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Numerische Simulation eines Graphittiegels mit unterschiedlicher Frequenz

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WEBINAR
Magnetostriction Modeling of Transformer's Noise
Thursday, December 16, 2021
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SESSION 1
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08:00 PM
EST (GMT -4)
09:00 AM
02:00 PM
Gebrauchte Werkzeuge:

Induktionsheizung

Die Induktionserwärmung ist sehr effektiv, da sie fast sofort Wärme im Material erzeugt, ohne es zu berühren. Sie hat eine hohe Leistungsdichte und einstellbare Eindringtiefen. Im Vergleich zu anderen Erwärmungstechniken dauert das Erwärmen weniger lange und ist effizienter und genauer.

Induktionserwärmung ist eine direkte Anwendung von zwei Gesetzen der Physik: dem Lenz-Gesetz und dem Joule-Gesetz. Beim Eintauchen in ein variables Magnetfeld (erzeugt durch eine Induktionsspule oder einen Induktor) führt jede Substanz, die Elektrizität leitet, den induzierten elektrischen Strom, auch Wirbelströme genannt. Gemäß dem Joule-Effekt leitet die Bewegung der Elektronen, die diese Ströme erzeugen, die Wärme in der Substanz ab, in der sie erzeugt wurden.

In der Praxis beinhaltet Induktionserwärmung, wie in Fig. 1 gezeigt, das Einbringen eines Teils (üblicherweise aus elektrisch leitendem Material) in ein Magnetfeld, das mit einer "Induktionsspule" variabel gehalten wird, die selbst an eine Stromquelle und einen Kondensator angeschlossen ist Die Qualität der Energieübertragung auf das zu behandelnde Teil hängt von der Anordnung der Induktoren und der Teile (Anschluss, jeweilige Länge), der Leistungsfrequenz und dem Skin-Effekt ab. Dies kennzeichnet die Verteilung der Ströme, die im Teil auf der Oberfläche oder im Kern induziert werden. Je höher die Frequenz, desto stärker konzentrieren sich die induzierten Ströme auf der Oberfläche, was eine Eindringtiefe (Hautdicke) bestimmt.

Diese Technologie wurde in den 1960er Jahren für industrielle Anwendungen eingeführt. Seitdem wurde es ständig weiterentwickelt und für innovative Lösungen eingesetzt.

Induktionsheizungsprinzip

Abbildung 1 - Prinzip der Induktionsheizung

Multiphysics-Simulation mit EMS für Solidworks

Induktionserwärmung ist eine Kombination aus Elektromagnetismus und Wärmeübertragung. Diese Physik ist aufgrund temperaturabhängiger Materialeigenschaften nichtlinear miteinander gekoppelt. Die mathematische Modellierung des Elektromagnetismus und der Wärmeübertragung erfolgt nach bekannten Maxwell-Gleichungen bzw. nach der klassischen Wärmeübertragungsgleichung. Feldgleichungen werden mithilfe der Finite-Elemente-Methode in EMS gelöst.

EMS gewährleistet eine Multi-Physik-Simulationsumgebung durch die Fähigkeit der Kopplung zwischen elektromagnetischem und thermischem Feld. In diesem Beispiel hilft EMS beim Entwerfen und Optimieren der Induktionsspule und des Graphittiegels für Heizanwendungen. Im EMS wird eine mit einer transienten thermischen Analyse gekoppelte magnetische Wechselstromsimulation benötigt.

Problembeschreibung

Der Induktionsschmelzaufbau besteht aus der Stromquelle, der wassergekühlten Kupfer-Induktionsspule, dem Graphit-Schmelztiegel und der Ladung. Die Stromquelle versorgt die Induktionsspule mit hochfrequentem Strom, um ein sich änderndes Magnetfeld zu erzeugen, wodurch der Tiegel erwärmt wird [2].

Schema der Induktionsheizung

Abbildung 2 - Schema des Induktionsheizsystems

3D CAD des simulierten Modells

Abbildung 3 - 3D-CAD des simulierten Modells

Simulations-Setup

Nach der Erstellung einer Wechselstrommagnetstudie mit Kopplung an die transiente thermische Analyse in EMS müssen immer vier wichtige Schritte befolgt werden:

  1. Tragen Sie für alle festen Körper das richtige Material auf
  2. Legen Sie die erforderlichen elektromagnetischen Eingänge an
  3. wenden Sie die erforderlichen thermischen Eingänge an
  4. Vernetzen Sie die Simulation und führen Sie sie aus

Materialien

In der folgenden Tabelle 1 sind die Eigenschaften der für die Simulation verwendeten Materialien aufgeführt. Maxwell-Gleichungen werden im gesamten Lösungsbereich (Induktionsspule, Graphittiegel, Luft) gelöst. Die Wärmeübertragungsanalyse wird nur im Graphittiegel durchgeführt, da davon ausgegangen wird, dass die wassergekühlte Induktionsspule immer Raumtemperatur hat. Die elektrische Leitfähigkeit, die Wärmeleitfähigkeit und die spezifische Wärme von Graphit hängen alle von der Temperatur ab (Abbildung 4,5,6).

