應用于電磁場除垢的電磁轉換裝置的研制

摘要：采用密繞導線的通電螺線管作為電磁轉換裝置，通過電磁能量轉化，在管道內腔產生高頻的掃頻磁場作用于流經管道的水溶液，然而水溶液阻垢除垢的處理效果與磁場分布有關。利用ANSYS Electronics有限元磁場分析軟件對電磁場除垢裝置內部的磁場分布進行建模仿真，通過對不同管道材料的仿真，分析不同參數條件下對磁場強度以及磁力線分布的影響，。

關鍵詞：螺線管磁場;磁場強度;仿真;磁力線;

中圖分類號：G4 文獻標識碼：A 文章編號：（2021）-09-71

0引言

電磁轉換裝置選用漆包線緊密纏繞在管道外壁的等效電感來做電磁場能量轉化的。逆變器輸出的高頻雙極性脈沖波經過調制電阻輸入纏繞在管道外壁的電感線圈兩端，線圈上的三角波電流通過電磁能量轉化，在管道內腔產生高頻電磁場能量。利用ANSYS磁場分析軟件，從電磁轉換裝置的管道材料參數對管道內腔空間磁場強度的影響進行仿真分析，優選出本裝置最合適的管道材料[1]。

1 螺線管的材料及模型

本試驗研究擬采用的PVC管作為螺線管的管體。PVC管化學名稱叫硬聚氯乙烯管，主要是由聚氯乙烯樹脂與穩定劑以及潤滑劑按一定配比通過熱壓成型[2]。PVC材質具有很好的抗拉、抗壓強度;其管壁光滑、流體阻力小，比同等管徑的管道輸水能力增加20%;而且還有耐腐蝕、質量輕等優點。另外選擇了銅、不銹鋼及鐵三種材質與PVC材質進行對比分析，如表1所示。通過不同材料管道空間磁場強度分布影響，來選擇合適的材料進行實驗。

試驗使用的實際螺線管為直徑50mm、長度100mm管道，導線直徑為3.75mm的100匝線圈。如圖1所示，利用ANSYS軟件對螺線管進行基于MAXWELL 3D的建模[3]，該模型是對螺線管實物進行搭建的螺線管模型。不同管材的螺線管在仿真試驗時通過相同激勵電流，線圈施加的激勵電流為5A。

2 仿真試驗分析

建立通電螺線管模型后設置好管道材料屬性、添加邊界條件、激勵電流源以及后處理對該螺線管進行電磁場有限元分析，改變材料屬性重復上述電磁場分析。通過ANSYS仿真之后的PVC管、銅管、不銹鋼管、鐵管四種不同材料屬性的磁場強度分布以及磁力線分布如圖2所示。

由圖2-a和圖2-b可知，在相同條件下，對于相對磁導率都接近1的PVC管和銅管，PVC管道的內腔磁通密度比銅管的磁通密度大，且磁力線分布數量也比銅管道內的磁力線數量要多，則銅管內的磁場強度相比于PVC管道的磁場強度較弱，說明銅管對電磁場有一定的屏蔽作用。另外，由圖2-c和2-d可知，隨著相對磁導率的增大，管道內腔的磁力線逐漸減少以及磁通密度也逐漸降低，若相對磁導率足夠大時，則管道會完全屏蔽線圈產生的感應磁場。由于相對磁導率高的不銹鋼及鐵管具有很好的導電性，線圈產生的交變電場在管壁上形成環流，進而通過環流在管道內腔產生二次感應電磁場作用于水溶液。由于管壁上的環流會發生渦流發熱導致二次感應電磁場的能量很微弱，進而在實驗效果上也是微乎其微。綜上所述，為減少線圈產生的磁場能量的外部損耗，所以選擇相對磁導率為1的PVC管材作為電磁轉換裝置的管道。

參考文獻

[1] 陳紅，侯國棟.長直螺線管的電磁場分析與仿真[J].鄭州輕工業學院學報，2013，（01），100-104.

[2] 張軍，方建強，王洪洲，聚氯乙烯/氯化聚氯乙烯合金的性能研究[J].聚氯乙烯，2006（07）：15-19.

[3]馮相永. 掃頻電磁場除垢裝置的研制[D].安徽工業大學，2019.

基金項目：滁州職業技術學院自然科學研究一般項目“掃頻電磁場發生裝置的研究”（YJY-2020-31）

作者簡介：馮相永（1991-），男，安徽滁州人，碩士，助教，主要研究方向為電力電子及高壓脈沖電源。

滁州職業技術學院 安徽 滁州 239000