5 Исследование поперечного (краевого) эффекта в загрузке прямоугольного поперечного сечения

Цель: исследование краевого эффекта и выбор рациональной частоты.

Исследуем краевые эффекты для системы с параметрами, приведенными в таблице 10. Для этого проведем двухмерный расчетпри различных частотах, определив распределение мощности по ширине пластины и другие характеристики.

При повышении частоты поверхностный эффект становится более ярко выраженным, электрический КПД соответственно при этом повышается, однако при частотах выше 4000 Гц значительно не изменяется. Также при повышении частоты, следовательно, растет перепад температур между поверхностью и центром заготовки. Результаты расчета сведены в таблицу 11.

Таблица 10 – Параметры индукционной системы для исследования краевого эффекта

Заготовка	XInt., см	XExt., см		l2, см		b2, см		Материал		T, °C
	0	1,2		36		8		Steel 1040		20
Индуктор	X1, см	W1		l1, см		b1, см		ТрубкаT×A×d, см		
	2,1	11		36		15		2,8×2×0,15		0.8
Теплоизоляция	Layer 1						Layer 2
	Chamotte 0.1 cm						Chamotte 0.1 cm
Процесс	f, Гц		Pind, кВт		t, с		Охлаждение		Стадия	Tmed, °C
	var		82		67		Natural		1 – heating	20

Таблица 11 – Результаты расчетов

f, Гц	2 (t= … с)		2X2/2 (t= … с)			к.п.д., %				Tпов-центр, °C		Q, кВт·ч/т
	0	67	0	67	electr		therm	total
1000	0,1	0,59	24	4.068	0,70		0,92	0,66	50		200
2400	0,06	0,58	40	4.138	0,83		0,93	0,78	82		232,4
4000	0,04	0,57	60	4.211	0,85		0,93	0,8	82		237,83
6000	0,03	0,56	80	4.286	0,86		0,96	0,8	85		239,64
8000	0,027	0,54	88.89	4.444	0,86		0,93	0,8	88,5		240,24

Рассмотрим распределение различных параметров в заготовке при частотах 1000 и 8000 Гц. По рисунку 16 видно, что распределение плотности тока по толщине заготовки в отличие от немагнитного материала, отличается от экспоненциальной, из-за неравномерного распределения магнитных свойств по глубине заготовки.

Зависимость глубины проникновения от времени нагрева также значительно отличается от зависимости в немагнитных заготовках (Рисунок 17). Это из-за того, что в магнитных материалах величина магнитной проницаемости не остается постоянной, а зависит от температуры и напряженности магнитного поля. В нашем случае при частоте 1000 Гц, в момент времени примерно 30-35 секунд, температура достигает точки магнитных превращений, магнитная проницаемость при этом снижается, а глубина проникновения резко возрастает, в дальнейшем уменьшается.

Рисунок 16 – Плотность тока в заготовке в конце нагрева для 1000 Гц (слева) и 8000 Гц (справа)

Рисунок 17 – Эффективная глубина проникновения тока для 1000 Гц (слева) и 8000 Гц (справа)

Рассмотрим влияние краевых эффектов на нагрев заготовки. При частоте 1000 Гц в начале нагрева мощность на торце заготовки превышает значение мощности в средней части практически в 14 раз. Тоже самое при частоте 8000 Гц, однако превышение мощности гораздо выше, но зона краевого эффекта в этом случае меньше (Рисунок 18). Это значит, что в начале нагрева, будет происходить перегрев боковых кромок заготовки. Это вывод подтверждается цветовой картой на рисунке 19. После того, как заготовка теряет свои магнитные свойства, положительный краевой эффект сменяется отрицательным, и при дальнейшем разогреве на частоте 1000 Гц температура в средней части начинает превышать температуру на краях заготовки (Рисунок 20). Однако при частоте 8000 Гц температура по ширине распределяется гораздо равномерней, при том что перепад температур между поверхностью и центром заготовки увеличивается.

Рисунок 18 – Относительная удельная мощность по ширине заготовки для 1000 Гц (слева) и 8000 Гц (справа)

Рисунок 19 – Цветовая карта температуры для времени нагрева 2 с. Для 1000 Гц (слева) и 8000 Гц (справа)

Рисунок 20 – Цветовая карта температуры для времени нагрева 67 с. Для 1000 Гц (слева) и 8000 Гц (справа)

Можно сделать вывод, что с увеличением частоты краевой эффект в магнитной заготовке в начале нагрева будет провялятся сильней, и отношение мощности на краю к мощности в средней части будет достаточно большим, но при дальнейшем нагреве мощность по ширине выравнивается и распределение температуры становится более равномерным.