成了一次通信形式。电磁波在空间传播过程中, 是以球面波的形式进行的, 电磁波以磁场和电场向周围环境蔓延, 造成辐射污染, 根据试验研究表明:电磁场在传播过程中, 其电磁波的强度与辐射污染程度有着直接的关系, 根据电磁场中电场及磁场强度指标相关规定表明:超过GB8702-88电磁辐射以及和GB9175-88环境电磁波指标时, 对周围环境产生污染威胁比较严重, 甚至危及到人类的健康问题, 。
2.3 长期接触高频的电磁辐射对人体各个系统危害
长期接受高频电磁波的影响将会影响人的眼睛, 可能会造成视力下降。对神经系统的影响想可能造成头痛, 失眠, 记忆力减退一系列问题。对生殖系统的影响可表现为会影响生育, 导致流产。对心血管的影响可表现为高强度的电磁辐射导致心跳加快, 影响心脏的工作机能。
3 电磁辐射污染防治措施
3.1 注意移动通信的选址及规定
移动通信在基站选址中一定要注重环境问题, 避免基站在传输和接收信号中, 产生电磁辐射, 污染周围环境。尽量避开在幼儿园、学校、医院和老年人较多等环境最敏感的地区建站;根据《移动通信建设项目环境保护管理规定》的相关内容, 建设基站前, 要合理安排架设位置, 结合当地地理环境, 充分考虑居民的心理承受力, 提倡环保意识, 促进基站建立的安全性及高效性。
3.2 将环保监测数据透明化
根据环境监测得到的数据, 相关部门要将环保监测数据透明化, 及时向公众公布电磁波监测数据, 在保全环境监督部门依法保护自身合理权益的同时, 解除了群众的思想担忧, 并且实现了数据资源共享, 提高移动通信基站建立的高效性。另外还需要相关部门要加强对电磁辐射有关方面的研究和宣传解释工作, 为公众提供更多有关电磁辐射知识, 基于公众平台, 增进与公众之间的交流和互动。环境检测部门在严格执行现有电磁辐射防护标准的前提下, 提升移动通信基站建立的合理性及环保性, 为公众带来更多的方便, 降低并减少辐射污染。
3.3 移动通信基站的防护措施
针对我国环保局对电磁辐射管理提出了如何做好电磁辐射的污染防护的合理建议具体表现如下: (1) 建议移动基站的发射天线与建筑物之间的距离要达到12m以上, 才能减少该移动基站对周围环境的辐射; (2) 定期进行监测基站外围的电磁辐射强度, 以限制电磁辐射强度对周围环境辐射; (3) 为了不让部分环境的功率密度以及它的贡献值严重超标, 移动基站的发射功率要被时时限制, 不得超过某个限定值; (4) 环保工作者要对电磁波辐射的防护做好宣传工作, 普及有关电磁辐射的相关知识, 让人们正确地认识到电磁辐射的利害关系。
4 结语
综上所述, 由于移动通信基站在建立和应用过程中, 磁场和电场的逐步扩大, 产生的电磁辐射会造成环境污染, 笔者通过自身实践研究, 归纳并总结到电磁波对人体的影响, 电磁场在传播过程中, 其电磁波的强度与辐射污染程度有着直接的关系, 其强度、频率、以及环境因素等都会对人类造成一定的影响。特别是老人、儿童、孕妇等对电磁辐射敏感人群, 另外不同的人或同一个人在不同年龄阶段对电磁辐射的承受能力也有所差异。试验表明:电磁辐射强度与发射功率成正比, 与距离的平方成反比。因此, 辐射防护标准只是一个相对安全的范围。平时在日常生活中, 还需要我们自身注意一些。
参考文献
[1]姚耿东, 姜槐.关于电磁辐射危害的研究现状与展望[J].环境与健康, 2012 (09) .
