誘導加熱
誘導加熱は、材料に物理的に触れることなくほぼ瞬時に材料内部に熱を発生させるため、非常に効果的であり、電力密度が高く、浸透深さを調整できます。他の加熱技術と比較して、加熱時間が短く、効率的で正確です。
誘導加熱は、レンツの法則とジュールの法則という 2 つの物理法則を直接応用したものです。可変磁場 (誘導コイルまたはインダクタによって生成される) に浸されると、電気を伝導する物質は、渦電流とも呼ばれる誘導電流を運びます。ジュール効果によると、これらの電流を生成する電子の動きは、それらが生成された物質の熱を放散します。
実際には、図 1 を参照してください。誘導加熱では、部品 (通常は導電性材料でできています) を磁場の中に置きます。この磁場は、電源とコンデンサに接続された「インダクタ コイル」で可変に保たれます。バンク、アセンブリは「共振」周波数で発振回路を形成します。治療される部分へのエネルギー伝達の質は、インダクタと部品の配置（接続、それぞれの長さ）、電力周波数、および表皮効果に依存します。これは、表面またはコアの部分に誘導される電流の分布を特徴付けます。周波数が高いほど、誘導電流が表面に集中し、「浸透」深さ (表皮の厚さ) が決まります。
この技術は、1960 年代に産業用途に導入され始めました。それ以来、革新的なソリューションのために絶えず開発され、使用されてきました。
図 1 -誘導加熱の原理
EMS for Solidworks を使用したマルチフィジックス シミュレーション
誘導加熱は、電磁気と熱伝達の組み合わせなど、マルチフィジックスの問題です。これらの物理は、温度に依存する材料特性により、互いに非線形に結合されます。電磁気と熱伝達の数学的モデリングは、よく知られているマクスウェル方程式と古典的な熱伝達方程式によってそれぞれ行われます。場の方程式は、EMS で有限要素法を使用して解かれます。
EMS は、電磁場と熱場を結合する機能により、マルチフィジックス シミュレーション環境を保証します。この例では、 EMS は加熱アプリケーション用の誘導コイルとグラファイトるつぼの設計と最適化に役立ちます。 EMS では、過渡熱解析と組み合わせたAC 磁気シミュレーションが必要です。
問題の説明
誘導溶解装置は、電源、水冷銅誘導コイル、グラファイトるつぼ、およびチャージで構成されています。電源は誘導コイルに高周波電流を供給して変化する磁場を生成し、これによりるつぼが加熱されます [2]。
図 2 -誘導加熱システムの概略図
図 3 -シミュレートされたモデルの 3D CAD
シミュレーションのセットアップ
EMSで非定常熱解析に結合されたAC 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。
- 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
- 必要な電磁入力を適用します
- 必要な熱入力を適用します
- メッシュを作成してシミュレーションを実行する
材料
以下の表 1 は、シミュレーションに使用された材料の特性です。マクスウェル方程式は、完全な解領域 (誘導コイル、グラファイトるつぼ、空気) で解かれます。水冷式の誘導コイルは常に室温と仮定しているため、熱伝導解析は黒鉛るつぼ内のみで行っています。グラファイトの電気伝導率、熱伝導率、および比熱はすべて温度に依存します (図 4、5、6)。
| 材料 | 比透磁率 | 電気伝導性 | 質量密度 (Kg/m^3) |
| 銅 | 1 | 5.9980e+7 | 8900 |
| 黒鉛 | 1 | 温度依存 | 2500 |
図 2 -電気伝導率の曲線
図 3 -熱伝導率の曲線
図 4 -比熱曲線
電磁入力 本研究では、表2に示すように、固体コイルのみを電磁入力として定義します。
表 2 -コイル情報
| ターン数 | 実効値電流 | |
| ソリッドコイル | 9 | 707.21 |
熱入力と初期条件
伝熱の初期条件と境界条件を表 2 に示します。
| 境界条件 | 値 |
| 初期温度 | 303K |
| 対流係数 (h) | 10 (W/m^2*K) |
| 放射率（グラファイト表面） | 0.7 |
メッシング
メッシングは、設計解析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。
図 6 -メッシュ モデル
結果
非定常熱解析と組み合わせた AC 磁気シミュレーションを実行した後、電磁および熱の結果がEMS によって生成されます。磁束密度、磁場強度、渦電流、誘導熱量をさまざまな 3D 形式でプロットできます。回路パラメータを含む結果テーブルも生成されます。
下の図は、それぞれ1kHz、5kHz、9kHzでの磁場強度を示しています。図 9 は、グラファイトの表面のある点での温度変化を示しています。
図 7 -周波数=1Khz の t=0s での磁場
図 8 -周波数=5kHz の t=0s での磁場
図 9 -周波数 =9kHz の t=0s での磁場
図 10 -特定のポイントでの温度変化
結論
EMS は、ルツボ内の熱伝達をよりよく理解できるように、さまざまな周波数でルツボ内に誘導される電磁力を分析および計算するのに役立ちます。この方法を使用して、るつぼの肉厚と誘導コイルを分析し、最適なるつぼの厚さと効果的な冷却システムを選択するのに役立ちます。
参考文献
B. Patidar、MMHussain、A. Sharma, AP Tiwari.August 2016.誘導の非定常数値解析
異なる周波数でのグラファイトるつぼの加熱。 International Journal of Electromagnetics ( IJEL )、Vol 1、No 1、
