CN105407562A - 一种通过导磁体尺寸优化提高感应加热装置性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过导磁体尺寸优化提高感应加热装置性能的方法，该方法包括以下步骤，步骤一，导磁体通过耐高温的粘接剂固定在U形铜管线圈中央，导磁体与U形铜管线圈之间无间隙并且在底端保持相平，待加热工件置于导磁体与U形铜管线圈的下方，导磁体与U形铜管线圈与待加热工件之间的距离d的范围为小于2mm；步骤二，在U形铜管线圈中通入高频交变电流；步骤三，调节导磁体长度l取铜管的垂直投影长度与铜管两倍外径长度的差值。通过本发明方法，极大地提高了感应装置的加热效率。

Description

一种通过导磁体尺寸优化提高感应加热装置性能的方法

技术领域

本发明属于感应加热技术领域，尤其涉及一种通过导磁体尺寸优化提高感应加热装置性能的方法。

背景技术

对于内孔及平面的感应加热工艺，通过加装导磁体提高感应装置的加热效率是常用的手段，导磁体良好的聚磁作用可以极大的提升感应加热效率。

例如，中华人民共和国专利第102448207A号(感应加热装置及控制方法)发明专利，其提供了一种感应加热装置和控制方法。通过在感应线圈上配设导磁体，并改变导磁体与感应线圈之间的相对位置来增强或减弱磁场，进而改变磁场的分布，从而达到提升加热效率和温度分布均匀性的目的。

再如，中华人民共和国专利第104388655A号(汽车车身覆盖件成形模具型面感应加热淬火强化方法)发明专利，其感应加热器包括有感应线圈和导磁体。通过控制感应加热器和冷却喷头沿已经设计好的移动路径作空间曲线运动，在导磁体的作用下，感应装置可以在移动过程中迅速加热待处理模具型面，同时在移动路径后方通过冷却喷头向已加热的车身覆盖件模具型面喷洒冷却液实现连续淬火。该方法可以根据车身覆盖件成形模具型面载荷分布不均匀、失效进程不一的情况，实现模具型面不同区域的选择性强化。

以上所述的各项专利技术，都只是利用导磁体本身的特性来进行提升感应加热效率，所用导磁体都是工厂按照一定的尺寸规格进行批量生产，并没有考虑导磁体本身尺寸对加热效率的影响，无法使得感应加热装置的效率最大化。

发明内容

本发明针对现有技术中的问题，提供一种通过导磁体尺寸优化提高感应加热装置性能的方法，极大地提高了感应装置的加热效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种通过导磁体尺寸优化提高感应加热装置性能的方法，该方法包括以下步骤，步骤一，导磁体通过耐高温的粘接剂固定在U形铜管线圈中央，导磁体与U形铜管线圈之间无间隙并且在底端保持相平，待加热工件置于导磁体与U形铜管线圈的下方，导磁体与U形铜管线圈与待加热工件之间的距离d的范围为0<d<2mm；步骤二，在U形铜管线圈中通入高频交变电流，在导磁体槽口效应的作用下，U形铜管线圈上的电流会集中于靠近待加热工件的一侧，待加热工件被加热；步骤三，调节导磁体长度l取(U形铜管线圈中的)铜管的垂直投影长度与铜管两倍外径长度的差值。

按上述技术方案，由于导磁体宽度w的变化直接决定了待加热工件表层磁通覆盖面积大小，当导磁体宽度增加时，穿过待加热工件的磁通密度减小；反之，当导磁体宽度减小时，穿过工件的磁通密度增加。为了得到最大的加热速率，导磁体宽度取当待加热工件表层磁通覆盖面积与穿过待加热工件的磁通密度两者乘积达到最大时的值。

按上述技术方案，由于导磁体高度h变化对工件表层磁通的穿过面积没有直接影响，但导磁体中与磁力线方向垂直的截面磁通量相等，所以当导磁体高度减小到使得导磁体内的磁通密度达到饱和时，继续减小则会使得导磁体中的磁通量减小，工件表层穿过的磁通量也将降低。因此，导磁体高度需达到一定值使得导磁体内的磁通密度在饱和点以下，从而获得最大加热效率。所以，导磁体高度大于3mm。

按上述技术方案，导磁体所用材质为适用于高频交变电流的软磁性材料。

按上述技术方案，导磁体所用材质为Mn-Zn铁氧体。

本发明方法原理为，导磁体需要优化的关键尺寸参数分别为其长度(l)、宽度(w)以及高度(h)。其中待加热工件的加热速率与导磁体各个尺寸参数之间通过以下关系式进行优化计算：

$r=\frac{{(-n\frac{{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_1}{\mathrm{\&Delta;}t})}^2}{R}---\left(1\right)$

φ₁＝B₁S₁(2)

