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        磁路引導(dǎo)在感應(yīng)加熱系統(tǒng)中的應(yīng)用

        2021-11-13 08:24:22李守智李波波楊文強(qiáng)
        電子器件 2021年5期
        關(guān)鍵詞:外罩磁路磁感應(yīng)

        徐 微,李守智,李波波,楊文強(qiáng),張 苗

        (1.西安交通大學(xué)城市學(xué)院電氣與信息工程系,陜西 西安 710018;2.西安理工大學(xué)電氣工程學(xué)院,陜西 西安 710048;3.西安增材制造國(guó)家研究院有限公司,陜西 西安 710075)

        金屬元件的熱處理過(guò)程中,感應(yīng)加熱相較于傳統(tǒng)的化學(xué)燃燒加熱,具有很多優(yōu)點(diǎn),如效率高、控制精準(zhǔn)、綠色環(huán)保等[1],因此在拉絲機(jī)、吹膜機(jī)、造粒機(jī)、注塑機(jī)、擠塑機(jī)、熱塑性塑膠管材、型材生產(chǎn)等加熱領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[2]。

        影響感應(yīng)加熱效率的因素非常多,2010 年陳剛[3]運(yùn)用ANSYS 模擬了鐘罩式感應(yīng)加熱爐溫度場(chǎng)分布,若要取得快速的升溫,則需要提高加熱體的功率,即熱生成率。2015 年Russell 等人[4]研究了電源頻率、電流密度對(duì)金屬工件感應(yīng)加熱效果的影響,增大電流,能有效提高感應(yīng)加熱效率,對(duì)于表面加熱,頻率越高,加熱時(shí)間就越短。2015 年郭建龍等人[5]研究了不同感應(yīng)線圈電參數(shù)電流、頻率,線圈匝數(shù),鑄坯的初始溫度對(duì)連鑄方坯橫截面溫度分布的影響。2015 年薛萍等人[6]研究了平板式感應(yīng)加熱線圈磁場(chǎng)的分布特性,通過(guò)改進(jìn)線圈和平板的結(jié)構(gòu)、優(yōu)化加熱參數(shù)和控制策略來(lái)提高線圈中心的加熱溫度。2016 年孫興龍等人[7]研究了磁場(chǎng)作用深度、電源功率和測(cè)試點(diǎn)高度對(duì)矩形電磁冒口加熱效率的影響。2019 何明等人[8]研究了磁屏蔽對(duì)鋼包結(jié)構(gòu)中電磁出鋼系統(tǒng)中電源功率損耗的影響,采用磁屏蔽的方法能夠有效降低線圈的功率損耗。

        從查閱的文獻(xiàn)來(lái)看,感應(yīng)加熱效率主要與電源頻率、功率、磁場(chǎng)強(qiáng)度、加熱距離等因素有關(guān)[3-8]。隨著電源功率的增加,感應(yīng)加熱效率也隨之增加,但是電源功率的增大會(huì)使感應(yīng)加熱電源體積增大同時(shí)還有重量增加[9]。對(duì)于高頻感應(yīng)加熱電源而言,則是伴隨著成本的大幅度提高,提高了高頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)成本[10]。

        因此采用磁路引導(dǎo)技術(shù)[11],通過(guò)給單匝空心銅管加裝導(dǎo)磁外罩,減小感應(yīng)加熱的磁場(chǎng)損耗,來(lái)提高感應(yīng)加熱效率。目前關(guān)于單匝空心銅管感應(yīng)加熱線圈采用磁路引導(dǎo)技術(shù)的文獻(xiàn)幾乎沒(méi)有,因此本文的研究具有一定的創(chuàng)新性,為工程實(shí)際提供一定參考價(jià)值。

        1 感應(yīng)加熱磁路引導(dǎo)理論分析

        感應(yīng)加熱是利用電磁感應(yīng)原理使被加熱的物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流,依靠這些渦流的能量達(dá)到加熱目的[12]。

