专利摘要

本发明涉及一种采用流体驱动在导电液体中产生时空变化的电磁力的方法，属于电磁冶金、半导体材料制备、化学工业和玻璃工业技术领域。首先在导电液体中形成一个圆柱形腔体，腔体上设有驱动流体通道口，将涡轮叶片置于圆柱形腔体中，将永磁体与涡轮叶片相对固定；使驱动流体以周期P从腔体的通道口进入或流出，驱动流体驱动涡轮叶片以周期P作正向或反向转动，并带动永磁体转动，产生方向周期变化的旋转磁场，在腔体外部周围的导电液体内产生涡电流，旋转磁场与涡电流相互作用，产生电磁力，驱动或搅拌导电液体。采用本发明方法构成的电磁驱动器，可用于金属凝固过程中来改善宏观偏析、金属合金化过程以及制备梯度材料、复合材料等领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用流体驱动在导电液体中产生时空变化的电磁力的方法，属于电磁冶金、半导体材料制备、化学工业和玻璃工业技术领域。

背景技术

传统的电磁驱动技术由于受到趋肤效应的制约，对于较大尺寸的导电液体驱动效果极为有限。专利（申请号:201210039850.3）提出了一种以流体作为驱动介质在导电液体中产生电磁力的方法，用流体驱动代替已有技术中的电或机械驱动，以简化电磁驱动器的结构，增加设计的灵活性，并扩大电磁驱动器的应用范围。但传统的电磁驱动技术与上述方法存在如下不足：磁场形态单一,产生的电磁力在空间分布较为固定，因而被驱动的导电流体的流场一般不随时间变化，电磁力再导电液体内的空间分布可调性差，具有如下缺点：

（i）对于合金的凝固问题，由于金属液体的受迫对流模式固定，溶质再分配效果较差，而且研究表明（王晓东等，材料论坛，第508卷，第163-168页）：有时不当的电磁场作用不但不能消除浓度偏析，而且还会增大浓度偏析，直接破坏材料的使役性能；

（ii）在导电流体中形成稳定的热边界层，在需要充分传热的场合下传热效果差；

（iii）在导电流体中形成稳定的流体流动边界层，导电液体不能被充分地搅拌；

（iv）不能根据需要获得可设计的较高的电磁力密度梯度场。

本申请人曾经发表了一种基于传统电磁搅拌技术的模式电磁力办法（王晓东等，冶金与材料通讯B，模式电磁场驱动的周期性反转流I和II，第40卷，2009年，82-90页，104-113页），在凝固前沿模式电磁力场可造成熔体的周期性流动，充分改变溶质的再分配过程，在优化的模式频率作用范围内可达到显著改善凝固过程中浓度偏析的目的。

发明内容

本发明的目的是提出一种采用流体驱动在导电液体中产生时空变化的电磁力的方法，对已有的在导电流体中产生电磁力的方法做出改进，通过驱动流体流量和方向变化来得到周期性变化的电磁力场，以扩展通过流体驱动产生电磁力的用途。

本发明提出的采用流体驱动在导电液体中产生时空变化的电磁力的方法，有多种不同的方案，其中第一种方案包括以下步骤：

（1）在导电液体中形成一个圆柱形腔体，腔体上设有驱动流体的第一通道口和第二通道口；

（2）将涡轮叶片置于圆柱形腔体中，涡轮叶片安装在轴承上，轴承与圆柱形腔体同轴安装；

（3）将永磁体与涡轮叶片相对固定；

（4）使驱动流体以周期P从圆柱形腔体上的第一通道口或第二通道口进入或流出，驱动流体驱动涡轮叶片以周期P作正向或反向转动，并带动永磁体以周期P作正向或反向转动，产生方向以周期P变化的旋转磁场，旋转磁场在圆柱形腔体外部周围的导电液体内产生涡电流，旋转磁场与涡电流相互作用，产生方向以周期P变化的电磁力，驱动或搅拌导电液体。