φ₂＝B₂S₂＝B₃S₃(3)

φ₁∝φ₂(4)

S₂＝lw(5)

S₃＝lh(6)

其中r为待加热工件表层的加热速率，R为待加热工件的电阻，n为线圈匝数，φ₁为待加热工件表层的磁通量，φ₂为导磁体内部的磁通量，S₁为穿过工件的磁通面积，S₂和S₃分别为导磁体下端面及长度方向上的中心横截面，B₁为穿过工件的磁通密度(磁感应强度)，B₂和B₃分别为S₂和S₃截面的磁通密度(磁感应强度)。通过以上关系式(1)-(6)可推导计算获得最大加热速率时导磁体长度、宽度和高度的取值。当导磁体长度l增加时，单位横截面上的磁通密度B₂与B₃保持不变，根据公式(1)-(6)可知，调节导磁体长度l取(U形铜管线圈中的)铜管的垂直投影长度与铜管两倍外径长度的差值，加热速率达到最大。由于导磁体宽度w的变化直接决定了待加热工件表层磁通覆盖面积大小，当导磁体宽度增加时，穿过待加热工件的磁通密度减小；反之，当导磁体宽度减小时，穿过工件的磁通密度增加。为了得到最大的加热速率，导磁体宽度取当待加热工件表层磁通覆盖面积与穿过待加热工件的磁通密度两者乘积达到最大时的值。根据公式(1)-(6)可知，当导磁体高度减小到使得导磁体内的磁通密度达到饱和时，继续减小则会使得导磁体中的磁通量减小，工件表层穿过的磁通量也将降低，从而导致加热效率的降低。因此导磁体高度需达到一定值使得导磁体内的磁通密度在饱和点以下，从而获得最大加热速率。所以，导磁体高度大于3mm。

本发明产生的有益效果是：所采用的导磁体尺寸优化方法极大地提高了感应装置的加热效率，并且可以应用于各类装有导磁体的感应装置。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例中传感装置示意图；

图2是感应装置与工件之间的相对位置以及U形铜管线圈尺寸示意图；

图3是本发明实施例中U形导磁体的主视图；

图4是本发明实施例中U形导磁体的左视图；

图5本发明实施例中U形导磁体的俯视图；

图6是本发明实施例中U形导磁体的三维视图；

图7是导磁体尺寸控制方法原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中，提供一种通过导磁体尺寸优化提高感应加热装置性能的方法，该方法包括以下步骤，步骤一，导磁体通过耐高温的粘接剂固定在U形铜管线圈中央，导磁体与U形铜管线圈之间无间隙并且在底端保持相平，待加热工件置于导磁体与U形铜管线圈的下方，导磁体与U形铜管线圈与待加热工件之间的距离d的范围为0<d<2mm；步骤二，在U形铜管线圈中通入高频交变电流，在导磁体槽口效应的作用下，U形铜管线圈上的电流会集中于靠近待加热工件的一侧，待加热工件被加热；步骤三，调节导磁体长度l取U形铜管线圈中的铜管的垂直投影长度与铜管两倍外径长度的差值。

进一步地，由于导磁体宽度w的变化直接决定了待加热工件表层磁通覆盖面积大小，当导磁体宽度增加时，穿过待加热工件的磁通密度减小；反之，当导磁体宽度减小时，穿过工件的磁通密度增加。为了得到最大的加热速率，导磁体宽度取当待加热工件表层磁通覆盖面积与穿过待加热工件的磁通密度两者乘积达到最大时的值。

本发明实施例中，进一步地，由于导磁体高度h变化对工件表层磁通的穿过面积没有直接影响，但导磁体中与磁力线方向垂直的截面磁通量相等，所以当导磁体高度减小到使得导磁体内的磁通密度达到饱和时，继续减小则会使得导磁体中的磁通量减小，工件表层穿过的磁通量也将降低。因此，导磁体高度需达到一定值使得导磁体内的磁通密度在饱和点以下，从而获得最大加热效率。所以，导磁体高度大于3mm。

本发明实施例中，进一步地，导磁体所用材质为适用于高频交变电流的软磁性材料。

进一步地，导磁体所用材质为Mn-Zn铁氧体。

本发明的较佳实施例中，通过导磁体尺寸优化提高感应加热装置性能的方法中所使用的感应装置结构如图1所示。感应装置包括一根单匝U形铜管线圈1及与其相配合的U形导磁体2，平行于待加热工件的铜管部分嵌入U形导磁体的凹槽并通过耐高温材料进行粘接，单匝U形铜管线圈1的截面为方形。在单匝U形铜管线圈中通入高频交变电流后，在导磁体槽口效应的作用下，单匝U形铜管线圈上的电流会集中于靠近待加热的工件3的一侧。在此基础上，通过控制导磁体的尺寸参数进一步增加工件表层的加热速率。

