平板式电磁感应加热磁热耦合场数值模拟及应用研究

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1、平板式电磁感应加热磁热耦合场数值模拟及应用研究第1章绪论1.1课题研究的背景及意义电磁感应加热之所以能够在最近几年得到飞速发展，究其原因就是它节能环保、可控性强、效率高的特点，但是用于SMD行业的电磁感应加热系统控制技术目前国内还是应用的很少，为此对于研究板式感应加热温度的均衡性以及提高其高可靠性的控制技术研究具有重大的意义。本课题的出发点就是平板式感应加热在SMD领域的应用。传统的SMD焊接技术加热焊料是通过电热管加热空气，然后热空气回流使得整个空间温度上升，焊料融化完成焊接。虽然电热管发热效率较高，但是在回流加热过程热能耗散严重，这就导致了传统回流焊的加热效率偏低。对比

2、各种加热方式，感应加热脱颖而出。尽管在电能-磁能-热能的一系列转化过程中伴随着能量损耗，但是整体转化率很高。本课题采用的平板式感应加热的加热部分铁板，在交变磁场中感生出涡流，在平板上直接产生热量，热效率极高。同时，加热的时候是平板与焊板直接接触，利用热交换来加热焊料，而热交换的热效率明显高于回流焊中的热对流。这些因素综合起来，平板式感应加热的热效率是会大大的高于传统回流焊的热效率。所以，对平板式感应加热研究并将其应用于SMD行业就显得非常有意义。但是，在实际的研究过程中，平板式感应加热存在一系列问题，突出问题如下：1．线圈磁场分布未知，线圈的拓扑结构和平板会改变磁场的分布状

3、况。2．平板式感应加热热均衡性很差，存在加热死区，而SMD加热领域对热均衡性的要求很高。3．需要对平板式感应加热的效率问题深入研究，以找到热均衡性与热效率兼具的最佳方案。4．由于平板内部的热传导作用，温度的改变存在滞后性，同时平板热容量对温度的升高与降低影响很大，所以随动性的研究对于平板式感应加热的精确控制意义重大。..1.2电磁感应加热技术国内外发展的历史与现状在十九世纪，在法拉第提出电磁感应定律以后，人们在生产实践中发现了交变的电流会使导体发热，最初工程师们深入研究感应加热是为了减少由感应电流产生的热量，随着研究的深入，工程师们发现这也是一种热量的，能够满足人们对热量的

4、需求。于是，在十九世纪末，由两位牛津大学的学着提出了对后世研究电磁感应加热有深远影响的涡流理论，这也为电磁感应加热的研究打开了一扇窗。结合电磁感应定律，科学家们先后揭示了感应加热中诸如集肤效应、圆环效应、邻近效应等非常重要的现象。到了二十世纪中叶，随着电力电子技术的飞速发展，电磁感应加热迎来了发展的春天。二十世纪六十年代至十年代后期，伴随着瑞典、西德等国使用晶闸管在感应设备上的不断研究，以晶闸管为主要开关器件的感应加热设备开始占领市场，拉开了现代电磁感应加热发展的序幕。由此开始，电磁感应加热技术开始逐渐渗透到化工、铸造、造船及军事等领域。据统计，美国1967年的时候，感应加

5、热设备占总加热设备的25%，前苏联和日本的不断推广也使他们的这个数字在1980年前后达到50%和35%，而此时的德国已经开始研究感应加热技术与其他加热技术的结合[1,2]。之所以感应加热能够获得如此飞速的发展，原因就在于它是热处理中自动化程度高、效率高、能耗最低的热处理技术,其特点是加热速度快,氧化脱碳少,工件变形小,无污染,易于实现局部加热和连续加热,便于实现机械化、自动化。中频或超音频感应加热依靠电源的交变电流在导体上感应出涡流，由导体本身产生热量。目前工业上感应加热多以线圈缠绕在料筒之上的形式广泛应用在拉丝机、吹膜机、造粒机、注塑机、挤塑机、热塑性塑胶管材、型材生产等

6、加热领域。第2章电磁场理论及感应加热技术2.1电磁场基础理论在计算电磁场时，一般是很难得到所要求解问题的解析解。这就需要用数值解法来求解，注意求解的时候必须有确定的边界条件和初始条件并基于具体情况。常用方法如下：1.有限差分法此法应用最早，从五十年代出现以来，这种方法的主要特点就是简单、清晰和直观晰但是在自动化处理方面偏弱，尽管如此，它还是在当时得到大范围使用。使用这种方法需要完全处理边界条件，而且对边界和介质复杂的情况处理困难。2.积分方程法此法需要对中源区离散且基于Maxu;的下降造成了涡流强度的减小，这样就会导致交界处温度提升极快，从而失磁层就会不断向工件的纵深移动，

7、直到热态透入深度为止，这就是在加热前半段的透入式加热[18]。..第3章线圈磁场分布对平板加热的影响........163.1感应加热线圈磁场分布的表示.........163.2圆环电流及感应加热线圈磁场的分布趋势.......193.2.1圆环电流磁场的仿真......193.2.2感应加热装置磁场的仿真....223.3感应加热线圈磁场的分布对平板加热影响.....253.4本章小结.........31第4章平板涡流分布与均衡加热关系的分析......324.1涡流分布的初步研究涡旋电场分布特性......