誘導加熱による球体の硬化

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誘導加熱の説明

誘導加熱は、金属やその他の導電性材料を加熱するための、正確、高速、反復可能、効率的な非接触技術です。高周波交流電流を誘導コイルに印加することにより、時間変化する磁場が生成されます。加熱する材料は、コイルに接触することなく、磁場内に配置されます。交流電磁場はワークピース (加熱される材料) に渦電流を誘導し、その結果抵抗損失が発生し、ワークピース内で熱に変換されます。鉄系金属は、ヒステリシス損による発熱により、他の材料に比べて誘導加熱されやすい。図 1 は、典型的な誘導加熱のセットアップを示しています。
この例では、熱解析と組み合わせた EMS を使用して、コイル内の球体の硬化をシミュレートする方法を示します。

図 1 -誘導加熱のセットアップ

EMSの電磁熱結合能力

EMS は、電磁気-構造-熱場間の結合機能により、マルチフィジックス シミュレーションを保証します。私たちの場合、電磁熱シミュレーションが行われました。時変ドメインでの誘導加熱問題を解決するには、EMS での熱解析と組み合わせた過渡磁気スタディが必要です。

問題の説明

この例では、コイル内の球が誘導加熱現象によって加熱されます。図 3 は、シミュレートされたモデルの 3D CAD を示しています。励起波形は正弦波で、周波数は 60 Hz です。

図 3 -シミュレートされたモデル

シミュレーションのセットアップ

EMS で熱解析と組み合わせた過渡磁気スタディを作成した後、常に次の 4 つの重要な手順に従う必要があります。

1. すべてのソリッド ボディに適切なマテリアルを適用する
2. 必要な電磁入力を適用します
3. 必要な熱入力を適用します
4. モデル全体をメッシュ化し、ソルバーを実行する

材料

コイル、球ともに銅製です。

表1 -材料特性

電磁入力

この研究では、巻かれたコイルのみが電磁入力として割り当てられます。

メッシング

メッシングは、あらゆる FEA シミュレーションにおいて非常に重要なステップです。 EMS は、モデルの体積、表面積、およびその他の幾何学的詳細を考慮して、モデルの全体的な要素サイズを推定します。生成されるメッシュのサイズ (節点と要素の数) は、モデルのジオメトリと寸法、要素サイズ、メッシュ許容値、およびメッシュ コントロールによって異なります。おおよその結果で十分な設計解析の初期段階では、解析を高速化するために、より大きな要素サイズを指定できます。より正確な解を得るには、より小さい要素サイズが必要になる場合があります。

電磁熱結果

セットアップが完了したら、熱解析と組み合わせた過渡磁気シミュレーションを正常に実行すると、磁気および熱過渡の両方の結果が生成されます。

下の図は、50 ミリ秒での球内の磁束密度の 3D プロットです。

図 6、7 の電流密度分布の 3D プロットは、球の表面における渦電流の循環を示し、図 8 は 1.6 時間後の球の温度分布を示しています。

図 6 -球体の電流密度分布、セクション プロット

結論

EMS の電熱シミュレーション機能により、ユーザーは誘導加熱アプリケーションのコイル設計を効果的にテストできます。エンジニアは、コイルの複数の設計をシミュレートし、加熱するコンポーネントに基づいて最も効果的なコイルを選択できるようになりました。加熱されたコンポーネント内の温度分布を調べることで、加熱プロファイルを完全に理解できます。