坯料端部感应加热磁场/温度场特性分析
发布时间：2021-08-24 23:49
端部感应加热是一种利用感应涡流实现坯料端部升温的环保型加热方式,具有能耗少、效率高、无污染和控制精准等优点,在金属加热工艺生产中广泛应用。在感应加热过程中,端部效应使得坯料端部位置易聚磁感线,造成端部感应电流密度较大,过大的心表温差容易引起过烧现象。本文基于电磁感应加热原理,以控制优化坯料端部心表温差为核心,结合生产实际的要求,开展了基于感应线圈加载电流随坯料温度变化的端部感应加热磁-热耦合的数值模拟研究。主要研究内容有:（1）阐述了电磁感应加热中的的集肤效应、邻近效应、圆环效应和端部效应四大基本理论,分析了感应加热中的集肤层深度与能量损失。针对坯料温升引起加热系统电阻和阻抗改变的特点,分析了感应加热过程中电阻和阻抗的变化规律。为提高磁-热耦合数值模拟的精度,提出了一种感应线圈加载电流随坯料温度变化的磁热耦合数值仿真方法,该方法通过编写APDL语言在ANSYS仿真环境得以实现。（2）分析了坯料端部感应加热磁场和温度场的特性。运用电流随坯料温度变化的数值仿真方法,获得了感应加热结束后磁力线在坯料端面集聚的分布规律;分析了加热过程中坯料中心和表面温度随时间的变化规律,以及坯料各个特定位置上...
【文章来源】：浙江工业大学浙江省
【文章页数】：108 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
感应加热示意图
坯料端部感应加热磁场/温度场特性分析11第二章感应加热理论2.1引言感应加热是由一种集电磁场和温度场相互影响、相互耦合复杂多物理场的工艺技术。端部感应加热过程中的温度场产生机理区别于一般热传导过程，它是在通交流电感应线圈的电磁场影响下，使得坯料端部表面产生感生涡流，进而实现坯料的透热和传热，因此，在进行端部感应加热数值模拟前，需要了解电磁场和温度场的基本理论和数学模型。本章阐述了感应加热所所涉及的集肤效应、邻近效应、圆环效应和端部效应四大基本理论，推导了集肤效应分布情况和能量损失的理论公式，并根据边界条件得出了电磁场和温度场的基本数学模型。2.2感应加热基本原理2.2.1电磁感应和涡流发热感应加热的实质是利用法拉第电磁感应原理使通电导体内部产生电涡流，从而达到加热坯料的电加热，其加热基本原理如图2-1所示。被加热的坯料放置于感应线圈中，向线圈通入一定频率的交变电流后，感应线圈自身就会产生交变磁场，受交变磁场的影响金属坯料会因为切割磁力线形成电势差，从而在坯料内部产生感应电流（也叫做傅科电流）。又由于金属坯料自身存在电阻，电涡流流经图2-1电磁感应加热基本原理图Figure2-1.Basicschematicdiagramofelectromagneticinductionheating加热电源交变磁场感应线圈坯料交流电
坯料端部感应加热磁场/温度场特性分析13此时最大电流密度出现在坯料内部，并沿着中心轴线方向逐渐移动从而加热整个坯料。运用均匀磁场仿真方法，对直径为65mm的圆棒料进行持续164.4s时长的感应加热数值模拟，最终温度结果得到图2-2和图2-3，可以发现棒料的最高温度出现在次表层，这就是一种典型的集肤现象，所以说在电磁感应加热过程中，集肤效应对坯料感应涡流和磁场强度有着重要影响。在进行感应加热理论推导时，为了方便公式推导计算，考虑选用实际生产中应用较多的长圆柱形坯料，并忽略边缘效应，假设各介质均匀、各向同性，且磁场强度为时间的谐波函数。根据上述假设，忽略位移电流的影响后，安培环路定律可以做一些简化：H(r)=J?(2-3)xxyzxyzxyzxxx=++=++(2-4)式中，H(r)W——磁场强度矢量，安培每米（A/m）；Jì——电流密度矢量，安培每平方米（A/m2）；——微分算子，(2-4)为其在直角坐标系中的表达形式；xX…、yX_、z——单位矢量。法拉第电磁感应定律的微分形式说明了电场的涡旋源是磁通密度的时间变化率，它的表达形式为：()BErt=(2-5)式中，E(r)——电场强度矢量，伏特每平方米（V/m2）。又因为：图2-2坯料截面温度云图Figure2-2.Blanksectiontemperaturecloudmapcloudmapworkpiece图2-3坯料温度沿径向分布情况Figure2-3.Theradialtemperaturedistributionofthebilletcloudmapworkpiece
