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基于ANSYS有限元电磁仿真的菱形磁介质感应 磁场分布特性研究
2019-03-14
采用ANSYS数值模拟软件对不同特征参数的菱形介质表面感应磁场分布特性进行了研究。单根菱形 介质的感应磁场数值模拟结果表明:磁介质迎磁面方向为磁性颗粒吸附区,垂直于磁场方向为磁性颗粒排斥区;随 着磁介质长轴尺寸的增加,感应磁场分布范围增大,介质表面磁感应强度降低,磁介质有效吸附面积减小,当长轴尺 寸为2.6 mm时,介质表面磁场梯度和磁场力较高。多根菱形介质复合体系的感应磁场数值模拟结果表明:随着介 质长轴尺寸的增加,磁介质间感应磁场的交互作用增强,介质长轴尺寸越大,磁介质表面的磁感应强度、磁场梯度及 磁场力越小;随着介质间隙的减小,磁介质间的交互作用增强,磁介质表面的磁感应强度增大,但感应磁...
Series No. 512 February 2019 金 属 METAL MINE 矿 山 总第 512 期 2019 年第 2 期 ·机电与自动化· 基于ANSYS有限元电磁仿真的菱形磁介质感应 磁场分布特性研究 1 ,2 1,2,3 1,2 韩跃新 周立波 李文博 1. 东北大学资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110819;2. 难采选铁矿资源高效开发利用技术国家地方联合工程 ( 研究中心,辽宁 沈阳 110819;3. 稀有金属分离与综合利用国家重点实验室,广东 广州 510650) 摘 要 采用ANSYS数值模拟软件对不同特征参数的菱形介质表面感应磁场分布特性进行了研究。单根菱形 介质的感应磁场数值模拟结果表明:磁介质迎磁面方向为磁性颗粒吸附区,垂直于磁场方向为磁性颗粒排斥区;随 着磁介质长轴尺寸的增加,感应磁场分布范围增大,介质表面磁感应强度降低,磁介质有效吸附面积减小,当长轴尺 寸为 2.6 mm 时,介质表面磁场梯度和磁场力较高。多根菱形介质复合体系的感应磁场数值模拟结果表明:随着介 质长轴尺寸的增加,磁介质间感应磁场的交互作用增强,介质长轴尺寸越大,磁介质表面的磁感应强度、磁场梯度及 磁场力越小;随着介质间隙的减小,磁介质间的交互作用增强,磁介质表面的磁感应强度增大,但感应磁场的磁场梯 度和磁场力均降低;磁介质间的交互作用对磁性颗粒排斥区和吸附区大小没有明显影响。 关键词 高梯度磁选 菱形磁介质 单介质 多介质 磁场分布 数值模拟 中图分类号 TD924 文献标志码 A 文章编号 1001-1250(2019)-02-192-08 DOI 10.19614/j.cnki.jsks.201902037 Research on Distribution Characteristics of Induced Magnetic Field of Rhombic Magnetic Matrix Based on Electromagnetic Simulation 1,2 1,2,3 1,22 Han Yuexin Zhou Libo Li Wenbo ( 1. School of Resources & Civil Engineering,Northeastern University,Shenyang 110819,China;2. National-Local Joint Engineering Research Center of Refractory Iron Ore Resources Efficient Utilization Technology,Shenyang 110819,China; . State Key Laboratory of Rare Metals Separation and Comprehensive Utilization,Guangzhou 510650,China) 3 Abstract The ANSYS numerical simulation software was used to study the distribution characteristics of the induced magnetic field of rhombic matrix with different characteristic parameters. The numerical simulation results of the