馮桂宏,　于建英,　張炳義

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110870)

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感應(yīng)電機(jī)原理的物料輸送加熱技術(shù)

馮桂宏,于建英,張炳義

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110870)

摘要:針對(duì)塑化機(jī)、擠出機(jī)類設(shè)備物料輸送加熱過(guò)程中存在徑向溫差大、物料加熱不均勻及設(shè)備啟動(dòng)預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題,提出基于感應(yīng)電機(jī)原理的物料輸送加熱方法。將線圈內(nèi)置于設(shè)備機(jī)筒內(nèi),產(chǎn)生徑向高頻交變磁場(chǎng),磁力線經(jīng)機(jī)筒、氣隙、轉(zhuǎn)子螺桿構(gòu)成閉合回路,機(jī)筒與轉(zhuǎn)子螺桿同時(shí)感應(yīng)產(chǎn)生渦流并發(fā)熱,縮短設(shè)備預(yù)熱時(shí)間;轉(zhuǎn)子螺桿在旋轉(zhuǎn)輸送物料過(guò)程中對(duì)物料進(jìn)行攪拌加熱,提高加熱效率和加熱均勻度。仿真計(jì)算了機(jī)筒與轉(zhuǎn)子螺桿渦流分布情況,分析了氣隙長(zhǎng)度、槽口寬度、頻率等參數(shù)對(duì)加熱性能的影響,給出選取原則。對(duì)橡膠塑化機(jī)樣機(jī)進(jìn)行溫升實(shí)驗(yàn),采用感應(yīng)電機(jī)原理的物料輸送加熱技術(shù)后設(shè)備徑向溫差減小至10 ℃以內(nèi),預(yù)熱時(shí)間縮短至70 min。

關(guān)鍵詞:物料輸送; 電磁加熱; 感應(yīng)電機(jī)原理; 溫升實(shí)驗(yàn)

于建英(1987—)，男，博士研究生，研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)及其控制；

張炳義(1954—)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)及其控制、電子電器機(jī)械一體化。

0引言

橡塑機(jī)械如橡膠塑化機(jī)、擠出機(jī)等采用螺桿對(duì)物料進(jìn)行螺旋輸送,物料在輸送過(guò)程中被加熱到一定溫度。傳統(tǒng)的導(dǎo)熱油加熱、電阻帶加熱等加熱方法,熱源在機(jī)筒外表面,熱量由外向內(nèi)經(jīng)機(jī)筒傳遞至物料、轉(zhuǎn)子螺桿。由于轉(zhuǎn)子螺桿熱量來(lái)自物料的傳導(dǎo)熱,設(shè)備徑向上存在較大溫度梯度,嚴(yán)重降低加熱效率和物料加熱的均勻性;設(shè)備啟動(dòng)預(yù)熱時(shí)間2～3小時(shí),熱量浪費(fèi)嚴(yán)重[1-2]。此外,高溫的物料極易吸附于低溫的螺桿部件,設(shè)備存在嚴(yán)重的沾粘、堵塞現(xiàn)象,需要定期清理、影響連續(xù)化生產(chǎn)。旋轉(zhuǎn)的螺桿部件加熱是此類設(shè)備加熱的瓶頸問(wèn)題,也是物料輸送加熱迫切需要解決的問(wèn)題。

工業(yè)電磁加熱具有功率密度高、加熱速度快、易于自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn),正取代傳統(tǒng)電阻加熱,廣泛應(yīng)用于橡塑機(jī)械、食品、化工、金屬熱處理等工業(yè)領(lǐng)域[3-4]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電磁感應(yīng)渦流場(chǎng)的研究及新型感應(yīng)加熱技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用做了大量研究工作[5-6],并提出了直流感應(yīng)加熱[7]、旋轉(zhuǎn)感應(yīng)加熱[8]和PWM供電的電磁加熱技術(shù)[9]。目前橡塑機(jī)械采用的電磁加熱方法是在機(jī)筒外側(cè)纏繞若干線圈,由高頻電源供電產(chǎn)生軸向交變磁場(chǎng)達(dá)到加熱目的[10]。由于渦流的趨膚效應(yīng)和屏蔽作用,渦流熱功率集中在機(jī)筒外表面,內(nèi)部螺桿無(wú)法被電磁加熱,仍未改變此類設(shè)備加熱現(xiàn)狀。

