ANSYS磁场计算中无限边界的数理分析

电解法生产铝的重要设备是电解槽。该设备运行中加载强大的电流会产生磁场，影响着铝电解的生产。因此在设计铝电解槽时需分析磁场源及其产生的磁场。ANSYS有限元分析软件提供了电磁计算方法。可以解决铝电解槽生产设计中的磁场计算分析。本文详述ANSYS电磁计算中使用无限边界单元的数理分析。为使用该软件的技求人员提供参考。     

75kA导流槽磁场及其引起的铝液流场模拟分析

以商用有限元计算软件ANSYS为计算平台,对75kA导流型铝电解槽电磁场和电磁力场分布及其对铝液流动和波动的影响进行了模拟计算。结果表明：阴极斜坡表面电磁场和电磁力场分布基本呈沿电解槽长轴对称分布,且电磁力与重力方向相同,这有利于阴极表面电磁力向聚铝沟排放,而在电磁力作用下,聚铝沟内铝液波动最大幅度为0.021m,仍保持在安全范围之内,不会引起两极短路现象的发生,表明在现有75kA普通预焙槽母线配置方案下,可以维持导流型结构电解槽的正常运行。     

贵州铝厂160kA大型预焙阳极铝电解槽磁场测量与计算

叙述了在低温条件下测量铝电解槽磁场的方法和步骤以及应用表面磁荷法计算铝电解槽磁场的原理,并应用该技术和编制的计算软件对贵州铝厂１６０ｋＡ大型预焙阳极铝电解槽的磁场进行了测量与计算。实际测量结果表明,低温条件下测量电解槽磁场定位较为准确,方法简单、易于操作,数据的稳定性好。低温条件下测量的磁场数据与实际计算的结果较为一致。与美国的磁场测量和计算方法相比,本文的低温磁场测量技术和根据表面磁荷法开发的铝电解槽磁场专用计算软件是先进的。     

186kA大型预焙阳极铝电解槽磁场的三维数值计算

应用表面磁荷法对186kA大型预焙阳极铝电解槽的磁场进行了三维数值计算,通过计算结果与实际测量结果的比较,可以得出,应用表面磁荷法对铝电解槽磁场进行计算所得的结果为较为精确的,且计算结果比较接近铝电解槽的实际磁场,应用本计算软件对铝电解槽磁场进行三维计算可以满足铝电解槽母线设计的要求。     

一个新的磁流体稳定性评估方法及其应用

通过利用参数化程序设计语言APDL并加入自定义的程序代码,采用磁标量位法、k-ε两方程湍流模型以及数理统计相结合的方法分别计算了大型铝电解槽在不同立柱进电比母线配置下的电磁流场与波动界面以及电磁力场的方差分析,提出了一个新的磁流体稳定性分析方法,并应用于500kA大型铝电解槽的母线配置研究。研究结果表明自定义的磁流体稳定性评价指标能有效反映多物理场分布的优劣,对基于磁流体稳定性的大型槽母线配置的数值研究是简便易行的,能够有效用于铝电解槽生产和设计的物理场仿真计算分析。     

铝电解槽磁场计算的边界元方法评述

对铝电解槽磁场计算的边界元素法进行了评述。可以看出。边界元素法是铝电解槽磁场计算的行这有效的方法。     

用标量电位法与双标量磁位法计算铝电解槽三维磁场

以商业软件ANSYS为开发平台，采取标量电位法和双标量磁位法相结合的方法开发了铝电解槽电场与磁场计算模块，并应用到154kA铝电解槽磁场计算。磁场计算结果表明：水平磁场基本上形成一个顺时针的漩涡，而垂直磁场呈现较好的反对称关系；|Bx|max、|By|max和|By|max的计算值与测试值误差分别为0．7％、8．8％和6．7％；各个测点的磁感应强度分量Bx、By和Bz计算值与测试值绝对平均误差分别为14．8％、7．8％和14．9％。计算值与测试值比较接近，表明该方法可以满足铝电解槽母线设计时的磁场仿真计算的要求。     

静流式铝电解槽磁场仿真及设计

通过对槽内磁场、电流场的分析和研究,提出一种静流式铝电解槽的概念,采用阴极垂直出电的方式代替目前的水平出电方式,从而大幅度降低铝液层中的水平电流,大幅度削弱电磁力对槽内熔体的影响,进而减小铝液的流动和波动,将电磁影响削弱到最低程度以实现熔体界面高稳定性,并依此原理设计开发新型高效节能型铝电解试验槽。同时对母线配置进行设计,在最优化母线配置下,磁场数值仿真计算结果表明,该电解槽垂直磁场最大值为0.896 3 mT,平均值为0.360 2 mT,远低于同规格普通电解槽的垂直磁场,从而可获得电解槽超稳定运行条件,为大幅度降低极距,实现大幅度节能创造条件。     