上述第一种方案中，所述的永磁体与涡轮叶片相对固定的形式为：设置两个圆盘状连接板，两个连接板分别置于涡轮叶片的两侧，两个连接板的内侧分别与涡轮叶片连接，两个连接板的外侧分别设置第一永磁体和第二永磁体，形成第一磁场和第二磁场。

上述第一种方案中，所述的永磁体与涡轮叶片相对固定的形式为：设置一个圆筒形连接板，涡轮叶片与圆筒形连接板连接，圆筒形连接板位于涡轮叶片的外端部，永磁体安装在圆筒形连接板上，第五通道口和第六通道口置于圆柱形腔体的端面。

其中第二种方案包括以下步骤：

（1）设置一个内筒和一个外筒，内筒和外筒同轴安装，内筒和外筒之间形成一个套筒形腔体，套筒形腔体的端面上设有驱动流体的第七通道口和第八通道口；

（2）设置一个圆筒形连接板，涡轮叶片与圆筒形连接板的一侧连接，圆筒形连接板位于涡轮叶片的内端部，永磁体安装在圆筒形连接板的另一侧，将涡轮叶片置于圆柱形腔体中，涡轮叶片安装在轴承上，轴承与圆柱形腔体同轴安装；

（3）使驱动流体以周期P从圆柱形腔体上的第七通道口或第八通道口进入或流出，驱动流体驱动涡轮叶片以周期P作正向或反向转动，并带动永磁体以周期P作正向或反向转动，产生方向以周期P变化的旋转磁场，旋转磁场在内筒的内侧和外筒的外侧的导电液体内产生涡电流，旋转磁场与涡电流相互作用，产生方向以周期P变化的电磁力，驱动或搅拌导电液体。

其中第三种方案包括以下步骤：

（1）设置一个内筒和一个外筒，内筒和外筒同轴安装，内筒和外筒之间形成一个套筒形腔体，腔体的端面上设有驱动流体的第七通道口和第八通道口；

（2）设置一个圆筒形连接板，涡轮叶片与圆筒形连接板的一侧连接，圆筒形连接板位于涡轮叶片的内端部，永磁体安装在圆筒形连接板的另一侧，将涡轮叶片置于圆柱形腔体中，涡轮叶片安装在轴承上，轴承与圆柱形腔体同轴安装；

（3）使驱动流体以周期P从圆柱形腔体上的第七通道口或第八通道口进入或流出，驱动流体驱动涡轮叶片以周期P作正向或反向转动，并带动永磁体以周期P作正向或反向转动，产生方向以周期P变化的旋转磁场，在内筒的内侧和外筒的外侧的导电液体内产生涡电流，旋转磁场与涡电流相互作用，产生时空上周期性变化的电磁力，驱动或搅拌导电液体。

其中第四种方案包括以下步骤：

（1）在导电液体中形成第一圆柱形腔体和第二圆柱形腔体，第一圆柱形腔体上分别设有驱动流体的第九通道口和第十通道口，第二圆柱形腔体上分别设有驱动流体的第十一通道口和第十二通道口；

（2）分别将涡轮叶片置于第一圆柱形腔体和第二圆柱形腔体中，涡轮叶片安装在轴承上，轴承与圆柱形腔体同轴安装；

（3）将第一永磁体和第二永磁体分别与涡轮叶片相对固定；

（4）使驱动流体以周期P或P’分别从第一圆柱形腔体的第九通道口或第十通道口以及第二圆柱形腔体上的第十一通道口或第十二通道口进入或流出，驱动流体驱动涡轮叶片以周期P或P’作正向或反向转动，并带动永磁体产生以周期P或P’变化的旋转磁场，在两个圆柱形腔体外部周围的导电液体内产生涡电流，旋转磁场与涡电流相互作用，产生时空变化的电磁力场，驱动或搅拌导电液体。