本文提出一種基于感應(yīng)電機(jī)原理的物料輸送加熱方法,同時(shí)在機(jī)筒與轉(zhuǎn)子螺桿中感應(yīng)產(chǎn)生渦流共對(duì)輸送中的物料進(jìn)行加熱。首先介紹加熱系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及加熱機(jī)理,建立磁場(chǎng)方程研究系統(tǒng)渦流熱功率分布情況并采用有限元方法進(jìn)行渦流分析與計(jì)算。其次,分析系統(tǒng)參數(shù)包括氣隙長(zhǎng)度、槽口寬度、電源頻率等對(duì)加熱性能的影響,得出主要參數(shù)的選取原則。最后,對(duì)橡膠塑化機(jī)樣機(jī)進(jìn)行預(yù)熱實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證轉(zhuǎn)子螺桿加熱的有效性與理論分析的正確性。

1基本結(jié)構(gòu)及工作原理

基于感應(yīng)電機(jī)原理的物料輸送加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示:機(jī)筒1和轉(zhuǎn)子螺桿2均由金屬鐵磁材料制成,機(jī)筒1沿圓周分布若干繞組槽3,電磁繞組4內(nèi)置于繞組槽3內(nèi),并與繞組槽3之間具有槽絕緣5。其中,機(jī)筒1與轉(zhuǎn)子螺桿2為實(shí)心結(jié)構(gòu),增大感應(yīng)渦流;繞組槽4采用開(kāi)口槽結(jié)構(gòu),提高轉(zhuǎn)子螺桿感應(yīng)加熱效果。加熱時(shí),由高頻電源向電磁繞組供電,產(chǎn)生徑向磁場(chǎng),與感應(yīng)電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)相似,磁力線經(jīng)由機(jī)筒、氣隙和轉(zhuǎn)子螺桿構(gòu)成閉合回路。機(jī)筒和轉(zhuǎn)子螺桿在高頻交變磁場(chǎng)作用下感應(yīng)產(chǎn)生渦流,將輸入的電能全部以熱能的形式輸出。

圖1　基于感應(yīng)電機(jī)原理的加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Fig. 1Structure of heating system based on the

principle of induction motor

基于感應(yīng)電機(jī)原理的加熱方法可以解決旋轉(zhuǎn)螺桿加熱問(wèn)題。轉(zhuǎn)子螺桿由吸熱部件變?yōu)榘l(fā)熱部件,可明顯縮短設(shè)備啟動(dòng)預(yù)熱時(shí)間并解決螺桿溫度低引起的堵塞問(wèn)題;高溫的螺桿在旋轉(zhuǎn)輸送物料的過(guò)程中對(duì)物料進(jìn)行攪拌加熱,加熱效果更均勻、提高加熱效率。

對(duì)比線圈纏繞式電磁加熱和線圈內(nèi)置式電磁加熱條件下設(shè)備徑向溫度如圖2所示。傳統(tǒng)加熱方法熱源在機(jī)筒外側(cè)或外表面[11-12],螺桿熱量來(lái)自物料的傳導(dǎo)熱、徑向溫度下降明顯;基于感應(yīng)電機(jī)原理的物料輸送加熱技術(shù)可同時(shí)對(duì)機(jī)筒和旋轉(zhuǎn)的螺桿進(jìn)行電磁加熱,徑向溫度差較小。

圖2　兩種加熱方式徑向溫度分布

Fig. 2Radial temperature distribution of two

kinds of heating methods

2三維渦流場(chǎng)分析

2.1　電磁場(chǎng)方程與求解

同時(shí)考慮各種因素下渦流分布規(guī)律是非常復(fù)雜的,對(duì)于工程計(jì)算也是不必要的[13-14]。為了便于分析,做如下假設(shè):(1)螺桿轉(zhuǎn)速較低,n=2 r/min,視其為靜止部件;(2)忽略機(jī)筒、螺桿磁滯效應(yīng),磁導(dǎo)率μ和電導(dǎo)率σ均為常值;(3)僅考慮基波場(chǎng)量,將其作為似穩(wěn)交變場(chǎng)處理;(4)忽略端部效應(yīng);(5)渦流僅沿軸向分布,不考慮切向分量。