induced mag⁃ netic field of a single rhombic matrix indicated that the magnetic flux is the magnetic particle adsorption zone,and the magnet⁃ ic particle exclusion zone is perpendicular to the magnetic field. As the long axis dimension of the magnetic medium increas⁃ es,the range of the induced magnetic field increases,the magnetic induction intensity decreases,and the effective adsorp⁃ tion area of the magnetic medium decreases.When the long axis dimension is 2.6 mm,the magnetic field gradient and magnet⁃ ic field force of the medium surface are higher. Numerical simulation results of induced magnetic fields in multiple rhombic matrix composite systems indicated that as the long axis dimension of the medium increases,the interaction of the induced magnetic field between the magnetic media increases,and the larger the long axis dimension of the medium,the smaller the magnetic induction,magnetic field gradient and magnetic force of the magnetic medium surface. As the dielectric gap decreas⁃ es,the interaction between the magnetic media increases,and the magnetic induction intensity of the magnetic medium sur⁃ face increases,but the magnetic field gradient and magnetic field force of the induced magnetic field decrease. The interac⁃ tion between the magnetic media has no significant effect on the size of the magnetic particle exclusion zone and the adsorp⁃ tion zone. Keywords High gradient magnetic separation,Rhombicmagnetic matrix,Single magnetic matrix,Multiple magnetic matrix,Magnetic field distribution,Numerical simulation 收稿日期 2018-11-12 基金项目 国家自然科学基金项目(编号:51604064),中央高校基本业务科研费项目(编号:150103003),辽宁省博士启动基金项目(编号: 01601027),稀有金属分离与综合利用国家重点实验室开放基金项目(编号:GK-201802)。 作者简介 周立波(1993—),男,硕士研究生。通讯作者 韩跃新(1961—),男,教授,博士,博士研究生导师。 2 · 192 · 周立波等:基于ANSYS有限元电磁仿真的菱形磁介质感应磁场分布特性研究 2019年第2期 聚磁介质作为高梯度磁选分离过程的重要载 体,其形状、大小、材质以及排布方式等因素对磁介 质周围的磁场分布特性具有重要影响,而磁介质周 围的磁场分布特性对于实现物料的磁选分离具有重 分别针对不同结构特征参数的单根磁介质和多介质 复合体系,导出了磁介质的磁感应强度分布云图和 磁感应强度等值线图,并对距离介质表面 0.1 mm 路 径的磁感应强度、远离介质尖端路径的磁场梯度和 磁场力以及磁介质有效吸附面积进行了计算。