基于ANSYS模拟感应线圈在塑料挤出机料筒产生涡流的研究

董林福，赵仁璞，张小玲

（沈阳化工大学机械工程学院，辽宁 沈阳 110142）

基于ANSYS模拟感应线圈在塑料挤出机料筒产生涡流的研究

董林福，赵仁璞*，张小玲

（沈阳化工大学机械工程学院，辽宁 沈阳 110142）

针对塑料挤出机线圈感应加热装置内交变电流产生的磁场、涡流场问题的研究。建立电磁感应加热装置的有限元模型，并运用ANSYS软件模拟加热装置内线圈在通入交变电流时，挤出机料筒内电磁场、涡流场的变化规律，从而得出线圈内源电流与机筒内涡流的关系曲线。

塑料挤出机；料筒；感应加热；ANSYS

塑料挤出机是塑料挤出成型的主要设备，塑料挤出机工作时要对料筒进行加热，以促进物料的熔融塑化。塑料挤出机以往的加热方式大都采用电阻丝加热，这种方法热效率差，能耗损失大。目前有的生产单位将电磁线圈感应加热技术应用到塑料挤出机上，电磁线圈感应加热是一种新型的加热方式，具有加热速度快、节能、无污染等优点［1］，提高了挤出机的性能和生产效率。但电磁线圈感应加热技术在塑料挤出机上的应用，还处于起步阶段，其相关参数对塑料挤出机料筒加热性能的影响，在理论过上研究的较少。本文应用ANSYS分析软件，对塑料挤出机料筒的电磁感应加热情况进行模拟，得出了料筒中涡流的分布状态和电流与涡流强度的关系，为工程设计提供参考。

1 模型建立

以SJ—50塑料挤出机为例，建立如图1所示的物理模型。其中挤出机料筒内径50 mm，外径120 mm，料筒材料为碳钢45；线圈内径122 mm，外径140 mm，线圈丝直径40 mm；线圈中加载的正弦电流：NI=4 200安匝；电流频率f=1 000 Hz，线圈电流密度Js=NI / A；料筒初始温度25 ℃，环境温度25 ℃；碳钢45在常温时的性能参数［2］：相对磁导率μ=200，电阻率ρ=15.33×10-8Ωm；空气和线圈的相对磁导率均为1。取出长度为300 mm的加热装置进行有限元分析。

图1 塑料挤出机感应加热示意图

2 ANSYS分析

2.1 网格划分

对取出段加热装置网格划分，将材料各属性添加到有限元模型中。线圈、机筒、空气均选择SOLID97单元类型［3］，线圈和机筒单元边长均为5 mm，六面体，扫掠划分网格。空气单元边长10 mm，四面体，自由划分网格，划分网格后的有限元模型如图2所示。

2.2 加载模拟

加载经计算后的线圈电流密度Js=1×106 A/m2，电流频率f=1 000 Hz载荷求解。查看后处理得到感应线圈通入交变电流时线圈在空间中产生的磁感应强度B的云图分布如图3所示。

图2 有限元分析模型

图3 磁感应强度B云图分布

线圈在机筒中产生的磁感应强度BSUM如图4所示。在机同外表面任取出一微小单元，求得单元节点BSUM变化曲线图5所示。

图5中可以看出微小单元节点BSUM周期性变化与线圈内交变电流变化率相吻合，曲线中BSUM最大值为0.93，节点曲线的变化表明了机筒上任意处节点BSUM的变化。

模拟不同频率：f=1 000 Hz，f=2 000 Hz下线圈在机筒内产生的磁感应强度如图6所示。

图6中（a）、（b）两图分别是在f=1 000 Hz和f=2 000 Hz下机筒内产生磁感应强度的变化规律，在f=1 000 Hz时机筒内最大的磁感应强度B为0.59118 T，在f=2 000 Hz时机筒内最大的磁感应强度B为0.31613 T。由图6（a）、（b）可知在相同条件下增大线圈内交流电流的频率，交变线圈在机筒内产生的磁场强度随之减小。

图4 机筒 BSUM图

图5 BSUM曲线

不同频率下查看线圈中交变电流在机筒内的产生的涡流分布如图7所示，涡流最大处分布于机筒的表面。

图7可知涡流在金属内非均匀分布，金属工件表面最大。在相同条件下只增大频率，交变线圈在机筒内产生的涡流密度也随之增大，说明改变线圈内频率直接影响涡流的大小。

在给定线圈中通入交变电流为I=4 sin（ωt）时线圈源电流IS与机筒涡流IE关系如图8所示。

图6 机筒内感应强度B分布

由源电流IS和机筒涡流IE曲线可知交变线圈引起的涡流变化与源电流的变化规律相统一，涡流方向与源电流的方向相反。

2.3 模拟结果分析

通过ANSYS模拟分析结果可以看出，电磁感应加热装置在机筒内产生的涡流分布是不均匀的（这是由于渗透深度引起的集肤现象所引起的），磁感应强度随频率的增加而减小，涡流大小随频率的增大而增大，对电磁感应感应加热而言，涡流的大小决定金属工件升温的效果，对于感应加热装置一定的加热系统，可通过改变频率来改变加热的效率。外部电流随时间按正弦规律变化时，机筒内场强以相同频率进行变化。

图7 涡流密度分布云图

图8 源电流IS与机筒涡流IE曲线

3 结语

本文运用ANSYS有限元分析软件对线圈在机筒内产生的涡流进行模拟分析，直观的反应出机筒内的磁感应强度B和涡流密度大小和分布。模拟了不同频率下线圈在机筒内磁场和涡流场的变化，结果显示：增大线圈内交流电流的频率，线圈在机筒内产生的磁场强度随之减小；机筒内涡流密度随交流电流频率的增加而增加。

对塑料挤出机而言，其料筒的温度变化是人们所关心的问题，本文所得出的结论，可以为进一步研究电磁感应加热的相关参数对料筒的温升变化情况，提供理论基础。

［1］ 付正博. 感应加热器（炉）的设计与应用［M］. 北京：机械工业出版社，2008：11～23.

［2］ 常士家. 注射机料筒电磁感应加热温度数学模型及数值模拟的研究［D］. 北京：北京化工大学，2010：11～36.

［3］ 胡仁喜. 电磁学有限元分析入门到精通［M］. 北京：机械工业出版社，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，主要从事高分子材料加工机械的教学与研究。

2015-04-16

*为通讯作者。