本发明提出的采用流体驱动在导电液体中产生时空变化的电磁力的方法，其优点在于：根据本发明提出的采用流体驱动在导电液体中产生电磁力的方法制造的电磁驱动器，实施手段简便、可靠；通过驱动流体流量和方向变化来实现具有周期性变化的电磁力场，电磁力的周期变化频率可根据实际需要作大范围调节，电磁力的大小也可通过驱动流体的流量变化进行调节，因而大大地扩大了应用领域范围。旋转磁场结构的设计灵活多样，例如，采用弧形或条形永磁体单元的盘状磁场结构，螺旋结构的磁场、磁魔环结构的筒形磁场等；电磁力场空间变化的可设计性和可控性很高，如可在导电液体中实现较高的电磁力密度梯度场。

根据本发明提出的采用流体驱动在导电液体中产生电磁力的方法制造的电磁驱动器，可用于金属凝固过程中来改善宏观偏析,尤其是当金属熔体体积较大时情形；可用于金属合金化过程：分散添加的合金元素；可用于制备梯度材料、复合材料的工艺过程中：在导电液体内产生较大的电磁力密度场；可用于金属输运、模铸（包括紧密铸造）过程中金属液体温度场的均匀化；可用于加速除气、脱硫等冶金工艺过程。

附图说明

图1是本发明提出的采用流体驱动在导电液体中产生时空变化的电磁力的方法的原理示意图，也是根据本发明方法设计的第一种磁驱动器的结构示意图。

图2是驱动流体流量及方向在一个周期内随时间变化的波形图。

图3是根据本发明方法设计的第二种磁驱动器的结构示意图。

图4是根据本发明方法设计的第三种磁驱动器的结构示意图。

图5是根据本发明方法设计的第四种磁驱动器的结构示意图。

图6和图7分别是图4和图5中所示的磁驱动器中永磁体的两种不同结构的示意图。

图8是根据本发明方法设计的第五种磁驱动器的一种工作状态图。

图9是图8所示的磁驱动器的另一种工作状态图。

图1～图9中，1是导电液体；2是圆柱形腔体；3是第一通道口；4是第二通道口；5是涡轮叶片；6是轴承；7是永磁体；8是涡轮叶片的旋转方向；9是导电液体的流动方向；10是第三通道口；11是第四通道口；12是盘状第一连接板；13是盘状第二连接板；14是第一永磁体（由弧形永磁体单元组成）；15是第二永磁体（由条形永磁体单元组成）；16是圆筒状连接板；17是第五通道口；18是第六通道口；19是套筒形腔体；20是第七通道口；21是第八通道口；22是螺旋形永磁体；23是永磁体磁化方向；24是螺旋形永磁体支撑构架；25是磁场的旋转方向；26是磁魔环结构的永磁体；27是第一圆柱形腔体；28是第二圆柱形腔体；29是第九通道口；30是第十通道口；31是第十一通道口；32是第十二通道口。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明提出的采用流体驱动在导电液体中产生时空变化的电磁力的方法进行详细介绍。

本发明方法有多种不同的方案，其中采用第一种方案设计的磁驱动器的结构如图1所示，包括以下步骤：

（1）在导电液体1中形成一个圆柱形腔体2，腔体上设有驱动流体的第一通道口3和第二通道口4；

（2）将涡轮叶片5置于圆柱形腔体1中，涡轮叶片5安装在轴承6上，轴承6与圆柱形腔体2同轴安装；

（3）将永磁体7与涡轮叶片5相对固定；

（4）使驱动流体以周期P从圆柱形腔体上的第一通道口3或第二通道口4进入或流出，驱动流体驱动涡轮叶片5以周期P作正向或反向转动，并带动永磁体7以周期P作正向或反向转动，图1中示出了涡轮叶片的旋转方向8和导电流体的流动方向9，永磁体7在涡轮叶片5的带动下产生方向作周期性变化（周期P)的旋转磁场，旋转磁场在圆柱形腔体2外部周围的导电液体1内产生涡电流，旋转磁场与涡电流相互作用，产生方向作周期性变化（周期P)的电磁力，驱动或搅拌导电液体1。

