硫化机电磁加热磁场分布的均匀性研究

王冠中，潘 星

（青岛科技大学 机电工程学院，山东 青岛 266061）

随着电磁加热技术在橡胶硫化机中的应用，其高效、节能、环保的优势不断体现出来[1-2]。但电磁加热硫化机使用过程中，由于电磁加热装置的圆环效应，热板中心会出现一块加热死区，其温度明显低于热板其他部分。在进行橡胶制品硫化时，热板上各部分的温度相差较大，可能会导致焦烧和过硫化现象。因此如何提高硫化机电磁加热装置所形成的温度场的均匀性，是当前面临的重大问题。

电磁硫化的加热原理是通电线圈产生的交变磁场在热板上形成涡流，由于热板具有一定的阻值，通过热板上的涡流热效应而实现对橡胶制品的硫化[3]。磁场是整个加热过程的能量场，分析加热过程中热板上磁场分布的均匀性对橡胶硫化工艺具有重要意义。

1 建模分析

以平板硫化机为例，采用横向磁通的加热方式，即将通电线圈（见图1）平放于热板下方，通过热板的热传导实现对橡胶模具的加热。

图1 通电线圈Fig.1 Energized coil

热板材料为45钢板，线圈材料为退火处理的紫铜。由于热板结构是关于中心对称的，因此只对线圈感应加热装置的1/4进行有限元建模。在分析模型所处的物理环境时[4]，采用PLANE53分析单元和二维谐波磁场进行仿真。模型的物理环境如表1所示。

表1 模型的物理环境Tab.1 Physical environment of model

在进行建模分析时，将空气和线圈的相对磁导率设置为1，并在模型的左侧施加磁力平行条件。线圈感应加热装置的几何模型与网络划分如图2所示。

图2 线圈感应加热装置的几何模型与网格划分Fig.2 Geometric model and meshing of coil induction heating device

线圈感应加热装置的磁感应强度等值云图如图3所示。从图3可以看出，线圈底部位置的磁感应强度最大，其次是热板的内部。这是由于热板材料的相对磁导率远远大于空气，使得空气中的磁场被吸收至热板内部，从而导致空气中分布的磁场较少。另一方面，在热板的中心处出现了一块磁感应强度为零的区域，即在此处没有产生磁场，涡流强度也为零，在加热过程中没有热量的产生[5]，这对于硫化结构复杂的制品来说，很难使其各部位在同一时间段内达到相同的温度，所以要改善热板上的磁场分布的均匀性，提高整体的加热效果。

图3 线圈感应加热装置的磁感应强度等值云图Fig.3 Magnetic induction intensity’s isonephogram of coil induction heating device

2 线圈结构优化

在电磁感应加热过程中，热板的中心处所形成的加热死区对于热板的整体加热效果有很大的负面影响。为了消除加热死区[6]，采用透热加热方式以提高温度场的均匀性。在线圈中心增加铁芯，减少空间磁漏，可以达到减小热板上的磁场死区、提高加热效果和均匀性的目的。

为确定增加铁芯对线圈感应加热装置磁感应强度分布的影响，制定了以下4种线圈结构方案：方案1为铁芯完全贯穿线圈；方案2为铁芯与线圈等高；方案3为铁芯位于热板部分；方案4为铁芯位于热板部分为圆台形。

增加铁芯的4种线圈感应加热装置结构如图4所示，通过仿真分析得到的相应磁感应强度分布如图5所示。

图4 4种线圈感应加热装置结构方案Fig.4 Structure schemes of 4 kinds of coil induction heating device structure

从图5可以看出：方案1铁芯完全贯穿线圈时，线圈感应加热装置所产生的磁感应热主要分布在增加铁芯的部分，在热板上所形成的磁场不满足加热条件；方案2铁芯与线圈等高时，热板上的磁感应强度分布与方案1相似，磁感应热也主要分布在铁芯部分；方案3铁芯位于热板部分时，热板上的磁感应强度分布较为均匀，磁感应强度最大点出现在铁芯部分，虽然热板的中心处还存在加热死区，但热板上的磁感应强度明显增大；方案4铁芯位于热板部分为圆台形时，线圈感应加热装置使热板上的磁感应强度分布的均匀性进一步改善，可降低后期集中热应力的影响。

图5 4种方案线圈感应加热装置的磁感应强度等值云图Fig.5 Magnetic induction intensity’s isonephogram of 4 kinds of coil induction heating device

线圈结构优化方案确定为方案4，该结构线圈感应加热装置在热板上所形成的磁场均匀性得到很好地改善[7]，在热板中心的磁感应强度明显增大，这意味着在此处所形成的涡流强度也会增大，最终表现为热板温度升高和热板温度分布较为均匀。

3 结论

电磁加热技术高效和节能的优势使其在诸多的加热方式中脱颖而出。在橡胶硫化领域，橡胶是热的不良导体，对硫化温度均匀性的要求较高。针对线圈感应加热装置加热过程中热板中心形成加热死区的问题，对线圈结构进行了优化，优化后的线圈铁芯位于热板部分，为圆台形，使热板上的磁感应强度和温度场分布较为均匀，提升了橡胶硫化质量。