本文编号：3360959
【文章来源】：浙江工业大学浙江省
【文章页数】：108 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
感应加热示意图
坯料端部感应加热磁场/温度场特性分析11第二章感应加热理论2.1引言感应加热是由一种集电磁场和温度场相互影响、相互耦合复杂多物理场的工艺技术。端部感应加热过程中的温度场产生机理区别于一般热传导过程，它是在通交流电感应线圈的电磁场影响下，使得坯料端部表面产生感生涡流，进而实现坯料的透热和传热，因此，在进行端部感应加热数值模拟前，需要了解电磁场和温度场的基本理论和数学模型。本章阐述了感应加热所所涉及的集肤效应、邻近效应、圆环效应和端部效应四大基本理论，推导了集肤效应分布情况和能量损失的理论公式，并根据边界条件得出了电磁场和温度场的基本数学模型。2.2感应加热基本原理2.2.1电磁感应和涡流发热感应加热的实质是利用法拉第电磁感应原理使通电导体内部产生电涡流，从而达到加热坯料的电加热，其加热基本原理如图2-1所示。被加热的坯料放置于感应线圈中，向线圈通入一定频率的交变电流后，感应线圈自身就会产生交变磁场，受交变磁场的影响金属坯料会因为切割磁力线形成电势差，从而在坯料内部产生感应电流（也叫做傅科电流）。又由于金属坯料自身存在电阻，电涡流流经图2-1电磁感应加热基本原理图Figure2-1.Basicschematicdiagramofelectromagneticinductionheating加热电源交变磁场感应线圈坯料交流电
坯料端部感应加热磁场/温度场特性分析13此时最大电流密度出现在坯料内部，并沿着中心轴线方向逐渐移动从而加热整个坯料。运用均匀磁场仿真方法，对直径为65mm的圆棒料进行持续164.4s时长的感应加热数值模拟，最终温度结果得到图2-2和图2-3，可以发现棒料的最高温度出现在次表层，这就是一种典型的集肤现象，所以说在电磁感应加热过程中，集肤效应对坯料感应涡流和磁场强度有着重要影响。在进行感应加热理论推导时，为了方便公式推导计算，考虑选用实际生产中应用较多的长圆柱形坯料，并忽略边缘效应，假设各介质均匀、各向同性，且磁场强度为时间的谐波函数。根据上述假设，忽略位移电流的影响后，安培环路定律可以做一些简化：H(r)=J?(2-3)xxyzxyzxyzxxx=++=++(2-4)式中，H(r)W——磁场强度矢量，安培每米（A/m）；Jì——电流密度矢量，安培每平方米（A/m2）；——微分算子，(2-4)为其在直角坐标系中的表达形式；xX…、yX_、z——单位矢量。法拉第电磁感应定律的微分形式说明了电场的涡旋源是磁通密度的时间变化率，它的表达形式为：()BErt=(2-5)式中，E(r)——电场强度矢量，伏特每平方米（V/m2）。又因为：图2-2坯料截面温度云图Figure2-2.Blanksectiontemperaturecloudmapcloudmapworkpiece图2-3坯料温度沿径向分布情况Figure2-3.Theradialtemperaturedistributionofthebilletcloudmapworkpiece
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