图1示出了本发明方法的基本原理，通过驱动流体流动方向的周期性变化，实现涡轮叶片5转动方向的周期性变化，从而使与之一同运动的永磁体7也实现旋转方向的周期性变化。如图1（a）和图1（b）所示，变化的周期为P，频率为：f＝1/P，在时间段T内(0＜T＜P)内涡轮叶片作逆时针(或顺时针)旋转，在(P-T)时间段内作顺时针（或逆时针）旋转。这种变化是通过第一通道口3作为流体流入口，第二通道口4作为流体流出口，或者第二通道口4作为流体流入口，第一通道口3作为流体流出口，周期性交替变化来实现的。

图2所示为驱动流体流量及方向在一个周期内随时间变化的波形图，设驱动流体流量为Q，将驱动流体从第一通道口3流入的方向记为正，从第一通道口3流出的方向记为负，驱动流体流量随时间的周期性变化则可用图2（c）中的方波（i）来表示，也可以是方波，也可以是正（余）弦波，或类似正（余）弦波的其它波形，如图2（c）中的曲线（ii）所示。另外，由于驱动流体的惯性作用与考虑机械安全的原因，驱动流体换向需要一定时间，换向所需时间为2T_p，一般要求P＞＞T_p，如图2（c）中曲线（iii）所示，以保证导电液体1不但被充分驱动（驱动强度的幅值趋于饱和），而且实现周期性特征明显的模式流动。这种驱动流体的周期性变化也可以有另外一种间歇式的形式，如图2（d）所示，驱动流体在一个周期内作用一定长的时间(0＜T＜P)，其余时间内驱动流体流量为零。

被驱动的导电液体1流动的周期性具有如下特征：驱动流体流动的周期性与被驱动的导电液体受到的电磁力的周期性相同；导电液体1所受电磁力的幅值变化与驱动流体的流量具有一定关系，导电流体1要获得具有明显周期特征的流动，驱动流体的流量需大于一定的阀值；驱动流体方向变化的周期与其流量（即流体的动能）要有一定的配合关系，要实现导电液体1的周期性流动，周期P也需大于一定的阀值。考虑到磁驱动器的尺寸特征与应用领域，导电液体1受到的电磁力场的频率f一般要小于0.2赫兹（周期P大于5秒）。

根据本发明方法第二种方案设计的磁驱动器的结构如图3（e）所示，在圆柱形腔体2的侧壁上设置驱动流体的两个通道口，分别记为驱动流体的第三通道口10和驱动流体的第四通道口11，其中的永磁体7与涡轮叶片8相对固定的形式为：设置两个连接板12和13，两个连接板12、13分别置于涡轮叶片8的两侧，两个连接板12、13的内侧分别与涡轮叶片8连接，两个连接板12、13的外侧分别设置第一永磁体14和第二永磁体15，形成第一磁场和第二磁场。

从图3（e）和图3（f）可以看出在这种结构中，连接板12和13为盘状且平行于圆柱形腔体2的端面，并采用双永磁体磁场结构，即第一永磁体14和第二永磁体15来实现空间变化的电磁力场。轴承6位于圆柱形腔体腔体2的中心，轴承6的内圈与圆柱形腔体2连接，轴承6的外圈与涡轮叶片5连接，保证涡轮叶片5在驱动流体作用下可自由转动，轴承6的外圈同时还与分列涡轮叶片5两侧的两个盘状连接板12、13连接，两个连接板12、13的内侧分别与涡轮叶片5连接，两个连接板12、13的外侧分别设置第一永磁体14和第二永磁体15，通过设计使两个永磁体14、15具有不同的结构，如图3（g）和图3（h）所示，第一永磁体14和第二永磁体15的磁体单元形状分别为圆弧形和长条形的永磁体。永磁体单元也可以根据需要设计成其它形状。永磁体旋转产生空间分布不同的涡电流，在导电液体内形成空间分布不同的电磁力场。根据需要在导电液体1内可获得较大的电磁力密度梯度的区域，这样的空间变化的大梯度电磁力场可用于某些材料的特殊制备工艺中。

