电磁悬浮熔炼系统中基于频率考量的互耦稳定线圈配置研究

作者及机构
本研究的通讯作者为泰国国王科技大学（King Mongkut’s University of Technology Thonburi, KMUTT）电气工程系的Anawach Sangswang（IEEE会员），合作作者包括Nattapong Hatchavanich和Sumate Naetiladdanon（IEEE会员）。研究成果发表于IEEE Access期刊，2023年12月29日在线发布，2024年1月5日更新版本，数字对象标识符（DOI）为10.1109/ACCESS.2023.3348193。研究由泰国研究基金（TRF）和KMUTT联合资助（项目号RSA6180005）。

学术背景

研究领域与动机
电磁悬浮熔炼（Electromagnetic Levitation Melting, ELM）是一种非接触式金属熔炼技术，通过高频电磁场实现工件的悬浮和加热，避免了传统坩埚熔炼中因接触导致的杂质污染问题。然而，现有ELM系统采用的反向线圈（anti-loop coil）配置存在显著缺陷：反向电流产生的抵消磁场会削弱工件处的总磁通密度，导致加热效率降低和能耗增加。

关键科学问题
传统ELM系统中，反向线圈与主线圈串联且电流方向相反，其磁场抵消效应虽能稳定工件位置，但牺牲了加热效率。本研究提出一种新型互耦稳定线圈（mutually coupled stabilization coil），通过磁耦合而非电连接实现电流调节，从而在保证稳定性的同时提升磁通密度。

研究方法与流程

1. 理论建模与力分析

• 传统配置的局限性：通过公式（3）量化了反向线圈对磁通密度的削弱效应，其电流与主线圈相同（如300 A），导致工件处磁通密度仅为49 mT。
  
• 互耦线圈设计：
  
  • 结构：由主线圈和隔离的上层线圈组成，两者通过磁耦合（非电连接）实现电流传递（图2）。
    
  • 电流调节：上层线圈电流i₂通过互感M与主线圈电流i₁关联（公式7），M值由线圈间距和几何参数决定，允许i₂（如60 A）显著低于主线圈电流。
    
  • 力平衡方程：改进的公式（6）引入互耦线圈的力贡献项，通过调整线圈间距（zn+1）可精确控制稳定力。
    

2. 频率优化分析

• 频率依赖性：通过求解公式（8）发现，最大悬浮力出现在11.43 kHz、15.31 kHz和19.47 kHz（图3）。
  
• 有限元仿真：使用COMSOL Multiphysics模拟两种配置的磁场分布（参数见表1），结果显示互耦线圈方案将工件处磁通密度提升至58.7 mT（传统配置为49 mT）。
  

3. 实验验证

• 原型构建：搭建传统反向线圈和互耦线圈系统（图6），主线圈电流均设为300 A，频率锁定为16 kHz（通过锁相环控制谐振频率）。
  
• 性能对比：
  
  • 加热效率：互耦线圈方案仅需190秒和52.9 Wh能量即可将铝工件（6.5 g）加热至熔点（660°C），而传统方案需480秒和163 Wh（图7）。
    
  • 稳定性：两种配置均能维持工件悬浮，但互耦线圈的磁通密度提升30%，且电流可独立调节。
    

主要结果与结论

1. 磁通密度提升：互耦线圈方案通过降低稳定线圈电流（60 A vs. 300 A），减少磁场抵消效应，使工件处磁通密度增加19.8%。
   
2. 能耗优化：加热时间缩短60.4%，能耗降低67.5%，显著提升ELM系统的经济性。
   
3. 频率适配性：明确最佳工作频率区间（11–20 kHz），为谐振逆变器设计提供理论依据。
   

研究价值与创新点

科学价值
- 提出磁耦合调节机制，突破传统ELM系统电流不可独立调节的限制。
- 建立频率-悬浮力关联模型，为高频电磁系统的动态稳定性控制提供新思路。

应用价值
- 适用于高纯度金属熔炼（如钛合金），避免坩埚污染，提升材料性能。
- 可扩展至无线能量传输、磁悬浮铸造等领域。

创新亮点
1. 结构创新：首次将互耦线圈引入ELM系统，通过非接触式电流调节实现“稳定性-效率”协同优化。
2. 方法创新：结合有限元仿真（COMSOL）与实验验证，量化频率对悬浮力的非线性影响。

其他重要内容

• 实验可重复性：所有参数（如工件尺寸、线圈半径）均公开，便于同行验证。
  
• 局限性：未讨论大质量工件（>10 g）下的稳定性表现，未来需进一步研究。
  

本研究为ELM技术的工业化应用提供了高效、可控的解决方案，相关成果已获IEEE Access期刊推荐。