[实用新型]一种产生均匀磁场的感应线圈

说明书

技术领域

本实用新型涉及电磁感应加热技术领域，特别是涉及产生均匀磁场的感应线圈。

技术背景

在电磁感应加热应用领域，感应器是整个感应加热系统的核心元件，其功能是将高频电源产生的能量高效率地传输到被加热样品。不同材料和尺寸的样品往往需要不同的感应器，其结构设计关系到加热温度及温度均匀性等工艺要求。经常用到的感应线圈，如螺线形线圈，圆盘形线圈，锥形线圈等。其中螺旋形线圈加热效率最高，但沿半径方向温度不均匀；圆盘形线圈适合圆片状样品的感应加热，由于线圈中心磁感应强度最低，也无法实现均匀加热；圆盘形线圈与螺旋形线圈复合形成的圆锥状线圈，可有效提高平面加热的均匀性。

在感应加热应用中经常需要用到均匀磁场实现均匀加热。单匝圆线圈电流可在圆心处形成点均匀磁场，实用价值不大。在实验中，经常使用一对半径相同的圆线圈，同轴放置且间距等于半径，组成亥姆霍兹线圈。两线圈间轴线上中点附近的场强是近似均匀的，可提供不太强的近似均匀磁场。实际应用中常用到长直螺线管或者密绕细螺绕环。长直螺线管内部磁场比较均匀且磁场强度易于控制，但其结构尺寸比例差异较大，利用率较低，效率不高。密绕细螺绕环指螺绕线圈紧密地并排绕在圆环上，其拉直后即为长直螺线管。螺绕环内部磁场近似均匀，但磁场为沿环周向，且其结构尺寸比例差异也较大。1985年授权的专利《能产生均匀磁场的马鞍型线圈》，其磁场比同样半径的赫姆荷兹线圈的均匀度高一个数量级以上，但结构比较复杂。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种能够产生均匀磁场的感应线圈，该线圈结构简单，制作成本低。

一种产生均匀磁场的感应线圈，包括螺旋形线圈，在螺旋形线圈一端设有圆盘形线圈，圆盘形线圈的外径大于或等于螺旋形线圈的直径，圆盘形线圈的底盘呈阿基米德螺线形。

本实用新型考虑到螺旋形线圈和圆盘形线圈的磁场变化趋势，把两者组合，通过磁场叠加，获得在一定区域内的均匀磁场，该组合感应线圈结构紧凑，便于制作，大大提高了磁场的均匀性。

附图说明

图1为普通螺旋形线圈示意图；

图2为普通圆盘形线圈示意图；

图3为多匝螺旋形线圈内磁场分布图；

图4为圆盘形线圈磁场分布图；

图5为磁场变化曲线，图5(a)为图1所示螺旋形线圈从中心到边缘磁场变化曲线，图5(b)为图2所示圆盘形线圈从中心到边缘磁场变化曲线；

图6为本实用新型组合感应线圈结构图；

图7为本实用新型组合感应线圈纵切截面结构示意图；

图8为本实用新型组合感应线圈内的磁场分布图。

具体实施方式

本实用新型采用有限元分析软件对各种线圈作磁场分析，并通过螺旋形线圈和圆盘形线圈的组合，得到能形成均匀磁场的组合线圈。

图1示出了普通螺旋形线圈，图2示出了普通圆盘形线圈，圆盘形线圈底盘为阿基米德螺线形，外径也为72mm(图2)。分析4匝螺旋形线圈和圆盘形线圈，其磁场分布分别如图3和图4所示。图3显示4匝螺旋形线圈中心磁场较弱，而边缘磁场最强。图4显示圆盘形线圈中心磁场最强，而边缘磁场较弱。图5(a)显示4匝螺旋形线圈从中心到边缘磁场强度变化曲线，图5(b)显示圆盘形线圈从中心到边缘磁场变化曲线。

考虑螺旋形线圈和圆盘形线圈磁场变化趋势相反，可把两者组合，通过磁场叠加，则可以获得在一定区域内有均匀磁场的组合形线圈，如图6所示。组合形线圈的纵截面具体尺寸如图7所示，4匝螺旋形线圈采用直径为5mm的空心铜线管，螺旋形线圈半径为36mm(16mm+10mm+10mm)，螺距为7mm。圆盘形线圈底盘为阿基米德螺线形，外径为72mm，与螺旋形线圈直径大小相同。

组合线圈的磁场分布如图8所示。一般感应加热均采用横模加热(即线圈产生的磁场与样品表面垂直)，分析在不同的轴向高度(y轴方向)下，沿径向的磁通密度，并记录见表1。

表1

数据显示在同一高度(轴向上)，磁场分布比较均匀，误差小于3％。在0.0185-0.0235mm较大的范围内，同一轴向上都可认为磁场均匀，即对样品在磁场中的对准要求不高。扁平状样品可安放于该区域。

该组合线圈可以为片(板)状样品的感应加热提供均匀磁场。线圈用直径为5mm的空心铜线管制作，底面为阿基米德螺线形，外径为72mm。上面为4匝螺线管，直径为72mm。线圈外面包以绝缘层，两头引出，和感应电源连接，实验时，铜线管通交流电，管内可通水冷却。