根据本发明方法第三种方案设计的磁驱动器的结构如图4所示，其中图4(i)是圆柱形腔体的内部结构示意图，图4（j）是其侧视图。永磁体7与涡轮叶片5相对固定的形式为：设置一个圆筒形连接板16，圆筒状连接板16与圆柱形腔体2同轴。涡轮叶片5与圆筒形连接板16连接（相连或镶嵌其中），圆筒形连接板16位于涡轮叶片5的外端部，永磁体14、15安装在圆筒形连接板16上。如图4（j）所示，驱动流体的两个通道口位于圆柱形腔体2的两个端面上，记为驱动流体的第五通道口17和第六通道口18，此时涡轮叶片8可设计成三维的异型结构，保证涡轮叶片8在驱动流体驱动下自由、平稳旋转。

根据本发明方法第四种方案设计的磁驱动器的结构如图5所示，设置一个内筒和一个外筒，内筒和外筒同轴安装，并且具有两个端面，组成一个套筒形腔体19，其中图5(k)是套筒形腔体19的内部结构示意图，图5（l）是其侧视图,套筒形腔体19的端面上设有驱动流体的第七通道口20和第八通道口21；轴承6的外圈同轴安装在套筒形腔体19的外筒的内壁上，轴承6的内圈与涡轮叶片5连接，设置一个圆筒形连接板16，圆筒形连接板16的外侧与涡轮叶片5的内端部连接，永磁体14或15安装在圆筒形连接板的内侧（相连或镶嵌其中）。工作时使驱动流体以周期P从圆柱形腔体上的第七通道口20或第八通道口21进入或流出，驱动流体驱动涡轮叶片5以周期P作正向或反向转动，并带动永磁体以周期P作正向或反向转动，产生以周期P作正向或反向转动的旋转磁场，在套筒形腔体19的中心部分的导电液体1内产生涡电流，旋转磁场与涡电流相互作用产生以周期P作变化的电磁力，驱动或搅拌导电液体1。

图6是上述图4和图5中所示的磁驱动器中永磁体的一种结构示意图。其中图6（m）是螺旋磁场的结构示意图，螺旋形磁场由螺旋形永磁体22产生，磁体上的每一点磁化方向23均沿径向,螺旋形永磁体22与支撑构架24组成一个套筒形结构与套筒形连接板16连接。图6（m）所示的螺旋形永磁体22可以作为图4和图5所示的磁驱动器中的永磁体。图6（m）也示出了磁场的旋转方向25。其工作原理如图6（n）和图6（o）所示，这里可有两种工作方式：一种是单独采用图6（n）或图6（o）所示的工作状态，流速场周向和轴向的速度分量可分别表示为(V_φ，V_z)，(-V_φ，-V_z)，流场不随时间变化；第二种为在时间T内螺旋形磁场作逆时针旋转（图6（n））或顺时针旋转（图6（o）），相应地，在时间（P-T)内螺旋磁场作顺时针旋转（图6（o））或逆时针旋转（图6（n）），螺旋形永磁体22在驱动流体的驱动下旋转，在导电液体1中产生相应的三维螺旋结构的流动，流动方向9分别在图6（n）和图6（o）中示出，可见这种结构的磁驱动器将在导电液体1中产生时间和空间上周期性变化的电磁力场。