电磁场分布 篇5
地球是一个天然的大磁铁, 在其周围空间存在磁场, 即地磁场, 任何处于地球上的物质都要受到地磁场的作用。
由于真实潜艇的尺寸较大, 其磁场会对周围一定区域内的地磁场强度分布产生较大的影响, 改变其分布状况, 称为磁异常。目前, 磁异常已成为反潜飞机探测潜艇的重要依据, 如美国的P-3C型反潜飞机就装备了光泵磁探仪[2], 属于标量磁探仪, 只能探测潜艇总磁场的大小, 而不能对潜艇磁场的各个方向的分量分别进行探测。因此, 本文只研究潜艇磁场在高空平面上的标量分布特性。
1 潜艇磁场分析
1.1 感应磁场
潜艇感应磁场来源于地磁场对潜艇的磁化, 地磁场的大小、方向的分布具有一定的地域特性。潜艇在地球北半球时, 磁力线由潜艇上部斜向底部贯穿, 受到地磁场垂直分量和水平分量的合成磁场作用。潜艇在南半球时, 磁力线由潜艇底部斜向上部贯穿。在赤道附近时, 地磁水平分量最大 (约0.4Gs左右) , 垂直分量很小。在两极附近时, 地磁垂直分量最大 (约0.7Gs左右) , 水平分量很小。因此, 作用于潜艇上的地磁场垂直分量和水平分量的比例是随着纬度的不同而连续变化的, 潜艇通常是受到他们的合成磁场作用, 潜艇感应磁场的特性和潜艇所在海域和航向都有着重要的关系。
在要求不是很精确的情况下, 钢质潜艇通常可以看作是一个均匀磁化的回转椭圆体来研究。它的去磁系数[4]、长轴方向 (潜艇艏艉方向) 最小, 最容易磁化;短轴方向 (潜艇宽、高方向) 最大, 最难磁化, 也就是说无论潜艇在什么海域, 航向如何, 其磁场垂直分量和横向分量都较小。所以, 在赤道等低纬度海域, 沿着地磁场方向 (南北向) 航行的潜艇, 其感应磁场最大, 主要由潜艇磁场水平分量贡献;而在南北极等高纬度海域的潜艇, 由于潜艇垂直方向的去磁系数很大, 其感应磁场较小, 且高纬度海域垂沿着东西方向航行的潜艇感应磁场最小 (三个分量都最小) 。图一为潜艇沿着地磁场方向航行时的感应磁场磁力线分布示意图。
1.2 永久磁场
潜艇永久磁场来源于建造潜艇时的复杂工序, 因此和制造潜艇的造船厂的地域、方位和制造方法都有关系。另外, 在不同纬度的海域长期活动时, 潜艇的永久磁性会发生变化, 接近并稳定于这个海域地球磁场相适应得数值。特别是在潜艇下水之后, 会随着时间慢慢地接近某一定值。
和潜艇的感应磁场类似, 永久磁场各个分量的大小也具有相同的分布特性, 一艘潜艇在建造完毕后, 其永久磁场中纵向磁化场最大, 垂直方向磁化场和横向磁化场都较小。完全纵向磁化的潜艇永久磁场示意图如图二所示。
1.3 强度比值
潜艇永久磁场和感应磁场的强度比值在潜艇磁场的测量中很难区分开来, 尤其对于静磁场, 缺少频率特性, 更难区分。
相关结果表明:潜艇在消磁前后某距离上的磁感应强度大小比值大约为10/3, 由于感应磁性是存在于地磁场中铁磁物质的基本性质, 不能通过消磁失去, 只有潜艇的永久磁性能够通过消磁失去;假设潜艇的永久磁性可以通过消磁手段完全消除, 这样就可以粗略认为总的磁异常大小中, 3/10的为潜艇感应磁场, 而可以消磁失去的7/10为潜艇的永久磁场;所以, 永久磁场和感应磁场的大小比例为7/3。
2 潜艇磁场的ANSYS仿真结果
2.1 感应磁场和永久磁场
