电磁感应加热理论研究及强力感应加热器设计
|
摘要
电磁感应加热具有加热速度快、物料内部发热效率高、加热均匀，且具有产品质量好、几乎无环境污染、可控性好及易于实现生产自动化等一系列优点，因此近年来得到了迅速发展。
本文以电磁场矢量位有限元法为基础对二维轴对称场的磁场强度、涡流密度进行了计算求解，采用三角形单元和六面体单元建立了涡流场数学模型，研究了电源频率对涡流密度、透入深度及集肤效应等场量的作用影响。
感应器是电磁感应加热的重要部分，对感应加热的效率和能量分布起决定性作用，磁通集中器的设计直接关系到系统加热效率。本文对感应器和磁通集中器进行了设计和仿真分析，从理论上面分析并且验证了磁通集中器的有效性，并且对感应集中器的选材和结构做了分析。
最后，应用OPERA-2d软件提供的Configuration System建立了圆柱形感应加热器的User System模型，可以简便的对圆柱形感应加热器进行设计。应用它对一个实例进行了仿真分析，验证了本文给出的结论的有效性。
Electromagnetic induction heating has many good qualities, such as high speed heating, inner heating and high efficiency, uniform and selective heating. The products have good qualities. Electromagnetic induction heating also has the characters of easy to be automatization of control, so it is developing at a high speed in recent years.
Through the analyzes of electromagnetic system of a axial symmetry by the method of electromagnetic vector potential, an eddy current field math model is build by triangle cell, this article has researched the effect of power frequency to eddy current density, penetration depth and the skin effect.
Induction heater is the main part of the electromagnetic induction heating, it determines the heating efficiency and power distribution. This article designs and analyzes the induction heater and magnetic flux field concentrator. The structure of magnetic flux field concentrator directly determined the heating efficiency of the induction heating system. Analysis and verify the effective of the concentrator, and set the size by the character of material.
Using the Configuration System provided by OPERA-2d, set up a cylindraceous induction heater User System model, and we can easily design induction heater by using it. At last we designed a induction heater for a heating problem, and verified the effectiveness of the conclusion.
本文以电磁场矢量位有限元法为基础对二维轴对称场的磁场强度、涡流密度进行了计算求解，采用三角形单元和六面体单元建立了涡流场数学模型，研究了电源频率对涡流密度、透入深度及集肤效应等场量的作用影响。
感应器是电磁感应加热的重要部分，对感应加热的效率和能量分布起决定性作用，磁通集中器的设计直接关系到系统加热效率。本文对感应器和磁通集中器进行了设计和仿真分析，从理论上面分析并且验证了磁通集中器的有效性，并且对感应集中器的选材和结构做了分析。
最后，应用OPERA-2d软件提供的Configuration System建立了圆柱形感应加热器的User System模型，可以简便的对圆柱形感应加热器进行设计。应用它对一个实例进行了仿真分析，验证了本文给出的结论的有效性。
Electromagnetic induction heating has many good qualities, such as high speed heating, inner heating and high efficiency, uniform and selective heating. The products have good qualities. Electromagnetic induction heating also has the characters of easy to be automatization of control, so it is developing at a high speed in recent years.
Through the analyzes of electromagnetic system of a axial symmetry by the method of electromagnetic vector potential, an eddy current field math model is build by triangle cell, this article has researched the effect of power frequency to eddy current density, penetration depth and the skin effect.
Induction heater is the main part of the electromagnetic induction heating, it determines the heating efficiency and power distribution. This article designs and analyzes the induction heater and magnetic flux field concentrator. The structure of magnetic flux field concentrator directly determined the heating efficiency of the induction heating system. Analysis and verify the effective of the concentrator, and set the size by the character of material.
Using the Configuration System provided by OPERA-2d, set up a cylindraceous induction heater User System model, and we can easily design induction heater by using it. At last we designed a induction heater for a heating problem, and verified the effectiveness of the conclusion.
引文
[1]汤景明，感应加热设备的设计．《工业加热》1997年第一期。
[2]俞勇祥、陈家辉，感应加热电源的发展，浙江大学。
[3]全亚杰，感应加热电源的发展历程与动向，电焊机，2001，11。
[4]刘志儒，金属感应热处理，机械工业出版社，1987。
[5]王滨生，梁伟，横向磁场感应加热的研究，金属热处理，1994年第11期。
16]张晓明，家用电器原理与维修，电子工业出版社，1991。
[7]沈庆通，感应器节能与制造新技术[A]，全国五届热处理节能会议论文集[C]：185．
[8]沈庆通、张宗杰，强力感应器与导磁体的发展[J]．金属热处理．1985(7)．
[9]余勇祥，感应加热技术的应用与发展，今日科技，1999年第9期。
[10]感应加热装置，机械工业出版学，1981．1
[11]李炳坤，超音频快速热传导技术在泵加工中的应用，液压气动与密封．2000，6．
[12]刘伟新，导磁体在感应加热淬火中的应用[J]，金属热处理，1985(7)．
[13]郝海，电磁铸造中的感应热研究，铸造1999．8
[14]安正昆，钢铁热处理[M]，机械工业出版社，1986，7
[15]郝海，电磁铸造中的感应热研究，铸造1999．8
[16]李宗纲，节能技术，兵器工业出版社，1991
[17]Robert S Ruffini. Production and Concentration of Magnetic Flux for Eddy Current Heating Applications[R]. 1993年北京国际热处理展览会专题报告．
[18]侯小光，大连理工大学 硕士论文2000．6
[19]陈特大，测量仪表与感加热装置[M]，机械工业出版社，1986．6：198—238
[20]邓益中，感应加热与导磁体的发展，国外金属热处理，2002．8
[21]西安电炉研究所，第一机械工业部情报所 感应加热技术应用及其设备设计经验[M]
[22]G. Coatache. "Finite element method applied to skin effect in strip transmission lines" IEEE Trans. Magn,vol30, NO.5, Setp 1994.
