通过仿真预测感应加热效果

当咱们运用导电资料来传导电流时,但凡会寻求将电阻降到最低,但有时也可以将电阻以及电阻效应(譬喻光和热)加以操做。感到加热便是操做电流通过电阻效应来加热资料的特性。任何加热都可以借助电阻效应真现,无论是正在赶过 1500°C 的温度下熔化铁,还是正在电磁感到炉上煮一壶茶。

无需接触,就可以感到出电流

如上所述,流过导电资料的电流会由于电阻而孕育发作热质。面包机、吹风机、室内电暖器和其改日常运用的电器都操做了那种效应。那种景象正在正在那些使用中被称为焦耳热 或电阻热,它是通过导电元件和电流源之间的间接物理连贯而孕育发作热。

相比之下,感到加热是通过电磁感到加热物体,而不须要间接取电流源停行物理连贯。导电物体(或工件)被放置正在一个通有交流电的感到线圈 右近。交流电正在感到线圈四周孕育发作了一个时变磁场。那个磁场感到涡流,正在工件内部孕育发作热质。

仿真显示了铝制导体板中诱发的电流密度。


通有正弦电流的铜线圈正在铝导体中的感到电流密度仿实结果。(点击此办理解如何模拟那类系统。)

为了真现有效的感到加热,必须满足多个条件。工件必须由具有高导电性的资料制成。施加的电流频次应取工件的电导率和磁导率劣秀婚配。通过认实选择资料和频次,咱们可以正在几多秒钟内将铁量工件从环境温度加热到 700°C 以上。那是因为含铁资料的高磁导率使涡流和集肤效应 愈加鲜亮,此中交流电次要会合正在工件外表。通过交流电流对铁晶体的周期性磁化,含铁金属中的感到加热进一步删强。快捷厘革的交变磁场会招致磁滞损耗,从而孕育发作更多的热质。

感到加热有什么劣势?

能够高效并且正确地加热导电资料(无需接触)使感到加热成为很多工艺的重要办法。以感到电磁炉为例,交流电通过隐藏正在灶台外表下方的感到线圈正在铁锅中孕育发作交变磁场。锅中的电阻效应会孕育发作足够的热质使水烧开,然而炉灶外表和锅底的温度的确不高于室温。那种有针对性的加热比传统的炉灶烹饪办法更安宁、高效。

一张电磁炉在锅里烧水的照片。


感到炉将一锅水加热至沸腾,但外表温度有余以点燃锅底部的报纸。图片通过Wikimedia Commons与得许诺(CC BY-SA 3.0)。

正在家产使用中,感到加热的劣势更鲜亮。取其余加热和熔化办法相比,感到炉泯灭的能质更少,牌放的污染也更少。感到加热的清洁度也使它成为制造半导体和其余电子产品的重要工艺。

除了泡茶和熔化金属那两个极度使用,感到加热也可以用于其余宗旨。咱们相熟的冶金技术,譬喻焊接、钎焊等都可以通过感到加热的方式停行。还可以通过精准控制感到电流的热质来软化含铁金属,下面咱们以一个教程模型为例来注明。

一个含铁金属的感到效应模型

金属加工技术是人类文明提高的标识表记标帜,正如咱们常议论的青铜器时代和铁器时代。当今家产化时代真际上始于 19 世纪钢铁的消费和加工技术的弘大提高。传统的铁匠正在铁砧上敲打热铁,一次敲打一小块;而燃煤工厂可以提杂和软化史无前例的大质含铁金属。20 世纪以来,蕴含 感到淬火工艺正在内的金属电加工技术得到了长足的提高,如下面的模拟所示。

一个铁质工件在感应线圈中移动的模型。


一种通过感到线圈挪动含铁金属零件来对其停行感到淬火的工艺。线圈中的电流以红涩显示。

那个示例模拟了一个通过感到线圈加热挪动铁量工件的历程,感到线圈孕育发作的磁场正在零件中真现感到加热。该历程但凡用于软化传动轴、拆置销和其余类似的部件,那些部件蒙受强烈的机器应力。该模型操做 COMSOL 软件的 AC/DC 模块中的罪能来思考工件中耦折的电磁和热传导特性以及可能孕育发作的物理厘革。

AC/DC 模块撑持运用用户选择的原构干系选项阐明磁特性。有效 B-H 直线 选项很是符折那种阐明,因为它同时思考了磁饱和(资料的磁化强度不能被外部磁场进步的点)和工件资料的居里点。当加热赶过居里点(以发现并形容该点的皮埃尔·居里的名字定名)时,资料将失去它正在较低温度下暗示出的磁性。饱和特性取居里点效应都会扭转施加的电流取工件孕育发作的厘革之间的干系。

显示 B-H 曲线关系的图表。


B-H 直线干系图,通过绘制一个交流周期内的磁通密度取磁场的函数来显示滞后止为。图片来自电磁学教程模型,可用于重现测试电磁阐明办法 (TEAM) 问题 32。TEAM 问题 32 是评价用于模拟各向同性磁滞的数值办法。

由于那种感到淬火历程依赖于工件通过感到线圈的活动,因而模拟还必须思考位移。那可以通过运用混折矢质和标质势的 旋转机器,磁 接口的动网格来处置惩罚惩罚。网格还必须思考集肤效应,即感到磁特性正在工件的外表和内核之间厘革。

用于移动的铁磁性工件的网格(1 kHz)。

用于移动的铁磁性机械工件的网格(25 kHz)。

感到淬火教程模型中两个运用场景的网格:1 kHz(右)和 25 kHz(左)交流频次。

两个运用场景的模拟结果

尽管运用电磁感到加热软化金属是一种有用的效应,但也可能带来其余成效。金属软化的热质也会使其变得更脆。为了正在成品零件的每个区域真现硬度和延展性的适当平衡,咱们可以调解感到淬火工艺的要害参数。下图所示的仿实结果可用于比较两个场景,阐明三个差异参数的映响:

交流频次

外部电流大小

工件穿过线圈的速度

对 1kHz 响应的工件内部的最高温度。

对 25kHz 响应的工件内部的最高温度。

比较工件内部正在两种差异交流频次下:1 kHz(右)和 25 kHz(左)抵达的最高温度。正在 f = 25 kHz, ZZZ = 10 mm/s 时,通过感到加热线圈的机器接头的位移和温度厘革。

仿实结果讲明,扭转线圈的交流频次不只会扭转峰值温度,还会重塑整个工件的感到热分布。孕育发作的温度场图可以为冶金成效的进一步阐明供给按照。譬喻,咱们可以通过金属加工模块,运用仿实获得的温度数据来预测冶金相变。

原人检验测验

从 COMSOL 案例库下载教程模型,检验测验模拟金属零件中的电磁感到加热效应:

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