所选 取特定路径示意图分别如图3所示。 [1-4] 要的影响 。由于常规圆棒介质所产生的磁场力较 弱,对微细粒弱磁性矿物捕集能力不足,导致大量微 [ 5-7] 细粒弱磁性矿物在选别过程中流失 。 基于具有尖角的菱形介质表面能够产生较高的 磁感应强度和磁场梯度,因而能够强化细粒级弱磁 性铁矿物回收的特点,设计了一系列不同结构特征 参数的菱形磁介质,利用有限元电磁仿真模拟软件 ANSYS Maxwell 分别针对不同结构特征参数的单根 介质及不同体系特征参数的多介质复合体系,进行 了感应磁场分布特性的模拟分析,探究了介质结构 特征对感应磁场的调控机制。 2 试验结果与讨论 . 1 单根磁介质感应磁场分布特性研究 2 1 菱形介质ANSYS有限元电磁仿真模拟 利用 SoildWorks 三维建模软件分别搭建了不同 在背景磁场横向配置时,固定菱形介质短轴尺 寸为2.0 mm,分别考察了长轴尺寸为2.0、2.6、3.2、3.8 mm 的单根菱形介质不同截面的感应磁场分布特性 及磁介质的有效吸附面积,并对不同路径的感应磁 场分布特性进行了研究。由于菱形介质长短轴的差 异,介质排布方式的变化也会影响感应磁场的分布 特性,因此对不同排布方式的单根菱形介质的感应 磁场分布特性进行了研究。 结构特征参数的单根介质物理模型以及多介质复合 体系模型,结合磁系模型分选空间的尺寸与聚磁介 质结构特征以及计算速度的需要,将聚磁介质几何 模型进行简化处理,菱形介质几何模型的短轴尺寸 均固定为 2 mm,长轴尺寸分别为 2 mm、2.6 mm、3.2 mm、3.8 mm,轴向尺寸统一为20 mm。磁系模型及磁 介质模型分别如图1和图2所示。 2 . 1. 1 聚磁介质感应磁场分布及有效吸附面积 在背景磁感应强度为0.68 T时,分别导出了长轴 尺寸为2.0、2.6、3.2、3.8 mm的菱形介质的磁感应强度 分布云图和磁感应强度分布等值线图,结果分别如 图4和图5所示。 由图 4 可知:在磁介质迎磁面方向,磁介质表面 磁感应强度较大,且越靠近磁介质表面,磁感应强度 越大,磁位越高,为磁性颗粒吸附区,由于菱形介质 尖端的聚磁能力较强,在长轴尖端位置磁感应强度 较高;而在垂直于背景磁场方向,磁介质表面磁感应 强度较小,且越靠近磁介质表面,磁感应强度越小, 磁位越低,为磁性颗粒排斥区。由于磁介质体内部 磁导率较高,所以介质体内部的磁感应强度高于介 质体外部。随着菱形介质长轴尺寸的增加,其感应 磁场分布范围更广,磁场作用深度更大。 由图 5 可知:随着菱形介质长轴尺寸的增加,长 轴两端的尖角角度减小,磁感应强度分布等值线更 为密集,磁场梯度增大;但是在垂直于磁场方向,即 在菱形介质短轴方向,随着菱形介质长轴尺寸的增 加,磁介质周围磁感应强度等值线分布逐渐稀疏;随 着菱形介质长轴尺寸的增加,在短轴方向磁性颗粒 根据ANSYS Maxwell三维静磁场数值计算结果, · 193 · 总第512期 金 属 矿 山 2019年第2期 图 6 所示为菱形介质径向截面磁感应强度矢量 分布图。 排斥区域逐渐增加,因此磁介质的有效吸附面积逐 渐降低。 根据菱形介质的磁感应强度分布云图及磁感应 强度等值线图,计算了不同长轴尺寸菱形介质的排 斥区及吸附区的面积大小,结果如表1所示。 由表 1 可知,随着菱形介质长轴尺寸的增加,排 斥区面积逐渐增大,由于磁介质总横截面积的增加, 其吸附区面积也逐渐增加,但吸附区面积占介质周 围总面积的比率下降,即在介质填充率相近的情况 下,随着介质尺寸的增加,其有效吸附区域所占比例 会减小。 由图6可知,磁介质周围磁力线总是垂直于磁介 质表面进入或穿出,在平行于背景磁场方向,即磁介 质迎磁面两端磁力线分布较密集,磁感应强度较强, 而在垂直于磁场方向,磁力线分布较为稀疏,磁感应 强度较弱。磁介质体内部磁力线分布密集,介质体 · 194 · 周立波等:基于ANSYS有限元电磁仿真的菱形磁介质感应磁场分布特性研究 内部磁感应强度高于介质体外部磁感应强度。 2019年第2期 由图7可知,从菱形介质短轴方向到长轴方向的 路径上,即从垂直于磁场方向到平行于磁场方向,磁 介质表面的磁感应强度逐渐增加,结合图4的磁感应 强度矢量分布可知,从垂直于磁场方向到与平行于 磁场方向,磁力线分布由稀疏逐渐变得密集,磁感应 强度增加。