將加熱模型沿徑向切開(kāi)后展開(kāi)為平板,選用直角坐標(biāo)系[15]。坐標(biāo)原點(diǎn)位于機(jī)筒內(nèi)表面,使坐標(biāo)系的X軸為圓周方向,Y軸沿徑向,Z軸沿軸向。令τ為線圈占機(jī)筒平均弧長(zhǎng),J0為線圈在τ上的等效面電流密度,電源角速度為ω,L為機(jī)筒軸向長(zhǎng)度,g為氣隙長(zhǎng)度。用矢量磁位A列出機(jī)筒與轉(zhuǎn)子區(qū)域的泊松方程:

(1)

腳標(biāo)i=s,r表示機(jī)筒與轉(zhuǎn)子區(qū)域,腳標(biāo)k=x,y,z表示周向、徑向和軸向分量。

將定子面電流密度Js以2l為周期沿Z軸方向進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi),則有:

(2)

考慮到在鐵心有效長(zhǎng)度內(nèi),機(jī)筒與轉(zhuǎn)子電流只有軸向分量,可設(shè)磁位的徑向分量Ay及其對(duì)坐標(biāo)的偏導(dǎo)數(shù)為零。相應(yīng)的邊界條件為:

1) 定子內(nèi)表面磁場(chǎng)強(qiáng)度切向分量等于面電流密度

(3)

2) 定子內(nèi)表面矢量磁位連續(xù)

(4)

3) 定子內(nèi)表面磁場(chǎng)強(qiáng)度切向分量相等

(5)

4) 轉(zhuǎn)子表面處矢量磁位連續(xù)

(6)

5) 轉(zhuǎn)子表面處磁場(chǎng)強(qiáng)度切向分量相等

(7)

6) 磁通在徑向最遠(yuǎn)處應(yīng)為0

(8)

式中μ0為真空磁導(dǎo)率。

利用邊界條件求解方程(1),并最后得到機(jī)筒與轉(zhuǎn)子渦流各向分量:

(9)

(10)

式中:

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

基于感應(yīng)電機(jī)原理的物料輸送加熱技術(shù)將機(jī)筒與轉(zhuǎn)子螺桿做成實(shí)心結(jié)構(gòu)以增大渦流熱功率。由歐姆定律的積分形式,得到系統(tǒng)總渦流熱功率為[16]:

(16)

式中Vs、Vr為機(jī)筒與轉(zhuǎn)子螺桿有渦流的區(qū)域。

2.2　加熱系統(tǒng)渦流場(chǎng)分析

橡膠塑化機(jī)為“8”型雙螺桿結(jié)構(gòu),由6個(gè)加熱單元組成,各加熱單元規(guī)格、尺寸相同,機(jī)筒與轉(zhuǎn)子螺桿均為HT200鑄鐵材料。單元結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1。

表1　加熱單元結(jié)構(gòu)參數(shù)

采用基于感應(yīng)電機(jī)原理加熱技術(shù),電磁繞組采用跨距y=1的集中繞組,設(shè)計(jì)加熱功率50kW,電磁加熱參數(shù)如表2。

表2　電磁加熱參數(shù)

建立系統(tǒng)模型,進(jìn)行有限元分析,其中繞組槽周圍區(qū)域、氣隙及螺桿區(qū)域劃分相對(duì)較細(xì)的有限單元[17-19]。對(duì)結(jié)果進(jìn)行后處理得到系統(tǒng)渦流分布云圖如圖3、圖4所示。

圖3為加熱系統(tǒng)渦流分布云圖,機(jī)筒感應(yīng)渦流集中在其內(nèi)表面。機(jī)筒內(nèi)表面溫度較高,直接與物料接觸對(duì)其進(jìn)行加熱。熱源的分布及加熱效果優(yōu)于電阻帶加熱、纏繞式電磁加熱等加熱方法。

圖3　系統(tǒng)渦流分布云圖

圖4為轉(zhuǎn)子螺桿渦流分布云圖,基于感應(yīng)電機(jī)原理的物料輸送加熱技術(shù)通過(guò)徑向磁場(chǎng)能夠在螺桿中感應(yīng)產(chǎn)生渦流。機(jī)筒對(duì)物料加熱的同時(shí),高溫的螺桿對(duì)物料進(jìn)行攪拌加熱,提高加熱效率,使物料加熱更加均勻。