ANSYS作为一款有限元分析软件, 在电磁场分析领域逐渐成熟, ANSYS电磁分析部分以Maxwe方程组作为电磁场分析的出发点, 采用矢量位以及标量位方法, 可以用于分析静态、瞬态、谐波等磁场分析。在本文的问题中, 我们可以利用其3-D静态磁场分析功能, 采用标量磁位法求解磁体 (潜艇) 在空气中产生的磁场。
如前所述, 潜艇感应磁场和永久磁场的垂直分量和横向分量都较小, 而其纵向分量较大, 因此, 本文只对纵向磁化的潜艇进行仿真分析, 且假设其为赤道海域沿着地磁场方向航行的潜艇。
如图三所示, 利用ANSYS建立简单的潜艇三维模型, 以潜艇长度方向为x方向, 高度方向为z方向, 宽度方向为y方向。这样, 反潜飞机的探测平面则位于潜艇正上方的x-y平面上。
在利用ANSYS分析潜艇感应磁场时, 需要在模型x方向上施加外磁场载荷, 大小取赤道地磁场的平均值, 大约为0.35Oe;潜艇周围海水相对磁导率和空气一致为1, 潜艇看作实心体, 艇体材料选择为SF 50段钢, 其磁导率在0.35Oe的地磁场大小下大约为250[5], 如图四所示。
由于磁探测的距离较近, 一般是在声纳等远距离探测手段确定了潜艇的大体方位后才出动反潜磁探测飞机, 进行最后的探测和精确定位。出于安全考虑, 反潜飞机一般在海平面上方300~500m的高空飞行探测, 在此, 利用ANSYS计算潜艇在其上空300m处平面上的磁感应强度大小分布情况, 得到分布云图。
将模型计算结果中在300m高空平面上的节点磁感应强度求解结果导出, 利用MATLAB作 (x, y, B) 曲面图, 如图五和六所示。
从图五和图六可以看出, 永久磁场在x-y平面上的强度分布曲面图基本为锥面型分布, 中心处较大, 周围逐渐减小;感应磁场的分布则不相同, 呈马鞍面型分布, x方向为中间弱, 两侧强, 而y方向则正好相反, 中间强, 两边弱, 只是由于y方向为潜艇宽度方向, 在y方向上强弱变化没有x方向上那么明显, 变化较小。
2.2 总磁场的标量分布
反潜飞机在高空探测时并不能分辨出潜艇磁场中哪些来源于永久磁场, 哪些来源于感应磁场, 其所探测到的磁异常状态是两种磁场在探测平面上叠加后的结果。将图五和图六中所得到的磁感应强度叠加求和, 最终得到总的磁感应强度分布曲面图, 如图七所示。
图七所描述的就是在探测平面上反潜飞机所能探测到的潜艇磁场标量分布情况, 由于感应磁场对潜艇总磁场的贡献相对永久磁场较小, 所以叠加后的结果基本上还是呈锥形分布。
3 结束语
通过ANSYS对潜艇空间磁场进行分析计算, 发现高空磁探下, 潜艇感应磁场和永久磁场的标量分布截然不同, 感应磁场表现为锥面型分布, 永久磁场则表现为马鞍面型分布。根据相关研究结果, 合理选取潜艇总磁场中感应磁场与永久磁场的强度比值, 最终可得到标量磁探仪在高空所能探测到的潜艇总磁场分布情况。
参考文献
[1]戴道生, 钟文定, 廖绍彬.铁磁学[M].北京:科学出版社, 1987.
[2]张昌达.关于磁异常探测的若干问题[J].工程地球物理学报, 2007, 4 (06) :549-553.
[3]翁行泰, 曹梅芬, 吴文福, 等.磁异探潜中潜艇的数学模型[J].上海交通大学学报, 1995, 29 (03) :27-32.
[4]周耀忠, 张国友.舰船磁场分析计算[M].北京:国防工业出版社, 2004.
[5]井胤景, 著.胡超, 译.磁工学[M].北京:国防工业出版社, 1977.