随着菱形介质长轴尺寸的减小,磁介质 表面的磁感应强度逐渐增加。由于随着介质长轴尺 寸的减小,磁介质表面积减小,单位面积内磁力线增 多且分布密集,磁介质聚磁能力增强,从而使得磁介 质表面的磁感应强度升高。 2 . 1. 2 聚磁介质表面指定路径感应磁场分布特性 首先对不同长轴尺寸的单根菱形介质距离介质 表面 0.1 mm 路径的磁感应强度分布特性进行了研 究,结果如图7所示。 进一步地,在背景磁感应强度为 0.68 T 时,分别 对不同长轴尺寸的单根菱形介质远离介质长轴端部 路径上的磁感应强度,磁场梯度及磁场力大小进行 了计算,并考察了背景磁感应强度对磁场力的影响, 计算结果如图8所示。 由图 8 可知:在远离菱形介质长轴端部路径上, 随着与磁介质表面距离的增加,磁介质表面的磁感 应强度、磁场梯度及磁场力均逐渐下降,菱形介质感 应磁场作用范围较小,在距离磁介质表面1.0 mm时, 磁场力接近于零。随着长轴尺寸的增加,菱形介质 尖角减小,虽然有助于提高磁场梯度,但尖角减小一 方面使得磁介质表面积增大,磁力线在磁介质表面 的分布变得稀疏,磁感应强度降低;另一方面会使得 尖角位置容易达到磁饱和,因此,菱形介质尖端位置 处的磁场力除与尖角角度有关外,还与介质尺寸有 关,在长轴尺寸为 2.6 mm 时,磁介质表面磁场力较 高。随着背景磁场强度的增加,磁介质周围的磁场 力逐渐增大,因此提高背景磁场强度对提高磁性颗 粒的回收是有利的。 2. 2 多根磁介质复合体系感应磁场分布特性研究 在实际高梯度强磁选中,所采用的磁介质盒为 多根磁介质组成的介质复合体系,因此磁介质间的 交互作用会影响磁介质表面的感应磁场分布特性, 进而影响实际分选效果。因此,在单根磁介质感应 磁场分布特性的仿真模拟基础上,分别对不同结构 · 195 · 总第512期 金 属 矿 山 2019年第2期 特征参数和体系特征参数的多介质复合体系的感应 磁场分布特性进行了研究,重点考察了介质尺寸和 介质间隙对其感应磁场分布特性的影响,并与单根 磁介质感应磁场分布特性进行了对比。 3.8 mm菱形介质的多介质复合体系不同截面以及不 同路径上的感应磁场分布特性进行了研究。 2. 2. 1. 1 多介质复合体系感应磁场分布 在背景磁场强度为0.68 T时,固定介质水平间隙 与介质长轴尺寸相同,分别导出了长轴尺寸为 2.0、 2.6、3.2、3.8 mm 的菱形多介质复合体系磁感应强度 分布云图和磁感应强度分布等值线图,结果分别如 图9和图10所示。 2 . 2. 1 介质尺寸对多介质复合体系感应磁场分布 特性的影响 首先考察了介质尺寸对多介质复合体系感应磁 场分布特性的影响,分别对长轴尺寸为 2.0、2.6、3.2、 由图 10 可知:与单根菱形介质的磁感应强度分 布等值线相比,多介质复合体系的磁感应强度等值 线分布较为稀疏,即磁场梯度较小;随着菱形介质长 轴尺寸的增加,磁感应强度等值线分布更为稀疏,磁 场梯度逐渐降低,同时对单根菱形介质和多介质复 合体系的排斥区和吸附区面积进行对比可知,两者 之间排斥区和吸附区面积没有发生明显变化。 由以上分析结果可知,磁介质间的交互作用能 够提高介质表面的磁感应强度,降低磁场梯度,但不 会影响磁介质的吸附面积。 2 . 2. 1. 2 指定路径感应磁场分布特性 首先考察了在距离介质表面 0.1 mm 路径上,不 同尺寸的菱形多介质复合体系磁感应强度分布特 性,结果如图11所示。 由图 9 可知:与单根菱形介质相比,在多介质复 合体系中,菱形介质表面的磁感应强度增强;随着菱 形介质长轴尺寸的增加,感应磁场分布范围增大,导 致磁介质间的交互作用较强。 由图 11 可知,与单根菱形介质表面路径磁感应 强度分布类似,从垂直于磁场方向到与平行于磁场 方向,磁介质表面的磁感应强度逐渐增强。在有效 · 196 · 周立波等:基于ANSYS有限元电磁仿真的菱形磁介质感应磁场分布特性研究 2019年第2期 梯度显著降低,从而使得磁介质表面的磁场力也逐 渐降低;与单根菱形介质相比,多介质复合体系中的 磁介质磁场力的作用范围有所减小,在距离介质表 面距离大于0.8 mm时,磁场力大小趋近于零。 2 . 2. 2 介质间隙对多介质复合体系感应磁场分布 特性的影响 以长轴 2.0 mm 菱形介质为例,考察了介质水平 间隙对多介质复合体系感应磁场分布特性的影响, 分别对介质水平间隙为2.0 mm和4.0 mm的多介质复 合体系不同截面的感应磁场分布以及不同路径上的 感应磁场分布特性进行了研究。 