电磁炉加热水分析—电磁 热 结构耦合分析

电磁炉加热水分析—电磁热结构耦合分析

ANSYS作为一个强大的耦合场分析软件，其多个场的模拟分析可以很好的结合，下面以电磁炉加热一碗水为例，模拟耦合场的经典应用. 注意：模拟中用到的分析数据：电磁线圈频率、电流、线圈圈数、导线面积、电流密度、材料参数和散热系数等相关分析均为假设数据，真实数据请查阅相关资料或根据产品性能添加。

图1 耦合场分析

实例介绍：

电磁炉是应用电磁感应原理对食品进行加热的。电磁炉的炉面是耐热陶瓷板，交变电流通过陶瓷板下方的线圈产生磁场，它利用高频的电流通过环形线圈，从而产生无数封闭磁场力，当磁场那磁力线通过导磁（如：铁质锅）的底部，会产生无数小涡流（一种交变电流，家用电磁炉使用的是15-30KHZ的高频电流），使锅体本生自行高速发热，达到加热食品的目的。

图2电磁炉加热基本原理

1.分析模型介绍

模型建立为一个底部圆环模拟线圈，其上一个平板模拟陶瓷板，其上铁碗，碗中半碗水，为了便于后续的分析，将模型分割为对称的4个部分如图所示

图3 分析模型

2.分析过程：

在Workbench中建立耦合场的分析模块，使用Magnetostatic建立磁场分析模块，使用瞬态热分析模块读取磁场分析的功耗，查看水升温的时间，建立结构分析模块读取热分析的温度分布，来获取结构相关的结果。

图4 Workbench耦合场分析流程

2.1电磁场分析

底板线圈使用电流密度添加电流模拟线圈电流，这样在线圈上不会产生涡流效应导致的电流分布不均匀现象，其值为 I=单根导线电流*线圈圈数/线圈截面积，由于线圈为高频交流电，根据电磁理论在碗底的铁质体上产生涡流，靠涡流生成的电流来加热碗底，并可以读取相应的热生成功率。

分析中注意的事项：

1）加载电流密度的圆环模型要建立圆心的圆柱坐标系，将其模型坐标系为圆柱坐标系，Y轴为圆环的圆周方向，模拟电流的流向。

2）静态磁场分析默认为117单元，是不产生涡流效果的，可以更改模型的单位类型关键字，将碗底的模型单元更改为117,1单元，或者更改为236单元，设置相应的关键字。

分析中加载电流密度并设置为谐波分析：

bfe,conductor,js,2,current_density ！加载电流密度

！高频求解

/solu

anty,harm

harfr,30000

solve

底盘线圈的电流密度结果如图所示，

图5 底盘线圈电流密度图6涡流效果电流密度

图7 碗底涡流密度图8 涡流效果热生成率

读取热生成功率，获取相应的功率结果为155W。

/post1

set,1

cmsel,s,steel

powerh

my_powerloss=PAVG

2.2瞬态热分析

加载瞬态热分析模块Transient Thermal，链接磁场分析的网格部分，打开瞬态热分析模块，这样会读取相应的网格模型和材料设置，需要抑制掉空气部分。

在瞬态热分析中设置相应的分析时间长度为600s，步数为600步，设置相应的散热系数，如图所示将插入commands命令，读取磁场生成的热结果

ldread,hgen ！读取热结果

加热碗的最大温度的温升曲线如图所示，600s时刻的温度分布结果如图所示，

图9 设置散热系数图10 温度随时间变化曲线

图11 碗底温度图12 碗整体温度

2.3结构分析

加载结构模块structural，链接磁场分析的网格部分，打开后读取磁场分析相应的网格模型和材料设置，同样需要抑制掉空气部分。设置好边界条件之后读取上一步的热生成的温度，根据相应的材料参数可以获取碗的膨胀变形量和应力分布情况，如图所示

读取温度分布载荷

ldread,temp

图13 碗应力分布图14 碗变形分布

图15 碗变形分布

Workbench作为一个分析平台可以将多个独立的物理场很好的耦合

到一起，很好的解决多电磁场、热、结构以及流体等物理场的耦合计算。

多物理场分析能够更全面的展示一些设备的多个输入因素导致的相

互作用，电磁炉的耦合场分析可以应用于模拟淬火加热零件、电机受力、双金属片弯曲等相关的电、热和结构耦合的分析，能够获取相关

的温度、变形、线圈参数等需要的关键数据。

另外workbench的多物理场仿真能够更好的共享模型和模型网格，

通过读取载荷能够更好的匹配热、力等载荷数据，使计算快速准确，

使仿真能够显著的减少实验次数，提高准确度，并缩短产品开发时间。