Моделирование и проектирование электротехнических устройств с использованием программного комплекса ELCUT

РАСЧЕТ СОГЛАСУЮЩЕГО ТРАНСФОРМАТОРАНапряжение на индукторе U2 определяем по следующей формуле:где: Рпол = I2Z = 106 0.004 = 4 кВт – суммарная мощность тепловыделений во всех слоях заготовки в наиболее загруженном режиме [Вт] по данным интегрального калькулятора программы Elcut (Z = 0.004 Ома); Р = I2R = 106 0.002 = 4 кВт – мощность джоулевых потерь в индукторе [Вт] (R = 0.002 Ом);Рэ = 0 – суммарные потери в экране [Вт] отсутствуют при использовании предложенного профилированного индуктора;kз = (1.1 – 1.2) – коэффициент запаса, учитывающий потери в токоподводах;cosu= R/Z = 0.002/0.004 = 0.5 – коэффициент мощности индуктора, который определен с помощью мастера импеданса для наиболее загруженного режима;Iи = 1000 А – ток индуктора, который задается изначально и остается постоянным весь период нагрева [A].Тогда имеем: U2 = 6200/(10000.5) = 12.4 В;Коэффициент трансформации определяем как:Ктр = U1/U2 = 513/12.4 41где: U1 = 513 В – первичное напряжение трансформатора для всех вариантов.Ток в первичной обмотке:I1 = Pu/(U1cosu) = 6200/(5150.5) = 24 A;где: Pu = Pпол + kз(Pu + Pэ) – суммарная потребляемая мощность в наиболее загруженном режиме [Вт]. Число витков в первичной обмотке w1 = w2Kтр = 41.где: w2 = 1 – число витков во вторичной обмотке согласующего трансформатора для всех вариантов. ВЫРАВНИВАНИЕ ПРОФИЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫПО ДЛИНЕ ДЕТАЛИ ПОД ИНДУКТОРОММоделирование показало, что под индуктором имеется существенная разница температуры обрабатываемой детали от центра индуктора к его периферии, что связано, как уже сказано ранее, с оттоком тепла в холодные зоны необрабатываемого металла детали. Если общий уровень потока энергии от индуктора к детали проще всего можно регулировать величиной тока индуктора, то локальное распределение температуры требует отдельного рассмотрения. Можно применять электромагнитные экраны для закрытия участков детали, нагрев которых нежелателен. Экраны в виде короткозамкнутых витков из хорошо проводящей меди можно устанавливать между индуктором и заготовкой. Толщина такого экрана должна превышать глубину проникновения тока на заданной частоте. Кроме того, можно регулировать локальную температуру изменением зазора между индуктором и деталью, в частности с помощью профилированного индуктора. Для подтверждения такой возможности проведен численный эксперимент, описанный ниже. На рисунке 17 приведены результаты моделирования распределения температуры под индуктором в зависимости от величины зазора. Рис. 17. Профиль температуры вдоль образующей детали на глубине 1.5 мм после пробного нагрева в течение 2-х секунд с током индуктора 0.3 кА. Слева – зазор между деталью и индуктором – 2 мм, справа – зазор 3 мм. Ясно видно, что справа температура ниже, чем слева, то есть величина зазора влияет не температуру образца. Моделирование показало эффективность профилированного индуктора, показанного вПриложении_Б, у которого температура детали на периферии будет подниматься за счет уменьшения зазора. ЗАКЛЮЧЕНИЕВ данной работе выполнено математическое моделирование процесса закалки цилиндрической детали токами высокой частоты, с помощью комплекса связанных задач расчета магнитного поля переменных токов и нестационарной теплопередачи. В результате показано, что за 15 секунд при токе индуктора 1 кА можно достичь требуемой температуры 750С. При этом будут выполнены требования по однородности температуры по длине нагреваемого участка. Полученные знания будут востребованы как в будущей профессиональной деятельности, так и на этапе подготовки выпускной квалификационной работы. ЛИТЕРАТУРАELCUT. Моделирование двумерных полей методом конечных элементов. Версия 4.2. Руководство пользователя. СПб.: Производственный кооператив ТОР, 2000. 130 с. ELCUT. Моделирование двумерных полей методом конечных элементов. Версия 5.5. Руководство пользователя. СПб.: Производственный кооператив ТОР, 2007. 298 с.http://thermalinfo.ru/svojstva-materialov/metally-i-splavy/teploprovodnost-stali-i-chuguna-teplofizicheskie-svojstva-stalihttp://thermalinfo.ru/svojstva-materialov/metally-i-splavy/teploemkost-staliБабат Г. И. Индукционный нагрев металлов и его промышленное применение/И. Бабат. Л. Энергия, 1965. 522 с. Лозинский М. Г. Промышленное применение индукционного нагрева/ М. Г. Лозинский. М. : АН СССР, 1958. 472 с. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи: учебник для студентов электротехнических, энергетических и приборостроительных специальностей вузов. М. :Высш. шк., 1978. 528 с. ПриложенияА. Размеры и вид заданной деталиРис. 18. Размеры образца (вала): D1 = 40 мм; D2 = 10 мм; a = 10 мм. Рис. 19. Внешний вид нагреваемой детали – вал-шестерня. Рис. 20. Индуктор, нагревающий деталь.