电流分布对160kA预焙阳极铝电解槽磁场影响的数值计算

应用表面磁荷法对贵州铝厂160kA大型预焙阳极铝电解槽的磁场进行了计算,通过对电流分布均匀情况下和考虑了实际电流分布情况下的电解槽磁场的比较,可以看出,阳极和阴极电流分布对铝电解槽磁砀分布具有绝对的影响,只有在考虑了阳极和阴极电流实际分布的情况下,才能准确地计算出铝电解槽的实际磁场分布。     

高纯铝电解槽母线配置对熔体区磁场影响的研究

高纯铝在电子工业中有重要应用，电解精炼法是生产高纯铝的主要方法之一。本文对某厂现运行高纯铝电解槽磁场分布进行了模拟计算，并将其与现场测试值进行对比分析。分析后可知，该厂现运行高纯铝电解槽现场测试值与模拟计算值变化趋势完全相同，测试重现性较好，在某些测试点上吻合度较高。这验证了磁场计算方法的可靠性，并用该磁场计算模型为该厂新建槽配置了新的母线系统。相比现有高纯铝电解槽，新建槽四个象限的最大磁场绝对值降幅比例达72%。从计算结果可知，新建槽四个象限的磁场分布更加均匀，远优于现有槽，更加有利于高纯铝生产的降低极距及节能降耗。     

任意波形脉冲磁场下电磁力计算模型研究

为了建立一个描述任意脉冲磁场下电磁力特性的数学模型,利用数学解析法推导建立任意波形周期脉冲电磁力的模型和理论解。利用此模型考察了三角脉冲磁场下电磁场和电磁力周期变化规律、脉冲频率、占空比和静磁场对电磁力的影响。结果表明:任意波形周期脉冲磁场可通过时谐场叠加得到,各个时谐场的频率为基频的整数倍。三角脉冲电磁力方向呈现交替变化,并且其电磁压力绝对值大于电磁拉力。在脉冲磁场某时间段内,介质内部同时存在电磁拉力和电磁压力。随着脉冲频率增大或占空比减小,电磁压力与电磁拉力都增大,但是电磁压力增幅远大于电磁拉力。随着静磁场感应强度增大,脉冲电磁力增大同时作用深度也增加。枝晶破碎是脉冲磁场细化晶粒组织的机理之一,枝晶在交替变化的脉冲电磁力作用下,可视作产生疲劳损伤,因此脉冲磁场电磁力特性能够增加枝晶破碎的几率。一方面可以通过设计调整脉冲频率、占空比和静磁场获得满足细化凝固晶粒组织所需电磁力;另一方面当脉冲电磁力足以使枝晶破碎时,降低脉冲频率或增大占空比,以便脉冲电磁力作用深度大,从而使凝固细化作用效果更佳。     

钛合金真空自耗熔炼过程中电流、磁场和电磁力数值模拟

采用有限元模拟软件Ansys Electromagnetics Suite中Maxwell 3D模块建立钛合金真空自耗熔炼过程电磁场数学物理模型,分析并掌握熔炼过程中电流、磁场和电磁力相互作用规律,并研究了熔炼电流和搅拌电流变化对磁场及电磁力的影响。结果表明：铸锭中电流均呈向心分布,且集中分布在铸锭上部350 mm范围内;熔炼电流产生切向磁场,搅拌电流产生轴向磁场,两者进行简单耦合;在熔炼电流及其自感磁场的作用下,产生径向和轴向电磁力;该电磁力又在搅拌磁场的作用下发生旋转,产生切向电磁力;随熔炼电流线性变化,磁场切向分量和电磁力的径向和轴向合力均呈线性变化;随搅拌电流线性变化,磁场轴向分量和电磁力径向分量均呈线性变化。     

钢连铸电磁搅拌工艺中电磁力的计算

利用旋转磁场特征变换模型方程并结合边界更新法，提出一种计算旋转型电磁搅拌器在钢连铸坯中产生的电磁力场的方法．用该方法计算了考虑铁心影响的不同尺寸钢连铸方坯内的电磁场．模拟结果与实验数据符合良好，同时详细给出了旋转电磁场在搅拌区域内产生的电磁力的空间分布，并分析了不同电流、频率等参数对电磁力分布的影响．     