Tabelle 1 - Materialeigenschaften
Material Relative Permeabilität Elektrische Leitfähigkeit Massendichte (kg/m ^ 3)
Kupfer 1 5,9980e + 7 8900
Graphit 1 Temperaturabhängig 2500

Kurve der elektrischen Leitfähigkeit

Abbildung 2 - Kurve der elektrischen Leitfähigkeit


Kurve der Wärmeleitfähigkeit
Abbildung 3 - Kurve der Wärmeleitfähigkeit


Kurve der spezifischen Wärme
Abbildung 4 - Kurve der spezifischen Wärme

Elektromagnetische Eingaben In dieser Studie wird nur eine feste Spule als elektromagnetische Eingabe definiert, wie in Tabelle 2 gezeigt.

Tabelle 2 - Spuleninformationen

Anzahl der Züge Effektivstrom
Feste Spule 9 707,21
Feste Spule, die in der Simulation verwendet wird
Abbildung 5 - In der Simulation verwendete Massivspule

Thermische Eingänge und Anfangsbedingungen

Anfangs- und Randbedingungen für die Wärmeübertragung sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Tabelle 3 - Thermische Parameter
Randbedingungen Wert
Anfangstemperatur 303 K
Konvektionskoeffizient (h) 10 (W/m ^ 2 * K)
Emissionsgrad (Graphitoberfläche) 0,7

Ineinander greifen

Die Vernetzung ist ein sehr wichtiger Schritt bei der Entwurfsanalyse. EMS schätzt eine globale Elementgröße für das Modell unter Berücksichtigung seines Volumens, seiner Oberfläche und anderer geometrischer Details. Die Größe des generierten Netzes (Anzahl der Knoten und Elemente) hängt von der Geometrie und den Abmessungen des Modells, der Elementgröße, der Netztoleranz und der Netzsteuerung ab. In den frühen Phasen der Entwurfsanalyse, in denen ungefähre Ergebnisse ausreichen können, können Sie eine größere Elementgröße für eine schnellere Lösung angeben. Für eine genauere Lösung ist möglicherweise eine kleinere Elementgröße erforderlich.

Meshed-Modell

Abbildung 6 - Maschenmodell

Ergebnisse

Nach der Ausführung einer magnetischen Wechselstromsimulation in Verbindung mit einer transienten thermischen Analyse werden elektromagnetische und thermische Ergebnisse von EMS generiert . Magnetische Flussdichte, Feldstärke, Wirbelstrom, induzierte Wärmeleistung können mit verschiedenen 3D-Formaten aufgezeichnet werden. Die Ergebnistabelle mit den Schaltkreisparametern wird ebenfalls generiert.
Die folgenden Abbildungen zeigen die Magnetfeldstärke bei 1 kHz, 5 kHz bzw. 9 kHz. 9 zeigt die Temperaturentwicklung an einem Punkt auf der Oberfläche des Graphits.

Magnetfeld bei t=0s für Frequenz=1 kHz

Abbildung 7 - Magnetfeld bei t=0s für Frequenz=1 kHz


Magnetfeld bei t=0s für Frequenz=5kHz
Abbildung 8 - Magnetfeld bei t=0s für Frequenz=5 kHz
Magnetfeld bei t=0s für Frequenz=9kHz

Abbildung 9 - Magnetfeld bei t=0s für Frequenz=9kHz


Temperaturentwicklung an einem bestimmten Punkt

Abbildung 10 - Temperaturentwicklung an einem bestimmten Punkt

Fazit

EMS hilft, die im Tiegel induzierte elektromagnetische Leistung bei verschiedenen Frequenzen zu analysieren und zu berechnen, um die Wärmeübertragung im Tiegel besser zu verstehen. Mit dieser Methode werden die Tiegelwanddicke und die Induktionsspule analysiert, um die optimale Tiegeldicke und ein effektives Kühlsystem auszuwählen.

Verweise

B. Patidar, MMHussain, A. Sharma, AP Tiwari.August 2016.TRANSIENT NUMERISCHE ANALYSE DER INDUKTION
HEIZUNG VON GRAPHIT CRUCIBLE BEI UNTERSCHIEDLICHER FREQUENZ. Internationale Zeitschrift für Elektromagnetik (IJEL), Band 1, Nr. 1,