电磁场分布 篇6
1 求长直导线的磁场分布无限长圆柱载流导线产生的磁场理论计算
考虑在一根半径为a，轴沿z轴的无限长固体圆柱导线内，流动着具有均匀密度的电流，如图1中的横截面所示，由式（1）安培环路定理求各处的磁场[5,6]。
此电流分布可视为平行于z轴的无线长细丝导线的叠加，那么考虑到关于z轴的对称性，并从式（2）给出的由一根无线导线产生的磁场的性质出发，可以断定所要求的H只具有仅依赖于r的Φ分量。因此：
选择一个以原点为中心，位于xy平面内的圆周闭合路径C，半径为r，由此得到：
考虑由C围城的平面，并注意电流仅对r<a存在，得到由该闭合路径包围的电流为：
将式（4）和式（5）代入式（3），得到：
即：
2 基于Comsol Multiphysics仿真无限长圆柱载流导线产生的磁场
使用Comsol Multiphysics软件对其进行仿真。打开航视图的窗口，选择“新增“模块，确定所仿真的空间维度，确定“2D”，即平面仿真。选择“ACDC模块，静态，磁，垂直感应电流，向量位能”模块，做无限长圆柱载流导线产生的磁场仿真。
首先，完成几何模型的建立。利用绘图工具栏的圆形图标画出两个半径分别为0.025 m和0.01 m的两个圆，两个圆要求为同心圆，外面圆的作为求解域的边界，里面圆为通有电流的通电长直导线。其次进行求解域和边界的设定，内部的圆设定为电流密度为10 A/m2，外部圆全部按照默认的参数即可。对边界设置，外部圆设定为“磁绝缘”，内部圆设定为“连续”即可。然后进行划分网格，可以用在工具栏下面的图标直接进行划分，也可以根据菜单栏中的“网格”选择自由网格参数，自由确定网格的大小，然后点击“重划网格”，完成网格划分。最后进行求解计算，单击图标上的等于号，即求解按钮，完成求解过程。图3即为求解后的无限长圆柱载流导线产生的磁场。图4为由Comsol仿真软件得到的圆柱导线的Hϕ随r的变化情况。
3 结论
由式（7）理论计算，分别计算无限长圆柱载流导线内、上、外的磁场强度值。并通过Comsol的后处理功能，分别提取3点处的磁场强度值，数据对比见表1。
4 结语
通过对比分析，计算的理论值和仿真结果具有高度的一致性，验证了Comsol Multiphysics仿真软件不仅具有便捷性和快速性，其计算结果也具有较高的精度，适合工程电磁场的仿真学习。
参考文献
[1]松鹰.麦克斯韦和电磁理论[J].自然杂志,1979(11):665-672.
[2]杨俊秀,赵文来,鲍佳.Ansoft在电磁场与电磁波教学中的应用[J].现代电子技术,2013,36(2):97-99.
[3]马平,周晓宁,田沛.基于COMSOL电容层析成像[J].电测与仪表,2009,46(11):20-23.
[4]傅文珍.少学时情况下“工程电磁场”教学体系改革[J].中国电力教育,2013(11):66-67.
[5]倪光正.工程电磁场原理[M].2版.北京:高等教育出版社,2009.
电磁场分布 篇7
关键词：强磁场,Al-Si合金,凝固,枝晶
0 引言
合金凝固过程中溶质元素的分布显著影响合金的显微结构,而材料显微结构对其性能起到决定性作用,因此若能够控制材料的显微结构就能按照工程需要制备所需性能的材料[1]。近些年,国内外众多学者对各种制备条件下材料显微组织与性能之间的关系进行了研究,结果表明通过控制凝固条件或改变凝固方法,如快速凝固[2]、脉冲磁场下凝固[3]、冷坩埚定向凝固[4,5]等都可以提高材料的性能。随着近30年间超导磁体技术的发展,大于1T的强磁场已经广泛应用于材料科学研究领域[6]。大量实验研究表明,在金属凝固过程中施加强磁场将显著影响晶体取向关系[7]、金属液流动[8]以及溶质和颗粒的分布[9,10]。 Mikelson和Karklin[11]对Al2Cu和Cd2Zn合金在低冷速、0.5~1.5T磁场下进行凝固实验,最终得到了具有取向的凝固结构。Liu等[12,13]研究发现初生MnSb相枝晶趋向于平行磁场方向排列,并形成主轴平行于磁场方向、类似于柱状枝晶的形貌。不同方向的梯度磁场使初生MnSb相分布在Mn-Sb合金基体的不同位置,表明熔体中存在不同磁化率的两相时,通过梯度磁场可以控制合金熔体中的合金元素分布。Wang等和Liu等对强磁场下Al-Si共晶合金凝固过程的研究发现[14,15],强磁场抑制了晶体生长固/液界面前端的熔体对流,避免了溶质扩散,进而减小了合金中初生枝晶臂间距和共晶片层间距。在梯度磁场引起的磁化力可以控制初生相的分布,所以梯度磁场可以用来控制金属基复合材料中增强相的分布。
