应用于电磁场除垢的电磁转换装置的研制

摘要：采用密绕导线的通电螺线管作为电磁转换装置，通过电磁能量转化，在管道内腔产生高频的扫频磁场作用于流经管道的水溶液，然而水溶液阻垢除垢的处理效果与磁场分布有关。利用ANSYS Electronics有限元磁场分析软件对电磁场除垢装置内部的磁场分布进行建模仿真，通过对不同管道材料的仿真，分析不同参数条件下对磁场强度以及磁力线分布的影响，。

关键词：螺线管磁场;磁场强度;仿真;磁力线;

中图分类号：G4 文献标识码：A 文章编号：（2021）-09-71

0引言

电磁转换装置选用漆包线紧密缠绕在管道外壁的等效电感来做电磁场能量转化的。逆变器输出的高频双极性脉冲波经过调制电阻输入缠绕在管道外壁的电感线圈两端，线圈上的三角波电流通过电磁能量转化，在管道内腔产生高频电磁场能量。利用ANSYS磁场分析软件，从电磁转换装置的管道材料参数对管道内腔空间磁场强度的影响进行仿真分析，优选出本装置最合适的管道材料[1]。

1 螺线管的材料及模型

本试验研究拟采用的PVC管作为螺线管的管体。PVC管化学名称叫硬聚氯乙烯管，主要是由聚氯乙烯树脂与稳定剂以及润滑剂按一定配比通过热压成型[2]。PVC材质具有很好的抗拉、抗压强度;其管壁光滑、流体阻力小，比同等管径的管道输水能力增加20%;而且还有耐腐蚀、质量轻等优点。另外选择了铜、不锈钢及铁三种材质与PVC材质进行对比分析，如表1所示。通过不同材料管道空间磁场强度分布影响，来选择合适的材料进行实验。

试验使用的实际螺线管为直径50mm、长度100mm管道，导线直径为3.75mm的100匝线圈。如图1所示，利用ANSYS软件对螺线管进行基于MAXWELL 3D的建模[3]，该模型是对螺线管实物进行搭建的螺线管模型。不同管材的螺线管在仿真试验时通过相同激励电流，线圈施加的激励电流为5A。

2 仿真试验分析

建立通电螺线管模型后设置好管道材料属性、添加边界条件、激励电流源以及后处理对该螺线管进行电磁场有限元分析，改变材料属性重复上述电磁场分析。通过ANSYS仿真之后的PVC管、铜管、不锈钢管、铁管四种不同材料属性的磁场强度分布以及磁力线分布如图2所示。

由图2-a和图2-b可知，在相同条件下，对于相对磁导率都接近1的PVC管和铜管，PVC管道的内腔磁通密度比铜管的磁通密度大，且磁力线分布数量也比铜管道内的磁力线数量要多，则铜管内的磁场强度相比于PVC管道的磁场强度较弱，说明铜管对电磁场有一定的屏蔽作用。另外，由图2-c和2-d可知，随着相对磁导率的增大，管道内腔的磁力线逐渐减少以及磁通密度也逐渐降低，若相对磁导率足够大时，则管道会完全屏蔽线圈产生的感应磁场。由于相对磁导率高的不锈钢及铁管具有很好的导电性，线圈产生的交变电场在管壁上形成环流，进而通过环流在管道内腔产生二次感应电磁场作用于水溶液。由于管壁上的环流会发生涡流发热导致二次感应电磁场的能量很微弱，进而在实验效果上也是微乎其微。綜上所述，为减少线圈产生的磁场能量的外部损耗，所以选择相对磁导率为1的PVC管材作为电磁转换装置的管道。

参考文献

[1] 陈红，侯国栋.长直螺线管的电磁场分析与仿真[J].郑州轻工业学院学报，2013，（01），100-104.

[2] 张军，方建强，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]冯相永. 扫频电磁场除垢装置的研制[D].安徽工业大学，2019.

基金项目：滁州职业技术学院自然科学研究一般项目“扫频电磁场发生装置的研究”（YJY-2020-31）

作者简介：冯相永（1991-），男，安徽滁州人，硕士，助教，主要研究方向为电力电子及高压脉冲电源。

滁州职业技术学院 安徽 滁州 239000