圖4　螺桿渦流分布云圖

由前述渦流電磁場(chǎng)分析可知,機(jī)筒渦流較強(qiáng),本文采用繞組槽開(kāi)口結(jié)構(gòu),增大轉(zhuǎn)子螺桿磁場(chǎng)強(qiáng)度,加大轉(zhuǎn)子螺桿渦流熱功率。圖5為螺桿四分之一圓周上渦流強(qiáng)度曲線,渦流沿圓周方向呈周期性變化,周期為繞組槽數(shù)。圖中可以看出槽口處渦流幅值較大,說(shuō)明開(kāi)口槽結(jié)構(gòu)能夠有效釋放繞組磁場(chǎng),使磁力線穿過(guò)氣隙到達(dá)螺桿,加強(qiáng)螺桿的渦流效應(yīng),增大螺桿電磁加熱功率。

圖5　螺桿圓周渦流分布曲線

3溫度特性分析

分析系統(tǒng)參數(shù)包括氣隙長(zhǎng)度、槽口寬度、電源頻率等對(duì)加熱性能的影響。選取恰當(dāng)參數(shù),使轉(zhuǎn)子螺桿獲得較大加熱功率,減小徑向溫度差,在此基礎(chǔ)上分析樣機(jī)加熱性能。

3.1　參數(shù)分析

3.1.1氣隙長(zhǎng)度對(duì)溫度分布影響

磁力線經(jīng)機(jī)筒、氣隙、螺桿夠成閉合回路,較小氣隙尺寸可以減小磁路磁阻,增大機(jī)筒與螺桿磁密,提升機(jī)筒與螺桿感應(yīng)加熱效果。圖6為氣隙長(zhǎng)度g=2 mm、1.5 mm、1 mm情況下系統(tǒng)溫度分布云圖。從溫度分布看出,隨著氣隙尺寸的減小,螺桿高溫區(qū)域明顯增大,且徑向溫差由2 mm時(shí)12.52 ℃降低至1 mm時(shí)6.96 ℃,說(shuō)明較小氣隙可以使螺桿獲得較大加熱功率,增大螺桿功率占總加熱功率的比例,這對(duì)物料加熱的均勻性是有利的?？紤]轉(zhuǎn)子螺桿裝配工藝問(wèn)題,樣機(jī)氣隙長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為1.5 mm。

圖6　不同氣隙下溫度分布

3.1.2槽口寬度對(duì)功率分配影響

由前述螺桿圓周渦流分布可知,開(kāi)口槽結(jié)構(gòu)可加強(qiáng)轉(zhuǎn)子螺桿感應(yīng)效果。計(jì)算不同槽口寬度下螺桿功率占總功率的比例,圖7為氣隙g=2 mm、1.5 mm、1 mm時(shí)螺桿加熱功率比例隨槽口尺寸變化曲線。閉口槽時(shí)螺桿發(fā)熱功率較小,約占總加熱功率5%,其主要是由于大部分磁力線在機(jī)筒中閉合、螺桿磁場(chǎng)較弱引起;隨著槽口尺寸增加,螺桿加熱功率占總加熱功率的比例呈上升趨勢(shì)。從圖中看出,槽口寬度設(shè)計(jì)應(yīng)大于3～5倍氣隙長(zhǎng)度,此時(shí)螺桿加熱功率占總加熱功率的比例增加明顯。

圖7　槽口寬度對(duì)螺桿加熱功率影響

3.1.3頻率對(duì)徑向溫度分布影響

頻率直接關(guān)系到電磁加熱功率和熱源透入深度,是系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮的參數(shù)之一。在設(shè)計(jì)較高頻率增大電磁加熱功率的同時(shí),渦流熱源越趨近機(jī)筒內(nèi)表面及螺紋頂部,導(dǎo)致系統(tǒng)徑向溫度梯度增大。分析電源頻率f=8 kHz、20 kHz、56 kHz情況下系統(tǒng)徑向溫度分布,如圖8所示。可以看出電源頻率越高,機(jī)筒內(nèi)表面附近溫度變化率越大,系統(tǒng)徑向溫差越大,這顯然對(duì)物料加熱的均勻性是不利的。加熱系統(tǒng)頻率選取時(shí),除考慮加熱功率滿足設(shè)計(jì)要求外,還應(yīng)考慮趨膚效應(yīng)對(duì)熱源深度的影響。本文樣機(jī)頻率設(shè)計(jì)為20 kHz,機(jī)筒內(nèi)表面與螺桿最大溫差約8.7 ℃。

