Электромагнитные поля. Индукционный нагрев, печи. Расчёт, проектирование индукторов. Курсы обучения Ansys.

Курсы обучения ANSYS

Из-за универсальности пакета конечно-элементного анализа ANSYS учебные курсы ANSYS разделяются на подразделы по темам:

  • Решение задач теории упругости в программной системе конечно-элементного анализа ANSYS. Базовый курс.
  • Решение задач теплопроводности в программной системе конечно-элементного анализа ANSYS. Базовый курс.
  • Решение задач теории колебаний и устойчивости в программной системе конечно-элементного анализа ANSYS. Базовый курс.
  • Решение задач электромагнитного поля в программной системе конечно-элементного анализа ANSYS. Специализированный курс.
  • Индивидуальные курсы.
Заказать учебные курсы ANSYS

Индукционный нагрев

Индукционный нагрев - нагрев тел в электромагнитном поле за счет теплового действия вихревых электрических токов, протекающего по нагреваемому телу и возбуждаемого в нем благодаря явлению электромагнитной индукции. При этом ток в нагреваемом изделии называют индуцированным или наведенным током. Индукционными установками называют электротермические устройства, предназначенные для индукционного нагрева тел или плавки тех или иных материалов. Индукционная печь — часть индукционной установки, включающая в себя индуктор, каркас, камеру для нагрева или плавки, вакуумную систему, механизмы наклона печи или перемещения нагреваемых изделий в пространстве и др. Индукционная тигельная печь (ИТП), которую иначе называют индукционной печью без сердечника, представляет собой плавильный тигель, обычно цилиндрической формы, выполненный из огнеупорного материала и помещённый в полость индуктора, подключенного к источнику переменного тока. Металлическая шихта загружается в тигель, и, поглощая электромагнитную энергию, плавится.

Достоинства тигельных плавильных печей:

1. Выделение энергии непосредственно в загрузке, без промежуточных нагревательных элементов.
2. Интенсивная электродинамическая циркуляция расплава в тигле, обеспечивающая быстрое плавление мелкой шихты, отходов, выравнивание температуры по объему ванны и отсутствие местных перегревов, гарантирующая получение многокомпонентных сплавов, однородных по химическому составу.
3. Принципиальная возможность создания в печи любой атмосферы (окислительной, восстановительной или нейтральной) при любом давлении.
4. Высокая производительность, достигаемая благодаря высоким значениям удельной мощности, особенно на средних частотах.
5. Возможность полного слива металла из тигля и относительно малая масса футеровки печи, что создаёт условия для снижения тепловой инерции печи благодаря уменьшению тепла, аккумулируемого футеровкой. Печи этого типа удобны для периодической работы с перерывами между плавками и обеспечивают возможность быстрого перехода с одной марки сплава на другую.
6. Простота и удобство обслуживания печи, управления и регулировки процесса плавки, широкие возможности для механизации и автоматизации процесса.
7. Высокая гигиеничность процесса плавка и малое загрязнение воздуха.

Недостатки тигельных плавильных печей:

К недостаткам тигельных печей относятся относительно низкая температура шлаков, наводимых на зеркало расплава с целью его технологической обработки. Шлак в ИТП разогревается от металла, поэтому его температура всегда ниже, а так же сравнительно низкая стойкость футеровки при высоких температурах расплава и наличие теплосмен (резких колебаний температуры футеровки при полном сливе металла). Однако преимущества ИТП перед другими плавильными агрегатами значительны, и они нашли широкое применение в самых разных отраслях промышленности.
В зависимости от того, идет ли процесс плавки на воздухе или в защитной атмосфере, различают печи:

  • открытые (плавка на воздухе),
  • вакуумные (плавка в вакууме),
  • компрессорные (плавка под избыточным давлением).

По организации процесса во времени:

  • периодического действия
  • полунепрерывного действия
  • непрерывного действия

По конструкции плавильного тигля:

Индукторы для индукционного нагрева

Индуктор является основным элементом печи, предназначенным для создания электромагнитного поля, индуцирующего ток в загрузке. Кроме своего основного назначения, он также должен выполнять функцию важного конструктивного элемента, воспринимающего механическую и тепловую нагрузку со стороны плавильного тигля и во многом определяющего надежность работы печи в целом.
На индуктор действуют значительные радиальные электродинамические усилия:

  • витки подвержены вибрациям, которые могут привести к разрушению изоляции индуктора;
  • распределяющая в процессе нагрева футеровка тигля создает значительные осевые усилия, стремящиеся сместить витки индуктора в осевом направлении;
  • механические изгибающие усилия, возникающие при наклоне печи могут также привести к деформации витков индуктора.


