基于ANSYS模擬感應線圈在塑料擠出機料筒產生渦流的研究

董林福，趙仁璞，張小玲

（沈陽化工大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110142）

基于ANSYS模擬感應線圈在塑料擠出機料筒產生渦流的研究

董林福，趙仁璞*，張小玲

（沈陽化工大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110142）

針對塑料擠出機線圈感應加熱裝置內交變電流產生的磁場、渦流場問題的研究。建立電磁感應加熱裝置的有限元模型，并運用ANSYS軟件模擬加熱裝置內線圈在通入交變電流時，擠出機料筒內電磁場、渦流場的變化規律，從而得出線圈內源電流與機筒內渦流的關系曲線。

塑料擠出機；料筒；感應加熱；ANSYS

塑料擠出機是塑料擠出成型的主要設備，塑料擠出機工作時要對料筒進行加熱，以促進物料的熔融塑化。塑料擠出機以往的加熱方式大都采用電阻絲加熱，這種方法熱效率差，能耗損失大。目前有的生產單位將電磁線圈感應加熱技術應用到塑料擠出機上，電磁線圈感應加熱是一種新型的加熱方式，具有加熱速度快、節能、無污染等優點［1］，提高了擠出機的性能和生產效率。但電磁線圈感應加熱技術在塑料擠出機上的應用，還處于起步階段，其相關參數對塑料擠出機料筒加熱性能的影響，在理論過上研究的較少。本文應用ANSYS分析軟件，對塑料擠出機料筒的電磁感應加熱情況進行模擬，得出了料筒中渦流的分布狀態和電流與渦流強度的關系，為工程設計提供參考。

1 模型建立

以SJ—50塑料擠出機為例，建立如圖1所示的物理模型。其中擠出機料筒內徑50 mm，外徑120 mm，料筒材料為碳鋼45；線圈內徑122 mm，外徑140 mm，線圈絲直徑40 mm；線圈中加載的正弦電流：NI=4 200安匝；電流頻率f=1 000 Hz，線圈電流密度Js=NI / A；料筒初始溫度25 ℃，環境溫度25 ℃；碳鋼45在常溫時的性能參數［2］：相對磁導率μ=200，電阻率ρ=15.33×10-8Ωm；空氣和線圈的相對磁導率均為1。取出長度為300 mm的加熱裝置進行有限元分析。

圖1 塑料擠出機感應加熱示意圖

2 ANSYS分析

2.1 網格劃分

對取出段加熱裝置網格劃分，將材料各屬性添加到有限元模型中。線圈、機筒、空氣均選擇SOLID97單元類型［3］，線圈和機筒單元邊長均為5 mm，六面體，掃掠劃分網格。空氣單元邊長10 mm，四面體，自由劃分網格，劃分網格后的有限元模型如圖2所示。

2.2 加載模擬

加載經計算后的線圈電流密度Js=1×106 A/m2，電流頻率f=1 000 Hz載荷求解。查看后處理得到感應線圈通入交變電流時線圈在空間中產生的磁感應強度B的云圖分布如圖3所示。

圖2 有限元分析模型

圖3 磁感應強度B云圖分布

線圈在機筒中產生的磁感應強度BSUM如圖4所示。在機同外表面任取出一微小單元，求得單元節點BSUM變化曲線圖5所示。

圖5中可以看出微小單元節點BSUM周期性變化與線圈內交變電流變化率相吻合，曲線中BSUM最大值為0.93，節點曲線的變化表明了機筒上任意處節點BSUM的變化。

模擬不同頻率：f=1 000 Hz，f=2 000 Hz下線圈在機筒內產生的磁感應強度如圖6所示。

圖6中（a）、（b）兩圖分別是在f=1 000 Hz和f=2 000 Hz下機筒內產生磁感應強度的變化規律，在f=1 000 Hz時機筒內最大的磁感應強度B為0.59118 T，在f=2 000 Hz時機筒內最大的磁感應強度B為0.31613 T。由圖6（a）、（b）可知在相同條件下增大線圈內交流電流的頻率，交變線圈在機筒內產生的磁場強度隨之減小。

圖4 機筒 BSUM圖

圖5 BSUM曲線

不同頻率下查看線圈中交變電流在機筒內的產生的渦流分布如圖7所示，渦流最大處分布于機筒的表面。

圖7可知渦流在金屬內非均勻分布，金屬工件表面最大。在相同條件下只增大頻率，交變線圈在機筒內產生的渦流密度也隨之增大，說明改變線圈內頻率直接影響渦流的大小。

在給定線圈中通入交變電流為I=4 sin（ωt）時線圈源電流IS與機筒渦流IE關系如圖8所示。

圖6 機筒內感應強度B分布

由源電流IS和機筒渦流IE曲線可知交變線圈引起的渦流變化與源電流的變化規律相統一，渦流方向與源電流的方向相反。

2.3 模擬結果分析

通過ANSYS模擬分析結果可以看出，電磁感應加熱裝置在機筒內產生的渦流分布是不均勻的（這是由于滲透深度引起的集膚現象所引起的），磁感應強度隨頻率的增加而減小，渦流大小隨頻率的增大而增大，對電磁感應感應加熱而言，渦流的大小決定金屬工件升溫的效果，對于感應加熱裝置一定的加熱系統，可通過改變頻率來改變加熱的效率。外部電流隨時間按正弦規律變化時，機筒內場強以相同頻率進行變化。

圖7 渦流密度分布云圖

圖8 源電流IS與機筒渦流IE曲線

3 結語

本文運用ANSYS有限元分析軟件對線圈在機筒內產生的渦流進行模擬分析，直觀的反應出機筒內的磁感應強度B和渦流密度大小和分布。模擬了不同頻率下線圈在機筒內磁場和渦流場的變化，結果顯示：增大線圈內交流電流的頻率，線圈在機筒內產生的磁場強度隨之減小；機筒內渦流密度隨交流電流頻率的增加而增加。

對塑料擠出機而言，其料筒的溫度變化是人們所關心的問題，本文所得出的結論，可以為進一步研究電磁感應加熱的相關參數對料筒的溫升變化情況，提供理論基礎。

［1］ 付正博. 感應加熱器（爐）的設計與應用［M］. 北京：機械工業出版社，2008：11～23.

［2］ 常士家. 注射機料筒電磁感應加熱溫度數學模型及數值模擬的研究［D］. 北京：北京化工大學，2010：11～36.

［3］ 胡仁喜. 電磁學有限元分析入門到精通［M］. 北京：機械工業出版社，2013.

Study of thevortex of induction coil in a plastic extruder barrel based on ANSYS simulation

Study of thevortex of induction coil in a plastic extruder barrel based on ANSYS simulation

Dong Linfu， Zhao Renpu， Zhang Xiaoling
（School of Mechanical Engineering， Shenyang University of Chemical Technology， Shenyang 110142， Liaoning， China）

This paper studies the magnetic f eld and the vortex f eldgenerated by alternating current in the induction heating coil device of the plastic extruder. The paper builds a finite element model of the electromagnetic induction heating device， and uses the ANSYS software to simulatevariations of magnetic f eld and vortex f eld in the barrel when the coil is energized by alternating current， so as to arrive the relation curve of the source current in the coil and the vortex in the barrel.

plastic extruder； barrel； induction heating； ANSYS；

TQ320.66 TG155.2+1

1009-797X （2015） 16-0001-04

A

10.13520/j.cnki.rpte.2015.16.001

董林福（1957-），男，教授，主要從事高分子材料加工機械的教學與研究。

2015-04-16

*為通訊作者。