Page 102 - 《橡塑技术与装备》2020年11期（6月上半月橡胶）

橡塑技术与装备（橡胶） CHINA RUBBER/PLASTICS TECHNOLOGY AND EQUIPMENT (RUBBER)

计算过程中忽略安培环路定律产生的位移电流，
并在麦克斯韦方程组中引入标量电势 ϕ 和矢量磁势
Aˊ，得到工件中涡流场电流密度 的复数形式 [12] 为：
J  = − ⋅ j ⋅ f σ ⋅ A − ′ σ ∇⋅ φ （8）

式中 ： f 为加热频率，Hz ； σ 为媒介电导率，S/m ；
Aˊ 为矢量磁势，Wb/m ； ϕ 为电势，V。
由此可见 ：电流密度的大小与加热频率、热板本
身的电导率、电势等因素相关。在电磁场仿真的过程
中，可以重点观测涡流损耗的情况，以表征热量的分
图 1 感应生热的基本原理 布。在实际加热过程中，随着温度的升高，热板材料
P = 3 × U × I （4） 的相对磁导率逐渐减小、电阻率增大，致使涡流强度

I 谐振 ≈(2~3)I 输入 （5） 减小，加热功率也随之减小。但是热板的最高温度不
得到电磁热板的参数，如表 1 所示。 会超过 180 ℃，整体温度水平相对较低，因此假定材
表 1 电磁热板参数 料的电阻率和相对磁导率保持恒定。
参数 数值 2.2 物理模型搭建及材料参数
电源的功率 /kW 7.5
线圈电流 /A 23~34.5 为了实现热板的均匀透入式加热，采用整体线圈
线圈横截面积 /mm 2 ≈10 加热模型，模型的直径为 1 213 mm，整体厚度为 28
线圈长度 /m 30~40
mm。使用 Solidworks 软件建立热板和整体线圈三维
电磁热板结构如图 2 所示，主要包括盖板、金属
模型，材料参数如表 2 所示。
基板和线圈三大部分。
表 2 材料参数
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部件 材料 相对磁导率 电导率（×10 Ω∙m）
线圈 铜 1 0.0175
金属基板 Q235 195 0.254
2.3 仿真方案的设计
感应生热过程中，热板的生热能力、热量分布的

均匀性、设备整体的磁滞损耗和热效率是线圈设计过
程中关注的重点。本文以理论计算的数值为基础，设
计了不同的线圈结构，探究不同电磁参数以及线圈造
型对热板磁场的影响规律。仿真的电磁参数如表 3 所
1—盖板 ； 2—金属基板 ； 3—线圈 示。
图 2 热板结构图
表 3 电磁参数
相关因素 数值
2 硫化机电磁热板磁场的有限元仿真 热板与线圈间距 根据线圈与热板之间的最小距离确定
线圈电流 /A 20 30 40
2.1 仿真过程以及假设 工作频率 /kHz 5 10 15 20 25
电磁热板中产生的热量 Q 为：
线圈长度的确定依据电源功率的选择和实际经
2
Q 产生 =I 涡流 Rt （6）
验，研究长度为 22 m、32 m 的线圈。线圈的造型设
其中电阻 R 为热板的阻抗，对于相同的热板，具
计根据热板加热的需要，设计有均匀分布、外疏内密、
有相同的电阻值。I 涡流 是在交变磁场中产生的，根据
外密内疏三种造型，具体结构如图 3 所示。
麦克斯韦方程组 ：
∇ (rH ,t ) = ∂ (rD ,t ∂ / ) t + (rJ ,t )
 3 电磁场仿真结果分析
 ∇ (rE
 ,t ) = −∂ (rB ,t ∂ / ) t （7） 3.1 电磁参数对电磁热板磁场分布的影响
ρ
 ∇ (rD ,t ) = (r ,t )
 ∇ (rB ,t ) = 0 （1）电磁热板磁场分布分析
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·46· 第 46 卷 第 11 期