感应加热仿真方法技术

本发明专利技术提供一种感应加热仿真方法，根据待加热钢件的形状，采用有限元分析软件建立电磁感应加热的有限元模型，求解以实现对钢件感应加热过程的模拟，获得模拟结果，在模拟结果满足工件加热需求的条件下，求解感应线圈—钢件系统的等效电感和等效电阻，并根据求解的等效电感和等效电阻确定感应加热电源的阻抗及补偿电容。通过对感应加热过程进行仿真模拟，对感应加热电源的配置提供理论指导，从而减少设计失误，节约设计成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及感应加热领域，更具体地，涉及一种。
技术介绍
在感应加热技术中，在工件的直径、运行速度和加热温度等确定的情况下，根据数值分析的结果，并结合电源的特性等因素，即可确定加热时所采用的加热电流频率、加热线圈的长度等工艺参数。此外，加热线圈的匝数、内径、铜管间隙等结构参数决定了加热线圈一钢件系统的电气参数:品质因数、电感量、等效电阻。这些电气参数是感应加热电源电气系统设计和匹配的重要基础，如果电气系统匹配不合理，致使感应加热电源的负载阻抗偏高或偏低，一方面会导致感应加热电源达不到额定输出功率，不能将感应加热电源的有效功率传输到加热线圈，增加电路传输过程中的无功损耗，降低感应加热电源的电气效率；另一方面使感应加热电源运行状态不合理，造成感应加热电源的功率器件使用寿命低，故障率高，不能够长期稳定运行。而在现有的感应加热电源设计中，一直沿用传统的基于变压器理论的等效电路模型和经验公式，只能粗略估算电源功率、阻抗和功率因数等宏观电气参数，计算误差较大，往往需要通过大量的试验调试工作，才能最终确定线圈的结构参数和电气参数，从而耗费大量的人力和物力，并且导致感应加热电源的设计周期长，效率低。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种。根据本专利技术实施例的，包括:步骤1:采用有限元软件建立有限元电磁感应加热过程仿真模型，包括以下步骤:步骤1.1:取模型的四分之一进行建模，所述模型包括由钢件、感应线圈和空气组成的系统，所述钢件插入至所述感应线圈内；步骤1.2:利用所述有限元软件自身的前处理器创建或从其他建模软件中读入几何模型；步骤1.3:在电磁场分析部分，设定远场区域边缘处磁势为零，所述钢件中心施加磁力线平行边界条件，对称面上设置相应的磁势为零，激励源电流施加在所述感应线圈的截面上，以作为磁场的激励条件；步骤1.4:定义20°C -1000°c温度范围内所述钢件的电阻率和相对磁导率，所述感应线圈的电阻率和相对磁导率，空气的相对磁导率；步骤1.5:在温度场分析部分，将所述感应线圈与空气单元都设置为空单元，只计算所述钢件区域的热场，所述钢件周围的空气初始温度设定为常数；与空气接触的所述钢件表面，只计算与空气网格节点进行的辐射热交换；步骤1.6:定义20°C -1000°C温度范围内所述钢件的导热系数、比热容、密度，所述钢件表面的热辐射系数、波兹曼常数；步骤1.7:划分所述钢件的网格；步骤1.8:采用顺序耦合法进行电磁一热之间的耦合计算，首先根据初始条件的温度场，确定材料的物理参数，求解电磁场问题，这样就得到了电磁场输出的热生成率，作为热场仿真所需要的热源输入，然后进行温度场计算，同时根据此时所述钢件的温度场分布，来修正所述钢件材料的物理参数，然后求解电磁场，如此循环，直到到达设定的加热时间，步骤2:电磁感应加热过程模拟仿真，包括:步骤2.1:保持感应加热电源的输出频率、输出电流和输出电压不变，模拟得到所述钢件加热后的温度分布；步骤2.2:基于所述温度分布判断是否满足加热工艺的需求，步骤3:对所述系统的阻抗求解过程模拟仿真，包括:步骤3.1:采用所述有限元分析软件，取所述模型的四分之一进行建模；步骤3.2:利用所述有限元软件自身的前处理器创建或从其他建模软件中读入几何模型；步骤3.3:在电磁场分析部分，设定远场区域边缘处磁势为零，所述钢件中心施加磁力线平行边界条件，对称面上设置相应的磁势为零，激励源电流施加在所述感应线圈的截面上，以作为磁场的激励条件；步骤3.4:定义20°C -1000°C温度范围内所述钢件的电阻率和相对磁导率，所述感应线圈的电阻率和相对磁导率，空气的相对磁导率；步骤3.5:采用磁场分析的方法计算，模拟得到所述系统的等效电感和等效电阻；步骤3.6:根据所述系统的所述等效电感和等效电阻确定所述感应加热电源的阻抗及补偿电容。根据本专利技术实施例的，根据待加热钢件的形状，采用有限元分析软件建立电磁感应加热的有限元模型，求解以实现对钢件感应加热过程的模拟，获得模拟结果，在模拟结果满足工件加热需求的条件下，求解感应线圈一钢件系统的等效电感和等效电阻，并根据求解的等效电感和等效电阻确定感应加热电源的阻抗及补偿电容。该方案具有以下优点:(I)通过对感应加热过程进行仿真模拟，基于模拟结果对感应加热电源的配置提供理论指导，从而减少设计失误，节约设计成本，同时缩短感应加热电源的设计周期，提高设计效率；(2)通过仿真模拟可以随时优化感应线圈的设计参数，使其效率最优化；(3)通过提尚感应加热电源的效率，直接提尚电能利用率，从而达到节能减排的目的。在一些实施例中，步骤1.7中，所述网格的密度由所述钢件的表面向中心递减。