鉴于以上强磁场在凝固过程中的研究结果,暗示着在凝固过程中施加强磁场可以有效控制金属材料的显微组织结构。本实验采用Al-7%Si(质量分数)亚共晶合金作为研究对象,在不同稳恒磁场强度下分别对有、无Al-5Ti-B细化剂亚共晶铝硅合金进行凝固实验,研究强磁场、细化剂对合金凝固过程的影响,并对不同磁场下有、无细化剂的Al-Si合金凝固样品进行了分析和对比。
1 实验
按配比称量纯度为99.99% 的纯铝和99.99% 的纯硅,装入石墨坩埚中在真空感应炉中熔炼。熔炼过程中,先将真空感应炉抽真空至10-3Pa,然后合金在20 min内加热至850 ℃,保温20min使合金液混合均匀后关闭感应电源,合金液随炉冷却至室温,最终凝固得到铝硅母合金棒。母合金棒化学成分分析结果表明合金棒上下部分的硅含量均为7%(质量分数),这表明母合金棒成分均匀,可以用于后续的实验研究。将母合金棒机械加工成 Ф9mm×10mm的圆柱,用1∶1.5的盐酸溶液清洗,再用丙酮、无水乙醇依次超声波清洗以去除样品表面的氧化层和污垢。用上述同样的方法制备含铝钛硼(Al-5Ti-B)3%(质量分数)、含硅7%(质量分数)的合金,用同样方法加工、清洗备用。
实验所用强磁场装置为JMTD-12T100 超导强磁场装置,如图1所示。该装置可以产生纵向稳恒磁场,其强度在0~12T之间连续可调。加热炉放置在超导磁体空腔内,其与磁体中心的相对位置可调节,加热炉内径为33mm,最高温度为1200 ℃,控制精度为±1 ℃。为了保证磁体的安全,磁体和加热炉间装有水冷套对磁体进行冷却,炉温由固定在加热炉内的R型热电偶控制。
将铝硅合金圆柱放入纯度大于99.5%的氧化铝坩埚(外径 Φ15mm、内径 Φ10mm)中,用石英棒将坩埚固定在强磁场装置中加热炉内的中心位置。先将系统抽真空至10-3Pa以下,之后充入高纯氩气,在抽真空的同时系统升磁。当充气和励磁操作结束之后,打开加热炉电源进行凝固实验。试样以5 ℃/min的速度加热到850 ℃后保温20min,之后以7.3℃/min的速度降温至740℃,再以8.8℃/min的速度降温至520 ℃,最后随炉冷却至室温。无细化剂样品分别在0T、8.8T、11.5T的稳恒磁场下进行凝固实验,含晶粒细化剂样品的凝固实验在0T、11.5T的稳恒磁场下进行。
经强磁场凝固处理的试样均沿横向和纵向(相对于圆柱的轴)切开,研磨、抛光后用Tucker试剂(92mL H2O+6mL HNO3+2mL HF)腐蚀30s,采用金相显微镜进行组织分析。此外,横截面上的α-Al枝晶面积百分数通过定量金相分析软件测定,每个样品不同位置随机测量20个视场后取平均值以保证数据准确性。Al-Si合金中的Si在 α-Al中溶解度的变化通过电子探针(EPMA)分析获得,在每个样品不同位置测量20次后取平均值。
2 结果与讨论
2.1 强磁场对无细化剂颗粒Al-7%Si合金中初生 α-Al枝晶的影响
图2是Al-7%Si(质量分数)合金在不同磁场条件下凝固的微观组织照片。由图2可以看出,在所有条件下凝固的合金组织都由树枝状的初晶 α-Al(浅灰色部分)和铝硅共晶组织(深灰色部分)组成。如图2(a)所示,在无磁场凝固条件下,由于冷却速率缓慢,α-Al枝晶以树枝晶且主干混杂少量二次枝晶的方式沿着试样横轴平行生长。以这种方式生长的二次枝晶分支明显、尺寸接近,但枝晶位向凌乱,没有明确的取向,三次分支较少。图2(b)、(c)分别为合金试样在8.8T和11.5T条件下凝固的微观组织形貌照片,可以看出初晶α-Al枝晶与磁场方向呈30°规则排列;随着磁场强度增加,初晶α-Al枝晶明显细化。在11.5T磁场条件下,初晶α-Al呈现出近似等轴方式发达树枝晶形貌,且二次枝晶生长充分,三次枝晶分支明显,枝晶尖端清晰可见。