[23]P G.Simpson "induction Heating-coil and system design" IEEE Trans.Magn.1992.
[24]孟庆龙，颜威利，电器数值分析，机械工业出版社．
[25]盛剑霓，工程电磁场数值分析，西安交通大学出版社．
[26]P.Viriya S.Sittichok "Analysis of High-Frequency Induction Cooker with Variable Frequency Power Control" IEEE Trans.Magn,2002.
[27]俞宏生，电磁场涡流方程数值计算方法研究，计算机辅助工程1997．6
[28]Ruffini R S, et al. Advanced design of induction heat treating coils, part[J]. Inductial Heating, 1998, (11).
[29]Benkowsky G, et al. Induktion ser warmung[M]. Berlin: Ver Verlag Technik, 1972.
[30]感应加热热处理用感应线圈的最新设计，热处理，1999，Vol36，No．2，81～90
[31]感应加热线圈用21世纪型高性能集中器，工业加热，1999，Vol36，No．4，49～55
[32]西安电炉研究所，第一机械工业部情报所 感应加热技术应用及其设备设计经验[M]
[33]吴清平、靖树君、王伟竹，感应加热炉的研制，煤矿机械，2000．8
[34]袁宝歧，加热炉原理与设计[M]北京：航空工业出版社
[35]冯慈璋，电磁场，高等教育出版社
[36]Ruffini RS. Production and concentration of magnetic fluxfored-dycurrent heating applications. Report Presented to 1993 Int. Fed. Heat treatment and Surface Engineering, Beijing, 1993
[37]Robert S Ruffini, Valent in S Nemkov. Materials for effective magneticflux control and concentration in induction heating processes[J]. Industrial Heating, 1996, 11.
[2]俞勇祥、陈家辉，感应加热电源的发展，浙江大学。
[3]全亚杰，感应加热电源的发展历程与动向，电焊机，2001，11。
[4]刘志儒，金属感应热处理，机械工业出版社，1987。
[5]王滨生，梁伟，横向磁场感应加热的研究，金属热处理，1994年第11期。
16]张晓明，家用电器原理与维修，电子工业出版社，1991。
[7]沈庆通，感应器节能与制造新技术[A]，全国五届热处理节能会议论文集[C]：185．
[8]沈庆通、张宗杰，强力感应器与导磁体的发展[J]．金属热处理．1985(7)．
[9]余勇祥，感应加热技术的应用与发展，今日科技，1999年第9期。
[10]感应加热装置，机械工业出版学，1981．1
[11]李炳坤，超音频快速热传导技术在泵加工中的应用，液压气动与密封．2000，6．
[12]刘伟新，导磁体在感应加热淬火中的应用[J]，金属热处理，1985(7)．
[13]郝海，电磁铸造中的感应热研究，铸造1999．8
[14]安正昆，钢铁热处理[M]，机械工业出版社，1986，7
[15]郝海，电磁铸造中的感应热研究，铸造1999．8
[16]李宗纲，节能技术，兵器工业出版社，1991
[17]Robert S Ruffini. Production and Concentration of Magnetic Flux for Eddy Current Heating Applications[R]. 1993年北京国际热处理展览会专题报告．
[18]侯小光，大连理工大学 硕士论文2000．6
[19]陈特大，测量仪表与感加热装置[M]，机械工业出版社，1986．6：198—238
[20]邓益中，感应加热与导磁体的发展，国外金属热处理，2002．8
[21]西安电炉研究所，第一机械工业部情报所 感应加热技术应用及其设备设计经验[M]
[22]G. Coatache. "Finite element method applied to skin effect in strip transmission lines" IEEE Trans. Magn,vol30, NO.5, Setp 1994.
[23]P G.Simpson "induction Heating-coil and system design" IEEE Trans.Magn.1992.
[24]孟庆龙，颜威利，电器数值分析，机械工业出版社．
[25]盛剑霓，工程电磁场数值分析，西安交通大学出版社．
[26]P.Viriya S.Sittichok "Analysis of High-Frequency Induction Cooker with Variable Frequency Power Control" IEEE Trans.Magn,2002.
[27]俞宏生，电磁场涡流方程数值计算方法研究，计算机辅助工程1997．6
[28]Ruffini R S, et al. Advanced design of induction heat treating coils, part[J]. Inductial Heating, 1998, (11).
[29]Benkowsky G, et al. Induktion ser warmung[M]. Berlin: Ver Verlag Technik, 1972.
[30]感应加热热处理用感应线圈的最新设计，热处理，1999，Vol36，No．2，81～90
[31]感应加热线圈用21世纪型高性能集中器，工业加热，1999，Vol36，No．4，49～55
[32]西安电炉研究所，第一机械工业部情报所 感应加热技术应用及其设备设计经验[M]
[33]吴清平、靖树君、王伟竹，感应加热炉的研制，煤矿机械，2000．8
[34]袁宝歧，加热炉原理与设计[M]北京：航空工业出版社
[35]冯慈璋，电磁场，高等教育出版社
[36]Ruffini RS. Production and concentration of magnetic fluxfored-dycurrent heating applications. Report Presented to 1993 Int. Fed. Heat treatment and Surface Engineering, Beijing, 1993
[37]Robert S Ruffini, Valent in S Nemkov. Materials for effective magneticflux control and concentration in induction heating processes[J]. Industrial Heating, 1996, 11.