Multiphysik-Simulation des Magnetisierereffekts beim Induktionserwärmungsprozess mit EMS

Was ist ein Magnetisierer?

Der Magnetisierer, der auch als Magnetflusskonzentrator bekannt ist, wird zur magnetischen Steuerung verwendet, indem der Magnetfluss in bestimmten Bereichen eines Werkstücks verstärkt wird. Die Verwendung von Magnetisierern ist in Induktionsheizungsanwendungen allgemein bekannt. Sie wirken als elektromagnetische Abschirmung, um die unerwünschte Erwärmung benachbarter Zonen zu vermeiden. Ihr Effekt ähnelt der Kernfunktion von Transformatoren. Sie bestehen aus Materialien mit geringer Verlustleistung und hoher Permeabilität.

Abbildung 1 - Die Wirkung des Magnetisierers auf die Magnetfeldverteilung um den elektrischen Leiter [1]

Problembeschreibung

Um die Heizleistung eines Punktinduktors zu verbessern, verwendet das vorgeschlagene Modell eine U-förmige Spule, die mit einem Ferritmagnetisierer gekoppelt ist. Sie arbeitet daran, die Aufheizrate des Werkstücks zu erhöhen und seine Temperaturgleichmäßigkeit zu verbessern. Das CAD-Design des gesamten Modells ist in Abbildung 2 dargestellt.

In dieser Studie wurde eine FEM-Analyse unter Verwendung des EMS-Tools durchgeführt, um die Wirkung des Magnetisierers auf den Induktionserwärmungsprozess zu bewerten. Das AC-Magnetic-Modul von EMS wurde mit einer an den Transienten angekoppelten thermischen Analyse verwendet. Elektromagnetische und Temperaturverteilung wurden untersucht.

Abbildung 2 - a) 3D-Entwurf des untersuchten Modells b) Spule und c) Magnetisierer

Tabelle 1 - Abmessungen der Komponenten [1]

Simulationsaufbau

EMS ermöglicht eine multi-physikalische Simulation durch Kopplung zwischen magnetischem und thermischem Feld; Daher ermöglicht es die Modellierung des Induktionserwärmungsprozesses. Die folgenden Schritte sind für den Simulationsaufbau erforderlich.

1.Wählen Sie die entsprechenden Materialien aus

Das simulierte Modell besteht aus einer Kupferspule, einem Ferritmagnetisierer und einem Werkstück aus Kohlenstoffstahl. Die benötigten Eigenschaften sind in Tabelle 2 zusammengefasst.

Teil	Material	Dichte (Kg/ )	Magnetisch Permeabilität	Elektrisch Leitfähigkeit (S/m)	Wärmeleitfähigkeit (W/mK)	Spezifische Wärmekapazität (J/Kg.K)
Werkstück	Kohlenstoffstahl (AISI1045)	7870	(T): Abbildung 3.1	(T): Abbildung 3.2	K (T): Abbildung 3.3	(T): Abbildung 3.4
Spule	Kupfer (Cu)	8900	0,99	5,7 E + 07	385	390
Magnetisierer	Ferrit (Ni Zn)	4900	Anfangspermeabilität: 1500 Relative Permeabilität: 1,19 E + 08	0	5 E-06	750

Das ausgewählte Material für das Werkstückteil hat temperaturabhängige Eigenschaften. Sie werden durch die folgenden Abbildungen definiert.

Abbildung 3.1 - Elektrische Leitfähigkeit von AISI 1045 Stahl

Abbildung 3.2 - Magnetische Permeabilität von AISI 1045-Stahl




Abbildung 3.3 - Wärmeleitfähigkeit von AISI 1045-Stahl

Abbildung 3.4 - Spezifische Wärme von AISI 1045-Stahl

2. Elektromagnetische Eingänge

3. Thermische Eingänge

Das Werkstück hat eine Anfangstemperatur von 20 ° C. Der Luftkörper wird bei einer Umgebungstemperatur von 25 ° C mit einem auf 10 W/m²K eingestellten Koeffizienten einer thermischen Konvektion ausgesetzt.

4.Meshing

Für jede FEM-Simulation sind die Ergebnisgenauigkeit und die Lösungszeit stark von der Netzqualität abhängig. Mit EMS kann die Netzgröße für jeden Bereich des Modells über eine Netzsteuerungsfunktion gesteuert werden.

In unserem Beispiel wurde eine feine Maschenweite auf die Spule und die Oberseite des Werkstücks aufgebracht. Abbildung 4 zeigt das gesamte Netzmodell.

Abbildung 4 - Maschenmodell

Ergebnisse

Nach 7 s Induktionserwärmung ergab die Simulation die folgenden Ergebnisse. Die nächste Abbildung zeigt das Vektordiagramm der Magnetflussverteilung im Inneren des Magnetisierers am Ende der Aufheizzeit.

Durch die hohe Permeabilität des Materials des Magnetisierers wird der Magnetfluss um den elektrischen Leiter durch den Kern (des Magnetisierers) konzentriert. Indem verhindert wurde, dass sich die Hauptmenge des Feldes außerhalb des Kerns ausbreitete, wurde der erhitzte Bereich einem verstärkten Magnetfeld ausgesetzt. Durch diesen Vorgang wurde die hohe Temperatur auf einen kleinen Bereich begrenzt, was bedeutet, dass weniger Energie benötigt wird, um die erforderliche Wärmebehandlung des Werkstücks durchzuführen.

Abbildung 5 - Vektordiagramm der magnetischen Flussdichte nach 7s

Die Abbildung 6 zeigt das Vektordiagramm der Wirbelstromverteilung in der Spule und im Werkstück. Er erreicht einen Maximalwert von 1,19E + 08 A/m² für die Werkstückoberseite und 1,02E + 09 A/m² für die Spule. Infolgedessen befinden sich stark erhitzte Zonen in der Mitte der Werkstückoberfläche. Die erhaltenen Ergebnisse stimmen gut mit der Referenz überein [1].

Abbildung 6 - Wirbelstromdichte nach 7s über a) das Werkstück und b) die Spule

Die stark beheizte Zone erreichte in der Mitte eine maximale Temperatur von 850 ° C, was die erforderliche Heizstufe bestätigt. Die Abbildung 7 zeigt die Temperaturverteilung auf der Oberseite des Werkstücks.

Abbildung 7 - Temperaturverteilung über das Werkstück

Fazit

Das Material mit hoher Permeabilität des Magnetisierers lieferte eine selektive Heizzone durch konzentrierten Magnetfluss um die betreffenden Bereiche. Es wurde ermöglicht, hohe Temperaturwerte für einen geringeren Stromverbrauch zu erreichen.

Verweise