圖8　不同頻率下徑向溫度曲線

3.2　加熱性能分析

HT200鑄鐵物性參數(shù):密度ρ=7 150 kg/m3,比熱容c=460 J/(kg·℃),熱導(dǎo)率λ=39.2 W/(m2·℃)。依據(jù)參數(shù)分析結(jié)果,確定樣機(jī)氣隙長(zhǎng)度1.5 mm,槽口寬度10 mm,電源頻率20 kHz,計(jì)算獲得轉(zhuǎn)子螺桿加熱功率9.14 kW,占系統(tǒng)總加熱功率的18.3%。對(duì)加熱單元預(yù)熱情況下溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算[20],獲得系統(tǒng)預(yù)熱10 min、30 min、50 min、70 min時(shí)刻溫度分布云圖,如圖9所示。

圖9　預(yù)熱溫度分布云圖

模擬結(jié)果看出:(1)整個(gè)預(yù)熱過(guò)程,機(jī)筒與螺桿溫升明顯,預(yù)熱70 min后,機(jī)筒溫度約340 ℃,螺桿溫度約336 ℃,達(dá)到設(shè)備預(yù)熱溫度要求;(2)機(jī)筒內(nèi)表面及螺紋頂部溫度高于其他位置溫度,熱源分布具有一定區(qū)域性;(3)預(yù)熱70 min后,螺紋頂部、中部、軸的溫度分別為339 ℃、336 ℃、332 ℃,轉(zhuǎn)子螺桿加熱效果明顯,徑向溫差較小。

4樣機(jī)實(shí)驗(yàn)研究

圖10為加熱單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)物圖,電磁繞組采用GN500云母編織耐高溫線,絕緣為陶瓷管。對(duì)新型電磁加熱橡膠塑化機(jī)進(jìn)行預(yù)熱實(shí)驗(yàn),采用埋置檢溫計(jì)法(ETD)測(cè)量機(jī)筒與螺桿溫度。

圖10　加熱單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)在-3 ℃環(huán)境下進(jìn)行,橡膠塑化機(jī)外部包裹30 mm厚保溫棉。實(shí)驗(yàn)分別記錄頻率、加熱功率、機(jī)筒溫度和螺桿溫度,數(shù)據(jù)見(jiàn)表3,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電源頻率基本保持在20 kHz,加熱功率50 kW。溫升數(shù)據(jù)表明系統(tǒng)預(yù)熱速度較快,螺桿溫升速度與機(jī)筒溫升速度十分接近;預(yù)熱70 min后,機(jī)筒溫度達(dá)337 ℃,螺桿溫度升至323 ℃,溫差較小。樣機(jī)預(yù)熱實(shí)驗(yàn)溫升與仿真值基本吻合,驗(yàn)證基于感應(yīng)電機(jī)原理物料輸送加熱技術(shù)的有效性與模擬分析的正確性。

圖11為螺桿溫升對(duì)比曲線。以螺桿預(yù)熱至320 ℃為準(zhǔn),纏繞式電磁加熱塑化機(jī)預(yù)熱時(shí)間約3 h,而基于感應(yīng)電機(jī)原理物料輸送加熱技術(shù)能夠?qū)D(zhuǎn)子螺桿進(jìn)行加熱,系統(tǒng)預(yù)熱時(shí)間縮短至70 min,加熱速度顯著提高,預(yù)熱時(shí)間明顯縮短。

表3　預(yù)熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖11　預(yù)熱溫升對(duì)比

5結(jié)論

本文提出一種基于感應(yīng)電機(jī)原理的物料輸送加熱方法,給出新型物料輸送加熱技術(shù)基本結(jié)構(gòu)和工作機(jī)理,分析渦流熱功率分布并研究系統(tǒng)參數(shù)包括氣隙長(zhǎng)度、槽口寬度、電源頻率等對(duì)加熱性能的影響。獲得以下結(jié)論:

1) 基于感應(yīng)電機(jī)原理的物料輸送加熱技術(shù)通過(guò)線圈內(nèi)置產(chǎn)生徑向磁場(chǎng),同時(shí)對(duì)于機(jī)筒與旋轉(zhuǎn)的螺桿進(jìn)行電磁加熱;機(jī)筒側(cè)渦流熱源集中在其內(nèi)表面,螺桿側(cè)渦流熱源集中在螺紋頂部。

2) 較小氣隙長(zhǎng)度和開(kāi)口槽結(jié)構(gòu)能夠使螺桿獲得較大加熱功率、降低徑向溫度差,槽口寬度大于3-5倍氣隙長(zhǎng)度為宜;電源頻率設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮加熱功率及趨膚效應(yīng)對(duì)熱源深度的影響。