所述的感应装置中，单匝U形铜管线圈1与U形导磁体2、待加热工件之间的相对位置关系如图2所示。单匝U形铜管线圈截面尺寸为10*10mm，U形导磁体可覆盖单匝U形铜管线圈的最大长度为20mm。单匝U形铜管线圈中铜管的所用材料为黄铜，铜管内中空用来通入冷却液，铜管管壁的厚度为1mm；U形导磁体所用材料为Mn-Zn铁氧体等适用于高频交变电流的软磁性材料，并通过耐高温的粘接剂固定在铜管中央。U形导磁体与铜管之间无间隙并且在底端保持相平，与待加热工件之间保持2mm以内的间距。

所述的U形导磁体几何形状如图3-图6所示。需要优化的关键尺寸参数分别为U形导磁体的长度(l)、宽度(w)以及高度(h)。其中加热速率与U形导磁体各个尺寸参数之间通过以下关系式进行优化计算：

$r=\frac{{(-n\frac{{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_1}{\mathrm{\&Delta;}t})}^2}{R}---\left(1\right)$

φ₁＝B₁S₁(2)

φ₂＝B₂S₂＝B₃S₃(3)

φ₁∝φ₂(4)

S₂＝lw(5)

S₃＝lh(6)

其中r为待加热工件表层的加热速率，R为工件电阻，n为线圈匝数，φ₁为待加热工件表层的磁通量，φ₂为导磁体内部的磁通量，S₁为穿过工件的磁通面积，S₂和S₃分别为图6所示的截面，B₁为穿过工件的磁通密度(磁感应强度)，B₂和B₃分别为S₂和S₃截面的磁通密度(磁感应强度)。通过以上关系式(1)-(6)可推导计算待加热工件获得最大加热速率时U形导磁体长度、宽度以及高度的取值。

A.长度(l)：当U形导磁体长度增加时，截面S₂与S₃的磁通密度B₂与B₃保持不变，根据上式(1)-(6)可知，U形导磁体长度取最大覆盖长度20mm时，工件表层的加热速率达到最大。

B.宽度(w)：从图7可以看到，U形导磁体区域a的磁通量直接决定了工件表层通过的磁通量。当U形导磁体宽度增加时，穿过U形导磁体区域a的磁通密度(B₂)减小；反之，当U形导磁体宽度减小时，穿过U形导磁体区域a的磁通密度减小的磁通密度(B₂)增加。根据上式(1)-(6)可知，在导磁体长度和高度一定时，导磁体宽度与磁通密度B₂的乘积最大时，在工件表层得到最大加热速率，本实施例中，通过理论计算可得U形导磁体宽度值为10mm。

C.高度(h)：U形导磁体高度的变化对工件表层磁通的穿过面积没有直接影响，但由于U形导磁体中与磁力线方向垂直的截面磁通量相等，即图7中区域a与b的磁通量相同。当区域b的磁通密度达到饱和之前，导磁体中的磁通量保持不变(即增加或减少导磁体高度，磁通密度也相应的减少或增加，两者的乘积保持不变)；当区域b的磁通密度达到饱和以后，继续减小导磁体高度则会使得整个导磁体中的磁通(φ₂)减小，根据式(1)-(6)，工件表层穿过的磁通量φ₁也将降低，进而降低了加热速率。因此，U形导磁体高度需达到一定值使得U形导磁体内的磁通密度在饱和点以下，从而获得最大加热速率，本实施例中，U形导磁体高度大于3mm。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种通过导磁体尺寸优化提高感应加热装置性能的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤，步骤一，导磁体通过耐高温的粘接剂固定在U形铜管线圈中央，导磁体与U形铜管线圈之间无间隙并且在底端保持相平，待加热工件置于导磁体与U形铜管线圈的下方，导磁体与U形铜管线圈与待加热工件之间的距离d的范围为0<d<2mm；步骤二，在U形铜管线圈中通入高频交变电流；步骤三，调节导磁体长度l取铜管的垂直投影长度与铜管两倍外径长度的差值。

2.根据权利要求1所述的通过导磁体尺寸优化提高感应加热装置性能的方法，其特征在于，导磁体宽度取当待加热工件表层磁通覆盖面积与穿过待加热工件的磁通密度两者乘积达到最大时的值。

3.根据权利要求1或2所述的通过导磁体尺寸优化提高感应加热装置性能的方法，其特征在于，导磁体高度大于3mm。

4.根据权利要求1或2所述的通过导磁体尺寸优化提高感应加热装置性能的方法，其特征在于，导磁体所用材质为适用于高频交变电流的软磁性材料。

5.根据权利要求4所述的通过导磁体尺寸优化提高感应加热装置性能的方法，其特征在于，导磁体所用材质为Mn-Zn铁氧体。