对于立方晶系的铝来说,在熔融合金冷却时,内部热流若在某个方向上满足成分过冷条件,则晶体就会在该方向上形核和长大。当热流在其各个生长方向相同时,晶体的长大可以按所有晶体学最优长大方向进行,对立方晶系铝合金来说即在6个〈001〉晶向长大。长大过程中,在这些主干(即一次枝晶臂)上又可长出〈001〉晶向的二次臂,如果一次臂的间距足够大,在二次臂上还会长出三次臂。
在液态金属中由于多种原因会产生液体的流动,在凝固过程中,对流的存在可以起到交换溶质和传输热量的作用,可以减小枝晶凝固前沿同液相中存在的溶质浓度和温度的差异。Al-7%Si(质量分数)合金的凝固阶段,加热炉以8.8℃/min的速度降温,试样中缩孔的位置可以证明,在无磁场凝固条件下,样品凝固前沿沿着径向从坩锅壁处向内逐渐推进,最后在样品中心位置处凝固。熔体内对流的存在有效地消除了未凝固熔体中存在的温度差异,使热流沿着径向稳定地向外流动,使得α-Al枝晶在径向上的晶体学最优长大方向与热流方向一致,进而沿着径向近乎平行的生长。
另外,根据Jackson理论[16],当合金呈枝晶方式长大时,由于溶质偏析引起成分过冷,使得二、三次枝晶臂在根部出现颈缩现象。由于对流的存在,颈缩的枝晶臂被热流反复冲刷,最后颈缩的枝晶臂在根部处被熔断。Yasuda[17]研究发现,当枝晶臂被熔断后由于熔体的流动会被带到枝晶生长前沿或其它地方,在条件允许的情况下会继续生长。因此,当没有磁场作用时,α-Al生长过程中枝晶臂会频繁熔断而被熔体流带到其它地方,有些枝晶碎片会成为新的形核基底或者继续生长并最终同枝晶主干相连。形核数量的增加提高了晶粒的数量,降低了枝晶的尺寸。这样,在没有磁场作用下合金的凝固组织呈现出α-Al以树枝晶为主、近乎平行于径向生长,少量二次枝晶混杂,且枝晶尺寸接近的形貌。
实验和理论分析表明,当一个导电熔体中存在由于重力场引起的对流运动时,与外加磁场感应将产生Lorentz力f=σ×(V×B)×B,其中σ是导电率,V是导电流体的流速,B是磁场强度。由于这个力总是趋向于使对流运动的强度减小,并且由于Lorentz力与磁场强度B的平方成正比,所以强磁场能够有效地抑制导电熔体中由重力场所引起的对流运动。当施加强磁场后,合金熔体中的对流现象,尤其是径向的对流被有效地抑制,进而大大降低了熔体中的溶质交换和热量传输。在磁场条件下凝固的组织中近似等轴生长的 α-Al枝晶形貌说明,其形核是在熔体的内部产生的。这样,已经形核生长的晶粒处于过冷液体的包围之中,其结晶潜热的释放较为困难,热流在枝晶生长的各个最优长大方向基本相等,即在6个〈001〉晶向长大,形成了近似等轴的形貌。而且,由于强磁场对熔体对流的抑制作用,α-Al在枝晶生长过程中枝晶熔断的频率会大大减小,并且已经发生熔断的枝晶碎片也因为熔体对流现象被磁场强烈抑制而很少被带走,能够得以继续生长并最后同枝晶主干相连。因此,强磁场作用下的合金凝固组织枝晶尺寸庞大。
本实验分别对Al-7%Si(质量分数)合金在不同磁场条件下凝固后的试样中初生 α-Al数量和Si在 α-Al中的溶解度进行测量,测量结果如图3所示。当施加强磁场后,α-Al的数量均有轻微地增加。图4为Al-7%Si(质量分数)合金在不同磁场条件下凝固后Si溶解度的变化图,可以看出Si的溶解度在施加磁场情况下比无磁场情况更大。凝固过程熔体中的对流对溶质扩散是有利的,但强磁场可以抑制液相中的对流,进而影响初生α-Al枝晶生长过程中固/液界面前沿Si溶质向液相的扩散。Al-Si合金在凝固到固/液两相区时,Si溶质由于强磁场的作用而难以向液相扩散,初生 α-Al枝晶保留了多余的Si溶质;因此,在接下来的共晶反应中共晶体中的Si含量将减少,在凝固后的样品中表现为Si的溶解度在施加磁场情况下比无磁场情况更大。