3) 橡膠塑化機(jī)預(yù)熱實(shí)驗(yàn)表明,轉(zhuǎn)子螺桿溫升速度較快,預(yù)熱時(shí)間明顯縮短;實(shí)驗(yàn)溫升與仿真結(jié)果基本吻合,驗(yàn)證基于感應(yīng)電機(jī)原理的物料輸送加熱技術(shù)的有效性與有限元分析的正確性,可用于指導(dǎo)此類電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)。

參 考 文 獻(xiàn):

[1]林江嬌,趙春芳,朱立學(xué).雙螺桿擠壓膨化機(jī)溫升特性的仿真分析與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(16):47-53.

LIN Jiangjiao, ZHAO Chunfang, ZHU Lixue. Simulation analysis and experiment of temperature rising characteristics in twin-screw extruder[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2012,28(16):47-53.

[2]朱向哲,苗一,袁惠群.三螺桿擠出機(jī)聚合物溫度和功耗特性的數(shù)值模擬[J].高分子材料科學(xué)與工程,2009,25(10):16-170.

ZHU Xiangzhe, MIAO Yi, YUAN Huiqun. Numerical simulation of temperature distributions and power consumptions in conveying element of tri-screw extruders [J]. Polymer materials science and engineering, 2009, 25(10): 166-170.

[3]李時(shí)峰,呂默影,陳輝明.一種新型超高頻感應(yīng)加熱混合全橋逆變器[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,28(3):215-221.

LI Shifeng, Lü Moying, CHEN Huiming. A novel hybrid full-bridge inverter for ultra-high frequency induction heating applications [J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2013, 28(3):215-221.

[4]董燕卓,王克儉.加熱方式對(duì)注射塑化能力和比能耗的影響[J].塑料,2012,41(4):52-54.

DONG Yanzhuo, WANG Kejian. Effects of different heating methods on plasticizing capacity and specific energy consumption in injection [J]. Plastics, 2012, 40(4):52-54.

[5]唐任遠(yuǎn),吳東陽(yáng),謝德鑫.單元級(jí)別并行有限元法求解工程渦流場(chǎng)的關(guān)鍵問(wèn)題研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2014,29(5):1-8.

TANG Renyuan, WU Dongyang, XIE Dexin. Research on the key problem of element by element parallel FEM applied to engineering eddy current analysis [J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(5):1-8.

[6]孫于,汪友華,楊曉光,等.新型橫向磁通感應(yīng)加熱線圈[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào),2014,29(4):85-90.

SUN Yu, WANG Youhua, YANG Xiaoguang, et al. A novel coil shape for transverse flux induction heating [J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(4):85-90.

[7]FABBRI M, FORZAN M, LUPI S, et al. Experimental and numerical analysis of DC induction heating of aluminum billets[J]. IEEE Transactions on Magnetics,2009, 45(1): 192-200.

[8]陳磊,裴宇龍,柴鳳,等.旋轉(zhuǎn)電磁致熱器熱功率與結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系的研究[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2013,17(5):57-62.

CHEN Lei, PEI Yulong, CHAI Feng, et al. Research on the relationship between thermal powers and structure parameters of the rotational electromagnetic heater [J]. Electric Machines and Control, 2013, 17(5): 57-62.

[9]KANEDA M, HISHIKAWA S, TAMAKA T, et al. Innovative electromagnetic induction eddy current-based dual packs heater using voltage-fed high-frequency PWM resonant inverter for continuous fluid processing in pipeline [C]//The 25th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, 1999: 797-802.

[10]趙宗彬,朱斌祥,楊大力,等.電磁加熱節(jié)能技術(shù)在擠塑機(jī)加熱系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].塑料工業(yè),2014,42(2):72-74.

ZHAO Zongbin, ZHU Binxiang, YANG Dali, et al. Application Research of Electromagnetic Heating technology in the Heating System of Extruder [J]. China Plastics Industry, 2014, 42(2):72-74.

[11]陳昊,周月明,華學(xué)明.感應(yīng)加熱過(guò)程中工件表層溫度分布及機(jī)理分析[J].金屬熱處理,2011,36(2):66-69.

CHEN Hao, ZHOU Yueming, HUA Xueming. Temperature distribution in surface layer of work piece during induction heating process and its mechanism analysis [J]. Heat Treatment of Metals, 2011, 36(2):66-69.

