[发明专利]一种电磁感应线圈的制作模具及线圈制作方法

说明书

本发明涉及一种电磁感应线圈的制作模具及线圈制作方法，同时提供悬浮能力和加热功率的电磁悬浮线圈的制作模具和制作方法。制作线圈的模具由下端锥形部件、圆柱部件和上端倒锥形部件等3部分组成，各部件均呈轴对称设计，各部件通过位于部件轴心凸出的螺柱与部件轴心凹陷的螺孔紧密链接。利用本发明中的线圈制作模具和方法，可绕制多种不同构型线圈，所获得的线圈结构具有内径均匀连续变化、轴对称性优良等特点，方便通过该线圈产生预设的空间电磁场分布，实现样品的长时间稳定悬浮与加热。

技术领域

本发明属于新型材料制备、电磁悬浮技术领域，涉及一种电磁感应线圈的制作模具及制作方法，特别涉及一种同时提供悬浮能力和加热功率的电磁悬浮线圈的制作模具和方法。

背景技术

由于高效的加热效率，可控的功率强度和加热区域，电磁感应加热技术被广泛应用于冶金、热处理等行业，如感应熔炼高熔点金属，对金属工件表面淬火硬化，感应焊接金属管件等。而不同领域的感应加热设备均存特定结构的线圈用于产生所需的电磁场，见文献：LUCIA O,MAUSSION P,DEDE E J,BURDIO J M.Induction Heating Technology andIts Applications:Past Developments,Current Technology,and Future Challenges[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2014,61(5):2509-2520.；从应用于工件表面热处理的线圈，见文献：RUDNEV V,LOVELESS D,COOK R.Handbook ofInduction Heating,2nd Edition[M].2017(尺寸约0.05m)到电磁炉中平坦的圆片状线圈组，见文献：SANZ F,SAGUES C,LLORENTE S.Induction Heating Appliance With aMobile Double-Coil Inductor[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2015,51(3):1945-1952.(尺寸约0.2m)和大型感应熔炼设备的加热线圈，见文献：RUDNEVV,LOVELESS D,COOK R.Handbook of Induction Heating,2nd Edition[M].2017(尺寸约1m)，由于设备目的不同，所设计线圈结构也不尽相同，若需要满足工件表面的温度均匀性，则需进一步优化线圈的构型。

电磁悬浮熔炼技术作为感应加热的一个重要应用方向，在新材料的开发和凝固研究等方向有着举足轻重的作用。不同于工业中只利用感应线圈的涡流热效应加工金属，该技术中，电磁悬浮线圈产生的电磁场提供两方面的作用效果：一是使悬浮金属体获得强烈的加热作用；二是提供持续而稳定的悬浮力以支撑材料实现无容器处理。空间电磁场分布强烈依赖于电磁悬浮线圈构型，所以线圈结构的优化设计与实际加工均显得尤为重要，是成功实施金属材料悬浮的关键点。

一定长度的铜线绕着圆棒进行简单绕制即可制作出简单易用的电磁悬浮线圈，其线圈特征是内径单一，所以大多数电磁悬浮线圈呈现为圆柱状或者其衍生形式，见文献：GAO L,SHI Z,LI D,MCLEAN A,CHATTOPADHYAY K.Dimensionless Analysis andNumerical Modeling of Rebalancing Phenomena During Levitation[J].Metallurgical and Materials Transactions B,2016,47(3):1905-1915.。但是在进一步加大金属的悬浮质量后，圆柱状的电磁线圈形成的电磁场所产生的悬浮性能常常不能满足电磁悬浮无容器处理的要求。

为了优化悬浮区域的电磁场分布，以提高悬浮性能或者悬浮区域的稳定性，人们对线圈进行了一系列的优化分析，设计出内径变化的电磁悬浮线圈，如向上开口的锥形线圈、向下开口的锥形线圈，或者线圈内径连续变化的多层线圈等，但目前的线圈模具多为简单的圆柱状，并不能对这些线圈进行精细的加工制作，所以需要设计更多适用于特定结构线圈的模具。

发明内容