Кроме того, охлаждение индуктора должно обеспечивать отвод тепла, вызываемого электрическими потерями, а электрическая изоляция витков индуктора должна исключать возможность электрического пробоя, приводящего к прожогу трубки индуктора и к возникновению аварийной ситуации.
Таким образом, индуктор ИТП должен обеспечивать:

  • В общем случае — для индукционной печи любого типа:
    • минимальные электрические потери,
    • требуемый расход охлаждающей воды,
    • необходимую механическую прочность и достаточную жесткость,
    • надежную электроизоляцию витков.
  • В случае обработки тугоплавких металлов
    • Концентрацию электромагнитного поля в малом объеме


Эти требования удовлетворяются в ИТП следующим образом. Обычно индуктор представляет собой цилиндрическую однослойную катушку (соленоид), витки которой уложены в виде спирали (спиральный индуктор) с постоянным углом наклона, определяемым шагом набивки, или катушку, все витки которой располагаются в горизонтальных плоскостях, а переходы между соседними витками осуществляются короткими наклонными участками, — такой индуктор называют индуктором с транспозицией витков. Достоинство — простота набивки (на барабан, укладывая виток к витку), однако торцевые плоскости витков индуктора при этом не горизонтальны, что затрудняет осевую стяжку индуктора. Изготовление индуктора с транспозицией сложнее, т.к. требуются специальные приспособления для выполнения транспозиции, однако торцы индуктора при этом оказываются лежащими в горизонтальных плоскостях, что облегчает стяжку витков индуктора с помощью торцевых плит, натяжных колец и др. Ввиду больших токовых нагрузок индуктор ИТП практически всегда выполняют с водяным охлаждением.
Для обеспечения минимальных электрических потерь в индукторе необходимо соблюдение следующих условий:

  • материал индуктора должен обладать малым удельным сопротивлением;
  • материал индуктора должен быть немагнитным;
  • толщина индуктирующего витка, обращенная к расплаву должна быть не менее 1,57?.


Эти условия могут быть удовлетворены, если индуктор выполнен из полой медной трубки круглого, прямоугольного равностенного, разностенного или специального сечений. При этом равностенные трубки используются, как правило, для печей повышенной частоты, а разностенные — промышленной частоты. Электроизоляция индуктора должна иметь высокую диэлектрическую прочность, быть пыле- и влагонепроницаемой, противостоять вибрациям и повышенным температурам (?200—300 °С), быть ремонтоспособной.
На практике применяется несколько способов выполнения межвитковой изоляции:
1. воздушная — промежуток между соседними витками достаточно большой (10—20 мм), чтобы исключить возможность возникновения пробоя. Воздушная изоляция выполняется при сравнительно невысоком напряжении на индукторе, в тех случаях, когда имеется возможность жестко закрепить каждый виток в отдельности (на печах малой емкости);
2. обмоточная — на предварительно подготовленную поверхность витков наносится слой изоляционного лака, затем витки обматываются лентой с высокой диэлектрической непроницаемостью (например, стекломикалентой). Лента обычно наматывается «в полуперекрышку». Такая изоляция широко применяется;
3. прокладочная изоляция — в зазоры между витками закладываются прокладки, выполненные, например, из стеклотекстолита. Индуктирующий провод предварительно покрывают изоляционным лаком, а прокладки приклеивают к виткам специальным клеем на эпоксидной основе. Этот вид изоляции используют в печах большой ёмкости;
4. напыленная изоляция — на индуктирующий провод, то есть на его предварительно подготовленную поверхность (дробеструйная очистка и обезжиривание) газопламенным или плазменным способом наносится тонкий слой окиси алюминия Al2O3 или двуокиси циркония ZrO2, обладающих высокими диэлектрическими свойствами и хорошо сцепляющихся с медным индуктором. Сверху на этот слой обычно наносится слой лака. Этот вид изоляции широко используется в настоящее время;
5. монолитная изоляция с применением полиэфирного компаунда находит ограниченное применение из-за сложности выполнения ремонта индуктора при местных повреждениях трубки или самой изоляции.