        根據(jù)電磁場(chǎng)理論,變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),由法拉第電磁感應(yīng)定律,可得工件感應(yīng)電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系如公式[13]:

        B為磁感應(yīng)強(qiáng)度,S為線圈的截面積,Φ為通過(guò)該橫截面積的磁通,e為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),I為感應(yīng)電流,Z為被加熱物體的阻抗。

        渦流回路產(chǎn)生大量的熱,其熱量可由焦耳-楞次定律確定:

        式中:Q為工件內(nèi)產(chǎn)生的熱量,I為感應(yīng)電流,R為工件的電阻。

        感應(yīng)加熱過(guò)程中起主導(dǎo)作用是電磁感應(yīng)過(guò)程。根據(jù)畢奧-薩伐爾定理,可得空間任一點(diǎn)處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度[14]:

        式中:L電流積分路徑,B為磁感應(yīng)強(qiáng)度,Ia為通過(guò)感應(yīng)線圈的電流,μ0為真空中的磁導(dǎo)率,Idl為電流元,r為電流元到空間中某一點(diǎn)的距離,空間某點(diǎn)一處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度B大小與電流強(qiáng)度成正比。

        材料的磁導(dǎo)率越大,磁通就越大,關(guān)系如式(6)、式(7)所示:

        F為磁動(dòng)勢(shì),Φ通過(guò)該橫截面積的磁通,Rm為磁阻,L表示磁路長(zhǎng)度,A表示磁路橫截面積。

        單匝線圈中通以頻率1 MHz 交流電時(shí),若給感應(yīng)加熱線圈加裝磁導(dǎo)率高的導(dǎo)磁外罩后,會(huì)使磁能聚焦,從而使得作用在被加熱物體的磁感應(yīng)強(qiáng)度增大,而磁感應(yīng)強(qiáng)度與被加熱物體上感生的渦流成正比,磁感應(yīng)強(qiáng)度越大,被加熱物體上感應(yīng)的渦流越大,渦流越大,被加熱物體上的焦耳熱越大,使得感應(yīng)加熱的溫度就越高,從而采用磁路引導(dǎo)技術(shù)能有效地提高感應(yīng)加熱效率。因此采用磁導(dǎo)率較高的鐵氧體材料作為導(dǎo)磁外罩材料是可行并且是有效的。

        2 基于ANSYS 的磁路引導(dǎo)感應(yīng)加熱系統(tǒng)仿真分析

        磁路引導(dǎo)感應(yīng)加熱系統(tǒng)仿真分析包括磁場(chǎng)和熱場(chǎng)兩大部分,首先分析傳統(tǒng)感應(yīng)加熱系統(tǒng)和改進(jìn)后感應(yīng)加熱系統(tǒng)磁場(chǎng)分布情況,仿真模型如圖1、圖2所示,其次分析各自的溫度場(chǎng)分布情況,最后分析導(dǎo)磁路徑與感應(yīng)加熱效率的關(guān)系。

        圖1 傳統(tǒng)線圈仿真模型

        圖2 改進(jìn)后線圈仿真模型

        高頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)仿真參數(shù):單匝空心銅管直徑1 mm,交流電源100 A,頻率1 MHz,外罩厚度為1 mm。

        2.1 磁路引導(dǎo)對(duì)感應(yīng)加熱影響

        傳統(tǒng)感應(yīng)加熱系統(tǒng)的磁力線分布情況,如圖3所示,采用磁路引導(dǎo)技術(shù)后,感應(yīng)加熱系統(tǒng)磁力線分布,如圖4 所示:

