感应加热中三维涡流场的有限元分析及工程应用

摘要

电磁场根据其变化速度分为三大类,即静磁场、涡流场和高频场。涡流场在实际工程中具有大量的应用,如磁悬浮列车、磁悬浮轴承,电磁阀,电磁炉,涡流接近开关等。其中,感应加热技术是电磁涡流场应用的重要方向。西安理工晶体科技有限公司是国内单晶炉及其他晶体生长设备与研发的核心企业,本课题以该企业研发的硅芯炉为研究背景,以大型通用有限元分析软件ANSYSlO.O为技术平台,对感应加热系统中三维涡流场的相关问题做了深入研究。　　 本文在感应加热理论、有限元原理以及三维涡流场数学模型的基础上,对硅芯炉感应加热过程进行了定量仿真分析。首先,对电磁场计算方法中磁矢量位法和棱边单元法在不同材料下的模拟效果进行了对比分析,得出棱边单元法的计算更精确,但对非磁导率材料,二者都具有较高的精度;同时,对影响计算精度的有限元网格也做了一定分析。其次,对硅芯炉中感应加热器.多芯线圈在空间产生的磁场进行了仿真研究,并做了相关的实验,与仿真结果相符。最后,对硅芯炉在感应加热过程中的总体结构进行了仿真研究。　　 通过硅芯炉中被加热对象多晶母料上感应电流的分布情况,我们可以预测多晶棒的生长效果,只有当母料上的电流分布较均匀时,效果才会更好。所以根据电流的分布来指导多芯线圈的设计以及安装,避免了基于实验设计方法的耗时费力,节约了生产成本,提高了生产效率。

目录

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摘要

1 绪论

1.1 课题背景及研究工作的意义

1.2 国内外研究进展

1.3 本文主要研究工作和内容

2 三维涡流场分析的相关理论基础

2.1 感应加热原理及主要特点

2.1.1 电磁场的基本理论

2.1.2 电磁感应与涡流发热

2.2 三维涡流场数学模型的建立

2.2.1 麦克斯韦方程组的微分形式

2.2.2 基于矢量磁位(A)三维涡流场的基本方程

2.2.3 用复矢量磁位描述涡流场问题

2.3 有限元计算方法

3 ANSYS软件及两种分析方法的比较

3.1 ANSYS软件及其分析过程

3.1.1 ANSYS分析的一般过程

3.1.2 ANSYS电磁场分析方法

3.2 两种计算方法的比较与选择

3.2.1 两种方法对弱磁性材料的模拟

3.2.2 两种方法对导磁性材料的模拟

3.2.3 两种方法对不同电导率和磁导率的对比分析

3.2.4 透入深度与有限元网格的关系

3.3 本章小结

4 感应加热线圈的仿真及实验验证

4.1 多芯线圈的结构及工作环境说明

4.1.1 多芯线圈及硅芯炉罩模型的建立

4.1.2 多芯线圈及硅芯炉罩的仿真

4.2 实验验证及分析

4.2.1 实验过程及结果数据

4.2.2 实验与仿真的对比及分析

4.3 本章小结

5 硅芯炉的总体仿真及结果分析

5.1 硅芯炉模型介绍

5.2 单孔线圈仿真及结果分析

5.2.1 无电极单孔线圈仿真及结果分析

5.2.2 有电极单孔线圈仿真及结果分析

5.3 多芯线圈仿真及结果分析

5.4 本章小结

6 总结与展望

致谢

参考文献