[12]梁艷萍,張建濤,索文旭,等.雙屏蔽復(fù)合轉(zhuǎn)子電機(jī)渦流損耗分析[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2009,29(24):78-83.

LIANG Yanping, ZHANG Jiantao, SUO Wenxu, et al. Eddy current losses analysis of double-cans composite-rotor motor [J]. Proceedings of the CSEE, 2009, 29(24):78-83.

[13]馮爾健.鐵磁體實(shí)心轉(zhuǎn)子異步電機(jī)理論與計(jì)算[M].北京:科學(xué)出版社,1980.

[14]AKBABA M, FAKHRO S Q. Field distribution and iron loss computation in reluctance augmented shaded-pole motors using finite element method [J]. IEEE Electron. Comput, 2011, 7 (2):302-307.

[15]WOOD A J, CONCORDIA C. An analysis of solid rotor machines part Ⅱ. the effects of curvature[J]. IEEE Trans, 1959, 78(4):1666-1672.

[16]SUN Yanhna, YU Tie. Analytical method for eddy current loss in laminated rotors with magnetic bearings [J]. IEEE Transactions on Magnetics. 2002, 38(2): 1341-1347.

[17]杜海,張鵬,曲延濱.一種雙轉(zhuǎn)子電磁熱機(jī)及其磁場(chǎng)和渦流分析[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2013,17(5):51-56.

DU Hai, ZHANG Peng, QU Yanbin. Dual-rotor electromagnetic heat engine and its magnetic field and eddy current analysis [J]. Electric Machines and Control, 2013, 17(5):51-56.

[18]李偉力,管春偉,鄭萍.大型汽輪發(fā)電機(jī)空實(shí)心股線渦流損耗分布與溫度場(chǎng)的計(jì)算方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,32(S1): 264-271.

LI Weili, GUAN Chunwei, ZHENG Ping. Calculation method of eddy current loss distribution and temperature field for mixed hollow and solid strands in large turbo-generator [J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32 (S1):264-271.

[19]李立毅,郭楊洋,曹繼偉,等.高速高功率密度風(fēng)洞電機(jī)磁——熱特性的研究[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2013, 17(10): 46-51.

LI Liyi, GUO Yangyang, CAO Jiwei, et al. Research on the characteristic of electromagnetic-thermal of high speed and power density wind tunnel motor [J]. Electric Machines and Control, 2013, 17(10):46-51.

[20]張炳義,王森,馮桂宏.基于流固耦合的無(wú)人機(jī)主推進(jìn)電機(jī)溫度場(chǎng)研究[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2014, 18(6): 116-120.

ZHANG Bingyi, WANG Sen, FENG Guihong. Temperature field research for main propulsion motor of unmanned aerial vehicle based on fluid-solid coupled theory [J]. Electric Machines and Control, 2014, 18(6): 116-120.

(編輯：張?jiān)婇w)

Material conveying heating technology on principle of induction motor

FENG Gui-hong，YU Jian-ying，ZHANG Bing-yi

(School of Electrical and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang, 110870, China)

Abstract:Aiming at the problem of large temperature difference, material heating nonuniformly and long preheating time of plasticizing machine and extruding machine, a new material was proposed conveying heating technology based on principle of induction motor. Electromagnetic coils were placed inside cylinder, so high frequency alternating radial magnetic field was produced, flux line constitute a closed loop by cylinder, air gap and rotor screw, so cylinder and rotating screw were induced as heat sources. The material was mixing heated when screw rotating conveying, heating efficiency and heating uniformity were improved. Eddy current distribution of barrel and screw rotor were simulated, influence of air gap, slot width, frequency on heating power and heating performance were analyzed, and selection principle of relevant parameters was given. Heating experiment for rubber plasticizing machine was carried out,and the experiment results show that the material conveying heating technology on the principle of induction motor reduces the radial temperature difference to 10 ℃, the equipment preheating time is shortened to 70 min.

Keywords:material conveying; electromagnetic induction heating; induction motor principle;heating experiment

通訊作者:于建英

作者簡(jiǎn)介:馮桂宏(1963—)，女，教授，研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)及其控制、電力系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)；

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51177106)；國(guó)家"863"項(xiàng)目(SS2012AA061303)；國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)(2012YQ05024207)

收稿日期:2014-10-08

中圖分類號(hào):TM 924.5+

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1007-449X(2015)07-0045-07

DOI:10.15938/j.emc.2015.07.007