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Multiphysik-Simulation des Magnetisierereffekts beim Induktionserwärmungsprozess mit EMS

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WEBINAR
Simulation of axial flux machines in EMS/SolidWorks
Thursday, December 2, 2021
Time
SESSION 1
SESSION 2
CET (GMT +1)
03:00 PM
08:00 PM
EST (GMT -4)
09:00 AM
02:00 PM
Gebrauchte Werkzeuge:

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.

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

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

Tabelle 1 - Abmessungen der Komponenten [1]

Komponente Abmessungen (mm)
Werkstück W L H
100 100 20
Spule Toilette Lc Kreuzung
40 40 10x10
Magnetisierer w l h
10 20 10
Luftspalt zwischen Werkstück und Spule 2

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.

Tabelle 2 - Materialeigenschaften [1]
Teil Material Dichte
(Kg/12px m au cube fin de style )
Magnetisch
Permeabilität
Elektrisch
Leitfähigkeit

(S/m)
Wärmeleitfähigkeit
(W/mK)
Spezifische Wärmekapazität
(J/Kg.K)
Werkstück Kohlenstoffstahl (AISI1045) 7870 Gamma (T): Abbildung 3.1 Lambda (T): Abbildung 3.2 K (T): Abbildung 3.3 C indiz p (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.


Elektrische Leitfähigkeit aus AISI-1045-Stahl

Abbildung 3.1 - Elektrische Leitfähigkeit von AISI 1045 Stahl


Magnetische Permeabilität von AISI-1045-Stahl

Abbildung 3.2 - Magnetische Permeabilität von AISI 1045-Stahl


Wärmeleitfähigkeit aus AISI-1045-Stahl

Abbildung 3.3 - Wärmeleitfähigkeit von AISI 1045-Stahl

Spezifische Hitze von AISI-1045-Stahl

Abbildung 3.4 - Spezifische Wärme von AISI 1045-Stahl

2. Elektromagnetische Eingänge

Die Induktionsspule ist definiert als Vollspule mit einer Windung, die einen maximalen Strom von 1200 Aeff und eine Frequenz von 30 kHz unterstützt.

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.

Meshed-Modell

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.

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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/ für die Werkstückoberseite und 1,02E + 09 A/ für die Spule. Infolgedessen befinden sich stark erhitzte Zonen in der Mitte der Werkstückoberfläche. Die erhaltenen Ergebnisse stimmen gut mit der Referenz überein [1].


Wirbelstromdichte-nach-7s-über-a) .- das Werkstück und b). Die Spule

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.

Temperaturverteilung über das Werkstück.
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.

Durch die EMS-Simulation konnte der wichtige Einfluss des Flussmittelkonzentrators auf den Induktionserwärmungsprozess bestätigt werden, indem der Wirkungsgrad des Induktors und die Erwärmungsrate des Werkstücks verbessert wurden.

Verweise

[1]. Gao, Kai, et al. "Effect of magnetizer geometry on the spot induction heating process." Journal of Materials Processing Technology 231 (2016): 125-136.