移动磁场电磁力对铸件表面粗糙度的影响

采用移动磁场铸造薄壁铝合金流动试样，并对移动磁场铸造过程中铝合金熔体内的电磁力各分量的瞬时值及其对铸件表面质量的影响进行了理论分析。结果表明，随着磁感应强度的增加，铸件的表面粗糙度有增加的趋势，这在采用金属上型时表现更明显。由于通人电磁感应器的三相非平衡电流在铝合金熔体内所产生的电磁力是脉动的，其大小呈周期性变化，尤其是垂直于磁场运动方向上的电磁力，其脉动的幅度很大。由此认为，所产生的垂直于磁场运动方向上的脉动电磁力是引起熔体表面震荡起伏和导致铸件凝固后表面粗糙的主要原因。     

Effect of harmonic magnetic field and pulse magnetic field on microstructure of high purity Cu during electromagnetic direct chill casting

The effects of two types of magnetic fields, namely harmonic magnetic field (HMF) and pulse magnetic field (PMF) on magnetic flux density, Lorentz force, temperature field, and microstructure of high purity Cu were studied by numerical simulation and experiment during electromagnetic direct chill casting. The magnetic field is induced by a magnetic generation system including an electromagnetic control system and a cylindrical crystallizer of 300 mm in diameter equipped with excitation coils. A comprehensive mathematical model for high purity Cu electromagnetic casting was established in finite element method. The distributions of magnetic flux density and Lorentz force generated by the two magnetic fields were acquired by simulation and experimental measurement. The microstructure of billets produced by HMF and PMF casting was compared. Results show that the magnetic flux density and penetrability of PMF are significantly higher than those of HMF, due to its faster variation in transient current and higher peak value of magnetic flux density. In addition, PMF drives a stronger Lorentz force and deeper penetration depth than HMF does, because HMF creates higher eddy current and reverse electromagnetic field which weakens the original electromagnetic field. The microstructure of a billet by HMF is composed of columnar structure regions and central fine grain regions. By contrast, the billet by PMF has a uniform microstructure which is characterized by ultra-refined and uniform grains because PMF drives a strong dual convection, which increases the uniformity of the temperature field, enhances the impact of the liquid flow on the edge of the liquid pool and reduces the curvature radius of liquid pool. Eventually, PMF shows a good prospect for industrialization.

     

Effect of Magnetic Suspension Force in Electromagnetic Stirring on Microstructure of Al-Si Alloy

Based on Maxwell equations, the Lorentz force in Al-Si alloy melt was calculated during the process of electromagnetic stirring using analytic approximation method. The effects of magnetic suspension force on the microstructure of Al-Si alloy were given under different electromagnetic stirring frequency. The surface layer for alloy melt (thickness is about skin depth) were under a larger magnetic suspension force in intermediate frequency electromagnetic stirring. As a result, it was found that Si phase ten...     

电磁铸造电磁作用力的数学分析及试验研究

对电磁铸造圆形感应器产生的磁场在金属熔体内的电磁作用力进行了理论分析和实验研究。指出导体中电磁作用力仅存在于径向及轴向方向上。电磁作用力的大小不仅与磁感应强度有关，还与磁感应强度的分布梯度有关；电磁有旋力是由于磁场分布不均匀造成的，其旋度方向在柱坐标系的周向方向上。试验研究分析了感应器结构、电流等工艺参数对电磁场分布的影响。     

调幅交变磁场下圆柱形金属液内电磁力分布

从Maxwell方程出发,推导并计算了连续交变磁场和调幅交变磁场作用下,圆柱形金属液中电磁力密度在半径方向上的分布及其随时间的变化情况.发现在连续及调幅磁场情况下,电磁力频率均以原输入电磁场频率的两倍变化,且在调幅磁场的线性上升段和下降段,电磁力幅值的变化近似为二次抛物线形,在调幅磁场的恒值段则与连续施加时一样.这为合理设计电磁连铸时的调幅磁场打下基础.     

一种永磁同步电主轴转矩脉动和电磁力波的抑制方法

针对磁极为平行充磁且两边平行的表面式永磁同步电主轴存在转矩脉动和径向电磁力波的问题,提出一种磁极结构优化方法以抑制转矩脉动和径向电磁力波。基于等效面电流法建立磁极表面半径为任意值的永磁同步电主轴转子气隙磁场的解析模型;综合研究转子气隙磁场对定子开槽电主轴转矩脉动、径向电磁力波的影响;在最小气隙长度不变的前提下,确立优化目标(气隙磁通密度的谐波和幅值),并通过迭代计算的方式得到满足不同优化目标的永磁体磁极结构方案(方案一结构和方案二结构);最后,通过有限元法验证转子气隙磁场解析模型的有效性,并对原结构电主轴、方案一结构电主轴和方案二结构电主轴的转子气隙磁场谐波、转矩脉动、齿槽转矩、平均转矩和径向电磁力波进行对比分析。结果表明:该优化方法可以得到满足不同优化目标的永磁体磁极结构方案,实现原电主轴指定阶次磁通密度谐波、转矩脉动和径向电磁力波的综合抑制。