图7是上述图4和图5中所示的磁驱动器中永磁体的另一种结构示意图。其中图7（p）是一种传统的八单元组成的磁魔环结构的磁场26的示意图，永磁体上的箭头表示该磁体单元的磁化方向23，在垂直轴线的中心截面上磁场分布均匀，在轴线上磁场呈高斯分布，即在轴向上随着离开磁体的距离增加，磁场迅速衰减。轴向上电磁场强度的分布可通过磁魔环的高度来调节，这样的设计对在导电液体中产生较高的电磁力密度梯度场是很有利的。图7（p）所示的磁魔环结构的永磁体25可以作为图4和图5所示的磁驱动器中的永磁体。图7（q）和图7（r）是磁魔环结构的永磁体在本发明中的工作原理图。图7（p）也示出了磁场的旋转方向25。其工作原理如图7（q）和图7（r）所示，也有两种工作方式：一种是单独采用图7（q）或图7（r）；第二种是在时间T内螺旋形磁场作逆时针旋转（图7（q））或顺时针旋转（图7（r）），相应地，在时间（P-T)内螺旋磁场作顺时针旋转（图7（r））或逆时针旋转（图7（q）），磁魔环结构的永磁体25在驱动流体的驱动下旋转，在导电液体1中产生相应的三维纺锤形结构的流动，流动方向9分别在图7（q）和图7（r）中示出。

需要指出的是，以上是通过举例来说明通过特定的磁场设计在本发明的磁驱动器作用下在导电液体1中产生空间变化的电磁力场，因此不限于采用其它可产生空间变化电磁力场的磁场结构。

根据本发明方法第五种方案设计的磁驱动器的结构如图8所示，该方法包括以下步骤：

（1）在导电液体1中形成第一圆柱形腔体27和第二圆柱形腔体28，第一圆柱形腔体27上分别设有驱动流体的第九通道口29和第十通道口30，第二圆柱形腔体28上分别设有驱动流体的第十一通道口31和第十二通道口32；

（2）分别将涡轮叶片5置于第一圆柱形腔体27和第二圆柱形腔体28中，涡轮叶片5安装在轴承6上，轴承6与圆柱形腔体27，28同轴安装；

（3）将永磁体7分别与涡轮叶片5相对固定；

（4）使驱动流体以周期P或P’分别从第一圆柱形腔体27的第九通道口29或第十通道口30以及第二圆柱形腔体28上的第十一通道口31或第十二通道口32进入或流出，驱动流体驱动涡轮叶片5以周期P或P’作正向或反向转动，并带动永磁体产生方向作周期性变化（周期为P或P’）的旋转磁场，在两个圆柱形腔体27，28外部周围的导电液体1内产生涡电流，旋转磁场与涡电流相互作用产生时空变化(周期为P或P’)的电磁力场，驱动或搅拌导电液体1。

图8（s）和图8（t）示出了两个磁驱动器作并列布置的情形，通过第九通道口29、第十通道口30、第十一通道口31、第十二通道口32驱动流体流动方向的设置，可实现两个磁驱动器的旋转方向相反，即其中一个为逆（顺）时针方向旋转，另一个则为顺（逆）时针方向旋转，且按照一定的周期P作周期性变化。在这种结构中，根据磁极同性相斥，异性相吸的原理，在并列布置的两个磁驱动器之间建立起关联的磁场，在此关联磁场的作用下，导电液体的流动方向9如图中所示，在导电液体1中形成周期性流动。

图9（u）和图9（v）所示，通过第九通道口29、第十通道口30、第十一通道口31、第十二通道口32驱动流体流动方向的设置，可实现两个磁驱动器的旋转方向相同，即其中一个为逆（顺）时针方向旋转，相应地，另一个则为逆（顺）时针方向旋转，且按照一定的周期P作周期性变化。为了在导电液体中产生较高的电磁力密度梯度场，两个磁驱动器的旋转方向设为相同，在两个磁驱动器之间的导电液体中形成具有周期性且具有较高的电磁力密度梯度场，进而在导电液体内产生具有较大梯度的流速场。

此外，本发明方法中，由于驱动流体的流量与所驱动的导电液体受到的电磁力有一定的函数关系，一般地，驱动流体的流量越大，所获得的电磁力也越大（电磁力未达到饱和状态）。因此，还可以通过调节驱动流体的流量，在导电液体中获得实际应用需要的电磁力场。

采用流体驱动在导电液体中产生时空变化的电磁力的方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。