聚磁面面积相同的条件下,由于长轴尺寸较小时,菱 形介质表面积较小,磁介质聚磁能力增强,磁力线分 布密集,因此,随着介质长轴尺寸的减小,介质表面 的磁感应强度逐渐增大。 2 . 2. 2. 1 多介质复合体系感应磁场分布 在背景磁场强度为0.68 T时,以长轴2.0 mm菱形 介质为例,分别导出了介质水平间隙为 2.0 mm和4.0 mm的多介质复合体系磁感应强度分布云图和磁感应 强度分布等值线图,结果分别如图13和14所示。 进一步地,在远离介质端部路径上,分别对多介 质复合体系中不同尺寸的菱形介质的磁场梯度和磁 场力进行了计算,结果如图12所示。 由图12可知:在远离介质端部路径上,菱形介质 的磁场梯度和磁场力的变化趋势相似,随着与介质 表面距离的增加,磁场梯度和磁场力均逐渐降低;由 介质长轴尺寸的对比结果可知,在距离介质表面距 离小于 0.25 mm 范围内,随着介质长轴尺寸的增加, 介质表面的磁场梯度和磁场力均逐渐降低,结合多 介质复合体系的磁感应强度等值线分布图可知,随 着菱形介质长轴尺寸的增加,感应磁场分布范围增 大,磁介质间的交互作用增强,导致介质表面的磁场 由图13可知,随着介质间隙的缩小,磁介质间的 交互作用明显增强,磁介质表面的磁感应强度增加。 由图14可知:磁介质水平间隙为2.0 mm时,磁介 质间的交互作用较强,两相邻介质间的磁感应强度 等值线发生重叠区域较大,且磁介质表面的等值线 分布较为稀疏,磁场梯度较低;磁介质水平间隙为 4.0 mm时,磁介质间的交互作用较弱,两相邻介质间 的磁感应强度等值线重叠区域较小,且磁介质表面 · 197 · 总第512期 金 属 矿 山 2019年第2期 的等值线分布较为密集,磁场梯度较高。与单根介 质的磁感应强度等值线相比,多介质复合体系中的 磁感应强度等值线分布均较为稀疏,即磁场梯度较 低。 2 . 2. 2. 2 指定路径感应磁场分布特性 首先考察了在距离介质表面 0.1 mm 路径上,不 质表面距离的增加,磁场梯度和磁场力均逐渐降 低。随着介质间隙的减小,磁介质间的交互作用增 强,导致介质表面的磁场梯度降低,从而使得磁介质 表面的磁场力也逐渐降低。 同介质间隙的长轴2.0 mm菱形多介质复合体系以及 单根菱形介质的磁感应强度分布,结果如图15所示。 3 结 论 (1)单根菱形介质的感应磁场分布特性分析结 果表明:随着菱形介质长轴尺寸的增加,磁介质周围 感应磁场的分布范围增大;随着介质长轴尺寸的增 加,磁性颗粒排斥区所占比率增大,其有效吸附面积 减小;在距离介质表面0.1 mm路径上,介质长轴尺寸 越小,磁介质表面的磁感应强度越高,而在远离介质 端部路径上,介质长轴尺寸为2.6 mm时,介质表面磁 场梯度和磁场力较高;随着背景磁感应强度的增大, 介质表面磁场力逐渐升高。 由图 15 可知:由垂直于磁场方向到平行于磁场 方向,磁介质表面的磁感应强度逐渐增加;在多介质 复合体系中菱形介质表面磁感应强度高于单根菱形 介质表面磁感应强度,且随着介质间隙的减小,菱形 介质表面磁感应强度逐渐提高。随着介质间隙的减 小,磁介质间的交互作用增强,使得介质表面磁感应 强度增加。 (2)多根菱形介质复合体系的感应磁场分布特 性分析结果表明:随着介质长轴尺寸的增加,磁介质 间感应磁场的交互作用增强,介质长轴尺寸越大,磁 介质表面的磁感应强度、磁场梯度及磁场力越小;随 着介质间隙的减小,磁介质间的交互作用增强,磁介 质表面的磁感应强度增大,但感应磁场的磁场梯度 和磁场力均逐渐降低;磁介质间的交互作用对磁性 颗粒排斥区和吸附区大小没有明显影响。 进一步地,在远离介质端部路径上,分别对多介 质复合体系中不同介质间隙的长轴2 mm菱形介质的 磁场梯度和磁场力进行了计算,并与单根菱形介质 进行了对比,结果如图16所示。 参 考 文 献 由图16可知:在远离介质端部路径上,菱形介质 表面磁场梯度和磁场力的变化趋势相似,随着与介 [ 1] 李文博,韩跃新,汤玉和,等.高梯度磁选机聚磁介质的研究概况 及发展趋势[J].金属矿山,2012(2):129-132. · 198 · 周立波等:基于ANSYS有限元电磁仿真的菱形磁介质感应磁场分布特性研究 2019年第2期 Li Wenbo,Han Yuexin,Tang Yuhe,et al. 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