在一些实施例中，在步骤2.2中，如果判断满足加热工艺的需求，则进行步骤3 ;如果判断不满足加热工艺的需求，则修正所述模型后，再次进行步骤I。在一些实施例中，在步骤1.4中，定义20°C -600°C温度范围内所述钢件的电阻率和相对磁导率，所述感应线圈的电阻率和相对磁导率，空气的相对磁导率；在步骤1.6中，定义20°C _600°C温度范围内所述钢件的导热系数、比热容、密度，所述钢件表面的热辐射系数、波兹曼常数；以及在步骤3.4中，定义20°C-600°C温度范围内所述钢件的电阻率和相对磁导率，所述感应线圈的电阻率和相对磁导率，空气的相对磁导率。在一些实施例中，根据所述钢件的形状确定所述感应线圈的形状。在一些实施例中，所述感应线圈的形状包括:圆螺旋形、椭圆螺旋形、正方螺旋形、矩形螺旋形。【附图说明】本专利技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:图1是根据本专利技术实施例的流程图。图2是根据本专利技术实施例的基于圆螺旋形感应线圈-钢棒系统的感应加热模型示意图。【具体实施方式】下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。图1为根据本专利技术实施例的流程图。如图1所示，根据待加热钢件的形状，采用有限元分析软件建立电磁感应加热的有限元模型，求解以实现对钢件感应加热过程的模拟，获得模拟结果，在模拟结果满足工件加热需求的条件下，求解感应线圈一钢件系统的等效电感和等效电阻，并根据求解的等效电感和等效电阻确定感应加热电源的阻抗及补偿电容。为更好地理解本专利技术提供的技术方案，下面以圆螺旋形感应线圈和钢棒构成的感应加热系统为例，具体描述该。需指出的是，以下实施例仅用于描述本专利技术，不用于对本专利技术的限制。本领域技术人员能够运用本专利技术提供的仿真方法，对基于任何模型的感应加热系统进行模拟仿真。图2所示为根据本专利技术实施例的基于圆螺旋形感应线圈-钢棒系统的感应加热模型示意图。如图2所示，该模型包括由待加热钢件、感应线圈和空气组成的系统。其中，待加热钢件为圆柱形钢棒I，感应线圈为圆螺旋形线圈2。感应线圈的形状取决于待加热钢件的形状。在其它实施例中，当待加热钢件为钢板时，则感应线圈可以设计为椭圆螺旋形；当待加热钢件为方形钢时，则感应线圈可以设计为正方螺旋形；当待加热本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种感应加热仿真方法，其特征在于，包括：步骤1：采用有限元软件建立有限元电磁感应加热过程仿真模型，包括以下步骤：步骤1.1：取模型的四分之一进行建模，所述模型包括由钢件、感应线圈和空气组成的系统，所述钢件插入至所述感应线圈内；步骤1.2：利用所述有限元软件自身的前处理器创建或从其他建模软件中读入几何模型；步骤1.3：在电磁场分析部分，设定远场区域边缘处磁势为零，所述钢件中心施加磁力线平行边界条件，对称面上设置相应的磁势为零，激励源电流施加在所述感应线圈的截面上，以作为磁场的激励条件；步骤1.4：定义20℃‑1000℃温度范围内所述钢件的电阻率和相对磁导率，所述感应线圈的电阻率和相对磁导率，空气的相对磁导率；步骤1.5：在温度场分析部分，将所述感应线圈与空气单元都设置为空单元，只计算所述钢件区域的热场，所述钢件周围的空气初始温度设定为常数；与空气接触的所述钢件表面，只计算与空气网格节点进行的辐射热交换；步骤1.6：定义20℃‑1000℃温度范围内所述钢件的导热系数、比热容、密度，所述钢件表面的热辐射系数、波兹曼常数；步骤1.7：划分所述钢件的网格；步骤1.8：采用顺序耦合法进行电磁—热之间的耦合计算，首先根据初始条件的温度场，确定材料的物理参数，求解电磁场问题，这样就得到了电磁场输出的热生成率，作为热场仿真所需要的热源输入，然后进行温度场计算，同时根据此时所述钢件的温度场分布，来修正所述钢件材料的物理参数，然后求解电磁场，如此循环，直到到达设定的加热时间，步骤2:电磁感应加热过程模拟仿真，包括：步骤2.1：保持感应加热电源的输出频率、输出电流和输出电压不变，模拟得到所述钢件加热后的温度分布；步骤2.2：基于所述温度分布判断是否满足加热工艺的需求，步骤3:对所述系统的阻抗求解过程模拟仿真，包括：步骤3.1：采用所述有限元分析软件，取所述模型的四分之一进行建模；步骤3.2：利用所述有限元软件自身的前处理器创建或从其他建模软件中读入几何模型；步骤3.3：在电磁场分析部分，设定远场区域边缘处磁势为零，所述钢件中心施加磁力线平行边界条件，对称面上设置相应的磁势为零，激励源电流施加在所述感应线圈的截面上，以作为磁场的激励条件；步骤3.4：定义20℃‑1000℃温度范围内所述钢件的电阻率和相对磁导率，所述感应线圈的电阻率和相对磁导率，空气的相对磁导率；步骤3.5：采用磁场分析的方法计算，模拟得到所述系统的等效电感和等效电阻；步骤3.6：根据所述系统的所述等效电感和等效电阻确定所述感应加热电源的阻抗及补偿电容。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李亚斌，刘志军，郑旭超，
申请(专利权)人：保定四方三伊电气有限公司，
类型：发明
国别省市：河北;13