2.2 强磁场对添加细化剂颗粒Al-7%Si合金中初生α-Al枝晶的影响
在亚共晶Al-Si合金中加入Al-5Ti-1B中间合金可以有效促进合金中α枝晶的形核,从而使Al-Si合金 α相枝晶晶粒细化。因此,近年来在工业上广泛应用Al-5Ti-1B中间合金作为晶粒细化剂细化Al-Si合金,以获得最佳的铸态组织。为此,本实验又在强磁场下进行了加入Al-5Ti-1B晶粒细化剂的Al-Si合金凝固实验,考察强磁场对Al-5Ti-1B中间合金细化剂作用效果的影响。
图5和图6分别为0T和11.5T强磁场条件下不添加Al-5Ti-1B中间合金和添加3%(质量分数)Al-5Ti-1B中间合金的Al-7%Si(质量分数)合金凝固组织宏观照片。对比有无添加中间合金的合金凝固组织照片可以看出,添加Al-5Ti-1B中间合金后,试样的凝固组织中枝晶α仍然以树枝晶为主,但是枝晶尺寸有所降低,并且出现了一定的等轴化趋势,几乎没有三次枝晶出现。对比图5(b)和(d)发现,在11.5T磁场下凝固添加细化剂样品中的初生 α-Al枝晶与磁场方向并无30°的排列特征;枝晶的生长位向十分凌乱,碰接现象明显,表明其形核数量有一定程度的增加。但是,由于处于缓慢冷却的条件下,合金的细化效果十分有限。有关Al-5Ti-1B对Al-Si合金晶粒细化效果的研究表明[18],当合金中添加了3%的Al-5Ti-1B中间合金后,Al-Si合金的晶粒会被显著细化,其凝固组织中的α-Al将全部以等轴晶形式存在。但是,随着保温时间的延长,常出现孕育衰退(即晶粒变粗)、细化效果消失的现象。因此,经过20 min的保温,以8.8 ℃/min的降温速度凝固后,Al-5Ti-1B对Al-7%Si合金的细化效果出现了严重的衰退现象,造成如图5和图6(c)、(d)所示的组织形貌。
当施加强磁场后,添加Al-5Ti-1B中间合金的试样凝固组织产生了一定的变化。如图5和图6(c)、(d)所示,在11.5T强磁场作用下,凝固组织中 α-Al出现了明显的枝晶化趋势,并呈现出较强的方向性。此外,枝晶臂也有一定程度的粗化。研究表明Al-5Ti-1B中间合金由Al、TiB2、TiAl3等相组成[19],用细化剂对铝硅合金进行细化处理的过程即是细化剂中各相溶于铝合金液中的过程。TiB2的熔点很高,因此在正常熔炼温度下呈细小固体颗粒状分布于合金液中。中间合金熔于合金液后Ti主要以TiB2、TiAl3以及两者相互结合形成的复合物的形式存在。TiAl3在TiB2上生成,形成的复合物的密度大于合金液,长时间静置,在重力作用下势必下沉。因此,采用Al-5Ti-1B中间合金对铝硅合金进行晶粒细化处理,在合金液静置的过程中易产生Ti的偏析,且合金中Ti的含量越高,越容易产生偏析。保温时间足够长时,由于Ti的重力偏析,使得复合物沉积到铸锭底部,失去了细化晶粒的作用。当熔体中存在如搅拌等流动时,熔体的流动起到传输溶质的作用,可以有效降低Ti的重力偏析,进而缓解孕育衰退的发生。当没有施加强磁场时,熔体中会存在一定程度的对流运动,弥补了Al-5Ti-1B中间合金随着保温时间延长而使细化作用减弱的不足。但是,当施加11.5T强磁场后,熔体中的对流现象被强烈抑制,加剧了Ti的重力偏析,使得合金凝固组织呈现出如图5所示的枝晶生长明显、方向性增强、枝晶臂粗化的形貌。
3 结论
(1)施加强磁场之后,由于强磁场对熔体对流的抑制作用使枝晶熔断频率减小,初生 α-Al枝晶转变为发达枝晶形貌,二次枝晶生长充分,三次枝晶分支明显,枝晶尖端清晰可见;枝晶主轴与磁场方向呈30°规则排列,且初级枝晶尺寸减小。
(2)与无磁场条件下Al-Si合金凝固组织相比,在施加磁场情况下,合金中初生α-Al枝晶数量有少量增加。
(3)强磁场可以抑制溶质Si向液相扩散,使初生α-Al枝晶中Si含量过饱和,在磁场下凝固后的样品中表现为Si在初生α-Al枝晶中的溶解度有少量增加。