        圖3 傳統(tǒng)感應(yīng)加熱系統(tǒng)磁力線分布圖

        圖4 改進(jìn)后感應(yīng)加熱系統(tǒng)磁力線分布圖

        由圖3 和4 可知,在相同的電流和頻率下,采用磁路引導(dǎo)技術(shù)后,作用在被加熱物體上的磁力線遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于傳統(tǒng)感應(yīng)加熱時(shí)被加熱物體上的磁力線??諝獾拇艑?dǎo)率為1,而導(dǎo)磁外罩的磁導(dǎo)率為1 000,磁能通過(guò)導(dǎo)磁外罩被聚集,采用磁路引導(dǎo)后,減小了感應(yīng)加熱的磁場(chǎng)損耗。兩種情況下被加熱物體磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖如圖5、圖6 所示,采用磁路引導(dǎo)技術(shù)后,被加熱物體上的磁感應(yīng)強(qiáng)度最小值比傳統(tǒng)感應(yīng)加熱時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度最小值增大了2 個(gè)數(shù)量級(jí)。

        圖5 傳統(tǒng)型磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

        圖6 改進(jìn)后磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

        根據(jù)ANSYS 仿真得到兩種情況下被加熱物表面溫度分布情況。如圖7 和圖8 所示。從圖7 和圖8溫度分布圖中可以看出,引入磁路引導(dǎo)技術(shù),被加熱物體表面平均溫度相對(duì)傳統(tǒng)感應(yīng)加熱,從43 ℃上升到282 ℃,平均加熱溫度提高了6.5 倍。圖9 反應(yīng)了兩種情況下被加熱物體表面從中心點(diǎn)到邊界處溫度分布圖。傳統(tǒng)感應(yīng)加熱,最低溫度為最高溫度的86%,加了導(dǎo)磁外罩后,最低溫度為最高溫度71.8%。

        圖7 傳統(tǒng)型表面溫度分布圖

        圖8 改進(jìn)后物體表面溫度分布圖

        圖9 感應(yīng)加熱系統(tǒng)溫度分布對(duì)比圖

        2.2 磁路引導(dǎo)路徑對(duì)感應(yīng)加熱影響

        采用磁路引導(dǎo)技術(shù)后,能夠有效提高感應(yīng)加熱效率。同時(shí)磁路引導(dǎo)路徑不同,對(duì)感應(yīng)加熱效率影響也不同。路徑可通過(guò)改變導(dǎo)磁外罩形狀來(lái)實(shí)現(xiàn),因此本部分研究磁路引導(dǎo)外罩形狀不同時(shí),感應(yīng)加熱效果。對(duì)圖10 所示的磁路引導(dǎo)外罩的內(nèi)側(cè)壁長(zhǎng)度按3 種情況進(jìn)行分析:(1)內(nèi)側(cè)壁長(zhǎng)度為1 mm(倒U 型);(2)內(nèi)側(cè)壁長(zhǎng)度為0.5 mm;(3)內(nèi)側(cè)壁長(zhǎng)度為0 mm(倒L 型)。外側(cè)臂長(zhǎng)度恒定為1 mm。利用ANSYS 仿真得到不同磁路路徑下感應(yīng)加熱溫度分布圖,如圖10 所示:

        圖10 不同導(dǎo)磁路徑時(shí)物體溫度分布圖

        從圖11 可知導(dǎo)磁外罩內(nèi)側(cè)壁長(zhǎng)度變短,物體表面平均溫度下降,但是加熱均勻性變好。內(nèi)側(cè)臂長(zhǎng)度為1 mm 時(shí),被加熱物體表面平均溫度為282 ℃,被加熱物體的表面溫差為88 ℃;內(nèi)側(cè)臂長(zhǎng)度為0.5 mm 時(shí),被加熱物體表面平均溫度為184 ℃,被加熱物體的表面溫差為54 ℃;內(nèi)側(cè)臂長(zhǎng)度為0 mm時(shí),被加熱物體表面平均溫度為88 ℃,被加熱物體的表面溫差為21 ℃。雖然平均溫度降低了,但還是高于傳統(tǒng)感應(yīng)加熱物體表面溫度,再次證明了磁路引導(dǎo)技術(shù)在感應(yīng)加熱系統(tǒng)中的可行性。

