中厚板电磁感应加热磁—热耦合模拟研究

摘要

随着工业生产中对于清洁生产的要求越来越高，在清洁能源方面的开发与运用越发受到了学者的青睐，电磁感应加热是利用电磁场作用在加热工件上，使加热工件内部产生感应电流从而加热工件的技术，电磁感应加热技术相比于传统的加热技术具有很多优点：加热效率高、速率快、能源消耗少、没有公害等，目前在工业生产中得到广泛的运用。然而，在设计制造感应加热设备过程中，人们往往是依据实际工作环境中积累的经验来进行，这种情况下制造出的设备在工作效率方面存在着严重的缺陷，本文将会通过ANSYS有限元软件对中厚板的感应加热过程进行精确的模拟，从而对电磁感应加热设备的设计与制造提供有效的帮助。
　　通过 ANSYS有限元模拟软件对三种不同感应加热装置：单线圈感应加热装置、双线圈无铁芯感应加热装置及双线圈加铁芯的感应加热装置分别进行了模拟，对比三种感应加热装置的加热效果，得到双线圈加铁芯的感应加热装置在加热速率最快为34℃/s，并且在感应加热效率、加热均匀性方面相比其他两种更优异。随后重点对双线圈加铁芯的感应加热装置进行了模拟，对比不同的参数：频率、电流密度、空气间隙等因素对感应加热的影响，分析模拟计算的结果，得到频率和电流密度增大，空气间隙减小，升温速率都会增大；频率或者电流密度增大，感应涡流的透入深度减少，中厚板表面与内部温差增大。结合模拟计算的结果，分析各影响参数对感应加热过程的影响，为感应加热设备的制造提供理论依据。
　　根据模拟过程中双线圈加铁芯模拟设计制造实物装置，感应器采用螺线铜管与硅钢铁芯组成，并且整个感应加热设备接入冷却水循环系统，对中厚板进行了感应加热的实验研究，实验中不同频率和电流密度对感应加热的影响与模拟计算结果一致。频率为1000Hz，空气间隙为5mm，电流强度为50A，感应加热到100s模拟值与实测值分别为361℃、319℃，考虑到外界环境的传热影响和电气设备自身的误差，实测值与模拟值结果相一致。结果表明ANSYS有限元模拟软件可以为感应加热设备制造提供有效的帮助。

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引言

1 绪论

1.1 电磁感应加热技术的工程背景

1.2 电磁感应加热技术的特点

1.3 电磁感应加热数值模拟概述

1.4 论文研究意义和内容

2 电磁感应加热理论基础

2.1 电磁场求解基本定律

2.2 感应加热基本理论

2.3 感应加热的电磁场理论基础

2.4 电磁感应加热温度场理论基础

3 中厚板感应加热有限元模拟分析

3.1 模拟计算的基本过程

3.2 三种感应加热装置模拟对比

3.3 本章小结

4 双线圈加铁芯模型感应加热影响因素

4.1 频率对感应加热的影响

4.2 电流密度对感应加热的影响

4.3 空气间隙对感应加热的影响

4.4 本章小结

5 电磁感应加热器的设计与实验研究

5.1 电磁感应加热器的结构设计

5.2 感应加热的相关参数与数据测试

5.3 本章小结

结论

参考文献

在学研究成果

致谢