Для обеспечения жесткости и механической прочности индуктора применяются следующие способы крепления его витков:

  • с помощью шпилек, выполняемых обычно из латуни, и припаянных или приваренных к наружной стороне индуктора; каждый его виток крепится к вертикальным изоляционным стойкам, выполненным из текстолита, асбоцемента или твердых пород дерева;
  • с помощью верхнего и нижнего прижимных колец или фланцев все витки индуктора вместе стягиваются в осевом направлении продольными стяжками, а радиальная фиксация витков осуществляется вертикальными рейками, выполненными из изолирующего материала или пакетами магнитопроводов;
  • необходимая жёсткость может быть также обеспечена заливкой его в компаунд.

Система водяного охлаждения индуктора предназначена для отвода активной мощности, теряемой в индукторе (Ри) и мощности тепловых потерь теплопроводностью от расплавленного металла через футеровку тигля (Рт.п.).
Условия надёжности работы системы:
1. механических примесей в охлаждающей воде должно быть не более 80 г/м? и величина карбонатной (временной) жёсткости должна быть 7 г-экв/м?;
2. температура отходящей (нагретой) воды должна быть такой, чтобы предотвратить образование накипи, обычно её принимают равной 35—40 °C, что соответствует температуре стенки индуктора 40—50 °C;
3. температура индуктора не должна быть ниже температуры окружающего воздуха, так как иначе на индукторе будет конденсироваться влага из воздуха, что приведёт к пробою между витками;
4. необходимый напор при входе в индуктор по условиям заводских водопроводных магистралей следует ограничить до 200 кПа. Если по расчёту этот напор превышает предел, то систему водоохлаждения приходится разбивать на секции и все секции охлаждения индуктора присоединять к охлаждающей магистрали параллельно;
5. скорость течения охлаждающей воды должна быть определённой: не менее 0,5 м/с для создания турбулентного движения воды, предотвращающего осаждение на стенках трубки индуктора механических примесей и выпадающих из воды солей (вследствие уменьшения их растворимости при нагреве воды), и не более 1,5 м/с, чтобы не увеличить потери давления сверх допустимого значения.

Моделирование индукционного нагрева в программе ANSYS

ANSYS - программный пакет конечноэлементного анализа, решающий задачи в различных областях инженерной деятельности (прочность конструкций, термодинамика, динамика жидкостей и газов, электромагнетизм), включая связанный междисциплинарный анализ.

Моделирование электромагнитных решений поддерживается двумя продуктами комплекса ANSYS: ANSYS Emag и ANSYS Multiphysics. Электромагнитные решения ANSYS обращаются к потребностям анализа для двух прикладных областей. Низкочастотные электромагнитные процессы в приложениях для разработки электродвигателей, реле, соленоидов, проектирования магнитов. Высокочастотные электромагнитные процессы - проектирование микроволновых устройств, радиочастотная микроэлектромеханика и т.д.

Программный модуль ANSYS Emag

ANSYS Emag используется во многих отраслях промышленности для разработки электрических и электронных изделий - для проектирования электрических моторов, генераторов переменного тока и т.п. ANSYS Emag позволяет моделировать поведение систем с линейным движением (линейные двигатели), систем с постоянными магнитами, вихретоковые тормозные системы, индукционные системы поджига. Применяется также для решения задач ионной оптики, дефектоскопии, индукционной закалки, моделирования процессов в конденсаторах с потерями, в высоковольтных изоляторах, используется также в биомедицинских приложениях.

ANSYS Multiphysics™

Пакет ANSYS Multiphysics ориентирован на моделирование низко- и высокочастотных приборов. Пакет содержит все решения пакета ANSYS Emag и дополнительно ряд других возможностей. Результаты низкочастотного электромагнитного анализа используются для изучения установившегося, переходного, гармонического низкочастотного электрического и магнитного полей. Это самый всеобъемлющий инструмент междисциплинарного анализа в индустрии расчетов, комбинирующий следующие виды анализа в единое решение: конструкционный, тепловой, вычислительная гидрогазодинамика, акустика и электромагнитный. В прошлом, использование всех возможностей физического моделирования, необходимых для сложных и требовательных сценариев моделирования, зачастую означало увязывание вместе несколько разных пакетов программного обеспечения. С ANSYS Multiphysics, это реализовано в одном удобном пакете.

Новости сайта

19.02.14 - Будь мужиком! Успей получить скидку! Всего неделя.
C 15.03.13 - Успей! Две недели Скидки 10% на всё!!!
Все новости
Счётчики

Rambler's Top100

Карта На главную


На правах рекламы:

© 2006-2013 — Tehmobile.com — Мультисим. При копировании материалов активная ссылка на данный сайт обязательна