        圖11 不同長(zhǎng)度內(nèi)側(cè)臂物體溫度分布圖

        3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        為了驗(yàn)證磁路引導(dǎo)技術(shù)的可行性,在線圈匝數(shù)為單匝,直徑為1 mm 的條件下,對(duì)傳統(tǒng)感應(yīng)加熱和改進(jìn)后感應(yīng)加熱系統(tǒng),施加100 A 的電流,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,其中導(dǎo)磁外罩采用鐵氧體材料,外罩厚度2 mm,搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖12、圖13 所示,被加熱金屬片上裝有2 只超細(xì)K 型熱電偶,并且配有紅外溫槍同時(shí)測(cè)溫。

        圖12 傳統(tǒng)感應(yīng)加熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

        圖13 改進(jìn)后感應(yīng)加熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

        利用2 只K 型熱電偶和紅外溫槍?zhuān)瑴y(cè)量電流100 A 時(shí),傳統(tǒng)型和改進(jìn)型被加熱物體溫度分布情況,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14、圖15 所示。

        圖14 傳統(tǒng)型實(shí)測(cè)與仿真溫度對(duì)比

        圖15 傳統(tǒng)型和改進(jìn)型實(shí)測(cè)溫度對(duì)比

        從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),采用磁路引導(dǎo)技術(shù)后,被加熱物體溫度高于同等條件下傳統(tǒng)感應(yīng)加熱系統(tǒng)物體溫度。實(shí)際測(cè)量的物體溫度變化趨勢(shì)與仿真趨勢(shì)一致。證明了磁路引導(dǎo)技術(shù)在感應(yīng)加熱系統(tǒng)中的可行性。

        4 結(jié)論

        首先從理論上對(duì)磁路引導(dǎo)技術(shù)在感應(yīng)加熱系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析,其次,在ANSYS 中建立傳統(tǒng)感應(yīng)加熱和磁路引導(dǎo)感應(yīng)加熱系統(tǒng)的磁-熱耦合模型,然后對(duì)磁引導(dǎo)路徑進(jìn)行了仿真分析。

        當(dāng)電流100 A,頻率1 MHz 時(shí),采用磁路引導(dǎo)后,被加熱物體的表面最高溫度為311.39 ℃,平均溫度282 ℃,相比傳統(tǒng)感應(yīng)加熱平均溫度提高了6.5倍;隨著導(dǎo)磁外罩內(nèi)側(cè)壁長(zhǎng)度變小,感應(yīng)加熱整體溫度下降,但是加熱均勻性變好,當(dāng)導(dǎo)磁外罩結(jié)構(gòu)為倒L 形時(shí),被加熱物體的表面溫差為24 ℃,導(dǎo)磁外罩結(jié)構(gòu)為倒U 型時(shí),被加熱物體的表面溫差為88 ℃。

        從仿真結(jié)果可以看出采用磁路引導(dǎo)技術(shù)后,大大增大了感應(yīng)加熱效率,能較好地實(shí)現(xiàn)加熱能量的局部集中,因此可以得出以下結(jié)論:

        (1)采用磁路引導(dǎo)技術(shù),能夠提高感應(yīng)加熱效率,用小電流實(shí)現(xiàn)較好的加熱效果,降低了高頻感應(yīng)加熱對(duì)電源的要求。

        (2)采用磁路引導(dǎo)技術(shù)后,實(shí)現(xiàn)能量的聚焦,更加適合局部集中加熱。

        (3)磁路引導(dǎo)外罩結(jié)構(gòu)為倒L 形時(shí),感應(yīng)加熱整體溫度下降,但是加熱均勻性變好。

        (4)采用磁路引導(dǎo)后,對(duì)線圈周?chē)拇怕愤M(jìn)行了屏蔽,減少了電磁輻射對(duì)器件及人身安全的影響。

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