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.西安增材制造國家研究院有限公司，陜西 西安 710075)

金屬元件的熱處理過程中，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)加熱線圈磁場的分布特性，通過改進(jìn)線圈和平板的結(jié)構(gòu)、優(yōu)化加熱參數(shù)和控制策略來提高線圈中心的加熱溫度。2016 年孫興龍等人[7]研究了磁場作用深度、電源功率和測試點(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)來看，感應(yīng)加熱效率主要與電源頻率、功率、磁場強(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]，通過給單匝空心銅管加裝導(dǎo)磁外罩，減小感應(yīng)加熱的磁場損耗，來提高感應(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)電磁場理論，變化的磁場產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，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為通過該橫截面積的磁通，e為感應(yīng)電動(dòng)勢，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)加熱過程中起主導(dǎo)作用是電磁感應(yīng)過程。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，Φ通過該橫截面積的磁通，Rm為磁阻，L表示磁路長度，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)仿真分析包括磁場和熱場兩大部分，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。路徑可通過改變導(dǎo)磁外罩形狀來實(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)壁長度按3 種情況進(jìn)行分析:(1)內(nèi)側(cè)壁長度為1 mm(倒U 型)；(2)內(nèi)側(cè)壁長度為0.5 mm；(3)內(nèi)側(cè)壁長度為0 mm(倒L 型)。外側(cè)臂長度恒定為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，測量電流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)測與仿真溫度對(duì)比

圖15 傳統(tǒng)型和改進(jìn)型實(shí)測溫度對(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)際測量的物體溫度變化趨勢與仿真趨勢一致。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)線圈周圍的磁路進(jìn)行了屏蔽，減少了電磁輻射對(duì)器件及人身安全的影響。