电磁感应加热温度场建模方法的研究.pdfVIP

第 36 卷 第 1 期 内蒙古师范大学学报 ( 自然科学汉文版) Vol . 36 No . 1 2007 年 1 月 J ournal of Inner Mongolia Normal U niver sit y (Nat ural Science Edition) J an . 2007 电磁感应加热温度场建模方法的研究 1 2 3 1 1 高印寒 , 高 　洪 , 刘长英 , 马增治 , 李春光 ( 1. 吉林大学 测试科学实验中心 ,吉林 长春 130025 ; 2 . 长春大学 机械工程学院 , 吉林 长春 130022 ; 3 . 吉林大学 仪器科学与电气工程学院 ,吉林 长春 13006 1) 摘 　要 : 为有效解决电磁感应加热过程中加热温度的控制问题 ,对电磁感应加热温度场的建模方法进行了 研究. 分析了电流透入深度对工件加热的影响及电磁感应加热过程中工件的温度分布情况 ,描述了感应加热时工 件温度随工件半径和时间的变化情况. 将温度场建模理论引入电磁感应加热系统的研究中 ,给出了电磁感应加热 温度场的建模方法. 实验结果表明 ,该方法能够成功地解决电磁感应加热温度的控制问题. 关键词 : 电磁感应 ; 集肤效应 ; 温度场 ; 建模 中图分类号 : TP 39 1. 9 　　文献标识码 : A 　　文章编号 : 100 18735 (2007) 0 1005404 运用电磁感应技术对工件进行加热具有加热效率高 、耗能少 、污染小等优点 , 因此电磁感应技术被广泛 地用于工业加热及冶炼生产中. 感应加热工件的温度测量对于控制加热温度具有重要意义 ,本文通过对电磁 感应加热过程中工件的温度分布情况及电流透入深度对感应加热影响的分析 ,建立了电磁感应加热装置温 度场的温度分布数学模型. 1 　电磁感应加热原理 当导体处于交变电流中时 ,交变电流使导体周围产生交变磁场 ,从而引起集肤效应使导体在短时间内迅 速被加热. 交变电流的频率越高 ,集肤效应越严重. 1. 1 　电流透入深度对感应加热的影响 把金属圆柱体放在通有交流电的线圈中 ,尽管金属圆柱不与线圈接触 ,线圈本身的温度也很低 ,但是圆 柱表面却会被加热到发红 ,甚至熔化. 这是由于电磁感应作用 ,在金属柱中感生与线圈电流方向相反的涡流 , 在涡流的焦耳热作用下 ,金属自身发热升温所引起的. 金属圆柱中的感生电流的分布在表面最强 ,在径向从 外到里按指数函数方式减小. 这种电流不均匀分布的现象 ,随电流频率升高而趋显著. 为了简化电流计算 ,假 ( ) ( ) 定图 1 a 中斜线所示的全电流能折合成图 1 b 所示的按表面电流密度均匀分布的形式 ,则其电流分布带的 宽度可表示为 9 1 ρ×10 ρ δ ( ) 　 = = 5 030 , 1 π μ μ 2 rf rf δ ρ μ 其中: 为电流分布带的宽度; 为金属的电阻率; r 为金属 的相对导磁率; f 为电流频率. 当感应加热圆柱导体时, 集肤 效应使导体表面快速升温, 而中心部分则靠热传导作用, 从 表面高温区向内部低温区传导热量, 因此升温较慢. 导体表 ( Δ) 面与中心的温度差